RU86245U1

RU86245U1 - GAS TURBINE INSTALLATION

Info

Publication number: RU86245U1
Application number: RU2009119642/22U
Authority: RU
Inventors: Эдуард Амаякович Микаэлян
Priority date: 2009-05-25
Filing date: 2009-05-25
Publication date: 2009-08-27

Abstract

Газотурбинная установка, характеризующаяся тем, что она содержит воздушный осевой компрессор с пусковым устройством и воздухозаборной камерой для подачи атмосферного воздуха, камеру сгорания, подключенную к выходу компрессора и включающую кожух, жаровую трубу и горелку, при этом вход камеры сгорания подсоединен к линии подачи топлива и насосу для подачи умягченной воды в кольцевое пространство между кожухом и жаровой трубой камеры сгорания, а выход - к смесителю перегретого пара и продуктов сгорания, подключенному к последовательно соединенным газовым турбинам высокого и низкого давления с нагрузкой и линией выхлопа продуктов сгорания в атмосферу.A gas turbine installation, characterized in that it contains an air axial compressor with a starting device and an air intake chamber for supplying atmospheric air, a combustion chamber connected to the compressor output and including a casing, a heat pipe and a burner, while the input of the combustion chamber is connected to the fuel supply line and a pump for supplying softened water into the annular space between the casing and the flame tube of the combustion chamber, and the output to the mixer of superheated steam and combustion products connected to union of gas turbines of high and low-pressure load line and exhaust the combustion products into the atmosphere.

Description

Полезная модель относится к области термодинамики, а именно к газотурбинным установкам с паровоздушным окислителем камеры сгорания.The utility model relates to the field of thermodynamics, namely to gas turbine units with a vapor-air oxidizer of a combustion chamber.

Известны газотурбинные установки (ГТУ), содержащие воздушный осевой компрессор с пусковым устройством и воздухозаборной камерой для подачи атмосферного воздуха, подключенный к камере сгорания, включающей кожух и жаровую трубу, подсоединенную к линии подачи топлива, газовые турбины высокого и низкого давления с нагрузкой и линией выхлопа продуктов сгорания в атмосферу, причем охлаждение горячих стенок жаровой трубы и снижение температуры продуктов сгорания до максимальной температуры продуктов сгорания на входе в газовую турбину высокого давления производится вторичным воздухом, что обеспечивает надежную и продолжительную работу ГТУ (Поршаков Б.П. и др., Газотурбинные установки на газопроводах: М, ФГПУ, изд. Нефть и газ, 2004, с.103).Known gas turbine units (GTU), containing an air axial compressor with a starting device and an intake chamber for supplying atmospheric air, connected to a combustion chamber including a casing and a heat pipe connected to the fuel supply line, gas turbines of high and low pressure with a load and an exhaust line combustion products into the atmosphere, moreover, cooling the hot walls of the flame tube and lowering the temperature of the combustion products to a maximum temperature of the combustion products at the entrance to the gas turbine pressure is produced by secondary air, which ensures reliable and continuous operation of gas turbines (Porshakov B.P. et al., Gas turbine installations on gas pipelines: M, FGPU, ed. Oil and Gas, 2004, p. 103).

Однако в камере сгорания лишь 30-40% (первичный воздух) от общего количества воздуха, поступающего из камеры сгорания, подводится в полость жаровой трубы - в зону горения, 60-70% общего количества воздуха (вторичный воздух) не участвует в горении, а поступает в кольцевое пространство между корпусом и жаровой трубой камеры сгорания и снижает температуру пламени внутри жаровой трубы от 1800-2000°С до температуры продуктов сгорания перед турбиной высокого давления.However, in the combustion chamber only 30-40% (primary air) of the total amount of air coming from the combustion chamber is supplied to the cavity of the flame tube - into the combustion zone, 60-70% of the total amount of air (secondary air) is not involved in combustion, and enters the annular space between the casing and the flame tube of the combustion chamber and reduces the temperature of the flame inside the flame tube from 1800-2000 ° C to the temperature of the combustion products in front of the high pressure turbine.

