ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА С ВПРЫСКОМ ВОДЯНОГО ПАРА

Изобретение относится к газотурбинным установкам (ГТУ) с впрыском 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 выбросов токсичных веществ в атмосферу с продуктами сгорания.

Известен газопаровой цикл STIG (Steam Injected in Gas) фирмы «General Electric» (USA) (Колп Д.А., Меллер Д.Ж. Ввод в эксплуатацию первой в мире ГТУ полного цикла STIG на базе газогенератора LV-5000. Современное машиностроение, серия А, 1989, №11, стр.1÷14.), в котором с целью повышения КПД и удельной мощности газотурбинной энергоустановки осуществляют подачу (впрыск) водяного пара в камеру сгорания (КС) ГТУ. Водяной пар (далее для краткости «пар»), используемый в качестве дополнительного рабочего тела для работы турбины, получают в рекуперативном теплообменнике, т.н. котле-утилизаторе, путем нагрева и испарения подаваемой воды за счет тепла продуктов сгорания. Аналогичные схемы использованы в отечественной установке МЭС-60 (Батенин В.М., Беляев В.Е., Васютинский В.Ю. и др. Комплексная парогазовая установка с впрыском пара и теплонасосной установкой (ПГУ МЭС-60) для ОАО «Мосэнерго». Институт высоких температур РАН, ММПП ФГУП «Салют», ОАО «Мосэнерго». Москва, 2001), а также описаны, например, в патентах США №4823546 от 25.04.1989, №5564269 от 15.10.1996, №6370862 от 16.04.2002.

Наряду с достижением более высоких энергетических характеристик применение цикла STIG понижает температуру пламени в камере сгорания и тормозит процессы образования токсичных оксидов азота (NO_x), и их концентрация в выбросах снижается в несколько раз. Однако понижение температуры пламени приводит к замедлению процессов горения и к уменьшению полноты сгорания метана (основного компонента газового топлива), и при увеличении впрыска пара возрастает концентрация угарного газа CO (основного продукта «недожога») в выбросах. Поэтому из-за недопустимого роста концентрации CO при существенном увеличении впрыска пара, в указанном цикле STIG нельзя увеличить отношение массы впрыскиваемого пара к массе сжигаемого метана выше критического уровня примерно 2:1.

Принципиальным препятствием для увеличения соотношения пар: метан выше критического в цикле STIG является невозможность однородно перемешать впрыскиваемый пар с газовыми компонентами за короткое время пребывания в камере сгорания (см., например, Иванов А.А., Ермаков А.Н., Шляхов Р.А. О глубоком подавлении выбросов NO_x и CO в ГТУ с впрыском воды или пара. Изв. РАН, Энергетика, 2010, №3, 119-128). В итоге в КС формируются локальные области и с пониженным, и с повышенным содержанием пара относительно среднего соотношения пар: метан (2:1). В областях с повышенной долей пара, т.е. в условиях сильного понижения температуры, чрезмерно тормозится процесс догорания CO, и это приводит к недопустимому росту концентрации CO в выбросах ГТУ при увеличении впрыска пара.

Таким образом, недостатком цикла STIG является чрезмерное замедление процесса догорания CO в локальных областях КС ГТУ с повышенной долей пара, где происходит сильное понижение температуры, препятствующее полному сгоранию топлива (природного газа, синтез-газа) в КС ГТУ, из-за чего нельзя увеличить впрыск пара в КС ГТУ выше указанного предела по отношению к содержанию метана (2:1), и, соответственно, нельзя дополнительно увеличить КПД газотурбинной установки, а также снизить выбросы вредных оксидов азота (NO_x) и угарного газа (CO), попадающих вместе с продуктами сгорания в атмосферу.

Наиболее близкой к заявляемому изобретению по своей технической сущности является газотурбинная установка с впрыском пара, описанная в патенте США №5564269 от 15.10.1996 (прототип). Такая газотурбинная установка содержит: компрессор для сжатия воздуха, топливный насос, средства (форсунки) для подачи топлива, камеру сгорания, куда поступает сжатый компрессором воздух и подаваемое топливо, и где происходит их смешение, воспламенение и сгорание, газовую турбину, электрогенератор для выработки электроэнергии, механические средства для передачи механической энергии от турбины на работу компрессора и на вращение электрогенератора, котел-утилизатор, предназначенный для нагрева подаваемой воды и получения пара за счет тепла продуктов сгорания, систему впрыска пара в камеру сгорания.

В указанном устройстве так же, как и в других известных устройствах с впрыском пара в камеру сгорания ГТУ (см., например, аннулированный патент РФ на полезную модель №83544 от 10.06.2009), локальное превышение доли пара относительно среднего соотношения пар: метан приводит к чрезмерному понижению температуры и торможению процесса горения топлива. Это, в свою очередь, ведет к его неполному сгоранию и к недопустимому росту концентрации угарного газа в выбросах, из-за чего нельзя увеличить выше некоторого предела долю пара, впрыскиваемого в КС ГТУ, и, соответственно, нельзя дополнительно увеличить КПД ГТУ, а также снизить выбросы вредных оксидов азота (NO_x) и угарного газа (CO), попадающих вместе с продуктами сгорания в атмосферу.

