Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ РАБОТЫ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ

Изобретение относится к газотурбинным установкам, которыми оснащаются электростанции, и может быть использовано в нефтяной и газовой промышленности в компрессорах для транспорта природного газа по трубопроводам, на насосных станциях для перекачки нефти и других объектах, где требуются мощные и компактные приводы.

Известен способ работы газотурбинной установки (см. статью Романова В.И. и Сташка А. И. Состояние и перспективы развития газотурбинных приводов судового типа для газоперекачивающих агрегатов мощностью 2,5-25 МВт // Компрессорная техника и пневматика - 1997 - Вып.1 - 2 (14-15) - С. 113-119), цикл, которой включает подачу сжатого компрессором воздуха, топлива и водяного пара в камеру сгорания, изобарное сжигание топлива в атмосфере водяного пара; расширение парогазового рабочего тела в турбине с совершением работы; получение высоконапорного пара путем рекуперативного теплообмена в регенераторе между водой и расширившимся рабочим телом; отделение после рекуператора сконденсировавшейся воды из рабочего тела; сброс продуктов сгорания; последующее нагнетание сконденсировавшейся воды на получение пара.

Недостатком описанного способа является сжигание топлива в атмосфере водяного пара. Процесс горения топлива в таких условиях требует повышенного содержания воздуха, необходимого для горения, и отличается нестабильностью, которая увеличивается с повышением количества подаваемого пара. В результате чего, во-первых, повышается расход энергии на сжатие воздуха и, как следствие, уменьшается полезная работа газотурбинной установки. Во-вторых, получаемое парогазовое рабочее тело имеет пульсирующую температуру, что негативно сказывается на работе турбины, существенно снижая эффективность ее работы и всей установки в целом.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ работы газотурбинной установки (см. патент US 5271216, МПК 7 F 02 С 3/30, 1993), цикл действия которой включает подачу топлива и сжатого компрессором воздуха в камеру сгорания, изобарного сжигания топлива в последней, эжектирование продуктов сгорания водяным паром с получением их смеси - парогазового рабочего тела, расширение парогазового рабочего тела в турбине с совершением работы; получение пара из воды, нагреваемой расширившимся рабочим телом. В данном способе процесс горения стабилен, в парогазовом рабочем теле отсутствуют температурные пульсации, и газотурбинная установка работает более эффективно, чем в предыдущем способе.

Однако необходимость поддержания высокой температуры расширившегося рабочего тела после турбины для получения в регенераторе высокоэнергетического водяного пара для процесса эжекции является существенным недостатком данного способа. Поддержание высокой температуры рабочего тела после турбины приводит к понижению степени его расширения в турбине и, как следствие, к уменьшению производимой работы и падению эффективности (к.п.д.) установки в целом. Необходимость поддержания высокой температуры после турбины приводит также к повышению начальной температуры рабочего тела перед турбиной, что приводит к усиленному охлаждению ее рабочих поверхностей и корпуса, повышенному расходу топлива и уменьшению к.п.д. установки.

Технической задачей настоящего изобретения является повышение коэффициента полезного действия газотурбинной установки.

Для достижения этого технического результата в способе работы газотурбинной установки, включающем изобарное сжигание топлива с воздухом, эжектирование газообразных продуктов сгорания водяным паром с получением парогазового рабочего тела, его расширение с совершением работы, получение водяного пара из высоконапорной воды путем нагревания ее теплом расширившегося рабочего тела, отделение сконденсировавшейся воды из охлажденного рабочего тела, получение высоконапорной воды путем нагнетания отделенной воды и сброс продуктов сгорания, в процессе эжекции поддерживают количество водяного пара в пределах от 0,25 до 0,5 от массового расхода парогазового рабочего тела, выравнивают перед эжектированием температуры продуктов сгорания и водяного пара, выбирают величины давлений продуктов сгорания и водяного пара, обеспечивающими при эжектировании звуковой или сверхзвуковой режим истечения водяного пара, отделенную воду нагнетают с давлением, необходимым для получения водяного пара, температура которого равна температуре расширившегося рабочего тела.

Поддержание количества водяного пара в процессе эжекции в пределах от 0,25 до 0,5 от массового расхода всего рабочего тела через турбину исключает подачу воздуха, необходимого для охлаждения рабочего тела перед турбиной. Тем самым уменьшается работа компрессора на сжатие и увеличивается полезная работа всей установки, т.е. увеличивается ее к.п.д.

Выполнение перед эжектированием теплообмена между продуктами сгорания и водяным паром с выравниванием их температур позволяет провести процесс их эжекционного смешения и сжатия парогазовой смеси в изотермическом режиме (как наиболее экономичном из существующих режимов сжатия). Эффективное повышение давления парогазового рабочего тела позволяет увеличить производимую турбиной работу и тем самым повысить к.п.д. газотурбинной установки.

Выбор величин давлений продуктов сгорания и водяного пара, обеспечивающих при эжектировании звуковой или сверхзвуковой режим истечения водяного пара позволяет повысить степень сжатия рабочего тела по сравнению с давлением продуктов сгорания в 1,3-1,4 раза, что существенно увеличивает эффективность работы турбины и, как следствие, повышает к.п.д. всей установки.

