Обзор отечественной и зарубежной научно-технической и патентной литературы по теме выпускной квалификационной работы

В текущем разделе приводится обзор научно-технической литературы на тему применения газотурбинных технологий для подогрева воздуха в котельной установке. Цель раздела – показать актуальность вопроса внедрения газотурбинных технологий в теплоэнергетику страны в целях повышения экономичности и эффективности использования оборудования тепловых электрических станций.

Современные энергетические установки тепловых электростанций при сжигании органического топлива требуют большого количества воздуха, используемого для обеспечения процесса горения. Дутьевые вентиляторы засасывают воздух из верхней части котельной и подают его в воздухоподогреватель котла, после которого воздух направляется к горелкам (вторичный воздух) и в пылесистему (первичный воздух – при сжигании пылевидного топлива). В помещении котельной воздух поступает из атмосферы либо под действием небольшого разрежения, создаваемого вентиляторами, либо с помощью специальных надувных агрегатов. В зимнее время года воздух, поступающий в помещение, подогревается в калориферах или других устройствах до 14-15 °С. Воздух, попавший в помещение котельной, омывая наружные поверхности труб, котла и механизмов, нагревается за счет тепловыделения оборудования до температуры 30-40°С. Перед поступлением непосредственно в воздухоподогреватель котла воздух может быть подогрет с использованием специальных схем предварительного подогрева воздуха. Таким образом, процесс подогрева воздуха разделяется на две стадии: подогрев в воздухоподогревателях котлов и предварительный подогрев, которые могут использоваться как совместно, так и раздельно.

Определяющим признаком схем и способов подогрева воздуха, влияющим на тепловую схему блока, является вид используемого в схеме подогрева греющего агента. По этому признаку способы подогрева воздуха можно разделить на следующие основные группы:

- подогрев теплотой продуктов сгорания топлива;

- подогрев теплотой отборного пара турбины;

- паровой подогрев сочетании с изменением соотношения водяных эквивалентов газов и воздуха в воздухоподогревателе котла;

- подогрев воздуха от посторонних источников теплоты;

- комбинированные схемы подогрева.

Рассмотрим более подробно способ подогрева воздуха от посторонних источников теплоты.

К способу подогрева воздуха посторонними источниками теплоты относятся схемы с огневым подогревом воздуха, с подогревом воздуха путем использования газов от ГТУ, применяемой в качестве привода, например, вентилятора и др. Подогрев воздуха производится путем его смешения с горячими газами.

Огневой подогрев осуществляется специальными муфелями, работающими на мазуте или газе (рис. 4,а). При этом огневой подогрев чаще всего применяется во время первых пусков энергоблоков. Муфель соединяется с всасывающим воздуховодом дутьевого вентилятора.

На рис. 4,б и в показаны упомянутые схемы подогрева воздуха от посторонних источников. Автор отмечает, что подмешивание горячих газов к воздуху может производится как во всасывающем воздуховоде вентилятора, так и в напорном. В последнем случае необходимо применение специального смесителя для обеспечения равномерного распределения температуры газовоздушной смеси [5].

Рисунок 4 – Схемы подогрева воздуха посторонними источниками теплоты:

1 – воздухоподогреватель;

2 – муфель;

3 – вентилятор;

4 – камера сгорания;

5 – компрессор;

6 – газовая турбина.

К теплообменным аппаратам ГТУ относятся регенераторы и воздухоохладители. В регенераторах осуществляется подогрев поступающего воздуха отработавшими в турбине газами. Применение регенераторных воздухоподогревателей повышает экономичность работы ГТУ — уменьшается расход топлива на единицу мощности. Степень регенерации в современных ГТУ достигает 75—80%.

Степенью регенерации называется отношение действительного нагрева воздуха к теоретически возможному, при котором температура воздуха достигает температуры газов на выходе из турбины.

