Спосіб підвищення термічного коефіцієнта корисної дії циклу газотурбінної установки

Нинішній винахід відноситься до області теплоенергетики і може знайти застосування на теплових електростанціях, на компресорних станціях магістральних газових трубопроводів і на транспортних енергетичних установках. Здебільшого винахід призначений для газотурбінних установок (ГТУ) великої потужності (більше 10МВт), які мають високі значення відносного внутрішнього коефіцієнта корисної дії (ККД) турбіни і компресора. Відомий аналогічний спосіб регенеративного підігріву живильної води в паротурбінних установках шля хом теплообміну з водяною парою, яка розширилась в турбіні від початкового тиску до тиску відбору [1]. Недоліком цих установок є низька середня температура підводу теплоту, у зв'язку з чим термічний ККД циклу найкращих з них не перевищує 53%, незважаючи на низьку температуру відводу теплоти. Прототипом способу, що пропонується, є спосіб регенеративного підігріву повітря в однієї з найкращих сучасних ГТУ фірми Роллс Ройс марки WR-21 потужністю 25МВт. Спосіб полягає в тому, що повітря, стиснуте в компресорах низького і високого тиску до 16,2бар, підігрівається в регенеративному теплообміннику (РТО) до температури 725К, а потім в камері згоряння вступає в хімічну реакцію з паливом. Продукти згоряння, температура яких перед турбіною досягає 1405К, розширюються в турбінах високого і низького тиску (ТВТ і ТНТ), а потім спрямовуються до РТО, де підігрівають стиснуте в компресорах повітря. Після теплообмінника продукти згорання находять до атмосфери [2]. Недоліком цього способу підігріву є те, що температура повітря перед камерою згорання не перевищує температуру газів після ТНТ, яка в існуючи х установках дорівнює 650-800К. Означений недолік обумовлений тим, що для регенеративного підігріву повітря використовуються гази, які розширилися послідовно в обох турбінах -високого і низького тиску. В основу винаходу поставлена задача вдосконалення циклу ГТУ, в якому повітря перед камерою згоряння підігрівається до більш високої температури, ніж в звичайному регенеративному циклі (наприклад, до 1060К замість 725К), а температура газів, які поступають до ТНТ, знижується (наприклад, до 645К замість 1125К). Завдяки цьому забезпечується підвищення середньої температури підводу теплоти до робочого тіла і зниження середньої температури відводу теплоти, що веде до зростання термічного ККД циклу на 20,9% (від 55,1% до 66,6%) і ефективного ККД установки на 4,3% (від 42,1% до 43,9%), а також забезпечується зменшення габаритів і маси ТНТ і підвищення її моторесурсу. За рахунок вищезгаданого в масштабах однієї ГТУ потужністю 25МВТ може бути забезпечена економія палива (мазуту) не менш 2000 тон за рік. Поставлена задача вирішується тим, що в способі підвищення термічного коефіцієнта корисної дії циклу газотурбінної установки повітря перед камерою згоряння піддається регенеративному підігріву за допомогою газів, що відпрацювали в турбіні, при цьому гази після розширення в турбіні високого тиску використовуються для регенеративного підігріву повітря, а потім розширюються в турбіні низького тиску. На діаграмі T,S наведені звичайний регенеративний цикл ГТУ (а) з двохступеневим стиском повітря і модифікований згідно запропонованому способу цикл (б). Спосіб здійснюється наступним чином. Повітря, стиснуте в компресорах низького і високого тиску до 16,2бар (процеси 1-2 і 3-4), надходить до РТО, де підігрівається (процес 4-10) газами, що відпрацювали в ТВТ (процес розширення газів 6-7, процес відводу теплоти від газів в РТО 7-11), до температури на 65 К нижчої, ніж температура газів після ТВТ. Далі повітря надходить до камери згоряння, а гази - до ТНТ, де розширюються приблизно до атмосферного тиску (процес 11-12), після чого спрямовуються до атмосфери. В звичайному циклі процес 4-5 є регенеративний підігрів повітря, 6-7 -розширення газів в ТВТ, 7-8 розширення газів в ТНТ, 8-9 - о холодження газів в РТО. При однакових значеннях температур робочого тіла перед компресором Т1 і перед турбіною Т6 та однаковому перепаді температур в РТО між значеннями температур звичайного і модифікованого циклів є такі співвідношення: Т5