когенерационная газотурбинная энергетическая установка
Классы МПК: | F02C6/18 использование отработанного тепла газотурбинных установок вне их, например газотурбинные теплофикационные установки F02C7/08 подогрев впускаемого воздуха перед сгоранием, например выхлопными газами |
Автор(ы): | Доброхотов Андрей Викторович (RU), Колдаев Александр Васильевич (RU), Лапин Андрей Викторович (RU), Лиознов Александр Григорьевич (RU), Романов Сергей Михайлович (RU), Рябов Николай Альбертович (RU), Тихонов Евгений Германович (RU), Трифонов Александр Юрьевич (RU) |
Патентообладатель(и): | Автономная некоммерческая организация "Инжиниринговый центр энергетического машиностроения" (RU), Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Сатурн" (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2012-11-23 публикация патента:
10.09.2014 |
Когенерационная газотурбинная энергетическая установка содержит компрессоры низкого и высокого давления, камеру сгорания, газовую турбину высокого давления и газовую турбину низкого давления, имеющие между собой газовую связь, теплофикационное устройство и основной электрический генератор, подсоединенный к газовой турбине высокого давления и используемый в качестве полезной нагрузки. Выход компрессора низкого давления присоединен к входу компрессора высокого давления. Теплофикационное устройство установлено между газовыми турбинами, снабжено внутренним горячим каналом, в котором размещен движущийся теплоноситель, представляющий собой частично отработавшие в газовой турбине высокого давления продукты сгорания, а также холодным каналом с помещенным внутри него другим движущимся теплоносителем, отводящим получаемую в результате теплообмена между горячим и холодным каналами внутри теплофикационного устройства тепловую энергию для ее использования вне газотурбинной энергетической установки. В когенерационной газотурбинной энергетической установке дополнительно установлено теплообменное устройство, содержащее взаимодействующие между собой посредством теплообмена горячий и холодный каналы. Вход горячего канала теплообменного устройства подсоединен к выходу из газовой турбины высокого давления, а выход горячего канала теплообменного устройства присоединен к входу горячего канала теплофикационного устройства. В качестве движущегося теплоносителя горячего канала теплообменного устройства использованы частично отработавшие продукты сгорания, поступающие из газовой турбины высокого давления. Вход холодного канала теплообменного устройства подсоединен к выходу из компрессора высокого давления, а выход холодного канала теплообменного устройства присоединен к входу камеры сгорания. В качестве движущегося теплоносителя холодного канала теплообменного устройства использована содержащая окислитель газообразная смесь, поступающая из компрессора высокого давления. Теплофикационное устройство выполнено с регулируемым теплосъемом. К газовой турбине низкого давления подсоединен дополнительный электрический генератор, используемый в качестве полезной нагрузки. Изобретение направлено на обеспечение регулирования режима когенерации, то есть количества вырабатываемой тепловой и электрической энергии, и на повышение коэффициента полезного действия. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.
Формула изобретения
1. Когенерационная газотурбинная энергетическая установка, вырабатывающая электрическую и тепловую энергию, содержащая компрессор низкого давления, компрессор высокого давления, причем выход компрессора низкого давления присоединен к входу компрессора высокого давления, камеру сгорания, газовую турбину высокого давления и газовую турбину низкого давления, имеющие между собой газовую связь, теплофикационное устройство, установленное между этими газовыми турбинами, снабженное внутренним горячим каналом теплофикационного устройства, в котором размещен движущийся теплоноситель, представляющий собой частично отработавшие в газовой турбине высокого давления продукты сгорания, а также холодным каналом теплофикационного устройства с помещенным внутри него другим движущимся теплоносителем, отводящим получаемую в результате теплообмена между горячим и холодным каналами внутри теплофикационного устройства тепловую энергию для ее использования вне газотурбинной энергетической установки, и основной электрический генератор, подсоединенный к газовой турбине высокого давления и используемый в качестве полезной нагрузки, отличающаяся тем, что с целью обеспечения регулирования режима когенерации и повышения коэффициента полезного действия дополнительно установлено теплообменное устройство, содержащее взаимодействующие между собой посредством теплообмена горячий и холодный каналы, вход горячего канала теплообменного устройства подсоединен к выходу из газовой турбины высокого давления, а выход горячего канала теплообменного устройства присоединен к входу горячего канала теплофикационного устройства, при этом в качестве движущегося теплоносителя горячего канала теплообменного устройства использованы частично отработавшие продукты сгорания, поступающие из газовой турбины высокого давления, вход холодного канала теплообменного устройства подсоединен к выходу из компрессора высокого давления, а выход холодного канала теплообменного устройства присоединен к входу камеры сгорания, при этом в качестве движущегося теплоносителя холодного канала теплообменного устройства использована содержащая окислитель газообразная смесь, поступающая из компрессора высокого давления, теплофикационное устройство выполнено с регулируемым теплосъемом, а к газовой турбине низкого давления подсоединен дополнительный электрический генератор, используемый в качестве полезной нагрузки.