Увеличение мощности привода ГТУ осуществляют различными способами и, соответственно, посредством различных приспособлений, например: дополнительным включением в работу нескольких ГТУ или осложнением схемы цикла ГТУ (ШВАРЦ В.А., Конструкция газотурбинных установок: - М, изд. Машиностроение, 1970. с. 6, 19 и 23), с помощью абсорбционной бромисто-литевой холодильной машины с впрыском охлажденной воды на входе в осевой компрессор ГТУ или с помощью впрыска воды без предварительного охлаждения на входе в осевой компрессор (Микаэлян Э.А. Повышение мощности и экономичности газотурбинных установок на компрессорных станциях магистральных газопроводов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук: - М. МИНХ и ГП им. И.М.Губкина, 1968. с 1, 6), Микаэлян Э.А. Холодильные машины непрерывного действия с аккумулятором холода//Газовая промышленность, №12 (декабрь), 1968. - с.14-16).The increase in the power of the gas turbine drive is carried out in various ways and, accordingly, through various devices, for example: the additional inclusion of several gas turbines in the work or the complication of the gas turbine cycle scheme (Shvarts V.A., Design of gas turbine units: - M, ed. 6, 19 and 23), using an absorption bromide-casting chiller with chilled water injection at the inlet to the gas turbine compressor or using water injection without pre-cooling at the inlet of the axial compressor (E. Mikaelyan. and efficiency of gas turbine installations at compressor stations of main gas pipelines.Abstract of dissertation for the degree of candidate of technical sciences: - M. MINH and GP named after IM Gubkin, 1968. 1, 6), E. Mikaelyan Chillers of continuous operation with a cold accumulator // Gas Industry, No. 12 (December), 1968. - p.14-16).

Недостатком известных ГТУ является то, что воздух, используемый в этом случае, имеет невысокую теплоемкость, в 4 раза с лишним ниже, чем теплоемкость воды, а дополнительное количество воздуха (вторичного воздуха), сжимаемого в осевом компрессоре ГТУ, увеличивает потребляемую им мощность, вырабатываемую газовой турбиной ГТУ, на величину, пропорциональную количеству вторичного воздуха, участвующего в технологическом процессе ГТУ.A disadvantage of the known gas turbines is that the air used in this case has a low heat capacity, 4 times more than the heat capacity of water, and the additional amount of air (secondary air) compressed in the axial compressor of the gas turbine increases its power consumption gas turbine gas turbine, by an amount proportional to the amount of secondary air involved in the process gas turbine.

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является газотурбинная установка, содержащая воздушный осевой компрессор с пусковым устройством и воздухозаборной камерой для подачи атмосферного воздуха, подключенный к камере сгорания, включающей корпус и жаровую трубу, подсоединенную к линии подачи топлива, газовые турбины высокого и низкого давления с нагрузкой (компрессор, насос или электрогенератор) и линией выхлопа продуктов сгорания в атмосферу и линией подачи воды на вход камеры сгорания (Черри, Арсуфи. Газотурбинная установка с впрыском пара, объединенная с установкой для приготовления обессоленной воды термическим методом//Энергетические машины, М., 1986, №4, с.116-126).Of the known devices, the closest to the proposed one is a gas turbine installation containing an air axial compressor with a starting device and an air intake chamber for supplying atmospheric air, connected to a combustion chamber including a housing and a heat pipe connected to the fuel supply line, high and low pressure gas turbines with the load (compressor, pump or electric generator) and the line for exhausting the products of combustion into the atmosphere and the line for supplying water to the input of the combustion chamber (Cherry, Arsufi. Gas turbine unit anovka with steam injection, combined with a unit for the production of desalinated water thermal method // Power Machines, Moscow, 1986, №4, s.116-126).

Недостатком указанной установки является форсирование мощности за счет обеспечения лишь кратковременного увеличения мощности на 10-20% и частичной замены вторичного воздуха камеры сгорания.The disadvantage of this installation is to boost power by providing only a short-term increase in power by 10-20% and partial replacement of the secondary air of the combustion chamber.

Задачей полезной модели является повышение мощности и экономичности установки за счет обеспечения полной замены вторичного воздуха в тепловом балансе ГТУ.The objective of the utility model is to increase the power and efficiency of the installation by ensuring the complete replacement of secondary air in the heat balance of the gas turbine.

