способ организации работы энергоустановки с комбинированным циклом

Формула изобретения

1. Способ организации работы энергоустановки с комбинированным циклом, включающей в себя двигатель внутреннего сгорания, горелку и бойлерное пространство, отличающийся тем, что он включает в себя следующие операции: направление первой части потока выхлопных газов от двигателя внутреннего сгорания к бойлерному пространству, минуя горелку; подача топлива через первичное выпускное отверстие горелки в количестве, достаточном для достижения желательной средней входной температуры бойлера при его сгорании; создание второй части потока выхлопных газов от двигателя внутреннего сгорания для его возможного направления по меньшей мере через одно выпускное отверстие горелки иное, чем первичное выпускное отверстие горелки; смешивание с второй частью потока выхлопных газов такого количества воздуха, что смесь воздуха и выхлопных газов содержит ориентировочно минимальный уровень кислорода, необходимый для полного и стабильного горения топлива; направление смеси воздуха и выхлопных газов по меньшей мере через одно выпускное отверстие горелки и сжигание топлива.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что первая часть потока выхлопных газов составляет по меньшей мере около 60% всего потока выхлопных газов, направляемого в бойлерное пространство.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что первая часть потока выхлопных газов составляет ориентировочно до 80% от всего потока выхлопных газов, направляемого в бойлерное пространство.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что первая часть потока выхлопных газов составляет по меньшей мере около 54% от полной массы всех газов, поступающих в бойлерное пространство.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что первая часть потока выхлопных газов составляет ориентировочно до 76% от полной массы всех газов, поступающих в бойлерное пространство.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что двигатель внутреннего сгорания представляет собой дизельный двигатель.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что производят нагрев воздуха ранее его смешивания с второй частью потока выхлопных газов.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что производят смешивание топлива с определенным количеством транспортирующего воздуха ранее осуществления его сгорания.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что на одном из участков зоны горения поддерживается пониженное давление.

10. Способ по п.8, отличающийся тем, что сжигание топлива производят в несколько стадий.

11. Способ по п.8, отличающийся тем, что поток выхлопных газов от двигателя внутреннего сгорания направляется, минуя первичное выпускное отверстие горелки.

12. Способ по п.5, отличающийся тем, что первая часть потока выхлопных газов поступает в бойлерное пространство ниже по течению потока относительно зоны горения.

13. Способ организации работы энергоустановки с комбинированным циклом, включающей в себя двигатель внутреннего сгорания, горелку и бойлерное пространство, отличающийся тем, что он включает в себя следующие операции: направление первой части потока выхлопных газов от двигателя внутреннего сгорания к бойлерному пространству, минуя горелку; подача топлива через первичное выпускное отверстие горелки; создание второй части потока выхлопных газов от двигателя внутреннего сгорания для его возможного направления по меньшей мере через одно выпускное отверстие горелки иное, чем первичное выпускное отверстие горелки; смешивание с второй частью потока выхлопных газов такого количества воздуха, что смесь воздуха и выхлопных газов содержит ориентировочно минимальный уровень кислорода, необходимый для полного и стабильного горения топлива; направление смеси воздуха и выхлопных газов по меньшей мере через одно выпускное отверстие горелки и сжигание топлива, при котором первая часть потока выхлопных газов составляет по меньшей мере около 54% от полной массы всех газов, поступающих в бойлерное пространство.

14. Способ по п.13, отличающийся тем, что первая часть потока выхлопных газов составляет ориентировочно до 76% от полной массы всех газов, поступающих в бойлерное пространство.

15. Способ по п.14, отличающийся тем, что первая часть потока выхлопных газов составляет по меньшей мере около 60% от всего потока выхлопных газов, поступающего в бойлерное пространство.

16. Способ по п.13, отличающийся тем, что первая часть потока выхлопных газов составляет ориентировочно до 80% от всего потока выхлопных газов, поступающего в бойлерное пространство.

17. Способ по п.13, отличающийся тем, что используют минимальное количество топлива, необходимое для достижения желательной средней входной температуры бойлера при его сгорании.

