Система газотурбинного двигателя с рекуперацией и способ с применением каталитического горения - RU2347143C2

Чертежи

Описание

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к системам газотурбинных двигателей с рекуперацией, в которых используется каталитическое горение.

Уровень техники

Использование каталитических процессов для сгорания или окисления является хорошо известным способом для потенциального уменьшения содержаний выделений оксидов азота (NO_x) из систем газотурбинных двигателей. Имеются различные процессы для превращения химической энергии топлива в тепловую энергию продуктов превращения. Основными процессами являются: 1) сгорание газовой фазы, 2) каталитическое сгорание и 3) каталитическое окисление. Также имеются сочетания этих процессов, как, например, процессов, имеющих первую стадию каталитического окисления, за которой следует процесс сгорания газовой фазы (часто упоминаемый как кататермический). При каталитическом окислении смесь воздух-топливо окисляется в присутствии катализатора. Во всех каталитических процессах катализатор обеспечивает понижение температуры, при которой происходит окисление, относительно температур некаталитического сгорания. Более низкая температура окисления приводит к пониженному производству NO_x. При каталитическом окислении все реакции происходят на поверхности катализатора; причем нет локальных высоких температур и, следовательно, потенциальная возможность для образования NO_x является низкой. Либо при каталитическом сгорании, либо при кататермическом сгорании, некоторая часть реакции имеет место в газовой фазе, что повышает локальные температуры и приводит к более высокому потенциалу для образования NO_x. При использовании каталитического окисления содержания NO_x, меньшие, чем одна часть на миллион, могут быть достигнуты в условиях оптимального каталитического окисления; такие низкие содержания в общем не могут быть достигнуты в обычных некаталитических камерах сгорания, каталитическом сгорании или кататермическом сгорании. В настоящем применении, термин «каталитическая камера сгорания» используется для ссылки на любую камеру сгорания, использующую катализ, предпочтительно, камеру сгорания, использующую каталитическое окисление.

Катализатор, используемый в каталитической камере сгорания, имеет тенденцию действовать наилучшим образом при определенных температурных условиях. В частности, обычно имеется минимум температуры, ниже которого данный катализатор не будет функционировать. Например, для палладиевого катализатора требуется, чтобы температура на входе в камеру сгорания для смеси воздух-топливо была выше, 800 К, когда природный газ является топливом. Кроме того, каталитическое окисление имеет тот недостаток, что физическая поверхность реакции, которая должна быть обеспечена для полного окисления углеводородного топлива, возрастает экспоненциально при понижении температур на входе в камеру сгорания, что значительно увеличивает стоимость камеры сгорания и усложняет всю конструкцию. Необходимость в относительно высокой температуре на входе в камеру сгорания является одной из главных причин, почему каталитическое сгорание в целом, и каталитическое окисление в частности не достигло широкого применения в системах газотурбинных двигателей. Более конкретно, такие высокие температуры на входе в камеру сгорания в общем не могут быть достигнуты при работе газовых турбин со степенями сжатия компрессора, меньшими, чем примерно 40, если не используется цикл с рекуперацией. В цикле с рекуперацией смесь воздух-топливо подогревается перед сгоранием посредством теплообмена с выхлопными газами из турбины. Рекуперация, таким образом, может помочь в достижении необходимой температуры на входе в камеру сгорания для надлежащего действия катализатора, по меньшей мере, при некоторых условиях. Однако часто имеются другие условия работы, с которыми можно столкнуться, при которых минимальная требуемая температура на входе в камеру сгорания еще не может быть достигнута, даже при рекуперации.

