RU2520762C1 - Combined cycle plant - Google Patents

Combined cycle plant Download PDF

Info

Publication number
RU2520762C1
RU2520762C1 RU2012154661/06A RU2012154661A RU2520762C1 RU 2520762 C1 RU2520762 C1 RU 2520762C1 RU 2012154661/06 A RU2012154661/06 A RU 2012154661/06A RU 2012154661 A RU2012154661 A RU 2012154661A RU 2520762 C1 RU2520762 C1 RU 2520762C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
heat exchanger
turbine
condenser
combined
steam
Prior art date
Application number
RU2012154661/06A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Леонидович Письменный
Original Assignee
Владимир Леонидович Письменный
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Владимир Леонидович Письменный filed Critical Владимир Леонидович Письменный
Priority to RU2012154661/06A priority Critical patent/RU2520762C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2520762C1 publication Critical patent/RU2520762C1/en

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/16Combined cycle power plant [CCPP], or combined cycle gas turbine [CCGT]

Landscapes

  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)

Abstract

FIELD: power engineering.
SUBSTANCE: this plant has two working circuits: combined cycle composed by gas turbine plant and steam cycle including heat exchanger-condenser mounted at gas turbine pant inlet channel, heat exchanger-heater mounted at gas turbine plant outlet channel, steam turbine and high-pressure pump, all being loop-backed. Gas turbine plant working medium is the mix of air and steam formed by water evaporation in heat exchanger-condenser. Steam circuit working medium is steam formed by water evaporation in heat exchanger-heater and condensation in heat exchanger-condenser. Water evaporation and fluid condensation in heat exchanger-condenser occur simultaneously.
EFFECT: higher efficiency.
10 cl, 8 dwg

Description

Изобретение относится к теплоэнергетике.The invention relates to a power system.

Назначением тепловых машин является преобразование энергии топлива в полезную работу. Отношение указанной работы к количеству тепла, выделяющемуся при полном сгорании топлива, называется эффективным к.п.д. тепловой машины ηе.The purpose of heat engines is to convert fuel energy into useful work. The ratio of this work to the amount of heat released during the complete combustion of the fuel is called effective efficiency. heat engine η e .

Целью изобретения является повышение эффективного к.п.д. тепловых машин (газотурбинных установок).The aim of the invention is to increase effective efficiency thermal machines (gas turbine units).

В газотурбинных установках (ГТУ) затраты энергии на собственные нужды составляют значительную долю полезной работы установки. Эта доля уменьшается при увеличении удельной энтальпии (теплосодержания) рабочего тела. Теплосодержание рабочего тела возрастает, если в состав продуктов сгорания ГТУ добавлять водяные пары.In gas turbine units (GTU), energy costs for own needs make up a significant share of the unit's useful work. This fraction decreases with increasing specific enthalpy (heat content) of the working fluid. The heat content of the working fluid increases if water vapor is added to the composition of GTU combustion products.

Известна парогазовая установка (патент RU 2272916 C2, 2006), в которой преобразование воды в пар осуществляется в теплообменнике-испарителе, расположенном за турбиной. Это позволяет осуществлять регенерацию теплоты выхлопных газов - увеличивать эффективный к.п.д. установки. Недостатком установки являются большие расходы воды и связанные с этим потери энергии, расходуемые на ее нагрев и парообразование, что не позволяет повышать эффективный к.п.д. более 50%.Known gas-vapor installation (patent RU 2272916 C2, 2006), in which the conversion of water into steam is carried out in a heat exchanger-evaporator located behind the turbine. This allows for the regeneration of the heat of exhaust gases - to increase the effective efficiency. installation. The disadvantage of the installation is the high water consumption and the associated energy losses spent on its heating and vaporization, which does not allow to increase the effective efficiency more than 50%.

Известна парогазовая установка (патент на полезную модель №50603, 2006), содержащая входное устройство, компрессор, камеру сгорания, турбину привода компрессора, выходное устройство, теплообменник-нагреватель, расположенный в канале выходного устройства за турбиной привода компрессора, и теплообменник-конденсатор, охлаждаемый водой. Указанные теплообменники закольцованы через паровую турбину и насос высокого давления: теплообменник-конденсатор с одной стороны соединен с выходным ресивером паровой турбины, с другой стороны - с входом в насос высокого давления; теплообменник-нагреватель с одной стороны соединен с входным ресивером паровой турбины, с другой стороны - с выходом из насоса высокого давления. Внутри теплообменников циркулирует жидкость, переходящая в пар и обратно. Эффективный к.п.д. установки ~50%.A steam-gas installation is known (utility model patent No. 50603, 2006), comprising an input device, a compressor, a combustion chamber, a compressor drive turbine, an output device, a heat exchanger-heater located in the channel of the output device behind the compressor drive turbine, and a heat exchanger-condenser cooled water. These heat exchangers are looped through a steam turbine and a high pressure pump: on one side, the heat exchanger-condenser is connected to the output receiver of the steam turbine, and on the other hand, to the inlet to the high pressure pump; the heat exchanger-heater is connected on one side to the inlet receiver of the steam turbine, and on the other hand, to the outlet of the high pressure pump. A liquid circulating inside the heat exchangers, passing into the steam and vice versa. Effective Efficiency setting ~ 50%.

Сущность изобретения заключается в том, что для повышения эффективного к.п.д. в парогазовой установке используются внутренние термодинамические циклы, к.п.д. которых в составе тепловой машины стремится к единице (Письменный В.Л. Внутренние термодинамические циклы // Конверсия в машиностроении, 2006, №3. С.5-10).The essence of the invention lies in the fact that to increase effective efficiency in a combined cycle plant, internal thermodynamic cycles, efficiency are used which in the composition of the heat engine tends to unity (Pismenny VL Internal thermodynamic cycles // Conversion in mechanical engineering, 2006, No. 3. P.5-10).

