RU2134807C1

RU2134807C1 - Gas-turbine plant and method of its operation

Info

Publication number: RU2134807C1
Application number: RU96111567A
Authority: RU
Inventors: В.И. Особов
Original assignee: Особов Виктор Исаакович
Priority date: 1996-06-07
Filing date: 1996-06-07
Publication date: 1999-08-20

Abstract

FIELD: power engineering. SUBSTANCE: method of operation implemented in partially united gas ducts with different temperature exhaust gas flows and regenerative heating of compressed working medium by residual heat of high temperature exhaust flow includes processes of compression of gaseous working medium in compressors, heating of compressed working medium, for instance, by combustion of fuel in combustion chamber, and expansion of heated working medium in turbines. Regenerative heating of entire working medium or its major part is carried out in high temperature exhaust flow after its expansion in turbines providing excess of consumption of heated working medium over consumption of cooled high temperature exhaust flow. Gas ducts is divided after regenerative heating or directly after compression. One of gas ducts has heated circuit of heat exchanger-regenerator and it communicates with inlet into additional turbine. Common low pressure compressor and additional turbine coupled with compressor form kinematic module. EFFECT: increased efficiency. 2 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к энергомашиностроению, а именно к способам работы и конструкции энергетических газотурбинных установок (ГТУ). The invention relates to power engineering, and in particular to methods of operation and design of energy gas turbine units (GTU).

Известен способ работы ГТУ, включающий процессы сжатия газообразного рабочего тела (например, воздуха) в компрессоре, подогрева сжатого рабочего тела (например, путем сжигания органического топлива в камере сгорания), расширения подогретого рабочего тела в турбине с получением избыточной мощности, передаваемой потребителю, и утилизации остаточного тепла расширившегося отработавшего рабочего тела для предварительного регенеративного подогрева сжатого рабочего тела перед основным подогревом в камере сгорания (см., например, Столярова С.Ф., Кузнецов А.Л., Тихомиров Б.А. "Целесообразные направления повышения экономичности ГТУ", "Теплоэнергетика", N 7, 1989 г., с. 68-71). There is a known method of operation of a gas turbine, including the processes of compressing a gaseous working fluid (for example, air) in a compressor, heating a compressed working fluid (for example, by burning organic fuel in a combustion chamber), expanding a heated working fluid in a turbine to produce excess power transmitted to a consumer, and utilization of the residual heat of the expanded spent working fluid for preliminary regenerative heating of the compressed working fluid before the main heating in the combustion chamber (see, for example, Stolyarova .F., Kuznetsov AL Tikhomirov BA "Expedient ways of increasing the efficiency of gas turbines", "Power system" of N 7, 1989, pp. 68-71).

Известен также способ работу ГТУ, включающий утилизацию остаточного тепла расширившегося рабочего тела, выводимого по крайней мере двумя разнотемпературными потоками и подаваемого в греющий контур общей утилизацией системы, причем низкотемпературный поток подводят в промежуточную зону теплообмена, на подходе к которой температура высокотемпературного потока снижена в результате теплообмена до уровня низкотемпературного потока (см. заявку РФ N 93 009697/06 от 24.02.1993). There is also a known method of operation of a gas turbine, including the utilization of the residual heat of an expanded working fluid, removed by at least two different temperature streams and supplied to the heating circuit by the general utilization of the system, the low-temperature stream being brought into the intermediate heat exchange zone, on the approach to which the temperature of the high-temperature stream is reduced as a result of heat exchange to the level of low-temperature flow (see RF application N 93 009697/06 of 02.24.1993).

Недостатком указанного способа работы ГТУ является то, что в некоторых случаях, в частности, в одновальных схемах на режимах частичной мощности или в схемах с промежуточным охлаждением при сжатии и довольно высокой общей степенью сжатия, температура низкотемпературного выхлопного потока приближается к температуре сжатого рабочего тела, так что возможности использования остаточного тепла низкотемпературного потока резко снижаются и могут быть недостаточными даже для компенсации связанного с этим дополнительного гидравлического сопротивления, в результате чего подвод низкотемпературного выхлопного потока в общую утилизационную систему становится нецелесообразным. The disadvantage of this method of operation of gas turbines is that in some cases, in particular in single-shaft circuits at partial power modes or in circuits with intermediate cooling during compression and a rather high overall compression ratio, the temperature of the low-temperature exhaust stream approaches the temperature of the compressed working fluid, that the possibilities of using the residual heat of the low-temperature flow are sharply reduced and may be insufficient even to compensate for the additional hydraulic connection associated with this otivleniya, whereby the supply of low temperature exhaust stream to the overall system utilizing becomes impractical.

Целью изобретения является повышение термодинамической эффективности регенеративной ГТУ и упрощение ее конструкции. The aim of the invention is to increase the thermodynamic efficiency of regenerative gas turbines and simplify its design.

