Способ работы универсальной энергетической газотурбинной установки Российский патент 2022 года по МПК F02C7/10 

Предлагаемое техническое решение относится к способам работы лопастных тепловых машинам с косвенным нагревом рабочего тела, предназначенных для преобразования тепловой энергии в полезную механическую, на тепловых электростанциях, потребляющих любой вид топлива, включая и твердый, а также атомных, в которых используются реакторы на быстрых нейтронах, или другие с достаточно высоким уровнем температуры теплоотвода из активной зоны реактора.

Из известных энергетических газотурбинных установок наибольшее распространение в настоящее время получили бинарные парогазотурбинные установки [Зысин Л.В. Парогазовые и газотурбинные установки. Изд. Санкт-Петербургского политехнического института, 2010], в которых топливо сжигается в камере сгорания газотурбинной установки при высокой температуре, а тепло отработанного в газовой турбине рабочего газа является низкотемпературным источником тепловой энергии для паротурбинной установки. В них используются два рабочих тела и получение полезной механической энергии производится раздельно, путем расширения рабочего газа в газовой турбине и водяного пара в паровой турбине. В настоящее время практически все эксплуатируемые установки являются установками бинарного типа, в которых газотурбинная часть работает в соответствие с циклом Брайтона. КПД данных установок около 53%, в основном определяется температурой рабочего газа, состоящего из продуктов сгорания топлива в среде сжатого воздуха на входе в турбину. Максимальное КПД их не превышает 65%, достигается сжиганием топлива в жидком или газообразном виде в камере сгорания непосредственно перед входом в газовую турбину при температуре около 1800 К, что делает принципиально невозможным их применение в составе тепловых твердо топливных и атомных электростанций, максимальная температура в которых не более 120 K, тем более что в них источник тепла в виде котла или теплообменника имеет значительные габариты, размещен вне газовой турбины, и не допускается смешивание продуктов сгорания топлива или теплоносителя первого контура ядерного реактора с рабочим газом турбины. Вследствие этого на электростанциях указанного типа применяются только паротурбинные установки с внешним по отношению к турбине нагревом водяного пара. При этом максимальный КПД в случае тепловых электростанций достигается 47% и атомных 33%. В национальной энергетической программе Японии на 2020 г. предусмотрено в качестве решения задачи повышения эффективности угольных электростанций создание мощной парогазотурбинной установки, топливом которой являлся газ, полученный в результате газификации угля. Данная установка должна была достичь КПД 66% при температуре на входе в газовую турбину около 2000К. Сведения о ее создании отсутствуют. Очевидно даже в этом случае общий КПД с учетом потерь при газификации угля и транспортировки газа будет существенно ниже.

Задачей, которую автор решает предлагаемым способом работы универсальной энергетической газотурбинной установки, является создание единого способа работы установки, позволяющего осуществить максимально эффективное преобразование тепловой энергии полученной от любого источника тепла расположенного вне турбины, имеющего сравнительно низкую температуру, реализацию как разомкнутого так и замкнутого циклов, использовать любой газ в качестве оптимально рабочего, сократить габариты и стоимость агрегатов путем повышения давления на входе в компрессор газотурбинной части установки, возможность реализации его совокупностью достаточно простых агрегатов, принципы действия и конструкция которых широко известны.

С этой точки зрения аналогами предлагаемого способа определены RU №2252323 и многоцилиндровые паротурбинные установки [Злобин В.Г. Паротурбинные установки тепловых и атомных электростанций. Высшая школа технологии и энергетики. Санкт-Петербургский Государственный университет промышленной технологии и дизайна. Санкт-Петербург, 2020].

