СПОСОБ РАБОТЫ ТЕПЛОУТИЛИЗАЦИОННОГО КОНТУРА В СОСТАВЕ ВОЗДУШНО-АККУМУЛИРУЮЩЕЙ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 2025 года по МПК F01K23/10 F01K25/06 F01K3/00 

Область техники, к которой относится изобретение.

Изобретение предназначено для выработки электроэнергии при покрытии переменной нагрузки электропотребления на основе технологии воздушного аккумулирования энергии и может быть использовано в теплоэнергетике.

Уровень техники.

Известны различные схемы воздушно-аккумулирующих газотурбинных электростанций (ВАГТЭ) реализующие возможность использования вырабатываемой ночью электроэнергии для покрытия пиков нагрузки. Компрессорная группа ВАГТЭ приводится во вращение электрическим двигателем, потребляющим недорогую электроэнергию. Воздух закачивается в воздушный аккумулятор, где его энергия сохраняется. В часы пика нагрузки, воздух забирается из воздушного аккумулятора, подогревается за счет сжигания топлива и расширяется в турбине, вращающей электрический генератор. Как известно, уходящие газы газовой турбины имеют значительный энергетический потенциал, который может использоваться в дополнительно установленном теплоутилизационном контуре.

Известен способ работы ВАГТЭ [см. Ольховский Г.Г. и др. Воздушно-аккумулирующие газотурбинные электростанции (ВАГТЭ), М., РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2011, рис. 3.1] содержащей компрессорную группу в составе компрессоров высокого и низкого давлений закачивающие воздух с давлением 6-7 МПа в подземный аккумулятор воздуха. В период разрядки воздух подается к газовой турбине с давлением 4,2 МПа, которое поддерживается постоянным при изменяющемся давлении в аккумуляторе. Уходящие газы после газовой турбины выбрасываются в атмосферу.

Недостатком известного способа является достаточно высокая температура уходящих газов, выбрасываемых в атмосферу, что приводит к снижению экономичности установки.

Известны способы работы ВАГТЭ [см. Ольховский Г.Г. и др. Воздушно-аккумулирующие газотурбинные электростанции (ВАГТЭ), М., РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2011, рис. 3.17, 3.18, 3.9, 4.1, 4.5, 7.1], в которых предложены более экономичные решения и содержат регенератор, в котором подогревается воздух, поступающий из воздушного аккумулятора уходящими газами газовой турбины. Подогретый в регенераторе воздух подается в камеру сгорания газовой турбины, тем самым, позволяя экономить сжигаемое топливо. Недостатком данных способов является достаточно большое количество теплоты уходящих газов выбрасываемых в атмосферу, которое можно было бы утилизировать с целью дальнейшего повышения экономичности установки.

Известны способы работы ВАГТЭ [см. Ольховский Г.Г. и др. Воздушно-аккумулирующие газотурбинные электростанции (ВАГТЭ), М., РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2011, рис. 2.12, 2.13, 2.14, 5.1а, 5.1б] содержащие турборасширительную воздушную турбину. Сжатый воздух из воздушного аккумулятора в режиме генерации подогревается в регенераторе отработавшими газами газовой турбины, расширяется в воздушной турборасширительной турбине с выработкой дополнительной электрической энергии и далее используется в схеме газотурбинной установки (ГТУ). Уходящие газы после ГТУ выбрасываются в атмосферу.

Недостатком данных способов является пониженная температура охлажденного в турборасширителе воздуха, используемого затем в камере сгорания ГТУ, что приводит к снижению экономичности производства пиковой энергии на базе аккумулированного воздуха.

Одним из методов повышения экономичности производства электроэнергии на базе избыточной теплоты продуктов сгорания газотурбинной установки является впрыск водяного пара в камеру сгорания газовой турбины.