Наиболее распространенными являются поверхностные регенераторы трубчатой и пластинчатой конструкции. В трубчатых регенераторах внутри трубок проходит воздух под значительным давлением, а горячие газы омывают трубки снаружи; в пластинчатых— поверхность нагрева образована из гофрированных стальных пластин с перекрестно расположенными каналами: по одним каналам движется воздух, а по другим — отработавшие газы.

Рисунок 5 – Трехсекционный пластинчатый регенератор.

На рис. 5 показан общий вид трехсекционного пластинчатого регенератора с перекрестным движением воздуха и газа. В регенераторе воздушный поток перемещается по двум параллельным, не сообщающимся между собой, трактам. Газ в регенераторе также движется по двум параллельным потокам. В местах выхода теплообменных секций из корпуса регенератора по периметру окоп установлены уплотняющие сальники из многослойно-плетеной набивки. Пластинчатые регенераторы имеют меньший вес и габариты, чем трубчатые [6].

В последующие годы познания о газотурбинном цикле расширились. Тепловой цикл двигателя внутреннего сгорания, осуществляемый в новых условиях конструктивного оформления, приобрел ряд особенностей, сделавших его еще более совершенным. В газотурбинном цикле оказалось возможным ввести разделение агрегатов, сжимающих рабочее тело, от агрегатов, в которых происходит подвод тепла, и от агрегатов, трансформирующих кинетическую энергию рабочего тела в механическую. Это создало возможность применения промежуточного охлаждения при сжатии, промежуточного подогрева при расширении рабочего тела и позволило осуществить способ возвращения тепла от отработанных газов к сжатому воздуху, т. е. регенерацию тепла, невозможную для условий работы поршневого двигателя внутреннего сгорания. Расширение представлений о цикле газотурбинной установки, введение регенерации открыло большие возможности для экономии топлива. Наряду с тепловым совершенством, равным, а в некоторых случаях и превосходящим совершенство поршневого двигателя внутреннего сгорания, газотурбинная установка казалась более простой по своей конструкции по сравнению с другими видами тепловых двигателей, в частности паровых [7, С.99].

Обзор патентов.

КОМБИНИРОВАННАЯ ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА (ВАРИАНТЫ) (патент № 2377428)

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): Богуслаев Вячеслав Александрович (UA),

Горбачев Павел Александрович (RU),

Кононенко Петр Иванович (RU),

Михайлуца Вячеслав Георгиевич (UA)

Патентообладатель(и): Богуслаев Вячеслав Александрович (UA),

Горбачев Павел Александрович (RU),

Кононенко Петр Иванович (RU),

Михайлуца Вячеслав Георгиевич (UA)

Адрес для переписки: 115561, Москва, Каширское ш., 136, кв.119, А.А. Скачедубу

Приоритеты: подача заявки

21.10.2008

начало действия патента

21.10.2008

публикация патента

27.12.2009

РЕФЕРАТ

Комбинированная газотурбинная установка содержит ступени многоступенчатого компрессора с расположенными между ними промежуточными воздухоохладителями, камеру сгорания, газовую турбину, регенератор, паровой контур с котлом-утилизатором и паровой турбиной, соединенной со своим электрогенератором. Регенератор подключен по охлаждаемой среде к выходу из газовой турбины, а по нагреваемой среде соответственно к выходу из последней ступени многоступенчатого компрессора и входу в камеру сгорания. Установка снабжена также абсорбционной холодильной машиной и утилизатором остаточного тепла, соединенным входом с выходом из абсорбционной холодильной машины, а выходом с котлом-утилизатором. Паровой контур снабжен нагнетательным вентилятором, подключенным по охлаждаемой среде к выходу регенератора. Циркуляционный хладагент абсорбционной холодильной машины подключен к промежуточным воздухоохладителям, а ее тепловоспринимающие элементы согласно первому варианту подключены к выходу из паровой турбины. Согласно второму варианту вместо паровой турбины комбинированная газотурбинная установка снабжена двигателем Стирлинга. Тепловоспринимающие элементы абсорбционной холодильной машины подключены к горячей полости двигателя Стирлинга. Газовая турбина соединена с электрогенератором и/или с приводом газоперекачивающего агрегата. Изобретение повышает общую эффективность работы комбинированной газотурбинной установки, обеспечивает выработку дополнительной электроэнергии и снижение уровней эмиссии токсичных продуктов сгорания. 2 н. и. 9 з.п. ф-лы, 1 ил.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ

Изобретение относится к теплоэнергетическому машиностроению и может быть использовано на магистральных газопроводах для транспортировки газа и производства электрической энергии на базе установок бинарного цикла с комбинированным применением газотурбинных и паротурбинных установок.

