Результат интеллектуальной деятельности: ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА С ВПРЫСКОМ ЖИДКОСТИ В КОНТУР ГТУ

Изобретение относится к газотурбинным установкам (ГТУ) с впрыском воды и/или водяного пара (газопаровые энергоустановки) и может быть использовано для увеличения удельной мощности, повышения КПД, снижения удельного расхода топлива и увеличения (продления) ресурса, а также для снижения эмиссии токсичных веществ в продуктах сгорания.

Известен ряд схем, предназначенных для реализации классического повышения КПД ГТУ за счет охлаждения компримируемого в компрессоре воздуха. С этой целью, в том числе, осуществляют впрыск тонкодиспергированной воды перед компрессором ГТУ (цикл TopHat, LM6000 Spring design enhanced to increase power and efficiency. Victor de Biasi. GAS TURBINE WORLD, July-August 2000, p.16-20) или ее впрыск на лопатки первой ступени компрессора ГТУ (Романов В.И:, Дикий Н.А., Жирицкий О.Г. и др. Изотермирование процесса сжатия воздуха в компрессоре и его влияние на характеристики газотурбинного двигателя. (НПП «Машпроект», НТУ Украины «Киевский политехнический институт»)//Промышленная теплотехника. 1988. Т.20, №6, С.45-50), либо промежуточных ступеней компрессора ГТУ (цикл CHAT, Irwin Stanibler, CHAT technology at 54,7% efficiency, 350/kw ready for commercial demo. GAS TURBINE WORLD, May-June 1996, p.36-44.) для осуществления т.н. «влажного» сжатия воздуха. Многие технические решения в этой области запатентованы, см., например, патенты США №№5930990, 5867977, 6216443, 7040083, 7146794, 7353655, 7353656, 7444819, 7481060, 7520137, 7784286, 7950240. Для нужного полного испарения микрокапель в компрессоре или на входе в камеру сгорания разработаны специальные, весьма трудоемкие и энергозатратные методы распыления, позволяющие повысить долю воды (до ≈1,5%) в компримируемом воздухе. Проскок неиспарившихся капель воды в камеру сгорания тормозит горение топлива и ведет к неполному сгоранию и к недопустимому росту в выбросах концентрации угарного газа. Из-за этого нельзя увеличить выше некоторого предела долю воды, подаваемой в контур ГТУ с влажным сжатием, и, соответственно, нельзя дополнительно увеличить КПД ГТУ, а также снизить выбросы вредных оксидов азота (NO_x) и угарного газа (СО), попадающих вместе с продуктами, сгорания в атмосферу.

Для впрыска в контур ГТУ используют воду после специальной обработки для удаления из нее механических примесей, а также растворенных солей. Кроме того, в распыляемую воду могут быть добавлены присадки, например, уменьшающие негативное воздействие влаги на лопатки компрессора, либо поверхностно-активные вещества, которые способствуют распылению подаваемой мелкодисперсной влаги. Поэтому под термином жидкость здесь подразумевается вода, содержащая нужные добавки.

Наиболее близким решением к предлагаемому устройству является газотурбинная установка с впрыском воды в контур ГТУ, описанная в патенте США №7040083 (прототип). Такая газотурбинная установка содержит компрессор для сжатия воздуха, систему впрыска мелкодисперсной влаги в компримируемый воздух, предназначенную для охлаждения воздуха в процессе сжатия и уменьшения затрат энергии на сжатие воздуха, топливный насос для подачи топлива, камеру сгорания, куда поступает сжатый компрессором воздух и топливо и где происходит их смешение и последующее воспламенение и сгорание горючей смеси топлива с воздухом, газовую(ые) турбину(ы), которую(ые) приводит во вращение поток образующихся продуктов сгорания топлива, электрогенератор для выработки электроэнергии и механические средства для передачи механической энергии турбины(н) на работу компрессора и на вращение электрогенератора.

В указанном устройстве по патенту США №7040083 так же, как и в других известных устройствах с впрыском жидкости, потенциальный проскок неиспарившихся капель влаги в камеру сгорания тормозит горение топлива и ведет к неполному его "Сгоранию и к недопустимому росту в выбросах концентрации угарного газа, из-за чего нельзя увеличить выше некоторого предела долю влаги, подаваемой в контур ГТУ с влажным сжатием, и, соответственно, нельзя дополнительно увеличить КПД ГТУ, а также снизить выбросы вредных оксидов азота (NO_x) и угарного газа (СО), попадающих вместе с продуктами сгорания в атмосферу.

