RU2406839C2

RU2406839C2 - Combined-cycle plant

Info

Publication number: RU2406839C2
Application number: RU2008146320/06A
Authority: RU
Inventors: Валентин Григорьевич Костогрыз (RU); Валентин Григорьевич Костогрыз; Виктор Михайлович Новиков (RU); Виктор Михайлович Новиков; Игорь Антонович Холмянский (RU); Игорь Антонович Холмянский
Original assignee: ОАО Омское Моторостроительное конструкторское бюро (ОАО ОМКБ)
Priority date: 2008-11-24
Filing date: 2008-11-24
Publication date: 2010-12-20
Also published as: RU2008146320A

Abstract

FIELD: power industry.

SUBSTANCE: combined-cycle plant includes gas turbine engine containing compressor, combustion chamber with atomiser fixed on the turbine compressor rotor, gas turbine with exhaust nozzle, annular steam generator with water supply header, which is arranged in exhaust nozzle zone; at that, annular steam generator has heat-insulated corrugated surface and inlet channel connecting annular steam generator to after-compressor space of the engine, and outlet channel connecting the annular steam generator to rotary atomiser consisting of fixed plate and rotating plate with screw crests forming supply channels of air-and-fuel mixture to combustion zone; on fixed plate of atomiser there arranged are additional supply channels of fuel and steam to crests of rotary plate of atomiser; in annular steam generator there installed are inclined ribs protruding to exhaust gas flow channel; profiles of crests of rotary atomiser is made along the curves of ellipse with fillet at the base.

EFFECT: invention allows increasing efficiency of the plant and reducing emissions of hazardous substances to atmosphere.

3 dwg

Description

Изобретение относится к области газотурбинных установок (ГТУ) для промышленной теплоэнергетики, в частности к энергетическим установкам для привода электрогенераторов и других различных потребителей энергий.The invention relates to the field of gas turbine plants (GTU) for industrial heat power engineering, in particular, to power plants for driving electric generators and other various energy consumers.

Известна энергетическая установка для привода электрогенераторов типа «Водолей» (см. Цанев С. В., Буров В.Д., Ремезов А.Н. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций. М.: Издательство МЭИ, 2002. стр.564-565 [1]) на основе газотурбинного двигателя, которая с целью утилизации тепла выхлопных газов, повышения КПД и уменьшения вредных выбросов, содержит устройство подачи водяного пара в камеру сгорания двигателя, утилизатор тепла выхлопных газов, установленный за выхлопным соплом, контактный конденсатор-пароохладитель и другие устройства системы подачи и регенерации воды.A known power plant for driving electric generators of the Aquarius type (see Tsanev S.V., Burov V.D., Remezov A.N. Gas-turbine and combined-cycle plants of thermal power plants. M.: MEI Publishing House, 2002. pp. 544-565 [1]) based on a gas turbine engine, which, with the aim of utilizing heat of exhaust gases, increasing efficiency and reducing harmful emissions, contains a device for supplying water vapor to the combustion chamber of the engine, an exhaust gas heat utilizer installed behind the exhaust nozzle, a contact condenser-desuperheater and others device Features of the water supply and regeneration system.

Известен способ регенерации тепла в газотурбинном двигателе с подачей водяного пара в камеру сгорания (см. Патент РФ №2042847, кл. F02C 3/30, 1995 г., «Способ регенерации топлива и экологической очистки выхлопных газов в газотурбинном авиационном двигателе со свободной турбиной» [2]), в котором с целью повышения КПД и экологичности ГТУ дополнительно содержит теплообменник-конденсатор, регенератор, с обеспечением регулирования расходов рабочего тела, топлива и водяного пара.A known method of heat recovery in a gas turbine engine with the supply of water vapor in the combustion chamber (see RF Patent No. 2042847, CL F02C 3/30, 1995, "Method of fuel recovery and environmental cleaning of exhaust gases in a gas turbine aircraft engine with a free turbine" [2]), in which, in order to increase the efficiency and environmental friendliness, a gas turbine additionally contains a heat exchanger-condenser, a regenerator, with regulation of the flow rates of the working fluid, fuel and water vapor.

Известна парогазовая установка, содержащая емкость с водой, газотурбинный двигатель с вращающейся топливной форсункой, парогенератор, размещенный в зоне выхлопного сопла, каналы подачи воды и пара в полость вращающейся форсунки (патент РФ №2296872, МПК F02C 3/30, 2006 г. [3]).Known combined-cycle plant containing a container of water, a gas turbine engine with a rotating fuel nozzle, a steam generator located in the area of the exhaust nozzle, water and steam supply channels into the cavity of the rotating nozzle (RF patent No. 2296872, IPC F02C 3/30, 2006 [3 ]).

