Автономная газотурбинная установка (варианты)

Предлагаемое техническое решение относится к области энергетики, в частности к газотурбинным двигателям, работающим с использованием в качестве рабочего тела жидкого или газообразного топлива и нашедшим применение как в качестве энергетических генераторных установок, так и в силовых установках систем катодной защиты от коррозии металлических объектов, а именно магистральных газовых и нефтяных трубопроводов.

Задача предлагаемого технического решения состоит в повышении эффективности газотурбинной установки при продолжительной работе ее без перегрева агрегатов в условиях отсутствия сетевого электроснабжения, в том числе при любой протяженности газо- или нефтепроводов.

Заявляемый технический результат достигается путем использования газотурбинной установки, выполненной в виде турбоэлектрокомпрессора, снабженного системой принудительного охлаждения электромашины и системой управления подачей топлива и воздуха в камеру сгорания, включающей датчик контроля давления топлива, орган снижения давления топлива, органы регулирования подачи подачи топлива и воздуха и управляющий орган.

Воздушный компрессор турбоэлектрокомпрессора выполнен как с пусковым устройством, так и без него. Электромашина снабжена преобразователем напряжения на выходе. При этом привод турбины турбоэлектрокомпрессора осуществлен посредством сжигания топлива в камере сгорания, канал выхода продуктов из которой подключен к газовой турбине с возможностью ее привода. Воздухоподающий канал камеры сгорания сообщен с выходом из компрессора.

В зоне расположения электромашины корпус турбоэлектроснабжения снабжен рубашкой охлаждения, сообщенной с системой ее принудительного охлаждения, выполненной в виде контура принудительной циркуляции охлаждающей жидкости и включающей воздушно-жидкостной теплообменник, сообщенный с жидкостной частью масляно-жидкостного теплообменника.

Кроме того автономная газотурбинная установка дополнительно снабжена системой смазки и масляного охлаждения подшипников турбоэлектрокомпрессора, которая выполнена в виде контура принудительной циркуляции через них масла, включающего масляно-жидкостной теплообменник.

Контур циркуляции охлаждающей жидкости в зоне сообщения с жидкостной частью масляно-жидкостного теплообменника дополнительно включает перепускной участок и установленный в нем орган регулируемого перепуска охлаждающей жидкости.

Предлагаемая автономная газотурбинная установка содержит 2 н.з., 10 з.п. ф-лы и 1 илл.

Предлагаемое техническое решение относится к области энергетики, в частности к газотурбинным двигателям, работающим с использованием в качестве рабочего тела жидкого или газообразного топлива и нашедшим применение как в качестве энергетических генераторных установок, так и в силовых установках систем катодной защиты от коррозии металлических объектов, а именно магистральных газовых и нефтяных трубопроводов.

Уже известна автономная газотурбинная установка, содержащая сооосно размещенный осевой воздушный компрессор, снабженный воздухозаборником, сообщенным с атмосферным воздухом, и пусковым устройством, и содержащая камеру сгорания, включающую кожух, жаровую трубу и горелку, сообщенную на входе в камеру сгорания топливоподающим каналом с источником топлива, а воздухоподающим каналом сообщенную с выходом из компрессора, при этом канал выхода продуктов сгорания из камеры сгорания подключен к последовательно соединенным газовым турбинам высокого и низкого давления с возможностью привода их и полезной нагрузки, выполненной, например, в виде электрогенератора. Осевой воздушный компрессор, обе газовые турбины и электрогенератор размещены последовательно и соосно. /Патент РФ 86245 на полезную модель «Газотурбинная установка», F02C 1/02, опубл. 2009 г./

Недостатком указанной установки является форсирование мощности за счет лишь кратковременного увеличения ее на 10-20%, поскольку возможен перегрев агрегатов установки при продолжительной ее работе.

Указанное техническое решение взято за прототип, поскольку является наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому положительному эффекту.

