КОТЛОТУРБИННАЯ ВОЗДУШНАЯ ЭНЕРГОУСТАНОВКА Российский патент 2024 года по МПК F23L15/00 F23L15/02 F23L15/04 

Изобретение относится к теплоэнергетике и наиболее эффективно для применения на объектах локальной и распределенной тепловой энергетики малой мощности, работающих на местных видах топлива (биотопливо, синтез-газ, вырабатываемый из органических отходов, попутный газ на нефтегазовых промыслах и др.).

Котлотурбинные воздушные энергоустановки - это котлотурбинные установки, использующие в качестве рабочего тела воздух. Единственным известным аналогом (прототипом) заявляемого изобретения, нашедшим практическое применение в разных странах (в том числе и в СССР), является котлотурбинная воздушная энергоустановка, которая в течение длительного периода изготавливалась швейцарской компанией Эшер Висе и по ее лицензии другими компаниями в США, Великобритании, ФРГ и Японии. Согласно данным источника [«Конструкции стационарных газотурбинных установок: (по зарубеж. материалам)» / Г.И. Моисеев, Л.З. Мееров // - М.; Л.: Госэнергоиздат, 1962, 199 с; рис. 3-44, с. 95; рис. 3-56, с. 104], прототип содержит воздушный котел с топкой и подогревателем сжатого воздуха (на рис. 3-56 не обозначен, на с. 105 источника указано, что нагрев воздуха производится в воздушном котле), воздушную турбину, сообщенную на входе по сжатому воздуху с выходом подогревателя сжатого воздуха по воздуху, регенеративный подогреватель сжатого воздуха (на рис. 3-56 назван регенератором), сообщенный на входе по греющему воздуху низкого давления (н.д.) с выходом воздушной турбины по воздуху, на выходе по сжатому воздуху - с входом подогревателя сжатого воздуха котла, компрессор, сообщенный на выходе по сжатому воздуху с входом регенеративного подогревателя сжатого воздуха по сжатому воздуху. Компрессор выполнен двухкаскадным, содержащим компрессоры высокого и низкого давления (КВД и КНД) с промежуточным охладителем воздуха. Прототип содержит охладитель циклового воздуха н.д., сообщенный на входе по охлаждаемому воздуху с выходом регенеративного подогревателя сжатого воздуха по греющему воздуху н.д., на выходе по охлаждаемому воздуху - со входом компрессора. Прототип содержит также воздуходувку (вентилятор), сообщенную на входе по воздуху с атмосферой, и рекуперативный подогреватель котлового воздуха (на рис. 3-56 назван подогревателем воздуха), сообщенный на входе по котловому воздуху с воздуходувкой, на выходе по котловому воздуху - с топкой. Таким образом прототип выполнен по схеме, аналогичной схеме обычного паротурбинного блока, отличающийся от последнего только тем, что рабочее тело в процессе подвода и отвода тепла в цикле не меняет своего газообразного агрегатного состояния, т.е. в прототипе реализуется не цикл Ренкина, а регенеративный замкнутый цикл Брайтона.

Основными недостатками такого технического решения являются высокая металлоемкость теплообменного оборудования и не достаточно высокий КПД. Заявляемое устройство позволяет повысить КПД котлотурбинной воздушной энергоустановки при одновременном снижении металлоемкости ее оборудования.

Определение указанного прототипа как наиболее близкого технического решения по совокупности признаков позволило выявить в заявляемом устройстве определенную в формуле изобретения совокупность существенных отличительных признаков по отношению к усматриваемому техническому результату.

Заявляемая котлотурбинная воздушная энергоустановка содержит воздушный котел с топкой и подогревателем сжатого воздуха, воздушную турбину, сообщенную на входе по сжатому воздуху с выходом подогревателя сжатого воздуха по воздуху, регенеративный подогреватель сжатого воздуха, сообщенный на входе по греющему воздуху низкого давления с выходом воздушной турбины по воздуху, на выходе по сжатому воздуху - с входом подогревателя сжатого воздуха котла, компрессор, сообщенный на выходе по сжатому воздуху с входом регенеративного подогревателя сжатого воздуха по сжатому воздуху.