Поставленная цель достигается тем, что в ГТУ, содержащей входное устройство, компрессор, камеру сгорания, турбину привода компрессора, выходное устройство, в канале входного устройства перед компрессором расположен теплообменник-конденсатор, а в канале выходного устройства за турбиной привода компрессора - теплообменник-нагреватель. Теплообменники закольцованы через паровую турбину и насос высокого давления: теплообменник-конденсатор с одной стороны соединен с выходным ресивером паровой турбины, с другой стороны - с входом в насос высокого давления; теплообменник-нагреватель с одной стороны соединен с входным ресивером паровой турбины, с другой стороны - с выходом из насоса высокого давления. Внутри закольцованной системы циркулирует жидкость, переходящая в пар и обратно. Во входной канал (перед теплообменником-конденсатором) подается вода. При этом давление жидкости на входе в насос высокого давления не менее 0,15 МПа, а температура рабочего тела на входе в компрессор более 100°C (условия, при которых в теплообменнике-конденсаторе происходит конденсация жидкости и испарение воды одновременно).This goal is achieved by the fact that in a gas turbine containing an input device, a compressor, a combustion chamber, a compressor drive turbine, an output device, a heat exchanger-condenser is located in front of the compressor in the input device channel, and a heat exchanger-heater in the output device channel behind the compressor drive turbine. Heat exchangers are looped through a steam turbine and a high pressure pump: on one side, the heat exchanger-condenser is connected to the output receiver of the steam turbine, and on the other hand, to the inlet to the high pressure pump; the heat exchanger-heater is connected on one side to the inlet receiver of the steam turbine, and on the other hand, to the outlet of the high pressure pump. A fluid circulates inside the looped system, passing into steam and vice versa. Water is supplied to the inlet channel (in front of the heat exchanger-condenser). In this case, the liquid pressure at the inlet to the high-pressure pump is not less than 0.15 MPa, and the temperature of the working fluid at the inlet to the compressor is more than 100 ° C (conditions under which liquid condensation and water evaporation occur simultaneously in the heat exchanger-condenser).

В качестве жидкости, циркулирующей в теплообменниках, предпочтительно использовать воду.As the fluid circulating in the heat exchangers, it is preferable to use water.

Предпочтительно, чтобы:Preferably

степень повышения давления в компрессоре была более 18;the degree of pressure increase in the compressor was more than 18;

температура газа перед турбиной была более 1700 K;the gas temperature in front of the turbine was more than 1700 K;

расход воды был более 15% от расхода воздуха;water consumption was more than 15% of air consumption;

давление жидкости на выходе из насоса высокого давления было более 15 МПа;the fluid pressure at the outlet of the high pressure pump was more than 15 MPa;

топливо подавалось в камеру сгорания через теплообменник, расположенный в канале, соединяющем паровую турбину с теплообменником-конденсатором;fuel was supplied to the combustion chamber through a heat exchanger located in the channel connecting the steam turbine to the heat exchanger-condenser;

в качестве топлива использовалась криогенная жидкость;cryogenic liquid was used as fuel;

в качестве топлива использовался водород.hydrogen was used as fuel.

Применение водорода в качестве топлива позволяет получить новое качество ПГУ, а именно: коэффициент использования тепла (доля полезной теплоты) стремится к единице (продуктом сгорания водорода является водяной пар, который вместе с паром, образованным из воды, используется для обогрева помещений и др. целей).The use of hydrogen as a fuel makes it possible to obtain a new CCGT quality, namely: the heat utilization coefficient (fraction of usable heat) tends to unity (the product of hydrogen combustion is water vapor, which, together with steam formed from water, is used to heat rooms and other purposes )

Недостатком ПГУ является то, что энергия парообразования воды не используется для получения полезной работы.The disadvantage of CCGT is that the energy of water vaporization is not used to obtain useful work.

Недостаток уменьшается, если за теплообменником-нагревателем установить теплообменник-испаритель, преобразующий энергию парообразования воды в энергию пара легкоиспаряющейся жидкости с последующим ее преобразованием в полезную работу.The disadvantage is reduced if a heat exchanger-evaporator is installed behind the heat exchanger-heater, which converts the energy of vaporization of water into the energy of steam of an easily evaporating liquid with its subsequent conversion into useful work.

Сущность изобретения заключается в том, что рабочим телом в теплообменнике-испарителе является этиловый спирт или другая жидкость, имеющая температуру кипения ниже температуры кипения воды при давлении, соответствующем давлению газа в канале выходного устройства.The essence of the invention lies in the fact that the working fluid in the heat exchanger-evaporator is ethyl alcohol or other liquid having a boiling point lower than the boiling point of water at a pressure corresponding to the gas pressure in the channel of the outlet device.

