RU2779808C1 - Method for operation of a universal gas turbine power unit - Google Patents

Method for operation of a universal gas turbine power unit Download PDF

Info

Publication number
RU2779808C1
RU2779808C1 RU2021124405A RU2021124405A RU2779808C1 RU 2779808 C1 RU2779808 C1 RU 2779808C1 RU 2021124405 A RU2021124405 A RU 2021124405A RU 2021124405 A RU2021124405 A RU 2021124405A RU 2779808 C1 RU2779808 C1 RU 2779808C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
cycle
turbine
working gas
heat
compressor
Prior art date
Application number
RU2021124405A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Константинович Литвинов
Original Assignee
Владимир Константинович Литвинов
Filing date
Publication date
Application filed by Владимир Константинович Литвинов filed Critical Владимир Константинович Литвинов
Application granted granted Critical
Publication of RU2779808C1 publication Critical patent/RU2779808C1/en

Links

Abstract

FIELD: power engineering.
SUBSTANCE: method for operation is intended for use in gas turbine power units when converting thermal energy into electricity at thermal power plants operating on all, including solid, types of fuels, and on nuclear power plants with a level of temperature of heat removal from the primary circuit of at least 700 K, raising the efficiency due to the more rational arrangement of working processes. The characterising feature of the method for operation consists in the thermal energy source being distanced from the turbine operating in the mode of actual isothermal working gas expansion as close as possible to the ideal expansion, in accordance with the set isothermality coefficient value of at least 0.9. The basis of the method for operation is a closed Ericsson cycle supplemented by an open Brayton cycle utilising air from the external environment. With the compression ratio of the basic cycle compressor equals 3, additional cycle compressor — 2, and the working gas heating temperature in the heat source equals 1,200 K, the performance coefficient of the unit reaches 61.5% if exhaust heat is absent, and raises up to 65% if present in the amount of 10% of the working gas flow rate in the basic cycle. The actuality of the processes was considered from the indicators of the compression polytrope 1.45 and the expansion polytrope 1.35, the temperature difference at the hot end of the primary heat exchanger 10 K, hydraulic losses 0.1 atm, the temperature of working gas at the entry to the main heat exchanger 325 K and the environment 300 K.
EFFECT: increase in the efficiency of operation.
3 cl

Description

Предлагаемое техническое решение относится к способам работы лопастных тепловых машинам с косвенным нагревом рабочего тела, предназначенных для преобразования тепловой энергии в полезную механическую, на тепловых электростанциях, потребляющих любой вид топлива, включая и твердый, а также атомных, в которых используются реакторы на быстрых нейтронах, или другие с достаточно высоким уровнем температуры теплоотвода из активной зоны реактора.The proposed technical solution relates to the methods of operation of bladed heat engines with indirect heating of the working fluid, designed to convert thermal energy into useful mechanical energy, at thermal power plants that consume any type of fuel, including solid fuel, as well as nuclear ones, in which fast neutron reactors are used, or others with a sufficiently high level of heat removal temperature from the reactor core.

Из известных энергетических газотурбинных установок наибольшее распространение в настоящее время получили бинарные парогазотурбинные установки [Зысин Л.В. Парогазовые и газотурбинные установки. Изд. Санкт-Петербургского политехнического института, 2010], в которых топливо сжигается в камере сгорания газотурбинной установки при высокой температуре, а тепло отработанного в газовой турбине рабочего газа является низкотемпературным источником тепловой энергии для паротурбинной установки. В них используются два рабочих тела и получение полезной механической энергии производится раздельно, путем расширения рабочего газа в газовой турбине и водяного пара в паровой турбине. В настоящее время практически все эксплуатируемые установки являются установками бинарного типа, в которых газотурбинная часть работает в соответствие с циклом Брайтона. КПД данных установок около 53%, в основном определяется температурой рабочего газа, состоящего из продуктов сгорания топлива в среде сжатого воздуха на входе в турбину. Максимальное КПД их не превышает 65%, достигается сжиганием топлива в жидком или газообразном виде в камере сгорания непосредственно перед входом в газовую турбину при температуре около 1800 К, что делает принципиально невозможным их применение в составе тепловых твердо топливных и атомных электростанций, максимальная температура в которых не более 120 K, тем более что в них источник тепла в виде котла или теплообменника имеет значительные габариты, размещен вне газовой турбины, и не допускается смешивание продуктов сгорания топлива или теплоносителя первого контура ядерного реактора с рабочим газом турбины. Вследствие этого на электростанциях указанного типа применяются только паротурбинные установки с внешним по отношению к турбине нагревом водяного пара. При этом максимальный КПД в случае тепловых электростанций достигается 47% и атомных 33%. В национальной энергетической программе Японии на 2020 г. предусмотрено в качестве решения задачи повышения эффективности угольных электростанций создание мощной парогазотурбинной установки, топливом которой являлся газ, полученный в результате газификации угля. Данная установка должна была достичь КПД 66% при температуре на входе в газовую турбину около 2000К. Сведения о ее создании отсутствуют. Очевидно даже в этом случае общий КПД с учетом потерь при газификации угля и транспортировки газа будет существенно ниже.Of the known power gas turbine installations, binary steam-gas turbine installations are currently the most widely used [Zysin L.V. Combined-cycle and gas turbine installations. Ed. Petersburg Polytechnic Institute, 2010], in which the fuel is burned in the combustion chamber of a gas turbine plant at high temperature, and the heat of the working gas exhausted in the gas turbine is a low-temperature source of thermal energy for the steam turbine plant. They use two working bodies and obtain useful mechanical energy separately, by expanding the working gas in a gas turbine and water vapor in a steam turbine. At present, almost all plants in operation are of the binary type, in which the gas turbine part operates in accordance with the Brayton cycle. The efficiency of these installations is about 53%, mainly determined by the temperature of the working gas, which consists of the combustion products of fuel in a compressed air environment at the turbine inlet. Their maximum efficiency does not exceed 65%, it is achieved by burning fuel in liquid or gaseous form in the combustion chamber immediately before entering the gas turbine at a temperature of about 1800 K, which makes it fundamentally impossible to use them as part of thermal solid fuel and nuclear power plants, the maximum temperature in which no more than 120 K, especially since the heat source in them in the form of a boiler or heat exchanger has significant dimensions, is located outside the gas turbine, and mixing of the combustion products of the fuel or coolant of the primary circuit of a nuclear reactor with the working gas of the turbine is not allowed. As a result, at power plants of this type, only steam turbine installations with external heating of water vapor in relation to the turbine are used. At the same time, the maximum efficiency in the case of thermal power plants is 47% and nuclear 33%. As a solution to the problem of increasing the efficiency of coal-fired power plants, the national energy program of Japan for 2020 provides for the creation of a powerful combined-cycle gas turbine plant, the fuel of which was gas obtained as a result of coal gasification. This plant was supposed to achieve an efficiency of 66% at a gas turbine inlet temperature of about 2000K. There is no information about its creation. Obviously, even in this case, the overall efficiency, taking into account losses during coal gasification and gas transportation, will be significantly lower.

Задачей, которую автор решает предлагаемым способом работы универсальной энергетической газотурбинной установки, является создание единого способа работы установки, позволяющего осуществить максимально эффективное преобразование тепловой энергии полученной от любого источника тепла расположенного вне турбины, имеющего сравнительно низкую температуру, реализацию как разомкнутого так и замкнутого циклов, использовать любой газ в качестве оптимально рабочего, сократить габариты и стоимость агрегатов путем повышения давления на входе в компрессор газотурбинной части установки, возможность реализации его совокупностью достаточно простых агрегатов, принципы действия и конструкция которых широко известны.The task that the author solves by the proposed method of operation of a universal gas turbine power plant is to create a unified method of plant operation that allows for the most efficient conversion of thermal energy received from any heat source located outside the turbine, which has a relatively low temperature, the implementation of both open and closed cycles, use any gas as an optimal working gas, reduce the dimensions and cost of the units by increasing the pressure at the inlet to the compressor of the gas turbine part of the plant, the possibility of implementing it with a set of fairly simple units, the principles of operation and design of which are widely known.

