close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY2412

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(19)
BY (11) 2412
(13)
C1
(51)
(12)
6
F 01K 21/04
F 02С 3/04
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ
КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
(54)
(21) Номер заявки: 658
(22) 30.09.1993
(46) 30.09.1998
ПАРОГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА
(71) Заявитель: Институт проблем энергетики Национальной Академии наук Беларуси (BY)
(72) Автор: Колыхан Л.И. (BY)
(73) Патентообладатель: Институт проблем энергетики Национальной Академии наук Беларуси
(BY)
(57)
Парогазотурбинная установка, содержащая турбину высокого давления, камеру сгорания, компрессор воздуха, турбину низкого давления, газовый компрессор, котел-утилизатор, конденсационную установку и систему
водоочистки, причем камера сгорания соединена с выходом пара котла утилизатора, выход конденсата конденсационной установки - через систему водоочистки со входом котла утилизатора, отличающаяся тем, что она
содержит вертикальную шахту и дополнительную камеру сгорания, установленную в ней и снабженную воздушными клапанами, при этом турбина низкого давления расположена в нижней части шахты над дополнительной камерой сгорания, газовый компрессор - в верхней части шахты, а конденсационная установка и котелутилизатор - в шахте между газовым компрессором и турбиной низкого давления.
(56)
1. Березинец П.А. Эксплуатационные характеристики парогазовых установок утилизационного типа //
Энергетическое хозяйство за рубежом.-№ 3, 1986.-С. 12-13, рис. 1.
2. Шевцов В.Ф. "Усовершенствованные термодинамические циклы Карно и силовые установки на их
основе: Сборник статей "Энергетика и экология".- Новосибирск, 1988.-С. 71-77, рис. 5.
3. Шерстобитов И.В. Об эффективности парогазовой установки с перерасширением рабочего тела в газовой турбине // Известия ВУЗов. Энергетика.-№ 4, 1987.-С. 82-87, рис. 1 (прототип).
Фиг. 1
BY 2412 C1
Изобретение относится к энергетическим установкам, а именно к парогазотурбинным установкам с котлом - утилизатором для комбинированной выработки электрической и тепловой энергии, и может быть использовано при модернизации котельных малой и средней мощности, а также для создания современных
автоматизированных энергогенерирующих мощностей.
Для повышения эффективности использования органического топлива в промышленно развитых странах
с начала 70-х годов нашли применение газотурбинные установки с котлами-утилизаторами для комбинированной выработки электрической и тепловой энергии [1].
Известная установка содержит газовые турбины, на их выхлопе установлены котлы-утилизаторы, выработанный
которыми пар направляют в паровую турбину. Для повышения степени использования тепла пар более низкого давления используют непосредственно для тепловых нужд потребителя.
Однако при использовании установки для электро и теплоснабжения населенных пунктов особое значение
приобретает надежность и коэффициент готовности установки в целом, возможность обеспечения теплом и минимальной электроэнергией при остановке газовой турбины.
Известны различные технические решения, повышающие эффективность и надежность парогазотурбинной установки. Например, предложена парогазотурбинная установка cтехиометрического сгорания топлива, в которой достигают глубокое расширение рабочего тела, а сброс продуктов сгорания в атмосферу обеспечивают c
помощью компрессора [2].
Однако известная установка не может обеспечить многократное изменение тепловой мощности в пиковых режимах потребления, требует создания резервных мощностей котельных, что ухудшает маневренность
и надежность.
Из известных технических решений наиболее близким объектом к заявляемой установке по совокупности
существенных признаков является "Парогазотурбинная установка с перерасширением рабочего тела в турбине", приведенная в [3], принятая автором за прототип.
Принятая за прототип установка содержит часть высокого давления, часть низкого давления, котелутилизатор, конденсационную установку и систему водоочистки, причем камера сгорания части высокого
давления соединена с выходом пара из котла-утилизатора, а выход конденсата из конденсационной установки соединен через систему водоочистки с подачей питательной воды в котел-утилизатор.
