Газотурбинный двигатель с газотурбинной надстройкой и с регенерацией тепла

(51) 02 7/08 (2011.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ воздушную турбину для привода дополнительного компрессора и силовую воздушную турбину,газоводяной теплообменник, систему подачи топлива и дополнительную камеру сгорания выполненную в виде топки с кипящим слоем,причм в кипящий слой топки установлен трубчатый воздухоподогреватель. Тврдое топливо в кипящий слой тонки податся в пылевидном состоянии. Тврдая составляющая пиролиза топлива(полукокс) сжигается в кипящем слое топки, а газообразная (энергетический газ) в камере сгорания основного двигателя. Термический КПД двигателя может составлять 3540, а общий КПД с учетом получаемой горячей воды с температурой 80 и горячего воздуха с температурой 450490 составляет 90 и более. Изобретение позволяет организовать работу газотурбинного двигателя за счт сжигания низкосортного дешвого тврдого топлива при обеспечении его наджной работы, что наряду с высоким КПД двигателя позволяет снизить эксплуатационные расходы и удешевить производство электрической и тепловой энергии.(72) Поданев Иван Евсеевич Ким Александра Евгеньевна(73) Некоммерческое акционерное общество Алматинский университет энергетики и связи(57) Изобретение относится к теплоэлектроэнергетике и может использоваться в наземных энергетических установках для механического привода полезной нагрузки,например электрогенераторов газотурбинных теплоэлектростанций. Газотурбинный двигатель с газотурбинной надстройкой с регенерацией тепла, состоящий из двух двигателей основного газотурбинного двигателя и двигателя газотурбинной надстройки, а также содержащий компрессор, камеру сгорания,турбину высокого давления, силовую газовую турбину,рекуперативный газовоздушный теплообменник,дополнительный компрессор, 25484 Изобретение относится к теплоэлектроэнергетике и может использоваться в наземных энергетических установках для механического привода полезной нагрузки,например электрогенераторов газотурбинных теплоэлектростанций. Известен газотурбинный двигатель с регенерацией тепла, содержащий компрессор,камеру сгорания, турбину высокого давления,силовую газовую турбину,газовоздушный теплообменник и дополнительный компрессор. который установлен на одном валу с силовой воздушной турбиной. Вход в воздушную турбину через воздушную полость теплообменника связан с выходом дополнительного компрессора, а газовая полость теплообменника соединена с выходом газовой силовой турбины. Дополнительный компрессор и воздушная силовая турбина,установленные на одном валу, представляют собой газотурбинную надстройку, работающую за счет утилизации тепла выходных газов основного двигателя (Патент России 2192552 С 202 С 7/08,2000 г.). Недостатком такой конструкции является то, что мощность воздушной турбины газотурбинной надстройки ограничена количеством тепловой энергии передаваемой воздуху дополнительного компрессора в газовоздушном теплообменнике за счет утилизации тепла выходных газов идущих из газовой силовой турбины через теплообменник. Этому способствует также то, что сжатый дополнительным компрессором воздух,поступающий на вход в теплообменник, имеет достаточно высокую температуру, что в свою очередь вызывает необходимость повышать температуру газов на выходе из теплообменника,идущих на выхлоп в атмосферу. Эти факторы не позволяют выполнить газотурбинную надстройку на базе выпускаемого промышленностью газотурбинного оборудования, работающего на максимально возможном режиме, что ограничивает получение возможной максимальной мощности двигателя. Недостатком является также то, что двигатель может работать только на жидком или газообразном топливе. Наиболее близким к заявленному изобретению по конструкции является газотурбинный двигатель с газотурбинной надстройкой и с регенерацией тепла,состоящий из двух двигателей основного газотурбинного двигателя и двигателя газотурбинной надстройки, а также содержащий компрессор, камеру сгорания, турбину высокого давления,силовую газовую турбину,рекуперативный газовоздушный теплообменник,газотурбинную надстройку,состоящую из дополнительного компрессора, установленного на одном валу с воздушной турбиной для привода дополнительного компрессора и силовой воздушной турбины, дополнительную камеру сгорания,установленную в газовом тракте двигателя между выходом газовой силовой турбины и входом газовоздушного теплообменника, по газовой полости,водовоздушный теплообменник,2 установленный в воздушном тракте газотурбинной надстройки между выходом дополнительного компрессора и входом в воздушную полость газовоздушного теплообменника двигателя.