EA010252B1

EA010252B1 - Повышение мощности турбин внутреннего сгорания посредством введения холодного воздуха выше по потоку компрессора

Info

Publication number: EA010252B1
Application number: EA200701013A
Authority: EA
Inventors: Майкл Накхамкин
Original assignee: Майкл Накхамкин
Priority date: 2007-01-19
Filing date: 2007-06-05
Publication date: 2008-06-30
Also published as: CA2673721C; EA200701013A1; EP2122139A2; CN101225769B; WO2008091502A2; EP2122139B1; MX2009007635A; BRPI0806703A2; US7389644B1; JP2010507743A; WO2008091502A3; WO2008091502A4; CN101225769A; UA86469C2; CA2673721A1; EP2122139A4

Abstract

Предложена система (10) с турбиной внутреннего сгорания для вырабатывания энергии, содержащая турбинный узел (11) внутреннего сгорания, содержащий основной компрессор (12), сконструированный и выполненный с возможностью захождения в него окружающего воздуха, основную турбину (14) со ступенями давления, функционально связанную с основным компрессором, камеру (16) сгорания, сконструированную и выполненную с возможностью захождения в нее сжатого воздуха из основного компрессора и питания основной турбины со ступенями давления, и электрический генератор (15), связанный с основной турбиной со ступенями давления для вырабатывания электрической энергии. Конструкция (28) для уменьшения давления создана и выполнена с возможностью уменьшения давления сжатого воздуха из источника сжатого воздуха до атмосферного давления и для снижения таким образом температуры сжатого воздуха из источника сжатого воздуха до температуры ниже температуры окружающей среды, когда он выходит из конструкции для уменьшения давления. Конструкция (32) связана с конструкцией, служащей для уменьшения давления для обеспечения перемешивания воздуха, выпускаемого из конструкции для уменьшения давления, и окружающего входного воздуха для снижения температуры воздуха на входе в основной компрессор и увеличения таким образом мощности турбинного узла внутреннего сгорания.

Description

Область техники

Настоящее изобретение относится к энергетическим системам с турбиной внутреннего сгорания и, в частности, к повышению мощности системы посредством снижения температуры воздуха на входе основного компрессора системы.

Уровень техники

Хорошо известно, что в системах с турбинами внутреннего сгорания, служащих для вырабатывания энергии, происходит значительное понижение мощности, связанное с увеличенной температурой окружающей среды или с большими высотами. Эта потеря мощности главным образом связана с уменьшением массы входящего воздушного потока систем с турбинами внутреннего сгорания для вырабатывания энергии, которое вызвано пониженной плотностью входящего атмосферного воздуха.

Существует множество технологий, которые предварительно доводят входящий воздух до требуемого состояния для восстановления мощности, теряемой турбинами внутреннего сгорания вследствие высоких атмосферных температур/большой высоты. Например, использование испарительных охладителей, технологий создания тумана на входе и «влажного сжатия» обеспечивают повышение мощности посредством сочетания увлажнения и охлаждения воздуха на входе и связанного с этим увеличения расхода через турбину внутреннего сгорания. Однако этот тип охлаждения воздуха на входе ограничен в тех районах, в которых вода не имеется в количествах, обеспечивающих ее достаточную подачу. Охладители на входе также выполняют обработку атмосферного воздуха посредством его охлаждения, обеспечивая при этом соответствующий повышенный расход и увеличение мощности. Однако с такими охладителями связаны высокие материальные затраты, а также эксплуатационные затраты и затраты на проведение технического обслуживания.

Таким образом, имеется необходимость в охлаждении воздуха на входе турбины внутреннего сгорания посредством его перемешивания с холодным воздухом, отводимым, например, из выхода внешнего воздушного детандера, с обеспечением при этом эффективного альтернативного варианта повышения мощности: повышения мощности системы вырабатывания энергии с турбиной внутреннего сгорания за счет дополнительной мощности, создаваемой детандером.

Краткое описание изобретения

Целью настоящего изобретения является удовлетворение указанной выше потребности. Согласно принципам настоящего изобретения эта цель достигнута посредством создания системы с турбиной внутреннего сгорания, служащей для вырабатывания энергии, которая включает в себя турбинный узел внутреннего сгорания, имеющий основной компрессор, сконструированный и выполненный с возможностью захождения в его подвод атмосферного воздуха, основную турбину со ступенями давления, функционально связанную с основным компрессором, камеру сгорания, сконструированную и выполненную с возможностью захождения в нее сжатого воздуха из основного компрессора и питания основной турбины со ступенями давления, и электрический генератор, связанный с основной турбиной со ступенями давления для вырабатывания электрической энергии. Конструкция для уменьшения давления сконструирована и выполнена с возможностью уменьшения давления сжатого воздуха, поступающего из источника сжатого воздуха, до атмосферного давления и таким образом уменьшения температуры сжатого воздуха, поступающего из источника сжатого воздуха, до температуры ниже температуры окружающей среды, когда он выходит из конструкции для уменьшения давления. Имеется конструкция, связанная с конструкцией, служащей для уменьшения давления, выполненная с возможностью перемешивания воздуха, выпускаемого из конструкции для уменьшения давления, и атмосферного воздуха для снижения температуры воздуха на входе в основной компрессор.

