RU2338907C1

RU2338907C1 - Gas turbine unit for producing electric power, compressed air and for driving various equipment

Info

Publication number: RU2338907C1
Application number: RU2007103726/06A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Александрович Новосельцев (RU); Дмитрий Александрович Новосельцев
Original assignee: Дмитрий Александрович Новосельцев
Priority date: 2007-01-30
Filing date: 2007-01-30
Publication date: 2008-11-20

Abstract

FIELD: engines and pumps, electrical engineering.

SUBSTANCE: gas turbine unit designed to produce electric power, compressed air and to drive various equipment represents two functional modules, i.e. compressed air generator module representing auxiliary gas turbine engine and turbo drive module incorporating auxiliary systems connected by compressed air control system composed so as to carry out a discrete or a smooth compressed air distribution between outer loads, or between an outer load or an outer circuit and the turbo drive module.

EFFECT: production of electric power and compressed air, driving mechanical hardware.

7 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области газотурбинной техники, а именно к установкам для производства электроэнергии, сжатого воздуха для технологических целей и механического привода оборудования, например насосов. Газотурбинная установка может быть использована, например, для эксплуатации предприятиями нефтегазодобывающего комплекса, аварийными службами и в прочих областях, где есть необходимость в мобильных источниках механической мощности, электроэнергии и сжатого воздуха.The invention relates to the field of gas turbine technology, and in particular to installations for the production of electricity, compressed air for technological purposes and the mechanical drive of equipment, such as pumps. A gas turbine installation can be used, for example, for operation by enterprises of the oil and gas production complex, emergency services and in other areas where there is a need for mobile sources of mechanical power, electricity and compressed air.

Известны вспомогательные газотурбинные двигатели, применяемые главным образом в авиации, для снабжения электроэнергией бортовых потребителей. Такие двигатели имеют различные конструктивные схемы, но выполнены таким образом, чтобы обеспечивать потребителей сжатым воздухом и электроэнергией. Также известны технические решения на базе этих двигателей для наземного применения, например [1].Auxiliary gas turbine engines, mainly used in aviation, for supplying electricity to onboard consumers, are known. Such engines have various design schemes, but are designed in such a way as to provide consumers with compressed air and electricity. Also known are technical solutions based on these engines for ground applications, for example [1].

Известен [2] опытный образец мобильного энергетического комплекса ФГУП «Уфимское агрегатное предприятие «Гидравлика», выполненный в виде установленного на автомобильном шасси малогабаритного вспомогательного газотурбинного двигателя ТА6А, обеспечивающего одновременное производство электрической энергии (до 40 кВ·А) и сжатого воздуха (до 1,35 кг/с, при давлении 3,5-3,9 кПа и температуре 205-245°C). Мобильный энергетический комплекс также позволяет использовать выхлопные газы (до 6 кг/с, при температуре 400-500°С). Данные характеристики достигаются при расходе жидкого топлива типа авиационного керосина до 240 кг/ч.Known [2] is a prototype of the mobile power complex of the Federal State Unitary Enterprise "Ufa Aggregate Enterprise" Hydraulics ", made in the form of a small-sized auxiliary gas turbine engine TA6A mounted on a car chassis, providing simultaneous production of electrical energy (up to 40 kVA) and compressed air (up to 1, 35 kg / s, at a pressure of 3.5-3.9 kPa and a temperature of 205-245 ° C). The mobile energy complex also allows the use of exhaust gases (up to 6 kg / s, at a temperature of 400-500 ° C). These characteristics are achieved with the consumption of liquid fuel such as aviation kerosene up to 240 kg / h.

Возможно использование известных установок [1], в т.ч. известного мобильного энергетического комплекса [2], для привода различного оборудования, например насосов, Для этого в состав установки или используемого оборудования должен дополнительно входить электродвигатель, питание которого электроэнергией осуществляется от генератора вспомогательного газотурбинного двигателя.It is possible to use known installations [1], incl. known mobile energy complex [2], for the drive of various equipment, such as pumps. For this, the installation or equipment used must additionally include an electric motor, which is powered by electric energy from the generator of the auxiliary gas turbine engine.