Например, когда рекуперация применяется в небольших газовых турбинах, ограничения температуры материала в рекуператоре могут ограничивать максимальную температуру воздуха или смеси воздух-топливо. В качестве примера, при обычных высокотемпературных материалах в рекуператоре, максимальная температура безопасной работы рекуператора может быть примерно 900 К, и, следовательно, температура смеси воздух-топливо примерно от 800 до 850 К является примерно самой высокой, которая может быть достигнута. Этот диапазон температуры является более высоким, чем минимальная температура действия катализатора для некоторых типов катализаторов, и поэтому каталитическая камера сгорания может работать надлежащим образом при одном конкретном условии работы, как, например, 100 процентная нагрузка и стандартные суточные условия окружающей среды. Однако при других условиях работы, например при частичной нагрузке и/или в условиях холодной окружающей среды, температура на входе в камеру сгорания может понизиться ниже минимума.

Желательно устранить такие проблемы, чтобы низкий потенциал NO_x при каталитическом окислении мог быть реализован в системах с небольшими газотурбинными двигателями. Кроме того, имеются другие преимущества, которые могут быть достигнуты посредством каталитических процессов. Эти процессы расширяют пределы воспламеняемости при работе газообразных углеводородных топлив, включая, но не ограничиваясь этим, газы от свалок, анаэробные газы варочного котла, природный газ и метан. Таким образом, процесс может иметь место при гораздо более слабых (более бедных) отношениях топливо/воздух, чем при обычном сгорании. Это обеспечивает смешивание топливного газа с воздухом перед процессом сжатия или в продолжение него, в результате получая равномерную смесь топливо-воздух на входе в камеру сгорания. Это, в свою очередь, позволяет исключить использование компрессора топливного газа, который является очень дорогим, особенно для небольших газовых турбин. Компрессоры топливного газа могут добавить $60/кВт или более к стоимости двигателя, которая обычно находится в диапазоне $600-$900/кВт. Далее, компрессор топливного газа уменьшает надежность и доступность двигателя, поскольку он должен действовать для того, чтобы работал двигатель, и увеличивает стоимость технического обслуживания из-за расхода топлива и фильтров, а также механического или электрического изнашивания и тому подобного.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение направлено на устранение вышеупомянутых недостатков, а также достигает других преимуществ посредством создания системы газотурбинного двигателя с рекуперацией и связанного с ней способа, использующего каталитическое окисление или сгорание, или кататермическое сгорание, при котором температурой на входе в камеру сгорания можно управлять так, чтобы она оставалась выше минимальной требуемой температуры действия катализатора, и дополнительно оптимизировать, как функцию отношения топливо/воздух, в широком диапазоне условий работы - от полной нагрузки до частичной нагрузки и от суточных до холодных суточных условий.

В соответствии с одним объектом настоящего изобретения, создан способ управления газотурбинным двигателем, при котором сжимают воздух в компрессоре, смешивают топливо со сжатым воздухом из компрессора для получения смеси воздух-топливо, сжигают смесь воздух-топливо в каталитической камере сгорания для получения горячих окисляемых газов, расширяют сжигаемые газы в турбине для получения механической энергии, и используют механическую энергию для приведения компрессора, пропускают выхлопные газы из турбины через рекуператор, в котором смесь воздух-топливо подогревают посредством теплообмена с выхлопными газами. Способ включает дополнительный этап, на котором направляют часть выхлопных газов из турбины в компрессор. Топливо также пропускают через компрессор вместе с воздухом и частью выхлопных газов. Рециркуляция отработавшего газа повышает температуру на входе в камеру сгорания выше той, которая была бы без рециркуляции отработавшего газа. В конечном счете, то, что входит в камеру сгорания, представляет собой смесь воздуха, топлива и выхлопных газов, оптимизированную так, чтобы соответствовать выходной мощности, максимальному кпд и минимальному загрязнению воздуха.

Смешение воздуха, топлива и отработавших газов может быть осуществлено различными способами. В одном варианте осуществления смешение отработавших газов с топливом осуществляется выше по потоку от компрессора и смешанные отработавшие газы и топливо направляются в компрессор отдельно от воздуха. Как вариант, по меньшей мере, часть смешения топлива с воздухом может быть осуществлена выше по потоку от компрессора, и смешанные топливо и воздух могут быть направлены в компрессор отдельно от выхлопных газов. В еще одном варианте, воздух, топливо и выхлопные газы направляются в компрессор отдельно друг от друга, и смешение происходит в компрессоре или в проходах, связанных с компрессором и другими компонентами.

