RU2671264C1 - Стехиометрическая парогазотурбинная установка - Google Patents
Стехиометрическая парогазотурбинная установка Download PDFInfo
- Publication number
- RU2671264C1 RU2671264C1 RU2018101370A RU2018101370A RU2671264C1 RU 2671264 C1 RU2671264 C1 RU 2671264C1 RU 2018101370 A RU2018101370 A RU 2018101370A RU 2018101370 A RU2018101370 A RU 2018101370A RU 2671264 C1 RU2671264 C1 RU 2671264C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- turbine
- heat exchanger
- steam
- gas
- air
- Prior art date
Links
- 238000009434 installation Methods 0.000 title claims abstract description 10
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 claims abstract description 22
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 16
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims abstract description 5
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims description 10
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 8
- 230000003068 static effect Effects 0.000 claims description 3
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 abstract description 5
- 238000010248 power generation Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 6
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 3
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 239000003350 kerosene Substances 0.000 description 1
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
- F01K21/00—Steam engine plants not otherwise provided for
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
- F02C3/00—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
-
- 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
- Y02E20/16—Combined cycle power plant [CCPP], or combined cycle gas turbine [CCGT]
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
Abstract
Изобретение относится к энергетике. Стехиометрическая парогазотурбинная установка состоит из входного устройства, компрессора низкого и компрессора высокого давлений, между которыми расположен теплообменник, являющийся нагревательным элементом паросиловой установки, камеры сгорания, охлаждаемой турбины, за которой размещены: теплообменник-испаритель и теплообменник-конденсатор. Камера сгорания объединена с камерой смешения: воздух в жаровую трубу подается через завихрители, а водяной пар, генерируемый в теплообменнике-испарителе, - через отверстия в боковой поверхности. Теплообменник-конденсатор также является нагревательным элементом паросиловой установки. Изобретение позволяет повысит эффективность выработки электроэнергии. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.
Description
Стехиометрическая парогазотурбинная установка
Изобретение относится к теплоэнергетике.
Известно, что эффективность газотурбинных установок повышается при увеличении степени повышения давления газа π (отношение максимального давления газа перед турбиной к атмосферному давлению воздуха) и подогрева газа Δ (отношение максимальной температуры газа перед турбиной к атмосферной температуре воздуха). В газотурбинных установках эти величины ограничены.
Целью изобретения является расширение указанных ограничений.
Известна парогазотурбинная установка, состоящая из входного устройства, компрессора, камеры сгорания, объединенной с камерой смешения, турбины, теплообменника-испарителя, расположенного за турбиной, канал высокого давления которого соединяет источник питательной воды с камерой смешения, теплообменника-конденсатора, расположенного за теплообменником-испарителем, и выходного устройства (патент RU 2272916, 2006 г.).
Поставленная цель достигается тем, что в известной парогазотурбинной установке компрессор разделен на компрессор низкого давления и компрессор высокого давления, между которыми расположен дополнительный теплообменник-испаритель, турбина охлаждается воздухом, отбираемым за компрессором, камера сгорания содержит входной диффузор, жаровую трубу с отверстиями, на входе в которую расположены воздушные завихрители и топливные форсунки, воздух подается в жаровую трубу через завихрители, а водяной пар - через отверстия.
Сущность изобретения заключается в использовании внутренних термодинамических циклов (Письменный В.Л. Внутренние термодинамические циклы // М. - Конверсия в машиностроении. 2006, №3. С. 5÷10), которые позволяют утилизировать энергию газа в тех местах тепловой машины, где эта энергия может привести к разрушению машины.
В ПГТУ предпочтительно иметь:
стехиометрический состав топливовоздушной смеси;
степень повышения давления воздуха в компрессоре низкого давления более 20, суммарную степень повышения давления более 120;
статическое давление за турбиной меньше атмосферного;
керамические сопловые аппараты;
водяное охлаждение для воздуха, отбираемого от компрессора;
теплообменник-испаритель, расположенный между компрессорами низкого и высокого давления, и теплообменник-конденсатор, входящие в состав паросиловых установок в качестве источников тепловой энергии.