Однако высокая эффективность в прототипе достигается за счет применения сложной системы теплообменников, деаэраторов, насосов и трубопроводной обвязки, образующих котел-утилизатор и конденсационную установку, что снижает надежность, а увеличенные габариты не позволяют получить приемлемые
экономические характеристики при использовании этого технического решения для модернизации существующих энергопроизводящих установок.
Задачей изобретения является создание более конкурентоспособной в условиях Белоруссии парогазотурбинной установки с котлом-утилизатором для комбинированной выработки электрической и тепловой энергии.
В результате решения этой задачи достигнут новый технический результат, заключающийся в повышении надежности и коэффициента готовности установки в целом, получении возможности обеспечения теплом и минимальной
электроэнергией потребителей при остановке газовой турбины.
Данный технический результат достигнут тем, что в парогазотурбинной установке, содержащей часть
высокого давления, часть низкого давления, котел-утилизатор, конденсационную установку и систему водоочистки, причем камера сгорания части высокого давления соединена с выходом пара из котла-утилизатора,
а выход конденсата из конденсационной установки соединен через систему водоочистки с подачей питательной воды в котел-утилизатор, часть низкого давления, а так же теплообменники котла-утилизатора и
конденсационной установки установлены в вертикальной шахте, в нижней части которой размещена дополнительная камера сгорания, снабженная воздушными клапанами, компрессор части низкого давления установлен в верхней части шахты, а турбина - над камерой сгорания с размещением между компрессором и
турбиной теплообменников котла-утилизатора и конденсационной установки.
Отличительной особенностью изобретения является то, что часть низкого давления, а также теплообменники котла-утилизатора и конденсационной установки установлены в вертикальной шахте, в нижней части
которой размещена дополнительная камера сгорания, снабженная воздушными клапанами, компрессор части низкого давления установлен в верхней части шахты, а турбина низкого давления - над камерой сгорания
с размещением между компрессором и турбиной теплообменников котла-утилизатора и конденсационной
установки.
Такое техническое решение позволяет использовать все преимущества парогазовой установки с перерасширением рабочего тела в газовой турбине получить дополнительный положительный эффект за счет значительного расширения диапазона изменения мощности, вырабатываемой на установке, при высокой надежности
обеспечения приоритетных потребителей. К преимуществам установки относится также возможность автоном2
BY 2412 C1
но использовать часть низкого давления и, кроме того, получить дополнительный аэродинамический напор за
счет размещения оборудования части низкого давления в вертикальной шахте.
Таким образом, приведенные отличительные особенности заявляемого изобретения, в сравнении с прототипом заявляемая установка имеет более высокую надежность и коэффициент готовности в целом, получает
возможность обеспечения теплом и минимальной электроэнергией потребителей при остановке газовой турбины.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема заявляемой установки. На фиг. 2 - ТS-диаграмма, осуществляемого в установке бинарно-регенеративного термодинамического цикла.
Установка содержит часть высокого давления, включающую газовую турбину 1, камеру сгорания 2, компрессор 3 и электрогенератор 4, часть низкого давления, включающую турбину 5 и компрессор 6, соединенные валом 7, к которому подключают дополнительный мотор - генератор 8, а также котел - утилизатор 9,
конденсационную установку, включающую поверхностные конденсаторы 10, конденсатосборник 11 и подогреватель 12, систему водоочистки 13, соединенную с помощью насоса 14 с котлом - утилизатором 9, оборудованную линией подпитки 15 и соединенную с конденсационной установкой через подогреватель 12,
причем камера сгорания 2 части высокого давления соединена с выходом 16 пара из котла - утилизатора 9.
Часть низкого давления, а также теплообменники котла-утилизатора и конденсационной установки установлены в вертикальной шахте 17, в нижней части которой размещена дополнительная камера сгорания 18,
снабженная воздушными клапанами 19, при этом компрессор 6 части низкого давления установлен в верхней части шахты, а турбина 5 - над камерой сгорания 18 с размещением между компрессором 6 и турбиной 7
теплообменников котла - утилизатора 9 и конденсационной установки 10, 11 и 12.