Недостатками известного энергетического комплекса [2] и других аналогичных установок являются относительно низкая мощность приводимого оборудования, например насосов, и крайне высокий удельный расход топлива на единицу мощности данного оборудования (порядка 6 кг/(кВт·ч)). Другим недостатком также является отсутствие возможности значительного увеличения мощности в условиях, когда нет потребности в отборе сжатого воздуха (без выполнения работ по изменению конструкции газотурбинного двигателя). При этом при эксплуатации приводимого оборудования вырабатываемый сжатый воздух может не использоваться. В то же время при использовании электроэнергии для привода оборудования она практически не отпускается прочим потребителям.The disadvantages of the known energy complex [2] and other similar installations are the relatively low power of the driven equipment, such as pumps, and the extremely high specific fuel consumption per unit power of this equipment (about 6 kg / (kW · h)). Another disadvantage is the lack of the possibility of a significant increase in power in conditions where there is no need for the selection of compressed air (without performing work to change the design of the gas turbine engine). At the same time, when operating the driven equipment, the generated compressed air may not be used. At the same time, when using electricity to drive equipment, it is practically not released to other consumers.

Целью изобретения является обеспечение возможности производства газотурбинной установкой сжатого воздуха и незначительного количества электроэнергии для собственных нужд и внешних потребителей, либо механического привода оборудования относительно большой мощности и производства незначительного количества электроэнергии для собственных нужд и внешних потребителей при незначительном или нулевом расходе сжатого воздуха, либо совместного производства электроэнергии и сжатого воздуха и механического привода оборудования относительно большой мощности, по необходимости, без выполнения работ по изменению конструкции газотурбинного двигателя установки в условиях эксплуатации.The aim of the invention is to enable the gas turbine to produce compressed air and an insignificant amount of electricity for internal needs and external consumers, or to drive a relatively high power mechanical equipment and produce an insignificant amount of electric energy for internal needs and external consumers with little or no compressed air consumption, or joint production electricity and compressed air and mechanical drive equipment flax of high power, if necessary, without performing work to change the design of the gas turbine engine of the installation under operating conditions.

Указанная цель достигается тем, что установка выполнена в виде двух функциональных модулей: модуля генератора сжатого воздуха, выполненного в виде вспомогательного газотурбинного двигателя, и модуля турбопривода со вспомогательными системами модулей, соединенных регулируемым узлом распределения сжатого воздуха. Узел распределения сжатого воздуха выполнен таким образом, чтобы осуществлять дискретное или плавное распределение сжатого воздуха между внешним потребителем или внешней сетью и модулем турбопривода. Для повышения мобильности и обеспечения многофункциональности установки узел распределения сжатого воздуха может быть выполнен быстроразъемным, а функциональные модули генератора сжатого воздуха и турбопривода со вспомогательными системами модулей установлены на отдельных шасси. Модуль турбопривода выполнен в виде воздушной турбины и выходного вала с кинематической связью между ними, и, при необходимости, между воздушной турбиной и выходным валом может быть установлен редуктор, причем редуктор может быть сменным или допускать регулирование передаточного отношения.This goal is achieved by the fact that the installation is made in the form of two functional modules: a compressed air generator module, made in the form of an auxiliary gas turbine engine, and a turbo drive module with auxiliary systems of modules connected by an adjustable compressed air distribution unit. The compressed air distribution unit is designed to provide a discrete or smooth distribution of compressed air between an external consumer or an external network and a turbo drive module. To increase mobility and ensure multifunctionality of the installation, the compressed air distribution unit can be made quick-disconnect, and the functional modules of the compressed air generator and turbo drive with auxiliary module systems are installed on separate chassis. The turbine drive module is made in the form of an air turbine and an output shaft with a kinematic connection between them, and, if necessary, a gearbox can be installed between the air turbine and the output shaft, and the gearbox can be interchangeable or allow gear ratio adjustment.

На фиг.1 приведена принципиальная схема простейшей газотурбинной установки для производства электроэнергии, сжатого воздуха и механического привода оборудования с редуктором турбопривода, на фиг.2 - схема газотурбинной установки с редуктором турбопривода и с регенерацией тепла выхлопных газов вспомогательного газотурбинного двигателя.Figure 1 shows a schematic diagram of a simple gas turbine installation for the production of electricity, compressed air and a mechanical drive of equipment with a turbo drive reducer, figure 2 is a diagram of a gas turbine installation with a turbo drive reducer and with heat recovery of the exhaust gases of an auxiliary gas turbine engine.