18. Способ организации работы энергоустановки с комбинированным циклом, включающей в себя двигатель внутреннего сгорания, горелку и бойлерное пространство, отличающийся тем, что он включает в себя следующие операции: направление первой части потока выхлопных газов от двигателя внутреннего сгорания к бойлерному пространству, минуя горелку; подача топлива через первичное выпускное отверстие горелки в количестве, достаточном для достижения желательной средней входной температуры бойлера при его сгорании; создание второй части потока выхлопных газов от двигателя внутреннего сгорания для его возможного использования в качестве вторичного рабочего газа или газа более высокого уровня; смешивание с второй частью потока выхлопных газов такого количества воздуха, что смесь воздуха и выхлопных газов содержит ориентировочно минимальный уровень кислорода, необходимый для полного и стабильного горения топлива; создание смеси воздуха и выхлопных газов в качестве вторичного рабочего газа или газа более высокого уровня и сжигание топлива.

19. Способ по п.18, отличающийся тем, что первая часть потока выхлопных газов составляет по меньшей мере около 60% от всего потока выхлопных газов, поступающего в бойлерное пространство.

20. Способ по п.18, отличающийся тем, что первая часть потока выхлопных газов составляет ориентировочно до 80% от всего потока выхлопных газов, поступающего в бойлерное пространство.

21. Способ по п.18, отличающийся тем, что первая часть потока выхлопных газов составляет по меньшей мере около 54% от полной массы всех газов, поступающих в бойлерное пространство.

22. Способ по п.21, отличающийся тем, что первая часть потока выхлопных газов составляет ориентировочно до 76% от полной массы всех газов, поступающих в бойлерное пространство.

23. Способ по п.22, отличающийся тем, что смесь воздуха и выхлопных газов используют как вторичный и третичный рабочие газы.

24. Способ по п.23, отличающийся тем, что количества кислорода во вторичном и третичном рабочих газах различны.

Описание изобретения к патенту

Изобретение имеет отношение к использованию выхлопных (отработавших) газов двигателя внутреннего сгорания в энергоустановках с комбинированным циклом. Более конкретно, настоящее изобретение связано с достижением более высоких КПД системы за счет контроля качества и распределения выхлопных газов в бойлерном пространстве типичной вырабатывающей пар энергоустановки.

В тех случаях, когда обсуждается конструкция энергоустановки, КПД является полезным средством измерения (оценки) качества системы. Так как в энергоустановке производится преобразование энергии из одной формы в другую, то потери являются неизбежными. В том случае, когда проектировщик уменьшает такие потери или даже преобразует побочные продукты или отходы определенных процессов в имеющиеся в наличии энергетические ресурсы, то, естественно, полный КПД системы будет возрастать.

Уже известно, что КПД при выработке мощности может быть повышен за счет рециркулирования выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания в виде вторичного рабочего газа, образованного продуктами сгорания, а также в виде воздуха, подаваемого над или под слоем топлива в типичной работающей на угле и вырабатывающей пар энергоустановке. В патенте США N 4928635 заявителем настоящей заявки раскрыта такая система. Одной из задач этого изобретения было использование тепловой энергии выхлопных газов для производства пара. Таким образом, повышение КПД было достигнуто простым преобразованием отходов в производительную энергию. Одновременно заявитель пришел к мысли о необходимости повышения температуры выхлопных газов для получения пара высокого качества. Заявитель предположил, что повторное сжигание смеси выхлопных газов с 13% кислорода и с предварительно нагретым воздухом в качестве вторичного рабочего газа может служить подходящим способом для достижения такого результата. Заявитель также предположил, что полный поток выхлопных газов в бойлере (котлоагрегате) преимущественно должен составлять ориентировочно 40-70% полного потока газа в бойлере.

При проведении дальнейших исследований заявитель обнаружил, что более высокие полные производительности (КПД) системы могут быть достигнуты за счет управления количеством кислорода в ключевых местах внутри горелки, а также за счет направления существенно более высоких пропорций выхлопных газов в пространство бойлера непосредственно в отличие от направления этих газов как вторичного рабочего газа или газа более высокого уровня, в результате чего снижается объем дополнительного сжигания топлива, требующийся в бойлере. Полный поток выхлопных газов, втекающих в бойлер, должен составлять более высокий процент от полного потока газа, втекающего в бойлер, чем это было ранее предложено заявителем, для того, чтобы полностью использовать тепловую энергию выхлопных газов и избежать, по мере возможности, введения в бойлер газов, имеющих пониженную температуру. Способ в соответствии с данным изобретением и отражает это открытие заявителя.

