Газопаровая энергетическая установка Российский патент 2025 года по МПК F01K21/04 F02C5/00 F02B33/42 

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может использоваться в газотурбинных двигателях и газопаровых энергетических установках.

Известна «Парогазовая установка с паротурбинным приводом компрессора и регенеративной газовой турбиной» Патент RU №2409746 (13) С2. Дата публикации заявки: 27.09.2010. Бюл. №27, содержащая паровую турбину, компрессор, камеру сгорания, газовую турбину, регенеративный подогреватель воздуха, котел-утилизатор с пароперегревателем и другими системами парового паросилового цикла и.т.п..

Недостатком подобной конструкции является низкий КПД турбокомпрессора высокого давления ГТД и паровой турбины высокого давления особенно на частичных нагрузках, большие габариты и масса регенеративного подогревателя воздуха.

Известен также каскадный обменник давлением, содержащий, корпус с выполненными портами подвода и отвода рабочего тела, а также с перепускными массообменными каналами, в корпусе, с возможностью вращения, установлен ротор с каналами открытыми с торцов. «Новые направления совершенствования рабочего процесса газотурбинных двигателей с каскадным обменником давления Крайнюка». А.И. Крайнюк. «Авиационно-космическая техника и технология». 2010 №7

Недостатком подобной конструкции является узкая сфера применения, необходимость установки дополнительных вентиляторов, что в ряде случаев усложняет конструкцию, низкие КПД и производительность.

Техническим результатом, достигаемым в данном изобретении, является расширение сферы применения обменника давлением, повышение его производительности и КПД, улучшение экономичности и экологических параметров газопаровых энергетических установок при минимальных массогабаритных характеристиках, утилизация CO2.

Технический результат достигается тем, что газопаровая энергетическая установка, содержащая, по крайней мере, одну газотурбинную энергетическую установку, устройства компрессии воздуха которой, по крайне мере часть из них, выполнены в виде устройства компрессии газа, например воздуха, за счет энергии пара, например водяного пара, содержит также, по крайней мере один парогенератор, например котел-утилизатора тепла с пароперегревателем, по крайней мере часть паропроводов, а возможно и газоходов оборудованы запорно-регулирующими клапанами, также содержит насосы и другие системы обеспечения паросилового и газотурбинного циклов, включая системы контроля, регулирования, управления, отличается тем, что в тракте компрессии воздуха газотурбинного двигателя, по крайней мере в части высокого давления, содержит, по крайней мере, одно устройство компрессии газа, например воздуха, за счет энергии пара, возможно водяного, например парогазовый каскадный обменник давлением, включающий корпус, в котором установлен с возможностью вращения ротор, с выполненными по окружности ротора параллельно валу (аксиально), или радиально, или диагонально, либо осерадиально каналами, со стороны впускных и выпускных отверстий каналов к торцам ротора с минимальным зазором, например с возможностью регулирования его величины, также в зазоре могут быть выполнены уплотнения, примыкают стенки корпуса, в которых образованы порты (окна) с возможностью подвода в каналы ротора и отвода из них сжимающего и сжимаемого рабочих тел, парогазовый каскадный обменник давлением интегрирован с газотурбинным двигателем, например таким образом, что рабочее тело низкого давления (сжимаемое рабочее тело), например воздух из компрессора газотурбинного двигателя, подведено к порту подвода рабочего тела низкого давления, выполненного с одной стороны ротора парогазового каскадного обменника давлением, а с противоположной стороны ротора в корпусе выполнен порт отвода рабочего тела низкого давления, например водяного пара или его смеси с воздухом, по крайней мере, в один регенеративный подогреватель конденсата, возможно смесительного типа, при этом, по крайней мере, часть рабочего тела может быть подведена к дополнительной турбине, выпуск из которой и, или выпуск из ступени которой подключен к регенеративному подогревателю конденсата меньшего давления, далее, по ходу вращения ротора, например со стороны подвода рабочего тела низкого давления, выполнен порт подвода рабочего тела высокого давления (сжимающего рабочего тела), например водяного пара из котла, возможно из котла-утилизатора, например после пароперегревателя, с противоположной стороны ротора в стенке корпуса, например с некоторым смещением в сторону вращения ротора, выполнен порт отвода рабочего тела высокого давления, например воздуха, который может быть подключен к системе охлаждения турбины высокого давления и, или к устройству подвода тепла, например в виде, по крайней мере одной камеры сгорания постоянного объема и, или постоянного давления, выход из которой соединен с газовой турбиной, или с каскадом турбин высокого, например среднего и низкого давления газотурбинного двигателя, и, по крайней мере, с одним котлом -утилизатором, при этом, по крайней мере, один котел-утилизатор может быть выполнен в газовом тракте между турбинами, например, по ходу движения газа, перед турбиной низкого давления, или каскада турбин низкого давления с возможностью отвода водного конденсата из, установленных между и за турбинами сепараторов конденсата, наружу из цикла, а также посредством питательного насоса, по крайней мере, в один регенеративный подогреватель конденсата, и далее, например после системы водоподготовки, посредством насоса, возможно высокого давления - в котел-утилизатор - парогенератор.

