Патент на изобретение №2170357

(54) СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЭКОНОМИЧНОСТИ ТЕПЛОВЫХ И ХОЛОДИЛЬНЫХ КОМБИНИРОВАННЫХ УСТАНОВОК

(57) Реферат:

Способ повышения экономичности тепловых комбинированных бинарных установок, состоящих из двух газотурбинных установок или газотурбинной и паротурбинной установок, взаимосвязанных между собой теплообменным аппаратом, заключается в том, что сжатие и расширение рабочего тела в газотурбинных установках осуществляют ступенчато с соответствующим охлаждением при сжатии и дополнительным подогревом при расширении. В установке, состоящей из двух газотурбинных установок, расширение в турбине второй установки осуществляют до давления ниже атмосферного, а теплообмен между установками осуществляют при атмосферном или более низком давлении. В установке, состоящей из газотурбинной и паротурбинной установок, охлаждение рабочего тела в газотурбинной установке осуществляют в три этапа. Первый этап: охлаждение происходит по изобарам с дополнительными сжатиями до давления ниже атмосферного до нижней температуры перегрева пара паротурбинной установки с соответствующей передачей тепла перегретому пару паротурбинной установки. Второй этап: охлаждение происходит ступенчато по изобарам до температуры конденсации пара. Третий этап: охлаждение со ступенчатым сжатием производят до температуры и давления начала цикла с соответствующим подогревом воды в паротурбинной установке. Способ повышения экономичности комбинированных установок в холодильной технике заключается в том, что способы повышения экономичности тепловых комбинированных установок осуществляют в обратном направлении. Осуществление изобретений позволяет повысить КПД установок. 4 с. и 7 з.п. ф-лы, 13 ил.

Изобретение относится к области энергетики.

Известны способы повышения экономичности одноконтурных газотурбинных установок (ГТУ) открытого цикла (прототип N 1) путем введения регенерации тепла выхлопных газов, посредством введения ступенчатого сжатия и расширения газов при промежуточном их охлаждении и подогреве, а также путем использования тепла выхлопных газов одной ГТУ для подогрева воздуха другой ГТУ [1, 26].

Известны полузамкнутые ГТУ с охлаждением рабочего тела перед компрессором замкнутой ГТУ, связанные с ГТУ открытого цикла в виде наддувочного агрегата без полезной мощности [3]. Известны ГТУ замкнутого цикла (прототип N 2) со ступенчатым сжатием и расширением газа и с регенерацией, а также комбинированные ГТУ и ПТУ различных схем, в которых ПТУ (прототип N 3) всегда работают по замкнутому циклу [1, 4, 5].

Недостатком известных схем высокоэкономичных одноконтурных ГТУ открытого цикла со ступенчатым сжатием и расширением газа является чрезмерно высокий уровень давления в конце сжатия, достигающий сотен и тысяч атмосфер.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков при повышении КПД.

Поставленная задача решается за счет того, что в предлагаемом способе повышения экономичности тепловых и холодильных комбинированных установок для увеличения их экономичности и практической реализуемости термодинамический цикл установки предлагается разделить на два (или на три) цикла с наибольшим приближением к идеальному циклу Карно, а вместо одноконтурной установки рассматривать две (или три) установки как комбинированную установку, разделенную теплообменным (или теплообменными) аппаратом (аппаратами).

Разделение термодинамического цикла осуществляется либо одной изобарой, либо двумя изобарами и с расположенной между ними изотермой, заменяемой ступенчатым сжатием или расширением для повышения удельной работы цикла при том же интервале температур.

Рассматривается:
1. Способ повышения экономичности комбинированной энергоустановки, состоящей из двух газотурбинных установок открытого цикла (прототип N 1), взаимосвязанных между собой теплообменным аппаратом с возможным агрегатом 12 внутри него, включающий сжатие, нагрев и расширение рабочего тела в каждой установке и передачу тепла выхлопных газов в теплообменнике от первой установки ко второй, отличающийся тем, что сжатие и расширение рабочего тела в обеих установках осуществляется ступенчато с соответствующим охлаждением при сжатии и дополнительным подогревом при расширении, причем расширение в турбине второй установки осуществляют при давлении ниже атмосферного, а теплообмен между установками – при атмосферном и более низком давлении, при этом ступенчатое сжатие во второй установке осуществляют до давления, близкого к давлению начала сжатия в первой установке, охлаждение рабочего тела во второй установке осуществляют в охладителе со сбросом тепла в атмосферу.