Целью предлагаемого технического решения является ускорение горения и обеспечение большей полноты сгорания топлива при увеличении доли влаги, подаваемой в контур ГТУ с влажным сжатием для повышения КПД ГТУ.

Другой целью предлагаемого технического решения является снижение выбросов вредных оксидов азота (NО_х) и угарного газа (СО), попадающих вместе с продуктами сгорания в атмосферу.

Последующей целью предлагаемого технического решения является увеличения удельной мощности ГТУ.

Последующей целью предлагаемого технического решения является снижения удельного расхода топлива в ГТУ.

Последующей целью предлагаемого технического решения является увеличение (продление) ресурса работы ГТУ.

Указанные цели достигаются тем, что известное устройство газотурбинной установки с впрыском жидкости в контур ГТУ оснащено системой подачи и смешения активатора горения с жидкостью, подаваемой в контур ГТУ.

Активатор представляет собой вещество, которое при повышенных температурах легко диссоциирует с образованием гидроксильных радикалов (ОН), что ускоряет сгорание топлива и продуктов его высокотемпературных превращений, включая СО. Одним из примеров активатора горения является пероксид водорода (H₂O₂), который при повышенных температурах легко диссоциирует с образованием гидроксильных радикалов (ОН), что способствует ускорению и углублению процесса сгорания топлива. Увеличение полноты сгорания СО позволяет увеличить подачу в камеру сгорания мелкодисперсной влаги и/или пара, благодаря чему удается повысить КПД и одновременно понизить в выбросах содержание СО и оксидов азота.

Изобретение поясняется чертежом, на котором на фиг.1 представлен один пример устройства, а на фиг.2 показан другой пример устройства по настоящему изобретению.

ГТУ с впрыском жидкости на фиг.1 содержит: компрессор 1 для сжатия воздуха, систему впрыска мелкодисперсной влаги 2 в компримируемый воздух, предназначенную для охлаждения воздуха в процессе сжатия и уменьшения затрат энергии на сжатие воздуха, топливный насос 3 для подачи топлива, камеру сгорания 4, куда поступает сжатый компрессором воздух и топливо и где происходит их смешение и последующее воспламенение и сгорание горючей смеси топлива с воздухом, газовую турбину 5, которую приводит во вращение поток продуктов сгорания топлива, электрогенератор 6 для выработки электроэнергии, механические средства 7 и 8 для передачи механической энергии турбины на работу компрессора 1 и на вращение электрогенератора 6, соответственно, систему подачи активатора горения 9 и систему смешения 10 активатора горения с жидкостью.

ГТУ с впрыском жидкости и пара на фиг.2 содержит: компрессор низкого давления 11 и компрессор высокого давления 12 для сжатия воздуха, систему впрыска мелкодисперсной влаги 2 в компримируемый воздух, предназначенную для охлаждения воздуха в процессе сжатия и уменьшения затрат энергии на сжатие воздуха, топливный насос 3 для подачи топлива, камеру сгорания 4, куда поступает сжатый компрессором воздух и топливо и где происходит их смешение и последующее воспламенение и сгорание горючей смеси топлива с воздухом, газовую турбину высокого давления 51, газовую турбину среднего давления 52 и газовую турбину низкого давления 53, которые приводят во вращение потоки образующихся продуктов сгорания топлива и добавляемого пара, электрогенератор 6 для выработки электроэнергии, механические средства 71 для передачи механической энергии от турбины высокого давления 51 на работу компрессора высокого давления 12, механические средства 72 для передачи механической энергии от турбины среднего давления 52 на работу компрессора низкого давления 11, механические средства 8 для передачи механической энергии от турбины низкого давления 53 на вращение электрогенератора 6, систему подачи активатора горения 9 и систему смешения 10 активатора горения с жидкостью, дозатор 13, регулирующий впрыск жидкости в компрессор низкого давления 11 и в компрессор высокого давления 12, перегреватель 14 для получения перегретой жидкости, подаваемой в компрессор низкого давления 11, теплообменник или котел утилизатор 15, предназначенный для нагрева подаваемой воды за счет теплоты продуктов сгорания и получения пара высокого и низкого давлений, которые используют в качестве рабочего тела для работы турбин высокого и среднего давлений.

