Система з турбіною внутрішнього згоряння для вироблення енергії (варіанти) та спосіб зниження температури повітря на вході в турбінний вузол внутрішнього згоряння

1. Система з турбіною внутрішнього згоряння для вироблення енергії, яка містить: турбінний вузол внутрішнього згоряння, включаючий 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, камеру згоряння, сконструйовану і виконану з можливістю заходження в неї 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; конструкцію для зменшення тиску, сконструйовану і виконану з можливістю зменшення тиску стисненого повітря від джерела стисненого повітря до атмосферного тиску і зниження таким чином температури стисненого повітря від джерела стисненого повітря до температури, яка нижче температури оточуючого середовища, коли відбувається його випускання з конструкції для зменшення тиску; і конструкцію, зв'язану з конструкцією для зменшення тиску, сконструйовану і виконану з можливістю перемішування повітря, що випускається з конструкції для зменшення тиску, і вхідного оточуючого повітря для зниження температури повітря на вході в основний компресор. 2. Система за п. 1, яка відрізняється тим, що конструкцією для зменшення тиску є повітряний детандер. 3. Система за п. 2, яка відрізняється тим, що додатково містить теплообмінник, сконструйований і 2 (19) 1 3 86469 4 середовища, коли відбувається його випуск із засобу для зменшення тиску; і засіб, зв'язаний із засобом для зменшення тиску, для перемішування повітря, що випускається з конструкції для зменшення тиску, і вхідного оточуючого повітря для зниження температури повітря на вході в основний компресор. 11. Система за п. 10, яка відрізняється тим, що засобом для зменшення тиску є детандер. 12. Система за п. 11, яка відрізняється тим, що додатково містить теплообмінник, сконструйований і виконаний з можливістю одержання тепла від джерела тепла і заходження в нього стисненого повітря з джерела стисненого повітря, при цьому детандер сконструйований і виконаний з можливістю заходження в нього стисненого повітря, нагрітого за допомогою теплообмінника. 13. Система за п. 12, яка відрізняється тим, що в теплообмінник заходить вихлоп з основної турбіни зі ступенями тиску, яка створює тим самим джерело тепла. 14. Система за п. 10, яка відрізняється тим, що додатково містить сховище повітря, яке створює джерело стисненого повітря. 15. Система за п. 14, яка відрізняється тим, що додатково містить щонайменше один допоміжний компресор для зарядки сховища повітря. 16. Система за п. 10, яка відрізняється тим, що додатково містить щонайменше один допоміжний компресор, який створює джерело стисненого повітря. 17. Система за п. 11, яка відрізняється тим, що додатково містить електричний генератор, з'єднаний з детандером для вироблення електричної енергії. 18. Система за п. 10, яка відрізняється тим, що засобом для перемішування є трубопровід, приєднаний між виходом засобу для зменшення тиску і входом для повітря в основний компресор. 19. Спосіб зниження температури повітря на вході в турбінний вузол 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 компресо ром, камеру згоряння, сконструйовану і виконану з можливістю заходження в неї 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, при якому: забезпечують джерело стисненого повітря; знижують тиск стисненого повітря з джерела до атмосферного тиску і знижують таким чином температуру стисненого повітря з джерела до температури, яка нижче температури оточуючого середовища; і перемішують стиснене повітря при температурі, яка нижче температури оточуючого середовища, з навколишнім повітрям на вході для зниження температури повітря на вході в основний компресор. 20. Спосіб за п. 19, який відрізняється тим, що додатково перед зменшенням тиску нагрівають стиснене повітря з джерела стисненого повітря. 21. Спосіб за п. 20, який відрізняється тим, що при нагріванні стисненого повітря використовують теплообмінник, в який заходить стиснене повітря з джерела, а також заходить вихлоп з основної турбіни зі ступенями тиску. 22. Спосіб за п. 19, який відрізняється тим, що при нагріванні стисненого повітря з його джерела використовують теплообмінник, в який заходить стиснене повітря з джерела і який одержує тепло від джерела тепла. 23. Спосіб за п. 19, який відрізняється тим, що джерелом стисненого повітря є сховище повітря. 24. Спосіб за п. 19, який відрізняється тим, що джерелом стисненого повітря є щонайменше один допоміжний компресор. 25. Спосіб за п. 19, який відрізняється тим, що при зменшенні тиску розширюють стиснене повітря від джерела стисненого повітря. 