Способ утилизации теплоты выпускных газов газотурбинных установок
Владельцы патента RU 2418961:
Способ утилизации теплоты выпускных газов газотурбинных установок заключается в отводе теплоты от выпускных газов газотурбинной установки и использовании ее для подогрева циклового воздуха в регенераторе и воды горячего водоснабжения — в подогревателе воды. При сезонном снижении потребности в горячем водоснабжении внутренний тракт подогревателя воды отключают от прямой и обратной магистралей сетевой воды, сливают находящуюся внутри труб воду, очищают и осушают «горячим» сжатым воздухом, поступающим от компрессора. Герметизируют внутренний тракт подогревателя воды и подключают его параллельно с воздушным трактом регенератора к магистралям подвода/отвода сжатого воздуха. Поверхность теплообмена подогревателя воды используют для подогрева циклового воздуха, смешивая его с воздухом, нагретым в регенераторе, и направляют полученную смесь в камеру сгорания газотурбинной установки. Изобретение направлено на повышение эффективности использования топлива в течение всего периода эксплуатации газотурбинной установки. 1 ил.
Предлагаемое изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к теплообменному оборудованию, предназначенному для регенерации и утилизации теплоты выпускных газов газотурбинных установок (ГТУ).
Известен способ регенерации и утилизации теплоты выпускных газов ГТУ, заключающийся в последовательном отводе теплоты от газов к цикловому воздуху в регенераторе, а затем — к воде горячего водоснабжения в подогревателе воды (Газовая промышленность, Серия: «Использование газа в народном хозяйстве», Вып.3. «Разработка и внедрение теплоутилизационного оборудования для ГПА»; М:, 1988, 40 с.).
Недостатком известного способа утилизации теплоты является его сравнительно низкая экономичность при сезонном изменении температуры наружного воздуха и резком снижении потребности в «горячем» водоснабжении (Щуровский В.А. Новое поколение ГТУ для магистральных газопроводов. Газотурбинные технологии, июль-август, 1999, стр.11).
При отсутствии потребности в горячей воде газ с температурой 250…320°C не охлаждается в подогревателе воды (ПВ), а через дымовую трубу выбрасывается в атмосферу. Тем самым снижается эффективность использования топлива, растет гидравлическое сопротивление газового тракта, увеличиваются затраты энергии на собственные нужды ГТУ.
Количественное регулирование расхода газа, поступающего к утилизационному ПВ, заметно сокращает тепловые потери ГТУ, но и в этом случае сброс «излишков» теплоты байпасным газовым потоком в атмосферу сохраняется (а.с. СССР №945628, опубл. 23.07.82, БИ №27; а.с. СССР №1663309, опубл. 15.07.91, БИ №26; а.с. СССР №1124176, опубл. 15.11.84, БИ №42; а.с. СССР №1449831, опубл. 07.01.89, БИ №1; а.с. СССР №1629733, опубл. 23.02.91, БИ №7; а.с. СССР №1511575).
Цель предлагаемого изобретения — повышение эффективности использования топлива в течение всего периода эксплуатации ГТУ.
Указанная цель достигается тем, что при сезонном изменении температуры наружного воздуха и снижении потребности в «горячей» воде внутренний тракт ПВ отключают от прямой и обратной магистралей сетевой воды, воду сливают, внутреннюю поверхность труб каждой секции очищают и осушают горячим сжатым воздухом, поступающим от компрессора, герметизируют внутренний тракт ПВ и подключают его параллельно с воздушным трактом регенератора к магистралям подвода/отвода сжатого воздуха, используют поверхность теплообмена ПВ для подогрева циклового воздуха, который смешивают с цикловым воздухом, нагретым в регенераторе, и направляют полученную смесь в камеру сгорания ГТУ.
При отсоединении ПВ от системы горячего водоснабжения, удалении воды и подаче в него части циклового воздуха последний воспринимает теплоту от выпускных газов и нагревается, то есть теплообменная поверхность ПВ служит для повышения температуры циклового воздуха, подаваемого в камеру сгорания ГТУ. При этом уменьшаются затраты топлива в камере сгорания и увеличивается кпд установки в целом. Кроме того, параллельная раздача воздуха по внутренним трактам регенератора и ПВ способствует снижению гидравлического сопротивления воздушного тракта ГТУ, повышению степени расширения в турбине и росту ее мощности.
