способ работы парогазовой установки и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ работы парогазовой установки путем выработки мощности в газотурбинном агрегате и утилизации тепла уходящих газов в котле-утилизаторе с генерацией пара в пароводяном тракте котла-утилизатора, отличающийся тем, что отходящие газы направляют тангенциально внутренней поверхности цилиндрического корпуса котла-утилизатора и за счет разрежения в средней части вихревого потока отходящих газов производят всасывание из атмосферы воздуха, который совместно с парами воды и другими компонентами отходящих газов подают во всасывающую систему компрессора газотурбинной установки, а пар из воды генерируют на наружной поверхности цилиндрического корпуса котла-утилизатора.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для генерации пара из воды в котле-утилизаторе воду подают тангенциально внутренней поверхности конусообразной стенки котла-утилизатора и путем закрутки с последовательным уменьшением радиуса потока нагревают, пар подают в паровую турбину, а также для целей теплоснабжения перегревают в трубопроводе на внутренней поверхности цилиндрического корпуса и подают в камеру сгорания газотурбинной установки.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при снижении потребления горячей воды и пара для целей теплоснабжения увеличивают количество пара, подаваемого в камеру сгорания газотурбинной установки или паровую турбину, увеличивая мощность генератора.

4. Устройство для осуществления способа работы парогазовой установки, содержащее цилиндрический корпус, средство для подачи воды, средство для подачи горячего продукта (отходящих газов), отличающееся тем, что в центре цилиндрического корпуса коаксиально внутренней поверхности установлена труба для всасывания воздуха из атмосферы и выход трубопровода для впуска отходящих газов направлен тангенциально внутренней поверхности цилиндрического корпуса в полость, образованную этой поверхностью, наружной поверхностью трубы для впуска воздуха и торцевой перегородкой, соединяющей эти поверхности, а выход трубопровода для ввода воды расположен снаружи цилиндрического корпуса в водопаровой полости, имеющей форму усеченного конуса.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что вход трубопровода для подачи воды направлен тангенциально внутренней поверхности конусообразной стенки водопаровой полости в пространство, образованное этой стенкой и торцевым упором, примыкающим к этой стенке.

6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что при установке на транспорте входной конец трубы для всасывания воздуха из атмосферы установлен по направлению движения транспортного средства, на котором установлена энергетическая установка.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится преимущественно к турбинным двигателям с регенерацией теплоты отходящих газов и может найти применение в тех областях теплотехники, где используется утилизация тепла продуктов сгорания.

Известен способ работы газотурбинной установки, заключающийся в сжатии воздуха, сжигании в нем топлива, смешивании полученных продуктов сгорания с дополнительным сжатым воздухом и отбором части продуктов сгорания после их расширения в турбине и совместном их сжатии с дополнительно сжимаемым воздухом при одновременном уменьшении расхода последнего (А.с. №1744290, F 02 С 3/34).

Данный способ, хотя и осуществляет рациональный процесс сгорания, но требует дополнительной энергии для дополнительно сжимаемого воздуха, что снижает КПД процесса.

Известен способ работы парогазовой установки, заключающийся в образовании рабочей парогазовой смеси, расширении последней в турбине с совершением работы, выделением воды из выхлопных газов путем осушивания их за счет двухэтапной подачи воды к потоку выхлопных газов, который подается в котел-утилизатор для получения водяного пара, который подается в камеру сгорания (Патент РФ №2208684, F 01 К 21/04).

Данный способ хотя и обеспечивает наиболее эффективный парогазовый процесс в камере сгорания газотурбинной установки, но при этом увеличивается сопротивление в выхлопном тракте, что снижает КПД газотурбинного двигателя.

Из известных способов наиболее близким к заявленному по технической сущности является способ работы парогазовой установки путем выработки мощности в газотурбинном агрегате, утилизации тепла отходящих газов в котле-утилизаторе с генерацией пара в пароводяном тракте котла-утилизатора и предварительного подогрева воздуха за счет подвода нагретой воды из пароводяного тракта котла-утилизатора (Патент РФ №2001290, F 01 K 23/10).

