способ работы парогазовой установки

Формула изобретения

1. Способ работы парогазовой установки, заключающийся в том, что компрессором сжимают окружающий воздух, который подают в зону горения камеры сгорания, в которую одновременно подают топливо, в последней топливо смешивают со сжатым воздухом и полученную горючую смесь сжигают, полученные в виде газовой смеси продукты сгорания смешивают с водяным паром с получением на выходе камеры в качестве парогазовой смеси - рабочего парогазообразного тела, которое направляют в турбину, в которой энергию потока парогазовой смеси преобразуют в механическую энергию вращения ротора турбины, посредством которого приводят во вращение ротор компрессора и ротор электрогенератора для выработки последним электрической энергии, отличающийся тем, что установку снабжают дополнительным компрессором, теплообменником, конденсатором, питательным насосом, блоком разделения не сконденсировавшихся газообразных продуктов сгорания и емкостью-накопителем, при этом в компрессоре сжимают только достаточное для полного сгорания топлива количество воздуха, на охлаждение стенок камеры сгорания и далее в зону смешения камеры сгорания подают воду, предварительно нагретую в теплообменнике теплом сжатых в дополнительном компрессоре газообразных продуктов сгорания, образованный в камере сгорания водяной пар смешивают с продуктами сгорания с формированием на выходе из камеры сгорания потока парогазовой смеси с заданной температурой перед сопловым аппаратом первой ступени турбины, причем давление на выходе турбины поддерживают не выше 0,04-0,07 бар, а температуру на выходе из турбины поддерживают близкой к температуре насыщения водяного пара, из турбины отработавшую в ней парогазовую смесь направляют в конденсатор, выполненный с выходом для воды, полученной из сконденсированного водяного пара парогазовой смеси, и выходом для не сконденсировавшихся газообразных продуктов сгорания, которые из конденсатора направляют на вход дополнительного компрессора для сжатия до атмосферного давления, часть воды из конденсатора направляют в емкость-накопитель, а остальную часть воды направляют в теплообменник для ее нагрева теплом сжатых в дополнительном компрессоре не сконденсировавшихся газообразных продуктов сгорания, откуда нагретую воду вновь подают на охлаждение стенок камеры сгорания и далее в зону смешения камеры сгорания, из теплообменника сжатые и нагретые в дополнительном компрессоре не сконденсировавшиеся газообразные продукты сгорания подают в блок разделения не сконденсировавшихся газообразных продуктов сгорания с выделением из них азота, кислорода и углекислого газа, которые подают по назначению потребителю этих газов или выбрасывают в атмосферу.

2. Способ работы парогазовой установки по п.1, отличающийся тем, что часть воды из теплообменника подают для охлаждения лопаток турбины, и нагретую в лопатках турбины воду смешивают в смесителе с водой, не подаваемой на охлаждение лопаток, и затем на охлаждение стенок камеры сгорания и далее в зону смешения камеры сгорания подают воду, нагретую теплом сжатых не сконденсировавшихся газообразных продуктов сгорания совместно с теплом воды, нагретой в охлаждаемых ею лопатках турбины.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к парогазовым установкам, работающим на смеси пара и продуктов сгорания топлива.

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 (см. авторское свидетельство SU № 1744290, кл. F02С 3/34, 30.06.1992).

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, включающий образование рабочей парогазовой смеси, расширение последней в турбине с совершением работы, осушение потока парогазовой смеси путем введения в него воды с температурой ниже температуры конденсации воды в парогазовой смеси, удаление осушенных газов и отвод конденсата (см. авторское свидетельство SU № 547121, кл. F01К 21/04, 07.12.1982).

Однако при данном способе работы установки имеют место большие потери теплоты (скрытая теплота парообразования), так как не вся вода удаляется из парогазовой смеси и воды из-за недоохлаждения парогазовой смеси, поскольку необходимо подать значительно большое количество холодной воды, что, в свою очередь, приводит к тому, что сливаемая вода из конденсатора будет также холодной, а значит теплота, возвращаемая через утилизационный контур, будет уменьшена, т.е. больше тепла будет потеряно в окружающую среду и еще больше энергии необходимо будет затратить для получения холодной воды.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ работы парогазовой установки, заключающийся в том, что компрессором сжимают окружающий воздух, который подают в зону горения камеры сгорания, в которую одновременно подают топливо, в последней топливо смешивают со сжатым воздухом и полученную горючую смесь сжигают, полученные в виде газовой смеси продукты сгорания смешивают с водяным паром с получением на выходе из камеры сгорания в качестве парогазовой смеси - рабочего парогазообразного тела, которое направляют в турбину, в которой энергию потока парогазовой смеси преобразуют в механическую энергию вращения ротора турбины, посредством которого приводят во вращение ротор компрессора и ротор электрогенератора для выработки последним электрической энергии (см. патент RU № 2208684, кл. F01К 21/04, 20.07.2003).