Кроме того, энергетическая установка отличается тем, что парогазовый каскадный обменник давлением содержит дополнительный порт подвода рабочего тела (продуктов сгорания), выполненный со стороны и перед портом отвода рабочего тела высокого давления, по ходу вращения ротора, либо с обеих сторон ротора, перед портами отвода и подвода рабочего тела высокого давления, либо перед портом подвода рабочего тела высокого давления, при этом дополнительный порт соединен с частью выхода из камеры сгорания, либо с выходом из отдельной камеры сгорания, например высокотемпературной, вход которой соединен с частью порта отвода рабочего тела высокого давления парогазового каскадного обменника давлением.

Кроме того, энергетическая установка отличается тем, что в роторе каскадного обменника давлением выполнены, например вдоль радиуса ротора, несколько рядов каналов, например со смещением каналов в одних рядах относительно каналов в других рядах, при этом стенки корпуса, расположенные между портами, выполнены с возможностью перекрытия (например, с минимальным зазором), при вращении ротора, впускных и выпускных отверстий, по крайней мере, одного из каналов в каждом из рядов каналов ротора, например поочередно.

Кроме того, энергетическая установка отличается тем, что газотурбинный двигатель содержит, по крайней мере, одну промежуточную камеру сгорания, при этом, например последняя, по ходу движения газа, промежуточная камера сгорания может содержать дополнительный подвод воздуха и, или выпарного газа, подключенный, например к компрессору газотурбинного двигателя и, или к выпуску выпарного газа, например через вентилятор, из регенеративного подогревателя конденсата.

Кроме того, энергетическая установка отличается тем, что порт отвода рабочего тела высокого давления парогазового каскадного обменника давлением подключен к высокотемпературному теплообменнику-нагревателю, с возможностью подвода тепла к рабочему телу от внешнего источника тепла, например концентратора солнечной энергии, реактора, котла, а выпуск из нагревателя присоединен к турбине высокого давления напрямую, или через камеру сгорания, при этом газотурбинный двигатель может быть выполнен по замкнутому циклу, а качестве рабочего тела может использоваться газ с подходящими свойствами, например инертный газ.

Кроме того, энергетическая установка отличается тем, что парогазовый каскадный обменник давлением, по крайней мере, одна камера сгорания и, по крайней мере, турбина высокого давления, на валу которой может быть выполнен электрогенератор, выделены в отдельный блок (надстройку) высокого давления, при этом турбина низкого, а, возможно, и среднего давления может быть выполнена на валу компрессора газотурбинного двигателя, на котором также может быть установлен электрогенератор.

Кроме того, энергетическая установка отличается тем, что вал ротора парогазового каскадного обменника давлением подключен к приводу, например от газотурбинного или электрического двигателя, с возможностью регулирования оборотов ротора и, или ротор выполнен с возможностью самовращения, например посредством специальных сопел, выполненных в отдельных портах подвода рабочего тела в каналы ротора, например также с возможностью регулирования оборотов ротора, при этом корпус парогазового каскадного обменника давлением может быть выполнен герметичным.

Кроме того, энергетическая установка отличается тем, что содержит устройство впрыска конденсата (воды) под давлением в воздушный канал, по крайней мере, перед одним парогазовым каскадным обменником давлением, при этом устройство впрыска конденсата (воды) может быть также выполнено в воздушном канале перед компрессором и, или перед ступенями компрессора, по крайней мере перед компрессором газотурбинного двигателя, а впрыскиваемый конденсат может быть подключен к устройству впрыска конденсата через устройство подвода тепла, например к выпуску конденсата из регенеративного подогревателя конденсата и, или к промежуточному теплообменнику - охладителю сжимаемого воздуха..

Кроме того, энергетическая установка отличается тем, что содержит, по крайней мере один подвод водяного пара, с возможностью регулирования его расхода, по крайней мере в одну камеру сгорания и, или в газовый тракт, по крайней мере перед одной турбиной газотурбинного двигателя.

Кроме того, энергетическая установка отличается тем, что содержит паровую или смешанную паровоздушную систему охлаждения по крайней мере высокотемпературной части газотурбинного двигателя, при этом паровоздушная система охлаждения может быть образована путем впрыска под давлением воды (конденсата) в тракт воздушного охлаждения газотурбинного двигателя.

Кроме того, энергетическая установка отличается тем, что в газовом тракте после выхода из турбины низкого давления, установлен низкотемпературный котел-утилизатор и, или конденсатор, с возможностью отвода, по крайней мере, части конденсата в насос, подключенный к регенеративному подогревателю конденсата.