С этой точки зрения аналогами предлагаемого способа определены RU №2252323 и многоцилиндровые паротурбинные установки [Злобин В.Г. Паротурбинные установки тепловых и атомных электростанций. Высшая школа технологии и энергетики. Санкт-Петербургский Государственный университет промышленной технологии и дизайна. Санкт-Петербург, 2020].From this point of view, RU No. 2252323 and multi-cylinder steam turbine plants are defined as analogues of the proposed method [Zlobin V.G. Steam turbine installations of thermal and nuclear power plants. Higher School of Technology and Energy. St. Petersburg State University of Industrial Technology and Design. St. Petersburg, 2020].

В RU №2252323 описана парогазотурбинная установка бинарного типа подобная широко известным, в которой компрессор для сжатия поступающего из вне воздуха, входящий в состав газотурбинной части, выполнен в виде двух раздельных компрессоров низкого и высокого давления, между которыми производится охлаждение сжатого воздуха. Однако это не только не приводит к повышению КПД, но даже незначительно снижает его, а полезный эффект состоит в повышении удельной мощности. В качестве аналога также рассмотрена многоцилиндровая паротурбинная установка, в которой применяется межцилиндровый промежуточный нагрев для устранения конденсации водяного пара при его расширении в паровой турбине, которая используется на атомных электростанциях.RU No. 2252323 describes a binary type gas turbine plant similar to the well-known ones, in which the compressor for compressing the air coming from outside, which is part of the gas turbine part, is made in the form of two separate low and high pressure compressors, between which the compressed air is cooled. However, this not only does not lead to an increase in efficiency, but even slightly reduces it, and the beneficial effect is to increase the specific power. As an analogue, a multi-cylinder steam turbine plant is also considered, in which inter-cylinder intermediate heating is used to eliminate the condensation of water vapor during its expansion in a steam turbine, which is used in nuclear power plants.

Наиболее близкий к предлагаемому способу работы, принятый в качестве прототипа, является способ работы газотурбинного двигателя, описанный в RU №2726861, основное преимущество которого обусловлено фактической реализацией цикла Эриксона, позволяющего достичь предельно высокий КПД, порядка 68% при температуре рабочего газа в турбине не более 1200К, в любом диапазоне мощностей, в отличие от известных наиболее современных парогазотурбинных установок имеющих температуру рабочего газа в турбине до 1800К и работающих с достаточно высоким КПД только при мощностях свыше 300 МВт.The closest to the proposed method of operation, taken as a prototype, is the method of operation of a gas turbine engine, described in RU No. 2726861, the main advantage of which is due to the actual implementation of the Erickson cycle, which makes it possible to achieve an extremely high efficiency of about 68% at a working gas temperature in the turbine of not more than 1200K, in any power range, in contrast to the most well-known modern steam-gas turbine plants having a working gas temperature in the turbine up to 1800K and operating with a sufficiently high efficiency only at powers above 300 MW.

В способе работы газотурбинного двигателя по RU №2726861 атмосферный воздух из окружающей среды сжимается до необходимого давления поступенчато охлаждаемым компрессором, работающим в режиме близком к изотермическому, поступает в теплообменник, где нагревается за счет теплообмена с отработанным в турбине рабочим газом, по выходу из которого нагретый сжатый воздух проходит через камеру догрева, в которой происходит дополнительный нагрев до заданной температуры за счет сгорания топлива поданного в сжатый воздух, после чего образовавшийся рабочий газ, состоящий из смеси продуктов сгорания и сжатого воздуха, поступает на вход турбины, в которой первоначально проходит через неподвижно установленную относительно корпуса турбины решетку, в которой в результате адиабатического расширения рабочий газ приобретает угловую скорость вращения равную угловой скорости вращения вала турбины, и перемещается в изотермическую часть турбины, состоящей из ряда последовательно установленных ступеней, каждая из которых в свою очередь образована из последовательно расположенных составляющих, в том числе неподвижно установленного относительно корпуса турбины блока форсунок, посредством которых производится подача топлива в количестве необходимом для реализации процесса расширения рабочего газа в данной ступени турбины, задано близкого к изотермическому, установленного жестко на валу турбины вращающего соплового аппарата, в котором рабочий газ ускоряется увеличивая свою кинетическую энергию в осевом направлении на величину равной тепловой энергии полученной им при сгорании топлива на входе в ступень, и установленных жестко на валу турбины радиально направленных аэродинамических профилей, посредством, которых кинетическая энергия движения рабочего газа при обтекании их преобразуется в полезную механическую в количестве равной тепловой энергии от сгорания топлива поданного в ступень на ее входе. При этом, количество топлива подаваемого в каждую ступень, степень расширения рабочего газа в каждой и количество ступеней в целом в данной части, взаимосвязаны условием достаточной близости процесса расширения рабочего газа к изотермическому заданием значения коэффициента изотермичности, в виде отношения механической энергии произведенной в целом в турбине при реальном расширении газа к аналогичной энергии произведенной в случае идеального изотермического процесса расптирения при равных в обоих случаях степенях расширения и температур на входе. Пройдя изотермическую часть турбины, окончательно расширенный рабочий газ направляется в активное рабочее колесо для преобразования энергии его вращения в полезную механическую, и далее по выходу из турбину поступает в теплообменник, где, охлаждаясь, нагревает сжатый компрессором воздух, после чего сбрасывается в окружающую среду.In the method of operation of a gas turbine engine according to RU No. 2726861, atmospheric air from the environment is compressed to the required pressure by a stepwise cooled compressor operating in a mode close to isothermal, enters a heat exchanger, where it is heated due to heat exchange with the working gas exhausted in the turbine, after which the heated compressed air passes through the reheating chamber, in which additional heating takes place to a predetermined temperature due to the combustion of the fuel supplied to the compressed air, after which the formed working gas, consisting of a mixture of combustion products and compressed air, enters the turbine inlet, in which it initially passes through a stationary a grate installed relative to the turbine housing, in which, as a result of adiabatic expansion, the working gas acquires an angular velocity of rotation equal to the angular velocity of rotation of the turbine shaft, and moves to the isothermal part of the turbine, consisting of a number of successively installed stages, each and of which, in turn, is formed from sequentially arranged components, including a block of nozzles fixed relative to the turbine housing, through which fuel is supplied in the amount necessary to implement the process of expanding the working gas in a given stage of the turbine, set close to isothermal, mounted rigidly on the shaft turbine of a rotating nozzle apparatus, in which the working gas is accelerated increasing its kinetic energy in the axial direction by an amount equal to the thermal energy received by it during the combustion of fuel at the stage inlet, and radially directed airfoils installed rigidly on the turbine shaft, through which the kinetic energy of the movement of the working When flowing around them, the gas is converted into useful mechanical energy in the amount equal to the thermal energy from the combustion of the fuel supplied to the stage at its inlet. At the same time, the amount of fuel supplied to each stage, the degree of expansion of the working gas in each and the number of stages as a whole in this part, are interconnected by the condition of sufficient proximity of the process of expansion of the working gas to the isothermal setting of the value of the isothermal coefficient, in the form of the ratio of the mechanical energy produced as a whole in the turbine at the actual expansion of the gas to the same energy produced in the case of an ideal isothermal process of spreading, with the degrees of expansion and inlet temperatures being equal in both cases. Having passed the isothermal part of the turbine, the finally expanded working gas is sent to the active impeller to convert the energy of its rotation into useful mechanical energy, and then, at the outlet of the turbine, it enters the heat exchanger, where, cooling, it heats the air compressed by the compressor, after which it is discharged into the environment.

