RU2784272C1 - Газотурбинная установка замкнутого цикла с огневым нагревателем - Google Patents
Газотурбинная установка замкнутого цикла с огневым нагревателем Download PDFInfo
- Publication number
- RU2784272C1 RU2784272C1 RU2021126334A RU2021126334A RU2784272C1 RU 2784272 C1 RU2784272 C1 RU 2784272C1 RU 2021126334 A RU2021126334 A RU 2021126334A RU 2021126334 A RU2021126334 A RU 2021126334A RU 2784272 C1 RU2784272 C1 RU 2784272C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- heater
- turbine
- regenerator
- flow part
- gas
- Prior art date
Links
- 238000009434 installation Methods 0.000 title abstract description 10
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 52
- 230000008929 regeneration Effects 0.000 claims abstract description 10
- 238000011069 regeneration method Methods 0.000 claims abstract description 10
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 8
- 238000005192 partition Methods 0.000 claims abstract description 7
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 claims abstract description 5
- 239000003546 flue gas Substances 0.000 claims abstract description 4
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 9
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 7
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 3
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 2
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000003570 air Substances 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 1
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 1
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 1
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium(0) Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001172 regenerating Effects 0.000 description 1
Images
Abstract
Изобретение относится к области энергетического машиностроения и касается конструирования газотурбинных установок замкнутого цикла, используемых в электроэнергетике. Газотурбинная установка замкнутого цикла с огневым нагревателем содержит огневой нагреватель с подовой горелкой, турбину, регенератор, газоохладитель, компрессор, электрогенератор, при этом нагреватель-регенератор образован вертикальными трубами с верхним и нижнем кольцевыми коллекторами, к которым присоединены торцы труб, по длине вертикальные трубы разбиты на зону регенерации и зону подогрева, разделенные между собою термоустойчивой, непроницаемой для продуктов сгорания перегородкой, при этом подовая горелка нагревателя находится в центре нижнего кольцевого коллектора, а верхний кольцевой коллектор расположен в зоне регенерации и снабжен кольцевым цилиндрическим расходным соплом, обращенным в проточную часть турбины, проточная часть турбины пристыкована к проточной части канального газоохладителя, проточная часть которого пристыкована к проточной части компрессора, при этом рабочее тело (газ) подается из компрессора в регенератор через регулировочный вентиль, а из регенератора рабочее тело подается в нижний кольцевой коллектор, причем дымовые газы из нагревателя удаляются через кольцевой трубчатый воздухоподогреватель, ограничивающий топочный объем нагревателя. Изобретение позволяет повысить экономичность ЗГТУ и уменьшить габариты и массу установки. 2 ил., 1 табл.
Description
Изобретение относится к области энергетического машиностроения и касается конструирования газотурбинных установок замкнутого цикла используемых в электроэнергетике.
Известны газотурбинные установки замкнутого цикла (ЗГТУ) [1], [2], [3]. Рабочим телом подобных установок являются, как правило, следующие газы - воздух, азот, углекислый газ, гелий, аргон. На Фиг. 1 представлена Схема (а) и термодинамический цикл (б) ЗГТУ [1], [2]. На Фиг. 1 в огневом нагревателе 1 (нагреватель) сжигается органическое топливо, продукты сгорания нагревают рабочее тело (газ), движущееся по трубам нагревателя 1, нагретый газ с параметрами t2=700-800°С и давлением Р2=3-4,5 МПа поступает в турбину 2. Из турбины 2 газ направляется в регенератор 3, где охлаждается, подогревая газ, идущий в нагреватель 1 из компрессора 4. Из регенератора 3 охлажденный газ направляется в газоохладитель 5, из него поступает в компрессор 4 с параметрами t4=20-30°С и Р4=0,7-1,0 МПа [4], а из него - в регенератор 3. Таким образом, газ совершает в установке рабочий замкнутый процесс. Мощность с вала турбины 2 снимается электрогенератором 6. При максимальном давлении в контуре 2,7-4,3 МПа и температуре перед турбиной 935-985 К, КПД реально построенных ЗГТУ составляет ηc≈0,25-0,32.
При работе с теплофикацией (выработкой теплоты в газоохладителе) коэффициент теплоиспользования подобных установок доходит до 87% от располагаемой энергии топлива [5].
Существенный недостаток установок [1], [2], [3], [4], [5] в том, что теплообменные аппараты - нагреватель, газоохладитель, регенератор, работающие при высоких давлениях и температурах, имеют чрезвычайно развитые поверхности теплообмена, что приводит к увеличению их размеров и массы, в том числе и всей установки в целом.