Поставленная цель достигается тем, что в газотурбинной установке, содержащей входное устройство, компрессор, камеру сгорания, турбину привода компрессора, выходное устройство, в канале входного устройства перед компрессором расположен теплообменник-конденсатор, а в канале выходного устройства за турбиной привода компрессора - теплообменник-нагреватель. Теплообменники закольцованы через паровую турбину и насос высокого давления: теплообменник-конденсатор с одной стороны соединен с выходным ресивером паровой турбины, с другой стороны - с входом в насос высокого давления; теплообменник-нагреватель с одной стороны соединен с входным ресивером паровой турбины, с другой стороны - с выходом из насоса высокого давления. Внутри закольцованной системы циркулирует жидкость, переходящая в пар и обратно. Во входной канал перед теплообменником-конденсатором подается вода. В выходном канале за теплообменником-нагревателем установлен теплообменник-испаритель, который закольцован через турбину, теплообменник и насос: теплообменник-испаритель с одной стороны соединен с входным ресивером турбины, с другой стороны - с выходом из насоса; выходной ресивер турбины соединен с входом в теплообменник, выход из которого соединен с входом в насос. Внутри закольцованной системы циркулирует легкоиспаряющаяся жидкость, переходящая в пар и обратно.This goal is achieved by the fact that in a gas turbine installation containing an input device, a compressor, a combustion chamber, a compressor drive turbine, an output device, a heat exchanger-condenser is located in front of the compressor in the input device channel, and a heat exchanger-heater in the output device channel behind the compressor drive turbine . Heat exchangers are looped through a steam turbine and a high pressure pump: on one side, the heat exchanger-condenser is connected to the output receiver of the steam turbine, and on the other hand, to the inlet to the high pressure pump; the heat exchanger-heater is connected on one side to the inlet receiver of the steam turbine, and on the other hand, to the outlet of the high pressure pump. A fluid circulates inside the looped system, passing into steam and vice versa. Water is supplied to the inlet channel in front of the heat exchanger-condenser. A heat exchanger-evaporator is installed in the outlet channel behind the heat exchanger-heater, which is looped through the turbine, heat exchanger and pump: the heat exchanger-evaporator is connected on one side to the turbine inlet receiver and, on the other hand, to the pump outlet; the output receiver of the turbine is connected to the inlet to the heat exchanger, the output of which is connected to the inlet to the pump. A volatile liquid circulates inside the ring system, passing into steam and vice versa.

Предпочтительно, чтобы давление за турбиной было ниже атмосферного.Preferably, the pressure behind the turbine is below atmospheric.

На фиг.1 изображена схема парогазовой установки;Figure 1 shows a diagram of a combined cycle plant;

на фиг.2 изображены зависимости эффективного к.п.д. ηе от относительного расхода воды δ и температуры газа перед турбиной Tг*;figure 2 shows the dependence of effective efficiency η e from the relative water flow δ and gas temperature in front of the turbine Tg *;

на фиг.3 изображены зависимости удельной мощности ПГУ Neуд от относительного расхода воды δ и температуры газа перед турбиной Tг*;figure 3 shows the dependence of the specific power of the CCGT Ne beats on the relative water flow δ and the gas temperature in front of the turbine Tg *;

на фиг.4 изображен термодинамический цикл ПГУ;figure 4 shows the thermodynamic cycle of CCGT;

на фиг.5 изображена схема парогазовой установки;figure 5 shows a diagram of a combined cycle plant;

на фиг.6 изображены зависимости эффективного к.п.д. ηе от относительного расхода воды δ и температуры газа перед турбиной Tг*;figure 6 shows the dependence of effective efficiency η e from the relative water flow δ and gas temperature in front of the turbine Tg *;

на фиг.7 изображены зависимости удельной мощности ПГУ Neуд от относительного расхода воды δ и температуры газа перед турбиной Tг*;Fig. 7 shows the dependences of the specific power of CCGT Ne beats on the relative water flow δ and the gas temperature in front of the turbine Tg *;

на фиг.8 изображена диаграмма эффективности ПГУ.on Fig shows a diagram of the effectiveness of CCGT.

Парогазовая установка (фиг.1) состоит из входного устройства 1, водяного коллектора 2, теплообменника-конденсатора 3, компрессора 4, камеры сгорания 5, турбины привода компрессора 6, теплообменника-нагревателя 7, выходного устройства 8, паровой турбины 9, насоса высокого давления 10, теплообменника 11, электрогенераторов 12, насосов н. Теплообменник-конденсатор 3 установлен в канале входного устройства 1 перед компрессором 4. Водяной коллектор 2 установлен на входе в теплообменник-конденсатор 3. Теплообменник-нагреватель 7 установлен в канале выходного устройства за турбиной привода компрессора 6. Паровая турбина 9, теплообменник-конденсатор 3, насос высокого давления 10 и теплообменник-нагреватель 7 закольцованы: теплообменник-конденсатор с одной стороны соединен с выходным ресивером паровой турбины, с другой стороны - с входом в насос высокого давления; теплообменник-нагреватель с одной стороны соединен с входным ресивером паровой турбины, с другой стороны - с выходом из насоса высокого давления. Внутри закольцованной системы циркулирует вода, переходящая в пар и обратно.Combined-cycle plant (Fig. 1) consists of an input device 1, a water collector 2, a heat exchanger-condenser 3, a compressor 4, a combustion chamber 5, a compressor drive turbine 6, a heat exchanger-heater 7, an output device 8, a steam turbine 9, and a high pressure pump 10, heat exchanger 11, electric generators 12, pumps n. The heat exchanger-condenser 3 is installed in the channel of the input device 1 in front of the compressor 4. The water collector 2 is installed at the inlet to the heat exchanger-condenser 3. The heat exchanger-heater 7 is installed in the channel of the output device behind the compressor drive turbine 6. Steam turbine 9, heat exchanger-condenser 3, the high pressure pump 10 and the heat exchanger-heater 7 are looped: the heat exchanger-condenser is connected on one side to the output receiver of the steam turbine, and on the other hand, to the inlet to the high pressure pump; the heat exchanger-heater is connected on one side to the inlet receiver of the steam turbine, and on the other hand, to the outlet of the high pressure pump. Inside the ring system, water circulates, passing into steam and vice versa.