26. Спосіб за п. 25, який відрізняється тим, що при розширенні стисненого повітря використовують детандер і додатково використовують електричний генератор, зв'язаний з детандером, при цьому генератор конструюють і виконують з можливістю заходження в нього повітря, що розширяється за допомогою детандера, для вироблення електричної енергії. Даний винахід належить до енергетичних систем з турбіною внутрішнього згоряння і, зокрема, до підвищення потужності системи за допомогою зниження температури повітря на вході основного компресора системи. Добре відомо, що в системах з турбінами внутрішнього згоряння, що служать для вироблення енергії, відбувається значне пониження потужності, пов'язане із збільшеною температурою оточуючого середовища або з великими висотами. Ця втрата потужності головним чином пов'язана із зменшенням маси вхідного повітряного потоку систем з турбінами внутрішнього згоряння для вироблення енергії, яке викликано зниженою щільністю вхідного атмосферного повітря. Існує множина технологій, які заздалегідь доводять вхідне повітря до необхідного стану для відновлення потужності, що втрачається турбінами внутрішнього згоряння внаслідок високих атмосферних температур/великої висоти. Наприклад, використання випарних охолоджувачів, технологій створення туману на вході і «вологого стиснення» забезпечують підвищення потужності за допомогою поєднання зволоження і охолоджування повітря на вході і пов'язаного з цим збільшення витрати через турбіну внутрішнього згоряння. Однак цей тип охолоджування повітря на вході обмежений в 5 тих районах, в яких води немає в кількостях, які забезпечують її достатню подачу. Охолоджувачі на вході також виконують обробку атмосферного повітря за допомогою його охолоджування, забезпечуючи при цьому відповідну підвищену витрату і збільшення потужності. Однак з такими охолоджувачами пов'язані високі матеріальні витрати, а також експлуатаційні витрати і витрати на проведення технічного обслуговування. Таким чином, є необхідність в охолоджуванні повітря на вході турбіни внутрішнього згоряння за допомогою його перемішування з холодним повітрям, що відводиться, наприклад, з виходу зовнішнього повітряного детандера, із забезпеченням при цьому ефективного альтернативного варіанта підвищення потужності: підвищення потужності системи вироблення енергії з турбіною внутрішнього згоряння за рахунок додаткової потужності, що створюється детандером. Метою даного винаходу є задоволення вказаної вище потреби. Згідно з принципами даного винаходу ця мета досягнута за допомогою створення системи з турбіною внутрішнього згоряння, що служить для вироблення енергії, яка включає в себе турбінний вузол внутрішнього згоряння, що має основний компресор, сконструйований і виконаний з можливістю заходження в його підвід атмосферного повітря, основну турбіну зі ступенями тиску, функціонально зв'язану з основним компресором, камеру згоряння, сконструйовану і виконану з можливістю заходження в неї 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. Конструкція для зменшення тиску сконструйована і виконана з можливістю зменшення тиску стисненого повітря, що поступає з джерела стисненого повітря, до атмосферного тиску і таким чином зменшення температури стисненого повітря, що поступає з джерела стисненого повітря, до температури, яка нижче температури оточуючого середовища, коли воно виходить з конструкції для зменшення тиску. Є конструкція, пов'язана з конструкцією, що служить для зменшення тиску, виконана з можливістю перемішування повітря, що випускається з конструкції для зменшення тиску, і атмосферного повітря для зниження температури повітря на вході в основний компресор. Згідно з іншим аспектом винаходу створений спосіб зниження температури повітря на вході в турбінний вузол внутрішнього згоряння. Турбінний вузол внутрішнього згоряння включає в себе основний компресор, сконструйований і виконаний з можливістю заходження в нього атмосферного повітря, основну турбіну зі ступенями тиску, функціонально зв'язану з основним компресором, камеру згоряння, сконструйовану і виконану 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. Згідно зі способом забезпечують джерело стисненого повітря. Тиск стисненого повітря від джерела знижують до 86469 6 атмосферного тиску і таким чином температуру стисненого повітря від джерела зменшують до температури, яка нижче температури оточуючого середовища. Стиснене повітря при температурі, яка нижче температури оточуючого середовища, перемішують з атмосферним повітрям на вході для зменшення температури повітря на вході в основний компресор. 