Кроме того, энергетическая установка отличается тем, что выпуск охлаждаемого рабочего тела (продуктов сгорания) из котла-утилизатора подключен к детандеру или к каскаду детандеров, между которыми могут быть выполнены промежуточные сепараторы конденсата, на выходе из, по крайней мере одного детандера может быть установлено устройство сепарации углекислого газа и его отвода потребителю, а остаточное газообразное рабочее тело может быть подключено к атмосфере, к потребителю холода, либо подведено в качестве охладителя к системе промежуточного охлаждения газа между детандерами и, или к системе промежуточного охлаждения воздуха между устройствами компрессии воздуха.

Кроме того, энергетическая установка отличается тем, что газотурбинный двигатель выполнен по полузамкнутой схеме, например таким образом, что в части низкого давления, например перед турбиной низкого давления, или перед детандером газоход с потоком продуктов сгорания, например после устройств отвода тепла (котла-утилизатора) и сепарации конденсата, разделен на две части, одна часть присоединена ко входу компрессора газотурбинного двигателя, вход которого также подключен к атмосфере, возможно, что через компрессор наддува, а другая часть газа (продуктов сгорания) подключена к турбине низкого давления и, или к детандеру или ступени детандера.

Кроме того, энергетическая установка отличается тем, что выпуск выпарного газа (не сконденсировавшегося рабочего тела) из регенеративного подогревателя конденсата подключен к впуску вентилятора, выпуск которого присоединен к трубопроводу, подключенному к порту подвода рабочего тела низкого давления парогазового каскадного обменика давлением.

Кроме того, энергетическая установка отличается тем, что выпуск выпарного газа (не сконденсировавшегося рабочего тела) из регенеративного подогревателя конденсата присоединен к трубопроводу, подключенному к системе охлаждения, по крайней мере, дополнительного порта и порта отвода рабочего тела высокого давления парогазового каскадного обменника давлением, после чего трубопровод с выпарным газом подведен в сопловой аппарат турбины, например турбины среднего давления газотурбинного двигателя.

Кроме того, энергетическая установка отличается тем, что выпуск выпарного газа (не сконденсировавшегося рабочего тела) из регенеративного подогревателя конденсата низкого давления присоединен к трубопроводу, подключенному к сопловому аппарату, например турбины низкого давления газотурбинного двигателя, возможно, через систему охлаждения, например, дополнительного порта и порта отвода рабочего тела высокого давления парогазового каскадного обменника давлением.

Кроме того, энергетическая установка отличается тем, что блок высокого давления содержит парогазовый каскадный обменник давлением, порт отвода рабочего тела высокого давления которого подключен к двигателю внутреннего сгорания, например поршневому, или ротационному, на валу которого может быть выполнен электрогенератор, при этом, по ходу движения рабочего тела, перед турбиной среднего давления газотурбинного двигателя может быть выполнена дополнительная камера сгорания постоянного давления.

Кроме того, энергетическая установка отличается тем, что в стенках корпуса каскадного обменника давлением напротив каналов в роторе, с противоположной стороны совмещенных полностью или частично с окнами, соединенными с перепускными (массообменными) каналами, с возможностью повышения давления в этих каналах ротора, а возможно и, частично, напротив порта подвода рабочего тела высокого давления парогазового каскадного обменника давлением, выполнены форсунки с возможностью впрыска в каналы ротора под давлением охлаждающей жидкости (воды), подключенные, по крайней мере, через один насос, например к регенеративному подогревателю конденсата.

Кроме того, энергетическая установка отличается тем, что используется в составе компрессорной установки, при этом отвод из порта отвода рабочего тела высокого давления парогазового каскадного обменника давлением разделен на две части, одна из которых подключена к высокотемпературному теплообменнику -нагревателю, а другая часть отвода подключена к потребителю сжатого газа.

На чертежах изображено.

Фиг. 1. Газопаровая энергетическая установка с регенеративным подогревателем конденсата и последовательно установленными друг за другом камерой сгорания постоянного объема и камерой сгорания постоянного давления. Показана развертка парогазового каскадного обменника давлением.

Фиг. 2. Газопаровая энергетическая установка с регенеративным подогревателем конденсата и дополнительной камерой сгорания, подключенной к дополнительному порту, выполненному в парогазовом каскадным обменнике давлением. Показана развертка парогазового каскадного обменника давлением.