Известна газотурбинная установка, состоящая из компрессора низкого давления, промежуточного воздухоохладителя, компрессора высокого давления, регенератора, камеры сгорания, газовой турбины, отработанный газ из которой направлен в регенератор, связанный с выхлопной трубой, использующей энергию выхлопных газов и выполненной с соплом и приемной камерой для охлаждающего атмосферного воздуха, поступающего из промежуточного воздухоохладителя (см. патент RU № 2245448, МКЛ F02C 7/32, 2003).

Эта конструкция позволяет повысить надежность работы установки за счет простоты эксплуатации и ремонтопригодности, а также достичь проектного КПД (~40%) путем форсирования температуры газа перед турбиной, частичной утилизации тепла выхлопных газов в регенераторе и использования энергии выхлопных газов для прососа охлаждающего воздуха через промежуточный воздухоохладитель.

Основным недостатком данной ГТУ является неминуемое снижение КПД в летний период времени, особенно в странах с субтропическим и тропическим климатом, неполная утилизация тепла выхлопных газов в регенераторе и высокий фактический уровень эмиссии токсичных продуктов сгорания (окислов азота и углерода), т.к. выхлопные газы в этой установке после регенератора разбавляются охлаждающим воздухом, при этом общее количество вредных выбросов не уменьшается.

Известна комбинированная газотурбинная установка, содержащая газотурбинную установку с воздухозаборным устройством, генератор, котел-утилизатор с подключенной к нему паротурбинной установкой, выходное устройство, регулирующую и запорную арматуру, соединительные трубопроводы, а газовая турбина разделена на две части - приводную газовую турбину компрессора и силовую турбину, последовательно соединенные газоходом, на котором установлены котел-утилизатор с предвключенным экономайзером, которые соединены между собой дополнительным трубопроводом по пару (см. патент RU № 2101527, МКЛ F02C 6/18, 1998).

Недостаток известной установки заключается в невозможности поднятия мощности и КПД из-за снижения температуры воздуха перед камерой сгорания. Кроме того, снижается надежность работы установки из-за наличия двух котлов-утилизаторов, а отсутствие узла утилизации энергии отработанного пара также снижает ее эффективность.

Наиболее близкой к предложенной установке является комбинированная газотурбинная установка, содержащая ступени многоступенчатого компрессора с расположенными между ними промежуточными воздухоохладителями, камеру сгорания, газовую турбину, соединенную с электрогенератором, регенератор, подключенный по охлаждаемой среде к выходу из газовой турбины, а по нагреваемой среде, соответственно, к выходу из последней ступени многоступенчатого компрессора и входу в камеру сгорания, паровой контур с котлом-утилизатором и паровой турбиной, соединенной со своим электрогенератором (см. Манушин Э.А. Газовые турбины: проблемы и перспективы, Москва, Энергоатомиздат, 1986, стр.18-20, рис.1.7 г.).

Недостатком указанной установки является неполная утилизация тепла выхлопных газов в регенераторе и, как следствие, недостаточно высокая эффективность ее работы и высокий фактический уровень эмиссии токсичных продуктов сгорания.

Технической задачей изобретения является повышение общей эффективности работы комбинированной газотурбинной установки, обеспечение выработки дополнительной электроэнергии и снижение уровней эмиссии токсичных продуктов сгорания.

