RU2011871C1

RU2011871C1 - Method and device for preparing fuel for combustion in gas-turbine plant

Info

Publication number: RU2011871C1
Authority: RU
Inventors: Д.А. Мунштуков; П.П. Костенко; К.В. Беляков
Original assignee: Харьковский авиационный институт им.Н.Е.Жуковского
Priority date: 1987-09-21
Filing date: 1987-09-21
Publication date: 1994-04-30

Abstract

FIELD: gas-turbine manufacture. SUBSTANCE: additional cycle for a part of working medium with stoichiometric combustion and fuel converting in a high-speed flow is organized in a gas-turbine cycle. The gas-turbine plant has a compressor, a combustion chamber, a turbine, a converter which, in turn, has a precombustion chamber, an accelerating nozzle, a conversion chamber, a diffuser, a converter turbine and fuel-feed devices. The turbine, the compressor and the converter turbine are connected by a power transmission. EFFECT: improved efficiency. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области газотурбостроения и может использоваться при создании как стационарных, так и транспортных газотурбинных установок (ГТУ) с более высокими экономичностью и удельной мощностью по сравнению с существующими, в частности для насосных станций газопроводов. The invention relates to the field of gas turbine construction and can be used to create both stationary and transport gas turbine units (GTU) with higher efficiency and specific power compared to existing ones, in particular for gas pumping stations.

В качестве прототипа приняты способ конвертирования топлива в теплосиловой установке и устройство для его осуществления [1] . При использовании этого способа установку покидает только часть отработавших газов, а другую их часть направляют в камеру конверсии, туда же подают топливо, а образовавшиеся продукты конверсии сжимают и возвращают в камеру сгорания. Принятая в качестве прототипа ГТУ содержит компрессор, камеру сгорания, турбину и камеру конверсии. Конвертирование топлива в ней позволяет повысить экономичность установки. As a prototype adopted a method of converting fuel in a heat-power plant and a device for its implementation [1]. When using this method, only part of the exhaust gases leaves the installation, and the other part is sent to the conversion chamber, fuel is supplied there, and the resulting conversion products are compressed and returned to the combustion chamber. Adopted as a prototype GTU contains a compressor, a combustion chamber, a turbine and a conversion chamber. Converting fuel in it allows you to increase the efficiency of the installation.

Однако конвертирование топлива таким способом эффективно лишь в энергетических установках, работающих на стехиометрических продуктах сгорания. Современные же ГТУ работают на продуктах сгорания обедненных топливовоздушных смесей. В таком случае введение топлива в отработавшие газы, содержащие избыточное количество кислорода, сопровождалось бы окислением, а не конвертированием топлива. Но и в перспективных ГТУ со стехиометрической камерой сгорания повышение экономичности будет сопровождаться снижением удельной мощности установки из-за большей работы сжатия горячей среды, которую надо затратить, направляя продукты конверсии в камеру сгорания. However, fuel conversion in this way is effective only in power plants operating on stoichiometric combustion products. Modern gas turbines are based on the combustion products of lean air-fuel mixtures. In this case, the introduction of fuel into the exhaust gases containing excess oxygen would be accompanied by oxidation, rather than conversion of the fuel. But even in promising gas turbines with a stoichiometric combustion chamber, an increase in efficiency will be accompanied by a decrease in the unit's specific power due to the larger compression work of the hot medium, which must be expended by directing the conversion products into the combustion chamber.

Целью изобретения является повышение экономичности и удельной мощности ГТУ регенерацией теплоты путем конвертирования топлива при любых условиях работы камеры сгорания. The aim of the invention is to increase the efficiency and specific power of gas turbines with heat recovery by converting fuel under any operating conditions of the combustion chamber.

Для достижения поставленной цели воздух, сжатый компрессором ГТУ, разделяют на две части, одну из которых направляют в конвертер, где организуют дополнительный термодинамический цикл теплового двигателя со стехиометрическим сгоранием и отводом теплоты путем конвертирования топлива. В конвертере тепловую энергию преобразуют в механическую энергию сил давления рабочей среды. Регенерируют не теплоту потока отработавших газов на выходе установки, а всю теплоту, отводимую в дополнительном цикле. Кроме ее частичной регенерации в самом дополнительном цикле, продукты конверсии из конвертера направляют в камеру сгорания, где их сжигают в остальной части воздуха, подаваемого компрессором. Величина этой части воздуха обусловлена допустимой температурой газа перед турбиной. To achieve this goal, the air compressed by the GTU compressor is divided into two parts, one of which is sent to the converter, where they organize an additional thermodynamic cycle of the heat engine with stoichiometric combustion and heat removal by converting the fuel. In the converter, thermal energy is converted into mechanical energy of the pressure medium of the working medium. Regenerate not the heat of the exhaust gas stream at the outlet of the unit, but all the heat removed in the additional cycle. In addition to its partial regeneration in the most advanced cycle, the conversion products from the converter are sent to the combustion chamber, where they are burned in the rest of the air supplied by the compressor. The value of this part of the air is due to the permissible temperature of the gas in front of the turbine.