На ТS-диаграмме (см. фиг. 2) изображены: слева - газовый цикл, узловые точки которого обозначены;
буквами а, б, в, г, д, е, ж, и, справа - водяной цикл, узловые точки которого обозначены теми же буквами со
штрихом.
Парогазотурбинная установка работает следующим образом. Газотурбинная установка части высокого давления
работает с энергетическим впрыском пара. Воздух сжимается с помощью компрессора 3 до заданного давления и подается в камеру сгорания 2, куда впрыскивается топливо и пар, отбираемый от выхода 16 из котла - утилизатора. На
фиг. 2 этот процесс отображен линией а-б для воздуха и линиями а'- б'- б''для водяного пара (б'-б'' - кипение в котлеутилизаторе). Полученное в результате сжигания топлива и впрыска водяного пара рабочее тело расширяется в турбине 1, вырабатывая энергию для привода компрессора 3 и электрогенератора 4. Отработавшая в турбине парогазовая
смесь поступает в нижнюю часть вертикальной шахты 17 - в дополнительную камеру сгорания 18. На фиг. 2 процесс в
камере сгорания изображен линиями б-в и б' - в', а в турбине 1 - линиями в-г, в' - г'.
В камеру сгорания 18 подается дополнительное количество топлива и через клапаны 19 воздух. Расчеты показывают, что температуру газов при этом целесообразно увеличивать не более чем до 850°C, чтобы получить безремонтный пробег турбины 5 более 40 000 часов и использовать при этом неохлаждаемые лопатки турбины. На
фиг. 2 этот процесс изображен линиями г-д и г'-д'. Затем энергия полученного рабочего тела срабатывается в турбине 5 (линии д-е, д'- е' на фиг. 2), которая приводит во вращение компрессор 6 с помощью вала 7, пропущенного
по оси шахты 17. От вала 7 часть мощности отбирается на привод дополнительного мотор-генератора 8, который
используется для запуска турбоагрегата части низкого давления в автономном режиме от внешнего источника
электроэнергии. При работе на мощности мотор - генератор 8 работает в режиме генератора.
Компрессор 6 создает разрежение в шахте 17 и дожимает выхлопные газы до атмосферного давления (линия ж-и
на фиг. 2). Перепад давления по тракту части низкого давления дополнительно создается за счет высоты вертикально
установленной шахты 17 и высокой температуры газов.
Отработавшие в турбине 5 газы и водяные пары при сравнительно высокой температуре (точки е, е' на фиг. 2) попадают на теплообменные поверхности котла - утилизатора 9, который может быть выполнен по известной схеме (см.
Колыхан Л.И. и др. "Унифицированный блочный парогенератор для ГТУ", XXXIX научно-техническая сессия по
проблемам газовых турбин. Минск, 1992). Вырабатываемый в котле - утилизаторе 9 пар заданных параметров направляют по линии 16 потребителям, часть пара отбирают при этом на впрыск в камеру сгорания 2 части высокого давления.
После котла - утилизатора 9 газы и пар продолжают охлаждаться, проходя через конденсационную установку: подогреватель 12 и поверхностные конденсаторы 10 (линии е-ж, е'- ж'- а' - на фиг. 2). Вода сконденсированная на поверхностных конденсаторах 10 (линии ж' - а' фиг. 2), через конденсатосборник 11 и
подогреватель 12 отводится в систему водоочистки 13, в которой известными способами очищается от загрязнений, деаэрируется и с помощью насоса 14 подается на питание котла - утилизатора 9. Для компенсации расхода пара к потребителям по линии 16 предусмотрена линия подпитки 15.
Таким образом, в заявляемой установке реализуется бинарно - регенеративный цикл с перерасширением
парогазовой смеси. При этом газовый цикл отличается дополнительным перегревом (г-д) на участке расширения в турбине 2 (в-г) и в турбине 5 (д-е) с последующим сжатием до атмосферного давления (ж-и). Водя3
BY 2412 C1
ной цикл осуществляется по циклу Ренкина с промежуточным перегревом (г'-д') и расширением в двух турбинах: (а'- г').