Согласно другому аспекту изобретения создан способ снижения температуры воздуха на входе в турбинный узел внутреннего сгорания. Турбинный узел внутреннего сгорания включает в себя основной компрессор, сконструированный и выполненный с возможностью захождения в него атмосферного воздуха, основную турбину со ступенями давления, функционально связанную с основным компрессором, камеру сгорания, сконструированную и выполненную с возможностью захождения сжатого воздуха из основного компрессора и питания основной турбины со ступенями давления, и электрический генератор, связанный с основной турбиной со ступенями давления для вырабатывания электрической энергии. Согласно способу обеспечивают источник сжатого воздуха. Давление сжатого воздуха от источника снижают до атмосферного давления и таким образом температуру сжатого воздуха от источника уменьшают до температуры ниже температуры окружающей среды. Сжатый воздух при температуре ниже температуры окружающей среды перемешивают с атмосферным воздухом на входе для уменьшения температуры воздуха на входе в основной компрессор.

Другие цели, отличительные признаки и характеристики настоящего изобретения, а также способы работы и функции связанных элементов конструкции, сочетание частей и рентабельность изготовления будут более понятны после прочтения нижеприведенных подробного описания изобретения и формулы изобретения, выполненных со ссылкой на прилагаемые чертежи, составляющие часть настоящего описания.

- 1 010252

Краткое описание чертежей

Изобретение можно будет лучше понять из последующего подробного описания предпочтительных вариантов его осуществления при их рассмотрении совместно с прилагаемыми чертежами, на которых подобные детали обозначены одинаковыми ссылочными позициями. На чертежах:

фиг. 1 - схематический вид системы с турбиной внутреннего сгорания для вырабатывания энергии, при этом увеличение мощности получают посредством использования хранилища сжатого воздуха, обеспечивающего подачу сжатого воздуха, подогреваемого в теплообменнике, к детандеру, причем выпускаемый из детандера поток, имеющий температуру, более низкую, чем температура окружающей среды, перемешивают с потоком, входящим в систему с турбиной внутреннего сгорания для вырабатывания энергии в соответствии с принципами настоящего изобретения; и фиг. 2 - схематический вид системы с турбиной внутреннего сгорания для вырабатывания энергии, при этом увеличение мощности получают посредством использования вспомогательного компрессора, обеспечивающего подачу сжатого воздуха, подогреваемого в теплообменнике, к детандеру, причем выпускаемый из детандера поток, имеющий температуру, более низкую, чем температура окружающей среды, перемешивают с входным потоком системы с турбиной внутреннего сгорания для вырабатывания энергии в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения.

Подробное описание примеров варианта осуществления изобретения

На фиг. 1 показана система с турбиной внутреннего сгорания, служащая для вырабатывания энергии, которая позволяет повысить мощность, обозначенная ссылочной позицией 10 и выполненная согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Система 10 включает в себя обычный турбинный узел внутреннего сгорания, в общем обозначенный ссылочной позицией 11, имеющий основной компрессор 12, на вход 13 которого поступает воздух при температуре окружающей среды и который питает камеру 16 сгорания сжатым воздухом, основную турбину 14 со ступенями давления, функционально связанную с основным компрессором 12, при этом камера 16 сгорания питает основную турбину 14 со ступенями давления, и электрический генератор 15 для вырабатывания электрической энергии.

Согласно варианту осуществления изобретения обеспечено хранилище 18 сжатого воздуха. Хранилище 18 предпочтительно представляет собой подземную конструкцию, обеспечивающую хранение воздуха, который сжат посредством по меньшей мере одного вспомогательного компрессора 20. В этом варианте осуществления изобретения вспомогательный компрессор 20 приводят в действие посредством двигателя 21, хотя он может быть приведен в действие посредством детандера или какого-либо другого источника. Вспомогательный компрессор 20 заряжает хранилище 18 сжатым воздухом в течение внепиковых часов работы. Выход 22 хранилища 18 предпочтительно соединен с теплообменником 24. В теплообменник 24 также заходит воздух 25, выходящий из основной турбины 14 со ступенями давления. Вместо воздуха 25, выходящего из основной турбины со ступенями давления 14, либо в дополнение к нему, в теплообменник 24 может заходить любой имеющийся в наличии внешний источник тепла.

