Повышение мощности турбин внутреннего сгорания посредством накапливания энергии сжатого воздуха и дополнительного детандера, с отводом воздушного потока и его впуском выше по потоку камер сгорания

010271 Область техники Это изобретение относится к повышению мощности энергетических систем с турбинами внутреннего сгорания посредством накапливании энергии сжатого воздуха и дополнительного детандера, а точнее к повышению мощности системы посредством расширения нагретого сжатого под высоким давлением воздуха из места хранения для получения дополнительной мощности от детандера, с отводом при этом воздушного потока из детандера и введением отведенного воздушного потока в турбину внутреннего сгорания выше по потоку камер сгорания для повышения мощности турбины. Уровень техники Хорошо известно, что у турбин внутреннего сгорания происходит значительное снижение мощности, связанное с повышенной температурой окружающей среды или с большими высотами. Эта потеря мощности главным образом связана с уменьшенной массой воздушного потока турбины внутреннего сгорания, вызываемой уменьшенной плотностью входящего воздуха. Существует множество технологий повышения мощности, целью которых является восстановление потерь мощности турбин внутреннего сгорания, происходящих вследствие высоких окружающих температур или большой высоты: технология повышения мощности посредством введения воздуха, которая основана на введении выше по потоку камер сгорания дополнительного воздушного потока (влажного или сухого), который подают посредством внешнего вспомогательного компрессора (компрессоров); использование охладителей на входе, которые охлаждают окружающий воздух и обеспечивают соответствующее повышение мощности; технологии использования испарительных охладителей, образования тумана на входе и влажного сжатия, которые обеспечивают повышение мощности посредством сочетания охлаждения воздуха на входе и потока повышенной массы через турбину внутреннего сгорания; технология повышения мощности посредством введения воздуха, раскрытая в патенте США 5934063, полное содержание которого включено сюда посредством ссылки, и которая основана на введении воздуха выше по потоку камер сгорания, используя накопленную энергию сжатого воздуха. Однако сжатый воздух в накопителе обычно имеет значительно большее давление, чем то, которое необходимо для введения воздуха для повышения мощности. Таким образом, существует необходимость в использовании накопленного сжатого воздуха под высоким давлением для дальнейшего усовершенствования,касающегося возрастания мощности, и для повышения общей тепловой мощности системы. Краткое описание изобретения Целью изобретения является удовлетворение упомянутой выше потребности. Согласно принципам настоящего изобретения эта цель достигнута посредством создания системы вырабатывания энергии,включающей в себя турбинный узел внутреннего сгорания, содержащий основной компрессор, сконструированный и выполненный с возможностью захождения в него окружающего воздуха, основную турбину со ступенями давления, функционально связанную с основным компрессором, камеры сгорания,сконструированные и выполненные с возможностью захождения сжатого воздуха из основного компрессора и питания основной турбины со ступенями давления, и электрический генератор, связанный с основной турбиной со ступенями давления для вырабатывания электрической энергии. Хранение сжатого воздуха осуществляется в хранилище. Сконструирован и установлен теплообменник, предназначенный для захождения в него источника тепла, а также для захождения сжатого воздуха из хранилища для нагревания сжатого воздуха, поступающего из хранилища. С теплообменником связан воздушный детандер, который сконструирован и выполнен с возможностью расширения нагретого сжатого воздуха для получения дополнительной электрической энергии. Воздушный поток, отводимый из детандера, вводится в турбинный узел внутреннего сгорания выше по потоку камер сгорания, при этом параметры вводимого воздушного потока согласуются с параметрами потока основного компрессора в месте введения. Согласно другому аспекту изобретения создан способ повышения мощности турбинного узла внутреннего сгорания. Турбинный узел внутреннего сгорания включает в себя основной компрессор, сконструированный и выполненный с возможностью захождения