Система з турбіною внутрішнього згоряння для вироблення енергії (варіанти) та спосіб підвищення потужності турбінного вузла внутрішнього згоряння

1. Система з турбіною внутрішнього згоряння для вироблення енергії, яка містить: турбінний вузол внутрішнього згоряння, який включає в себе основний компресор, сконструйований і виконаний з можливістю заходження в нього оточуючого повітря, основну турбіну зі ступенями тиску, функціонально зв'язану з основним компресором, камери згоряння, сконструйовані і виконані з можливістю заходження в них стисненого повітря з основного компресора і живлення основної турбіни зі ступенями тиску, і електричний генератор, зв'язаний з основною турбіною зі ступенями тиску для вироблення електричної енергії; сховище для зберігання стисненого повітря; теплообмінник, сконструйований і виконаний з можливістю заходження джерела тепла, а також заходження стисненого повітря зі сховища для нагрівання її стисненого повітря, що заходить зі сховища; і повітряний детандер, зв'язаний з теплообмінником, сконструйований і виконаний з можливістю розширення нагрітого стисненого повітря для одержання додаткової електричної енергії, яка відрізняється тим, що повітряний потік детандера відводиться з детандера і вводиться в турбінний вузол внутрішнього згоряння вище за потоком камер згоряння, при цьому повітряний потік, що вводиться і відводиться, являє собою частину повітряного потоку з першого ступеня детандера, з параметрами повітряного потоку, що вводиться, які узгоджуються з 2 (19) 1 3 88929 4 потоку повітря, яке розширюється засобом для розширення. 6. Система за п. 5, яка відрізняється тим, що засіб для розширення являє собою повітряний детандер. 7. Система за п. 5, яка відрізняється тим, що засіб для нагрівання являє собою теплообмінник, сконструйований і виконаний з можливістю заходження вихлопу з основної турбіни зі ступенями тиску, утворюючи джерело тепла. 8. Система за п. 5, яка відрізняється тим, що засіб для зберігання являє собою підземне сховище повітря. 9. Система за п. 8, яка відрізняється тим, що додатково містить щонайменше один допоміжний компресор для зарядки сховища повітря. 10. Спосіб підвищення потужності турбінного вузла внутрішнього згоряння, при цьому турбінний вузол внутрішнього згоряння включає в себе основний компресор, сконструйований і виконаний з можливістю заходження в нього оточуючого повітря, основну турбіну зі ступенями тиску, функціонально зв'язану з основним компресором, камери згоряння, сконструйовані і виконані з можливістю заходження стисненого повітря з основного компресора і живлення основної турбіни зі ступенями тиску, а також електричний генератор, зв'язаний з основ ною турбіною зі ступенями тиску для вироблення електричної енергії, при якому: подають стиснене повітря зі сховища стисненого повітря; нагрівають за допомогою джерела тепла стиснене повітря, що надходить зі сховища; розширюють нагріте стиснене повітря в повітряному детандері для одержання додаткової електричної енергії; і відводять повітряний потік з детандера і вводять відведений повітряний потік в турбінний вузол внутрішнього згоряння вище за потоком камер згоряння, який відрізняється тим, що повітряний потік, що вводиться і відводиться, являє собою частину повітряного потоку з першого ступеня детандера, при цьому параметри повітряного потоку, що вводиться, узгоджують з параметрами потоку основного компресора в місці введення, а іншу частину повітряного потоку розширюють за допомогою щонайменше одного другого ступеня детандера до атмосферною тиску. 11. Спосіб за п. 10, який відрізняється тим, що при нагріванні використовують тепло вихлопу від основної турбіни зі ступенями тиску. 12. Спосіб за п. 10, який відрізняється тим, що додатково одержують електричну енергію за допомогою використання електричного генератора, зв'язаного з детандером. Цей винахід належить до підвищення потужності енергетичних систем з турбінами внутрішнього згоряння за допомогою накопичення енергії стисненого повітря і додаткового детандера, а точніше до підвищення потужності системи за допомогою розширення нагрітого стисненого під високим тиском повітря з місця зберігання для одержання додаткової потужності від детандера, з відведенням при цьому повітряного потоку з детандера і введенням відведеного повітряного потоку в турбіну внутрішнього згоряння вище за потоком камер згоряння для підвищення потужності турбіни. Добре відомо, що в турбінах внутрішнього згоряння відбувається значне зниження потужності, пов'язане з підвищеною температурою оточуючого середовища