Задача предлагаемого технического решения состоит в повышении эффективности газотурбинной установки при продолжительной работе ее без перегрева агрегатов в условиях отсутствия сетевого электроснабжения, в том числе при любой протяженности газо- или нефтепроводов, подлежащих катодной защите при необходимости.

Предагаются два варианта решения поставленной задачи:

- с пусковым устройством для привода воздушного компрессора /первый вариант исполнения/,

- без пускового устройства для привода воздушного компрессора /второй вариант исполнения/.

Для решения поставленной задачи с достижением заявляемого технического результата автономная газотурбинная установка, содержащая сооосно размещенные воздушный компрессор, по меньшей мере одну газовую турбину и электромашину, связанные между собой, и камеру сгорания, сообщенную топливоподающим каналом с источником топлива, при этом воздушный компрессор выполнен с воздухозаборником и пусковым устройством, воздухоподающий канал камеры сгорания сообщен с выходом из компрессора, а канал выхода продуктов сгорания из камеры сгорания подключен к газовой турбине с возможностью ее привода, согласно первому варианту исполнения предлагаемой полезной модели, газотурбинная установка дополнительно снабжена системой принудительного охлаждения электромашины и системой управления подачей топлива и воздуха в камеру сгорания, включающей датчик контроля давления топлива, орган снижения давления топлива, органы регулирования подачи топлива и воздуха и управляющий орган, а турбина и компрессор газотурбинной установки выполнены в виде турбоэлектрокомпрессора, содержащего турбину, электромашину и компрессор, последовательно установленные на подшипниках единого ротора в общем корпусе, который в зоне расположения электромашины снабжен рубашкой охлаждения, сообщенной с системой ее принудительного охлаждения, причем воздухозаборник воздушного компрессора снабжен фильтром и электромашина снабжена преобразователем напряжения на выходе.

Автономная газотурбинная установка дополнительно снабжена системой смазки и масляного охлаждения подшипников турбоэлектрокомпрессора, которая выполнена в виде контура принудительной циркуляции через них масла, включающего масляно-жидкостной теплообменник, при этом система принудительного охлаждения рубашки охлаждения электромашины выполнена в виде контура принудительной циркуляции через нее охлаждающей жидкости, включающего воздушно-жидкостной теплообменник и сообщенного с жидкостной частью масляно-жидкостного теплообменника, а каждый из контуров циркуляции масла и охлаждающей жидкости включает бак, циркуляционный насос с приводом, датчики контроля температуры и давления и органы их регулирования, причем контур циркуляции охлаждающей жидкости в зоне сообщения с жидкостной частью масляно-жидкостного теплообменника дополнительно включает перепускной участок с установленным в нем органом регулируемого перепуска охлаждающей жидкости.

Источник топлива может быть выполнен в виде линии подачи жидкого углеводородного топлива или в виде линии подачи газообразного углеводородного топлива или в виде линии высокого давления природного сжатого газа газораспределительной станции магистрального топливного трубопровода, подлежащего катодной защите от коррозии, или в виде линии высокого давления жидкого топлива топливораспределительной станции магистрального топливного трубопровода, подлежащего катодной защите от коррозии, при этом положительный полюс электромашины соединен с анодным заземлением устройства катодной защиты, а отрицательный полюс электромашины соединен с магистральным трубопроводом, подлежащим защите от коррозии.

Ротор электромашины турбоэлектрокомпрессора снабжен полюсными парами постоянных магнитов.

