RU79945U1

RU79945U1 - SMALL GAS-TURBINE POWER PLANT

Info

Publication number: RU79945U1
Application number: RU2008141440/22U
Authority: RU
Inventors: Константин Аркадьевич Якимович; Юрий Константинович Якимович
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "НПО ТЕПЛОЭНЕРГОМАШ"
Priority date: 2008-10-21
Filing date: 2008-10-21
Publication date: 2009-01-20

Abstract

Полезная модель относится к энергомашиностроению, а именно к малогабаритным тепловым электростанциям (мини-ТЭС). Газотурбинная энергоустановка содержит компрессор, камеру сгорания, парогенератор, газовую турбину, и электрогенератор. Турбина приводится во вращение продуктами сгорания. Электрогенератор кинематически связанный с валом турбины. Парогенератор выполнен в виде расположенных с зазором коаксиальных цилиндров. Выход камеры сгорания подсоединен к внутреннему цилиндру парогенератора. Из внутреннего цилиндра продукты сгорания поступают в межцилиндровое пространство парогенератора. Затем продукты сгорания поступают на турбину и вновь в парогенератор. Турбина и компрессор функционально объединены в единую турбокомпрессорную установку. Полезная модель позволяет уменьшить габариты энергооборудования за счет эффективной компоновки, увеличить КПД и надежность газотурбинной энергоустановки. 2 ил.The utility model relates to power engineering, namely to small-sized thermal power plants (mini-thermal power plants). A gas turbine power plant includes a compressor, a combustion chamber, a steam generator, a gas turbine, and an electric generator. The turbine is driven by combustion products. An electric generator kinematically coupled to a turbine shaft. The steam generator is made in the form of coaxial cylinders arranged with a gap. The output of the combustion chamber is connected to the inner cylinder of the steam generator. From the inner cylinder, the combustion products enter the inter-cylinder space of the steam generator. Then the combustion products enter the turbine and again to the steam generator. The turbine and compressor are functionally integrated into a single turbocharger unit. The utility model allows to reduce the dimensions of power equipment due to the efficient layout, to increase the efficiency and reliability of a gas turbine power plant. 2 ill.

Description

Полезная модель относится к энергомашиностроению, а именно к малогабаритным тепловым электростанциям (мини-ТЭС).The utility model relates to power engineering, namely to small-sized thermal power plants (mini-thermal power plants).

Известна газотурбинная энергоустановка, содержащая компрессор, камеру сгорания, парогенератор, турбину, приводимую во вращение продуктами сгорания, и электрогенератор, кинематически связанный в валом турбины (см. патент RU 2160370, Кл. F01K 23/00, опубл. 10.12.2000). Недостатком известного устройства является относительно большие габариты и недостаточно эффективная утилизация тепловой энергии продуктов сгорания.Known gas turbine power plant containing a compressor, a combustion chamber, a steam generator, a turbine driven into rotation by combustion products, and an electric generator kinematically coupled in the turbine shaft (see patent RU 2160370, CL. F01K 23/00, publ. 10.12.2000). A disadvantage of the known device is the relatively large size and insufficiently efficient utilization of thermal energy of combustion products.

Задачей полезной модели является устранение указанных недостатков. Технический результат заключается в уменьшении габаритов энергооборудования за счет эффективной компоновки, увеличении КПД и надежности газотурбинной энергоустановки. Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что газотурбинная энергоустановка содержит компрессор, камеру сгорания, парогенератор, газовую турбину, приводимую во вращение продуктами сгорания, и электрогенератор, кинематически связанный в валом турбины, причем парогенератор выполнен в виде расположенных с зазором коаксиальных цилиндров, выход камеры сгорания подсоединен к внутреннему цилиндру парогенератора, из которого продукты сгорания поступают сначала в межцилиндровое пространство парогенератора, затем на турбину и вновь в парогенератор, при этом турбина и компрессор функционально объединены в единую турбокомпрессорную установку.The objective of the utility model is to eliminate these drawbacks. The technical result consists in reducing the dimensions of the power equipment due to the effective layout, increasing the efficiency and reliability of the gas turbine power plant. The problem is solved, and the technical result is achieved by the fact that the gas turbine power plant comprises a compressor, a combustion chamber, a steam generator, a gas turbine driven into rotation by the combustion products, and an electric generator kinematically connected in the turbine shaft, the steam generator being made in the form of coaxial cylinders arranged with a gap, the output of the combustion chamber is connected to the inner cylinder of the steam generator, from which the combustion products first enter the inter-cylinder space of the steam generator, we take it to the turbine and again to the steam generator, while the turbine and compressor are functionally combined into a single turbocompressor unit.

