Способ пуска камеры сгорания Российский патент 2004 года по МПК F23R3/36 F02C7/264 

Настоящее изобретение относится к способу запуска форсунки для газовой турбины, в котором форсунка содержит по меньшей мере один элемент форсунки, предназначенный для подачи жидкого топлива, и элемент зажигания, который приводят в действие для воспламенения топлива, которое подают в элемент форсунки.

Такие способы пуска уже хорошо известны. По предшествующей технологии элемент зажигания, который преимущественно имеет форму отдельной запальной горелки, часто приводят в действие посредством запальной свечи или подобного ей средства, так чтобы получить запальное пламя. В запальной горелке в качестве топлива используют, например, сжиженный нефтяной газ или природный газ.

Поскольку настоящее изобретение особенно подходит для форсунок, в которых используют жидкое топливо, преимущественно нефтепродукты, оно будет описано ниже в виде неограничивающего примера со ссылкой на такую форсунку.

В форсунке такого типа основную часть воздуха, который поступает в камеру сгорания, соединенную с форсункой, подают через зону воспламенения, границы которой очерчены элементом или элементами форсунки, входящими в состав форсунки.

В процессе запуска форсунки важно, чтобы концентрация топлива в зоне воспламенения элемента форсунки была такой, чтобы приведение в действие элемента зажигания немедленно вызвало соответствующее воспламенение топлива и генерирование пламени в элементе форсунки. Если концентрация топлива является такой, что немедленного воспламенения и генерирования пламени в элементе форсунки не происходит, то смесь топлива и поступающего воздуха будет течь через камеру сгорания и в следующей далее турбине. Если воспламенение топлива происходит на таком последнем этапе, то возникшее пламя будет распространяться по всему пути через камеру сгорания и в турбине до тех пор, пока воспламенение смеси топлива и воздуха может продолжаться. Упомянутая смесь может распространиться по всему пути до присоединенного к турбине выпускного канала или внутри него. Когда в таком случае выпускной канал заполняется взрывоопасной смесью, которая может воспламениться, это может привести к тому, что в выпускном канале произойдет взрыв. Такой взрыв может вызвать опасные последствия, и этого не следует допускать насколько возможно.

Поэтому способы пуска в соответствии с предшествующими технологическими приемами являются очень уязвимыми и требуют очень точного регулирования концентрации топлива в зоне воспламенения элемента или элементов форсунки в момент, когда топливо подают в упомянутую зону и должно произойти его воспламенение для генерирования пламени в элементе форсунки.

Задача настоящего изобретения состоит в создании способа, посредством которого устраняют описанные выше недостатки предшествующих технологических приемов. Способ должен гарантировать, чтобы через камеру сгорания, турбину и выпускной канал газовой турбины, присоединенный к турбине, не распространялись взрывоопасные смеси в момент пуска, когда происходит воспламенение топлива при приведении в действие элемента зажигания.

Эту задачу решают посредством первоначально описанного способа, который отличается тем, что топливо, которое сначала подают в элемент форсунки и которое воспламеняется посредством элемента зажигания и генерирует пламя у элемента форсунки, содержит главным образом запальный газ.

Таким образом, в отличие от предшествующей технологии в настоящем изобретении предложено, чтобы запальный газ, такой, например, как сжиженный нефтяной газ, в момент пуска поступал в зону воспламенения из элемента форсунки, вместо жидкого топлива, смешанного с воздухом. Запальный газ имеет то преимущество, что обладает очень легкой воспламеняемостью, что мгновенно приводит к его воспламенению элементом зажигания и к мгновенному генерированию пламени в элементе форсунки. Риск того, что воспламенения газа не произойдет и что газ будет течь по всему пути до турбины и до выпускного канала, перед тем, как произойдет воспламенение газа, сведен к минимуму.