Для решения поставленной задачи с достижением заявляемого технического результата автономная газотурбинная установка, содержащая сооосно размещенные воздушный компрессор, по меньшей мере одну газовую турбину и электромашину, связанные между собой, и камеру сгорания, сообщенную топливоподающим каналом с источником топлива, при этом воздушный компрессор выполнен с воздухозаборником, воздухоподающий канал камеры сгорания сообщен с выходом из компрессора, а канал выхода продуктов сгорания из камеры сгорания подключен к газовой турбине с возможностью ее привода, согласно второму варианту исполнения предлагаемой полезной модели, газотурбинная установка дополнительно снабжена системой принудительного охлаждения электромашины и системой управления подачей топлива и воздуха в камеру сгорания, включающей датчик контроля давления топлива, орган снижения давления топлива, органы регулирования подачи топлива и воздуха и управляющий орган, а турбина и компрессор газотурбинной установки выполнены в виде турбоэлектрокомпрессора, содержащего турбину, электромашину и компрессор, последовательно установленные на подшипниках единого ротора в общем корпусе, который в зоне расположения электромашины снабжен рубашкой охлаждения, сообщенной с системой ее принудительного охлаждения, причем воздухозаборник воздушного компрессора снабжен фильтром и электромашина снабжена преобразователем напряжения на выходе.

Автономная газотурбинная установка дополнительно снабжена системой смазки и масляного охлаждения подшипников турбоэлектрокомпрессора, которая выполнена в виде контура принудительной циркуляции через них масла, включающего масляно-жидкостной теплообменник, при этом система принудительного охлаждения рубашки охлаждения электромашины выполнена в виде контура принудительной циркуляции через нее охлаждающей жидкости, включающего воздушно-жидкостной теплообменник и сообщенного с жидкостной частью масляно-жидкостного теплообменника, а каждый из контуров циркуляции масла и охлаждающей жидкости включает бак, циркуляционный насос с приводом, датчики контроля температуры и давления и органы их регулирования, причем контур циркуляции охлаждающей жидкости в зоне сообщения с жидкостной частью масляно-жидкостного теплообменника дополнительно включает перепускной участок с установленным в нем органом регулируемого перепуска охлаждающей жидкости.

Источник топлива может быть выполнен в виде линии подачи жидкого углеводородного топлива или в виде линии подачи газообразного углеводородного топлива или в виде линии высокого давления природного сжатого газа газораспределительной станции магистрального топливного трубопровода, подлежащего катодной защите от коррозии, или в виде линии высокого давления жидкого топлива топливораспределительной станции магистрального топливного трубопровода, подлежащего катодной защите от коррозии, при этом положительный полюс электромашины соединен с анодным заземлением устройства катодной защиты, а отрицательный полюс электромашины соединен с магистральным трубопроводом, подлежащим защите от коррозии.

Ротор электромашины турбоэлектрокомпрессора снабжен полюсными парами постоянных магнитов.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется графически.

На фиг.1 показана принципиальная схема предлагаемого устройства по первому варианту исполнения /с пусковым устройством для привода воздушного компрессора/.

На фиг.2 показана принципиальная схема предлагаемого устройства по второму варианту исполнения /без пускового устройства для привода воздушного компрессора/.

Согласно фиг.1 предлагаемая автономная газотурбинная установка содержит турбоэлектрокомпрессор 1, камеру 2 сгорания, сообщенную топливоподающим каналом 3 с источником 4 топлива, систему управления подачей в камеру 2 сгорания топлива и воздуха, систему охлаждения электромашины 5 посредством охлаждающей жидкости и систему смазки и масляного охлаждения подшипников 6 турбоэлектрокомрессора 1.

Турбоэлектрокомпрессор 1 содержит последовательно установленные на подшипниках 6 единого ротора 7 газовую турбину 8, электромашину 5 и воздушный компрессор 9, связанные между собой в один агрегат и размещенные соосно в общем корпусе 10 турбоэлектрокомпрессора 1, причем колесо воздушного компрессора 9 приводится во вращение на пусковых режимах посредством пускового устройства 11.

Электромашина 5 снабжена рубашкой 12 охлаждения, сообщенной с системой ее принудительного охлаждения специальной охлаждающей жидкостью, предпочтительно, тосолом.

Ротор электромашины 5 турбоэлектрокомпрессора 1 снабжен полюсными парами постоянных магнитов /не показаны/.

