RU2372504C1

RU2372504C1 - Multi-purpose gas turbine power plant

Info

Publication number: RU2372504C1
Application number: RU2008109276/06A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Александрович Новосельцев (RU); Дмитрий Александрович Новосельцев
Original assignee: Дмитрий Александрович Новосельцев
Priority date: 2008-03-11
Filing date: 2008-03-11
Publication date: 2009-11-10

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: multi-purpose gas turbine power plant is made in the form of two functional modules: compressed air generator module made in the form of an auxiliary gas turbine engine, and steam turbine generator module, with auxiliary module systems connected by means of controlled compressed air distribution station. The latter is made so that discrete or smooth distribution of compressed air can be performed between external consumer or external network and steam turbine generator module. Steam turbine generator module is made in the form of steam-air turbine and generator with kinematic connection between them, and consists of heat-recovery boiler and mixing chamber. Superheated steam is generated in heat-recovery boiler, and superheated steam from heat-recovery boiler is mixed with compressed air in the mixing chamber. Steam-air mixture from the mixing chamber is supplied to steam-air turbine. The installation can also include contact water vapour condenser, cooler and water service tank, controlled steam-air mixture extraction station located between the mixing chamber and steam-air turbine. Functional modules of compressed air generator and turbine generator with auxiliary module systems can be installed on individual underframes.

EFFECT: multifunctional performance and flexibility of choosing operating modes, increasing life time of steam turbine generator module and improving environmental characteristic of multi-purpose gas turbine power plant.

6 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области газотурбинной техники, а именно к малой теплоэнергетике и установкам для производства электроэнергии и сжатого воздуха, а также паровоздушной смеси для технологических целей. Установка может быть использована, например, для эксплуатации ремонтными предприятиями нефтегазодобывающего комплекса, энергетики, ЖКХ, аварийными службами МЧС и в прочих областях, где есть необходимость в мобильных источниках электроэнергии и сжатого воздуха.The invention relates to the field of gas turbine technology, namely to small heat power engineering and installations for the production of electricity and compressed air, as well as a steam-air mixture for technological purposes. The installation can be used, for example, for maintenance by repair enterprises of the oil and gas production complex, energy, utilities, emergency services of the Ministry of Emergencies and in other areas where there is a need for mobile sources of 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 кВА) и сжатого воздуха (до 1,35 кг/с, при давлении 3,5-3,9 кПа и температуре 205-245°С). 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 FSUE "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.

Недостатком известного энергетического комплекса [2] и других аналогичных установок являются относительно низкая электрическая мощность и крайне высокий удельный расход топлива на единицу вырабатываемой электроэнергии (порядка 6 кг/(кВА час)). Другим недостатком также является отсутствие возможности значительного увеличения электрической мощности в условиях, когда нет потребности в отборе сжатого воздуха (без выполнения работ по изменению конструкции газотурбинного двигателя).A disadvantage of the known energy complex [2] and other similar installations is the relatively low electrical power and extremely high specific fuel consumption per unit of generated electricity (about 6 kg / (kVA hour)). Another disadvantage is the lack of the possibility of a significant increase in electric 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).