В соответствии с предпочтительным вариантом способа, для того чтобы обеспечить генерирование пламени у элемента форсунки, жидкое топливо подают в элемент форсунки после того, как получают генерируемое упомянутым запальным газом пламя у элемента форсунки. Поскольку стабильное пламя у элемента форсунки уже существует, когда в зону воспламенения подают жидкое топливо, преимущественно нефтепродукт или смесь нефтепродуктов, это жидкое топливо мгновенно воспламеняется и обеспечивает стабильность уже генерированного пламени у элемента форсунки. Концентрация жидкого топлива в зоне воспламенения или в зоне пламени является таким образом не столь критичным фактором, как в предшествующей технологии.

В соответствии с другим предпочтительным вариантом способа приведение в действие элемента форсунки включает зажигание отдельного запального пламени, предназначенного для зажигания упомянутого запального газа для генерирования пламени у элемента форсунки. У такого отдельного запального пламени можно легко достичь значительной стабильности. Стабильность в свою очередь обеспечивает надежное зажигание запального газа, как только он достигает области, в которой присутствует запальное пламя.

В соответствии с еще одним предпочтительным вариантом форсунка включает множество элементов форсунки, в каждый из которых подают запальный газ, который воспламеняется и генерирует пламя у элемента форсунки по меньшей мере при непрямом поддержании упомянутого приведения в действие элемента зажигания. Непрямое поддержание является следствием того, что приведение в действие элемента зажигания инициирует воспламенение запального газа в первом элементе форсунки и генерирование пламени у элемента форсунки. В свою очередь это пламя у элемента форсунки является стабильным и достаточно сильным, чтобы воспламенять газ, который подают в зону зажигания находящегося рядом элемента форсунки, и тем самым генерировать пламя у этого элемента форсунки. При такой процедуре происходит эффективное, почти мгновенное и последовательное воспламенение, одного за другим, множества элементов форсунки, расположенных параллельно.

В соответствии с еще одним предпочтительным вариантом пламя у элемента форсунки, генерированное упомянутым запальным газом, гасят по меньшей мере у одного элемента форсунки из упомянутого множества, когда у всех элементов форсунки возникло пламя, генерированное упомянутым запальным газом. На следующем этапе, когда в другие элементы форсунки подают жидкое топливо, в элемент или элементы форсунки, у которых пламя на предшествующем этапе было погашено, жидкое топливо не подают. Таким образом, происходит последовательное ускорение газовой турбины, хотя используют только некоторые элементы форсунки, у элементов которой в это время имеется пламя, которое генерируется с помощью жидкого топлива. Такое использование только некоторых элементов форсунки в процессе фазы начального ускорения газовой турбины обеспечивает преимущество в том, что касается выделений и результатов улучшения использования энергии применяемого топлива.

В соответствии с еще одним предпочтительным вариантом элемент или элементы форсунки, у которых пламя было погашено, когда у всего упомянутого множества элементов форсунки было получено такое пламя, остаются погашенными в течение последовательного ускорения газовой турбины, а после этого снабжаются топливом в соответствии с предварительно определенными рабочими режимами газовой турбины. При такой процедуре число активных элементов форсунки возрастает по мере того, как газовая турбина достигает соответствующей рабочей скорости. В процессе нормальной непрерывной работы приводят в действие преимущественно все элементы форсунки, так чтобы в них поступало жидкое топливо для генерирования пламени у элементов форсунки. В процессе фазы ускорения, по мере возрастания этап за этапом числа активных элементов форсунки, могут быть достигнуты оптимальные условия для горения у элементов форсунки при одновременном сведении к минимуму количества выделений, в основном NO_x.

В соответствии с еще одним предпочтительным вариантом форсунка содержит множество элементов форсунки, расположенных по кольцу и направленных в камеру сгорания, общую для этих элементов форсунки, в которой приводят в действие по меньшей мере два элемента зажигания у элементов форсунки, отделенных одним или более дополнительными элементами форсунки. Если, против ожидания, в случае приведения в действие одного элемента зажигания не произойдет воспламенения запального газа у близко расположенного элемента форсунки, еще остается возможность получить воспламенение запального газа путем приведения в действие другого элемента зажигания.