Поставленная задача достигается тем, что газотурбинная установка содержит воздушный осевой компрессор с пусковым устройством и воздухозаборной камерой для подачи атмосферного воздуха, камеру сгорания, подключенную к выходу компрессора и включающую кожух, жаровую трубу и горелку, при этом вход камеры сгорания подсоединен к линии подачи топлива и насосу для подачи умягченной воды в кольцевое пространство между кожухом и жаровой трубой камеры сгорания, а выход - к смесителю перегретого пара и продуктов сгорания, подключенному к последовательно соединенным газовым турбинам высокого и низкого давления с нагрузкой и линией выхлопа продуктов сгорания в атмосферу.The task is achieved in that the gas turbine installation contains an air axial compressor with a starting device and an air intake chamber for supplying atmospheric air, a combustion chamber connected to the compressor output and including a casing, a heat pipe and a burner, while the input of the combustion chamber is connected to the fuel supply line and a pump for supplying softened water to the annular space between the casing and the flame tube of the combustion chamber, and the output to the mixer of superheated steam and combustion products connected to the after They are connected to gas turbines of high and low pressure with a load and a line for the exhaust of combustion products into the atmosphere.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображена принципиальная схема предлагаемого устройства.The essence of the utility model is illustrated in the drawing, which shows a schematic diagram of the proposed device.

Газотурбинная установка состоит из осевого компрессора 1, куда поступает атмосферный воздух из воздухозаборной камеры для подачи атмосферного воздуха 2, камеры сгорания 3, турбины высокого давления 4, турбины низкого давления 5, полезной нагрузки 6 и пускового устройства 7.A gas turbine installation consists of an axial compressor 1, which receives atmospheric air from an intake chamber for supplying atmospheric air 2, a combustion chamber 3, a high pressure turbine 4, a low pressure turbine 5, a payload 6, and a starting device 7.

Камера сгорания 3 состоит из кожуха 8, внутри которого находится жаровая труба 9.The combustion chamber 3 consists of a casing 8, inside of which there is a flame tube 9.

Вход камеры сгорания 3 подсоединен к выходу осевого компрессора 1 посредством линии 10, к линии подачи топлива 11 и насосу 12 для подачи умягченной воды в кольцевое пространство между кожухом 8 и жаровой трубой 9 камеры сгорания 3. Подача топлива и сжатого воздуха производится в горелку 13, размещенную на входе камеры сгорания 3.The input of the combustion chamber 3 is connected to the output of the axial compressor 1 via line 10, to the fuel supply line 11 and the pump 12 for supplying softened water to the annular space between the casing 8 and the flame tube 9 of the combustion chamber 3. Fuel and compressed air are supplied to the burner 13, located at the inlet of the combustion chamber 3.

Выход камеры сгорания 3 подключен к смесителю перегретого пара и продуктов сгорания 14, подключенному к последовательно соединенным газовым турбинам высокого и низкого давления 4 и 5 с нагрузкой 6 и линией выхлопа продуктов сгорания в атмосферу 15. На наружной поверхности жаровой трубы 9 выполнены щели 16.The output of the combustion chamber 3 is connected to a mixer of superheated steam and combustion products 14 connected to series-connected gas turbines of high and low pressure 4 and 5 with a load of 6 and a line of exhaust products of combustion into the atmosphere 15. On the outer surface of the flame tube 9, slots 16 are made.

Установка работает следующим образом.Installation works as follows.

После запуска газотурбинной установки с помощью пускового устройства 7 осевой воздушный компрессор 1 сжимает атмосферный воздух, поступающий из воздухозаборной камеры 2, и подает его в камеру сгорания 3 непосредственно в горелку 13. Одновременно по линии подачи топлива 11 топливо поступает в горелку 13 и, смешиваясь с сжатым воздухом, образует топливно-воздушную смесь. В результате процесса горения температура пламени внутри жаровой трубы 9 достигает 1800-2000°С.After starting the gas turbine installation using the starting device 7, the axial air compressor 1 compresses the atmospheric air coming from the intake chamber 2 and delivers it to the combustion chamber 3 directly to the burner 13. At the same time, the fuel enters the burner 13 through the fuel supply line 11 and mixes with compressed air, forms a fuel-air mixture. As a result of the combustion process, the flame temperature inside the flame tube 9 reaches 1800-2000 ° C.

