Газотурбинная установка
Полезная модель относится к области энергетики, в частности к газотурбинным установкам, работающим на твердом, жидком или газообразном топливе, в том числе на продуктах газификации угля, и может найти применение при создании высокоэффективных газотурбинных установок с использованием отрицательных температур окружающей среды для охлаждения сжатого воздуха в турбокомпрессорах.
Техническим результатом является повышение коэффициента полезного действия газотурбинной установки за счет снижения температуры изобарного охлаждения сжатого воздуха в смесительных камерах, которое осуществляют путем подачи в смесительные камеры незамерзающего при минусовых температурах окружающей среды антифриза в виде капель размером 20-500 мкм, а также применения турбокомпрессора с выносными смесительными камерами.
Технический результат достигается при реализации предлагаемого технического решения в газотурбинной установке, включающей в себя газификатор угля, регенеративный теплообменник, фильтр тонкой очистки продуктов газификации, камеру сгорания, газовую турбину, регенеративный воздухоподогреватель на выходе газовой турбины, воздушный многоступенчатый турбокомпрессор выполнен с выносными смесительными камерами, установленными вне корпуса турбокомпрессора и соединенными с предыдущей и последующей ступенями турбокомпрессора посредством воздушных трубопроводов прямого и обратного хода. Каждая смесительная камера снабжена средством впрыска антифриза и средством полного его вывода для повторного использования. Для отделения антифриза от воздуха в смесительных камерах установлены вихревые сепарационные устройства, выполненные преимущественно в виде ленточной спирали. Выход многоступенчатого компрессора соединен через регенеративный воздухоподогреватель на выходе газовой турбины через вентиль с входом камеры сгорания.
Полезная модель газотурбинной установки относится к области энергетики, в частности к газотурбинным установкам, работающим на твердом, жидком или газообразном топливе, в том числе на продуктах газификации угля, и может найти применение при создании высокоэффективных газотурбинных установок с использованием отрицательных температур окружающей среды для охлаждения сжатого воздуха в турбокомпрессоре.
Известна газотурбинная установка (ГТУ), содержащая газификатор угля, систему очистки продуктов газификации, камеру сгорания, газовую турбину, регенеративный теплообменник и теплообменник охлаждения синтезгаза перед «горячим» фильтром тонкой очистки и средства подачи распыленной воды в его газовый тракт (Патент РФ на полезную модель 30863, МПК7 F02C 1/00, 2003 г.) Достоинствами известной ГТУ по указанному патенту являются сравнительно простая схема установки, возможность ее работы на различных видах твердого топлива и улучшенная термодинамика цикла ГТУ, связанная с регенерацией тепла выхлопных газов, снижение потерь на сжатие воздуха в турбокомпрессоре и возможность поддержания температуры синтезгаза на достаточно высоком уровне, обеспечивающем работоспособность материалов фильтра тонкой очистки перед входом в камеру сгорания. К недостаткам такой установки следует отнести эрозионное воздействие капель неиспарившейся жидкости в тракте турбокомпрессора на его лопаточный аппарат, а так же выброс вспрыснутой воды из компрессора в окружающую среду и вместе с водой скрытой теплоты парообразования.
Наиболее близким техническим решением к предложенному является газотурбинная установка, принятая за прототип, содержащая газификатор угля, систему грубой и тонкой очистки продуктов газификации, два регенеративных теплообменника, камеру сгорания, газовую турбину, многоступенчатый воздушный компрессор, снабженный, по крайней мере, одной смесительной камерой, установленной между корпусами различных ступеней и выполненной в виде кольцевой цилиндрической полости, размещенной в газовом тракте многоступенчатого компрессора симметрично относительно его оси. Размер смесительной камеры выполнен увеличенным в радиальном направлении по сравнению с размером корпуса примыкающей ступени компрессора. Смесительная камера снабжена средствами впрыска воды, дренирования неиспарившейся воды и средствами для организации вихревого течения паровоздушного потока в направлении лопаточного аппарата компрессора, выполненными преимущественно в виде направляющих элементов в форме ленточных спиралей. Камера сгорания выполнена с возможностью работы на жидком или газообразном топливе для этого выход многоступенчатого компрессора соединен через регенеративный теплообменник на выходе газовой турбины, через запорный вентиль с входом камеры сгорания (Патент РФ 2278286, МПК F02C 3/30, 2006 г). Достоинствами данной ГТУ являются сравнительно простая схема установки, возможность ее работы на различных видах топлива, включая уголь. Устройство ГТУ имеет простую однокорпусную конструкцию многоступенчатого турбокомпрессора, содержащего в себе и ступени сжатия и расположенные между ступенями сжатия смесительные камеры, не содержащие вращающихся частей, которые снабжены средствами впрыска воды, сепарирования и дренирования крупных неиспарившихся капель воды. Крупными каплями для проточной части турбокомпрессора принято считать размер капель воды более 20 мкм.