Данный способ, хотя и осуществляет подачу воды в камеру сгорания, но не обеспечивает в полной мере использование энергии парогазовой смеси за его выходом из турбины, что сужает возможности известного способа работы парогазовой установки.

Задача изобретения - уменьшение потерь энергии парогазового потока.

Технический результат заключается в увеличении полезной мощности турбины и снижении выбросов продуктов сгорания в окружающую среду с соответствующим увеличением экологической безопасности работы парогазовой установки.

Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что способ работы парогазовой установки заключается в том, что компрессором сжимают окружающий воздух, который подают в зону горения камеры сгорания, в которую одновременно подают топливо, в последней топливо смешивают со сжатым воздухом и полученную горючую смесь сжигают, полученные в виде газовой смеси продукты сгорания смешивают с водяным паром с получением на выходе камеры в качестве парогазовой смеси - рабочего парогазообразного тела, которое направляют в турбину, в которой энергию потока парогазовой смеси преобразуют в механическую энергию вращения ротора турбины, посредством которого приводят во вращение ротор компрессора и ротор электрогенератора для выработки последним электрической энергии, при этом установку снабжают дополнительным компрессором, теплообменником, конденсатором, питательным насосом, блоком разделения несконденсировавшихся газообразных продуктов сгорания и емкостью-накопителем, при этом в компрессоре сжимают только достаточное для полного сгорания топлива количество воздуха, на охлаждение стенок камеры сгорания и далее в зону смешения камеры сгорания подают воду, предварительно нагретую в теплообменнике теплом сжатых в дополнительном компрессоре несконденсировавшихся газообразных продуктов сгорания, или воду, нагретую теплом сжатых несконденсировавшихся газообразных продуктов сгорания совместно с теплом воды, нагретой в охлаждаемых ею лопатках турбины, если последнее конструктивно предусмотрено, образованный в камере сгорания водяной пар смешивают с продуктами сгорания с формированием на выходе из камеры сгорания потока парогазовой смеси с заданной температурой перед сопловым аппаратом первой ступени турбины, причем давление на выходе турбины поддерживают не выше 0,04-0,07 бар, а температуру на выходе из турбины поддерживают близкой к температуре насыщения водяного пара, из турбины отработавшую в ней парогазовую смесь направляют в конденсатор, выполненный с выходом для воды, полученной из сконденсированного пара парогазовой смеси, и выходом для несконденсировавшихся газообразных продуктов сгорания, которые из конденсатора направляют на вход дополнительного компрессора для сжатия их до атмосферного давления, часть воды из конденсатора направляют в емкость-накопитель, а остальную часть воды направляют в теплообменник для ее нагрева теплом сжатых в дополнительном компрессоре несконденсировавшихся газообразных продуктов сгорания, откуда нагретую воду вновь подают на охлаждение стенок камеры сгорания и далее в зону смешения камеры сгорания, при этом, если это предусмотрено, часть воды из теплообменника подают для охлаждения лопаток турбины, а затем нагретую в лопатках турбины воду смешивают в смесителе с водой, не подаваемой на охлаждение лопаток, и полученную нагретую воду подают на охлаждение стенок камеры сгорания и далее в зону смешения камеры сгорания, из теплообменника сжатые и нагретые в дополнительном компрессоре газообразные продукты сгорания подают в блок разделения несконденсировавшихся газообразных продуктов сгорания с выделением из них азота, кислорода и углекислого газа, которые подают по назначению потребителю этих газов или выбрасывают в атмосферу.

В ходе проведенного исследования работы различного вида парогазовых установок была выявлена возможность работы парогазовой установки, при которой компрессор сжимает только то количество воздуха, которое достаточно для полного сгорания топлива в камере сгорания, при этом расширение в турбине производят до давления 0,04-0,07 бар, а температуру на выходе из турбины поддерживают близкой к температуре насыщения водяного пара, при этом вместо вторичного воздуха в зону смешения камеры сгорания подают воду с получением насыщенного пара с давлением, равным давлению воздуха за компрессором, при этом работа по увеличению напора воды до необходимого давления более чем на порядок ниже работы по сжатию эквивалентного количества вторичного воздуха, тепло несконденсировавшихся газообразных продуктов сгорания используется для подогрева воды, поступающей в камеру сгорания, а вода из конденсатора в схеме с охлаждаемым лопаточным аппаратом турбины является охладителем лопаток, углекислый газ, образовавшийся при сгорании топлива, азот и кислород сжимаются в дополнительном компрессоре до атмосферного давления и при необходимости могут быть разделены в дальнейшем для подачи потребителю этих газов. Поскольку количество водяного пара, требуемое для понижения температуры продуктов сгорания, меньше, чем количество вторичного воздуха из-за того, что теплоемкость водяного пара в диапазоне температур 900-2000°С почти в два раза выше теплоемкости воздуха, достигнуто уменьшение более чем в 3 раза расхода сжатого воздуха, полученного в компрессоре, что соответственно позволило снизить затраты энергии на привод компрессора.

На фиг.1 представлена схема парогазовой установки без охлаждения водой лопаток турбины.

На фиг.2 представлена схема парогазовой установки с охлаждением водой лопаток турбины.

Парогазовая установка содержит компрессор 1, камеру сгорания 2, турбину 3 с лопатками 4, электрогенератор 5, конденсатор 6, дополнительный компрессор 7, теплообменник 8, блок разделения несконденсировавшихся газообразных продуктов сгорания 9, смеситель 10, емкость-накопитель 11 и питательный насос 12. Блоки очистки и подготовки питательной воды на чертежах не показаны. Компрессор 1 выходом сжатого воздуха подключен к камере сгорания 2, которая подключена к выходу воды из теплообменника 8. Выходом парогазовой смеси камера сгорания 2 подключена к турбине 3. Конденсатор 6 входом подключен к выходу из турбины 3, выходом для несконденсировавшихся газообразных продуктов сгорания к входу дополнительного компрессора 7 и выходом для воды - к питательному насосу 12, выходом из питательного насоса ко входу в теплообменник 8 и емкости-накопителю 11.

Парогазовая установка работает следующим образом.

Компрессором 1 сжимают достаточное для полного сгорания топлива количество воздуха, который подают в зону горения камеры сгорания 2, в которую одновременно подают топливо и воду для охлаждения стенок камеры сгорания 2. В камере сгорания 2 топливо смешивают со сжатым воздухом и полученную горючая смесь сжигают. Одновременно в камеру сгорания 2 вводят поданную в нее для охлаждения ее стенок воду. Последняя при контакте с продуктами сгорания испаряется и в виде водяного пара смешивается с продуктами сгорания с образованием парогазовой смеси, которую в качестве рабочего парогазообразного тела направляют в турбину 3. Энергию потока парогазовой смеси в турбине 3 преобразуют в механическую энергию вращения ротора турбины 3, посредством которого приводят во вращение ротор компрессора 1, ротор электрогенератора 5 для выработки последним электрической энергии. В зону смешения камеры сгорания 2 подают воду, предварительно нагретую в теплообменнике 8 теплом сжатых в дополнительном компрессоре 7 газообразных продуктов сгорания (см. фиг.1) или теплом воды, нагретой продуктами сгорания совместно с теплом воды, нагретой в охлаждаемых ею лопатках 4 турбины 3, если последнее конструктивно предусмотрено (см. фиг.2).

На выходе из камеры сгорания 2 путем смешения водяного пара с продуктами сгорания горючей смеси потока формируют путем регулировки количества подаваемой в камеру сгорания 2 воды, парогазовую смесь с заданной и определяемой конструктивными особенностями выполнения лопаток лопаточного аппарата турбины 3, температурой перед сопловым аппаратом первой ступени турбины 3, причем давление на выходе турбины 3 поддерживается не выше 0,04-0,07 бар, а температуру на выходе из турбины 3 поддерживают близкой к температуре насыщения водяного пара.

Из турбины 3 отработавшую в ней парогазовую смесь направляют в конденсатор 6. Несконденсировавшиеся газообразные продукты сгорания из конденсатора 6 направляют на вход дополнительного компрессора 7 для сжатия продуктов сгорания до атмосферного давления. Часть воды из конденсатора 6 направляют в емкость-накопитель 11, а остальную часть воды направляют в теплообменник 8 для ее нагрева теплом сжатых в дополнительном компрессоре 7 несконденсировавшихся газообразных продуктов сгорания, откуда нагретую воду вновь подают на охлаждение стенок камеры сгорания 2 и далее в зону смешения камеры сгорания 2. Как отмечалось выше (см. фиг.2), если это предусмотрено, часть воды из теплообменника 8 подают для охлаждения лопаток 4 турбины 3, а затем нагретую в лопатках 4 турбины 3 воду смешивают в смесителе 10 с водой, не подаваемой на охлаждение лопаток 4. Полученную нагретую воду подают из теплообменника 8 на охлаждение стенок камеры сгорания 2 и далее в зону смешения камеры сгорания 2, замыкая таким образом контур циркуляции воды в парогазовой установке. Конденсатор 6 охлаждают от внешнего источника, например, подаваемой насосом водой или нагнетаемым вентилятором воздухом (на чертеже не показано). Из теплообменника 8 сжатые и нагретые в дополнительном компрессоре 7 несконденсировавшиеся газообразные продукты сгорания подают в блок разделения несконденсировавшихся газообразных продуктов сгорания 9 с выделением из них азота, кислорода и углекислого газа, которые подаются по назначению потребителю этих газов или, если нет потребности в этих газах, выбрасывают в атмосферу. Полученную в виде побочного продукта воду, накопленную в емкости-накопителе 11, можно использовать по назначению в районах с дефицитом воды.

Настоящее изобретение может быть использовано в энергетике и других отраслях промышленности, где используют газотурбинные установки с парогазовым циклом.