або з великими висотами. Ця втрата потужності головним чином пов'язана із зменшеною масою повітряного потоку турбіни внутрішнього згоряння, яка викликана зменшеною щільністю вхідного повітря. Існує множина технологій підвищення потужності, метою яких є відновлення втрат потужності турбін внутрішнього згоряння, що відбуваються внаслідок високих навколишніх температур або великої висоти: технологія підвищення потужності за допомогою введення повітря, яка заснована на введенні вище за потоком камер згоряння додаткового повітряного потоку (вологого або сухого), який подають за допомогою зовнішнього допоміжного компресора (компресорів); використання охолоджувачів на вході, які охолоджують навколишнє повітря і забезпечують відповідне підвищення потужності; технології використання випарних охолоджувачів, утворення туману на вході і «вологого стиснення», які забезпечують підвищення потужності за допомогою поєднання охолоджування повітря на вході і потоку підвищеної маси через турбіну внутрішнього згоряння; технологія підвищення потужності за допомогою введення повітря, розкрита в патенті США №5934063, повний зміст якого включений сюди за допомогою посилання, заснована на введенні повітря вище за потоком камер згоряння, використовуючи накопичену енергію стисненого повітря. Однак стиснене повітря в накопичувачі звичайно має значно більший тиск, ніж той, який необхідний для введення повітря для підвищення потужності. Таким чином, існує необхідність у використанні накопиченого стисненого повітря під високим тиском для подальшого удосконалення, яке стосується зростання потужності, і для підвищення загальної теплової потужності системи. Метою винаходу є задоволення згаданої вище потреби. Згідно з принципами даного винаходу ця мета досягнута за допомогою створення системи вироблення енергії, яка включає в себе турбінний вузол внутрішнього згоряння, що містить основний компресор, сконструйований і виконаний з можливістю заходження в нього оточуючого повітря, основну турбіну зі ступенями тиску, функціонально зв'язану з основним компресором, камери згорян 5 ня, сконструйовані і виконані з можливістю заходження стисненого повітря з основного компресора і живлення основної турбіни зі ступенями тиску, і електричний генератор, зв'язаний з основною турбіною зі ступенями тиску для вироблення електричної енергії. Зберігання стисненого повітря здійснюється в сховищі. Сконструйований і встановлений теплообмінник, призначений для заходження в нього джерела тепла, а також для заходження стисненого повітря зі сховища для нагрівання стисненого повітря, що поступає зі сховища. З теплообмінником зв'язаний повітряний детандер, який сконструйований і виконаний з можливістю розширення нагрітого стисненого повітря для одержання додаткової електричної енергії. Повітряний потік, що відводиться з детандера, вводиться в турбінний вузол внутрішнього згоряння вище за потоком камер згоряння, при цьому параметри повітряного потоку, що вводиться, узгоджуються з параметрами потоку основного компресора в місці введення. Згідно з іншим аспектом винаходу створений спосіб підвищення потужності турбінного вузла внутрішнього згоряння. Турбінний вузол внутрішнього згоряння включає в себе основний компресор, сконструйований і виконаний з можливістю заходження в нього оточуючого повітря, основну турбіну зі ступнями тиску, функціонально зв'язану з основним компресором, камери згоряння, сконструйовані і виконані з можливістю заходження стисненого повітря з основного компресора і живлення основної турбіни зі ступенями тиску, а також електричний генератор, зв'язаний з основною турбіною зі ступнями тиску для вироблення електричної енергії. Спосіб дозволяє забезпечити постачання стисненим повітрям зі сховища стисненого повітря. Стиснене повітря, що поступає зі сховища, нагрівають. Нагріте стиснене повітря розширюють в повітряному детандері для одержання додаткової електричної енергії. Повітряний потік відводять з Детандера і вводять в турбінний вузол внутрішнього згоряння вище за потоком камер згоряння, при цьому параметри повітряного потоку, що вводиться, узгоджують з параметрами потоку основного компресора в місці введення. Інші цілі, відмітні ознаки і характеристики даного винаходу, а також способи роботи і функції зв'язаних елементів конструкції, поєднання частин і рентабельність виготовлення будуть більш зрозумілі після прочитання нижченаведеного докладного опису винаходу і формули винаходу, виконаних з посиланням на прикладені креслення, що складають частину даного опису. Винахід можна буде краще зрозуміти