Работа установки осуществляется следующим образом. Воздух, поступающий из атмосферы в канал 1, смешивается с водой, поступающей в тот же канал через коллектор 2. В теплообменнике-конденсаторе смесь нагревается до 100°C и более, в результате чего вода, находящаяся в смеси, превращается в сухой пар. Паровоздушная смесь сжимается в компрессоре до давления ~2 МПа (давление ограничено температурой лопаток компрессора) и подается в камеру сгорания, туда же по внутреннему каналу теплообменника 11 подается топливо. Образующаяся топливовоздушная смесь (с примесью пара) сгорает, в результате чего температура газа перед турбиной увеличивается до 1700 K и более. В турбине 6 температура и давление продуктов сгорания понижаются. Давление приближается к атмосферному, а температура сохраняется либо выше, либо близкой к критической для воды. Турбина совершает полезную работу. Из турбины 6 продукты сгорания попадают в теплообменник-нагреватель 7, по внутренним каналам которого под действием насоса 10 движется вода. Вода (в теплообменнике 7) в результате теплообмена с продуктами сгорания превращается в перегретый пар. Температура продуктов сгорания на выходе из теплообменника 7 понижается (~140°C). Продукты сгорания удаляются в атмосферу.The installation is as follows. Air from the atmosphere into channel 1 is mixed with water entering the same channel through manifold 2. In the heat exchanger-condenser, the mixture is heated to 100 ° C or more, as a result of which the water in the mixture turns into dry steam. The vapor-air mixture is compressed in the compressor to a pressure of ~ 2 MPa (pressure is limited by the temperature of the compressor blades) and is supplied to the combustion chamber, and fuel is supplied through the internal channel of the heat exchanger 11 there. The resulting air-fuel mixture (mixed with steam) burns out, as a result of which the gas temperature in front of the turbine rises to 1700 K and more. In the turbine 6, the temperature and pressure of the combustion products are reduced. The pressure approaches atmospheric, and the temperature remains either higher or close to critical for water. The turbine does a useful job. From the turbine 6, the combustion products enter the heat exchanger-heater 7, through the internal channels of which, under the action of the pump 10, water moves. Water (in the heat exchanger 7) as a result of heat exchange with the combustion products turns into superheated steam. The temperature of the combustion products at the outlet of the heat exchanger 7 decreases (~ 140 ° C). Combustion products are removed to the atmosphere.

Перегретый пар поступает в паровую турбину 9. В турбине давление и температура пара понижаются. Турбина совершает полезную работу. Давление перед турбиной (за насосом высокого давления) выбирается таким, чтобы на выходе из турбины при давлении ~0,2 МПа пар был сухим (это ~15 МПа). Пар проходит через теплообменник 11 и попадает в теплообменник-конденсатор 3. В теплообменниках 11 и 3 от пара отводится теплота. В результате отвода теплоты пар охлаждается и переходит в жидкое состояние - воду. Вода откачивается насосом 10, что обеспечивает понижение давления в магистрали за турбиной 9, а также перепад давлений на указанной турбине.Superheated steam enters the steam turbine 9. In the turbine, the pressure and temperature of the steam decrease. The turbine does a useful job. The pressure in front of the turbine (behind the high pressure pump) is selected so that the steam at the outlet of the turbine at a pressure of ~ 0.2 MPa is dry (this is ~ 15 MPa). The steam passes through the heat exchanger 11 and enters the heat exchanger-condenser 3. In the heat exchangers 11 and 3, heat is removed from the steam. As a result of heat removal, the steam cools and passes into a liquid state - water. Water is pumped out by the pump 10, which ensures a decrease in pressure in the line behind the turbine 9, as well as a pressure drop across the specified turbine.

Передача теплоты в теплообменнике-конденсаторе 3 происходит вследствие разницы температур рабочих тел внутри (пар, переходящий в воду) и снаружи (смесь воздуха и воды, переходящей в пар) теплообменника 3. Передача теплоты происходит последовательно в три этапа. На первом этапе в результате теплообмена температура пара понижается ~ до 120°C (давление пара ~0,15 МПа), а температура смеси увеличивается ~ до 100°C (давление смеси - атмосферное). При достижении указанных температур (второй этап) происходит конденсация пара с выделением теплоты и испарение воды с поглощением указанной теплоты (энергия парообразования передается от одного рабочего тела другому). На третьем этапе (после завершения процессов конденсации и испарения) происходит (за счет теплообмена) понижение температуры конденсата и увеличение температуры паровоздушной смеси до значений (более 100°C), при которых наступает тепловое равновесие. В результате описанных процессов в теплообменнике-конденсаторе устанавливается стационарный тепловой поток, основу которого составляет энергия парообразования воды, поступающей в ПГУ через коллектор 2.Heat transfer in the heat exchanger-condenser 3 occurs due to the temperature difference of the working fluid inside (steam passing into water) and outside (mixture of air and water passing into steam) of the heat exchanger 3. Heat transfer occurs sequentially in three stages. At the first stage, as a result of heat transfer, the vapor temperature decreases ~ to 120 ° C (vapor pressure ~ 0.15 MPa), and the temperature of the mixture increases ~ to 100 ° C (mixture pressure - atmospheric). Upon reaching the indicated temperatures (the second stage), steam condenses with the release of heat and water evaporates with the absorption of the indicated heat (the energy of vaporization is transferred from one working fluid to another). In the third stage (after completion of the condensation and evaporation processes), the condensate temperature decreases (due to heat transfer) and the temperature of the vapor-air mixture increases to values (more than 100 ° C) at which thermal equilibrium sets in. As a result of the described processes, a stationary heat flow is established in the heat exchanger-condenser, the basis of which is the energy of vaporization of water entering the CCGT unit through collector 2.

Полезная работа, совершаемая парогазовой установкой, преобразуется в электрическую энергию в генераторах электрического тока 12.The useful work done by the combined-cycle plant is converted into electrical energy in electric current generators 12.

