RU2528214C2 - Gas turbine co-generation power plant - Google Patents
Gas turbine co-generation power plant Download PDFInfo
- Publication number
- RU2528214C2 RU2528214C2 RU2012149900/06A RU2012149900A RU2528214C2 RU 2528214 C2 RU2528214 C2 RU 2528214C2 RU 2012149900/06 A RU2012149900/06 A RU 2012149900/06A RU 2012149900 A RU2012149900 A RU 2012149900A RU 2528214 C2 RU2528214 C2 RU 2528214C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gas turbine
- power plant
- heating device
- pressure
- heat exchange
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL 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
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
- Y02E20/14—Combined heat and power generation [CHP]
Landscapes
- Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
- Control Of Turbines (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION
Изобретение относится к области энергетики, в том числе к малой распределенной энергетике, и предназначено для использования в когенерационных газотурбинных энергетических установках, которые одновременно вырабатывают электрическую энергию и тепловую энергию.The invention relates to the field of energy, including small distributed energy, and is intended for use in cogeneration gas turbine power plants that simultaneously produce electrical energy and thermal energy.
Уровень техникиState of the art
Известна когенерационная газотурбинная энергетическая установка (патент США № US 5,313,782 U.S. C1. 60/39.17, 24.05.1994), содержащая электрические генераторы, первую и вторую газовые турбины, компрессоры, первую и вторую камеры сгорания, паровой котел, нагреваемый за счет тепловой энергии выхлопных газов, исходящих из второй газовой турбины, и паровую турбину, в которой повышение коэффициента полезного действия (КПД) этой установки достигнуто путем оптимизации термодинамического цикла, реализуемого в данной энергетической установке.Known cogeneration gas turbine power plant (US patent No. US 5,313,782 US C1. 60 / 39.17, 05.24.1994) containing electric generators, first and second gas turbines, compressors, first and second combustion chambers, a steam boiler heated by exhaust thermal energy gases emanating from the second gas turbine, and a steam turbine in which an increase in the efficiency (efficiency) of this unit is achieved by optimizing the thermodynamic cycle implemented in this power plant.
Известна когенерационная газотурбинная энергетическая установка (патент США № US 7,950,239 U.S.C1. 60/774, 31.05.2011), содержащая электрические генераторы, газотурбинную группу и паровой контур с установленным между ними паровым котлом, в котором тепловая энергия выхлопных газов турбин используется для обеспечения нагрева до парообразного состояния воды, подаваемой в утилизационную паровую турбину, что приводит к повышению использования энергии топлива.Known cogeneration gas turbine power plant (US patent No. US 7,950,239 USC1. 60/774, 05/31/2011) containing electric generators, a gas turbine group and a steam circuit with a steam boiler installed between them, in which the thermal energy of the exhaust gases of the turbines is used to provide heating to the vaporous state of the water supplied to the recovery steam turbine, which leads to an increase in the use of fuel energy.
Известна когенерационная газотурбинная энергетическая установка (Заявка на изобретение RU 2010145252, МПК F22B 1/24, 09.11.2010, Положительное решение о выдаче патента на изобретение №2010145252/06 (065285) от 26.06.2012), которая по совокупности функционально сходных существенных признаков выбрана в качестве прототипа.Known cogeneration gas turbine power plant (Application for invention RU 2010145252, IPC F22B 1/24, 11/09/2010, Positive decision on the grant of a patent for the invention No. 2010145252/06 (065285) dated 06/26/2012), which is selected from a set of functionally similar essential features as a prototype.
Эта энергетическая установка содержит компрессор низкого давления, компрессор высокого давления, причем выход компрессора низкого давления присоединен к входу компрессора высокого давления, компрессор продуктов сгорания, камеру сгорания, газовую турбину высокого давления и газовую турбину низкого давления, имеющие между собой газовую связь, теплофикационное устройство, установленное между этими газовыми турбинами, снабженное внутренним горячим каналом теплофикационного устройства, в котором размещен движущийся теплоноситель, представляющий собой частично отработавшие в турбине высокого давления продукты сгорания, причем выход горячего канала теплофикационного устройства присоединен к входу компрессора продуктов сгорания газа и входу турбины низкого давления, а также холодным каналом теплофикационного устройства с помещенным внутри него другим движущимся теплоносителем, отводящим получаемую в результате теплообмена между горячим и холодным каналами внутри теплофикационного устройства тепловую энергию для ее использования вне газотурбинной энергетической установки, и основной электрический генератор, используемый в качестве полезной нагрузки.This power plant comprises a low pressure compressor, a high pressure compressor, the output of the low pressure compressor being connected to the inlet of the high pressure compressor, a combustion product compressor, a combustion chamber, a high pressure gas turbine and a low pressure gas turbine having a gas connection between each other, a heating device, installed between these gas turbines, provided with an internal hot channel of the heating device, in which the moving coolant is placed, pre comprising combustion products partially spent in a high-pressure turbine, the outlet of the hot channel of the heating device connected to the inlet of the gas combustion product compressor and the inlet of the low pressure turbine, as well as the cold channel of the heating device with another moving heat carrier inside, which removes the heat exchange between hot and cold channels inside the heating device thermal energy for its use outside the gas turbine power Fitting minutes, and the main electric generator is used as a payload.