Прототипом заявляемому устройству является [1]
Недостатки прототипа [1].
1. Низкая экономичность (КПД не более ηc≈0,25-0,32).
2. Большие габариты (размеры) и масса.
Цель изобретения.
Повышение экономичности и сокращение габаритов и массы установки.
Цель достигается следующим: газотурбинная установка замкнутого цикла с огневым нагревателем, содержащая огневой нагреватель с подовой горелкой, турбину, регенератор, газоохладитель, компрессор, электрогенератор, при этом нагреватель-регенератор образованы вертикальными трубами с верхним и нижнем кольцевыми коллекторами, к которым присоединены торцы труб, по длине вертикальные трубы разбиты на зону регенерации и зону подогрева, разделенные между собою термоустойчивой, непроницаемой для продуктов сгорания перегородкой, при этом подовая горелка нагревателя находится в центре нижнего кольцевого коллектора, а верхний кольцевой коллектор расположен в зоне регенерации и снабжен кольцевым цилиндрическим расходным соплом, обращенным в проточную часть турбины, проточная часть турбины пристыкована к проточной части канального газоохладителя, проточная часть которого пристыкована к проточной части компрессора, при этом рабочее тело (газ) подается из компрессора в регенератор через регулировочный вентиль, а из регенератора газ подается в нижний кольцевой коллектор, причем дымовые газы из нагревателя удаляются через кольцевой трубчатый воздухоподогреватель, ограничивающий топочный объем нагревателя. Сокращение габаритов и массы установки достигается за счет осевой вертикальной компоновки устройства с нагревателем-регенератором образованным вертикальными трубами с зонами регенерации и подогрева, при этом удается получить в трубах в зоне подогрева критическую скорость истечения газа Wкр=610 м/с при t4=450°С и Р4=0,6 МПа, с последующим регенеративным охлаждением (газа) до t5=205°С и Р5=0,8 МПа и последующим истечением из расходного кольцевого цилиндрического сопла в проточную часть турбины со скоростью W5=825 м/с, а из нее в проточную часть канального газоохладителя, которая пристыкована к проточной части компрессора, этим достигаются высокие осевые скорости рабочего тела с высокими коэффициентами теплоотдачи в теплообменных поверхностях, что и приведет к сокращению поверхностей нагрева и массы теплопередающих поверхностей.
Повышение экономичности установки достигается за счет высокой скорости истечения газа из кольцевого цилиндрического расходного сопла (W=825 м/с) в проточную часть турбины, что позволяет применять турбины с одной или двумя ступенями скорости при ηoi=0,7-0,8 (ηe=0,63-0,72), а так же за счет применения кольцевого трубчатого воздухоподогревателя, повышающего тепловую эффективность нагревателя.
Предлагаемое устройство поясняется чертежом. Изображение состоит из одной фигуры - Фигура 2 «Газотурбинная установка замкнутого цикла с огневым нагревателем». Фигура 2 изображает Схему (а) и термодинамический цикл (б) предлагаемой ЗГТУ.
Газотурбинная установка замкнутого цикла с огневым нагревателем содержит огневой нагреватель с подовой горелкой 1 (нагреватель), турбину 2, регенератор 3, газоохладитель 4, компрессор 5, электрогенератор 6, канальный нагреватель-регенератор 7, образованный вертикальными трубами с верхним коллектором 8 и нижнем коллектором 9, термоустойчивую непроницаемую для продуктов горения перегородку 10 (перегородку), разделяющую нагреватель-регенератор 7 (по длине) на зону регенерации, от верхнего коллектора 8 до перегородки 10 и зону подвода тепла, от перегородки 10 до нижнего коллектора 9. Верхний кольцевой коллектор 8 снабжен кольцевым цилиндрическим расходным соплом 11 обращенным в проточную часть турбины 2. Из компрессора 5 газ подается в регенератор 3 через регулировочный вентиль 12.
Дымовые газы из нагревателя 1 удаляются через кольцевой трубчатый воздухоподогреватель 13, ограничивающий топочный объем нагревателя 1.
Устройство работает следующим образом. Имеем Фиг 2 (б) термодинамический цикл ЗГТУ с изотермическим подводом теплоты и адиабатическим сжатием. Рабочим телом (газом) автор принял перегретый водяной пар при умеренных параметрах цикла (см. табл. 1).