Выход 26 теплообменника 24 соединен с конструкцией для уменьшения давления, например, с детандером 28, который предпочтительно соединен с генератором 30 для вырабатывания электрической энергии, обеспечиваемой детандером 28.

Теплообменник, нагревающий сжатый воздух, подаваемый к детандеру 28, применяют как вариант конструкции. Сжатый воздух от источника (например, из хранилища 18) может быть подан непосредственно к детандеру 28. Поскольку детандер 28 уменьшает давление сжатого воздуха, температура сжатого воздуха будет понижена. Таким образом, холодный воздух (с температурой, меньшей температуры окружающей среды), выходящий из детандера 28, посредством конструкции 32 будет соединен с воздухом окружающей среды у входа 13, так что воздух окружающей среды на входе и более холодный воздух, выходящий из детандера, будут перемешаны, снижая конечную температуру воздуха на входе перед его захождением в основной компрессор 12. В этом варианте осуществления изобретения конструкция 32 представляет собой трубопровод, подсоединенный между выходом конструкции 28, служащей для уменьшения давления, и входом 13 основного компрессора 12.

Таким образом, в течение пиковых часов работы сжатый воздух будет забран из хранилища 18, подогрет в теплообменнике 24 и подан к детандеру 28, который создает дополнительную энергию. Воздух, выходящий из детандера (при температуре, более низкой, чем температура окружающей среды), перемешивается с воздухом на входе в турбинный узел внутреннего сгорания, снижая температуру входящего воздуха и увеличивая мощность турбинного узла внутреннего сгорания.

На фиг. 1 показан выпуск воздуха из детандера, перемешиваемого с атмосферным воздухом на входе, при температуре 10°С. Снижение температуры воздуха на входе основного компрессора 12 с окружающей температурой 35°С до 10°С повышает мощность турбинного узла внутреннего сгорания СЕ 7241 приблизительно на 20 МВт. Кроме того, детандер 28 с воздушным потоком, подобным входному потоку турбинного узла внутреннего сгорания, подогреваемым в теплообменнике 24 до 450-500°С, вырабатывает мощность, приблизительно составляющую 250 МВт. Компрессор 21 потребляет внепиковую энергию, при этом поток компрессора, давление нагнетания и потребление энергии зависят от характеристик хранилища 18 сжатого воздуха и других экономических и эксплуатационных параметров, а его мощность может быть приблизительно равна мощности детандера. В варианте осуществления конструк

- 2 010252 ции согласно фиг. 1 при 10°С расчетная полезная мощность турбинного узла внутреннего сгорания составляет 173,0 МВт, а полезная тепловая мощность этого узла составляет 10000 кДж/кВт-ч. Полезная тепловая мощность детандера 28 равна 0. Суммарная расчетная мощность и тепловая мощность всей системы 10 с турбиной внутреннего сгорания совместно с повышением мощности соответственно составляют 423 МВт и 4080 кДж/кВт.

Экономические показатели всей системы 10 с детандером и введением выходного воздушного потока детандера во вход основного компрессора определяют материальные затраты и суммарное увеличение мощности, продаваемой по ценам пиковой мощности минус мощность компрессора, закупаемая по расценкам внепиковой мощности.

Общие параметры системы 10 оптимизированы на основе суммарных экономических показателей установки, включая капитальные и эксплуатационные затраты на дополнительные компоненты;

увеличение мощности турбины внутреннего сгорания;

обеспечение дополнительной пиковой мощности детандера 28;

внепиковое потребление мощности вспомогательным компрессором 20.

На фиг. 2 показан другой вариант осуществления системы 10', в которой не используется хранилище 18, а по меньшей мере один вспомогательный компрессор 20 подает сжатый воздух к теплообменнику 24 через соединение 22. Увеличение мощности турбинного узла 11 внутреннего сгорания приблизительно составляет 20 МВт и является таким же, как и в случае, показанном на фиг. 1, когда температура воздуха на входе в компрессор 12 понижена до 10°С. Суммарная мощность всей системы 10' вырабатывания энергии с турбиной внутреннего сгорания СЕ 7241 при увеличении мощности приблизительно составляет 173 МВт плюс дополнительная мощность детандера 28 минус мощность вспомогательного компрессора 20.