Известен способ работы газотурбинной установки с впрыском водяного пара [см. Патент на изобретение № 2527010, МПК F 02С 3/30 Газотурбинная установка с впрыском водяного пара / Иванов А.А.]. Газотурбинная установка с впрыском водяного пара в контур ГТУ содержит компрессор для сжатия воздуха, топливный насос, средства для подачи топлива, камеру сгорания, куда поступает сжатый компрессором воздух и подаваемое топливо, и где происходит их смешение, воспламенение и сгорание, газовую турбину, электрогенератор для выработки электроэнергии, механические средства для передачи механической энергии от турбины на работу компрессора и вращение электрогенератора, котел-утилизатор, предназначенный для нагрева подаваемой воды и получения пара за счет теплоты продуктов сгорания, систему впрыска пара в камеру сгорания, дополнительную систему подачи вещества для ускорения сгорания топлива и продуктов его высокотемпературных превращений (активатора горения) и систему смешения активатора горения с водяным паром, впрыскиваемым в камеру сгорания. Изобретение позволяет ускорить процесс горения, увеличить полноту сгорания метана, повысить КПД ГТУ, снизить вредные выбросы оксидов азота и угарного газа, увеличить удельную мощность ГТУ, снизить удельный расход топлива в ГТУ.

Однако данный способ предназначен только для газотурбинных установок, в которых циклы сжатия в компрессоре, сжигания в камере сгорания и расширения в газовой турбине не разделены во времени, и не предназначен для воздушно-аккумулирующих газотурбинных электростанций, в которых циклы сжатия в компрессоре протекают в период суточного спада электрической нагрузки, а циклы сжигания в камере сгорания и расширения в газовой турбине – в период суточного подъема электрической энергии, т.е. циклы сжатия, сжигания и выработки разделены во времени. Кроме того, не рассмотрена возможность выработки электроэнергии паротурбинной установкой достигаемой пропуском в паровую турбину пара, произведенного котлом-утилизатором после утилизации избыточного тепла уходящих газов газовой турбины.

Другим способом повышения экономичности производства электроэнергии на базе избыточной теплоты продуктов сгорания газотурбинной установки является комбинирование газовых и паровых циклов.

Известны комбинированные парогазовые схемы, в которых уходящие газы ГТУ направляются в котел-утилизатор, где значительная часть теплоты передается пароводяному рабочему телу и генерируется пар, который поступает в паровую турбину [см. Андрющенко А.И., Лапшов В.Н. Парогазовые установки электростанций, М-Л., Энергия, 1965, рис. 1.9, 1.10, 7.11 б], [см. Арсеньев Л.В. и др. Комбинированные установки с газовыми турбинами, Л., Машиностроение, 1982, рис. 11.1 а, б, в], [см. Цанев С.В. и др. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций, М.: МЭИ, 2002, рис. 8.1]. Парогазовые установки с котлом-утилизатором отличаются простотой и высокой эффективностью производства электрической энергии.

Недостатком известных способов является то, что отсутствует возможность аккумулирования сжатого компрессором воздуха в часы провала электрической нагрузки с целью дальнейшего его использования в газовой турбине в период пика электрической нагрузки.

Известен способ работы воздушно-аккумулирующей газотурбинной установки [см. Патент на изобретение № 2529615, МПК F 01К 25/06 Способ аккумулирования энергии / Столяревский А.Я.]. В энергоустановку подают из хранилища сжатый воздух, а также газообразное топливо, продукты сжигания которого используют в периоды увеличения нагрузки электросети для газотурбинного привода мотор-генератора, который в периоды провала нагрузки электросети используют для сжатия воздуха и нагнетания его в хранилище сжатого воздуха, по меньшей мере, часть сжатого воздуха, отбираемого из хранилища сжатого воздуха, используют для проведения паровоздушной конверсии природного газа в адиабатическом реакторе конверсии, продукты которой подают в периоды увеличения нагрузки электросети на сжигание в потоке сжатого воздуха с получением продуктов сгорания, подаваемых на расширение в газотурбинный привод мотор-генератора, а затем на охлаждение в водяном парогенераторе, из которого вырабатываемый водяной пар подают на смешение со сжатым воздухом перед паровоздушной конверсией природного газа. Способ позволяет за счет утилизации тепловой энергии продуктов сгорания в парогенераторе и применения сжатого воздуха, запасаемого в хранилище за счет провальной электроэнергии, получить водородосодержащую парогазовую смесь с повышенным содержанием водорода, сжигание которой повышает мощность газовой турбины в пиковом режиме и снижает выбросы вредных веществ.

Недостатком способа является то, что он применим только для воздушно-аккумулирующих установок, имеющих в своем составе адиабатический реактор конверсии для проведения паровоздушной конверсии природного газа. Кроме того, не рассмотрена возможность выработки электроэнергии паротурбинной установкой достигаемой пропуском в паровую турбину пара, произведенного парогенератором после утилизации избыточного тепла уходящих газов газовой турбины с целью повышения экономичности работы воздушно-аккумулирующих установки.

