Спосіб перетворення теплової енергії в механічну роботу в газопаротурбінній установці

Изобретение относится к области газопаротурбостроения, в частности, к энергетическим газопаротурбинным установкам и может быть использовано при проектировании новых и при модернизации действующих газотурбинных и газопаротурбинных установок. В качестве прототипа принят способ, включающий следующие процессы: сжатия воздуха, сжигания углеводородного топлива при смешении продуктов сгорания с водяным паром, охлаждения газопаровой смеси при совершении работы за счет ее расширения, утилизации теплоты отработавших газов с образованием водяного пара, конденсацию влаги с последующей сепарацией ее из отработавших газов [1]. Известный способ обладает следующими недостатками. Образовавшийся конденсат из-за накопления в нем кислот от взаимодействия его с оксидами химически активных веществ продуктов сгорания невозможно использовать непосредственно в газотурбинной установке. Вредные выбросы с отработавшими газами и конденсатом имеют значительный уровень и неблагоприятно действуют на окружающую среду. В изобретении решается задача создания способа преобразования тепловой энергии в механическую работу в газотурбинной установке путем изменения последовательности выполнения образования, охлаждения и очистки рабочего тела установки при непосредственном контакте теплоносителей, чтобы достичь возможность использовать конденсат из продуктов сгорания в газотурбинной установке, повысить ее экономичность и снизить тепловое и токсичное воздействие на окружающую среду. Решение задачи достигается тем, что в способе преобразования тепловой энергии в механическую работу применительно к газопаротурбинной установке, включающем процессы сжатия воздуха, сжигания углеводородного топлива при смешении продуктов сгорания с водяным паром, охлаждения газопаровой смеси при совершении работы за счет ее решения, утилизации теплоты отработавших газов, конденсации влаги и сепарации ее из охлажденной газопаровой смеси, согласно изобретению, охлаждение газопаровой смеси при конденсации влаги осуществляют в непосредственном контакте газопаровой смеси с охлаждающей водой, для чего последовательно смешивают движущиеся в противоположных направлениях газопаровую смесь и охлаждающую воду в свободном объеме перед тепломассообменным элементом в его объеме и свободном объеме за ним по ходу газопаровой смеси, одновременно поглощают вредные выбросы из отработавших газов абсорбцией охлаждающей воды и смешением с конденсатом продуктов сгорания, нагретую смесь охлаждающей воды и конденсата с абсорбированными вредными примесями разделяют на несколько потоков, один из которых постоянно очищают и используют для процесса утилизации теплоты отработавших газов с образованием водяного пара, другие потоки охлаждают и используют для охлаждения отработавших газов и конденсации влаги, а очистку этих потоков осуществляют периодически, после насыщения их химически активными веществами до заданного предела. Для повышения тепломассогидравлической эффективности процессов конденсации и абсорбции при охлаждении газопаровой смеси охлаждающую воду подают с расходом в 4,5 ... 6 раз превышающим расход газопаровой смеси при фронтальных нагрузках орошения 13 ... 17кг/см2 и после разделения на потоки охлаждают до температуры на 5 ... 7 градусов ниже, чем необходимая температура охлаждения отработавших газов. При этом непосредственный контакт газопаровой смеси осуществляют в свободном объеме перед тепломассообменным элементом в самом элементе и за ним разделенными потоками охлаждающей воды и после контакта эти потоки не смешивают. Охлаждение газопаровой смеси в свободном объеме перед теплообменным элементом осуществляют до температуры не ниже температуры "точки росы", соответствующей влагосодержанию газопаровой смеси перед ним. Охлаждение газопаровой смеси осуществляют в элементе со структурой, имеющей сетчатые каналы или пористые стенки. В объемах перед тепломассообменным элементом и за ним осуществляют дополнительно сепарацию воды. Новая совокупность существенных признаков отсутствует в известных технических решениях и позволяет получить следующие преимущества: - непосредственный контакт газопаровой смеси с охлаждающей водой и их движение в противоположных направлениях последовательно в свободном объеме перед тепломассообменным элементом в его объеме и за ним по ходу газопаровой смеси позволяет более эффективно использовать охлажденную воду для охлаждения газопаровой смеси и конденсацииводяного пара, так как вначале при более высоких температурах воды дает возможность использовать фазовый переход воды в пар, затем при средних температурах развитую поверхность