К недостаткам такой установки следует отнести использование испарительного охлаждения, которое может охладить сжатый влажный воздух только до температуры его насыщения, что по сравнению с безиспарительным процессом охлаждения повышает затраты энергии на сжатие воздуха, снижает степень регенерации тепла и увеличивает потери тепла, затраченного на испарение воды и самой впрыснутой воды, выбрасываемой в атмосферу вместе с дымовыми газами.
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение заключается в снижении температуры сжатого воздуха, в снижении температуры отвода тепла в окружающую среду, улучшении регенерации тепла и исключении выброса испаренной воды в газодинамическом тракте компрессора в окружающую среду.
Данная задача достигается за счет того, что в газотурбинной установке содержащей газификатор угля, регенеративные теплообменники, камеру сгорания, газовую турбину, воздушный многоступенчатый турбокомпрессор со смесительными камерами, причем каждая смесительная камера снабжена средствами впрыска жидкости, сепарации и вывода ее неиспарившейся части, камера сгорания выполнена с возможностью работы на жидком или газообразном топливе, для чего выход многоступенчатого компрессора соединен через регенеративный теплообменник на выходе газовой турбины через запорный вентиль с входом камеры сгорания, согласно заявленной полезной модели в качестве охлаждающей жидкости использован анифриз, а турбокомпрессор выполнен с выносными смесительными камерами, установленными вне корпуса турбокомпрессора и соединенными с предыдущей и последующей ступенями турбокомпрессора посредством воздушных трубопроводов прямого и обратного хода, при этом впрыск антифриза в смесительные камеры осуществляется в виде крупных капель размером 20-500 мкм. и обеспечивается полный вывод их после безиспарительного контактного нагрева, средства впрыска и вывода антифриза объединены в гидравлический контур, включающий в себя смесительные камеры с вентилями ввода и вывода антифриза, циркуляционный насос, теплообменное устройство контактного типа для охлаждения нагретого антифриза воздухом окружающей среды с помощью вентиляторов до температуры выше температуры окружающего воздуха на 1-8°C, систему контроля уровня и концентрации раствора антифриза в теплообменном устройстве и смесительных камерах, трубопроводные линии подпитки водой и антифризом теплообменного устройства, линию слива из теплообменного устройства в резервную емкость, линию подачи антифриза из резервной емкости в гидравлический контур, и запорные вентили, установленные на каждой линии, в газотурбинной установке так же дополнительно установлен автономный трубопровод подачи воды в газофикатор через регулировочный вентиль в регенеративный воздухоподогреватель и регенеративный теплообменник для охлаждения синтезгаза, установленный перед фильтром тонкой очистки, при этом перед фильтром тонкой очистки и на выходе газификатора установлены контрольные приборы для измерения температуры синтезгаза. В качестве антифриза использован 20-60% раствор этиленгликоля в воде или пропиленгликоля, имеющих температуру кипения выше, чем температура кипения воды при одних и тех же давлениях.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является повышение КПД газотурбинной установки за счет процесса сжатия воздуха в компрессоре близкого к изотермическому, в связи с этим улучшается регенерация тепла, за счет обеспечения теплоотвода от сжимаемого воздуха при более низких температурах, за счет снижения работы сжатия, за счет резкого снижения выбросов паров воды в окружающую среду и следовательно, выбросов скрытой теплоты парообразования, а так же обеспечения допустимых температур синтезгаза на входе в фильтр тонкой очистки и на выходе из газификатора.
На фигуре представлена схема ГТУ с выносными смесительными камерами. ГТУ включает в себя газификатор угля 1, регенеративный теплообменник охлаждения синтезгаза 2, фильтр тонкой очистки продуктов газификации 3, камеру сгорания 4, газовую турбину 5, регенеративный теплообменник 6 на выходе газовой турбины, воздушный многоступенчатый турбокомпрессор 7 с выносными смесительными камерами 8, установленными вне корпуса турбокомпрессора 7, и каждая смесительная камера соединена с предыдущей и последующей ступенями 9 турбокомпрессора посредством воздушных трубопроводов 10 прямого и обратного хода. Смесительные камеры 8 могут быть выполнены произвольной формы и разного размера при условии обеспечения их функционального назначения. Каждая смесительная камера 8 снабжена средством впрыска 11 антифриза и средством вывода антифриза 12 для повторного его использования. Для отделения антифриза от воздуха в смесительных камерах 8 установлены вихревые сепарационные устройства как в прототипе (на фиг. не показаны). Выход многоступенчатого компрессора, как в прототипе, соединен с регенеративным теплообменником 6, установленным на выходе газовой турбины 5 и далее через вентиль 13 с входом камеры сгорания 4 (для не угольного топлива).