Газотурбинная установка для производства электроэнергии, сжатого воздуха и механического привода оборудования (фиг.1) выполнена в виде двух функциональных модулей: модуля генератора сжатого воздуха 1 и модуля турбопривода 2, соединенных регулируемым узлом распределения сжатого воздуха 3. Между узлом распределения сжатого воздуха 3 и модулем турбогенератора 2 также может быть расположен газовоздушный теплообменник 4 (фиг.2).A gas turbine installation for the production of electricity, compressed air and a mechanical drive of the equipment (Fig. 1) is made in the form of two functional modules: a compressed air generator module 1 and a turbo drive module 2 connected by an adjustable compressed air distribution unit 3. Between the compressed air distribution unit 3 and the module turbogenerator 2 can also be located gas-air heat exchanger 4 (figure 2).

Модуль генератора сжатого воздуха 1 выполнен в виде вспомогательного газотурбинного двигателя авиационного типа со вспомогательными системами. В составе модуля 1 могут быть использованы, например, двигатель ТА6А разработки НПО «Аэросила», применяемый в составе мобильного энергетического комплекса ФГУП «Уфимское агрегатное предприятие «Гидравлика» [2], или более мощный двигатель ВСУ-10 разработки ОАО «Омское моторостроительное конструкторское бюро» [3], обеспечивающий одновременное производство электрической энергии (до 40-60 кВ·А) и сжатого воздуха (до 3,5 кг/с, при давлении 4,5-4,65 кПа и температуре 210-215°C), либо другие аналогичные двигатели. Газотурбинный двигатель модуля 1 может быть выполнен для работы на жидком углеводородном топливе или в многотопливном исполнении (на жидком и газообразном углеводородном топливе).The compressed air generator module 1 is made in the form of an aircraft-type auxiliary gas turbine engine with auxiliary systems. As part of module 1, for example, the TA6A engine developed by NPO Aerosila, used as part of the Ufa Hydraulic Aggregate Hydraulic Plant mobile power complex [2], or the more powerful VSU-10 engine developed by Omsk Motor Engineering Design Bureau OJSC can be used "[3], ensuring the simultaneous production of electrical energy (up to 40-60 kVA) and compressed air (up to 3.5 kg / s, at a pressure of 4.5-4.65 kPa and a temperature of 210-215 ° C), or other similar engines. The gas turbine engine of module 1 can be made to operate on liquid hydrocarbon fuel or in a multi-fuel version (liquid and gaseous hydrocarbon fuel).

Модуль турбопривода 2 содержит выходной вал 5 с соединительной муфтой и воздушную турбину 6, между которыми существует кинематическая связь, например, через общий вал. Между воздушной турбиной 6 и выходным валом 5 может быть установлен редуктор 7, причем редуктор может быть сменным или допускать регулирование передаточного отношения для обеспечения частоты вращения выходного вала 5, необходимой для механического привода применяемого оборудования, например насоса.The turbo drive module 2 comprises an output shaft 5 with a coupling and an air turbine 6, between which there is a kinematic connection, for example, via a common shaft. A gearbox 7 can be installed between the air turbine 6 and the output shaft 5, the gearbox can be interchangeable or allow the gear ratio to be adjusted to provide the speed of the output shaft 5 necessary for the mechanical drive of the equipment used, for example, a pump.

Узел распределения сжатого воздуха 3 выполнен таким образом, что обеспечивает дискретное или плавное изменение расхода сжатого воздуха при положениях заслонки от полностью открытого («откр.» на фиг.1, 2), когда весь расход воздуха направляется от модуля 1 к модулю 2, до полностью закрытого («закр.» на фиг.1, 2), весь расход воздуха направляется от модуля 1 к внешнему потребителю или во внешнюю сеть.The distribution unit of compressed air 3 is designed in such a way that provides a discrete or smooth change in the flow rate of compressed air at the damper positions from fully open (“open” in FIGS. 1, 2), when the entire air flow goes from module 1 to module 2, to completely closed ("closed" in figures 1, 2), the entire air flow is sent from module 1 to an external consumer or to an external network.