В соответствии с изобретением скорость потока выхлопных газов, направляемых в компрессор, регулируют в соответствии с одним или более параметрами, связанными с двигателем, по меньшей мере, одним из которых является отношение топливо/воздух. Например, регулирование может представлять собой регулирование скорости потока в соответствии с измеренной температурой на входе в камеру сгорания для поддержания температуры на входе в камеру сгорания выше заранее заданной минимальной температуры, необходимой для надлежащей работы каталитической камеры сгорания при таком отношении топливо/воздух. Таким образом, расход выхлопных газов в компрессор может быть оптимизирован для компенсации изменения температуры окружающей среды и/или относительной нагрузки двигателя.

Часть выхлопных газов, направляемая в компрессор, может быть отделена от остальной части выхлопных газов в точке ниже по потоку от рекуператора. В этом случае температура рециркулирующих выхлопных газов будет понижена посредством их прохода через рекуператор. Как вариант, часть выхлопных газов, направляемых в компрессор, может быть отделена от остальной части выхлопных газов в точке выше по потоку от рекуператора, так что рециркулирующие выхлопные газы обходят рекуператор. В таком устройстве температура рециркулирующих отработавших газов, подаваемых в компрессор, будет выше, и поэтому расход рециркулирующих отработавших газов может быть ниже, чем в ранее описанном устройстве.

Система газотурбинного двигателя с рекуперацией, использующая каталитическое сгорание, в соответствии с изобретением содержит компрессор, принимающий и сжимающий воздух, топливную систему, предназначенную для подачи топлива в компрессор так, чтобы смесь сжатого воздуха и топлива выпускалась из компрессора, каталитическую камеру сгорания, предназначенную для сжигания смеси, для получения горячих сжимаемых газов, турбину, предназначенную для приема сжигаемых газов и расширения газов, для получения механической энергии, приводящей компрессор, рекуператор, предназначенный для приема выхлопных газов из турбины и смеси, выпускаемой из компрессора, и осуществления теплообмена между ними, так что смесь подогревается перед входом в каталитическую камеру сгорания, и систему рециркуляции для направления части выхлопных газов из турбины в компрессор так, что температура смеси, выпускаемой из компрессора, повышается посредством выхлопных газов, в результате чего температура на входе в каталитическую камеру сгорания повышается.

Система рециркуляции может включать в себя регулируемый клапан, который переменным образом регулирует скорость потока выхлопных газов в компрессор, и систему управления, оперативно соединенную с клапаном. Датчики измерения параметров, показывающие отношение топливо/воздух и температуру на входе в камеру сгорания, могут быть соединены с системой управления, которая может управлять клапаном таким образом, чтобы вызывать превышение температуры на входе в камеру сгорания над заданной минимальной температурой, необходимой для надлежащей работы каталитической камеры сгорания, и чтобы соответствовать оптимальной температуре для измеренного отношения топливо/воздух. Как упоминалось, клапан может быть расположен выше или ниже по потоку от рекуператора.

Система двигателя с рекуперацией в соответствии с изобретением может использоваться в различных применениях, включая небольшие системы выработки электрической энергии. Таким образом, электрогенератор может приводиться турбиной.

Система не ограничена газотурбинными двигателями с однокаскадным компрессором и может также быть применена к двигателям с многокаскадными компрессорами или к спаренным системам двигателей с однокаскадным компрессором.

Эффективность системы и способа согласно настоящему изобретению будут максимальными для процессов каталитического окисления, хотя все процессы, использующие катализ, являются эффективными.