Поставленная задача достигается за счет того, что комбинированная газотурбинная установка по первому варианту, содержащая ступени многоступенчатого компрессора с расположенными между ними промежуточными воздухоохладителями, камеру сгорания, газовую турбину, регенератор, подключенный по охлаждаемой среде к выходу из газовой турбины, а по нагреваемой среде соответственно к выходу из последней ступени многоступенчатого компрессора и входу в камеру сгорания, паровой контур, с котлом-утилизатором и паровой турбиной, соединенной со своим электрогенератором, согласно предложенному изобретению снабжена абсорбционной холодильной машиной и утилизатором остаточного тепла, соединенным входом с выходом из абсорбционной холодильной машины, а выходом с котлом-утилизатором, паровой контур снабжен нагнетательным вентилятором, подключенным по охлаждаемой среде к выходу регенератора, при этом циркуляционный хладагент абсорбционной холодильной машины подключен к промежуточным воздухоохладителям, а ее тепловоспринимающие элементы - к выходу из паровой турбины, при этом газовая турбина соединена с электрогенератором и/или с приводом газоперекачивающего агрегата.

Поставленная задача достигается за счет того, что комбинированная газотурбинная установка согласно второму варианту, содержащая ступени многоступенчатого компрессора с расположенными между ними промежуточными воздухоохладителями, камеру сгорания, газовую турбину, регенератор, подключенный по охлаждаемой среде к выходу из газовой турбины, а по нагреваемой среде соответственно к выходу из последней ступени многоступенчатого компрессора и входу в камеру сгорания, паровой контур, с котлом-утилизатором, согласно предложенному изобретению снабжена абсорбционной холодильной машиной и утилизатором остаточного тепла, соединенным входом с выходом из абсорбционной холодильной машины, а выходом с котлом-утилизатором, паровой контур снабжен нагнетательным вентилятором, подключенным по охлаждаемой среде к выходу регенератора, и двигателем Стирлинга, приводящим электрогенератор, при этом циркуляционный хладагент абсорбционной холодильной машины подключен к промежуточным воздухоохладителям, а ее тепловоспринимающие элементы - к горячей полости двигателя Стирлинга, при этом газовая турбина соединена с электрогенератором и/или с приводом газоперекачивающего агрегата.

Поставленная задача достигается также за счет того, что многоступенчатый компрессор может содержать две ступени - компрессор низкого давления и компрессор высокого давления, а регенератор по нагреваемой среде подключен к выходу из последнего.

Поставленная задача достигается также за счет того, что котел-утилизатор выполнен с пароперегревателем.

Поставленная задача достигается также за счет того, что комбинированная установка снабжена, по крайней мере, одним эжектором промежуточного охлаждения, установленным параллельно промежуточному воздухоохладителю.

Поставленная задача достигается также за счет того, что комбинированная установка снабжена дополнительным трубопроводом с установленной на нем запорной арматурой, соединяющим выход из газовой турбины с входом нагнетательного вентилятора.

Поставленная задача достигается также за счет того, что циркуляционный хладагент абсорбционной холодильной машины подключен к холодной полости двигателя Стирлинга.

На чертеже представлена схема комбинированной газотурбинной установки (КГТУ).

Рисунок 6 – Схема комбинированной ГТУ.

