Газотурбинная установка замкнутого цикла с огневым нагревателем Российский патент 2022 года по МПК F01K11/02 

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и касается конструирования газотурбинных установок замкнутого цикла используемых в электроэнергетике.

Известны газотурбинные установки замкнутого цикла (ЗГТУ) [1], [2], [3]. Рабочим телом подобных установок являются, как правило, следующие газы - воздух, азот, углекислый газ, гелий, аргон. На Фиг. 1 представлена Схема (а) и термодинамический цикл (б) ЗГТУ [1], [2]. На Фиг. 1 в огневом нагревателе 1 (нагреватель) сжигается органическое топливо, продукты сгорания нагревают рабочее тело (газ), движущееся по трубам нагревателя 1, нагретый газ с параметрами t₂=700-800°С и давлением Р₂=3-4,5 МПа поступает в турбину 2. Из турбины 2 газ направляется в регенератор 3, где охлаждается, подогревая газ, идущий в нагреватель 1 из компрессора 4. Из регенератора 3 охлажденный газ направляется в газоохладитель 5, из него поступает в компрессор 4 с параметрами t₄=20-30°С и Р₄=0,7-1,0 МПа [4], а из него - в регенератор 3. Таким образом, газ совершает в установке рабочий замкнутый процесс. Мощность с вала турбины 2 снимается электрогенератором 6. При максимальном давлении в контуре 2,7-4,3 МПа и температуре перед турбиной 935-985 К, КПД реально построенных ЗГТУ составляет η_c≈0,25-0,32.

При работе с теплофикацией (выработкой теплоты в газоохладителе) коэффициент теплоиспользования подобных установок доходит до 87% от располагаемой энергии топлива [5].

Существенный недостаток установок [1], [2], [3], [4], [5] в том, что теплообменные аппараты - нагреватель, газоохладитель, регенератор, работающие при высоких давлениях и температурах, имеют чрезвычайно развитые поверхности теплообмена, что приводит к увеличению их размеров и массы, в том числе и всей установки в целом.

Прототипом заявляемому устройству является [1]

Недостатки прототипа [1].

1. Низкая экономичность (КПД не более η_c≈0,25-0,32).

2. Большие габариты (размеры) и масса.

Цель изобретения.

Повышение экономичности и сокращение габаритов и массы установки.

Цель достигается следующим: газотурбинная установка замкнутого цикла с огневым нагревателем, содержащая огневой нагреватель с подовой горелкой, турбину, регенератор, газоохладитель, компрессор, электрогенератор, при этом нагреватель-регенератор образованы вертикальными трубами с верхним и нижнем кольцевыми коллекторами, к которым присоединены торцы труб, по длине вертикальные трубы разбиты на зону регенерации и зону подогрева, разделенные между собою термоустойчивой, непроницаемой для продуктов сгорания перегородкой, при этом подовая горелка нагревателя находится в центре нижнего кольцевого коллектора, а верхний кольцевой коллектор расположен в зоне регенерации и снабжен кольцевым цилиндрическим расходным соплом, обращенным в проточную часть турбины, проточная часть турбины пристыкована к проточной части канального газоохладителя, проточная часть которого пристыкована к проточной части компрессора, при этом рабочее тело (газ) подается из компрессора в регенератор через регулировочный вентиль, а из регенератора газ подается в нижний кольцевой коллектор, причем дымовые газы из нагревателя удаляются через кольцевой трубчатый воздухоподогреватель, ограничивающий топочный объем нагревателя. Сокращение габаритов и массы установки достигается за счет осевой вертикальной компоновки устройства с нагревателем-регенератором образованным вертикальными трубами с зонами регенерации и подогрева, при этом удается получить в трубах в зоне подогрева критическую скорость истечения газа W_кр=610 м/с при t₄=450°С и Р₄=0,6 МПа, с последующим регенеративным охлаждением (газа) до t₅=205°С и Р₅=0,8 МПа и последующим истечением из расходного кольцевого цилиндрического сопла в проточную часть турбины со скоростью W₅=825 м/с, а из нее в проточную часть канального газоохладителя, которая пристыкована к проточной части компрессора, этим достигаются высокие осевые скорости рабочего тела с высокими коэффициентами теплоотдачи в теплообменных поверхностях, что и приведет к сокращению поверхностей нагрева и массы теплопередающих поверхностей.