Повышение полезного использования энергии топлива при выработке тепловой и электрической энергии в прототипе конструктивно достигается путем размещения теплофикационного устройства между газовой турбиной высокого давления и газовой турбиной низкого давления, а также за счет возврата в камеру сгорания части охладившихся в теплофикационном устройстве продуктов сгорания.The increase in the useful use of fuel energy in the generation of thermal and electric energy in the prototype is structurally achieved by placing a heating device between a high pressure gas turbine and a low pressure gas turbine, as well as by returning to the combustion chamber some of the combustion products cooled in the heating device.
При этом достигается повышение КПД за счет снижения температуры продуктов сгорания перед турбиной низкого давления и соответственно уходящих в атмосферу выхлопных газов по сравнению с традиционными энергетическими установками, в которых для получения тепловой энергии используются продукты сгорания, выходящие из газовой турбины низкого давления, имеющие относительно низкие температуру и давление. Возврат части тепловой энергии, содержащейся в направляемых в камеру сгорания частично отработавших продуктах сгорания, дополнительно повышает КПД этой энергетической установки.At the same time, an increase in efficiency is achieved by lowering the temperature of the combustion products in front of the low-pressure turbine and, accordingly, exhaust gases leaving the atmosphere as compared to traditional power plants, in which combustion products leaving the low-pressure gas turbine having relatively low temperature are used to obtain thermal energy and pressure. The return of a portion of the thermal energy contained in the partially exhausted combustion products sent to the combustion chamber further increases the efficiency of this power plant.
В прототипе количество получаемой тепловой энергии определяется температурой и давлением продуктов сгорания, частично отработавших в газовой турбине высокого давления и подаваемых на теплофикационное устройство, которые зависят от температуры и давления продуктов сгорания после камеры сгорания, подаваемых в газовую турбину высокого давления, на одном валу с которой размещен основной электрический генератор. Эта связь приводит к жесткой зависимости между количеством вырабатываемой электрической энергии и количеством получаемой тепловой энергии. Чем больше температура и давление продуктов сгорания после камеры сгорания, тем больше вырабатывается электрической энергии и тем больше можно снять тепловой энергии и наоборот. При этом устойчивость работы прототипа в значительной степени зависит от отклонений от номинального режима при изменении количества тепловой энергии, снимаемой в теплофикационном устройстве. Например, при увеличении количества снимаемой тепловой энергии температура поступающих на газовую турбину низкого давления продуктов сгорания снижается, что приводит к снижению мощности на валу этой турбины и, соответственно, мощности привода компрессора низкого давления, находящегося на том же валу. Это вызывает понижение давления воздуха за этим компрессором, а также за компрессором высокого давления, из которого сжатый воздух подается в камеру сгорания. В то же время подача части более холодных частично отработавших продуктов сгорания в компрессор продуктов сгорания к снижению давления за этим компрессором не приведет. В результате в камере сгорания может быть нарушено необходимое соотношение давлений воздуха и частично отработавших продуктов сгорания, что негативно повлияет на режим работы и может привести к неустойчивости и даже к нарушению работоспособности.In the prototype, the amount of thermal energy received is determined by the temperature and pressure of the combustion products partially exhausted in the high pressure gas turbine and supplied to the heating device, which depend on the temperature and pressure of the combustion products after the combustion chamber supplied to the high pressure gas turbine, on which shaft hosted the main electric generator. This connection leads to a rigid relationship between the amount of generated electrical energy and the amount of thermal energy received. The higher the temperature and pressure of the combustion products after the combustion chamber, the more electricity is generated and the more thermal energy can be removed and vice versa. Moreover, the stability of the prototype largely depends on deviations from the nominal mode when changing the amount of thermal energy removed in the heating device. For example, with an increase in the amount of removed thermal energy, the temperature of the combustion products entering the low-pressure gas turbine decreases, which leads to a decrease in the power on the shaft of this turbine and, accordingly, the drive power of the low-pressure compressor located on the same shaft. This causes a decrease in air pressure behind this compressor, as well as behind the high-pressure compressor, from which compressed air is supplied to the combustion chamber. At the same time, the supply of a part of the cooler partially exhausted combustion products to the compressor of combustion products will not lead to a decrease in pressure behind this compressor. As a result, the necessary ratio of air pressures and partially exhausted combustion products can be violated in the combustion chamber, which will negatively affect the operating mode and can lead to instability and even malfunction.
