RU2344348C1

RU2344348C1 - Method of heat pump operation with drive from gas turbine plant

Info

Publication number: RU2344348C1
Application number: RU2007112595/06A
Authority: RU
Inventors: Борис Хаимович Перельштейн (RU); Борис Хаимович Перельштейн
Original assignee: Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева; Борис Хаимович Перельштейн
Priority date: 2007-04-04
Filing date: 2007-04-04
Publication date: 2009-01-20
Also published as: RU2007112595A

Abstract

FIELD: motors and pumps.

SUBSTANCE: invention is related to gas turbine manufacture and may be used for development of air heat pumps. Method for realisation of heat pump operation includes processes of outside air compression, heat removal, expansion at gas expander turbine. After process of expansion at gas expander turbine, part of cold air is supplied along heated channel and heated inlet guide vane to the first stage of gas turbine plant compressor, and remaining part of cold air is supplied along heated channels to inlet of power generating (cogeneration) gas turbine plant.

EFFECT: provides possibility to use air as working substance with temperature from -40°C to +15°C with transformation ratio acceptable from efficiency point of view.

Description

Изобретение относится к области газотурбостроения и может быть использовано для создания мощных тепловых насосов (ТН), интегрированных с когенерационными ГТУ. Сам ТН способен работать от источника низкопотенциальной теплоты от плюс 15°С до минус 50°С с созданием источника высокопотенциальной теплоты на ТН плюс 100°С-200°С и со снижением расхода промышленного газа для отопления и горячего водоснабжения в 1,4-1,5 раза.The invention relates to the field of gas turbine engineering and can be used to create powerful heat pumps (TH) integrated with cogeneration gas turbines. The VT itself is capable of operating from a source of low potential heat from plus 15 ° C to minus 50 ° C with the creation of a source of high potential heat for a VT plus 100 ° C-200 ° C and with a decrease in the consumption of industrial gas for heating and hot water supply in 1.4-1 , 5 times.

Известны тепловые насосы, включающие привод, компрессор, конденсатор, расширительное устройство, испаритель. Рабочее тело в испарителе нагревается от источника низкопотенциальной теплоты (Тинт). Затем нагретое рабочее тело поступает в компрессор. Сжатое в компрессоре рабочее тело уже с более высокой температурой поступает в конденсатор, где, переходя в жидкую фазу, становится источником высокопотенциальной теплоты - Тивт (за счет энергии источника низкопотенциальной теплоты, собственной обратки и энергии подведенной через привод компрессора - Nn). Рабочее тело при температуре Тивт нагревает внешний теплоноситель. Далее рабочее тело дросселируется и снова поступает в испаритель. Определяющей характеристикой теплового насоса является т.н. с коэффициентом преобразования (топливный коэффициент), например, для расхода G=1 кг/с:Heat pumps are known, including a drive, a compressor, a condenser, an expansion device, an evaporator. The working fluid in the evaporator is heated from a source of low potential heat (Tint). Then the heated working fluid enters the compressor. The working fluid compressed in the compressor with a higher temperature enters the condenser, where, passing into the liquid phase, it becomes a source of high potential heat - Tivt (due to the energy of the source of low potential heat, self return and energy supplied through the compressor drive - Nn). The working fluid at the temperature Tivt heats the external coolant. Next, the working fluid is throttled and again enters the evaporator. The defining characteristic of the heat pump is the so-called with a conversion factor (fuel coefficient), for example, for a flow rate of G = 1 kg / s:

