RU2349778C1 - Power plant with heat recovery - Google Patents

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: power plant with heat recovery comprises gas turbine engine with compressor, combustion chamber and turbine connected by gas circuit to free turbine, and downstream regenerative heat exchanger is installed in exhaust device. Inlet of regenerative heat exchanger is connected via water pump to water reservoir. Plant comprises turbine cooling system that consists of the following serially connected components - fuel-steam and fuel-air heat exchangers. Outlet from the regenerative heat exchanger is connected to water reservoir via fuel-steam heat exchanger and steam turbine located on free turbine shaft.

EFFECT: higher efficiency factor and reliability of power plant.

4 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к энергетическим установкам, созданным на базе газотурбинного двигателя, и может использоваться как силовая установка локомотива (турбопоезда или газотурбовоза), который в качестве топлива использует сжиженный природный газ - СПГ.The invention relates to power plants created on the basis of a gas turbine engine, and can be used as a power unit of a locomotive (turbo train or gas turbo locomotive), which uses liquefied natural gas - LNG as fuel.

Работы по созданию газотурбовоза проведены в СССР и за рубежом. В Западной Европе наиболее интенсивные работы по газотурбовозам впервые были развернуты во Франции и привели к созданию газотурбовоза.Work on the creation of a gas turbine locomotive was carried out in the USSR and abroad. In Western Europe, the most intensive work on gas turbine locomotives was first launched in France and led to the creation of a gas turbine locomotive.

Известна силовая установка по патенту РФ на изобретение №2137617, эта установка имеет жидкостную систему охлаждения и вентилятор для создания потока охлаждающего воздуха.Known power plant according to the patent of the Russian Federation for the invention No. 2137617, this installation has a liquid cooling system and a fan to create a flow of cooling air.

Известна силовая установка по патенту РФ №2189477, которая содержит газотурбинный двигатель - ГТД, газовый тракт, соединяющий этот газотурбинный двигатель со свободной турбиной и нагрузку в виде электрогенератора, вал которого подсоединен к валу свободной турбины через муфту.A known power plant according to the patent of the Russian Federation No. 2189477, which contains a gas turbine engine - gas turbine engine, a gas path connecting this gas turbine engine with a free turbine and a load in the form of an electric generator, the shaft of which is connected to the shaft of the free turbine through a coupling.

Недостатком этой силовой установки является то, что она имеет низкий КПД около 20%, что почти в два раза меньше, чем у современных дизельных установок.The disadvantage of this power plant is that it has a low efficiency of about 20%, which is almost two times less than that of modern diesel plants.

Известна силовая установка газотурбовоза по патенту РФ №2272916 (прототип), которая содержит газотурбинный двигатель с турбиной и свободную турбину, за которой установлен регенеративный теплообменник, выход из которого соединен с газотурбинным двигателем, конкретно - с системой охлаждения турбины.A known gas turbine locomotive power plant according to the patent of the Russian Federation No. 2272916 (prototype), which contains a gas turbine engine with a turbine and a free turbine, behind which a regenerative heat exchanger is installed, the outlet of which is connected to the gas turbine engine, specifically, to the turbine cooling system.

Недостатками этого двигателя является низкий КПД силовой установки из-за того, что подача пара на вход в турбину резко уменьшает температуру продуктов сгорания, проходящих через нее, и тем самым снижает КПД турбины и силовой установки в целом. Если же компенсировать снижение температуры газа перед турбиной увеличением расхода топлива, это приведет к дефектам в виде прогара сопловых и рабочих лопаток турбины. Кроме того, длительное пропускание большого расхода воды через систему охлаждения турбины приводит к отложению накипи в системе охлаждения турбины и ухудшению охлаждения. Применение дистиллированной воды невозможно по техническим и экономическим соображениям. Кроме того, регенеративный теплообменник имеет недостаточную поверхность теплообмена для того, чтобы полностью утилизировать тепло выхлопных газов.The disadvantages of this engine is the low efficiency of the power plant due to the fact that the steam supply to the turbine inlet sharply reduces the temperature of the combustion products passing through it, and thereby reduces the efficiency of the turbine and the power plant as a whole. If to compensate for the decrease in the gas temperature in front of the turbine with an increase in fuel consumption, this will lead to defects in the form of burnout of the nozzle and working blades of the turbine. In addition, prolonged transmission of a large flow rate of water through the turbine cooling system leads to scale deposits in the turbine cooling system and poor cooling. The use of distilled water is not possible for technical and economic reasons. In addition, the regenerative heat exchanger has an insufficient heat exchange surface in order to completely utilize the heat of the exhaust gases.