в него окружающего воздуха, основную турбину со ступенями давления, функционально связанную с основным компрессором, камеры сгорания,сконструированные и выполненные с возможностью захождения сжатого воздуха из основного компрессора и питания основной турбины со ступенями давления, а также электрический генератор, связанный с основной турбиной со ступенями давления для вырабатывания электрической энергии. Способ позволяет обеспечить снабжение сжатым воздухом из хранилища сжатого воздуха. Сжатый воздух, поступающий из хранилища, нагревают. Нагретый сжатый воздух расширяют в воздушном детандере для получения дополнительной электрической энергии. Воздушный поток отводят из детандера и вводят в турбинный узел внутреннего сгорания выше по потоку камер сгорания, при этом параметры вводимого воздушного потока согласуют с параметрами потока основного компрессора в месте введения. Другие цели, отличительные признаки и характеристики настоящего изобретения, а также способы работы и функции связанных элементов конструкции, сочетание частей и рентабельность изготовления будут более понятны после прочтения нижеприведенных подробного описания изобретения и формулы изобретения, выполненных со ссылкой на прилагаемые чертежи, составляющие часть настоящего описания.-1 010271 Краткое описание чертежей Изобретение можно будет лучше понять из последующего подробного описания предпочтительных вариантов его осуществления при их рассмотрении совместно с прилагаемыми чертежами, на которых подобные детали обозначены одинаковыми ссылочными позициями. На чертежах: фиг. 1 - схематический вид системы вырабатывания энергии, содержащей турбину внутреннего сгорания, с повышением мощности посредством использования хранилища сжатого воздуха, обеспечивающего подачу сжатого воздуха, предварительно нагретого в теплообменнике, к детандеру, который обеспечивает расширение воздуха для получения дополнительной мощности, причем воздушный поток,выходящий из детандера, вводят выше по потоку камер сгорания в соответствии с принципами настоящего изобретения; и фиг. 2 - схематический вид системы вырабатывания энергии, содержащей турбину внутреннего сгорания, с повышением мощности посредством использования хранилища сжатого воздуха, обеспечивающего подачу сжатого воздуха, предварительно нагретого в теплообменнике, к детандеру, который обеспечивает расширение воздуха для получения дополнительной мощности, причем воздушный поток,отводимый из ступени детандера, вводят выше по потоку камер сгорания в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения. Подробное описание примеров варианта осуществления изобретения На фиг. 1 показана система вырабатывания энергии с турбиной внутреннего сгорания, обеспечивающая повышение мощности, которая в целом обозначена ссылочной позицией 10 и выполнена согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Система 10 включает в себя обычный турбинный узел внутреннего сгорания, в целом обозначенный ссылочной позицией 11, содержащий основной компрессор 12, в подвод 13 которого заходит воздух при температуре окружающей среды, и который питает камеры 16 сгорания сжатым воздухом, основную турбину 14 со ступенями давления, функционально связанную с основным компрессором 12, при этом камеры 16 сгорания питают основную турбину 14 со ступенями давления и электрический генератор 15 для вырабатывания электрической энергии. При этом имеется хранилище 18 сжатого воздуха, предпочтительно представляющее собой подземную конструкцию, которое позволяет хранить воздух, сжимаемый посредством по меньшей мере одного вспомогательного компрессора 20. В варианте осуществления изобретения вспомогательный компрессор 20 приводят в действие посредством двигателя 21, хотя он может быть приведен в действие посредством детандера или другого источника. Вспомогательный компрессор 20 заряжает хранилище сжатым воздухом в течение внепиковых часов работы. Отвод 22 из хранилища 18 предпочтительно соединен с теплообменником 24. В теплообменник 24 также заходит воздух 25, выпускаемый из основной турбины 14 со ступенями давления. Вместо воздуха 25, выпускаемого из основной турбины 14, или в дополнение к нему в теплообменник 24 может заходить любой имеющийся в наличии внешний источник тепла. Отвод 26 из теплообменника 24 соединен с детандером 28, который