В RU №2252323 описана парогазотурбинная установка бинарного типа подобная широко известным, в которой компрессор для сжатия поступающего из вне воздуха, входящий в состав газотурбинной части, выполнен в виде двух раздельных компрессоров низкого и высокого давления, между которыми производится охлаждение сжатого воздуха. Однако это не только не приводит к повышению КПД, но даже незначительно снижает его, а полезный эффект состоит в повышении удельной мощности. В качестве аналога также рассмотрена многоцилиндровая паротурбинная установка, в которой применяется межцилиндровый промежуточный нагрев для устранения конденсации водяного пара при его расширении в паровой турбине, которая используется на атомных электростанциях.

Наиболее близкий к предлагаемому способу работы, принятый в качестве прототипа, является способ работы газотурбинного двигателя, описанный в RU №2726861, основное преимущество которого обусловлено фактической реализацией цикла Эриксона, позволяющего достичь предельно высокий КПД, порядка 68% при температуре рабочего газа в турбине не более 1200К, в любом диапазоне мощностей, в отличие от известных наиболее современных парогазотурбинных установок имеющих температуру рабочего газа в турбине до 1800К и работающих с достаточно высоким КПД только при мощностях свыше 300 МВт.

В способе работы газотурбинного двигателя по RU №2726861 атмосферный воздух из окружающей среды сжимается до необходимого давления поступенчато охлаждаемым компрессором, работающим в режиме близком к изотермическому, поступает в теплообменник, где нагревается за счет теплообмена с отработанным в турбине рабочим газом, по выходу из которого нагретый сжатый воздух проходит через камеру догрева, в которой происходит дополнительный нагрев до заданной температуры за счет сгорания топлива поданного в сжатый воздух, после чего образовавшийся рабочий газ, состоящий из смеси продуктов сгорания и сжатого воздуха, поступает на вход турбины, в которой первоначально проходит через неподвижно установленную относительно корпуса турбины решетку, в которой в результате адиабатического расширения рабочий газ приобретает угловую скорость вращения равную угловой скорости вращения вала турбины, и перемещается в изотермическую часть турбины, состоящей из ряда последовательно установленных ступеней, каждая из которых в свою очередь образована из последовательно расположенных составляющих, в том числе неподвижно установленного относительно корпуса турбины блока форсунок, посредством которых производится подача топлива в количестве необходимом для реализации процесса расширения рабочего газа в данной ступени турбины, задано близкого к изотермическому, установленного жестко на валу турбины вращающего соплового аппарата, в котором рабочий газ ускоряется увеличивая свою кинетическую энергию в осевом направлении на величину равной тепловой энергии полученной им при сгорании топлива на входе в ступень, и установленных жестко на валу турбины радиально направленных аэродинамических профилей, посредством, которых кинетическая энергия движения рабочего газа при обтекании их преобразуется в полезную механическую в количестве равной тепловой энергии от сгорания топлива поданного в ступень на ее входе. При этом, количество топлива подаваемого в каждую ступень, степень расширения рабочего газа в каждой и количество ступеней в целом в данной части, взаимосвязаны условием достаточной близости процесса расширения рабочего газа к изотермическому заданием значения коэффициента изотермичности, в виде отношения механической энергии произведенной в целом в турбине при реальном расширении газа к аналогичной энергии произведенной в случае идеального изотермического процесса расптирения при равных в обоих случаях степенях расширения и температур на входе. Пройдя изотермическую часть турбины, окончательно расширенный рабочий газ направляется в активное рабочее колесо для преобразования энергии его вращения в полезную механическую, и далее по выходу из турбину поступает в теплообменник, где, охлаждаясь, нагревает сжатый компрессором воздух, после чего сбрасывается в окружающую среду.

Основными недостатками данного способа, исключающими его применение в газотурбинной части универсальной энергетической установки твердо топливных тепловых и атомных электростанций, является, прежде всего, отсутствие принципиальной возможности нагрева рабочего газа в источнике тепловой энергии вне турбины, а также необходимость обеспечения по ступенчатого охлаждения компрессора и достаточно большие размеры теплообменника.