При этом в кольцевое пространство между кожухом 8 и жаровой трубой 9 подается умягченная вода с помощью водяного насоса 12 для охлаждения горячих стенок жаровой трубы и продуктов сгорания, образовавшихся внутри жаровой трубы 9. Образованный в кольцевом пространстве камеры сгорания 3 перегретый пар проникает через щели 16 внутрь жаровой трубы 9.In this case, softened water is supplied into the annular space between the casing 8 and the flame tube 9 by means of a water pump 12 for cooling the hot walls of the flame tube and combustion products formed inside the flame tube 9. The superheated steam formed in the annular space of the combustion chamber 3 penetrates through the slots 16 inside flame tube 9.

Окончательно температура продуктов сгорания снижается до максимальной температуры цикла (температуры, на которую рассчитаны рабочие лопатки и горячие детали турбины высокого давления 4) с помощью смесителя перегретого пара и продуктов сгорания 14, установленного на выходе камеры сгорания 3. Далее продукты сгорания в смеси с перегретым паром поступают в газовую турбину (в данной установке состоящей из турбины высокого давления 4 и турбины низкого давления 5) для привода соответственно осевого воздушного компрессора 1 и полезной нагрузки 6. В качестве полезной нагрузки могут быть центробежный компрессор, центробежный насос или электрогенератор.Finally, the temperature of the combustion products is reduced to the maximum temperature of the cycle (the temperature for which the blades and hot parts of the high pressure turbine 4 are designed) with the help of a superheated steam mixer and combustion products 14 installed at the outlet of the combustion chamber 3. Further, the combustion products are mixed with superheated steam enter a gas turbine (in this installation consisting of a high pressure turbine 4 and a low pressure turbine 5) to drive an axial air compressor 1 and a payload 6, respectively. The payload may be a centrifugal compressor, a centrifugal pump or an electric generator.

В случае 2-х ступенчатой газовой турбины, как представлено на чертеже, предварительное расширение продуктов сгорания вначале происходит в турбине высокого давления 4 для привода компрессора 1, а окончательное расширение происходит в турбине низкого давления 5 для привода полезной нагрузки 6.In the case of a 2-stage gas turbine, as shown in the drawing, the preliminary expansion of the combustion products first occurs in the high pressure turbine 4 to drive the compressor 1, and the final expansion occurs in the low pressure turbine 5 to drive the payload 6.

Вода, попадая в кольцевое пространство между кожухом (корпусов) и жаровой трубой камеры сгорания, мгновенно испаряется за счет высокой температуры стенок жаровой трубы под действием зоны горения внутри жаровой трубы, при этом температура пламени доходит до 1800-2000°С. Образовавшийся пар при испарении с температурой порядка 300-350°С исполняет роль вторичного воздуха относительно исходной газотурбинной установки, охлаждая горячие стенки жаровой трубы 9 и снижая температуру продуктов сгорания на выходе камеры сгорания 3 до максимальной температуры продуктов сгорания на входе в газовую турбину высокого давления 4.Water falling into the annular space between the casing (housings) and the flame tube of the combustion chamber instantly evaporates due to the high temperature of the walls of the flame tube under the action of the combustion zone inside the flame tube, while the flame temperature reaches 1800-2000 ° C. The vapor formed during evaporation with a temperature of the order of 300-350 ° C acts as secondary air relative to the initial gas turbine unit, cooling the hot walls of the flame tube 9 and lowering the temperature of the combustion products at the exit of the combustion chamber 3 to the maximum temperature of the combustion products at the entrance to the high pressure gas turbine 4 .

Таким образом, за счет замены вторичного воздуха эквивалентным количеством впрыскиваемой подготовленной воды, подаваемым водяным насосом 12, без нарушения теплового и энергетического баланса газотурбинной установки используется осевой компрессор 3 мощностью на 60-70% меньше используемых традиционно. Мощность же полезной нагрузки 6 настолько же увеличится.Thus, by replacing the secondary air with an equivalent amount of the prepared water injected by the water pump 12, an axial compressor 3 with a capacity of 60-70% less than conventionally used is used without disturbing the heat and energy balance of the gas turbine unit. The power of payload 6 will increase just as much.

Claims

A gas turbine installation, characterized in that it contains an air axial compressor with a starting device and an air intake chamber for supplying atmospheric air, a combustion chamber connected to the compressor outlet and including a casing, a heat pipe and a burner, while the input of the combustion chamber is connected to the fuel supply line and a pump for supplying softened water to the annular space between the casing and the flame tube of the combustion chamber, and the output to the mixer of superheated steam and combustion products connected to union of gas turbines of high and low-pressure load line and exhaust the combustion products into the atmosphere.