2. Когенерационная газотурбинная энергетическая установка по пункту 1, отличающаяся тем, что с целью расширения диапазона управления режимом когенерации энергетическая установка выполнена по двухвальной схеме, содержащей компрессор низкого давления, размещенный на одном и том же первом валу с газовой турбиной низкого давления с присоединенным к этому первому валу дополнительным электрическим генератором, используемым в качестве полезной нагрузки, компрессор высокого давления, размещенный на одном и том же втором валу с газовой турбиной высокого давления с присоединенным к этому второму валу основным электрическим генератором, используемым в качестве полезной нагрузки.
3. Когенерационная газотурбинная энергетическая установка по пункту 1, отличающаяся тем, что с целью расширения диапазона управления режимом когенерации и достижения максимально возможной выработки тепловой энергии энергетическая установка выполнена по двухвальной схеме со свободной турбиной, содержащей размещенные на одном и том же первом валу компрессор низкого давления, компрессор высокого давления, газовую турбину высокого давления с присоединенным к этому валу основным электрическим генератором, используемым в качестве полезной нагрузки, и газовую турбину низкого давления, размещенную на втором валу, к которому присоединен дополнительный электрический генератор, используемый в качестве полезной нагрузки.
4. Когенерационная газотурбинная энергетическая установка по пункту 1, отличающаяся тем, что регулируемое теплофикационное устройство выполнено в виде парового котла.
5. Когенерационная газотурбинная энергетическая установка по пункту 1, отличающаяся тем, что регулируемое теплофикационное устройство выполнено в виде водогрейного котла.
6. Когенерационная газотурбинная энергетическая установка по пункту 1, отличающаяся тем, что регулируемое теплофикационное устройство выполнено в виде паротурбинной энергетической установки.
Описание изобретения к патенту
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области энергетики, в том числе к малой распределенной энергетике, и предназначено для использования в когенерационных газотурбинных энергетических установках, которые одновременно вырабатывают электрическую энергию и тепловую энергию.
Уровень техники
Известна когенерационная газотурбинная энергетическая установка (патент США № US 5,313,782 U.S. C1. 60/39.17, 24.05.1994), содержащая электрические генераторы, первую и вторую газовые турбины, компрессоры, первую и вторую камеры сгорания, паровой котел, нагреваемый за счет тепловой энергии выхлопных газов, исходящих из второй газовой турбины, и паровую турбину, в которой повышение коэффициента полезного действия (КПД) этой установки достигнуто путем оптимизации термодинамического цикла, реализуемого в данной энергетической установке.
Известна когенерационная газотурбинная энергетическая установка (патент США № US 7,950,239 U.S.C1. 60/774, 31.05.2011), содержащая электрические генераторы, газотурбинную группу и паровой контур с установленным между ними паровым котлом, в котором тепловая энергия выхлопных газов турбин используется для обеспечения нагрева до парообразного состояния воды, подаваемой в утилизационную паровую турбину, что приводит к повышению использования энергии топлива.
Известна когенерационная газотурбинная энергетическая установка (Заявка на изобретение RU 2010145252, МПК F22B 1/24, 09.11.2010, Положительное решение о выдаче патента на изобретение № 2010145252/06 (065285) от 26.06.2012), которая по совокупности функционально сходных существенных признаков выбрана в качестве прототипа.
Эта энергетическая установка содержит компрессор низкого давления, компрессор высокого давления, причем выход компрессора низкого давления присоединен к входу компрессора высокого давления, компрессор продуктов сгорания, камеру сгорания, газовую турбину высокого давления и газовую турбину низкого давления, имеющие между собой газовую связь, теплофикационное устройство, установленное между этими газовыми турбинами, снабженное внутренним горячим каналом теплофикационного устройства, в котором размещен движущийся теплоноситель, представляющий собой частично отработавшие в турбине высокого давления продукты сгорания, причем выход горячего канала теплофикационного устройства присоединен к входу компрессора продуктов сгорания газа и входу турбины низкого давления, а также холодным каналом теплофикационного устройства с помещенным внутри него другим движущимся теплоносителем, отводящим получаемую в результате теплообмена между горячим и холодным каналами внутри теплофикационного устройства тепловую энергию для ее использования вне газотурбинной энергетической установки, и основной электрический генератор, используемый в качестве полезной нагрузки.
Повышение полезного использования энергии топлива при выработке тепловой и электрической энергии в прототипе конструктивно достигается путем размещения теплофикационного устройства между газовой турбиной высокого давления и газовой турбиной низкого давления, а также за счет возврата в камеру сгорания части охладившихся в теплофикационном устройстве продуктов сгорания.
При этом достигается повышение КПД за счет снижения температуры продуктов сгорания перед турбиной низкого давления и соответственно уходящих в атмосферу выхлопных газов по сравнению с традиционными энергетическими установками, в которых для получения тепловой энергии используются продукты сгорания, выходящие из газовой турбины низкого давления, имеющие относительно низкие температуру и давление. Возврат части тепловой энергии, содержащейся в направляемых в камеру сгорания частично отработавших продуктах сгорания, дополнительно повышает КПД этой энергетической установки.
В прототипе количество получаемой тепловой энергии определяется температурой и давлением продуктов сгорания, частично отработавших в газовой турбине высокого давления и подаваемых на теплофикационное устройство, которые зависят от температуры и давления продуктов сгорания после камеры сгорания, подаваемых в газовую турбину высокого давления, на одном валу с которой размещен основной электрический генератор. Эта связь приводит к жесткой зависимости между количеством вырабатываемой электрической энергии и количеством получаемой тепловой энергии. Чем больше температура и давление продуктов сгорания после камеры сгорания, тем больше вырабатывается электрической энергии и тем больше можно снять тепловой энергии и наоборот. При этом устойчивость работы прототипа в значительной степени зависит от отклонений от номинального режима при изменении количества тепловой энергии, снимаемой в теплофикационном устройстве. Например, при увеличении количества снимаемой тепловой энергии температура поступающих на газовую турбину низкого давления продуктов сгорания снижается, что приводит к снижению мощности на валу этой турбины и, соответственно, мощности привода компрессора низкого давления, находящегося на том же валу. Это вызывает понижение давления воздуха за этим компрессором, а также за компрессором высокого давления, из которого сжатый воздух подается в камеру сгорания. В то же время подача части более холодных частично отработавших продуктов сгорания в компрессор продуктов сгорания к снижению давления за этим компрессором не приведет. В результате в камере сгорания может быть нарушено необходимое соотношение давлений воздуха и частично отработавших продуктов сгорания, что негативно повлияет на режим работы и может привести к неустойчивости и даже к нарушению работоспособности.
Следствием снижения температуры продуктов сгорания за счет большего теплосъема в теплофикационном устройстве прототипа является уменьшение количества возвращаемой тепловой энергии в камеру сгорания и последующее снижение температуры продуктов сгорания после камеры сгорания (то есть максимальной температуры термодинамического цикла данной энергетической установки), поступающих далее в газовую турбину высокого давления. Это приведет к снижению снимаемой с нее мощности, используемой для привода основного электрического генератора, компрессора высокого давления и компрессора продуктов сгорания, находящихся на одном валу.
Применение энергетической установки согласно прототипу в условиях сезонных и суточных колебаний в потреблении тепловой и электрической энергии ограничено, так как для обеспечения пикового энергопотребления требуются дополнительные генерирующие мощности.
Кроме того, в прототипе максимальное значение коэффициента полезного действия достигается только в режиме максимального теплосъема в теплофикационном устройстве, который во многих случаях практической эксплуатации такой энергетической установки не требуется, например вне отопительного сезона. На других режимах выхлопные газы, выбрасываемые в атмосферу, имеют более высокую температуру, что приводит к большим потерям энергии и, соответственно, к снижению КПД.