Газопаровая энергетическая установка содержит газотурбинный двигатель 1, с компрессором 2 и камерой сгорания постоянного объема 3 и, или с камерой сгорания постоянного давления 4, подключенной к порту отвода рабочего тела высокого давления 5 парогазового каскадного обменника давлением 6, содержащего корпус 7, в котором установлен с возможностью вращения ротор 8, с каналами 9, с впускными 10 и выпускными 11 отверстиями, с возможностью их периодического совмещения с портами в корпусе 7, в котором выполнены порт подвода рабочего тела низкого давления 12, порт подвода рабочего тела высокого давления 13, порт отвода рабочего тела низкого давления 14, порты, подключенные к перепускным (массообменным) каналам 15, может содержать дополнительный порт подвода рабочего тела 16, подключенный к выходу из, например высокотемпературной, камеры сгорания 17, турбину высокого давления 18, может содержать турбину среднего давления 19, турбину низкого давления 20, котел-утилизатор - парогенератор 21, подключенный через конденсатный насос 22 к выпуску нагретого конденсата из регенеративного подогревателя конденсата 23, в совою очередь, со стороны подвода конденсата (воды) подключенный к питательному насосу 24, а со стороны выпуска выпарного газа подключенный, возможно, к вентилятору 25, а, возможно, к системе охлаждения 26, также содержит сепаратор конденсата 27, запорно-регулирующие клапаны 28, электрогенератор 29, устройство регулирования оборотов ротора 30, системы впрыска воды (конденсата) в газовый тракт 31, с насосами 32, систему водоподготовки (очистки конденсата) 33, устройство выравнивания давления (эжектор) 34, может содержать систему впрыска воды (конденсата) 35 в каналы 9 ротора 8.

Газопаровая энергетическая установка работает следующим образом.

При пуске газотурбинного двигателя от какого-либо стартерного устройства (на схемах не показано) в компрессоре 2 газотурбинного двигателя 1, (Фиг. 1) сжимается воздух, который затем поступает в порт подвода рабочего тела низкого давления 12 парогазового каскадного обменника давлением 6, ротор 8 которого вращается от устройства регулирования оборотов 30. При этом трубопроводы, соединенные с портом подвода рабочего тела высокого давления 13 и портом отвода рабочего тела низкого давления 14 парогазового каскадного обменника давления 6 перекрыты запорно-регулирующими клапанами 28. Воздух низкого давления заполняет каналы 9 ротора 8 (Фиг. 1), которые, при вращении ротора 8 совмещаются с портом отвода рабочего тела высокого давления 5, при этом, сжатый воздух, возможно, с примесью водяного пара поступает в камеру сгорания постоянного давления 3, куда также подводится топливо. Образованные в камере сгорания 3 продукты сгорания повышенного давления и температуры поступают в устройство выравнивания давления 34, например в эжектор, в виде активного рабочего тела, а пассивным рабочим телом является воздух, возможно, с примесью водяного пара, поступающий из порта отвода рабочего тела высокого давления 5 парогазового каскадного обменника давлением 6, а возможно и из паропровода, затем смесь воздуха, пара и продуктов сгорания поступают в камеру сгорания постоянного давления 4, куда также подводится и топливо, после чего, образованные продукты сгорания расширяются в турбине высокого давления 18, далее поступают в турбину среднего давления 19, затем поступают в высокотемпературный котел-утилизатор 21, в котором отдают часть тепла, после чего расширяется в турбине низкого давления 20 газотурбинного двигателя 1, вращая вал отбора мощности с компрессором 2 и электрогенератором 29. В газовом тракте между ступенями турбины низкого давления 20 и на выходе из нее (а, возможно, и на входе) установлены сепараторы конденсата 27,сборники конденсата которых частично подключены к внешнему потребителю конденсата, а также к питательным насосам 24, которые подают воду (конденсат) в регенеративный подогреватель конденсата 23, выпуск нагретого конденсата из которого, через систему водоподготовки (очистки конденсата) 34, посредством конденсатного насоса 22 поступает на вход котла-утилизатора - парогенератора 21. Выпуск выпарного газа (воздуха) регенеративного подогревателя конденсата 23 присоединен к вентилятору 25, который нагнетает выпарной газ в порт подвода рабочего тела низкого давления 12 парогазового каскадного обменника давлением 6. После того, как в котле-утилизаторе - парогенераторе 21 образуется водяной пар необходимых объема и давления запорно-регулирующие клапаны 28, перекрывающие трубопроводы, соединяющие выпуск перегретого пара из котла-утилизатора - парогенератора 21 с портом подвода рабочего тела высокого давления 13 и портом отвода рабочего тела низкого давления 14 парогазового каскадного обменника давлением 6, открываются и в порт подвода рабочего тела высокого давления 13 парогазового каскадного обменника давлением 6 поступает пар, который сжимает находящийся в каналах 9 ротора 8 воздух и выталкивает его в порт отвода рабочего тела высокого давления 5, из которого воздух высокого давления подается в камеры сгорания 3 и 4 и цикл повторяется, но теперь уже при более высоком давлением воздуха в цикле. При вращении ротора 8 водяной пар ступенчато расширяется в каналах 9 ротора 8, при их совмещении с перепускными (массообменными) каналами 15, после чего, отработавший в парогазовом каскадном обменнике давлением 6 пар выталкивается в порт отвода рабочего тела низкого давления 14, из которого пар с примесью воздуха поступает в регенеративный подогреватель конденсата, конденсируется в нем, нагревая поступающий в подогреватель 23 конденсат, а воздух, посредством вентилятора 25 удаляется обратно в порт подвода рабочего тела низкого давления 12 парогазового каскадного обменника давлением 6.