Основными недостатками данного способа, исключающими его применение в газотурбинной части универсальной энергетической установки твердо топливных тепловых и атомных электростанций, является, прежде всего, отсутствие принципиальной возможности нагрева рабочего газа в источнике тепловой энергии вне турбины, а также необходимость обеспечения по ступенчатого охлаждения компрессора и достаточно большие размеры теплообменника.The main disadvantages of this method, excluding its use in the gas turbine part of the universal power plant of solid fuel thermal and nuclear power plants, is, first of all, the lack of fundamental possibility of heating the working gas in the source of thermal energy outside the turbine, as well as the need to provide stepwise cooling of the compressor and sufficiently large heat exchanger dimensions.

Данные недостатки устраняются тем, что согласно предлагаемого способа работы рабочий цикл состоит из основного газотурбинного, близкого к замкнутому циклу Эриксона, и дополнительного, в качестве которого применен газотурбинный цикл Брайтона, рабочим газом которого является воздух окружающей среды, который нагревается теплом, выделенным за счет охлаждения отработанного в основном цикле рабочего газа. Подобно как в RU №2252323, в котором компрессор делится на две части, между которыми производится отбор тепла выделенного при сжатии, в предлагаемом способе работы газовая турбина основного цикла для реализации достаточно близкого изотермического процесса расширения делится на ряд последовательно гидравлически соединенных частей, и если условие достаточной изотермичности процесса полного расширения в турбине выполняется только при количестве частей больше единицы, то в многоцилиндровой паровой турбине, в целях исключения конденсации водяного пара при его расширении, отработанный в первой части газовой турбины рабочий газ направляется для нагрева до максимально возможной температуры во внешний по отношению к турбине источник тепловой энергии, после чего он подается на вход второй части газовой турбины и так далее. При этом количество частей турбины, степень расширения рабочего газа в каждой части газовой турбины, для обеспечения достаточной эффективности турбины в целом, определяется исходя из необходимого для этого значения коэффициента изотермичности всей турбины не менее 0,9. Задачей решаемой применением дополнительного цикла к основному является производство дополнительной механической энергии для компенсации повышения затрат на работу реального не охлаждаемого компрессора основного цикла, по сравнению с поступенчато охлаждаемым, предусмотренным в прототипе, за счет тепловой энергии полученной при дальнейшем после основного теплообменника охлаждении отработанного в основном цикле рабочего газа. В целях повышения компактности теплообменников основного цикла и других его агрегатов, а также для оптимизации свойств рабочего газа, предусмотрен в качестве основного замкнутый цикл, в котором путем повышения давления на входе в компрессор основного цикла возможно снизить необходимый при заданной мощности объемный расход рабочего газа в основном цикле. В отличие от прототипа, предлагаемый способ работы предусматривает отдельный нагрев сжатого рабочего газа основного цикла после его выхода из компрессора бросовым теплом продуктов сгорания топлива в источнике тепла.These shortcomings are eliminated by the fact that, according to the proposed method of operation, the working cycle consists of the main gas turbine, close to the closed Erickson cycle, and an additional one, which is used as the Brayton gas turbine cycle, the working gas of which is ambient air, which is heated by the heat released due to cooling. spent in the main cycle of the working gas. Similar to RU No. 2252323, in which the compressor is divided into two parts, between which the heat released during compression is taken, in the proposed method of operation, the gas turbine of the main cycle is divided into a number of series hydraulically connected parts to implement a sufficiently close isothermal expansion process, and if the condition sufficient isothermality of the process of full expansion in the turbine is carried out only when the number of parts is greater than one, then in a multi-cylinder steam turbine, in order to prevent condensation of water vapor during its expansion, the working gas exhausted in the first part of the gas turbine is sent for heating to the maximum possible temperature in the external a source of thermal energy to the turbine, after which it is fed to the input of the second part of the gas turbine, and so on. At the same time, the number of turbine parts, the degree of expansion of the working gas in each part of the gas turbine, to ensure sufficient efficiency of the turbine as a whole, is determined based on the isothermal coefficient of the entire turbine required for this, at least 0.9. The task to be solved by applying an additional cycle to the main one is the production of additional mechanical energy to compensate for the increase in the cost of operating a real uncooled compressor of the main cycle, compared with the stepwise cooled one provided in the prototype, due to the thermal energy obtained during further cooling of the exhausted heat exchanger in the main cycle after the main heat exchanger working gas. In order to increase the compactness of the heat exchangers of the main cycle and its other units, as well as to optimize the properties of the working gas, a closed cycle is provided as the main one, in which, by increasing the pressure at the inlet to the compressor of the main cycle, it is possible to reduce the volumetric flow rate of the working gas required at a given power, mainly cycle. Unlike the prototype, the proposed method of operation provides for a separate heating of the compressed working gas of the main cycle after it leaves the compressor with waste heat from the combustion products of the fuel in the heat source.

Универсальная энергетическая установка, выполненная в соответствие с предлагаемым способом, работает следующим образом. Рабочий газ при заданных температуре и давлении поступает в компрессор, в котором адиабатически сжимается, далее направляется в теплообменник, в котором нагревается за счет бросового тепла с достаточным уровнем температуры, например выделенным при охлаждении продуктов сгорания топлива в источнике тепла размещенным вне газовой турбины или других ему подобных, и далее поступает в основной теплообменник, в котором сжатый рабочий газ нагревается в результате теплообмена с отработанным в газовой турбине рабочим газом, и по выходу из теплообменника имея температуру, незначительно ниже температуры отработанного рабочего газа на выходе из газовой турбины, направляется для окончательного нагрева до максимальной температуры в источник тепла. По выходу из источника тепла рабочий газ направляется в первую часть газовой турбины, в которой адиабатически расширяясь, производит механическую работу. Из первой части газовой турбины охлажденный в результате адиабатического расширения рабочий газ направляется в источник тепла, в котором повторно нагревается до максимальной температуры и далее поступает на вход следующей части газовой турбины, в которой также адиабатически расширяется до необходимого давления и так далее. Количество последовательно гидравлически соединенных частей турбины, обеспечивающих расширение рабочего газа до заданного давления, и соответственно промежуточных нагревов, определяется исходя из условия реализации необходимой величины коэффициента изотермичности для обеспечения достаточно эффективного процесса расширения в целом в газовой турбине. С выхода последней части газовой турбины отработанный рабочий газ перемещается в основной теплообменник, в котором охлаждается, нагревая, тем самым сжатый рабочий газ поступающий в основной теплообменник из теплообменника бросового тепла установленного на выходе из компрессора. По выходу из основного теплообменника отработанный рабочий газ направляется в теплообменник дополнительного цикла, в котором охлаждается, нагревая тем самым воздух из внешней среды, сжатый компрессором дополнительного цикла перед поступлением его в турбину дополнительного цикла, расширяясь в которой он производит полезную механическую энергию, после чего сбрасывается в окружающую среду, а охлажденный отработанный рабочий газ, в случае замкнутого основного цикла направляется в заключительный теплообменник для оптимизации температуры рабочего газа посредством теплообмена его со сторонним теплоносителем перед подачей его на вход в компрессор основного цикла, в случае разомкнутого цикла газотурбинной части установки сбрасывается в окружающую среду.Universal power plant, made in accordance with the proposed method, operates as follows. The working gas at a given temperature and pressure enters the compressor, in which it is adiabatically compressed, then goes to a heat exchanger, in which it is heated due to waste heat with a sufficient temperature level, for example, released during cooling of the fuel combustion products in a heat source located outside the gas turbine or other similar, and then enters the main heat exchanger, in which the compressed working gas is heated as a result of heat exchange with the working gas exhausted in the gas turbine, and at the exit from the heat exchanger, having a temperature slightly lower than the temperature of the exhausted working gas at the outlet of the gas turbine, is sent for final heating up to the maximum temperature in the heat source. Upon exiting the heat source, the working gas is directed to the first part of the gas turbine, in which it expands adiabatically and performs mechanical work. From the first part of the gas turbine, the working gas cooled as a result of adiabatic expansion is sent to a heat source, in which it is reheated to the maximum temperature and then enters the next part of the gas turbine, in which it is also adiabatically expanded to the required pressure, and so on. The number of hydraulically connected parts of the turbine in series, which ensure the expansion of the working gas to a given pressure, and, accordingly, intermediate heatings, is determined based on the condition for implementing the required value of the isothermal coefficient to ensure a sufficiently effective expansion process as a whole in the gas turbine. From the outlet of the last part of the gas turbine, the exhaust working gas moves to the main heat exchanger, where it is cooled, thereby heating the compressed working gas entering the main heat exchanger from the waste heat heat exchanger installed at the compressor outlet. At the exit from the main heat exchanger, the exhaust gas is sent to the heat exchanger of the additional cycle, where it is cooled, thereby heating the air from the external environment, compressed by the compressor of the additional cycle before it enters the turbine of the additional cycle, expanding in which it produces useful mechanical energy, after which it is discharged into the environment, and the cooled exhaust gas, in the case of a closed main cycle, is sent to the final heat exchanger to optimize the working gas temperature by exchanging it with a third-party coolant before supplying it to the main cycle compressor; in the case of an open cycle of the gas turbine part of the plant, it is discharged into the environment. Wednesday.