В качестве антифриза использован 20-60% раствор этиленгликоля в воде или пропиленгликоля, имеющих температуру кипения выше, чем температура кипения воды при одних и тех же давлениях. Средства впрыска 11, установленные на смесительных камерах 8, позволяют вводить антифриз в виде крупных капель размером 20-500 мкм, а средства вывода 12 полностью выводить антифриз после безиспарительного нагрева и отделения сепарационными устройствами его от воздуха. Вне смесительных камер 8 средства впрыска 11 и вывода 12 антифриза объединены в гидравлический контур, включающий в себя смесительные камеры 8, вентили средств (11 и 12) ввода и вывода антифриза, циркуляционный насос 14, теплообменное устройство 15, предназначенное для охлаждения нагретого антифриза воздухом окружающей среды с помощью вентиляторов 16 до температуры выше температуры окружающего воздуха на 1-8°C, трубопроводную линию подпитки теплообменного устройства 15 водой с запорным вентилем 17, линию подпитки теплообменного устройства 15 антифризом с запорным вентилем 18, линию слива антифриза из теплообменного устройства 15 с запорным вентилем 19 в резервную емкость 20, а так же линию подачи антифриза из резервной емкости 20 в гидравлический контур через вентиль 21. Кроме того, предусмотрен прямой слив антифриза в гидравлический контур через вентиль 22.
В газотурбинной установке, работающей по предлагаемой схеме, в которой в качестве топлива используется уголь, дополнительно установлен автономный трубопровод 23, подачи воды в газификатор 1, проведенный от вентиля подачи воды 24 через регенеративный теплообменник 6 на выходе газовой турбины и регенеративный теплообменник 2, установленный перед фильтром тонкой очистки 3.
Работа газотурбинной установки.
Работа газотурбинной установки возможна на газообразном и жидком топливе, а так же при использовании синтезгаза, вырабатываемого в газификаторе угля 1, из которого полученный синтезгаз охлаждают в регенеративном теплообменнике 2, и очищают с помощью фильтров тонкой отчистки 3 и подают в камеру сгорания 4 для последующей подачи продуктов сгорания в газовую турбину 5. Перед фильтром тонкой отчистки 3 и на выходе газификатора 1 установлены контрольные приборы (на фиг. не показаны) для измерения температуры синтезгаза.
Регулируемый с помощью вентиля 24 расход воды обеспечивает допустимую температуру синтезгаза охлаждая его в регенеративном теплообменнике 2, установленном перед фильтром тонкой отчистки 3, а так же обеспечивает допустимую температуру на выходе из газификатора и сам процесс газификации.
Допустимая температура на выходе из газификатора не должна превышать температуру плавления угольный золы (1123К), а допустимая температура на входе в фильтр тонкой очистки для современных материалов фильтра не должна быть более 870К.
При работе газотурбинной установки происходит засасывание наружного воздуха с температурой окружающей среды, последующее ступенчатое его сжатие в многоступенчатом турбокомпрессоре 7 и охлаждение в выносных смесительных камерах 8. В смесительных камерах 8 путем подачи антифриза в капельном виде (размер капель составляет 20-500 мкм) под воздействием вихревых устройств, установленных в смесительных камерах 8, капли, смешиваясь со сжатым воздухом, охлаждают его. Расход антифриза устанавливается с помощью регулирующих вентилей впрыска 11 и циркуляционного насоса 14 таким, чтобы в смесительных камерах 8 обеспечить безиспарительный режим охлаждения воздуха, при этом осуществляется контроль и поддерживается отклонение температуры воздуха в пределах 0-10°C в конце первой и последней смесительных камер 8. Нагретый антифриз с помощью сепарационных устройств смесительных камер 8 полностью отделяется от воздуха и через вентили вывода 12 антифриз направляется в гидравлический контур для повторного использования, в котором он под действием циркуляционного насоса 14 пропускается через теплообменное устройство контактного типа 15, предназначенное для охлаждения нагретого антифриза воздухом окружающей среды с помощью вентиляторов 16 до температуры выше температуры окружающего воздуха на 1-8°C, и поступает в дальнейшем в смесительные камеры 8 через вентили впрыска 11. Учитывая то, что возможно частичное испарение воды из антифриза и конденсация воды из влажного воздуха окружающей среды, в смесительных камерах 8 и в теплообменном устройстве 15, предусмотрена система контроля (на фиг. не показана) уровня и концентрации раствора антифриза, а так же предусмотрены такие технические мероприятия, как подключение к гидравлическому контуру линии подпитки водой с заборным вентилем 17, линия подпитки теплообменного устройства 15 антифризом с запорным вентилем 18, линия слива антифриза из теплообменного устройства 15 через вентиль 19 в резервную емкость 20,линия подачи антифриза из резервной емкости 20 через вентиль 21 в гидравлический контур, а так же прямой слив антифриза в гидравлический контур через вентиль 22, который используется при стационарных режимах работы газотурбинной установки, когда конденсационный и испарительный процессы антифриза стабилизированы климатическими условиями эксплуатации ГТУ.
