СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ С ПОДВОДОМ ДОБАВКИ Российский патент 1999 года по МПК F02C7/30 C10L1/12 

Изобретение относится к способу эксплуатации газовой турбины, содержащей камеру сгорания с горелкой, причем через горелку в камеру сгорания подводят содержащее ванадий топливо, и причем отдельно от топлива в камеру сгорания вводят через сопло в качестве добавки раствор соединения магния и воды.

Подобный способ следует из публикации WO 89/08803 A1, общее содержание которой следует рассматривать, как составную часть настоящего раскрытия.

Из патента EP 0193838 B1, а также патентов США 4701124 и RTe. 33896 известна "гибридная горелка" для использования в камере сгорания газовой турбины, которая предусматривает возможности для впрыскивания воды или пара в зону горения в камере сгорания, то есть в ту зону, в которой имеет место пламя. В связи с особенностями конструкции гибридной горелки делается ссылка на три названные документа. Другие варианты горелок, которые позволяют дополнительное впрыскивание инертных веществ следуют из выложенной заявки DE 3606625 A1. Согласно этой заявке воду и/или пар вводят через сопло в зону горения камеры сгорания, чтобы снизить там температуру и уменьшить таким образом образование вредных для окружающей среды окислов азота.

Из уровня техники далее известно, примешивать к подводимому к газовой турбине топливу присадки, чтобы, например, защитить определенные детали газовой турбины от повреждений. Таким образом должны, в частности, исключаться проблемы, которые возникают, если применяется содержащее ванадий топливо, например тяжелое нефтяное топливо. Ванадий образует на деталях, подверженных воздействию горячего газа, в частности, на рабочих лопатках и направляющих лопатках газовой турбины, низкоплавкие соединения ванадия, которые являются химически очень агрессивными и могут воздействовать на поверхности деталей. В частности, эти соединения ванадия могут быстро растворять защитные окисные слои на деталях. Отсюда может следовать сильно ускоренная высокотемпературная коррозия подверженных нагрузке деталей. Для избежания этой высокотемпературной коррозии известно подмешивание к топливу соединений, которые во время горения реагируют с ванадием и образуют определенные соли, а именно ванадаты, которые имеют настолько высокие точки плавления, что они при обычных температурах в газовой турбине всегда присутствуют в твердой форме. Среди многочисленных металлических соединениях, в частности, зарекомендовали себя соединения магния, так как из ванадия и магния образуется соединение, называемое ортованадат магния (Mg₃V₂O₈), которое плавится лишь при температуре 1159^oC. Это соединение образует твердые отложения на деталях, в частности, на лопатках газовой турбины, которые однако могут легко удаляться. Подвод соединений магния к камере сгорания происходит обычно вместе с топливом. Для этого можно растворять в топливе маслорастворимые, в частности, органометаллические соединения магния или диспергировать в топливе более или менее любые содержащие магний композиции; например, готовят суспензию твердой композиции в топливе с образованием коллоидного раствора, или эмульгируют в топливе c образованием эмульсии жидкую композицию, в частности водный раствор соли магния.

В противоположность к щелочным металлам, которые являются удаляемыми путем промывки тяжелого нефтяного топлива водой, ванадий не может быть удален из тяжелого нефтяного топлива без значительных затрат, так как он, как правило, растворен как органометаллическое соединение, иначе, чем щелочные металлы, которые диспергированы в форме твердых взвешенных частиц или водных растворов.

Дальнейшие указания для эксплуатации газовой турбины, которая работает на содержащем ванадий топливе и к которой подводят добавки, следуют из трех ASVE-публикаций 74-GT-44, 81-GT-187 и 82-GT-53. Все три документа относятся к подводу содержащего магний соединения к топливу, причем рассматривается как растворение маслорастворимого соединения, так и диспергирование соединения магния. Подвод магния к камере сгорания происходит соответственно вместе с топливом. На весовую долю подведенного ванадия должны соответственно подводиться примерно три весовых доли магния.

Изготовление маслорастворимой присадки для топлива является очень сложным и имеет следствием высокие затраты, которые могут делать применение топлива с высоким содержанием ванадия не экономичным. Подмешивание более дешевого, не маслорастворимого соединения магния, например окиси магния к топливу с образованием дисперсии влечет за собой серьезные проблемы стабильности при сохранении дисперсии и требует значительных затрат на аппаратуру. За счет дисперсии в форме суспензии, кроме того, может происходить износ сопел в горелке.

Из UA-B 496757 известна дисперсия раствора сульфата магния в воде в топливе с образованием эмульсии. Дозирование раствора и смешивание с топливом однако является относительно сложным и трудно поддерживается постоянным. В соответствии с этим почти во всех случаях применения надо было обращаться к присадкам для топлива, содержащим дорогой маслорастворимый или диспергируемый в качестве твердого вещества магний.

Дальнейшие указания относительно подвешивания присадок к жидкому топливу следуют из статьи "The Use of Residual Fueas in Gas Turbines" Proceedings of the Fourth World Petrolem Congress, Sektion VI/D, Paper 4, с. 291 - 313,, Рим, 1955.

Все известные способы для подвода магния в камеру сгорания газовой турбины, в которой сжигают содержащее ванадий топливо, требуют подвода большого, обычно трехкратного по весовым долям избытка магния по сравнению с подведенным с топливом ванадием, чтобы достигнуть достаточного превращения ванадия в неопасные соединения. С этим неизбежно связано возникновение дополнительных зол в покидающих камеру сгорания дымовых газах, что может приводить к заметной нагрузке газовой турбины и ее соответствующих деталей. Значительный избыток магния также обуславливает то, что золы обогащаются окисью магния, которая является водонерастворимой, и затрудняет удаление отложившихся зол из турбины в рамках обычного процесса промывки.

Задачей изобретения является указание способа, названного выше вида, при котором образование дополнительных зол по сравнению со способом согласно уровню техники является значительно уменьшенным.

Для решения этой задачи разработан способ эксплуатации газовой турбины, которая содержит камеру сгорания с горелкой, причем в камеру сгорания через горелку подводят содержащее ванадий топливо и причем отдельно от топлива в камеру сгорания подают через сопло в качестве добавки раствор соединения магния в воде, причем согласно изобретению в камеру сгорания на весовую долю ванадия в топливе подают по меньшей мере 0,75 и самое большее 2 весовых доли магния в топливе,
Изобретение исходит из знания того, что в рамках отдельного введения через сопло водного раствора соединения магния может достигаться такое тонкое распределение магния в камере сгорания, в частности, в зоне горения камеры сгорания, что подведение значительного избытка магния становится не нужным. С учетом того, что стехиометрическое в связи с образованием ортованадата магния подведение магния требует подведения порядка 0,7 весовых долей магния на весовую долю ванадия согласно изобретению необходимым является, во всяком случае, более чем трехкратный избыток по сравнению требующимся до сих пор пятикратным избытком.

Тем самым может достигаться существенное уменьшение нагрузки газовой турбины за счет зол. Поскольку согласно изобретения получаются золы, которые значительно беднее магнием, чем получающиеся до сих пор золы, то существенно упрощается также проблема удаления отложений зол. Поскольку содержание окиси магния также является значительно меньшим, чем это было возможно прежде, удаление зол обеспечивается простым и дешевым процессом промывки.

Согласно изобретению может быть достигнуто также дальнейшее уменьшение весовой доли магния, подлежащей подведению на весовую долю ванадия. Поэтому с особенным преимуществом на весовую долю ванадия подводят максимально 1,5 весовых доли магния, в частности примерно одну весовую долю магния на весовую долю ванадия. Таким образом подвод магния можно снизить до величины, чуть выше стехиометрически необходимого подвода и таким образом достигнуть значительного уменьшения нагрузки газовой турбины. Также и экономические преимущества, которые могут достигаться в рамках настоящего изобретения являются значительными, поскольку, как текущие расходы на необходимые соединения магния, так и затраты на аппаратуру являются меньшими, чем раньше.

В качестве соединения магния предпочтительно используют соль магния, в частности, известный в качестве "горькой соли" или "Epsom Salt" сульфат магния. Следует заметить, что сульфат магния обычно продается в кристаллической форме, содержащей семь молекул воды на атом магния. Так как согласно изобретению сульфат магния так или иначе должен растворяться в воде, то кристаллизованая вместе с сульфатом магния вода не имеет значения; само собой разумеется, что состав торгового продукта должен учитываться при образовании раствора подлежащего введению через сопло в камеру сгорания.

С особенным преимуществом содержащий магний раствор вводят через сопло непосредственно в пламя горелки, за счет чего достигаются особенно благоприятное распределение магния в зоне горения и тем самым особенно хорошие условия для проведения реакции магния с ванадием.

Концентрацию раствора предпочтительно устанавливают так, что на объемную долю топлива вводят через сопло порядка 1/10 или меньше объемной доли раствора. Таким образом можно особенно предпочтительным образом воздействовать на горение наряду с реакцией магния с ванадием.

В общем следует констатировать, что с отдельной подачей через сопло растворенного в воде соединения магния в виде раствора в камеру сгорания технологически можно справляться значительно легче, чем с эмульгированием растворенного в воде соединения магния в топливе и подачей этой эмульсии к камере сгорания. В рамках отдельной подачи через сопло раствора можно без проблем производить точное дозирование подводимой доли магния по отношению к доли ванадия в топливе. Возможно необходимые дополнительные устройства на горелке не являются особенно сложными; в частности, могут использоваться дополнительные устройства, которые уже зарекомендовали себя в связи с уменьшением содержания окислов азота в выпускном газе.

В связи с растворимостью сульфата магния в воде следует заметить, что при 20^oC в воде растворяется 25,8%, при 0^oC растворяется 20,9%; оказалось предпочтительным ограничивать концентрацию сульфата магния в используемом согласно изобретению растворе до максимально 1 вес.%.

В пламени горелки, которое создается путем сгорания содержащего ванадий топлива и к которому отдельно подводят сульфат магния, протекает следующая реакция:
3MgSO₄+V₂O₅---> Mg₃V₂O₈+3SO₃.

Количество серы, дополнительно введенной в пламя за счет сульфата, по сравнению с тем количеством серы, которая обычно и без того содержится в топливе, как правило, не имеет значения. Также впрочем и по сравнению с примешиванием маслорастворимого соединения магния, не получается никаких недостатков для процесса сгорания и возникающих выпусков.

Необходимые для эксплуатации обычной газовой турбины электростанции количества сульфата магния и воды поясняются на следующем примере.

При предполагаемом относительно высоком содержании ванадия 300 ppm в топливе и соотношении дозирования одной весовой доли магния к одной весовой доли ванадия для газовой турбины с расходом топлива порядка 10 кг в секунду требуется порядка 54 кг сульфата магния в час. Если используется 20%-ный раствор сульфата магния в воде, что с точки зрения выше названных данных лежит достаточно далеко от границы растворимости и в соответствии с этим не влечет за собой опасности выкристаллизовывания сульфата магния, то необходимое количество раствора составляет порядка 270 кг в час или соответственно 225 литров в час.

Эксперимент для сравнения соответствующей изобретению подачи магния с известной по себе подачей магния путем примешивания коллоидной дисперсии окиси магния в топливо производился на газовой турбине электростанции с номинальной мощностью 75 мегаватт, при которой дымовой газ поступает в турбину с температурой 950^oC. В качестве топлива использовалось тяжелое нефтяное топливо с концентрацией ванадия между 250 pрm и 280 ppm. Топливо было в значительной степени освобождено от натрия и калия путем двухступенчатой обработки водой и последующим отделением в центрифуге. Содержание серы в топливе составляло порядка 2,8%.

В рамках опробывания изобретения сульфат магния растворяли в деионизованной воде, подводили к обеим камерам сгорания газовой турбины и через сопловые устройства для воды подводили к пламени горелок в камерах сгорания. Добавку сульфата магния выбирали таким образом, что в камеры сгорания попадали примерно одна весовая доля магния на одну весовую долю ванадия. Добавку раствора регулировали в зависимости от мощности, даваемой турбиной, а концентрацию магния в растворе постоянно контролировали путем измерения электрической проводимости раствора.

С подачей магния в смысле изобретения при данных условиях была возможна длительная эксплуатация газовой турбины свыше 150 часов, прежде чем газовая турбина должна была отключаться для очистки. Отложенные золы, найденные внутри турбины, были желтыми и мягкими. Они состояли в основном из обычных компонентов ортованадата магния и сульфата магния. Подробный химический анализ 44 проб со стенок камер сгорания, внутреннего корпуса турбины и направляющих лопаток первой ступени турбины показал, что соотношение доли магния к доле ванадия во всех пробах имело малое рассеяние; это является хорошим свидетельством того, что весь подведенный с топливом ванадий был преобразован, как и хотели, в ортованадат магния. Ни в одной из проб не находилась доля магния, которая была бы меньше доли ванадия; это означает, что везде в турбине имело место полное преобразование ванадия в ортованадат магния, несмотря на минимальную по сравнению с принятой практикой подачу магния. Отложения в турбине могли быть отмыты удовлетворительным образом и после процесса промывки была снова достигнута упавшая в ходе эксперимента на 10% первоначальная мощность, а также первоначальный коэффициент полезного действия турбины.

Для сравнения было опробовано также добавление магния в форме коллоидально диспергированной в топливе окиси магния. Коллоидная дисперсия окиси магния в подходящей для подмешивания к топливу жидкости имеется в продаже. Вместо добавления водного раствора согласно предписанию изготовителя к топливу была добавлена окись магния, в частности три весовых доли магния на одну весовую долю ванадия. Уже через 60 - 80 часов по сравнению со 150 часами при добавлении магния в смысле изобретения, отдаваемая мощность турбины снизилась на 10%. В турбине были найдены толстые, местами спеченные и твердые отложения. Все отложения содержали доли окиси магния. Пробы отложений с тех же мест, в которых были взяты пробы при опробывании изобретения, показали значительное рассеяние в соотношении долей магния и ванадия. В большинстве проб был обнаружен заметный избыток магния, частично больше, чем избыток магния в топливе. Другие пробы показали во всяком случае соотношение долей магния к долям ванадия, близкое к единице и тем самым к минимуму, так что уменьшение подачи магния в виде суспензии оказалось исключенным. Промывка отложенной золы из-за присутствующей везде окиси магния оказалась сложной; для полной очистки турбины пришлось частично прибегать к способу очистки посредством водяной струи высокого давления, что при применении изобретения не было необходимым ни в каком случае.

В общем при эксперименте оказалось, что применение изобретения позволяет снизить расходы, вызванные присутствием ванадия в топливе, до 90% по сравнению с обычными мерами; эта высокая экономия обусловлена , как тем, что относительно дорогая композиция магния заменена значительно более дешевым продуктом, так и тем, что требуется только значительно меньшая подача магния, а также не в последнюю очередь тем, что длительность работы турбины между двумя процедурами чистки увеличилась вдвое.

Пример выполнения изобретения схематически показан на чертеже. При этом, например, была выбрана горелка, которая подробно описана в EP 0 193 838 B1. От пояснений конструктивных особенностей самой горелки здесь следует отказаться. Важным является только, что грелка 1 содержит устройства для ввода воды 2 и/или пара 3. Не является решающим, идет ли речь при этом о горелке с предварительным смешиванием, диффузионной горелке или гибридной горелке, то есть комбинации горелки с предварительным смешиванием и диффузионной горелки. Согласно изобретению такой горелке 1 придан по меньшей мере один запасной резервуар 4, который через дозирующее устройство 5 находится в соединении с устройствами 2, 3 подачи через сопла. Изобретение особенно пригодно для газовых турбин, в которых всегда или временами должно сжигаться содержащее ванадий топливо, в частности, тяжелое нефтяное топливо.

Способ может быть использован при эксплуатации газовой турбины. К камере сгорания подводят содержащее ванадий топливо. Отдельно от топлива в камеру сгорания подводят через сопло в качестве добавки раствор соединения магния в воде. На одну весовую долю ванадия в топливе подводят по меньшей мере 0,75 и самое большее 2 весовые доли магния в добавке. Предпочтительно подвод магния ограничен самое большее 1,5 весовыми долями на весовую долю ванадия и составляет, в частности, порядка одной весовой доли магния на весовую долю ванадия. Изобретение позволяет экономически особенно выгодную эксплуатацию газовой турбины при сжигании содержащего ванадий топлива, как, например тяжелого нефтяного топлива. 6 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ эксплуатации газовой турбины, которая содержит камеру сгорания с горелкой, причем к камере сгорания через горелку подводят содержащее ванадий топливо и причем отдельно от топлива в камеру сгорания вводят через сопло в качестве добавки раствор соединения магний в воде, отличающийся тем, что в камеру сгорания подводят на весовую долю ванадия в топливе по меньшей мере 0,75 и самое большее 2 весовые доли магния в добавке. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на весовую долю ванадия подводят самое большее 1,50 весовых долей магния. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что на весовую долю ванадия подводят примерно одну весовую долю магния. 4. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что раствор вводят через сопло непосредственно в пламя горелки. 5. Способ по любому из пп.1 - 4, при котором соединение магния представляет собой соль магния. 6. Способ по п.5, отличающийся тем, что соль магния представляет собой сульфат магния. 7. Способ по любому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что концентрацию соединения магния в растворе устанавливают так, что на объемную долю топлива вводят через сопло порядка 1/10 или меньше объемных долей раствора.