На фиг.2 и фиг.3 показаны зависимости эффективного к.п.д. и удельной мощности Ne (мощности, приходящейся на килограмм расхода воздуха) ПГУ (фиг.1) от параметров рабочего процесса: относительного расхода воды δ (расход воды, приходящийся на килограмм расхода воздуха) и температуры газа перед турбиной Tг* при степени повышения давления в компрессоре πк=20, которая ограничена прочностью лопаток компрессора. Топливо - керосин. В расчете потери учитывались соответствующими к.п.д. термодинамических процессов: 0,85 - для сжатия; 0,92 - для расширения; 0,98 - для сгорания; 0,99 - механический к.п.д. Расчет выполнен для стандартных условий: tн=15°C и Pн=760 мм рт.ст. Видно, что ηе для δ=0,2 достигает значений 63%, а удельная мощность - 1200 кВт/кг.Figure 2 and figure 3 shows the dependence of the effective efficiency and specific power Ne yd (power per kilogram of air consumption) CCP (Fig. 1) on the parameters of the working process: relative water consumption δ (water consumption per kilogram of air consumption) and gas temperature in front of the turbine Tg * with a degree of pressure increase in the compressor πк = 20, which is limited by the strength of the compressor blades. Fuel is kerosene. In calculating the losses, the corresponding efficiency was taken into account. thermodynamic processes: 0.85 - for compression; 0.92 - for expansion; 0.98 - for combustion; 0.99 - mechanical efficiency The calculation was performed for standard conditions: t n = 15 ° C and P n = 760 mm Hg It can be seen that η e for δ = 0.2 reaches 63%, and the specific power is 1200 kW / kg.

На фиг.4 показан термодинамический цикл ПГУ (фиг.1) в T-S координатах. Буквами обозначены состояния рабочего тела в характерных сечениях ПГУ: н - вход во входное устройство; в - вход в компрессор; к - выход из компрессора; г - вход в турбину; т - выход из турбины; с - выход из выходного устройства (сопла). Цикл ПГУ состоит из внешнего L1 и внутреннего L2 циклов. Внутренний цикл - это цикл, который не имеет энергообмена с внешней средой (энергообмен осуществляется только с внешним циклом), что делает внутренний цикл в составе ПГУ абсолютно эффективным (внешние потери отсутствуют). Внутренний цикл преобразует тепловую энергию внешнего цикла Q1-2 в работу L2 и тепловую энергию Q2-1, которая тратится на создание рабочего тела (паровоздушная смесь) внешнего цикла. Паровоздушная смесь имеет большую удельную теплоемкость, чем воздух, что при тех же температурах Tг* позволяет иметь: а) более высокое удельное теплосодержание рабочего тела - меньшую долю затрат энергии на собственные нужды ПГУ, б) более высокую работу цикла L1 - большую удельную мощность ПГУ.Figure 4 shows the thermodynamic cycle of CCGT (figure 1) in TS coordinates. Letters denote the state of the working fluid in characteristic sections of a CCGT unit: n - entrance to the input device; in - entrance to the compressor; to - exit from the compressor; g - entrance to the turbine; t - exit from the turbine; C - exit from the output device (nozzle). The CCGT cycle consists of external L 1 and internal L 2 cycles. The internal cycle is a cycle that does not have energy exchange with the external environment (energy is exchanged only with the external cycle), which makes the internal cycle as part of the CCGT unit absolutely efficient (there are no external losses). The inner cycle converts the heat energy of the outer cycle Q 1-2 into work L 2 and the heat energy Q 2-1 , which is spent on creating the working fluid (vapor-air mixture) of the outer cycle. The steam-air mixture has a higher specific heat than air, which at the same temperatures Tg * allows you to have: a) a higher specific heat content of the working fluid — a smaller fraction of the energy consumed for the auxiliary needs of a CCGT unit, b) a higher work cycle L 1 - a higher specific power PSU.

Недостатком ПГУ является то, что энергия парообразования воды, которая тратится на создание рабочего тела внешнего цикла (площадь, закрашенная на фиг.4 серым цветом), после завершения цикла теряется.The disadvantage of CCGT is that the energy of water vaporization, which is spent on creating the working fluid of the external cycle (the area shaded in gray in Fig. 4), is lost after the cycle is completed.

На фиг.5 изображена ПГУ, в которой указанные потери тепла (энергия парообразования) преобразуются в полезную работу - потери тепла уменьшаются до размеров площади, закрашенной в черный цвет (фиг.4).Figure 5 shows the CCGT, in which the indicated heat loss (vaporization energy) is converted into useful work - heat loss is reduced to the size of the area painted black (figure 4).

ПГУ (фиг.5) состоит из ПГУ (фиг.1), в выходном канале 8 которой установлен теплообменник-испаритель 13, который закольцован через турбину 14, теплообменник 15 и насос 16: теплообменник-испаритель с одной стороны соединен с входным ресивером турбины, с другой стороны - с выходом из насоса; выходной ресивер турбины соединен с входом в теплообменник, выход из которого соединен с входом в насос. Внутри закольцованной системы циркулирует этиловый спирт, переходящий в пар и обратно. Турбина 14 соединена с электрогенератором 12.CCP (Fig. 5) consists of CCP (Fig. 1), in the output channel 8 of which a heat exchanger-evaporator 13 is installed, which is looped through the turbine 14, heat exchanger 15 and pump 16: the heat exchanger-evaporator is connected on one side to the turbine inlet receiver, on the other hand, with the exit from the pump; the output receiver of the turbine is connected to the inlet to the heat exchanger, the output of which is connected to the inlet to the pump. Ethyl alcohol circulates inside the ringed system, passing into steam and vice versa. The turbine 14 is connected to an electric generator 12.