При работе газотурбинной установки на угле действует автономный трубопровод 23 подачи воды в газификатор 1, проведенный от вентиля подачи воды 24 через регенеративный теплообменник 6 на выходе газовой турбины и регенеративный теплообменник 2, установленный перед фильтром тонкой очистки 3, при этом вентиль 13 закрыт.
Для иллюстрации эффективности работы приведенной схемы газотурбинной установки на природном газе были проведены расчеты для температуры окружающей среды -35°C.
Температура и давление на входе в газовую турбину составляет соответственно 1600°K и 0,89 МПа. Внутренний или адиабатный КПД газовой турбины 0,89, а компрессора 0,86. Тепловой напор при регенерации тепла принят равным 37°C. Для безиспарительного охлаждения сжатого воздуха в охладительных камерах принят 60% раствор этиленгликоля в химически очищенной воде (антифриз). Воздух в охладительных камерах охлаждается с 300°K до 251К за счет нагрева антифриза на 8 градусов. На указанное охлаждение 1 кг воздуха расходуется 1,75 кг антифриза для одной камеры охлаждения.
Из расчетов следует, что, например, для антифриза этиленгликоль, растворенного в воде с концентрацией 60%, КПД установки составил 66%, мощность на 1 кг рабочего тела - 0,468 Мвт. Температура выхлопа -337°K (64°C), что в настоящее время считается оптимальным температурным уровнем выброса дымовых газов в атмосферу.
Аналогичный расчетный вариант при тех же параметрах, только при температуре окружающей среды +25°C дает КПД равный 61,5%, при мощности 0,430 Мвт, при этом температура выхлопа составляет 394,4°K.
Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает высокоэкономичную выработку электроэнергии. Особенно целесообразно его применение на территориях с холодным зимним климатом.
1. Газотурбинная установка, содержащая газификатор угля, регенеративные теплообменники, камеру сгорания, газовую турбину, воздушный многоступенчатый турбокомпрессор со смесительными камерами, причем каждая смесительная камера снабжена средствами впрыска жидкости, сепарации и вывода ее неиспарившейся части, камера сгорания выполнена с возможностью работы на жидком или газообразном топливе, для чего выход многоступенчатого компрессора соединен через регенеративный теплообменник на выходе газовой турбины через вентиль с входом камеры сгорания, отличающаяся тем, что в качестве охлаждающей жидкости использован антифриз, а турбокомпрессор выполнен с выносными смесительными камерами, установленными вне корпуса турбокомпрессора и соединенными с предыдущей и последующей ступенями турбокомпрессора посредством воздушных трубопроводов прямого и обратного хода, при этом впрыск антифриза в смесительные камеры осуществляется в виде крупных капель размером 20-500 мкм и обеспечивается полный вывод их после безиспарительного контактного нагрева, средства впрыска и вывода антифриза объединены в гидравлический контур, включающий в себя смесительные камеры с вентилями ввода и вывода антифриза, циркуляционный насос, теплообменное устройство контактного типа для охлаждения нагретого антифриза воздухом окружающей среды с помощью вентиляторов до температуры выше температуры окружающего воздуха на 1-8°C, систему контроля уровня и концентрации раствора антифриза в теплообменном устройстве и смесительных камерах, трубопроводные линии подпитки водой и антифризом теплообменного устройства, линию слива из теплообменного устройства в резервную емкость, линию подачи антифриза из резервной емкости в гидравлический контур, и запорные вентили, установленные на каждой линии, в газотурбинной установке также дополнительно установлен автономный трубопровод подачи воды в газификатор через регулировочный вентиль в регенеративный воздухоподогреватель и регенеративный теплообменник для охлаждения синтезгаза, установленный перед фильтром тонкой очистки, при этом перед фильтром тонкой очистки и на выходе газификатора установлены контрольные приборы для измерения температуры синтезгаза.
2. Газотурбинная установка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве антифриза использован 20-60% раствор этиленгликоля в воде или пропиленгликоля, имеющих температуру кипения выше, чем температура кипения воды при одних и тех же давлениях.
3. Газотурбинная установка повышенной эффективности по п.1, отличающаяся тем, что в ней дополнительно установлен автономный трубопровод подачи воды в газификатор через регулировочный вентиль в регенеративный воздухоподогреватель и теплообменник для охлаждения синтезгаза, установленный перед фильтром тонкой очистки, при этом перед фильтром тонкой очистки и на выходе газификатора установлены контрольные приборы для измерения температуры синтезгаза.