Наиболее близким техническим решением (аналогом) является способ работы воздушно-аккумулирующей газотурбинной электростанции [см. Патент на изобретение № 2647013, МПК F01K 25/06 (2006.01) Способ работы воздушно-аккумулирующей газотурбинной электростанции / Новичков С.В.]. В период подъема электрической нагрузки сжатый воздух направляют из воздушного аккумулятора в камеру сгорания газовой турбины, уходящие газы после газовой турбины поступают в котел-утилизатор, который входит в состав дополнительно установленного утилизационного контура, часть выработанного котлом-утилизатором пара затем подают для расширения и совершения работы в паровой турбине.

Недостатком аналога является отсутствие использования тепловой энергии, получаемой после охлаждения сжатого воздуха, для повышения электрической мощности и экономичности воздушно-аккумулирующей газотурбинной установки.

Раскрытие сущности изобретения.

Технической проблемой заявляемого изобретения является разработка способа работы теплоутилизационного контура в составе воздушно-аккумулирующей газотурбинной установки, позволяющей использовать теплоту теплового аккумулятора, установленного для аккумулирования тепловой энергии полученной после охлаждения сжатого воздуха потоком конденсата паро-водяного контура котла-утилизатора, для генерирования дополнительного количества пара в котле-утилизаторе теплоутилизационного контура, что позволит выработать дополнительную электрическую мощность паровой турбины теплоутилизационного контура и всей воздушно-аккумулирующей газотурбинной установки, а также повысить экономичность её работы.

Технический результат заключается в том, что в способе работы теплоутилизационного контура в составе воздушно-аккумулирующей газотурбинной установки в период суточного спада электрической нагрузки одна (первая) часть потока конденсата паро-водяного контура котла-утилизатора направляется в котел-утилизатор, другая часть потока конденсата направляется для охлаждения сжатого воздуха компрессорной группы, при этом нагревается и смешивается с первой частью потока конденсата паро-водяного контура котла-утилизатора.

Технический результат заявляемого изобретения достигается за счет того, что в период провала электрической нагрузки, часть потока холодного конденсата пароводяного контура котла-утилизатора направляется для охлаждения сжатого компрессором воздуха, далее нагретый конденсат аккумулируется в тепловом аккумуляторе, и в период подъема электрической нагрузки, смешивается с другой частью потока конденсата котла-утилизатора. Это приводит к увеличению расхода пара в паровой части теплоутилизационного контура, так как, в котел-утилизатор вносится теплоноситель, нагретый в результате теплообмена при охлаждении сжатого воздуха в охладителе, то для полной утилизации теплоты уходящих газов после газовой турбины необходимо подавать большее количество конденсата. В результате заявляемого способа увеличивается расход пара в теплоутилизационном контуре, и как следствие, это приводит к росту электрической мощности паровой турбины, и в целом к экономичности воздушно-аккумулирующей газотурбинной электростанции.

Краткое описание чертежей

Предлагаемое изобретение поясняется с помощью фиг. 1, на которой представлена схема способа работы теплоутилизационного контура в составе воздушно-аккумулирующей газотурбинной установки, реализующая заявляемый способ. Позициями на чертеже обозначены:

1 – компрессор;

2 – охладитель сжатого воздуха;

3 – электрический двигатель;

4, 6 – трубопроводы сжатого воздуха;

5 – воздушный аккумулятор;

7 – камера сгорания;

8 – газовая турбина;

9 – электрический генератор газовой турбины;

10 – газоход уходящих газов газовой турбины;

11 – котел-утилизатор;

12 – паропровод острого пара;

13 – паровая турбина;

14 –конденсатор;

15 – электрический генератор паровой турбины;

16 – конденсатный насос;

17 – трубопровод основного конденсата;

18 – трубопровод холодного конденсата для охладителя сжатого воздуха;

19 – тепловой аккумулятор;

20 – трубопровод нагретого теплоносителя;

21 – теплоутилизационный контур;

22 – трубопровод нагретого конденсата после охладителя сжатого воздуха.

Осуществление изобретения.

