RU2545113C2

RU2545113C2 - Solid fuel gas-turbine plant

Info

Publication number: RU2545113C2
Application number: RU2013118727/06A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Витальевич Алфимов; Александр Николаевич Князев; Владимир Семенович Ломазов; Юрий Борисович Назаренко
Priority date: 2013-04-24
Filing date: 2013-04-24
Publication date: 2015-03-27
Also published as: RU2013118727A

Abstract

FIELD: power industry.

SUBSTANCE: invention relates to power industry. The solid fuel tad-turbine plant containing compressor, turbine, payload located on same shaft, solid fuel combustion chamber made as installed in series gasifier, afterburner and mixer, an heat-exchanger. The compressor is made with atmosphere air inlet and outlet, connected to input of cold loop of the heat-exchanger. Output of cold loop of the heat-exchanger is connected with the turbine input, turbine output is connected with air supply line to combustion chamber made as three pipelines with chokes installed in air supply pipelines to mixer and afterburner. The chokes installation in air supply pipelines to mixer and afterburner determines minimum hydraulic losses via the gasifier, thus ensuring maximum efficiency of the plant.

EFFECT: invention reduces losses in gas-turbine tract, excludes abrasive wear-out of the flow part of the plant, and increases of the entire plant efficiency.

3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к стационарным газотурбинным установкам (ГТУ) для привода полезной нагрузки, в том числе электрического генератора.The invention relates to stationary gas turbine units (GTU) for driving a payload, including an electric generator.

ГТУ, как правило, используют жидкое или газообразное топливо как наиболее удобное в эксплуатации, сжигаемое непосредственно в камере сгорания установки. Для обеспечения требуемого распыла топлива и устойчивого горения в камере сгорания необходимо подавать топливо с давлением значительно выше давления воздуха на выходе компрессора (до нескольких МПа). Полученные в результате сгорания топлива горячие газы направляются в турбину, где в ходе расширения производят полезную работу. Часть полезной работы используется для привода компрессора, остальная работа используется для привода полезной нагрузки.GTUs, as a rule, use liquid or gaseous fuel as the most convenient in operation, burned directly in the combustion chamber of the installation. To ensure the required fuel atomization and stable combustion in the combustion chamber, it is necessary to supply fuel with a pressure significantly higher than the air pressure at the compressor outlet (up to several MPa). The hot gases resulting from the combustion of fuel are sent to a turbine, where they perform useful work during expansion. Part of the useful work is used to drive the compressor, the rest of the work is used to drive the payload.

Используемое в таких установках жидкое или газообразное топливо в силу горючести и взрывоопасности нуждается в специальных герметизированных емкостях и трубопроводах для хранения и транспортировки. Кроме того, разведанные запасы жидкого топлива ограничены.Liquid or gaseous fuels used in such installations, due to their combustibility and explosion hazard, require special pressurized containers and pipelines for storage and transportation. In addition, proven reserves of liquid fuels are limited.

Расширение ресурсной базы возможно за счет использования твердого топлива. Твердое топливо является более доступным в выработке, транспортировке и хранении. Существует также возможность использования возобновляемых источников твердого топлива, например такого, как древесина.The expansion of the resource base is possible through the use of solid fuel. Solid fuels are more affordable in development, transportation and storage. There is also the possibility of using renewable solid fuels, such as wood.

Твердое топливо использовать в газотурбинном двигателе напрямую невозможно из-за двух обстоятельств.Solid fuel cannot be used directly in a gas turbine engine due to two circumstances.

1. Топливо в обычную камеру сгорания надо подавать под давлением выше, чем давление воздуха на выходе компрессора. Подача твердого топлива даже в пылевидном состоянии под давлением требует использования сложных шлюзовых устройств с низким ресурсом уплотнений.1. Fuel must be supplied to a conventional combustion chamber at a pressure higher than the air pressure at the compressor outlet. The supply of solid fuel even in a dusty state under pressure requires the use of complex gateway devices with a low seal life.

2. Несгораемые частицы (их содержание в продуктах сгорания твердого топлива во много раз больше, чем в продуктах сгорания жидкого) на типичной для газовой турбины скорости потока (сотни метров в секунду) сильно изнашивают проточную часть газовой турбины, приводя к значительному снижению наработки между ремонтами.2. Non-combustible particles (their content in solid fuel combustion products is many times greater than in liquid combustion products) at a flow rate typical of a gas turbine (hundreds of meters per second) greatly weaken the flow part of the gas turbine, leading to a significant reduction in operating time between repairs .

