Способ работы стационарной комбинированной газотурбинной установки Российский патент 2024 года по МПК F02C7/10 

Предлагаемое изобретение относится к лопастным машинам непрерывного действия, в частности к стационарным комбинированным газотурбинным установкам, в которых тепловая энергия получаемая в результате сгорания топлива в среде сжатого атмосферного воздуха образует нагретый рабочий газ, который в процессе реального изотермического расширения производит основную часть полезной работы в газовой турбине, по выходу из нее отдает оставшуюся тепловую энергию для получения дополнительной полезной энергии в паротурбинном цикле или для нагрева атмосферного воздуха перед поступлением его в камеру сгорания газовой турбины. Может быть использован в качестве преобразователя тепловой энергии в полезную механическую на электростанциях.

В настоящее время для данных целей применяются исключительно газотурбинные установки в основе работы которых лежит цикл Брайтона использующий адиабатический процесс расширения рабочего газа и комбинированные, с дополнением их паротурбинной установкой, в которых за счет тепловой энергии отработанного в газовой турбине рабочего газа производится дополнительная часть полезной энергии. Коэффициент полезного действия (КПД) данных установок в основном определяется температурой рабочего газа на входе в газовую турбину и в лучших образцах [Германия АГ «Siemens» SGT5-8000h] достигает величину 0,61, то есть менее 74% от КПД идеального цикла Карно при температуре рабочего газа на входе в газовую турбину 1800К и использованием дополнительного паротурбинного цикла. Столь высокая эффективность достигнута в результате использования уникальных технологий влекущих значительное удорожание стоимости данной установки и жесткую зависимость эксплуатанта от изготовителя повышающую риски использования газотурбинной установки вне страны производителя. В обычных подобных установках при мощностях до 100 Мет КПД достигает 55% от КПД цикла Карно, а при мощностях свыше 300 Мет и использованием дополнительного парового цикла эффективность повышается до 70% КПД идеального цикла Карно [Рудаченко А.В., Чухарева Н.В., Бойко С.С. Газотурбинные установки. Томск: Томский политехнический университет, 2008]. В данном источнике приведен способ возможного повышения эффективности путем введения дополнительного нагрева рабочего газа между ступенями газовой турбины и межступенчатого охлаждения воздуха в компрессоре, при этом положительный эффект объясняют повышением изотермичности процессов расширения в турбине и сжатия в компрессоре. Согласно их данным указанный способ ведет в основном к росту удельной мощности при незначительном изменении КПД. В качестве другого аналогичного примера можно привести изобретения [Патенты РФ №2137935 и №2531110], в которых также предлагается подобный способ повышения эффективности, однако при этом не сообщается возможный результат.

Ранее автором впервые было показано, патент РФ №2726861: при реализации процесса расширения и сжатия достаточно близкого к изотермическому возможно достижение КПД реальной газотурбинной установки не менее 90% от КПД идеального цикла Карно. Столь высокий результат обусловлен тем, что впервые введен, в качестве критерия близости реального процесса расширения или сжатия к изотермическому процесса расширения или сжатия, коэффициент изотермичности в виде отношения величин технических работ реального процесса адиабатического расширения или сжатия и соответствующего изотермического процесса при равных температурах на входе и равных степенях расширения или сжатия. Установлено, что только при величине этого коэффициента выше 0,95 при расширении и менее 1,1 при сжатии реальные процессы можно рассматривать как достаточно близкие к изотермическим для получением существенного эффекта повышения не только удельной мощности но и КПД цикла, что объясняет причину отсутствия положительного эффекта в других известных попытках реализации изотермического процесса расширения, в этих случаях величина коэффициента изотермичности не превышала 0,8, - тем более следует отметить, что величина коэффициента изотермичности зависит не только от степени расширения или сжатия, но также и от показателя политропы. Из анализа этого отношения следует, что принципиальное отличие реального процесса достаточно близкого к изотермическому от реального адиабатического заключается в том, что в случае изотермического процесса величина коэффициента изотермичности в диапазоне значений показателя политропы меньше показателя адиабаты практически постоянна и интенсивно снижается при обратном. В случае же адиабатического процесса расширения любое отклонение указанных показателей друг от друга ведет к снижению работы. То есть в реальном процессе расширения достаточно близком к изотермическому гидравлическое сопротивление движению рабочему газу и иные явления сопровождающимися процессами выделения тепла не влекут за собой потерю полезной работы в отличии от случая использования процесса реального адиабатического расширения. В тоже время охлаждение элементов турбины сжатым воздухом в обеих случаях имеет одинаковый эффект, то есть уменьшает КПД, что существенно снижает эффект от повышения температуры рабочего газа на входе в турбину и обосновывает целесообразность использования достаточно низкого уровня температур в изотермических турбинах.

Так как в рассматриваемом изобретении «Способ работы газотурбинного двигателя и газотурбинный двигатель» [Патент РФ №2726861], турбина реализующая процесс расширения достаточно близкий к изотермическому, имея низкую степень расширения в турбинной ступени, содержит нереально большое количество ступеней, автором предложен иной механизм реализации изотермического процесса расширения путем подачи определенным образом топлива непосредственно в проточные каналы ступеней турбины по которым движется рабочий газ и кинетическая энергия которого в основном повышается за счет тепловыделения при сгорания топлива в процессе реального изотермического процесса расширения [Патент РФ №2770077]. Для случая отсутствия возможности подвода тепловой энергии путем сгорания топлива внутри газовой турбины в потоке рабочего газа предложен способ реализации изотермического процесса расширения путем косвенного нагрева рабочего газа вне объема проточной части газовой турбины [Патент РФ №2779808].