Устройство на фиг.1 работает следующим образом. После запуска с помощью стартера ГТУ включают систему впрыска мелкодисперсной влаги 2 в компримируемый воздух, предназначенную для охлаждения воздуха в процессе сжатия и уменьшения затрат энергии на сжатие воздуха. Затем включают систему подачи активатора горения 9 и систему смешения 10 активатора горения с жидкостью. В результате в компрессор 1 "поступает мелкодисперсная влага, содержащая необходимую концентрацию активатора горения. При нагревании воздуха в процессе сжатия капли влаги испаряются, и за счет теплоты испарения охлаждают компримируемый воздух, обеспечивая энергетически выгодное квазиизотермическое сжатие. При увеличении подачи мелкодисперсной влаги в компримируемый воздух происходит «проскок» неуспевших испариться микрокапель жидкости в камеру сгорания 4. Температура кипения активатора горения составляет 150°С при нормальном давлении, что заметно выше температуры кипения воды. Вследствие этого в условиях повышенных температур в компрессоре с поверхности микрокапель будет испаряться преимущественно вода, и концентрация активатора горения при этом в микрокаплях будет нарастать, а с ростом концентрации активатора горения в микрокаплях соответственно возрастают его свойства как активатора горения. При проскоке неиспарившихся капель с высокой концентрацией активатора горения в камеру сгорания горение топлива вблизи таких капель значительно ускоряется по сравнению с горением вблизи капель воды без добавки активатора горения. Это происходит благодаря процессу разложения (диссоциации) перекиси водорода на гидроксильные радикалы в объеме капли и их выходу в газовую фазу, т.е. в зону горения. Кроме того, из-за нестабильности концентрированной перекиси водорода при высоких температурах часть перекиси водорода в условиях испарения капель успевает превратиться в воду и газообразный кислород и подобно пропелленту дополнительно распыляет капли. Благодаря этому капли быстро разрушаются с выделением кислорода и гидроксильных радикалов, способных быстро окислять промежуточные вещества и продукты неполного сгорания, такие, как СО. Поэтому добавка активатора горения в распыляемую жидкость способствует эффективному сгоранию топлива и при более высоких недостижимых ранее в отсутствие активатора соотношениях воды к воздуху, необходимых для квазиизотермического и высокоэффективного сжатия воздуха в компрессоре.

Таким образом, благодаря включению системы подачи активатора горения 9 и системы смешения 10 активатора горения с жидкостью может быть достигнуто: а) повышение КПД - более 3%, б) повышение мощности (удельной мощности) в форсированном режиме - более 3% от номинальной, в) снижение (экономия) расхода топлива в номинальном режиме установленной мощности - более 2%, г) увеличение ресурса работы ГТУ в номинальном режиме установленной мощности - более чем в 1,1-1,2 раза за счет снижения температурных градиентов в контуре ГТУ. Одновременно с этим достигается снижение вредных выбросов оксидов азота более чем на 10-50% за счет снижения температуры факела первичного горения в камере сгорания ГТУ, а также снижение выбросов угарного газа - более чем на 10-30% за счет активации горения.

Устройство на фиг.2 содержит в качестве основы ГТУ с газопаровым циклом типа STIG фирмы «General Electric» (USA). В цикле STIG (Steam Injected in Gas) пар, получаемый в котле-утилизаторе 15, подают в камеру сгорания 4 в качестве дополнительного рабочего тела, что позволяет существенно увеличить КПД, повысить удельную мощность и снизить выбросы вредных оксидов азота (NO_x). Увеличивать подачу пара в цикле STIG для дальнейшего прироста КПД и увеличения удельной мощности нельзя из-за снижения эффективности горения и резкого роста эмиссии СО: критическим оказывается соотношение весовых расходов пара и сжигаемого метана ≈2:1 (Полежаев Ю.В., Иванов А.А., Ермаков А.Н., Григорьянц P.P. Экологически чистые газопаровые энергоустановки, Энергетика Татарстана, 2009. №3. С.11-20. С помощью показанной на фиг.2 системы подачи 9 и смешения 10 активатора горения с жидкостью, подаваемой системой впрыска мелкодисперсной влаги 2 в компримируемый воздух, можно обеспечить диспергирование активатора горения в камере сгорания 4 и за счет ускорения горения увеличить подачу пара в камеру сгорания 4 выше указанного критического соотношения и получить, таким образом, дополнительный прирост КПД и увеличение удельной мощности без снижения эффективности горения и роста эмиссии СО. Кроме того, эффективное горение в таком случае происходит в.присутствии большего количества парового «балласта», а следовательно при пониженной температуре, что позволяет снизить эмиссию токсичных оксидов азота (NO_x). В устройстве на фиг.2 применен двухступенчатый компрессор, состоящий из компрессора низкого давления 11, имеющего механический привод 72 от турбины среднего давления 52, и компрессора высокого давления 12, имеющего механический привод 71 от турбины высокого давления 51. Турбина низкого давления 53 кинематически не связана с компрессорами и вращает электрогенератор 6 или другую механическую нагрузку. В устройстве на фиг.2 смесь впрыскиваемой жидкости и активатора горения из системы смешения 10 поступает в дозатор 13, регулирующий впрыск смеси жидкости и активатора горения в компрессор низкого давления 11 и в компрессор высокого давления 12 для охлаждения воздуха в процессе сжатия в этих компрессорах. Благодаря квазиизотермическому сжатию в компрессорах 11 и 12 получают дополнительный прирост КПД. Устройство на фиг.2 содержит перегреватель 14 для получения перегретой жидкости (150-200°С), подаваемой под давлением (около 10-20 МПа) в компрессор низкого давления 11 подобно тому, как это сделано в технологии SwirlFlash (Alpha Power Systems. Amhem, The Netherlands, a KEMA/TNO venture. TOPHAT® and SwirlFlash® Technologies for advanced gas turbines and retrofit of gas turbines, gas engines and diesels, WEB: http://www.alphapowersystems.nl). Перегреватель 14 необходим для работы установки при низких температурах наружного воздуха, чтобы избежать появления наледи на лопатках компрессора низкого давления 11.