При длительной эксплуатации ГТУ ухудшаются характеристики ее узлов, в частности вследствие износа снижается степень повышения давления в компрессоре, что уменьшает кпд агрегата. Вместе с тем при уменьшении степени повышения давления снижается и температура сжатого воздуха, направляемого к теплообменникам, что вызывает рост среднеповерхностного температурного напора, повышение подогрева циклового воздуха и степени регенерации. Рост последней компенсирует некоторое уменьшение кпд из-за снижения степени повышения давления.
Дополнительным эффектом от использования предлагаемого способа является повышение надежности работы ПВ вследствие регулярной очистки его поверхности теплообмена от загрязнений, солеотложений при удалении воды и продувке сжатым воздухом, исключении стояночной коррозии, что способствует продлению ресурса эксплуатации теплообменника.
На чертеже представлена тепловая схема системы утилизации теплоты выпускных газов ГТУ.
Система утилизации состоит из регенератора (1), подогревателя воды (2), дымовой трубы (3), камеры сгорания (4), магистралей подвода/отвода: воды (5, 6), воздуха (7, 8) и газа (9, 10); соединительных трубопроводов (11; 12), оснащенных запорной и регулирующей арматурой (13, 14, 15); ПВ оборудован дренажным (16), воздушным (17) и запорными (18, 19) клапанами.
При работе в обычном (теплофикационном) режиме «горячий» газ от газовой турбины (23) по магистрали (9) проходит последовательно регенератор (1), ПВ (2), охлаждается и по газоходу (10) через дымовую трубу (3) сбрасывается в атмосферу (20), при этом запорные клапаны (13, 15) на соединительных трубопроводах (11, 12) закрыты, регенератор (1) и ПВ (2) работают автономно:
— в регенераторе (1) подогревается цикловой воздух, поступающий от компрессора (24) по магистрали (7) и трубопроводу (25), а отводимый по магистрали (8) и трубопроводу (21) в камеру сгорания (4);
— в ПВ нагревается сетевая вода, поступающая по магистрали подвода (5) через открытый клапан (18) и отводимая по магистрали (6) через открытый клапан (19) к потребителям; причем дренажный (16) и воздушный (17) клапаны, установленные на ПВ закрыты.
При сезонном снижении потребности в горячем водоснабжении внутренний тракт ПВ отключают от магистралей (5, 6) сетевой воды, закрывая клапаны (18, 19); воду сливают через дренажный клапан (16), внутреннюю поверхность труб каждой секции осушают и очищают горячим сжатым воздухом, поступающим от компрессора (24) по трубопроводам (7; 11; 22) при открытых запорном (13), регулирующем (14), воздушном (17) и дренажном (16) клапанах; затем герметизируют ПВ (2), закрывая клапаны (16, 17), и по трубопроводу (12) при открытом запорном клапане (15) направляют часть сжатого воздуха из магистрали (7) по трубопроводам (11; 22) в ПВ, параллельно основной части сжатого воздуха, поступающего в регенератор (1) по трубопроводу (25); в этих теплообменниках (1; 2) воздух нагревается за счет теплоты выпускных газов ГТУ и поступает в общую магистраль (21), где происходит смешение обоих потоков нагретого сжатого воздуха, а образовавшуюся смесь направляют в камеру сгорания (4) ГТУ.
Греющий газ от газовой турбины (как и в обычном режиме) по газоходу (9) направляется в регенератор (1), отдает теплоту сжатому воздуху, охлаждается и поступает в межтрубное пространство ПВ (2), где отдает теплоту воздуху, движущемуся внутри труб, охлаждается и через дымовую трубу (3) сбрасывается в атмосферу (20).
При таком исполнении системы утилизации теплоты нет необходимости в сбросе горячего газа мимо ПВ, полнее используется теплота выпускных газов, повышается коэффициент использования топлива.
Способ утилизации теплоты выпускных газов газотурбинных установок (ГТУ), заключающийся в отводе теплоты от выпускных газов ГТУ и применении ее для подогрева циклового воздуха в регенераторе и воды горячего водоснабжения — в подогревателе воды (ПВ), отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности использования топлива в течение всего периода эксплуатации ГТУ, при сезонном снижении потребности в горячем водоснабжении внутренний тракт ПВ отключают от прямой и обратной магистралей сетевой воды, сливают находящуюся внутри труб воду, очищают и осушают «горячим» сжатым воздухом, поступающим от компрессора, герметизируют внутренний тракт ПВ и подключают его параллельно с воздушным трактом регенератора к магистралям подвода/отвода сжатого воздуха, используют поверхность теплообмена ПВ для подогрева циклового воздуха, смешивая последний с воздухом, нагретым в регенераторе, и направляют полученную смесь в камеру сгорания ГТУ.