тепломассообменного элемента и в завершение при низких температурах воды - конвекцию с максимальной относительной скоростью газопаровой смеси и охлаждающей воды, что обеспечит большую конденсацию из продуктов сгорания углеводородных топлив и использование этого конденсата в газопаротурбинной установке; - одновременное осуществление процессов конденсации паров из газопаровой смеси и абсорбции вредных веществ позволяет при уменьшающейся температуре газопаровой смеси и воды с конденсатом более эффективно очищать отработавшие газы, так как при более низких температурах рабочая линия процесса абсорбции смещается в зону более низких концентраций газов, что в итоге снижает содержание вредных веществ, выбрасываемых в окружающую среду; - разделение нагретой смеси охлаждающей воды и конденсата на несколько потоков и различные способы их очистки от вредных примесей (постоянный и периодический) позволяют, при постоянной очистке небольших расходов воды, которые в дальнейшем используются для процесса утилизации теплоты отработавших газов с образованием водяного пара, и периодической очистке больших расходов воды, которые в дальнейшем используются для охлаждения отработавших газов и концентрации влаги, снизить энергозатраты на очистку, так как постоянная очистка небольших расходов воды с небольшой концентрацией химически активных веществ менее энергоемка, чем постоянная очистка при этих условиях всей воды, в то же время периодическая очистка больших расходов воды с высокой концентрацией химически активных веществ, соответствующих условиях насыщения, сопровождается большими движущими силами, в результате всего этого повышается экономичность газопаротурбинной установки в целом; - при указанных выше количественно расходах воды, фронтальных нагрузок орошения, температурных уровнях охлаждения воды снижаются энергия на прокачку охлаждающей воды и гидродинамическое сопротивление охлаждающего тракта, что повышает экономичность газопаротурбинной установки; - при охлаждении разделенными потоками воды и отсутствии их смешения в дальнейшем уменьшаются расходы воды через элементы охлаждающего тракта, что снижает его гидродинамическое сопротивление, увеличивается абсорбционная способность и снижается содержание вредных выбросов с отработавшими газами; - при соблюдении условия охлаждения смеси до температуры не ниже "точки росы" возможно увеличить влагосодержание газопаровой смеси испарением и, получить при конденсации большее количество воды, которую можно использовать в газопаротурбинной установке; охлаждение газопаровой смеси в тепломассообменном элементе, имеющем сетчатые каналы или пористые стенки, из-за увеличения поверхности тепломассообмена и дополнительной турбулизации потока сокращают массогабаритные показатели и снижают тепловое и токсичное воздействия на окружающую среду; сепарация воды до и после тепломассообменного элемента сокращает унос воды в виде мелких капель парогазовой смесью в окружающую среду и снижает рециркуляцию теплоты между охлаждающей водой и нагретыми каплями, что в итоге увеличивает количество конденсата, применяемого в газопаротурбинной установке. На фиг.1 изображена тепловая схема газопаротурбинной установки, реализующая предложенный способ; результаты ее испытаний даны на фиг.2, 3, 4. Установка включает в себя комплексное воздухоочистительное устройство 1, расположенное на входе газотурбинного двигателя 2, дополнительный газопаровой контур 3, состоящий из газопаровой камеры сгорания и турбины, утилизационный парогенератор 4, контактный конденсатор 5 с тепломассообменными элементами в виде орошаемых сетчатых насадок. Парогенераторы 4 и контактный конденсатор 5 последовательно расположены за газотурбинным двигателем 2 и газопаровым контуром 3, дополнительно контактный конденсатор 5 связан трубопроводом 6 через устройство очистки и подготовки воды 7 с парогенератором 4, а трубопроводом 8 через устройство очистки воды 9 с охладителем 10 и цистерной 11. Способ осуществляется на газотурбинной установке следующим образом. Атмосферный воздух (смесь сухого воздуха и водяного пара) с частицами примесей поступает в комплексное воздухоочистительное устройство 1, где эти примеси в большей степени удаляются. Очистка воздуха одновременно способствует и очистке конденсата, который контактирует с воздухом. Очищенный воздух подается в газотурбинный двигатель 2. При сжатии в компрессоре двигателя 2 смесь сухого воздуха и водяного пара нагревают. Сжатую смесь направляют в камеру сгорания, где осуществляют сжигание углеводородного топлива и смешение продуктов сгорания с водяным паром, охлаждающим одновременно узлы камеры сгорания. Образованную в камере сгорания газопаровую смесь направляют в турбину, где ее расширяют, совершая механическую работу. Отработавшую в турбине газопаровую Смесь направляют через утилизационный парогенератор 4 в контактный конденсатор 5. В утилизационном парогенераторе 4 утилизируют теплоту отработавших газов с образованием водяного пара, который подают к камере сгорания, а в случае необходимости - к высокотемпературным элементам проточной части турбины для их охлаждения. В контактном конденсаторе 5 газопаровую смесь охлаждают при непосредственном контакте с охлаждающей водой, реализуя противоточность газопаровой смеси и охлаждающей воды. Охлаждающую воду подают с расходом в 4,5 ... 