Способ преобразования теплоты топлива в полезную механическую энергию в цикле с многоступенчатым подводом тепла к рабочему телу Советский патент 1993 года по МПК F02C6/00 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано при преобразовании тепловой энергии топлива в полезную механическую или электрическую энергию в установке, сочетающей газотурбинную и паротурбинную установку.

Цель изобретения - уменьшение образования оксидов азота и резкое повышение удельной и единичной мощности, при некотором улучшении тепловой экономичности.

Поставленная цель достигается тем, что в способе преобразования теплоты топлива в полезную механическую энергию в цикле с многоступенчатым подводом тепла к рабочему телу, включающему сжатие окислителя, ступенчатое расширение рабочего тела и сжигание топлива в камерах сгорания перед ступенями расширения и подачей в них дополнительного окислителя, процесс сжигания топлива а камерах сгорания перед

ступенчатым расширением рабочего тела проводят с коэффициентом избытка окислителя меньше 1 перед всеми ступенями расширения, а последующее сжигание топлива с коэффициентом избытка окислителя больше 1 проводят после завершения процесса расширения в камере сгорания энергетической установки, т.е. процесс расширения рабочего тела полностью завершают в режиме существенного недостатка кислорода (коэффициент избытка окислителя меньше

1).

При этом процесс сжигания топлива во всех камерах сгорания перед ступенями расширения проводят с коэффициентом избытка окислителя меньше 1, что практически исключает образование токсичных оксидов азота из-за отсутствия свободного кислорода в продуктах сгорания, а при последующем сжигании горючих компонентов

:этих продуктов с коэффициентом избытка окислителя больше 1 в камере сгорания энергетической установки адиабатическая температура значительно ниже, чем в прототипе (на 300-600 гр.С), что радикально снижает образование оксидов азота.

Кроме того, удельный объем горючих газов, покидающих последнюю ступень расширения (газовую турбину), в несколько раз меньше, чем у продуктов полного сгорания, покидающих газовую турбину в процессе, выбранном за прототип; в.этой связи при одинаковых размерах последующей ступени ГТУ в предложенном процессе может быть реализована единичная мощность в несколько раз большая, чем в прототипе,

Кроме того, энергетическая установка, в камере сгорания которой происходит дожигание горючих компонентов с коэффициентом избытка окислителя больше 1, обеспечивает эффективную утилизацию их теплоты и повышает общую тепловую экономичность, .

Авторам не известно использование в цикле с многоступенчатым подводом тепла к рабочему телу сжигания топлива в камерах сгорания перед всеми ступенями расширения с коэффициентом избытка окислителя меньше 1 и последующее сжигание топлива после завершения процесса расширения с коэффициентом избытка окислителя больше 1 в камере сгорания энергетической установки.

Предложенный способ реализуют следующим образом:

1. Окислитель ( как правило атмосферный воздух) сжимают и подают вместе с полным расходом топлива в первую камеру сгорания, где при коэффициенте избытка окислителя меньше 1 получают рабочее тело. Допускают также подачу водяного пара в первую камеру сгорания.

2. Рабочее тепло ступенчато расширяют после камер сгорания с отводом полезной механической энергии.

3. Рабочее тело направляют в последующие камеры сгорания, куда подают дополнительный расход окислителя.

4. Во всех камерах сгорания поддерживают коэффициент избытка окислителя меньше 1.

5. После завершения процесса расширения производят сжигание горючих компонентов рабочего тела с коэффициентом избытка окислителя больше 1 в камере сгорания энергетической установки.

Предложенный способ поясняется устройством, представленным на рис. 1. Устройство включает последовательно соединенные воздушный компрессор 1. камеру сгорания высокого давления 2. турбину высокого давления 3, камеру сгорания низкого давления 4 и турбину высокого давления 5. Устройства 1, 3 и 5 механически

связаны с электрическим генератором 6. Выхлоп турбины низкого давления 5 соединен с камерой сгорания энергетической установки, в качестве которой использована топка парового котла 7 обычной паротур0 бинной установки, обеспечивающей паром паровую турбину 8, соединенную с камерой сгорания высокого давления 2.

Работа по предлагаемому способу происходит следующим образом. Атмосферный

5 воздух сжимают компрессором 1 и подают в камеру сгорания первой ступени (камеру сгорания высокого давления) 2, куда подают также полный расход топлива т. В камере сгорания первой ступени 2 в среде недо0 статка окислителя (стехиометрический коэффициент 0,4-0.6) происходит частичное сгорание (газификация) топлива с образованием смеси газов, состоящей из N2, H2, СО, С02, Н20, которая является рабочим теплом

5 турбины высокого давления 3, приводящей силовой вал, на котором расположены компрессор 1 и электрический генератор 6. Необходимая температура рабочего тела обеспечивается подачей в камеру сгорания

0 окислителя и водяного пара. После частичного расширения в турбине высокого давления 3 рабочее тело направляют в камеру сгорания низкого давления 4, куда подают воздух из компрессора 1 для частичного до5 жигания горючих газов в рабочем теле. Окончательное дожигание горючих газов производят в топке парового котла 7, пдсле которой продукты сгорания сбрасывают в атмосферу.

