RU2193096C1 - Method of operation of gas turbine plant - Google Patents
Method of operation of gas turbine plant Download PDFInfo
- Publication number
- RU2193096C1 RU2193096C1 RU2001121469A RU2001121469A RU2193096C1 RU 2193096 C1 RU2193096 C1 RU 2193096C1 RU 2001121469 A RU2001121469 A RU 2001121469A RU 2001121469 A RU2001121469 A RU 2001121469A RU 2193096 C1 RU2193096 C1 RU 2193096C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- water
- steam
- working fluid
- water vapor
- combustion products
- Prior art date
Links
Abstract
Description
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. The invention relates to gas turbine plants, which are equipped with power plants, and can be used in the oil and gas industry in compressors for transporting natural gas through pipelines, at pumping stations for pumping oil and other facilities where powerful and compact drives are required.
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. A known method of operation of a gas turbine installation (see article by Romanov V.I. and Stashka A.I. Status and prospects of development of ship-type gas turbine drives for gas pumping units with a capacity of 2.5-25 MW // Compressor technology and pneumatics - 1997 - Issue 1 - 2 (14-15) - P. 113-119), a cycle which includes the supply of compressed air, fuel, and water vapor to the combustion chamber by a compressor, isobaric combustion of fuel in an atmosphere of water vapor; the expansion of the combined-cycle working fluid in the turbine with the completion of work; obtaining high-pressure steam by recuperative heat transfer in a regenerator between water and an expanded working fluid; separation after the recuperator of condensed water from the working fluid; discharge of combustion products; subsequent injection of condensed water to produce steam.
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. The disadvantage of this method is the burning of fuel in an atmosphere of water vapor. The process of burning fuel under such conditions requires an increased air content necessary for combustion, and is characterized by instability, which increases with increasing amount of supplied steam. As a result of which, firstly, the energy consumption for air compression increases and, as a result, the useful work of a gas turbine installation decreases. Secondly, the resulting vapor-gas working fluid has a pulsating temperature, which negatively affects the operation of the turbine, significantly reducing the efficiency of its operation and the entire installation as a whole.
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. The closest in technical essence to the claimed method is the method of operation of a gas turbine installation (see patent US 5271216, IPC 7 F 02 C 3/30, 1993), the cycle of which includes the supply of fuel and compressed air by the compressor into the combustion chamber, isobaric combustion of fuel in the latter, ejection of combustion products with water vapor to obtain a mixture of them - a gas-vapor working fluid, expansion of the gas-vapor working fluid in the turbine with the completion of work; getting steam from water heated by an expanded working fluid. In this method, the combustion process is stable, there are no temperature pulsations in the gas-vapor working fluid, and the gas turbine unit works more efficiently than in the previous method.
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. However, the need to maintain the high temperature of the expanded working fluid after the turbine in order to obtain high-energy water vapor in the regenerator for the ejection process is a significant drawback of this method. Maintaining a high temperature of the working fluid after the turbine leads to a decrease in its expansion in the turbine and, as a result, to a decrease in the work performed and a decrease in the efficiency (efficiency) of the installation as a whole. The need to maintain a high temperature after the turbine also leads to an increase in the initial temperature of the working fluid in front of the turbine, which leads to enhanced cooling of its working surfaces and housing, increased fuel consumption and reduced efficiency. installation.
Технической задачей настоящего изобретения является повышение коэффициента полезного действия газотурбинной установки. An object of the present invention is to increase the efficiency of a gas turbine installation.
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. To achieve this technical result in the method of operation of a gas turbine installation, including isobaric combustion of fuel with air, ejection of gaseous products of combustion with steam to obtain a vapor-gas working fluid, its expansion with the completion of work, production of water vapor from high-pressure water by heating the expanded working fluid with heat, separating condensed water from a cooled working fluid, obtaining high-pressure water by pumping separated water and discharging combustion products , during the ejection process, the amount of water vapor in the range from 0.25 to 0.5 of the mass flow rate of the gas-vapor working fluid is maintained, equalized before ejecting the temperature of the combustion products and water vapor, the pressure values of the combustion products and water vapor are selected, which provide sound or supersonic during ejection the mode of expiration of water vapor, the separated water is pumped with the pressure necessary to obtain water vapor, the temperature of which is equal to the temperature of the expanded working fluid.
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. Maintaining the amount of water vapor during the ejection process in the range from 0.25 to 0.5 of the mass flow rate of the entire working fluid through the turbine eliminates the air supply necessary for cooling the working fluid in front of the turbine. Thereby, the compressor's compression work decreases and the useful work of the entire installation increases, i.e. its efficiency is increasing
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. Performing heat transfer between the combustion products and water vapor before ejecting with equalizing their temperatures allows the process of their ejection mixing and compression of the gas-vapor mixture in the isothermal mode (as the most economical of the existing compression modes). An effective increase in the pressure of a gas-vapor working fluid allows to increase the work produced by the turbine and thereby increase the efficiency gas turbine installation.
