Энергетическая газотурбинная установка комбинированного цикла

Полезная модель относится к области энергетики и предназначена для производства механической энергии, электроэнергии и тепла на основе использования теплоты горячих выхлопных газов газовых турбин. Задачей предлагаемого решения является повышение КПД энергетической газотурбинной установки за счет замены парогазового цикла на комбинированный цикл с использованием в качестве теплоносителя диссоциирующей смеси на основе четырехокиси азота N ₂O₄. Для решения поставленной задачи в энергетической газотурбинной установке, содержащей газотурбинный блок из последовательно установленных компрессоров низкого и высокого давления, камеры сгорания топлива, газовой турбины и генератора тока, через который снимаемая с турбины мощность передается потребителю, и замкнутый утилизационный контур, содержащий рекуперативный теплообменник с теплоносителем, взаимодействующим с подаваемыми из газовой турбины выхлопными газами, холодильник и насос, обеспечивающий движение теплоносителя в контуре, в состав замкнутого утилизационного контура введены регенератор и две утилизационные турбины. При этом теплообменник, первая и вторая утилизационные турбины, холодильник, насос и регенератор установлены последовательно и образуют замкнутую систему (цикл), первая и вторая утилизационные турбины дополнительно соединены с регенератором, а теплоносителем замкнутой системы является диссоциирующая смесь на основе четырехокиси азота N ₂O₄. 1 илл., 4 п.ф.

Полезная модель относится к области энергетики и энергетического машиностроения и предназначена для производства механической энергии, электроэнергии и тепла на основе использования теплоты горячих выхлопных газов газотурбинных установок.

Газотурбинные установки (ГТУ) служат для получения энергии и широко используются в энергосиловых системах в различных отраслях промышленности - в энергетике, на транспорте, в газовой и нефтяной промышленности в качестве привода газоперекачивающих агрегатов для транспортировки природного газа по магистральным газопроводам и т.д.

В ГТУ, работающих по простому циклу (что имеет место, например, на транспорте), выхлопные газы обычно выбрасываются в атмосферу. В связи с этим коэффициент полезного действия (КПД) таких установок находится в пределах 23-34%.

При транспортировке газа из областей его производства к потребителям, находящимся вдали от этих областей, используются трубопроводы

для передачи природного газа под высоким давлением. Газовые компрессоры, которые перегоняют газ по этим трубопроводам, обычно приводятся в действие от ГТУ. С целью снижения расхода топлива такие системы дополнительно снабжаются циклом рекуперации теплоты за счет преобразования в электричество тепла выхлопных газов турбины, имеющих на выходе из турбины температуру 400-560°С.

Идеи полезного использования тепла выхлопных газов заложены, например, в решениях, описанных в следующих патентах на изобретения и полезные модели РФ:

1. «Комбинированная парогазовая энергетическая установка и способ ее эксплуатации». - патент РФ на изобретение №2124134, МПК F 01 K 23/10, приор. от 13.02.1998 г., опубл. 27.12.1998 г.;

2. «Газотурбинная установка с теплоутилизационным контуром».

- патент РФ на изобретение №1607502, МПК F 01 K 23/10, приор. от 13.02.1998 г., опубл. 27.12.1998 г.;

3. «Теплоэнергетическая установка для утилизации теплоты выхлопных газов газотурбинного двигателя». - патент РФ на изобретение №2266414, МПК F 01 K 23/10, F 02 C 6/18, приор. от 30.12.1999 г., опубл. 27.10.2003 г.

4. «Энергетическая газотурбинная комбинированная установка»,

- свидетельство на полезную модель РФ №23921, МПК F 02 C 3/30, приор. от 17.12.2001 г., опубл. 20.07.2002 г.

В перечисленных решениях используется широко распространенный пароводяной контур «паровой котел - паровая турбина», который дает возможность повысить суммарный КПД:

- для двигателей мощностью в пределах 5-20 МВт до 40-45%;

- для двигателей от 20 до 60 МВт до 53%;

- для двигателей мощностью от 60 МВт до 900 МВт до 58-60% за счет усложнения пароводяного цикла (см. также «Каталог газотурбинного оборудования 2003-2004 г.г.», глава 3, стр.101-120. - Приложение к

Специализированному информационно-аналитическому журналу «Газотурбинные технологии»).

Принцип действия таких комбинированных ГТУ состоит в том, что выходные газы турбины подаются в теплообменник с водой, которая за счет нагрева испаряется. Образующийся водяной пар подается на паровую турбину, которая соединена с генератором, производящим электричество. Расширенный пар выходит из турбины, охлаждается, конденсируется и вновь в виде воды поступает в теплообменник.