В предлагаемой автором ЗГТУ максимальное давление 1,0 МПа и перегрев пара 450°С на номинальном режиме, при сравнительно низкой степени повышения давления
На Фиг 2 (a) в трубах нагревателя-регенератора 7 (зоне подогрева) происходит изотермическое расширение газа с подводом теплоты от подовой горелки нагревателя 1 с увеличением скорости движения газа по трубам до критической Wкр=610 м/с при t4=450°С и Р4=0,6 МПа с последующим охлаждением в зоне регенерации и сверхкритическим расширением при этом, а само течение в трубах приобретает политропический характер по виду изображенному на Фиг 2 (б) пунктиром с переменным показателем политропы n [7]. В верхнем кольцевом коллекторе 8 происходит торможение газа до параметров t5=205°С и Р5=0,8 МПа и истечение его из расходного цилиндрического сопла 11 в проточную часть турбины 2 со скоростью W5=825 м/с. Сработав в турбине 2 скоростной напор до 250-300 м/с газ попадает с такой скоростью в канальный газоохладитель 4, где охлаждается до t1=180°С, увеличив свое давление при этом до P1=0,85 МПа (эффект теплового сопротивления в канальном газоохладителе 4 [8]. В газоохладителе 4 газ охлаждается водою, тепло которой используется в дальнейшем для технологического и бытового теплоснабжения (теплофикации). Из газоохладителя 4 газ поступает в компрессор 5, где адиабатически сжимается приобретая параметры t2=200°С, Р2=1,0 МПа и поступает в регулировочный вентиль 12, а из него в регенератор 3 где газ регенеративно нагревается, охлаждая при этом газ проходящий по трубам в зоне регенерации нагревателя-регенератора 7. Из регенератора 3 газ с параметрами t'3=430°С, Р'3=1,0 МПа подается в нижний кольцевой коллектор 9, а из него в трубы нагревателя-регенератора 7, завершая этим рабочий цикл. Мощность Ne с вала турбины 2 снимается электрогенератором 6. Для повышения тепловой эффективности нагревателя 1 предусмотрен рекуперативный кольцевой трубчатый воздухоподогреватель 13, ограничивающий топочный объем нагревателя 1. При работе ЗГТУ на частичных нагрузках для регулирования расхода и давления (дросселирования) рабочего тела (газа) предназначен регулировочный вентиль 12, при этом расход и давление уменьшаются, а удельный объем газа увеличится, что сохранит номинальные скорости истечения из сопла 11 в турбину 2 при неизменных расходных сечениях нагревателя-регенератора 7, сопла 11, канального газоохладителя 4 и позволит сохранить постоянным значение ηoi.
Предварительные расчеты показывают, что при эффективной мощности предлагаемой ЗГТУ Ne=50 МВт, КПД турбины и компрессора ηет=ηек=0,7, получается расход рабочего тела G=297 кг/с и эффективный КПД установки ηe=0,63.
Литература.
1. Бальян С.В. «Техническая термодинамика и тепловые двигатели», Л. «Машиностроение», 1973 г., С. 220.
2. Манушин Э.А. «Газовые турбины: проблемы и перспективы», М. «Энергоатомиздат», 1986 г. С. 16, 17.
3. Михайлов А.И., Борисов В.В., Калинин Э.К. «Газотурбинные установки замкнутого цикла», М. АН. СССР. 1962 г.
4. Слободянюк Л.И., Поляков В.И., «Судовые паровые и газовые турбины и их эксплуатация», Л. «Судостроение», 1983 г. С. 202.
5. Ольховский Г.Г. «Энергетические газотурбинные установки», М. «Энергоатомиздат», 1985 г. С. 282.
6. Ковалев А.П. «Парогенераторы», М - Л. «Энергия», 1966 г. С. 337, С. 237.
7. Вукалович М.П., Новиков И.И. «Термодинамика», М. «Мишиностроение», 1972 г. С. 325-327.
8. Раушенбах Б.В. «Вибрационное горение», М. «ФМ», 1961 г. С. 78-80.