Для осуществления предлагаемого способа конвертирования топлива предлагается газотурбинная установка, содержащая компрессор, камеру сгорания и турбину, между компрессором и камерой сгорания которой установлен конвертер, где и происходит дополнительный цикл теплового двигателя. Конвертер состоит из расположенных последовательно форкамеры, разгонного сопла, камеры конверсии, диффузора и турбины конвертера. To implement the proposed method for converting fuel, a gas turbine installation is proposed, comprising a compressor, a combustion chamber and a turbine, between which a converter is installed between the compressor and the combustion chamber, where an additional cycle of the heat engine occurs. The converter consists of sequentially prechambers, an accelerating nozzle, a conversion chamber, a diffuser and a converter turbine.

Часть воздуха от компрессора поступает в форкамеру конвертера. Туда же подают стехиометрическую по отношению к этому количеству воздуха порцию продуктов конверсии и сжигают ее. Образовавшиеся газы расширяют в разгонном сопле и подают в камеру конверсии, куда поступает и топливо. Течение в камере конверсии осуществляют с высокой скоростью. В результате эндотермических реакций температура потока в камере конверсии снижается, а его плотность возрастает. Возникает термопрессовый эффект: вследствие отвода теплоты полное давление потока становится выше начального, которое он имел в форкамере. Part of the air from the compressor enters the pre-chamber of the converter. A portion of the conversion products stoichiometric with respect to this amount of air is also fed there and burned. The resulting gases are expanded in the accelerating nozzle and fed into the conversion chamber, where fuel also enters. The flow in the conversion chamber is carried out at high speed. As a result of endothermic reactions, the temperature of the stream in the conversion chamber decreases, and its density increases. There is a thermopress effect: due to the removal of heat, the total pressure of the flow becomes higher than the initial pressure that it had in the prechamber.

Такое повышение давления путем отвода теплоты от потока является непосредственным полезным эффектом дополнительного цикла. Избыток давления продуктов конверсии, имеющих допустимую температуру, используют для получения полезной работы на турбине конвертера, расширяя их до давления воздуха за компрессором. После этого продукты конверсии сжигают, осуществляя регенерацию их теплоты, в форкамере и камере сгорания. Температура за камерой сгорания не будет превышать допустимого по условиям прочности лопаток турбины ГТУ уровня при соответствующим образом выбранном расходе части воздуха, направляемого в камеру сгорания непосредственно от компрессора. Such an increase in pressure by removing heat from the flow is a direct beneficial effect of the additional cycle. The excess pressure of the conversion products having an acceptable temperature is used to obtain useful work on the converter turbine, expanding them to the air pressure behind the compressor. After this, the conversion products are burned, regenerating their heat, in the prechamber and the combustion chamber. The temperature behind the combustion chamber will not exceed the level allowed by the strength conditions of the turbine turbine blades at an appropriately selected flow rate of part of the air directed to the combustion chamber directly from the compressor.

Существенным отличием заявляемого способа конвертирования топлива в ГТУ является дополнительный отбор части сжатого воздуха и части конвертированного топлива, смешение их в стехиометрическом соотношении и осуществление конвертирования топлива путем его смешения с продуктами сгорания этой стехиометрической смеси после их расширения. Чтобы осуществить этот способ в схему ГТУ включают конвертер, подключенный к выходу компрессора, причем конвертер выполнен в виде последовательно соединенных по газу форкамеры, разгонного сопла, камеры конверсии, диффузора и турбины конвертера, выход которой подключен к камере сгорания и форкамере. A significant difference of the proposed method for converting fuel to gas turbine is the additional selection of a portion of compressed air and part of the converted fuel, mixing them in a stoichiometric ratio and converting the fuel by mixing it with the products of combustion of this stoichiometric mixture after their expansion. To implement this method, a converter connected to the compressor output is included in the GTU circuit, the converter being made in the form of a prechamber, an acceleration nozzle, a conversion chamber, a diffuser, and a converter turbine, the output of which is connected to the combustion chamber and the prechamber, in series with the gas.

В результате повышается не только экономичность, но и удельная мощность установки. Благодаря организации стехиометрического процесса в форкамере конвертера положительный эффект достигается при любых условиях работы камеры сгорания ГТУ, обеспечивающей допустимую температуру газов. As a result, not only profitability is increased, but also the specific power of the installation. Due to the organization of the stoichiometric process in the pre-chamber of the converter, a positive effect is achieved under any operating conditions of the gas turbine combustion chamber, which ensures the permissible temperature of the gases.

На чертеже представлена схема предлагаемой газотурбинной установки с регенерацией теплоты путем конвертирования топлива. The drawing shows a diagram of the proposed gas turbine installation with heat recovery by converting fuel.

