UA149082U

UA149082U - HYBRID CONTACT GAS VAPOR TURBINE POWER PLANT

Info

Publication number: UA149082U
Application number: UAU202103246U
Authority: UA
Inventors: Сергій Іванович Сербін; Микола Віталійович Ващиленко; Олександр Костянтинович Чередніченко
Original assignee: Національний Університет Кораблебудування Імені Адмірала Макарова
Priority date: 2021-06-10
Filing date: 2021-06-10
Publication date: 2021-10-13

Abstract

Гібридна контактна газопаротурбінна енергоустановка, яка має вигляд комбінації газотурбінного агрегату та теплоутилізаційного паротурбінного контуру, що містить газотурбінний двигун, який працює на генератор електричного струму та теплоутилізаційний паротурбінний контур, до якого входить утилізаційний парогенератор, який генерує пару для підведення її до камери згоряння газотурбінного двигуна та до парової турбіни, що працює на свій власний електричний генератор. Газотурбінний агрегат містить два газотурбінних двигуни, один з яких є базовим та працює за простим циклом, а другий працює за контактною схемою та містить ексгаустер, встановлений на одному валу з турбокомпресорним блоком. Крім того має свій теплоутилізаційний контур з утилізаційним парогенератором. Для забезпечення умов роботи камери згоряння контактного газотурбінного двигуна з коефіцієнтом надлишку повітря, близьким до стехіометричного (1,3…1,8), від утилізаційного парогенератора базового газотурбінного двигуна до камери згоряння контактного газотурбінного двигуна подають 40…60 % пари.Hybrid contact gas turbine power plant, which has the form of a combination of a gas turbine unit and a heat recovery steam turbine circuit, comprising a gas turbine engine running on an electric generator and a heat recovery steam turbine circuit, which includes a recycling steam generator that generates steam generators to a steam turbine running on its own electric generator. The gas turbine unit contains two gas turbine engines, one of which is basic and operates on a simple cycle, and the other operates on a contact circuit and contains an exhauster mounted on the same shaft with the turbocharger unit. In addition, it has its own heat recovery circuit with a waste steam generator. To ensure the operating conditions of the combustion chamber of a contact gas turbine engine with an excess air ratio close to stoichiometric (1.3… 1.8), 40… 60% of steam is supplied from the utilization steam generator of the basic gas turbine engine to the combustion chamber of the contact gas turbine engine.

Description

Корисна модель належить до галузі енергетики, зокрема до енергоустановок для вироблення електроенергії на основі газотурбінних двигунів, які використовують вуглеводневе паливо. Корисна модель може використовуватись у складі енергокомплексів різного призначення (електростанції стаціонарного та мобільного виконання, водний транспорт, енергетичні установки об'єктів шельфового нафтогазовидобування та інше).The utility model belongs to the field of energy, in particular to power plants for generating electricity based on gas turbine engines that use hydrocarbon fuel. The useful model can be used as part of energy complexes of various purposes (stationary and mobile power plants, water transport, energy installations of offshore oil and gas production facilities, etc.).

З метою підвищення ефективності енергетичних установок на базі газотурбінних двигунів застосовують складні цикли та схеми.In order to increase the efficiency of power plants based on gas turbine engines, complex cycles and schemes are used.

Відомо про схеми енергоустановок на базі газотурбінних двигунів, які характеризуються тиском на вихлопі газової турбіни нижче атмосферного, для чого в тракті вихлопних газів послідовно розміщені газова турбіна перерозширення, охолоджувач та ексгаустер, який встановлено на одному валу з турбіною перерозширення (патент РФ КИ 2252325 СІ, 04.09.2003). Недоліком такого конструктивного виконання енергоустановок є відносно низький рівень підвищення ККД.It is known about the schemes of power plants based on gas turbine engines, which are characterized by pressure at the exhaust of the gas turbine below atmospheric, for which the gas expansion turbine, cooler and exhauster, which is installed on the same shaft with the expansion turbine, are sequentially placed in the exhaust gas path (patent of the Russian Federation КИ 2252325 СИ, 09/04/2003). The disadvantage of such a constructive implementation of power plants is a relatively low level of efficiency improvement.

