Способ работы газотурбинной установки Советский патент 1992 года по МПК F02C7/10 

ел С

Использование: в газотурбинных и парогазовых установках. Сущность изобретения: при подогреве воздуха и охлаждении газов в промежуточном регенераторе, расположенном между ступенями турбины, охлаждение газов производят при оптимальном давлении и оптимальной степени повышения давления и КПД, определя- емых по приведенным в материалах изобретения формулам. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение- относится к энергетическому и судовому машиностроению и может быть использовано в газотурбинных и парогазовых установках.

Известен способ работы газотурбинной установки, включающий сжатие воздуха в компрессорах низкого и высокого давления с охлаждением воздуха между компрессорами, его подогрев в концевом регенераторе, сжигание топлива в основной и дополнительной камерах сгорания, расширение газов в турбинах высокого и среднего давления, вращающих компрессоры, дальнейшее его расширение в турбине низкого давления, отдающей- механическую энергию полезной нагрузке (Шварц В.А. Конструкции газотурбинных установок. - М.: Машиностроение, 1970, с. 23-32).

Недостатком известного технического решения является сравнительно низкая экономичность установки, что обусловлено ограничением допустимой максимальной температуры газа на входе в регенератор.

Известен способ работы ГТУ, включающий сжатие воздуха в компрессоре, его подогрев в промежуточном регенераторе и в камере сгорания, расширение газов в первых ступенях высокого давления, отдающих механическую энергию компрессору, охлаждение газов в промежуточном регенераторе и расширение газов в последующих ступенях турбины, отдающих механическую энергию потребителю (Христич В.А., Лабинов С,Д. Эффективность применения цикло с промежуточной регенерацией для энергетических и транспортных газотурбинных усVJ VI СЛ СЛ ON

тановок//Энергетика... Изв.высш.учеб. заведений, 1964, №8, с. 46-52).

Недостатком известного технического решения является низкий КПД ГТУ по сравнению с КПД повсеместно используемых ГТУ с классической концевой регенерацией.

Целью изобретения является повышение КПД ГТУ.

Поставленная цель достигается тем, что в способе работы ГТУ, включающем сжатие воздуха по меньшей мере в одном компрессоре, подогрев сжатого воздуха в промежуточном регенераторе и по меньшей мере в одной камере сгорания, расширение газов в первых ступенях турбины Ti, охлаждение газов в промежуточном регенераторе и расширение газов в последующих ступенях турбины Та, охлаждение газов в промежуточном регенераторе производят при их оп- ти мальном Давлении на входе в газовый тракт регенератора, равном ,

Paxppt Ра ЛТ2ор1/(Јрг Свых),

где Ра - атмосферное давление;

Јрг, Јвых - коэффициенты восстановления давления в газовом тракте регенератора и в выхлопном коллекторе ГТУ соответственно, зависящие от гидравлических потерь в тракте и коллекторе;

7TT2opt - оптимальная степень понижения давления в последующих ступенях турбины, включенных после промежуточного регенератора, причем

7fT2opt

fj (Як)} 1/(2-ттГ).

ТГ(Як)Н2(7ГкЯ max f6 (% )

где f 1 (гк )

/С1 Т

)

гпТ1

Ы тг - К2 Т ( 1 °/К, Р

)-7 гтт-ТзО) (К2/Ч)-а-лГ ; f6(ЈKc-a-r(ЈjrK)-mT1

/С1 (Gr1/Gb)(Cmr1/Cpmb) М11; /C2 (Gr2/Gb)(Cpmr2/Cpmb) 7/МТ2;

индексы 1 и 2 относятся к турбинам Ti и Т2 соответственно.

Кроме этого, охлаждение газов в промежуточном регенераторе производят при оп- тимальной степени повышения давления по

меньшей мере в одном компрессоре, равной

5 xopt

.,j-bM-g g.Mtyj ге™, LK D/ MK-iiP n4-(«-tf).x1

где LPTr,)-, ft,)1 j , 1,1.,. ().,И «КГ1т ; (Д(;ГЧй;

UWfrT.tfP i

™ т -lRrlCpmr)f т по i Ч ОУСртЖпоЛ 3

индексы 1 и 2 по-прежнему относятся к турбинам TI и Т2 соответственно.