Дополнительные особенности и преимущества настоящего изобретения станут понятны из следующего далее описания и из остальных зависимых пунктов формулы изобретения.

Краткое описание чертежей

Далее будет описан более подробно вариант настоящего изобретения на основании неограничивающего примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

на фиг.1 представлено поперечное сечение форсунки в соответствии с настоящим изобретением у впускного канала в камеру сгорания;

на фиг.2 представлено поперечное сечение, соответствующее линии II-II на фиг.1.

Подробное описание примера изобретения

На фиг.1 представлено поперечное сечение, на котором схематично показан впускной канал в камеру сгорания 1, как видно из ориентации камеры сгорания 1. Камера сгорания 1 имеет кольцеобразную форму и ограничена внутренней стенкой 2, наружной стенкой 3 и торцевой стенкой 4. Выпускной конец камеры сгорания, который не показан, ведет к турбине, предназначенной для приведения в действие газообразными продуктами горения 1.

Форсунка расположена у впускного конца камеры сгорания 1. Форсунка содержит множество элементов 5 форсунки, которые расположены параллельно один другому и каждый из которых пронизывает торцевую стенку 4. Каждый элемент 5 форсунки содержит канал 6, по которому подают по меньшей мере жидкое топливо, предназначенное для использования, в зону 7, в которой топливо смешивают с подаваемым компрессором воздухом, который по воздуховодам 8 поступает в упомянутую зону 7. Воздух является преимущественно сжатым воздухом, подаваемым из компрессора, который не показан. Основная часть, предпочтительно по существу весь воздух, который подают в камеру сгорания 1, поступает в нее через элементы 5 форсунки. Канал 6 обычно содержит отдельные каналы (не показаны) для подачи газа и жидкого топлива соответственно.

Форсунка содержит также два элемента 9 зажигания, которые в этом случае расположены по существу диаметрально противоположно один относительно другого. Каждый элемент 9 зажигания содержит запальную горелку, которая проходит сквозь стенку камеры сгорания, в данном случае через наружную стенку 3. Элемент 9 зажигания может быть приведен в действие путем подачи топлива, например сжиженного нефтяного газа или природного газа, и посредством воспламенения топлива с целью получения пламени для зажигания, которое в этом случае направляют к области, в которой должен располагаться фронт пламени элемента 5 форсунки. Таким образом, пламя для зажигания направлено из бокового положения в сторону области, расположенной непосредственно ниже по ходу потока от конца пространства, или зоны 7, в которой топливо, главным образом жидкое топливо, должно смешиваться с воздухом и генерировать пламя у упомянутого элемента форсунки.

В процессе пуска форсунки запальный газ или запальная газовая смесь, которая может содержать, например, сжиженный нефтяной газ или природный газ, подают по каналу 6 в элемент 5 форсунки. До того, как запальный газ достигнет камеры 1 сгорания, приводят в действие элемент 9 зажигания с целью генерирования пламени на протяжении до области, расположенной непосредственно ниже по ходу потока от концевого пространства зоны 7 смешивания у соответствующих элементов 5 форсунки, где расположены два элемента 9 зажигания.

Когда запальный газ достигает упомянутого пламени, происходит мгновенное воспламенение запального газа, и пламя элемента форсунки генерирует пламя у элементов 5 форсунки, у которых расположены элементы 9 зажигания. В то же самое время запальный газ подают во все другие элементы 5 форсунки. Пламя у элементов форсунки, генерированное у элементов 9 зажигания, является достаточно сильным, чтобы воспламенить запальный газ, который поступает в камеру 1 сгорания по находящимся рядом элементам 5 форсунки. Пламя этих элементов форсунки в свою очередь воспламеняет запальный газ находящихся рядом элементов 5 форсунки, и так продолжается до тех пор, пока у всех элементов форсунки не появится пламя. Поскольку запальный газ преимущественно является легко воспламеняемым, при такой процедуре достигают по существу одновременного и мгновенного воспламенения у всех элементов 5 форсунки.