Согласно изобретению, воздушный котел снабжен байпасным подогревателем сжатого воздуха, установленным в тракте дымовых газов воздушного котла за подогревателем сжатого воздуха по ходу дымовых газов и сообщенным на входе по сжатому воздуху с выходом компрессора по воздуху, на выходе по сжатому воздуху - с входом подогревателя сжатого воздуха, компрессор на входе по воздуху сообщен с атмосферой, байпасный подогреватель на выходе по дымовым газам сообщен с атмосферой, а регенеративный подогреватель сжатого воздуха на выходе по греющему воздуху низкого давления сообщен с потребителями тепла или атмосферой, при этом воздушная турбина либо оснащена на выходе по воздуху трехходовой распределительной заслонкой с двумя выходами по воздуху, сообщенными с входами регенеративного подогревателя сжатого воздуха по греющему воздуху и топки котла по котловому воздуху, выполненной с возможностью регулирования расхода воздуха в топку по условию поддержания температуры сжатого воздуха за регенеративным и байпасным подогревателями сжатого воздуха на одинаковом уровне, либо снабжена дополнительным выходом воздуха из промежуточной области проточной части турбины, сообщенным с входом топки котла по котловому воздуху, и оснащена устройством (устройствами) регулирования подачи воздуха в топку по указанному условию.

Воздушный котел заявляемой энергоустановки может быть также снабжен промежуточным подогревателем воздуха, а воздушная турбина выполнена двухкаскадной, содержащей турбины высокого и низкого давления, сообщенные друг с другом через тракт по воздуху промежуточного подогревателя воздуха.

Усматриваемый технический результат, обеспечивающий повышение КПД, состоит в следующем. Во-первых, снижение отвода тепла из цикла с отработанным рабочим телом и уходящими из котла дымовыми газами вследствие того, что суммарный расход циклового воздуха и дымовых газов в заявляемом устройстве ниже, чем в прототипе, на величину расхода котлового воздуха. Во-вторых, более высокая температура среды сжигания топлива, чем температура котлового воздуха в прототипе, что позволяет повысить температуру дымовых газов в топке и благодаря этому применить промежуточный подогрев воздуха в котле даже при использовании низкокалорийных видов топлива. В-третьих, более низкая температуре воздуха перед компрессором в сравнении с той, которая может быть обеспечена в охладителе воздуха перед компрессором прототипа, что позволяет снизить мощность компрессора и повысить мощность установки без повышения расхода топлива.

Снижение металлоемкости достигается, во-первых, за счет исключения из схемы установки наиболее габаритного элемента котельной установки - рекуперативного подогревателя котлового воздуха. Кроме того, заявляемое устройство не содержит воздуходувки и может не содержать охладителя воздуха за рекуперативном подогревателем сжатого воздуха (РПВ). Суммарная же металлоемкость РПВ и байпасного подогревателя сжатого воздуха (БП) заявляемого устройства при одинаковой электрической мощности будет ниже, чем металлоемкость РПВ прототипа. Это обусловлено тем, что при одинаковой электрической мощности и одинаковых температурных напорах на горячих концах указанных теплообменных аппаратов средний температурный напор в РПВ и БП заявляемой энергоустановки будет выше, а расход циклового воздуха (благодаря применению промперегрева) и суммарная тепловая мощность РВП и БП будут ниже, чем у РВП прототипа.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным, научно-исследовательским и другим источникам информации, содержащим сведения об аналогах заявляемого изобретения, не выявил технического решения, характеризующегося признаками, тождественными (эквивалентными) признакам заявляемого изобретения, при этом изобретение не вытекает явным для специалиста образом из известного уровня техники.

Сущность изобретения поясняется схематическими чертежами, представленными на фиг. 1 и 2 для иллюстрации обоих альтернативных технических решений (понятий) по отличительному признаку независимого пункта формулы, обеспечивающему достижение заявленного технического результата: снижение отвода тепла из цикла с отработанным рабочим телом и уходящими из котла дымовыми газами вследствие снижения суммарного расхода отработанного циклового воздуха и дымовых газов на величину расхода котлового воздуха в прототипе.