На фиг. 1 показана стехиометрическая ПГТУ.
на фиг. 2 показан термодинамический цикл стехиометрической ПГТУ;
на фиг. 3 показана камера сгорания ПГТУ;
на фиг. 4 показаны зависимости параметров стехиометрической ПГТУ от суммарной степени повышения давления воздуха.
Стехиометрическая ПГТУ (фиг. 1) состоит из входного устройства 1, компрессора низкого давления 2, теплообменника-испарителя 3, компрессора высокого давления 4, камеры сгорания 5, теплообменника 6, турбины 7, теплообменника-испарителя 8, теплообменника-конденсатора 9, выходного устройства 10, насосов (н).
Камера сгорания (фиг. 2), входящая в состав ПГТУ, состоит из корпуса 11, кольцевой жаровой трубы 12, на боковых поверхностях которой выполнены отверстия, диффузора 13, воздушных завихрителей 14 и топливных форсунок 15, расположенных на входе в жаровую трубу, воспламенителя 16.
Теплообменник 3 и теплообменник 9 входят в состав паросиловых установок, рабочим телом которых является вода (пар).
Турбина 7 приводит в действие компрессоры 2 и 4, генератор электрической энергии (на фиг. 1 не показан).
Воздух через входное устройство 1 попадает в компрессор 2, где сжимается и нагревается. В теплообменнике 3 воздух охлаждается, а вода, движущаяся по каналу высокого давления, превращается в пар. Энергия пара преобразуется (в паровой турбине) в работу, а также идет на нагрев внешней среды (воды).
Охлажденный в теплообменнике 3 воздух поступает в компрессор 4 для дальнейшего сжатия. Сжатый и нагретый в компрессоре 4 воздух поступает в камеру сгорания ПГТУ.
В камере сгорания (фиг. 2) воздух тормозится в диффузоре 13, и через завихрители 14 поступает в жаровую трубу 12 к месту расположения форсунок 15. Водяной пар из теплообменника 8 под давлением, создаваемым насосом (н), поступает в полость, расположенную межу корпусом 11 и жаровой трубой 12, и далее через боковые отверстия - в жаровую трубу.
Воздух смешивается с топливом, поступающим через форсунки 15, в результате чего образуется топливовоздушная смесь (состав смеси стехиометрический). Воспламенение смеси осуществляется от воспламенителя 16. Завихрители 14 создают зоны обратных токов, которые позволяют стабилизировать фронт пламени и обеспечить непрерывность горения после отключения воспламенителя 16.
Водяной пар смешивается с продуктами сгорания, в результате чего температура продуктов сгорания понижается до значений, при которых обеспечивается безопасность работы турбины.
Размеры отверстий и их расположение на боковой поверхности жаровой трубы выбирают таким образом, чтобы организовать защитную газовую пленку вдоль внутренней поверхности жаровой трубы (на начальном участке трубы выполняются перфорированные отверстия) и равномерное поле температур на выходе из жаровой трубы.
Рабочие лопатки турбины 7 охлаждаются воздухом, отбираемым за компрессором 4. Воздух охлаждается водой в теплообменнике 6.
Из камеры сгорания 5 продукты сгорания под высоким давлением и высокой температурой попадают в турбину 7, где расширяются и совершают работу. Для увеличения работы статическое давление на выходе из турбины поддерживается меньше атмосферного (за счет более высокой скорости истечения газа из последней ступени турбины).
Горячий газ, выходящий из турбины, тормозится и охлаждается в теплообменниках 8 и 9. В теплообменнике 9 из охлажденного газа выделяется конденсат, который вместе с продуктами сгорания удаляется в атмосферу.
В теплообменниках 8 и 9 по каналам высокого давления движется вода, которая превращается в пар. Энергия пара преобразуется в паровых турбинах в работу и идет на нагрев внешней среды (воды).