Claims (1)
- Газотурбинная установка замкнутого цикла с огневым нагревателем, содержащая огневой нагреватель с подовой горелкой, турбину, регенератор, газоохладитель, компрессор, электрогенератор, отличающаяся тем, что нагреватель-регенератор образован вертикальными трубами с верхним и нижнем кольцевыми коллекторами, к которым присоединены торцы труб, по длине вертикальные трубы разбиты на зону регенерации и зону подогрева, разделенные между собою термоустойчивой, непроницаемой для продуктов сгорания перегородкой, при этом подовая горелка нагревателя находится в центре нижнего кольцевого коллектора, а верхний кольцевой коллектор расположен в зоне регенерации и снабжен кольцевым цилиндрическим расходным соплом, обращенным в проточную часть турбины, проточная часть турбины пристыкована к проточной части канального газоохладителя, проточная часть которого пристыкована к проточной части компрессора, при этом рабочее тело (газ) подается из компрессора в регенератор через регулировочный вентиль, а из регенератора рабочее тело подается в нижний кольцевой коллектор, причем дымовые газы из нагревателя удаляются через кольцевой трубчатый воздухоподогреватель, ограничивающий топочный объем нагревателя.
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2784272C1 true RU2784272C1 (ru) | 2022-11-23 |
Family
ID=
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2124641C1 (ru) * | 1997-12-19 | 1999-01-10 | Закрытое акционерное общество "Агентство регионального развития" | Способ эксплуатации паросиловой энергетической установки и установка для его осуществления |
RU2279907C2 (ru) * | 2003-04-28 | 2006-07-20 | Лобашинская Алла Владимировна | Способ и устройство шестеренко диспергирования газожидкостной смеси |
RU2334112C2 (ru) * | 2005-01-28 | 2008-09-20 | Виктор Николаевич Кириленко | Способ повышения кпд парогазовой энергоустановки |
RU188226U1 (ru) * | 2018-09-03 | 2019-04-03 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Институт природно-технических систем" (ИПТС) | Замкнутая газотурбинная воздухонезависимая установка для подводной несущей платформы |
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2124641C1 (ru) * | 1997-12-19 | 1999-01-10 | Закрытое акционерное общество "Агентство регионального развития" | Способ эксплуатации паросиловой энергетической установки и установка для его осуществления |
RU2279907C2 (ru) * | 2003-04-28 | 2006-07-20 | Лобашинская Алла Владимировна | Способ и устройство шестеренко диспергирования газожидкостной смеси |
RU2334112C2 (ru) * | 2005-01-28 | 2008-09-20 | Виктор Николаевич Кириленко | Способ повышения кпд парогазовой энергоустановки |
RU188226U1 (ru) * | 2018-09-03 | 2019-04-03 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Институт природно-технических систем" (ИПТС) | Замкнутая газотурбинная воздухонезависимая установка для подводной несущей платформы |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4020635A (en) | Power plants | |
RU2008149099A (ru) | Способ и система для производства энергии из теплового источника | |
CN103104369B (zh) | 一种涡轮配气热气机 | |
CN107387178A (zh) | 一种基于超临界二氧化碳闭式循环的热电联产系统 | |
US2859954A (en) | Gas turbine plant for providing a continuous supply of hot compressed air | |
KR102640548B1 (ko) | 효율적인 열 회수 엔진 | |
RU2784272C1 (ru) | Газотурбинная установка замкнутого цикла с огневым нагревателем | |
US2621481A (en) | Closed cycle air turbine power plant having direct and indirect heat exchangers | |
CN203717159U (zh) | 外热式发动机 | |
CN207245777U (zh) | 基于超临界二氧化碳闭式循环的热电联产系统 | |
US2613495A (en) | Vapor and gas power plant utilizing equipressure vapor generator | |
RU2778188C1 (ru) | Газотурбинная установка со сверхкритическим расширением рабочего газа | |
CN203892043U (zh) | 一种平行运动负压动力设备 | |
CN203892016U (zh) | 一种星型负压动力设备 | |
RU2656769C1 (ru) | Способ работы газотурбодетандерной энергетической установки тепловой электрической станции | |
RU2582373C2 (ru) | Турбомашина с нагревом проточной части | |
GB190623123A (en) | An Improved Internal Combustion Hot Air Turbine. | |
JPS63120826A (ja) | 燃料加熱方法 | |
Zhang et al. | A 1000MW ultra-supercritical secondary reheat unit Energy consumption analysis of thermodynamic system | |
RU2056584C1 (ru) | Паровой котел с агрегатом наддува и способ получения пара в котле с агрегатом наддува | |
RU2712339C1 (ru) | Комбинированная энергетическая газотурбодетандерная установка компрессорной станции магистрального газопровода | |
JPS6252131B2 (ru) | ||
CN103925105A (zh) | 一种平行运动负压动力设备及其做功方法 | |
US1888698A (en) | Process and apparatus for operating turbines | |
Carstea | METHODS OF INCREASING THE EFFICIENCY OF GAS TURBINES. |