Автором выполнен расчет универсальной энергетической газотурбинной установки работающей в соответствии с предлагаемым способом в режиме замкнутого цикла. В качестве источника тепла принят топливный котельный агрегат, который обеспечивает нагрев рабочего газа до температуры 1200К за счет сгорания минерального топлива. Реальный характер процессов учтен принятием значения политропы сжатия 1,45 и политропы расширения 1,35, разностью температур на горячем конце основного теплообменника 10 градусов, величиной снижения давления вследствие гидравлических потерь в теплообменнике 0,1 атм. Степень сжатия основного компрессора принята равной 3, компрессора дополнительного цикла 2. Турбина основного цикла состоит из шести гидравлически последовательно соединенных частей, в каждой из которых степень расширения соответствует значению коэффициента изотермичности расширения в турбине не менее 0,95. На входе в основной компрессор температура рабочего газа, в качестве которого принят азот, равна 325 K, которая достигается охлаждением его водой в заключительном теплообменнике, на вход компрессора дополнительного цикла поступав воздух из окружающей среды, температура которой принята равной 300 K. Согласно расчету, в случае отсутствия бросового тепла, на вход в теплообменник дополнительного цикла поступает отработанный в основном цикле рабочий газ с температурой 465 K, выходит из него при 380 K. Установлено, что КПД такой установки составляет 65% в случае использования в качестве бросового тепло продуктов сгорания топлива в источнике тепла, количество которых принято 10% от массового расхода рабочего газа основного цикла, и снижается до 61,5% при их отсутствии, например, для атомной электростанции. По результатам проведенных расчетов установлено также, что КПД установки работающей в соответствие с предлагаемым способом превышает КПД наиболее современных паротурбинных установок при температуре нагрева в источнике тепла свыше 700К. Для сопоставления, в приведенных источниках максимальное КПД паротурбинной установкой достигает 47% при температуре нагрева 850K, предлагаемый способ работы газотурбинной установки позволяет получить КПД не менее 49%.The author has calculated a universal power gas turbine plant operating in accordance with the proposed method in a closed cycle mode. A fuel boiler unit was adopted as a heat source, which provides heating of the working gas to a temperature of 1200K due to the combustion of mineral fuel. The real nature of the processes is taken into account by accepting the value of the compression polytrope 1.45 and the expansion polytrope 1.35, the temperature difference at the hot end of the main heat exchanger is 10 degrees, the value of the pressure drop due to hydraulic losses in the heat exchanger is 0.1 atm. The compression ratio of the main compressor is assumed to be 3, the compressor of the additional cycle is 2. The main cycle turbine consists of six hydraulically connected parts in series, in each of which the expansion ratio corresponds to the value of the expansion isothermal coefficient in the turbine of at least 0.95. At the inlet to the main compressor, the temperature of the working gas, which is taken as nitrogen, is 325 K, which is achieved by cooling it with water in the final heat exchanger; In the absence of waste heat, the working gas exhausted in the main cycle with a temperature of 465 K enters the heat exchanger of the additional cycle and leaves it at 380 K. heat source, the amount of which is taken as 10% of the mass flow rate of the working gas of the main cycle, and decreases to 61.5% in their absence, for example, for a nuclear power plant. According to the results of the calculations, it was also established that the efficiency of the plant operating in accordance with the proposed method exceeds the efficiency of the most modern steam turbine plants at a heating temperature in the heat source above 700K. For comparison, in the above sources, the maximum efficiency of a steam turbine plant reaches 47% at a heating temperature of 850K, the proposed method of operating a gas turbine plant makes it possible to obtain an efficiency of at least 49%.

Из приведенных данных следует, предложенный способ работы универсальной энергетической газотурбинной установки, имея несколько меньший температурный уровень источников тепловой энергии, позволяет значительно повысить, по сравнению с современным мировым уровнем, эффективность преобразования тепловой энергии в полезную механическую для всех типов электростанций используя единый принцип организации процессов, дает возможность максимального применения уже разработанных и опробованных агрегатов, обеспечивая при этом оптимальную компоновку их в составе газотурбинных установок. Возможность работы, как в разомкнутом, так и в замкнутом циклах, позволяет не только использовать инертный газ в качестве оптимально рабочего в основном цикле, но и снизить гидравлические потери и проходные сечения посредством повышения давления на входе в компрессор, а также дает возможность применять в ряде случаев одни и те же агрегаты при разных мощностях, обеспечивая тем самым высокий уровень унификации.It follows from the above data that the proposed method of operation of a universal power gas turbine plant, having a slightly lower temperature level of thermal energy sources, can significantly increase, compared to the modern world level, the efficiency of converting thermal energy into useful mechanical energy for all types of power plants using a single principle of organizing processes, makes it possible to maximize the use of already developed and tested units, while ensuring their optimal layout as part of gas turbine plants. The ability to work both in open and closed cycles allows not only the use of inert gas as an optimal working gas in the main cycle, but also to reduce hydraulic losses and flow sections by increasing the pressure at the compressor inlet, and also makes it possible to use in a number of cases, the same units at different capacities, thereby ensuring a high level of unification.

