УЗЕЛ ПОДАЧИ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ, СИСТЕМА УВЕЛИЧЕНИЯ МОЩНОСТИ И СПОСОБ ИНЖЕКТИРОВАНИЯ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ Российский патент 2011 года по МПК F02C1/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к увеличению мощности газовых турбин. Более конкретно, узел подачи текучей среды с системой предварительного наполнения, приспособленный для системы увеличения мощности, подводит текучую среду к устройству инжектирования для насыщения и охлаждения всасываемого воздуха при входе в газовую турбину для увеличения мощности газовой турбины.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Процесс увеличения мощности газовой турбины, в которой всасываемый воздух увлажняется и таким образом охлаждается, выполняют для выработки большей мощности газовой турбиной. Вода добавляется к всасываемому воздуху для насыщения и охлаждения воздуха при входе в газовую турбину. Более холодный и, следовательно, более плотный воздух увеличивает мощность газовой турбины. Система увеличения мощности может включать в себя контроллер, узел подачи текучей среды и устройство инжектирования с несколькими группами форсунок. Контроллер подает сигналы управления на узел подачи текучей среды, который подводит текучую среду к устройству инжектирования.

Насос, нагнетающий текучую среду высокого давления, часто используют как часть узла подачи текучей среды для производства распыленной струи с необходимыми каплями малого диаметра, подлежащей выбросу от групп форсунок устройства инжектирования. От капель требуется малый диаметр для минимизирования потенциального повреждения газовой турбины, а также максимизирования интенсивности испарения внутри воздухозабора газовой турбины. Высокое давление от насоса ограничивает рабочий диапазон насоса, если используется только одна группа форсунок. Одна группа форсунок обычно имеет рабочий диапазон расхода, составляющий 1,3 величины минимального расхода. Вместе с тем диапазон расхода в 2-3 минимальные величины расхода необходим для охвата условий температуры и влажности, в которых необходимо увеличивать мощность. Для обеспечения диапазона расхода воды в 2-3 минимальных значения расхода группы форсунок некоторые системы увеличения мощности используют несколько ступеней. Каждая ступень включает в себя один насос и независимо включается и выключается для обеспечения различных диапазонов расхода для охвата необходимого диапазона расхода. На каждом насосе поддерживают постоянную скорость работы, и насос принимает не использованную часть расхода на свой вход в процессе рециркуляции. Такая система, вместе с тем, требует нескольких насосов, что увеличивает как стоимость системы увеличения мощности, так и размеры узла подачи текучей среды. Например, система может потребовать шесть или более насосов. Более того, различные насосы создают трудности в добавлении резервирования. Процесс рециркуляции, который необходим для использования не использованной части расхода, требует рециркуляционные клапаны, которые могут обычно подвергаться эрозии и быть ненадежными. Таким образом, существует необходимость создания системы с более действенной и эффективной подачей текучей среды высокого давления для увеличения мощности газовой турбины.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Узел подачи текучей среды с системой предварительного наполнения, приспособленный для системы увеличения мощности, включает в себя одну или более ступеней, имеющих активное и неактивное состояния. Каждая из ступеней включает в себя первый и второй клапаны, причем каждый имеет открытое и закрытое положения. В активном состоянии текучая среда принимается в ступень, сжимается до первого заданного уровня и выпускается. Когда текучая среда принимается в ступень и сжимается, первый клапан находится в открытом положении и второй клапан находится в закрытом положении. Когда текучая среда выпускается, первый клапан находится в закрытом положении, и второй клапан находится в открытом положении. В неактивном состоянии, по меньшей мере, второй клапан находится в закрытом положении, чтобы, по меньшей мере, существенная часть текучей среды не выпускалась из ступени.