(Инновационный патент РК 24118). Недостатком такой конструкции является то, что основной газотурбинный двигатель и двигатель газотурбинной надстройки могут работать только на жидком или газообразном топливе. Техническая задача, решаемая изобретением,заключается в том,чтобы организовать газотурбинные циклы основного двигателя и двигателя газотурбинной надстройки за счт сжигания дешевого низкосортного тврдого топлива. При этом сохранить возможность использования разработанного и выпускаемого промышленностью газотурбинного и теплотехнологического оборудования. Сущность изобретения заключается в том, что в газотурбинном двигателе с газотурбинной надстройкой с регенерацией тепла, состоящий из двух двигателей основного газотурбинного двигателя и двигателя газотурбинной надстройки, а также содержащий компрессор, камеру сгорания,турбину высокого давления, силовую газовую турбину,рекуперативный газовоздушный теплообменник,дополнительный компрессор,воздушную турбину для привода дополнительного компрессора и силовую воздушную турбину,дополнительную камеру сгорания, газоводяной теплообменник,систему подачи топлива отличающийся тем, что дополнительная камера сгорания выполнена в виде топки с кипящим слоем,причм в кипящий слой топки установлен трубчатый воздухоподогреватель, вход которого соединен с выходом компрессора основного двигателя, а выход с камерой сгорания основного двигателя. Вход топки по газовому тракту через сопла, установленные на входе в кипящий слой,соединен с выходом силовой турбины основного двигателя. Выход топки по газовому тракту соединен через циклон с входом рекуперативного газовоздушного теплообменника по газовой стороне. Выход рекуперативного газовоздушного теплообменника по газовой стороне соединн через выходное устройство с атмосферой. Выход дополнительного компрессора газотурбинной надстройки соединен через воздушную полость водовоздушного теплообменника с входом газовоздушного теплообменника по воздушной стороне выход, которого соединен с входом воздушной турбины газотурбинной надстройки. Выход воздушной силовой турбины надстройки соединен с трубопроводом горячего воздуха потребителя. Тврдое топливо в кипящий слой топки податся в пылевидном состоянии после сушки его в сушильном агрегате и помола в мельницах непосредственно, или после разложения на тврдую и газообразную составляющие в пиролизре. Тврдая составляющая пиролиза топлива (полукокс) сжигается в кипящем слое топки, а газообразная (энергетический газ) в камере сгорания основного двигателя при этом в качестве окислителя в топке используются горячие газы,поступающие с выхода газовой силовой турбины с большим коэффициентом избытка воздуха 3, а в камере сгорания основного двигателя горячий воздух, поступающий из компрессора через трубчатый воздухоподогреватель, установленный в кипящем слое топки и дополнительно нагретый за счт сжигания тврдого топлива. Тепло газов поступающих в топку с выхода газовой силовой турбины полностью утилизируется в топке. Процесс пиролиза твердого топлива и сушка топлива в сушильном агрегате осуществляется за счт тепла газов поступающих из топки и частично отбираемых из общего потока на участке перед входом газов в газовую полость газовоздушного теплообменника. Основной двигатель включает компрессор,встроенную камеру сгорания, турбину высокого давления, газовую силовую турбину, топку с кипящим слоем, установленный в кипящий слой трубчатый воздухоподогреватель, вход которого соединен с выходом компрессора, а выход с камерой сгорания, устройства подготовки тврдого топлива к сжиганию и подачи