Спосіб роботи парогазотурбінної установки і обладнання для його реалізації

1. Спосіб роботи парогазотурбінної установки, при якому в проточну частину цієї установки перед турбіною вводять воду, який відрізняється тим, що воду попередньо піддають тиску більшому, ніж тиск газу перед турбіною, і за рахунок теплоти вихлопних газів попередньо підігрівають до температури, нижчої від температури кипіння при тиску води, але вищої від температури кипіння при тиску газу перед турбіною, так що вода, яку вводять, є перегрітою відносно стану, відповідного тиску газу перед турбіною, що приводить до її миттєвого скипання і перетворення на пару при введенні її в проточну частину установки перед турбіною, а надлишок теплоти вихлопних газів використовується для підігріву додаткової кількості води при тиску меншому, ніж води, яку вводять в проточну частину парогазотурбінної установки, і високопотенційну теплоту додаткової кількості води використовують для те хнологічних потреб. 2. Обладнання для реалізації способу роботи парогазотурбінної установки, що включає в себе парогазотурбінну установку, яка містить компресор A (54) СПОСІБ РОБОТИ ПАРОГАЗОТУРБІННОЇ УСТАНОВКИ І ОБЛАДНАННЯ ДЛЯ ЙОГО РЕАЛІЗАЦІЇ 30755 Як прототип способу, обрано відомий спосіб роботи газотурбінної установки з вприском води в дифузор камери згоряння (Кириллов И.И., Арсеньев Л.В., Котов Ю.В. Форсирование энергетических ГТУ путем впрыска води в тракт высокого давления // Энергомашиностроение, 1976. - № 12. С. 1-4). Розпил води на краплі відбувається за рахунок швидкісного напору повітря, стиснутого в компресорі, а випаровування крапель - за рахунок теплоти стиску цього повітря. Але цієї теплоти достатньо для випаровування води в кількості не більше 12% від витрати повітря, що дозволяє підняти потужність ГТУ на 40%. Термодинамічний аналіз підтверджує можливість підняти потужність ГТУ в 2-3 рази шляхом вприску води в проточну частину в кількості від 20% витрати повітря до повного заміщення вторинного повітря водою (парою). Це можливо за рахунок використання теплоти вихлопних газів і при поверненні (регенерації) води (пари) з вихлопних газів в цикл. Найбільш близьким рішенням по призначенню, технічній суті і досягнутому результату є парогазотурбінна установка, яка обрана як прототип обладнання, що вміщує компресор низького тиск, контактний теплообниик проміжного охолодження повітря, компресор високого тиску, камеру згоряння, турбіни високого, середнього і низького тиску, остання з приводним агрегатом, наприклад, з електрогенератором або насосом для перекачування нафти, котел-утилізатор, систему очистки і підживлення води, контактний конденсатор-сепаратор, перекачувальний насос, нагнітальний насос, скрубер-охолоджувач конденсату (Патент №17390 А. Україна. F01К21/04. Парогазотурбінна установка складного відкритого циклу / Фролов С.Д., Сманцер В.В., Селіванов В.Г., Костенко П.П., Лось В.Ю. // Дата видачі 15.04.1997, бюлл. № 5). При цьому, по ходу ви хлопних газів послідовно зв'язані газопроводами турбіна низького тиску, котел-утилізатор, контактний конденсатор-сепаратор. Водопроводами зв'язані послідовно скрубер-охолоджувач, перекачувальний насос, система очистки води, нагнітальний насос, котел-утилізатор і камера згоряння. Паралельно системі очистки води до перекачувального насосу підключені контактний конденсатор-сепаратор, який далі по лінії води з'єднаний зі скрубером-охолоджувачем, і система підживлення води, а паралельно котлу-утилізатору до нагнітального насосу підключений теплообмінник проміжного охолодження повітря. Котел-утилізатор призначений для виробництва сухої насиченої пари або перегрітої пари з води за рахунок теплоти вихлопних газів, а у контактному конденсатор-сепараторі відбувається конденсація і сепарація води з вихлопних газів на воді, що розбризкується в газах, і яка охолоджується перед тим в скрубері. Таким чином, вода вилучається із вихлопних газів і повертається в цикл. Установка працює практично без збитків води. Недоліки відомого способу і обладнання містяться у слідуючому. В існуючи х парогазотурбінних установках в проточну частину вводять пару в кількості не більше 14% від витрати повітря. При цьому паропроводи, по яким пара від котла-утилізатора іде до камери згоряння, мають розміри, які співпадають з розмірами паливопроводів і маслопроводів. Для вводу в установку пари в