Недостатками существующих тепловых насосов является то, что коэффициент преобразования µ_тн в сильной степени зависит от разницы (Тивт-Тинт). Нагрев (Тивт-Тинт) в широко известных тепловых насосах ограничивают величинами от 35 до 65°С градусов. Иначе резко растет затрачиваемая мощность Nn и использование такого теплового насоса становится экономически не выгодным (µ_тн≤2,0). Подобные насосы для своего функционирования требуют рабочее тело в виде фреона, хладона, аммиака и др. (см. Болгарский А.В., Мухачев Г.А., Щукин В.К. Термодинамика и теплопередача. М.: Высшая школа, 1973. Техника машиностроения, 2002, №3 (37), П.А.Шелест. Учение о теплоте и тепловых насосах). Современные тепловые насосы имеют значения коэффициентов преобразования на уровне µ_тн=2,5-3,3 (при приемлемых для практики значениях ИНТ и ИВТ).The disadvantages of existing heat pumps are that the conversion coefficient µ _tn is highly dependent on the difference (Tivt-Tint). Heating (Tivt-Tint) in widely known heat pumps is limited to values from 35 to 65 ° C degrees. Otherwise, the consumed power Nn increases sharply and the use of such a heat pump becomes economically unprofitable (µ _t ≤2.0). Such pumps require a working fluid in the form of freon, chladone, ammonia, etc. (see Bulgarian A.V., Mukhachev G.A., Schukin V.K. Thermodynamics and heat transfer. M: Higher school, 1973. Engineering Engineering, 2002, No. 3 (37), P. A. Shelest. The doctrine of heat and heat pumps). Modern heat pumps have conversion coefficients at the level of _µt = 2.5-3.3 (with practical values of INT and IWT).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является тепловой насос, работающий по циклу Лоренца (обращенного цикла Брайтона), где последовательно осуществляют процессы сжатия наружного воздуха, отвода тепла, расширения с понижением температуры воздуха ниже температуры окружающей среды и выхлоп холодного воздуха в атмосферу. Подобные тепловые насосы теоретически могут обеспечить коэффициент преобразования от µ_тн=2,5 до µ_тн=3,3 (Мартыновский B.C. Циклы, схемы и характеристики термотрансформаторов (Под ред. Бродянского В.М. М.: Энергия. 1970 - 288 с.).The closest in technical essence to the present invention is a heat pump operating in the Lorentz cycle (Brighton reverse cycle), where the processes of compressing external air, removing heat, expanding with decreasing air temperature below ambient temperature and exhausting cold air into the atmosphere are carried out sequentially. Such heat pumps theoretically can provide a conversion coefficient from µ _tn = 2.5 to µ _tn = 3.3 (Martynovsky BC Cycles, circuits and characteristics of thermal transformers (Edited by V. Brodyansky, M. M .: Energy. 1970 - 288 p. )

Несмотря на всю термодинамическую привлекательность подобного способа функционирования воздушного теплового насоса он не нашел распространения из-за ухудшения характеристик при повышенных температурах внешней среды. В последнем случае происходит рост потребляемой работы компрессора ТН. Другим отрицательным фактором является возможное обледенение выхлопных устройств и создание неблагоприятной экологической обстановки в окружающем пространстве при подачи в него отработанного в ТН воздуха с температурой минус 50, минус 80°С.Despite all the thermodynamic attractiveness of this method of functioning of an air heat pump, it did not find distribution due to the deterioration of characteristics at elevated ambient temperatures. In the latter case, the consumption of the compressor TN increases. Another negative factor is the possible icing of the exhaust devices and the creation of an unfavorable environmental situation in the surrounding space when air is exhausted into the VT with a temperature of minus 50, minus 80 ° C.

Решаемой задачей предлагаемого изобретения является создание ТН с источником высокой температуры в диапазоне 100-200°С с использованием энергии воздушного бассейна при внешней температуре минус 40 - плюс 15°С с приемлемыми с точки зрения экономичности коэффициентами преобразования без угрозы обледенения, без замораживания окружающего пространства при работе ТН.The solved problem of the invention is the creation of VT with a high temperature source in the range of 100-200 ° C using the energy of the air pool at an external temperature of minus 40 - plus 15 ° C with conversion coefficients acceptable from the point of view of economy without the risk of icing, without freezing the surrounding area at work TN.