Исходя из выше сказанного автором настоящего способа работы комбинированной газотурбинной установки в качестве прототипа принято авторское изобретение по патенту РФ №РФ 2726861 в основе которого лежит цикл Эриксона, авторские изобретения по патентам РФ RU №2770077 и №2779808 использованы как аналоги в части способов реализации изотермического процесса расширения.

В прототипе воздух из внешней среды поступает в компрессор, который в результате реального изотермического процесса производит сжатие до заданного давления. По выходу из компрессора сжатый воздух имеющий температуру близкую к температуре внешней среды поступает в теплообменник, нагревается вследствие теплообмена с отработанным в турбине рабочим газом движущимся с выхода газовой турбины во внешнюю среду. Нагретый и сжатый воздух с выхода теплообменника поступает в камеру сгорания газовой турбины, нагревается образуя рабочий газ за счет сгорания топлива до заданной температуры не менее чем на 100К выше температуры самовоспламенения, направляется в проточную часть газовой турбины для изотермического расширения с целью производства полезной работы за счет потребления тепловой энергии полученной в результате сгорания топлива поступающего через форсунки установленные в межступенчатых зазорах. Необходимая близость процесса расширения к изотермическому достигается в результате использования допустимой степени расширения рабочего газа в каждой ступени турбины исходя из заданного значения коэффициента изотермичности и отводом от каждой ступени полезной работы равной тепловой энергии от сгорания топлива на входе ступени. После полного расширения отработанный в турбине рабочий газ подается на вход в теплообменник, охлаждается отдавая в процессе теплообмена свое тепло сжатому воздуху, выходя из теплообменника сбрасывается во внешнюю среду замыкая цикл. Основным преимуществом данной установки является ее эффективность позволяющая согласно оценкам автора достигнуть КПД равный 0,68 при температуре рабочего газа в турбине 1200К и составляет более 90% от КПД цикла Карно, что недостижимо для лучших парогазотурбинных установок в основе работы которых используется цикл Брайтона при предельно высокой температуре рабочего газа на входе в турбину не менее 2000К и использующих паротурбинный цикл для утилизации тепла отработанного в газовой турбине рабочего газа. Основным недостатком затрудняющим ее использование является наличие в ней турбины с большим количеством ступеней вследствие низких степеней расширения в них и наличие крупногабаритного теплообменника.

Для устранения данных недостатков автором настоящего способа работы стационарной комбинированной газотурбинной установки поставлена задача разработки способа работы который позволяет получить предельно высокую эффективность в сочетании с максимально высокой удельной мощностью обеспечивающей минимальные габариты и сохранение уровня температур позволяющего достичь высоких ресурсных показателей при использовании достаточно дешевых широко апробированных материалов. Поэтому в настоящем способе изотермическое расширение рабочего газа в турбине предусматривается способом предложенным в патенте РФ 2770077, то есть подачей топлива непосредственно в проточные каналы всех ступеней газовой турбины, позволяющим достичь максимально высокую степень расширения в каждой отдельно взятой ступени.

С целью повышения устойчивости горения топлива в ступенях турбины, снижения вредных выбросов и размеров теплообменника нагрева воздуха, процесс изотермического расширения рабочего газа в газовой турбине осуществляется при оптимальном значении стехиометрического коэффициента горения топлива в ступенях турбины используя для этого полузамкнутый цикл работы газовой турбины при котором вместо сжатого воздуха на вход в камеру сгорания газовой турбины подается сжатая компрессорным блоком газовоздушная смесь с оптимальным парциальным давлением кислорода определяемым количеством отработанного рабочего газа подаваемого совместно с воздухом на вход в компрессорный блок.

Для минимизации геометрических размеров, которая обеспечивается прежде всего максимально возможной удельной мощностью газовой турбины, предусмотрена достаточно высокая степень сжатия компрессором газовоздушной смеси.

Учитывая, что эффективность реального изотермического процесса снижается и повышаются энергозатраты на сжатие газовоздушной смеси из за охлаждения элементов турбины, принят уровень температуры рабочего газа в турбине не более 1150К позволяющий использовать сравнительно дешевые материалы для реализации высокого ресурса работы без охлаждения.

Основной особенностью настоящего способа работы комбинированной газотурбинной установки, определяющей в целом предельную эффективность по сравнению с прототипом и аналогами вследствие минимизации тепловых потерь и энергозатрат цикла, является процесс сжатия газовоздушной смеси до заданного давления перед подачей ее в камеру сгорания газовой турбины, которое осуществляется блоком сжатия, использующим в качестве рабочего тела водяной пар, температура и давление которого находится в закритической области, состоящим из ряда последовательно соединенных газовоздушной и паровой магистралью турбокомпрессорных агрегатов, каждый из которых состоит из компрессора, осуществляющего адиабатическое сжатие газовоздушной смеси, потребляющего механическую энергию выделяя при этом равную ей тепловую, паровой турбины в качестве производителя механической энергии и потребителя равной ей по величине тепловой энергии в процессе адиабатического расширения пара в турбине, используемой в качестве привода этого же компрессора и теплообменника в котором происходит теплообмен между сжатой в компрессоре газовоздушной смесью, которая охлаждается отдавая тепло полученное ею при сжатии в компрессоре, нагревая тем самым пар поступающий в турбину этого же агрегата.