2. Способ повышения экономичности комбинированной энергоустановки, состоящей из газотурбинной установки открытого цикла (прототип N 1) и паротурбинной установки (прототип N 3), связанных между собой теплообменным аппаратом с дополнительным агрегатом внутри него, включающий сжатие, охлаждение, расширение и нагрев рабочего тела в ГТУ, нагрев воды, парообразование и перегрев пара в ПТУ, отличающийся тем, что сжатие и расширение рабочего тела в ГТУ I осуществляют ступенчато с соответствующим охлаждением при сжатии и дополнительным нагревом при расширении, охлаждение рабочего тела в ГТУ I осуществляют в три этапа, первый этап: охлаждение происходит ступенчато по изобарам с дополнительными сжатиями до давления ниже атмосферного в дополнительных низконапорных компрессорах (на схеме не показаны) до нижней температуры перегрева пара ПТУ с соответствующей передачей тепла перегретому пару ПТУ, второй этап: охлаждение рабочего тела ГТУ I происходит также ступенчато в форме охлаждения по изобарам до температуры конденсации пара с дополнительным сжатием в низконапорных компрессорах (на схеме не показаны), третий этап: охлаждение рабочего тела ГТУ I со ступенчатым сжатием в дополнительных низконапорных компрессорах (на схеме не показаны) до температуры и давления начала цикла с соответствующим подогревом воды в ПТУ, охлаждение рабочего тела в ПТУ осуществляется в конденсаторе со сбросом тепла в атмосферу.

3. Способ повышения экономичности комбинированной энергоустановки, состоящей из ГТУ 1 открытого цикла (прототип N 1) и ГТУ II замкнутого цикла (прототип N 2), связанных между собой теплообменным аппаратом, включающий сжатие, нагрев и расширение рабочего тела в каждой ГТУ и передачу тепла выхлопных газов от ГТУ I к ГТУ II в теплообменнике, отличающийся тем, что ГТУ II выполнена по замкнутому циклу, что сжатие и расширение газа в обеих установках осуществляют ступенчато с соответствующим охлаждением при сжатии и дополнительным подогревом при расширении, причем передача тепла выхлопных газов ГТУ I к ГТУ II происходит при атмосферном давлении и ниже по горячей стороне и при повышенном давлении по холодной стороне, сброс тепла в ГТУ II может происходить при любом назначенном давлении (P_к, P_атм).

4. Способ повышения экономичности комбинированной энергоустановки, состоящей из ГТУ I замкнутого цикла (прототип N 2) и ПТУ (прототип N 3), связанных между собой теплообменным аппаратом, включающий сжатие, нагрев и расширение рабочего тела ГТУ I, нагрев воды, парообразование и перегрев пара в ПТУ, отличающийся тем, что ГТУ I выполнена по замкнутому циклу, что сжатие и расширение рабочего тела в ГТУ I осуществляют ступенчато с соответствующим охлаждением при сжатии и подогревом при расширении, причем охлаждение газа в ГТУ I осуществляют в три этапа:
первый этап: охлаждение происходит ступенчато по изобарам с дополнительными сжатиями до давлений ниже начального давления на входе в компрессор 1 в дополнительных низконапорных компрессорах (на схеме не показаны) до нижней температуры перегрева пара ПТУ с соответствующей передачей тепла перегретому пару ПТУ;
второй этап: охлаждение рабочего тела ГТУ I происходит также ступенчато в форме охлаждения по изобарам до температуры конденсации пара с дополнительным сжатием в низконапорных компрессорах (на схеме не показаны);
третий этап: охлаждение рабочего тела ГТУ I со ступенчатым сжатием в дополнительных низконапорных компрессорах (на схеме не показаны) до температуры и давления начала цикла с соответствующим подогревом воды в ПТУ, охлаждение рабочего тела в ПТУ осуществляется в конденсаторе со сбросом тепла в атмосферу.

5. Способ повышения экономичности комбинированных установок в холодильной технике, отличающийся тем, что в комбинированных установках по п.п. 1, 2, 3 и 4 процессы и циклы осуществляются в обратном направлении.

На фиг. 1-4 изображены схемы предлагаемых комбинированных установок (фиг. 1 – ГТУ I и ГТУ II открытых циклов, фиг. 2 – ГТУ I открытого цикла и ПТУ II, фиг. 3 – ГТУ I открытого цикла и ГТУ II замкнутого цикла, фиг. 4 – ГТУ I замкнутого цикла и ПТУ II). На фиг. 5-11 изображены диаграммы (T-s) приведенных выше схем.

