UA47789A

UA47789A - Method of thermal energy into mechanical work conversion in gas-turbine station

Info

Publication number: UA47789A
Application number: UA2001096392A
Authority: UA
Inventors: Борис Дмитрович Білека; Борис Дмитриевич Билека; Євген Петрович Васильєв; Евгений Петрович Васильев; Віктор Іванович Ізбаш; Виктор Иванович Избаш; Віктор Якович Кабков; Віктор Миколайович Кліменко; Виктор Николаевич Клименко; Валентин Миколайович Коломєєв; Валентин Николаевич Коломеев; Дмитро Андрійович Костенко; Віл Андрійович Кривуця
Original assignee: Інститут Технічної Теплофізики Національної Академії Наук України; Институт Технической Теплофизики Национальной Академии Наук Украины
Priority date: 2001-09-18
Filing date: 2001-09-18
Publication date: 2002-07-15

Abstract

A method of thermal energy into mechanical work conversion in a gas-turbine station includes the processes of an air compression, a hydrogen fuel burning with the burning products with a water vapor mixing, the gas-vapor mixture cooling while expanding in the turbines, the exhaust gases heat utilization in a recovery kettle with an energetic vapor producing, which is injected into a combusting chamber, a moisture condensation and separation it from the cooled gas-vapor mixture, absorbing of the detrimental exhaust substances from the exhaust gases, a chemical condensate cleaning. A part of the exhaust gases heat bleeding after the recovery kettle for a low-boiling working body in a recuperative heat exchanger internal contour is performed concurrently with the exhaust gases cooling and the water vapor condensation, containing in the gases in an external heat exchanger contour at the atmosphere pressure and a temperature corresponding to the vapor gas mixture. With this the low-boiling working body is heated to the saturation temperature and more and supplied to the steam turbine.

Description

Опис винаходуDescription of the invention

Винахід відноситься до області газотурбобудування, зокрема до енергетичних газопаротурбінних установок, і 2 може бути використаний при проектуванні нових і модернізації існуючих газопарових установок, а також газотурбінних установок простого циклу і особливо установок з регенеративним підігрівом циклового повітря.The invention relates to the field of gas turbine construction, in particular to energy gas-steam turbine plants, and 2 can be used in the design of new and modernization of existing gas-steam plants, as well as gas turbine plants of a simple cycle and especially plants with regenerative heating of cycle air.

В газопаротурбінних установках із вприскуванням енергетичної пари в проточну частину проблеми подальшого підвищення економічності пов'язані в першу чергу з утилізацією низькопотенційної теплоти, що знаходиться в вихлопних газах, які являють собою парогазову суміш і яка складається з повітря, продуктів згорання і пари після виходу з котла-утилізатора.In gas-steam turbine installations with the injection of energy steam into the flow part, the problems of further improvement of efficiency are primarily related to the utilization of low-potential heat, which is in the exhaust gases, which are a steam-gas mixture and which consists of air, combustion products and steam after leaving the boiler -utilizer.

Відомий спосіб, що включає такі процеси: стиснення повітря, спалювання вуглеводневого палива з подачею в камеру згоряння водяної пари, охолодження газопарової суміші при здійсненні роботи за рахунок її розширення, утилізацію теплоти газів, що відпрацювали, та конденсацію і сепарацію з них вологи за допомогою теплообмінника (див. а.с. СРСР Мо 1826614А1, РО2С 6/18, 1989 р.). 19 Істотними недоліками вказаного способу є: відносно низький температурний рівень середовища що використовується для нагріву конденсату, що обмежує граничну величину підігріву теплоносія - 100 С; малі величини витрат палива - менше 1095 від витрати робочого тіла в установці, що обмежує кількість переданої теплоти до теплоносія що нагрівається.A known method that includes the following processes: compression of air, combustion of hydrocarbon fuel with the supply of water vapor to the combustion chamber, cooling of the gas-vapor mixture during work due to its expansion, utilization of the heat of the spent gases, and condensation and separation of moisture from them using a heat exchanger (see a.s. of the USSR Mo 1826614A1, RO2S 6/18, 1989). 19 The significant disadvantages of this method are: the relatively low temperature level of the medium used for heating the condensate, which limits the maximum amount of heating of the coolant - 100 C; small amounts of fuel consumption - less than 1095 of the consumption of the working fluid in the installation, which limits the amount of transferred heat to the heating medium.