Там, где выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания используются для выработки пара в соответствии с требованиями техпроцесса или для получения электроэнергии, необходимо повышать температуру выхлопных газов от двигателей внутреннего сгорания до уровней, которые подходят для получения пара высокого качества. Повторное сгорание выхлопных газов - сжигание дополнительного топлива в их присутствии - и приводит к этому результату. При сгорании топлива повышается температура окружающих выхлопных газов и выхлопных газов ниже по течению потока, а также любых других присутствующих газов.

Количество топлива, которое должно быть сожжено для повышения температуры выхлопных газов, зависит, естественно, от типа используемого топлива. Оно зависит также от полного объема газа, температура которого должна быть повышена, и от начальной температуры этого газа. Более высокие полные КПД (производительности) системы могут быть получены в том случае, когда сведена к минимуму теплота, добавляемая в систему для достижения определенных параметров (условий) пара (в дополнение к теплоте, создаваемой выхлопными газами), так как эта теплота создается топливом, которое должно быть сожжено. Количество теплоты, которое должно быть добавлено в систему, обычно возрастает при возрастании количества газа в системе.

Топливо должно сгорать в присутствии кислорода. Обычно необходимо подводить к горелке наружный воздух, содержащий определенный процент кислорода, в качестве вторичного рабочего газа, обеспечивая таким образом достаточное количество кислорода для осуществления полного и стабильного сгорания топлива. Однако так как существует необходимость ввода наружного воздуха в систему, то его температура также должна быть повышена для соответствия условиям получения пара. Чем больший объем наружного воздуха используется, тем большее количество теплоты должно быть добавлено в систему в виде сгоревшего топлива.

В том случае, когда выхлопные газы использованы как вторичный рабочий газ, то их более высокая температура по сравнению с наружным воздухом переводится в уменьшение количества теплоты, которое должно быть добавлено в систему для соответствия условиям получения пара. Несмотря на то что выхлопные газы обычно содержат некоторое количество кислорода, оно может быть недостаточным для достижения полного и стабильного горения топлива. Поэтому некоторое количество наружного воздуха должно быть смешано с выхлопными газами для доведения объема кислорода в смеси до уровня, который достаточен для достижения полного и стабильного горения топлива в горелке. Объем кислорода, который необходим для достижения полного и стабильного горения топлива, естественно, зависит также от летучести выбранного или легкодоступного топлива.

Повышение уровня кислорода для всего поперечного сечения выхлопных газов потребует добавки дополнительного количества наружного воздуха. Для того чтобы уменьшить объем наружного воздуха, вводимого в бойлер, наружный воздух смешивают только с частью выхлопных газов, которая проходит через каналы горелки в виде вторичного рабочего газа или газа более высокого уровня. Остальная часть выхлопных газов поступает в пространство бойлера по пути, который не пролегает через горелку. Наиболее высокие производительности (КПД) системы достигаются в том случае, когда объем наружного воздуха, смешанного с частью выхлопных газов, которые проходят через горелку, таков, что смесь содержит минимальное количество кислорода, необходимое для осуществления полного и стабильного сгорания выбранного вида топлива, причем значительный процент выхлопных газов направляется в бойлерное пространство по пути, не проходящему через горелку, при этом количество топлива достаточно для достижения желательной входной температуры бойлера при его сгорании.

Более высокие полные КПД системы могут быть достигнуты за счет внедрения настоящего изобретения вне зависимости от начального содержания кислорода в выхлопных газах. Аналогично, более высокие полные КПД системы могут быть достигнуты вне зависимости от конкретного вида выбранного топлива. В соответствии с настоящим изобретением предлагается способ организации работы энергоустановки, который по самой своей природе является гибким и самоадаптирующимся к любому имеющемуся в наличии потенциальному источнику энергии. Существующие генераторные установки с комбинированным циклом могут быть модифицированы по разумной цене, чтобы использовать достижения предлагаемого способа. Аналогично, способ может быть внедрен везде, где существующая энергоустановка для производства пара может быть приспособлена для работы с комбинированным циклом.