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. The choice of the values of the pressures of the combustion products and water vapor, which ensure, during ejection, a sound or supersonic regime of the outflow of water vapor, makes it possible to increase the compression ratio of the working fluid compared with the pressure of the combustion products by 1.3-1.4 times, which significantly increases the efficiency of the turbine and, as consequence, increases the efficiency entire installation.
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. The injection of water separated from the cooled expanded working fluid with the pressure necessary to obtain water vapor, the temperature of which is equal to the temperature of the expanded working fluid after the turbine, allows you to create the maximum possible water vapor pressure for the ejection process, and increase the pressure of the gas-vapor working fluid until it expands in the turbine, and ultimately increase the efficiency installation.
Совокупность всех отличительных признаков позволяет повысить эффективный (внутренний) к.п.д. установки до величин порядка 0,41-0,45. The combination of all the hallmarks allows you to increase the effective (internal) efficiency setting to values of the order of 0.41-0.45.
Заявителю не известны способы работы газотурбинных установок, в которых бы повышение коэффициента полезного действия газотурбинной установки достигалось подобным образом. The applicant is not aware of the operating methods of gas turbine plants in which an increase in the efficiency of a gas turbine plant is achieved in a similar manner.
На чертеже представлена схема газотурбинной установки, реализующей предлагаемый способ. The drawing shows a diagram of a gas turbine installation that implements the proposed method.
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. The installation consists of a turbine 1, a compressor 2 for compressing air, an electric current generator 3, a fuel supercharger 4, a water pump 5, a recuperator 6, a separator 7, a combustion chamber 8, a heat exchanger 9, an ejector 10.
Способ осуществляется в газотурбинной установке следующим образом. The method is carried out in a gas turbine installation as follows.
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. The fuel compressed in the supercharger 4 and the air compressed in the compressor 2 are supplied to the combustion chamber 8. In the compressor 2, part of the energy obtained in the turbine 1 is used to compress the air. In the combustion chamber 8, isobaric fuel combustion is performed. In the ejector 10, the combustion products are ejected with water vapor to obtain a vapor-gas working fluid. In turbine 1, the gas-vapor working fluid is expanded with specific work. Water vapor is produced from high-pressure water in heat exchanger 6 by the heat of an expanded working fluid. High-pressure water is obtained by pumping water 5, which is isolated in the separator 7 from the expanded working fluid cooled in the recuperator 6. Selected by the separator 7, the combustion products are discharged.
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. The amount of water vapor supplied to the ejector 10 is maintained in the range from 0.25 to 0.5 of the mass flow rate of the combined-cycle working fluid through the turbine 1.
Перед эжектированием в теплообменнике 9 выполняют теплообмен между продуктами сгорания и водяным паром с целью выравнивания величин их температур. Before ejection in the heat exchanger 9, heat is exchanged between the combustion products and water vapor in order to equalize their temperature values.
Подачу продуктов сгорания и водяного пара в эжектор 10 производят с давлениями, величины которых обеспечивают сверхзвуковой режим истечения пара в эжекторе 10. The supply of combustion products and water vapor to the ejector 10 is carried out with pressures, the values of which provide a supersonic mode of steam outflow in the ejector 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. The water separated in the separator 7 from the cooled expanded working fluid is pumped with a pump 5 with the pressure necessary to obtain water vapor in the recuperator 6, the temperature of which is equal to the temperature of the expanded working fluid after the turbine 1.
ПРИМЕР. EXAMPLE.
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 850oС, 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 (850oС). 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 225oС. Высоконапорную воду получают путем нагнетания с давлением 2,5 МПа воды, которую отделяют из охладившегося до 50oС расширенного рабочего тела путем сепарации. Такое давление необходимо для получения водяного пара, температура которого равна температуре расширенного рабочего тела и составляет 225oС. Выделенные при сепарации продукты сгорания сбрасывают.For isobaric combustion of fuel - methane with a flow rate of 0.0306 kg / s - air is supplied with a pressure of 0.7 MPa. A gas-vapor working fluid having a pressure of 1.0 MPa and a temperature of 850 ° C. is obtained by ejecting combustion products with water vapor. During the ejection, the amount of water vapor is maintained in the range from 0.25 to 0.5 kg / s with a mass flow rate of 1 kg / s of the entire working fluid. Before ejection, a heat exchange is carried out between the combustion products and water vapor to equalize their temperatures (850 o C). Select the values of the pressures of the products of combustion and water vapor equal to 0.70 MPa and 2.50 MPa, respectively, to ensure the suction of the steam during ejection of the supersonic regime (Mach number - M = 1.3). The gas-vapor working fluid is expanded to a pressure of 0.12 MPa with a specific work of 7.55 • 10 6 J / kg. Water vapor is produced from high-pressure water by the heat of an expanded working fluid, having a temperature of 225 ° C after the turbine. High-pressure water is obtained by injecting water with a pressure of 2.5 MPa, which is separated from the expanded working fluid cooled to 50 ° C by separation. This pressure is necessary to obtain water vapor, the temperature of which is equal to the temperature of the expanded working fluid and is 225 ° C. The combustion products released during separation are discharged.