Решение поставленной задачи выполнено в основном за счет оптимального сочетания основного цикла, за основу которого принят цикл Эриксона, и дополнительного в виде цикла Брайтона, работающего с использованием воздуха из окружающей среды, максимальная температура которого в дополнительном цикле близка к температуре сжатого рабочего газа на выходе из компрессора основного цикла, реализацией процесса расширения рабочего газа без изменения его химического состава в турбине основного цикла, достаточно близкого к изотермическому при нагреве рабочего газа в источнике тепла находящего вне турбины, регулированию мощности установки путем изменения давления рабочего газа на входе в компрессор основного цикла. Данное решение обладает существенными новизной и полезностью, необходимыми для признания его как патентоспособное изобретение способа работы универсальной энергетической газотурбинной установки, позволяющего с большой эффективностью заменить не только парогазовые, но и, в большинстве случаев, крайне дорогостоящие паротурбинные установки.The problem was solved mainly due to the optimal combination of the main cycle, based on the Erickson cycle, and an additional one in the form of a Brayton cycle, operating using air from the environment, the maximum temperature of which in the additional cycle is close to the temperature of the compressed working gas at the outlet of the of the main cycle compressor, by implementing the process of expanding the working gas without changing its chemical composition in the main cycle turbine, sufficiently close to isothermal when the working gas is heated in a heat source located outside the turbine, by controlling the power of the plant by changing the pressure of the working gas at the inlet to the main cycle compressor. This solution has significant novelty and usefulness necessary to be recognized as a patentable invention of the method of operation of a universal gas turbine power plant, which makes it possible to replace with great efficiency not only combined-cycle, but also, in most cases, extremely expensive steam turbine plants.

Способ работы универсальной энергетической газотурбинной установки, в основе которого лежит цикл Эриксона, при котором воздух внешней среды поступает на вход компрессора, сжимается и направляется в теплообменник для нагрева теплом отработанного в газовой турбине рабочего газа, далее дополнительно нагревается, направляясь в газовую турбину для расширения в процессе достаточно близком к изотермическому, при котором тепловая энергия преобразуется в механическую, с выхода турбины отработанный рабочий газ направляется в теплообменник, где отдавая свое тепло сжатому в компрессоре воздуху окончательно охлаждается, после чего удаляется из газотурбинной установки. При этом, рабочий газ, который в процессе всего цикла работы универсальной энергетической установки неизменен по химическому составу, подается при заданных давлении и температуре на вход компрессора основного цикла, после сжатия поступает в теплообменник для нагрева за счет тепла продуктов сгорания топлива в источнике тепла, после которого нагревается в основном теплообменнике за счет тепла отработанного в турбине основного цикла рабочего газа, далее нагревается до максимальной температуры в источнике тепла, энергия в который поступает в результате сгорания топлива или от контура охлаждения реактора, после чего рабочий газ подается на вход газовой турбины, состоящей из ряда последовательно гидравлически соединенных частей, в каждой из которых рабочий газ частично расширяется, вырабатывая механическую энергию, в промежутках между которыми рабочий газ после адиабатического расширения в предыдущей части направляется в источник тепла, в котором нагревается до максимальной температуры, после чего он поступает на вход в следующую часть, причем количество частей газовой турбины, степень расширения в каждой из них взаимосвязаны с общей степенью расширения в турбине основного цикла условием реализации достаточной изотермичности общего процесса расширения в турбине в виде значения коэффициента изотермичности, обеспечивающего необходимую эффективность установки в целом, после окончательного расширения до заданного давления в заключительной части турбины отработанный в газовой турбине рабочий газ поступает в основной теплообменник, проходя который охлаждается в результате теплообмена со сжатым в компрессоре рабочим газом, направляется для дальнейшего охлаждения в теплообменник дополнительного цикла, нагревая тем самым сжатый компрессором дополнительного цикла воздух из внешней среды, который после нагрева расширяется в турбине дополнительного цикла вырабатывая полезную энергию, после чего сбрасывается во внешнюю среду, замыкая тем самым дополнительный цикл, охлажденный рабочий газ направляется в заключительный теплообменник, в котором его температура в результате теплообмена с дополнительным теплоносителем достигает заданной величины, после чего при заданном давлении направляется в компрессор, замыкая тем самым основной цикл.The method of operation of a universal power gas turbine plant, which is based on the Erickson cycle, in which the air of the external environment enters the compressor inlet, is compressed and sent to a heat exchanger to heat the working gas exhausted in the gas turbine, then additionally heats up, going to the gas turbine for expansion into in a process close enough to isothermal, in which thermal energy is converted into mechanical energy, the exhaust gas from the turbine outlet is sent to a heat exchanger, where, giving off its heat to the air compressed in the compressor, it is finally cooled, after which it is removed from the gas turbine plant. At the same time, the working gas, which during the entire cycle of operation of the universal power plant is unchanged in chemical composition, is supplied at a given pressure and temperature to the main cycle compressor inlet, after compression it enters the heat exchanger for heating due to the heat of the fuel combustion products in the heat source, after which is heated in the main heat exchanger due to the heat of the working gas exhausted in the turbine of the main cycle, then heated to the maximum temperature in the heat source, the energy to which is supplied as a result of fuel combustion or from the reactor cooling circuit, after which the working gas is supplied to the inlet of the gas turbine, consisting from a series of hydraulically connected parts, in each of which the working gas is partially expanded, generating mechanical energy, in the intervals between which the working gas, after adiabatic expansion in the previous part, is sent to the heat source, in which it is heated to a maximum temperature, after Why does it enter the next part, moreover, the number of parts of the gas turbine, the degree of expansion in each of them are interconnected with the total degree of expansion in the turbine of the main cycle by the condition for the implementation of sufficient isothermality of the general expansion process in the turbine in the form of an isothermal coefficient value that provides the necessary efficiency of the installation in general, after the final expansion to a predetermined pressure in the final part of the turbine, the working gas exhausted in the gas turbine enters the main heat exchanger, passing through which it is cooled as a result of heat exchange with the working gas compressed in the compressor, is sent for further cooling to the additional cycle heat exchanger, thereby heating the compressed compressor of the additional cycle, air from the external environment, which, after heating, expands in the turbine of the additional cycle, generating useful energy, after which it is discharged into the external environment, thereby closing the additional cycle, the cooled working the gas is sent to the final heat exchanger, in which its temperature, as a result of heat exchange with an additional heat carrier, reaches a predetermined value, after which it is sent to the compressor at a predetermined pressure, thereby closing the main cycle.

Существенными признаками универсальной энергетической газотурбинной установки, в которой реализован предлагаемый способ работы, является то, что основой рабочего цикла является реальный вариант цикла Эриксона, в котором рабочий газ, поступающий в неохлаждаемый компрессор при заданных температуре и давлении, адиабатически сжимается в нем до необходимого давления, поступает в теплообменник, где нагревается бросовым теплом, после чего направляется в основной теплообменник для нагрева его теплом отработанного в газовой турбине рабочего газа, далее направляется в источник тепла для окончательного нагрева до максимальной температуры, подается в первую часть газовой турбину, где рабочий газ, адиабатически расширяясь, производит механическую энергию. Из первой части газовой турбины, охлажденный в процессе расширения, рабочий газ направляется для нагрева до максимальной температуры в источник тепла, затем подается в следующую часть газовой турбины, в которой также адиабатически расширяется до необходимого давления, и так далее, расширяясь до заданного давления с промежуточным подогревом между частями турбины. При этом количество частей турбины и степень расширения в каждой определяется исходя из общей степени расширения рабочего газа в газовой турбине и величины коэффициента изотермичности турбины, обеспечивающего достаточную эффективность установки в целом.The essential features of a universal power gas turbine plant, in which the proposed method of operation is implemented, is that the working cycle is based on a real version of the Erickson cycle, in which the working gas entering the uncooled compressor at a given temperature and pressure is adiabatically compressed in it to the required pressure, enters the heat exchanger, where it is heated by waste heat, after which it is sent to the main heat exchanger to heat it with the heat of the working gas exhausted in the gas turbine, then it is sent to the heat source for final heating to the maximum temperature, it is fed into the first part of the gas turbine, where the working gas is adiabatically expanding, it produces mechanical energy. From the first part of the gas turbine, cooled during the expansion process, the working gas is sent to heat up to the maximum temperature in the heat source, then it is fed to the next part of the gas turbine, in which it also adiabatically expands to the required pressure, and so on, expanding to a given pressure with an intermediate heated between parts of the turbine. In this case, the number of turbine parts and the degree of expansion in each is determined based on the total degree of expansion of the working gas in the gas turbine and the value of the isothermal coefficient of the turbine, which ensures sufficient efficiency of the installation as a whole.