Недостатком известных парогазовых установок является то, что в них не обеспечивается мелкодисперсное распыление капель воды и равномерное перемешивание их с топливом перед поступлением всех компонентов в ядро горения камеры сгорания.A disadvantage of the known combined-cycle plants is that they do not provide fine dispersion of water droplets and their uniform mixing with fuel before all components enter the combustion core of the combustion chamber.

Предлагается парогазовая установка, которая содержит емкость с водой, генератор пара и газотурбинный двигатель, включающий компрессор, кольцевую камеру сгорания с топливной форсункой, вращающейся с ротором двигателя, газовую турбину с выхлопным соплом и кольцевой генератором пара в виде кольцевого коллектора, размещенного на выхлопном сопле, причем кольцевой генератор пара выполнен в виде гофрированной улитки, охватывающей выхлопное сопло, и соединен одним каналом с закомпрессорной областью повышенного давления, а другим - с вращающейся топливной форсункой, при этом форсунка имеет винтовые гребни для подачи пара вместе с топливом в ядро горения камеры сгорания. Кольцевой генератор пара имеет с соплом общую стенку, которая является испарительной и обеспечивает образование пара из воды, впрыскиваемой в кольцевой генератор пара из коллектора, за счет температуры выходящих горячих газов сопла. Кроме того, происходит охлаждение выходящих газов.A steam-gas installation is proposed, which contains a water tank, a steam generator and a gas turbine engine, including a compressor, an annular combustion chamber with a fuel nozzle rotating with an engine rotor, a gas turbine with an exhaust nozzle and an annular steam generator in the form of an annular collector placed on an exhaust nozzle, moreover, the ring steam generator is made in the form of a corrugated scroll, covering the exhaust nozzle, and is connected by one channel to the pressurized region of high pressure, and the other with a rotary Xia fuel injector, wherein the nozzle has a screw crests to the steam together with the fuel into the combustion chamber of combustion engine. The ring steam generator has a common wall with the nozzle, which is evaporative and ensures the formation of steam from the water injected into the ring steam generator from the collector, due to the temperature of the hot exhaust gases of the nozzle. In addition, there is a cooling of the exhaust gases.

Такое выполнение кольцевого генератора пара повышает экономичность парогазовой установки путем утилизации тепла выходящих газов и, вследствие этого, повышает теплоперепад в турбине, что, в свою очередь, повышает ее КПД.This embodiment of the ring steam generator increases the efficiency of the combined cycle plant by utilizing the heat of the exhaust gases and, as a result, increases the heat transfer in the turbine, which, in turn, increases its efficiency.

Для усиления эффекта перегрева пара сопрягаемые поверхности кольцевого генератора пара и сопла гофрированы и оребрены, причем ребра выступают как в полость сопла, так и в полость кольцевого генератора пара.To enhance the effect of steam overheating, the mating surfaces of the ring steam generator and the nozzle are corrugated and finned, with the ribs protruding both into the cavity of the nozzle and into the cavity of the ring steam generator.

Для подачи пара в ядро горения камеры сгорания используется вращающаяся форсунка цилиндрической или конической формы. Форсунка выполнена в виде сопрягающихся двух дисков, один из которых закреплен на роторе двигателя, другой - неподвижный. На наружной поверхности вращающегося диска расположены винтовые гребни, загнутые в сторону вращения и подающие пар, топливо и воду в ядро горения камеры сгорания. На неподвижном диске форсунки размещены дополнительные каналы для подачи воды и пара в зону смешения форсунки. Профиль гребней вращающейся форсунки выполнен по кривой эллипса с галтелью у основания.To supply steam to the combustion core of the combustion chamber, a rotating nozzle of a cylindrical or conical shape is used. The nozzle is made in the form of two mating disks, one of which is mounted on the rotor of the engine, the other is stationary. On the outer surface of the rotating disk there are screw ridges, bent in the direction of rotation and supplying steam, fuel and water to the combustion core of the combustion chamber. On the fixed disk of the nozzle there are additional channels for supplying water and steam to the mixing zone of the nozzle. The profile of the crests of the rotating nozzle is made along the curve of an ellipse with a fillet at the base.