Следствием снижения температуры продуктов сгорания за счет большего теплосъема в теплофикационном устройстве прототипа является уменьшение количества возвращаемой тепловой энергии в камеру сгорания и последующее снижение температуры продуктов сгорания после камеры сгорания (то есть максимальной температуры термодинамического цикла данной энергетической установки), поступающих далее в газовую турбину высокого давления. Это приведет к снижению снимаемой с нее мощности, используемой для привода основного электрического генератора, компрессора высокого давления и компрессора продуктов сгорания, находящихся на одном валу.The consequence of lowering the temperature of the combustion products due to greater heat removal in the heating device of the prototype is a decrease in the amount of thermal energy returned to the combustion chamber and a subsequent decrease in the temperature of the combustion products after the combustion chamber (i.e., the maximum temperature of the thermodynamic cycle of a given power plant), which then enter the high-pressure gas turbine . This will lead to a reduction in the power removed from it, used to drive the main electric generator, high pressure compressor and compressor of combustion products located on one shaft.
Применение энергетической установки согласно прототипу в условиях сезонных и суточных колебаний в потреблении тепловой и электрической энергии ограничено, так как для обеспечения пикового энергопотребления требуются дополнительные генерирующие мощности.The use of a power plant according to the prototype in the conditions of seasonal and daily fluctuations in the consumption of heat and electric energy is limited, since additional generating capacities are required to ensure peak energy consumption.
Кроме того, в прототипе максимальное значение коэффициента полезного действия достигается только в режиме максимального теплосъема в теплофикационном устройстве, который во многих случаях практической эксплуатации такой энергетической установки не требуется, например вне отопительного сезона. На других режимах выхлопные газы, выбрасываемые в атмосферу, имеют более высокую температуру, что приводит к большим потерям энергии и, соответственно, к снижению КПД.In addition, in the prototype, the maximum value of the efficiency is achieved only in the maximum heat removal mode in the heating device, which in many cases, the practical operation of such a power plant is not required, for example, outside the heating season. In other modes, the exhaust gases emitted into the atmosphere have a higher temperature, which leads to large energy losses and, consequently, to a decrease in efficiency.
Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION
Целью данного изобретения является обеспечение регулирования режима когенерации и повышение коэффициента полезного действия.The aim of this invention is the provision of regulation of the cogeneration mode and increase the efficiency.
Указанные цели достигаются за счет того, что в заявленном техническом решении дополнительно установлено теплообменное устройство, содержащее взаимодействующие между собой посредством теплообмена горячий и холодный каналы, вход горячего канала теплообменного устройства подсоединен к выходу из газовой турбины высокого давления, а выход горячего канала теплообменного устройства присоединен к входу горячего канала теплофикационного устройства, при этом в качестве движущегося теплоносителя горячего канала теплообменного устройства использованы частично отработавшие продукты сгорания, поступающие из газовой турбины высокого давления, вход холодного канала теплообменного устройства подсоединен к выходу из компрессора высокого давления, а выход холодного канала теплообменного устройства присоединен к входу камеры сгорания, при этом в качестве движущегося теплоносителя холодного канала теплообменного устройства использована содержащая окислитель газообразная смесь, поступающая из компрессора высокого давления, теплофикационное устройство выполнено регулируемым, а к газовой турбине низкого давления подсоединен дополнительный электрический генератор, используемый в качестве полезной нагрузки.These goals are achieved due to the fact that in the claimed technical solution, there is additionally installed a heat exchange device containing hot and cold channels interacting with each other through heat exchange, the inlet of the hot channel of the heat exchanger is connected to the outlet of the high pressure gas turbine, and the outlet of the hot channel of the heat exchanger is connected to the input of the hot channel of the heating device, while as a moving coolant of the hot channel of the heat exchange device and partially exhausted combustion products from a high-pressure gas turbine were used, the inlet of the cold channel of the heat exchanger is connected to the outlet of the high-pressure compressor, and the output of the cold channel of the heat exchanger is connected to the inlet of the combustion chamber, while the containing coolant channel of the heat exchanger is used oxidizer gaseous mixture coming from a high-pressure compressor, heating device is regulated fired, and a low pressure gas turbine connected additional electric generator, used as a payload.
Когенерационная газотурбинная энергетическая установка выполнена по двухвальной схеме, содержащей компрессор низкого давления, размещенный на одном и том же первом валу с газовой турбиной низкого давления с присоединенным к этому первому валу дополнительным электрическим генератором, используемым в качестве полезной нагрузки, компрессор высокого давления, размещенный на одном и том же втором валу с газовой турбиной высокого давления с присоединенным к этому второму валу основным электрическим генератором, используемым в качестве полезной нагрузки.The cogeneration gas-turbine power plant is designed according to a two-shaft scheme containing a low-pressure compressor located on the same first shaft with a low-pressure gas turbine with an additional electric generator connected to this first shaft, used as a payload, a high-pressure compressor located on one and the same second shaft with a high pressure gas turbine with a main electric generator connected to this second shaft, used as useful to the load.