I. Установка на фиг. 1 состоит из двух двухвальных ГТУ открытых циклов I и II. ГТУ I включает в себя компрессор 1, возможный, но не обязательный, промежуточный охладитель 2, компрессор 3, подогреватель (или камеру сгорания) 4, газовую турбину 5, подогреватель 6, газовую турбину 7, подогреватель 8, газовую турбину 9, подогреватель 10, газовую турбину 11, теплообменный аппарат 12 для передачи тепла выхлопных газов из ГТУ I в ГТУ II, причем в средней части теплообменного аппарата 12 может быть установлен агрегат 12′, состоящий из охладителей, подогревателей, низконапорных компрессоров и низкоперепадных турбин, для передачи тепла из ГТУ I к ГТУ II при разных давлениях на входе и на выходе 12, см. фиг. 5 и 6, выхлопные газы из ГТУ I выходят в атмосферу в точке 4_I после 12. ГТУ II включает в себя дроссель 26, компрессоры 19, 21, 23 и 25 с промохладителями 18, 20, 22 и 24, двумя газовыми турбинами 15 и 17 с подогревателями 14 и 16 (которого может и не быть) и теплообменный аппарат 12 с возможным агрегатом 12′ для получения тепла от ГТУ I, подогреватель 14 доводит температуру газов ГТУ II до заданного уровня T_{3 II}. Давления газа в ГТУ II ниже атмосферного, уровень давления P_к назначается по величине плотности газа после газовой турбины 17, но желательно не ниже 5 – 10 кПа (см. опыт работы конденсационных паровых турбин). Выхлопные газы из ГТУ II выходят в атмосферу в точке 4 II после компрессора 25.

При работе ГТУ I воздух, поступивший из атмосферы, сжимается компрессором 1 до давления P_2I, причем компрессор 1 приводится во вращение турбинами 9 и 11, мощность которых превышает мощность привода компрессора 1 на величину полезной мощности 28, число оборотов вала этого агрегата (1, 9, 11) является фиксированным (обычно n_н = 3000 мин^-1). После компрессора 1 может быть установлен охладитель 2 для снижения работы сжатия в компрессоре 3. Компрессор 3 приводится во вращение турбинами 5 и 7, мощность которых равна мощности компрессора 3 за счет подбора давления за турбиной 7. Между компрессором 3 и турбинами 5, 7, 9 и 11 установлены подогреватели (камеры сгорания) 4, 6, 8 и 10. После турбины 11 воздух (продукты сгорания) поступает в теплообменный аппарат 12 с возможным агрегатом 12′, в котором отдается тепло второй ГТУ II в процессе от точки 4′_I до точки 4_I. Отрезок изобары 4_I, 1_I соответствует выхлопу в атмосферу.

При работе ГТУ II атмосферный воздух после дросселя 26 поступает в компрессор 27, из него в теплообменный аппарат 12 с возможным агрегатом 12′, в подогреватель 14, в турбину 15, в подогреватель (если он есть) 16, в турбину 17, в охладитель 18 и в группу компрессоров 19, 21, 23 и 25 с охладителями 20, 22 и 24, из компрессора 25 воздух (продукты сгорания) выбрасывается в атмосферу с температурой T_{4 II}. Компрессоры 19, 21, 23 и 25 приводятся во вращение турбиной 17 при балансе мощности, число оборотов их вала n_св, выбирается без связи с нагрузкой 29, связанной с турбиной 15 при фиксированном числе оборотов n_н (обычно n_н= 3000 мин^-1).

2. Установка на фиг. 2 состоит из двухвальной ГТУ I открытого цикла и ПТУ, работающей по циклу Ренкина. ГТУ I подробно описана выше в п. 1. ПТУ II включает в себя теплообменный аппарат 12 с агрегатом типа 12′, собственно паровую турбину 30, конденсатор 31, питательный насос 32. Термодинамический цикл ПТУ является практически замкнутым, работающим на двухфазном рабочем теле, см. фиг. 7.

При работе ПТУ II вода после компрессора 31 питательным насосом 32 подается в теплообменный аппарат 12, где испаряется и в виде пара с параметрами P_o, T_o подается в паровую турбину 30, в которой пар расширяется до давления P_к (порядка 10 кПа), после 30 пар подается в конденсатор 31, где охлаждается до получения воды на входе в 32. Циклы установок по фиг. 2 приведены на фиг. 7 и 8.

3. Установка на фиг. 3 состоит из двухвальной ГТУ I открытого цикла, работа которой подробно описана в п. 1, и двухвальной ГТУ II замкнутого цикла, схема которой на фиг. 3 отличается от схемы ГТУ II открытого цикла отсутствием связи контура с атмосферой через дроссель 26 и отсутствием компрессора 25, поступлением сжатого воздуха после компрессора 23 и охладителя 24 сразу в компрессор 27 и затем в 12. Давление воздуха в контуре ГТУ II выбирается конструктором, на нижней изобаре давление может быть выбрано равным атмосферному и выше, что сильно снижает при том же расходе воздуха в ГТУ II высоты лопаток турбин 15 и 17, а также компрессоров 19, 21, 23 и 27 при той же мощности ГТУ II, так как массовые расходы воздуха в ГТУ I и в ГТУ II принимаются одинаковыми, см. п. 1. Циклы установок приведены на фиг. 9 и 10.