Такое выполнение парогазовой установки позволяет, в зависимости от режима работы, подавать разное количество топлива, воды и пара в ядро горения камеры сгорания, что дает возможность резко повысить экономичность установки, так как подача перегретого пара (до температуры 300-400°С) из кольцевого генератора пара в зону горения приводит к его диссоциации и участию в химических реакциях горения. Кроме того, происходит улучшение перемешивания топливовоздушной смеси в зоне камеры сгорания, измельчение и распыливание капель воды и топлива до мелкодисперсного состояния, что повышает полноту сгорания топливовоздушной смеси и соответственно повышает КПД установки.This embodiment of a combined cycle plant allows, depending on the operating mode, to supply different amounts of fuel, water and steam to the combustion core of the combustion chamber, which makes it possible to sharply increase the efficiency of the installation, since the supply of superheated steam (up to a temperature of 300-400 ° C) from the annular a steam generator into the combustion zone leads to its dissociation and participation in chemical combustion reactions. In addition, there is an improvement in the mixing of the air-fuel mixture in the area of the combustion chamber, grinding and atomization of water and fuel droplets to a finely divided state, which increases the completeness of combustion of the air-fuel mixture and, accordingly, increases the efficiency of the installation.

На фиг.1 изображена общая схема парогазовой установки. На фиг.2 приведена схема вращающейся форсунки для подачи водяного пара, воды и топлива (жидкого или газообразного) в зону горения камеры сгорания. На фиг.3 показано устройство винтовых гребней вращающейся форсунки. На фиг.4 приведен вид на оребрение кольцевого генератора пара.Figure 1 shows the General scheme of a combined cycle plant. Figure 2 shows a diagram of a rotating nozzle for supplying water vapor, water and fuel (liquid or gaseous) to the combustion zone of the combustion chamber. Figure 3 shows the device of the screw ridges of a rotating nozzle. Figure 4 shows a view of the fins of the ring steam generator.

Парогазовая установка содержит газотурбинный двигатель 1, включающий компрессор 2, кольцевую камеру сгорания 3 с вращающейся форсункой 4, закрепленной на роторе 5 двигателя, турбину 6, соединенную общим ротором с компрессором 2, и силовую (свободную) турбину 7, приводящую электрогенератор 8. Компрессор 2 и турбина 6, соединенные одним общим ротором, образуют турбокомпрессор. Установка содержит емкость с водой (не показана), из которой вода подается в кольцевой коллектор 19. Наружную поверхность выхлопного сопла 10 двигателя по окружности охватывает кольцевая оболочка 17. Поверхность кольцевой оболочки 17 выполнена гофрированной, внутри оболочки 17 расположен кольцевой коллектор 19 подачи воды в виде кольцевой трубки с дождевальными насадками (не показаны), обеспечивающими равномерное впрыскивание воды в полость кольцевой оболочки. Гофрированная оболочка 17 с кольцевым коллектором 19 образуют кольцевой генератор пара 9. В полости кольцевого генератора 9 размещены испарительные ребра 18, которые одной частью находятся в полости генератора пара 9, а второй выступают в полость проточной части выхлопного сопла 10, где домываются и нагреваются выхлопными газами двигателя. Ребра 18 по обе стороны кольцевого генератора пара 9 имеют противоположные углы наклона (фиг.4), что приводит к движению нагретого пара от канала 11 к каналу 13 по задней стенке кольцевого генератора пара 9. Гофрированная поверхность кольцевого генератора пара 9 имеет слой теплоизоляции, предотвращающий теплоотдачу в окружающее пространство. Кольцевой генератор пара 9 соединен входным каналом 11 с закомпрессорным пространством через улитку 12 и выходным каналом 13 соединен с вращающейся топливоподающей форсункой 4. Топливная форсунка 4 имеет неподвижный диск 14 и вращающийся диск 22. На подвижном диске 22 форсунки выполнены винтовые гребни 20, образующие винтовые каналы 21 подачи топливоводно-воздушной смеси в зону горения. На неподвижном диске 14, закрепленном на задней стенке компрессора 2, расположены патрубки 15 и 16 подачи в форсунку 4 топливоводно-воздушной смеси.The combined-cycle plant contains a gas turbine engine 1, including a compressor 2, an annular combustion chamber 3 with a rotating nozzle 4, mounted on the rotor 5 of the engine, a turbine 6 connected by a common rotor to the compressor 2, and a power (free) turbine 7 leading the electric generator 8. Compressor 2 and a turbine 6 connected by one common rotor form a turbocompressor. The installation contains a container of water (not shown) from which water is supplied to the annular manifold 19. The outer surface of the exhaust nozzle 10 of the engine is surrounded by an annular shell 17. The surface of the annular shell 17 is corrugated, inside the shell 17 is an annular collector 19 of water supply in the form an annular tube with sprinkler nozzles (not shown) providing uniform injection of water into the cavity of the annular shell. The corrugated shell 17 with the annular collector 19 form an annular steam generator 9. In the cavity of the annular generator 9, evaporating ribs 18 are placed, which are partly in the cavity of the steam generator 9, and the second protrude into the cavity of the flowing part of the exhaust nozzle 10, where they are heated and heated by exhaust gases engine. The ribs 18 on both sides of the ring steam generator 9 have opposite angles of inclination (Fig. 4), which leads to the movement of heated steam from channel 11 to channel 13 along the rear wall of the ring steam generator 9. The corrugated surface of the ring steam generator 9 has a thermal insulation layer that prevents heat transfer to the surrounding space. An annular steam generator 9 is connected by an input channel 11 with a compressor space through a scroll 12 and an output channel 13 is connected to a rotating fuel supply nozzle 4. The fuel nozzle 4 has a fixed disk 14 and a rotating disk 22. On the movable disk 22 of the nozzle there are screw ridges 20 forming screw channels 21 supplying a fuel-air mixture to the combustion zone. On the fixed disk 14, mounted on the rear wall of the compressor 2, there are nozzles 15 and 16 for supplying the fuel-air mixture to the nozzle 4.