Данные недостатки устраняются тем, что согласно предлагаемого способа работы рабочий цикл состоит из основного газотурбинного, близкого к замкнутому циклу Эриксона, и дополнительного, в качестве которого применен газотурбинный цикл Брайтона, рабочим газом которого является воздух окружающей среды, который нагревается теплом, выделенным за счет охлаждения отработанного в основном цикле рабочего газа. Подобно как в RU №2252323, в котором компрессор делится на две части, между которыми производится отбор тепла выделенного при сжатии, в предлагаемом способе работы газовая турбина основного цикла для реализации достаточно близкого изотермического процесса расширения делится на ряд последовательно гидравлически соединенных частей, и если условие достаточной изотермичности процесса полного расширения в турбине выполняется только при количестве частей больше единицы, то в многоцилиндровой паровой турбине, в целях исключения конденсации водяного пара при его расширении, отработанный в первой части газовой турбины рабочий газ направляется для нагрева до максимально возможной температуры во внешний по отношению к турбине источник тепловой энергии, после чего он подается на вход второй части газовой турбины и так далее. При этом количество частей турбины, степень расширения рабочего газа в каждой части газовой турбины, для обеспечения достаточной эффективности турбины в целом, определяется исходя из необходимого для этого значения коэффициента изотермичности всей турбины не менее 0,9. Задачей решаемой применением дополнительного цикла к основному является производство дополнительной механической энергии для компенсации повышения затрат на работу реального не охлаждаемого компрессора основного цикла, по сравнению с поступенчато охлаждаемым, предусмотренным в прототипе, за счет тепловой энергии полученной при дальнейшем после основного теплообменника охлаждении отработанного в основном цикле рабочего газа. В целях повышения компактности теплообменников основного цикла и других его агрегатов, а также для оптимизации свойств рабочего газа, предусмотрен в качестве основного замкнутый цикл, в котором путем повышения давления на входе в компрессор основного цикла возможно снизить необходимый при заданной мощности объемный расход рабочего газа в основном цикле. В отличие от прототипа, предлагаемый способ работы предусматривает отдельный нагрев сжатого рабочего газа основного цикла после его выхода из компрессора бросовым теплом продуктов сгорания топлива в источнике тепла.

Универсальная энергетическая установка, выполненная в соответствие с предлагаемым способом, работает следующим образом. Рабочий газ при заданных температуре и давлении поступает в компрессор, в котором адиабатически сжимается, далее направляется в теплообменник, в котором нагревается за счет бросового тепла с достаточным уровнем температуры, например выделенным при охлаждении продуктов сгорания топлива в источнике тепла размещенным вне газовой турбины или других ему подобных, и далее поступает в основной теплообменник, в котором сжатый рабочий газ нагревается в результате теплообмена с отработанным в газовой турбине рабочим газом, и по выходу из теплообменника имея температуру, незначительно ниже температуры отработанного рабочего газа на выходе из газовой турбины, направляется для окончательного нагрева до максимальной температуры в источник тепла. По выходу из источника тепла рабочий газ направляется в первую часть газовой турбины, в которой адиабатически расширяясь, производит механическую работу. Из первой части газовой турбины охлажденный в результате адиабатического расширения рабочий газ направляется в источник тепла, в котором повторно нагревается до максимальной температуры и далее поступает на вход следующей части газовой турбины, в которой также адиабатически расширяется до необходимого давления и так далее. Количество последовательно гидравлически соединенных частей турбины, обеспечивающих расширение рабочего газа до заданного давления, и соответственно промежуточных нагревов, определяется исходя из условия реализации необходимой величины коэффициента изотермичности для обеспечения достаточно эффективного процесса расширения в целом в газовой турбине. С выхода последней части газовой турбины отработанный рабочий газ перемещается в основной теплообменник, в котором охлаждается, нагревая, тем самым сжатый рабочий газ поступающий в основной теплообменник из теплообменника бросового тепла установленного на выходе из компрессора. По выходу из основного теплообменника отработанный рабочий газ направляется в теплообменник дополнительного цикла, в котором охлаждается, нагревая тем самым воздух из внешней среды, сжатый компрессором дополнительного цикла перед поступлением его в турбину дополнительного цикла, расширяясь в которой он производит полезную механическую энергию, после чего сбрасывается в окружающую среду, а охлажденный отработанный рабочий газ, в случае замкнутого основного цикла направляется в заключительный теплообменник для оптимизации температуры рабочего газа посредством теплообмена его со сторонним теплоносителем перед подачей его на вход в компрессор основного цикла, в случае разомкнутого цикла газотурбинной части установки сбрасывается в окружающую среду.