Краткое описание чертежей

Далее настоящее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, которые не обязательно выполняются в масштабе, и на которых:

фиг.1 - схематическое изображение системы газотурбинного двигателя в соответствии с известным уровнем техники;

фиг.2 - схематическое изображение системы газотурбинного двигателя в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения;

фиг.3 - схематическое изображение системы газотурбинного двигателя в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения;

фиг.4 - график, иллюстрирующий моделирование расчетов температуры на входе в газовую турбину, температуры на входе в камеру сгорания, кпд и температуры на входе в компрессор, как функции относительной нагрузки, как для системы газотурбинного двигателя согласно известному уровню техники без смешения с выхлопными газами на входе в компрессор, так и для газотурбинного двигателя в соответствии с изобретением, имеющим смешение с выхлопными газами на входе в компрессор;

фиг.5А - другой вариант осуществления изобретения, в котором топливо и выхлопной газ смешиваются и подаются в компрессор отдельно от воздуха, так что смешение с воздухом полностью происходит в компрессоре;

фиг.5В - дополнительный вариант осуществления, в котором воздух и топливо смешиваются перед подачей в компрессор, и выхлопной газ отдельно подается в компрессор; и

фиг.5С - еще один вариант осуществления, в котором воздух, топливо и выхлопной газ - все отдельно подаются в компрессор, где они смешиваются.

Подробное описание изобретения

Настоящие изобретения теперь будут описаны более полно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показаны некоторые, но не все, варианты осуществления изобретения. Действительно, эти изобретения могут быть осуществлены во многих различных формах и их не следует понимать, как ограничивающие варианты осуществления; причем эти варианты осуществления выполнены так, что их описание будет удовлетворять соответствующим юридическим требованиям. Одинаковые ссылочные позиции относятся к одинаковым элементам по всему описанию.

Система 10 выработки электроэнергии согласно известному уровню техники, приводимая газотурбинным двигателем с рекуперацией с каталитическим сгоранием, показана на фиг.1. Система включает в себя газотурбинный двигатель 12, содержащий компрессор 14 и турбину 16, соединенные посредством вала 18 для приведения компрессора, и каталитическую камеру 20 сгорания. Система также включает в себя теплообменник или рекуператор 22, имеющий один или более проходов 24 для текучей среды на выходе из компрессора, находящихся в соотношении теплопередачи с одним или более проходов 26 для выхлопного газа из турбины. Система дополнительно включает в себя устройство 28 для соединения и смешения воздуха и топлива и подачи смеси в компрессор 14.

Сжатая смесь воздух-топливо подогревается в рекуператоре 22 и затем подается в каталитическую камеру сгорания 20, где происходит сгорание. Горячие сжигаемые газы проходят из камеры сгорания в турбину 16, где они расширяются для получения механической энергии, которая передается посредством вала 18 к компрессору 16. Также с валом соединен электрогенератор 30, который приводится в действие для производства электрического тока для подачи к нагрузке.

В такой системе, как показана на фиг.1, возможно спроектировать компоненты двигателя, так что при относительно высоких нагрузках на двигатель и стандартных суточных условиях, температура смеси воздух-топливо, подаваемой в каталитическую камеру сгорания 20, будет равна или выше минимальной температуры для катализатора, требуемой для надлежащего осуществления каталитической реакции. Для наиболее широко используемого палладиевого катализатора требуется температура на входе в камеру сгорания, по меньшей мере, 800 К. Однако, в условиях низких нагрузок и/или холодной окружающей среды, температура на входе в камеру сгорания может понизиться ниже минимума для катализатора. Пунктирными линиями на фиг.4 показано моделирование расчетов различных термодинамических переменных, как функции относительной нагрузки для цикла согласно известному уровню техники, показанного на фиг.1. При условии нагрузки 100%, температура на входе в камеру сгорания составляет примерно 850 К, но понижается до минимума для катализатора 800 К при нагрузке примерно 80%. При еще более низких нагрузках, температура на входе в камеру сгорания является слишком низкой, чтобы поддерживать надлежащую работу каталитической камеры сгорания.