В результате работы блока сжатия, в соответствие с патентом РФ №2779808, поступившая на его вход газовоздушная смесь изотермически сжимается до заданного давления, а пар высокого давления изотермически расширяется до необходимого давления в соответствие с заданными средними значениями коэффициентов изотермичности, после чего пар низкого давления близкого к критическому по выходу из блока сжатия охлаждается поэтапно, поступая в генератор пара высокого давления, за счет своей тепловой энергии нагревает воду высокого давления для перехода ее в пар высокого давления при критической температуре. Далее пар низкого давления охлаждается, дополнительно расширяясь до давления максимально близкому к критическому до начала выделения жидкой фазы в турбине отдельного парового турбокомпрессорного агрегата. Механическая энергия производимая данной турбиной при помощи вала отводится на моторгенератор, посредством которого частично передается на вал компрессора который дожимает нагревая тем самым пар высокого давления поступающий на его вход из парогенератора перед подачей пара из компрессора в блок сжатия. Избыток энергии сверх необходимой для достижения заданных параметров пара высокого давления посредством моторгенератора отводится из парового турбокомпрессора в качестве полезной.

Применение настоящего способа для получения пара высокого давления с параметрами необходимыми для работы блока сжатия газовоздушной смеси обусловлено тем, что энергообмен между паровыми потоками низкого и высокого давлений происходит при температуре достаточно близкой к критической при значительных и существенно разных перепадах энтальпий пара низкого и высокого давлений в узком диапазоне температур при крайне малой разности температур между обеими потоками пара, что делает нереальным более простой теплообмен между раздельными паровыми потоками посредством теплопередачи, вследствии чего он заменен передачей механической энергии от турбины к компрессору посредством моторгенератора установленного между ними. Эквивалентность данной замены следует из равенства КПД циклов Карно и Эриксона.

Далее пар низкого давления по выходу из турбины парового турбокомпрессорного агрегата охлаждается до перехода в жидкую фазу в результате теплообмена с потоком воды высокого давления поступающей из водяного насоса, далее вода низкого давления после дополнительного охлаждения посредством отбора от нее бросового тепла направляется на вход водяного насоса, сжимается до давления которое с учетом дожатия паровым турбокомпрессором необходимо для работы блока сжатия газовоздушной смеси. В результате работы описанного блока сжатия, газовоздушная смесь сжимается а пар расширяется, между ними осуществляется энергообмен в соответствие с реальным изотермическом процессом, по патенту РФ №2779808, качество которого определяется соответствующими средними значениями коэффициентов изотермичности как процесса сжатия газовоздушной смеси так и расширения пара в блоке сжатия. При этом отношение степеней сжатия смеси и расширения пара определяется отношением молекулярных весов, массовых расходов, температур газовоздушной смеси и пара на входе в блок сжатия, коэффициентов изотермичности, может устанавливаться в достаточно широких пределах, а энергозатраты на сжатие газовоздушной смеси определяются только предельно низкими энергозатратами на сжатие воды в жидкой фазе, которые значительно ниже чем при изотермическом сжатии воздуха в цикле Карно.

Таким образом настоящий способ работы комбинированной газотурбинной установки, включающий в себя вышеописанный паратурбокомпрессорный блок сжатия использующий свойства фазовых переходов воды из жидкого состояния в газообразное в закритической области, открывает путь создания предельно эффективных тепловых машин для преобразования тепловой энергии в полезную механическую энергию с КПД существенно выше аналогичного показателя цикла Карно, эффективность которого очевидно предельна только в случае идеальной однофазной жидкости.

Используя в качестве основы настоящий способ работы блока сжатия возможно осуществление его режима работы как отдельно работающей паротурбинной установки, отключив для этого компрессоры, подавая дополнительно в теплообменники парового блока сжатия необходимое количество тепловой энергии от стороннего источника для нагрева пара поступающего в турбины блока сжатия, замещая тем самым тепло от сжатия газовоздушной смеси компрессорами, отводя при этом от валов турбин полезную энергию.

В реальном случае КПД ее будет значительно выше чем в существующих паротурбинных установках вследствие использования реального процесса изотермического расширения пара в закритическом состоянии. Использование вместо воды других жидкостей, например этилена, двуокиси углерода и им подобных, имеющих более низкие значения критических параметров, предоставляет возможность создания паровых энергоустановок высокой эффективности работающих при температурах характерных для гео- и солнечной генерации, а также утилизации источников низкопотенциальных тепловых отходов.