С выхода последней части газовой турбины отработанный рабочий газ направляется в основной теплообменник, охлаждаясь в котором нагревает сжатый компрессором основного цикла рабочий газ, по выходу из которого, имея температуру выше, чем температура сжатого рабочего газа на выходе из теплообменника бросового тепла, установленного на выходе рабочего газа из компрессора основного цикла, направляется в теплообменник дополнительного цикла, где, охлаждаясь, нагревает сжатый компрессором дополнительного цикла воздух из внешней среды, который расширяясь адиабатически в турбине дополнительного цикла, производит полезную энергию, далее сбрасывается во внешнюю среду, а рабочий газ основного цикла с выхода теплообменника дополнительного цикла направляется в заключительный теплообменник для оптимизации его температуры, после чего подается на вход компрессора, замыкая тем самым основной цикл.From the outlet of the last part of the gas turbine, the exhaust working gas is sent to the main heat exchanger, cooling in which it heats the working gas compressed by the compressor of the main cycle, after which, having a temperature higher than the temperature of the compressed working gas at the outlet of the waste heat heat exchanger installed at the outlet of the working gas from the compressor of the main cycle, is sent to the heat exchanger of the additional cycle, where, cooling, it heats the air compressed by the compressor of the additional cycle from the external environment, which, expanding adiabatically in the turbine of the additional cycle, produces useful energy, is then discharged into the external environment, and the working gas of the main cycle with from the outlet of the heat exchanger of the additional cycle is sent to the final heat exchanger to optimize its temperature, after which it is fed to the compressor inlet, thereby closing the main cycle.

Отличительными существенными признаками предлагаемого способа работы, действительными во всех случаях является то, что рабочий газ неизменный по своему составу, при своем движении внутри установки при заданных температуре и давлении, поступает в неохлаждаемый компрессор, в котором адиабатически сжимается до необходимого давления, после чего направляется в первый теплообменник, в котором нагревается бросовым теплом продуктов сгорания топлива в источнике тепла, перемещается в основной теплообменник для дальнейшего нагрева в результате теплообмена с отработанным в газовой турбине рабочим газом, по выходу из него сжатый и нагретый рабочий газ подается в источник тепловой энергии, для окончательного нагрева до максимальной температуры, по достижению которой направляется на вход газовой турбины, производящую механическую энергию необходимую для работы компрессора и полезную для получения электроэнергии, состоящую из ряда последовательно гидравлически соединенных частей, в каждой из которых рабочий газ адиабатически расширяется до необходимого давления, по выходу из которых, за исключением последней, направляется во внешний источник тепла для последующего нагрева до максимальной температуры перед подачей в следующую часть газовой турбины, при этом количество частей газовой турбины, степеней расширения в каждой из них, соответственно промежуточных нагревов, определяется исходя из величины коэффициента изотермичности всего процесса расширения в газовой турбине, обеспечивающего достаточную эффективность всей установки в целом, после окончательного расширения в последней части до заданного давления отработанный в турбине рабочий газ направляется в основной теплообменник, в котором охлаждается, за счет теплообмена со сжатым рабочим газом, поступающим из компрессора, до температуры, которая выше температуры сжатого рабочего газа на выходе из теплообменника бросового тепла, далее по выходу из основного теплообменника отработанный рабочий газ поступает в теплообменник дополнительного цикла, охлаждаясь в котором нагревает сжатый компрессором этого цикла воздух из внешней среды, для его последующего адиабатического расширения с производством полезной энергией, и последующим сбросом во внешнюю среду. По выходу из теплообменника дополнительного цикла рабочий газ, поступает в заключительный теплообменник где, в результате теплообмена с дополнительным теплоносителем, приобретает заданную температуру, при которой, имея заданное давление, подается на вход компрессора, замыкая тем самым основной цикл.The distinctive essential features of the proposed method of operation, valid in all cases, is that the working gas, unchanged in composition, when moving inside the plant at a given temperature and pressure, enters an uncooled compressor, in which it is adiabatically compressed to the required pressure, after which it is sent to the first heat exchanger, in which it is heated by the waste heat of the fuel combustion products in the heat source, moves to the main heat exchanger for further heating as a result of heat exchange with the working gas exhausted in the gas turbine, after exiting from it, the compressed and heated working gas is supplied to the heat source, for the final heating to the maximum temperature, upon reaching which it is sent to the inlet of the gas turbine, which produces the mechanical energy necessary for the operation of the compressor and useful for generating electricity, consisting of a series of hydraulically connected parts in series, in each of which p the working gas expands adiabatically to the required pressure, after which, with the exception of the latter, it is directed to an external heat source for subsequent heating to the maximum temperature before being fed into the next part of the gas turbine, while the number of parts of the gas turbine, expansion degrees in each of them, respectively, intermediate heating, is determined based on the value of the isothermal coefficient of the entire expansion process in the gas turbine, which ensures sufficient efficiency of the entire installation as a whole, after the final expansion in the last part to a predetermined pressure, the working gas exhausted in the turbine is sent to the main heat exchanger, in which it is cooled, due to heat exchange with the compressed working gas coming from the compressor to a temperature that is higher than the temperature of the compressed working gas at the outlet of the waste heat exchanger, then, at the exit from the main heat exchanger, the exhaust working gas enters the heat exchanger additionally th cycle, cooling in which it heats the air compressed by the compressor of this cycle from the external environment, for its subsequent adiabatic expansion with the production of useful energy, and subsequent discharge into the external environment. Upon exiting the heat exchanger of the additional cycle, the working gas enters the final heat exchanger where, as a result of heat exchange with the additional heat carrier, it acquires a predetermined temperature, at which, having a predetermined pressure, it is supplied to the compressor inlet, thereby closing the main cycle.

Отличительными существенными признаками предлагаемого способа работы действительными в отдельных случаях является то, что при использовании замкнутого цикла в газотурбинной части установки регулирование ее мощности осуществляется изменением давления рабочего газа на входе в компрессор, то есть изменением массового расхода рабочего газа через компрессор. В качестве тепла для обеспечения работы теплообменника бросового тепла и заключительного теплообменника могут быть использованы любые источники тепловой энергии и теплоносители, имеющие достаточный температурный уровень.The distinctive essential features of the proposed method of operation are valid in some cases is that when using a closed cycle in the gas turbine part of the installation, its power is controlled by changing the pressure of the working gas at the inlet to the compressor, that is, changing the mass flow rate of the working gas through the compressor. As heat to ensure the operation of the waste heat exchanger and the final heat exchanger, any sources of thermal energy and heat carriers with a sufficient temperature level can be used.

ЛитератураLiterature

1. Патент РФ №2094636 на изобретение «Способ работы газотурбинной установки (варианты) и газотурбинная установка» от 24.02.1993, МПК F02C 7/08.1. Patent of the Russian Federation No. 2094636 for the invention "Method of operation of a gas turbine plant (options) and a gas turbine plant" dated February 24, 1993, IPC F02C 7/08.

2. Патент РФ №2086791 на изобретение «Газотурбинная установка» от 18.09.1992, МПК F02C 7/105.2. Patent of the Russian Federation No. 2086791 for the invention "Gas turbine plant" dated 18.09.1992, IPC F02C 7/105.

3. Патент РФ №2137935 на изобретение «Газотурбинная установка и способ ее эксплуатации» от 07.04.1994, МПК F02C 6/00, F02C 3/14.3. Patent of the Russian Federation No. 2137935 for the invention "Gas turbine plant and method of its operation" dated 04/07/1994, IPC F02C 6/00, F02C 3/14.