Однако, пароводяные системы рекуперации тепла выхлопных газов газовой турбины недостаточно эффективны по следующим причинам:

- свойства водяного пара при рабочих параметрах температуры и давления в утилизационных системых ГТУ не являются оптимальными, т.к. низкие значения температур и давления соответствуют повышенным расходам тепла на единицу мощности. Паровые турбины эффективны при нагреве пара обычно до 650°С;

- теплоемкость пара в процессе осуществления рабочего цикла снижается, что приводит к уменьшению тепловых потоков в теплообменниках;

- относительно высок теплосъем от отработанного пара при сравнительно низких адиабатических перепадах, что сопровождается увеличением потерь в конденсаторе;

- для экономически обоснованного термического КПД установки в системе необходим конденсатор отработанного пара с обеспечением в нем давления до 0,04 ата, что резко увеличивает массогабаритные показатели энергетической установки в целом;

- есть необходимость осуществления водоподготовки и контроля качества питательной воды;

- с целью осуществления более эффективного регенеративного цикла требуется дополнительное количество теплообменников, по

количеству ступеней промежуточного отбора пара, что также отражается и на массогабаритных показателях, и на стоимости установки в целом.

Для повышения эффективности использования выделяющейся при сгорании топлива теплоты и дополнительного повышения КПД в циклах рекуперации теплоты отработанных газов применяют отличные от воды органические теплоносители, например, нормальный пентан, изопентан, пропан, изобутан (например, патенты РФ на изобретения №2171385 «Газотурбинная система с циклом рекуперации теплоты и способ ее использования» (МПК F 02 C 6/18, приоритет от 13.06.1996 г., опубл. 27.07.2001 г.) и №2215165 «Способ регенерации тепла выхлопных газов в преобразователе органической энергии с помощью промежуточного жидкостного цикла (варианты) и система регенерации тепла выхлопных газов» (МПК F 01 K 23/10, F 02 C 6/18, приор. от 28.05.2003 г., опубл. 20.12.2005 г.).

В монографии Нестеренко В.Б. и Тверкина Б.Е. «Теплообмен в ядерных реакторах с диссоциирующими теплосителями» (Минск, Наука и техника, 1980 г.) рассматривается возможность построения газожидкостного цикла на химически реагирующих рабочих телах. Класс таких рабочих тел достаточно велик. Это могут быть HgCl₂ , Al₂Cl₆, четырехокись азота N₂O₄ и другие.

Конструктивное исполнение предложенных решений достаточно громоздко и экономически оправдано в случаях больших электрических мощностей. В системах массового спроса, при мощностях от 300 до 10000 кВт, - например, в случае транспортировки газа из областей его производства к потребителям, которые находятся вдали от этих областей, - нужны более экономичные и компактные энергетические комплексы.

Наиболее близким к предлагаемому решению можно считать систему, состав и работа которого описаны в патенте «Бинарная парогазовая установка» (патент РФ на изобретение №2252323, МПК F 01 K 23/10, приор. от 30.12.2002 г., опубл. 20.05.2005 г).

Прототип содержит компрессоры низкого и высокого давления, промежуточный охладитель воздуха, камеру сгорания, газовую турбину, котел-утилизатор (теплообменник), паровую турбину, насос и генератор тока. При этом число ступеней компрессоров высокого и низкого давления выбирается, исходя из требуемого общего КПД установки.

Использование в прототипе промежуточного охлаждения воздуха при его сжатии в компрессоре увеличивает суммарный КПД парогазовой установки до 52,8%. Повышение давления в компрессоре позволяют (по расчету авторов) повысить КПД до 53,18%. Однако при этом резко уменьшаются преимущества в мощностных показателях установки.

К недостаткам прототипа можно отнести:

- повышение начальной температуры и давления в газовых турбинах;

- увеличение числа ступеней компрессоров высокого и низкого давлений, ухудшающее массогабаритные показатели;

- незначительное повышение суммарного КПД по сравнению с другими известными решениями.

Задачей предлагаемого решения является повышение КПД энергетической газотурбинной установки за счет замены парогазового цикла на комбинированный цикл с использованием в качестве теплоносителя диссоциирующей смеси.

Для решения поставленной задачи в энергетической газотурбинной установке комбинированного цикла, содержащей газотурбинный блок, в котором последовательно установлены компрессор низкого давления, компрессор высокого давления, камера сгорания топлива, газовая турбина и генератор тока, через который снимаемая с турбины мощность передается потребителю, и замкнутый утилизационный контур, содержащий рекуперативный теплообменник с теплоносителем, взаимодействующим с подаваемыми из газовой турбины выхлопными газами, холодильник и насос, обеспечивающий движение теплоносителя в контуре, в состав

замкнутого утилизационного контура введены регенератор и две утилизационные турбины. При этом теплообменник, первая и вторая утилизационные турбины, холодильник, насос и регенератор установлены последовательно и образуют замкнутую систему (цикл), первая и вторая утилизационные турбины дополнительно соединены с регенератором, а теплоносителем замкнутой системы является диссоциирующая смесь.