Внаслідок цього ефективність утилізації низькопотенційної теплоти в такій установці невисока.As a result, the efficiency of utilization of low-potential heat in such an installation is low.

Відомий спосіб перетворення теплової енергії в механічну роботу в газопаротурбінній установці, що включає такі процеси: стиснення повітря, спалювання вуглеводневого палива при змішуванні продуктів згоряння з водяною парою, що вприскується, охолодження газопарової суміші при здійсненні роботи за рахунок її розширення, утилізацію теплоти вихлопних газів, конденсацію вологи і сепарацію її з охолодженої газопарової 29 суміші при безпосередньому контакті з водою що охолоджує, поглинання шкідливих викидів із вихлопних газів, « охолоджувальною водою, поділ суміші охолоджувальної води і конденсату з абсорбійованими шкідливими домішками на декілька потоків, які очищають і один із них використовують для одержання пари, а інші для охолодження газів, що відпрацювали, і конденсації вологи (див. патент України Мо 15427, БО2С 6/18, 1997 р.,There is a known method of converting thermal energy into mechanical work in a gas-steam turbine installation, which includes the following processes: air compression, combustion of hydrocarbon fuel when mixing combustion products with injected steam, cooling of the gas-steam mixture during work due to its expansion, utilization of the heat of exhaust gases, condensation of moisture and its separation from the cooled gas-vapor 29 mixture in direct contact with cooling water, absorption of harmful emissions from exhaust gases by cooling water, division of the mixture of cooling water and condensate with absorbed harmful impurities into several streams, which are cleaned and one of them is used for obtaining steam, and others for cooling spent gases and condensation of moisture (see patent of Ukraine Mo 15427, BO2S 6/18, 1997,

Бюлл. Мо 3). о 30 Істотними недоліками цього способу є: с втрата значної частини теплоти газопарової суміші з температурою 180 - 2007"С водою, що охолоджує контактно-змішувальний газоохолоджувач-конденсатор; - витрати для охолодження значної кількості води, що в 4,5 - б разів перевищують витрати робочого тіла ча газопаротурбінної установки. 325 Тому глибина утилізації теплоти газів, що відходять, і отже економічність установки недостатньо високі. вBull. Mo 3). o 30 The significant disadvantages of this method are: c the loss of a significant part of the heat of the gas-steam mixture with a temperature of 180 - 2007"C with water that cools the contact-mixing gas cooler-condenser; - costs for cooling a significant amount of water, which are 4.5 - b times higher consumption of the working fluid of the gas-steam turbine installation. 325 Therefore, the depth of utilization of the heat of the outgoing gases, and therefore the efficiency of the installation, is not high enough.

В основу винаходу покладена задача удосконалення способу перетворення теплової енергії в механічну шляхом відводу частини теплоти газів, що відходять після котла-утилізатора, до низькокиплячого робочого тіла у внутрішньому контурі теплообмінника з одночасним їх охолодженням водою в зовнішньому контурі, що « дозволяє провести більш глибоку утилізацію теплоти відпрацьованих газів, а, отже, збільшити механічну або З 70 електричну потужність газопаротурбінної установки на 4 - бро, а її ккд на 1 - ЗУ». Крім того, за рахунок більш с глибокої утилізації зменшується теплове забруднення атмосфери, тобто поліпшуються екологічніThe invention is based on the task of improving the method of converting thermal energy into mechanical energy by diverting part of the heat of the gases leaving after the boiler-utilizer to the low-boiling working fluid in the internal circuit of the heat exchanger with simultaneous cooling of them with water in the external circuit, which "enables a deeper utilization of heat exhaust gases, and, therefore, to increase the mechanical or electrical power of the gas-steam turbine plant by 4 times, and its efficiency by 1 time. In addition, thermal pollution of the atmosphere is reduced due to more in-depth disposal, i.e. environmental conditions are improved

