Способ преобразования теплоты топлива в полезную механическую энергию в цикле с многоступенчатым подводом тепла к рабочему телу

(19), (11 180 А С 6/00 С 5)5 ПИСА ЕИЗ ЕТЕ нститут высоШтеренберг СССР 990.АНИЯ ТЕПЛО- МЕХАНИЧЕЦИКЛЕ С ВОДОМ ТЕПГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОВЕДОМСТВО СССР(54) СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВТЫ ТОПЛИВА В ПОЛЕЗНУЮСКУЮ ЭНЕРГИЮ ВМНОГОСТУПЕНЧАТЫМ ПОДЛА К РАБОЧЕМУ ТЕЛУ Изобретение относится к энергетике и может быть использовано при преобразовании тепловой энергии топлива в полезную механическую илиэлектрическую энергию в установке, сочетающей газотурбинную и паротурбинную установку.Цель изобретения - уменьц)ение образования оксидов азота и резкое повышение удельной и единичной мощности, при некотором улучшении тепловой экономичности,Поставленная цель достигается тем, что в способе преобразования теплоты топлива в полезную механическую энергию в цикле с многоступенчатым подводом тепла к рабочему телу, включающему сжатие окислителя, ступенчатое расширение рабочего тела и сжигание топлива в камерах сгорания перед ступенями расширения и подачей в них дополнительного окислителя, процесс сжигания топлива в камерах сгорания перед 2(57) Испрльзование; при преобразовании тепловой энергии топлива в полезную механическую или электрическую энергию в установке, сочетающей газотурбинную и паротурбинную установку. Сущность изобретения: во всех камерах сгорания, расположенных перед ступенями расширения, поддерживают коэффициент избытка окислителя меньше 1, После завершения процесса расширения производят сжигание горючих компонентов рабочего тела с коэффициентом избытка окислителя больше 1 в камере сгорания энергетической установки, в качестве которой могут испольэовать топку парового котла обычной паротурбинной установки. 1 з.п. ф-лы, 1 ил. м рабочего тела м избытка окисли-и ступенями рас а жиганиетоплива(р окислителя больршения процесса ания энергетиче-,есс расширения, ф завершают в ре-1 Ь статка кислорода ь ислителя меньше ступенчатым расширение проводят с коэффициенто теля меньше 1 перед всем ширения, а последующее с коэффициентом избытка ше 1 проводят после заве расширения в камере сгор ской установки, т.е. проц рабочего тела полностью жиме существенного недо (коффициент избытка ок 1),При этом процесс сжигания топлива вовсех камерах сгорания перед ступенямирасширения проводят с коэффициентом из-, бытка окислителя меньше 1, что практически исключает образование токсичных оксидов азота из-за отсутствия свободного кислорода в продуктах сгорания, а при последующем сжигании горючих компонентовэтих продуктов с коэффициентом избыткаокислителя больше 1 в камере сгоранияэнергетической установки адиабатическаятемпература значительно ниже, чем в прототипе (на 300-600 гр.С), что радикальноснижает образование оксидов азота.Кроме того, удельный объем горючих газов, покидающих последнюю ступень расширения (газовую турбину), в несколько раэменьше, чем у продуктов полного сгорания,покидающих газовую турбину в процессе,выбранном за прототип; в.этой связи приодинаковых размерах последующей ступени ГТУ в предложенном процессе можетбыть реализована единичная мощность внесколько раз большая, чем в прототипе,Кроме того, энергетическая установка, вкамере сгорания которой происходит дожигание горючих компонентов с коэффициентом избытка окислителя больше 1,обеспечивает эффективную утилизацию ихтеплоты и повышает общую тепловую экономичность.Авторам не известно использование вцикле с многоступенчатым подводом теплак рабочему телу сжигания топлива в камерахсгорания перед всеми ступенями расширения с коэффициентом избытка окислителяменьше 1 и последующее сжигание топливапосле завершения процесса расширения скоэффициентом избытка окислителя больше 1 в камере сгорания энергетической установки.Предложенный способ реализуют следующим образом;1. Окислитель ( как правило атмосферный воздух) сжимают и подают вместе сполным расходом топлива в первую камерусгорания, где при коэффициенте избыткаокислителя меньше 1 получают рабоцее тело. Допускают также подачу водяного парав первую камеру сгорания,2, Рабочее теплоступенчато расширяютпосле камер сгорания с отводом полезноймеханической энергии.3. Рабочее тело направляют в последующие камеры сгорания, куда подают дополнительный расход окислителя,4, Во всех камерах сгорания поддерживают коэффициент избытка окислителяменьше 1.5. После завершения процесса расширения производят сжигание горючих компонентов рабочего тела с коэффициентомизбытка окислителя больше 1 в камере сгорания энергетической установки,Предложенный способ поясняется устройством, представленным на рис. 1, Устройство включает последовательносоединенные воздушный компрессор 1, камеру сгорания высокого давления 2, турбину высокого давления 3, камеру сгораниянизкого давления 4 и турбину высокого давления 5. Устройства 1, 3 и 5 механически5 связаны с электрическим генератором 6,Выхлоп турбины низкого давления 5 соединен с камерой сгорания энергетической установки, в качестве которой использованатопка парового котла 7 обычной паротур 10 бинной установки, обеспечивающей паромпаровую турбину 8, соединенную с камеройсгорания высокого давления 2,Работа по. предлагаемому способу происходит следующим образом. Атмосферный15 воздух сжимают компрессором 1 и подаютв камеру сгорания первой ступени (камерусгорания высокого