Наличие дополнительного порта подвода рабочего тела 16 (Фиг. 2) позволяет увеличить тепловую эффективность цикла за счет рециркуляции горячих продуктов сгорания в цикле. При этом продукты сгорания из высокотемпературной камеры сгорания 17 поступают в дополнительный порт подвода рабочего тела 16, сжимают, находящиеся в каналах 9 ротора 8 пар и воздух и частично заполняют при этом каналы 9. При вращении ротора 8, в результате давления пара, поступающего через порт подвода рабочего тела высокого давления 13 в каналы 9 ротора 8, находящиеся в них пар, воздух и продукты сгорания дополнительно сжимаются, после чего продукты сгорания, пар и воздух выталкиваются в порт отвода рабочего тела высокого давления 5, попадают в камеру сгорания 4 (постоянного давления) и в высокотемпературную камеру сгорания 17, при этом горячие продукты сгорания предварительно нагревают воздух, снижая потребный расход топлива в камерах сгорания, повышая этим экономичность установки, и выступают в качестве охладителя с низким содержанием окислителя, в результате чего снижается образованию оксидов азота при горении топлива и повышаются экологические характеристики. Экономичность установки также повышается в результате регенерации (восстановления) давления горячего газа, после его расширения в дополнительном порте подвода рабочего тела 16, в парогазовом каскадном обменнике давлением 6 за счет работы конденсатного насоса 22. Выпуск выпарного газа (воздуха) регенеративного подогревателя конденсата 23 присоединен к системе охлаждения 26, дополнительного порта 16 и порта отвода рабочего тела высокого давления 5 парогазового каскадного обменника давлением 6, в котором выпарной газ (воздух, продукты сгорания и водяной пар) нагревается, после чего расширяется в турбине среднего давления 19, увеличивая мощность и КПД установки.

Излишки пара высокого давления могут через регулирующие клапаны 28 подаваться в камеры сгорания, увеличивая мощность установки.

В систему охлаждения, например турбины высокого давления 18 может, через систему впрыска конденсата 31 насосами 32, подаваться распыленная вода, которая испаряясь, снижает температуру охлаждающего воздуха.

Устройство нескольких рядов каналов 9 (На схемах не показаны) повышает расход рабочего тела через парогазовый каскадный обменник давлением 6 и увеличивает его эффективность за счет снижения негативного влияния ударных волн.

В установке может быть выполнен детандер, или каскад детандеров (на схеме не показаны), также с сепараторами конденсата 27 между ступенями (каскадами) детандера, на выходе из последних ступеней (каскадов) которого, может быть установлено устройство утилизации углекислого газа (на схемах не показано), например в виде сепаратора сжиженного углекислого газа и льда, а также насоса, закачивающего сжиженный (переохлажденный) углекислый газ потребителю. С целью снижения давления газа перед детандером, перед ним и, или между его ступенями (между каскадами) может быть выполнен промежуточный охладитель, в качестве охлаждающего рабочего тела в котором используется осушенный и очищенный от углекислоты газ, отбираемый за детандером. Дополнительно, этот газ можно использовать в дальнейшем для охлаждения, в промежуточном охладителе, сжимаемого воздуха (на схемах не показано).

Газотурбинный двигатель 1 установки может содержать надстройку высокого давления (на схемах не показана). При этом воздух из компрессора 2 газотурбинного двигателя 1 поступает в надстройку высокого давления, а именно в парогазовый каскадный обменник давлением 6, дожимается в нем и поступает из порта отвода рабочего тела высокого давления 5, в камеру сгорания постоянного объема 3 и, или постоянного давления 4, а возможно и в высокотемпературную камеру сгорания 17. Образованные в камерах сгорания продукты сгорания и оставшийся воздух расширяются в турбине высокого давления и вращают, установленный на ее валу электрогенератор (на чертежах не показан), затем поступают в камеру сгорания (на чертежах не показана) газотурбинного двигателя 1, куда также подается топливо, при горении которого температура продуктов сгорания вновь повышается. После чего продукты сгорания расширяются в турбине, например среднего давления 19 газотурбинного двигателя 1, вращая вал отбора мощности с компрессором 2 и электрогенератором 29.

Установка может содержать газотурбинный двигатель, выполненный по полузамкнутой схеме (на схемах не показано). При этом поток рабочего тела перед турбиной низкого давления, или перед детандером разделяется на две части, одна часть рабочего тела расширяется в турбине низкого давления 20, а другая поступает на вход компрессора 2, например после дополнительного охлаждения.

