RU2449144C1

RU2449144C1 - Gas-turbine power plant with heat recuperation

Info

Publication number: RU2449144C1
Application number: RU2010139966/06A
Authority: RU
Inventors: Виктор Алексеевич Белоусов (RU); Виктор Алексеевич Белоусов; Сергей Рафкатович Галимов (RU); Сергей Рафкатович Галимов
Original assignee: Виктор Алексеевич Белоусов; Сергей Рафкатович Галимов
Priority date: 2010-09-30
Filing date: 2010-09-30
Publication date: 2012-04-27

Abstract

FIELD: power engineering.

SUBSTANCE: gas-turbine power plant with heat recuperation comprises a heat-turbine unit, including an axisymmetric ring input device, a centrifugal compressor with a radial output diffuser changing into an axisymmetric exhausting vertical air duct, a circular combustion chamber with vertical and horizontal supply air ducts, an axial turbine with an outlet towards the compressor and an exhausting gas duct, a ring recuperator placed in an axial space between a compressor and an axial turbine, being coaxially arranged with a compressor's shaft, a power reducer built into a front wall of the input device and an outlet nozzle. The recuperator body is made in the form of an axisymmetric hollow circular drum, inside of which there is a tubular gas and air heat exchanger, comprising axisymmetric circular inlet and outlet tube plates with rows of helical heat exchange tubes. The inlet tube plate is a side front side of a drum body and simultaneously a lateral rear side of a vertical air duct exhausting from the compressor. The outlet tube plate is located on a vertical part of a supply air duct into a combustion chamber and simultaneously is its front lateral side. The inner part of the drum cavity is an extension of an exhausting gas duct along working medium flow communicated with a turbine outlet and via a circular axisymmetric channel formed by an external upper side of a vertical part of a supply air duct into a combustion chamber and an inner upper side of the drum body it communicates with the inner cavity of a gas exhaust channel to an exhaust nozzle. A gas exhaust channel into an exhaust nozzle comprises two vertical and one horizontal sections. The first vertical section along working medium flow is formed by a rear lateral side of a vertical supply air duct into a combustion chamber and a rear lateral side of the drum body. The horizontal section is formed by an external side of a vertical supply air duct wall into a combustion chamber and an internal side of a horizontal part of a gas exhaust channel body wall. The second vertical section along with working medium flow is displaced off the axis towards the exhaust nozzle, comprises front and rear vertical walls. The rear wall with its lower side is fixed on a combustion chamber body.

EFFECT: reduced dimensions, simplified design, improved reliability of operation and cost reduction.

3 dwg

Description

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано в качестве энергетической установки стационарного или транспортного назначения в качестве основного, резервного и аварийного источника электроэнергии и тепла.The invention relates to the field of power engineering and can be used as a power plant for stationary or transport purposes as the main, backup and emergency source of electricity and heat.

Известны газотурбинные энергетические установки с рекуперацией тепла, содержащие компрессор, камеру сгорания, турбину и рекуператор (теплообменник) с использованием тепла от выходящих из турбины газов (см. патент РФ №2069779, МПК⁷ F02С 7/08, 27.11.1996 г.).Known gas turbine power plants with heat recovery containing a compressor, a combustion chamber, a turbine and a recuperator (heat exchanger) using heat from the gases leaving the turbine (see RF patent No. 2069779, IPC ⁷ F02C 7/08, 11/27/1996).

Однако известное техническое решение относится к маломощным энергетическим установкам со сложной конструкцией теплообменника и сложной системой подвода сжатого воздуха к нему, используемым в основном в автомобилестроении.However, the known technical solution relates to low-power power plants with a complex design of the heat exchanger and a complex system for supplying compressed air to it, used mainly in the automotive industry.

Наиболее близкой по технической сущности к предложенному решению является газотурбинная энергетическая установка с рекуперацией тепла, содержащая с последовательно установленными по тракту рабочего тела компрессор с отводящим воздуховодом, теплообменник, камеру сгорания с подводящим воздуховодом, турбину с отводящим газоводом и выхлопное устройство, при этом теплообменник сообщен с отводящим из-за компрессора воздуховодом, подводящим воздуховодом в камеру сгорания, с отводящим газоводом из турбины и выхлопным устройством (см. патент РФ №2224901, МПК⁷ F02С 7/10, 27.02.2002 г.).Closest to the technical nature of the proposed solution is a gas turbine power plant with heat recovery, containing a compressor with a discharge duct, a heat exchanger, a combustion chamber with a supply duct, a turbine with a exhaust gas duct and an exhaust device, with a heat exchanger in communication with the exhaust duct from the compressor, the duct leading into the combustion chamber, with the exhaust duct from the turbine and the exhaust device (see Pat ie RF №2224901, IPC ⁷ F02S 7/10, 27.02.2002 city).