Газотурбинная установка содержит компрессор 1, камеру сгорания 2, турбину 3 и конвертер 4, который состоит из расположенных последовательно форкамеры 5, разгонного сопла 6, камеры конверсии 7, диффузора 8 и турбины 9 конвертера. Форкамера 5 имеет топливоподающее устройство 10 для ввода в нее продуктов конверсии, а камера конверсии 7 - топливоподающее устройство 11. Вход конвертера 4 подключен к выходу компрессора 1, а его выход - к камере сгорания 2 и форкамере 5. Турбина 3 и турбина 9 конвертера связаны силовой передачей с компрессором 1 и потребителем полезной работы 12. The gas turbine installation comprises a compressor 1, a combustion chamber 2, a turbine 3 and a converter 4, which consists of sequentially prechambers 5, an accelerating nozzle 6, a conversion chamber 7, a diffuser 8, and a converter turbine 9. The prechamber 5 has a fuel supply device 10 for introducing conversion products into it, and the conversion chamber 7 has a fuel supply device 11. The input of the converter 4 is connected to the output of the compressor 1, and its output is connected to the combustion chamber 2 and the prechamber 5. The turbine 3 and the converter turbine 9 are connected power transmission with compressor 1 and useful work consumer 12.

Воздух из окружающей среды с массовым расходом G_в поступает в компрессор 1, за которым его разделяют на два потока. Активный поток, расход которого равен G_в1, поступает в форкамеру 5 конвертера 4. Туда же через топливоподающее устройство 10 подают продукты конверсии, отбираемые от потока за турбиной 9 конвертера. Образовавшиеся в форкамере 5 стехиометрические продукты сгорания ускоряют в разгонном сопле 6 и направляют в камеру конверсии 7. Сюда же через топливоподающее устройство 11 вводят с расходом G_т топливо. В камере конверсии 7 происходят эндотермические реакции конверсии топлива, и полное давление высокоскоростного потока в результате отвода теплоты возрастает. Для преобразования кинетической энергии потока в энергию сил давления установлен диффузор 8. Продукты конверсии поступают затем на турбину 9 конвертера, где их давление, повышенное вследствие термопрессового эффекта, снижается до давления воздуха за компрессором 1.Air from the environment with a mass flow rate G _in enters the compressor 1, after which it is divided into two streams. The active stream, the flow rate of which is equal to G _in1 , enters the pre-chamber 5 of the converter 4. There, through the fuel supply device 10, conversion products are sampled from the stream behind the converter turbine 9. 5 stoichiometric combustion products formed in the prechamber speed in accelerating nozzle 6 and sent to the conversion chamber 7. This also through the fuel supplying device 11 is introduced at a flow rate G _T fuel. In the conversion chamber 7, endothermic reactions of the fuel conversion take place, and the total pressure of the high-speed flow increases as a result of heat removal. To convert the kinetic energy of the flow to the energy of the pressure forces, a diffuser is installed 8. The conversion products then enter the converter turbine 9, where their pressure, increased due to the thermopress effect, decreases to the air pressure behind the compressor 1.

Пассивную часть воздуха с расходом G_в2 от компрессора 1 направляют непосредственно в камеру сгорания 2, куда поступают и продукты конверсии из конвертера 4. Расход воздуха G_в2 устанавливают таким, чтобы продукты сгорания имели бы температуру, допустимую по условиям прочности лопаток турбины 3.The passive part of the air with a flow rate of G _B2 from the compressor 1 is sent directly to the combustion chamber 2, where the conversion products from the converter 4 also enter. The air flow G _{B2 is} set so that the combustion products have a temperature acceptable under the strength conditions of the turbine blades 3.

Включение в схему ГТУ конвертера, в котором создают и полезно используют повышение полного давления потока при отводе теплоты эндотермических реакций конверсии топлива, улучшает экономичность и энергетические показатели ГТУ. The inclusion of a converter in the gas turbine circuit, in which the increase in the total pressure of the flow is created and it is useful to use it when the heat of the endothermic reactions of the fuel conversion is removed, improves the gas turbine economy and energy performance.

Claims

1. A method of preparing fuel for combustion in a gas turbine installation, comprising mixing fuel with expanded gases, heating it to a conversion temperature, mixing convertible fuel with compressed air and supplying it to a combustion chamber, characterized in that, in order to increase efficiency and specific power, additionally carry out the mixing of part of the compressed air with part of the convertible fuel in a stoichiometric ratio, and heating the fuel to a temperature of conversion is carried out by mixing it with combustion products of this stoichiometric mixture after their expansion.

2. A device for preparing fuel for combustion in a gas turbine installation, comprising a combustion chamber and a converter, characterized in that, in order to increase the specific power and economy, the device is equipped with a converter turbine and an auxiliary compressed air supply pipe connected to the converter inlet, the latter is made in the form of a prechamber, an accelerating nozzle, a conversion chamber and a diffuser, connected in series with gas, and the converter turbine is connected at the input to the outlet of the diffuser, and at the exit to the combustion chamber and rkamere.