Сущность изобретения
Целью данного изобретения является обеспечение регулирования режима когенерации и повышение коэффициента полезного действия.
Указанные цели достигаются за счет того, что в заявленном техническом решении дополнительно установлено теплообменное устройство, содержащее взаимодействующие между собой посредством теплообмена горячий и холодный каналы, вход горячего канала теплообменного устройства подсоединен к выходу из газовой турбины высокого давления, а выход горячего канала теплообменного устройства присоединен к входу горячего канала теплофикационного устройства, при этом в качестве движущегося теплоносителя горячего канала теплообменного устройства использованы частично отработавшие продукты сгорания, поступающие из газовой турбины высокого давления, вход холодного канала теплообменного устройства подсоединен к выходу из компрессора высокого давления, а выход холодного канала теплообменного устройства присоединен к входу камеры сгорания, при этом в качестве движущегося теплоносителя холодного канала теплообменного устройства использована содержащая окислитель газообразная смесь, поступающая из компрессора высокого давления, теплофикационное устройство выполнено регулируемым, а к газовой турбине низкого давления подсоединен дополнительный электрический генератор, используемый в качестве полезной нагрузки.
Когенерационная газотурбинная энергетическая установка выполнена по двухвальной схеме, содержащей компрессор низкого давления, размещенный на одном и том же первом валу с газовой турбиной низкого давления с присоединенным к этому первому валу дополнительным электрическим генератором, используемым в качестве полезной нагрузки, компрессор высокого давления, размещенный на одном и том же втором валу с газовой турбиной высокого давления с присоединенным к этому второму валу основным электрическим генератором, используемым в качестве полезной нагрузки.
Когенерационная газотурбинная энергетическая установка выполнена по двухвальной схеме со свободной турбиной, содержит размещенные на одном и том же первом валу компрессор низкого давления, компрессор высокого давления, газовую турбину высокого давления с присоединенным к этому валу основным электрическим генератором, используемым в качестве полезной нагрузки, и газовую турбину низкого давления, размещенную на втором валу, к которому присоединен дополнительный электрический генератор, используемый в качестве полезной нагрузки.
В когенерационной газотурбинной энергетической установке регулируемое теплофикационное устройство выполнено в виде парового котла.
В когенерационной газотурбинной энергетической установке регулируемое теплофикационное устройство выполнено в виде водогрейного котла.
В когенерационной газотурбинной энергетической установке регулируемое теплофикационное устройство выполнено в виде паротурбинной энергетической установки.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется конкретными примерами его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи. На Фигуре 1 изображена блок-схема когенерационной газотурбинной энергетической установки, выполненной по двухвальной схеме. На Фигуре 2 приведена блок-схема когенерационной газотурбинной энергетической установки, выполненной по двухвальной схеме со свободной турбиной. На Фигуре 3 показана диаграмма термодинамического цикла когенерационной газотурбинной энергетической установки в координатах температуры T и энтропии S.