Однако такого типа газотурбинные установки, как правило, содержат теплообменники со сложными каналами подвода воздуха и горячего газа, с регулированием расхода горячего газа, что делает их дорогостоящими с высокими массогабаритными показателями со сложной конструкцией и в целом невысокой эксплуатационной надежностью.However, this type of gas turbine installation, as a rule, contains heat exchangers with complex channels for supplying air and hot gas, with regulation of the flow of hot gas, which makes them expensive with high mass and size indicators with a complex design and generally low operational reliability.

Задачей изобретения является снижение габаритов, упрощение конструкции, повышение надежности работы и удешевление стоимости в целом.The objective of the invention is to reduce the dimensions, simplify the design, increase reliability and reduce the cost of the cost in general.

Указанный технический результат достигается тем, что газотурбинная энергетическая установка с рекуперацией тепла, содержит газотурбинный блок, включающий в себя осесимметричное кольцевое входное устройство, центробежный компрессор с радиальным выходным диффузором, переходящим в осесимметричный отводящий вертикальный воздуховод, кольцевую камеру сгорания с подводящим вертикальным и горизонтальным воздуховодами, осевую турбину с выходом в сторону компрессора и с отводящим газоводом, кольцевой рекуператор, размещенный в осевом пространстве между компрессором и осевой турбиной, соосно расположенный с валом компрессора, встроенный в переднюю стенку входного устройства силовой редуктор и выхлопной патрубок, при этом корпус рекуператора выполнен в виде осесимметричного пустотелого кольцевого барабана, внутри которого размещен трубчатый газовоздушный теплообменник, содержащий осесимметричные кольцевые входную и выходную трубные доски с рядами винтообразных теплообменных труб, размещенных между досками и закрепленными на них, входная трубная доска является боковой передней стороной корпуса барабана и одновременно боковой задней стороной отводящего от компрессора вертикального воздуховода, выходная трубная доска размещена на вертикальной части подводящего воздуховода в камеру сгорания и одновременно является его передней боковой стороной, причем внутренняя часть полости барабана является по потоку рабочего тела продолжением отводящего газовода, сообщенного с выходом из турбины и через кольцевой осесимметричный канал, образованный наружной верхней стороной вертикальной части подводящего воздуховода в камеру сгорания и внутренней верхней стороной корпуса барабана, сообщена с внутренней полостью канала отвода газов в выхлопной патрубок, при этом канал отвода газов в выхлопной патрубок содержит два вертикальных и один горизонтальный участки, первый по потоку рабочего тела вертикальный участок образован задней боковой стенкой подводящего вертикального воздуховода в камеру сгорания и задней боковой стенкой корпуса барабана, горизонтальный участок образован наружной стороной стенки подводящего горизонтального воздуховода в камеру сгорания и внутренней стороной горизонтальной части стенки корпуса канала отвода газов, второй по потоку рабочего тела вертикальный участок смещен с оси в сторону выхлопного патрубка, содержит переднюю и заднюю вертикальные стенки, причем задняя стенка своей нижней стороной закреплена на корпусе камеры сгорания.The indicated technical result is achieved in that the gas turbine power plant with heat recovery comprises a gas turbine unit including an axisymmetric annular inlet device, a centrifugal compressor with a radial outlet diffuser turning into an axisymmetric exhaust vertical duct, an annular combustion chamber with vertical and horizontal air ducts an axial turbine with an exit towards the compressor and with an exhaust gas duct, an annular recuperator located in the axial pros transformer between the compressor and the axial turbine, coaxially located with the compressor shaft, a power reducer and an exhaust pipe built into the front wall of the input device, while the recuperator case is made in the form of an axisymmetric hollow ring drum, inside of which there is a tubular gas-air heat exchanger containing an axisymmetric ring input and output tube boards with rows of helical heat-exchange tubes placed between the boards and fixed on them, the inlet tube board is sides the front side of the drum casing and at the same time the lateral rear side of the vertical duct discharging from the compressor, the outlet pipe board is placed on the vertical part of the supply air duct to the combustion chamber and at the same time is its front side, the inner part of the drum cavity being a continuation of the exhaust gas duct, in communication with the exit of the turbine and through an annular axisymmetric channel formed by the outer upper side of the vertical part of the supply the duct into the combustion chamber and the inner upper side of the drum body is in communication with the internal cavity of the exhaust gas duct to the exhaust pipe, while the gas exhaust duct to the exhaust pipe contains two vertical and one horizontal sections, the first vertical section in the flow of the working fluid is formed by the rear side wall of the inlet vertical duct into the combustion chamber and the rear side wall of the drum casing, the horizontal section is formed by the outer side of the wall of the supplying horizontal air An ode to the combustion chamber and the inner side of the horizontal part of the wall of the body of the gas exhaust channel, the second vertical section downstream of the working fluid is offset from the axis towards the exhaust pipe, contains front and rear vertical walls, the rear wall being fixed with its lower side to the combustion chamber body.