соединен с электрическим генератором 30. Согласно варианту осуществления изобретения в течение пиковых часов работы сжатый воздух, забираемый из хранилища 18, предварительно нагревают в теплообменнике 24 и подают к детандеру 28. Нагретый воздух расширяется в детандере 28, который соединен с электрическим генератором 30 и создает дополнительную мощность. Выходной поток из детандера 28 с параметрами, определяемыми ограничениями и оптимизацией, касающимися турбины внутреннего сгорания, вводят в турбинный узел 11 выше по потоку камер 16 сгорания. Таким образом, как показано на фиг. 1, конструкция 32 сообщается с конструкцией 35 для содействия введению воздуха. В этом варианте конструкции 32 и 35 предпочтительно представляют собой трубные конструкции. Обычное суммарное увеличение мощности турбины внутреннего сгорания, связанное с технологией введения воздуха, составляет 20-25%. Добавочная мощность дополнительного детандера 28, действующего при вводимом воздушном потоке, приблизительно составляющем 12-14% (входного потока турбинного узла внутреннего сгорания), с использованием хранимого сжатого воздуха при давлении на входе, приблизительно составляющем 60-80 бар (обычное давление хранимого сжатого воздуха), предварительно нагретого в теплообменнике 24 до входной температуры приблизительно 480-500 С, приблизительно составляет 5-10% мощности турбинного узла 11 внутреннего сгорания. Например, узел с турбиной внутреннего сгорания GE 7241, работающий при 35 С, может обеспечить суммарное увеличение мощности, приблизительно составляющее 38-40 МВт при вводимом потоке воздуха, приблизительно составляющем 12% от входного потока турбинного узла внутреннего сгорания; дополнительная мощность детандера 28 приблизительно составляет 10 МВт при суммарном увеличении мощности, приблизительно составляющем 48-50 МВт. Тепловая мощность системы 10 вырабатывания энергии уменьшена вследствие того, что мощность дополнительного детандера 28 обеспечивают без какого-либо добавочного потока топлива, то есть при нулевой тепловой мощности. Система 10 содержит следующие дополнительные компоненты (по отношению к исходному варианту осуществления конструкции с турбинным узлом 11 внутреннего сгорания, с хранилищем 18 сжатого воздуха и с зарядным компрессором 20): дополнительный воздушный детандер 28;-2 010271 теплообменник 24, получающий выходящее тепло турбины 14 внутреннего сгорания и питающий детандер 28; трубопроводы и специальные устройства не основного оборудования системы. Общие параметры системы 10 оптимизированы на основе общих экономических показателей установки, включая капитальные и эксплуатационные расходы на дополнительные компоненты; повышение мощности турбины внутреннего сгорания; обеспечение дополнительной пиковой мощности детандера 28. На фиг. 2 показан другой вариант осуществления системы 10', который подобен варианту осуществления изобретения согласно фиг. 1, за исключением того, что дополнительный детандер 28 расширяет подогретый сжатый хранимый воздух от давления хранения до атмосферного давления,что приводит к более высокой мощности. Кроме того, скорость потока в детандере не ограничена скоростью впуска, обеспечиваемой конкретным турбинным узлом внутреннего сгорания. Далее, воздух, который должен быть введен в турбинный узел внутреннего сгорания с определенными параметрами для повышения мощности, отводят из детандера 28 с определенными параметрами. Как показано на фиг. 2, сжатый воздух из хранилища 18 направляют к теплообменнику 24, который получает тепло от источника тепла (например, от выхлопа турбины 14). Нагретый воздух расширяется в детандере 28, который соединен с электрическим генератором 30 и создает дополнительную мощность. Воздушный поток детандера 28 подвергают оптимизации, и он может быть таким же сильным, как и входной поток турбины внутреннего сгорания. Детандер 28 имеет средства для течения отводимого из него воздушного потока с параметрами, согласующимися с требованиями технологии впуска воздуха,определяемыми ограничениями, касающимися турбинного узла внутреннего сгорания. Другими словами,параметры вводимого потока согласуются с параметрами потока основного компрессора 12 в месте введения. Отводимый поток воздуха вводят через конструкцию 33 в турбинный узел 11 внутреннего сгорания (посредством конструкции 