Работа установки осуществляется следующим образом. Продукты сгорания, температура которых более 100°C, по каналу 8 поступают в теплообменник-испаритель 13, внутри которого под давлением ~0,19 МПа при температуре ~50°C циркулирует этиловый спирт. В результате теплообмена спирт нагревается до температуры более 95°C, превращаясь в перегретый пар (температура кипения спирта ~95°C), а продукты сгорания охлаждаются до температуры менее 95°C, при которой водяной пар, находящийся в продуктах сгорания, превращается в воду (между спиртом и водой происходит обмен энергиями парообразования). Продукты сгорания (вместе с водой) удаляются в атмосферу.The installation is as follows. Combustion products, the temperature of which is more than 100 ° C, pass through channel 8 to a heat exchanger-evaporator 13, inside of which ethanol is circulated at a pressure of ~ 0.19 MPa at a temperature of ~ 50 ° C. As a result of heat exchange, the alcohol is heated to a temperature of more than 95 ° C, turning into superheated steam (the boiling point of alcohol is ~ 95 ° C), and the combustion products are cooled to a temperature of less than 95 ° C, at which the water vapor in the combustion products turns into water (between the alcohol and water there is an exchange of vaporization energies). Combustion products (together with water) are removed to the atmosphere.

Перегретый пар поступает в турбину 14. В турбине давление и температура пара понижаются. Турбина совершает полезную работу. Давление за турбиной ниже атмосферного (выбирается таким, чтобы на выходе из турбины пар был сухим). Из турбины пар поступает в теплообменник 15. За счет теплообмена между паром и холодной водой, циркулирующей внутри теплообменника 15, пар конденсируется (превращается в жидкий спирт) и охлаждается (~50°C). Жидкий спирт откачивается насосом 16, который поддерживает заданный перепад давлений на турбине 14.The superheated steam enters the turbine 14. In the turbine, the pressure and temperature of the steam decrease. The turbine does a useful job. The pressure behind the turbine is below atmospheric (chosen so that the steam at the outlet of the turbine is dry). From the turbine, steam enters the heat exchanger 15. Due to the heat exchange between the steam and cold water circulating inside the heat exchanger 15, the steam condenses (turns into liquid alcohol) and cools (~ 50 ° C). Liquid alcohol is pumped out by a pump 16, which maintains a given pressure drop across the turbine 14.

Полезная работа, совершаемая турбиной, преобразуется в электрическую энергию в генераторе 12.The useful work done by the turbine is converted into electrical energy in the generator 12.

На фиг.6 и фиг.7 показаны зависимости эффективного к.п.д. и удельной мощности Neуд ПГУ (фиг.5) от параметров рабочего процесса: относительного расхода воды δ и температуры газа перед турбиной Tг* при степени повышения давления в компрессоре πк=20. Топливо - керосин. В расчете потери учитывались соответствующими к.п.д. термодинамических процессов: 0,85 - для сжатия; 0,92 - для расширения; 0,98 - для сгорания; 0,99 - механический к.п.д. Расчет выполнен для стандартных условий: tн=15°C и Pн=760 мм рт.ст. Видно, что эффективный к.п.д. ПГУ (фиг.5) по отношению к базовой ПГУ (фиг.1) повышается на 3÷4%, а удельная мощность - на 10÷12%.In Fig.6 and Fig.7 shows the dependence of the effective efficiency and specific power Ne beats CCP (Fig. 5) on the parameters of the working process: relative water flow δ and gas temperature in front of the turbine Tg * with a degree of increase in pressure in the compressor π к = 20. Fuel is kerosene. In calculating the losses, the corresponding efficiency was taken into account. thermodynamic processes: 0.85 - for compression; 0.92 - for expansion; 0.98 - for combustion; 0.99 - mechanical efficiency The calculation was performed for standard conditions: t n = 15 ° C and P n = 760 mm Hg It is seen that the effective efficiency CCP (Fig. 5) in relation to the basic CCP (Fig. 1) increases by 3 ÷ 4%, and specific power - by 10 ÷ 12%.

Предельная (теоретическая) эффективность ПГУ (фиг.5) зависит от применяемого топлива и может быть оценена какThe marginal (theoretical) efficiency of the CCGT unit (Fig. 5) depends on the fuel used and can be estimated as

Figure 00000001
,
Figure 00000001
,

где α=1,1÷1,2 - коэффициент избытка воздуха;where α = 1.1 ÷ 1.2 is the coefficient of excess air;

Lo - стехиометрический коэффициент;Lo is the stoichiometric coefficient;

Hu - теплота сгорания топлива;Hu is the calorific value of fuel;

δ=0,2÷0,3 - относительный расход воды;δ = 0.2 ÷ 0.3 is the relative flow rate of water;

m=0,5÷0,6 - относительный расход спирта;m = 0.5 ÷ 0.6 is the relative consumption of alcohol;

r=850 кДж/кг - удельная теплота парообразования спирта;r = 850 kJ / kg - specific heat of vaporization of alcohol;

cв=1,004 кДж/(кг·град) - удельная теплоемкость воздуха;c in = 1.004 kJ / (kg · deg) - specific heat of air;

cвод=4,18 кДж/(кг·град) - удельная теплоемкость воды.c water = 4.18 kJ / (kg · deg) is the specific heat of water.

На фиг.8 показаны предельные значения эффективных к.п.д., которые можно получить, используя принцип преобразования энергии, заложенный в ПГУ (фиг.5), для топлив: керосин, метан, водород.On Fig shows the limit values of effective efficiency, which can be obtained using the principle of energy conversion, incorporated in the CCGT (figure 5), for fuels: kerosene, methane, hydrogen.