На фиг. 3 в Р-υ координатах показан термодинамический цикл стехиометрической ПГТУ (фиг. 1). Цикл состоит из внешнего цикла 1 (цикл Брайтона с отводом теплоты при сжатии) и трех внутренних циклов: 2, 3, 4 (циклы Ренкина). Внешний цикл имеет энергообмен с внешней средой, внутренние -с внешним циклом. К внешнему циклу (тепловой машине) подводится теплота Q1, отводится - Qr. Термический к.п.д. ПГТУ определяется как ηt=1-Qr/Q1. Тепловые потоки показаны здесь же. К внешнему циклу, как уже сказано, подводится теплота Q1 (процесс к-кс). Часть этой теплоты преобразуется в работу Lц1 которая используется для сжатия рабочих тел внутренних циклов (в насосах (н)), привода электрогенератора, а также - для компенсации всевозможных потерь, в том числе во внутренних циклах. Другая часть теплоты (Q1-2, Q1-3 и Q1-4) передается во внутренние циклы, в которых преобразуется в работу Lц2, Lц3 и Lц3. Нереализованная во внутренних циклах теплота Q3-1 и Q4-1 возвращается (условно) внешнему циклу, после чего рассеивается в атмосфере в виде теплоты Qr. Общая работа цикла ПГТУ определяется как Lц = Lц1+m2⋅Lц2+m3⋅Lц3+m4⋅Lц4, где mi = Gi/G1 - относительные расходы рабочих тел во внутренних циклах.
Существенным является то, что передача теплоты Q1-2, и Q1-3 из внешнего цикла 1 во внутренние циклы 2 и 3 расширяет ограничения по степени повышения давления воздуха π и подогреву газа Δ в ПГТУ, а именно:
ограничение по степени повышения давления воздуха π обусловлено достижением предельной для лопаток компрессора температуры - отвод теплоты в процессе сжатия воздуха снимает эту проблему как таковую;
ограничение по подогреву газа Δ обусловлено достижением предельной для лопаток турбины температуры - перераспределение энергии на большую массу рабочего тела (к газу добавляется пар) снимает эту проблему как таковую.
Таким образом, внутренние термодинамические циклы обладают важным для тепловых машин качеством, а именно: снимают температурные ограничения как таковые, из чего следует, что возможности приближения к.п.д. тепловых машин к к.п.д. цикла Карно теоретически неограниченны (ограничения являются технологическими, а следовательно, их можно расширять сколь угодно много).
На фиг. 4 показаны характеристики стехиометрической ПГТУ (фиг. 1) в зависимости от суммарной степени повышения давления воздуха πΣ.
Условные обозначения: πкнд - степень повышения давления воздуха в компрессоре низкого давления, πквд - степень повышения давления воздуха в компрессоре высокого давления; mi - относительные расходы рабочих тел внутренних циклов; Ткнд* - температура воздуха на выходе из компрессора низкого давления; Твквд* - температура воздуха на входе в компрессор высокого давления; Тквд* - температура воздуха на выходе из компрессора высокого давления; Ткс* - температура газа в камере сгорания (в зоне горения); Тг* - температура газа на входе в турбину; Ne - удельная эффективная мощность ПГТУ; - суммарный эффективный к.п.д. ПГТУ, ηе - эффективный к.п.д.
ПГТУ (без паросиловых установок).
Исходные данные ПГТУ: внешние условия - стандартные; топливо -керосин; рабочее тело паросиловых установок - вода (пар); коэффициент избытка воздуха в камере сгорания - 1,0; степень повышения давления в компрессоре низкого давления - 20; температура газа перед турбиной - 2400 К; температура лопаток первой ступени турбины - 1250 К; коэффициент интенсивности охлаждения лопаток турбины - 0,65; отбор воздуха на охлаждение турбины - 15%; к.п.д. вентилятора - 0,83; к.п.д. компрессора - 0,83; к.п.д. турбины - 0,95; к.п.д. паровых турбин - 0,9; механический к.п.д. - 0,995; полнота сгорания топлива - 0,99; коэффициент восстановления давления в камере сгорания - 0,95; коэффициенты восстановления давления в теплообменниках - 0,95.