Сущность изобретения поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фиг.1 представлена принципиальная схема продольного разреза газотурбинной установки с рекуперацией тепла с винтообразными теплообменными трубами.Figure 1 presents a schematic diagram of a longitudinal section of a gas turbine installation with heat recovery with screw-shaped heat transfer pipes.

На фиг.2 представлен вид расположения отверстий на трубной доске.Figure 2 presents a view of the location of the holes on the tube plate.

На фиг.3 представлен разрез в развертке для одного из ряда отверстий фиг.2.Figure 3 presents a section in a scan for one of a number of holes in figure 2.

Газотурбинная установка с рекуперацией тепла содержит входное устройство 1, центробежный компрессор 2 с радиальным выходным диффузором 3, отводящий вертикальный воздуховод 4, кольцевую камеру сгорания 5 с подводящим вертикальным и горизонтальным воздуховодами 6 и 7, осевую турбину 8 с отводящим газоводом 9, кольцевой рекуператор 10, переднюю стенку 11 входного устройства 1, редуктор 12, выхлопной патрубок 13, корпус рекуператора в виде барабана 14, трубчатый газовоздушный теплообменник 15, входную и выходную трубные доски 16 и 17 с рядами теплообменных труб 18, внутреннюю часть полости барабана 19, кольцевой канал 20, наружную верхнюю сторону 21 вертикальной части подводящего воздуховода, внутреннюю верхнюю сторону 22 корпуса барабана, внутреннюю полость канала отвода газов 23 с двумя вертикальными и горизонтальными участками 24 и 25, заднюю стенку 26 подводящего вертикального воздуховода, заднюю боковую стенку 27 корпуса барабана, наружную стенку 28 подводящего горизонтального воздуховода, внутреннюю сторону горизонтальной стенки 29 корпуса канала отвода газов и заднюю стенку 30 второго вертикального участка 24.A gas turbine installation with heat recovery contains an input device 1, a centrifugal compressor 2 with a radial output diffuser 3, a vertical exhaust duct 4, an annular combustion chamber 5 with vertical and horizontal air ducts 6 and 7, an axial turbine 8 with a exhaust gas duct 9, an annular heat exchanger 10, the front wall 11 of the input device 1, the gearbox 12, the exhaust pipe 13, the recuperator body in the form of a drum 14, a tubular gas-air heat exchanger 15, the inlet and outlet pipe boards 16 and 17 with rows of heat exchange pipes 18, the inner part of the cavity of the drum 19, the annular channel 20, the outer upper side 21 of the vertical part of the inlet duct, the inner upper side 22 of the drum body, the inner cavity of the gas exhaust channel 23 with two vertical and horizontal sections 24 and 25, the rear wall 26 of the inlet vertical duct, the rear side wall 27 of the drum body, the outer wall 28 of the inlet horizontal duct, the inner side of the horizontal wall 29 of the body of the gas exhaust channel and the rear wall 30 of the second vert Calne portion 24.

Газотурбинная установка с рекуперацией тепла работает следующим образом.Gas turbine unit with heat recovery operates as follows.