Поставленная задача достигается тем, что в способе работы теплового насоса с приводом от ГТУ, включающем процессы сжатия наружного воздуха, отвода тепла, расширения на детандерной турбине, после процесса расширения на детандерной турбине часть холодного воздуха по обогреваемому каналу и обогреваемому входному направляющему аппарату подают на первую ступень компрессора приводной ГТУ, а оставшуюся часть холодного воздуха подают по обогреваемым каналам на вход электрогенерирующей (когенерационной) ГТУ.The problem is achieved in that in the method of operation of a heat pump driven by a gas turbine, including the processes of compressing external air, removing heat, expanding on an expander turbine, after the expansion process on an expander turbine, part of the cold air is fed through the heated channel and the heated inlet guide to the first the compressor stage of the drive gas turbine, and the remainder of the cold air is fed through the heated channels to the input of the electric generating (cogeneration) gas turbine.

На чертеже показана возможная схема теплового насоса, реализующий заявляемый способ работы.The drawing shows a possible diagram of a heat pump that implements the inventive method of operation.

Здесь: 1 - непосредственно тепловой насос (ТН), 2 - компрессор теплового насоса, 3 - питательный теплообменник ТН, 4 - теплоноситель, 5 - детандерная турбина ТН; 6, 7 - обогреваемые каналы ТН, 8 - обогреваемая коммуникация для электрогенеририрующей (когенерационной) ГТУ, 9 - приводная ГТУ, 10 - питательный теплообменник приводной ГТУ, 11 - промежуточный теплоноситель, 12 - выхлоп приводной ГТУ, 13 - электрогенерирующая (когенерационная) ГТУ, 14, 15, 16 - соответственно электрогенератор, теплообменник, промежуточный теплоноситель электрогенерирующей (когенерационной) ГТУ.Here: 1 - directly the heat pump (TH), 2 - the compressor of the heat pump, 3 - the feed heat exchanger TH, 4 - the heat carrier, 5 - the expansion turbine TH; 6, 7 - heated channels of the TN, 8 - heated communication for the electric generating (cogeneration) gas turbine, 9 - driven gas turbine, 10 - feed heat exchanger driven gas turbine, 11 - intermediate heat transfer medium, 12 - exhaust driven gas turbine, 13 - electric generating (cogeneration) gas turbine, 14, 15, 16 - respectively, an electric generator, a heat exchanger, an intermediate heat carrier of an electric generating (cogeneration) gas turbine.

Работа аппарата. Наружный воздух (минус 50°С, плюс 15°С) поступает на ТН - 1, сжимается в компрессоре ТН - 2, например, до давления π_k=4,0 и, в частности, с температурой 180°С поступает в первый питательный теплообменник - 3 и далее с температурой плюс 40°С поступает на турбину ТН - 4. Давление за турбиной в зависимости от конкретных условий может быть равно атмосферному или выше. В большей части с отрицательной температурой (минус 50°С, минус 80°С) воздух поступает в прогреваемый выхлопными газами канал - 6 и обогреваемый входной направляющий аппарат (ВНА) приводной ГТУ - 9. Далее выхлопные газы поступают на теплообменник - 10, где нагревают теплоноситель - 11 и подаются на выхлоп 12. Избыток воздуха после детандерной турбиной - 5 подается по обогреваемому воздуховоду - 8 на электрогенерирующую (когенерационную) ГТУ - 13 (на один кг/с воздуха, подаваемого на приводную ГТУ, приходится в среднем 5-8 кг/с воздуха, приходящего на когенерационную ГТУ - 13). В ГТУ-13 выхлопные газы поступают на теплообменник 15, нагревая теплоноситель 16 и приводит эл. генератор 14.The operation of the apparatus. Outside air (minus 50 ° С, plus 15 ° С) enters the ТН - 1, is compressed in the ТН - 2 compressor, for example, to a pressure of π _k = 4.0, and, in particular, enters the first the heat exchanger - 3 and further with a temperature of plus 40 ° C enters the turbine ТН - 4. The pressure behind the turbine, depending on specific conditions, can be equal to atmospheric or higher. For the most part, with a negative temperature (minus 50 ° C, minus 80 ° C), air enters the channel - 6 heated by exhaust gases and the heated gas turbine inlet guide unit (VNA) - 9. Next, the exhaust gases enter the heat exchanger - 10, where they are heated heat carrier - 11 and are fed to exhaust 12. Excess air after the expander turbine - 5 is fed through a heated duct - 8 to the electricity generating (cogeneration) gas turbine - 13 (per kg / s of air supplied to the drive gas turbine is on average 5-8 kg / from the air entering the cohen operational GTU - 13). In the GTU-13, the exhaust gas enters the heat exchanger 15, heating the coolant 16 and leads el. generator 14.