Смазка и охлаждение подшипников 6 турбоэлектрокомпрессора 1 может быть осуществлена маслом посредством принудительной его подачи из контура циркуляции 13, включающего масляный бак 14, масляный фильтр 15, циркуляционный насос 16 с автономным приводом /не показан/, масляно-жидкостной теплообменник 17, датчики 18, 19 контроля температуры и давления масла, соответственно, а также органы их регулирования 20 и 21 соответственно.

Система охлаждения электромашины 5 выполнена в виде контура 22 принудительной циркуляции через рубашку 11 охлаждающей жидкости, включающего бак 23 с охлаждающей жидкостью, ее фильтр 24, циркуляционный насос 25, воздушно-жидкостной теплообменник 26, например, конвективного типа, сообщенный с жидкостной частью масляно-жидкостного теплообменника 17, датчики 27 и 28 контроля температуры и давления охлаждающей жидкости, соответственно, а также органы 29 и 30 их регулирования соответственно.

Контур 22 циркуляции охлаждающей жидкости в зоне сообщения с жидкостной частью масляно-жидкостного теплообменника 17 дополнительно включает перепускной участок 31 с установленным в нем органом 32 регулируемого перепуска охлаждающей жидкости через масляно-жидкостной теплообменник 17.

Воздухоподающий канал 33 камеры 2 сгорания сообщен с выходом из воздушного компрессора 9, а канал 34 выхода продуктов сгорания из камеры сгорания 2 подключен к газовой турбине 8 с возможностью ее привода. Воздухозаборник 35 воздушного компрессора 9 сообщен с атмосферным воздухом и снабжен фильтром 36.

Система управления подачей топлива и воздуха в камеру сгорания 2 включает датчик 37 контроля давления топлива, орган 38 снижения давления топлива и органы 39 и 40 регулирования подачи топлива и воздуха соответственно и управляющий орган 41.

Электромашина 5 снабжена преобразователем напряжения 42.

Источник топлива для автономной энергетической установки, используемой только как источник электроэнергии в условиях отсутствия сетевого электроснабжения, может быть выполнен в виде линии подачи жидкого или газообразного углеводородного топлива.

Источник топлива в случае необходимости проведение катодной защиты топливного трубопровода может быть выполнен в виде линии высокого давления природного сжатого газа или жидкого топлива газораспределительной станции магистрального топливного трубопровода, подлежащего катодной защите от коррозии, при этом положительный полюс /не показан/ электромашины соединен с анодным заземлением /не показано/ устройства катодной защиты, а отрицательный полюс /не показан/ электромашины соединен с магистральным трубопроводом, подлежащим защите от коррозии.

Работа предлагаемой автономной газотурбинной установки осуществляется следующим образом.

В предлагаемом устройстве использована, например, камера 2 сгорания турбореактивного двигателч типа ВК-1.

Включают пусковое устройство 11, приводящее во вращательное движение колесо воздушного компрессора 9. Компрессор 9 сжимает атмосферный воздух, поступивший через воздухозаборник 35 и прошедший через фильтр 36, и подает его в камеру 2 сгорания. Дозированное количество топлива через топливоподающий канал 3 подают в камеру 2 сгорания и воспламеняют. При этом система управления подачей топлива и воздуха, контролируя показатель датчика 37 давления топлива, посредством управляющего органа 41 управляет органом 38 снижения давления топлива, поступающего из источника 4 топлива, и органами 39 и 40, регулирующими подачей топлива и воздуха соответственно, обеспечивая эффективное сжигание дозированного количества топлива.

Генерируемый при этом горячий газ поступает в газовую турбину 8.

Газ расширяется в турбине 8, приводит во вращение колесо воздушного компрессора 9 и ротор 7 электромашины 5 и турбоэлектрокомпрессора 1, поскольку привод ротора Пусковое устройство 11 при этом отключается, поскольку воздушный компрессор непрерывно приводится во вращательное движения газовой турбиной 8.

Электромашина 5 вырабатывает трехфазный электрический ток, обеспечивая в преобразователе напряжения 42 после преобразования его в постоянный ток /до 6 кВт./ питание приводов вспомогательных систем и внешних потребителей /катодную защиту/.