Целью изобретения является обеспечение возможности производства газотурбинной установкой сжатого воздуха и незначительного количества электроэнергии для собственных нужд; либо относительно большой электрической мощности при незначительном или нулевом расходе сжатого воздуха; либо их совместное производство, а также производство паровоздушной смеси для технологических целей, по необходимости, без выполнения работ по изменению конструкции газотурбинного двигателя установки в условиях эксплуатации.The aim of the invention is to provide the possibility of producing a gas turbine installation of compressed air and a small amount of electricity for their own needs; either a relatively large electric power with a negligible or zero flow rate of compressed air; or their joint production, as well as the production of a steam-air mixture for technological purposes, 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 паротурбогенератора, 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 паротурбогенератором. Для повышения мобильности и обеспечения многофункциональности установки узел распределения сжатого воздуха может быть выполнен быстроразъемным, а функциональные модули генератора сжатого воздуха и турбогенератора со вспомогательными системами модулей установлены на отдельных шасси. Модуль паротурбогенератора может быть выполнен в виде паровоздушной турбины и генератора с кинематической связью между ними. Модуль паротурбогенератора содержит котел-утилизатор, выполненный таким образом, что в нем осуществляется выработка перегретого пара, и камеру смешения, в которой осуществляется смешивание перегретого пара из котла утилизатора со сжатым воздухом. Паровоздушная смесь из камеры смешения поступает в паровоздушную турбину. При этом конструкция модуля паротурбогенератора может быть выполнена по открытой схеме (с выбросом отработанной паровоздушной смеси в атмосферу или использованием ее внешними потребителями в технологических целях) или по более экономичной замкнутой схеме с конденсацией воды из паровоздушной смеси.This goal is achieved in 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 steam turbine generator 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 steam turbine generator. To increase mobility and to 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 turbogenerator with auxiliary module systems are installed on separate chassis. The steam turbine generator module can be made in the form of a steam-air turbine and a generator with a kinematic connection between them. The steam turbine generator module comprises a recovery boiler, which is designed to generate superheated steam, and a mixing chamber, in which superheated steam is mixed from the boiler of the recovery boiler with compressed air. The steam-air mixture from the mixing chamber enters the steam-air turbine. At the same time, the design of the steam turbine generator module can be performed according to an open circuit (with the discharge of the spent steam-air mixture into the atmosphere or using it by external consumers for technological purposes) or by a more economical closed circuit with condensation of water from the steam-air mixture.

На фиг.1 приведена принципиальная схема простейшей газотурбинной установки для производства электроэнергии и сжатого воздуха с открытой схемой модуля паротурбогенератора, на фиг.2 - схема газотурбинной установки с замкнутой схемой модуля паротурбогенератора с конденсацией воды из паровоздушной смеси.Figure 1 shows a schematic diagram of a simple gas turbine plant for the production of electricity and compressed air with an open circuit of a steam turbine generator module; figure 2 is a diagram of a gas turbine installation with a closed circuit of a steam turbine generator module with water condensation from a steam-air mixture.

Газотурбинная установка для производства электроэнергии и сжатого воздуха (фиг.1, 2) выполнена в виде двух функциональных модулей: модуля генератора сжатого воздуха 1 и модуля паротурбогенератора 2, соединенных регулируемым узлом распределения сжатого воздуха 3.A gas turbine installation for the production of electricity and compressed air (FIGS. 1, 2) is made in the form of two functional modules: a compressed air generator module 1 and a steam turbine generator module 2 connected by an adjustable compressed air distribution unit 3.

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 кВА) и сжатого воздуха (до 3,5 кг/с, при давлении 4,5-4,65 кПа и температуре 210-215°С), 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], providing simultaneous production of electric 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 others 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 паротурбогенератора 2 содержит камеру смешения 4, котел-утилизатор 5, генератор, а также паровоздушную турбину 6 и генератор электрического тока 7, причем между генератором 7 и турбиной 6 существует кинематическая связь, например, через общий вал. В частном случае модуль 2 также может содержать регулируемый узел технологического отбора паровоздушной смеси 8.The steam turbine generator module 2 comprises a mixing chamber 4, a waste heat boiler 5, a generator, as well as a steam-air turbine 6 and an electric current generator 7, and there is a kinematic connection between the generator 7 and the turbine 6, for example, via a common shaft. In the particular case, module 2 may also contain an adjustable technological selection unit for the steam-air mixture 8.

Модуль 2, выполненный по замкнутой схеме с конденсацией воды (фиг.2), дополнительно содержит контактный конденсатор водяного пара 9, расходный бак для воды 10 и охладитель 11. Также конструкция модуля 2 включает насосы подачи воды и фильтры, не обозначенные на схеме.Module 2, made in a closed circuit with condensation of water (figure 2), further comprises a contact condenser of water vapor 9, a supply tank for water 10 and a cooler 11. Also, the design of module 2 includes water supply pumps and filters not shown in the diagram.

