Спосіб охолодження циклового повітря в енергетичній установці

Реферат: UA 69273 U UA 69273 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Спосіб належить до галузі турбінобудування, а також може бути використаний як метод управління потужністю газової турбіни за рахунок подачі води в потік циклового повітря. В патенті США № 6216443, F02C 7/04, 2001 рік, подача води відбувається на вході в компресор низького тиску, за рахунок чого реалізується вигідний з термодинамічної точки зору процес стиснення з одночасним охолодженням повітря ("вологе стиснення"). В результаті підвищується потужність та ефективний ККД енергоустановки. Підвищення параметрів роботи енергоустановки відбувається в основному завдяки двом факторам: - за рахунок випаровування води відбувається охолодження потоку повітря, що зменшує споживання енергії на привід компресора; - впорснута вода у вигляді пари збільшує кількість робочого тіла в циклі енергоустановки. Але в той же час даний спосіб охолодження повітря має наступні недоліки. По-перше, за рахунок відцентрових сил відбувається значна сепарація впорснутих крапель на корпус компресора, що значно зменшує площу змоченої поверхні лопаток, з якої відбувається випаровування води. При цьому можна говорити про доволі незначну кількість води, яку можна впорснути в повітря вказаним способом. За наведеними даними вона не повинна перевищувати 2…5 % від витрати повітря через компресор. Так як при подачі більшої кількості вода не встигає випаровуватися в проточній частині компресора і у вигляді плівки сповзає по його корпусу в камеру згорання, де довипаровується за рахунок теплоти палива, що відразу зменшує коефіцієнт корисної дії установки. По-друге, в результаті подачі та випаровування води в проточній частині компресора виникає загроза утворення на лопатках шару накипі. В результаті цього до води пред'являються дуже високі вимоги. По-третє, в результаті впорскування води спостерігається неоднорідність поля температур, що може призводити до значного ускладнення в роботі установки і навіть виходу з ладу окремих деталей. В розглянутій роботі пропонується встановлення додаткового складного обладнання (система моніторингу), що дозволить відслідковувати негативні наслідки впорскування води для оптимізації процесу охолодження або пропонується кожні 15-20 хвилин робити перерву у подачі води. По-четверте, впорснута вода разом з відпрацьованими газами викидається в атмосферу, що вимагає значних витрат на водопідготовку води. В основу корисної моделі поставлена задача створити спосіб охолодження циклового повітря енергетичної установки шляхом впорскування насиченої води на встановлену в перехідник між компресорами низького та високого тиску насадку, який дозволить збільшити кількість впорснутої води в циклове повітря, вирішити проблему підживлення та підготовки води, що впорскується і, як наслідок, збільшити потужність та ККД енергоустановки. Поставлена задача вирішується тим, що в способі охолодження циклового повітря, що включає контактне випаровування води, відповідно до корисної моделі, воду попередньо нагрівають до температури насичення в процесі утилізації теплоти відпрацьованих газів та подають на встановлену в потік циклового повітря насадку. На фіг. 1 зображена теплова схема енергетичної установки для реалізації способу охолодженням циклового повітря насиченою водою. Вона складається з компресора низького тиску 1, який своїм входом сполучений з атмосферою, а своїм виходом з'єднаний з перехідником 2 з сітчастою насадкою 3 між компресорами, на яку через форсунки 4 відбувається розпилення насиченої води. При цьому своїм виходом по повітрю перехідник з'єднаний з компресором високого тиску 5, який в свою чергу своїм виходом сполучений з камерою згорання 6 газотурбінного двигуна. Одночасно при цьому камера згорання 6 своїм входом підключена до системи живлення паливом 7 і енергетичного впорскування пари 8, а своїм виходом по відпрацьованим газам підключена до газової турбіни високого тиску 9. Турбіна високого тиску 9 своїм виходом підключена до турбіни низького тиску 10, яка в свою чергу своїм виходом підключена до силової турбіни 11, котра своїм виходом підключена до генератора електричної (механічної) енергії 12 і одночасно по відпрацьованих газах підключена до котла-утилізатора 13, який, в свою чергу, по відпрацьованих газах через конденсатор води 14 з'єднаний з атмосферою. При цьому, котел-утилізатор 13 включає: економайзер 15, підключений по воді через живильний насос 16 та бак живильної води 17 до конденсатору води 13; випарник 17 і пароперегрівач 18, котрий своїм виходом підключений до енергетичного впорскування пари 8 в камеру згорання 6, а входом до барабана-сепаратора 20, котрий по воді підключений до входу випарника 18 і виходу економайзера 14, а по парі підключений до виходу випарника 18 і входу пароперегрівача 