Система увеличения мощности для увеличения выходной мощности газовой турбины включает в себя узел подачи текучей среды, включающий в себя систему предварительного наполнения, с одной или более ступенями, имеющими активное и неактивное состояния. Каждая ступень включает в себя первый и второй клапаны, причем каждый имеет открытое и закрытое положения. Насос, соединенный с узлом подачи текучей среды, питает каждую из ступеней. Блок управления регулирует насос при активизации ступеней и их деактивации. Источник текучей среды снабжает текучей средой одну или множество ступеней. Активизация включает в себя открытие клапана предварительного наполнения, наполнение ступени текучей средой и создание в ней давления, закрытие клапана предварительного наполнения, открытие главного клапана для обеспечения сброса текучей среды, в то время как деактивация требует закрытия главного клапана. Устройство инжектирования для распределения выпускаемой текучей среды соединено со ступенями системы.

Способ подачи текучей среды из узла подачи текучей среды в устройство инжектирования включает в себя активизацию ступени узла. Ступень включает в себя первый и второй клапаны, каждый имеет открытое и закрытое положения. Активизация ступени включает в себя, при первом клапане, находящемся в открытом положении, и втором клапане, находящемся в закрытом положении, наполнение ступени текучей средой и сжатие текучей среды до первого заданного уровня в ступени. Текучая среда выпускается при первом клапане, находящемся в закрытом положении, и втором клапане, находящемся в открытом положении.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг.1 показана схема деталей примера узла подачи текучей среды.

На фиг.2 показана схема деталей примера узла подачи текучей среды.

На фиг.3 показана схема примера системы увеличения мощности.

На фиг.4 показан пример последовательности операций способа подачи текучей среды от узла подачи текучей среды приведенного примера к устройству инжектирования.

На фиг.5 показана схема деталей примера системы увеличения мощности, используемой с газовой турбиной.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к узлу подачи текучей среды для снабжения текучей средой устройства инжектирования. Устройство инжектирования предоставляет текучую среду, например, для охлаждения и увлажнения всасываемого воздуха газовой турбины для увеличения мощности газовой турбины.

На фиг.1 показан пример узла 10 подачи текучей среды с системой 100 предварительного наполнения для подвода текучей среды. На фиг.2 показан дополнительный пример узла 10 для подачи текучей среды.

Узел 10 подачи текучей среды включает в себя одну или более ступеней 160, каждую из ступеней 160, имеющую активное и неактивное состояния. Каждая ступень 160 имеет первый клапан, такой как клапан 140 предварительного наполнения системы 100 предварительного наполнения, и второй клапан, такой как главный клапан 120. Каждый клапан 140 предварительного наполнения и каждый главный клапан 120 имеют открытое положение и закрытое положение. Клапан 140 предварительного наполнения и главный клапан 120 ступени 160 соединены параллельно с общей точкой для подвода текучей среды из узла 10 подачи текучей среды.

В активном состоянии текучая среда принимается в ступень 160, в ней создается давление первого заданного уровня, и она выпускается. Когда текучая среда принимается в ступень 160 и сжимается, клапан 140 предварительного наполнения находится в открытом положении, а главный клапан 120 находится в закрытом положении. В некоторых вариантах осуществления изобретения небольшая часть текучей среды может пропускаться из распыляющего устройства, соединенного с узлом 10 подачи текучей среды, до достижения первого заданного давления. Утечка может возникнуть, как только некоторое количество текучей среды входит в ступень 160. Когда текучая среда выпускается из ступени 160, клапан 140 находится в закрытом положении, и главный клапан 120 находится в открытом положении.

Кроме того, в активном состоянии, с клапаном 140 предварительного наполнения в закрытом положении и главным клапаном 120 в открытом положении, дополнительная текучая среда принимается в ступень 160, сжимается до второго заданного уровня и выпускается. Аналогично упомянутому выше, в некоторых вариантах осуществления изобретения часть текучей среды может выпускаться до достижения давления второго заданного уровня. В неактивном состоянии ступени 160, по меньшей мере, главный клапан 120 находится в закрытом положении, чтобы значительная часть текучей среды не выпускалась из ступени 160.