Когенерационная газотурбинная энергетическая установка выполнена по двухвальной схеме со свободной турбиной, содержит размещенные на одном и том же первом валу компрессор низкого давления, компрессор высокого давления, газовую турбину высокого давления с присоединенным к этому валу основным электрическим генератором, используемым в качестве полезной нагрузки, и газовую турбину низкого давления, размещенную на втором валу, к которому присоединен дополнительный электрический генератор, используемый в качестве полезной нагрузки.The cogeneration gas-turbine power plant is designed according to a two-shaft scheme with a free turbine, it contains a low-pressure compressor, a high-pressure compressor, a high-pressure gas turbine with a main electric generator used as a payload connected to this shaft, and a gas a low pressure turbine located on a second shaft to which an additional electric generator is connected, used as a payload.
В когенерационной газотурбинной энергетической установке регулируемое теплофикационное устройство выполнено в виде парового котла.In a cogeneration gas turbine power plant, an adjustable heating device is made in the form of a steam boiler.
В когенерационной газотурбинной энергетической установке регулируемое теплофикационное устройство выполнено в виде водогрейного котла.In a cogeneration gas turbine power plant, an adjustable heating device is made in the form of a boiler.
В когенерационной газотурбинной энергетической установке регулируемое теплофикационное устройство выполнено в виде паротурбинной энергетической установки.In a cogeneration gas-turbine power plant, an adjustable heating device is made in the form of a steam-turbine power plant.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
В дальнейшем изобретение поясняется конкретными примерами его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи. На Фигуре 1 изображена блок-схема когенерационной газотурбинной энергетической установки, выполненной по двухвальной схеме. На Фигуре 2 приведена блок-схема когенерационной газотурбинной энергетической установки, выполненной по двухвальной схеме со свободной турбиной. На Фигуре 3 показана диаграмма термодинамического цикла когенерационной газотурбинной энергетической установки в координатах температуры T и энтропии S.The invention is further illustrated by specific examples of its implementation with reference to the accompanying drawings. The Figure 1 shows a block diagram of a cogeneration gas turbine power plant, made according to the two-shaft scheme. The Figure 2 shows a block diagram of a cogeneration gas turbine power plant, made according to the two-shaft scheme with a free turbine. Figure 3 shows a diagram of the thermodynamic cycle of a cogeneration gas turbine power plant in the coordinates of temperature T and entropy S.
Осуществление изобретенияThe implementation of the invention
Когенерационная газотурбинная энергетическая установка, выполненная по двухвальной схеме (Фигура 1), содержит компрессор низкого давления 1, компрессор высокого давления 2, причем выход компрессора низкого давления 1 присоединен к входу компрессора высокого давления 2, камеру сгорания 3, имеющие между собой газовую связь газовую турбину высокого давления 4, размещенную на одном и том же валу с компрессором высокого давления 2, и газовую турбину низкого давления 5, размещенную на одном и том же валу с компрессором низкого давления 1, теплофикационное устройство 6, установленное между этими газовыми турбинами, снабженное внутренним горячим каналом теплофикационного устройства 7, в котором размещен движущийся теплоноситель, представляющий собой частично отработавшие в турбине высокого давления продукты сгорания, а также холодным каналом теплофикационного устройства 8 с помещенным внутри него другим движущимся теплоносителем, отводящим получаемую в результате теплообмена между горячим каналом 7 и холодным каналом 8 внутри теплофикационного устройства 6 тепловую энергию для ее использования вне газотурбинной энергетической установки, и основной электрический генератор 9, подсоединенный к газовой турбине высокого давления 2 и используемый в качестве полезной нагрузки. Для обеспечения регулирования режима когенерации и повышения коэффициента полезного действия дополнительно установлено теплообменное устройство 10, содержащее взаимодействующие между собой посредством теплообмена горячий канал 11 и холодный канал 12, вход горячего канала 11 теплообменного устройства 10 подсоединен к выходу из газовой турбины высокого давления 4, а выход горячего канала 11 теплообменного устройства 10 присоединен к входу горячего канала 7 теплофикационного устройства 6, при этом в качестве движущегося теплоносителя горячего канала теплообменного устройства 10 использованы частично отработавшие продукты сгорания, поступающие из газовой турбины высокого давления 4. Вход холодного канала 12 теплообменного устройства 10 подсоединен к выходу из компрессора высокого давления 2, а выход холодного канала 12 теплообменного устройства 10 присоединен к входу камеры сгорания 3, при этом в качестве движущегося теплоносителя холодного канала теплообменного устройства использована содержащая окислитель газообразная смесь, поступающая из компрессора высокого давления 2. Теплофикационное устройство 6 выполнено с регулируемым теплосъемом, а к газовой турбине низкого давления 5 подсоединен дополнительный электрический генератор 13, используемый в качестве полезной нагрузки.The cogeneration gas-turbine power plant, made according to the two-shaft scheme (Figure 1), contains a low-