При этом газовая турбина может содержать две турбины - высокого и низкого давлений.

В качестве диссоциирующей смеси как рабочего тела утилизационного контура может быть использован газ на основе четырехокиси азота N₂O₄ . Теплотехнические характеристики N₂O ₄ наиболее соответствуют созданию утилизационного контура с учетом параметров выхлопных газов ГТУ.

Кроме того, для передачи дополнительной мощности потребителю энергетическая газотурбинная установка может быть снабжена вторым генератором тока с приводом, подключенным к выходу второй утилизационной турбины замкнутого утилизационного контура.

Примечания.

1). Система называется замкнутой, если теплоноситель - рабочее тело системы - загружается в нее однократно, при подготовке турбины к работе, и в процессе эксплуатации лишь перемещается по замкнутому контуру.

2). Идея применения химически реагирующего, то-есть, диссоциирующего газа в качестве рабочего тела замкнутого газотурбинного цикла основана на изменении газовой постоянной в процессах сжатия и расширения газа. При диссоциации (разложении, распаде) происходит уменьшение молекулярного веса вещества и соответственно затрата энергии. В процессе расширения, при ассоциации, наоборот, происходит выделение энергии. Причем установлено, что коэффициенты теплообмена в процессе

химической реакции N₂ O₄2 NO₂ могут в 7-8 раз превышать значения, имеющие место без химической реакции (см. Исаев С.И. Курс химической термодинамики. - Учебное пособие для вузов. - М., Высшая шк., 1975. - с.104-115).

Введение дополнительных устройств и связей в энергетическую газотурбинную установку, а также замена парогазового цикла на комбинированный замкнутый цикл с использованием диссоциирующего теплоносителя позволяет:

- повысить термодинамические свойства утилизационной системы и увеличить долю энергии, отводимой от ГТУ для использования в силовых турбинах, по сравнению с пароводяным циклом на 10-15%;

- достичь высоких значений коэффициентов теплообмена и концентрированной теплопередачи за счет химических реакций диссоциирующего теплоносителя;

- исключить из утилизационной системы обязательный в пароводяных системах конденсатор отработанного пара с давлением 0,04 ата, поскольку N₂ O₄ при рабочем давлении конденсации 0,15-0,20 МПа имеет удельный объем в 34-40 раз меньше объема водяного пара при той же температуре;

- упростить схему регенерации тепла в газожидкостном цикле вследствие того, что N ₂O₄ имеет малую теплоту испарения, которая в 5,5 раз меньше, чем у воды. При этом количества тепла уходящих из турбины газов достаточно не только для нагрева и испарения жидкой фазы теплоносителя, но и для перегрева газа в регенераторе на 100-200°С;

- за счет перечисленного снизить массогабаритные показатели основных устройств системы, особенно теплообменников и регенераторов;

- резко уменьшить тепловыделение в окружающую среду.

На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемого решения.

Энергетическая установка содержит газотурбинный блок и замкнутый утилизационный контур. Газотурбинный блок содержит последовательно установленные компрессор низкого давления 1, в который подается наружный воздух, компрессор высокого давления 2, камеру сгорания топлива 3, газовую турбину, состоящую из турбины высокого давления 4 и турбины низкого давления 5, и генератор тока 6, через который снимаемая с турбин 4 и 5 мощность передается потребителю.

Замкнутый утилизационный контур содержит последовательно установленные рекуперативный теплообменник 7 с теплоносителем, первую 8 и вторую 9 утилизационные турбины, холодильник 10, насос 11, обеспечивающий движение теплоносителя в контуре, регенератор 12 и второй генератор тока 13. Генератор 13 подключен к выходу второй утилизационной турбины 9 для передачи мощности турбин 8 и 9 потребителю.

Для обеспечения химической реакции N₂O₄2NO₂ и обратно регенератор 12 дополнительно соединен с утилизационными турбинами 8 и 9, а рекуперативный теплообменник 7 - с выходом турбины низкого давления 5.

Установка работает следующим образом.

Атмосферный воздух из окружающей среды поступает в компрессор низкого давления 1 и через компрессор высокого давления 2 попадает в камеру сгорания 3, где происходит процесс горения топлива, - например, природного газа. Из камеры 3 полученные при сгорании газы с расчетными значениями температуры и давления поступают в турбину высокого давления 4 и далее - в турбину низкого давления 5. Расположенный на общем валу с турбинами 4 и 5 генератор тока 6 приводится в действие, и полученная мощность ГТУ поступает к потребителю.

Выхлопные газы ГТУ из турбины низкого давления 5 с температурой 400-560°С подаются в рекуперативный теплообменник 7 для нагрева диссоциирующего теплоносителя замкнутой системы - четырехокиси азота N ₂O₄.