Клапаны 140 предварительного наполнения могут питать первый насос, и главные клапаны 120 могут питаться вторым насосом, хотя в других вариантах осуществления изобретения для той же цели можно использовать один насос. Один или более насосов могут быть сгруппированы параллельно, чтобы выходные линии насосов объединить в одну выходную линию. Система 100 предварительного наполнения может включать в себя множество ступеней 160 с одинаковым насосом, или группой насосов, питающих каждую ступень 160. Насос может включать в себя один или более насосных блоков.

В примере узла (блочного комплектного узла) подачи текучей среды, показанного на фиг.1, второй насос, указанный как насосный блок 110 с электроприводом с частотным регулированием, соединен линией 150 с клапанами с каждой ступенью 160 для питания главных клапанов 120. Насосный блок 110 с электроприводом с частотным регулированием работает для подвода добавочной текучей среды и/или увеличения давления текучей среды в ступенях 160 до второго заданного уровня. Частота насосного блока 110 с электроприводом с частотным регулированием управляет скоростью работы насоса и может корректироваться. Насосный блок 110 с электроприводом с частотным регулированием может быть способным закачивать добавочную текучую среду до уровня высокого давления. Например, насосный блок 110 с электроприводом с частотным регулированием может сжать дополнительную текучую среду до уровней приблизительно 100 бар (1500 фунтов/дюйм²) или выше. Насосный блок 110 с электроприводом с частотным регулированием может сжимать дополнительную текучую среду до уровня, который может основываться на внешних метеорологических условиях. Другие факторы могут быть приняты во внимание для установления уровня, до которого сжимается дополнительная текучая среда. Высокое давление предпочтительно производит капли текучей среды с малым диаметром. Например, диаметр капли текучей среды может быть менее 40 микрон.

Первый насос приведенного примера, например, насосный блок 130 предварительного наполнения, соединен линией 150 с клапанами с каждой ступенью 160 системы предварительного наполнения для питания клапанов 140 предварительного наполнения. Насосный блок 130 предварительного наполнения может быть, например, насосом низкого давления, сжимающим текучую среду до первого заданного уровня. Например, в активном состоянии насосный блок 130 предварительного наполнения может сжимать текучую среду до первого заданного уровня при клапане 140 предварительного наполнения, находящемся в открытом положении, и главном клапане 120, находящемся в закрытом положении. После достижения первого заданного уровня клапаны 140 могут быть отрегулированы в закрытое положение.

Во время работы узел подачи текучей среды, такой как узел подачи текучей среды с системой 100 предварительного наполнения приведенного примера, снабжается текучей средой из источника текучей среды. Кроме того, узел 10 подачи текучей среды с системой 100 предварительного наполнения подает текучую среду под давлением с необходимым расходом. Текучая среда под давлением с необходимым расходом может выпускаться из узла 10 подачи текучей и подводиться или нагнетаться в устройство инжектирования, или другое устройство или структуру из выходных отверстий главных клапанов 120, как отмечено выходными стрелками на фиг.1. Например, каждая ступень 160 может быть соединена группой форсунок устройства инжектирования питающей линии, выходящей из каждого главного клапана 120.