Із» характеристики газопаротурбінної установки, зменшуються в 5 - 10 раз витрати води в змішувальному газоохолоджувачі-конденсаторі газопарової суміші, а також для охолодження у водяному охолоджувачі.According to the characteristics of the gas turbine installation, water consumption in the mixing gas cooler-condenser of the gas-steam mixture, as well as for cooling in the water cooler, is reduced by 5-10 times.

Поставлена задача вирішується тим, що в способі перетворення теплової енергії в газопаротурбінній 45 установці, що включає процеси стиснення повітря, спалювання вуглеводного палива при змішуванні продуктів шк згорання з водяною парою, охолодження газопарової суміші при її розширенні в турбінах, утилізацію теплоти -І відпрацьованих газів в котлі-утилізаторі з одержанням енергетичної пари, що впорскується в камеру згоряння, конденсацію вологи і сепарацію її з охолодженої газопарової суміші, поглинання шкідливих викидів з вихлопних це. газів, хімічне очищення конденсату згідно винаходу проводять відвід частини теплоти відпрацьованих газів о 20 після котла-утилізатора до низькокиплячого робочого тіла у внутрішньому контурі рекуперативного теплообмінника з одночасним охолодженням вихлопних газів і конденсацією водяної пари, що міститься в них у с зовнішньому контурі теплообмінника при атмосферному тиску і температурі, яка відповідає складу парогазової суміші, при цьому низькокипляче тіло нагрівають до температури насичення і вище і подають в парову турбіну.The problem is solved by the fact that in the method of heat energy conversion in a gas-steam turbine 45 installation, which includes the processes of air compression, combustion of hydrocarbon fuel when mixing combustion products with water vapor, cooling of the gas-steam mixture during its expansion in turbines, utilization of heat - and exhaust gases in recovery boilers with the production of energy steam injected into the combustion chamber, condensation of moisture and its separation from the cooled gas-vapor mixture, absorption of harmful emissions from the exhaust. gases, chemical cleaning of the condensate according to the invention is carried out by removing part of the heat of the waste gases at 20 o'clock after the boiler-utilizer to the low-boiling working fluid in the internal circuit of the recuperative heat exchanger with simultaneous cooling of the exhaust gases and condensation of the water vapor contained in them in the external circuit of the heat exchanger at atmospheric pressure and a temperature that corresponds to the composition of the steam-gas mixture, while the low-boiling body is heated to the saturation temperature and above and fed into the steam turbine.

Відвід частини теплоти відпрацьованих газів до низькокиплячого робочого тіла, дозволяє використати значну частину теплоти, яка раніше викидалася з охолоджувальною водою в навколишнє середовище, в енергетичному в. контурі для здійснення паросилового циклу, що дозволяє отримати додаткову механічну або електричну енергію і завдяки цьому підвищити ккд установки.The removal of part of the heat of the exhaust gases to the low-boiling working fluid allows to use a significant part of the heat, which was previously released with the cooling water into the environment, in the power plant. circuit for the implementation of a steam power cycle, which allows you to obtain additional mechanical or electrical energy and, thanks to this, increase the efficiency of the installation.