При этом охлаждение газов в промежуточном регенераторе производят при максимальном КПД, равном

Ъ

(tti KUHC;;t- V,

k.-ft-Te/T.)

25

гАе r,0ff(Y0ft}l 0ft ,

(Kopoin20ptrTi4P-c

т Ч ко Г -бК:

Такое новое техническое решение всей своей новой совокупностью существенных признаков обеспечивает повышение КПД ГТУ благодаря охлаждению газов в промежуточном регенераторе при оптимальном давлении газов на входе в газовый тракт промежуточного регенератора и при оптимальной степени повышения давления по меньшей мере в одном компрессоре.

Приведенная совокупность существенных признаков, а именно комплекса трех выражений, определяющих оптимальные величины Pexppt, &opt и /emax. в полном обь- еме неизвестна из патентной и научно-технической литературы.

Это позволяет заявителю считать, что предложенное решение отвечает критерию существенные отличия.

Предложенное изобретение проиллюстрировано чертежами, где на фиг. 1 изображена принципиальная схема ГТУ, осуществляющей заявляемый способ; а на фиг. 2 - приведены графики зависимостей

7/е Ы #к) ДЛЯ ГТУ.

ГТУ содержит компрессоры низкого 1 и высокого 2 давления, компрессорные турбины высокого 3 и среднего 4 давления, ступени 5 силовой турбины, полезную нагрузку 6, воздухоохладитель 7, основную камеру егорания 8, дополнительные камеры сгорания 9 и промежуточный регенератор 10.

Компрессоры 1 и 2 служат для сжатия воздуха. Компрессорные турбины высокого 3 переднего давления 4 служат для привода компрессоров высокого и низкого давления соответственно. Ступени 5 силовой турбины служат для привода полезной нагрузки 6. Воздухоохладитель 7 служит для охлаждения сжатого воздуха. Основная 8 и дополнительные 9 камеры сгорания служат для сжигания в них топлива и подогрева рабочей среды, промежуточный регенератор 10 служит для охлаждения газов между ступенями 5 силовой турбины и подогрева сжатого в компрессорах 1 и 2 воздуха.

Предложенный способ осуществляют следующим образом.

Рабочую среду, преимущественно атмосферный воздух, подают в компрессор низкого давления 1, сжимают в нем и направляют в воздухоохладитель 7, где воздух охлаждают. После воздухоохладителя 7 воздух подводят к компрессору высокого давления 2, сжимают в нем и направляют сжатый воздух в промежуточный регенератор 10, где его нагревают перед поступлением в основную камеру сгорания 8. Путем сжигания топлива в потоке сжатого воздуха в основной камере сгорания 8 получают горячие газы, которые подводят в компрессорную турбину высокого давления 3, где газы расширяются, а затем их подводят в первую из дополнительных камер сгорания 9, подогревают в ней и после этого горячие газы расширяются в компрессорной турбине среднего давления 4. После повторного подогрева во второй дополнительной камере сгорания 9 газы направляют в первые ступени 5 силовой турбины, где они предварительно расширяются и затем их подводят к промежуточному регенератору, в котором газы охлаждают. Из промежуточного регенератора охлажденные газы подводят к последующим ступеням 5 силовой турбины, в которых они окончательно расширяются и затем их отводят в следующее за ГТУ устройство, например, в котел-утилизатор, а оттуда - в окружающую среду, преимущественно в атмосферу.

Охлаждение газов в промежуточном регенераторе производят при оптимальном давлении на входе в газовый тракт регенератора равном

Рвхор Ра 7ГГ2ор1/(Јрг Јвых )

где Ра - атмосферное давление;

Јрг, Јвых - коэффициенты восстановления давления в газовом тракте регенератора и в выхлопном коллекторе ГТУ соответственно;

тгг2ор1 - оптимальная степень понижения давления в последующих ступенях тур- бины, включенных после промежуточного регенератора, причем

-Г bfoi 1

Tiopl

е {.foH X.- fcH ()m .

4 (fug , l- ИГ-Фо1

tt.K«Wee,).

.ЧГ.Ър™. ,

MGn/G,KC,«r,/cpm,).2MTi.