кількості більш 14% від витрати повітря необхідні паропроводи, розміри яких співпадають з розмірами проточної частини ГТУ. Установка стає громіздкою, конструкція її ускладнюється. Крім того, через велике значення прихованої теплоти випарювання для перетворення води в пару, в котлі-утилізаторі, необхідна велика кількість теплоти, якої у вихлопних газів не вистачає при витраті пари в кількості більш ніж 20% від витрат повітря. До того ж вода, яка виходить з конденсатора-сепаратора, має низьку температуру, яка визначається процесом конденсації, і її малопотенційна теплота практично не може бути утилізована, що зменшує коефіцієнт використання теплоти установки. В основу винаходу покладено задачу розробки ефективного способу роботи парогазотурбінної установки шляхом вводу в її проточну частину води у кількості більш ніж 20% від витрати повітря, що дозволяє підняти питому потужність парогазотурбінної установки в 3...4 рази, а також завдання по створенню обладнання для реалізації вказаного способу. Поставлена задача вирішується тим, що в проточну частину парогазотурбінної установки перед турбіною вводять воду, яку на відміну від відомого способу, попередньо стискують до тиску, більшого тиску газу перед турбіною, і за рахунок теплоти вихлопних газів попередньо підігрівають до температури, яка нижча від температури кипіння при тиску води, але вища від температури кипіння при тиску газу перед турбіною, що спричиняє миттєве скипання та перетворення води у пару при введенні останньої в проточну частину установки (ефект перегріву води). На відміну від відомого способу, обраного як прототип, в пропонуємому способі роботи парогазотурбінної установки для підігріву і перегріву води використовують не теплоту стисн утого в компресорі повітря, а теплоту вихлопних газів, температура яких значно вища температури стиснутого повітря, тому процес теплопередачі до води проходить значно інтенсивніше. Крім того, для швидкого випарювання води при подачі її в проточну частину установки використовують ефект вибуховоподібного скипання перегрітої води, яка потрапляє у середовище з більш низьким тиском, що сприяє майже миттєвому перетворенню води в пару. Оскільки у процесі попереднього перегріву, на відміну від відомого способу-аналога, не передбачено перетворення води у пару, на її підігрів витрачають набагато менше теплоти вихлопних газів, ніж у відомому способі. За рахунок не використаної при цьому теплоти вихлопних газів підігрівають додаткову кількість води, крім води, яку вводять в проточну частин у парогазотурбінної установки, і цю додаткову кількість підігрітої води використовують для те хнологічних потреб. Додаткову воду необов'язково стискувати і підігрівати до перегрітого стану. Високопотенційну теплоту такої води (звичайно це означає підігрів до температури від 140 до 180°С) широко використовують для опалення будівель, теплиць, підігріву перекачувальної нафти і т.д. Таким чином, доводять коефіцієнт використання теплоти в парогазотурбінній установці до 90...95%. 2 30755 Поставлена задача вирішується також тим, що обладнання для реалізації вказаного способу роботи парогазотурбінної установки, що включає в себе парогазотурбінну установку, яка містить у собі компресор низького тиску, контактний теплообмінник проміжного охолодження компресорного повітря, компресор високого тиску, турбіни високого, середнього і низького тиску, остання з приводним агрегатом, наприклад, нафтоперекачувальним насосом або електрогенератором, а також включає систему очистки і підживлення води, контактний конденсатор-сепаратор з вихлопними патрубками, перекачувальний насос, нагнітальний насос, газопровід і водопроводи, згідно з винаходом споряджено водонагрівачем високого тиску, водоохолоджувачем, теплообмінником для використання високопотенційної теплоти, наприклад, теплообмінником для попереднього підігріву нафти, що перекачується приводним агрегатом, додатково водопроводами, причому газопроводом послідовно з'єднані турбіна низького тиску, водонагрівач високого тиску, водонагрівач низького тиску і контактний конденсатор-сепаратор. Водопроводами послідовно з'єднані пepeкaчyвaльний насос, водонагрівач низького тиску, нагнітальний насос, водонагрівач високого тиску і проточна частина парогазотурбінної установки перед турбіною високого тиску. Паралельно перекачуючий насос з'єднаний з контактним