Входной канал 11, по которому в генератор пара 9 поступает сжатый в компрессоре 2 воздух, представляет собой теплоизолированную расширяющуюся полость, обеспечивающую плавное снижение скорости потока воздуха. Выходной канал 13, по которому из генератора пара 9 смесь сжатого воздуха и распыленной воды поступает в камеру сгорания 3, также выполнен в виде теплоизолированного канала.The inlet channel 11, through which the air compressed in the compressor 2 enters the steam generator 9, is a thermally insulated expanding cavity, which provides a smooth decrease in the air flow rate. The output channel 13, through which from the steam generator 9 a mixture of compressed air and atomized water enters the combustion chamber 3, is also made in the form of a thermally insulated channel.

На фиг.3 показан вид на внешнюю поверхность вращающегося диска форсунки 4. На его поверхности, обращенной к неподвижному диску, выполнены многозаходные винтовые каналы 21, образованные гребнями 20, направляющие поток топливовоздушной смеси, пара и воды к периферии диска и выбрасывающие топливоводно-воздушную смесь в зону горения. Профиль винтовых гребней 20 выполнен по кривым второго порядка (типа дуг эллипса, гиперболы) с галтелью у основания гребня.Figure 3 shows a view of the outer surface of the rotating disk of the nozzle 4. On its surface facing the fixed disk, there are multi-start screw channels 21 formed by ridges 20, directing the flow of the air-fuel mixture, steam and water to the periphery of the disk and emitting the fuel-air mixture into the combustion zone. The profile of the screw ridges 20 is made according to second-order curves (such as arcs of an ellipse, hyperbola) with a fillet at the base of the ridge.

В процессе работы парогазовой установки из компрессора 2 двигателя в закомпрессорное пространство «В» поступает сжатый в компрессоре воздух (до давления 5…7 атмосфер) с температурой 300-400°С, откуда подается в камеру сгорания 3 и улитку 12. Из улитки 12 по каналу 11 сжатый воздух поступает в кольцевой генератор пара 9, где движется в кольцевом направлении, нагреваясь от ребер 18, которые нагреты теплом выхлопных газов. Гофрированные поверхности улитки 17 кольцевого генератора пара 9 предназначены для повышения эффективности перегрева пара за счет увеличения площади теплоотдачи и направления потока паров, омывающих с двух сторон корпус сопла, в канал 13. Гофрированная поверхность кольцевого генератора пара имеет слой теплоизоляции, предотвращающий теплоотдачу в окружающее пространство. В полость [кольцевого генератора пара 9 через коллектор 19 впрыскивается вода, которая испаряется и сжатый воздух, насыщенный парами воды, поступает в канал 13, по которому попадает между гребнями 20 в каналы 21 вращающейся форсунки 4. Одновременно по патрубкам 15, 16 подается в форсунку требуемое количество топлива и воды или пара, которые, проходя по каналам между гребнями 20 в каналах 21 вращающейся форсунки 4, перемешиваются и измельчаются до мелкодисперсного состояния, после чего вбрасываются с большой скоростью в ядро горения.During operation of a combined-cycle plant, compressor air 2 (up to a pressure of 5 ... 7 atmospheres) with a temperature of 300-400 ° C is supplied from the compressor 2 of the engine to the compressor space “B”, from where it is supplied to the combustion chamber 3 and the scroll 12. From the scroll 12 channel 11, compressed air enters the annular steam generator 9, where it moves in the annular direction, being heated from fins 18, which are heated by the heat of exhaust gases. The corrugated surfaces of the cochlea 17 of the annular steam generator 9 are designed to increase the efficiency of steam overheating by increasing the heat transfer area and directing the flow of vapors washing the nozzle body from the two sides into the channel 13. The corrugated surface of the annular steam generator has a thermal insulation layer that prevents heat transfer to the surrounding space. Water is injected into the cavity [of the annular steam generator 9 through the collector 19, which evaporates and compressed air saturated with water vapor enters the channel 13, through which it passes between the ridges 20 into the channels 21 of the rotating nozzle 4. At the same time, it is fed through nozzles 15, 16 to the nozzle the required amount of fuel and water or steam, which, passing through the channels between the ridges 20 in the channels 21 of the rotating nozzle 4, are mixed and crushed to a finely dispersed state, after which they are thrown at high speed into the combustion core.