««(«iHCp /c y j

№40

20

5

Gri, Gr2 - расход газов через ступени

турбины Т-, включенной до промежуточного

регенератора, и через ступени турбины Тз,

включенной за промежуточным регенерато5 ром;

СртМ, Сртг2-средниеизобарныетепло- емкости газов в процессах расширения в турбинах Ti и Т2 соответственно;

/мп, /мт2 - механические КПД турбин 0 Ti и Т2;

Сь - расход воздуха через компрессор; - средняя изобарная теплоемкость воздуха в процессе сжатия в компрессоре; Кр (Grp/Gbp)(Cpmrp/Cpmbp произведе- 5 ние отношений расходов газов и воздуха и средних изобарных теплоемкостей газов и воздуха в промежуточном регенераторе (индекс р)

г Тз/Tt - температурный коэффици- 0 ент;

Ti - температура воздуха перед компрессором низкого давления;

Тз - температура газов перед турбиной Ti;

5а- степень регенерации по температурам;

Ј (лп ЛТ2 )/jtk - коэффициент сохранения давления в цикле ГТУ;

лгп, ЛТ2 - степени понижения давления 0 в турбинах Ti и Та соответственно;

/k - степень повышения давления в компрессоре;

mil1 (Rri/Cpmri) Tfrinon,1

mk (Rb/Cpmb)/ tjknon ,

, т/кпол - политропные КПД турбо- машины;

Rri, Rb - газовая постоянная газов и воздуха соответственно;

|кс дт Орн/ Срть-(Тз - Ts);

дт Gi/Gb - относительный расход топлива в ГТУ;

GT - массовый секундный расход топлива;

Тз - температура воздуха при выходе из промежуточного регенератора;

QPH - низшая калорийность топлива;

т/етах - максимальный КПД цикла ГТУ, достигаемый при удовлетворении двух условий;

ЭДс rtkopt И ЛТ2 ЛТ2ор1,

где ftkopt- оптимальная степень повышения давления по меньшей мере в одном компрессоре;

JTraopt - оптимальная степень пониже- ния давления в турбине Та.

Кроме того, охлаждение газов в промежуточном регенераторе производят при оптимальной степени повышения давления в компрессоре, равной

л 11 к opt

KlUPrjb

Kfl/U-i

i I iv ci I (v n 14Дтк |тЛ

ri2l TilJ-« -Cj-t4l T2V2emaxl

: K-ttM-(

е max

Т

30

rAefi(jrrz) /ci т-(яг2/$У Т1 t f2(jrr2)/c-r-(l-jmmT2 )x

х(1-ст//Ср)-(л 2/ЈГТ1

ТЗ(ЯГ2) (K2/Kp ) f( 1 - 7ШтТ2 ) Uf4(tfr2)ttt2/Ј)mT1;

mt2 (Rr2/Cpmr2 ) /Т2пол;35

индексы 1 и 2 по-прежнему относятся к турбинам Ti и Т2 соответственно.

При этом охлаждение газов в промежуточном регенераторе производят при максимальном КПД, равном40

ми

« ,b..(ft-T,/T.)

fr-nopt KoptV Taopt

« -(.J

T.M №-WV

На фиг. 2 приведены графики зависимостей fje - f/e( Л0: кривая 1 -для ГТУ, принятой в качестве прототипа, кривая 2 - для ГТУ, осуществляющей предлагаемый спо- соб, кривая 3 - для ГТУ с конечной регенерацией, являющейся традиционной.

В работе В.Ю.Тихоплав, И.И.Кириллов,

Т.С.Тихоплав. Исследование циклов ГТУ с

.регенерацией (пром. теплотехника, 1990,

пииз 5

У, о10

ия пе- 15

епв20

25

30

35

к

ук40

и

J

45

50

оняляо- 55 нет.12, № 2, с. 49-55 и фиг. 2) показано, что благодаря выбору оптимальных величин 7tt2opt 2.2, ль 14,6 при начальной температуре газов Тз 1500°С /етах 0,4646 (кривая 2 фиг. 2) и является стабильной величиной в диапазоне 8,5-25 (фиг. 2). Эти результаты существенно лучше показателей известных ГТУ с концевой регенерацией (кривая 3) или ГТУ по схеме прототипа (кривая 1).