Когда у всех элементов 5 форсунки появляется пламя, генерированное запальным газом или запальной газовой смесью, действие элементов 9 зажигания прекращают таким образом, что в этом случае гасят два запальных пламени. С этого момента прекращают подачу запального газа к нескольким элементам 5 форсунки, в которые в следующей фазе не подают жидкое топливо одновременно с другими элементами форсунки. Например, подача запального газа может быть прекращена к половине элементов 5 форсунки. Однако возможно также прекращение подачи к большему или меньшему количеству, чем половина элементов 5 форсунки. Если прекращают подачу к половине элементов 5 форсунки, то может быть остановлен, например, каждый второй элемент 5 форсунки. В действительности оказалось, что выгодно, если несколько действующих элементов 5 форсунки относительно случайно распределены по форсунке. Целью прекращения подачи к некоторым элементам 5 форсунки является оптимизация условий работы и сведение к минимуму выделений у других элементов 5 форсунки в процессе последующего ускорения газовой турбины, в течение которого жидкое топливо подают к упомянутым другим элементам 5 форсунки.

Таким образом, жидкое топливо с этого момента подают к другим элементам 5 форсунки, а именно к тем, которые не были остановлены, в то время, как у них еще сохранялось пламя, генерированное упомянутым запальным газом или упомянутой смесью запальных газов. Жидкое топливо смешивается с воздухом в пространстве 7 и обеспечивает генерирование пламени у элементов форсунки. Поскольку жидкое топливо подают только в некоторые из элементов 5 форсунки, то количество жидкого топлива, которое поступает к каждому элементу 5 форсунки, может возрасти. Это приводит к тому, что увеличивается отношение количества топлива к количеству воздуха. Таким образом, концентрация топлива должна быть более высокой у тех элементов 5 форсунки, к которым подают жидкое топливо. Это приводит в результате к высокой эффективности горения, что в свою очередь ведет к более надежному воспламенению топлива. Поскольку жидкое топливо подают только к некоторым из элементов 5 форсунки, то давление в каналах, по которым топливо поступает к элементам 5 форсунки, увеличивается. Элементы 5 форсунки обычно имеют сопла, посредством которых жидкое топливо впрыскивают в форсунку таким образом, чтобы образовывались капли. Поскольку давление в топливном канале к элементам 5 форсунки возрастает, также возрастает падение давления по соплам в элементах 5 форсунки. Это также приводит к улучшению образования капель и к более равномерному их рассеянию. Кроме того, такое образование капель ведет к более надежному воспламенению топлива.

После начального ускорения газовой турбины подачу запального газа перекрывают. Ускорение газовой турбины продолжается, в то время как в элементы 5 форсунки подают только жидкое топливо. По мере того как скорость газовой турбины возрастает, жидкое топливо начинают подавать в элементы 5 форсунки, которые ранее были отключены. Например, если была отключена половина элементов 5 форсунки, то другие элементы 5 форсунки могут быть открыты одновременно. Этому способствует относительно простая конструкции, где, например, жидкое топливо можно подавать к элементам 5 форсунки по двум отдельным каналам. Таким образом, один канал подачи в ходе начальной фазы подачи жидкого топлива может быть перекрыт, после чего этот канал подачи открывают для того, чтобы топливо поступало во все элементы 5 форсунки. Однако подачу топлива в элементы 5 форсунки можно регулировать также более индивидуально, так чтобы жидкое топливо поступало последовательно, в один за другим элементы 5 форсунки. По способу в соответствии с настоящим изобретением, согласно которому в течение начальной фазы жидкое топливо подают только в некоторые из элементов 5 форсунки, достигают оптимальных условий горения пламени у соответствующих элементов форсунки. Со временем количество приведенных в действие элементов 5 форсунки при этом возрастает до тех пор, пока у всех элементов 5 форсунки не появится пламя. Если того требуют конкретные условия работы, то, конечно, нет необходимости приводить в действие все элементы 5 форсунки. Один или несколько из элементов 5 форсунки, таким образом, можно держать перекрытыми, после того, как все другие элементы 5 форсунки приведены в действие.