Положительным результатом предлагаемых технических решений является расширение возможностей повышения эффективного к.п.д. тепловых машин (газотурбинных установок) до 60÷75% и более, что на 10÷15% выше, чем у лучших аналогов.A positive result of the proposed technical solutions is the expansion of opportunities to increase effective efficiency thermal machines (gas turbine units) up to 60–75% or more, which is 10–15% higher than that of the best analogues.

Claims (14)

1. Парогазовая установка, содержащая входное устройство, компрессор, камеру сгорания, турбину привода компрессора, выходное устройство, теплообменник-нагреватель, расположенный в канале выходного устройства за турбиной привода компрессора, и теплообменник-конденсатор, охлаждаемый водой, которые закольцованы через паровую турбину и насос высокого давления: теплообменник-конденсатор с одной стороны соединен с выходным ресивером турбины, с другой стороны - с входом в насос высокого давления; теплообменник-нагреватель с одной стороны соединен с входным ресивером турбины, с другой стороны - с выходом из насоса высокого давления, внутри которых циркулирует жидкость, переходящая в пар и обратно, отличающаяся тем, что теплообменник-конденсатор расположен в канале входного устройства перед компрессором, а вода подается в канал входного устройства перед теплообменником-конденсатором.1. Combined-cycle plant comprising an inlet device, a compressor, a combustion chamber, a compressor drive turbine, an output device, a heat exchanger-heater located in the channel of the output device behind the compressor drive turbine, and a water-cooled heat exchanger-condenser that are looped through the steam turbine and pump high pressure: the heat exchanger-condenser is connected, on the one hand, to the output receiver of the turbine, and, on the other hand, to the inlet to the high-pressure pump; the heat exchanger-heater is connected, on the one hand, to the turbine inlet receiver, and, on the other hand, to the outlet of the high-pressure pump, inside which the liquid circulates, passing into steam and vice versa, characterized in that the heat exchanger-condenser is located in the channel of the inlet device in front of the compressor, and water is supplied to the channel of the input device in front of the heat exchanger-condenser. 2. Парогазовая установка по п.1, отличающаяся тем, что температура рабочего тела на входе в компрессор более 100°С.2. Combined-cycle plant according to claim 1, characterized in that the temperature of the working fluid at the inlet to the compressor is more than 100 ° C. 3. Парогазовая установка по п.1, отличающаяся тем, что жидкость - вода.3. Combined-cycle plant according to claim 1, characterized in that the liquid is water. 4. Парогазовая установка по п.1, отличающаяся тем, что давление жидкости на входе в насос высокого давления более 0,15 МПа.4. Combined-cycle plant according to claim 1, characterized in that the liquid pressure at the inlet to the high-pressure pump is more than 0.15 MPa. 5. Парогазовая установка по п.1, отличающаяся тем, что степень повышения давления в компрессоре более 18.5. Combined cycle plant according to claim 1, characterized in that the degree of pressure increase in the compressor is more than 18. 6. Парогазовая установка по п.1, отличающаяся тем, что температура газа перед турбиной более 1700 K.6. Combined-cycle plant according to claim 1, characterized in that the gas temperature in front of the turbine is more than 1700 K. 5. Парогазовая установка по п.1, отличающаяся тем, что расход воды более 10% от расхода воздуха.5. Combined cycle plant according to claim 1, characterized in that the water flow rate is more than 10% of the air flow rate. 6. Парогазовая установка по п.1, отличающаяся тем, что давление жидкости на выходе из насоса высокого давления более 15 МПа.6. Combined cycle plant according to claim 1, characterized in that the liquid pressure at the outlet of the high pressure pump is more than 15 MPa. 7. Парогазовая установка по п.1, отличающаяся тем, что топливо в камеру сгорания подается через теплообменник, расположенный в канале, соединяющем паровую турбину и теплообменник-конденсатор.7. Combined-cycle plant according to claim 1, characterized in that the fuel is supplied to the combustion chamber through a heat exchanger located in the channel connecting the steam turbine and the heat exchanger-condenser. 8. Парогазовая установка по п.1, отличающаяся тем, что топливо - криогенная жидкость.8. Combined-cycle plant according to claim 1, characterized in that the fuel is a cryogenic liquid. 9. Парогазовая установка по п.1, отличающаяся тем, что топливо - водород.9. Combined-cycle plant according to claim 1, characterized in that the fuel is hydrogen. 10. Парогазовая установка, содержащая входное устройство, компрессор, камеру сгорания, турбину привода компрессора, выходное устройство, теплообменник-конденсатор, расположенный в канале входного устройства перед компрессором, и теплообменник-нагреватель, расположенный в канале выходного устройства за турбиной привода компрессора, которые закольцованы через паровую турбину и насос высокого давления: теплообменник-конденсатор с одной стороны соединен с выходным ресивером турбины, с другой стороны - с входом в насос высокого давления; теплообменник-нагреватель с одной стороны соединен с входным ресивером турбины, с другой стороны - с выходом из насоса высокого давления, внутри которых циркулирует жидкость, переходящая в пар и обратно, в канал входного устройства перед теплообменником-конденсатором подается вода, отличающаяся тем, что в канале выходного устройства за теплообменником-нагревателем установлен теплообменник-испаритель, который закольцован через турбину, теплообменник и насос: теплообменник-испаритель с одной стороны соединен с входным ресивером турбины, с другой стороны - с выходом из насоса; выходной ресивер турбины соединен с входом в теплообменник, выход из которого соединен с входом в насос, внутри которых циркулирует легкоиспаряющаяся жидкость, переходящая в пар и обратно.10. Combined-cycle plant containing an input device, a compressor, a combustion chamber, a compressor drive turbine, an output device, a heat exchanger-condenser located in the channel of the input device in front of the compressor, and a heat exchanger-heater located in the channel of the output device behind the compressor drive turbine, which are looped through a steam turbine and a high pressure pump: on one side, the heat exchanger-condenser is connected to the output receiver of the turbine, and on the other hand, to the inlet to the high pressure pump; the heat exchanger-heater is connected, on the one hand, to the turbine inlet receiver, and, on the other hand, to the outlet of the high-pressure pump, inside which the liquid circulating into steam and vice versa, water is supplied to the channel of the input device in front of the heat exchanger-condenser, characterized in that a heat exchanger-evaporator is installed behind the heat exchanger-heater channel, which is looped through a turbine, heat exchanger and pump: the heat exchanger-evaporator is connected on one side to the turbine inlet receiver On the other hand - to the outlet of the pump; the output receiver of the turbine is connected to the inlet to the heat exchanger, the outlet of which is connected to the inlet to the pump, inside of which an easily evaporating liquid circulates, passing into steam and vice versa. 11. Парогазовая установка по п.10, отличающаяся тем, что легкоиспаряющаяся жидкость - этиловый спирт.11. Combined-cycle plant according to claim 10, characterized in that the volatile liquid is ethyl alcohol. 12. Парогазовая установка по п.10, отличающаяся тем, что давление за турбиной ниже атмосферного. 12. Combined cycle plant of claim 10, wherein the pressure behind the turbine is lower than atmospheric.
RU2012154661/06A 2012-12-17 2012-12-17 Combined cycle plant RU2520762C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012154661/06A RU2520762C1 (en) 2012-12-17 2012-12-17 Combined cycle plant