теплообмінником проміжного охолодження компресорного повітря. Водонагрівач низького тиску на виході паралельно з нагнітальним насосом з'єднаний з теплообмінником використання високопотенційної теплоти, який зв'язаний з входом в перекачувальний насос водопроводом, до якого підключена система підживлення води. Разом з водонагрівачем низького тиску і контактним теплообмінником проміжного охолодження компресорного повітря до виходу перекачувального насосу підключений водоохолоджувач, який з іншої сторони з'єднаний з контактним конденсатором-сепаратором, а останній через систему очистки води підключений до входу у водонагрівач низького тиску. Теплообмінник для використання високопотенційної теплоти по лінії теплоносія, що гріється, наприклад нафти, зв'язаний з приводним агрегатом. Підігрів води в водонагрівачах низького і високого тиску і встановлення між ними нагнітального насосу дозволяє стиснути і підігріти достатню кількість води до температури, яка вища температури її кипіння при тиску у камері згоряння і тому дозволяє забезпечити вибухове скипання води при її введенні у проточну частин у установки перед турбіною високого тиску. Це дозволяє збільшити кількість води, яку вводять в проточну частину парагазотурбінної установки до 20% і вище за рахунок прискорення і спрощення процесу перетворення води у пару при вприску води в проточну частину парогазотурбінної установки у порівнянні з відомим способом і обладнанням, і таким чином, підвищити питому потужність парогазотурбінної установки у 3...4 рази. Це також дозволяє зменшити габарити трубопроводів для підведення води в парогазотурбінну установку у порівнянні з трубопроводами для підведення пари, як зроблено в прототипі обладнання і таким чином, зменшити габарити всього обладнання. Для нагрівання води в во донагрівачі з високим тиском потрібно набагато менше теплоти, ніж на перетворення цієї води у пару в котлі-утилізаторі. За рахунок того, що в водонагрівачах вода підігрівається без перетворення у пару, габарити нагрівачів стають значно меншими, ніж габарити котла-утилізатора, де в перегрівачу теплоносіями є вихлопні гази і пара, оскільки густина і теплоємкість води значно більші, ніж для пари. Теплоту ви хлопних газів, що залишається використовують для нагрівання додаткової кількості води у водонагрівачі низького тиску до температури, необхідної для технологічних цілей. Високопотенційна теплота додаткової води утилізується у теплообміннику для використання високопотенційної теплоти, наприклад, для підігріву нафти, що дозволяє підвищити повний коефіцієнт використання теплоти у пропонуємих способі роботи парогазотурбінної установки і обладнання для його реалізації до 90...95%. Суть винаходу пояснюється схемою обладнання, яка показана на фігурі. Парогазотурбінна установка містить розташовані послідовно компресор низького тиску 1, контактний теплообмінник проміжного охолодження компресорного повітря 2, компресор високого тиску 3, камеру згоряння 4, турбіни високого 5, середнього 6, низького тиску 7, причому остання з'єднана з приводним агрегатом 8, наприклад, нафтоперекачувальним насосом або електрогенератором. Далі газопроводом 9 послідовно з'єднані водонагрівач високого тиску 10, водонагрівач низького тиску 11 і контактний конденсатор-сепаратор 12 з вихлопними патрубками 13. Обладнання містить також послідовно розташовані по водяному тракту теплоспоживач 14, перекачувальний насос 15, водонагрівач низького тиску 11, нагнітальний насос 16, водонагрівач низького тиску 10, які з'єднані водопроводами 17, 18, 19, 20 відповідно. Водопровід 21 з'єднує водонагрівач високого тиску 10 з проточною частиною парогазотурбінної установки. До ви ходу з перекачувального насосу 15 з допомогою водопроводу 22 приєднаний водоохолоджувач 23, який в свою чергу водопроводом 24 з'єднаний з контактним конденсатором-сепаратором 12. Останній водопроводом 25 з'єднаний з системою очистки води 26, вихід з якої водопровід 27 з'єднує з входом до водонагрівачу низького тиску 11. До ви ходу перекачувального насосу 15 з допомогою водопроводу 28 підключений контактний теплообмінник проміжного охолодження компресорного повітря 2, а до виходу з водонагрівача низького тиску 11 з допомогою водопроводу 29 приєднаний теплообмінник для використання високопотенційної теплоти 14. До водопроводу 17 перед перекачувальним насосом 15 підключена система