Автором выполнен расчет универсальной энергетической газотурбинной установки работающей в соответствии с предлагаемым способом в режиме замкнутого цикла. В качестве источника тепла принят топливный котельный агрегат, который обеспечивает нагрев рабочего газа до температуры 1200К за счет сгорания минерального топлива. Реальный характер процессов учтен принятием значения политропы сжатия 1,45 и политропы расширения 1,35, разностью температур на горячем конце основного теплообменника 10 градусов, величиной снижения давления вследствие гидравлических потерь в теплообменнике 0,1 атм. Степень сжатия основного компрессора принята равной 3, компрессора дополнительного цикла 2. Турбина основного цикла состоит из шести гидравлически последовательно соединенных частей, в каждой из которых степень расширения соответствует значению коэффициента изотермичности расширения в турбине не менее 0,95. На входе в основной компрессор температура рабочего газа, в качестве которого принят азот, равна 325 K, которая достигается охлаждением его водой в заключительном теплообменнике, на вход компрессора дополнительного цикла поступав воздух из окружающей среды, температура которой принята равной 300 K. Согласно расчету, в случае отсутствия бросового тепла, на вход в теплообменник дополнительного цикла поступает отработанный в основном цикле рабочий газ с температурой 465 K, выходит из него при 380 K. Установлено, что КПД такой установки составляет 65% в случае использования в качестве бросового тепло продуктов сгорания топлива в источнике тепла, количество которых принято 10% от массового расхода рабочего газа основного цикла, и снижается до 61,5% при их отсутствии, например, для атомной электростанции. По результатам проведенных расчетов установлено также, что КПД установки работающей в соответствие с предлагаемым способом превышает КПД наиболее современных паротурбинных установок при температуре нагрева в источнике тепла свыше 700К. Для сопоставления, в приведенных источниках максимальное КПД паротурбинной установкой достигает 47% при температуре нагрева 850K, предлагаемый способ работы газотурбинной установки позволяет получить КПД не менее 49%.

Из приведенных данных следует, предложенный способ работы универсальной энергетической газотурбинной установки, имея несколько меньший температурный уровень источников тепловой энергии, позволяет значительно повысить, по сравнению с современным мировым уровнем, эффективность преобразования тепловой энергии в полезную механическую для всех типов электростанций используя единый принцип организации процессов, дает возможность максимального применения уже разработанных и опробованных агрегатов, обеспечивая при этом оптимальную компоновку их в составе газотурбинных установок. Возможность работы, как в разомкнутом, так и в замкнутом циклах, позволяет не только использовать инертный газ в качестве оптимально рабочего в основном цикле, но и снизить гидравлические потери и проходные сечения посредством повышения давления на входе в компрессор, а также дает возможность применять в ряде случаев одни и те же агрегаты при разных мощностях, обеспечивая тем самым высокий уровень унификации.

Решение поставленной задачи выполнено в основном за счет оптимального сочетания основного цикла, за основу которого принят цикл Эриксона, и дополнительного в виде цикла Брайтона, работающего с использованием воздуха из окружающей среды, максимальная температура которого в дополнительном цикле близка к температуре сжатого рабочего газа на выходе из компрессора основного цикла, реализацией процесса расширения рабочего газа без изменения его химического состава в турбине основного цикла, достаточно близкого к изотермическому при нагреве рабочего газа в источнике тепла находящего вне турбины, регулированию мощности установки путем изменения давления рабочего газа на входе в компрессор основного цикла. Данное решение обладает существенными новизной и полезностью, необходимыми для признания его как патентоспособное изобретение способа работы универсальной энергетической газотурбинной установки, позволяющего с большой эффективностью заменить не только парогазовые, но и, в большинстве случаев, крайне дорогостоящие паротурбинные установки.