Видно (фиг. 4), что внутренние термодинамические циклы в сочетании с авиационно-космическими технологиями (к.п.д. лопаточных машин, температура газа) позволяет создавать тепловые машины с беспрецедентно высокими эффективными к.п.д. ~ 70 процентов.
Для России, основу экономики которой составляет энергетика, разработка и внедрение технологий, позволяющих реализовать в теплоэнергетике концепцию внутренних термодинамических циклов, по мнению автора, является национальной задачей. Ее решение позволит при тех же расходах топлива повысить выработку электроэнергии на тепловых электростанциях в 2÷3 раза.
Claims (7)
1. Стехиометрическая парогазотурбинная установка, состоящая из входного устройства, компрессора, камеры сгорания, объединенной с камерой смешения, турбины, теплообменника-испарителя, расположенного за турбиной, канал высокого давления которого соединяет источник питательной воды с камерой смешения, теплообменника-конденсатора, расположенного за теплообменником-испарителем, и выходного устройства, отличающаяся тем, что компрессор разделен на компрессор низкого давления и компрессор высокого давления, между которыми расположен дополнительный теплообменник-испаритель, турбина охлаждается воздухом, отбираемым за компрессором, камера сгорания содержит входной диффузор, жаровую трубу с отверстиями, на входе в которую расположены воздушные завихрители и топливные форсунки, воздух подается в жаровую трубу через завихрители, а водяной пар - через отверстия.
2. Стехиометрическая парогазотурбинная установка по п. 1, отличающаяся тем, что состав топливовоздушной смеси - стехиометрический.
3. Стехиометрическая парогазотурбинная установка по п. 1, отличающаяся тем, что степень повышения давления воздуха в компрессоре низкого давления более 20, суммарная степень повышения давления более 120.
4. Стехиометрическая парогазотурбинная установка по п. 1, отличающаяся тем, что статическое давление за турбиной меньше атмосферного.
5. Стехиометрическая парогазотурбинная установка по п. 1, отличающаяся тем, что сопловые аппараты - керамические.
6. Стехиометрическая парогазотурбинная установка по п. 1, отличающаяся тем, что воздух, отбираемый от компрессора, охлаждается водой.
7. Стехиометрическая парогазотурбинная установка по п. 1, отличающаяся тем, что теплообменник-испаритель, расположенный между компрессорами низкого и высокого давления, и теплообменник-конденсатор входят в состав паросиловых установок.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018101370A RU2671264C1 (ru) | 2018-01-15 | 2018-01-15 | Стехиометрическая парогазотурбинная установка |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018101370A RU2671264C1 (ru) | 2018-01-15 | 2018-01-15 | Стехиометрическая парогазотурбинная установка |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2671264C1 true RU2671264C1 (ru) | 2018-10-30 |
Family
ID=64103522
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2018101370A RU2671264C1 (ru) | 2018-01-15 | 2018-01-15 | Стехиометрическая парогазотурбинная установка |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2671264C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2726861C1 (ru) * | 2018-03-06 | 2020-07-16 | Владимир Константинович Литвинов | Способ работы газотурбинного двигателя и газотурбинный двигатель |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1777490A1 (ru) * | 1989-12-19 | 1995-09-27 | Научно-Исследовательский Институт Приборостроения | Стенд контроля и диагностики электронной системы управления газотурбинным двигателем |
RU39208U1 (ru) * | 2004-04-26 | 2004-07-20 | Открытое акционерное общество "КБ "Электроприбор" | Устройство контроля и диагностики газотурбинного двигателя и системы автоматического управления газотурбинного двигателя |