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.

Узел отбора паровоздушной смеси 8 выполнен таким образом, что обеспечивает дискретное или плавное изменение расхода паровоздушной смеси при положениях заслонки от полностью открытого («откр.» на фиг.1, 2), когда весь расход паровоздушной смеси направляется от камеры смешения 4 к паровоздушной турбине 6, до полностью закрытого («закр.» на фиг.1, 2), когда весь расход паровоздушной смеси направляется от камеры смешения 4 к внешнему потребителю, например, для очистки насосно-компрессорных труб от парафиновых отложений.The site of selection of the steam-air mixture 8 is made in such a way that provides a discrete or smooth change in the flow rate of the steam-air mixture at the shutter from fully open ("open" in figure 1, 2), when the entire flow rate of the steam-air mixture is directed from the mixing chamber 4 to the steam-air turbine 6, until completely closed (“closed” in FIGS. 1, 2), when the entire flow of the vapor-air mixture is directed from the mixing chamber 4 to an external consumer, for example, for cleaning tubing from paraffin deposits.

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 кВА, используемая для собственных нужд модулей 1 и 2 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 из модуля 1 в котел-утилизатор 5 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 kVA, used for the auxiliary needs of modules 1 and 2 of the gas turbine unit, 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 engine design - compressed air is supplied to the distribution unit 3. The exhaust gases from the gas turbine engine are discharged from module 1 to the recovery boiler 5 modules 2.

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

В котел-утилизатор 5 модуля 2 также подается в необходимом количестве вода, превращаемая за счет теплоты выхлопных газов, поступающих в котел-утилизатор 5 из модуля 1, в перегретый пар. Перегретый пар из котла-утилизатора 5 с давлением, не менее чем на 10% превышающим давление сжатого воздуха за узлом 3, поступает в камеру смешения 4, где происходит его смешивание со сжатым воздухом с образованием паровоздушной смеси.The required amount of water is also supplied to the waste heat boiler 5 of module 2, which is converted by superheated steam due to the heat of exhaust gases entering the waste heat boiler 5 from module 1. Superheated steam from the waste heat boiler 5 with a pressure not less than 10% higher than the pressure of compressed air behind unit 3 enters the mixing chamber 4, where it is mixed with compressed air to form a vapor-air mixture.

Далее паровоздушная смесь поступает в узел отбора 8, где ее необходимое количество может отбираться для технологических нужд. Оставшаяся паровоздушная смесь поступает в паровоздушную турбину 6, от которой осуществляется вращение генератора 7, при этом генератором 7 вырабатывается электрическая энергия.Next, the air-vapor mixture enters the selection unit 8, where its required amount can be selected for technological needs. The remaining steam-air mixture enters the steam-air turbine 6, from which the generator 7 rotates, while the generator 7 generates electric energy.

При более простой открытой схеме модуля 2 (фиг.1) отработанная паровоздушная смесь из турбины 6 выводится в атмосферу за пределы модуля 2, а также может быть использована для технологических нужд.With a simpler open circuit of module 2 (Fig. 1), the spent steam-air mixture from the turbine 6 is discharged into the atmosphere outside the limits of module 2, and can also be used for technological needs.

При замкнутой схеме модуля 2 (фиг.2) отработанная паровоздушная смесь из турбины 6 поступает в контактный конденсатор водяного пара 9, куда также подается вода из бака 10. В конденсаторе 9 за счет орошения водой происходит охлаждение паровоздушной смеси до температуры ниже точки росы водяного пара, при этом происходит выпадение из паровоздушной смеси жидкого конденсата воды. Вода из конденсатора 9, включая собранный конденсат, поступает через охладитель 11 в бак 10, откуда снова направляется в котел-утилизатор 5, а сухой воздух после выпадения конденсата из конденсатора 9 выводится в атмосферу.With the closed circuit of module 2 (Fig. 2), the spent steam-air mixture from the turbine 6 enters the contact condenser of water vapor 9, where water is also supplied from the tank 10. In the condenser 9, the steam-air mixture is cooled to a temperature below the dew point of water vapor due to irrigation In this case, the liquid condensate drops out of the steam-air mixture. Water from the condenser 9, including the collected condensate, enters through the cooler 11 into the tank 10, from where it is again sent to the waste heat boiler 5, and the dry air after condensate from the condenser 9 is discharged into the atmosphere.