Когенерационная газотурбинная энергетическая установка, выполненная по двухвальной схеме со свободной турбиной (Фигура 2), содержит размещенные на одном и том же первом валу компрессор низкого давления 1, компрессор высокого давления 2 и газовую турбину высокого давления 4, причем выход компрессора низкого давления 1 присоединен к входу компрессора высокого давления 2, камеру сгорания 3, газовую турбину низкого давления 5, размещенную на втором валу и имеющую газовую связь с газовой турбиной высокого давления 4, теплофикационное устройство 6, установленное между этими газовыми турбинами, снабженное внутренним горячим каналом теплофикационного устройства 7, в котором размещен движущийся теплоноситель, представляющий собой частично отработавшие в турбине высокого давления продукты сгорания, а также холодным каналом теплофикационного устройства 8 с помещенным внутри него другим движущимся теплоносителем, отводящим получаемую в результате теплообмена между горячим каналом 7 и холодным каналом 8 внутри теплофикационного устройства 6 тепловую энергию для ее использования вне газотурбинной энергетической установки, основной электрический генератор 9, подсоединенный к газовой турбине высокого давления 4 и используемый в качестве полезной нагрузки. Для обеспечения регулирования режима когенерации и повышения коэффициента полезного действия дополнительно установлено теплообменное устройство 10, содержащее взаимодействующие между собой посредством теплообмена горячий канал 11 и холодный канал 12, вход горячего канала 11 теплообменного устройства 10 подсоединен к выходу из газовой турбины высокого давления 4, а выход горячего канала 11 теплообменного устройства 10 присоединен к входу горячего канала 7 теплофикационного устройства 6, при этом в качестве движущегося теплоносителя горячего канала теплообменного устройства использованы частично отработавшие продукты сгорания, поступающие из газовой турбины высокого давления 4. Вход холодного канала 12 теплообменного устройства 10 подсоединен к выходу из компрессора высокого давления 2, а выход холодного канала 12 теплообменного устройства 10 присоединен к входу камеры сгорания 3, при этом в качестве движущегося теплоносителя холодного канала теплообменного устройства использована содержащая окислитель газообразная смесь, поступающая из компрессора высокого давления 2. Теплофикационное устройство 6 выполнено с регулируемым теплосъемом, а к газовой турбине низкого давления 5 подсоединен дополнительный электрический генератор 13, используемый в качестве полезной нагрузки.A cogeneration gas-turbine power plant, made according to a two-shaft scheme with a free turbine (Figure 2), contains a low-
На диаграмме термодинамического цикла когенерационной газотурбинной энергетической установки (Фигура 3) приведены основные режимы ее работы, включая начальное, промежуточные и конечное состояния в координатах температуры Т и энтропии S для некого приведенного для примера промежуточного значения теплосъема в теплофикационном устройстве 6. Точка А на диаграмме соответствует началу процесса, связанного с подачей содержащей окислитель газообразной смеси, имеющей температуру ТА, например воздуха, в компрессор низкого давления 1 (Фигура 1), в котором температура и давление этой смеси повышаются для последующего направления ее на вход компрессора высокого давления 2, чему соответствует точка Б. Участок Б-В характеризует дальнейшее повышение давления и температуры указанной смеси в компрессоре высокого давления 2 до ее значения TВ. В теплообменном устройстве 10 происходит дополнительный нагрев этой смеси до температуры TГ при незначительном снижении давления за счет аэродинамических потерь, соответствующий участку В-Г на диаграмме. В камере сгорания 3 получаются продукты сгорания, и этот процесс сопровождается повышением температуры до уровня TД в конце участка Г-Д на диаграмме. Энергетический потенциал продуктов сгорания частично срабатывается в газовой турбине высокого давления 4, и их энергия превращается в механическую энергию вращения вала этой турбины, вращающей компрессор высокого давления 2 и основной электрический генератор 9. Указанная часть процесса описывается участком Д-Е на диаграмме. Частично отработавшие в газовой турбине высокого давления 4 продукты сгорания, имеющие температуру TЕ, поступают в горячий канал 11 теплообменного устройства 10 и частично передают свою энергию для дополнительного подогрева содержащей окислитель газообразной смеси перед камерой сгорания 3. Этому соответствует участок Е-Ж на диаграмме. Дальнейшее охлаждение этих продуктов сгорания, вышедших из теплообменного устройства 10 с температурой TЖ, в теплофикационном устройстве 6 характеризуется участком Ж-З на диаграмме. Длина участка Ж-З на диаграмме может увеличиваться в случае увеличения теплосъема в теплофикационном устройстве 6 или уменьшаться в случае уменьшения теплосъема в теплофикационном устройстве 6. Участок З-И диаграммы описывает срабатывание оставшегося энергетического потенциала продуктов сгорания в турбине низкого давления 5. При этом происходит снижение их давления до атмосферного давления, а температура уменьшается с уровня TЗ до значения TИ, с которой эти продукты сгорания выбрасываются в атмосферу.The diagram of the thermodynamic cycle of a cogeneration gas-turbine power plant (Figure 3) shows the main modes of its operation, including the initial, intermediate, and final states in the coordinates of temperature T and entropy S for a certain intermediate value of heat removal in the