4. Установка на фиг. 4 состоит из двухвальной ГТУ I замкнутого цикла и ПТУ II. ГТУ I отличается от ГТУ I, описанной в п. 1 тем, что вместо всасывания атмосферного воздуха в компрессор 1 поступает воздух под повышенным давлением, выбранным конструктором и равным давлению после турбины 11 (с учетом потерь в 12). Работа ПТУ II подробно описана в п. 2. Следует подчеркнуть, что при передаче тепла между циклами (между изобарой и изотермой или между изобарами с разными теплоемкостями) для приближения к идеальному циклу Карно следует воспользоваться принципом “ступенчатой” замены изотермы и изобары с другой теплоемкостью адиабатами и изобарами, что широко применяется в технической термодинамике, что описано при работе 12 с агрегатом 12′. Цикл этой ГТУ изображен на фиг. 11.

5. При организации холодильных циклов используются те же процессы и циклы, но проходят их в обратном направлении, как это поясняется в технической термодинамике.

Библиография
1. Манушин Э. А., Михальцев В.Е., Чернобровкин А.П. “Теория и проектирование газотурбинных и комбинированных установок”, М. “Машиностроение”, 1977, 447 с.

2. F.W-Schwartz, VS 2814181 A, F 02 C 6/18, 1957.

3. Дехтярев В.Л. “Способ работы газотурбинной установки с полузамкнутым циклом на твердом топливе”, а.с. N 108553 от 02.01.1956.

4. Щегляев А. В. “Паровые турбины”, кн. 2, 6-е издание, М.: Энергоатомиздат. 1993. – 416с.

5. Хейвуд Р. “Анализ циклов в технической термодинамике”, пер. с англ.: – М.: Энергия, 1979. – 280 с.

6. Андрющенко А. И. “Основы термодинамики циклов теплоэнергетических установок”, М., “Высшая школа”, 1977, 280 с.

Формула изобретения

1. Способ повышения экономичности комбинированной бинарной установки, состоящей из двух газотурбинных установок, взаимосвязанных между собой теплообменным аппаратом, включающий сжатие и расширение рабочего тела в каждой установке и передачу тепла выхлопных газов в теплообменном аппарате от первой установки к второй, отличающийся тем, что сжатие и расширение рабочего тела в обеих установках осуществляют ступенчато с соответствующим охлаждением при сжатии и дополнительным подогревом при расширении, причем расширение в турбине второй установки может осуществляться до давления ниже атмосферного, а теплообмен между установками – при атмосферном или более низком давлении, при этом ступенчатое сжатие во второй установке осуществляют до давления, близкого к давлению начала сжатия в первой установке.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что обе установки работают по открытому циклу.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что одна из установок работает по замкнутому циклу.

4. Способ по пп.1 – 3, отличающийся тем, что охлаждение рабочего тела во второй установке осуществляют в охладителе со сбросом тепла в атмосферу.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что обе установки работают по замкнутому циклу.

6. Способ повышения экономичности комбинированной установки, состоящей из газотурбинной и паротурбинной установок, связанных между собой теплообменным аппаратом, включающий сжатие, охлаждение, расширение рабочего тела в газотурбинной установке, нагрев воды, парообразование и перегрев пара и его охлаждение в паротурбинной установке, отличающийся тем, что сжатие и расширение рабочего тела в газотурбинной установке осуществляют ступенчато с соответствующим охлаждением при сжатии и дополнительным нагревом при расширении, охлаждение рабочего тела в газотурбинной установке осуществляют в три этапа, первый этап: охлаждение происходит по изобарам с дополнительными сжатиями до давления ниже атмосферного до нижней температуры перегрева пара паротурбинной установки с соответствующей передачей тепла перегретому пару паротурбинной установки, второй этап: охлаждение рабочего тела газотурбинной установки происходит также ступенчато с дополнительным сжатием в форме охлаждения по изобарам до температуры конденсации пара, третий этап: охлаждение рабочего тела газотурбинной установки со ступенчатым сжатием до температуры и давления начала цикла с соответствующим подогревом воды в паротурбинной установке.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что охлаждение рабочего тела в паротурбинной установке осуществляют в конденсаторе со сбросом тепла в атмосферу.

8. Способ по п.6, отличающийся тем, что газотурбинная установка работает по открытому циклу.

9. Способ по п.6, отличающийся тем, что газотурбинная установка работает по замкнутому циклу.

10. Способ повышения экономичности комбинированных установок в холодильной технике, отличающийся тем, что способ повышения экономичности комбинированных установок по п.1 осуществляют в обратном направлении.

11. Способ повышения экономичности комбинированных установок в холодильной технике, отличающийся тем, что способы повышения экономичности комбинированных установок по п.6 осуществляют в обратном направлении.

Приоритет по пунктам:
10.04.2000 по пп.1, 6, 10 и 11.

РИСУНКИ