Зниження в рекуперативній частині теплообмінника температури газів, що відходять з котла-утилізатора і являють собою суміш продуктів згоряння і водяної пари, до температури, рівної або близької до температури бо конденсації газопарової суміші, дозволяє значно зменшити витрати охолоджуючої води, яка подається в контактно-змішувальну секцію теплообмінника для повної конденсації та уловлювання водяної пари, а також шкідливих елементів, що містяться у вихлопних газах, а також істотно скоротити витрати води на охолодження теплоносія (води), що циркулює в зовнішньому контурі теплообмінника. Таким чином зменшується загальна кількість теплоти, що викидається в оточуюче середовище з охолоджувальною водою. бо На фіг. показана схема газопаротурбінної установки в якій реалізується запропонований спосіб. Установка включає газотурбінний двигун 1, що складається з компресорів і газових турбін високого і низького тиску (на схемі не позначено), камеру згоряння 2, вихлопний патрубок З і навантажуючу частину (нагнітач природного газу, електрогенератор, тощо) 4. На виході з вихлопного патрубка З встановлений котел-утилізатор 5, за ним розташований рекуперативний теплообмінник б, що складається з пароперегрівника 7, випарної 8 і контактно-змішувальної частини 9 яка є конденсатором-газоохолоджувачем 9.Lowering the temperature of the gases leaving the heat exchanger boiler and representing a mixture of combustion products and water vapor in the recuperative part of the heat exchanger to a temperature equal to or close to the temperature of condensation of the gas-vapor mixture makes it possible to significantly reduce the consumption of cooling water supplied to the contact-mixing section of the heat exchanger for complete condensation and capture of water vapor, as well as harmful elements contained in exhaust gases, as well as significantly reduce water consumption for cooling the coolant (water) circulating in the external circuit of the heat exchanger. Thus, the total amount of heat emitted into the environment with cooling water is reduced. because in fig. a diagram of a gas turbine installation in which the proposed method is implemented is shown. The installation includes a gas turbine engine 1, consisting of compressors and high and low pressure gas turbines (not marked on the diagram), a combustion chamber 2, an exhaust pipe C and a loading part (natural gas compressor, electric generator, etc.) 4. At the outlet of the exhaust pipe A recovery boiler 5 is installed, behind it is a recuperative heat exchanger b, consisting of a superheater 7, an evaporator 8 and a contact-mixing part 9, which is a condenser-gas cooler 9.

До складу установки також входять збірник конденсату 10, живильний насос 11, охолоджувач води 12, насос охолоджувальної води 13. В утилізаційний енергетичний контур установки також входять парова турбіна 14, що приводить у дію нагнітач або ж електрогенератор, конденсатор 15 і живильний насос 16. 70 Спосіб перетворення теплової енергії в механічну здійснюється таким чином.The installation also includes a condensate collector 10, a feed pump 11, a water cooler 12, a cooling water pump 13. The utilization energy circuit of the installation also includes a steam turbine 14, which activates a supercharger or electric generator, a condenser 15 and a feed pump 16. 70 The method of converting thermal energy into mechanical energy is carried out as follows.