При изменении расхода меняется число используемых сопел устройства инжектирования. Результатом активизации одной или более ступеней 160 является подача текучей среды под давлением к необходимому устройству с необходимым расходом. Одну или более ступеней 160 активизируют для увеличения расхода, тогда как деактивация одной или более ступеней 160 обеспечивает уменьшение расхода, с сохранением распределения распыления в пределах допустимых параметров. Ступень 160 деактивируют закрытием главного клапана 120 ступени 160. Активизация ступени 160 включает в себя открытие ее клапана 140 предварительного наполнения для наполнения ступени 160 текучей средой и создания давления текучей среды ступени 160 до первого заданного уровня с помощью, например, насосного блока 130 предварительного наполнения. В ступени 160 текучая среда может быть сжата до давления, например, 6 бар. После заполнения и сжатия ступени 160 клапан 140 предварительного наполнения закрывают и главный клапан 120 открывают. Активизация ступени 160 дополнительно включает в себя прием дополнительной текучей среды в ступень 160, сжатие до второго заданного уровня, например, насосным блоком 110 с электроприводом с частотным регулированием, и ее выпуск, с клапаном 140 предварительного наполнения, находящимся в закрытом положении, и главным клапаном 120, находящимся в открытом положении. Текучую среду начинают выпускать до достижения второго заданного уровня давления. Кроме того, небольшое количество текучей среды может протекать из клапана 140 предварительного наполнения и главного клапана 120 до открытия клапанов 140 и 120 в некоторых вариантах осуществления изобретения. Таким образом, когда ступень 160 пуста, после того как не использовалась, насосный блок 130 предварительного наполнения наполняет ступень 160 текучей средой, например, от источника текучей среды, и сжимает ступень 160 до первого заданного уровня до открытия главного клапана 120 ступени 160. Некоторое количество воздуха, остающееся в ступени 160, должно быть быстро сжато. Это обеспечивает продолжение равномерного расхода текучей среды из узла 10 подачи текучей среды, даже когда ступень 160 активизируют или деактивируют. Без включения в состав первого и второго клапанов, таких как клапан 140 предварительного наполнения и главный клапан 120, ступень 160 до активизации заполнена воздухом и, таким образом, имеет низкое сопротивление. В результате открытия главного клапана 120 поток текучей среды немедленно направляется в ступень 160 вследствие ее низкого сопротивления. Переадресация потока текучей среды на только что открытый главный клапан 120 обуславливает прекращение потока текучей среды из других главных клапанов 120, пока не будет удален воздух из только что активизированной ступени 160. Один насосный блок, такой как насосный блок 130 предварительного наполнения, и насосная установка 110 с электроприводом с частотным регулированием охватывают необходимый диапазон расхода, но не диапазон давления. Поэтому задействуют ступени 160 для согласования расхода и давления, создаваемого насосом, а разбрызгивающие форсунки устройства инжектирования могут образовывать необходимые малоразмерные капли текучей среды. Ступень 160 активизируют, не обуславливая инжектирования группой какого-либо подвода текучей среды. Кроме того, поскольку текучая среда по существу несжимаема, ее перевод от низкого давления к высокому давлению требует минимального времени. Таким образом, активизация ступени 160 слабо нарушает поток текучей среды, поскольку давление в узле 10 меняется очень быстро.

В узле 10 подачи текучей среды, включающем в себя систему 100 предварительного наполнения, составленную из n ступеней, необходимые диапазон расхода и диапазон давления достигаются одной насосной установкой и n клапанами вместо n насосных установок. Поскольку клапаны гораздо более экономически эффективны, чем насосы, и поскольку двухпозиционные клапаны в качестве клапанов 140 предварительного наполнения и главных клапанов 120 являются гораздо более экономически эффективными, чем перепускные клапаны, система 100 предварительного наполнения дает значительную рентабельность.

Гидроаккумулятор 170 можно соединить с каждой ступенью 160 узла 10 подачи текучей среды на главных клапанах 120. Гидроаккумулятор 170 работает для содействия быстрому сжатию вновь активизированной ступени 160, когда высвобождается текучая среда. Хотя ступень 160 обычно наполнена текучей средой перед открытием главного клапана 120, гидроаккумулятор 170 улучшает процесс поддержания повышенного давления дополнительным повышением давления и повышением давления некоторого количества воздуха, остающегося в ступени 160. После активизации ступени 160 гидроаккумулятор 170 требует перезарядки. Во время перезарядки гидроаккумулятор 170 может отводить поток текучей среды от активизированных ступеней 160. Расходомер 180, установленный ниже по потоку от гидроаккумулятора 170, можно соединить с узлом 10 подачи текучей среды на главных клапанах 120 для регистрации уменьшения расхода текучей среды, когда гидроаккумулятор 170 перезаряжается. После регистрации уменьшения расхода текучей среды расходомер 180 может увеличивать скорость работы насоса до скорости установившегося состояния после перезарядки гидроаккумулятора 170. При открытии новой ступени 160 с большей площадью (то есть приток должен увеличиться) давление, требуемое системой, должно упасть, и, таким образом, гидроаккумулятор должен «разгружать» поток. Это должно обусловить замедление работы насоса 110. Уменьшение имеющегося в наличии сечения потока (например, когда расход через систему начинает падать) обуславливает противоположный эффект.