Пример конкретного выполнения. Примем расход приводной ГТУ G₀=20 кг/с. Тогда, например, при внешней температуре минус 15°С и степени повышения давления в компрессоре ТН π_k=7 имеем греющую температуру 209°С, температуру за детандерной турбиной - минус 80°С, кратность расхода воздуха - 5,36. Одна часть воздуха пойдет на приводную ГТУ, остальные 4,36 частей - на электрогенерирующую (когенерационную) ГТУ, всего 20·4,36=87,2 кг/с. В этом случае ГТУ способна обеспечить КПД=44,34% и удельную мощность N_уд=569,5 кВт. При работе в автономном режиме при внешней температуре минус 15°С данная ГТУ обеспечила бы N_уд=454,35 кВт и КПД 41,7%. Ее мощность составляла бы 454,35·87,2=39,61932 МВт Следовательно, в абсолютных цифрах получаем дополнительную мощность ΔN=87,2·(569,5-454,35)=87,2·115,15=~10 МВт. Таким образом, происходит увеличение мощности с 39,6 МВт до 49,66 МВт, т.е. в 1,25 раз (за базу сравнения принято Т_нар=минус 15°С). Экономичность возрастает в 44,34/41,7=1,063 раз. В условиях летней эксплуатации эти параметры соответственно составляют ~1,4 и ~1,1 раз. Сведем, для ясности, полученные результаты в таблицу и сопоставим с известными аналогами:An example of a specific implementation. We take the flow rate of the drive gas turbine G ₀ = 20 kg / s. Then, for example, at an external temperature of minus 15 ° С and a degree of pressure increase in the compressor ТН π _k = 7, we have a heating temperature of 209 ° С, the temperature behind the expander turbine is minus 80 ° С, and the air flow rate is 5.36. One part of the air will go to the drive gas turbine, the remaining 4.36 parts - to the electricity generating (cogeneration) gas turbine, only 20 · 4.36 = 87.2 kg / s. In this case, the gas turbine is able to provide efficiency = 44.34% and specific power N _beats = 569.5 kW. When working in stand-alone mode at an external temperature of minus 15 ° C, this gas turbine unit would provide N _beats = 454.35 kW and an efficiency of 41.7%. Its power would be 454.35 · 87.2 = 39.61932 MW. Therefore, in absolute figures we get the additional power ΔN = 87.2 · (569.5-454.35) = 87.2 · 115.15 = ~ 10 MW Thus, there is an increase in power from 39.6 MW to 49.66 MW, i.e. 1.25 times (T _drug = minus 15 ° С). Profitability increases by 44.34 / 41.7 = 1.063 times. Under summer operation conditions, these parameters are ~ 1.4 and ~ 1.1 times, respectively. For clarity, we reduce the results to a table and compare them with known analogues:

Изменение параметров при T_нар=-15°С, π_kтн=7.The change in parameters at T _nar = -15 ° C, π _k tn = 7. Расход через систему, кг/сConsumption through the system, kg / s Изменение Ne_уд, кВтChange Ne _beats , kW Изменение КПД, %Change in efficiency,% Произведено электроэнергии, МВтElectricity produced, MW Произведено тепла, МВтHeat produced, MW Произведено тепла, Гкал/чHeat produced, Gcal / h 1one Тепловой насосHeat pump 107,2107,2 00 24,324.3 20,920.9 Приводная ГТУDrive GTU 20twenty от 454,35 до 569,45from 454.35 to 569.45 от 41,7 до 44,3441.7 to 44.34 00 10,410,4 8,948.94 Всего тепла на ТН, включая приводTotal heat on VT including drive 00 34,734.7 29,829.8 Расход топливаFuel consumption 0,50820.5082 Электрогенерирующая ГТУGenerating gas turbine 87,287.2 от 454,35 до 569,45from 454.35 to 569.45 от 41,7 до 44,3441.7 to 44.34 39,62-49,6539.62-49.65 45,5445.54 39,1639.16 ВСЕГОTOTAL 49,6549.65 80,2480.24 69,069.0