Оптимизационные расчеты, выполненные для реальных ГТУ средней мощности, и экспериментальные
исследования позволяют рекомендовать для заявляемой установки некоторые параметры, как оптимальные.
Массовую долю в парогазовой смеси подаваемого в камеру сгорания 2 из котла - утилизатора 9 водяного
пара следует поддерживать на уровне 0,12...0,14 (сверх исходной влажности воздуха и продуктов сгорания
топлива). На фиг. 2 эта доля определит соотношение площадей газовой и паровой диаграмм.
Увеличение противодавления за турбиной 1 (изобары г-д и г'- д') с последующим перегревом до 820...850
°C, приводит к росту мощности турбины 5 и суммарной мощности установки. Максимум суммарной мощности достигается при противодавлении 12...17 кПа (максимальная площадь дополнительной фигуры г-д-е-ж
на фиг. 2) с последующим снижением из-за потери мощности турбины 1. Однако, с учетом определенных
трудностей в проектировании привода и мотор-генератора 8 большой мощности, увеличение противодавления свыше 4...5 кПа - нецелесообразно. С учетом всего комплекса проектных условий оптимальная величина
противодавления составляет 3...4 кПа. В предлагаемой конструкции части низкого давления компрессор 6
целесообразно выполнить в виде одной осевой ступени со степенью сжатия 1,3...1,35.
Расчеты и экспериментальные исследования конденсатора 10 показывают возможность обеспечения конденсации и охлаждение парогазовой смеси до 50... 55 °С при аэродинамическом сопротивлении не более
1,25 кПа и температуре охлаждающей воды на входе - 15...17 °С.
Аэродинамическое сопротивление воздушного тракта (клапаны 19 и камера сгорания 18) не превышает
1,3 кПа, даже приняв сравнительно низкие значения относительных эффективных КПД турбины 5 (ηт = 0,82)
и компрессора 6 (ηк = 0,76), получим увеличение полезной электрической мощности при использовании заявляемого технического решения на 14... 16%. В режиме, когда турбина 1 остановлена (аварийный режим),
обеспечивается теплоснабжение потребителей с максимальной тепловой мощностью в маневренном режиме
и с выработкой 10...12% электроэнергии от номинальной величины.
Заявляемая установка в отличие от ПГТУ с паровой турбиной, требующей низкотемпературного охлаждения конденсатора, позволяет достичь величины использования теплоты сгорания топлива до 92... 94% (с
учетом тепловых потерь и затрат на собственные нужды) за счет подогрева охлаждающей воды в конденсаторе 10, в дополнительном подогревателе 12, до 55...60°С без усложнения схемы и удорожания оборудования.
Выполненные расчеты показывают, что установка позволяет создать теплоэнергетический агрегат в качестве автономной теплоутилизационной приставки к ГТД. При этом возможна работа в маневренном режиме с пиковым увеличением паропроизводительности в 2-3 и более раз и получением дополнительной электрической
мощности, а также работа в аварийном режиме (при остановленном ГТД) с выработкой тепла и электроэнергии.
Предлагаемое техническое решение позволяет увеличить мощность газотурбинной установки на 50-90%, увеличить КПД на 20-60% при снижении стоимости установленного киловатта и уменьшении выбросов в атмосферу окислов азота. При этом дополнительно вырабатывается до 14% и более полезной мощности.
При этом установка обеспечивает снижение сроков и капитальных затрат на создание энергогенерирующих
мощностей, модернизацию устаревших котельных малой и средней мощности.
Оборудование заявляемой установки, в основном, освоено промышленностью. Высокие техникоэкономические показатели делают ее конкурентоспособной с самыми современными энергетическими установками, в том числе и с установкой, принятой за прототип.
4
BY 2412 C1
Фиг. 2
Cоставитель Д.Ф. Крылов
Редактор Т.А. Лущаковская
Корректор Т.Н. Никитина
Государственный патентный комитет Республики Беларусь.
220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.
5
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
1
Размер файла
174 Кб
Теги
by2412, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа