СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ПУСКА ГАЗОТУРБИННОГО АГРЕГАТА Российский патент 2009 года по МПК F02C7/26 F01D19/00 

Изобретение предназначено для пуска газотурбинных агрегатов методом наддува сжатым газом (бесстартерным) и может использоваться, например, в качестве средства пуска ГТУ как долговременного резервного источника питания, способного быстро и в течение необходимого времени обеспечить независимое питание системам аварийной эксплуатации объектов (больниц, АЭС) и устройств (двигателей, приборов).

Уровень техники

Из уровня техники известно применение дизель-генераторов в качестве источников резервного энергоснабжения, в т.ч. и с использованием воздушного запуска. В силу большей надежности пуска и лучших экономических характеристик предлагаемое решение обладает существенными преимуществами перед применяемыми на сегодня в качестве резервных дизельными электростанциям, а также используемыми для их пуска системами.

Из уровня техники известен СПОСОБ РАСХОЛАЖИВАНИЯ И ВЫВОДА ИЗ РАБОТЫ ЭНЕРГОБЛОКА АТОМНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ ИЛИ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ ДРУГОГО НАЗНАЧЕНИЯ ПРИ ПОЛНОМ ОБЕСТОЧИВАНИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ [1]. Изобретение предусматривает ускоренный останов турбогенератора при полном обесточивании благодаря использованию остаточных тепловыделений реактора и аккумулированной тепловой энергии для генерирования водяного пара и срабатывания его в специально предназначенной для этого дополнительной паротурбинной установке. Дополнительная паротурбинная установка, получая пар из главного паропровода, обеспечивает подачу требуемого расхода питательной воды в паропроизводящую установку энергоблока через штатные регуляторы расхода масла на подшипники штатного турбогенератора. Одновременно ротор штатного турбогенератора ускоренно останавливается электродинамическим способом с помощью системы электродинамического торможения (генеральный режим на выбеге). При этом электрическая энергия от генератора отводится на балластное нагрузочное устройство с активным сопротивлением. Питание обмотки возбуждения штатного генератора на выбеге, а также системы управления, контроля и регистрации информации, производится от генератора постоянного тока, находящегося на одном валу с турбиной паротурбинной установки. При полном обесточивании энергоблока имеется возможность снять пик остановочных тепловыделений, произвести частичное расхолаживание и останов турбогенератора за время функционирования устройства на тепловом выбеге энергоблока, увеличить эксплуатационную надежность и безопасность энергоблока. Появляется достаточное время для поиска отказа и восстановления штатного электроснабжения энергоблока.

Данное решение предполагает использование в качестве временного источника резервного (аварийного) питания дополнительной паровой турбины, получающей пар от того же источника, что и основная турбина генератора АЭС, и использующей эту энергию для остановки, расхолаживания и временного энергоснабжения станции. Очевидно, что данное решение является только временным и не может служить средством долгосрочного энергоснабжения АЭС в случае аварийного обесточивания энергоблока. Заявляемое устройство, напротив, предполагает способ ускоренного запуска турбогенератора, который в случае использования в качестве резервного источника питания способен быстро и в течение необходимого времени обеспечить независимое питание системам аварийной эксплуатации АЭС.

Из уровня техники известно решение [2]. От заявленного устройства данное решение отличается тем, что для ускорения пуска турбогенератора на старте генераторная часть установки работает в режиме электромотора и тем самым раскручивает турбину, что достигается наличием специальной системы управления, обеспечивающей инверторный режим работы генератора (в режиме «мотора»). После достижения необходимых режимов производится зажигание и запуск турбины, а генераторная часть отключается от инвертора и начинает работать в штатном режиме как генератор электроэнергии с приводом от турбины. В заявленном устройстве источником ускоренного пуска является сжатый воздух, он же служит для целей охлаждения турбины до выхода ее на штатный режим.

Из уровня техники известно решение [3]. От заявленного устройства данное решение отличается тем, что для ускорения пуска турбогенератора на старте генераторная часть установки работает в режиме электромотора и тем самым раскручивает турбину, что достигается наличием специальной системы управления, обеспечивающей инверторный режим работы генератора (в режиме «мотора»). После достижения необходимых режимов производится зажигание и запуск турбины, а генераторная часть отключается от инвертора и начинает работать в штатном режиме как генератор электроэнергии с приводом от турбины. Для раскручивания генератора в режиме работы «мотор» используется предварительно запасенная электрическая энергия, которая расходуется на момент пуска, а затем возобновляется в режиме нормальной эксплуатации. В заявленном устройстве источником ускоренного пуска является сжатый воздух, он же может служить для целей охлаждения турбины до выхода ее на штатный режим и для образования топливной смеси на период розжига, разгона, прогрева и принятия нагрузки турбоагрегата.

Из уровня техники известны решения [4, 5]. Их отличием от заявленного устройства является целеназначение по достижению технического результата, который в решениях [4, 5] значится как метод надежного пуска турбогенератора. Заявленное устройство отличается отданных решений тем, что целью является ускорение пуска турбогенераторной установки (ТГУ), для чего используется внешний источник энергии в виде запаса сжатого газа. На начальном этапе сжатый газ выполняет роль средства раскручивания турбины, одновременно этот же газ (в зависимости от вида применяемого газа) обеспечивает возгорание топлива в камере сгорания, и он же, на ранних этапах пуска, служит цели охлаждения турбины. При этом для предотвращения потерь энергии пускового сжатого газа на этапе запуска сжатый газ подается одновременно в камеру сгорания и в воздухозаборник, при этом на основном входе воздухозаборника устанавливается обратный клапан, предотвращающий истечение подаваемого пускового газа наружу. Обратный клапан открывается по команде системы управления после того как турбина выходит на расчетный режим. Количество подаваемого топлива на этапе пуска определяется, исходя из требований максимально быстрого запуска и принятия нагрузки ТГУ, при условии обеспечения ненарушения теплового режима.

Наиболее близким аналогом является источник [6, 8], где описаны способы пуска газотурбинного агрегата с использованием сжатого воздуха (наддувом). Как следует из указанной литературы, общеизвестный пуск наддувом осуществляется путем подачи сжатого воздуха либо непосредственно в воздухозаборник турбоагрегата, либо непосредственно на ротор турбомотора. В первом случае (при подаче в воздухозаборник) раскручивание ротора происходит с большими потерями энергии воздуха в силу низкого кпд компрессорной части турбоагрегата на малых скоростях, что не позволяет использовать его для запуска турбин большой мощности либо для обеспечения высокой скорости запуска. Во втором случае (при подаче непосредственно на ротор турбомотора) энергия сжатого газа используется неэффективно в силу неизбежного истечения подаваемого воздуха через компрессор и воздухозаборник наружу, что противодействует раскручиванию ротора турбомотора, снижает кпд и не позволяет обеспечить скоростной запуск. Общим с прототипом является использование наддува для запуска турбоагарегата и факт подачи пускового газа (сжатого воздуха) непосредственно на ротор турбомотора (либо в камеру сгорания, либо тангенциальным способом непосредственно на лопатки ротора).

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение кпд использования сжатого пускового газа для запуска турбоагрегата, как следствие появляется возможность ускорить запуск агрегатов, снизить количество пускового воздуха, возможность применения пуска наддувом для агрегатов большой мощности, меньшее количество систем и оборудования, необходимое для запуска и управления турбоагрегатами. Также в случае использования в качестве пускового газа сжатого воздуха или других газов, способных образовывать с топливом агрегата топливную смесь, появляется возможность осуществить подачу топлива, розжиг, прогрев и принятие нагрузки турбиной за счет подаваемого газа, не дожидаясь, когда вращение ротора турбины обеспечит необходимый поток через воздухозаборник.

Краткое описание чертежей

На Фиг.1 показана конструктивная схема устройства, реализующего способ, где 1 - турбомотор, 2 - компрессор, 3 - камера сгорания, 4 - обратный клапан, 5 - система подачи пускового сжатого газа в камеру сгорания (вариант- на лопатки ротора турбины), 6 - система подачи сжатого газа в пространство между обратным клапаном и компрессором, 7 - канал подачи воздуха для основного режима работы агрегата (воздухозаборник), 8 - подача сжатого воздуха в камеру сгорания в основном режиме, 9 - подача топлива, 10 - подача на турбомотор агрегата сжатого газа в режиме запуска и продуктов сгорания в основном режиме (самоходность), 11 - подача сжатого пускового газа в камеру сгорания (вариант - на лопатки ротора турбомотора) в период запуска, 12 - подача сжатого газа на период пуска для предотвращения эффекта пневматическокго торможения.

На Фиг.2 показан пример конструктивного устройства для пуска турбоагрегата, где 13 - сопловой аппарат, 14 - выхлопной патрубок, 15 - зона подачи пускового газа.

На Фиг.3 показан алгоритм управление пуском в режиме работы с использованием газов как образующих, так и не образующих с топливом агрегата топливной смеси.

На Фиг.4 показан алгоритм управление пуском в режиме работы с использованием газов, способных образовывать с топливом агрегата топливную смесь.

Сущность изобретения

Заявленный технический результат достигается за счет того, что способ пуска газотурбинного агрегата характеризуется подачей сжатого газа непосредственно на ротор турбомотора либо в камеру сгорания, либо тангенциальным способом непосредственно на лопатки ротора, отличающийся тем, что (см. Фиг.1 и Фиг.2) на основной канал подачи воздуха (7) в работающий турбоагрегат (воздухозаборник) устанавливают обратный клапан (4), а пусковой газ (11) подают непосредственно в камеру сгорания (3) и/или на лопатки ротора турбомашины, причем на период разгона турбоагрегата газ под давлением подают в зону между обратным клапаном (4) и компрессором (2) турбоагрегата.

Подача газа (12) под давлением на период разгона турбоагрегата в зону между обратным клапаном (4) и компрессором (2) турбоагрегата позволяет предотвратить возникновение эффекта пневматического торможения на период разгона турбоагрегата.

Подаваемый пусковой газ может быть использован как компонент топливной смеси для разгона, розжига, прогрева и принятия турбиной нагрузки.

Устройство (см. Фиг.1 и Фиг.2) для пуска газотурбинного агрегата содержит турбомотор (1), компрессор (2), камеру сгорания (3), воздухозаборник (7), систему подачи пускового сжатого газа в камеру сгорания (5). Отличительной особенностью устройства является то, что оно содержит обратный клапан (4), установленный на воздухозаборнике (7) таким образом, что он пропускает воздушный поток по направлению извне внутрь компрессора (турбоагрегата) и не допускает обратного движения, когда пусковой газ подается в камеру сгорания, также устройство содержит систему подачи сжатого газа (6) в пространство между обратным клапаном (4) и компрессором (2).

Подача газа (12) под давлением на период разгона турбоагрегата в зону между обратным клапаном (4) и компрессором (2) турбоагрегата позволяет предотвратить возникновение эффекта пневматического торможения на период разгона турбоагрегата.

Для контроля напора и уменьшения непроизводительного расхода пускового газа, на выходе из турбины (на пути выходящих газов) устанавливают диффузор (не показан) с управляемым сечением, причем на начальной фазе разгона диффузор максимально закрывают (проходное сечение минимально) для уменьшения расхода воздуха при неподвижном или медленно вращающемся роторе. По мере разгона ротора диффузор открывают, проходное сечение увеличивается, и, соответственно, увеличивается объем пускового газа, проходящего через турбину.

Для преодоления сухого трения в момент трогания ротора с места указанное устройство применяют в сочетании со стандартными валопроворотными механизмами, в т.ч. и пневматического действия.

Для общего повышения эффективности пуска турбоагрегата возможно применение описываемого устройства в сочетании с известными методами пуска, такими как раскручивание ротора турбины с помощью электромотора или электрогенератора, работающего в моторном режиме.

В заявляемом устройстве решается задача разгона ротора газотурбинного агрегата сжатым газом от момента трогания ротора турбомотора (1) до момента выхода турбоагрегата на основной режим работы (самоходность и выдача полезной мощности). В качестве источника сжатого газа могут использоваться баллоны с его предварительным запасом, внешний компрессор или другой турбоагрегат соответствующей мощности. Согласно заявляемому устройству сжатый газ подается (например, с помощью системы (5)) непосредственно в камеру сгорания (3) агрегата (на ротор турбодвигателя) и обеспечивает его раскручивание до необходимых пусковых значений. Для повышения эффективности использования энергии сжатого газа и ускорения разгона ротора турбомотора (1) канал основного подвода воздуха (воздухозаборник) (7) на время разгона перекрывается обратным клапаном (4), что исключает истечение пускового газа через воздухозаборник. Для предотвращения эффекта пневматического торможения в пространстве между обратным клапаном (4) и компрессором (2) на период разгона в это пространство также обеспечивается подача сжатого газа (12), например, байпасированием от системы (5) или через управляемый клапан из независмого от системы (5) источника. Подача пускового газа под давлением одновременно в камеру сгорания (вариант - на лопатки ротора) и в пространство между закрытым обратным клапаном и лопастями компрессора обеспечивает равенство давлений до и после компрессора, благодаря чему не возникает эффект пневматического торможения и энергия пускового газа не тратится на его преодоление.

Поскольку весь объем сжатого газа, подаваемого для раскручивания ротора турбомотора, проходит через лопатки ротора и выходное сечение, вся энергия сжатого газа расходуется исключительно на создание вращающего момента на лопатках ротора. Таким образом достигается повышение кпд использования сжатого пускового газа для запуска турбоагрегата, и как следствие появляется возможность ускорить запуск турбоагрегатов, снизить количество пускового воздуха, применять пуск наддувом для агрегатов большой мощности, уменьшить количество систем и оборудования, применяемого для запуска и управления турбоагрегатами.

В случае использования в качестве пускового газа сжатого воздуха или других газов, способных образовывать с топливом агрегата топливную смесь, появляется возможность осуществить подачу топлива и розжиг турбины за счет подаваемого газа, не дожидаясь, когда вращение ротора турбины обеспечит необходимый поток через воздухозаборник. Пусковой газ в этом случае может обеспечивать полный (при закрытом обратном клапане) или частичный (при открытом) объем, необходимый для формирования топливной смеси и обеспечения режима горения. При этом обратный клапан, перекрывающий воздухозаборник в режиме запуска, может открываться как принудительно, от сигнала системы управления, так и автоматически, после появления соответствующего разряжения в результате вращения компрессора турбоагрегата. Пуск газотурбинного агрегата осуществляют следующим образом. По сигналу запуска сжатый газ подается в камеру сгорания (3) (вариант - на лопатки ротора турбомотора) и одновременно в пространство между закрытым обратным клапаном (4) и компрессором (2). Энергия сжатого газа обеспечивает раскручивание ротора турбомотора (1) и выход его на режим, допускающий подачу топлива и воспламенение горючей смеси. После воспламенения и получения факела для вращения турбомотора начинают использоваться продукты сгорания, при этом, в зависимости от системы управления, подача пускового газа полностью прекращается либо агрегат продолжает работать, используя пусковой сжатый газ как компонент топливной смеси. При поступлении соответствующих сигналов управления открывается обратный клапан (4); регулируется и прекращается подача пускового газа в пространство между обратным клапаном (4) и компрессором (2); прекращается подача пускового газа в камеру сгорания (11); агрегат выходит на базовый режим работы (самоходность); осуществляется прогрев агрегата и принятие нагрузки.

