Способ работы газотурбинной установки Советский патент 1992 года по МПК F02C3/34 

Изобретение относится к турбостроению, а именно к силовым установкам, используемым для привода различных стационарных агрегатов для транспортных средств.

Известен способ работы газотурбинной установки, включающий сжатие воздуха, сжигание топлива в нем в реакционной зоне, расширение продуктов сгорания в турбине высокого давления, смешивание с дополнительным сжатым воздухом в зоне смешивания и повторный подогрев газов с последующим расширением в турбине низкого давления,возврат в реакционную зону одной части инертных продуктов сгорания и выброс в атмосферу другой части их.

В известном способе возврат части инертных продуктов сгорания в реакционную зону и смешивание с химически реагирующими продуктами сгорания в ней

способствуют не только уменьшению температуры газовой смеси, но и замораживанию состава продуктов сгорания при воздействии большой доли инертных продуктов сгорания на механизм химических превращений Последующее течение газового потока осуществляется с неизменным составом содержащем токсичные компоненты

Известен способ работы газотурбинной установки, заключающийся в сжатии воздуха, сжигании в нем топлива, смешивании полученных продуктов сгорания с дополнительно сжатым воздухом с последующим их расширением в турбине и охлаждением посредством нагрева сжатого воздуха.

В известном способе работы газотурбинной установки не удается существенно уменьшить эмиссию окислов азота при использовании ступенчатого подвода воздуха

VI

Ь 4 Ю

чэ о

(недостаток кислорода в зоне горения и избыток кислорода в зоне смешения), хотя и удается избежать высокой температуры продуктов сгорания.

Цель изобретения - уменьшение ток- сичности продуктов сгорания.

Указанная цель достигается тем, что з способе работы газотурбинной установки, заключающемся в сжатии воздуха, сжигания в нем топлива, смешивании полученных продуктов сгорания с дополнительно сжатым воздухом с последующим их расширением в турбине и охлаждением посредством нагрева сжатого воздуха, уменьшают температуру продуктов сгорания перед смеши- ванием с дополнительно сжатым воздухом посредством их расширения и в процессе смешивания посредством регулирования расхода дополнительно сжатого воздуха причем смешивание с дополнительно сжз тым воздухом осуществляют на режиме запуска, а на номинальном режиме дополнительно осуществляют отбор части продуктов сгорания после их расширения в турбине и совместное их сжатие с дополни- телыно сжимаемым воздухом при одновременном уменьшении расхода последнего причем подогрев воздуха осуществляют перед сжиганием в нем топлива.

Наличие существенных отличий обе.спе- чивает уменьшение вредных выбросов в атмосферу как при изменении режимов работы газотурбинной установки, так и при увеличении температуры на входе в турбину, т.е. при решении задачи повышения эко- номичности газотурбинной установки.

Уменьшение вредных выбросов в ат мосферу в результате работы, например, на углеводородном топливе, не содержащем е своем составе азот, при температуре газе- вого потока 7Y 1750 - 1850 К на выходе из камеры смешения заключается в уменьшении, главным образом, мольной доли М9х в составе продуктов сгорания. Процесс образования воздушных окислов азота (прбцесс окисления азота воздуха) является процессом термическим и непосредственно не связан с горением. Образующиеся в реакционной зоне высокотемпературные продукты сгорания при стехиометрическом соотношении топлива и воздуха (коэффициент избытка окисления а равен & 1) содержат в своем составе частично продис- социированные стабильные частицы (продукты полного сгорания CU2, Н20 и N2) продукты их диссоциации, концентрация которых определяется в соответствии с константами скоростей реакций цепного механизма химических превращений, т.е лабильные частицы (неустойчивые типа О,