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012154661/06A RU2520762C1 (en) 2012-12-17 2012-12-17 Combined cycle plant

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2520762C1 true RU2520762C1 (en) 2014-06-27

Family

ID=51217993

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012154661/06A RU2520762C1 (en) 2012-12-17 2012-12-17 Combined cycle plant

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2520762C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2674089C1 (en) * 2018-01-22 2018-12-04 Владимир Леонидович Письменный Method of forcing gas turbine plant

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4424668A (en) * 1981-04-03 1984-01-10 Bbc Brown, Boveri & Company Limited Combined gas turbine and steam turbine power station
SU1590565A1 (en) * 1987-08-03 1990-09-07 Николаевский Кораблестроительный Институт Им.Адм.С.О.Макарова Contact gas-turbine unit
RU50603U1 (en) * 2004-12-14 2006-01-20 Владимир Леонидович Письменный STEAM GAS INSTALLATION
RU2272916C2 (en) * 2004-03-22 2006-03-27 Владимир Леонидович Письменный Steam-gas turbine plant

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4424668A (en) * 1981-04-03 1984-01-10 Bbc Brown, Boveri & Company Limited Combined gas turbine and steam turbine power station
SU1590565A1 (en) * 1987-08-03 1990-09-07 Николаевский Кораблестроительный Институт Им.Адм.С.О.Макарова Contact gas-turbine unit
RU2272916C2 (en) * 2004-03-22 2006-03-27 Владимир Леонидович Письменный Steam-gas turbine plant
RU50603U1 (en) * 2004-12-14 2006-01-20 Владимир Леонидович Письменный STEAM GAS INSTALLATION

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
В.БЕЛЯЕВ и др. Газотурбинные установки с энергетическим впрыском пара. Газотурбинные установки, июль-август 2002, с. 20-24. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2674089C1 (en) * 2018-01-22 2018-12-04 Владимир Леонидович Письменный Method of forcing gas turbine plant

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104533621B (en) A kind of double fuel steam injection forward and reverse Gas Turbine Combined-cycle
CN101666250A (en) System for improving low-temperature heat source power generation capacity by using injection pump
CN102337934A (en) Combined cycle generating system for improving heat source usage efficiency
CN108843418A (en) A kind of double pressure high efficiency burnt gas supercritical carbon dioxide association circulating power generation systems
CN202220628U (en) Combined cycle power generation system for increasing use efficiency of heat source
CN102278205A (en) Combined cycle method capable of being used for distributed air and fuel humidified gas turbine
CN205714295U (en) Based on supercritical carbon dioxide and the thermal electric generator of Steam Combined Cycle
RU2520762C1 (en) Combined cycle plant
RU2287708C1 (en) Power plant
CN201723313U (en) Gas turbine combined cycling device for distributed air and fuel humidification
RU2412359C1 (en) Operating method of combined cycle plant
RU2409746C2 (en) Steam-gas plant with steam turbine drive of compressor and regenerative gas turbine
CN208380648U (en) A kind of association circulating power generation system of the double pressure supercritical carbon dioxide waste heat boilers of band
CN206468383U (en) Improve the device of the Rankine cycle thermal efficiency
CN203532054U (en) Combined circulation system of microturbine based on renewable energy sources
RU2008147392A (en) METHOD FOR OPERATING A POWER UNIT WITH A GAS TURBINE UNIT
RU2561770C2 (en) Operating method of combined-cycle plant
RU2476690C2 (en) Method of combined cycle plant operation
RU178331U1 (en) STEAM-GAS TURBINE INSTALLATION
RU2523087C1 (en) Steam and gas turbine plant
RU2555609C2 (en) Combined cycle cooling unit operating method and device for its implementation
RU2775732C1 (en) Oxygen-fuel power plant
RU150661U1 (en) STEAM-GAS TURBINE INSTALLATION
RU167924U1 (en) Binary Combined Cycle Plant
RU123842U1 (en) ENERGY INSTALLATION