Способ работы универсальной энергетической газотурбинной установки, в основе которого лежит цикл Эриксона, при котором воздух внешней среды поступает на вход компрессора, сжимается и направляется в теплообменник для нагрева теплом отработанного в газовой турбине рабочего газа, далее дополнительно нагревается, направляясь в газовую турбину для расширения в процессе достаточно близком к изотермическому, при котором тепловая энергия преобразуется в механическую, с выхода турбины отработанный рабочий газ направляется в теплообменник, где отдавая свое тепло сжатому в компрессоре воздуху окончательно охлаждается, после чего удаляется из газотурбинной установки. При этом, рабочий газ, который в процессе всего цикла работы универсальной энергетической установки неизменен по химическому составу, подается при заданных давлении и температуре на вход компрессора основного цикла, после сжатия поступает в теплообменник для нагрева за счет тепла продуктов сгорания топлива в источнике тепла, после которого нагревается в основном теплообменнике за счет тепла отработанного в турбине основного цикла рабочего газа, далее нагревается до максимальной температуры в источнике тепла, энергия в который поступает в результате сгорания топлива или от контура охлаждения реактора, после чего рабочий газ подается на вход газовой турбины, состоящей из ряда последовательно гидравлически соединенных частей, в каждой из которых рабочий газ частично расширяется, вырабатывая механическую энергию, в промежутках между которыми рабочий газ после адиабатического расширения в предыдущей части направляется в источник тепла, в котором нагревается до максимальной температуры, после чего он поступает на вход в следующую часть, причем количество частей газовой турбины, степень расширения в каждой из них взаимосвязаны с общей степенью расширения в турбине основного цикла условием реализации достаточной изотермичности общего процесса расширения в турбине в виде значения коэффициента изотермичности, обеспечивающего необходимую эффективность установки в целом, после окончательного расширения до заданного давления в заключительной части турбины отработанный в газовой турбине рабочий газ поступает в основной теплообменник, проходя который охлаждается в результате теплообмена со сжатым в компрессоре рабочим газом, направляется для дальнейшего охлаждения в теплообменник дополнительного цикла, нагревая тем самым сжатый компрессором дополнительного цикла воздух из внешней среды, который после нагрева расширяется в турбине дополнительного цикла вырабатывая полезную энергию, после чего сбрасывается во внешнюю среду, замыкая тем самым дополнительный цикл, охлажденный рабочий газ направляется в заключительный теплообменник, в котором его температура в результате теплообмена с дополнительным теплоносителем достигает заданной величины, после чего при заданном давлении направляется в компрессор, замыкая тем самым основной цикл.

Существенными признаками универсальной энергетической газотурбинной установки, в которой реализован предлагаемый способ работы, является то, что основой рабочего цикла является реальный вариант цикла Эриксона, в котором рабочий газ, поступающий в неохлаждаемый компрессор при заданных температуре и давлении, адиабатически сжимается в нем до необходимого давления, поступает в теплообменник, где нагревается бросовым теплом, после чего направляется в основной теплообменник для нагрева его теплом отработанного в газовой турбине рабочего газа, далее направляется в источник тепла для окончательного нагрева до максимальной температуры, подается в первую часть газовой турбину, где рабочий газ, адиабатически расширяясь, производит механическую энергию. Из первой части газовой турбины, охлажденный в процессе расширения, рабочий газ направляется для нагрева до максимальной температуры в источник тепла, затем подается в следующую часть газовой турбины, в которой также адиабатически расширяется до необходимого давления, и так далее, расширяясь до заданного давления с промежуточным подогревом между частями турбины. При этом количество частей турбины и степень расширения в каждой определяется исходя из общей степени расширения рабочего газа в газовой турбине и величины коэффициента изотермичности турбины, обеспечивающего достаточную эффективность установки в целом.