Повышение экономичности установки достигается за счет высокой скорости истечения газа из кольцевого цилиндрического расходного сопла (W=825 м/с) в проточную часть турбины, что позволяет применять турбины с одной или двумя ступенями скорости при η_oi=0,7-0,8 (η_e=0,63-0,72), а так же за счет применения кольцевого трубчатого воздухоподогревателя, повышающего тепловую эффективность нагревателя.

Предлагаемое устройство поясняется чертежом. Изображение состоит из одной фигуры - Фигура 2 «Газотурбинная установка замкнутого цикла с огневым нагревателем». Фигура 2 изображает Схему (а) и термодинамический цикл (б) предлагаемой ЗГТУ.

Газотурбинная установка замкнутого цикла с огневым нагревателем содержит огневой нагреватель с подовой горелкой 1 (нагреватель), турбину 2, регенератор 3, газоохладитель 4, компрессор 5, электрогенератор 6, канальный нагреватель-регенератор 7, образованный вертикальными трубами с верхним коллектором 8 и нижнем коллектором 9, термоустойчивую непроницаемую для продуктов горения перегородку 10 (перегородку), разделяющую нагреватель-регенератор 7 (по длине) на зону регенерации, от верхнего коллектора 8 до перегородки 10 и зону подвода тепла, от перегородки 10 до нижнего коллектора 9. Верхний кольцевой коллектор 8 снабжен кольцевым цилиндрическим расходным соплом 11 обращенным в проточную часть турбины 2. Из компрессора 5 газ подается в регенератор 3 через регулировочный вентиль 12.

Дымовые газы из нагревателя 1 удаляются через кольцевой трубчатый воздухоподогреватель 13, ограничивающий топочный объем нагревателя 1.

Устройство работает следующим образом. Имеем Фиг 2 (б) термодинамический цикл ЗГТУ с изотермическим подводом теплоты и адиабатическим сжатием. Рабочим телом (газом) автор принял перегретый водяной пар при умеренных параметрах цикла (см. табл. 1).

В предлагаемой автором ЗГТУ максимальное давление 1,0 МПа и перегрев пара 450°С на номинальном режиме, при сравнительно низкой степени повышения давления

На Фиг 2 (a) в трубах нагревателя-регенератора 7 (зоне подогрева) происходит изотермическое расширение газа с подводом теплоты от подовой горелки нагревателя 1 с увеличением скорости движения газа по трубам до критической W_кр=610 м/с при t₄=450°С и Р₄=0,6 МПа с последующим охлаждением в зоне регенерации и сверхкритическим расширением при этом, а само течение в трубах приобретает политропический характер по виду изображенному на Фиг 2 (б) пунктиром с переменным показателем политропы n [7]. В верхнем кольцевом коллекторе 8 происходит торможение газа до параметров t₅=205°С и Р₅=0,8 МПа и истечение его из расходного цилиндрического сопла 11 в проточную часть турбины 2 со скоростью W₅=825 м/с. Сработав в турбине 2 скоростной напор до 250-300 м/с газ попадает с такой скоростью в канальный газоохладитель 4, где охлаждается до t₁=180°С, увеличив свое давление при этом до P₁=0,85 МПа (эффект теплового сопротивления в канальном газоохладителе 4 [8]. В газоохладителе 4 газ охлаждается водою, тепло которой используется в дальнейшем для технологического и бытового теплоснабжения (теплофикации). Из газоохладителя 4 газ поступает в компрессор 5, где адиабатически сжимается приобретая параметры t₂=200°С, Р₂=1,0 МПа и поступает в регулировочный вентиль 12, а из него в регенератор 3 где газ регенеративно нагревается, охлаждая при этом газ проходящий по трубам в зоне регенерации нагревателя-регенератора 7. Из регенератора 3 газ с параметрами t'₃=430°С, Р'₃=1,0 МПа подается в нижний кольцевой коллектор 9, а из него в трубы нагревателя-регенератора 7, завершая этим рабочий цикл. Мощность N_e с вала турбины 2 снимается электрогенератором 6. Для повышения тепловой эффективности нагревателя 1 предусмотрен рекуперативный кольцевой трубчатый воздухоподогреватель 13, ограничивающий топочный объем нагревателя 1. При работе ЗГТУ на частичных нагрузках для регулирования расхода и давления (дросселирования) рабочего тела (газа) предназначен регулировочный вентиль 12, при этом расход и давление уменьшаются, а удельный объем газа увеличится, что сохранит номинальные скорости истечения из сопла 11 в турбину 2 при неизменных расходных сечениях нагревателя-регенератора 7, сопла 11, канального газоохладителя 4 и позволит сохранить постоянным значение η_oi.