Н, ОН и достаточно устойчивые 02, N2, NO, СО. концентрация которых, определяемая мольной долей по отношению к мольной доли молекулярного азота, составляет десятые доли процента). При уменьшении статической температуры потока высокотемпературных продуктов сгорания газодинамическим путем при дополнительном предварительном расширении в результате процесса рекомбинации мольные доли стабильных частиц увеличиваются, а мольные доли лабильных частиц уменьшаются. Последующее уменьшение полной температуры путем тепломассообмена с охлаждающим реагентом в зоне смешения приводит Y. дальнейшему процессу рекомбинации и уменьшению концентрации ла- бильных частиц в составе (при достаточно протяженном начальном участке при смешении}. При этом введение, в цепной механизм, состоящий из реакций про- должемия, разветвления и квадратичного обрыва цепей, дополнительно большой кон- цен фации инертных молекул приводит к заметному влиянию реакций квадратичного обрыва цепей, которые являются каналом ухода неустойчивых лабильных частиц 0. Н. ОН и способствуют замораживанию (закаливанию) состава продуктов сгорания, но он,ентрация окислов азота как продукт диссоциации, при таком уровне температур уже мала. Отклонение от стехиометрично- сти состава в сторону увеличения коэффициента избытка окислителя а (наличие свободного кислорода) способствует увеличению эмиссии Ю и образованию стабиль- Ю1/1 частицы N02.

Узким образом поз1апчое изменение 1емпературы продуктов сгорания например стехиометрическо 0 состава: на первом - уменьшение статической температуры газодинамическим путем при дополнительном расширении; на втором - уменьшение полной температуры путем гепломассообмензи введения в цепной механизм химичес -лх превращений инертных ,V/J;-P ул, не содержащих молек/лярный кис- тгроц, позволяет достигнуть минимум вред- 11ы х компонентов при в ы б р о с е их в атмосферу,

чертеже представлена схема газотурбин ной установки, реализующей способ работы.

Способ работы газотурбинной установки рассматривается на режиме запуска и режи.л номинальной нагрузки.

; б .им запуска. Способ р уста- новк1- заключается в еж гии поступающего в .здуха. Сжатый в . у направляют о рез ионную зону для сжигания топлива

Соотношение комопнентов топлива и воздуха поддерживается постоянным, коэффициент избытка окислителя (воздуха) а равен единице. Высокотемпературные продукты сгорания содержат в своем составе стабиль- ные частицы (продукты полного сгорания С02, НаО, Na) и продукты их диссоциации, т.е. лабильные частицы (О, Н, ОН, 02, Н2, СО, N0), концентрация которых определяется в соответствии с константами скоростей ре- акций цепного механизма химических превращений, состоящего из реакций продолжения, разветвления и квадратичного обрыва цепей. На выходе из реакционной зоны уменьшают статическую температуру потока продуктов сгорания газодинамическим путем, т.е. расширением и, как результат, ускорением потока. В результате процесса рекомбинаци при расширении величины мольных долей стабильных частиц увеличиваются, а величины мольных долей лабильных частиц уменьшаются. Последующее уменьшение полной температуры производят в процессе смешивания посредством регулирования расхода дополни- тельно сжатого воздуха в зоне смешения. Отклонение от стехиометричности состава в сторону увеличения коэффициента избытка окислителя приводит к образованию новой стабильной частицы N02, так ка уровень температуры на выходе из реакционной зоны достаточно высок и избыточная концентрация молекулярного кислорода в составе позволяет получить продукт полного окисления (N02). Введение в механизм химиче- ских превращений дополнительно большой доли не только активных молекул молекулярного кислорода воздуха, но и инертных молекул Na приводит к заметному влиянию реакций квадратичного обрыва цепей, которые являются каналом ухода неустойчивых лабильных частиц О, Н, ОН, способствующих увеличению времени релаксации в установлении термодинамического равновесия в соответствии с давле- нием и температурой в газовом потоке, т.е. временному замораживанию состава продуктов сгорания и сохранению вредных компонентов. Высокая скорость охлаждения при расширении продуктов сгорания в турбине способствует замедлению скоростей химических реакций в газовом потоке. Тепловая энергия потока в турбине преобразуется в механическую энергию вращения ротора газотурбинной установки. При достижении заданной частоты вращения ротора газотурбинной установки завершается этап запуска.

Режим номинальной нагрузки. Дополнительно осуществляют отбор части

продуктов сгорания после их расширения в турбине и совместное их сжатие с дополнительно сжимаемым воздухом. При этом одновременно уменьшают до нуля расход дополнительно сжимаемого воздуха. В реакционную зону по-прежнему поступает топ- ливовоздушная смесь стехиометрического состава. Уменьшение статической температуры потока продуктов сгорания осуществляют газодинамическим путем при расширении, а последующее уменьшение полной температуры осуществляют при смешении путем тепломассообмена с отбираемой частью инертных продуктов сгорания, которую сжимают перед подачей в зону смешивания. Подогрев воздуха осуществляют перед сжиганием в нем топлива путем теплообмена с выбрасываемой в атмосферу частью продуктов сгорания.