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи ускорения процессов горения и увеличения полноты сгорания газового топлива при увеличении доли водяного пара, впрыскиваемого в камеру сгорания ГТУ.

Сущность заявляемого изобретения состоит в том, что газотурбинная установка с впрыском водяного пара в контур ГТУ, содержащая компрессор для сжатия воздуха, топливный насос, средства для подачи топлива, камеру сгорания, куда поступает сжатый компрессором воздух и подаваемое топливо, и где происходит их смешение, воспламенение и сгорание, газовую турбину, электрогенератор для выработки электроэнергии, механические средства для передачи механической энергии от турбины на работу компрессора и на вращение электрогенератора, котел-утилизатор, предназначенный для нагрева подаваемой воды и получения пара за счет тепла продуктов сгорания, систему впрыска пара в камеру сгорания, оснащена дополнительно системой подачи активатора горения и системой смешения активатора горения с водяным паром, впрыскиваемым в камеру сгорания.

Реализация заявляемого изобретения обеспечивает получение нескольких технических результатов, в том числе: 1) ускорение процессов горения, 2) увеличение полноты сгорания метана, 3) повышение КПД ГТУ, 4) снижение вредных выбросов оксидов азота и угарного газа, 5) увеличение удельной мощности ГТУ, 6) снижение удельного расхода топлива в ГТУ, 7) увеличение ресурса работы ГТУ.

Активатор горения представляет собой вещество, которое при повышенных температурах легко диссоциирует с образованием гидроксильных радикалов (OH), что ускоряет сгорание топлива и продуктов его высокотемпературных превращений, включая CO. Одним из примеров активатора горения является пероксид водорода (H₂O₂), который при повышенных температурах легко диссоциирует с образованием гидроксильных радикалов (OH), что способствует ускорению и углублению процесса сгорания топлива, в том числе и в локальных областях КС ГТУ с повышенной долей пара, где происходит сильное понижение температуры. Увеличение полноты сгорания CO позволяет увеличить впрыск пара в камеру сгорания, благодаря чему удается повысить КПД и одновременно понизить содержание CO и оксидов азота в выбросах. В качестве активатора горения выгодно использовать водные растворы пероксида водорода (H₂O₂), в частности, 30% водный раствор пероксида водорода (H₂O₂).

Ускорение и углубление процесса сгорания топлива под действием активатора горения позволяет использовать такие системы смешения активатора горения с паром, как, например, паровые эжекторы.

Пример устройства ГТУ по настоящему изобретению показан на фиг.1

ГТУ с впрыском водяного пара на фиг.1 содержит: компрессор 1 для сжатия воздуха, топливный насос 2, средства 3 для подачи топлива, камеру сгорания 4, куда поступает сжатый компрессором воздух и подаваемое топливо, и где происходит их смешение, воспламенение и сгорание, газовую турбину 5, 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, котел-утилизатор 9, систему впрыска 10 пара в камеру сгорания, систему подачи 11 активатора горения и систему смешения 12 активатора горения с паром.

Устройство на фиг.1 работает следующим образом. После запуска с помощью стартера ГТУ и прогрева и выхода на номинальный режим котла утилизатора 9 включают систему впрыска 10 пара в камеру сгорания. Затем включают систему подачи 11 активатора горения, в качестве которого используют, например, 30% водный пероксид водорода (H₂O₂), и систему смешения 12 активатора горения с паром. За счет тепла перегретого пара в получаемой таким образом паро-капельной смеси происходит преимущественное испарение воды благодаря большей летучести ее паров. Вследствие преимущественного испарения воды концентрация активатора горения в каплях паро-капельной смеси будет нарастать, и одновременно с этим будут усиливаться его свойства как активатора горения. В результате в камере сгорания 4 распыляется смесь пара и мелкодисперсной влаги, содержащей необходимую концентрацию активатора горения. При попадании мелкодисперсных капель с высокой концентрацией активатора горения в КС сгорание топлива вблизи них значительно ускоряется благодаря разложению (диссоциации) пероксида водорода на гидроксильные радикалы и их выходу в газовую фазу. Кроме того, из-за нестабильности пероксида водорода при высоких температурах часть его при испарении капель превращается в воду и газообразный кислород, способствующие, подобно пропелленту, дополнительному распылению оставшихся капель. Благодаря выделению кислорода и гидроксильных радикалов, добавка активатора горения способствует полному сгоранию топлива и при недостижимых в отсутствие активатора горения соотношениях пара к метану, что обеспечивает повышение эффективности работы ГТУ. Важно при этом, чтобы основная часть пероксида водорода не подверглась преждевременному высокотемпературному разложению до попадания в камеру сгорания.

Благодаря включению системы подачи 11 активатора горения и системы смешения 12 активатора горения с паром 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 в камере сгорания ГТУ, а также снижение выбросов угарного газа более чем на 10-30% за счет активации горения.