Задачи создания изобретения: повышение экономичности и надежности установки.Objectives of the invention: improving the efficiency and reliability of the installation.

Решение указанных задач достигнуто за счет того, что силовая установка с утилизацией тепла содержит газотурбинный двигатель с компрессором, камерой сгорания и турбиной, соединенной газовым трактом со свободной турбиной, за которой в выхлопном устройстве установлен регенеративный теплообменник, вход которого соединен через водяной насос с емкостью для воды, при этом установка содержит систему охлаждения турбины, в которую входят последовательно соединенные топливо-паровой и топливо-воздушный теплообменники, а выход из регенеративного теплообменника через топливо-паровой теплообменник и паровую турбину, установленную на валу свободной турбины, соединен с емкостью для водыThe solution to these problems was achieved due to the fact that the power plant with heat recovery contains a gas turbine engine with a compressor, a combustion chamber and a turbine connected by a gas path to a free turbine, behind which a regenerative heat exchanger is installed in the exhaust device, the inlet of which is connected through a water pump to a tank for water, while the installation contains a cooling system of the turbine, which includes a series-connected fuel-steam and fuel-air heat exchangers, and the output of the regenerative heat exchanger through the fuel-vapor heat exchanger and a steam turbine mounted on a free turbine shaft is connected to the water tank

Параллельно топливо-паровому и топливо-воздушному теплообменникам по топливной линии может быть подключен топливо-масляный теплообменник.In parallel with the fuel-steam and fuel-air heat exchangers, a fuel-oil heat exchanger can be connected through the fuel line.

В выхлопном устройстве перед регенеративным теплообменником может быть установлена дополнительная камера сгорания. Турбина содержит воздушную систему охлаждения соплового аппарата и рабочего колеса турбины, в которую входит трубопровод отбора воздуха из-за компрессора, теплообменник охлаждения воздуха, коллектор, сопловой аппарат с полостями внутри него и дефлектор на диске турбины.An additional combustion chamber may be installed in the exhaust device in front of the regenerative heat exchanger. The turbine contains an air cooling system for the nozzle apparatus and the impeller of the turbine, which includes an air intake pipe due to the compressor, an air cooling heat exchanger, a collector, a nozzle apparatus with cavities inside it and a deflector on the turbine disk.

Предложенное техническое решение обладает новизной, изобретательским уровнем и промышленной применимостью, что подтверждается проведенными патентными исследованиями. Для реализации изобретения достаточно применения известных узлов и деталей, ранее разработанных и реализованных в конструкции газотурбинных двигателей и в машиностроении.The proposed technical solution has novelty, inventive step and industrial applicability, as evidenced by patent research. To implement the invention, it is sufficient to use the known components and parts previously developed and implemented in the design of gas turbine engines and in mechanical engineering.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1…4, гдеThe invention is illustrated in figure 1 ... 4, where

на фиг.1 приведена схема силовой установки,figure 1 shows a diagram of a power plant,

а на фиг.2 приведена схема охлаждения турбины,and figure 2 shows the cooling circuit of the turbine,

- на фиг.3 приведена схема второго варианта установки,- figure 3 shows a diagram of a second installation option,

- на фиг.4 - схема с тремя теплообменниками.- figure 4 is a diagram with three heat exchangers.