В установке может осуществляться охлаждение воздуха, в процессе его сжатия в парогазовом каскадном обменнике давлением 6. (Фиг. 2) При этом, в каналы 9 ротора 8, в которых, благодаря перепускным каналам 15 и порту подвода рабочего тела высокого давления 13, давление воздуха повышается, через форсунки системы впрыска воды (конденсата) 35, впрыскивается по давлением вода. При испарении воды в каналах 9 ротора 8 температура воздуха понижается.

Вместо камер сгорания 3 и 4, порт отвода рабочего тела высокого давления 5 парогазового каскадного обменника давлением 6 может быть подключен к теплообменнику -нагревателю (на чертежах не показано). При этом к рабочему телу (воздуху с примесью водяного пара) тепло подводится от внешнего источника тепла, например технологического котла, концентратора солнечной энергии, реактора и.т.п., после чего рабочее тело расширяется в турбинах 18, 19 и 20. При работе в составе компрессорной установки (на чертежах не показано), порт отвода рабочего тела высокого давления 5 парогазового каскадного обменника давлением 6 разделен на две части. Из одной части рабочее тело поступает в теплообменник-нагреватель и далее, а из другой части, сжатый в парогазовом каскадном обменнике давлением воздух поступает потребителю сжатого воздуха. При этом установка может быть выполнена по замкнутому циклу (на чертежах не показано). Расширившееся в турбинах высокого 18, среднего 19 и низкого 20 давления и, осушенное в сепараторах конденсата 27 рабочее тело, например какой-либо инертный газ, поступает на вход компрессора 2 газотурбинного двигателя и сжимается в нем, далее поступает в парогазовый каскадный обменник давлением и сжимается в нем другим рабочим телом, например водяным паром, полученном в котле -утилизаторе 21, после чего нагревается в теплообменнике -нагревателе (на чертежах не показан) и расширяется в турбинах высокого 18, среднего 19 и низкого 20 давления. Далее цикл повторяется.

Использование данного изобретения позволит повысить удельную мощность, КПД и экологические характеристики газотурбинных двигателей, работающих в составе газопаровых энергетических установок, а также позволит разрабатывать высокоэффективные энергетические и компрессорные установки, использующие возобновляемую, например солнечную энергию, или тепловую энергию реакторов (атомных, химических) и технологических котлов.

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может использоваться в газотурбинных двигателях и газопаровых энергетических установках. Техническим результатом, достигаемым в данном изобретении, является улучшение экономичности и экологических параметров газопаровых энергетических установок при минимальных массогабаритных характеристиках. Газопаровая энергетическая установка характеризуется тем, что воздух из компрессора газотурбинного двигателя подведен к порту подвода рабочего тела низкого давления, выполненного с одной стороны ротора парогазового каскадного обменника давлением, а с противоположной стороны ротора в корпусе выполнен порт отвода рабочего тела низкого давления, например водяного пара, по крайней мере в один регенеративный подогреватель конденсата, возможно смесительного типа, при этом по крайней мере часть рабочего тела может быть подведена к дополнительной турбине, выпуск из которой, или выпуск из ступени которой, подключен к регенеративному подогревателю конденсата меньшего давления. 18 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Газопаровая энергетическая установка, содержащая по крайней мере одну газотурбинную энергетическую установку, устройства компрессии воздуха которой, по крайне мере часть из них, выполнены в виде устройства компрессии газа, например воздуха, за счет энергии пара, например водяного пара, содержит также по крайней мере один парогенератор, например котел-утилизатор тепла с пароперегревателем, по крайней мере часть паропроводов, а возможно и газоходов оборудованы запорно-регулирующими клапанами, также содержит насосы и другие системы обеспечения паросилового и газотурбинного циклов, включая системы контроля, регулирования, управления, отличающаяся тем, что в тракте компрессии воздуха газотурбинного двигателя, по крайней мере в части высокого давления, содержит по крайней мере одно устройство компрессии газа, например воздуха, за счет энергии пара, возможно водяного, например парогазовый каскадный обменник давлением, включающий корпус, в котором установлен с возможностью вращения ротор, с выполненными по окружности ротора параллельно валу - аксиально, или радиально, или диагонально, либо осерадиально каналами, со стороны впускных и выпускных отверстий каналов к торцам ротора с минимальным зазором, например с возможностью регулирования его величины, также в зазоре могут быть выполнены уплотнения, примыкают стенки корпуса, в которых образованы порты - окна с возможностью подвода в каналы ротора и отвода из них сжимающего и сжимаемого рабочих тел, парогазовый каскадный обменник давлением интегрирован с газотурбинным двигателем, например, таким образом, что рабочее тело низкого давления -сжимаемое рабочее тело, например воздух из компрессора газотурбинного двигателя, подведено к порту подвода рабочего тела низкого давления, выполненного с одной стороны ротора парогазового каскадного обменника давлением, а с противоположной стороны ротора в корпусе выполнен порт отвода рабочего тела низкого давления, например водяного пара или его смеси с воздухом, по крайней мере в один регенеративный подогреватель конденсата, возможно смесительного типа, при этом по крайней мере часть рабочего тела может быть подведена к дополнительной турбине, выпуск из которой и/или выпуск из ступени которой подключен к регенеративному подогревателю конденсата меньшего давления, далее по ходу вращения ротора, например со стороны подвода рабочего тела низкого давления, выполнен порт подвода рабочего тела высокого давления - сжимающего рабочего тела, например водяного пара из котла, возможно из котла-утилизатора, например после пароперегревателя, с противоположной стороны ротора в стенке корпуса, например с некоторым смещением в сторону вращения ротора, выполнен порт отвода рабочего тела высокого давления, например воздуха, который может быть подключен к системе охлаждения турбины высокого давления и/или к устройству подвода тепла, например, в виде по крайней мере одной камеры сгорания постоянного объема и/или постоянного давления, выход из которой соединен с газовой турбиной или с каскадом турбин высокого, например, среднего и низкого давления газотурбинного двигателя и по крайней мере с одним котлом-утилизатором, при этом по крайней мере один котел-утилизатор может быть выполнен в газовом тракте между турбинами, например, по ходу движения газа перед турбиной низкого давления или каскада турбин низкого давления с возможностью отвода водного конденсата из установленных между и за турбинами сепараторов конденсата наружу из цикла, а также посредством питательного насоса по крайней мере в один регенеративный подогреватель конденсата и далее, например после системы водоподготовки, посредством насоса, возможно, высокого давления - в котел-утилизатор - парогенератор.

2. Энергетическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что парогазовый каскадный обменник давлением содержит дополнительный порт подвода рабочего тела - продуктов сгорания, выполненный со стороны и перед портом отвода рабочего тела высокого давления, по ходу вращения ротора, либо с обеих сторон ротора, перед портами отвода и подвода рабочего тела высокого давления, либо перед портом подвода рабочего тела высокого давления, при этом дополнительный порт соединен с частью выхода из камеры сгорания либо с выходом из отдельной камеры сгорания, например высокотемпературной, вход которой соединен с частью порта отвода рабочего тела высокого давления парогазового каскадного обменника давлением.

3. Энергетическая установка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что в роторе каскадного обменника давлением выполнены, например вдоль радиуса ротора, несколько рядов каналов, например со смещением каналов в одних рядах относительно каналов в других рядах, при этом стенки корпуса, расположенные между портами, выполнены с возможностью перекрытия, например, с минимальным зазором при вращении ротора впускных и выпускных отверстий по крайней мере одного из каналов в каждом из рядов каналов ротора, например поочередно.

4. Энергетическая установка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что газотурбинный двигатель содержит по крайней мере одну промежуточную камеру сгорания, при этом, например, последняя по ходу движения газа промежуточная камера сгорания может содержать дополнительный подвод воздуха и/или выпарного газа, подключенный, например, к компрессору газотурбинного двигателя и/или к выпуску выпарного газа, например, через вентилятор из регенеративного подогревателя конденсата.

5. Энергетическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что порт отвода рабочего тела высокого давления парогазового каскадного обменника давлением подключен к высокотемпературному теплообменнику-нагревателю с возможностью подвода тепла к рабочему телу от внешнего источника тепла, например концентратора солнечной энергии, реактора, котла, а выпуск из нагревателя присоединен к турбине высокого давления напрямую или через камеру сгорания, при этом газотурбинный двигатель может быть выполнен по замкнутому циклу, а качестве рабочего тела может использоваться газ с подходящими свойствами, например инертный газ.

6. Энергетическая установка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что парогазовый каскадный обменник давлением, по крайней мере одна камера сгорания и, по крайней мере, турбина высокого давления, на валу которой может быть выполнен электрогенератор, выделены в отдельный блок - надстройку высокого давления, при этом турбина низкого, а возможно, и среднего давления может быть выполнена на валу компрессора газотурбинного двигателя, на котором также может быть установлен электрогенератор.

7. Энергетическая установка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что вал ротора парогазового каскадного обменника давлением подключен к приводу, например от газотурбинного или электрического двигателя, с возможностью регулирования оборотов ротора и/или ротор выполнен с возможностью самовращения, например, посредством специальных сопел, выполненных в отдельных портах подвода рабочего тела в каналы ротора, например, также с возможностью регулирования оборотов ротора, при этом корпус парогазового каскадного обменника давлением может быть выполнен герметичным.

8. Энергетическая установка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что содержит устройство впрыска конденсата воды под давлением в воздушный канал по крайней мере перед одним парогазовым каскадным обменником давлением, при этом устройство впрыска конденсата воды может быть также выполнено в воздушном канале перед компрессором и/или перед ступенями компрессора, по крайней мере перед компрессором газотурбинного двигателя, а впрыскиваемый конденсат может быть подключен к устройству впрыска конденсата через устройство подвода тепла, например к выпуску конденсата из регенеративного подогревателя конденсата и/или к промежуточному теплообменнику-охладителю сжимаемого воздуха.

