Спосіб перетворення теплової енергії у механічну роботу в газопаротурбінній установці

Спосіб перетворення теплової енергії в механічну в газопаротурбінній установці, що включає процеси стискання повітря, спалювання вуглеводневого палива при змішуванні продуктів згоряння з водяною парою, охолодження газопарової суміші при м розширенні в турбінах, утилізації теплоти відпрацьованих газів в котлі-утилізаторі з одержанням енергетичної пари, що впорскується в камеру згоряння, конденсацію вологи і сепарацію м з охолодженої газопарової суміші, поглинання шкідливих викидів з вихлопних газів, хімічне очищення конденсату, який відрізняється тим, що проводять ВІДВІД частини теплоти відпрацьованих газів 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 зовнішньому контурі теплообмінника при атмосферному тиску і температурі, яка відповідає складу парогазової суміші, при цьому низькокипляче робоче тіло нагрівають до температури насичення і вище та подають в парову турбіну Винахід відноситься до області газотурбобудування, зокрема до енергетичних газопаротурбінних установок, і 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 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 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 и розширення, утилізацію теплоти газів, що відпрацювали, та конденсацію і сепарацію з них вологи за допомогою теплообмінника (див а с СРСР № 1826614А1, F02C 6/18, 1989 р) 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 10% від витрати робочого тіла в установці, що обмежує КІЛЬКІСТЬ переданої теплоти до теплоносія що нагрівається Внаслідок цього ефективність утилізації низькопотенційної теплоти в такій установці невисока 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 и розширення, утилізацію теплоти вихлопних газів, конденсацію вологи і сепарацію м з охолодженої газопарової суміші при безпосередньому контакті з водою що охолоджує, поглинання шкідливих викидів із вихлопних газів, охолоджувальною водою, поділ суміші охолоджувальної води і конденсату з абсорбійованими шкі 00 47789 дливими 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 № 15427, F02C 6/18, 1997 р , Бюлл № 3) Істотними недоліками цього способу є втрата значної частини теплоти газопарової суміші з температурою 180 - 200°С водою, що охолоджує контактно-змішувальний газоохолоджувач-конденсатор, витрати для охолодження значної КІЛЬКОСТІ води, що в 4,5 - 6 разів перевищують витрати робочого тіла газопаротурбінної установки Тому глибина утилізації теплоти газів, що відходять, і отже економічність установки недостатньо високі 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 електричну потужність газопаротурбінної установки на 4 - 6%, а її ккд на 1 - 3% Крім того, за рахунок більш глибокої утилізації зменшується теплове забруднення атмосфери, тобто поліпшуються екологічні характеристики газопаротурбінної установки, зменшуються в 5 - 10 раз витрати води в змішувальному газоохолоджувачі-конденсаторі газопарової суміші, а також для охолодження у водяному охолоджувачі Поставлена задача вирішується тим, що в способі перетворення теплової енергії в газопаротурбінній установці, що включає процеси стиснення повітря, спалювання вуглеводного палива при змішуванні продуктів згорання з водяною парою, охолодження газопарової суміші при її розширенні в турбінах, утилізацію теплоти відпрацьованих газів в котлі-утилізаторі з одержанням енергетичної пари, що впорскується в камеру згоряння, конденсацію вологи і сепарацію и з охолодженої газопарової суміші, поглинання шкідливих викидів з вихлопних газів, хімічне очищення конденсату згідно винаходу проводять ВІДВІД частини теплоти відпрацьованих газів 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 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 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 контурі для здійснення паросилового циклу, що дозволяє отримати додаткову механічну або електричну енергію і завдяки цьому підвищити ккд установки Зниження в рекуперативній частині теплообмінника температури газів, що відходять з котлаутилізатора і являють собою суміш продуктів згоряння і водяної пари, до температури, рівної або близької до температури 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 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 3 і навантажуючу частину (нагнітач природного газу, електрогенератор, тощо) 4 На виході з вихлопного патрубка 3 встановлений котел-утилізатор 5, за ним розташований рекуперативний теплообмінник 6, що складається з пароперегрівника 7, випарної 8 і контактно-змішувальної частини 9 яка є конденсатором-газоохолоджувачем 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 Спосіб перетворення теплової енергії в механічну здійснюється таким чином 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 3 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 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 9, 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 47789 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 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 Низькокипляче робоче тіло (наприклад, пентан або ізобутан) за допомогою живильного насоса 16 подається у внутрішній рекуперативний контур теплообмінника 6 і послідовно проходить випарну секцію 8, а за нею перегріваючу секцію 7, в яких воно спочатку випаровується, а потім перегрівається до температури насичення і веде (120 200°С), далі перегріта пара надходить у парову турбіну 14, де розширяючись і знижуючи температуру, виконує роботу, приводячи в дію нагнітач природного газу, або ж електрогенератор Відпрацьована пара конденсується в конденсаторі 15 і за допомогою живильного насоса 16 подається в теплообмінник 6, замикаючи паросиловий цикл Фіг. ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна (044) 456 - 20 - 90 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)216-32-71