Введение в цепной механизм большой доли инертных продуктов сгорания позволяет понизить температуру в реагирующем газовом потоке, в соответствии с которой состав газовой смеси стремится к термодинамическому равновесию, т.е. к составу, содержащему продукты полного сгорания С02 Н20, N2. Однако релаксационные процессы, хотя и тормозят установление термодинамического равновесия, но концентрация продуктов диссоциации уже ма ла, а отсутствие в инертных продуктах сгорания, вводимых в зону смешивания, молекулярного кислорода, не позволяет лабильной частице N0 превратиться в стабильную частицу N02, а также не способствует образованию достаточно стабильной частицы N0 (как компоненты процесса горения при а 1, которая по своей стабильности отличается от лабильной частицы N0 термического происхождения, т.е. как продукта диссоциации при « 1). В результате поэтапного уменьшения температуры в потоке стехиометрического состава мольная доля N0 уменьшается при заданной температуре на входе в турбину. При выбросе в атмосферу охлажденных инертных продуктов сгорания в его составе практически нет вредных веществ. В способе работы газотурбинной установки в режиме сх 1 в реакционной зоне также имеемснижение эмиссии NOx, хотя результаты несколько хуже режима а 1 в реакционной зоне при сжигании топлива.

Газотурбинная установка состоит из ai- регатов запуска газотурбинной установки и агрегатов внешней нагрузки. Агрегаты запуска выполнены в виде пускового устройства 1 и обгонной муфты 2. Газотурбинная установка содержит два компрессора 3 и 4 для

сжатия дополнительного потока воздуха и основного потока воздуха, турбину 5, которые соединены валом 6 и образуют ротор компрессора, силовую турбину 7, соединенную валом 8 с агрегатами внешней нагрузки 9, образующие ротор внешней нагрузки. На входе в камеру 10 сгорания установлен регулятор 11 соотношения компонентов, кото- рый по сигналу газоаналитического прибора 12 (например хроматографа) через систему управления (не показана) поддерживает заданное соотношение компонентов, .например стсхиометрическую смесь топлива и воздуха

К газоаналитическому прибору 12 проба поступает т пробоотборника установпе - ного на УЫХ,; .;С мз yepo- 10 Ка мера гл 00- -:ия выполнен из керамики. Камера К-. смешизаи1 я сообщена с комп- peci op;-1 , Kin epo.-i 1C сгооаьия а вы ее сообщи. с турбиной 5 которая имеет ГС- СВУЮ связь с силовой турбиной 7 выходе с -1/ ово. турбины 7 установлен регу/ч - р у ю щ и и орган 14, который разделяет газовый поток на два потока которые ,&- правляются в теплообменники 15 и i6. В теплообменнике 15 поток продуктов сгорания охлаждается внешним олпаж з / резген ом. а в теплообменнике 16 - возду хом из компрессора 4 -зг-рзвляющимся в камеоу10сгорания Выходтеплообменника 15 по горячей части сообщен через ремуги рующий оргз-г I7 с входо компрессора 3 Выход теплообменника 16 по горячей части сообщен с атмосферой. Сигнал на выходе газоаналитического прибора 12 усиливается в усилителр IS ч поступает на w олки- тельныГ механизм регулятора I1.

Газотурбинная установка работает следующем образом

Ротор компрессора газотурбинной установки раскручивается от пускового усг- ройства 1. соединенного с ним через обгонную муфту 2. При этом в чомпресссэе 3 дополпительн сжимается воздух, посту- лающий через реализующий орган 17 положение с г з о р к которого указано сплошной пинией а ь компрессор А во Д/v пост/п &т непосредственно из атмосферы Сжять й воздух в компрессоре Л поступает Б камеру К сгср.а.чия пс-оход .следовательно теплообменник 16 и регулятор 11 соотношения компонсша. Смесь сгорает в камере 10 сгорания. В случае режим, работы регулятора поддеоживающего тотличо- воздушную смесь стехиометрического состава, в продуктах сгорания содержатся компоненты полного сгорания Н20 СО г/: и продукты их диссоциации (лабильные ас- тицы). При двхжени /- потока высокоi-мпературных продуктов сгорания в камеру 13 смешивания уменьшают статическую температуру потока газодинамическим путем, - путем расширения. При этом рекомбинаци- онкые процессы уменьшают мольные доли лабильных частиц, увеличивая мольные доли продуктов полного сгорания. В камере 13 смешивания уменьшают полную температуру потока высокотемпературных продуктов сгорания путем тепломассообмена с дополнительно сжатым воздухом поступающим из компрессора 3. Уровень температуры на выходе из камеры смешивания достаточно высох и избыточная концентрация молекулярного кислорода в составе воздуха способ ia к образованию окислов азота в ccd-jbe газовоздуш -юй смеси Газовоздуш- мая в камере 13 смешивания 13 обра- 3C j;,iia двухступенчатым подводом воздуха ,-. от, i содержать л другие соотношения To i KiBa и воздуха в каждой зоне (в устрой- i на , 10 и 13). Газовозду-оиай смесь расши- j;, Cb j турб/не 5 л силовой турбине 7 обз м„мивает выход на заданные частоты ьр7 -ения ротора компрессора и ротора внешней нагрузки Этап запуска закончен.