Согласно настоящего способа работы стационарной комбинированной газотурбинной установки, атмосферный воздух из внешней среды поступает на вход в теплообменник, нагревается в результате несмешиваемого теплообмена со встречным потоком отработанного рабочего газа, при достижении максимально возможной температуры по выходу из теплообменника, на входе в блок сжатия смешивается с определенным количеством отработанного в турбине рабочего газа охлажденным газовоздушной смесью сжатой в компрессоре, обеспечивая тем самым оптимальное значение стехиометрического коэффициента процесса горения топлива в ступенях газовой турбины, полученная газовоздушная смесь подается на вход первого компрессора блока сжатия в котором адиабатически сжимается, направляется в теплообменник первого турбокомпрессорного агрегата блока сжатия где охлаждаясь до температуры начала процесса сжатия, отдает полученную им в результате сжатия компрессором тепловую энергию пару высокого давления перед его входом в паровую турбину приводу этого же компрессора. Далее охлажденная газовоздушная смесь направляется на вход компрессора следующего турбокомпрессорного агрегата, охлажденный в результате расширения в паровой турбине первого агрегата пар подается на вход в теплообменник второго агрегата для последующего нагрева теплом полученным газовоздушной смесью при сжатии компрессором этого же агрегата. Сжимаясь последовательно в каждом турбокомпрессорном агрегате блока сжатия до заданного давления газовоздушная смесь при температуре близкой к температуре смеси в начале процесса сжатия направляется в теплообменник, в котором она нагревается до максимально возможной температуры за счет теплообмена с отработанным в газовой турбине рабочим газом поступающим с ее выхода, направляется в камеру сгорания газовой турбины, окончательно догревается за счет сгорания поступающего в камеру сгорания топлива до заданной температуры превышающей не менее чем на 100К температуру самовоспламенения топлива, образуя рабочий газ направляющийся далее в проточную часть газовой турбины, где изотермически расширяется в соответствие с заданным коэффициентом изотермичности в результате сгорания топлива поступающего непосредственно в рабочий газ движущийся по каналам проточной части турбины. С выхода газовой турбины отработанный рабочий газ направляется в теплообменник, в котором охлаждается в результате теплообмена нагревая газовоздушную смесь поступающую в теплообменник с выхода блока сжатия для подачи в камеру сгорания. С выхода данного теплообменника одна часть охлажденного отработанного рабочего газа направляется на вход в компрессорный блок, где смешиваясь с нагретым воздухом образует газовоздушную смесь содержащую необходимое количество кислорода для оптимального изотермического режима работы газовой турбины, другая часть отработанного рабочего газа направляется в следующий теплообменник для нагрева атмосферного воздуха из внешней среды перед поступлением его в первый компрессор блока сжатия, после окончательного охлаждения до минимальной температуры сбрасывается в окружающую среду образуя полузамкнутый цикл газотурбинной установки, а расширенный в парокомпрессорном блоке сжатия пар при низком давлении близком к критическому направляется в генератор пара высокого давления, отдает часть своей тепловой энергии для образования пара высокого давления вследствии нагрева воды высокого давления до температуры выше критической, после чего пар высокого давления направляется в компрессор парового турбокомпрессорного агрегата, дожимается нагреваясь в результате адиабатического сжатия до заданных параметров, подается на вход блока сжатия газовоздушной смеси. Охлажденный пар низкого давления из генератора пара подается в турбину парового турбокомпрессора где дополнительно расширяется, соответственно охлаждается до образования смеси пара и жидкости при давлении максимально близком к критическому, производит механическую энергию необходимую для дожатия пара высокого давления передаваемую компрессору посредством моторгенератора. Избыточная механическая энергия образовавшаяся ввиду аномально высокой теплоемкости пара низкого давления вследствие близости его параметров к критическим в качестве полезной, от моторгенератора направляется потребителю. Далее пар низкого давления в смеси с жидкой фазой с выхода турбины поступает в теплообменник, охлаждаясь в котором полностью переходит в жидкую фазу, нагревая тем самым воду высокого давления до температуры максимально близкой к критической поступающую с выхода водяного насоса перед подачей ее в генератор пара высокого давления, далее направляется в теплообменник для сброса избыточной тепловой энергии, после чего охлажденная вода низкого давления направляется в насос для сжатия до высокого давления, которое с учетом дожатия в паровом турбокомпрессоре необходимо для работы блока сжатия газовоздушной смеси, после чего вода высокого давления направляется в теплообменник для нагрева встречным парожидкостным потоком низкого давления поступающим с выхода турбины парового турбокомпрессорного агрегата, замыкая тем самым паровой цикл блока сжатия газовоздушной смеси. Учитывая достаточно высокую температуру близкой к критической при сбросе тепловой энергии возможно ее использование для парообразования и перегрева пара в дополнительном паровом цикле Ранкина с целью получения дополнительной полезной энергии, частично компенсирующей энергозатраты на работу насоса при сжатии воды низкого давления до высокого.