Согласно настоящему изобретению создана система газотурбинного двигателя и способ, которые устраняют эту проблему. На фиг.2 показана система электрогенератора, приводимая в действие посредством системы газотурбинного двигателя в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения. Генератор 30 приводится в действие посредством газотурбинного двигателя 12, имеющего компрессор 14, турбину 16, вал 18 и каталитическую камеру 20 сгорания, как описано выше. Рекуператор 22 применяется для подогрева смеси воздух-топливо, перед ее введением в камеру сгорания, как было описано выше.

Однако температура на входе в камеру сгорания регулируется посредством введения части выхлопного газа из турбины в компрессор. Выхлопной газ имеет существенно более высокую температуру, чем температура окружающего воздуха, входящего в компрессор, и, следовательно, повышает температуру текучей среды, проходящей через компрессор, что, в свою очередь, повышает температуру на входе в камеру сгорания.

Таким образом, система включает приводимый в действие клапан 40, расположенный ниже по потоку от рекуператора 22, для отвода части выхлопного газа из турбины через трубопровод 42 в смеситель 44. Смеситель 44 также принимает, по меньшей мере, два компонента из воздуха, топлива и выхлопа, и смешивает, по меньшей мере, два из трех компонентов, по меньшей мере, частично. Смесь затем подается в компрессор 14, где может произойти дополнительное смешение. Любой третий несмешанный поток может быть введен в компрессор одновременно с другими двумя и смешан здесь или в последующих проходах перед тем, как достичь рекуператора.

Клапан 40 используется для выборочного изменения количества выхлопного газа из турбины, подаваемого через трубопровод 42 в смеситель 44. Кроме того, клапан управляется системой управления 50 (которая может быть ПК, устройством с ЧПУ, нейронной сетью и т.п.), которая является чувствительной к сигналу температуры от датчика 52 температуры, предназначенного для определения температуры на входе в камеру сгорания. Система управления может также быть чувствительной к сигналу потока воздуха от датчика 54 потока воздуха, предназначенного для определения расхода воздуха, и сигналу потока топлива от датчика 56 потока топлива, предназначенного для определения расхода топлива. Датчики 58 для определения выделений, в частности, несгоревших углеводородов, могут также быть выполнены в выпускном канале после рекуператора, при желании, и измеренные выделения могут быть учтены системой управления. Как вариант, выделения могут быть рассчитаны по температуре на входе в камеру сгорания и отношению топливо/воздух, используя модели, определяемые из теории и испытаний двигателя. Кроме того, может быть также использован датчик 60 для измерения температуры на входе в рекуператор. Хотя соединительные трубопроводы между датчиками 54, 56, 58 и 60 и системой управления 50 не показаны на фиг.2 и 3, следует отметить, что эти датчики соединены с системой управления. Система управления соответствующим образом запрограммирована так, чтобы управлять работой клапана 40 для регулирования температуры на входе в камеру сгорания заданным образом. В частности, система управления предпочтительно включает в себя логическую часть вычислительной машины для управления клапаном 40 в открытом контуре или в замкнутом контуре таким образом, чтобы температура на входе в камеру сгорания всегда была равна или превышала заданную минимальную температуру, необходимую для надлежащей каталитической реакции в камере сгорания. Управление выгодно также осуществлять так, чтобы температура на входе в рекуператор не превышала максимальную допустимую температуру на входе в рекуператор, предпочтительно одновременно сводя к минимуму выделения (или удерживая их ниже требуемых пределов) и доводя до максимума кпд. В общем, когда нагрузка понижается, доля выхлопного газа из турбины, которая должна быть подана обратно в компрессор, будет возрастать с тем, чтобы поддерживать температуру на входе в камеру сгорания выше заданного минимального уровня.

Эффект от смешения выхлопного газа с воздухом и топливом показан сплошными линиями на фиг.4. Когда нагрузка понижается, температура на входе в компрессор возрастает, что отражается во все большей и большей доле выхлопного газа, рециркулирующего в компрессор. В результате температура на входе в камеру сгорания поддерживается выше 800 К для всех условий нагрузки. В то же время, в предпочтительных вариантах осуществления предотвращается превышение температуры на входе в рекуператор величины ее допустимого максимума при всех условиях работы, и кпд двигателя оптимизируется посредством одновременного управления расходом рециркулирующего выхлопного газа и отношением топливо/воздух.