Предварительные расчеты показывают, что при эффективной мощности предлагаемой ЗГТУ N_e=50 МВт, КПД турбины и компрессора η_ет=η_ек=0,7, получается расход рабочего тела G=297 кг/с и эффективный КПД установки η_e=0,63.

Литература.

1. Бальян С.В. «Техническая термодинамика и тепловые двигатели», Л. «Машиностроение», 1973 г., С. 220.

2. Манушин Э.А. «Газовые турбины: проблемы и перспективы», М. «Энергоатомиздат», 1986 г. С. 16, 17.

3. Михайлов А.И., Борисов В.В., Калинин Э.К. «Газотурбинные установки замкнутого цикла», М. АН. СССР. 1962 г.

4. Слободянюк Л.И., Поляков В.И., «Судовые паровые и газовые турбины и их эксплуатация», Л. «Судостроение», 1983 г. С. 202.

5. Ольховский Г.Г. «Энергетические газотурбинные установки», М. «Энергоатомиздат», 1985 г. С. 282.

6. Ковалев А.П. «Парогенераторы», М - Л. «Энергия», 1966 г. С. 337, С. 237.

7. Вукалович М.П., Новиков И.И. «Термодинамика», М. «Мишиностроение», 1972 г. С. 325-327.

8. Раушенбах Б.В. «Вибрационное горение», М. «ФМ», 1961 г. С. 78-80.

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и касается конструирования газотурбинных установок замкнутого цикла, используемых в электроэнергетике. Газотурбинная установка замкнутого цикла с огневым нагревателем содержит огневой нагреватель с подовой горелкой, турбину, регенератор, газоохладитель, компрессор, электрогенератор, при этом нагреватель-регенератор образован вертикальными трубами с верхним и нижнем кольцевыми коллекторами, к которым присоединены торцы труб, по длине вертикальные трубы разбиты на зону регенерации и зону подогрева, разделенные между собою термоустойчивой, непроницаемой для продуктов сгорания перегородкой, при этом подовая горелка нагревателя находится в центре нижнего кольцевого коллектора, а верхний кольцевой коллектор расположен в зоне регенерации и снабжен кольцевым цилиндрическим расходным соплом, обращенным в проточную часть турбины, проточная часть турбины пристыкована к проточной части канального газоохладителя, проточная часть которого пристыкована к проточной части компрессора, при этом рабочее тело (газ) подается из компрессора в регенератор через регулировочный вентиль, а из регенератора рабочее тело подается в нижний кольцевой коллектор, причем дымовые газы из нагревателя удаляются через кольцевой трубчатый воздухоподогреватель, ограничивающий топочный объем нагревателя. Изобретение позволяет повысить экономичность ЗГТУ и уменьшить габариты и массу установки. 2 ил., 1 табл.

Газотурбинная установка замкнутого цикла с огневым нагревателем, содержащая огневой нагреватель с подовой горелкой, турбину, регенератор, газоохладитель, компрессор, электрогенератор, отличающаяся тем, что нагреватель-регенератор образован вертикальными трубами с верхним и нижнем кольцевыми коллекторами, к которым присоединены торцы труб, по длине вертикальные трубы разбиты на зону регенерации и зону подогрева, разделенные между собою термоустойчивой, непроницаемой для продуктов сгорания перегородкой, при этом подовая горелка нагревателя находится в центре нижнего кольцевого коллектора, а верхний кольцевой коллектор расположен в зоне регенерации и снабжен кольцевым цилиндрическим расходным соплом, обращенным в проточную часть турбины, проточная часть турбины пристыкована к проточной части канального газоохладителя, проточная часть которого пристыкована к проточной части компрессора, при этом рабочее тело (газ) подается из компрессора в регенератор через регулировочный вентиль, а из регенератора рабочее тело подается в нижний кольцевой коллектор, причем дымовые газы из нагревателя удаляются через кольцевой трубчатый воздухоподогреватель, ограничивающий топочный объем нагревателя.