Теплоноситель четырехокись азота N₂О₄ в жидком состоянии при температуре 30-40°С и давлении 0.18-0.22 МПа, из холодильника 10 поступает в насос 11, который сжимает его и повышает давление до 13-17 МПа. Далее теплоноситель поступает в регенератор 12, где он нагревается за счет тепла газов, выходящих из первой утилизационной турбины 8, до 200-250°С. С полученными параметрами уже в газообразном виде четырехокись азота N ₂О₄ попадает в теплообменник 7. Здесь газ рабочего тела получает дополнительное тепло от выхлопных газов газотурбинного блока, диссоциирует с поглощением энергии на диссоциацию до фазы NO₂ и выполняет работу в первой турбине 8.

После турбины 8 в регенераторе 12 теплоноситель трансформируется в газ N₂ О₄, отдавая часть тепла для подогрева и испарения поступающего в регенератор 12 из насоса 11 теплоносителя в жидкой фазе. Из регенератора 12 теплоноситель в фазе N ₂О₄ поступает на вторую турбину 9 замкнутого утилизационного контура. Турбина 9 работает на теплоносителе в фазе N₂О₄. Генератор тока 13 приводится в действие, и полученная мощность утилизационных турбин также поступает к потребителю.

В первой турбине 8 реализуется энергия двуокиси азота NO_2. Во второй турбине 9 после нагрева от тепла, полученного за счет реакции восстановления, используется теплоноситель четырехокись азота N₂O₄. Таким образом реализуется тепло рекомбинации теплоносителя.

Параметры теплоносителя на выходе из турбины 9: температура ˜65°С, давление ˜0.23-0.24 МПа. Эти параметры могут уточняться и регулироваться применительно к конструктивным особенностям конкретной энергетической установки.

Предлагаемая полезная модель позволяет усовершенствовать цикл рекуперации тепла выхлопных газов и широко использовать описанную энергетическую установку на практике. Замкнутые газожидкостные утилизационные системы целесообразно применять на ГТУ агрегатной мощностью от 1000 кВт и более, имеющих достаточно высокую степень загрузки, - например, на электростанциях, на газо- и нефтеразработках, газо- и нефтемагистралях, морских буровых установках, судах неограниченного района плавания и др.

Суммарный КПД газотурбинной установки с применением замкнутой газожидкостной системы с теплоносителем N2O4 может быть увеличен на 10-15% по сравнению с существующими пароводяными утилизационными системами и достигать величины 65-68%.

К примеру, потенциал уходящих газов ГТУ, установленных в настоящее время ОАО «Газпром» на магистральных трубопроводах, оценивается в 836 млн ГигаДжоулей в год. В теплоснабжении используется только 54,3 млн ГигаДжоулей в год, или 6,5%. Указанные мощности реализованы:

- ГТУ мощностью 16 МВт - 850 единиц;

- ГТУ мощностью 25 МВт - 200 единиц.

Таким образом, предлагаемое в заявке решение позволит дополнительно получить около 30-35 млрд. кВт.ч. электроэнергии в год только в системе ОАО «Газпром».

Кроме того, возможна конструктивная реализация утилизационной системы в виде отдельного устройства с последующим присоединением ее к ГТУ в заданном районе эксплуатации. При этом мощностным рядом утилизационных турбин в пределах 0,5-18 МВт могут быть укомплектованы системы агрегатной мощностью до 30 МВт, что делает выигрыш от предлагаемого решения еще более очевидным.

1. Энергетическая газотурбинная установка комбинированного цикла, содержащая газотурбинный блок, включающий последовательно установленные компрессор низкого давления, компрессор высокого давления, камера сгорания топлива, газовая турбина и генератор тока, через который снимаемая с турбины мощность передается потребителю, и замкнутый утилизационный контур, в состав которого входят рекуперативный теплообменник с теплоносителем, взаимодействующим с подаваемыми из газовой турбины выхлопными газами, холодильник и насос, обеспечивающий движение теплоносителя в контуре, отличающаяся тем, что в замкнутый утилизационный контур введены регенератор и две утилизационные турбины, причем теплообменник, первая и вторая утилизационные турбины, холодильник, насос и регенератор установлены последовательно и образуют замкнутую систему, первая и вторая утилизационные турбины дополнительно соединены с регенератором, а теплоносителем замкнутой системы является диссоциирующая смесь.

2. Энергетическая газотурбинная установка комбинированного цикла по п.1, отличающаяся тем, что газовая турбина содержит две турбины - высокого и низкого давлений.

3. Энергетическая газотурбинная установка комбинированного цикла по п.1, отличающаяся тем, что диссоциирующей смесью является газ на основе четырехокиси азота N₂O ₄.

4. Энергетическая газотурбинная установка комбинированного цикла по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена вторым генератором тока, через который снимаемая с утилизационных турбин мощность также передается потребителю.