С выхода последней части газовой турбины отработанный рабочий газ направляется в основной теплообменник, охлаждаясь в котором нагревает сжатый компрессором основного цикла рабочий газ, по выходу из которого, имея температуру выше, чем температура сжатого рабочего газа на выходе из теплообменника бросового тепла, установленного на выходе рабочего газа из компрессора основного цикла, направляется в теплообменник дополнительного цикла, где, охлаждаясь, нагревает сжатый компрессором дополнительного цикла воздух из внешней среды, который расширяясь адиабатически в турбине дополнительного цикла, производит полезную энергию, далее сбрасывается во внешнюю среду, а рабочий газ основного цикла с выхода теплообменника дополнительного цикла направляется в заключительный теплообменник для оптимизации его температуры, после чего подается на вход компрессора, замыкая тем самым основной цикл.

Отличительными существенными признаками предлагаемого способа работы, действительными во всех случаях является то, что рабочий газ неизменный по своему составу, при своем движении внутри установки при заданных температуре и давлении, поступает в неохлаждаемый компрессор, в котором адиабатически сжимается до необходимого давления, после чего направляется в первый теплообменник, в котором нагревается бросовым теплом продуктов сгорания топлива в источнике тепла, перемещается в основной теплообменник для дальнейшего нагрева в результате теплообмена с отработанным в газовой турбине рабочим газом, по выходу из него сжатый и нагретый рабочий газ подается в источник тепловой энергии, для окончательного нагрева до максимальной температуры, по достижению которой направляется на вход газовой турбины, производящую механическую энергию необходимую для работы компрессора и полезную для получения электроэнергии, состоящую из ряда последовательно гидравлически соединенных частей, в каждой из которых рабочий газ адиабатически расширяется до необходимого давления, по выходу из которых, за исключением последней, направляется во внешний источник тепла для последующего нагрева до максимальной температуры перед подачей в следующую часть газовой турбины, при этом количество частей газовой турбины, степеней расширения в каждой из них, соответственно промежуточных нагревов, определяется исходя из величины коэффициента изотермичности всего процесса расширения в газовой турбине, обеспечивающего достаточную эффективность всей установки в целом, после окончательного расширения в последней части до заданного давления отработанный в турбине рабочий газ направляется в основной теплообменник, в котором охлаждается, за счет теплообмена со сжатым рабочим газом, поступающим из компрессора, до температуры, которая выше температуры сжатого рабочего газа на выходе из теплообменника бросового тепла, далее по выходу из основного теплообменника отработанный рабочий газ поступает в теплообменник дополнительного цикла, охлаждаясь в котором нагревает сжатый компрессором этого цикла воздух из внешней среды, для его последующего адиабатического расширения с производством полезной энергией, и последующим сбросом во внешнюю среду. По выходу из теплообменника дополнительного цикла рабочий газ, поступает в заключительный теплообменник где, в результате теплообмена с дополнительным теплоносителем, приобретает заданную температуру, при которой, имея заданное давление, подается на вход компрессора, замыкая тем самым основной цикл.

Отличительными существенными признаками предлагаемого способа работы действительными в отдельных случаях является то, что при использовании замкнутого цикла в газотурбинной части установки регулирование ее мощности осуществляется изменением давления рабочего газа на входе в компрессор, то есть изменением массового расхода рабочего газа через компрессор. В качестве тепла для обеспечения работы теплообменника бросового тепла и заключительного теплообменника могут быть использованы любые источники тепловой энергии и теплоносители, имеющие достаточный температурный уровень.

Литература

1. Патент РФ №2094636 на изобретение «Способ работы газотурбинной установки (варианты) и газотурбинная установка» от 24.02.1993, МПК F02C 7/08.

