Газотурбинная установка Советский патент 1993 года по МПК F02C3/02 

Изобретение касается газотурбинной установки согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения.

Изобретение, как оно указано в п.1 формулы, решает задачу показать газотурбинную установку, отличающуюся простой конструкцией и высоким КПД и режим эксплуатации которой предпочтительно подвержен влиянию ввиду быстрых изменений нагрузки.

Газотурбинная установка согласно изобретению отличается тем, что за счет простых и требующих малых издержек мер удается благоприятно влиять на режим работы этой установки. Можно достичь высоких КПД при работе на частичных нагрузках или провести быстрые изменения нагрузки. Установка может работать со сравнительно небольшим числом процессов переключения. Кроме того, сильно сокращается выброс нежелательных продуктов реакции в отработавшем газе. Таким образом, особым

преимуществом является то, что предусмотренные для этого и действующие как рекуператорыилирегенераторытеплообменники могут изготовляться способом, требующим чрезвычайно малых затрат.. Направляющие горячий газ системы трубопроводов нижнего пьезометрического уровня энергообменника в целом охлаждаются и могут выполняться без больших дополнительных расходов в виде рекуператорного или регенераторного элемента. Кроме того, верхний и нижний пьезометрические уровни энергообменника, использованного в качестве верхней ступени газовой турбины, находятся в целом так высоко, что объемы таких рекуператоров могут быть небольшими. Поэтому рекуператоры или регенераторы занимают небольшое пространство и могут быть изготовлены по приемлемой цене.

Так как регенераторы и рекуператоры использованы только между верхним и ниж00СА)

-N Ю 00

GO

ним пьезометрическим уровнем энергооб- менника, газотурбинная установка может иметь также газовую турбину, отходящее тепло которой используется для работы паровой турбины (комбинированная схема газовая турбина-утилизационная паровая турбина).

На фиг.1 изображена блок-схема газотурбинной установки, на которой указаны все рекуператоры или регенераторы, использованные рациональным образом между ответвлениями верхнего и нижнего пьезометрического уровня энергробменни- ка, предусмотренного в этой установке; на фиг.2-6 - блок-схемы других газотурбин- .ных установок согласно изобретению, у ко-, торых в отличие от установки по фиг.1 соответственно использованы рекуператоры или регенераторы лишь между особенно предпочтительными ответвлениями верхнего и нижнего пьезометрического уровня энергообменника.

Газотурбинная установка, изображенная на фиг.1 в виде блок-схемы, содержит газовую турбину со ступенью высокого давления HD и ступенью MD низкого давления, например ступенью среднего давления, а также энергообменник ЕТ. Газовая турбина может быть простой тяговой турбиной с.двумя или более ступенями, но может быть и основной газовой турбиной комбинированной схемы газовой турбины и утилизационной паровой турбины, тогда как энергообменник выполнен преимущественно как машина, создающая волну давления, В энергообменник ЕТ из компрессора V по трубопроводу L подается предварительно сжатый воздух, температура которого составляет, например, 240°С, а давление, например, 6 бар. Этот воздух предварительно сжимается в энергообмен- нике ЕТ и доводится до температуры, например, 420°С и давления, например, 12 бар. Сжатый воздух направляется от энергообменника ЕТ по ответвлению трубопровода HD 1 в разветвление трубопровода и там разделяется на две ветви воздушного потока, одна из которых по ответвлению трубопровода HD 2 подводится к горелке NB, воздействующей на энергообменник ЕТ, а приблизительно сравнивая или большая ветвь воздушного потока по ответвлению трубопровода HD 3 - к камере сгорания ВК, воздействующей на ступень высокого давления HD газовой турбины.

Полученный в горелке NB рабочий газ имеет сравнительно высокую температуру, например, 1800°С и при использовании изобарно действующей горелки имеет соответствующее подведенному воздуху давление, например, 12 бар. Этот рабочий газ заменяет в энергобменнике ЕТ большую часть своей энергии предварительно сжатым воздухом, подведенным по трубопроводу L, и направляется после энергообмена по ответвлению трубопровода MD 1 в смеситель М. При выходе из энергообменника направленный в ответвлении трубопровода MD 1 рабочий газ все еще имеет сравни0 тельно высокую температуру, например, 1300°С и соответствующее предварительно сжатому воздуху давление, например, 6 бар. Полученный в камере сгорания ВК рабочий газ имеет температуру, например, 1000°С и