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.The specific work of the compressor 2 forcing air is 1.592 • 10 5 J / kg, the specific work of the blower is 4-65 J / kg, the specific work of the pump 4 forcing water, 1410 kJ / kg, the specific work of the ejector is 10-4.1 • 10 4 j / kg. At the lowest calorific value of fuel - methane, equal to 5 • 10 7 J / kg, effective efficiency gas turbine installation is 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. Thus, maintaining during the ejection process the amount of water vapor in the range from 0.25 to 0.5 of the mass flow rate of the gas-vapor working fluid, alignment before ejecting the temperature of the combustion products and water vapor, maintaining the pressure values of the combustion products and water vapor, ensuring it during ejection sound or supersonic regime of the outflow of water vapor, and injection of separated water with the pressure necessary to obtain water vapor, the temperature of which is equal to the temperature of the expanded working fluid, according to allowed to bring effective efficiency gas turbine installation up to 0.43.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001121469A RU2193096C1 (en) | 2001-08-02 | 2001-08-02 | Method of operation of gas turbine plant |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001121469A RU2193096C1 (en) | 2001-08-02 | 2001-08-02 | Method of operation of gas turbine plant |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2193096C1 true RU2193096C1 (en) | 2002-11-20 |
Family
ID=20252250
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2001121469A RU2193096C1 (en) | 2001-08-02 | 2001-08-02 | Method of operation of gas turbine plant |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2193096C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102269141A (en) * | 2011-08-05 | 2011-12-07 | 文会桥 | Ambient temperature engine |
| RU2467190C2 (en) * | 2006-10-24 | 2012-11-20 | Флексэнержи Энерджи Системз Инк. | System of fuel compression/conditioning for gas conditioning, method of gas conditioning and micro turbine engine |
-
2001
- 2001-08-02 RU RU2001121469A patent/RU2193096C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2467190C2 (en) * | 2006-10-24 | 2012-11-20 | Флексэнержи Энерджи Системз Инк. | System of fuel compression/conditioning for gas conditioning, method of gas conditioning and micro turbine engine |
| CN102269141A (en) * | 2011-08-05 | 2011-12-07 | 文会桥 | Ambient temperature engine |
| CN102269141B (en) * | 2011-08-05 | 2013-08-21 | 文会桥 | Ambient temperature engine |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5331806A (en) | Hydrogen fuelled gas turbine | |
| CN105980690B (en) | For the system and method produced electricl energy | |
| CN101230799A (en) | Power augmentation of combustion turbines with compressed air energy storage and additional expander with airflow extraction and injection thereof upstream of combustors | |
| CN112780409B (en) | Continuous detonation-based gas turbine and liquid compressed air energy storage coupling system and method | |
| US20150260053A1 (en) | System and method for generating electric energy | |
| CN111608741B (en) | ORC system for recycling waste heat of generator | |
| CN103397933B (en) | Extreme heat machine and method of work thereof | |
| CN110186220B (en) | Water-medium jet type heat pump system with cascade waste heat recovery function and working method thereof | |
| CN213807777U (en) | Coupling system of thermal power generation system and compressed air energy storage system | |
| RU2193096C1 (en) | Method of operation of gas turbine plant | |
| CN116780783B (en) | Carbon dioxide trapping energy storage system and control method | |
| RU2665794C1 (en) | Method and plant for mechanical and thermal energy generation | |
| RU2616148C2 (en) | Electric power generation device with high temperature vapour-gas condensing turbine | |
| CN1566715A (en) | Vapor jetting vacuum jet pressurizing device and its application | |
| CN209990560U (en) | Cold energy cascade utilization system based on thermoacoustic technology | |
| US5271216A (en) | Method for increasing the compressor-related pressure drop of the gas turbine of a power plant | |
| CN114575951B (en) | Organic Rankine two-stage flash evaporation circulating system with gas-liquid injector | |
| CN202811058U (en) | Continuous combustion piston type internal combustion engine | |
| CN109681325A (en) | Natural gas-supercritical CO of zero carbon emission2Combined cycle generating process | |
| RU2174615C2 (en) | Gas-steam plant operation method | |
| CN203783660U (en) | Carnot-Rankine mixed cycle high-efficiency generating equipment | |
| CN1249418A (en) | Method and equipment for refrigerating by boosting and flash vaporation | |
| CN110671164A (en) | Turbine driving gas compression system and working method thereof | |
| RU2056584C1 (en) | Supercharged boiler and steam production process in it | |
| RU2134807C1 (en) | Gas-turbine plant and method of its operation |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180803 |