Для достижения заданного значения выходной мощности контроль и регулирование энергетических параметров автономной газотурбинной установки осуществляют путем изменения расхода и давления топлива, подаваемого в камеру 2 сгорания.

Регулирование температуры масла осуществляют изменением расхода тосола, используемого в контуре циркуляции охлаждающей жидкости, через жидкостно-масляный теплообменник 17. Преобразователь 42 напряжения полученного в электромашине трехфазного электрического тока позволяет преобразовать его в постоянный ток.

Отсутствие пускового устройства 11 замедляет запуск воздушного компрессора 9. В этом случае- вариант второй исполнения, работа предлагаемого автономной газотурбинной установки возможна только после запуска газовой турбины 8. В остальном работа предлагаемого устройства по обоим вариантам осуществляется одинаково.

Предлагаемая автономная газотурбинная установка успешно прошла испытания и подготовлена к внедрению.

Использование предлагаемой газотурбинной установки в условиях отсутствия сетевого электроснабжения позволит существенно повысить эффективность ее работы, устранив перегрев ее агрегатов при продолжительной работе.

1. Автономная газотурбинная установка, содержащая сооосно размещенные воздушный компрессор, по меньшей мере одну газовую турбину и электромашину, связанные между собой, и камеру сгорания, сообщенную топливоподающим каналом с источником топлива, при этом воздушный компрессор выполнен с воздухозаборником и пусковым устройство, воздухоподающий канал камеры сгорания сообщен с выходом из компрессора, а канал выхода продуктов сгорания из камеры сгорания подключен к газовой турбине с возможностью ее привода, отличающаяся тем, что газотурбинная установка дополнительно снабжена системой принудительного охлаждения электромашины и системой управления подачей топлива и воздуха в камеру сгорания, включающей датчик контроля давления топлива, орган снижения давления топлива, органы регулирования подачи топлива и воздуха и управляющий орган, а турбина и компрессор газотурбинной установки выполнены в виде турбоэлектрокомпрессора, содержащего турбину, электромашину и компрессор, последовательно установленные на подшипниках единого ротора в общем корпусе, который в зоне расположения электромашины снабжен рубашкой охлаждения, сообщенной с системой ее принудительного охлаждения, причем воздухозаборник воздушного компрессора снабжен фильтром и электромашина снабжена преобразователем напряжения на выходе.

2. Автономная энергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что автономная газотурбинная установка дополнительно снабжена системой смазки и масляного охлаждения подшипников турбоэлектрокомпрессора, которая выполнена в виде контура принудительной циркуляции через них масла, включающего масляно-жидкостный теплообменник, при этом система принудительного охлаждения рубашки охлаждения электромашины выполнена в виде контура принудительной циркуляции через нее охлаждающей жидкости, включающего воздушно-жидкостный теплообменник и сообщенного с жидкостной частью масляно-жидкостного теплообменника, а каждый из контуров циркуляции масла и охлаждающей жидкости включает бак, циркуляционный насос с приводом, датчики контроля температуры и давления и органы их регулирования, причем контур циркуляции охлаждающей жидкости в зоне сообщения с жидкостной частью масляно-жидкостного теплообменника дополнительно включает перепускной участок с установленным в нем органом регулируемого перепуска охлаждающей жидкости.

3. Автономная энергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что источник топлива выполнен в виде линии подачи жидкого углеводородного топлива.

4. Автономная энергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что источник топлива выполнен в виде линии подачи газообразного углеводородного топлива.

5. Автономная энергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что источник топлива выполнен в виде линии высокого давления природного сжатого газа газораспределительной станции магистрального топливного трубопровода, подлежащего катодной защите от коррозии, при этом положительный полюс электромашины соединен с анодным заземлением устройства катодной защиты, а отрицательный полюс электромашины соединен с магистральным трубопроводом, подлежащим защите от коррозии.