Известна ГТУ открытого типа с регенерацией и с выносной камерой сгорания избыточного давления (см. Справочник. Стационарные газотурбинные установки. Под ред. Л.В. Арсеньева и В.Г. Тырышкина. - Л.: Машиностроение, 1989, с.17).Known open-type gas turbines with regeneration and with an external overpressure combustion chamber (see. Handbook. Stationary gas turbine plants. Edited by L.V. Arsenyev and V.G. Tyryshkin. - L.: Mechanical Engineering, 1989, p.17).

Недостатком этой установки является невозможность работы на твердом топливе без глубокой его переработки из-за технической сложности организации непрерывного процесса сжигания кускового твердого топлива в камере сгорания избыточного давления. Кроме того, продукты сгорания твердых топлив содержат достаточно большое количество твердых частиц и поэтому не могут быть использованы в качестве рабочего тела турбины во избежание повреждений и изнашивания элементов проточной части турбины.The disadvantage of this installation is the inability to work on solid fuel without its deep processing due to the technical complexity of organizing a continuous process of burning lumpy solid fuel in an overpressure combustion chamber. In addition, the combustion products of solid fuels contain a sufficiently large amount of solid particles and therefore cannot be used as a working fluid of the turbine in order to avoid damage and wear of the elements of the flow part of the turbine.

Известна ГТУ, используемая в комбинированной электростанции, работающей на твердом топливе, например буром угле, сжигаемом в топке парового котла, содержащая компрессор, турбину и электрогенератор, установленные на одном валу, воздухоподогреватель сжатого воздуха, установленный в топочной камере парового котла и подсоединенный к входу турбины, отходящий воздух которой используется в качестве дутьевого воздуха парового котла, и дополнительную топочную камеру с установленным в нем воздухоподогревателем в качестве экранной (радиационной) поверхности нагрева сжатого воздуха (RU 2109970, F02C 3/26, 1998).GTU is known that is used in a combined power plant operating on solid fuel, for example, brown coal, burned in a steam boiler furnace, containing a compressor, a turbine and an electric generator mounted on one shaft, a compressed air heater installed in the combustion chamber of the steam boiler and connected to the turbine inlet , the exhaust air of which is used as the blast air of the steam boiler, and an additional combustion chamber with an air heater installed in it as a screen (radiation d) heating the surface of the compressed air (RU 2109970, F02C 3/26, 1998).

К недостаткам известной установки относятся низкий электрический коэффициент полезного действия, конструктивная сложность экранированной топки с керамическими панелями воздухоподогревателя, а также принципиальная невозможность работы на низкокалорийном кусковом топливе, например на древесных отходах, твердых бытовых отходах и пр.The disadvantages of the known installation include a low electrical efficiency, the structural complexity of a shielded firebox with ceramic panels of the air heater, as well as the fundamental impossibility of working on low-calorie lumpy fuel, such as wood waste, municipal solid waste, etc.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является ГТУ (RU 56969, F02C 3/26, 2006). Установка содержит компрессор, турбину, электрогенератор и камеру сгорания в виде атмосферной топки. Турбина снабжена выходом с линией подачи воздуха в камеру сгорания, выполненной в виде двух трубопроводов, где установлены два дросселя, которые регулируют соотношение расхода воздуха в топочную и надтопочную зоны. Установка дросселей в обеих линиях подачи воздуха к камере сгорания увеличивает общее сопротивление в линии выхлопа, что снижает КПД установки в целом. Кроме того, в предлагаемой конструкции тепловая энергия вырабатывается за счет горения топлива на колосниковой решетке, что требует продува сквозь слой твердого топлива стехиометрического количества воздуха (коэффициент избытка воздуха 1,0).Closest to the claimed technical solution is GTU (RU 56969, F02C 3/26, 2006). The installation contains a compressor, a turbine, an electric generator and a combustion chamber in the form of an atmospheric furnace. The turbine is equipped with an outlet with a line for supplying air to the combustion chamber, made in the form of two pipelines, where two throttles are installed, which regulate the ratio of air flow to the combustion and super-heating zones. The installation of throttles in both lines of air supply to the combustion chamber increases the total resistance in the exhaust line, which reduces the efficiency of the installation as a whole. In addition, in the proposed design, thermal energy is generated due to the combustion of fuel on the grate, which requires a stoichiometric amount of air to be blown through the solid fuel layer (air excess coefficient 1.0).

В основу изобретения положена задача повышения КПД установки.The basis of the invention is the task of increasing the efficiency of the installation.