На фиг. 1 схематически изображена котлотурбинная воздушная энергоустановка, содержащая воздушный котел 1 с топкой 2 и подогревателем сжатого воздуха (ПВ) 3, воздушную турбину 4, сообщенную на входе по сжатому воздуху с выходом ПВ 3 по воздуху, регенеративный подогреватель сжатого воздуха (РПВ) 7, сообщенный на входе по греющему воздуху низкого давления с выходом воздушной турбины 4 по воздуху, на выходе по сжатому воздуху - с входом ПВ 3 котла, компрессор 8, сообщенный на выходе по сжатому воздуху с входом РПВ 7 по сжатому воздуху. В данном примере, как и в прототипе, компрессор 8 предполагается выполненным двухкаскадным, с промежуточным охладителем 9 и двумя компрессорами низкого и высокого давления (КНД 10 и КВД 11), сообщенными между собой по сжимаемому воздуху через тракт по охлаждаемому воздуху промежуточного охладителя 9. Турбогенератор 12 соединен с валом воздушной турбоустановки через редуктор.

Согласно изобретению, воздушный котел 1 снабжен байпасным подогревателем сжатого воздуха (БП) 13, установленным в тракте дымовых газов воздушного котла 1 за ПВ 3 по ходу дымовых газов и сообщенным на входе по сжатому воздуху с выходом компрессора 8 (в данном случае - КВД 11) по воздуху, на выходе по сжатому воздуху - с входом ПВЗ 3, компрессор 8 (в данном случае, КНД 10) на входе по воздуху сообщен с атмосферой, БП 13 на выходе по дымовым газам сообщен с атмосферой, РПВ 7 на выходе по греющему воздуху н.д. сообщен с потребителем тепла или с атмосферой, при этом воздушная турбина 4, согласно первому из двух альтернативных решений (понятий) по отличительному признаку п. 1. формулы, оснащена на выходе по воздуху трехходовой распределительной заслонкой (ТРЗ) 14 с двумя выходами по воздуху, сообщенными с входами РПВ 7 по греющему воздуху и топки 2 котла по котловому воздуху, выполненной с возможностью регулирования расхода воздуха в топку 2 по условию поддержания температуры сжатого воздуха за РПВ 7 и БП 13 на одинаковом уровне.

В данном примере, согласно п. 2 формулы, воздушный котел 1 содержит промежуточный подогреватель воздуха (ППВ) 15, а воздушная турбина 8 выполнена двухкаскадной, содержащей турбины высокого и низкого давления (ТВД5 и ТНД 6), сообщенные друг с другом через тракт по воздуху ППВ 15.

На фиг. 2 приведен схематический чертеж заявляемого устройства, в котором, согласно второй «альтернативе» независимого пункта формулы, воздушная турбина (в данном примере - ТНД 6) выполнена с дополнительным выходом воздуха из промежуточной области проточной части ТНД 6, сообщенным с входом топки 2 котла по котловому воздуху, и оснащена устройствами регулирования подачи воздуха в топку 2 по условию поддержания температуры сжатого воздуха за РПВ 7 и БП 13 на одинаковом уровне - диафрагмой 16 и регулирующей заслонкой (РЗ) 17.

В приведенном на фиг. 2 примере компрессор 8 выполнен однокаскадным, а котлотурбинная воздушная установка снабжена охладителем уходящего воздуха (ОУВ) 18, состоящем из двух последовательно установленных по ходу воздуха теплообменных аппаратов - воздушного подогревателя сетевой воды (ВПСВ) 19 и дополнительного охладителя уходящего воздуха (ДОУВ) 20, и компрессором уходящего воздуха (КУВ) 21, установленном на одном валу с турбиной 4, РПВ 7 на выходе по греющему воздуху н.д. сообщен с атмосферой через тракт по уходящему воздуху теплообменных аппаратов ОУГ 18 и КУВ 21. Котлотурбинная воздушная энергоустановка содержит также газовый подогреватель сетевой воды (ГПСВ) 22 и электроприводной дымосос 23, БП 13 на выходе по дымовым газам сообщен с атмосферой через тракт по дымовым газам ГПСВ 22 и дымосос 23,.

