RU2673948C1 - Энергоустановка - Google Patents

Энергоустановка Download PDF

Info

Publication number
RU2673948C1
RU2673948C1 RU2017139678A RU2017139678A RU2673948C1 RU 2673948 C1 RU2673948 C1 RU 2673948C1 RU 2017139678 A RU2017139678 A RU 2017139678A RU 2017139678 A RU2017139678 A RU 2017139678A RU 2673948 C1 RU2673948 C1 RU 2673948C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
heat exchanger
turbine
air
turbocharger
steam
Prior art date
Application number
RU2017139678A
Other languages
English (en)
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 RU2017139678A priority Critical patent/RU2673948C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2673948C1 publication Critical patent/RU2673948C1/ru

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02CGAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants

Abstract

Изобретение относится к энергетике. Энергоустановка состоит из двух контуров - внутреннего и внешнего и газоотводящего канала. Во внутреннем контуре расположен турбокомпрессор, во внешнем - циркуляционный теплообменник, охлаждающий воздух высокого давления, используемый для охлаждения турбокомпрессора. На выходе из внешнего контура установлена свободная турбина, на выходе из внутреннего контура - газовый канал, в котором расположены теплообменники, преобразующие энергию выхлопных газов в энергию пара, которая затем преобразуется в механическую работу в паровой турбине. Пар из паровой турбины истекает в ресивер свободной турбины, где смешивается с воздухом внешнего контура. Из свободной турбины паровоздушная смесь истекает в газовый канал и далее в атмосферу. Изобретение позволяет повысить эффективность тепловой машины. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