19. Крім того барабан-сепаратор 20 по воді підключений через регулюючий 1 UA 69273 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 клапан 21 до форсунок 4 подачі насиченої води на сітчасту насадку 3 в перехіднику 2 між компресорами. На фіг. 2 зображено сітчасту насадку 3, яка встановлена в перехіднику 2 між компресором низького тиску 1 і компресором високого тиску 5. її будова (див. фіг. 3) представляє собою почергово встановлені гладкі сітчасті циліндри 22 і гофровані сітчасті циліндри 23. Спосіб охолодження циклового повітря реалізується наступним чином. Компресор низького тиску 1 забирає повітря з атмосфери, стискує його і подає в перехідник 2 між компресорами низького та високого тиску. В перехіднику встановлено сітчасту насадку 3, на яку розпилюється через форсунки 4 надлишкова насичена вода, яка забирається через регулюючий вентиль 21 і барабан-сепаратор 20 з економайзера 15 котла-утилізатора 13. Після перехідника охолоджене за рахунок подачі води насичене повітря стискується в компресорі високого тиску 5 і подається в камеру згорання 6. Отримана в процесі горіння парогазова суміш проходить через турбіну високого тиску 9, турбіну низького тиску 10 і силову турбіну 11, яка приводить в дію генератор електричної енергії 12, надходить на вхід котла-утилізатора 13 та проходить через конденсатор 14, в якому відбувається конденсація водяної пари, яка була впорснута в перехіднику між компресорами та в камері згорання. Відпрацьовані гази викидаються в атмосферу, а сконденсована вода за допомогою живильного насосу 16 забирається з баку живильної води 17 і подається на вхід економайзера 15 котла-утилізатора 13. При цьому витрата води через економайзер 15 перевищує кількість, що необхідна для реалізації парогазового циклу. В результаті в економайзері 15 утворюється надлишок насиченої води, на випаровування якої не вистачає потенціалу теплоти відпрацьованих газів, тому в барабані-сепараторі 20 відбувається розділення води на два потоки. Перший потік через випарник 18 і пароперегрівач 19 подається в камеру згорання 6 як енергетична пара 8. А другий потік (надлишкова насичена вода) через регулюючий вентиль 21 і форсунки 4 подається на сітчасту насадку 3, що встановлена в перехіднику 2 між компресорами високого та низького тиску. Розпилена вода повзе у вигляді плівки між сітчастими циліндрами 22 і 23 та випаровується у потоці циклового повітря, що рухається через насадку. При цьому витрата води регулюється в залежності від температури навколишнього середовища. Запропонований спосіб охолодження циклового повітря енергетичної установки пройшов аналітичне і експериментальне дослідження, котрі дозволили з'ясувати наступне: 1) за рахунок більш глибокої утилізації теплоти в котлі-утилізаторі енергетичної установки утворюється надлишок насиченої води, на випаровування якої не вистачає потенціалу теплоти відпрацьованих газів; 2) отриману надлишкову насичену воду вдається випарувати в перехіднику між компресорами низького та високого тиску, в результаті чого збільшується об'єм робочого тіла в циклі енергоустановки; 3) при цьому для перетворення надлишкової насиченої води в пару використовується не тільки її власна внутрішня теплота, а і теплота циклового повітря, яка виділяється при його охолодженні між компресорами; 4) завдяки встановленню насадки значно інтенсифікується теплообмін, що забезпечує можливість досягти практично повного насичення повітря (=100 %); 5) процес охолодження повітря повністю протікає в межах перехідника між компресорами, в результаті зникають негативні наслідки, що мають місце при впорскуванні води в зону безпосереднього стиснення; 6) для енергетичної установки з ступенем стиснення компресору низького тиску k=47 витрата насиченої води становить близько 8 % від витрати циклового повітря; 7) за рахунок зниження температури повітря на вході в компресор високого тиску значно зменшується споживання роботи, котра витрачається на його привод, в результаті чого зростає ефективність та ККД енергоустановки; 8) більш глибока утилізація теплоти дозволяє спростити повернення в цикл впорснутої води за рахунок охолодження відпрацьованих газів нижче точки роси; 9) за рахунок конденсації впорснутої води відпадає необхідність у постійній підготовці води для підживлення. Перелічені фактори підвищують ефективний коефіцієнт корисної дії і питому потужність енергетичної установки. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 60 Спосіб охолодження циклового повітря в енергетичній установці, що включає контактне випаровування води, який відрізняється тим, що воду попередньо нагрівають до температури 2 UA 69273 U насичення в процесі утилізації теплоти відпрацьованих газів та подають на встановлену в потік циклового повітря насадку. 3 UA 69273 U Комп’ютерна верстка М. Ломалова 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 4