Устройство работает следующим образом. В компрессоре 8 атмосферный воздух сжимают и подают на входы по сжатому воздуху РПВ 7 и БП 13, в которых воздух нагревают до примерно одинаковой температуры и подают в ПВ 3. Из ПВ 3 нагретый до максимально высокой температуры (680-760°С) воздух подают в ТВД 5, где он, совершая работу, расширяется до некоторого промежуточного давления. Из ТВД 5 воздух подают в в ППВ 15, где его нагревают до температуры, близкой к начальной. Из ППВ 15 воздух подают в ТНД 6, где он расширяется, совершая работу,

В варианте энергоустановки, приведенной на фиг.1, воздух из ТНД 6 подают через ТРЗ 14 на вход РПВ 7 по греющему воздуху н.д. и в топку 2 с регулированием при помощи ТРЗ 14 по условию поддержания температуры сжатого воздуха за РПВ 7 и БП 13 на одинаковом уровне. При правильно спроектированных РПВ 7 и БП 13 такое регулирование обеспечивает поддержание коэффициента избытка воздуха в топке 2 в требуемом диапазоне (1.1-1.2). Дымовые газы из БП 13 отводят в атмосферу, а отработанный горячий воздух из РПВ 7 отводят в атмосферу или потребителю горячего воздуха.

В варианте энергоустановки, приведенной на фиг.2, воздух подают в топку 2 из промежуточной области проточной части ТНД 6 с регулированием при помощи диафрагмы 16 и регулирующей заслонки 17 по условию поддержания температуры сжатого воздуха за РПВ 7 и БП 13 на одинаковом уровне. Процесс регулирования организован следующим образом. При пуске и на частичных нагрузках (при малых температурах воздуха перед ТВД 5 и ТНД 6) необходимый уровень давления в отборе воздуха из ТНД 6 в топку 2 поддерживается диафрагмой 16. После выхода на номинальные обороты и повышения температуры воздуха перед турбинами до значений, близких к номинальным, когда давление воздуха перед уже полностью открытой диафрагмой 16 начинает превосходить требуемое значение, в работу включается РЗ 17, с этого момента поддержание расхода воздуха в топку 2 на требуемом уровне осуществляется при помощи РЗ 17. Остальной расход циклового воздуха проходит через диафрагму 16 и через последнюю ступень (ступени) ТНД 6, расширяясь и совершая полезную работу. Из ТНД 6 отработанный воздух подают на вход РПВ 7 по греющему воздуху. Из РВП 7 воздух н.д. поступает в ОУВ 18, проходя последовательно через тракт по охлаждаемому воздуху ВПСВ 19 и ДОУВ 20, поступает на вход КУВ 21, где отработанный и охлажденный цикловой воздух сжимают до атмосферного давления и отводят в атмосферу. В приведенном на фиг. 2 примере дымовые газы из БРП 13 отводят в атмосферу при помощи дымососа 23, предварительно охладив их в потребителе тепла - ГПСВ 22. Применение дымососа 23 позволяет компенсировать потери давления в тракте котла 1 и ГПСВ 22 по дымовым газам, снизить давление в топке и благодаря этому организовать отбор воздуха в топку 2 при более низком давлении с дополнительным повышением мощности турбины 4 и КПД.

В обоих вариантах заявляемого устройства достигается заявленный технический результат, обеспечивающий повышение КПД при снижении металлоемкости оборудования котлотурбинной воздушной энергоустановки.

Технический результат, обеспечивающий повышение КПД, состоит в следующем. Во-первых, снижение отвода тепла из цикла с отработанным воздухом за РПВ 7 и уходящими из котла дымовыми газами за БП 14 вследствие того, что суммарный расход циклового воздуха и дымовых газов в заявляемом устройстве ниже, чем в прототипе, на величину расхода котлового воздуха. Во-вторых, более высокая температура среды сжигания топлива, равная температуре воздуха за турбиной (в первом варианте) и - тем более - в отборе воздуха из промежуточной области ТНД 6 (во втором варианте)), чем температура котлового воздуха в прототипе, что позволяет повысить температуру дымовых газов в топке и благодаря этому применить промежуточный подогрев воздуха в котле с соответствующим повышением КПД даже при использовании низкокалорийных видов топлива. В-третьих, более низкая температуре воздуха перед компрессором 4 в сравнении с той, которая может быть обеспечена в охладителе воздуха перед компрессором прототипа, что позволяет снизить мощность компрессора и повысить мощность установки без повышения расхода топлива.