Указанные ранее и другие характеристики изобретения будут более ясны из последующего детального описания преимущественного варианта его осуществления, приведенного со ссылкой на сопроводительный чертеж.

На чертеже показаны основные базовые элементы для типичной энергоустановки с комбинированным циклом.

Для демонстрации преимущественного способа в соответствии с настоящим изобретением обратимся к рассмотрению чертежа, на котором показаны основные базовые элементы типичной энергоустановки с комбинированным циклом. В энергоустановке использован по меньшей мере один двигатель внутреннего сгорания 1. В качестве двигателя внутреннего сгорания может быть применен любой двигатель внутреннего сгорания, а преимущественно дизельный двигатель. Такой двигатель может быть приспособлен для сгорания натурального газа и среди других видов топлива - легкого дистиллятного топлива или тяжелого дизельного топлива. По ветвям 2 и 2" выхлопные газы направляются от двигателя внутреннего сгорания к типовой энергоустановке для выработки пара, причем для ясности на чертеже не показаны все ее элементы. На чертеже показано бойлерное пространство 3, по периферии которого расположены паропроводы. Вода или пар циркулирует внутри паропроводов по периферии бойлерного пространства 3. Именно на этой границе перехода происходит обмен тепла между бойлерным пространством 3 и паром в паропроводах. Воздействие горячих газов внутри бойлерного пространства 3 на паропроводы приводит к повышению температуры пара в них. После этого перегретый пар направляется к паровому турбогенератору (не показан), где тепловая энергия пара преобразуется в электричество.

Только часть выхлопных газов поступает в бойлерное пространство через одно или несколько выходных отверстий горелки. Как это показано на чертеже, по каждой из ветвей 5 и 6 на горелку 20 направляется часть выхлопных газов. По ветви 7 оставшаяся часть выхлопных газов поступает в бойлерное пространство непосредственно, минуя (огибая) горелку 20. Эта часть выхлопных газов поступает в бойлерное пространство через каналы или сопла 8.

Горелка 20 содержит первичное выпускное отверстие или сопло 21. Первичное выпускное отверстие 21 приспособлено для подачи топлива в зону сжигания (горения) 30. В качестве топлива может быть использован пульверизованный или тонкоизмельченный уголь, ожиженное битуминозное топливо, остаточный нефтепродукт, ормульсия (ormulsion) или любое другое подходящее топливо. Выбор соответствующей горелки зависит от выбора топлива, вида энергоустановки для выработки пара, а также от заданных параметров пара. Подходящими являются имеющиеся в продаже горелки, такие как выпускаемые фирмой Babcock & Wilcox, в которых горелка обеспечивает создание смеси топлива и кислорода, поддерживает надлежащие уровни кислорода, необходимые для сгорания выбранного вида топлива на кончике горелки, и вырабатывает вторичные рабочие газы или газы более высокого уровня. Наиболее предпочтительными являются горелки типа Babcock & Wilcox XCL, а также их последующие адаптации и модификации. Если топливом является уголь, то средний уровень кислорода на кончике горелки преимущественно составляет около 14,5 процентов. При использовании тяжелого дизельного топлива или натурального газа уровень преимущественно составляет соответственно 14,1 и 13 процентов.

Преимущественно топливо смешивается с объемом воздуха, достаточным для переноса или транспортирования топлива. Выгоды могут быть усилены поддержанием пониженного давления на участке зоны сгорания 30, а также осуществлением сгорания в несколько стадий, при котором вторичный, третичный потоки рабочего газа или газа более высокого порядка подают кислород, необходимый для завершения последовательных стадий горения.

Выхлопные газы, направляемые по ветвям 5 и 6, в конечном счете поступают в бойлерное пространство через выпускные отверстия горелки 22 и 23. Преимущественно поток выхлопных газов горелки составляет самое большее 40 процентов от полного потока выхлопных газов, который в конечном счете поступает в бойлерное пространство 3. Предпочтительно, поток выхлопных газов горелки составляет около 20 процентов от полного потока выхлопных газов, который в конечном счете поступает в бойлерное пространство 3. Поток выхлопных газов горелки работает как вторичный и третичный рабочий газ, образованный газообразными продуктами сгорания, который подается в кольцевые пространства вокруг первичного выпускного отверстия 21 горелки и обеспечивает форму и стабильность пламени, а также подвод к нему кислорода.