Указанная цель достигается тем, что регенеративный подогрев сжатого рабочего тела в рабочем процессе, осуществляемом в раздельных или частично объединенных газовых трактах с разнотемпературными выхлопными потоками, производят в высокотемпературном выхлопном потоке, причем расход нагреваемого сжатого рабочего тела превышает расход отработавшего рабочего тела в высокотемперпатурном выхлопном потоке. При этом в некоторых случаях может быть не только упрощена конструкция ГТУ по сравнению с прототипом, но и несколько повышен ее КПД за счет снижения гидравлических потерь в низкотемпературном выхлопном потоке. This goal is achieved by the fact that the regenerative heating of the compressed working fluid in the working process, carried out in separate or partially combined gas paths with different temperature exhaust streams, is carried out in a high-temperature exhaust stream, and the flow rate of the heated compressed working fluid exceeds the flow rate of the spent working fluid in a high-temperature exhaust stream. Moreover, in some cases, the design of a gas turbine can be simplified in comparison with the prototype, but its efficiency can be slightly increased by reducing hydraulic losses in the low-temperature exhaust stream.

Анализ известных технических решений в исследуемой области позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с существенными признаками в заявленном техническом решении, что свидетельствует о его соответствии критерию "существенные отличия". An analysis of the known technical solutions in the study area allows us to conclude that there are no signs in them that are similar to the essential features in the claimed technical solution, which indicates its compliance with the criterion of "significant differences".

Схемы ГТУ, реализующих указанный способ работы, представлены, например, на фиг. 1-5. Schemes of gas turbines implementing this method of operation are presented, for example, in FIG. 1-5.

Рассмотрим схему ГТУ, представленную на фиг. 1. Consider the gas turbine circuit shown in FIG. 1.

ГТУ включает компрессоры низкого давления 1 и высокого давления 2, кинетически связанные с турбинами высокого давления 3 и низкого давления 4, дополнительной турбиной 5 и потребителем мощности 6. В проточной части между компрессорами 1 и 2 размещен теплообменник-охладитель 7, а перед турбинами 3, 4 и 5 размещены камеры сгорания 8, 9 и 10; на выходе из турбины 4 размещен теплообменник-регенератор 11, сообщенный по входу нагреваемого контура с выходом из компрессора 2, а по выходу нагреваемого контура - со входом в камеры сгорания 8 и 10. GTU includes compressors of low pressure 1 and high pressure 2, kinetically connected with high pressure turbines 3 and low pressure 4, additional turbine 5 and power consumer 6. In the flow part between the compressors 1 and 2 there is a heat exchanger-cooler 7, and in front of the turbines 3, 4 and 5, combustion chambers 8, 9 and 10 are placed; at the outlet of the turbine 4 there is a heat exchanger-regenerator 11 communicated at the input of the heated circuit with the outlet from the compressor 2, and at the exit of the heated circuit with the entrance to the combustion chambers 8 and 10.

Работа ГТУ осуществляется следующим образом. Компрессор низкого давления 1 засасывает воздух из атмосферы, сжимает его и через теплообменник 7, после промежуточного охлаждения, подает на вход в компрессор высокого давления 2, где воздух дополнительно сжимается и подается в нагреваемый контур теплообменника-регенератора 11. Получив в регенераторе 11 предварительный подогрев путем теплообмена с высокотемпературными выхлопными газами турбины 4, сжатый воздух разделяется на два потока, первый из которых направляется для основного подогрева в камеру сгорания 8, затем в турбину 3, после расширения в которой дополнительно подогревается в камере сгорания 9, окончательно расширяется в турбине 4 и поступает в греющий контур регенератора 11, где отдает тепло нагреваемому сжатому воздуху, а затем выводится в атмосферу или во вторую ступень утилизации, например, отопительную (на схеме не показано). Второй поток направляется в камеру сгорания 10. затем в дополнительную турбину 5, после которой выхлопные газы выводятся в атмосферу или во вторую ступень утилизации тепла, например, для отопления (на схеме не показано). The work of gas turbines is as follows. The low-pressure compressor 1 draws in air from the atmosphere, compresses it and through the heat exchanger 7, after intermediate cooling, delivers it to the inlet of the high-pressure compressor 2, where the air is additionally compressed and fed into the heated circuit of the heat exchanger-regenerator 11. Having received preliminary heating in the regenerator 11 by heat exchange with high-temperature exhaust gases of turbine 4, compressed air is divided into two streams, the first of which is sent for main heating to the combustion chamber 8, then to turbine 3, after expansion in which it is additionally heated in the combustion chamber 9, finally expands in the turbine 4 and enters the heating circuit of the regenerator 11, where it gives off heat to the heated compressed air, and then is removed to the atmosphere or to the second stage of utilization, for example, heating (not shown in the diagram) . The second stream is directed to the combustion chamber 10. Then to an additional turbine 5, after which the exhaust gases are discharged into the atmosphere or into the second stage of heat recovery, for example, for heating (not shown in the diagram).

Разделение газового тракта может быть произведено после частичного сжатия, например, за компрессором низкого давления, как показано на фиг. 2. The gas path can be separated after partial compression, for example, behind a low pressure compressor, as shown in FIG. 2.