35) выше по потоку камер 16 сгорания, при этом увеличение мощности турбины внутреннего сгорания приблизительно составляет 20-25%. Остальной воздушный поток в детандере 28 расширяется посредством ступеней низкого давления до атмосферного давления. Дополнительная мощность детандера является предметом оптимизации, и она может быть равна мощности турбины внутреннего сгорания. Например, для турбины внутреннего сгорания GE 7241, действующей при 35 С, суммарное увеличение мощности может приблизительно составлять 38-40 МВт при отводимом (из дополнительного детандера 28) и вводимом воздушном потоке, приблизительно составляющем 12% входного потока турбины внутреннего сгорания; дополнительная мощность детандера может быть такой же высокой, как и мощность турбины внутреннего сгорания, и является предметом оптимизации. Использование детандера 28 может быть обеспечено в турбине внутреннего сгорания/электростанции с комбинированным циклом. Эта система предпочтительно включает в себя следующие дополнительные (по отношению к турбинному узлу 11 внутреннего сгорания, хранилищу 18 сжатого воздуха и зарядному компрессору 20) компоненты: воздушный детандер 28; теплообменник 24 для получения тепла выхлопа турбины 14 внутреннего сгорания и питания детандера 28; трубопроводы и специальные устройства не основного оборудования системы. Приведенные выше предпочтительные варианты осуществления изобретения показаны и описаны для иллюстрации конструктивных и функциональных принципов настоящего изобретения, а также для иллюстрации способов применения предпочтительных вариантов, при этом они могут быть подвергнуты изменениям без отклонения от этих принципов. Следовательно, настоящее изобретение включает в себя любые модификации, входящие в объем приведенной далее формулы изобретения. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Система с турбиной внутреннего сгорания для вырабатывания энергии, содержащая турбинный узел внутреннего сгорания, включающий в себя основной компрессор, сконструированный и выполненный с возможностью захождения в него окружающего воздуха, основную турбину со ступенями давления, функционально связанную с основным компрессором, камеры сгорания, сконструированные и выполненные с возможностью захождения в них сжатого воздуха из основного компрессора и питания основной турбины со ступенями давления, и электрический генератор, связанный с основной турбиной со ступенями давления для вырабатывания электрической энергии; хранилище для хранения сжатого воздуха; теплообменник, сконструированный и выполненный с возможностью захождения источника тепла,а также захождения сжатого воздуха из хранилища для нагревания сжатого воздуха, заходящего из хранилища; и воздушный детандер, связанный с теплообменником, сконструированный и выполненный с воз-3 010271 можностью расширения нагретого сжатого воздуха для получения дополнительной электрической энергии; при этом воздушный поток, отводимый из детандера, вводится в турбинный узел внутреннего сгорания выше по потоку камер сгорания. 2. Система по п.1, в которой воздушный поток, отводимый и вводимый, представляет собой выходной воздушный поток детандера, при этом параметры вводимого воздушного потока согласуются с параметрами потока основного компрессора в месте введения. 3. Система по п.1, в которой отводимый и вводимый воздушный поток представляет собой часть воздушного потока из первой ступени детандера, с параметрами вводимого воздушного потока, согласующимися с параметрами потока основного компрессора в месте введения, а остальная часть воздушного потока расширяется посредством по меньшей мере одной второй ступени детандера до атмосферного давления. 4. Система по п.1, в которой теплообменник сконструирован и выполнен таким образом, чтобы в него заходил выхлоп из основной турбины со ступенями давления, тем самым образуя источник тепла. 5. Система по п.1, дополнительно содержащая по меньшей мере один вспомогательный компрессор для зарядки хранилища сжатого воздуха. 6. Система по п.1, дополнительно включающая в себя электрический генератор, связанный с детандером для вырабатывания дополнительной электрической энергии. 7. Система с турбиной внутреннего сгорания для вырабатывания энергии, содержащая турбинный узел внутреннего сгорания, включающий в себя основной компрессор, сконструированный и выполненный с возможностью захождения в него воздуха окружающей среды, основную турбину со ступенями давления, функционально связанную с основным компрессором, камеры сгорания, сконструированные и выполненные с возможностью захождения сжатого воздуха из основного компрессора и питания основной турбины со ступенями давления, и электрический генератор, связанный с основной турбиной со ступенями давления для вырабатывания электрической энергии; средство для хранения сжатого воздуха; средство для размещения источника тепла и для захождения сжатого воздуха из средства для его хранения для нагревания сжатого воздуха, заходящего из средства для его хранения; средство, связанное со средством нагревания, для расширения нагретого сжатого воздуха для получения дополнительной электрической энергии; при этом воздушный поток, отводимый из средства для расширения, вводится в турбинный узел внутреннего сгорания выше по потоку камер сгорания. 8. Система по п.7, в которой средство для расширения представляет собой воздушный детандер. 9. Система по п.8, в которой воздушный поток, отводимый из детандера и вводимый в турбинный узел внутреннего сгорания, представляет собой выпускной воздушный поток детандера, при этом параметры вводимого воздушного потока согласуются с параметрами потока основного компрессора в месте введения. 10. Система по п.8, в которой воздушный поток, отводимый из детандера и вводимый в турбинный узел внутреннего сгорания, представляет собой часть воздушного потока из первой ступени детандера,при этом параметры вводимого воздушного потока согласуются с параметрами потока основного компрессора в месте введения, а остальная часть воздушного потока расширяется посредством по меньшей мере одной второй ступени детандера до атмосферного давления. 11. Система по п.7, в которой средство для нагревания представляет собой теплообменник, сконструированный и выполненный с возможностью захождения выхлопа из основной турбины со ступенями давления, образуя источник тепла. 12. Система по п.7, в которой средство для хранения представляет собой подземное хранилище воздуха. 13. Система по п.12, дополнительно содержащая по меньшей мере один вспомогательный компрессор для зарядки хранилища воздуха. 14. Система по п.7, дополнительно включающая в себя электрический генератор, связанный с детандером для вырабатывания дополнительной электрической энергии. 15. Способ повышения мощности турбинного узла внутреннего сгорания, при этом турбинный узел внутреннего сгорания включает в себя основной компрессор, сконструированный и выполненный с возможностью захождения в него окружающего воздуха, основную турбину со ступенями давления, функционально связанную с основным компрессором, камеры сгорания, сконструированные и выполненные с возможностью захождения сжатого воздуха из основного компрессора и питания основной турбины со ступенями давления, а также электрический генератор, связанный с основной турбиной со ступенями давления для вырабатывания электрической энергии, при котором подают сжатый воздух из хранилища сжатого воздуха; нагревают сжатый воздух, поступающий из хранилища; расширяют нагретый сжатый воздух в воздушном детандере для получения дополнительной электрической энергии;-4 010271 отводят воздушный поток из детандера и вводят отведенный воздушный поток в турбинный узел внутреннего сгорания выше по потоку камер сгорания. 16. Способ по п.15, при котором отводимый и вводимый воздушный поток представляет собой выпускной воздушный поток детандера, при этом параметры вводимого воздушного потока согласуют с параметрами потока основного компрессора в месте введения. 17. Способ по п.15, при котором отводимый и вводимый воздушный поток представляет собой часть воздушного потока из первой ступени детандера, при этом параметры вводимого воздушного потока согласуют с параметрами потока основного компрессора в месте введения, а остальную часть воздушного потока расширяют посредством по меньшей мере одной второй ступени детандера до атмосферного давления. 18. Способ по п.15, при котором при нагревании используют тепло выхлопа от основной турбины со ступенями давления. 19. Способ по п.15, при котором дополнительно получают электрическую энергию посредством использования электрического генератора, связанного с детандером.