Комбинированная газотурбинная установка содержит ступени 1, 2 многоступенчатого компрессора с расположенными между ними промежуточными воздухоохладителями 3, камеру сгорания 4, газовую турбину 5, соединенную с электрогенератором 6 и/или с приводом газоперекачивающего агрегата (на чертеже не показан), регенератор 7. Регенератор 7 подключен по охлаждаемой среде к выходу из газовой турбины 5, а по нагреваемой среде, соответственно, к выходу из последней ступени 2 многоступенчатого компрессора и входу в камеру сгорания 4. Паровой контур 8 содержит котел-утилизатор 9, паровую турбину 10, соединенную со своим электрогенератором 11. Котел-утилизатор 9 выполнен с пароперегревателем. Комбинированная газотурбинная установка снабжена абсорбционной холодильной машиной 12 и утилизатором 13 остаточного тепла, соединенным входом с выходом из абсорбционной холодильной машины 12, а выходом с котлом-утилизатором 9. Паровой контур 8 снабжен нагнетательным вентилятором 14, подключенным по охлаждаемой среде к выходу регенератора 7. Циркуляционный хладагент абсорбционной холодильной машины 12 подключен к промежуточным воздухоохладителям 3, а ее тепловоспринимающие элементы согласно первому варианту - выходу из паровой турбины 10. Согласно второму варианту вместо паровой турбины 10 КГТУ снабжена двигателем Стерлинга (позиция на чертеже также 10), тепловоспринимающие элементы абсорбционной холодильной машины 12 подключены к горячей полости двигателя Стерлинга. Многоступенчатый компрессор может содержать только две ступени, соответственно первая ступень - компрессор 1 низкого давления и вторая ступень - компрессор 2 высокого давления, при этом регенератор 7 по нагреваемой среде подключен к выходу из последнего. Комбинированная газотурбинная установка может быть выполнена, по крайней мере, с одним эжектором 15 промежуточного охлаждения, установленным параллельно промежуточному воздухоохладителю 3, или содержать несколько эжекторов 15 промежуточного охлаждения, установленных параллельно соответствующим промежуточным охладителям 3. Комбинированная газотурбинная установка снабжена дополнительным трубопроводом 16 с установленной на нем запорной арматурой 17, соединяющим выход из газовой турбины 5 с входом нагнетательного вентилятора 14.

КГТУ работает следующим образом.

Рисунок 7 – Схема работы КГТУ.

Цикловой воздух освобождается от механических примесей и сжимается в компрессоре 1 низкого давления, после чего направляется в промежуточный воздухоохладитель 3 с циркулирующим хладагентом от абсорбционной холодильной машины 12. Охлажденный воздух поступает в компрессор 2 высокого давления. Благодаря повышению удельной массы воздуха при его охлаждении увеличивается массовая производительность компрессора 2 высокого давления 3. Сжатый воздух после компрессора 2 высокого давления 3 поступает в регенератор 7, где подогревается и затем поступает в камеру сгорания 4, а продукты сгорания производят работу в газовой турбине 5, являющейся приводом газоперекачивающего агрегата и/или электрогенератора 6. Отработанные после газовой турбины 5 газы частично направляются в регенератор 7, где подогревают цикловой воздух после компрессора 2 высокого давления 3, смешиваются с остальным отработанным газом и направляются с помощью нагнетательного вентилятора 14 с давлением 2-4 атм в котел-утилизатор 9 с пароперегревателем и промежуточной системой дожигания топлива, где нагревают питательную воду для получения пара с оптимальной температурой.

Перегретый пар направляют в паровую турбину или Стирлинг-генератор 10 для выработки дополнительной электроэнергии в электрогенераторе 11, после чего отработанный пар с температурой не ниже 150°С утилизируется сначала тепловоспринимающими элементами абсорбционной холодильной машины 12, а потом поступает в утилизатор 13 остаточного тепла для предварительного подогрева питательной воды котла-утилизатора 9.

В холодное время года или в аварийных ситуациях, связанных с возможной остановкой абсорбционной холодильной машины 12, КГТУ может работать с использованием для охлаждения воздуха после компрессора 1 низкого давления эжектора 15 промежуточного охлаждения.

В случае отказа или неэффективного использования регенератора 7 отработанные после газовой турбины 5 газы могут направляться непосредственно в паровой контур 8 по дополнительному трубопроводу 16 с установленной на нем запорной арматурой 17.

Конструкция КГПТУ и гибкая технологическая схема ее эксплуатации позволяют поддерживать оптимальные условия газоперекачки с утилизацией тепла выхлопных газов как для повышения мощности и КПД, так и для выработки электроэнергии для собственных нужд и прилегающих территорий.