В примере варианта осуществления гидроаккумулятор 170 не задействован, вместо него клапан установлен на нижнем по потоку конце ступени 160. В данном случае для выполнения операции предварительного наполнения верхний по потоку и нижний по потоку клапаны открывают для вытеснения всего воздуха из узла 10. После вытеснения воздуха из узла 10 клапан ниже по потоку закрывают и на насосной установке 130 создают подпор. После повышения давления до нужного уровня клапан 140 предварительного наполнения закрывают и главный клапан 120 открывают. Это обуславливает снижение количества воздуха практически до нуля. Удаление гидроаккумулятора 170 удаляет емкостное сопротивление из системы 100. Альтернативно, гидроаккумулятор 170 можно включить в состав для выравнивания потока для расходомера 180, но он может подбираться значительно меньшего размера, если предназначается только для выполнения данной задачи.

На фиг.3 показана схема примера системы 200 увеличения мощности. Систему 200 увеличения мощности примера можно использовать, например, как вспомогательный признак газовой турбины. Как показано на фиг.3, система 200 увеличения мощности примера может содержать систему 100 предварительного наполнения и узел 10 подачи текучей среды приведенного примера, состоящий из одной или более ступеней 160, описанных выше со ссылками на фиг.1, для приема текучей среды от источника и подачи сжатой текучей среды с заданным расходом потребителю. Сжатая текучая среда, которой может являться вода или любая другая жидкость, может инжектироваться, например, во всасываемый воздух в газовой турбине для насыщения и охлаждения на входе в газовую турбину, таким образом увеличивая выходную мощность газовой турбины.

Система 200 увеличения мощности включает в себя блок 210 управления для подачи сигналов управления на узел подачи текучей среды, такой, например, как узел 10 подачи текучей среды с системой 100 предварительного наполнения примера. Блок 210 управления соединен линиями 215 передачи сигнала с насосным блоком 110 с электроприводом с частотным регулированием и насосным блоком 130 предварительного наполнения для управления блоками 110 и 130. В частности, блок 210 управления активизирует и выключает из работы различные ступени 160 узла 10 подачи текучей среды для подачи или сброса текучей среды с необходимым расходом из узла 10 подачи текучей среды. После активирования одной или более ступеней 160 текучая среда может выпускаться с новым расходом, который можно менять в процессе работы.

Работу блока 210 управления можно регулировать с поста управления или панели, например. Блок 210 управления может содержать органы ручного управления, а также программируемые элементы управления, обеспечивающие работу насосного блока 110 с электроприводом с частотным регулированием и насосного блока 130 предварительного наполнения через линии 215 передачи сигнала. Блок 210 управления может включать в себя запоминающее устройство 220. Запоминающее устройство 220 может включать в себя оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и/или энергонезависимое запоминающее устройство, такое как постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Специалист в данной области техники с легкостью поймет, что запоминающее устройство может включать в себя различные типы физических устройств для временного и/или постоянного хранения данных, включающие в себя, без ограничения этим, полупроводниковые, магнитные, оптические и комбинированные устройства. Например, запоминающее устройство 220 можно реализовать с использованием одного или более физических устройств, таких как динамическое ОЗУ, ППЗУ, СППЗУ, ЭСППЗУ, флэш-память и тому подобные. Запоминающее устройство 220 может дополнительно содержать компьютерный программный продукт, включающий в себя участки системной программы, для выполнения этапов способа согласно вариантам осуществления изобретения, когда компьютерный программный продукт используется в компьютерном устройстве, например, регулирования и открывания клапана, такого как главный клапан 120 или клапан 140 предварительного наполнения системы 100 предварительного наполнения, для управления, в свою очередь, расходом текучей среды, подаваемой в форсунку, например. Блок 210 управления может регулировать расход воды для использования в увеличении мощности посредством управления работой насосного блока 130 предварительного наполнения и насосного блока 110 с электроприводом с частотным регулированием с заданным давлением и также посредством регулирования конкретной форсунки, используемой для целей увеличения. Более того, для увеличения мощности активизируют или деактивируют, по меньшей мере, одну форсунку для получения надлежащего расхода, соответствующего потребной мощности и внешним метеорологическим условиям. Когда запускают увеличение мощности, блок 210 управления может подсчитывать уровень инжектирования воды на основании подсчитанного расхода воздуха. Данный расход воздуха затем используют для подсчета заданного уровня относительной влажности для определения количества воды, подлежащей инжектированию. Расчет затем циклически повторяют, поскольку предусматривают преобразования расхода инжектирования воды для обеспечения стабильного расхода. Кроме того, блок 210 управления может осуществлять мониторинг, сравнивая регламентированный и фактический расход. В случае если фактическое давление превышает прогнозируемый уровень, тревожный сигнал о блокировании форсунки может быть подан оператору. В случае если фактическое давление меньше прогнозируемого уровня, тревожный сигнал о необходимости проверки утечки может быть подан оператору.