2. Патент РФ №2086791 на изобретение «Газотурбинная установка» от 18.09.1992, МПК F02C 7/105.

3. Патент РФ №2137935 на изобретение «Газотурбинная установка и способ ее эксплуатации» от 07.04.1994, МПК F02C 6/00, F02C 3/14.

4. Патент РФ №2187674 на изобретение «Способ утилизации тепла отработанных газов газотурбинного двигателя» от 04.05.2000, МПК F02C 7/10.

5. Патент РФ №2252323 на изобретение «Бинарная парогазовая установка» от 30.12.2002, МПК F01К 23/10.

6. Патент РФ №2224901 на изобретение «Газотурбинная установка» от 31.05.2002, МПК F02C 7/10.

7. Патент РФ №2395703 на изобретение «Универсальная воздушно-турбинная энергетическая установка» от 25.12.2008, МПК F02C 3/20, F02C 7/10.

8. Патент РФ №2531110 на изобретение «Газотурбинная установка и установка, содержащая лопатки-форсунки (варианты)» от 29.06.2010, МПК F02C 3/14.

9. Патент РФ №2449144 на изобретение «Газотурбинная энергетическая установка с рекуперацией тепла» от 30.09.2010, МПК F02C 7/10.

10. Патент РФ №2579526 на изобретение «Способ конвертирования турбовального авиационного двигателя в наземную газотурбинную установку» от 02.07.2014, МПК F02C 3/04.

11. Патент РФ №2582373 на «Турбомашина с нагревом проточной части» от 10.06.2014, МПК F01D 25/08, F02C 7/12.

12. Патент РФ №2656769 на изобретение «Способ работы газотурбодетандерной энергетической установки тепловой электрической станции» от 13.04.2017, МПК F02C 6/00, F25B 1/00, F02C7/10.

13. Патент РФ №2661427 на изобретение «Двухконтурный турбореактивный двигатель» от 07.07.2017, МПК F02K 3/06

14. Патент РФ №2671264 на изобретение «Стехиометриченмкая парогазотурбинная установка» от 15.01.2018, МПК F01K 21/00, F02C 3/00.

15. Патент РФ №2702713 на изобретение « Газотурбинный двигатель» от 07.11.2018, МПК F02C 7/06, F02C 7/14.

16. Патент РФ №2726861 на изобретение «Способ работы газотурбинного двигателя и газотурбинный двигатель» от 28.02.2019, МПК F02C 7/10.

17. US 2008112794, (GENERAL ELECTRIC COMPANY), 15.05.2008.

18. Самойлович Г.С. Гидро-газодинамика. М., «Машиностроение», 1990, стр. 44-62.

19. Рудаченко А.В., Чухарева Н.В., Бойко С.С. Газотурбинные установки. Томский политехнический университет, 2008.

20. Зысин Л.В. Парогазовые и газотурбинные установки. Изд. Санкт-Петербургского политехнического института, 2010.

21. Иванов В.Л., Щеголев Н.Л., Скибин Д.А. Повышение эффективности двухконтурного турбовентиляторного двигателя введением промежуточного охлаждения при сжатии. - Известия высших учебных заведений. «Машиностроение», 2014, №11, с. 75

22. Мураева М.А., Харитонов В.Ф., Горюнов И.Н. Оценка эффективности горения в межлопаточном канале турбины для реализации изотермического расширения. - Вестник - Уфимского авиационного технического университета. Т. 19. №2, 2015.

23. Злобин В.Г. Паротурбинные установки тепловых и атомных электростанций. Высшая школа технологии и энергетики. Санкт-Петербургский Государственный университет промышленной технологии и дизайна. Санкт-Петербург, 2020.