Відомо про схеми газопаротурбінних енергоустановок, які містять базовий газотурбінний двигун та теплоутилізаційний паротурбінний контур у складі утилізаційного парогенератора, парової турбіни та парового конденсатора, (патент РФ КИ 61797 Ш1, 17.10.2006). Недоліком такого конструктивного виконання енергоустановки є те, що схема передбачає ефективну роботу виключно на номінальному режимі та є низькоефективною на часткових режимах навантаження.It is known about schemes of gas-steam turbine power plants, which contain a basic gas turbine engine and a heat utilization steam turbine circuit as part of a utilization steam generator, a steam turbine and a steam condenser (RF patent KY 61797 Sh1, 17.10.2006). The disadvantage of such a constructive design of the power plant is that the scheme provides for efficient operation exclusively at the nominal mode and is low-efficient at partial load modes.

Відомо про схеми контактних газотурбінних енергоустановок, які містять газотурбінний двигун та утилізаційний парогенератор, який генерує пару для підведення її до камери згоряння газотурбінного двигуна (патент РФ КО 2527010 С2, 24.08.2012). Недоліком такого конструктивного виконання енергоустановок є недостатньо висока ефективність використання енергії палива, що пов'язано з нестехіометричним процесом спалювання палива в камері згоряння, який відбувається на номінальних режимах при високому загальному надлишку повітря (3...5) та ще більшим значенням на часткових режимах навантаження.It is known about the schemes of contact gas turbine power plants, which contain a gas turbine engine and a utilization steam generator that generates steam for feeding it to the combustion chamber of the gas turbine engine (patent of the Russian Federation KO 2527010 C2, 24.08.2012). The disadvantage of such a constructive implementation of power plants is the insufficiently high efficiency of fuel energy use, which is associated with the non-stoichiometric process of fuel combustion in the combustion chamber, which occurs at nominal modes with a high total excess of air (3...5) and an even greater value at partial modes load.

З метою підвищення ефективності застосовується гібридна контактна газопаротурбінна енергоустановка у вигляді комбінації агрегату на базі газотурбінного двигуна контактної схеми та теплоутилізаційного паротурбінного контуру (патент Сполучених Штатів Америки 6644011 В2,In order to increase efficiency, a hybrid contact gas-steam turbine power plant is used in the form of a combination of a unit based on a gas turbine engine of a contact circuit and a heat utilization steam turbine circuit (patent of the United States of America 6644011 B2,

Зо дата публікації 11.11.2003), прийнята як прототип.From the date of publication 11.11.2003), accepted as a prototype.

Гібридна контактна газопаротурбінна енергоустановка виконана у вигляді комбінації газотурбінного агрегату та теплоутилізаційного паротурбінного контуру, яка містить газотурбінний двигун, що працює на генератор електричного струму та має термодинамічний зв'язок з теплоутилізаційним паротурбінним контуром, до якого входить утилізаційни й парогенератор, який генерує пару для підведення її до камери згоряння газотурбінного двигуна та до парової турбіни, що працює на свій власний електричний генератор. Одним з недоліків конструкції є недостатньо ефективне використання енергії палива при роботі на режимах часткових навантажень.The hybrid contact gas-steam turbine power plant is made in the form of a combination of a gas turbine unit and a heat utilization steam turbine circuit, which contains a gas turbine engine that works on an electric current generator and has a thermodynamic connection with a heat utilization steam turbine circuit, which includes a utilization and a steam generator that generates steam for supplying it to the combustion chamber of a gas turbine engine and to a steam turbine powered by its own electric generator. One of the disadvantages of the design is the insufficiently efficient use of fuel energy when operating at partial loads.

В основу корисної моделі поставлена задача удосконалення гібридної контактної газопаротурбінної енергоустановки за рахунок підвищення ефективності використання енергії палива на часткових режимах навантаження.The basis of the useful model is the task of improving the hybrid contact gas-steam turbine power plant by increasing the efficiency of fuel energy use at partial load modes.