При управлении работой для активизации ступеней 160 блок 210 управления определяет расход подачи текучей среды от узла 10 подачи текучей среды. Это определение может основываться на одном или более факторах. Например, внешние метеорологические условия могут диктовать необходимость конкретного расхода. Альтернативно, для определения расхода блоку 210 управления может быть дан конкретный расход с поста управления или оператором, например.

На основании определенного расхода, с которым текучая среда подлежит подаче из узла 10 подачи текучей среды, блок 210 управления определяет ступени 160, подлежащие активизации для получения заданного расхода от узла 10. Например, некоторый расход может потребовать активизации трех ступеней 160. Если заданный расход затем уменьшается, для нового расхода может понадобиться деактивация одной или более ступеней 160, например, для получения нового расхода.

Блок 210 управления выполняет активизацию ступени 160 посредством открытия клапана 140 предварительного наполнения ступени 160. Альтернативно, клапан 140 предварительного наполнения можно открыть вручную. Затем насосный блок 130 предварительного наполнения настраивается блоком 210 управления, который активизирует насосный блок 130 предварительного наполнения для наполнения ступени 160 текучей средой и сжатия ступени до первого заданного уровня, который может быть низким давлением. Текучую среду можно подводить из источника 260 текучей среды, которым может управлять блок 210 для снабжения насосных блоков текучей средой. После наполнения ступени 160 и сжатия текучей среды в ступени 160 клапан 140 предварительного наполнения ступени 160 закрывается, например, блоком 210 управления или вручную. Главный клапан 120 ступени 160 открывается вручную или блоком 210 управления. Насосный блок 110 с электроприводом с частотным регулированием настраивается блоком 210 управления для подачи и закачки дополнительной текучей среды, полученной из источника 260 текучей среды, со вторым заданным уровнем давления, необходимым для подачи дополнительной текучей среды с заданным расходом.

Блок 210 управления осуществляет деактивацию одной или более ступеней 160 узла 10 подачи текучей среды посредством закрытия, по меньшей мере, главного клапана 120 ступеней 160, подлежащих деактивации. Блок 210 управления может принимать сигнал запуска деактивации с поста управления или от оператора, или блок 210 управления может сам обнаружить необходимость деактивации ступени 160. Главный клапан может быть закрыт блоком 210 управления или закрыт вручную, например, оператором.

Устройство 225 инжектирования соединено с узлом 10 подачи текучей среды. Например, линии 230 питания могут соединять систему 100 предварительного наполнения и главные клапаны 120 с устройством 225 инжектирования. Отдельную линию 230 питания можно использовать, чтобы каждая ступень 160 узла 10 подачи текучей среды соединялась с устройством 225 инжектирования.