Предложенное техническое решение содержит газотурбинный двигатель ГТД 1 и подсоединенную газовым трактом 2 свободную турбину 3, к которой присоединен электрогенератор 4 (фиг.1).The proposed technical solution comprises a gas turbine engine GTE 1 and a free turbine 3 connected to a gas path 2, to which an electric generator 4 is connected (Fig. 1).

ГТД 1 содержит воздухозаборное устройство 5, компрессор 6, камеру сгорания 7, систему топливоподачи 8 с топливным насосом 9 и приводом топливного насоса 10, турбину 11. Турбина 11 содержит сопловой аппарат турбины 12 и рабочее колесо турбины 13. Рабочее колесо турбины 13 установлено на валу ГТД 14, на конце вала ГТД 14 установлен датчик оборотов ГТД 15. Свободная турбина 3 содержит сопловой аппарат свободной турбины 16, рабочее колесо свободной турбины 17. В выхлопном устройстве 18 установлен регенеративный теплообменник 19. Далее установлены задняя опора 20 с подшипником 21, в котором установлен вал свободной турбины 22, к которому подсоединен через муфту 23 вал нагрузки 24 с электрогенератором 4. Подшипник 21 имеет систему смазки 25. На валу свободной турбины установлена паровая турбина 26 (рабочее колесо паровой турбины).The turbine engine 1 contains an air intake device 5, a compressor 6, a combustion chamber 7, a fuel supply system 8 with a fuel pump 9 and a fuel pump drive 10, a turbine 11. The turbine 11 comprises a nozzle apparatus of a turbine 12 and an impeller of a turbine 13. The impeller of a turbine 13 is mounted on a shaft GTE 14, at the end of the GTE shaft 14 a GTE speed sensor 15 is installed. The free turbine 3 contains a nozzle apparatus of the free turbine 16, the impeller of the free turbine 17. A regenerative heat exchanger 19 is installed in the exhaust device 18. Next, the rear support 20 is installed with a bearing 21 in which a shaft of a free turbine 22 is installed, to which a load shaft 24 with an electric generator 4 is connected via a coupling 23. The bearing 21 has a lubrication system 25. A steam turbine 26 (an impeller of a steam turbine) is installed on the shaft of a free turbine.

Выход из регенеративного теплообменника 19 подключен трубопроводом подачи пара 27 к паровой турбине 26. Выход из паровой турбины 26 подсоединен трубопроводом рециркуляции 28 через топливо-паровой теплообменник 35 к емкости для воды 29, выход из емкости для воды 29 трубопроводом низкого давления 30 соединен с водяным насосом 31, имеющим привод 32. Выход из водяного насоса 31 трубопроводом высокого давления 33 соединен с входом в регенеративный теплообменник 19.The outlet of the regenerative heat exchanger 19 is connected by a steam supply pipe 27 to a steam turbine 26. The output of a steam turbine 26 is connected by a recirculation pipe 28 through a fuel-steam heat exchanger 35 to a water tank 29, the outlet of the water tank 29 is connected by a low pressure pipe 30 to the water pump 31, having a drive 32. The outlet of the water pump 31 by the high pressure pipe 33 is connected to the inlet of the regenerative heat exchanger 19.

Блок управления 34 соединен электрическими связями с датчиком частоты вращения 15, приводом топливного насоса 10 и приводом водяного насоса 32.The control unit 34 is electrically connected to a speed sensor 15, a fuel pump drive 10 and a water pump drive 32.

