Классическая схему ГТУ предусматривает расположение компрессора на одном валу с турбиной, а между компрессором и турбиной располагается камера сгорания топлива. В камеру под избыточным давлением подают метано- воздушную смесь, причем меньшая часть воздуха (15-25 %) идет на горение топлива, а остальная часть – на охлаждение поверхностей жаровых труб и элементов конструкции, а также на снижение температуры рабочего тела до рабочей (750-900 0 С). После срабатывания теплового перепада в турбине рабочее тело обладает достаточной температурой, чтобы использовать его тепло для повышения общего к.п.д. установки. Общий избыток воздуха составляет при этом 4-8 кратный, если исходить из условий стехиометрии, то обогащенный метан разбавляют дополнительно воздухом, что приводить к дополнительным затратам, т.е. первоначально затраты на обогащение, а затем затраты на разбавление и доведение до уровня стехиометрии (9,5 %). Очевидно, что при использовании в качестве топлива метановоздушной смеси с концентрацией метана до 2 % по «классической» схеме, разбавление ее воздухом приведет к тому, что даже при полном и стабильном горение метана, температура рабочего тела перед турбиной будет явно ниже допустимой и установка не сможет работать. При схеме подачи смеси на вход компрессора есть некоторые особенности: - исключается возможность использования вторичного воздуха для охлаждения элементов конструкции камеры сгорания и турбины, что определяет необходимость создания выносной камеры сгорания; - необходимо обеспечивать постоян- ство предельно допустимой температуры рабочего тела перед турбиной либо путем снижения ее, если она высокая, либо поднятия, если она недостаточна, подачей дополнительного топлива или регенерацией тепла; - рассчитывать ГТУ на постоянный расход смеси с постоянной концентрацией метана 2,5–3,5 %, когда установка выходит на требуемые параметры (обо- роты ротора, мощность), которые затруднительно регулировать, т.к. любое отклонение расхода смеси или концентрации в ней метана приведет к изменению температуры рабочего тела перед турбиной. При этом произойдет либо раскрутка турбины с превышением ее мощности сверх допустимой, либо бы- строе затухание процесса с полной остановкой ГТУ. Поэтому в камере сгора- ния должен быть стабильный процесс горения метана с достаточно полным его выгоранием.
На шахте Стаффорд (Англия) была применена ГТУ с использованием газовой смеси исходящей вентиляционной струи и каптируемого газа. Исходящая струя с содержанием метана не более 1,5 % при температуре 35 0 С и относительной влажности 90-95 % проходила очи- стку в бумажных фильтрах и направлялась в компрессор ГТУ, где температура повышалась до 198 0 С. Затем, пройдя теплообменник, газ нагревался до 445 0 С и подавался в реактор, где при темпера- туре свыше 1000 0 С происходило его окисление, где отдав часть тепла на обеспечение работы реактора, газ при температуре 570 0 С поступал на смешение с другим газовым потоком с температурой 900 0 С, получаемым в результате сжигания каптируемого газа с содержанием метана 65-75 % в вынесенной камере сгорания. Смесь газов поступала в турбину при температуре 750 0 С, обеспечивая работу компрессора для сжатия газа с низкой концентрацией ме- тана и отбор мощности 1990 л.с. на электрогенератор переменного тока. Следует обратить внимание на то, что значительная доля тепла поступала от сжигания кондиционного метана, и вопрос возможности работы схемы только на низко концентрированном газе остается открытым. Схема работы ГТУ, созданная Казахским НИИ Энергетики совместно с Уральским турбо моторным заводом (УТМЗ) имеет отличия. В ней использована специальная камера сгорания, представляющая собой вращающийся барабан с насадкой регенератора, через которую проходит газовая смесь от компрессора с содержанием метана 1,6 %. В описании ГТУ также приведены несколько значений концентрации мета- на: в начале речь идет об 1 %, на схеме указано 1,6 %, а расчетная концентрация на входе в компрессор – 2 %. Необходимо отметить, что теплотворная способность газовой смеси при концентрации метана 1 %, 1,6 % и 2 % составляет соответственно 278,35 кДж/кг, 446,4 кДж/кг и 559,34 кДж/кг. Очевидно, что для необходимого значения тепловыделения химического тепла смесей газов с концентрацией метана 1,6 % и тем более 1 % явно недостаточно. Видимо, в этих случаях необходима подсветка жидким топливом, и только при приближении концентрации мета- на к 2 % значения теплотворной способности смеси становятся близкими к той величине, при которой камера сгорания может работать без «подсвет- ки», при условии стабильного горения и полного сгорания метана. Таким образом, оценка возможности работы ГТУ на газовой смеси с низкой концентрацией метана показывает, что нижний предел концентрации метана находится где-то в районе 2-2,5 %. Для использования метановоздушной смеси до 2,5 % произведен контрольный расчет для стабильности работы газовой турбины. Практически любая из известных газовых турбин мощностью от 1,5 кВт до 3,5 МВт сможет работать на газе с концентрацией метана 2,5 % при условии создания специальной камеры сгорания, обеспечивающей полное и стабильное горение метана. В решении этого вопроса на сегодня имеются трудности. Существующие камеры сгорания не удовлетворяют условиям стабильности температуры вы- ходящих газов при сжигании метана концентрации 2,5–3,5 %. Для обеспечения эффективности сжигания метана угольных пластов было создано ряд камер основанных на принципе использования стехиометри- ческого состава газа (9,5%). При этом газовоздушная смесь должна быть, с постоянным дебитом и концентрацией, а ее горение - полным и стабильным. [13.8-12c.]