9. Энергетическая установка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что содержит по крайней мере один подвод водяного пара с возможностью регулирования его расхода по крайней мере в одну камеру сгорания и/или в газовый тракт по крайней мере перед одной турбиной газотурбинного двигателя.

10. Энергетическая установка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что содержит паровую или смешанную паровоздушную систему охлаждения по крайней мере высокотемпературной части газотурбинного двигателя, при этом паровоздушная система охлаждения может быть образована путем впрыска под давлением воды (конденсата) в тракт воздушного охлаждения газотурбинного двигателя.

11. Энергетическая установка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что в газовом тракте после выхода из турбины низкого давления установлен низкотемпературный котел-утилизатор и/или конденсатор с возможностью отвода по крайней мере части конденсата в насос, подключенный к регенеративному подогревателю конденсата.

12. Энергетическая установка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что выпуск охлаждаемого рабочего тела (продуктов сгорания) из котла-утилизатора подключен к детандеру или к каскаду детандеров, между которыми могут быть выполнены промежуточные сепараторы конденсата, на выходе из по крайней мере одного детандера может быть установлено устройство сепарации углекислого газа и его отвода потребителю, а остаточное газообразное рабочее тело может быть подключено к атмосфере, к потребителю холода либо подведено в качестве охладителя к системе промежуточного охлаждения газа между детандерами и/или к системе промежуточного охлаждения воздуха между устройствами компрессии воздуха.

13. Энергетическая установка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что газотурбинный двигатель выполнен по полузамкнутой схеме, например, таким образом, что в части низкого давления, например перед турбиной низкого давления, или перед детандером газоход с потоком продуктов сгорания, например после устройств отвода тепла - котла-утилизатора и сепарации конденсата, разделен на две части, одна часть присоединена к входу компрессора газотурбинного двигателя, вход которого также подключен к атмосфере, возможно, что через компрессор наддува, а другая часть газа - продуктов сгорания - подключена к турбине низкого давления и/или к детандеру или ступени детандера.

14. Энергетическая установка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что выпуск выпарного газа - не сконденсировавшегося рабочего тела из регенеративного подогревателя конденсата - подключен к впуску вентилятора, выпуск которого присоединен к трубопроводу, подключенному к порту подвода рабочего тела низкого давления парогазового каскадного обменика давлением.

15. Энергетическая установка по п. 2, отличающаяся тем, что выпуск выпарного газа - не сконденсировавшегося рабочего тела из регенеративного подогревателя конденсата - присоединен к трубопроводу, подключенному к системе охлаждения, по крайней мере, дополнительного порта и порта отвода рабочего тела высокого давления парогазового каскадного обменника давлением, после чего трубопровод с выпарным газом подведен в сопловой аппарат турбины, например турбины среднего давления газотурбинного двигателя.

16. Энергетическая установка по п. 2, отличающаяся тем, что выпуск выпарного газа - не сконденсировавшегося рабочего тела из регенеративного подогревателя конденсата низкого давления - присоединен к трубопроводу, подключенному к сопловому аппарату, например турбины низкого давления газотурбинного двигателя, возможно, через систему охлаждения, например, дополнительного порта и порта отвода рабочего тела высокого давления парогазового каскадного обменника давлением.

17. Энергетическая установка по п. 6, отличающаяся тем, что блок высокого давления содержит парогазовый каскадный обменник давлением, порт отвода рабочего тела высокого давления которого подключен к двигателю внутреннего сгорания, например, поршневому или ротационному, на валу которого может быть выполнен электрогенератор, при этом по ходу движения рабочего тела перед турбиной среднего давления газотурбинного двигателя может быть выполнена дополнительная камера сгорания постоянного давления.

18. Энергетическая установка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что в стенках корпуса каскадного обменника давлением напротив каналов в роторе, с противоположной стороны совмещенных полностью или частично с окнами, соединенными с перепускными - массообменными каналами, с возможностью повышения давления в этих каналах ротора, а возможно и, частично, напротив порта подвода рабочего тела высокого давления парогазового каскадного обменника давлением, выполнены форсунки с возможностью впрыска в каналы ротора под давлением охлаждающей жидкости - воды, подключенные по крайней мере через один насос, например, к регенеративному подогревателю конденсата.

19. Энергетическая установка по п. 5, отличающаяся тем, что используется в составе компрессорной установки, при этом отвод из порта отвода рабочего тела высокого давления парогазового каскадного обменника давлением разделен на две части, одна из которых подключена к высокотемпературному теплообменнику-нагревателю, а другая часть отвода подключена к потребителю сжатого газа.