ha сехиме номинальной нагрузки сгг.о ки регул ру.ощи, органов 14 и 17 от- чстся от положения, которое они зани- чОЛ на режиме запуска. Дополнительно осуществляю i отбор части продуктов сгорания после их расширения в турбине и совме- стное их сжатие с допотнит ельио сжи эемым зоздухом. При згом до нуля у шают расход дополните L.KO сжимаемого воздуха Таким ибразом створки регулирующих о р га ног 14 i- Г/ занимают г.оло ение, указанное пунктиром Створка регу, юующего органа 17 перекрывает по- ступ/1 ние воздуха в ,ipeccop3 исообщз- е; вход его с выходом силовой турбины 7 |--ре; теплообменник 1Ь и регулирующие орггл 14, створка которого обесценивает от- б. О i, обходимойчаст инертных продуктоз сгорания

В компрессоре 3 охлажденный в тепло- Чтмемнике 1Е посторонним охлаждающим ijaareHTOM продукты сгорания сжимаю ся и поступают в камеру 13 смешения, где происходит умэ лшение полной температуры .lOTOKo продуктов сгорания из камеры 10 Ори эюм концентрация молекулярного кис . прак ически равнз нулю.

, образо, на режиме номинальной нагрузки обеспечивается режим работы иск котором двухсгадиймое уменьшение ;ечпг.натуры, сначала С1агичес,с. .емпера ; ры ГТОКЭ ПРОДУКТОВ СГЬОаН1 Т ТОТЛИВиJL ц иьоГ t месч от х юкзтоического

СоС1 - - 8 3fM6iV UO/li ,/ fc,..-iypb ПОТОка путем тепломассообмена с потоком отбираемой части инертных продуктов сгорания, при котором достигается завершение ре- комбинационных процессов, уменьшающих концентрацию лабильных частиц типа N0. Формула изобретения Способ работы газотурбинной установки, заключающийся в сжатии воздуха, сжигании в нем топлива, смешивании полученных продуктов сгорания с дополнительно сжатым воздухом и последующем их расширении в турбине и охлаждении посредством нагрева сжатого воздуха, отличающийся тем, что, с целью уменьшения токсичности продуктов сгорания, уменьшают температуру продуктов сгорания перед смешиванием с дополнительно сжатым воздухом посредством их расширения и в процессе смешивания посредством регулирования расхода дополнительно сжатого воздуха, причем смешивание с дополнительно сжатым воздухом осуществляют на режиме запуска, а на номинальном режиме дополнительно осуществляют отбор части

продуктов сгорания после их расширения в турбине и совместное их сжатие с дополнительно сжимаемым воздухом при одновременном уменьшении расхода последнего, причем подогрев воздуха осуществляют перед сжиганием в нем топлива.

Использование: для привода различных стационарных агрегатов для транспортных средств. Сущность изобретения: уменьшение токсичности за счет уменьшения мольной доли окислов азота в составе продуктов сгорания путем уменьшения температуры продуктов сгорания перед смешиванием с дополнительно сжатым воздухом и в процессе смешивания. Смешивание с дополнительно сжатым воздухом осуществляют по режиму запуска, а на номинальном режиме дополнительно осуществляют отбор части продуктов сгорания после их расширения в турбине и совместное их сжатие с дополнительно сжимаемым воздухом при одновременном уменьшении расхода последнего. 1 ил (Л С

ц is 16 ю 12 45 ts /4