давления) 2, куда подаюттакже полный расход топлива т. В камересгорания первой ступени 2 в среде недо 20 статка окислителя (стехиометрический коэффициент 0,4-0,6) происходит частичноесгорание (газификация) топлива с образованием смеси газов, состоящей из М 2, Н 2, СО,СО 2, Н 20, которая является рабочим теплом25 турбины высокого давления 3, приводящейсиловой вал, на котором расположены компрессор 1 и электрический генератор 6. Необходимая температура рабочего телаобеспецивается подачей в камеру сгорания30 окислителя и водяного пара, После частичного расширения в турбине высокого давления 3 рабочее тело направляют в камерусгорания низкого давления 4, куда подаютвоздух из компрессора 1 для цастичного до 35 жигания горючих газов в рабочем теле,Окончательное дожигание горючих газовпроизводят в топке парового котла 7, послекоторой продукты сгорания сбрасывают ватмосферу.40 Выбор диапазона изменения коэффициента избытка окислителя определяется,главным образом, термодинамическими условиями протекания процесса неполногоокисления в камере сгорания, причем мини 45 мальная его граница задается условием исключения сажеобразования, а верхняя -условием устойчивого горения образовавшейся смеси газов в последующих камерахсгорания,50 Табл,1 показывает термодинамическиравновесный состав продуктов неполногоокисления в первой камере сгорания притемпературе процесса 1200-1220 С в диапазоне изменения коэффициента избытка55 окисления, обеспечивающем с одной стороны отсутствие сажи в рабочем теле, с другой- устойчивое горение в последующих камерах сгорания,Предложенная формула изобретенияможет быть практицески реализована в схе1809141 Таблица 1 ме для настройки действующих паротур. - бинных блоков применительно к традиционным паротурбинным электростанциям.В этом случае обычную энергетическую газотурбинную установку с одной камерой сгорания переводят на режим неполного окисления топлива в первой камере сгорания путем резкого увеличения подачи в нее топлива и уменьшения производительности компрессора. Необходимая температура рабочего тела в камере сгорания поддерживается путем регулируемой подачи воздуха, а также путем подачи водяного пара, отбираемого из паровой турбины обычной паротурбинной установки, После расширения в турбине ГРУ рабочее тело, содержащее горючие газы, направляется в паровой котел, где дожигается в среде воздуха, прошедшего воздухоподогреватель парового котла; таким образом в топке парового котла осуществляется второй подвод тепла к энергетическому циклу.В табл, 2 сопоставлены основные показатели схем парогазовых установок на базе газотурбинной установки ОТЕ (АВВ, Швейцария):по предложенному способу с неполным сгоранием топлива в первой камере сгорания ГТУ и дожйганием его в топке парового котла:по способу, указанному в прототипе с неполным окислением топлива в первой камере сгорания ГТУ и дожиганием его во второй камере сгоранияКак показывают расчеты, предложенное техническое решение имеет по сравнению с прототипом следующие преимущества: 1. Уменьшение вредных выбросов диоксида азота составит 3,5-6 раз.2. Увеличение полезной удельной мощности (полезной мощности, отнесенной к расходу сжэгого воздуха высокоо даеле.ния) составит 3-3,5 раза.3. Резко ( е 6-8 раз) снизится удельнаямощность компрессора высокого давления 5 из-за уменьшения избытка окислителя епервой камере сгорания и, соответственно, снизятся связанные с этим потери.4. Резко увеличится выработка полезной энергии на базе газотурбинного обору дования, что приведет к снижениюкапитальных затрат; этому способствует и отсутствие сооружений, связанных с отводом тепла е холодный источник, В этой связи практически в два раза снизиться 15 удельные капитальные затраты в ГТУ,Формула изобретения 1. Способ преобразования теплоты топлива в полезную механическую энергию е цикле с многоступенчатым подводом тепла 20 к рабочему телу, включающий сжатие окислителя, подачу дополнительного окислителя. и сжигание органического топлива в камерах сгорания перед ступенями расширения, кроме последней с коэффициентом избытка 25 окислитель меньше единицы, последующеесжигание топлива с коэффициентом избытка окисгителя больше единицы, о т л и ч.а ющ и й с я тем, что, с целью уменьшения образования оксидов азота, повышения 30 удельной и единичных мощностей и повышения тепловой экономичности, дополнительно сжигание топлива с коэффициентом избытка окислителя меньше единицы осуществляют перед последней ступенью рас ширения, а сжигание 1 оплиев скоэффициентом избытка воздуха больше единицы осуществляют пОсле завершения процесса расширения е камере сгорания. другой энергетической установки.40 2. Способ по и, 1, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что в качестве камеры сгорания энергетической установки используют топку парового котла паротурбинной установки,1809141 Таблица 2 ПАРАМЕТРЫ ПГУ по способу прототипа- во второй камере сгорания0,49 1,27 165 305 165 Удельные выбросы диоксида азота, г/Квт-ч0,08-0,15 0,18-0,35 06 й КП становки,46,5 43,5 Составитель В.МасленниковТехред М.Моргентал Корректор С.Лис Реда Заказ 1271 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 роизводственно-из ГАЗОТУРБИННАЯ ЧАСТЬ УСТАНОВКИ Заданная температура рабочего тела в камерах сгорания, гр.СОБЩИЕ ПОКАЗАТЕЛИ Полезная мощность, Мвт в т.ч. газотурбинной частиГНУс котлом паротурбинной установки ( предложенный спо- соб 0,49 1,1