Между узлом распределения воздуха 3 и модулем 2 может быть расположен газовоздушный теплообменник 4 (фиг.2).Between the air distribution unit 3 and the module 2 can be located gas-air heat exchanger 4 (figure 2).

Газотурбинная установка работает следующим образом. В газотурбинный двигатель модуля 1 подается топливо, за счет сгорания которого обеспечивается работа двигателя. При этом встроенным генератором двигателя вырабатывается электроэнергия мощностью 40-60 кВ·А, используемая для собственных нужд газотурбинной установки, а также для внешних потребителей. Газотурбинным двигателем модуля 1 за счет отбора воздуха от основного компрессора двигателя или за счет работы вспомогательного приводного компрессора в зависимости от конструктивной схемы двигателя осуществляется подача сжатого воздуха в узел распределения 3. Выхлопные газы от газотурбинного двигателя отводятся за пределы модуля 1, а также могут быть направлены во внешнее теплофикационное устройство или теплофикационную сеть или использованы в газо-воздушном теплообменнике 4 (фиг.2) для предварительного подогрева воздуха перед воздушной турбиной 6 модуля 2.Gas turbine installation operates as follows. Fuel is supplied to the gas turbine engine of module 1, due to the combustion of which the engine is ensured. At the same time, a built-in engine generator generates electricity with a capacity of 40-60 kV · A, used for the auxiliary needs of a gas turbine installation, as well as for external consumers. The gas turbine engine of module 1 due to the selection of air from the main compressor of the engine or due to the operation of the auxiliary drive compressor, depending on the design of the engine, compressed air is supplied to the distribution unit 3. The exhaust gases from the gas turbine engine are discharged outside the module 1, and can also be directed in an external heating device or heating network or used in a gas-air heat exchanger 4 (figure 2) for preheating the air before air shny turbine 6 module 2.

При полностью открытой заслонке узла распределения 3 («откр.» на фиг.1, 2) весь расход воздуха направляется от модуля 1 к модулю 2.When the flap of the distribution unit 3 is fully open (“open” in FIGS. 1, 2), the entire air flow is directed from module 1 to module 2.

Сжатый воздух, поступающий из узла распределения 3, приводит в действие воздушную турбину 6, от которой осуществляется вращение выходного вала 5 через редуктор 7. От вала 5 через соединительную муфту осуществляется механический привод оборудования. Отработанный воздух из турбины 6 выводится в атмосферу за пределы модуля 2. Если между узлом распределения сжатого воздуха 3 и модулем турбопривода 2 дополнительно расположен газовоздушный теплообменник 4 (фиг.2), возможно повышение КПД турбопривода за счет предварительного подогрева сжатого воздуха, поступающего в модуль 2 от узла распределения 3, выхлопными газами от газотурбинного двигателя модуля 1. Сжатый воздух внешним потребителям не подается, и газотурбинная установка работает в режиме механического привода при незначительном производстве электроэнергии.Compressed air coming from the distribution unit 3 drives an air turbine 6, from which the output shaft 5 rotates through the gear 7. From the shaft 5, the equipment is mechanically driven through the coupling. The exhaust air from the turbine 6 is discharged into the atmosphere outside the module 2. If there is an additional gas-air heat exchanger 4 between the compressed air distribution unit 3 and the turbodrive module 2 (Fig. 2), it is possible to increase the efficiency of the turbodrive by preheating the compressed air entering the module 2 from distribution unit 3, exhaust gases from the gas turbine engine of module 1. Compressed air is not supplied to external consumers, and the gas turbine installation operates in the mechanical drive mode with a slight loss of power production.

При полностью закрытой заслонке узла распределения 3 («закр.» на фиг.1, 2) весь расход воздуха направляется от модуля 1 к внешнему потребителю или во внешнюю сеть, в модуль 2 воздух не поступает. Турбина 6 не работает и механический привод не производится. Газотурбинная установка работает в режиме производства сжатого воздуха, который подается внешним потребителям, при незначительном производстве электроэнергии.When the shutter of the distribution unit 3 is completely closed (“closed” in FIGS. 1, 2), the entire air flow is directed from module 1 to an external consumer or to an external network; air does not enter module 2. Turbine 6 does not work and mechanical drive is not performed. The gas turbine unit operates in the compressed air production mode, which is supplied to external consumers, with little electricity production.