Поскольку в заявленном изобретении подогрев содержащей окислитель газообразной смеси в теплообменном устройстве 10 осуществляется рекуперационно (то есть через стенку теплообменного устройства и без смешения указанной газообразной смеси с продуктами сгорания), то изменение давления частично отработавших продуктов сгорания, поступающих с выхода турбины высокого давления 4, практически не влияет на величину давления содержащей окислитель газообразной смеси, поступающей из теплообменного устройства 10 в камеру сгорания 3. Этим определяется высокая устойчивость работы данной энергетической установки по сравнению с прототипом.Since in the claimed invention, the gaseous mixture containing the oxidizing agent in the
Достоинством заявленной когенерационной газотурбинной энергетической установки является возможность обеспечения регулирования режима когенерации, то есть управляемого перераспределения энергии сжигаемого топлива между вырабатываемой электрическими генераторами электрической энергией и снимаемой в теплофикационном устройстве тепловой энергией в зависимости от текущих потребностей.An advantage of the claimed cogeneration gas-turbine power plant is the ability to control the cogeneration mode, that is, the controlled redistribution of energy of the burned fuel between the electric energy generated by the electric generators and the thermal energy removed in the heating device, depending on current needs.
Это достигнуто за счет выполнения теплофикационного устройства 6 (Фигура 1) с регулируемым теплосъемом и подсоединения к газовой турбине низкого давления 5 дополнительного электрического генератора 13, используемого в качестве полезной нагрузки.This is achieved due to the implementation of the heating device 6 (Figure 1) with adjustable heat removal and the connection to a low-
В заявленном изобретении увеличение теплосъема в теплофикационном устройстве соответствует смещению точки 3 на диаграмме термодинамического цикла когенерационной газотурбинной энергетической установки (Фигура 3) налево, то есть на более низкий уровень температуры TЗ. Это приведет к снижению температуры выхлопных газов TИ за газовой турбиной низкого давления 5 и, таким образом, к повышению эффективности использования энергии сжигаемого топлива без какого-либо негативного воздействия на процесс выработки электроэнергии основным электрическим генератором 9, используемым в качестве полезной нагрузки. При этом указанное снижение температуры TЗ будет сопровождаться снижением количества электроэнергии, производимой дополнительным электрическим генератором 13, используемым в качестве полезной нагрузки.In the claimed invention, the increase in heat removal in the heating device corresponds to the displacement of
В одном крайнем положении регулирования режимом работы теплофикационного устройства 6 обеспечивается максимальный теплосъем и отвод тепловой энергии для ее использования вне энергетической установки потребителями. В данном случае точка 3 на диаграмме (Фигура 3) займет крайне левое положение. При этом энергии отработавших в теплофикационном устройстве 6 продуктов сгорания будет достаточно только для вращения газовой турбины низкого давления 5 и компрессора низкого давления 1, но недостаточно для выработки электрической энергии дополнительным электрическим генератором 13. В таком крайнем положении электрическая энергия вырабатывается только основным электрическим генератором 9, а с теплофикационного устройства 6 снимается максимально возможная тепловая энергия.In one extreme position of regulation by the operating mode of the
В другом крайнем положении регулирования режимом работы теплофикационного устройства 6 теплосъем и отвод тепловой энергии для ее использования вне энергетической установки не производится. На диаграмме (Фигура 3) это соответствует совпадению положения точки 3 с точкой Ж. Вся сохраненная таким образом энергия продуктов сгорания поступает на турбину низкого давления 5 для преобразования в энергию вращения этой турбины. Полученная на турбине низкого давления механическая энергия затрачивается на привод компрессора низкого давления 1 и преобразуется в дополнительном электрическом генераторе 13 в электрическую энергию. В этом случае вырабатывается максимально возможное количество электрической энергии совместно основным электрическим генератором 9 и дополнительным электрическим генератором 13, а тепловая энергия практически не вырабатывается. За счет установки промежуточных положений регулирования режима когенерации заявленной когенерационной газотурбинной энергетической установки между двумя указанными выше крайними положениями можно управлять количеством генерируемой электрической энергии и тепловой энергии в обратной пропорции, то есть увеличивая одну величину и одновременно уменьшая другую и наоборот. Таким образом, использование изобретения позволяет эффективно реагировать на суточные и сезонные изменения потребностей в электрической и тепловой энергии, сохраняя режим работы газовой турбины высокого давления в оптимальном диапазоне давления, температуры и частоты ее вращения, при которых достигается ее максимальный коэффициент полезного действия.In another extreme position of regulation by the operating mode of the
Регулируемое теплофикационное устройство может быть выполнено в виде парового котла, водогрейного котла и паротурбинной энергетической установки.Adjustable heating device can be made in the form of a steam boiler, hot water boiler and steam turbine power plant.