Такое исполнение парогазовой установки позволяет резко повысить КПД на различных режимах работы, варьируя соотношение подачи пара и воды в зависимости от расхода топлива и частоты вращения ротора. Выполнение кольцевого генератора пара с гофрами, размещение в полости кольцевого генератора пара ребер, выступающих в полость сопла выхлопных газов, обеспечивают производство пара с попутной утилизацией тепла выхлопных газов, то есть повышают КПД установки. Подача пара в ядро горения камеры сгорания позволяет резко увеличить массу рабочего тела, повышает мощность и КПД парогазовой установки.This design of a combined cycle plant allows to sharply increase the efficiency in various operating modes, varying the ratio of steam and water supply depending on fuel consumption and rotor speed. The implementation of the ring steam generator with corrugations, the placement in the cavity of the ring generator of steam of ribs protruding into the cavity of the exhaust nozzle, provide steam production with associated heat recovery of the exhaust gases, that is, increase the efficiency of the installation. The supply of steam to the combustion core of the combustion chamber allows a sharp increase in the mass of the working fluid, and increases the power and efficiency of the combined cycle plant.

Подача в ядро горения воды в виде распыленных капель позволяет резко повысить температуру в ядре горения за счет мелкодисперсного распыления топлива и воды, что приводит к термической диссоциации воды с разложением на кислород и водород, повышению полноты и температуры сгорания. Такое выполнение ГТУ увеличивает КПД установки на 10…20% и снижает выбросы в атмосферу вредных веществ.The supply of water in the form of atomized droplets to the combustion core allows a sharp increase in the temperature in the combustion core due to fine atomization of fuel and water, which leads to thermal dissociation of water with decomposition into oxygen and hydrogen, increasing the completeness and temperature of combustion. Such a performance of gas turbines increases the efficiency of the installation by 10 ... 20% and reduces emissions of harmful substances into the atmosphere.

Список литературыBibliography

1. Цанев С.В., Буров В.Д., Ремезов А.Н. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций. М.: Издательство МЭИ, 2002.1. Tsanev S.V., Burov V.D., Remezov A.N. Gas turbine and combined cycle plants of thermal power plants. M .: Publishing House MPEI, 2002.

2. Патент РФ №2042847, кл. F02C 3/30, 1995 г. Способ регенерации топлива и экологической очистки выхлопных газов в газотурбинном авиационном двигателе со свободной турбиной.2. RF patent No. 2042847, cl. F02C 3/30, 1995. Method for fuel regeneration and environmental cleaning of exhaust gases in a gas turbine aircraft engine with a free turbine.

3. Патент РФ №2296872, кл. F02C 3/30, 2006 г. Парогазовая установка.3. RF patent No. 2296872, cl. F02C 3/30, 2006 Combined cycle plant.

Claims

1. Combined-cycle plant containing a gas turbine engine, comprising a compressor, a combustion chamber with a nozzle mounted on a rotor of a turbocharger, a gas turbine with an exhaust nozzle, a ring steam generator with a water supply manifold located in the area of the exhaust nozzle, characterized in that the ring steam generator has thermally insulated corrugated surface and the input channel connecting the ring steam generator to the engine compressor space, and the output channel connecting the ring steam generator with the rotate a nozzle, while the nozzle has a fixed disk and a rotating disk with screw ridges forming the channels for supplying the air-fuel mixture to the combustion zone.

2. Combined-cycle plant according to claim 1, characterized in that on the fixed disk of the nozzle there are additional channels for supplying fuel and steam to the ridges of the rotating disk of the nozzle.

3. Combined-cycle plant according to claim 1, characterized in that the inclined ribs protruding into the exhaust gas flow channel are installed in the ring steam generator.

4. Combined-cycle plant according to claim 1, characterized in that the profile of the crests of the rotating nozzle is made along the curves of an ellipse with a fillet at the base.