5 соответствующее предварительно сжатому воздуху давление, например, 12 бар, У рабочего газа в ступени высокого давления Н.Д газовой турбины частично снимается давление. Рабочий газ с частично снятым давле0 нием и сравнительно низкой температурой, например, 800°С имеет соответствующее предварительно сжатому воздуху давление, например, 6 бар. Он направляется от ступени высокого давления НД по ответвлению

5 трубопровода МД2 в смеситель М, в котором он смешивается с поданным в ответвление трубопровода МД1 рабочим газом и затем по ответвлению трубопровода МДЗ ступени МД низкого давления подводится в

0 газовую турбину. Он имеет соответственно направленному в ступень высокого давления НД газовой турбины рабочему газу допущенную газовую турбиной температуру, например, 1000°С.

5 в ответвлениях трубопровода НД 1, НД 2, соответственно, НД 3 верхней ступени давления энергообменника ЕТ находятся соответственно нагревательные элементы Н1, Н2 соответственно НЗ, в ответвлениях

0 трубопровода МД1, МД2, соответственно, МДЗ нижней ступени давления энергообменника ЕТ - соответственно охлаждающие элементы Ki, K2, соответственно, КЗ. Каждый из нагревательных элементов соединен

5 с одним из охлаждающих элементов в теплообменник. Охлаждающий элемент К1 и нагревательные элементы Н1, Н2, соответственно, НЗ образуют теплообменники W11, W12, соответственно, W13. Соответст0 венно охлаждающий элемент К2 и нагревательные элементы Н1, Н2 и НЗ теплообменники W21, W22, соответственно, W23, а охлаждающий элемент КЗ и нагревательные элементы Н1, Н2 и НЗ 5 теплообменники W31, W32, соответственно, W33.

В газотурбинной установке по фиг.1 направленные в ответвлениях трубопровода МД1, МД2 и МДЗ горячие рабочие газы доводятся охлаждающими элементами К1. К 2

и КЗ до температур, при которых в значительной мере предотвращается образование нежелательных агрессивных веществ, как NOx. Поглощенное охлаждающими элементами тепло подается о теплообменниках на нагревательные элементы и служит там для нагрева сжатого воздуха, направленного в ответвлениях трубопровода НД1. НД2 и НДЗ. Таким образом, теплопроизводи- тельность камеры сгорания В К и горелки NB улучшается и тем самым КПД газотурбинной установки значительно повышается. Это особенно выгодно, если в качестве газотурбинной установки предусмотрена лишь комбинация энергообменника с тяговой турбиной. В этом случае даже при незначительном падении давления из-за энергообменника ЕТ достигается сравнительно высокий КПД.

С помощью газотурбинной установки по фиг.1 принципиально всегда возможно отлично согласовать процесс при заданных предельных температурах газовых турбин и заданных степенях сжатия с желаемым моментом нагрузки (например, полная нагрузка). Без дополнительной степени свободы, достигаемой благодаря использованию теплообменников, действующих как рекуператоры или регенераторы, степени сжатия должны согласовываться с предельным температурным режимом турбины.

На фигурах 2-6 изображены газотурбинные установки согласно изобретению, у которых в отличие от установки по фиг.1 соответственно использованы теплообменники, действующие как рекуператоры или регенераторы, лишь между особенно предпочтительными ответвлениями трубопровода верхнего и нижнего пьезометрического уровня энергообменника. У этих газотурбинных установок и у газотурбинной установки по фиг.1 одинаковые ссылочные знаки относятся к частям одинакового действия.

Простыми средствами значительное снижение выбросов NOX у форм выполнения согласно фигурам 2-4 достигается уже тем, что направленные.в ответвлении трубопровода МД1 особенно горячие рабочие газы охлаждаются непосредственно после их образования в энергообменнике ЕТ.

Для этой цели у формы выполнения по фиг.2 тепло, поглощенное охлаждающим элементом К1 в ответвлении трубопровода МД1, направляется через теплообменники W11, W12 и W13 на все нагревательные элементы Н1, Н2 и НЗ верхнего пьезометрического уровня энергообменника ЕТ. Таким образом, быстро охлаждаются большие количества рабочего газа и значительно сокращается выброс NOX. Достаточное сокра- -- щение образования NOx достигается в целом уже в том случае, если, как у форм выполнения по фигурам 3 и 4, тепло, погло- 5 щенное охлаждающим элементом К1, подводится только к одному нагревательному элементу, например, HI или Н2.