Для достижения этого технического результата твердотопливная ГТУ содержит компрессор, турбину, полезную нагрузку, расположенные на одном валу, твердотопливную камеру сгорания и теплообменник. Компрессор выполнен с входом атмосферного воздуха и выходом, соединенным с входом холодного контура теплообменника. Выход холодного контура теплообменника соединен с входом турбины, выход турбины связан с линией подачи воздуха в камеру сгорания, выполненной в виде двух трубопроводов с дросселями. Камера сгорания содержит вход подачи твердого топлива и выход с линией подачи теплоносителя в теплообменник.To achieve this technical result, a solid fuel gas turbine contains a compressor, a turbine, a payload located on the same shaft, a solid fuel combustion chamber and a heat exchanger. The compressor is made with an input of atmospheric air and an output connected to the input of the cold circuit of the heat exchanger. The output of the cold circuit of the heat exchanger is connected to the turbine inlet, the turbine outlet is connected to the air supply line to the combustion chamber, made in the form of two pipelines with chokes. The combustion chamber contains a solid fuel inlet and an outlet with a coolant supply line to the heat exchanger.

Новым в изобретении является то, что камера сгорания выполнена в виде последовательно установленных газификатора, дожигателя и смесителя. Линия подачи воздуха в камеру сгорания снабжена третьим трубопроводом и выполнена с возможностью раздельной подачи воздуха в газификатор, дожигатель и смеситель. Причем дроссели установлены в трубопроводах подачи воздуха в дожигатель и смеситель.New in the invention is that the combustion chamber is made in the form of sequentially installed gasifier, afterburner and mixer. The air supply line to the combustion chamber is equipped with a third pipeline and is configured to separately supply air to the gasifier, afterburner and mixer. Moreover, the throttles are installed in the air supply pipelines to the afterburner and mixer.

Новым также является то, что проходное сечение трубопровода подачи воздуха в газификатор устанавливается исходя из обеспечения коэффициента избытка воздуха в газификаторе, равного 0,20…0,25. А проходное сечение трубопровода подачи воздуха в дожигатель устанавливается исходя из обеспечения стехиометрического коэффициента избытка воздуха в дожигателе.Also new is that the flow cross section of the air supply pipe to the gasifier is set based on providing a coefficient of excess air in the gasifier equal to 0.20 ... 0.25. And the bore of the air supply pipe to the afterburner is set based on the provision of the stoichiometric coefficient of excess air in the afterburner.

Выполнение камеры сгорания в виде последовательно установленных газификатора, дожигателя и смесителя обеспечивает снижение общего гидравлического сопротивления камеры сгорания за счет устранения необходимости продувки всего воздуха, подаваемого на горение через слой твердого топлива. Снижение гидравлического сопротивления достигается также за счет организации раздельной подачи воздуха в газификатор, дожигатель и смеситель.The implementation of the combustion chamber in the form of sequentially installed gasifier, afterburner and mixer reduces the total hydraulic resistance of the combustion chamber by eliminating the need to purge all the air supplied to the combustion through a layer of solid fuel. Reducing hydraulic resistance is also achieved by organizing a separate air supply to the gasifier, afterburner and mixer.

Кроме того, снижение гидравлических потерь на продув воздуха через слой твердого топлива обеспечивается за счет снижения в 2,5 раза расхода воздуха, направляемого к топливу, поскольку для газификации твердого топлива необходимо меньше воздуха.In addition, the reduction of hydraulic losses due to air blowing through the solid fuel layer is ensured by a 2.5-fold reduction in the air flow directed to the fuel, since less air is needed for gasification of solid fuel.

Оптимизация гидравлического сопротивления линии подачи воздуха в камеру сгорания достигается выбором необходимых сечений трубопроводов и установкой регулирующих элементов (дросселей). Так, в трубопроводе подачи воздуха в газификатор, как имеющем наибольшее гидравлическое сопротивление и тем самым определяющим общие потери давления по тракту, никакие регулирующие элементы не устанавливаются. Таким образом, обеспечивается снижение потерь по тракту ГТУ и соответствующее повышение КПД установки.Optimization of the hydraulic resistance of the air supply line to the combustion chamber is achieved by choosing the necessary pipeline sections and installing control elements (chokes). So, in the pipeline supplying air to the gasifier, as having the greatest hydraulic resistance and thereby determining the total pressure loss along the path, no control elements are installed. Thus, a reduction in losses along the GTU path and a corresponding increase in the efficiency of the installation are ensured.