Содержание кислорода в выхлопных газах, которые направляются по ветвям 5 и 6, обычно недостаточно для осуществления полного и стабильного сгорания топлива. В поток выхлопных газов следует добавлять дополнительный кислород. Этот кислород добавляют за счет смешивания наружного воздуха с выхлопными газами, направляемыми по ветвям 5 и 6. Преимущественно наружный воздух предварительно нагревают пропусканием его через паровой змеевик воздухонагревателя 40 перед тем, как подать его по ветви 41 к горелке 20. Предварительный нагрев уменьшает количество теплоты, которое должно было бы быть добавлено затем для повышения температуры воздуха и, следовательно, снижает количество топлива, которое должно было бы быть сожжено. Оптимальная эффективность достигается в том случае, когда количество наружного воздуха, которое смешано с потоком выхлопных газов, таково, что в нем подается минимальное количество кислорода, необходимое для осуществления полного и стабильного сгорания топлива, что может быть обычно выражено минимальным количеством наружного воздуха, необходимым для достижения указанной цели.

Выхлопные газы, подаваемые по ветви 7, огибают горелку 20. Огибающий поток выхлопных газов поступает в бойлерное пространство 3 ниже по потоку относительно зоны горения 30 и преимущественно подается в бойлерное пространство 3 через выпускные отверстия или сопла 8, выполненные в стенке или в стенках бойлерного пространства 3. После того как огибающий поток выхлопных газов поступает в бойлерное пространство 3, он перемешивается с продуктами сгорания и с потоком выхлопных газов горелки (теперь уже при повышенной температуре). При смешивании газы стремятся получить общую однородную среднюю входную температуру бойлера. Преимущественно огибающий поток выхлопных газов составляет по меньшей мере 60 процентов полного потока выхлопных газов, который подается в бойлерное пространство 3. Предпочтительно огибающий поток выхлопных газов составляет по меньшей мере 80 процентов полного потока выхлопных газов, который подается в бойлерное пространство 3. Оптимальные производительности будут достигнуты в том случае, когда средняя входная температура бойлера является минимально необходимой для получения заданных параметров пара.

Способ в соответствии с настоящим изобретением далее может быть продемонстрирован на примере простой системы, содержащей следующие компоненты и имеющей следующие операционные ограничения или характеристики:

(1) дизельный генератор типа VASA 18V46, работающий на топочном мазуте N 6;

(2) бойлер, работающий на топочном мазуте N 6; свежий наружный воздух добавляется в топливо для поддержания 14,6 процентов кислорода (в пересчете на мокрый вес) в воздухозаборнике горелки; горелка обеспечивает поддержание минимального избытка кислорода 10 процентов на ее выходе, что дает ориентировочно температуру горения 2800 градусов по Фаренгейту на выходе горелки; температура воздухозаборника ориентировочно поддерживается на уровне 563 градуса по Фаренгейту;

(3) пар образуется при 300^oF на выходе экономайзера, без продувки; образование пара происходит при манометрическом давлении 1300 фунтов на кв. дюйм/950^oF для питающей воды;

(4) топливо на базе топочного мазута N 6, на базе LHV, 17, 233 BTU (британских тепловых единиц)/фунт;

(5) условия окружающей среды - 86^oF, относительная влажность 60 процентов, уровень моря.

Типичные операционные параметры системы приведены в таблице.

Таким образом, при заданных параметрах пара оптимальные производительности достигаются в том случае, когда добавка топлива и воздуха сведена к минимуму или, наоборот, когда существенная часть выхлопных газов от двигателя внутреннего сгорания поступает в бойлерное пространство по окружному пути, минуя горелку.