Технико-экономический эффект предложенного изобретения, подтвержденный численными экспериментами (Тихоплав В.Ю., Кириллов И.И., Тихоплав Т.С.) (Пром. теплотехника, 1990, т.12, № 2, с. 49-55), заключается в повышении КПД ГТУ путем комплексной (системной) оптимизации двух важнейших параметров термодинамического цикла - степени понижения давления в холодных ступенях турбины, включенных по газу за газовым трактом промежуточного регенератора, и степени повышения давления по меньшей мере в одном компрессоре, определяющей уровень давления газов на входе в газовый тракт промежуточного регенератора.

Формула изобретения 1. Способ работы газотурбинной установки, включающий сжатие воздуха по меньше мере в одном компрессоре, подогрев сжатого воздуха в промежуточном регенераторе и по меньшей мере в одной камере сгорания, расширение газов в первых ступенях турбины, охлаждение газов в промежуточном регенераторе и расширение газов в последующих ступенях - турбины, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД, охлаждение газов в промежуточном регенераторе производят при их оптимальном давлении на входе в газовый тракт ре генератора, равном

Pexppt Ра TTfcopt/ Јрт Јвых), где Ра - атмосферное давление,

Јрт, Јвых - коэффициенты восстановления давления в газовом тракте регенератора и в выхлопном коллекторе газотурбинной установке (ГТУ) соответственно;

#Tiopt оптимальная степень понижения давления в последующих после промежуточного регенератора ступенях турбины, равная соответственно,,. .,

л-ГЬ I

.HAHe.nax-Ud

е Ш.(. (ffiefi. .

У fir-IM-ii J

|.л.т , 1 к

(

МЪКчМярИ-Ч

,

MGr,JG KCpmr,|CpmeV2 T,} «l-((C,mr |CpmlV«i.«J

Кр (Grp/Gbp)

произведение

Gri, Gr2 - расход газов через ступени турбины Тч, расположенные до промежуточного регенератора, и через ступени турбины Т2, расположенной за ним;

Срт, Срт - средние изобарные теплоемкости газов в процессах расширения в турбинах Ti и Та соответственно;

т/мп,7/МТ2 - механические КПД турбин Ti и Т2:

6ь - расход воздуха через компрессор;

Cpmb - средняя изобарная теплоемкость воздуха в процессе сжатия в компрессоре; Сртгр Cpmbp

отношений расходов газов и воздуха и средних изобарных теплоемкостей газов и воздуха в промежуточном регенераторе (индекс р);

tf Тз/Ti - температурный коэффициент;

Ti - температура воздуха перед компрессором;

Тз - температура газов перед турбиной Ti:

а- степень регенерации по температурам;

I (ял ЯТ2 - коэффициент сохранения давления в цикле (ГТУ);

JTri, ЛТ2 - степени понижения давления в турбинах Ti и Т2 соответственно;

лk - степень повышения давления в компрессоре;

1

mfi R-n

Cpmti Т1пол

fTlk

Rb

-(),

VtncMi, J/Кпол политропные КПД турбо- машин,

RM. Rb - газовая постоянная газов и воздуха соответственно

0

5

0

5

Јкс дтОрн/ Срть(Тз-Т5)

дт GT/Gb - относительный расход топлива в ГТУ;

GT- массовый секундный расход топлива;

Тд - температура воздуха при выходе из промежуточного регенератора;

QpH - низкая калорийность топлива;

J/емакс максимальный КПД цикла ГТУ, достигаемый при удовлетворении двух условий:

7ГТ2 ЛТ2ор1 И Ttk ЛЬорГ,

где Jtkopt оптимальная степень повышения давления по меньшей мере в одном компрессоре;

7tT2opt оптимальная степень понижения давления в турбине.Т2, включенной за промежуточным регенератором.

. J fttW q- tf-Utwi е,-,у

iKWu-t B-f - -.-j

rwi.fB ul-fle - T.

) .f)-№f -, rtl-( i(;T n}-a; М К тг/ЈГ; -,

|«/{4 T)1

гдегпт

IJibnon

40

индекс 2 относится к турбине Та.

фиг.У

T50 /5,i7 2,

.2

L

Ж