Поставлена задача вирішується тим, що гібридна контактна газопаротурбінна енергоустановка, яка має вигляд комбінації газотурбінного агрегату та теплоутилізаційного паротурбінного контуру, що містить газотурбінний двигун, який працює на генератор електричного струму та теплоутилізаційний паротурбінний контур, до якого входить утилізаційний парогенератор, який генерує пару для підведення її до камери згоряння газотурбінного двигуна та до парової турбіни, що працює на свій власний електричний генератор. Газотурбінний агрегат містить два газотурбінних двигуни, один з яких є базовим та працює за простим циклом, а другий працює за контактною схемою та містить ексгаустер, встановлений на одному валу з турбокомпресорним блоком. Крім того має свій теплоутилізаційний контур з утилізаційним парогенератором. Для забезпечення умов роботи камери згоряння контактного газотурбінного двигуна з коефіцієнтом надлишку повітря, близьким до стехіометричного (1,3...1,8), від утилізаційного парогенератора базового газотурбінного двигуна до камери згоряння контактного газотурбінного двигуна подають 40...60 95 пари.The task is solved by the fact that the hybrid contact gas-steam turbine power plant, which has the form of a combination of a gas turbine unit and a heat-utilization steam-turbine circuit, containing a gas turbine engine that works on an electric current generator and a heat-utilization steam-turbine circuit, which includes a utilization steam generator that generates steam for supplying it to the combustion chamber of a gas turbine engine and to a steam turbine powered by its own electric generator. The gas turbine unit contains two gas turbine engines, one of which is basic and operates on a simple cycle, and the other operates on a contact circuit and contains an exhauster mounted on the same shaft as the turbocharger unit. In addition, it has its own heat recovery circuit with a recovery steam generator. To ensure the operating conditions of the contact gas turbine engine combustion chamber with an excess air ratio close to stoichiometric (1.3...1.8), 40...60 95 steam is supplied from the utilization steam generator of the basic gas turbine engine to the contact gas turbine engine combustion chamber.

Шляхом математичного моделювання встановлено, що при виконанні контактного газотурбінного двигуна з оптимальним співвідношенням міри підвищення тиску повітря в компресорі в інтервалі значень 12...16 та міри підвищення тиску газу в ексгаустері в інтервалі значень 2,2...3,0 подача від утилізаційного парогенератора базового теплоутилізаційного контуру до камери згоряння контактного газотурбінного двигуна 40...60 95 виробленої пари 60 забезпечує умови стехіометричного спалювання вуглеводневого палива в камері згоряння контактного газотурбінного двигуна, а саме з коефіцієнтом надлишку повітря в діапазоні 1,3...1,8. З урахуванням того, що для приводу ексгаустера не потрібна окрема турбіна перерозширення, запропонована конструкція дозволяє підвищити коефіцієнт корисної дії вироблення електроенергії на 20 95.Through mathematical modeling, it was established that when performing a contact gas turbine engine with an optimal ratio of the degree of increase in air pressure in the compressor in the range of values 12...16 and the degree of increase in gas pressure in the exhauster in the range of values 2.2...3.0, the supply from the utilization of the steam generator of the basic heat utilization circuit to the combustion chamber of the contact gas turbine engine 40...60 95 produced steam 60 provides conditions for stoichiometric combustion of hydrocarbon fuel in the combustion chamber of the contact gas turbine engine, namely with the coefficient of excess air in the range of 1.3...1.8. Taking into account the fact that a separate expansion turbine is not required to drive the exhauster, the proposed design allows to increase the efficiency of power generation by 20 95.

Суть корисної моделі пояснює креслення.The drawing explains the essence of a useful model.