Установка для реализации предлагаемого способа включает компрессор 1, связанный через трубопровод сжатого воздуха 4, предварительно охлажденного в охладителе воздуха 2, с воздушным аккумулятором 5; охладитель воздуха 2, связанный трубопроводом холодного конденсата для охладителя сжатого воздуха 18 с теплоутилизационным контуром 21, а трубопроводом нагретого конденсата после охладителя сжатого воздуха 22 с тепловым аккумулятором 19; электрический двигатель 3, приводящий в движение компрессор 1; камеру сгорания 7, связанную через трубопровод сжатого воздуха 6 с воздушным аккумулятором 5; газовую турбину 8, соединенную посредством газохода уходящих газов 10 газовой турбины 8 с котлом-утилизатором 11, входящего в состав теплоутилизационного контура 21; электрический генератор газовой турбины 9, приводимый в движение газовой турбиной 13; паропровод острого пара 12 от котла-утилизатора 11 к паровой турбине 13, входящей в состав теплоутилизационного контура 21; электрический генератор паровой турбины 9, приводимый в движение паровой турбиной 8; конденсатор 14, который связан с паровой турбиной 13; конденсатный насос 16 предназначенный для перекачки конденсата в котел-утилизатор 11 по трубопроводу основного конденсата 17 в котел-утилизатор 11 и по трубопроводу холодного конденсата для охладителя сжатого воздуха 18; тепловой аккумулятор 19, связанный c охладителем сжатого воздуха 2 трубопроводом нагретого конденсата после охладителя сжатого воздуха 22, а трубопроводом нагретого теплоносителя 20 – с котлом-утилизатором 11.

Предлагаемый способ работы теплоутилизационного контура в составе воздушно-аккумулирующей газотурбинной установки осуществляют следующим образом.

В период провала электрической нагрузки компрессор 1, приводится в движение электрическим двигателем 3, потребляя электроэнергию из сети. Сжатый компрессором 1 воздух подают по трубопроводу сжатого воздуха 4 в воздушный аккумулятор 5, предварительно охладив в охладителе воздуха 2.

В период работы компрессора часть конденсата по трубопроводу холодного конденсата для охладителя сжатого воздуха 18 подают в охладитель сжатого воздуха 2. В тепловом аккумуляторе 19 аккумулируют теплоту эквивалентную работе, затраченной на сжатие воздуха, которая отводится из охладителя воздуха 2 по трубопроводу нагретого конденсата после охладителя сжатого воздуха 22.

С наступлением периода подъема электрической нагрузки сжатый воздух из воздушного аккумулятора 5 направляют по трубопроводу сжатого воздуха 6 в камеру сгорания 7 газовой турбины 8. В камере сгорания 7 сжатый воздух смешивают с топливом, образующиеся продукты сгорания подают в газовую турбину 8 для расширения и совершения работы. Газовая турбина 8 приводит в движение электрический генератор газовой турбины 9, вырабатывающий электроэнергию. Продукты сгорания после газовой турбины 8 по газоходу уходящих газов газовой турбины 10 направляют в котел утилизатор 11, входящий в состав теплоутилизационного контура 21, где за счет использования теплоты продуктов сгорания топлива, вырабатывают в нем поток пара. Этот поток пара направляют по паропроводу 12 в паровую турбину 13, входящей в состав теплоутилизационного контура 21, которая приводит в движение электрический генератор паровой турбины 13, вырабатывающий электроэнергию. Конденсат из конденсатора 14 с помощью конденсатного насоса 16 перекачивают в котел-утилизатор 11, при этом одну часть потока конденсата по трубопроводу основного конденсата 17 подают в котел-утилизатор 11, а другую часть потока конденсата по трубопроводу холодного конденсата для охладителя сжатого воздуха 18 подают в охладитель сжатого воздуха 2. От охладителя сжатого воздуха 2 по трубопроводу нагретого конденсата после охладителя сжатого воздуха 22 нагретый теплоноситель подают в тепловой аккумулятор 19. В период подъема электрической нагрузки нагретый теплоноситель из теплового аккумулятора 19 подают по трубопроводу нагретого теплоносителя 20 в котел утилизатор 11.