Необходимо отметить, что такие система и способ могут компенсировать изменение температуры окружающей среды. Таким образом, когда температура окружающей среды понижается, доля рециркулирующего выхлопного газа может быть повышена, если необходимо, для поддержания необходимой температуры на входе в камеру сгорания. Объединенные эффекты изменения нагрузки и температуры окружающей среды могут также быть скомпенсированы посредством системы и способа согласно настоящему изобретению.

На фиг.3 показан второй вариант осуществления изобретения, в основном подобный варианту с фиг.2, за исключением того, что клапан 40 размещен выше по потоку от рекуператора 22, а не ниже по потоку. Трубопровод 42, таким образом, обходит рекуператор так, что выхлопной газ не охлаждается в рекуператоре перед рециркуляцией. Поскольку температура рециркулирующего выхлопного газа является более высокой, относительная доля выхлопного газа, которая должна рециркулировать, является более низкой, чем в варианте осуществления с фиг.2, а все другие факторы являются эквивалентными. В других отношениях работа этой системы является аналогичной работе системы с фиг.2.

Способ, при котором выхлопной газ рециркулирует и смешивается с воздухом и топливом, может изменяться в технологии изобретения. На фиг.5А-С показан ряд возможностей, хотя они не являются исчерпывающими, и могут быть использованы другие варианты. Все эти примеры основаны на том, что клапан 40 находится ниже по потоку от рекуператор 22, но они также применимы к системам, в которых клапан находится выше по потоку от рекуператора. В варианте осуществления с фиг.5А рециркулирующий выхлопной газ смешивается с топливом в смесителе 44, и полученная в результате смесь подается в компрессор 14 отдельно от воздуха. Это устройство может быть эффективно использовано, когда топливо первоначально находится в жидкой форме (например, пропан), так что горячий выхлопной газ будет испарять, по меньшей мере, часть топлива перед тем, как оно попадет в компрессор.

В устройстве с фиг.5В воздух и топливо смешиваются в смесителе 44, и полученная в результате смесь подается в компрессор. Выхлопной газ из трубопровода 42 подается в компрессор отдельно, а смешение с воздухом и топливом происходит в компрессоре.

Еще одна возможность показана на фиг.5С, где воздух, топливо и выхлопной газ - все подаются отдельно в компрессор, и смешение между всеми тремя происходит в компрессоре.

Множество модификаций и других вариантов осуществления изобретения, изложенных здесь, будет очевидно специалисту в данной области техники, для которого эти изобретения являются понятными после прочтения описания со ссылкой на и прилагаемые чертежи. Поэтому необходимо понять, что изобретения не должны ограничиваться описанными конкретными вариантами осуществления и что модификации и другие варианты осуществления входят в объем прилагаемых пунктов формулы изобретения. Хотя здесь используются специфические термины, они используются только в универсальном и описательном смысле, а не в целях ограничения.

Реферат

Система газотурбинного двигателя с рекуперацией, использующая каталитическое сгорание, содержит компрессор, топливную систему, каталитическую камеру сгорания, турбину, приводящую компрессор. Для приема выхлопных газов из турбины и смеси, выпускаемой из компрессора, предназначен рекуператор. В рекуператоре смесь подогревается перед входом в каталитическую камеру сгорания. Газотурбинный двигатель также содержит систему для направления части выхлопных газов из турбины в компрессор так, что температура смеси, выпускаемой из компрессора, повышается посредством указанных выхлопных газов, в результате чего температура на входе в каталитическую камеру сгорания также повышается. Изобретение позволяет регулировать температуру на входе в камеру сгорания так, чтобы она оставалась выше минимальной требуемой температуры действия катализатора. 2 н. и 31 з.п. ф-лы, 5 ил.

Формула