підживлення води 30. Теплообмінник для використання високопотенційної теплоти споживач 14 зв'язаний з приводним агрегатом 8 лінією 31 теплоносія, що гріється. Спосіб реалізується за допомогою пропонуємого обладнання таким чином. Повітря стискують у компресорі низького тиску 1, охолоджують у контактному теплообміннику проміжного охолодження компресорного повітря 2 за рахунок випаровування води, яка розбризкується в ньому і яку подає перекачувальний насос 15. Для випаровування використовується теплота стиснутого повітря. Далі повітря стискують у компресорі високого тиску 3, 3 30755 що потребує набагато менше енергії, ніж при стискуванні неохолодженого повітря. Пароповітряну суміш подають у камеру згоряння 4, де завдяки каталітичній дії водяної пари виділяється набагато менше окислів азоту і вуглецю, ніж при звичайному горінні. В проточну частину парогазотурбінної установки перед турбіною високого тиску 5 подають воду з тиском, який вище тиску газу в проточній частині парогазотурбінної установки, і підігріту до температури, яка менша температури кипіння при тиску подачі води, але значно більша температури кипіння, відповідній тиску газу. При вприску води в проточну частину парогазотурбінної установки з такими параметрами відбувається миттєве скипання води і вона перетворюється у пару. За рахунок збільшення маси робочого тіла і його теплоємкості зростає потужність турбін 5, 6, 7, куди суміш продуктів згоряння і водяної пари подають з камери згоряння 4. Після турбіни низького тиску 7 суміш по газопроводу 9 спрямовують у водонагрівач високого тиску 10, а потім у водонагрівач низького тиску 11, в яких теплоту газів використовують для підігріву і перегріву води. Далі парогазову суміш подають у контактний конденсатор-сепаратор 12, де пара конденсується на струминах і краплях води, що о холоджується в теплообміннику для використання високопотенційної теплоти 14 і водоохолоджувачі 23, а вихлопні гази, звільнені від водяної пари, виводять у атмосферу через вихлопні патрубки 13. Вода у контактному конденсаторі-сепараторі 12 торкається продуктів згоряння і забруднюється ними. Тому суміш конденсату і охолоджуючої води з контактного конденсатора-сепаратора 12 спрямовують у систему очистки води 26, а далі повертають у водонагрівач низького тиску 11. Оскільки у водонагрівачах високого і низького тиску 10 і 11 вода не перетворюється у пару, що не потребує великих затрат теплоти, то суміш газу і пари, яка виходить з цих водонагрівачів, має велику кількість невитраченої теплоти і, що особливо важливо, високу температуру, тобто має високопотенційну теплоту. Щоб вилучити таку теплоту з суміші пару і газу, крізь водонагрівач низького тиску 11 пропускають більшу кількість води, ніж потрібно ввести у проточну частин у парогазотурбінної установки. Надлишок підігрітої води спрямовують у теплообмінник для використання високопотенційної теплоти 14, наприклад, нагрівач нафти перед її транспортуванням по нафтопроводу, де ця вода охолоджується. Оскільки цей надлишок води не забруднюється, його з допомогою перекачувального насосу 15 повз систему очистики 26 повертають у водонагрівач низького тиску 11, а частково подають у контактний теплообмінник проміжного охолодження компресорного повітря 2. Іншу частину цієї води спрямовують у контактний конденсатор-сепаратор 12 з попереднім охолодженням її у водоохолоджувачі 23. Для компенсації втрати води у контактному конденсаторі-сепараторі 12 до водопроводу 17 перед перекачувальним насосом 15 підключена система підживлення води 30. Таким чином, у пропонуємому способі роботи парогазотурбінної установки теплоти вихлопних газів вистачає не тільки для того, щоб підігріти необхідну кількість води до стану перегріву і забезпечити підвищення питомої потужності установки в 2...3 рази, але і для забезпечення високопотенційною теплотою додаткової кількості води, утилізація якої дає можливість довести повний коефіцієнт використання теплоти в парогазотурбінній установці до 90...95%. Оскільки густина води в 600 разів більше густини пари, діаметри водопроводів у пропонуємому обладнанні набагато менші діаметрів паропроводів у відомому обладнанні, що значно зменшує металоємність і спрощує конструкцію і компоновку обладнання. 4 30755 Фіг. __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2002 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 5