На фиг.1 изображена предлагаемая газотурбинная энергоустановка.Figure 1 shows the proposed gas turbine power plant.

На фиг.2 - совмещенная условная термодинамическая диаграмма температура-энтропия (T-S диаграмма) газотурбинного и паротурбинного циклов такой установки.Figure 2 - combined conditional thermodynamic temperature-entropy diagram (T-S diagram) of gas turbine and steam turbine cycles of such an installation.

Энергоустановка (см. фиг.1) состоит из компрессора 1, камеры сгорания 2, парогенератора 3, турбины 4 и электрогенератора 5. Парогенератор 3 выполнен в виде расположенных с зазором коаксиальных цилиндров 6. Выход камеры сгорания 2 подсоединен к внутреннему цилиндру 7 парогенератора 3. Турбина 4 и компрессор 1 функционально объединены в единую турбокомпрессорную установку 8.The power plant (see Fig. 1) consists of a compressor 1, a combustion chamber 2, a steam generator 3, a turbine 4 and an electric generator 5. The steam generator 3 is made in the form of coaxial cylinders 6. The output of the combustion chamber 2 is connected to the inner cylinder 7 of the steam generator 3. Turbine 4 and compressor 1 are functionally combined into a single turbocharger unit 8.

Устройство запускается следующим образом.The device starts as follows.

На вход парогенератора 3 подается питающая вода. Из баллона под давлением (на фигуре не показан) сжатый воздух подается на лопатки компрессора 1. Компрессор 1 нагнетает воздух в камеру сгорания 2, куда также подается топливо. Полученная смесь поджигается и образовавшиеся продукты сгорания направляются во внутренний цилиндр 7 парогенератора 3, а затем через пространство между цилиндрами 6 на лопатки турбины 4. Далее компрессор 1 работает от механической энергии, вырабатываемой на турбине 4, в составе единой турбокомпрессорной установки 8. Электрогенератор 5, кинематически связанный с валом турбокомпрессора, преобразует полученную механическую энергию в электрическую. После турбины продукты сгорания вновь поступают в парогенератор, где посредством теплообмена нагревают питающую воду, образуя пар. Полученный пар может быть направлен в паротурбинную установку (на фиг. не показана) для дополнительного получения электроэнергии.At the input of the steam generator 3 is fed water. From a cylinder under pressure (not shown in the figure), compressed air is supplied to the blades of compressor 1. Compressor 1 pumps air into the combustion chamber 2, where fuel is also supplied. The resulting mixture is ignited and the resulting combustion products are sent to the inner cylinder 7 of the steam generator 3, and then through the space between the cylinders 6 to the blades of the turbine 4. Next, the compressor 1 is powered by mechanical energy generated on the turbine 4, as part of a single turbocharger installation 8. The electric generator 5, kinematically connected with the turbocharger shaft, converts the received mechanical energy into electrical energy. After the turbine, the combustion products again enter the steam generator, where the heat of the feed water is heated by heat exchange, forming steam. The resulting steam can be sent to a steam turbine plant (not shown in FIG.) To obtain additional electricity.

Газотурбинная энергоустановка может работать на природном газе, дизельном и других видах «благородного» топлива. После поджига в камере сгорания образуются греющие газы (продукты сгорания). Продукты сгорания имеют повышенное давление, за счет которого создается конвективный тепловой поток большой удельной плотности (значительно превышающей удельный лучистый тепловой поток, падающий на A gas turbine power plant can operate on natural gas, diesel and other types of “noble” fuel. After ignition, heating gases (combustion products) are formed in the combustion chamber. The combustion products have an increased pressure, due to which a convective heat flux of a large specific density is created (significantly exceeding the specific radiant heat flux incident on

теплообменную поверхность в камерных топках паровых котлов традиционной конструкции). С помощью организации спиральных парогенерирующих каналов нагреваемой среды (воды) предотвращается опасность возникновения кризиса кипения при больших удельных тепловых потоках.heat exchange surface in chamber furnaces of steam boilers of traditional design). By organizing spiral steam-generating channels of a heated medium (water), the danger of a boiling crisis at high specific heat fluxes is prevented.