Топливо-паровой теплообменник 35 по топливной линии подключен к топливо-воздушному теплообменнику 36, по воздушной линии трубопроводом отбора воздуха 37 к полости за компрессором 6, а его выход трубопроводом подачи воздуха 38 подключен к сопловому аппарату турбины 12, сообщающемуся посредством отверстий с полостью «А» внутри лопаток соплового аппарата 12. Топливо-воздушный теплообменник 36 установлен в системе подачи топлива 8 после насоса горючего 9 и через кольцевой коллектор 39 подключен к камере сгорания 7.The fuel-steam heat exchanger 35 is connected through a fuel line to a fuel-air heat exchanger 36, through an air line by an air sampling pipe 37 to a cavity behind a compressor 6, and its output by an air supply pipe 38 is connected to a nozzle apparatus of a turbine 12 communicating via openings with a cavity “A "Inside the blades of the nozzle apparatus 12. The fuel-air heat exchanger 36 is installed in the fuel supply system 8 after the fuel pump 9 and is connected to the combustion chamber 7 through an annular collector 39.

К кольцевому коллектору 39 подсоединен дополнительный топливный трубопровод 40, соединенный с дополнительной камерой сгорания 41, установленной в выхлопном устройстве 18 перед регенеративным теплообменником 19.An additional fuel pipe 40 is connected to the annular manifold 39 and is connected to an additional combustion chamber 41 installed in the exhaust device 18 in front of the regenerative heat exchanger 19.

Система охлаждения рабочего колеса турбины 13 работает на воздухе и содержит трубопровод отбора воздуха 37 от полости из-за компрессора 6, теплообменник охлаждения воздуха 36, трубопровод подачи воздуха 38, сопловой аппарат турбины 12, полость «А», трубки подвода воздуха 42 (фиг.2). Рабочее колесо турбины 13 содержит диск турбины 43, рабочие лопатки турбины 44, дефлектор 45. Турбина 11 содержит корпус 46. На бандажных полках 47 рабочих лопаток турбины 44 выполнены уплотнения 48.The cooling system of the impeller of the turbine 13 operates in air and contains an air intake pipe 37 from the cavity due to the compressor 6, an air cooling heat exchanger 36, an air supply pipe 38, a turbine nozzle apparatus 12, cavity “A”, and air supply tubes 42 (FIG. 2). The impeller of the turbine 13 contains a turbine disk 43, the blades of the turbine 44, the deflector 45. The turbine 11 contains a housing 46. Seals 48 are made on the retaining shelves 47 of the blades of the turbine 44.

Возможен вариант исполнения (фиг.3 и 4) с параллельным подключением в систему подачи топлива 8 топливо-маслянного теплообменника 49.An embodiment is possible (FIGS. 3 and 4) with a parallel connection to the fuel supply system 8 of a fuel-oil heat exchanger 49.

При работе при помощи стартера запускается ГТД 1, при этом подается сигнал с блока управления 34 на приводы 10 и 32, топливный насос 9 подает жидкое топливо - сжиженный природный газ одновременно в топливо-паровой теплообменник 35 и топливо-воздушный теплообменник 36, где оно испаряется и газифицируется, а потом оно подается через кольцевой коллектор 39 в камеру сгорания 7, где воспламеняется при помощи электрозапальника (на фиг.1 и 2 не показано). Выхлопные газы, проходя газовый тракт, поступают сначала на турбину 11 ГТД 1, а потом в свободную турбину 3. Рабочее колесо 17 свободной турбины 3 с валом 22 свободной турбины 3 раскручиваются. Крутящий момент через муфту 23 передается на вал нагрузки 24 и далее на электрогенератор 4. Дополнительная мощность паровой турбины также снимается валом свободной турбины 22. С электрогенератора 4 вся электрическая энергия подается на электродвигатели, связанные с колесными парами газотурбовоза (на фиг.1 и 2 не показано).During operation, a gas turbine engine 1 is started by means of a starter, and a signal is sent from the control unit 34 to the drives 10 and 32, the fuel pump 9 delivers liquid fuel — liquefied natural gas to both the fuel-steam heat exchanger 35 and the fuel-air heat exchanger 36, where it evaporates and gasified, and then it is supplied through an annular collector 39 into the combustion chamber 7, where it is ignited using an electric igniter (not shown in FIGS. 1 and 2). The exhaust gases passing through the gas path, first go to the turbine 11 of the turbine engine 1, and then to the free turbine 3. The impeller 17 of the free turbine 3 with the shaft 22 of the free turbine 3 are untwisted. The torque through the clutch 23 is transmitted to the load shaft 24 and then to the electric generator 4. Additional power of the steam turbine is also removed by the shaft of the free turbine 22. From the electric generator 4, all electric energy is supplied to the electric motors connected to the wheel pairs of the gas turbine (Figs. 1 and 2 do not shown).