Description

Изобретение относится к теплоэнергетике.
Целью изобретения является повышение эффективного к.п.д. тепловых машин.
Известна энергоустановка, состоящая из входного устройства, внутреннего контура, содержащего турбокомпрессор с газовым каналом, внутри которого расположен парогенератор, соединяющим контур с атмосферой, внешнего контура, на выходе которого установлена свободная турбина, теплообменика-регенератора, воздушные каналы которого являются частью внешнего контура, а газовые - внутреннего, расположенного за турбокомпрессором (патент RU 2287708,2006 г.).
Известны турбовальные газотурбинные двигатели, в которых используется свободная турбина (Теория и расчет воздушно-реактивных двигателей / Под ред. С.М. Шляхтенко - М.: Машиностроение, 1987, с. 354, рис. 11.4).
Известны газотурбинные двигатели, у которых за турбиной устанавливается диффузорный патрубок, позволяющий повышать перепад давлений в турбине больше, чем располагаемый (Нечаев Ю.Н., Федоров P.M. Теория авиационных газотурбинных двигателей. 4.2. М.: Машиностроение, 1978, с. 268, рис. 19.2).
Известны газотурбинные двигатели с регенерацией теплоты (Теория и расчет воздушно-реактивных двигателей / Под ред. С.М. Шляхтенко - М.: Машиностроение, 1987, с. 354, рис. 11.3).
Поставленная цель достигается тем, что в энергоустановке, состоящей из входного устройства, внутреннего контура, содержащего турбокомпрессор с газовым каналом, внутри которого расположен парогенератор, соединяющим контур с атмосферой, внешнего контура, на выходе которого установлена свободная турбина, теплообменика-регенератора, воздушные каналы которого являются частью внешнего контура, а газовые - внутреннего, расположенного за турбокомпрессором, установлен вентилятор, подающий воздух во внутренний и внешний контуры. Внутри теплообменника-регенератора расположен паронагреватель, который с одной стороны соединен с парогенератором, а с другой - с паровой турбиной, из которой пар истекает в ресивер свободной турбины (во внешний контур), которая соединена с газовым каналом на участке между парогенератором и соединенным с ним экономайзером. Газовый канал содержит теплообменник-конденсатор. Экономайзер и теплообменник-конденсатор соединены с емкостью, в которой находится питательная вода, которая нагнетается и откачивается насосами. Во внешнем контуре расположен теплообменник, в котором циркулирует воздух, поступающий из смесителя, в котором смешиваются воздух, поступающий из компрессора турбокомпрессора, и воздух, поступающий из теплообменника.
Сущность изобретения заключается в том, что для повышения эффективности энергоустановки использованы внутренние термодинамические циклы (Письменный В.Л. Внутренние термодинамические циклы. // М. - Конверсия в машиностроении. 2006, №3. С. 5÷10), которые при тех же физических ограничениях позволяют увеличить количество подводимой теплоты и уменьшить количество отводимой теплоты в тепловой машине.
Предпочтительно иметь температуру газа пред турбиной турбокомпрессора более 2300 К; суммарную степень повышения давления воздуха в компрессоре (вентиляторе) 30÷40; степень двухконтурности энергоустановки (отношение расходов воздуха через внешний и внутренний контуры) 3÷4.
Для снижения отбора воздуха от турбокомпрессора на охлаждение турбины сопловые аппараты турбины предпочтительно делать керамическими.
Корпус энергоустановки предпочтительно покрывать теплоизоляционным материалом.
На фиг. 1 показана энергоустановка;
на фиг. 2 показан термодинамический цикл энергоустановки;
на фиг. 3 показана зависимость к.п.д. энергоустановки от степени повышения давления воздуха;
на фиг. 4 показана зависимость коэффициента избытка воздуха в камере сгорания турбокомпрессора от степени повышения давления воздуха.
на фиг. 5 показана зависимость относительного расхода пара от степени повышения давления воздуха.
Энергоустановка (фиг. 1) состоит из входного устройства 1, вентилятора 2, внутреннего и внешнего контуров.
Внутренний контур содержит турбокомпрессор 3 с газовым каналом 4, внутри которого расположен парогенератор 5, экономайзер 6, и теплообменник-конденсатор 7. Экономайзер и теплообменник-конденсатор соединены с емкостью 8, в которой находится питательная вода, которая нагнетается и откачивается насосами (н).
Внешний (второй) контур содержит теплообменник 9, смеситель 10, свободную турбину 11. Внутренние каналы теплообменника 9 с одной стороны через смеситель 10 соединены с воздушной полостью за компрессором турбокомпрессора, а с другой стороны - со смесителем 10 через нагнетатель (н) и воздушными каналами системы охлаждения турбины турбокомпрессора. Свободная турбина 11 соединена с газовым каналом 4 на участке между парогенератором 5 и соединенным с ним экономайзером 6.
Общим элементом обоих контуров является теплообменник-регенератор 12, воздушные каналы которого являются частью внешнего контура, а газовые - внутреннего, расположенный за турбокомпрессором 3. Внутри теплообменника-регенератора расположен паронагреватель 13, который с одной стороны соединен с парогенератором 5, а с другой - с паровой турбиной 14, из которой пар истекает в ресивер свободной турбины 11 (во внешний контур).
Вентилятор 2 соединен с турбокомпрессором 3 через редуктор (Р).
Работа энергоустановки осуществляется следующим образом. Турбокомпрессор 3 приводит в действие вентилятор 2. От вентилятора 2 воздух попадает во внутренний и внешний контуры установки. Во внутреннем контуре к воздуху подводится энергия топлива (Q1), которая в виде работы и теплоты передается во внешний (второй) контур энергоустановки.
Первая передача энергии во внешний контур осуществляется в вентиляторе 2.
Вторая передача энергии осуществляется в теплообменнике 9. Теплообменник 9 забирает часть энергии из внутреннего контура, что создает условия (охлаждаются лопатки турбины), при которых во внутренний контур подводится дополнительная энергия (топливо).