Можно полагать, что источником сжатого воздуха, подаваемого к теплообменнику 24 (или непосредственно к детандеру 28), может быть любой приемлемый источник и что перемешивание холодного воздуха с атмосферным воздухом и его введение во вход основного компрессора 12 может быть обеспечено в результате процесса расширения любого типа, либо может существовать источник воздуха, который холоднее атмосферного воздуха.

Использование детандера 28 для снижения входной температуры воздуха, заходящего в компрессор 12, может быть обеспечено в турбине внутреннего сгорания/электростанции с комбинированным циклом. Эта система предпочтительно включает в себя следующие дополнительные (по отношению к турбинному узлу 11 внутреннего сгорания) компоненты:

конструкцию, уменьшающую давление (например, воздушный детандер 28);

теплообменник 24, получающий отходящее тепло турбины 14 внутреннего сгорания и питающий детандер 28;

вспомогательный компрессор 20, подающий сжатый воздух к теплообменнику;

трубопроводы и специальные устройства не основного оборудования системы.

Эта система работает следующим образом. Вспомогательный компрессор 20 подает сжатый воздух к теплообменнику 24, где происходит подогрев воздуха и его подача к детандеру 28, который вырабатывает дополнительную энергию. Воздух, выходящий из детандера 28 (при более низкой температуре, чем температура окружающей среды), перемешивают с воздухом 13 на входе в турбинный узел 11 внутреннего сгорания, снижая тем самым температуру воздуха и увеличивая мощность турбинного узла 11 внутреннего сгорания. Как и в варианте конструкции согласно фиг. 1, использование теплообменника 24 не является обязательным.

Общие параметры системы оптимизированы на основе суммарных экономических показателей установки, включая капитальные и эксплуатационные затраты на дополнительные компоненты;

дополнительную пиковую мощность, обеспечиваемую детандером, минус расход энергии вспомогательным компрессором.

Хотя конструкция, служащая для уменьшения давления, показана в виде детандера 28, эта конструкция может представлять собой диафрагму или какую-либо другую конструкцию, которая позволяет уменьшить давление сжатого воздуха до атмосферного давления и таким образом обеспечивает снижение температуры сжатого воздуха ниже температуры окружающей среды.

Приведенные выше предпочтительные варианты осуществления изобретения показаны и описаны для иллюстрации конструктивных и функциональных принципов настоящего изобретения, а также для иллюстрации способов применения предпочтительных вариантов, при этом они могут быть подвергнуты изменениям без отклонения от этих принципов. Следовательно, настоящее изобретение включает в себя любые модификации, входящие в объем приведенной далее формулы изобретения.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Система с турбиной внутреннего сгорания для вырабатывания энергии, содержащая турбинный узел внутреннего сгорания, включающий в себя основной компрессор, сконструированный и выполненный с возможностью захождения в него окружающего воздуха, основную турбину со ступенями давления, функционально связанную с основным компрессором, камеру сгорания, сконструированную и выполненную с возможностью захождения в нее сжатого воздуха из основного компрессора и питания основной турбины со ступенями давления, и электрический генератор, связанный с основной турбиной со ступенями давления для вырабатывания электрической энергии;

конструкцию для уменьшения давления, сконструированную и выполненную с возможностью уменьшения давления сжатого воздуха от источника сжатого воздуха до атмосферного давления и снижения таким образом температуры сжатого воздуха от источника сжатого воздуха до температуры ниже температуры окружающей среды, когда происходит его выпуск из конструкции для уменьшения давления; и конструкцию, связанную с конструкцией для уменьшения давления, сконструированную и выполненную с возможностью перемешивания воздуха, выпускаемого из конструкции для уменьшения давления, и входного окружающего воздуха для снижения температуры воздуха на входе в основной компрессор.
2. Система по п.1, в которой конструкция для уменьшения давления представляет собой воздушный детандер.
3. Система по п.2, дополнительно содержащая теплообменник, сконструированный и выполненный с возможностью получения тепла от источника тепла и захождения в него сжатого воздуха от источника сжатого воздуха, а детандер сконструирован и выполнен с возможностью захождения в него сжатого воздуха, нагретого теплообменником.
4. Система по п.3, в которой в теплообменник заходит выхлоп из основной турбины со ступенями давления, образующей таким образом источник тепла.
5. Система по п.1, дополнительно содержащая хранилище воздуха, образующее источник сжатого воздуха.
6. Система по п.5, дополнительно содержащая по меньшей мере один вспомогательный компрессор для зарядки хранилища.
7. Система по п.1, дополнительно содержащая по меньшей мере один вспомогательный компрессор, образующий источник сжатого воздуха.
8. Система по п.2, дополнительно включающая в себя электрический генератор, связанный с детандером для вырабатывания электрической энергии.
9. Система по п.1, в которой конструкция для перемешивания представляет собой трубопровод, подсоединенный между выходом конструкции для уменьшения давления и входом для воздуха в основной компрессор.
10. Система с турбиной внутреннего сгорания для вырабатывания энергии, содержащая турбинный узел внутреннего сгорания, включающий в себя основной компрессор, сконструированный и выполненный с возможностью захождения в него окружающего воздуха, основную турбину со ступенями давления, функционально связанную с основным компрессором, камеру сгорания, сконструированную и выполненную с возможностью захождения в нее сжатого воздуха из основного компрессора и питания основной турбины со ступенями давления, и электрический генератор, связанный с основной турбиной со ступенями давления для вырабатывания электрической энергии;