4. Патент РФ №2187674 на изобретение «Способ утилизации тепла отработанных газов газотурбинного двигателя» от 04.05.2000, МПК F02C 7/10.4. Patent of the Russian Federation No. 2187674 for the invention "Method of utilizing the heat of exhaust gases of a gas turbine engine" dated 04.05.2000, IPC F02C 7/10.

5. Патент РФ №2252323 на изобретение «Бинарная парогазовая установка» от 30.12.2002, МПК F01К 23/10.5. Patent of the Russian Federation No. 2252323 for the invention "Binary combined cycle plant" dated 12/30/2002, IPC F01K 23/10.

6. Патент РФ №2224901 на изобретение «Газотурбинная установка» от 31.05.2002, МПК F02C 7/10.6. Patent of the Russian Federation No. 2224901 for the invention "Gas turbine plant" dated May 31, 2002, IPC F02C 7/10.

7. Патент РФ №2395703 на изобретение «Универсальная воздушно-турбинная энергетическая установка» от 25.12.2008, МПК F02C 3/20, F02C 7/10.7. RF patent No. 2395703 for the invention "Universal air-turbine power plant" dated 12/25/2008, IPC F02C 3/20, F02C 7/10.

8. Патент РФ №2531110 на изобретение «Газотурбинная установка и установка, содержащая лопатки-форсунки (варианты)» от 29.06.2010, МПК F02C 3/14.8. Patent of the Russian Federation No. 2531110 for the invention "Gas turbine installation and installation containing nozzle blades (options)" dated 06/29/2010, IPC F02C 3/14.

9. Патент РФ №2449144 на изобретение «Газотурбинная энергетическая установка с рекуперацией тепла» от 30.09.2010, МПК F02C 7/10.9. Patent of the Russian Federation No. 2449144 for the invention "Gas turbine power plant with heat recovery" dated 09/30/2010, IPC F02C 7/10.

10. Патент РФ №2579526 на изобретение «Способ конвертирования турбовального авиационного двигателя в наземную газотурбинную установку» от 02.07.2014, МПК F02C 3/04.10. RF patent No. 2579526 for the invention "Method of converting a turboshaft aircraft engine into a ground-based gas turbine plant" dated 02.07.2014, IPC F02C 3/04.

11. Патент РФ №2582373 на «Турбомашина с нагревом проточной части» от 10.06.2014, МПК F01D 25/08, F02C 7/12.11. Patent of the Russian Federation No. 2582373 for "Turbomachine with heating of the flow path" dated 06/10/2014, IPC F01D 25/08, F02C 7/12.

12. Патент РФ №2656769 на изобретение «Способ работы газотурбодетандерной энергетической установки тепловой электрической станции» от 13.04.2017, МПК F02C 6/00, F25B 1/00, F02C7/10.12. Patent of the Russian Federation No. 2656769 for the invention "Method of operation of a gas turbine expander power plant of a thermal power plant" dated 04/13/2017, IPC F02C 6/00, F25B 1/00, F02C7/10.

13. Патент РФ №2661427 на изобретение «Двухконтурный турбореактивный двигатель» от 07.07.2017, МПК F02K 3/0613. Patent of the Russian Federation No. 2661427 for the invention "Bypass turbojet engine" dated 07.07.2017, IPC F02K 3/06

14. Патент РФ №2671264 на изобретение «Стехиометриченмкая парогазотурбинная установка» от 15.01.2018, МПК F01K 21/00, F02C 3/00.14. Patent of the Russian Federation No. 2671264 for the invention "Stoichiometric steam-gas turbine plant" dated 01/15/2018, IPC F01K 21/00, F02C 3/00.

15. Патент РФ №2702713 на изобретение « Газотурбинный двигатель» от 07.11.2018, МПК F02C 7/06, F02C 7/14.15. Patent of the Russian Federation No. 2702713 for the invention "Gas turbine engine" dated 11/07/2018, IPC F02C 7/06, F02C 7/14.

16. Патент РФ №2726861 на изобретение «Способ работы газотурбинного двигателя и газотурбинный двигатель» от 28.02.2019, МПК F02C 7/10.16. Patent of the Russian Federation No. 2726861 for the invention "Method of operation of a gas turbine engine and a gas turbine engine" dated February 28, 2019, IPC F02C 7/10.

17. US 2008112794, (GENERAL ELECTRIC COMPANY), 15.05.2008.17. US 2008112794, (GENERAL ELECTRIC COMPANY), 05/15/2008.

18. Самойлович Г.С. Гидро-газодинамика. М., «Машиностроение», 1990, стр. 44-62.18. Samoilovich G.S. Hydro-gasdynamics. M., "Engineering", 1990, pp. 44-62.

19. Рудаченко А.В., Чухарева Н.В., Бойко С.С. Газотурбинные установки. Томский политехнический университет, 2008.19. Rudachenko A.V., Chukhareva N.V., Boyko S.S. Gas turbine installations. Tomsk Polytechnic University, 2008.

20. Зысин Л.В. Парогазовые и газотурбинные установки. Изд. Санкт-Петербургского политехнического института, 2010.20. Zysin L.V. Combined-cycle and gas turbine installations. Ed. St. Petersburg Polytechnic Institute, 2010.

21. Иванов В.Л., Щеголев Н.Л., Скибин Д.А. Повышение эффективности двухконтурного турбовентиляторного двигателя введением промежуточного охлаждения при сжатии. - Известия высших учебных заведений. «Машиностроение», 2014, №11, с. 7521. Ivanov V.L., Shchegolev N.L., Skibin D.A. Improving the efficiency of a bypass turbofan engine by introducing intercooling under compression. - News of higher educational institutions. "Engineering", 2014, No. 11, p. 75

22. Мураева М.А., Харитонов В.Ф., Горюнов И.Н. Оценка эффективности горения в межлопаточном канале турбины для реализации изотермического расширения. - Вестник - Уфимского авиационного технического университета. Т. 19. №2, 2015.22. Muraeva M.A., Kharitonov V.F., Goryunov I.N. Evaluation of the efficiency of combustion in the interblade channel of the turbine for the implementation of isothermal expansion. - Vestnik - Ufa Aviation Technical University. T. 19. No. 2, 2015.

23. Злобин В.Г. Паротурбинные установки тепловых и атомных электростанций. Высшая школа технологии и энергетики. Санкт-Петербургский Государственный университет промышленной технологии и дизайна. Санкт-Петербург, 2020.23. Zlobin V.G. Steam turbine installations of thermal and nuclear power plants. Higher School of Technology and Energy. St. Petersburg State University of Industrial Technology and Design. St. Petersburg, 2020.