Работа системы охлаждения турбины осуществляется следующим образом. Горячий воздух отбирается за компрессором турбокомпрессора и подается в смеситель 10, и далее в теплообменник 9. Охлажденный в теплообменнике 9 воздух поступает в систему охлаждения турбины турбокомпрессора и в нагнетатель (н), который нагнетает воздух в смеситель 10. В смесителе 10 охлажденный воздух перемешивается с горячим воздухом, поступающим из компрессора. В результате смешения температура горячего воздуха понижается. Образовавшаяся смесь поступает в теплообменник, и цикл повторяется. Снижение температуры воздуха будет продолжаться до тех пор, пока не будет достигнут тепловой баланс между теплом, поступающим в смеситель 10 от компрессора, и теплом, отводимым через теплообменник 9 во внешний контур энергоустановки.
Горячий газ (внутренний контур) и нагретый воздух (внешний контур) поступают в теплообменник-регенератор 12, где происходит третья передача энергии.
Работа теплообменника-регенератора осуществляется следующим образом. Горячий газ из турбины турбокомпрессора истекает во внутреннюю полость теплообменника 12, через которую по теплопроводящим каналам движется воздух внешнего контура. Статическое давление на выходе из турбины за счет скорости истечения газа (λ~0,5) поддерживается ниже атмосферного, что создает неравномерное поле давлений внутри теплообменника-регенератора (давление в центре ниже, чем на периферии). Под действием перепада давлений образуются зоны обратных токов, которые заставляют охлажденный газ возвращаться в зону истечения горячего газа, и смешиваться с ним, после чего процесс повторяется (чем больше размеры теплообменника, тем больше степень охлаждения горячего газа).
Отработанный газ из внутренней полости теплообменника 12 поступает в газовый канал 4, из которого истекает в атмосферу. По этому же газовому каналу навстречу отработанному газу через систему теплообменников (экономайзер, парогенератор) движется вода под давлением ~ 100 атм. Вода поглощает энергию отработанного газа, образуется пар, который поступает в паронагреватель 13, который расположен в зоне истечения горячих газов турбокомпрессора. Перегретый пар под высоким давлением поступает в турбину 14, которая совершает полезную работу. Отработанный пар поступает в ресивер свободной турбины 11 (четвертая передача энергии во внешний контур).
Нагретый воздух из теплообменника-регенератора 12 поступает в ресивер свободной турбины 11, где смешивается с отработанным паром. Свободная турбина совершает полезную работу.
Отработанный воздух (пар) истекает в газовый канал, где его энергия утилизируется в экономайзере 6.
После прохождения экономайзера в газе сохраняется значительное количество связанной энергии (теплота парообразования). В теплообменнике-конденсаторе 7 осуществляется отъем этой энергии в виде горячей воды и конденсата, которые затем используются для работы энергоустановки, а также для других целей. Оставшаяся теплота рассеивается в атмосфере (потери).
На фиг. 2 в Р-υ координатах показан термодинамический цикл энергоустановки (фиг. 1), иллюстрирующий сущность изобретения, которая, как уже сказано, заключается в использовании внутренних термодинамических циклов. Цикл энергоустановки (фиг. 1) состоит из внешнего цикла Lц1 (цикл Брайтона) и двух внутренних циклов: Lц2 (цикл Брайтона) и Lц3 (цикл Ренкина). Отличие внутренних циклов от внешнего цикла состоит в том, что внутренние циклы не имеет энергообмена с внешней средой.
К внешнему циклу подводится теплота Q1 (процесс к-г). Часть этой теплоты преобразуется в работу Lц1, которая используется для сжатия рабочих тел внутренних циклов. Другая часть теплоты (Q1-2 и Q1-3) передается во внутренние циклы, в которых преобразуется в работу Lц2 и Lц3 (фиг. 2). Нереализованная во внутренних циклах теплота Q1-2 возвращается (условно) внешнему циклу, после чего рассеивается в атмосфере в виде теплоты Q3.
Очевидно, что теплота Q3 составляет часть теплоты, которая отводится из внешнего цикла, а следовательно, использование внутренних циклов повышает термический к.п.д. тепловой машины. Действительно, 1-Q3/Q1>1-(Q3+Q1-2+Q1-3)Q1.
На фиг. 3 показана диаграмма распределения энергии в энергоустановке (фиг. 1) в зависимости от степени повышения давления воздуха π (здесь ηе - эффективный к.п.д., ηТ - тепловой к.п.д.). При определении характеристик (фиг. 3) заданы следующие параметры энергоустановки: температура газа перед турбиной турбокомпрессора Тг *=2400 К; степень двухконтурности установки m=3,0; температура лопаток первой ступени турбины Тл=1250 К; коэффициент интенсивности охлаждения лопаток турбины ϑ=0,65; отбор воздуха на охлаждение турбины δотб=20%; к.п.д. вентилятора ηв=0,85; к.п.д. компрессора ηк=0,85; к.п.д. турбины турбокомпрессора ηтк=0,95; к.п.д. паровой турбины ηтп=0,95, к.п.д. свободной турбины ηтс=0,96; механический к.п.д. ηм=0,98; полнота сгорания топлива ηг=0,99; коэффициент восстановления давления в камере сгорания σкс=0,98; коэффициент восстановления давления в теплообменниках σт=0,98.
Видно, что эффективный к.п.д. энергоустановки приближается к 60%.
На фиг. 4 и фиг. 5 показаны зависимости относительного расхода пара qп (отношение расхода пара к расходу воздуха через внутренний контур) и коэффициента избытка воздуха в камере сгорания αкс от степени повышения давления воздуха π. Зависимости интересны тем, что указывают на наличие энергетического резерва для повышения эффективного к.п.д. энергоустановки, а именно: в перспективе следует переходить к стехиометрическому турбокомпрессору.
Энергоустановка предназначена для использования в народном хозяйстве. Положительный результат - снижение себестоимости вырабатываемой энергии в 1,5÷2 раза.