До складу енергоустановки, яка є комбінацією газотурбінного агрегату та теплоутилізаційного паротурбінного контуру, входять: - базовий газотурбінний двигун 1, який працює на електричний генератор 2; - базовий теплоутилізаційний контур в складі утилізаційного парогенератора 3, утилізаційної парової турбіни 4, що працює на електричний генератор 5, парового конденсатора 6 та клапанів 7 та 8 системи регулювання підведення пари; - газотурбінний двигун 9, який виконано за контактною схемою та містить ексгаустер 10, встановлений на одному валу з турбокомпресорним блоком двигуна 9, який працює на електричний генератор 11; - теплоутилізаційний контур газотурбінного двигуна 9, який містить утилізаційний парогенератор 12 та контактний газопаровий конденсатор 13.The power plant, which is a combination of a gas turbine unit and a heat utilization steam turbine circuit, includes: - a basic gas turbine engine 1, which works on an electric generator 2; - the basic heat recovery circuit consisting of a recovery steam generator 3, a recovery steam turbine 4, which works on an electric generator 5, a steam condenser 6, and valves 7 and 8 of the steam control system; - the gas turbine engine 9, which is made according to the contact diagram and contains the exhauster 10, installed on one shaft with the turbocompressor unit of the engine 9, which works on the electric generator 11; - the heat utilization circuit of the gas turbine engine 9, which contains the utilization steam generator 12 and the contact gas-vapor condenser 13.

Гібридна контактна газопаротурбінна енергоустановка працює таким чином.The hybrid contact gas-steam turbine power plant works as follows.

Відпрацьовані гази після базового газотурбінного двигуна 1, який працює на електричний генератор 2, потрапляють до утилізаційного парогенератора 3. В залежності від положення клапанів 7 та 8 системи регулювання підведення пари здійснюється регулювання часток підведення пари до парової турбіни 4, що працює на електричний генератор 5, та до камери згоряння газотурбінного двигуна 9. Газотурбінний двигун 9, який передає потужність на електричний генератор 11, працює з перерозширенням, що забезпечується ексгаустером 10.The exhaust gases after the basic gas turbine engine 1, which runs on the electric generator 2, get to the utilization steam generator 3. Depending on the position of the valves 7 and 8 of the steam supply control system, the steam supply rates to the steam turbine 4, which runs on the electric generator 5, are regulated. and to the combustion chamber of the gas turbine engine 9. The gas turbine engine 9, which transmits power to the electric generator 11, works with overexpansion provided by the exhauster 10.

Відпрацьована газопарова суміш після газотурбінного двигуна 9 прямує крізь утилізаційний парогенератор 12 до контактного газопарового конденсатора 13, у якому більша частина водяної пари, яку впорснули до камери згоряння газотурбінного двигуна 9, конденсується та повертається в цикл. Після контактного газопарового конденсатора 12 продукти згоряння, які містять незначну кількість водяної пари, потрапляють до ексгаустера 10, в якому стискуються до атмосферного тиску, та скидаються до атмосфери.The spent gas-vapor mixture after the gas turbine engine 9 goes through the utilization steam generator 12 to the contact gas-vapor condenser 13, in which most of the water vapor injected into the combustion chamber of the gas turbine engine 9 is condensed and returned to the cycle. After the contact gas-vapor condenser 12, the combustion products, which contain a small amount of water vapor, enter the exhauster 10, in which they are compressed to atmospheric pressure and discharged to the atmosphere.

Коо)Coo)

Claims

UTILITY MODEL FORMULA A hybrid contact gas turbine power plant that is a combination of a gas turbine unit and a heat recovery steam turbine circuit, containing a gas turbine engine that runs on an electric current generator and a heat recovery steam turbine circuit that includes a recovery steam generator that generates steam to feed it to the combustion chamber gas turbine engine and to a steam turbine powered by its own electric generator, which differs in that the gas turbine unit contains two gas turbine engines, one of which is basic and operates on a simple cycle, and the other operates on a contact circuit and contains an exhauster mounted on one shaft with a turbocompressor unit, in addition, it has its own heat utilization circuit with a utilization steam generator, and to ensure the operating conditions of the combustion chamber of a contact gas turbine engine with a coefficient of excess air close to stoichiometric (1.3...1.8), from utilization from the steam generator of the basic gas turbine engine to the combustion chamber of the contact gas turbine engine, 40...60

Pho couples.