« С точки зрения холодильной техники

0 формы выполнения по фигурам 5 и 6 особен- но предпочтительны. У этих форм выполнения простыми средствами достигается особенно сильная теплопередача в ответвлении, трубопровода НД2, соответственно,

5 НД1. Если теплопередача в ответвлении трубопровода НД2 концентрируется, как изображено в примере выполнения по фиг. 5, то горелка NB может быть, выполнена в виде небольшой форсажной камеры. У этой

0 газотурбинной установки возможно регулирование во всей области нагрузки, которое изменяет только подачу топлива в камеру сгорания В К перед ступенью, высокого давления НД газовой турбины.

5 Для достижения быстрого изменения мощности газотурбинной установки согласно изобретению предпочтительно выполнять горелку NB в ответвлении высокого давления НД2 регулируемой. Это можно

0 осуществить с особо малыми издержками, если эта горелка, как у формы выполнения по фигуре 5. будет иметь небольшие размеры.

Формула изобретения

5 1. Газотурбинная установка, содержащая газовую турбину, по меньшей мере с двумя ступенями разного давления, энергообмен ник, имеющий трубопровод отвода j сжатого воздуха с двумя разветвлениями,

0 одно из которых подключено к горелке, установленной на входе в энергообменник, а другое - к ступени высокого давления тур- бинь), и камеру сгорания, при этою энергообменник и ступень высокого давления

5 подключены ответвлениями трубопровода горячего газа к ступени низкого давления, отличающаяся тем, что, с целью упрощения конструкции при одновременном повышении КПД, установка снабжена,

0 по меньшей мере, одним нагревательным элементом, установленным в трубопроводе отвода сжатого воздуха или на одном из его разветвлений, по меньшей мере одним охлаждающим элементом для регенерации

5 или рекуперации, установленным в трубопроводе горячего газа или одном из его ответвлений, при этом по меньшей мере один охлаждающий элемент и по меньшей мере, один нагревательный элемент соединены по нагреваемой/охлаждающей средам.

2.Установку по п.1. о т л и ч а ю щ а я - с я тем, что охлаждающий элемент, расположенный в трубопроводе горячего газа от энергообменника, и нагревательные элементы, расположенные в трубопроводе сжатого воздуха и его разветвлениях к энер- гообменнику и/или камере сгорания, соеди- нены по нагреваемой /охлаждающей средам.

3.Установка по п.1, отличаю щая- с я тем, что охлаждающий элемент, расположенный в трубопроводе горячего газа, и нагревательный элемент, расположенный в разветвлении сжатого воздуха,-подключенного к горелке энергообменника, соединены между собой по нагреваемой охлаждаемой среде.

4.Установка по п.1, о т л и ч а ю щ а я - с я тем, что охлаждающий элемент, расположенный в трубопроводе горячего газа, и нагревательный элемент, расположенный в трубопроводе сжатого воздуха, соединены между собой по нагреваемой/охлаждаю- щей средам.

5.Установка по пп. 3 и 4, о т л и ч а ю - щ а я с я тем, что охлаждающий элемент, расположенный в ответвлении трубопровода горячего газа, соединяющем ступени

низкого и высокого давлений, и нагревательные элементы, расположенные в трубопроводе сжатого воздуха и его разветвлении, подключенном к горелке, соединены между собой по нагреваемой/охлаждающей средам.

6.Установка по пп.1-5, отличающаяся тем, что она снабжена смесителем, а трубопровод и ответвления горячего газа подключены к нему.

Использование: в газотурбинострое- нии. Сущность изобретения: по меньшей мере в одном из разветвлений или на самом трубопроводе отвода сжатого воздуха от энергообменника установлен нагревательный элемент (НЭ) и по меньшей мере в трубопроводе отвода горячего газа от энергообменника или в одном из его ответвлений, соединяющем ступени высокого и низкого давлений турбины, установлен охлаждающий элемент (О Э). НЭ и ОЭ соединены между собой по нагреваемой/охлаждающей средам. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

HD3 Н1

V

НЗ W13 ВК W21

1834981 HI -ИЗ

HD1

Фиг.2.

H2

HD2

ЕТ

Фиг.З

MD3

MD

W12

.J.

X

К1

MD1

HOI HI

ETФиг.4

MD1 K1

W22

Фиг.5

W12

HD

MD2

HD1

Фиг,. 6

Н1 W21 W11

MD2

К2