Claims (6)

1. Энергоустановка, состоящая из входного устройства, внутреннего контура, содержащего турбокомпрессор с газовым каналом, внутри которого расположен парогенератор, соединяющим контур с атмосферой, внешнего контура, на выходе которого установлена свободная турбина, теплообменника-регенератора, воздушные каналы которого являются частью внешнего контура, а газовые - внутреннего, расположенного за турбокомпрессором, отличающаяся тем, что содержит вентилятор, подающий воздух во внутренний и внешний контуры, внутри теплообменника-регенератора расположен паронагреватель, который с одной стороны соединен с парогенератором, а с другой - с паровой турбиной, из которой пар истекает в ресивер свободной турбины, которая соединена с газовым каналом на участке между парогенератором и соединенным с ним экономайзером, газовый канал содержит теплообменник-конденсатор, экономайзер и теплообменник-конденсатор соединены с емкостью, в которой находится питательная вода, которая нагнетается и откачивается насосами, во внешнем контуре расположен теплообменник, в котором циркулирует воздух, поступающий из смесителя, в котором смешиваются воздух, поступающий из компрессора турбокомпрессора, и воздух, поступающий из теплообменника.
2. Энергоустановка по п. 1, отличающаяся тем, что температура газа перед турбиной турбокомпрессора более 2300 К.
3. Энергоустановка по п. 1, отличающаяся тем, что суммарная степень повышения давления воздуха в компрессоре (вентиляторе) 30÷40.
4. Энергоустановка по п. 1, отличающаяся тем, что степень двухконтурности установки (отношение расходов воздуха через внешний и внутренний контуры) 3÷4.
5. Энергоустановка по п. 1, отличающаяся тем, что сопловые аппараты турбины турбокомпрессора - керамические.
6. Энергоустановка по п. 1, отличающаяся тем, что корпус покрыт теплоизоляционным материалом.
RU2017139678A 2017-11-14 2017-11-14 Энергоустановка RU2673948C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017139678A RU2673948C1 (ru) 2017-11-14 2017-11-14 Энергоустановка

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017139678A RU2673948C1 (ru) 2017-11-14 2017-11-14 Энергоустановка

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2673948C1 true RU2673948C1 (ru) 2018-12-03

Family

ID=64603777

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017139678A RU2673948C1 (ru) 2017-11-14 2017-11-14 Энергоустановка

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2673948C1 (ru)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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
RU2287708C1 (ru) * 2005-03-21 2006-11-20 Владимир Леонидович Письменный Энергетическая установка
RU81561U1 (ru) * 2008-09-04 2009-03-20 Валерий Герасимович Гнеденко Установка для получения электроэнергии
RU129669U1 (ru) * 2012-11-29 2013-06-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственный центр газотурбостроения "Салют" Стенд для контроля платы дискретных команд цифрового регулятора газотурбинного двигателя
RU2529989C1 (ru) * 2013-06-05 2014-10-10 Владимир Леонидович Письменный Способ охлаждения газотурбинного двигателя

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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
RU2287708C1 (ru) * 2005-03-21 2006-11-20 Владимир Леонидович Письменный Энергетическая установка
RU81561U1 (ru) * 2008-09-04 2009-03-20 Валерий Герасимович Гнеденко Установка для получения электроэнергии
RU129669U1 (ru) * 2012-11-29 2013-06-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственный центр газотурбостроения "Салют" Стенд для контроля платы дискретных команд цифрового регулятора газотурбинного двигателя
RU2529989C1 (ru) * 2013-06-05 2014-10-10 Владимир Леонидович Письменный Способ охлаждения газотурбинного двигателя

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CA1331522C (en) Apparatus and method for optimizing the air inlet temperature of gas turbines
US8505309B2 (en) Systems and methods for improving the efficiency of a combined cycle power plant
CN103244274A (zh) 用于燃气涡轮机入口空气加热的系统和方法
RU2675167C1 (ru) Газотурбинная установка
RU2673948C1 (ru) Энергоустановка
RU2287708C1 (ru) Энергетическая установка
RU2029119C1 (ru) Газотурбинная установка
RU2747704C1 (ru) Когенерационная газотурбинная энергетическая установка
DE59203249D1 (de) Kombinierte gas-dampfturbinenanlage zur erzeugung elektrischer energie.
RU2727274C1 (ru) Когенерационная газотурбинная энергетическая установка
RU2671264C1 (ru) Стехиометрическая парогазотурбинная установка
US2453938A (en) Turbine thermal power plant using hot air as motivating fluid
RU2528214C2 (ru) Когенерационная газотурбинная энергетическая установка
RU2666701C1 (ru) Стехиометрическая парогазовая установка
RU2144994C1 (ru) Парогазовая установка
RU2272916C2 (ru) Парогазотурбинная установка
EP4050200A1 (en) Diesel-steam power plant
RU2008480C1 (ru) Силовая установка
RU2769743C1 (ru) Способ охлаждения рабочих лопаток турбины газотурбинного двигателя и устройство для его реализации
RU197736U1 (ru) Газотурбинная установка
Piwowarski et al. Possibilities of Increasing the Overall Efficiency of Gas-Steam CHP Microplant
RU2704435C1 (ru) Двухконтурная газотурбинная установка
RU2466285C2 (ru) Парогенерирующая установка
Sarabchi et al. Thermodynamic optimization of a combined cycle cogeneration plant with backpressure steam turbine
US2499108A (en) Arrangement for the utilization of turbine exhaust gases in steam generators and air preheaters