С целью исключения затрат электроэнергии на компримирование воздуха для преодоления гидравлического сопротивления газовоздушного тракта в конструкции используется турбокомпрессор, работающий на продуктах сгорания при давлении в тракте 2,5-3,0 атм. В таком качестве может использоваться турбокомпрессор, применяемый для наддува дизельных двигателей. Турбина турбокомпрессора может выдавать избыточную мощность, которая при подключении на вал турбокомпрессора электрогенератора обеспечит получение электроэнергии. Таким образом, потребитель может получить как тепло, так и электроэнергию (до 30% мощности).In order to exclude energy costs for air compression in order to overcome the hydraulic resistance of the gas-air duct, the design uses a turbocharger operating on the combustion products at a pressure in the duct of 2.5-3.0 atm. As such, a turbocharger used for boosting diesel engines can be used. The turbine of the turbocompressor can produce excess power, which, when connected to the turbocompressor shaft of the generator, will provide electricity. Thus, the consumer can receive both heat and electricity (up to 30% of capacity).

T-S диаграмма предлагаемой установки (см. фиг.2) имеет принципиальное отличие от диаграммы традиционной парогазовой установки. Часть газовоздушного тракта от выхода из компрессора до входа в турбину (участок 2-4) находится под полным давлением наддува. Это т.н. часть высокого давления (ЧВД). За турбиной (участок 5-6) в части низкого давления (ЧНД) газовоздушный тракт находится под давлением, близким к атмосферному. Допустимая температура продуктов сгорания перед лопатками газовой турбины достигается не путем увеличения коэффициента избытка воздуха до уровня α≈4-6 (что ведет к снижению КПД установки) или впрыска воды в продукты сгорания перед турбиной (что требует дополнительных затрат), а за счет предварительного снятия тепла на участке ЧВД (участок 3-4) на нагрев теплоносителя (пароводяной среды). Это позволяет более эффективно распорядится высокой температурой продуктов сгорания на участке между камерой сгорания и турбиной и соблюсти одно из важных условий экономичной работы парогазовой установки, минимизируя T-S diagram of the proposed installation (see figure 2) has a fundamental difference from the diagram of a traditional combined cycle plant. Part of the gas-air path from the compressor outlet to the turbine inlet (section 2-4) is under full boost pressure. This is the so-called part of high pressure (CVP). Behind the turbine (section 5-6) in the low-pressure part (NPP), the gas-air duct is at a pressure close to atmospheric. The permissible temperature of the combustion products in front of the gas turbine blades is achieved not by increasing the excess air coefficient to the level α≈4-6 (which leads to a decrease in the plant efficiency) or by injecting water into the combustion products in front of the turbine (which requires additional costs), but due to preliminary removal heat in the section of the CVP (section 3-4) for heating the coolant (steam-water medium). This allows you to more effectively manage the high temperature of the combustion products in the area between the combustion chamber and the turbine and to comply with one of the important conditions for the economical operation of a combined cycle plant, minimizing

α до значений 1,05-1,3 и, соответственно, в несколько раз снижая теплопотери с уходящими газами.α to values of 1.05-1.3 and, accordingly, several times reducing heat loss with flue gases.

Таким образом, в конструкции парогенератора с турбокомпрессором (фиг.1) в одном модуле полностью реализован термодинамический цикл газотурбинной установки 1-2-3-4-5-6 (фиг.2) наряду с парогенерирующей частью b-с (фиг.2) паротурбинной установки.Thus, in the design of a steam generator with a turbocompressor (Fig. 1) in one module, the thermodynamic cycle of a gas turbine installation 1-2-3-4-5-6 (Fig. 2) is fully implemented along with the steam-generating part b-c (Fig. 2) steam turbine installation.