После запуска двигателя, который контролирует блок управления 34 по сигналу с датчика оборотов ГТД 15, блок управления 34 дает команду на включение привода водяного насоса 32, который раскручивает насос 31, и вода по трубопроводу высокого давления 33 подается в регенеративный теплообменник 19, где подогревается и испаряется, превращаясь в пар. Если энергии пара в регенеративном теплообменнике 19 недостаточно для привода мощной паровой турбины 26, по дополнительному топливному трубопроводу 40 подают топливо в дополнительную камеру сгорания 41, сжигают его, тем самым дополнительно подогревают пар.After starting the engine, which controls the control unit 34 by a signal from the engine speed sensor 15, the control unit 34 gives a command to turn on the drive of the water pump 32, which spins the pump 31, and water is supplied through the high pressure pipe 33 to the regenerative heat exchanger 19, where it is heated and evaporates, turning into steam. If the steam energy in the regenerative heat exchanger 19 is not enough to drive a powerful steam turbine 26, fuel is supplied through an additional fuel pipe 40 to an additional combustion chamber 41, it is burned, thereby further heating the steam.

Пар, имеющий температуру от 100 до 120°С, который по трубопроводу высокого давления 27 подается на паровую турбину 26, позволяет снять дополнительную мощность, соизмеримую с мощностью основного электрогенератора 4, и используется для тех же целей, т.е. привода силовой установки. Тем самым утилизируется тепло выхлопных газов.Steam having a temperature of 100 to 120 ° C, which is supplied through a high pressure pipe 27 to a steam turbine 26, allows you to remove additional power, comparable with the power of the main generator 4, and is used for the same purposes, i.e. drive power plant. This utilizes the heat of the exhaust gases.

Охлаждение турбины позволит создать силовую установку, работающую длительное время с температурой газов на входе в турбину более 1500°С.Cooling the turbine will allow you to create a power plant that works for a long time with a gas temperature at the inlet of the turbine more than 1500 ° C.

Охлаждение турбины осуществляется следующим образом. Воздух высокого давления из-за компрессора 6 по трубопроводу отбора воздуха 36 подается сначала в теплообменник охлаждения воздуха 35, потом по трубопроводу подачи воздуха 37 в полости «А» соплового аппарата 12 турбины 11, где охлаждает сопловой аппарат 12, далее по трубкам 42 - в полость «Б», потом через отверстия «В» - в полость «Г» и далее через отверстия «Д» выходит в газовый тракт турбины 11.The cooling of the turbine is as follows. Due to the compressor 6, high pressure air is first supplied to the air cooling heat exchanger 35 via the air sampling pipe 36, then through the air supply pipe 37 in the cavity “A” of the nozzle apparatus 12 of the turbine 11, where it cools the nozzle apparatus 12, then through the tubes 42 to cavity "B", then through the holes "C" - into the cavity "G" and then through the holes "D" goes into the gas path of the turbine 11.

В результате использования новой схемы регенерации тепла КПД силовой установки возрастает более, чем в два раза, а именно с 20% без теплообменника до 46…53%. Это достигнуто утилизацией тепла в паровой турбине 26, применением дополнительной камеры сгорания 41 и использованием хладоресурса топлива для повышения температуры газа перед турбиной 11 за счет ее эффективного охлаждения.As a result of using the new heat recovery scheme, the efficiency of the power plant increases by more than two times, namely from 20% without a heat exchanger to 46 ... 53%. This is achieved by heat recovery in the steam turbine 26, the use of an additional combustion chamber 41 and the use of a cold fuel resource to increase the temperature of the gas in front of the turbine 11 due to its efficient cooling.