Автором произведена оценка эффективности предлагаемого способа работы стационарной комбинированной газотурбинной установки при температуре рабочего газа на входе в турбину 1150К и температуре сжатой газовоздушной смеси на выходе из последнего компрессора блока сжатия 723К и на входе в него 661К. Степень расширения в газовой турбине и равная ей суммарная степень сжатия газовоздушной смеси в соответствующем блоке сжатия состоящим из восьми турбокомпрессорных агрегатов составила 43. Температура пара на входе в блок сжатия и на выходе из него принята равной 650К. Общая степень расширения пара в восьми последовательно соединенных паровых турбин блока сжатия составляет 1,48 при давлении на входе 400 бар. Отношение массового расхода пара через паровую турбину к массовому расходу газовоздушной смеси через компрессор принято равным 8. Повышение температуры пара перед входом в паровую турбину - привод компрессора порядка 3К. По выходу из блока сжатия пар давлением 270 бар используется для нагрева воды после ее сжатия до 380 бар и далее перед водяным насосом дополнительно охлаждается в результате отбора бросовой тепловой энергии образовавшийся в следствии энергозатрат на сжатие воды в размере 106 Кдж/кг сжатого воздуха и использована для частичной компенсации энергозатрат на сжатие воды путем получения полезной энергии в дополнительном паровом цикле Ранкина с КПД равном 0,3 произведя при этом 32 Кдж/кг сжатого воздуха. Оценка эффективности настоящего способа работы выполнена для значения коэффициента изотермичности расширения в газовой турбине 0,98. При этом КПД комбинированной газотурбинной установки достигает 0,943 при удельной мощности 1183 Кдж/кг расхода газовоздушной смеси на входе в турбину, КПД паротурбинной установки работающей подобно описанному способу работы блока сжатия достигает 0,848. В случае не использования бросового тепла парового цикла блока сжатия для получения полезной энергии КПД соответственно падает до 0,915 и 0,796.

При выполнении оценочных расчетов использованы: Международные уравнения IAPWS-95. Александров А.А. Термодинамические основы циклов теплоэнергетических установок. М.: МЭИ, 2004; Ривкин С.Л., Александров А.А. Термодинамические свойства воды и водяного пара. Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1984; Злобин В.Г. Паротурбинные установки тепловых и атомных электростанций. Учебное пособие. СПб.: ВШТЭ-СПб ГУПТД-СПб, 2020.

Несомненным преимуществом настоящего способа работы стационарной комбинированной газотурбинной установки как следствие предельно высокой эффективности является относительно низкие потери тепловой энергии в цикле, что влечет за собой значительное сокращение затрат на создание и обслуживание водной инфраструктуры, а так же то, что заложенные в способе принципиальные решения позволяют создание высоко маневренного энергетического комплекса в очень широком диапазоне генерирующих мощностей.

Таким образом автор полностью решил поставленную задачу достижения предельно высокой эффективности и универсальности предложенного им способа работы стационарной комбинированной газотурбинной установки используя разработанные им технические решения обладающие достаточной новизной и полезностью необходимых для признания его изобретением.

Общими существенными признаками является то, что обеспечен способ работы стационарной комбинированной газотурбинной установки при котором воздух из окружающей среды сжимается компрессором, нагревается за счет теплообмена с отработанным в газовой турбине рабочим газом, после чего сжатый воздух направляется в камеру сгорания турбины, осуществляется его окончательный нагрев до заданной температуры превышающей не менее чем на 100К температуру самовоспламенения за счет тепловой энергии от сгорания в нем топлива, и далее рабочий газ состоящий из смеси сжатого воздуха и продуктов сгорания направляется в газовую турбину в которой происходит изотермический процесс расширения за счет подачи топлива в проточную часть турбины, сгорания его в среде рабочего газа с выделением тепловой энергии переходящей полностью в полезную энергию в соответствие с заданным значением коэффициента изотермичности после, чего отработанный в турбине рабочий газ охлаждается вследствие теплообмена с воздухом, используемым в установке как окислитель при сгорании топлива, сбрасывается в окружающую среду, замыкая тем самым цикл.