К достоинствам когенерационной газотурбинной энергетической установки, выполненной по двухвальной схеме (Фигура 1), относится возможность работы турбокомпрессорной группы высокого давления и турбокомпрессорной группы низкого давления с разными частотами вращения их валов для создания оптимальных аэродинамических условий работы лопаточных аппаратов указанных турбокомпрессорных групп. Такое конструктивное исполнение может быть использовано для снижения центробежных нагрузок в крупногабаритных энергетических установках, имеющих большую высоту лопаток турбины и компрессора.The advantages of a cogeneration gas-turbine power plant made according to the two-shaft scheme (Figure 1) include the possibility of the operation of a high-pressure turbocompressor group and a low-pressure turbocompressor group with different rotational speeds of their shafts to create optimal aerodynamic working conditions for the blade apparatuses of these turbocompressor groups. This design can be used to reduce centrifugal loads in large-sized power plants having a high height of the turbine blades and compressor.
Преимуществом когенерационной газотурбинной энергетической установки, выполненной по двухвальной схеме со свободной турбиной (Фигура 2), является возможность увеличения максимального теплосъема в теплофикационном устройстве при отсутствии электрической генерации на дополнительном электрическом генераторе. Увеличение теплосъема приводит к снижению энергетического потенциала продуктов сгорания, направляемых на свободную турбину низкого давления. В данном случае указанный энергетический потенциал продуктов сгорания можно снизить вплоть до уровня, обеспечивающего работу свободной газовой турбины низкого давления на холостом ходу с частотой вращения существенно ниже той величины, которая необходима для работы дополнительного электрического генератора. Стабильность и устойчивость работы всей энергетической установки при этом не нарушается, поскольку компрессор низкого давления и компрессор высокого давления размещены на валу турбины высокого давления и приводятся во вращение этой турбиной.The advantage of a cogeneration gas-turbine power plant, made according to a two-shaft scheme with a free turbine (Figure 2), is the possibility of increasing the maximum heat removal in the heating device in the absence of electric generation on an additional electric generator. An increase in heat removal leads to a decrease in the energy potential of the combustion products sent to a free low-pressure turbine. In this case, the specified energy potential of the combustion products can be reduced to a level that ensures the operation of a free low-pressure gas turbine at idle with a rotation speed significantly lower than the value necessary for the operation of an additional electric generator. The stability and stability of the entire power plant is not violated, since the low-pressure compressor and high-pressure compressor are located on the shaft of the high-pressure turbine and are driven by this turbine.
Промышленная применимостьIndustrial applicability
Изобретение предназначено для использования в энергетике, в том числе в малой распределенной энергетике для снабжения промышленных предприятий и населения электрической и тепловой энергией. Все технические средства, входящие в состав когенерационной газотурбинной энергетической установки, применение которых предусмотрено изобретением, разрабатываются и выпускаются как отечественными промышленными предприятиями, так и ведущими компаниями в зарубежных странах. Предусмотренное изобретением взаимодействие технических средств реализуется в известных процессах генерации электрической энергии и тепловой энергии для использования в теплоснабжении и электроснабжении. В процессе изготовления всех устройств, входящих в когенерационную газотурбинную энергетическую установку, может быть использовано типовое стандартное промышленное оборудование, известные материалы и комплектующие изделия.The invention is intended for use in the energy sector, including small distributed energy for supplying industrial enterprises and the public with electric and thermal energy. All technical facilities that are part of a cogeneration gas turbine power plant, the use of which is provided for by the invention, are developed and manufactured by both domestic industrial enterprises and leading companies in foreign countries. The interaction of technical means provided for by the invention is realized in known processes for generating electric energy and thermal energy for use in heat supply and power supply. In the manufacturing process of all devices included in a cogeneration gas turbine power plant, typical standard industrial equipment, known materials and components can be used.