0 Выбор диапазона изменения коэффициента избытка окислителя определяется, главным образом, термодинамическими условиями протекания процес.са неполного окисления в камере сгорания, причем мини5 мальная его граница задается условием исключения сажеобразования, а верхняя - условием устойчивого горения образовавшейся смеси газов в последующих камерах сгорания.

0 Табл.1 показывает термодинамически равновесный состав продуктов неполного окисления в первой камере сгорания при температуре процесса 1200-1220°С в диапазоне изменения коэффициента избытка

5 окисления, обеспечивающем с одной стороны отсутствие сажи в рабочем теле, с другой - устойчивое горение в последующих камерах сгорания.

Предложенная формула изобретения может быть практически реализована в схеме для настройки действующих паротурбинных блоков применительно к традиционным паротурбинным электростанциям.

В этом случае обычную энергетическую газотурбинную установку с одной камерой сгорания переводят на режим неполного окисления топлива в первой камере сгорания путем резкого увеличения подачи в нее топлива и уменьшения производительности компрессора. Необходимая температура рабочего тела в камере сгорания поддерживается путем регулируемой подачи воздуха, а также путем подачи водяного пара, отбираемого из паровой турбины обычной паротурбинной установки. После расширения в турбине ГРУ рабочее тело, содержащее горючие газы, направляется в паровой котел, где дожигается в среде воздуха, прошедшего воздухоподогреватель парового котла; таким образом в топке парового котла осу- ществляется второй подвод тепла к энергетическому циклу.

В табл. 2 сопоставлены основные показатели схем парогазовых установок на базе газотурбинной установки GT-13E (ABB, Швейцария):-,

по предложенному способу с неполным сгоранием топлива в первой камере сгорания ПТУ и дожиганием его в топке парового котла;

по способу, указанному в прототипе с неполным окислением топлива в первой камере сгорания ГТУ и дожиганием его во второй камере сгорания.

Как показывают расчеты, предложен- ное техническое решение имеет по сравнению с прототипом следующие преимущества:

1. Уменьшение вредных выбросов диок- сида азота составит 3,5-6 раз.

2. Увеличение полезной удельной мощности (полезной мощности, отнесенной к

расходу ежа 1 ого воздуха высокого давления) составит 3-3,5 раза.

3. Резко ( в 6-8 раз) снизится удельная мощность компрессора высокого давления из-за уменьшения избытка окислителя в первой камере сгорания и, соответственно, снизятся связанные с этим потери.

4. Резко увеличится выработка полезной энергии на базе газотурбинного обору- дования, что приведет к снижению капитальных затрат; этому способствует и отсутствие сооружений, связанных с отводом тепла в холодный источник. В этой связи практически в два раза снизиться удельные капитальные затраты в ГТУ.

Формула изобретения

1. Способ преобразования теплоты топлива в полезную механическую энергию в цикле с многоступенчатым подводом тепла к рабочему телу, включающий сжатие окислителя, подачу дополнительного окислителя и сжигание органического топлива в камерах сгорания перед ступенями расширения, кроме последней с коэффициентом избытка окислитель меньше единицы, последующее сжигание топлива с коэффициентом избытка окислителя больше единицы, отличающийся тем, что, с целью уменьшения образования оксидов азота, .повышения удельной и единичных мощностей и повышения тепловой экономичности, дополнительно сжигание топлива с коэффициентом избытка окислителя меньше единицы осуществляют перед последней ступенью расширения, а сжигание топлива с коэффициентом избытка воздуха больше единицы осуществляют после завершения процесса расширения в камере сгорания другой энергетической установки.

2. Способ по п. 1,отличающийся тем, что в качестве камеры сгорания энергетической установки используют топку парового котла паротурбинной установки.

Испрльзование: при преобразовании тепловой энергии топлива в полезную механическую или электрическую энергию в установке, сочетающей газотурбинную и паротурбинную установку. Сущность изобретения: во всеххамерах сгорания, расположенных перед ступенями расширения, поддерживают коэффициент избытка окислителя меньше 1. После завершения процесса расширения производят сжигание горючих компонентов рабочего тела с коэффициентом избытка окислителя больше 1 в камере сгорания энергетической установки, в качестве которой могут использовать топку парового котла обычной паротурбинной установки. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Таблица 1

ПАРАМЕТРЫ

ПГУ

с котлом паротурбинной установки (предложенный способ)

ГАЗОТУРБИННАЯ ЧАСТЬ

УСТАНОВКИ

Заданная температура

рабочего тела в камерах

сгорания. гр.С

Коэффициент избытка окислителя

в первой камере сгорания

во второй камере сгорания - в топке парового котла

БЩИЕ ПОКАЗАТЕЛИ Полезная мощность. Мвт в т.ч. газотурбинной части

дельные выбросы диоксида азота ,/Квт-ч

Общий КПД установки. %

GT-13E (ABB) 1147

0.49 1.1

645

305

0,08-0,15 46.5

Таблица 2

ПГУ по способу прототипа

GT- 13E (ABB)

1147

0.49

165

165

0,18-0,35 43.5