Способ работы предназначен для использования в энергетических газотурбинных установках при преобразовании тепловой энергии в электрическую на тепловых электростанциях, работающих на всех видах топлива, включая и твердые, а также атомных с уровнем температуры отвода тепла от первого контура не ниже 700 K, обеспечивая повышенную эффективность за счет более рациональной организации рабочих процессов. Особенностью способа работы является то, что источник тепловой энергии находится на удалении от турбины, работающей в режиме реального изотермического расширения рабочего газа, максимально близкого к идеальному, в соответствии с заданной величиной коэффициента изотермичности не менее 0,9. В основе способа работы лежит замкнутый цикл Эриксона, дополненный открытым циклом Брайтона, использующим воздух внешней среды. При степени сжатия компрессора основного цикла, равной 3, дополнительного 2, температуры нагрева рабочего газа в источнике тепла 1200 K, КПД установки достигает 61,5% при отсутствии бросового тепла, и повышается до 65% при наличии его в количестве 10% от величины расхода рабочего газа в основном цикле. Реальность процессов учитывалась показателями политропы сжатия 1,45 и политропы расширения 1,35, разностью температур на горячем конце основного теплообменника 10 K, гидравлическими потерями 0,1 атм, температуре рабочего газа на входе в основной теплообменник 325 K и окружающей среды 300 K. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ работы универсальной энергетической газотурбинной установки, в основе которого лежит цикл Эриксона, при котором воздух внешней среды поступает на вход компрессора, сжимается и направляется в теплообменник для нагрева теплом отработанного в газовой турбине рабочего газа, далее дополнительно нагревается, направляясь в газовую турбину для расширения в процессе, достаточно близком к изотермическому, при котором тепловая энергия преобразуется в механическую, с выхода турбины отработанный рабочий газ направляется в теплообменник, где, отдавая свое тепло сжатому в компрессоре воздуху, окончательно охлаждается, после чего удаляется из газотурбинной установки, отличающийся тем, что рабочий газ, который в процессе всего цикла работы универсальной энергетической установки неизменен по химическому составу, подается при заданных давлении и температуре на вход компрессора основного цикла, после сжатия поступает в теплообменник для нагрева за счет тепла продуктов сгорания топлива в источнике тепла, после которого нагревается в основном теплообменнике за счет тепла отработанного в турбине основного цикла рабочего газа, далее нагревается до максимальной температуры в источнике тепла, энергия в который поступает в результате сгорания топлива или от контура охлаждения реактора, после чего рабочий газ подается на вход газовой турбины, состоящей из ряда последовательно гидравлически соединенных частей, в каждой из которых рабочий газ частично расширяется, вырабатывая механическую энергию, в промежутках между которыми рабочий газ после адиабатического расширения в предыдущей части направляется в источник тепла, в котором нагревается до максимальной температуры, после чего он поступает на вход в следующую часть, причем количество частей газовой турбины, степень расширения в каждой из них взаимосвязаны с общей степенью расширения в турбине основного цикла условием реализации достаточной изотермичности общего процесса расширения в турбине в виде значения коэффициента изотермичности, обеспечивающего необходимую эффективность установки в целом, после окончательного расширения до заданного давления в заключительной части турбины отработанный в газовой турбине рабочий газ поступает в основной теплообменник, проходя который охлаждается в результате теплообмена со сжатым в компрессоре рабочим газом, направляется для дальнейшего охлаждения в теплообменник дополнительного цикла, нагревая тем самым сжатый компрессором дополнительного цикла воздух из внешней среды, который после нагрева расширяется в турбине дополнительного цикла вырабатывая полезную энергию, после чего сбрасывается во внешнюю среду, замыкая тем самым дополнительный цикл, охлажденный рабочий газ направляется в заключительный теплообменник, в котором его температура в результате теплообмена с дополнительным теплоносителем достигает заданной величины, после чего при заданном давлении направляется в компрессор, замыкая тем самым основной цикл.

2. Способ работы по п. 1, отличающийся тем, что мощность установки при ее работе в замкнутом цикле регулируется путем изменения давления рабочего газа на входе в компрессор основного цикла.

3. Способ работы по п. 1, отличающийся тем, что при работе установки в разомкнутом цикле на вход компрессора подается воздух из окружающей среды.