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 з турбіною внутрішнього згоряння для вироблення енергії, при цьому збільшення потужності одержують за допомогою використання сховища стисненого повітря, що забезпечує подачу стисненого повітря, що підігрівається в теплообміннику, до детандера, причому потік, що випускається з детандера, який має температуру, більш низьку, ніж температура оточуючого середовища, перемішують з потоком, що входить в систему з турбіною внутрішнього згоряння для вироблення енергії відповідно до принципів даного винаходу; і Фіг.2 - схематичний вигляд системи з турбіною внутрішнього згоряння для вироблення енергії, при цьому збільшення потужності одержують за допомогою використання допоміжного компресора, що забезпечує подачу стисненого повітря, що підігрівається в теплообміннику, до детандера, причому потік, що випускається з детандера, який має температуру, більш низьку, ніж температура оточуючого середовища, перемішують з вхідним потоком системи з турбіною внутрішнього згоряння для вироблення енергії відповідно до іншого варіанта здійснення даного винаходу. На Фіг.1 показана система з турбіною внутрішнього згоряння, що служить для вироблення енергії, яка дозволяє підвищити потужність, позначена посилальний 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 має основний компресор 12, на вхід 13 якого поступає повітря при температурі оточуючого середовища, і який живить камеру 16 згоряння стислим повітрям, основну турбіну 14 зі ступенями тиску, функціонально зв'язану з основним компресором 12, при цьому камера 16 згоряння живить основну турбіну 14 зі ступенями тиску, і електричний генератор 15 для вироблення електричної енергії. Згідно з варіантом здійснення винаходу забезпечено сховище 18 стисненого повітря. Сховище 18 переважно являє собою підземну конструкцію, 7 що забезпечує зберігання повітря, яке стиснене за допомогою щонайменше одного допоміжного компресора 20. У цьому варіанті здійснення винаходу допоміжний компресор 20 приводять в дію за допомогою двигуна 21, хоч він може бути приведений в дію за допомогою детандера або якогонебудь іншого джерела. Допоміжний компресор 20 заряджає сховище 18 стисненим повітрям протягом позапікових часів роботи. Вихід 22 сховища 18 переважно сполучений з теплообмінником 24. У теплообмінник 24 також заходить повітря 25, що виходить з основної турбіни 14 зі ступенями тиску. Замість повітря 25, що виходить з основної турбіни зі ступенями тиску 14, або на доповнення до нього, в теплообмінник 24 може заходити будь-яке зовнішнє джерело тепла, що є в наявності. Вихід 26 теплообмінника 24 сполучений з конструкцією для зменшення тиску, наприклад, з детандером 28, який переважно сполучений з генератором 30 для вироблення електричної енергії, що забезпечується детандером 28. Теплообмінник, який нагріває стиснене повітря, що подається до детандера 28, застосовують як варіант конструкції. Стиснене повітря від джерела (наприклад, зі сховища 18) може бути подане безпосередньо до детандера 28. Оскільки детандер 28 зменшує тиск стисненого повітря, температура стисненого повітря буде знижена. Таким чином, холодне повітря (з температурою, меншою температури оточуючого середовища), що виходить з детандера 28, за допомогою конструкції 32 буде сполучене з повітрям оточуючого середовища біля входу 13, так що повітря оточуючого середовища на вході і більш холодне повітря, що виходить з детандера, будуть перемішені, знижуючи кінцеву температуру повітря на вході перед його заходженням в основний компресор 12. У цьому варіанті здійснення винаходу конструкція 32 являє собою трубопровід, приєднаний між виходом конструкції 28, що служить для зменшення тиску, і входом 13 основного компресора 12. Таким чином, протягом пікових часів роботи стиснене повітря буде забране зі сховища 18, підігріте в теплообміннику 24 і подане до детандера 28, який створює додаткову енергію. Повітря, яке виходить з детандера (при температурі, більш низькій, ніж температура оточуючого середовища), перемішується з повітрям на вході в турбінний вузол внутрішнього згоряння, знижуючи температуру вхідного повітря і збільшуючи потужність турбінного вузла внутрішнього згоряння. На Фіг.1 показане випускання повітря з детандера, яке перемішується з атмосферним повітрям на вході, при температурі 10°С. Зниження температури повітря на вході основного компресора 12 з оточуючою температурою 35°С до 10°С підвищує потужність турбінного вузла внутрішнього згоряння GE 7241 приблизно на 20МВт. Крім того, детандер 28 з повітряним