Повітряна теплоутилізаційна турбінна установка

Реферат: Повітряна теплоутилізаційна турбінна установка складається з вхідного пристрою, компресора, турбіни компресора, силової турбіни, теплообмінного апарата, вихлопного патрубка, електрогенератора змінного струму. Додатково розміщено байпасну магістраль з регулювальним краном, який знаходиться в контурі теплообмінного апарата, і дросельну заслінку з сервоприводом, яка встановлена в сполучному патрубку між турбіною компресора і силовою турбіною. UA 95897 U (54) ПОВІТРЯНА ТЕПЛОУТИЛІЗАЦІЙНА ТУРБІННА УСТАНОВКА UA 95897 U UA 95897 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до турбомашинобудування, зокрема до газотурбінних установок газоперекачувальних агрегатів, і може бути використана для утилізації теплоти вихлопних газів. Відома теплоутилізаційна установка [1. Патент РФ № 43918 МПК F02C6/00; опубл.10.02.2005. 2. Патент РФ № 34207 МПК F02C6/00, F02C7/08; опубл. 27.11.2003], яка складається з вхідного пристрою, компресора, сполученого з турбіною через мультиплікатор, камери підігріву повітря, встановленої за компресором, патрубка, що сполучає газогенератор з камерою підігріву повітря, силової турбіни, підігрівача вихлопних газів, пристрою перепускання повітря з регулювальним краном, розташованого за компресором, і котла-утилізатора. Газотурбінна приставка має також заслінку-регулятор, камеру змішування та вихлопний пристрій. Заслінка-регулятор призначена для регулювання подачі вихлопних газів газогенератора в камеру підігріву повітря газотурбінної приставки і встановлена в трубопроводі, який під'єднує газогенератор до камери підігріву повітря. Камера змішування розташована між газогенератором і трубопроводом під'єднання газогенератора до камери підігріву повітря. Вихлопний пристрій із заслінками сполучений з камерою змішування і котлом-утилізатором, а заслінки встановлені в місцях під'єднання вихлопного пристрою до камери змішування і котлаутилізатора. Вихлопний пристрій газотурбінної приставки має заслінку для перепускання вихлопних газів. Недоліком даного технічного рішення є складність конструкції, великі габарити і маса, низька ефективність і відсутність автономності роботи газогенератора від газотурбінної приставки, що обумовлене особливостями конструкції газотурбінної приставки, оскільки для зміни величини енергії, що подається в газотурбінну приставку, наприклад, в процесі запуску або виходу на аварійний режим газотурбінної приставки, потрібна зміна режиму роботи газогенератора. Найбільш близьким технічним рішенням, прийнятим нами за прототип, є пристрій для термодинамічного перетворення енергії [Патент РФ № 2158835 С2, МПК F02С6/18, F02С32/10, опубл. 10.11.2000], до якого входить: газогенератор, що забезпечує потік нагрітих газів на виході з нього, щонайменше один повітряний компресор для стиснення навколишнього повітря, теплообмінник, який призначений для передачі теплоти від потоку нагрітих вихлопних газів, що виходять з газогенератора, до стисненого повітря на виході з компресора теплоутилізаційної установки. На виході з теплообмінника встановлена щонайменше одна повітряна турбіна, яка приводить в дію щонайменше один компресор. Кожухотрубний теплообмінник має трубопроводи для передачі теплоти від потоку вихлопних газів до потоку стисненого повітря в теплоутилізаційній установці. Спосіб досягнення максимального загального ККД цього енергетичного пристрою полягає в тому, щоб потоки вихлопних газів з основної газотурбінної установки і стисненого повітря з принаймні одного повітряного компресора теплоутилізаційної установки мали істотно відмінні теплоємності. Для цього вибираються відповідні розміри трубопроводів для потоку вихлопних газів і для потоку стисненого повітря в теплообмінному апараті. Реалізація даного винаходу дозволяє забезпечити максимальне значення ККД установки при частковому навантаженні. Недоліком пристрою для термодинамічного перетворення теплової енергії є те, що в багатьох можливих застосуваннях повітряного рекуперативного циклу об'єднана установка не працює безперервно в режимі повної потужності. Це має місце у тому випадку, коли енергетична установка забезпечує енергією локальну мережу, із змінним навантаженням, наприклад, на морській нафтогазовидобувній платформі. При такому типі застосування енергетичної установки максимальна потужність установки потрібна тільки на короткий проміжок часу. У цих умовах роботи максимальний ККД енергетичної установки при її максимальній потужності не має першорядного значення. В основу корисної моделі поставлена задача вдосконалення теплоутилізаційної установки шляхом додаткового її оснащення байпасною магістраллю з регулювальним краном, який знаходиться в контурі теплообмінного апарата, і дросельною заслінкою з сервоприводом, яка встановлена в сполучному патрубку між турбіною компресора і силовою турбіною, що забезпечить два необхідні регулюючі чинники для забезпечення постійного режиму роботи турбокомпресора, для відповідного максимального значення ККД серійного компресора. Поставлена задача вирішується тим, що повітряна теплоутилізаційна установка, яка складається з вхідного пристрою, компресора, турбіни компресора, силової турбіни, теплообмінного апарата, вихлопного патрубка, електрогенератора змінного струму, згідно з корисною моделлю, додатково містить байпасну магістраль з регулювальним краном, який знаходиться в контурі теплообмінного апарата, і дросельну заслінку з сервоприводом, яка встановлена в сполучному патрубку між турбіною компресора і силовою турбіною. Використання повітряної теплоутилізаційної турбінної установки спільно з газотурбінними приводами потужністю 25…30 МВт та із значенням температури газів, що виходять з основної 1 UA 95897 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 газотурбінної установки, в діапазоні 450…500 °C при оптимальному значенні