Патент на изобретение №2176026

(54) СПОСОБ РАБОТЫ ГАЗОВОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

(57) Реферат:

Изобретение относится к энергетике и используется для производства электроэнергии. Способ работы заключается в сжатии воздуха в компрессоре воздушно-турбинного двигателя (ВТД) с КПД сжатия воздуха в ВТД = 0,85, поглощении тепла теплообменником ВТД, равным теплу, сбрасываемому после воздушной турбины ВТД в поддувало котельной установки, с последующим срабатыванием давления воздуха в воздушной турбине ВТД и выработке электроэнергии генератором, смонтированным на одном валу с компрессором и турбиной. Осуществляют подогрев магистрального газа теплом выходных газов котельной установки, прошедших теплообменник ВТД таким образом, чтобы после срабатывания давления в турбодетандере температура магистрального газа Т₃‘ оставалась равной температуре магистрального газа на входе в газовый теплообменник Т₁‘, т.е. Т₃‘ = Т₁‘ = 288 K, при этом l = 1,7, полезная мощность ВТД Q_э = 67 ккал/кг, полезная мощность турбодетандера при перепаде давления l_ТД = 1,77 составляет Q_эд = 62,5 ккал/кг при секундном расходе тепла Q_см = 138 ккал/кг, что обеспечивает КПД электростанции _гэ= 0,94 и экономию топлива более чем в два раза, КПД воздушной турбины 0,92. Изобретение позволяет повысить КПД газовой электростанции и увеличить экономию топлива. 1 ил.

Газовая электростанция и способ ее работы относится к энергетике и используется для производства электричества.

Известны электростанции, гидравлические, тепловые, атомные.

Недостаток тепловых электростанций, работающих на органическом топливе (газ, уголь, мазут, торф), заключается в том, что они имеют относительно низкий коэффициент полезного действия (КПД), сложны в изготовлении и эксплуатации. Известны способы получения электричества при редуцировании магистрального газа, недостаток такого способа заключается в том, что магистральный газ после его редуцирования охлаждается и по этой причине снижает свою теплотворную способность. Известен способ производства электричества при помощи атомных реакторов, недостаток такого способа состоит в том, что не решена проблема утилизации радиоактивных отходов атомных электростанций.

Известен способ работы газовой электростанции, заключающийся в сжатии воздуха в компрессоре воздушно-турбинного двигателя (ВТД), поглощении тепла теплообменником ВТД при сжигании газа и выработке электроэнергии генератором, смонтированным на одном валу с компрессором и турбиной, обеспечении равенства тепла, поглощаемого теплообменником, теплу, подводимому к горелкам топочного устройства с воздухом после воздушной турбины, с КПД воздушного компрессора _c = 0,85, при КПД воздушной турбины _p = 0,95. (RU 2113609 С1, F 02 C 3/28, 20.06.98, 3 с.). Недостатком данного способа является то, что не используется потенциал магистрального газа.

Сущность изобретения заключается в том, что магистральный газ перед поступлением его (см. чертеж) в турбодетандер подогревается таким образом, чтобы после его редуцирования температура оставалась равной температуре газа на входе в газо-газовый теплообменник 6.

Сущность изобретения состоит также и в том, что выходные газы из сопла воздушной турбины воздушно-турбинного двигателя (ВТД) направляются в поддувало котельной установки (КУ), увеличивая тем самым максимальную температуру газов в топке КУ, горячие газы поступают на газовоздушный теплообменник ВТД (3). Таким образом обеспечивается циркуляция теплового потока (рекуперация тепла).

Способ работы ВТД рассчитывается таким образом, чтобы тепло, сбрасываемое после воздушной турбины ВТД (Q₄), равнялось теплу, поглощаемому газовоздушным теплообменником ВТД (Q₃-Q₂=Q₄).

В этом случае полезное тепло (Q_э) полностью получаем за счет солнечного тепла, рассеянного в земной атмосфере.

На чертеже изображена кинематическая схема ГЭ, где
1 – котельная установка,
2 – воздушный компрессор ВТД,
3 – газовоздушный теплообменник ВТД,
4 – воздушная турбина ВТД,
5 – трубопровод, соединяющий выходное сопло ВТД с поддувалом КУ,
6 – газо-газовый теплообменник,
7 – трубопровод, соединяющий выход магистрального газа из газо-газового теплообменника с входом соплового аппарата турбодетандера,
8 – турбодетандер магистрального газа,
9 – трубопровод подвода магистрального газа в топку КУ,
10 – магистральный газовый трубопровод потребителей газа,
11 – генератор электрического тока.

Согласно кинематической схеме (см. чертеж) вход газо-газового теплообменника магистрального газа связан с трубопроводом подвода магистрального газа, выход газо-газового теплообменника связан с входом в сопловой аппарат турбодетандера. Выход горячих газов из сопла воздушной турбины ВТД связан с входом в поддувало КУ. Турбодетандер, воздушный компрессор ВТД, воздушная турбина ВТД и генератор электрического тока установлены на одном валу.