Устройство 225 инжектирования может активизировать одну или более групп форсунок, подающих текучую среду с заданным расходом, поданную узлом 10, которые можно регулировать после активизации одной или более ступеней. Каждая группа инжектирования может содержать одну или более форсунок. Одна или более форсунок устройства 225 инжектирования могут инжектировать струю распыленной текучей среды, такой как вода или другая жидкость, в воздушный поток в канале воздухозабора газовой турбины, тем самым увеличивая массовый расход воздушного потока, при этом выход мощности газовой турбины увеличивается.

Блок 240 мониторинга метеорологических условий можно соединить с блоком 210 управления линией 215 передачи сигнала для предоставления обновленных данных по внешним условиям, которые могут воздействовать на показатели работы газовой турбины, используемой с системой 200 увеличения мощности, например. Внешние условия можно измерять и сообщать на блок 210 управления, например, для учета фактора внешних условий при определении расхода подачи текучей среды на заданном уровне для насыщения всасываемого воздуха. Внешние условия содержат факторы окружающей среды, которые могут влиять на работу газовой турбины, включающие в себя, но без ограничения этим, температуру, влажность, атмосферное давление. В варианте осуществления изобретения осуществляется мониторинг каждого фактора, температуры, влажности и атмосферного давления. Блок 240 мониторинга метеорологических условий (детали не показаны) содержит в одном варианте осуществления примера сухой термометр и устройство измерения влажности воздуха. В других альтернативных вариантах осуществления изобретения блок 240 мониторинга погоды может включать в себя сухой термометр и влажный термометр. В другом альтернативном варианте осуществления изобретения блок 240 мониторинга метеорологических условий может содержать устройство измерения барометрического давления. В других вариантах осуществления изобретения для измерения внешнего давления блок 240 мониторинга погоды может содержать другие компоненты и/или комбинации компонентов для мониторинга и/или измерения внешних метеорологических условий, хорошо известные специалистам в данной области техники. Метеорологическая информация обрабатывается блоком 210 управления в случае, если блок 210 управления может передавать оператору ключевую оперативную информацию, такую как допустимое количество испаряемой воды, риск обледенения и т.п.

В варианте осуществления изобретения вычислительная система 250 соединена с блоком 210 управления линией 215 передачи сигнала. Вычислительная система 250 отслеживает и сообщает данные показателей работы, полученные от блока 210 управления.

На фиг.4 показана блок-схема последовательности операций способа подачи текучей среды от узла подачи текучей среды, такого как узел 10 подачи текучей среды приведенного примера с системой 100 предварительного наполнения, к устройству инжектирования, такому как устройство 225 инжектирования.

На этапе 405 способа узел 10 подачи текучей среды принимает сигнал активизации или деактивации, указывающий на необходимость активизации или деактивации ступени узла 10, такой как ступень 160 примера. Сигнал может генерировать, например, блок 210 управления. Альтернативно, сигнал может задавать пост управления или оператор и передавать на блок 210 управления. Сигнал активизации или деактивации ступени 160 может означать необходимость увеличения или уменьшения, соответственно, расхода текучей среды для подвода предпочтительного количества текучей среды.

Если сигнал является сигналом деактивации, на этапе 440 главный клапан 120 закрывается для деактивации ступени 160. Главный клапан 120 может вручную закрывать оператор или может закрывать блок 210 управления.

Если сигнал является сигналом активизации, на этапе 410 запускают активизацию ступени 160 открытием клапана 140 предварительного наполнения ступени 160. Клапан 140 предварительного наполнения может вручную открывать оператор или может открывать блок 210 управления.

На этапе 415 ступень 160 наполняют текучей средой и сжимают текучую среду до первого заданного уровня, указываемого и регулируемого блоком 210 управления. На этапе 420 клапан 140 предварительного наполнения закрыт. Таким образом, ступень 160, составленная клапаном 140 предварительного наполнения и главным клапаном 120, наполнена, и в ней создано давление, обеспечивающее подвод текучей среды под давлением главным клапаном 120.