Источник
Система выхлопа и утилизации тепла выхлопных газов газотурбинных установок
Система выхлопа и утилизации тепла выхлопных газов газотурбинных установок относиться к области машиностроения промышленности и энергетики и может быть использована при создании новых или реконструкции действующих установок, например, газоперекачивающих агрегатов, где в качестве силового привода применяются газотурбинные двигатели. Задачей предлагаемого технического решения является создание системы выхлопа с утилизатором, с повышенной тепловой эффективностью и с меньшей, по сравнению с аналогами, металлоемкостью металлоконструкций, удобным в эксплуатации. Поставленная задача достигается за счет того, что система выхлопа и утилизации тепла выхлопных газов газотурбинных установок содержит включающая газоход, глушитель шума выхлопа, утилизатор тепла, проточная часть корпуса утилизатора выполнена в виде диффузора, соединяющего газоход с глушителем шума выхлопа, расположенным непосредственно над утилизатором. Сущность предложенного технического решения заключается в том, что теплообменные аппараты размещены в корпусе утилизатора, являющемся одновременно диффузором, соединяющим участок газохода от двигателя с глушителем шума. Таким образом, они расположены первыми по потоку выхлопных газов от двигателя, чем обеспечивается свободный доступ для обслуживания и ремонта, минимизация опорных металлоконструкций, площадок, длин трубопроводов холодной и горячей воды, повышение теплоэффективности, снижение аэродинамических потерь. При этом выхлопные газы, отдав часть своей энергии в начале потока (в утилизаторе), уменьшаются в объеме и, соответственно теряют скорость, при этом снижаются аэродинамические потери на выхлопе, увеличивается эффективность работы всей системы.
Система выхлопа и утилизации тепла выхлопных газов газотурбинных установок относиться к области машиностроения промышленности и энергетики и может быть использована при создании новых или реконструкции действующих установок, например, газоперекачивающих агрегатов, где в качестве силового привода применяются газотурбинные двигатели.
Известны системы выхлопа и утилизации тепла выхлопных газов газотурбинных установок, включающие элементы газохода (выхлопного тракта), расположенные последовательно, глушитель шума выхлопа, а над ним теплообменник утилизации тепла, объединенные в систему посредством промежуточных звеньев (переходников, диффузоров), необходимость в которых обусловлена различием геометрических параметров и форм основных элементов, как например, на газоперекачивающем агрегате ГПА-16 «Волга» Сумского НПО им. М.В.Фрунзе, «Газоперекачивающие агрегаты, компрессорные станции и установки для газовой и нефтяной промышленности» РВА «Комп’ютернi Системи», 1999, Украина,.» «Информация сектора РНТИ ОАО «НПО им. М.В.Фрунзе» (см. приложение).
Известна так же система выхлопа и утилизации тепла выхлопных газов газотурбинной установки Сумского НПО им. М.В.Фрунзе для газоперекачивающих агрегатов типа ГПА-Ц25-НК (черт. и спецификация 308.0000.000, см. приложение), так же содержащий элементы газохода (выхлопного тракта), расположенные последовательно, глушитель шума выхлопа, а над ним теплообменник утилизации тепла. В его выхлопном тракте так же системы утилизации тепла выхлопа отработавших газов расположены после глушителя на большой высоте, это требует высотных площадок для обслуживания, что усложняет обслуживание теплообменников в непогоду и при низких температурах.
Основными недостатками известных систем выхлопа и утилизации тепла выхлопных газов газотурбинных установок являются неудобство эксплуатации, обусловленное высотными отметками расположения теплообменных аппаратов утилизатора, что, в свою очередь, вызвано принципами компоновки системы в целом, большой металлоемкостью металлоконструкций, трубопроводов, площадок обслуживания, лестниц и ограждений, соответствующих расположению обслуживаемых в эксплуатации узлов, снижение тепловой эффективности утилизатора.
Наиболее близким аналогом является система выхлопа и утилизации тепла выхлопных газов газотурбинной установки по патенту РФ на изобретение №2 208184 С1 от 22.11.2001 МПК F 04 D 25/02, «Газоперекачивающая станция», содержащая, присоединенные непосредственно к шумоглушащему контейнеру и соединенные последовательно, переходник, запорное устройство, диффузор, утилизатор тепла, конфузор, трубу выхлопную, погодный колпак.
В устройстве данной системы, наиболее тяжелые элементы газовыхлопного тракта опущены ближе к фундаментам, что повысило устойчивость системы в целом.