Осуществление изобретения
Когенерационная газотурбинная энергетическая установка, выполненная по двухвальной схеме (Фигура 1), содержит компрессор низкого давления 1, компрессор высокого давления 2, причем выход компрессора низкого давления 1 присоединен к входу компрессора высокого давления 2, камеру сгорания 3, имеющие между собой газовую связь газовую турбину высокого давления 4, размещенную на одном и том же валу с компрессором высокого давления 2, и газовую турбину низкого давления 5, размещенную на одном и том же валу с компрессором низкого давления 1, теплофикационное устройство 6, установленное между этими газовыми турбинами, снабженное внутренним горячим каналом теплофикационного устройства 7, в котором размещен движущийся теплоноситель, представляющий собой частично отработавшие в турбине высокого давления продукты сгорания, а также холодным каналом теплофикационного устройства 8 с помещенным внутри него другим движущимся теплоносителем, отводящим получаемую в результате теплообмена между горячим каналом 7 и холодным каналом 8 внутри теплофикационного устройства 6 тепловую энергию для ее использования вне газотурбинной энергетической установки, и основной электрический генератор 9, подсоединенный к газовой турбине высокого давления 2 и используемый в качестве полезной нагрузки. Для обеспечения регулирования режима когенерации и повышения коэффициента полезного действия дополнительно установлено теплообменное устройство 10, содержащее взаимодействующие между собой посредством теплообмена горячий канал 11 и холодный канал 12, вход горячего канала 11 теплообменного устройства 10 подсоединен к выходу из газовой турбины высокого давления 4, а выход горячего канала 11 теплообменного устройства 10 присоединен к входу горячего канала 7 теплофикационного устройства 6, при этом в качестве движущегося теплоносителя горячего канала теплообменного устройства 10 использованы частично отработавшие продукты сгорания, поступающие из газовой турбины высокого давления 4. Вход холодного канала 12 теплообменного устройства 10 подсоединен к выходу из компрессора высокого давления 2, а выход холодного канала 12 теплообменного устройства 10 присоединен к входу камеры сгорания 3, при этом в качестве движущегося теплоносителя холодного канала теплообменного устройства использована содержащая окислитель газообразная смесь, поступающая из компрессора высокого давления 2. Теплофикационное устройство 6 выполнено с регулируемым теплосъемом, а к газовой турбине низкого давления 5 подсоединен дополнительный электрический генератор 13, используемый в качестве полезной нагрузки.
Когенерационная газотурбинная энергетическая установка, выполненная по двухвальной схеме со свободной турбиной (Фигура 2), содержит размещенные на одном и том же первом валу компрессор низкого давления 1, компрессор высокого давления 2 и газовую турбину высокого давления 4, причем выход компрессора низкого давления 1 присоединен к входу компрессора высокого давления 2, камеру сгорания 3, газовую турбину низкого давления 5, размещенную на втором валу и имеющую газовую связь с газовой турбиной высокого давления 4, теплофикационное устройство 6, установленное между этими газовыми турбинами, снабженное внутренним горячим каналом теплофикационного устройства 7, в котором размещен движущийся теплоноситель, представляющий собой частично отработавшие в турбине высокого давления продукты сгорания, а также холодным каналом теплофикационного устройства 8 с помещенным внутри него другим движущимся теплоносителем, отводящим получаемую в результате теплообмена между горячим каналом 7 и холодным каналом 8 внутри теплофикационного устройства 6 тепловую энергию для ее использования вне газотурбинной энергетической установки, основной электрический генератор 9, подсоединенный к газовой турбине высокого давления 4 и используемый в качестве полезной нагрузки. Для обеспечения регулирования режима когенерации и повышения коэффициента полезного действия дополнительно установлено теплообменное устройство 10, содержащее взаимодействующие между собой посредством теплообмена горячий канал 11 и холодный канал 12, вход горячего канала 11 теплообменного устройства 10 подсоединен к выходу из газовой турбины высокого давления 4, а выход горячего канала 11 теплообменного устройства 10 присоединен к входу горячего канала 7 теплофикационного устройства 6, при этом в качестве движущегося теплоносителя горячего канала теплообменного устройства использованы частично отработавшие продукты сгорания, поступающие из газовой турбины высокого давления 4. Вход холодного канала 12 теплообменного устройства 10 подсоединен к выходу из компрессора высокого давления 2, а выход холодного канала 12 теплообменного устройства 10 присоединен к входу камеры сгорания 3, при этом в качестве движущегося теплоносителя холодного канала теплообменного устройства использована содержащая окислитель газообразная смесь, поступающая из компрессора высокого давления 2. Теплофикационное устройство 6 выполнено с регулируемым теплосъемом, а к газовой турбине низкого давления 5 подсоединен дополнительный электрический генератор 13, используемый в качестве полезной нагрузки.