В котле-утилизаторе 11 потоки нагретого теплоносителя, подаваемого по трубопроводу нагретого теплоносителя 20 и по трубопроводу основного конденсата 17 смешиваются, при этом, так как по трубопроводу нагретого теплоносителя 20 в котел-утилизатор вносится теплоноситель, нагретый в результате теплообмена при охлаждении сжатого воздуха в охладителе 2, то для полной утилизации теплоты уходящих газов после газовой турбины 8 необходимо подавать большее количество конденсата, что приводит к увеличению расхода пара на выходе из котла-утилизатора 11, и росту электрической мощности паровой турбины 13, входящей в состав теплоутилизационный контур 21, и в целом к росту электрической мощности воздушно-аккумулирующей газотурбинной установки.

Уходящие газы котла-утилизатора 11 направляют в атмосферу.

В качестве примера рассмотрим способ работы теплоутилизационного контура в составе воздушно-аккумулирующей газотурбинной установки для следующих условий. В состав ВАГТУ входит компрессор двухцилиндровой конструкции осевого типа с промежуточным охлаждением, который на номинальной нагрузке имеет расход воздуха 160 кг/с, давление закачиваемого воздуха составляет 80 бар. Расход воздуха через турбинную часть установки принят 320 кг/с, температура продуктов сгорания перед газовой турбиной 900°С, объем воздушного аккумулятора постоянного объема – 180 тыс. м³.

В таблице представлены расчета схемы ВАГТЭ с использованием и без использования теплового аккумулятора.

Таблица

Показатель Схема ВАГТУ
без использования
теплового аккумулятора в теплоутилизационном контуре Схема ВАГТУ
с использования
теплового аккумулятора в теплоутилизационном контуре Время зарядки воздушного аккумулятора ВАГТЭ, ч/сут 9,12 Время разрядки воздушного аккумулятора ВАГТЭ, ч/сут 4,67 Расход пара, кг/с 45 159,94 Электрическая мощность паровой турбины, МВт 46,82 166,409 Количество выработанной электроэнергии ВАГТЭ с теплоутилизационным контуром, МВт·ч/сут 1675,26 2234,57 КПД нетто по отпуску электроэнергии, % 34,6 46,15

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет осуществлять:

– увеличение выработки электрической энергии паровой турбины в составе теплоутилизационного контура;

– увеличение выработки электрической энергии воздушно-аккумулирующей газотурбинной установки;

– повышение экономичности производства пиковой электроэнергии при неизменном расходе аккумулированного воздуха.

Изобретение относится к энергетике и предназначено для выработки электроэнергии при покрытии переменной нагрузки электропотребления на основе технологии воздушного аккумулирования энергии. Представленный способ позволяет повысить экономичность производства пиковой электроэнергии при неизменном расходе аккумулированного воздуха. Так, согласно способу работы теплоутилизационного контура в составе воздушно-аккумулирующей газотурбинной установки, в период спада электрической нагрузки в компрессоре сжимают воздух, забираемый из окружающей среды, предварительно охлаждают и подают в воздушный аккумулятор. При этом в период подъема электрической нагрузки одну часть конденсата пароводяного контура котла-утилизатора, входящего в состав теплоутилизационного контура, направляют в котел-утилизатор, другую часть потока конденсата прокачивают в охладитель для охлаждения сжатого компрессором воздуха, которую после её нагрева аккумулируют в тепловом аккумуляторе. В период подъема электрической нагрузки часть конденсата, накопленную в тепловом аккумуляторе, направляют в котел-утилизатор, смешивая с другой частью конденсата пароводяного контура котла-утилизатора, тем самым увеличивая расход пара в паровой части теплоутилизационного контура воздушно-аккумулирующей газотурбинной электростанции. 1 ил., 1 табл.

Способ работы теплоутилизационного контура в составе воздушно-аккумулирующей газотурбинной установки, характеризующийся тем, что в период спада электрической нагрузки в компрессоре сжимают воздух, забираемый из окружающей среды, предварительно охлаждают и подают в воздушный аккумулятор, в период подъема электрической нагрузки одну часть конденсата пароводяного контура котла-утилизатора, входящего в состав теплоутилизационного контура, направляют в котел-утилизатор, другую часть потока конденсата прокачивают в охладитель для охлаждения сжатого компрессором воздуха, которую после её нагрева аккумулируют в тепловом аккумуляторе, и в период подъема электрической нагрузки направляют в котел-утилизатор, смешивая с другой частью конденсата пароводяного контура котла-утилизатора, тем самым увеличивая расход пара в паровой части теплоутилизационного контура воздушно-аккумулирующей газотурбинной электростанции.