средство для уменьшения давления сжатого воздуха от источника сжатого воздуха до атмосферного давления и снижения таким образом температуры сжатого воздуха от источника сжатого воздуха до температуры ниже температуры окружающей среды, когда происходит его выпуск из средства для уменьшения давления; и средство, связанное со средством для уменьшения давления, для перемешивания воздуха, выпускаемого из конструкции для уменьшения давления, и входного окружающего воздуха для снижения температуры воздуха на входе в основной компрессор.
11. Система по п.10, в которой средство для уменьшения давления представляет собой детандер.
12. Система по п.11, дополнительно содержащая теплообменник, сконструированный и выполненный с возможностью получения тепла от источника тепла и захождения в него сжатого воздуха из источника сжатого воздуха, при этом детандер сконструирован и выполнен с возможностью захождения в него сжатого воздуха, нагретого посредством теплообменника.
13. Система по п.12, в которой в теплообменник заходит выхлоп из основной турбины со ступенями давления, образующей тем самым источник тепла.
14. Система по п.10, дополнительно содержащая хранилище воздуха, образующее источник сжатого воздуха.
15. Система по п.14, дополнительно содержащая по меньшей мере один вспомогательный компрессор для зарядки хранилища воздуха.

- 4 010252
16. Система по п.10, дополнительно содержащая по меньшей мере один вспомогательный компрессор, образующий источник сжатого воздуха.
17. Система по п.11, дополнительно включающая в себя электрический генератор, связанный с детандером для вырабатывания электрической энергии.
18. Система по п.10, в которой средство для перемешивания представляет собой трубопровод, подсоединенный между выходом средства для уменьшения давления и входом для воздуха в основной компрессор.
19. Способ снижения температуры воздуха на входе в турбинный узел внутреннего сгорания, при этом турбинный узел внутреннего сгорания включает в себя основной компрессор, сконструированный и выполненный с возможностью захождения в него окружающего воздуха, основную турбину со ступенями давления, функционально связанную с основным компрессором, камеру сгорания, сконструированную и выполненную с возможностью захождения в нее сжатого воздуха из основного компрессора и питания основной турбины со ступенями давления, и электрический генератор, связанный с основной турбиной со ступенями давления для вырабатывания электрической энергии, при котором обеспечивают источник сжатого воздуха;

снижают давление сжатого воздуха из источника до атмосферного давления и снижают таким образом температуру сжатого воздуха из источника до температуры ниже температуры окружающей среды; и перемешивают сжатый воздух при температуре ниже температуры окружающей среды с окружающим воздухом на входе для снижения температуры воздуха на входе в основной компрессор.
20. Способ по п.19, при котором дополнительно перед уменьшением давления нагревают сжатый воздух из источника сжатого воздуха.
21. Способ по п.20, при котором при нагревании сжатого воздуха используют теплообменник, в который заходит сжатый воздух из источника, а также заходит выхлоп из основной турбины со ступенями давления.
22. Способ по п.19, при котором при нагревании сжатого воздуха из его источника используют теплообменник, в который заходит сжатый воздух из источника и который получает тепло от источника тепла.
23. Способ по п.19, при котором источник сжатого воздуха представляет собой хранилище воздуха.
24. Способ по п.19, при котором источник сжатого воздуха представляет собой по меньшей мере один вспомогательный компрессор.
25. Способ по п.19, при котором при уменьшении давления расширяют сжатый воздух от источника сжатого воздуха.
26. Способ по п.25, при котором при расширении сжатого воздуха используют детандер и дополнительно используют электрический генератор, связанный с детандером, при этом генератор конструируют и выполняют с возможностью захождения в него воздуха, расширяющегося посредством детандера, для вырабатывания электрической энергии.