Данный способ позволяет эффективно использовать энергию газов, образованных в камере сгорания газотурбинного агрегата, но имеет значительное сопротивление в выхлопном тракте, что снижает КПД газотурбинного двигателя.

Известно устройство для генерации перегретого пара постоянной температуры, содержащее корпус с размещенным внутри него теплообменником, дроссель, вход которого сообщен с верхней частью внутренней полости корпуса, а выход с входом теплообменника, который размещен в нижней части корпуса и погружен в жидкость (Патент РФ №2073172, F 22 G 1/10).

Недостатком данного устройства является необходимость иметь теплонагреватель, расположенный в рабочей жидкости, что снижает надежность данного устройства.

Известна газотурбинная установка, содержащая последовательно подключенные компрессор, камеру сгорания, турбину, теплообменник, холодильник, конденсатор с теплообменными поверхностями, выполненными из капиллярно-пористого материала с размером пор, уменьшающимся по толщине стенки в направлении охлаждающей жидкости (А.с. №1746012, F 02 C 7/08).

Недостатком данного устройства является сложность изготовления данной конструкции.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству (прототипом) является котел-утилизатор (Патент РФ №2118650, С 10 J 3/86, F 23 В 1/14), содержащий цилиндрический корпус с установленными в нем теплообменными трубами, имеющими впускные и выпускные концы, средство для подачи воды в окружающие трубы пространство корпуса, закрепленное на корпусе, средство для подачи горячего продукта во впускные концы труб и пропускания его через них для обеспечения косвенного теплообмена с водой, имеющейся в окружающем трубы пространстве корпуса, средство для получаемого в результате теплообмена пара, средство для отвода охлажденного продукта и средство для регулирования расхода в виде клапанов, установленных на каждом из двух пучков труб, расположенных в корпусе.

Недостатком данного устройства является большое сопротивление для отходящих газов, которые должны проходить по трубам, что снижает КПД газовой турбины.

Изобретение направлено на повышение экономичности, надежности и снижение металлоемкости конструкции.

Для решения указанных задач в способе работы парогазовой установки путем выработки мощности в газотурбинном агрегате, утилизации тепла отходящих газов в котле-утилизаторе с генерацией пара в пароводяном тракте котла-утилизатора отходящие газы направляют тангенциально внутренней поверхности цилиндрического корпуса котла-утилизатора и за счет разряжения в средней части вихревого потока отходящих газов производят всасывание из атмосферы воздуха, который совместно с парами воды и другими компонентами отходящих газов подают во всасывающую систему компрессора газотурбинной установки, воду подают тангенциально внутренней поверхности конусообразной стенки котла-утилизатора и путем закрутки с последовательным уменьшением радиуса потока нагревают и из нее на наружной поверхности цилиндрического корпуса генерируют пар, который перегревают в трубопроводе на внутренней поверхности цилиндрического корпуса и подают в камеру сгорания газотурбинной установки или в паровую турбину и для целей теплоснабжения.

В устройстве для осуществления заявленного способа работы парогазовой установки, содержащем цилиндрический корпус, средство для подачи воды, средство для подачи горячего продукта (отходящих газов), средство для отвода, получаемого в результате теплообмена пара, и средство для отвода охлажденного продукта (отходящих газов), в центре цилиндрического корпуса коаксиально внутренней поверхности установлена труба для всасывания воздуха из атмосферы, и выход трубопровода для впуска отходящих газов направлен тангенциально внутренней поверхности цилиндрического корпуса в полость, образованную этой поверхностью, наружной поверхностью трубы для впуска воздуха и торцевой перегородкой, соединяющей эти поверхности, и выход трубопровода для ввода воды расположен снаружи цилиндрического корпуса в водопаровой полости, имеющей форму усеченного конуса, и направлен тангенциально внутренней поверхности конусообразной стенки в пространство, образованное этой стенкой и торцевым упором, примыкающим к этой стенке. При установке на транспорте входной конец трубы для всасывания воздуха из атмосферы установлен по направлению движения транспортного средства, на котором установлена парогазовая установка.

Техническая сущность заявляемого изобретения поясняется чертежом, где показана схема с принципиальной конструкцией котла-утилизатора - для осуществления способа работы парогазовой установки.