Claims (6)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012149900/06A RU2528214C2 (en) | 2012-11-23 | 2012-11-23 | Gas turbine co-generation power plant |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012149900/06A RU2528214C2 (en) | 2012-11-23 | 2012-11-23 | Gas turbine co-generation power plant |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2012149900A RU2012149900A (en) | 2014-05-27 |
| RU2528214C2 true RU2528214C2 (en) | 2014-09-10 |
Family
ID=50775197
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2012149900/06A RU2528214C2 (en) | 2012-11-23 | 2012-11-23 | Gas turbine co-generation power plant |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2528214C2 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2626182C1 (en) * | 2016-06-15 | 2017-07-24 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский горный университет" | System of generation of electric and thermal energy |
| RU2727274C1 (en) * | 2019-12-31 | 2020-07-21 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") | Cogeneration gas-turbine power plant |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR1212237A (en) * | 1958-09-23 | 1960-03-22 | Improvements made to thermal installations, in particular to those with work turbines, supplied by at least two turbo-compressor units in series | |
| GB1468311A (en) * | 1974-02-16 | 1977-03-23 | Linde Ag | Recovery of energy from liquefied gases |
| RU2094636C1 (en) * | 1993-02-24 | 1997-10-27 | Виктор Исаакович Особов | Gas-turbine plant and its operating process (options) |
-
2012
- 2012-11-23 RU RU2012149900/06A patent/RU2528214C2/en active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR1212237A (en) * | 1958-09-23 | 1960-03-22 | Improvements made to thermal installations, in particular to those with work turbines, supplied by at least two turbo-compressor units in series | |
| GB1468311A (en) * | 1974-02-16 | 1977-03-23 | Linde Ag | Recovery of energy from liquefied gases |
| RU2094636C1 (en) * | 1993-02-24 | 1997-10-27 | Виктор Исаакович Особов | Gas-turbine plant and its operating process (options) |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| АРСЕНЬЕВ Л.В., ТЫРЫШКИН В.Г. Комбинированные установки с газовыми турбинами, Ленинград, Машиностроение, 1982, стр. 149, рис. IV 23, IV 24. ШНЕЭ Я.И. Газотурбинные установки, Москва, Машгиз, 1960, стр. 521, фиг. 440. Э.А. МАНУШИН Газовые турбины: проблемы и перспективы, Москва, Энергоатомиздат, 1986, стр. 22 рис.1.9, стр.99 рис 3.27 * |
| фиг. 1. * |
| фиг. 8-9. * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2626182C1 (en) * | 2016-06-15 | 2017-07-24 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский горный университет" | System of generation of electric and thermal energy |
| RU2727274C1 (en) * | 2019-12-31 | 2020-07-21 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") | Cogeneration gas-turbine power plant |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2012149900A (en) | 2014-05-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10280803B2 (en) | Energy storage device and method for storing energy | |
| US7600368B2 (en) | High compression gas turbine with superheat enhancement | |
| CN104251143B (en) | Start control unit for steam turbine plant | |
| BR112015008722B1 (en) | METHODS OF OPERATING A GAS TURBINE ENERGY SYSTEM | |
| RU2704385C2 (en) | Two-stage gas turbine device | |
| Matviienko et al. | Variable regimes operation of cogenerative gas-turbine engine with overexpansion turbine | |
| WO2019200975A1 (en) | Heavy-duty gas turbine having variable-speed synchronous motor driven compressor | |
| CN103775211A (en) | Distribution type combined cooling, heating and power supply system for active regulation-control type combustion gas turbine | |
| US20110016870A1 (en) | Method and apparatus for improved gas turbine efficiency and augmented power output | |
| Karaali et al. | Efficiency improvement of gas turbine cogeneration systems | |
| RU2528214C2 (en) | Gas turbine co-generation power plant | |
| CN105121809B (en) | Gas-turbine unit and with the matched method of cogeneration power plant thermal load demands | |
| RU2199020C2 (en) | Method of operation and design of combination gas turbine plant of gas distributing system | |
| Zhang et al. | Analysis of recuperated combined cycle with small temperature rise under design/off-design conditions | |
| RU2747704C1 (en) | Cogeneration gas turbine power plant | |
| RU2727274C1 (en) | Cogeneration gas-turbine power plant | |
| CN106948878A (en) | Closing type gas combustion screwed pipe rotor engine unit | |
| CN107401457A (en) | It is a kind of to utilize the energy-efficient air cooling system for cooling down CCPP unit air intake air | |
| RU101104U1 (en) | COMBINED ENERGY SYSTEM | |
| US20130061600A1 (en) | Method of controlling temperature of gas turbine components using a compressed moisurized coolant | |
| US20100300099A1 (en) | Air-medium power system | |
| RU2811729C2 (en) | Combined-cycle power plant | |
| CN103821575A (en) | Deep load changing generating device with capacity increasing and transmission gain function | |
| RU2767677C1 (en) | Method of reducing the power of a gas turbine plant below its permissible lower limit of the control range | |
| RU2709587C1 (en) | Operating method of combined-cycle plant operating with steam cooling |