з подальшого докладного опису переважних варіантів його здійснення при їх розгляді спільно з прикладеними кресленнями, на яких подібні деталі позначені однаковими посилальними позиціями. На кресленнях: Фіг.1 - схематичний вигляд системи вироблення енергії, яка містить турбіну внутрішнього згоряння, з підвищенням потужності за допомогою використання сховища стисненого повітря, що забезпечує подачу стисненого повітря, заздалегідь нагрітого в теплообміннику, до детандера, який 88929 6 забезпечує розширення повітря для одержання додаткової потужності, причому повітряний потік, що виходить з детандера, вводять вище за потоком камер згоряння відповідно до принципів даного винаходу; і Фіг.2 - схематичний вигляд системи вироблення енергії, яка містить турбіну внутрішнього згоряння, з підвищенням потужності за допомогою використання сховища стисненого повітря, що забезпечує подачу стисненого повітря, заздалегідь нагрітого в теплообміннику, до детандера, який забезпечує розширення повітря для одержання додаткової потужності, причому повітряний потік, що відводиться зі ступеня детандера, вводять вище за потоком камер згоряння відповідно до іншого варіанта здійснення даного винаходу. На Фіг.1 показана система вироблення енергії з турбіною внутрішнього згоряння, що забезпечує підвищення потужності, яка загалом позначена посилальною позицією 10 і виконана згідно з варіантом здійснення даного винаходу. Система 10 включає в себе звичайний турбінний вузол внутрішнього згоряння, загалом позначений посилальний позицією 11, що містить основний компресор 12, в підвід 13 якого заходить повітря при температурі оточуючого середовища, і який живить камери 16 згоряння стисненим повітрям, основну турбіну 14 зі ступенями тиску, функціонально зв'язану з основним компресором 12, при цьому камери 16 згоряння живлять основну турбіну 14 зі ступнями тиску, і електричний генератор 15 для вироблення електричної енергії. При цьому, є сховище 18 стисненого повітря, яке переважно являє собою підземну конструкцію, яка дозволяє зберігати повітря, що стискається за допомогою щонайменше одного допоміжного компресора 20. У варіанті здійснення винаходу допоміжний компресор 20 приводять в дію за допомогою двигуна 21, хоч він може бути приведений в дію за допомогою детандера або іншого джерела. Допоміжний компресор 20 заряджає сховище стисненим повітрям протягом позапікових часів роботи. Відвід 22 зі сховища 18 переважно сполучений з теплообмінником 24. У теплообмінник 24 також заходить повітря 25, що випускається з основної турбіни 14 зі ступенями тиску. Замість повітря 25, що випускається з основної турбіни 14, або на доповнення до нього в теплообмінник 24 може заходити будь-яке зовнішнє джерело тепла, що є в наявності. Відвід 26 з теплообмінника 24 сполучений з детандером 28, який сполучений з електричним генератором 30. Згідно з варіантом здійснення винаходу протягом пікових часів роботи стиснене повітря, що забирається зі сховища 18, заздалегідь нагрівають в теплообміннику 24 і подають до детандера 28. Нагріте повітря розширяється в детандері 28, який сполучений з електричним генератором 30 і створює додаткову потужність. Вихідний потік з детандера 28 з параметрами, які визначаються обмеженнями і оптимізацією, що стосуються турбіни внутрішнього згоряння, вводять в турбінний вузол 11 вище за потоком камер 16 згоряння. Таким чином, як показано на Фіг.1, конструкція 32 сполучається з конструкцією 35 для 7 сприяння введенню повітря. У цьому варіанті конструкції 32 і 35 переважно являють собою трубні конструкції. Звичайне сумарне збільшення потужності турбіни внутрішнього згоряння, пов'язане з технологією введення повітря, становить 20-25%. Додаткова потужність додаткового детандера 28, діючого при повітряному потоці, що вводиться, який приблизно становить 12-14% (вхідного потоку турбінного вузла внутрішнього згоряння), з використанням стисненого повітря, що зберігається при тиску на вході, який приблизно становить 60-80бар (звичайний тиск стисненого повітря, що зберігається), заздалегідь нагрітого в теплообміннику 24 до вхідної температури приблизно 480-500°С, приблизно становить 5-10% потужності турбінного вузла 11 внутрішнього згоряння. Наприклад, вузол з турбіною внутрішнього згоряння GE 7241, працюючий при 35°С, може забезпечити сумарне збільшення потужності, що приблизно становить 38-40МВт при потоку повітря, що вводиться, який приблизно складає 12% від вхідного потоку турбінного вузла внутрішнього згоряння; додаткова потужність детандера 28 приблизно становить 10МВт при сумарному