Расположение утилизаторов на большой высоте, продиктованное компоновкой выхлопного тракта, предполагает подвод труб прямой и обратной воды на эту же высоту, что приводит к потерям тепла, снижению эффективности теплосъема системы. По пути к утилизатору, выхлопные газы теряют часть своей энергии, проходя, через расположенные перед ним глушитель шума, переходники и диффузоры, необходимые для совмещения стыковочных узлов отдельных элементов в силу различия габаритов и сечений газового тракта в каждом из них. Неизбежны и повышенные аэродинамические потери в выхлопном тракте, обусловленные тем, что проходящие через глушитель шума, например, выхлопные газы имеют максимальный объем и, следовательно, максимальную скорость потока, большую чем после теплообменника.
Задачей предлагаемого технического решения является создание системы выхлопа с утилизатором, с повышенной тепловой эффективностью и с меньшей, по сравнению с аналогами, металлоемкостью металлоконструкций, удобным в эксплуатации.
Поставленная задача достигается за счет того, система выхлопа и утилизации тепла выхлопных газов газотурбинных установок, включает газоход, глушитель шума выхлопа, утилизатор тепла, при этом, проточная часть корпуса утилизатора выполнена в виде диффузора, соединяющего газоход с глушителем шума выхлопа, расположенным непосредственно над утилизатором.
Сущность предложенного технического решения заключается в том, что теплообменные аппараты размещены в корпусе утилизатора, являющемся одновременно диффузором, соединяющим участок газохода от двигателя с глушителем шума. Таким образом, они расположены первыми по потоку выхлопных газов от двигателя, чем обеспечивается свободный доступ для обслуживания и ремонта, минимизация опорных металлоконструкций, площадок, длин трубопроводов холодной и горячей воды, повышение теплоэффективности, снижение аэродинамических потерь. При этом выхлопные газы, отдав часть своей энергии в начале потока (в утилизаторе), уменьшаются в объеме и, соответственно теряют скорость, при этом снижаются аэродинамические потери на выхлопе, увеличивается эффективность работы всей системы.
На фиг.1 изображена система выхлопа и утилизации тепла выхлопных газов газотурбинных установок, где: утилизатор тепла 1 — корпус с теплообменниками (не показаны на чертеже), газоход 2, площадка обслуживания 3, лестницы 4, глушитель шума выхлопа 5, переходник 6, дымовая труба 7, защитный погодный зонт 8, комплект арматуры 9 управления (краны, задвижки).
Предлагаемая система выхлопа и утилизации тепла выхлопных газов газотурбинных установок состоит из утилизатора тепла — 1, содержащего корпус, который одновременно выполняет функции диффузора, и теплообменники, расположенные внутри проточной части корпуса 1. Утилизатор тепла смонтирован непосредственно на газоходе отвода газов 2 от двигателя. К нему примыкают площадка 3 для обслуживания с лестницей 4. Над утилизатором тепла расположен глушителя шума 5 и переходник 6, как соединительное звено между глушителем и дымовой трубой 7 с защитным (погодным) зонтом 8 в верхней части. Под площадкой обслуживания, на высоте, обеспечивающей доступ с уровня земли, расположен комплект арматуры (краны, задвижки) 9 управления утилизатором тепла. Устройство работает следующим образом.
Горячие выхлопные газы от двигателя по газоходу 2 поступают непосредственно на вход утилизатора тепла 1, проточная часть корпуса которого выполняет функции диффузора, и, проходя через его теплообменные аппараты, отдают часть содержащейся в них энергии теплоносителю, например, воде. Отдав часть энергии и, следовательно, охлажденные, имеющие меньший объем, меньшую скорость прохождения через сечение глушителя, выхлопные газы поступают в глушитель шума выхлопа 5, смонтированный на верхнем фланце утилизатора 1, что определяет меньшее аэродинамическое сопротивление в глушителе и далее в выхлопном тракте.
После глушителя поток газов, через переходник 6, преобразующий прямоугольный поток в круглый, по трубе 7 выбрасывается в атмосферу. Зонт 8 предотвращает попадание атмосферных остатков в выхлопную трубу.
Трубопровод прямой и обратной воды (теплоносителя) вместе с арматурой 9, образуют систему управления и контроля работы утилизатора.
Система выхлопа и утилизации тепла выхлопных газов газотурбинных установок, включающая, газоход, глушитель шума выхлопа, утилизатор тепла, отличающаяся тем, что проточная часть корпуса утилизатора выполнена в виде диффузора, соединяющего газоход с глушителем шума выхлопа, расположенным непосредственно над утилизатором.
Источник