Предлагаемая конструкция парогенератора является базой для создания установки сравнительно небольшой тепловой мощности (0,5-10 МВт) при давлении пара от 0,5 до 18 МПа и паропроизводительности от 1,0 до 20 т/ч.The proposed design of the steam generator is the basis for creating a relatively small thermal power installation (0.5-10 MW) at a steam pressure of 0.5 to 18 MPa and a steam capacity of 1.0 to 20 t / h.

Возможность получения электроэнергии от газотурбинного электрогенератора, как и от паротурбинного генератора создает достаточно гибкие условия энергоснабжения потребителя. Сниженные массогабаритные характеристики парогенератора позволяют создать, в частности, транспортабельные энергетические установки, способные работать в экстремальных климатических и географических условиях. В случае затруднений со сбросом тепла в паровом цикле или при работе парогенератора в водогрейном режиме способность получать электроэнергию от газотурбинного электрогенератора расширяет возможности графика нагрузки. Поскольку развитая теплообменная поверхность на экономайзерном участке ЧНД приводит к низкой температуре уходящих газов, исключение электропривода воздушного нагнетателя - к снижению расхода электроэнергии на собственные нужды, а предварительный отвод тепла к нагреваемой среде - к достижению допустимой температуры газов перед турбиной, газотурбинная энергоустановка согласно полезной модели является достаточно экономичной. За счет малой тепловой инерции парового котла, имеющего относительно низкие массогаборитные характеристики, с быстрым выходом на рабочий режим и наличия двух типов генераторов электроэнергии установка высокоманеврена. Наконец, она обладает эксплуатационной надежностью, поскольку один из основных узлов установки - The possibility of receiving electricity from a gas turbine generator, as well as from a steam turbine generator, creates rather flexible conditions for supplying the consumer with energy. The reduced weight and size characteristics of the steam generator make it possible to create, in particular, transportable power plants capable of operating in extreme climatic and geographical conditions. In case of difficulties with heat discharge in the steam cycle or when the steam generator is in the water heating mode, the ability to receive electricity from a gas turbine electric generator expands the possibilities of the load schedule. Since the developed heat-exchange surface in the economical section of the NPP leads to a low temperature of the exhaust gases, the exclusion of the electric drive of the air blower leads to a decrease in the energy consumption for own needs, and the preliminary heat removal to the heated medium leads to the achievement of the permissible temperature of the gases in front of the turbine, the gas turbine power plant according to the utility model is quite economical. Due to the low thermal inertia of the steam boiler, which has relatively low mass and size characteristics, with a quick exit to the operating mode and the presence of two types of power generators, the installation is highly maneuverable. Finally, it has operational reliability, since one of the main units of the installation is

турбокомпрессор - хорошо отработан отечественной и мировой промышленностью в применении для наддува дизелей, имеет значительный ресурс и предназначен для работы в сложных эксплуатационных условиях. Конструкция удачно совмещает в одном агрегате тепловое оборудование газутурбинного цикла и паровой котел паротурбинного цикла, что существенно сокращает капитальные затраты на основное оборудование энергоустановки. Кроме того, значительно сокращаются вследствие снижения массогабаритных характеристик основного оборудования затраты на строительно-монтажные работы. Такая газотурбинная энергоустановка может быть изготовлена в удобном транспортабельном контейнерном исполнении.turbocharger - well developed by domestic and world industry in application for boosting diesel engines, has a significant resource and is designed to operate in difficult operating conditions. The design successfully combines in one unit the thermal equipment of the gas turbine cycle and the steam boiler of the steam turbine cycle, which significantly reduces the capital costs of the main equipment of the power plant. In addition, the cost of construction and installation work is significantly reduced due to a decrease in the overall dimensions of the main equipment. Such a gas turbine power plant can be manufactured in a convenient transportable container design.

Claims

A small gas turbine power plant containing a compressor, a combustion chamber, a steam generator, a gas turbine driven into rotation by combustion products, and an electric generator kinematically coupled to the turbine shaft, characterized in that the steam generator is made in the form of coaxial cylinders arranged with a gap, the output of the combustion chamber is connected to the internal the cylinder of the steam generator, from which the combustion products enter first into the inter-cylinder space of the steam generator, then to the turbine and again to the steam generator, with that the turbine and compressor functionally combined into a single turbo-compressor unit.