его в гонку,пиролизр для разложения тврдого топлива на полукокс и энергетический газ, устройство удаления шлака из топки, циклон для очистки выходящих из топки газов от изгари, сопла, установленные на входе в кипящий слой топки, служащие для организации кипящего слоя при подаче через них газов с выхода силовой турбины в качестве окислителя для сжигания в кипящем слое тврдого топлива. В трубчатом воздухоподогревателе за счт тепла полученного от сжигания тврдого топлива подогревается воздух,идущий с выхода компрессора и затем поступающий в камеру сгорания в качестве окислителя, где сжигается дополнительное жидкое или газообразное топливо,например энергетический газ, полученный в результате пиролиза тврдого топлива в пиролизре. В этом случае двигатель будет работать только за счт сжигания тврдого топлива. Двигатель газотурбинной надстройки включает дополнительный компрессор, воздушную турбину для привода компрессора, установленную на одном валу с дополнительным компрессором и воздушную силовую турбину для привода полезной нагрузки, установленную на отдельном валу. Сжатый дополнительным компрессором воздух через воздушную полость водовоздушного теплообменника поступает в воздушную полость газовоздушного теплообменника, где подогревается за счет утилизации тепла горячих газов, выходящих через циклон из топки с кипящим слоем. С выхода теплообменника воздух с высокой температурой и под большим давлением поступает на вход воздушной турбины двигателя газотурбинной надстройки, где расширяется, совершая работу,расходуемую на привод дополнительного компрессора и на привод воздушной силовой турбины работающей на полезную нагрузку. С выхода силовой воздушной турбины выходит горячий воздух с температурой 450 - 490,3 который направляется потребителю. Газы,выходящие из газовоздушного рекуперативного теплообменника через выходное устройство уходят в атмосферу с температурой 120150. Термический КПД двигателя может составлять 3540, а общий КПД с учетом получаемой горячей воды с температурой 80 и горячего воздуха с температурой 450490 составляет 90 и более. Благодаря наличию тонки с кипящим слоем и установленного в кипящий слой топки трубчатого воздухоподогревателя, а также благодаря наличию пиролизра, по сравнению с прототипом, двигатель может работать за счт сжигания низкосортного дешвого твердого топлива, что наряду с высоким КПД двигателя позволяет снизить эксплуатационные расходы и удешевить производство электрической и тепловой энергии при безусловном обеспечении наджной работы двигателя. Наличие циклона в газовом тракте топки позволяет очищать газы от изгари и тем самым обеспечить наджную работу газовоздушного теплообменника и экологические требования. Силовая газовая турбина основного двигателя и силовая воздушная турбина надстройки имеют отдельные валы отбора мощности. Это позволяет выполнить двигатель на базе существующего оборудования без переделки. На фиг.1 представлена схема газотурбинного двигателя с газотурбинной надстройкой и с регенерацией тепла работающего за счет сжигания тврдого топлива. Основной газотурбинный двигатель 1 состоит из газогенератора и силовой газовой турбины СТ. Газогенератор состоит из компрессора К, турбины высокого давления Т, основной камеры сгорания 11,дополнительной камеры сгорания выполненной в виде топки с кипящим слоем 12 с установленным в кипящий слой трубчатым воздухоподогревателем 14 вход которого соединн с выходом компрессора К, а выход с камерой сгорания 11. Компрессор К и турбина Т установлены па общем валу, а силовая турбина СТ установлена на отдельном валу соединенным с валом электрогенератора 7 посредством муфты 8. Па вход компрессора К поступает воздух из атмосферы через воздухоочиститель 5. Выход газов силовой турбины СТ соединен с воздухораспределительной решеткой 17 топки 12 и далее посредством сопл 20 с кипящим слоем 16. Коллектор 18 предназначен для удаления золы из топки. Тврдое топливо в смеси с доломитом поступает в сушильный агрегат 9 затем в мельницы 10 и далее в пиролизр 13, где разлагается на тврдую составляющую(полукокс) и газообразную (энергетический газ). Полукокс