Особенностью предлагаемых технических решений является то, что максимум КПД ГТУ достигается на режиме с отключенной камерой сгорания 10, когда подогрев воздуха во втором тракте осуществляется только за счет регенеративного теплообмена и мощность ГТУ ниже максимальной. Это - существенное отличие от ГТУ традиционных схем, в которых максимум КПД соответствует максимуму мощности. На практике большую часть ресурса работы ГТУ занимают режимы частичной мощности с пониженными значениями КПД. Таким образом, выполнение ГТУ по предлагаемым схемам позволяет реализовать максимальный КПД на режимах более употребимых и получить дополнительную экономию топлива. Исключение из схемы ГТУ камеры сгорания 10 позволяет несколько повысить максимально достижимое значение КПД на режиме максимальной мощности за счет снижения гидравлических потерь, но исключает описанный выше эффект повышения КПД на режимах частичной мощности. A feature of the proposed technical solutions is that the maximum efficiency of a gas turbine is achieved in a mode with the combustion chamber 10 off, when the air in the second tract is heated only by regenerative heat transfer and the gas turbine power is below the maximum. This is a significant difference from GTU of traditional schemes, in which the maximum efficiency corresponds to the maximum power. In practice, the most part of the GTU operation resource is occupied by partial power modes with reduced efficiency values. Thus, the performance of gas turbines according to the proposed schemes allows us to realize maximum efficiency in more usable modes and get additional fuel economy. The exception of the combustion chamber 10 from the gas turbine circuit allows to slightly increase the maximum achievable efficiency at maximum power by reducing hydraulic losses, but eliminates the above-described effect of increasing efficiency at partial power modes.

Значение частичной мощности, при котором достигается максимум КПД в предлагаемых схемах ГТУ, тем ниже (и, соответственно, шире диапазон изменения мощности при высоком уровне КПД), чем большая относительная доля расхода воздуха подается в тракт камеры сгорания 5. Если эта доля достаточно велика, например, более половины общего расхода воздуха, то в генераторе целесообразно подогревать только этот расход, как показано на фиг. 2, 4, 5. The value of the partial power, at which the maximum efficiency is achieved in the proposed schemes of gas turbines, the lower (and, accordingly, wider the range of power changes at a high level of efficiency), the greater the relative share of air flow is fed into the path of the combustion chamber 5. If this fraction is large enough, for example, more than half of the total air flow, it is advisable to heat only this flow in the generator, as shown in FIG. 2, 4, 5.

Дальнейшее расширение диапазона рабочих режимов с высокими значениями КПД, близкими к максимуму, и возможностей выбора режима частичной мощности с максимумом КПД дает размещение компрессора низкого давления и дополнительной турбины 5 на отдельном роторе, не связанном кинематически с компрессором высокого давления и потребителем мощности 6, как показано на фиг. 3, 4, 5. Further expanding the range of operating modes with high efficiency values close to maximum and the possibility of choosing a partial power mode with maximum efficiency gives the low-pressure compressor and an additional turbine 5 on a separate rotor that is not kinematically connected to the high-pressure compressor and power consumer 6, as shown in FIG. 3, 4, 5.

Термодинамически может быть более эффективно производить разделение воздушного потока при автономном приводе компрессора низкого давления 1 дополнительной турбиной 5 на уровне давления, превышающем давление воздуха на выходе из компрессора низкого давления, как показано на фиг. 5. Thermodynamically, it can be more efficient to separate the air flow when the low pressure compressor 1 is independently driven by an additional turbine 5 at a pressure level higher than the air pressure at the outlet of the low pressure compressor, as shown in FIG. 5.

Реализация предложенных технических решений позволит создать ряд высокоэффективных энергоустановок различной размерности и назначения при использовании существующих освоенных материалов, технологий и конструктивных достижений. The implementation of the proposed technical solutions will allow you to create a number of highly efficient power plants of various sizes and purposes using existing mastered materials, technologies and design achievements.

Claims

1. The method of operation of a gas turbine installation, including the processes of compressing a gaseous working fluid in compressors, heating a compressed working fluid (for example, burning fuel in combustion chambers), expanding a heated working fluid in turbines, carried out in partially combined gas paths with different-temperature exhaust streams and regenerative heating compressed working fluid with the residual heat of the high-temperature exhaust stream, characterized in that the regenerative heating of the entire working fluid or its greatest part They are produced in a high-temperature exhaust stream after its expansion in turbines, providing an excess of the flow rate of the heated compressed working fluid over the flow rate of the cooled high-temperature exhaust flow, and the gas path is separated after regenerative heating of the working fluid or immediately after its compression.

2. A gas turbine installation containing at least two partially combined gas cycles, including compressors, heating (combustion) chambers, turbines with different-temperature exhaust paths and a heat exchanger-regenerator, the heating circuit of which is included in the high-temperature exhaust path, characterized in that the general compressor is low the pressure and the associated additional turbine are allocated in a kinematically independent module, the common gas path is divided into two paths at the compressor outlet (low, medium or high pressure), moreover, one of these gas paths includes a heated circuit of the heat exchanger-regenerator and is in communication with the entrance to the additional turbine.