Парогазовая установка содержит компрессор 1, камеру сгорания 2, газовую турбину 3 (средство для подачи горячего продукта - отходящих газов), генератор 4, котел-утилизатор 5, который включает: цилиндрический корпус 6, конусообразную стенку 7, верхний торцевой упор 8, цилиндрический кожух паровой полости 9, нижний торцевой упор 10, трубу для впуска воздуха 11 с входным концом 12, торцевую перегородку 13, выход трубопровода 14 для впуска отработавших газов в полость 15, пространство 16 для входа воды в водопаровую полость котла-утилизатора, кольцевой зазор 17 для предварительного перегрева и подачи пара в пароперегревательный трубопровод 18, теплоизоляцию 19, трубу для отвода отходящих газов 20, патрубок для отвода воздуха с парами воды и компонентами отходящих газов 21, емкость для горячей воды 22, водяной насос 23 (средство для подачи воды), клапан обратный 24, вентиль регулирующий 25, фильтр 26, компоненты энергетического процесса: 27 - топливо, 28 - воздух, 29 - воздух с парами воды и компонентами отходящих газов, 30 - пар, 31 - подача циркулируемой воды, 32 - отвод циркулируемой воды, 33 - холодная вода из магистрали, 34 - горячая вода для потребления, 35 - пар для потребления.

Паровая установка работает следующим образом.

Воздух из атмосферы 28 засасывается в компрессор 1, где сжимается и подается в камеру сгорания 2, куда подается топливо 27 и происходит процесс сгорания, а продукты сгорания подаются в газовую турбину 3, которая вращает генератор 4. После расширения в газовой турбине 3 отходящие газы подаются через выход трубопровода 14 тангенциально внутренней поверхности цилиндрического корпуса 6 в полость 15, образованную внутренней поверхностью корпуса 6, наружной поверхностью трубы для впуска воздуха 11 и торцевой перегородкой 13, соединяющей эти поверхности, образуя на поверхности плотный газовый поток, который при вращении интенсивно разогревает корпус 6, а затем отходящие газы удаляются через трубу 20. При этом вращение газового потока внутри корпуса 6 создает разряжение в центральной части этого корпуса, в результате происходит через трубу 11 подсос из атмосферы воздуха, который с парами воды с другими компонентами отходящих газов подается в виде потока 29 во всасывающую систему компрессора 1. При установке на транспорте входной конец 12 трубы 11 установлен по направлению движения транспортного средства, на котором стоит энергетическая установка. В результате за счет встречного потока воздуха при увеличении скорости будет дополнительно увеличиваться количество воздуха, подаваемого с парами воды во всасывающую систему компрессора, что обеспечит высокий КПД при низком содержании NO_x в отходящих газах. Воду из емкости 22 насосом 23 подают тангенциально внутренней поверхности конусообразной стенки 7 в полость, образованную этой стенкой и верхним торцевым упором - 8 и путем закрутки с последовательным уменьшением радиуса потока нагретой воды генерируют из нее пар, который вдоль наружной поверхности цилиндрического корпуса, поднимается в зазор - 17 между внутренней поверхностью цилиндрического кожуха - 9 и наружной поверхностью цилиндрического корпуса 6, и затем подается в пароперегревательный трубопровод - 18, расположенный на внутренней поверхности цилиндрического корпуса - 6, где перегревается и через обратный клапан 24 и регулируемый клапан 25 направляется в камеру сгорания 2 в виде потока 30, обеспечивая парогазовый цикл. Пар для теплоснабжения отводится в виде потока 35, а горячая вода в виде потока 34. При снижении потребления горячей воды и пара для целей теплоснабжения увеличивают количество пара, подаваемого в камеру сгорания газотурбинной установки или в паровую турбину.

Таким образом, предлагаемый способ работы энергетической установки с предлагаемой конструкцией котла-утилизатора позволяет организовать эффективный парогазовый цикл при низком сопротивлении в выхлопном тракте и переменном потреблении воды и пара для целей теплоснабжения, что обеспечивает высокий КПД при низком содержании вредных выбросов, а также снижении металлоемкости котла-утилизатора и увеличении службы газовой турбины.