При частично закрытой заслонке узла распределения 3 газотурбинная установка работает в режиме совместного производства электроэнергии и сжатого воздуха и механического приводаWhen the shutter of the distribution unit 3 is partially closed, the gas turbine unit operates in the mode of joint production of electricity and compressed air and a mechanical drive

Если предполагается использование газотурбинной установки для работ, предполагающих производство только сжатого воздуха (например, для продувки участков трубопроводов после ремонтных работ), возможно отделение модуля 1 от модуля 2 по быстроразъемному стыку распределительного узла 3 и его перемещение к месту эксплуатации на отдельном автономном шасси. Модуль 1 работает аналогично известному мобильному энергетическому комплексу ФГУП «Уфимское агрегатное предприятие «Гидравлика» [2]. После завершения таких работ снова производится сборка установки.If it is intended to use a gas turbine installation for operations involving the production of only compressed air (for example, to purge sections of pipelines after repair work), it is possible to separate module 1 from module 2 along the quick disconnect junction of distribution unit 3 and move it to the operating site on a separate autonomous chassis. Module 1 works similarly to the well-known mobile power complex FSUE Ufa Aggregate Enterprise Hydraulics [2]. After completion of such work, the installation is again completed.

Предлагаемая схема газотурбинной установки для производства электроэнергии, сжатого воздуха и механического привода оборудования обеспечивает ее многофункциональность и гибкость в выборе режимов работы.The proposed scheme of a gas turbine installation for the production of electricity, compressed air and a mechanical drive of the equipment provides its multifunctionality and flexibility in the choice of operating modes.

Воздушная турбина и редукторы модуля турбопривода могут быть изготовлены на базе турбин и редукторов серийных изделий после соответствующей конструктивной доводки.The air turbine and gearboxes of the turbo-drive module can be made on the basis of turbines and gearboxes of serial products after appropriate structural refinement.

Источники информацииInformation sources

1. Омскому моторостроительному конструкторскому бюро - 50 лет. - Омск, 2006 г. - 208 с., стр.105.1. Omsk Motor Engineering Design Bureau - 50 years. - Omsk, 2006 - 208 p., P. 105.

2. В Уфе изготовлен опытный образец мобильного энергетического комплекса на базе малогабаритного ГТД / Рынок электротехники, №3, 2006 г., стр.10 (прототип).2. A prototype of a mobile energy complex based on a small-size gas turbine engine / Electrical Engineering Market, No. 3, 2006, p. 10 (prototype) was made in Ufa.

3. Двигатели 1994-2000: авиационные, ракетные, морские, наземные. - М.: ООО «АКС-Конверсия», 2000 г. - 434 с., стр.125.3. Engines 1994-2000: aviation, rocket, marine, ground. - M .: AKS-Conversion LLC, 2000 - 434 p., P. 125.

Claims

1. Gas turbine installation for the production of electricity, compressed air and a mechanical drive of equipment, characterized in that it is made in the form of two functional modules: a module of a compressed air generator made in the form of an auxiliary gas turbine engine, and a turbo drive module with auxiliary systems of modules connected by an adjustable distribution unit compressed air, and the compressed air distribution unit is configured to provide discrete or smooth distribution of compressed air between an external consumer or external network and a turbo drive module.

2. The gas turbine installation according to claim 1, characterized in that the turbine drive module is made in the form of an air turbine and an output shaft with a kinematic connection between them.

3. The gas turbine installation according to claim 1, characterized in that a gearbox is installed between the air turbine and the output shaft.

4. Gas turbine installation according to claim 3, characterized in that the gearbox is designed in such a way that allows the regulation of the gear ratio.

5. The gas turbine installation according to claim 1, characterized in that between the compressed air distribution unit and the turbine drive module there is a gas-air heat exchanger configured so that the air exiting the compressed air distribution unit to the turbo drive module is heated in the heat exchanger with exhaust gases exhausted from the compressed air generator module.

6. The gas turbine installation according to claim 1, characterized in that the compressed air distribution unit is quick disconnect.

7. The gas turbine installation according to claim 1, characterized in that the functional modules of the compressed air generator and turbo drive with auxiliary systems of the modules are installed on separate chassis.