Элементарный термодинамический расчет ГЭ с принятым способом ее работы.

Согласно известным соотношениям проводим расчет уравнения
Q₄ = Q₃-Q₂; Ср₄Т₄ = Ср₃Т₃ – Ср₂Т₂;
Ср – удельная теплоемкость, ккал/кгград; Ср = F(Т).

Знаком Т обозначаем абсолютную температуру, К; знаком Q обозначаем абсолютное значение тепла, ккал/кг




где _c– КПД сжатия воздуха ВТД,
_p– КПД расширения воздуха ВТД,
l – степень повышения давления воздуха в воздушном компрессоре (снижения давления воздуха в воздушной турбине),
Р₂ – давление воздуха на выходе из компрессора,
Р_н – давление воздуха на входе в компрессор,
к – показатель адиабаты сжатия (расширения) воздуха = 1,4.

левую и правую части уравнения умножаем на

принимаем:
Cp₄ = 0,254 ккал/кгград; Ср₃ = 0,276 ккал/кгград; Cp₂ = 0,248 ккал/кгград; _p = 0,92; _c = 0,85; Т_н = 288 К; Т₀ = 320 К.

Решая уравнение 1 относительно “l”, получаем l = 1,7.

Расчет ВТД
Тогда

Q₃ = 10730,276 = 296 ккал/кг;
Q_max = Q₃ + 10 = 296+10 = 306 ккал/кг;

Q₂ = 5250,248 = 130 ккал/кг.

Так как Q_т= Q₃-Q₂Q₄, то
Q_Т = 296-130 = 166 ккал/кг;

Q₄ = 6640,254 = 168 ккал/кг.

T.e. Q₃-Q₂Q₄, О_н = 2880,24 = 69 ккал/кг,
Q_см – теплотворная способность топливовоздушной смеси.

Q_см = Q_max-Q₄ = 306-168 = 138 ккал/кг,
Q_min = Q_max-Q_т = 306-166+140 ккал/кг,
Q_э=Q_н+Q_т-Q₄ = 69+166-168 = 67 ккал/кг.

Расчет мощности турбодетандера
Принимаем: Т’₁=Т_н=288 К;
Т’₃ = T’₁; Т’₂ = Т_min-50;

G_в = 1,0 кг/с;
т.к. Ср_вСр_г, то Ср_вG_в(Т_min-Т₀)-Ср₂G_г (Т’₂-Т’₁), откуда

Принимаем Т’₂ = 560-50 = 510 К;
Q’₁ = 69 ккал/кг;
Q’₂ = 5100,249 = 127 ккал/кг.

Полезное тепло от турбодетандера
Q_эд = G₂(Q’₂ – Q’₁);
Q_эд = 1,08 (127 – 69) = 62,5 ккал/кг.

Суммарное количество полезного тепла
Q_э = Q_э+Q_эд
Q_э = 67+62,5 = 129,5 ккал/кг
.

Экономия топлива составляет 57% при стоимости 1 кВт/ч – 0,5 руб. Экономия составит 0,28 руб.

При КПД действующих ТЭС (_э = 0,4) удельный расход условного топлива на 1 кВт/ч C_h1 = 123/0,4 = 307,5 г у.т./кВтч;
при КПД газовой электростанции _э = 0,94
C_h2 = 123/0,94 = 130,8 г/кВтч.

Таким образом, экономия топлива составляет C_h1 – C_h2 = 307,5 – 130,8 = 176,7 г у.т./кBтч или 57%.

Формула изобретения

Способ работы газовой электростанции (ГЭ) путем сжатия воздуха в компрессоре воздушно-турбинного двигателя (ВТД) с КПД сжатия воздуха в ВТД = 0,85, поглощения тепла теплообменником ВТД равным теплу, сбрасываемому после воздушной турбины ВТД в поддувало котельной установки с последующим срабатыванием давления воздуха в воздушной турбине ВТД и выработке электроэнергии генератором, смонтированным на одном валу с компрессором и турбиной, отличающийся тем, что осуществляют подогрев магистрального газа теплом выходных газов котельной установки, прошедших теплообменник ВТД таким образом, чтобы после срабатывания давления в турбодетандере температура магистрального газа T’₃ оставалась равной температуре магистрального газа на входе в газовый теплообменник T’₁, т.е. T’₃ = T’₁ = 288 К, при этом из расчета на 1 кг/с воздуха, прокачиваемого через ВТД с перепадом давления 1 = 1,7, полезная мощность ВТД составляет Q_э = 67 ккал/кг, плюс полезная мощность турбодетандера при перепаде давления l_тд = 1,77 составляет Q_эд = 62,5 ккал/кг при секундном расходе тепла Q_см = 138 ккал/кг, что обеспечивает КПД газовой электростанции

и экономию топлива более чем в два раза, КПД воздушной турбины 0,92.

РИСУНКИ

NF4A Восстановление действия патента Российской Федерации на изобретение

Извещение опубликовано: 10.11.2006 БИ: 31/2006