После запуска газотурбинной установки атмосферный воздух по входному устройству 1 поступает в центробежный компрессор 2 и, после повышения давления в нем, по выходному радиальному диффузору 3 поступает в отводящий вертикальный воздуховод 4. Из воздуховода 4 сжатый воздух через отверстия во входной трубной доске 16 поступает во внутреннюю полость теплообменных труб 18 трубчатого газовоздушного теплообменника 15. Проходя по трубам 18, воздух подогревается путем теплообмена с высокотемпературными выхлопными газами после турбины 8, поступающими по газоводу 9 во внутреннюю часть полости 19 кольцевого барабана 14 рекуператора 10. Далее подогретый воздух через отверстия в выходной трубной доске 17 поступает во внутреннюю полость вертикального воздуховода 6 и далее во внутреннюю полость горизонтального воздуховода 7, подводящего воздух в камеру сгорания 5. При прохождении воздуха в вертикальном и горизонтальном воздуховодах 6 и 7 через их стенки 26 и 28 происходит дополнительный подогрев воздуха путем теплообмена с высокотемпературными выхлопными газами, поступающими из внутренней полости барабана 14 через кольцевой канал 20 во внутреннюю полость канала 23 (образованного стенками 26, 27, 28 и 29) отвода газов в выхлопной патрубок 13. Сжатый и подогретый воздух поступает в камеру сгорания 5, куда одновременно подводится топливо. Образовавшаяся газовая смесь из камеры сгорания 5 поступает в осевую газовую турбину 8, после расширения в которой осуществляется привод центробежного компрессора 2 и силового редуктора 12, и далее отходящие выхлопные газы через газовод 9 поступают во внутреннюю часть полости 19 кольцевого барабана 14 рекуператора 10, в котором происходит первый съем тепла теплообменником 15 и с последующей подачей частично охлажденных газов через канал 20 во внутреннюю полость канала 23, где происходит дополнительный второй съем тепла через стенки 26 и 28 и далее охлажденные выхлопные газы поступают в выхлопной патрубок 13 и затем выводятся в атмосферу или в ступень утилизации, например отопительную, которая на схеме не показана.After starting the gas turbine installation, atmospheric air enters the centrifugal compressor 2 through the inlet 1 and, after increasing the pressure therein, enters the vertical exhaust duct 4 through the output radial diffuser 4. From the air duct 4, compressed air enters the internal through the openings in the inlet tube plate 16 the cavity of the heat exchange pipes 18 of the tubular gas-air heat exchanger 15. Passing through the pipes 18, the air is heated by heat exchange with high-temperature exhaust gases after the turbine 8 entering and through the gas duct 9 to the inner part of the cavity 19 of the annular drum 14 of the recuperator 10. Then, the heated air through the holes in the output tube board 17 enters the inner cavity of the vertical duct 6 and then into the inner cavity of the horizontal duct 7, supplying air to the combustion chamber 5. When passing air in the vertical and horizontal ducts 6 and 7 through their walls 26 and 28 there is an additional heating of the air by heat exchange with high-temperature exhaust gases coming from the internal floor STI drum 14 through the annular passage 20 into the internal cavity of the channel 23 (formed by the walls 26, 27, 28 and 29) in the exhaust gas discharge pipe 13. The compressed and heated air enters the combustion chamber 5, where the fuel is supplied at the same time. The resulting gas mixture from the combustion chamber 5 enters the axial gas turbine 8, after expansion in which the centrifugal compressor 2 and the power reducer 12 are driven, and then the exhaust gases through the gas duct 9 enter the inner part of the cavity 19 of the annular drum 14 of the recuperator 10, in which the first heat removal takes place by the heat exchanger 15 and with the subsequent supply of partially cooled gases through the channel 20 into the internal cavity of the channel 23, where an additional second heat removal through the walls 26 and 28 and then cooled exhaust gases enter the exhaust pipe 13 and then are discharged into the atmosphere or to the disposal stage, for example, heating, which is not shown in the diagram.

Количество труб 18 и их длина трубчатого газовоздушного теплообменника 15 определяется расчетным или экспериментальным путем из условия получения необходимой эффективности рекуперации.The number of pipes 18 and their length of the tubular gas-air heat exchanger 15 is determined by calculation or experimentally from the conditions of obtaining the necessary recovery efficiency.