Благодаря способу в соответствии с настоящим изобретением в процессе начальной фазы пуска исключена возможность прохода невоспламененной взрывоопасной смеси жидкого топлива и воздуха через камеру сгорания, турбину и весь путь до выпускного канала, присоединенного к ней. Кроме того, возрастание этап за этапом числа приведенных в действие элементов форсунки в процессе фазы ускорения приводит в результате к достижению оптимальных условий горения, что, как следствие, обеспечивает сведение к минимуму количества нежелательных выделений, в основном NO_x.

Специалисты в данной области техники конечно могут в дальнейшем осуществить множество других вариантов и модификаций способа по настоящему изобретению, не прибегая к отклонению от того объема изобретения, который определен в прилагаемой формуле изобретения.

Способ пуска форсунки для газовой турбины заключается в том, что в элементы форсунки сначала подают жидкое топливо, содержащее главным образом запальный газ, который воспламеняется посредством элемента зажигания и генерирует пламя у элементов форсунки. Согласно способу введение в действие элемента зажигания включает воспламенение отдельного запального пламени, предназначенного для воспламенения упомянутого запального газа для генерирования пламени у элементов форсунки. Действие элемента зажигания прекращают посредством гашения запального пламени, когда у всех элементов появилось пламя, генерированное упомянутым запальным газом. Затем пламя, генерированное у элемента форсунки упомянутым запальным газом, гасят по меньшей мере у одного из упомянутого множества элементов форсунки, подают жидкое топливо в элементы форсунки, которые не были погашены, и происходит начальное ускорение газовой турбины. После этого прекращают подачу запального газа в упомянутые элементы форсунки, а жидкое топливо подают также в элементы форсунки, которые перед этим были перекрыты. Изобретение позволяет обеспечит надежное и безопасное воспламенение топлива. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ пуска форсунки для газовой турбины, в котором форсунка содержит множество элементов (5) форсунки, предназначенных для подачи жидкого топлива, и по меньшей мере один элемент (9) зажигания, который приводят в действие для воспламенения топлива, которое подают в элементы (5) форсунки, причем, согласно способу, топливо, которое сначала в процессе пуска форсунки подают в элементы (5) форсунки и которое воспламеняется посредством элемента (9) зажигания и генерирует пламя у элементов форсунки, содержит главным образом запальный газ, причем, согласно способу, введение в действие элемента (9) зажигания включает воспламенение отдельного запального пламени, предназначенного для воспламенения упомянутого запального газа для генерирования пламени у элементов форсунки, причем, согласно способу, действие элемента (9) зажигания прекращают посредством гашения запального пламени, когда у всех элементов (5) появилось пламя, генерированное упомянутым запальным газом, после чего пламя, генерированное у элемента форсунки упомянутым запальным газом, гасят по меньшей мере у одного из упомянутого множества элементов (5) форсунки, после чего жидкое топливо подают в элементы (5) форсунки, которые не были погашены, причем, согласно способу, происходит начальное ускорение газовой турбины, после чего прекращают подачу запального газа в упомянутые элементы (5) форсунки, после чего жидкое топливо подают также в элементы (5) форсунки, которые перед этим были перекрыты.2. Способ по п.1, в котором запальное пламя направляют из бокового положения в сторону области, которая предназначена для расположения фронта пламени элемента (5) форсунки.3. Способ по любому из пп.1 и 2, в котором запальное пламя направляют из бокового положения в сторону области непосредственно ниже по ходу потока от конца пространства (7), которое предназначено для смешивания жидкого топлива с воздухом и генерирования пламени у упомянутого элемента форсунки.4. Способ по любому из пп.1-3, в котором элементы (5) форсунки расположены по кольцу и направлены в сторону камеры сгорания (1), общей для этих элементов (5) форсунки, в котором приводят в действие по меньшей мере два запальных элемента (9) у элементов (5) форсунки, отделенных одним или более из других элементов (5) форсунки.