Регулирование расхода воздуха осуществляется дросселями, которые устанавливаются только в трубопроводах подвода воздуха к дожигателю и смесителю, что определяет минимальные гидравлические потери по самому «длинному» потоку (через газификатор) и тем самым обеспечивает максимальный КПД установки.Air flow control is carried out by throttles, which are installed only in the air supply pipelines to the afterburner and mixer, which determines the minimum hydraulic losses by the longest flow (through the gasifier) and thereby ensures maximum installation efficiency.

Таким образом, решена поставленная в изобретении задача по сравнению с известными аналогами.Thus, the task of the invention is solved in comparison with the known analogues.

Настоящее изобретение поясняется последующим подробным описанием твердотопливной ГТУ и ее работы со ссылкой на чертеж, где изображена схема ГТУ.The present invention is illustrated by the following detailed description of solid fuel gas turbines and its operation with reference to the drawing, which shows a diagram of gas turbines.

Твердотопливная ГТУ (изображенная на чертеже) содержит компрессор 1, турбину 2, полезную нагрузку 3, расположенные на одном валу, твердотопливную камеру сгорания, выполненную в виде последовательно установленных газификатора 4, дожигателя 5 и смесителя 6, и теплообменник 7. Компрессор 1 выполнен с входом атмосферного воздуха и выходом, соединенным с входом холодного контура теплообменника 7. Выход холодного контура теплообменника 7 соединен с входом турбины 2, выход турбины 2 связан с линией подачи воздуха в камеру сгорания, выполненной в виде трех трубопроводов с дросселями 8, 9, установленными в трубопроводах подачи воздуха в смеситель 6 и дожигатель 5 соответственно. Камера сгорания содержит вход подачи твердого топлива и выход с линией подачи теплоносителя в теплообменник 7.Solid fuel gas turbine (shown in the drawing) contains a compressor 1, a turbine 2, a payload 3 located on one shaft, a solid fuel combustion chamber made in the form of sequentially installed gasifier 4, afterburner 5 and mixer 6, and a heat exchanger 7. Compressor 1 is made with an input atmospheric air and an outlet connected to the inlet of the cold circuit of the heat exchanger 7. The outlet of the cold circuit of the heat exchanger 7 is connected to the inlet of the turbine 2, the outlet of the turbine 2 is connected to the air supply line to the combustion chamber, made in the form PEX pipes with throttles 8, 9, installed in pipes supplying air to the afterburner 6 and the mixer 5, respectively. The combustion chamber contains an input of the supply of solid fuel and an output with a supply line of the coolant to the heat exchanger 7.

Атмосферный воздух сжимается в компрессоре 1, нагревается в теплообменнике 7 и поступает в турбину 2, где в ходе расширения производит полезную работу. Турбина 2 работает на чистом воздухе, а не на агрессивных продуктах сгорания, что увеличивает ресурс ГТУ. Горячий воздух с выхода турбины 2 под избыточным давлением несколько кПа (соответствует давлению в выхлопном тракте обычной ГТУ) разделяется на три потока. Первый поток в количестве, оптимальном для газификации (коэффициент избытка воздуха 0,20…0,25), поступает по трубопроводу в газификатор 4, в котором из твердого топлива вырабатывается синтез-газ, поступающий в дожигатель 5, где смешивается со вторым потоком воздуха с выхода турбины 2 до стехиометрического отношения воздух/топливо и полностью сгорает. Остальной воздух (третий поток) поступает по трубопроводу в смеситель 6, где продукты сгорания синтез-газа доводятся до требуемой по условиям прочности теплообменника 7 температуры.Atmospheric air is compressed in the compressor 1, heated in the heat exchanger 7 and enters the turbine 2, where during the expansion it does useful work. Turbine 2 operates in clean air, and not on aggressive combustion products, which increases the life of a gas turbine. The hot air from the exit of the turbine 2 under an overpressure of several kPa (corresponds to the pressure in the exhaust tract of a conventional gas turbine) is divided into three streams. The first stream in the amount optimal for gasification (excess coefficient of air 0.20 ... 0.25) enters the gasifier 4 through a pipeline, in which synthesis gas is produced from solid fuel and enters the afterburner 5, where it is mixed with the second air stream with the output of the turbine 2 to a stoichiometric air / fuel ratio and completely burns out. The rest of the air (third stream) is piped into the mixer 6, where the products of the synthesis gas combustion are brought to the temperature required by the strength of the heat exchanger 7.