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 assembled.

Предлагаемая схема газотурбинной установки обеспечивает ее многофункциональность и гибкость в выборе режимов работы.The proposed scheme of a gas turbine installation provides its multifunctionality and flexibility in the choice of operating modes.

Паровоздушная турбина модуля паротурбогенератора может быть изготовлена на базе турбин серийных газотурбинных двигателей после соответствующей конструктивной доводки. При этом в отличие от известных схем газотурбинных установок с впрыском пара в камеру сгорания (так называемый цикл STIG) или в компрессор [4], паровоздушная смесь обладает значительно меньшей коррозионной активностью, чем смесь водяного пара с продуктами сгорания углеводородных топлив, а температура паровоздушной смеси перед паровоздушной турбиной ниже, чем температура перед турбинами известных газотурбинных установок. Это позволяет обеспечить значительно более высокий ресурс модуля паротурбогенератора. Кроме того, из модуля паротурбогенератора установки в атмосферу выбрасывается чистый воздух или паровоздушная смесь, что способствует улучшению экологических характеристик установки.The steam-air turbine of the steam-turbogenerator module can be made on the basis of turbines of serial gas-turbine engines after appropriate structural refinement. In this case, in contrast to the known schemes of gas turbine units with steam injection into the combustion chamber (the so-called STIG cycle) or into the compressor [4], the air-vapor mixture has significantly lower corrosion activity than the mixture of water vapor with the products of combustion of hydrocarbon fuels, and the temperature of the vapor-air mixture in front of the steam-air turbine is lower than the temperature in front of the turbines of known gas turbine plants. This allows you to provide a significantly higher resource module steam turbine. In addition, clean air or steam-air mixture is emitted from the steam-turbogenerator module of the installation into the atmosphere, which helps to improve the environmental performance of the installation.

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 Market, No. 3, was manufactured in Ufa. 2006 p. 10 (prototype).

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.

4. Теория и проектирование газотурбинных и комбинированных установок. - М.: Издательство МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2000 г., стр.170-172.4. Theory and design of gas turbine and combined installations. - M .: Publishing house of MGTU im. N.E.Bauman, 2000, pp. 170-172.

Claims

1. A multi-purpose gas turbine power plant, characterized in that it 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 steam turbine generator module with auxiliary systems of modules connected by an adjustable compressed air distribution unit, and a compressed air distribution unit made in such a way as to carry out discrete or smooth distribution of compressed air between an external consumer or an external network and mod the steam turbine generator, and the steam turbine generator module is made in the form of a steam-air turbine and a generator with a kinematic connection between them and contains a recovery boiler, made in such a way that it produces superheated steam, and a mixing chamber in which superheated steam is mixed from the recovery boiler with compressed air, and the steam-air mixture from the mixing chamber enters the steam-air turbine.

2. The gas turbine installation according to claim 1, characterized in that the steam turbine generator module is designed in such a way that the steam-air mixture from the steam-air turbine is discharged outside the module.

3. The gas turbine installation according to claim 1, characterized in that the steam turbine generator module further comprises a series-mounted contact steam condenser located behind the steam-air turbine, a cooler and a water supply tank, made in such a way that water from the tank is supplied to the recovery boiler and the contact condenser and the contact condenser of water vapor are designed in such a way that it releases water from the steam-air mixture entering it from the steam-air turbine, and air from the conden the saturation is diverted outside the module.

4. The gas turbine installation according to claim 1, characterized in that the steam turbine generator module comprises an adjustable steam-air mixture selection unit located between the mixing chamber and the steam-air turbine.

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

6. Gas turbine installation according to claim 1, characterized in that the functional modules of the compressed air generator and turbogenerator with auxiliary systems of the modules are installed on separate chassis.