податся в кипящий слой 16 топки 12, а энергетический газ в камеру сгорания 11. В качестве теплоносителя для пиролиза топлива в пиролизре 13 и сушки топлива в сушильном агрегате 9 используются горячие газы, идущие из топки 12 частично отбираемые из общего потока на участке перед входом в газовоздушный теплообменник 3. Газовая полость газовоздушного теплообменника на входе соединена через циклон с выходом топки 12, а на выходе через выходное устройство 6 с атмосферой. Воздушная полость газовоздушного теплообменника 3 на входе соединена через воздушную полость водовоздушного теплообменника 4 с выходом дополнительного компрессора К газотурбинной надстройки 2, а на выходе со входом воздушной турбины Т привода компрессора К газотурбинной надстройки 2. Выход турбины Т соединен со входом воздушной силовой турбины СТ, а выход воздушной силовой турбины соединен с воздуховодом горячего воздуха П идущему потребителю с расходом. Вал воздушной силовой турбины СТ соединен с валом электрогенератора 7 посредством муфты 8. Вход компрессора К газотурбинной надстройки 2 посредством воздухоочистителя 5 соединен с атмосферой. Заявляемое устройство работает следующим образом Поступающий на вход основного двигателя 1 воздух сжимается в компрессоре К, поступает в трубчатый воздухоподогреватель 14 установленный в кипящем слое 16 топки 12 где нагревается за счт тепла получаемого от сжигания тврдого топлива в кипящем слое топки. Далее воздух нагретый до температуры 1120 и более поступает в основную камеру сгорания 11, где в результате сжигания дополнительного топливаобразуются горячие газы высоких температур которые расширяются в турбине газогенератора Т и в силовой газовой турбине СТ приводящие во вращение компрессор и полезную нагрузку в виде электрогенератора. Горячие газы с выхода силовой турбины СТ,имеющие коэффициент избытка воздуха 3,поступают под воздухораспределительную решетку 17 и далее через сопла 20 в кипящий слой 16 в качестве окислителя. При этом тепло газов полностью утилизируется, что позволяет экономить тврдое топливо , подаваемое в топку 12. Тепло получаемое от сжигания тврдого топлива в кипящем слое 16 топки 12 и тепло утилизируемое из газов, поступающих в топку в качестве окислителя,расходуется на повышение температуры воздуха в трубчатом воздухоподогревателе 14 и на повышение температуры газов выходящих из топки 12. Горячие газы, выходящие из топки 12, очищаются от изгори в циклоне 15. Изгорь из циклона может возвращаться в топку 12 для дожигания или отводится в специальную емкость, не показанную на рисунке. Поток газов, выходящих из циклона 15 с расходом , разделяется на два потока. Основной поток газов входит в газовоздушный теплообменник 3 где утилизируется их тепло для подогрева воздуха поступающего под давлением из дополнительного компрессора К газотурбинной надстройки 2, а меньшая их часть поступает в пиролизр 13 в качестве теплоносителя для разложения тврдого топлива,например низкосортного угля, на полукокс и энергетический газ. Температура теплоносителя достаточна для обеспечения процесса разложения тврдого топлива 4(полукокс) направляется для сжигания в топку 12, а газообразная в камеру сгорания 11. С выхода газовоздушного теплообменника 3 по газовой стороне газы с температурой 110150 через выходное устройство 6 уходят в атмосферу. Воздух с выхода компрессора К газотурбинной надстройки 2, нагретый в результате его сжатия в компрессоре, поступает через воздушную полость водовоздушного теплообменника 4 где нагревает воду до 7080 С используемую для бытовых нужд. При этом снижается температура воздуха на входе в воздушную полость газовоздушного теплообменника 3 что позволяет в большей мере утилизировать тепло выходных газов, снизить их температуры на выходе в атмосферу до 110150,уменьшить потери тепла с уходящими в атмосферу газами. С выхода воздушной полости теплообменника 3 воздух, подогретый за счет тепла утилизируемой из выходных газов, уходит под большим давлением и с высокой температурой на вход воздушной турбины Т, а затем силовой турбины СТ газотурбинной надстройки 2, где расширяясь совершает