Нагнетание отделенной от охлажденного расширенного рабочего тела воды с давлением, необходимым для получения водяного пара, температура которого равна температуре расширенного рабочего тела после турбины, позволяет создать максимально возможное давление водяного пара для процесса эжекции, и повысить давление парогазового рабочего тела до его расширения в турбине, и в конечном итоге повысить к.п.д. установки.

Совокупность всех отличительных признаков позволяет повысить эффективный (внутренний) к.п.д. установки до величин порядка 0,41-0,45.

Заявителю не известны способы работы газотурбинных установок, в которых бы повышение коэффициента полезного действия газотурбинной установки достигалось подобным образом.

На чертеже представлена схема газотурбинной установки, реализующей предлагаемый способ.

Установка состоит из турбины 1, компрессора 2 для сжатия воздуха, генератора электрического тока 3, нагнетателя топлива 4, водяного насоса 5, рекуператора 6, сепаратора 7, камеры сгорания 8, теплообменника 9, эжектора 10.

Способ осуществляется в газотурбинной установке следующим образом.

Сжатое в нагнетателе 4 топливо и сжатый в компрессоре 2 воздух подают в камеру сгорания 8. В компрессоре 2 для сжатия воздуха используют часть энергии, полученной в турбине 1. В камере сгорания 8 осуществляют изобарное сжигание топлива. В эжекторе 10 продукты сгорания эжектируют водяным паром с получением парогазового рабочего тела. В турбине 1 парогазовое рабочее тело расширяют с совершением удельной работы. Водяной пар производят из высоконапорной воды в рекуператоре 6 теплом расширившегося рабочего тела. Высоконапорную воду получают путем нагнетания насосом 5 воды, которую выделяют в сепараторе 7 из охладившегося в рекуператоре 6 расширенного рабочего тела. Выделенные сепаратором 7 продукты сгорания сбрасывают.

Количество водяного пара, подаваемого в эжектор 10, поддерживают в пределах от 0,25 до 0,5 от массового расхода парогазового рабочего тела через турбину 1.

Перед эжектированием в теплообменнике 9 выполняют теплообмен между продуктами сгорания и водяным паром с целью выравнивания величин их температур.

Подачу продуктов сгорания и водяного пара в эжектор 10 производят с давлениями, величины которых обеспечивают сверхзвуковой режим истечения пара в эжекторе 10.

Отделенную в сепараторе 7 от охлажденного расширившегося рабочего тела воду нагнетают насосом 5 с давлением, необходимым для получения в рекуператоре 6 водяного пара, температура которого равна температуре расширившегося рабочего тела после турбины 1.

ПРИМЕР.

Для изобарного сжигания топлива - метана с расходом 0,0306 кг/с - подают воздух с давлением 0,7 МПа. Парогазовое рабочее тело, имеющего давление 1,0 МПа и температуру 850^oС, получают эжектированием продуктов сгорания водяным паром. В процессе эжекции поддерживают количество водяного пара в пределах от 0,25 до 0,5 кг/с при массовом расходе 1 кг/с всего рабочего тела. Перед эжектированием осуществляют теплообмен между продуктами сгорания и водяным паром для выравнивания величин их температур (850^oС). Выбирают величины давлений продуктов сгорания и водяного пара равными соответственно 0,70 МПа и 2,50 МПа для обеспечения при эжектировании сверхзвукового режима (число Маха - М=1,3) истечения пара. Парогазовое рабочее тело расширяют до давления 0,12 МПа с совершением удельной работы 7,55•10⁶ Дж/кг. Водяной пар производят из высоконапорной воды теплом расширившегося рабочего тела, имеющего после турбины температуру 225^oС. Высоконапорную воду получают путем нагнетания с давлением 2,5 МПа воды, которую отделяют из охладившегося до 50^oС расширенного рабочего тела путем сепарации. Такое давление необходимо для получения водяного пара, температура которого равна температуре расширенного рабочего тела и составляет 225^oС. Выделенные при сепарации продукты сгорания сбрасывают.

Удельная работа компрессора 2, нагнетающего воздух, составляет 1,592•10⁵ Дж/кг, удельная работа нагнетателя 4-65 Дж/кг, удельная работа насоса 4, нагнетающего воду, 1410 кДж/кг, удельная работа эжектора 10-4,1•10⁴ Дж/кг. При низшей теплотворной способности топлива - метана, равной 5•10⁷ Дж/кг, эффективный к.п.д. газотурбинной установки составляет 0,43.

Таким образом, поддержание в процессе эжекции количества водяного пара в пределах от 0,25 до 0,5 от массового расхода парогазового рабочего тела, выравнивание перед эжектированием температуры продуктов сгорания и водяного пара, поддерживание величины давлений продуктов сгорания и водяного пара, обеспечивающ ей при эжектировании звуковой или сверхзвуковой режим истечения водяного пара, и нагнетание отделенной воды с давлением, необходимым для получения водяного пара, температура которого равна температуре расширившегося рабочею тела, позволило довести эффективный к.п.д. газотурбинной установки до 0,43.