Дроссели 8 и 9, установленные только в трубопроводах подачи воздуха в смеситель 6 и дожигатель 5, предназначены для первоначальной установки требуемого соотношения расходов по потокам воздуха в газификатор 4, дожигатель 5 и смеситель 6.Chokes 8 and 9, installed only in the pipelines for supplying air to the mixer 6 and afterburner 5, are intended for the initial installation of the required ratio of air flow rates to gasifier 4, afterburner 5 and mixer 6.

Дроссели 8 и 9 могут быть выполнены регулируемыми. Регулирование проходного сечения дросселей 8, 9 может осуществляться в зависимости от количества, вида и качества используемого твердого топлива.Chokes 8 and 9 can be made adjustable. The regulation of the flow area of the chokes 8, 9 can be carried out depending on the quantity, type and quality of the solid fuel used.

Техническое решение позволяет исключить указанные выше обстоятельства, препятствующие использованию твердого топлива. Низкое избыточное давление в твердотопливной камере сгорания не требует шлюзовых устройств для подачи топлива и удаления золы, достаточно естественного уплотнения в, например, заполненном топливом или золой шнековом устройстве. Несгораемые частицы удаляются из синтез-газа за счет снижения скорости потока в теплообменной камере сгорания ниже скорости витания частиц, благодаря чему в теплообменник поступают чистые продукты сгорания.The technical solution eliminates the above circumstances that impede the use of solid fuels. Low overpressure in the solid fuel combustion chamber does not require airlock devices for fuel supply and ash removal, a natural seal is sufficient in, for example, a screw device filled with fuel or ash. Non-combustible particles are removed from the synthesis gas by reducing the flow rate in the heat exchange combustion chamber below the speed of the particles, so that clean combustion products enter the heat exchanger.

Данное техническое решение обеспечивает снижение потерь по тракту ГТУ, исключает абразивный износ проточной части установки и повышает КПД установки в целом.This technical solution ensures reduction of losses along the gas turbine engine path, eliminates abrasive wear of the flow part of the installation and increases the efficiency of the installation as a whole.

Claims

1. Твердотопливная газотурбинная установка, содержащая компрессор, турбину, полезную нагрузку, расположенные на одном валу, твердотопливную камеру сгорания, теплообменник, причем компрессор выполнен с входом атмосферного воздуха и выходом, соединенным с входом холодного контура теплообменника, выход холодного контура теплообменника соединен с входом турбины, выход турбины связан с линией подачи воздуха в камеру сгорания, выполненной в виде двух трубопроводов с дросселями, камера сгорания содержит вход подачи твердого топлива и выход с линией подачи теплоносителя в теплообменник, отличающаяся тем, что камера сгорания выполнена в виде последовательно установленных газификатора, дожигателя и смесителя, линия подачи воздуха в камеру сгорания снабжена третьим трубопроводом и выполнена с возможностью раздельной подачи воздуха в газификатор, дожигатель и смеситель, причем дроссели установлены в трубопроводах подачи воздуха в дожигатель и смеситель.1. A solid fuel gas turbine installation containing a compressor, a turbine, a payload located on one shaft, a solid fuel combustion chamber, a heat exchanger, the compressor being made with atmospheric air inlet and an outlet connected to the inlet of the cold circuit of the heat exchanger, the output of the cold circuit of the heat exchanger is connected to the turbine inlet , the turbine outlet is connected to the air supply line to the combustion chamber, made in the form of two pipelines with throttles, the combustion chamber contains a solid fuel inlet and an outlet with a coolant supply line to the heat exchanger, characterized in that the combustion chamber is made in the form of sequentially installed gasifier, afterburner and mixer, the air supply line to the combustion chamber is provided with a third pipeline and is configured to separately supply air to the gasifier, afterburner and mixer, and the chokes are installed in pipelines for supplying air to the afterburner and mixer.

2. Твердотопливная газотурбинная установка по п.1, отличающаяся тем, что проходное сечение трубопровода подачи воздуха в газификатор устанавливается исходя из обеспечения коэффициента избытка воздуха в газификаторе, равного 0,20…0,25.2. A solid fuel gas turbine installation according to claim 1, characterized in that the flow cross section of the air supply pipe to the gasifier is set based on providing a coefficient of excess air in the gasifier equal to 0.20 ... 0.25.

3. Твердотопливная газотурбинная установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что проходное сечение трубопровода подачи воздуха в дожигатель устанавливается исходя из обеспечения стехиометрического коэффициента избытка воздуха в дожигателе. 3. A solid fuel gas turbine installation according to claim 1 or 2, characterized in that the flow cross section of the air supply to the afterburner is set based on the provision of a stoichiometric coefficient of excess air in the afterburner.