потоком, подібним вхідному потоку турбінного вузла внутрішнього згоряння, що підігрівається в теплообміннику 24 до 450-500°С, виробляє потужність, яка приблизно становить 250МВт. Компресор 21 споживає позапікову енергію, при цьому потік компресора, тиск нагнітання і споживання енергії залежать від характеристик 86469 8 сховища 18 стисненого повітря і інших економічних і експлуатаційних параметрів, а його потужність може бути приблизно дорівнювати потужності детандера. У варіанті здійснення конструкції згідно з Фіг.1 при 10°С розрахункова корисна потужність турбінного вузла внутрішнього згоряння становить 173,0МВт, а корисна теплова потужність цього вузла становить 10000кДж/кВт×год. Корисна теплова потужність детандера 28 дорівнює нулю. Сумарна розрахункова потужність і теплова потужність всієї системи 10 з турбіною внутрішнього згоряння спільно з підвищенням потужності відповідно становлять 423МВт і 4080кДж/КВт. Економічні показники всієї системи 10 з детандером і введенням вихідного повітряного потоку детандера у вхід основного компресора визначають матеріальні витрати і сумарне збільшення потужності, що продається за цінами пікової потужності мінус потужність компресора, що закупається по розцінках позапікової потужності. Загальні параметри системи 10 оптимізовані на основі сумарних економічних показників установки, включаючи: капітальні і експлуатаційні витрати на додаткові компоненти; збільшення потужності турбіни внутрішнього згоряння; забезпечення додаткової пікової потужності детандера 28; позапікове споживання потужності допоміжним компресором 20. На Фіг.2 показаний інший варіант здійснення системи 10', в якій не використовується сховище 18, а щонайменше один допоміжний компресор 20 подає стиснене повітря до теплообмінника 24 через з'єднання 22. Збільшення потужності турбінного вузла 11 внутрішнього згоряння приблизно становить 20МВт і є таким же, як і у випадку, показаному на Фіг.1, коли температура повітря на вході в компресор 12 знижена до 10°С. Сумарна потужність всієї системи 10' вироблення енергії з турбіною внутрішнього згоряння GE 7241 при збільшенні потужності приблизно становить 173МВт плюс додаткова потужність детандера 28 мінус потужність допоміжного компресора 20. Можна вважати, що джерелом стисненого повітря, яке подається до теплообмінника 24 (або безпосередньо до детандера 28) може бути будьяке прийнятне джерело, і що перемішування холодного повітря з атмосферним повітрям і його введення у вхід основного компресора 12 може бути забезпечене внаслідок процесу розширення будь-якого типу, або може існувати джерело повітря, яке холодніше атмосферного повітря. Використання детандера 28 для зниження вхідної температури повітря, що заходить в компресор 12, 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) компоненти: конструкцію, що зменшує тиск (наприклад, повітряний детандер 28); 9 теплообмінник 24, який одержує тепло турбіни 14 внутрішнього згоряння, що відходить, і живить детандер 28; допоміжний компресор 20, що подає стиснене повітря до теплообмінника; трубопроводи і спеціальні пристрої не основного обладнання системи. Ця система працює таким чином. Допоміжний компресор 20 подає стиснене повітря до теплообмінника 24, де відбувається підігрівання повітря і його подача до детандера 28, який виробляє додаткову енергію. Повітря, яке виходить з детандера 28 (при більш низькій температурі, ніж температура оточуючого середовища), перемішують з повітрям 13 на вході в турбінний вузол 11 внутрішнього згоряння, знижуючи тим самим температуру повітря і збільшуючи потужність турбінного вузла 11 внутрішнього згоряння. Як і у варіанті конструкції згідно з Фіг.1, використання теплообмінника 24 не є обов'язковим. Загальні параметри системи оптимізовані на основі сумарних економічних показників установки, включаючи: 86469 10 капітальні і експлуатаційні витрати на додаткові компоненти; збільшення потужності турбіни внутрішнього згоряння; додаткову пікову потужність, що забезпечується детандером, мінус витрата енергії допоміжним компресором. Хоч конструкція, яка служить для зменшення тиску, показана у вигляді детандера 28, ця конструкція може являти собою діафрагму або якунебудь іншу конструкцію, яка дозволяє зменшити тиск стисненого повітря до атмосферного тиску і таким чином забезпечує зниження температури стисненого повітря до температури, яка нижче температури оточуючого середовища. 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. 11 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун 86469 Підписне 12 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