Выполнение корпуса рекуператора в виде кольцевого осесимметричного барабана, внутри которого размещен трубчатый газовоздушный теплообменник, входная трубная доска которого являются боковой передней стороной корпуса барабана и одновременно боковой задней стороной отводящего от компрессора вертикального воздуховода, а размещение выходной трубной доски на вертикальной части подводящего воздуховода в камеру сгорания и одновременно являющейся его передней боковой стороной, и, кроме того, выполнение вертикальной части подводящего воздуховода в камеру сгорания, одновременно образующего с внутренней верхней стороной корпуса барабана кольцевой осесимметричный канал отвода горячих газов в выхлопной патрубок, позволяет после нагрева воздуха в теплообменных трубах дополнительно подогревать его теплом в канале отвода газов. Прохождение горячего газа в контакте с горизонтальной и вертикальной частями канала, образованного наружными стенками вертикального и горизонтального воздуховодов подвода в камеру сгорания, позволяет, по крайней мере, без потерь тепла довести подогретый в рекуператоре воздух до камеры сгорания. Размещение кольцевого рекуператора в осевом пространстве между компрессором и осевой турбиной приводит к сокращению осевых габаритных размеров и к минимизации потерь давления в подогреваемом воздухе.The housing of the recuperator in the form of an axisymmetric annular drum, inside of which there is a tubular gas-air heat exchanger, the inlet tube board of which is the lateral front side of the drum housing and at the same time the lateral rear side of the vertical duct that leads away from the compressor, and the placement of the outlet tube board on the vertical part of the inlet duct to the combustion chamber and simultaneously being its front side, and, in addition, the implementation of the vertical part of the supply uhovoda into the combustion chamber, simultaneously with forming the inner upper side of the annular channel of the drum body axisymmetric discharge of hot gases in the exhaust pipe, allows air after heating in the heat exchange tubes it is further preheated in the warm gas discharge channel. The passage of hot gas in contact with the horizontal and vertical parts of the channel formed by the outer walls of the vertical and horizontal ducts for supplying the combustion chamber allows, at least without loss of heat, to bring the air heated in the recuperator to the combustion chamber. Placing an annular heat exchanger in the axial space between the compressor and the axial turbine reduces the axial overall dimensions and minimizes pressure losses in the heated air.

Выполнение осевой турбины с выходом в сторону компрессора, а следовательно, и направление осевой силы от турбины тоже в сторону компрессора, позволяет уменьшить результирующую силу, действующую на упорный подшипник, т.е., улучшить работу подшипниковых опор и в целом уменьшить массогабаритные размеры с одновременным повышением надежности работы в эксплуатации. Кроме того, такая ориентация осевой турбины сочетается с наружным расположением кольцевой камеры сгорания с удобством ее осмотра и при необходимости замены в условиях эксплуатации.The execution of an axial turbine with an exit in the direction of the compressor, and therefore the direction of the axial force from the turbine also in the direction of the compressor, allows to reduce the resulting force acting on the thrust bearing, i.e., to improve the operation of bearing bearings and, in general, to reduce overall dimensions and dimensions improving the reliability of operation. In addition, this orientation of the axial turbine is combined with the external arrangement of the annular combustion chamber with the convenience of its inspection and, if necessary, replacement under operating conditions.

Встроенный в переднюю стенку 11 входного устройства 1 редуктор значительно уменьшает массогабаритные размеры установки и позволяет обеспечить высокую соосность редуктора с газотурбинным блоком, значительно снизить биение в опорах и тем самым повысить надежность работы энергетической установки.The gearbox built into the front wall 11 of the input device 1 significantly reduces the overall dimensions of the installation and allows for high alignment of the gearbox with the gas turbine unit, significantly reduce runout in the supports, and thereby increase the reliability of the power plant.

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

Claims

A gas turbine power plant with heat recovery, comprising a gas turbine unit including an axisymmetric annular inlet device, a centrifugal compressor with a radial outlet diffuser turning into an axisymmetric exhaust vertical duct, an annular combustion chamber with a vertical and horizontal ducts, an axial turbine with an outlet and with a discharge gas duct, an annular recuperator located in the axial space between the compressor and the axial turbine, coax but located with a compressor shaft, a power reducer and an exhaust pipe built into the front wall of the input device, the recuperator housing is made in the form of an axisymmetric hollow ring drum, inside of which there is a tubular gas-air heat exchanger containing axisymmetric annular inlet and outlet pipe boards with rows of screw-shaped heat exchangers placed between the boards and fixed on them, the inlet tube board is the lateral front side of the drum casing and at the same time about the lateral rear side of the vertical duct discharging from the compressor, the outlet pipe board is located on the vertical part of the supply duct to the combustion chamber and at the same time is its front side, the inner part of the drum cavity being a continuation of the exhaust gas duct in communication with the turbine exit through an annular axisymmetric channel formed by the outer upper side of the vertical part of the inlet duct into the combustion chamber and the inner upper the side of the drum casing is in communication with the internal cavity of the exhaust gas duct, and the exhaust gas duct contains two vertical and one horizontal sections, the first vertical section in the flow of the working fluid is formed by the rear side wall of the vertical combustion air duct and the rear side wall of the drum casing, the horizontal section is formed by the outer side of the wall of the inlet horizontal duct into the combustion chamber and the inner side of the horizon the upper part of the wall of the body of the gas exhaust channel, the second vertical section in the flow of the working fluid is offset from the axis towards the exhaust pipe, contains front and rear vertical walls, the rear wall being fixed with its lower side to the body of the combustion chamber.