На диаграмме термодинамического цикла когенерационной газотурбинной энергетической установки (Фигура 3) приведены основные режимы ее работы, включая начальное, промежуточные и конечное состояния в координатах температуры Т и энтропии S для некого приведенного для примера промежуточного значения теплосъема в теплофикационном устройстве 6. Точка А на диаграмме соответствует началу процесса, связанного с подачей содержащей окислитель газообразной смеси, имеющей температуру ТА, например воздуха, в компрессор низкого давления 1 (Фигура 1), в котором температура и давление этой смеси повышаются для последующего направления ее на вход компрессора высокого давления 2, чему соответствует точка Б. Участок Б-В характеризует дальнейшее повышение давления и температуры указанной смеси в компрессоре высокого давления 2 до ее значения TВ. В теплообменном устройстве 10 происходит дополнительный нагрев этой смеси до температуры T Г при незначительном снижении давления за счет аэродинамических потерь, соответствующий участку В-Г на диаграмме. В камере сгорания 3 получаются продукты сгорания, и этот процесс сопровождается повышением температуры до уровня TД в конце участка Г-Д на диаграмме. Энергетический потенциал продуктов сгорания частично срабатывается в газовой турбине высокого давления 4, и их энергия превращается в механическую энергию вращения вала этой турбины, вращающей компрессор высокого давления 2 и основной электрический генератор 9. Указанная часть процесса описывается участком Д-Е на диаграмме. Частично отработавшие в газовой турбине высокого давления 4 продукты сгорания, имеющие температуру T Е, поступают в горячий канал 11 теплообменного устройства 10 и частично передают свою энергию для дополнительного подогрева содержащей окислитель газообразной смеси перед камерой сгорания 3. Этому соответствует участок Е-Ж на диаграмме. Дальнейшее охлаждение этих продуктов сгорания, вышедших из теплообменного устройства 10 с температурой TЖ, в теплофикационном устройстве 6 характеризуется участком Ж-З на диаграмме. Длина участка Ж-З на диаграмме может увеличиваться в случае увеличения теплосъема в теплофикационном устройстве 6 или уменьшаться в случае уменьшения теплосъема в теплофикационном устройстве 6. Участок З-И диаграммы описывает срабатывание оставшегося энергетического потенциала продуктов сгорания в турбине низкого давления 5. При этом происходит снижение их давления до атмосферного давления, а температура уменьшается с уровня TЗ до значения TИ, с которой эти продукты сгорания выбрасываются в атмосферу.
Поскольку в заявленном изобретении подогрев содержащей окислитель газообразной смеси в теплообменном устройстве 10 осуществляется рекуперационно (то есть через стенку теплообменного устройства и без смешения указанной газообразной смеси с продуктами сгорания), то изменение давления частично отработавших продуктов сгорания, поступающих с выхода турбины высокого давления 4, практически не влияет на величину давления содержащей окислитель газообразной смеси, поступающей из теплообменного устройства 10 в камеру сгорания 3. Этим определяется высокая устойчивость работы данной энергетической установки по сравнению с прототипом.
Достоинством заявленной когенерационной газотурбинной энергетической установки является возможность обеспечения регулирования режима когенерации, то есть управляемого перераспределения энергии сжигаемого топлива между вырабатываемой электрическими генераторами электрической энергией и снимаемой в теплофикационном устройстве тепловой энергией в зависимости от текущих потребностей.
Это достигнуто за счет выполнения теплофикационного устройства 6 (Фигура 1) с регулируемым теплосъемом и подсоединения к газовой турбине низкого давления 5 дополнительного электрического генератора 13, используемого в качестве полезной нагрузки.
В заявленном изобретении увеличение теплосъема в теплофикационном устройстве соответствует смещению точки 3 на диаграмме термодинамического цикла когенерационной газотурбинной энергетической установки (Фигура 3) налево, то есть на более низкий уровень температуры TЗ. Это приведет к снижению температуры выхлопных газов TИ за газовой турбиной низкого давления 5 и, таким образом, к повышению эффективности использования энергии сжигаемого топлива без какого-либо негативного воздействия на процесс выработки электроэнергии основным электрическим генератором 9, используемым в качестве полезной нагрузки. При этом указанное снижение температуры TЗ будет сопровождаться снижением количества электроэнергии, производимой дополнительным электрическим генератором 13, используемым в качестве полезной нагрузки.
В одном крайнем положении регулирования режимом работы теплофикационного устройства 6 обеспечивается максимальный теплосъем и отвод тепловой энергии для ее использования вне энергетической установки потребителями. В данном случае точка 3 на диаграмме (Фигура 3) займет крайне левое положение. При этом энергии отработавших в теплофикационном устройстве 6 продуктов сгорания будет достаточно только для вращения газовой турбины низкого давления 5 и компрессора низкого давления 1, но недостаточно для выработки электрической энергии дополнительным электрическим генератором 13. В таком крайнем положении электрическая энергия вырабатывается только основным электрическим генератором 9, а с теплофикационного устройства 6 снимается максимально возможная тепловая энергия.