6 раз превышающим расход газопаровой смеси при фронтальной нагрузке орошения 13 ... 17кг/с/м2. Для интенсификации процессов тепломассообмена и снижения вредных выбросов с отработавшими газами охлаждение газопаровой смеси осуществляют в тепломассообменном элементе, имеющем развитую поверхность и расположенным в контактном конденсаторе. Тепломассообменный элемент конструктивно выполняется в виде орошаемой насадки, имеющей сетчатые или пористые каналы. Одновременно с охлаждением газопаровой смеси и конденсацией паров воды осуществляют поглощение вредных элементов из отработавших газов абсорбцией охлаждающей воды и смешение с конденсатом продуктов сгорания. Нагретую смесь охлаждающей воды и конденсата с абсорбированными вредными примесями разделяют на несколько потоков. Один из потоков, не охлаждая, постоянно очищают от вредных примесей и, если необходимо, водоподготавливают и направляют в утилизационный парогенератор. Водоподготовка необходима для придания воде физикохимических свойств согласно техническим условиям эксплуатации. Другие потоки воды с конденсатом охлаждают до температуры на 5 ... 7 градусов ниже, чем необходимая температура охлаждения отработавших газов. Охлажденные потоки воды используют для охлаждения отработавших газов и конденсации влаги. При этом непосредственный контакт газопаровой смеси осуществляют в объемах перед тепломассообменным элементом и за ним разделенными потоками охлаждающей воды и после контакта с газопаровой смесью эти потоки не смешивают. Для увеличения влагосодержания газопаровой смеси, ее охлаждение в свободном объеме перед тепломассообменным элементом осуществляют до температуры не ниже температуры "точки росы". Очистку потоков охлаждающей воды осуществляют периодически, после насыщения их химически активными веществами до заданного предела. Охлажденную газопаровую смесь с каплями воды за тепломассообменным элементом пропускают через сепараторы и отделяют воду. После этого отработавшую газопаровую смесь с пониженным содержанием химически активных и вредных элементов выбрасывают в окружающую среду. Предлагаемый способ преобразования тепловой энергии в механическую работу в газопаротурбинной установке проверялся на экспериментальных стендах. В результате испытаний определялись К.П.Д. и удельная мощность установки от количества подаваемого пара (см. фиг.2); характеристики эффективности конденсации воды в цик-ле: содержание оксидов азота в отработавших газах (см. фиг.3) и характеристики абсорбции отдельных химически активных веществ из газопаровой смеси водой (см.фиг.4). Из приведенных на фигурах результатов следует: - при смешении продуктов сгорания с водяным паров К.П.Д. газопаротурбинной установки повышается до 70% относительной величины, удельная мощность увеличивается до 120% относительной величины, содержание оксидов азота в отработавших газах снижается до 0,15 относительной величины; - значение эффективности конденсации воды в цикле составляло не менее 98%, что вполне достаточно для обеспечения длительной автономной работоспособности газопаротурбинной установки; - содержание химически активных элементов и вредных выбросов в отработавших газах снизилось соответственно для масел в 13 ... 1,7; для нефтепродуктов - в 1,1 ... 1,7; для сульфатов в 16 ... 2,1; для карбонатов - 1,1 ... 1,2. Технико-экономическая эффективность предлагаемого способа по сравнению с прототипом заключается в следующем: - в возможности использовать конденсат продуктов сгорания углеводородных топлив в проточной части газопаротурбинного двигателя и в утилизационном парогенераторе без снижения ресурса установки и внесения дополнительных затрат на ремонтные работы; - в достижении более низких значений вредных выбросов с отработавшими газами и конденсатом, что обеспечивает их более высокие экологические показатели по сравнению с другими энергетическими установками; - в достижении более высоких показателей К.П.Д. и удельной мощности; - в возможности более эффективного применения известных технологий очистки воды и газа.