збільшенні потужності, яке приблизно складає 48-50МВт. Теплова потужність системи 10 вироблення енергії зменшена внаслідок того, що потужність додаткового детандера 28 забезпечують без якого-небудь додаткового потоку палива, тобто при нульовій тепловій потужності. Система 10 містить наступні додаткові компоненти (по відношенню до початкового варіанта здійснення конструкції з турбінним вузлом 11 внутрішнього згоряння, зі сховищем 18 стисненого повітря і із зарядним компресором 20): додатковий повітряний детандер 28; теплообмінник 24, який одержує тепло, що виходить, турбіни 14 внутрішнього згоряння і живить детандер 28; трубопроводи і спеціальні пристрої не основного обладнання системи. Загальні параметри системи 10 оптимізовані на основі загальних економічних показників установки, включаючи: капітальні і експлуатаційні витрати на додаткові компоненти; підвищення потужності турбіни внутрішнього згоряння; забезпечення додаткової пікової потужності детандера 28. На Фіг.2 показаний інший варіант здійснення системи 10’, який подібний до варіанта здійснення винаходу згідно з Фіг.1, за винятком того, що додатковий детандер 28 розширює підігріте стиснене повітря, що зберігається, від тиску зберігання до атмосферного тиску, що приводить до більш високої потужності. Крім того, швидкість потоку в детандері не обмежена швидкістю впускання, яка забезпечується конкретним турбінним вузлом внутрішнього згоряння. Далі, повітря, яке повинно бути введене в турбінний вузол внутрішнього згоряння з певними параметрами для підвищення потужності, відводять з детандера 28 з певними параметрами. 88929 8 Як показано на Фіг.2, стиснене повітря зі сховища 18 направляють до теплообмінника 24, який одержує тепло від джерела тепла (наприклад, від вихлопу турбіни 14). Нагріте повітря розширяється в детандері 28, який сполучений з електричним генератором 30 і створює додаткову потужність. Повітряний потік детандера 28 піддають оптимізації, і він може бути таким же сильним, як і вхідний потік турбіни внутрішнього згоряння. Детандер 28 має засоби для плину повітряного потоку, що відводиться з нього, з параметрами, які узгоджуються з вимогами технології впускання повітря, обмеженнями, що визначаються, які стосуються турбінного вузла внутрішнього згоряння. Іншими словами, параметри потоку, що вводиться, узгоджуються з параметрами потоку основного компресора 12 в місці введення. Потік повітря, що відводиться, вводять через конструкцію 33 в турбінний вузол 11 внутрішнього згоряння (за допомогою конструкції 35) вище за потоком камер 16 згоряння, при цьому збільшення потужності турбіни внутрішнього згоряння приблизно становить 2025%. Інший повітряний потік в детандері 28 розширяється за допомогою ступенів низького тиску до атмосферного тиску. Додаткова потужність детандера є предметом оптимізації, і вона може дорівнювати потужності турбіни внутрішнього згоряння. Наприклад, для турбіни внутрішнього згоряння GE 7241, діючої при 35°С, сумарне збільшення потужності може приблизно становити 38-40МВт при повітряному потоці, що відводиться (з додаткового детандера 28) і вводиться, який приблизно складає 12% вхідного потоку турбіни внутрішнього згоряння; додаткова потужність детандера може бути такою ж високою, як і потужність турбіни внутрішнього згоряння, і є предметом оптимізації. Використання детандера 28 може бути забезпечене в турбіні внутрішнього згоряння/електростанції з комбінованим циклом. Ця система переважно включає в себе наступні додаткові (по відношенню до турбінного вузла 11 внутрішнього згоряння, сховища 18 стисненого повітря і зарядного компресора 20) компоненти: повітряний детандер 28; теплообмінник 24 для одержання тепла вихлопу турбіни 14 внутрішнього згоряння і живлення детандера 28; трубопроводи і спеціальні пристрої не основного обладнання системи. Наведені вище переважні варіанти здійснення винаходу показані і описані для ілюстрації конструктивних і функціональних принципів даного винаходу, а також для ілюстрації способів застосування переважних варіантів, при цьому вони можуть бути піддані змінам без відхилення від цих принципів. Отже, даний винахід включає в себе будь-які модифікації, що входять в об'єм наведеної далі формули винаходу. Фіг.1 Підвід/атмосферне повітря, 35°С, 435кг/сек. Паливо, 22 фунти/сек. Генератор Пакет Підземне сховище стисненого повітря 9 88929 Фіг.2 Підвід/атмосферне повітря, 35°С, 435кг/сек. Паливо, 22 фунти/сек. Комп’ютерна верстка А. Рябко 10 Генератор Пакет Підземне сховище стисненого повітря Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601