Claims (3)

1. Способ работы универсальной энергетической газотурбинной установки, в основе которого лежит цикл Эриксона, при котором воздух внешней среды поступает на вход компрессора, сжимается и направляется в теплообменник для нагрева теплом отработанного в газовой турбине рабочего газа, далее дополнительно нагревается, направляясь в газовую турбину для расширения в процессе, достаточно близком к изотермическому, при котором тепловая энергия преобразуется в механическую, с выхода турбины отработанный рабочий газ направляется в теплообменник, где, отдавая свое тепло сжатому в компрессоре воздуху, окончательно охлаждается, после чего удаляется из газотурбинной установки, отличающийся тем, что рабочий газ, который в процессе всего цикла работы универсальной энергетической установки неизменен по химическому составу, подается при заданных давлении и температуре на вход компрессора основного цикла, после сжатия поступает в теплообменник для нагрева за счет тепла продуктов сгорания топлива в источнике тепла, после которого нагревается в основном теплообменнике за счет тепла отработанного в турбине основного цикла рабочего газа, далее нагревается до максимальной температуры в источнике тепла, энергия в который поступает в результате сгорания топлива или от контура охлаждения реактора, после чего рабочий газ подается на вход газовой турбины, состоящей из ряда последовательно гидравлически соединенных частей, в каждой из которых рабочий газ частично расширяется, вырабатывая механическую энергию, в промежутках между которыми рабочий газ после адиабатического расширения в предыдущей части направляется в источник тепла, в котором нагревается до максимальной температуры, после чего он поступает на вход в следующую часть, причем количество частей газовой турбины, степень расширения в каждой из них взаимосвязаны с общей степенью расширения в турбине основного цикла условием реализации достаточной изотермичности общего процесса расширения в турбине в виде значения коэффициента изотермичности, обеспечивающего необходимую эффективность установки в целом, после окончательного расширения до заданного давления в заключительной части турбины отработанный в газовой турбине рабочий газ поступает в основной теплообменник, проходя который охлаждается в результате теплообмена со сжатым в компрессоре рабочим газом, направляется для дальнейшего охлаждения в теплообменник дополнительного цикла, нагревая тем самым сжатый компрессором дополнительного цикла воздух из внешней среды, который после нагрева расширяется в турбине дополнительного цикла вырабатывая полезную энергию, после чего сбрасывается во внешнюю среду, замыкая тем самым дополнительный цикл, охлажденный рабочий газ направляется в заключительный теплообменник, в котором его температура в результате теплообмена с дополнительным теплоносителем достигает заданной величины, после чего при заданном давлении направляется в компрессор, замыкая тем самым основной цикл.1. The method of operation of a universal power gas turbine plant, which is based on the Erickson cycle, in which the air of the external environment enters the compressor inlet, is compressed and sent to a heat exchanger to heat the working gas exhausted in the gas turbine, then additionally heats up, going to the gas turbine for expansion in a process close enough to isothermal, in which thermal energy is converted into mechanical energy, from the outlet of the turbine, the exhaust working gas is sent to a heat exchanger, where, giving off its heat to the air compressed in the compressor, it is finally cooled, after which it is removed from the gas turbine plant, characterized in that that the working gas, which during the entire cycle of operation of the universal power plant is unchanged in chemical composition, is supplied at a given pressure and temperature to the inlet of the compressor of the main cycle, after compression it enters the heat exchanger for heating due to the heat of the fuel combustion products to the source e heat, after which it is heated in the main heat exchanger due to the heat of the working gas exhausted in the turbine of the main cycle, then it is heated to the maximum temperature in the heat source, energy to which is supplied as a result of fuel combustion or from the reactor cooling circuit, after which the working gas is supplied to the inlet gas turbine, consisting of a series of hydraulically connected parts, in each of which the working gas is partially expanded, generating mechanical energy, in the intervals between which the working gas, after adiabatic expansion in the previous part, is sent to a heat source, in which it is heated to a maximum temperature, after which it enters the inlet to the next part, and the number of parts of the gas turbine, the degree of expansion in each of them are interconnected with the total degree of expansion in the turbine of the main cycle by the condition for the implementation of sufficient isothermality of the general expansion process in the turbine in the form of the value of the isothermal coefficient and, providing the necessary efficiency of the plant as a whole, after the final expansion to a predetermined pressure in the final part of the turbine, the working gas exhausted in the gas turbine enters the main heat exchanger, passing which is cooled as a result of heat exchange with the working gas compressed in the compressor, is sent for further cooling to the additional heat exchanger cycle, thereby heating the air compressed by the compressor of the additional cycle from the external environment, which, after heating, expands in the turbine of the additional cycle, generating useful energy, after which it is discharged into the external environment, thereby closing the additional cycle, the cooled working gas is sent to the final heat exchanger, in which it the temperature as a result of heat exchange with an additional coolant reaches a predetermined value, after which, at a predetermined pressure, it is sent to the compressor, thereby closing the main cycle. 2. Способ работы по п. 1, отличающийся тем, что мощность установки при ее работе в замкнутом цикле регулируется путем изменения давления рабочего газа на входе в компрессор основного цикла.2. The method of operation according to claim 1, characterized in that the power of the installation during its operation in a closed cycle is controlled by changing the pressure of the working gas at the inlet to the compressor of the main cycle. 3. Способ работы по п. 1, отличающийся тем, что при работе установки в разомкнутом цикле на вход компрессора подается воздух из окружающей среды.3. The method of operation according to claim 1, characterized in that when the unit is operating in an open cycle, air from the environment is supplied to the compressor inlet.
RU2021124405A 2021-08-16 Method for operation of a universal gas turbine power unit RU2779808C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2779808C1 true RU2779808C1 (en) 2022-09-13

Family

ID=

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2044149C1 (en) * 1993-02-18 1995-09-20 Евгений Глебович Шадек Method of operation of combined external combustion engine and external combustion engine
RU2355900C2 (en) * 2007-03-05 2009-05-20 Сергей Викторович Логачев Method for heat energy conversion
RU2726861C1 (en) * 2018-03-06 2020-07-16 Владимир Константинович Литвинов Gas turbine engine operating method and gas turbine engine

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2044149C1 (en) * 1993-02-18 1995-09-20 Евгений Глебович Шадек Method of operation of combined external combustion engine and external combustion engine
RU2355900C2 (en) * 2007-03-05 2009-05-20 Сергей Викторович Логачев Method for heat energy conversion
RU2726861C1 (en) * 2018-03-06 2020-07-16 Владимир Константинович Литвинов Gas turbine engine operating method and gas turbine engine

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Poullikkas An overview of current and future sustainable gas turbine technologies
Kautz et al. The externally-fired gas-turbine (EFGT-Cycle) for decentralized use of biomass
Briesch et al. A combined cycle designed to achieve greater than 60 percent efficiency
US20070256424A1 (en) Heat recovery gas turbine in combined brayton cycle power generation
Du et al. Exergy loss characteristics of a recuperated gas turbine and Kalina combined cycle system using different inlet guide vanes regulation approaches
Ulizar et al. A semiclosed-cycle gas turbine with carbon dioxide–argon as working fluid
Kindra et al. Research on oxy-fuel combustion power cycle using nitrogen for turbine cooling
Wang et al. Research on the effectiveness of the key components in the HAT cycle
Dokhaee et al. Simulation of the Allam cycle with carbon dioxide working fluid and comparison with Brayton cycle
Wang et al. The roadmap towards the efficiency limit for supercritical carbon dioxide coal fired power plant
RU2711905C1 (en) Heat energy conversion method
RU2779808C1 (en) Method for operation of a universal gas turbine power unit
Seydel Performance Potential Analysis of Heavy-Duty Gas Turbines in Combined Cycle Power Plants
Qin et al. Key parameters and influence analysis of Marine S-CO 2 Brayton cycle power generation system under off-design conditions
US20100300099A1 (en) Air-medium power system
Chen et al. Power and efficiency optimizations for an open cycle two-shaft gas turbine power plant
RU2735880C1 (en) Method of using gas-air thermodynamic cycle for increasing efficiency of small turbo-engine
Bunce Gas turbines
Koura Thermodynamics II PCE 320
Carstea METHODS OF INCREASING THE EFFICIENCY OF GAS TURBINES.
Abd et al. Overview the Possible Methods for Increasing the Output Power of Gas Turbines in Al-Quds Power Plant
Digwijaya et al. Power Enhancement Analysis from Exhaust Energy Flow of An Open Cycle Gas Turbine Power Plant
Robinson et al. Dynamic systems for ultrahigh temperature energy conversion
FAKÜLTESİ RESEARCH ASSIGNMENT STEAM AND GAS TURBINES SHIP MACHINERY I
Madhlopa et al. Configurations of Solar Gas Turbines