6. Автономная энергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что источник топлива выполнен в виде линии высокого давления жидкого топлива топливораспределительной станции магистрального топливного трубопровода, подлежащего катодной защите от коррозии, при этом положительный полюс электромашины соединен с анодным заземлением устройства катодной защиты, а отрицательный полюс электромашины соединен с магистральным трубопроводом, подлежащим защите от коррозии.

7. Автономная энергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что ротор электромашины турбоэлектрокомпрессора снабжен полюсными парами постоянных магнитов.

8. Автономная газотурбинная установка, содержащая сооосно размещенные воздушный компрессор, по меньшей мере одну газовую турбину и электромашину, связанные между собой, и камеру сгорания, сообщенную топливоподающим каналом с источником топлива, при этом воздушный компрессор выполнен с воздухозаборником, воздухоподающий канал камеры сгорания сообщен с выходом из компрессора, а канал выхода продуктов сгорания из камеры сгорания подключен к газовой турбине с возможностью ее привода, отличающаяся тем, что газотурбинная установка дополнительно снабжена системой принудительного охлаждения электромашины и системой управления подачей топлива и воздуха в камеру сгорания, включающей датчик контроля давления топлива, орган снижения давления топлива, органы регулирования подачи топлива и воздуха и управляющий орган, а турбина и компрессор газотурбинной установки выполнены в виде турбоэлектрокомпрессора, содержащего турбину, электромашину и компрессор, последовательно установленные на подшипниках единого ротора в общем корпусе, который в зоне расположения электромашины снабжен рубашкой охлаждения, сообщенной с системой ее принудительного охлаждения, причем воздухозаборник воздушного компрессора снабжен фильтром и электромашина снабжена преобразователем напряжения на выходе.

9. Автономная энергетическая установка по п.8, отличающаяся тем, что автономная газотурбинная установка дополнительно снабжена системой смазки и масляного охлаждения подшипников турбоэлектрокомпрессора, которая выполнена в виде контура принудительной циркуляции через них масла, включающего масляно-жидкостный теплообменник, при этом система принудительного охлаждения рубашки охлаждения электромашины выполнена в виде контура принудительной циркуляции через нее охлаждающей жидкости, включающего воздушно-жидкостный теплообменник и сообщенного с жидкостной частью масляно-жидкостного теплообменника, а каждый из контуров циркуляции масла и охлаждающей жидкости включает бак, циркуляционный насос с приводом, датчики контроля температуры и давления и органы их регулирования, причем контур циркуляции охлаждающей жидкости в зоне сообщения с жидкостной частью масляно-жидкостного теплообменника дополнительно включает перепускной участок с установленным в нем органом регулируемого перепуска охлаждающей жидкости.

10. Автономная энергетическая установка по п.8, отличающаяся тем, что источник топлива выполнен в виде линии подачи жидкого углеводородного топлива.

11. Автономная энергетическая установка по п.8, отличающаяся тем, что источник топлива выполнен в виде линии подачи газообразного углеводородного топлива.

12. Автономная энергетическая установка по п.8, отличающаяся тем, что источник топлива выполнен в виде линии высокого давления природного сжатого газа газораспределительной станции магистрального топливного трубопровода, подлежащего катодной защите от коррозии, при этом положительный полюс электромашины соединен с анодным заземлением устройства катодной защиты, а отрицательный полюс электромашины соединен с магистральным трубопроводом, подлежащим защите от коррозии.

13. Автономная энергетическая установка по п.8, отличающаяся тем, что источник топлива выполнен в виде линии высокого давления жидкого топлива топливораспределительной станции магистрального топливного трубопровода, подлежащего катодной защите от коррозии, при этом положительный полюс электромашины соединен с анодным заземлением устройства катодной защиты, а отрицательный полюс электромашины соединен с магистральным трубопроводом, подлежащим защите от коррозии.

14. Автономная энергетическая установка по п.8, отличающаяся тем, что ротор электромашины турбоэлектрокомпрессора снабжен полюсными парами постоянных магнитов.