витрат повітря через допоміжну теплоутилізаційну установку дозволить підвищити ККД використання підведеної теплоти в бінарному циклі Брайтона об'єднаної енергетичної установки при мінімальних значеннях ККД повітряної турбіни на 4…5 % і досягти значень її ККД 38…39,4 %, який не є граничним значенням, і в загальному випадку визначається ступенем теплогідравлічної досконалості теплообмінного апарата теплоутилізаційної установки і ступенем гідродинамічної досконалості повітряної турбіни. Не дивлячись на той факт, що повний ККД повітряного циклу невеликий, доступність і екологічність використовуваного в циклі теплоносія (атмосферного повітря), його універсальністю в будь-яких умовах експлуатації є безперечні переваги у порівнянні з іншими способами утилізації викидної теплоти. Істотною перевагою технічного рішення є також простота конструкції і невисока вартість виробництва повітряної теплоутилізаційної турбінної установки, особливо у разі використання у складі її конструкції, серійних, або знятих з експлуатації елементів турбокомпресора (зокрема, серійних компресорів) і недорогих у виробництві неохолоджуваних турбіни компресора і силової турбіни. На фіг. 1 представлена h-s діаграма бінарного (подвійного) циклу Брайтона з утилізацією теплоти у теплоутилізаційній установці. З діаграми видно, що частина теплоти, яка відводиться з основного циклу газотурбінної установки, утилізується циклом допоміжної повітряної теплоутилізаційної установки. На фіг. 2 представлена принципова схеми повітряної теплоутилізаційної установки, яка складається з: вхідного пристрою 1, компресора 2, турбіни компресора 3, силової турбіни 4, теплообмінного апарата 5, байпасної магістралі з регулювальним краном 6, дросельної заслінки між турбіною компресора і силовою турбіною 7, вихлопного патрубка 8, електрогенератора змінного струму 9 та сервопривода дросельної заслінки 10. Цикл повітряної теплоутилізаційної турбінної установки (фіг. 1) складається з наступних термодинамічних процесів: процесу адіабатного стиснення робочого тіла в компресорі із збільшенням його температури; процесу нагрівання повітря в теплообмінному апараті, де робоче тіло нагрівається за рахунок теплоти газу, що виходить з газової турбіни основного газотурбінного двигуна перекачуючої магістралі, процесу розширення повітря в повітряній турбіні компресора і в силовій турбіні. Газова турбіна складається з турбіни компресора і силової турбіни. Турбіна компресора виробляє потужність, яка використовується для обертання компресора, силова турбіна призначена для приведення в дію електрогенератора змінного струму. Пропонована повітряна теплоутилізаційна турбінна установка працює таким чином. Атмосферне повітря надходить через вхідний пристрій теплоутилізаційної установки 1 в осьовий компресор 2, потім після завершення процесу стискування повітря в компресорі нагрівається в теплообмінному апараті 5 за рахунок теплоти гарячих газів, що виходять з основної привідної газотурбінної установки і надходить в повітряну турбіну компресора, а потім в силову турбіну, яка приводить в дію генератор змінного струму. Байпасний канал з регулюючим краном 6 і дросельною заслінкою 7, яка розташована між турбіною компресора і силовою турбіною у складі системи автоматичного регулювання, забезпечують два необхідні регулюючі чинники для забезпечення постійного режиму роботи турбокомпресора, для відповідного максимального значення ККД серійного компресора, використовуваного у складі теплоутилізаційної установки. У зв'язку з цим пропонується схема теплоутилізаційної установки номінальною потужністю 1 МВт, в якій як робоче тіло використовується атмосферне повітря. Особливістю повітряної теплоутилізаційної турбінної установки є використання у складі її турбокомпресорної частини осьового компресора двигуна ДЖ59, який серійно виготовляється промисловістю [Двигатель ДЖ59Л3.2. Руководство по эксплуатации. Описание и работа ДЖ59 108210 РЭ // Государственное предприятие научно-производственный комплекс газотурбостроения "Зоря" - "Машпроект". - 110 с.], що істотно здешевлює вартість допоміжної повітряної теплоутилізаційної турбінної установки і дозволить забезпечити скорочення термінів та зменшення витрат на її розробку і практичне впровадження. Технічним рішенням розглядається можливість використання у складі теплоутилізаційної установки серійного компресора двигуна ДЖ59, який зарекомендував себе високою надійністю в процесі його експлуатації, на частковому режимі його роботи, при якому досягаються максимальні значення його ККД при значеннях ступеня підвищення тиску менше розрахункових. При цьому повітряна турбіна компресора і силова турбіна, що приводить в дію електрогенератор змінного струму, є неохолоджуваними (враховуючи невисокі значення ступеня підігріву повітря на вході в турбіну в теплообмінному апараті повітряної теплоутилізаційної установки) і спеціально спроектованими для режиму оптимального значення витрати повітря через теплоутилізаційну установку. 2 UA 95897 U Комплекс запропонованих технічних рішень дозволяє істотно знизити вартість процесу проектування, виробництва, а також забезпечити високу термодинамічну ефективність повітряної теплоутилізаційної турбінної установки для газотурбінних приводів газотранспортної системи. 5 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 Повітряна теплоутилізаційна турбінна установка, що складається з вхідного пристрою, компресора, турбіни компресора, силової турбіни, теплообмінного апарата, вихлопного патрубка, електрогенератора змінного струму, яка відрізняється тим, що додатково містить байпасну магістраль з регулювальним краном, який знаходиться в контурі теплообмінного апарата, і дросельну заслінку з сервоприводом, яка встановлена в сполучному патрубку між турбіною компресора і силовою турбіною. Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3