механическую работу идущую на привод компрессора К и электрогенератора 7. Горячий воздух с выхода воздушной силовой турбины СТ с температурой П 700 - 750 К поступает в воздуховод с расходомдля использования потребителем. При этом вырабатывается электрическая энергия и тепловая энергия в виде горячего воздуха высоких параметров для целей теплоснабжения, или кондиционирования воздуха в жилых,административных зданиях и цехах заводов. Двигатель газотурбинной надстройки должен быть низкотемпературным, так как это позволяет получить большую долю тепловой энергии,передаваемой в контур надстройки, за счт утилизации тепла выходных газов идущих из топки с кипящим слоем, в газовоздушном теплообменнике 3, а также получить приемлемую температуру газов на входе в теплообменник. В этом случае двигатель надстройки сможет работать в номинальном режиме, что позволяет существенно увеличить мощность энергетической установки при высоком термическом и эффективном КПД. Для основного двигателя желательно выбирать высокотемпературный двигатель с высокой температурой газов на входе в турбину. В этом случае электрический КПД установки составит 42 и более. Это происходит в результате утилизации тепла выходных газов основного двигателя,утилизации тепла газов выходящих из топки с кипящим слоем. Все это утилизируемое тепло используется в газотурбинном цикле газотурбинной надстройки и основного двигателя, позволяет сократить расход твердого топлива, подаваемого в топку 12, и газообразного, подаваемого в камеру сгорания 11. Это также позволяет увеличить термический КПД энергетической установки. Получаемая дополнительная тепловая энергия в виде горячего воздуха с выхода силовой воздушной турбины газотурбинной надстройки и горячая вода в газоводяном теплообменнике за счет утилизации тепла сжатого дополнительным компрессором воздуха позволяет получить эффективный КПД энергетической установки более 90. Значительное снижение стоимости двигателя происходит за счет использования разработанного и выпускаемого промышленностью оборудования. При компоновке двигателя в газотурбинном цеху может устанавливаться только газотурбинное оборудование и электрическое оборудование, а все теплообменные аппараты могут располагаться вне газотурбинного цеха. Изобретение позволяет организовать работу газотурбинного двигателя за счт сжигания низкосортного дешвого тврдого топлива при обеспечении его наджной работы, что наряду с высоким КПД двигателя позволяет снизить эксплуатационные расходы и удешевить производство электрической и тепловой энергии. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1 Газотурбинный двигатель с газотурбинной надстройкой с регенерацией тепла, содержащий компрессор, камеру сгорания, турбину высокого давления,силовую газовую турбину,рекуперативный газовоздушный теплообменник,дополнительный компрессор, воздушную турбину для привода дополнительного компрессора и силовую воздушную турбину, дополнительную камеру сгорания, газоводяной теплообменник,систему подачи топлива отличающийся тем, что дополнительная камера сгорания выполнена в виде топки с кипящим слоем, причм в кипящий слой топки установлен трубчатый воздухоподогреватель вход, которого соединен с выходом компрессора основного двигателя, а выход с камерой сгорания основного двигателя. 2 Газотурбинный двигатель с газотурбинной надстройкой по п.1, отличающийся тем, что вход топки по газовому тракту соединен с выходом силовой газовой турбины основного двигателя через сопла, установленные на входе в кипящий слой. 3 Газотурбинный двигатель с газотурбинной надстройкой по п.1, отличающийся тем, что выход топки по газовому тракту соединен с входом рекуперативного газовоздушного теплообменника по газовой стороне через циклон. 4 Газотурбинный двигатель с газотурбинной надстройкой по п.1, отличающийся тем, что система подачи топлива в основную и дополнительную камеры сгорания содержит пиролизр тврдого топлива. 5 Газотурбинный двигатель с газотурбинной надстройкой по п.1, и п.4. отличающийся тем, что в качестве рабочего тела в пиролизре используются горячие газы с выхода топки с кипящим слоем.