Парогазова суміш, що утворилася в камері згоряння 2 при змішуванні продуктів згоряння і пари, що поступає в камеру з котла-утилізатора, після виконання роботи в турбінах надходить через вихлопний патрубок З в зовнішній контур котла-утилізатора 5, де частину скидної теплоти турбіни віддає на генерацію енергетичної пари у внутрішньому контурі котла-утилізатора 5. Після цього частково охолоджену газопарову суміш подають у 7/5 Зовнішній контур теплообмінного апарата, де вона, віддаючи свою теплоту і знижуючи температуру майже до рівня початку конденсації водяних парів, послідовно проходить пароперегріваючу секцію 7, випарну секцію 8 і контактно-змішувальну секцію 9 теплообмінника. При цьому частина водяної пари, що міститься в газопаровій суміші, конденсується на зовнішніх поверхнях випарної частини апарата 8, а частина, що залишилася, конденсується в контактно-змішувальній частині У, що обладнана сепараторами для уловлювання водяних крапель. Після контактного конденсатора відпрацьовані вихлопні гази із зниженими температурою та вмістом хімічно активних і шкідливих елементів викидають в атмосферу. Конденсат, що утворився, збирають у збірник конденсату 10 і розподіляють на два потоки. Один потік за допомогою конденсатного насоса 11 спрямовують у котел-утилізатор, другий потік спрямовують в охолоджувач води 12. Охолоджену воду за допомогою водяного насоса 13 подають на зрошувані тепло-массообмінні насадки в контактно-змішувальній частині 9 теплообмінного ов апарата. Перший потік конденсату, із якого утворюють енергетичну пару, піддають постійному хімічному очищенню, другий потік, що спрямовується в контактно-змішувальну частину теплообмінника піддають « періодичному очищенню.The vapor-gas mixture formed in the combustion chamber 2 during the mixing of the combustion products and the steam entering the chamber from the heat recovery boiler, after completing the work in the turbines, enters through the exhaust pipe C into the outer circuit of the heat recovery boiler 5, where part of the waste heat of the turbine is given to generation of energy steam in the internal circuit of the boiler-utilizer 5. After that, the partially cooled gas-vapor mixture is fed into the 7/5 External circuit of the heat exchanger, where it, giving off its heat and lowering the temperature almost to the level of the beginning of condensation of water vapor, successively passes through the steam superheating section 7, evaporative section 8 and contact-mixing section 9 of the heat exchanger. At the same time, part of the water vapor contained in the gas-vapor mixture condenses on the outer surfaces of the evaporating part of the apparatus 8, and the remaining part condenses in the contact-mixing part U, which is equipped with separators for catching water droplets. After the contact condenser, spent exhaust gases with reduced temperature and content of chemically active and harmful elements are released into the atmosphere. The condensate formed is collected in the condensate collector 10 and distributed into two streams. One flow is directed to the waste boiler using the condensate pump 11, the second flow is directed to the water cooler 12. The cooled water is fed to the irrigated heat-mass exchange nozzles in the contact-mixing part 9 of the heat exchange apparatus using the water pump 13. The first flow of condensate, from which energy steam is formed, is subjected to constant chemical cleaning, the second flow, which is directed to the contact-mixing part of the heat exchanger, is subjected to periodic cleaning.

Низькокипляче робоче тіло (наприклад, пентан або ізобутан) за допомогою живильного насоса 16 подається у внутрішній рекуперативний контур теплообмінника б і послідовно проходить випарну секцію 8, а за нею Ге! зо перегріваючу секцію 7, в яких воно спочатку випаровується, а потім перегрівається до температури насичення і веде (120 - 20072), далі перегріта пара надходить у парову турбіну 14, де розширяючись і знижуючи со температуру, виконує роботу, приводячи в дію нагнітач природного газу, або ж електрогенератор. Відпрацьована М пара конденсується в конденсаторі 15 і за допомогою живильного насоса 16 подається в теплообмінник 6, замикаючи паросиловий цикл. -A low-boiling working substance (for example, pentane or isobutane) is fed into the internal recuperative circuit of the heat exchanger b by means of the feed pump 16 and successively passes through the evaporating section 8, followed by Ge! from the superheated section 7, in which it first evaporates, and then it is superheated to the saturation temperature and leads (120 - 20072), then the superheated steam enters the steam turbine 14, where, expanding and lowering the temperature, it performs work, activating the natural gas compressor , or an electric generator. Spent M steam is condensed in the condenser 15 and with the help of the feed pump 16 is supplied to the heat exchanger 6, closing the steam power cycle. -

Claims

"

The formula of the invention

The method of converting thermal energy into mechanical energy in a gas-steam turbine installation, which includes the processes "

70 compression of air, combustion of hydrocarbon fuel when combustion products are mixed with water vapor, cooling of the gas-vapor mixture during its expansion in turbines, utilization of the heat of waste gases in the recovery boiler with the production of energy steam that is injected into the combustion chamber, condensation of moisture and :z» its separation from the cooled gas-vapor mixture, absorption of harmful emissions from exhaust gases, chemical cleaning of condensate, which is distinguished by the fact that part of the heat of the exhaust gases is removed after the boiler-utilizer to the low-boiling working body in the internal circuit of the recuperative heat exchanger with simultaneous cooling of the exhaust gases and the condensation of water vapor contained in them in the outer circuit of the heat exchanger at atmospheric pressure and a temperature that corresponds to the composition of the steam-gas mixture, while the low-boiling working body is heated to the saturation temperature and above and fed into the steam turbine. - And at 50 iChe)

R

60 b5