Снижение металлоемкости достигается, во-первых, за счет исключения из схемы установки наиболее габаритного элемента котельной установки - рекуперативного подогревателя котлового воздуха. Кроме того, заявляемое устройство не содержит воздуходувки и может не содержать охладителя воздуха за РПВ 7. Суммарная же металлоемкость РПВ 7 и БП 14 в обоих вариантах заявляемого устройства при одинаковой электрической мощности будет ниже, чем металлоемкость РПВ прототипа. Это обусловлено тем, что при одинаковой электрической мощности и одинаковых температурных напорах на горячих концах РПВ 7, БП 14 и заявляемого устройство и РПВ прототипа средний температурный напор в РПВ 7 и БП 14 заявляемой энергоустановки будет выше, а расход циклового воздуха и суммарная тепловая мощность РВП 7 и БП 14 будут ниже, чем у РВП прототипа.

Приведенные на фиг. 1 и 2 примеры представлены для иллюстрации заявляемого изобретения с применением отличительных признаков по обоим пунктам формулы и обоим альтернативным решениям по одному из отличительных признаков п. 1 формулы и не исчерпывают всех возможных вариантов его реализации. Формула изобретения не исключает однокаскадное исполнение компрессора, а также не исключает применение вытяжных устройств и теплообменных аппаратов на выходах не только РПВ 7 по уходящему воздуху, но и БП 13 по дымовым газам. Возможны различные сочетания применяемых устройств и способов утилизации тепла уходящих теплоносителей в зависимости от видов и состава топлива, а также от условий эксплуатации и назначения котлотурбинной воздушной энергоустановки. В частности, отпуск тепла внешнему потребителю в виде горячего воздуха предпочтителен для применения в энергоустановках, работающих на угле либо на биотопливе, вырабатываемом из органических отходов лесопромышленных и сельскохозяйственных предприятий, где уходящий горячий воздух может быть использован, например, для осушения органического сырья при производстве биотоплива, для предварительного осушения и подогрева твердого топлива перед его газификацией или сжиганием в топке котла. Кроме того, горячий воздух может быть использован для отопления производственных и бытовых помещений на объектах, компактно расположенных в районах с холодным климатом, путем подмешивания горячего воздуха в системы вентиляции этих объектов. В варианте реализации изобретения с отбором воздуха в топку из промежуточной области проточной части турбины позволяет в некоторых случаях понизить давление за турбиной. Отпуск тепла внешнему потребителю в этом случае за счет охлаждения уходящего воздуха возможен с применением воздушного ПСВ (ВПСВ 19). В отсутствие твердых частиц и оксидов серы в дымовых газах нагрев сетевой воды может производиться и за счет тепла уходящих дымовых газов в газовом ПСВ (ГПСВ 22), в том числе и с применением дымососа. Кроме того, компрессор уходящего воздуха КУВ 21 может быть установлен не на валу турбины, а на отдельном валу вытяжного устройства, при этом потребителем тепла может быть не только внешний потребитель, но и работающие на тепле уходящих теплоносителей приводные устройства вытяжного вентилятора (компрессора) и дымососа.

Во всех вариантах реализации изобретения его применения обеспечивает получение заявленного технического результаты и повышение КПД при меньшей металлоемкости оборудования котлотурбинной воздушной энергоустановки по сравнению с прототипом.