Предлагаемая система может быть понята проще, если рассматривать бойлер как компонент, отдельный от двигателя внутреннего сгорания. Выхлопные газы создают фиксированный уровень теплоты бойлера, а топливо добавляют к этому фиксированному уровню для того, чтобы бойлер мог производить пар заданного качества. Базируясь на количестве потребного топлива, причем это количество является функцией качества и природы топлива, можно найти количество кислорода, которое должно быть введено в зону горения и вокруг нее, чтобы достичь полного и стабильного сгорания топлива. Как это показано в таблице, точкой наивысшей эффективности бойлера является такая точка, в которой добавляется минимальное количество топлива для получения нужных параметров пара. Минимальная входная температура бойлера в данном примере (максимальный обход) составляет около 1230^oF, при этом обеспечивается кажущаяся эффективность (производительность) бойлера 150 процентов.

Для осуществления задачи создания эффективной комбинированной системы для выработки значительных мощностей на базе использования дизельных двигателей при поддержании гибких характеристик топлива дизельных систем с комбинированным циклом, преимущественное решение может быть осуществлено с использованием шести дизелей типа VASA 18V46 в комбинации с тремя парогенераторами с восстановлением теплоты с повторным нагревом и повышенным давлением. Тем не менее, если признать, что выхлопные газы дизеля обеспечивают фиксированное количество восстанавливаемой теплоты и что топливо может быть добавлено в поток выхлопных газов для преодоления критических точек каждого парового цикла, то становится ясно, что может быть создана целая гамма энергоустановок с использованием паровых турбин с повторным нагревом и без него.

Для дизелей используется топочный мазут 885,8 MBTU/H/17233,0 BTU/LB. Полная (валовая) выходная мощность дизель-генератора составляет 90,7 МВт. Поток выхлопных газов горелки составляет 271,3 KLB/H при 660^oF. Огибающий поток выхлопных газов составляет 1085,4 KLB/H, или около 80% полного потока выхлопных газов, поступающих в бойлерное пространство, при 660^oF. Наружный воздух при 88^oF и при относительной влажности 80% предварительно нагревается до 300^oF и смешивается с потоком выхлопных газов горелки при 48,25 KLB/Н.

Топочный мазут N 6 подается к горелке при 231,1 MBTU/H/17233,0 BTU/LB. Альтернативные виды топлива представляют собой натуральный газ или легкое дистиллятное топливо. Использование оримульсии или угля, само собой разумеется, потребует изменений участка паровой системы энергоустановки. Обычно в случае применения наиболее тяжелых видов топлива не могут быть использованы три бойлера давления и могут быть использованы две системы давления. Особенно загрязненные виды топлива могут потребовать введения специальных средств контроля окружающей среды после участка паровой системы энергоустановки.

При указанных условиях достигнута входная температура бойлера 1230^oF и валовая скорость нагрева 7016,6 BTU/КВт (низшая величина нагрева, валовая (брутто) выходная мощность установки). Валовая и чистая выходная мощность энергоустановки составляют соответственно 130,6 МВт и 126,7 МВт, причем паровая турбина работает при манометрическом давлении 1465 фунтов на кв. дюйм/1000^oF и вырабатывает 39,9 МВт.

В том случае, когда обходной поток выхлопных газов уменьшается до 60 процентов, достигается более высокая валовая скорость нагрева 7172,51 BTU/КВт (низшая величина нагрева, валовая выходная мощность установки). Валовая и чистая выходная мощность энергоустановки составляют соответственно 160,0 МВт и 155,2 МВт, причем паровая турбина работает при манометрическом давлении 1465 фунтов на кв.дюйм/1000^oF и вырабатывает 69,3 МВт. Разница в производительности приводит к повышенному потреблению топлива и наружного воздуха. В сравнении с предыдущим примером поток выхлопных газов бойлера возрастает до 542,5 KLB/H при 660^oF. Огибающий поток выхлопных газов уменьшается до 814,0 KLB/H при 660^oF. Наружный воздух при 88^oF и при относительной влажности 80% предварительно нагревается до 300^oF и смешивается с потоком выхлопных газов горелки при увеличенной скорости нагрева 96,5 KLB/H. Топочный мазут N 6 подается к горелке при увеличенной скорости 482,2 MBTU/H/17233,0 BTU/LB.

Несмотря на то что был описан предпочтительный вариант осуществления изобретения, совершенно ясно, что он был дан только в качестве примера, не имеющего ограничительного характера, и что в него специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят однако за рамки приведенной далее формулы изобретения.