По сравнению с известными аналогами:Compared with known analogues:

Сопоставим расход топлива в ТН и в эквивалентной по мощности (34,7 кВт_тепл) котельне.We compare the fuel consumption in the VT and in the equivalent in power (34.7 kW_tepl) boiler house.

1. Низшая теплотворная способность топлива Nu=50420 кДж/кг.1. The lowest calorific value of fuel Nu = 50420 kJ / kg.

2. Теоретический секундный расход топлива в котельне для получения 34,7 МВт. 34700 кВт/50420 кДж/кг=0,6882189 кг/с.2. Theoretical second fuel consumption in the boiler room to obtain 34.7 MW. 34700 kW / 50420 kJ / kg = 0.6882189 kg / s.

3. Действительный расход топлива в котельне при ее КПД=0,85: 0,6882189 кг/с / 0,85=0,8096692 кг/с.3. Actual fuel consumption in the boiler room with its efficiency = 0.85: 0.6882189 kg / s / 0.85 = 0.8096692 kg / s.

4. Расход топлива в приводной ГТУ 20·0,0254091=0,508182 кг/с4. Fuel consumption in the drive gas turbine 20 · 0,0254091 = 0.508182 kg / s

5. Превалирование расхода топлива в котельной над ТН для получения 34,7 МВт - 0,8096692 кг/с / 0,5082 кг/с=1,59 раз.5. The prevalence of fuel consumption in the boiler room over the VT to obtain 34.7 MW - 0.8096692 kg / s / 0.5082 kg / s = 1.59 times.

Использование рассмотренного ТН в комбинации с электрогенерирующей (когенерационной) установкой решает и важную экологическую задачу. Исключается выброс наружу большого количества холодного воздуха, например, с температурой минус 70-80°С, что могло бы способствовать созданию в ближайшей округе неблагоприятного микроклимата (особенно в летний период).The use of the considered VT in combination with an electric generating (cogeneration) installation also solves an important environmental problem. The outflow of a large amount of cold air, for example, with a temperature of minus 70-80 ° C, is excluded, which could contribute to the creation of an unfavorable microclimate in the nearest district (especially in summer).

Подобные системы могут быть востребованы для крупных жилых массивов, малых городов. В частности, рассмотренная в качестве примера система способна удовлетворить потребность в тепле порядка 25 тысяч квартир - 75 тыс. человек (примерно по 3 кВт на каждую квартиру).Similar systems may be in demand for large residential areas, small cities. In particular, the system considered as an example is able to satisfy the heat demand of about 25 thousand apartments - 75 thousand people (about 3 kW per apartment).

Ориентировочные расчеты показали, что с учетом использования названных установок инвестиционная стоимость одного кВт не должна превысить 250-300 долларов/кВт (конец 2006 года). Это существенно ниже инвестиционной стоимости одного кВт паротурбинного контура стоимостью в - 1000 долларов/кВт.Approximate calculations have shown that, taking into account the use of these facilities, the investment cost of one kW should not exceed 250-300 dollars / kW (end of 2006). This is significantly lower than the investment cost of one kW of a steam turbine circuit costing - $ 1,000 / kW.

Claims

The method of operation of a heat pump driven by a gas turbine, including the processes of compressing outdoor air, heat removal, expansion on an expander turbine, characterized in that after the expansion process on an expander turbine, part of the cold air is supplied to the first compressor stage by a heated channel and a heated inlet guide device GTU, and the rest of the cold air is fed through heated channels to the input of the electricity generating (cogeneration) GTU.