Изобретение относится к теплоэнергетике и наиболее эффективно для применения на объектах локальной и распределенной тепловой энергетики малой мощности, работающих на местных видах топлива, например таких, как биотопливо, синтез-газ, вырабатываемый из органических отходов, попутный газ на нефтегазовых промыслах и др. Котлотурбинная воздушная энергоустановка содержит воздушный котел 1 с топкой 2, подогревателем сжатого воздуха (ПВ) 3, подогревателем промежуточного воздуха (ППВ) 15 и байпасным подогревателем сжатого воздуха (БП)13, размещенным по ходу дымовых газов за ПВ 3 и сообщенным на выходе по воздуху с ПВ 3 по воздуху, воздушные турбины высокого и низкого давления (ТВД 5 и ТНД 6), сообщенные друг с другом через тракт ППВ 15 по воздуху, регенеративный подогреватель сжатого воздуха (РПВ) 7, сообщенный на входе по греющему воздуху низкого давления (н.д.) с выходом ТНД 6 по воздуху, на выходе по сжатому воздуху - с входом ПВ 3 по воздуху, компрессор 8, сообщенный на выходе по сжатому воздуху с входами РПВ 7 и БП 13 по сжатому воздуху, на входе по воздуху - с атмосферой. БП 13 на выходе по дымовым газам сообщен с атмосферой, РПВ 7 на выходе по воздуху н.д. - с потребителем тепла или с атмосферой. ТВД 5 на входе по сжатому воздуху сообщена с выходом ПВ 3 по воздуху, а ТНД 6 оснащена на выходе по воздуху трехходовой распределительной заслонкой 14 с двумя выходами по воздуху, сообщенными с входами РПВ 7 по греющему воздуху н.д. и топки 2 котла по котловому воздуху, выполненной с возможностью регулирования расхода воздуха в топку 2 по условию поддержания температуры сжатого воздуха за РПВ 7 и БП 13 на одинаковом уровне. Кроме того, также предусмотрен альтернативный вариант выполнения, согласно которому ТНД выполнена с дополнительным выходом воздуха из промежуточной области проточной части, сообщенным с входом топки 2 котла по котловому воздуху, и оснащена устройствами регулирования подачи воздуха в топку 2 по указанному условию - диафрагмой и регулируемой заслонкой. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Котлотурбинная воздушная энергоустановка, содержащая воздушный котел с топкой и подогревателем сжатого воздуха, воздушную турбину, сообщенную на входе по сжатому воздуху с выходом подогревателя сжатого воздуха по воздуху, регенеративный подогреватель сжатого воздуха, сообщенный на входе по греющему воздуху низкого давления с выходом воздушной турбины по воздуху, на выходе по сжатому воздуху - с входом подогревателя сжатого воздуха котла, компрессор, сообщенный на выходе по сжатому воздуху с входом регенеративного подогревателя сжатого воздуха по сжатому воздуху, отличающаяся тем, что воздушный котел снабжен байпасным подогревателем сжатого воздуха, установленным в тракте дымовых газов воздушного котла за подогревателем сжатого воздуха по ходу дымовых газов и сообщенным на входе по сжатому воздуху с выходом компрессора по воздуху, на выходе по сжатому воздуху - с входом подогревателя сжатого воздуха, компрессор на входе по воздуху сообщен с атмосферой, байпасный подогреватель на выходе по дымовым газам сообщен с атмосферой, регенеративный подогреватель сжатого воздуха на выходе по греющему воздуху низкого давления сообщен с потребителями тепла или с атмосферой, при этом воздушная турбина либо оснащена на выходе по воздуху трехходовой распределительной заслонкой с двумя выходами по воздуху, сообщенными с входами регенеративного подогревателя сжатого воздуха по греющему воздуху и топки котла по котловому воздуху, выполненной с возможностью регулирования расхода воздуха в топку по условию поддержания температуры сжатого воздуха за регенеративным и байпасным подогревателями сжатого воздуха на одинаковом уровне, либо выполнена с дополнительным выходом воздуха из промежуточной области проточной части, сообщенным с входом топки котла по котловому воздуху, и оснащена устройством (устройствами) регулирования подачи воздуха в топку по указанному условию.

2. Котлотурбинная воздушная энергоустановка по п. 1, отличающаяся тем, что воздушный котел содержит промежуточный подогреватель воздуха, а воздушная турбина выполнена двухкаскадной, содержащей турбины высокого и низкого давления, сообщенные друг с другом через тракт по воздуху промежуточного подогревателя воздуха.