В зависимости от мощности агрегатов, вида и объема используемого пускового газа, типа решаемых задач управление пуском может осуществляться в режиме работы с использованием газов как образующих, так и не образующих с топливом агрегата топливной смеси (см. диаграмму алгоритма на Фиг.3) либо в режиме работы с использованием газов, способных образовывать с топливом агрегата топливную смесь (см. диаграмму алгоритма на Фиг.4).

Источники информации

1. Патент RU 2162621 от 1998.01.19, кл. МПК G21C 15/18, G21D 3/00.

2. Патент ЕР 0901218 от 1999-03-10, кл. МПК Н02Р 9/08; Н02Р 9/04; Н02Р 9/08; Н02Р 9/04.

3. Патент ЕР 0963035 от 1999-12-08, кл. МПК F02C 7/268; Н02Р 9/08; F02C 7/26; Н02Р 9/08.

4. Патент US 2003056522 от 2003-03-27, кл. МПК F02C 7/26; F02C 3/00.

5. Патент WO 03014551 от 2003-02-20, кл. МПК F01D 17/20; F01D 19/00; F02C 7/224; F02C 7/26; F02C 7/268; F01D 17/00; F01D 19/00; F02C 7/22; F02C 7/26.

6. В.И.Дайнеко. «Анализ основных технических характеристик запуска ГТУ наддувом», Общество «Знание», Украина, 1991 г.

7. Л.М.Воронин. «Особенности проектирования и сооружения АЭС». М.: Атомиздат, 1980.

8. В.И.Дайнеко. «Совершенствование средств запуска газотурбинных установок - важный фактор повышения их эффективности». Общество «Знание», УССР. 1983.

Устройство для пуска газотурбинного агрегата содержит турбомотор, компрессор, камеру сгорания, воздухозаборник, систему подачи сжатого газа в камеру сгорания. На воздухозаборнике установлен обратный клапан таким образом, что он пропускает воздушный поток по направлению извне внутрь компрессора и не допускает обратного движения, когда пусковой газ подается в камеру сгорания. Также устройство содержит систему подачи сжатого газа в пространство между обратным клапаном и компрессором. Пусковой газ подают непосредственно в камеру сгорания и/или на лопатки ротора турбомашины. На период разгона турбоагрегата газ под давлением подают в зону между обратным клапаном и компрессором турбоагрегата. Изобретение направлено на ускорение запуска. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ пуска газотурбинного агрегата, характеризующийся подачей сжатого газа непосредственно на ротор турбомотора, либо в камеру сгорания, либо тангенциальным способом непосредственно на лопатки ротора, отличающийся тем, что на основной канал подачи воздуха в работающий турбоагрегат (воздухозаборник) устанавливают обратный клапан, а пусковой газ подают непосредственно в камеру сгорания и/или на лопатки ротора турбомашины, причем на период разгона турбоагрегата газ под давлением подают в зону между обратным клапаном и компрессором турбоагрегата.

2. Способ пуска газотурбинного агрегата по п.1, отличающийся тем, что устанавливают диффузор с управляемым сечением на выходе из турбины на пути выходящих газов, причем на начальной фазе разгона в диффузоре проходное сечение закрывают до минимального, а по мере разгона ротора диффузор открывают.

3. Способ пуска газотурбинного агрегата по п.1 или 2, отличающийся тем, что подаваемый пусковой газ используют как компонент топливной смеси для разгона, розжига, прогрева и принятия турбиной нагрузки.

4. Устройство для пуска газотурбинного агрегата, содержащее турбомотор, компрессор, камеру сгорания, воздухозаборник, систему подачи сжатого газа в камеру сгорания, отличающееся тем, что содержит обратный клапан, установленный на воздухозаборнике таким образом, что он пропускает воздушный поток по направлению извне внутрь компрессора, и не допускает обратного движения, когда пусковой газ подается в камеру сгорания, также устройство содержит систему подачи сжатого газа в пространство между обратным клапаном и компрессором.

5. Устройство для пуска газотурбинного агрегата по п.4, отличающееся тем, что в нем установлен диффузор с управляемым сечением на выходе из турбины на пути выходящих газов.