Отличительными существенными признаками действительными во всех случаях является то, что предложен способ работы стационарной комбинированной газотурбинной установки при котором воздух из окружающей среды поступает в теплообменник, нагревается в результате несмешивающегося теплообмена с отработанным в газовой турбине рабочим газом, поступает на вход блока сжатия, смешивается с определенным количеством нагретого рабочего газа образуя газовоздушную смесь содержание кислорода в которой обеспечивает оптимальное значение стехиометрического коэффициента процесса горения для устойчивого и полного сгорания топлива в каналах турбинных ступеней при минимуме вредных выбросов, далее нагретая газовоздушная смесь направляется в первый компрессор блока сжатия, состоящим из последовательно соединенных газовоздушной и паровой магистралями турбокомпрессорных агрегатов, каждый из которых состоит из компрессора адиабатического сжатия производящего тепловую энергию и потребляющего механическую энергию, паровой турбины производящей необходимую для работы компрессора механическую энергию и потребляющей тепловую энергию в процессе расширения, теплообменника для передачи тепловой энергии от сжатой компрессором газовоздушной смеси пару перед расширением его в турбине. Проходя блок сжатия предварительно нагретая газовоздушная смесь изотермически сжимается последовательно установленными компрессорами до необходимого давления в соответствие заданному среднему коэффициенту изотермичности процесса сжатия, передавая периодически тепловую энергию полученной за счет сжатия газовоздушной смеси пару, который при высоком давлении входит в блок сжатия последовательно расширяется в каждой турбине осуществляя тем самым в целом изотермический процесс расширения до заданного давления близкого к критическому в соответствии с заданным средним значением коэффициента изотермичности. После прохождения последнего компрессора блока сжатия полностью сжатая газовоздушная смесь поступает на вход теплообменника в котором окончательно нагревается до максимально возможной температуры в результате теплообмена с отработанным рабочим газом поступающим с выхода газовой турбины, подается на вход камеры сгорания газовой турбины, догревается в результате сгорания в нем топлива до заданной температуры не менее чем на 100К превышающей температуру самовоспламенения топлива. Далее рабочий газ состоящий из продуктов сгорания топлива и сжатого воздуха поступает в проточную часть газовой турбины, в которой изотермически расширяется в соответствие с заданным значением коэффициента изотермичности за счет подачи и сгорания необходимого количества топлива непосредственно в рабочий газ движущийся по каналам проточной части турбины и отводом полезной энергии посредством вала турбины в количестве равном тепловой энергии выделенной в результате сгорания топлива поданного внутрь проточной части турбины. С выхода турбины отработанный рабочий газ направляется в теплообменник, в котором он охлаждается в результате теплообмена со сжатой газовоздушной смесью поступающей с выхода блока сжатия, далее одна его часть подается для смешивания с нагретым атмосферным воздухом на входе в блок сжатия, другая часть рабочего газа поступает в следующий теплообменник в котором он окончательно охлаждается атмосферным воздухом перед подачей его на вход блока сжатия, и при достижении минимально низкой температуры сбрасывается во внешнюю среду образуя полузамкнутый цикл газотурбинной установки, а отработанный в паровых турбинах блока сжатия пар низкого давления направляется в генератор пара высокого давления, в котором охлаждается нагревая воду высокого давления для перехода ее в пар высокого давления при критической температуре. По выходу из генератора пар высокого давления направляется в компрессор парового турбокомпрессорного агрегата, в котором он адиабатически дожимается, нагреваясь за счет сжатия до заданных значений температуры и давления, подается в блок сжатия воздуха. Пар низкого давления из генератора пара поступает в турбину этого же агрегата в которой адиабатически расширяется до значений давления и температуры максимально близких к крштиеским, производя механическую энергию которая посредством моторгенератора подается на вал компрессора обеспечивая его работу, избыток энергии отводится внешнему потребителя в качестве полезной. С выхода турбины парожидкостная смесь низкого давления при температуре и давлении максимально близкими к критическим направляется в теплообменник, охлаждается водой высокого давления поступающей из насоса сжимающего воду от низкого давления максимально близкого к критическому до высокого, которое с учетом дожатия в компрессоре парового турбокомпрессорного агрегата достаточно для работы блока сжатия воздуха. Далее вода низкого давления поступает в теплообменник в котором дополнительно охлаждается для компенсации повышения температуры при сжатии воды в водяном насосе в результате отбора бросового тепла, направляется в водяной насос, сжимается до необходимого высокого давления величина которого существенно выше критического, подается в теплообменник, нагревается в результате теплообмена с парожидкостной смесью низкого давления поступающей с выхода турбины парового турбокомпрессора, далее нагретая вода высокого давления направляется в парогенератор, нагревается переходя в паровую фазу в результате теплообмена с паром низкого давления поступающего с выхода последней турбины блока сжатия, далее пар высокого давления по выходу из парогенератора дополнительно сжимается, нагревается в компрессоре парового турбокомпрессорного агрегата, с выхода которого направляется на вход в блок сжатия, замыкая тем самым паровой цикл блока сжатия газовоздушной смеси.

Отличительными существенными признаками действительными в отдельных случаях является то, что в случае необходимости повышения маневренности генерации полезной энергией, осуществления режима работы установки при постоянном невысоком уровнем мощности, в теплообменники турбокомпрессорных агрегатов блока сжатия воздуха дополнительно устанавливаются теплообменные устройства подачи от стороннего источника эквивалентной тепловой энергии замещающих аналогичную энергию компрессоров, предусматривается отключение подачи от паровых турбин механической энергии компрессорам блока сжатия и подачи ее непосредственно потребителю полезной энергии, устанавливается дополнительная газовая турбина для повышения общей степени расширения рабочего газа. В этом случае, при отключении компрессоров и подачи топлива на газовую турбину, подключением постоянного источника тепловой энергии и потребителя полезной энергии непосредственно к паровым турбинам блока сжатия газовоздушной смеси установка работает в режиме паротурбинной на малой мощности, при подключении компрессоров и подачи топлива на основную часть турбины комбинированная газотурбинная установка генерирует номинальную мощность равную суммарной мощности паротурбинной установки и комбинированной, при снижении отбора полезной мощности с турбин блока сжатия и подключением последовательно дополнительной турбины с подачей на нее дополнительного количества топлива для реализации в ней изотермического режима расширения генерация полезной энергии достигает максимума в следствии повышения давления и расхода воздуха при минимальном росте энергозатрат на сжатие воды в паровом контуре блока сжатия.

Литература

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

Патент РФ №2044149 на изобретение «Способ работы комбинированного двигателя внешнего сгорания и двигатель внешнего сгорания» от 18.02.1993, F02G 1/02..

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

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

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

Патент РФ 2199020 на изобретение «Способ работы газотурбинной установки системы газораспределения и комбинированная газотурбинная установка для его осуществления» от 03.08.2000, МПК F02C 6/00, F01K 27/00.

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

Патент РФ №2252323 на изобретение «Бинарная парогазовая установка» от 30.12.2002, МПК F01K 23/10.

Патент РФ №2355900 на изобретение «Способ преобразования тепловой энергии» от 05.03.2007, F02C 1/00.