При работе устройства на фиг.2 в компрессоры 11 и 12 поступает мелкодисперсная влага, содержащая необходимую концентрацию активатора горения. Перегретая смесь из перегревателя 14 позволяет нагреть лопатки компрессора низкого давления выше точки обледенения и охладить компримируемый воздух, чтобы уменьшить работу на его сжатие. Соответственно, холодная смесь жидкости и активатора горения из дозатора 13 поступает в компрессор высокого давления и охлаждает компримируемый воздух, снижая затраты работы на его сжатие. При большой подаче мелкодисперсной влаги в компримируемый воздух происходит «проскок» неиспарившихся микрокапель жидкости в камеру сгорания 4. Температура кипения активатора горения составляет 150°С при нормальном давлении, что заметно выше температуры кипения воды. Вследствие этого в условиях повышенных температур в компрессорах с поверхности микрокапель будет испаряться преимущественно вода, и концентрация активатора горения при этом в микрокаплях будет нарастать, а с ростом концентрации активатора горения в микрокаплях соответственно возрастают его свойства как активатора горения. При проскоке неиспарившихся капель с высокой концентрацией активатора горения в камеру сгорания горение топлива вблизи таких капель значительно ускоряется по сравнению с горением вблизи капель воды без добавки активатора горения. Это происходит благодаря процессу разложения (диссоциации) перекиси водорода на гидроксильные радикалы в объеме капли и их выходу в газовую фазу, т.е. в зону горения. Кроме того, из-за нестабильности концентрированной перекиси водорода при высоких температурах, часть перекиси водорода в условиях испарения капель успевает превратиться в воду и газообразный кислород и подобно пропелленту дополнительно распыляет капли. Благодаря этому капли быстро разрушаются с выделением кислорода и гидроксильных радикалов, способных быстро окислять промежуточные вещества и продукты неполного сгорания, такие, как СО. Более того, как при полном испарении, так и при частичном испарении капель распыляемой влаги, активатор горения попадает в факел горения в камере сгорания и активизирует сгорание топлива. Поэтому добавка активатора горения в распыляемую жидкость способствует эффективному сгоранию топлива и при более высоких недостижимых ранее соотношениях воды и/или пара к воздуху в ГТУ с впрыском воды и/или водяного пара.

Таким образом, благодаря включению системы подачи активатора горения 9 и системы смешения 10 активатора горения с жидкостью может быть достигнуто: а) повышение КПД - более 3%, б) повышение мощности (удельной мощности) в форсированном режиме - более 3% от номинальной; в) снижение (экономия) расхода топлива в номинальном режиме установленной мощности - более 2%, г) увеличения ресурса работы ГТУ в номинальном режиме установленной мощности - более чем в 1,1-1,2 раза за счет снижения температурных градиентов в контуре ГТУ. Одновременно с этим достигается снижение вредных выбросов оксидов азота более чем на 10-50% за счет снижения температуры факела первичного горения в камере сгорания ГТУ и снижение выбросов угарного газа - более чем на 10-30% за счет активации горения.