В другом крайнем положении регулирования режимом работы теплофикационного устройства 6 теплосъем и отвод тепловой энергии для ее использования вне энергетической установки не производится. На диаграмме (Фигура 3) это соответствует совпадению положения точки 3 с точкой Ж. Вся сохраненная таким образом энергия продуктов сгорания поступает на турбину низкого давления 5 для преобразования в энергию вращения этой турбины. Полученная на турбине низкого давления механическая энергия затрачивается на привод компрессора низкого давления 1 и преобразуется в дополнительном электрическом генераторе 13 в электрическую энергию. В этом случае вырабатывается максимально возможное количество электрической энергии совместно основным электрическим генератором 9 и дополнительным электрическим генератором 13, а тепловая энергия практически не вырабатывается. За счет установки промежуточных положений регулирования режима когенерации заявленной когенерационной газотурбинной энергетической установки между двумя указанными выше крайними положениями можно управлять количеством генерируемой электрической энергии и тепловой энергии в обратной пропорции, то есть увеличивая одну величину и одновременно уменьшая другую и наоборот. Таким образом, использование изобретения позволяет эффективно реагировать на суточные и сезонные изменения потребностей в электрической и тепловой энергии, сохраняя режим работы газовой турбины высокого давления в оптимальном диапазоне давления, температуры и частоты ее вращения, при которых достигается ее максимальный коэффициент полезного действия.
Регулируемое теплофикационное устройство может быть выполнено в виде парового котла, водогрейного котла и паротурбинной энергетической установки.
К достоинствам когенерационной газотурбинной энергетической установки, выполненной по двухвальной схеме (Фигура 1), относится возможность работы турбокомпрессорной группы высокого давления и турбокомпрессорной группы низкого давления с разными частотами вращения их валов для создания оптимальных аэродинамических условий работы лопаточных аппаратов указанных турбокомпрессорных групп. Такое конструктивное исполнение может быть использовано для снижения центробежных нагрузок в крупногабаритных энергетических установках, имеющих большую высоту лопаток турбины и компрессора.
Преимуществом когенерационной газотурбинной энергетической установки, выполненной по двухвальной схеме со свободной турбиной (Фигура 2), является возможность увеличения максимального теплосъема в теплофикационном устройстве при отсутствии электрической генерации на дополнительном электрическом генераторе. Увеличение теплосъема приводит к снижению энергетического потенциала продуктов сгорания, направляемых на свободную турбину низкого давления. В данном случае указанный энергетический потенциал продуктов сгорания можно снизить вплоть до уровня, обеспечивающего работу свободной газовой турбины низкого давления на холостом ходу с частотой вращения существенно ниже той величины, которая необходима для работы дополнительного электрического генератора. Стабильность и устойчивость работы всей энергетической установки при этом не нарушается, поскольку компрессор низкого давления и компрессор высокого давления размещены на валу турбины высокого давления и приводятся во вращение этой турбиной.
Промышленная применимость
Изобретение предназначено для использования в энергетике, в том числе в малой распределенной энергетике для снабжения промышленных предприятий и населения электрической и тепловой энергией. Все технические средства, входящие в состав когенерационной газотурбинной энергетической установки, применение которых предусмотрено изобретением, разрабатываются и выпускаются как отечественными промышленными предприятиями, так и ведущими компаниями в зарубежных странах. Предусмотренное изобретением взаимодействие технических средств реализуется в известных процессах генерации электрической энергии и тепловой энергии для использования в теплоснабжении и электроснабжении. В процессе изготовления всех устройств, входящих в когенерационную газотурбинную энергетическую установку, может быть использовано типовое стандартное промышленное оборудование, известные материалы и комплектующие изделия.
Класс F02C6/18 использование отработанного тепла газотурбинных установок вне их, например газотурбинные теплофикационные установки
Класс F02C7/08 подогрев впускаемого воздуха перед сгоранием, например выхлопными газами