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

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

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

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

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

Патент РФ №2656769 на изобретение «Способ работы газотурбодетандерной энергетической установки тепловой электрической станции» от 13.04.2017, МПК F02C 6/00, F25B 1/00, F02C 7/10.

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

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

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

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

Патент РФ №2770077 на изобретение «Способ работы двухконтурного газотурбинного двигателя и двухконтурный газотурбинный двигатель» от 11.11.2020, F02C 6/00, F02K 3/115

Патент РФ №2779808 на изобретение «Способ работы универсальной энергетической газотурбинный установки» от 16.08.2021, F02C 7/10.

US 2008112794, (GENERAL ELECTRIC COMPANY), 15.05.2008.

Ривкин С.Л., Александров А.А. Термодинамические свойства воды и водяного пара. Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1984.

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

Александров А.А. Термодинамические основы циклов теплоэнергетических установок. Международные уравнения IAPWS-95. М.: МЭИ, 2004.

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

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

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.

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.

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.

Изобретение применимо на стационарных комбинированных газотурбинных установках, лопастных машинах непрерывного действия, газотурбинных двигателях, на электростанциях, при преобразовании тепловой энергии в полезную механическую. Так тепловая энергия, получаемая в результате сгорания топлива в среде сжатого атмосферного воздуха, образует нагретый рабочий газ, который в процессе реального изотермического расширения производит основную часть полезной работы в газовой турбине, по выходу из нее отдает оставшуюся тепловую энергию для получения дополнительной полезной энергии в паротурбинном цикле и/или для нагрева атмосферного воздуха перед поступлением его в камеру сгорания газовой турбины. Способ реализуется в соответствии с заданными значениями коэффициента изотермичности, т. е. отношения величин технических работ реального процесса адиабатического расширения или сжатия и соответствующего изотермического процесса при равных температурах на входе и равных степенях расширения или сжатия, а также политропы, обеспечивая реальные процессы как достаточно близкие к изотермическим, с получением существенного эффекта, что позволяет иметь значительное увеличение коэффициента полезного действия газотурбинной установки. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ работы стационарной комбинированной газотурбинной установки, при котором воздух из окружающей среды поступает на вход компрессора, сжимается, далее нагревается в теплообменнике в результате обмена тепловой энергией с отработанным рабочим газом, направляется в камеру сгорания, догревается энергией от сгорания поступающего в камеру топлива до заданной температуры, не менее чем на 100 К превышающей температуру самовоспламенения, образует рабочий газ из смеси продуктов сгорания топлива и сжатого воздуха, подается на вход газовой турбины, расширяется в результате реального изотермического процесса в соответствии с заданным значением коэффициента изотермичности за счет тепловой энергии от сгорания топлива, поступающего определенным образом в необходимых количествах в проточную часть турбины, отводом посредством вала турбины полезной механической энергии, равной тепловой от сгорания топлива в проточной части турбины, расширенный рабочий газ с выхода турбины охлаждается, отдавая свое тепло сжатому воздуху перед поступлением в камеру сгорания турбины, по выходу из теплообменника сбрасывается во внешнюю среду, замыкая газотурбинный цикл, отличающийся тем, что воздух из внешней среды нагревается за счет несмешивающегося теплообмена с отработанным в газовой турбине рабочим газом, по выходу из теплообменника к нагретому воздуху в определенной пропорции добавляется отработанный в газовой турбине нагретый рабочий газ, образуя газовоздушную смесь, парциальное давление кислорода в которой соответствует оптимальным условиям горения топлива в каналах турбинных ступеней, газовоздушная смесь направляется на вход первого компрессора блока сжатия, состоящего из совокупности последовательно соединенных газовоздушными и паровыми магистралями турбокомпрессорных агрегатов, каждый из которых состоит из компрессора, потребляющего механическую энергию, производимую паровой турбиной, производящего тепловую энергию, потребляемую паровой турбиной, теплообменника, посредством которого тепловая энергия, выделенная в результате адиабатического сжатия газовоздушной смеси в отдельно взятом компрессоре, полностью передается пару перед адиабатическим расширением его в отдельно взятой паровой турбине, газовоздушная смесь, периодически нагреваясь при сжатии, охлаждаясь паром после его расширения в турбине, перемещаясь по блоку сжатия, последовательно изотермически сжимается в соответствии со средним значением заданного коэффициента изотермичности до необходимого давления, имея температуру на выходе из блока сжатия, максимально близкую к температуре на входе, пар высокого давления подается в блок сжатия на вход в теплообменник первого турбокомпрессорного агрегата, нагревается, охлаждая газовоздушную смесь, сжатую компрессором, поступает в паровую турбину этого же агрегата, далее пар, периодически охлаждаясь при каждом расширении в паровой турбине до температуры, максимально близкой к температуре пара высокого давления на входе в блок сжатия, последовательно расширяется, периодически нагреваясь в каждом агрегате, в целом проходя блок сжатия, изотермически расширяется в соответствии со средним значением заданного коэффициента изотермичности до низкого давления, близкого к критическому, с выхода турбины последнего агрегата, имея температуру, близкую к температуре пара на входе, выходит из блока сжатия, газовоздушная смесь, сжатая до давления, величина которого определяется степенью расширения пара в турбинах блока сжатия, отношениями массовых расходов газовоздушной смеси и пара через блок сжатия, их температур и средних значений коэффициентов изотермичности, направляется в теплообменник, нагревается в результате теплообмена со встречным потоком отработанного в газовой турбине рабочего газа до максимально высокой температуры, направляется в камеру сгорания газовой турбины, догревается до температуры, превышающей не менее чем на 100 К температуру самовоспламенения топлива за счет сгорания поступающего в камеру сгорания топлива, образует рабочий газ из смеси сжатого воздуха и продуктов сгорания топлива, поступающий далее в проточную часть газовой турбины, проходя которую полностью изотермически расширяется в соответствии заданному значению коэффициента изотермичности в результате сгорания необходимого количества топлива, поступающего в рабочий газ, движущийся по каналам проточной части газовой турбины и отводом посредством вала турбины полезной механической энергии в количестве, равном тепловой от сгорания топлива в проточной части турбины, отработанный рабочий газ с выхода турбины направляется в теплообменник, охлаждаясь в котором, нагревает сжатую газовоздушную смесь, поступающую с выхода блока сжатия, далее одна часть его подается на вход блока сжатия, смешивается с нагретым воздухом, образуя газовоздушную смесь с оптимальным парциальным давлением кислорода на входе в блок сжатия, остальная часть отработанного рабочего газа направляется в следующий теплообменник, нагревает воздух, поступающий из внешней среды в блок сжатия, охлажденный до минимальной температуры рабочий газ сбрасывается во внешнюю среду, образуя полузамкнутый газотурбинный цикл, пар низкого давления, близкого к критическому, с выхода последней турбины блока сжатия направляется в теплообменник генератора пара высокого давления, охлаждается, нагревая жидкость высокого давления, поступающую в него до перехода ее в пар высокого давления, направляющийся с выхода генератора пара на вход компрессора парового турбокомпрессорного агрегата, далее дожимается, нагревается до заданных параметров, подается на вход блока сжатия газовоздушной смеси, охлажденный пар низкого давления по выходу из генератора пара высокого давления направляется в турбину парового турбокомпрессорного агрегата, охлаждается, расширяясь до давления, максимально близкого к критическому, производит механическую энергию, потребляемую моторгенератором, установленным на валу турбины парового турбокомпрессорного агрегата, распределяющим ее первоочередно на необходимую для работы компрессора и остальную для получения полезной энергии, выходя из турбины пар низкого давления с температурой и давлением, максимально близкими к критическим, поступает в теплообменник, охлаждаясь в котором, он полностью переходит в жидкость низкого давления, отдавая свою тепловую энергию воде высокого давления, выходящей из насоса перед подачей ее в генератор пара высокого давления, далее жидкость низкого давления направляется в теплообменник, в котором отдает свою избыточную тепловую энергию стороннему теплоносителю, поступает в насос, сжимается в жидкой фазе до высокого давления, которое с учетом дожатия в паровом турбокомпрессоре достаточно для функционирования блока сжатия воздуха, замыкая тем самым паровой цикл блока сжатия.