Изобретение позволяет повысить мощность ГТУ, коэффициент полезного использования сжигаемого газа, снизить эмиссию токсичных продуктов сгорания, вырабатывать значительную дополнительную электроэнергию для собственных нужд компрессорных станций и прилегающих территорий. Снижение эмиссии оксидов азота и углерода осуществлено за счет промежуточной системы дожигания топлива в котле-утилизаторе с рециркуляцией горячих выхлопных газов после регенератора.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Комбинированная газотурбинная установка, содержащая ступени многоступенчатого компрессора с расположенными между ними промежуточными воздухоохладителями, камеру сгорания, газовую турбину, регенератор, подключенный по охлаждаемой среде к выходу из газовой турбины, а по нагреваемой среде соответственно к выходу из последней ступени многоступенчатого компрессора, и входу в камеру сгорания, паровой контур с котлом-утилизатором и паровой турбиной, соединенной со своим электрогенератором, отличающаяся тем, что она снабжена абсорбционной холодильной машиной и утилизатором остаточного тепла, соединенным входом с выходом из абсорбционной холодильной машины, а выходом с котлом-утилизатором, паровой контур снабжен нагнетательным вентилятором, подключенным по охлаждаемой среде к выходу регенератора, при этом циркуляционный хладагент абсорбционной холодильной машины подключен к промежуточным воздухоохладителям, а ее тепловоспринимающие элементы - к выходу из паровой турбины, при этом газовая турбина соединена с электрогенератором и/или с приводом газоперекачивающего агрегата.

2. Комбинированная газотурбинная установка по п.1, отличающаяся тем, что многоступенчатый компрессор содержит две ступени - компрессор низкого давления и компрессор высокого давления, а регенератор по нагреваемой среде подключен к выходу из последнего.

3. Комбинированная газотурбинная установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что котел-утилизатор выполнен с пароперегревателем.

4. Комбинированная газотурбинная установка по п.3, отличающаяся тем, что она снабжена, по крайней мере, одним эжектором промежуточного охлаждения, установленным параллельно промежуточному воздухоохладителю.

5. Комбинированная газотурбинная установка по п.4, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительным трубопроводом с установленной на нем запорной арматурой, соединяющим выход из газовой турбины с входом нагнетательного вентилятора.

6. Комбинированная газотурбинная установка, содержащая ступени многоступенчатого компрессора с расположенными между ними промежуточными воздухоохладителями, камеру сгорания, газовую турбину, регенератор, подключенный по охлаждаемой среде к выходу из газовой турбины, а по нагреваемой среде - соответственно к выходу из последней ступени многоступенчатого компрессора и входу в камеру сгорания, паровой контур - с котлом-утилизатором, отличающаяся тем, что установка снабжена абсорбционной холодильной машиной и утилизатором остаточного тепла, соединенным входом с выходом из абсорбционной холодильной машины, а выходом - с котлом-утилизатором, паровой контур снабжен нагнетательным вентилятором, подключенным по охлаждаемой среде к выходу регенератора, и двигателем Стирлинга, приводящим электрогенератор, при этом циркуляционный хладагент абсорбционной холодильной машины подключен к промежуточным воздухоохладителям, а ее тепловоспринимающие элементы - к горячей полости двигателя Стирлинга.

7. Комбинированная газотурбинная установка по п.6, отличающаяся тем, что циркуляционный хладагент абсорбционной холодильной машины подключен к холодной полости двигателя Стирлинга.

8. Комбинированная газотурбинная установка по п.7, отличающаяся тем, что многоступенчатый компрессор содержит две ступени - компрессор низкого давления и компрессор высокого давления, а регенератор по нагреваемой среде подключен к выходу из последнего.

9. Комбинированная газотурбинная установка по п.7 или 8, отличающаяся тем, что котел утилизатор выполнен с пароперегревателем.

10. Комбинированная газотурбинная установка по п.7 или 8, отличающаяся тем, что она снабжена, по крайней мере, одним эжектором промежуточного охлаждения, установленным параллельно промежуточному воздухоохладителю.

11. Комбинированная газотурбинная установка по п.7 или 8, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительным трубопроводом с установленной на нем запорной арматурой, соединяющим выход из газовой турбины с входом нагнетательного вентилятора.

Поиск по сайту: