СПОСОБ ПУСКА И ГАЗОСНАБЖЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК F01D19/00 F02C7/26 

Изобретение относится к области энергетики и может найти применение в энергетических газотурбинных установках, преимущественно используемых при модернизации тепловых электрических станций по парогазовым технологиям.

Источником природного газа, являющегося топливом большинства энергетических газотурбинных установок (ГТУ), чаще всего служат газопроводы среднего давления (0,2-0,6 МПа). В связи с тем, что давление топливного газа, подаваемого в камеры сгорания современных высокоэффективных газотурбинных установок, составляет 2,5-4 МПа, возникает необходимость компримирования топливного газа и применения дожимных газовых компрессоров. Кроме того, значительную проблему, особенно при применении в энергетических газотурбинных установках конвертированных авиадвигателей, представляет собой необходимость удовлетворения требованиям ГОСТа по недопустимости превышения концентрации оксидов азота в продуктах сгорания ГТУ величины 50 мг/нм³.

Известны способы пуска ГТУ путем раскрутки ротора ГТУ с помощью внешних пусковых двигателей (Стационарные газотурбинные установки: Справочник. Под Ред. Л. В.Арсеньева и В.Г.Тырышкина. - Л.: Машиностроение, 1989, стр. 376-377).

Известны способы газоснабжения ГТУ топливным газом из газопроводов с недостаточно высоким давлением, предусматривающие применение дожимных газовых компрессоров с приводом как от вала ГТУ, так и от приводных внешних двигателей (патент РФ 2111370, 6 F 02 С 7/26).

Недостатками способов пуска и газоснабжения ГТУ с применением дожимных компрессоров топливного газа, приводимых от внешних двигателей, является необходимость создания высокого давления топливного газа, в 1,5-2 раза превышающего давление в камере сгорания ГТУ, что усложняет конструкцию, увеличивает габариты и стоимость дожимных компрессоров, затрудняет их размещение вблизи ГТУ, снижает надежность и безопасность, в частности из-за протяженных газопроводов высокого давления между дожимными компрессорами и ГТУ, а также низкая экологичность из-за высокого содержания оксидов азота в выхлопных газах.

Известны методы снижения вредных выбросов ГТУ путем впрыска воды или пара в камеру сгорания (Мир газовых турбин, Gasturbine woridwide, ноябрь-декабрь 1996 г., стр. 38). Впрыск производится через специальные форсунки и требует конструктивных изменений ГТУ.

Известен также способ пуска и газоснабжения энергетической газотурбинной установки, включающий раскрутку жестко связанных роторов турбокомпрессора и дожимного компрессора топливного газа внешним пусковым двигателем, подачу топливного газа через дожимной компрессор топливного газа в камеру сгорания газотурбинной установки и его зажигание, отсоединение от пускового двигателя жестко связанных роторов турбокомпрессора и дожимного компрессора топливного газа при достижении ими расчетных оборотов и вывод их на рабочие обороты за счет увеличения расхода и давления топливного газа (см. US 5682737, F 02 С 7/26, 1997).

Описанный способ также имеет недостатки. При приводе дожимного компрессора от ротора одновальных энергетических ГТУ с частотой вращения 3000 об/мин напорность ступеней дожимного компрессора низкая, поэтому для создания высокого давления топливного газа он должен иметь большое число ступеней, значительные массу, габариты и стоимость. Кроме того, для удовлетворения требованиям ГОСТа по экологичности необходима разработка высокоэффективных камер сгорания, прежде всего выносных, что создает серьезные технические проблемы и вызывает увеличение стоимости ГТУ.

Известная энергетическая ГТУ, имеющая дожимной компрессор топливного газа, приводимый электродвигателем (1. "Реконструкция Самарской ГРЭС с установкой ПГУ-80", Сельэнергопроект, Москва, 1992; 2. "Газотурбинная энергетическая установка на базе авиационного двигателя НК-37" для Безымянской ТЭЦ АО "Самараэнерго", 1998).

Недостатками известных ГТУ являются повышенные габариты дожимных компрессоров, низкая их экономичность, объясняемые низкой частотой вращения ротора компрессора, повышенная пожароопасность, вызванная протяженным газопроводом высокого давления от дожимного компрессора до камеры сгорания ГТУ, а также повышенное содержание оксидов азота в выхлопных газах ГТУ.

Известна энергетическая ГТУ, использующая впрыск пара в камеру сгорания ГТУ для снижения содержания оксидов азота в выхлопных газах ГТУ и для повышения ее экономичности ("Разработка, монтаж и испытание системы впрыска пара (STIG) в газогенератор LM 5000 фирмы General Electric", Энергетические машины, 1988, 2).

Недостатки известной ГТУ аналогичны отмеченным выше недостаткам известных ГТУ и связаны с дожимным компрессором, приводимым от низкооборотного внешнего двигателя.

Известна энергетическая газотурбинная установка, содержащая дожимной компрессор топливного газа, внешний пусковой двигатель, соединенный с жестко связанными роторами турбокомпрессора и дожимного компрессора топливного газа, связанный с источником пара высокого давления паропровод высокого давления, имеющий отсечной клапан, газопровод топливного газа, соединяющий выход из дожимного компрессора с камерой сгорания газотурбинной установки (см. US 5682737, МПК F 02 С 7/26, 1997).

Недостатками известной ГТУ, принятой в качестве прототипа, является пониженная экономичность дожимного компрессора и повышенные его габариты, вызванные повышенной степенью сжатия и относительно низкой частотой вращения ротора дожимного компрессора, а также повышенный выход оксидов азота.

Задачами настоящего изобретения являются:
1. Повышение экономичности и надежности, а также снижение габаритов и стоимости энергетической ГТУ с дожимным компрессором топливного газа.

2. Снижение содержания оксидов азота в продуктах сгорания ГТУ.

Поставленные задачи достигаются тем, что в известном из прототипа способе пуска и газоснабжения энергетической газотурбинной установки, включающем раскрутку жестко связанных роторов турбокомпрессора и дожимного компрессора топливного газа внешним пусковым двигателем, подачу топливного газа через дожимной компрессор топливного газа в камеру сгорания газотурбинной установки и его зажигание, отсоединение от пускового двигателя жестко связанных роторов турбокомпрессора и дожимного компрессора топливного газа при достижении ими расчетных оборотов и вывод их на рабочие обороты за счет увеличения расхода и давления топливного газа, согласно изобретению раскрутку жестко связанных роторов турбокомпрессора и дожимного компрессора топливного газа внешним пусковым двигателем и отсоединение от последнего осуществляют посредством расцепной муфты, после раскрутки роторов топливный газ после дожимного компрессора топливного газа через регулирующий клапан подают в пароструйный компрессор и далее в камеру сгорания газотурбинной установки, а также открывают запорный и регулирующий паровые клапаны и подают от внешнего источника пар высокого давления в пароструйный компрессор, дополнительно сжимают в нем топливный газ и направляют полученную парогазовую смесь в камеру сгорания газотурбинной установки, автоматически регулируя давление и расход газа регулирующим паровым клапаном, а расход топливного газа - регулирующим клапаном, по программе, обеспечивающей отношение компонентов парогазовой смеси, соответствующее требуемому уровню мощности газотурбинной установки и минимальному содержанию оксидов азота в выхлопных газах.

Поставленная задача решается также за счет того, что в энергетической газотурбинной установке, содержащей дожимной компрессор топливного газа, внешний пусковой двигатель, соединенный с жестко связанными роторами турбокомпрессора и дожимного компрессора топливного газа, связанный с источником пара высокого давления паропровод высокого давления, имеющий отсечной клапан, газопровод топливного газа, соединяющий выход из дожимного компрессора с камерой сгорания газотурбинной установки, согласно изобретению установка снабжена пароструйным компрессором, топливопроводом подачи парогазовой смеси, содержит автоматическую расцепную муфту, связывающую ротора турбокомпрессора и дожимного компрессора топливного газа с внешним пусковым двигателем, паропровод высокого давления снабжен регулирующим клапаном, газопровод - регулирующим клапаном, пароструйный компрессор включен в газопровод топливного газа на участке между дожимным компрессором топливного газа, связанный паропроводом с источником пара высокого давления, газопроводом - с выходом из дожимного компрессора и топливопроводом подачи парогазовой смеси - с камерой сгорания газотурбинной установки.

На чертеже изображена энергетическая газотурбинная установка.

Основными элементами энергетической газотурбинной установки являются 1 - регулирующий паровой клапан, 2 - внешний пусковой двигатель, 3 - автоматическая расцепная муфта; 4 - регулирующий клапан топливного газа; 5 - дожимной компрессор топливного газа; 6 - запорный клапан; 7 - пароструйный компрессор; 8 - газотурбинная установка ГТУ; 9 - камера сгорания; 10 - электрогенератор.

Способ пуска и газоснабжения ГТУ осуществляется следующим образом. Внешним пусковым двигателем 2 раскручивают через автоматическую расцепную муфту 3 жестко связанные ротора дожимного компрессора топливного газа и турбокомпрессора 5, ГТУ 8, электрогенератора 10. Запорный клапан 6, регулирующий паровой клапан 1 и регулирующий клапан топливного газа 4 при этом закрыты. После достижения связанными роторами дожимного компрессора 5 и турбокомпрессора ГТУ 8 пусковых оборотов открывают регулирующий клапан топливного газа 4 и подают топливный газ от дожимного топливного газа компрессора 5 через пароструйный компрессор 7 в камеру сгорания 9 и воспламеняют его запальником. Продукты сгорания проходят через газовую турбину ГТУ 8, раскручивая вышеупомянутые связанные роторы.

По мере раскрутки связанных роторов при определенных оборотах происходит автоматическое расцепление расцепной муфты 3 и отсоединение ротора пускового двигателя 2 от жестко связанных роторов дожимного газового компрессора 5, турбокомпрессора ГТУ 8 и электрогенератора 10. Увеличением степени открытия регулирующего клапана топливного газа 4 обеспечивают повышение оборотов связанных роторов до рабочих (3000 об/мин), которые в дальнейшем поддерживаются автоматически неизменными на всех нагрузках, синхронизируют электрогенератор и подключают его к электрической сети. После чего дальнейшим открытием регулирующего клапана топливного газа 4 набирают электрическую нагрузку. При соответствующем уровне нагрузки, определенном программой регулирования установки, открывают регулирующий паровой клапан 1, запорный клапан 6, подают пар от внешнего источника в пароструйный компрессор 7, эжектируют и дополнительно сжимают топливный газ, подаваемый через регулирующий клапан 4. Сжатая смесь топливного газа и пара, поступая в камеру сгорания 9 ГТУ, понижая температуру пламени, способствует снижению выброса Nox, а полученная в камере сгорания 9 смесь продуктов сгорания и пара, расширяясь в турбине ГТУ 8, обеспечивает дополнительное повышение мощности установки. По заданной программе автоматически, изменением степени открытия регулирующего парового клапана 1 и регулирующего клапана топливного газа 4, устанавливают для каждого уровня электрической нагрузки установки определенное соотношение расходов топливного газа и пара через пароструйный компрессор, обеспечивая требуемое давление парогазовой смеси в камере сгорания 9 и минимальное содержание оксидов азота в продуктах сгорания.

Способ пуска и газоснабжения ГТУ обладает преимуществами перед известными способами, в том числе и перед прототипом, обеспечивает при наборе установкой электрической нагрузки за счет включения в газопровод топливного газа пароструйного компрессора 7 и подвода к нему через регулирующий паровой клапан 1 пара от внешнего источника дополнительное сжатие топливного газа перед камерой сгорания 9, автоматическое регулирование давления перед камерой сгорания и соотношения компонентов парогазовой смеси, соответствующих требуемому уровню мощности газотурбинной установки.

Благодаря этому может быть достигнуто уменьшение концентрации оксидов азота в продуктах сгорания, увеличение мощности ГТУ, снижение величины степени сжатия дожимного компрессора, его габаритов, веса и стоимости, требуемой мощности внешнего приводного двигателя, облегчится компоновка приводного двигателя и дожимного компрессора в едином боксе газотурбинной установки.

Изобретение относится к энергетическим газотурбинным установкам, преимущественно используемым при модернизации тепловых электрических станций по парогазовым технологиям. Способ пуска и газоснабжения энергетической установки включает раскрутку жестко связанных роторов турбокомпрессора и дожимного компрессора топливного газа внешним пусковым двигателем. Подачу топливного газа осуществляют через дожимной компрессор топливного газа в камеру сгорания газотурбинной установки и затем производят его зажигание. После производят отсоединение от пускового двигателя жестко связанных роторов турбокомпрессора и дожимного компрессора топливного газа при достижении ими расчетных оборотов и вывод их на рабочие обороты за счет увеличения расхода и давления топливного газа. После раскрутки роторов топливный газ после дожимного компрессора топливного газа через регулирующий клапан подают в пароструйный компрессор и далее в камеру сгорания газотурбинной установки. Также открывают запорный и регулирующий паровые клапаны, подают от внешнего источника пар высокого давления в пароструйный компрессор и дополнительно сжимают в нем топливный газ. Полученную парогазовую смесь направляют в камеру сгорания, автоматически регулируя давление и расход газа. Изобретение позволяет уменьшить концентрацию оксидов азота в продуктах сгорания, увеличить мощность энергетической газотурбинной установки. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ пуска и газоснабжения энергетической газотурбинной установки, включающий раскрутку жестко связанных роторов турбокомпрессора и дожимного компрессора топливного газа внешним пусковым двигателем, подачу топливного газа через дожимной компрессор топливного газа в камеру сгорания газотурбинной установки и его зажигание, отсоединение от пускового двигателя жестко связанных роторов турбокомпрессора и дожимного компрессора топливного газа при достижении ими расчетных оборотов и вывод их на рабочие обороты за счет увеличения расхода и давления топливного газа, отличающийся тем, что раскрутку жестко связанных роторов турбокомпрессора и дожимного компрессора топливного газа внешним пусковым двигателем и отсоединение от последнего осуществляют посредством расцепной муфты, после раскрутки роторов топливный газ после дожимного компрессора топливного газа через регулирующий клапан подают в пароструйный компрессор и далее в камеру сгорания газотурбинной установки, а также открывают запорный и регулирующий паровые клапаны и подают от внешнего источника пар высокого давления в пароструйный компрессор, дополнительно сжимают в нем топливный газ и направляют полученную парогазовую смесь в камеру сгорания газотурбинной установки, автоматически регулируя давление и расход газа регулирующим паровым клапаном, а расход топливного газа - регулирующим клапаном, по программе, обеспечивающей отношение компонентов парогазовой смеси, соответствующее требуемому уровню мощности газотурбинной установки и минимальному содержанию оксидов азота в выхлопных газах. 2. Энергетическая газотурбинная установка, содержащая дожимной компрессор топливного газа, внешний пусковой двигатель, соединенный с жестко связанными роторами турбокомпрессора и дожимного компрессора топливного газа, связанный с источником пара высокого давления паропровод высокого давления, имеющий отсечной клапан, газопровод топливного газа, соединяющий выход из дожимного компрессора с камерой сгорания газотурбинной установки, отличающаяся тем, что установка снабжена пароструйным компрессором, топливопроводом подачи парогазовой смеси, содержит автоматическую расцепную муфту, связывающую роторы турбокомпрессора и дожимного компрессора топливного газа с внешним пусковым двигателем, паропровод высокого давления снабжен регулирующим клапаном, газопровод - регулирующим клапаном, пароструйный компрессор включен в газопровод топливного газа на участке между дожимным компрессором топливного газа, связанный паропроводом с источником пара высокого давления, газопроводом - с выходом из дожимного компрессора и топливопроводом подачи парогазовой смеси - с камерой сгорания газотурбинной установки.