Применение изобретения позволило:The application of the invention allowed:

1. Повысить КПД силовой установки за счет применения утилизации тепла в паровой турбине.1. To increase the efficiency of the power plant through the use of heat recovery in a steam turbine.

2. Упростить компоновку силовой установки за счет размещения на одном валу свободной турбины и паровой турбины.2. To simplify the layout of the power plant by placing on the same shaft a free turbine and a steam turbine.

3. Дополнительно увеличить мощность и КПД силовой установки на больших нагрузках за счет применения дополнительной камеры сгорания и форсирования температуры газа перед турбиной.3. Additionally, increase the power and efficiency of the power plant at high loads through the use of an additional combustion chamber and boosting the gas temperature in front of the turbine.

4. Улучшить надежность силовой установки и, в первую очередь, турбины за счет ее эффективного охлаждения.4. To improve the reliability of the power plant and, first of all, the turbine due to its effective cooling.

5. Отказаться от применения воды для охлаждения турбины.5. Refuse the use of water to cool the turbine.

6. Предотвратить отложение накипи в системе охлаждения турбины.6. Prevent scale deposits in the turbine cooling system.

Claims (4)

1. Силовая установка с утилизацией тепла, содержащая газотурбинный двигатель с компрессором, камерой сгорания и турбиной, соединенной газовым трактом со свободной турбиной, за которой в выхлопном устройстве установлен регенеративный теплообменник, вход которого соединен через водяной насос с емкостью для воды, отличающийся тем, что установка содержит систему охлаждения турбины, в которую входят параллельно соединенные топливопаровой и топливовоздушный теплообменники, а выход из регенеративного теплообменника через топливопаровой теплообменник и паровую турбину, установленную на валу свободной турбины, соединен с емкостью для воды.1. Power plant with heat recovery, comprising a gas turbine engine with a compressor, a combustion chamber and a turbine connected by a gas path to a free turbine, behind which a regenerative heat exchanger is installed in the exhaust device, the inlet of which is connected through a water pump to a water tank, characterized in that the installation comprises a turbine cooling system, which includes parallel-coupled fuel-steam and air-fuel heat exchangers, and the outlet of the regenerative heat exchanger through the fuel-steam a heat exchanger and a steam turbine mounted on a shaft of a free turbine are connected to a water tank. 2. Силовая установка с утилизацией тепла по п.1, отличающаяся тем, что параллельно топливопаровому и топливовоздушному теплообменникам по топливной линии подключен топливомасляный теплообменник.2. The power plant with heat recovery according to claim 1, characterized in that a fuel-oil heat exchanger is connected in parallel with the fuel-vapor and air-fuel heat exchangers along the fuel line. 3. Силовая установка с утилизацией тепла по п.1, отличающаяся тем, что в выхлопном устройстве перед регенеративным теплообменником установлена дополнительная камера сгорания.3. The power plant with heat recovery according to claim 1, characterized in that an additional combustion chamber is installed in the exhaust device in front of the regenerative heat exchanger. 4. Силовая установка с утилизацией тепла по п.1 или 2, отличающаяся тем, что турбина содержит воздушную систему охлаждения соплового аппарата и рабочего колеса турбины, в которую входят трубопровод отбора воздуха из-за компрессора, теплообменник охлаждения воздуха, коллектор, сопловой аппарат с полостями внутри него и дефлектор на диске турбины. 4. The power plant with heat recovery according to claim 1 or 2, characterized in that the turbine contains an air cooling system for the nozzle apparatus and the impeller of the turbine, which includes an air intake pipe from the compressor, an air cooling heat exchanger, a collector, a nozzle apparatus with cavities inside it and a deflector on the turbine disk.

Images