2. Способ работы стационарной комбинированной газотурбинной установки по п. 1, отличающийся тем, что для достижения максимальной эффективности работы установки путем повышения ее маневренности в широком диапазоне генерируемых мощностей теплообменники турбокомпрессорных агрегатов блока сжатия оборудуют дополнительным контуром, позволяющим осуществить подачу тепловой энергии пару от стороннего источника при отключенной газовой турбины, реализуют возможность прерывания механической связи между компрессором и турбиной блока сжатия воздуха, обеспечивают технологическую возможность как подачи необходимой механической мощности, так и снятия ее с турбинного вала турбокомпрессорных агрегатов блока сжатия, устанавливают дополнительную газовую турбину, обеспечивающую изотермическое расширение рабочего газа при повышении степени расширения, что позволяет установке работать в следующих режимах:

- постоянной малой нагрузки от стабильно работающего источника тепловой энергии типа АЭС, отключив компрессоры блока сжатия, подав необходимую тепловую энергию от стороннего источника в дополнительные контура теплообменников агрегатов блока сжатия, отбирая при этом полезную энергию с валов турбин блока сжатия, работая в режиме паротурбинной установки;

- подключив турбину к компрессору в агрегатах блока сжатия, подав топливо в турбину, снимая полезную мощность как с вала газовой турбины, так и валов паровых турбин блока сжатия, установка генерирует общую полезную мощность по величине, близкой к суммарной отдельно работающих паротурбинной и комбинированной установок;

- снижая отбор полезной нагрузки с валов турбин блока сжатия вплоть до нулевой, подключив дополнительную газовую турбину последовательно к основной и подав в нее топливо, полезная мощность установки возрастает примерно в два раза от номинальной мощности основной газовой турбины;

- на валы турбин блока сжатия и на привод насоса парового контура блока сжатия подается дополнительная энергия, практически удваивая тем самым суммарное количество полезной энергии производимой установкой.

3. Способ работы стационарной комбинированной газотурбинной установки по п. 1, отличающийся тем, что тепловая энергия, отводимая в качестве бросовой от воды низкого давления перед подачей в водяной насос, используется для компенсации энергозатрат при парообразовании в вспомогательной паротурбинной установке, работающей согласно циклу Ранкина.