RU2272916C2 (ru) * | 2004-03-22 | 2006-03-27 | Владимир Леонидович Письменный | Парогазотурбинная установка |
RU2287708C1 (ru) * | 2005-03-21 | 2006-11-20 | Владимир Леонидович Письменный | Энергетическая установка |
RU2529989C1 (ru) * | 2013-06-05 | 2014-10-10 | Владимир Леонидович Письменный | Способ охлаждения газотурбинного двигателя |
RU2611924C1 (ru) * | 2013-01-29 | 2017-03-01 | Неоперль Гмбх | Санитарно-технический вставной элемент и санитарно-техническое оборудование с таким вставным элементом |
-
2018
- 2018-01-15 RU RU2018101370A patent/RU2671264C1/ru active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1777490A1 (ru) * | 1989-12-19 | 1995-09-27 | Научно-Исследовательский Институт Приборостроения | Стенд контроля и диагностики электронной системы управления газотурбинным двигателем |
RU2272916C2 (ru) * | 2004-03-22 | 2006-03-27 | Владимир Леонидович Письменный | Парогазотурбинная установка |
RU39208U1 (ru) * | 2004-04-26 | 2004-07-20 | Открытое акционерное общество "КБ "Электроприбор" | Устройство контроля и диагностики газотурбинного двигателя и системы автоматического управления газотурбинного двигателя |
RU2287708C1 (ru) * | 2005-03-21 | 2006-11-20 | Владимир Леонидович Письменный | Энергетическая установка |
RU2611924C1 (ru) * | 2013-01-29 | 2017-03-01 | Неоперль Гмбх | Санитарно-технический вставной элемент и санитарно-техническое оборудование с таким вставным элементом |
RU2529989C1 (ru) * | 2013-06-05 | 2014-10-10 | Владимир Леонидович Письменный | Способ охлаждения газотурбинного двигателя |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2726861C1 (ru) * | 2018-03-06 | 2020-07-16 | Владимир Константинович Литвинов | Способ работы газотурбинного двигателя и газотурбинный двигатель |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7600382B2 (en) | Turbine engine with interstage heat transfer | |
EP3314096A2 (en) | Waste heat recovery simple cycle system and method | |
KR20150145198A (ko) | 복합 사이클 발전소의 전력을 증가시키는 방법, 및 상기 방법을 실시하는 복합 사이클 발전소 | |
JP2012132454A (ja) | ボトミング蒸気サイクルにおいてガスタービン中間冷却器熱を使用するためのシステム及び方法 | |
RU2671264C1 (ru) | Стехиометрическая парогазотурбинная установка | |
US2663146A (en) | Combined gas and steam power plant | |
RU2675167C1 (ru) | Газотурбинная установка | |
RU2199020C2 (ru) | Способ работы комбинированной газотурбинной установки системы газораспределения и комбинированная газотурбинная установка для его осуществления | |
US20010025478A1 (en) | Hot air power system with heated multi process expansion | |
RU2749081C1 (ru) | Кислородно-топливная энергоустановка | |
US2466723A (en) | Steam and gas power generating plant | |
RU2747704C1 (ru) | Когенерационная газотурбинная энергетическая установка | |
RU2599082C1 (ru) | Газотурбодетандерная энергетическая установка компрессорной станции магистрального газопровода | |
RU2674089C1 (ru) | Способ форсирования газотурбинной установки | |
RU2712339C1 (ru) | Комбинированная энергетическая газотурбодетандерная установка компрессорной станции магистрального газопровода | |
RU2743480C1 (ru) | Кислородно-топливная энергоустановка | |
RU2323345C1 (ru) | Способ работы тепловой электрической станции | |
RU167924U1 (ru) | Бинарная парогазовая установка | |
RU2666701C1 (ru) | Стехиометрическая парогазовая установка | |
RU2673948C1 (ru) | Энергоустановка | |
RU2757404C1 (ru) | Кислородно-топливная энергоустановка с газификацией угля | |
RU2713785C1 (ru) | Газотурбинная установка для переработки попутного нефтяного и различных низконапорных газов в электроэнергию | |
RU2610801C1 (ru) | Способ работы газотурбинной установки | |
RU2582377C1 (ru) | Способ работы детандер-генераторной установки электростанции | |
RU2533593C1 (ru) | Парогазовая установка с паротурбинным приводом компрессора и высоконапорным парогенератором |