На этапе 425 главный клапан 120 открывают. Главный клапан 120 может вручную открывать оператор или может открывать блок 210 управления.

На этапе 430 насосный блок 110 с электроприводом с частотным регулированием подводит дополнительную текучую среду к ступени 160 и сжимает дополнительную текучую среду до второго заданного уровня. Давление может быть высокого уровня, например, 100 бар, указываемое и регулируемое блоком 210 управления. На этапе 435, после подвода и сжатия дополнительной текучей среды, текучую среду выпускают для нагнетания в устройство, такое как устройство 225 инжектирования приведенного примера.

Следом за активизацией или деактивацией ступени 160 способ возвращается к приему сигнала активизации/деактивации, соответственно, для активизации или деактивации ступени 160 для обеспечения требуемого расхода текучей среды.

На фиг.5 показана схема деталей узла подачи текучей среды и системы увеличения мощности, используемой с газовой турбиной приведенного примера. Узел 10 подачи текучей среды, систему 100 предварительного наполнения и систему 200 увеличения мощности приведенных примеров, описанных выше и показанных на фиг.1-4, можно использовать с газовой турбиной для увеличения выходной мощности газовой турбины. Обычная газовая турбина может содержать канал воздухозабора турбины, камеру сгорания и компрессор, имеющий, по меньшей мере, одну лопатку турбины компрессора. Источник 260 текучей среды можно соединить с блоком 210 управления и насосами 110 и 130 для подвода текучей среды к системе 100 предварительного наполнения, когда ее направляет блок 210 управления.

Точки инжектирования, в которых текучая среда выходит из устройства 225 инжектирования после подачи узлом 10 подачи текучей среды приведенного примера, могут включать в себя, без ограничения этим, точки, описанные в данном документе, относящиеся к испарительному охлаждению, охлаждению компрессора между ступенями сжатия или охлаждению пламени камеры сгорания, в качестве примеров. При перенасыщении воздуха для увеличения мощности вход массы воздуха в газовую турбину и компоненты газовой турбины налагают ограничения на уровень инжектирования воды, чтобы массовый расход воздуха находился в рамках приемлемых ограничений конструкции газовой турбины. Следовательно, внешние метеорологические условия и требования нагрузки на турбину можно вводить в блок 210 управления для определения расхода текучей среды и уровня создаваемого давления.

Испарительная система охлаждения, с точкой «А» использования на фиг.5, является системой «аэрозольного орошения», в которой вода распыляется на воздухозаборе в виде облака из мелких капель (тумана), которое испаряется. Система охлаждения компрессора между ступенями сжатия с точкой «В» использования на фиг.5 является системой «влажного хода компрессора» для распыления воды в воздушном потоке высокой плотности на промежуточной ступени компрессора. Паровая система, используемая в точке «С» на фиг.5, является системой для распыления воды в камере сгорания.

В испарительной системе («А») охлаждения приведенного примера вода под высоким давлением подается из узла 10 подачи текучей среды в устройство инжектирования, такое как устройство 225 инжектирования, которое может включать в себя держатель форсунок, установленный внутри канала и далеко выше по потоку торца канала воздухозабора компрессора. Держатель форсунок может содержать трубу с несколькими форсунками, распыляющими воду в поток мелких капель, например, обычно находящихся в диапазоне от около 10 до около 20 микрон, и более типично, находящихся в диапазоне от около 10 до около 15 микрон. Капли являются результатом распыления, например, обычно при давлении от около 80 до около 140 бар, создаваемом насосным блоком 110 с электроприводом с частотным регулированием. Капли несет/вывешивает поток воздуха и испаряет их до входа в компрессор, поскольку проходит достаточно долгое время их нахождения в воздухе, проходящем от наконечника форсунки до воздухозабора компрессора. Испарение осуществляет теплообмен теплоты фазового перехода воды с физической теплотой воздуха, так что температура воздуха при испарении понижается. Более низкая температура воздуха соответствует большей плотности воздуха и, следовательно, более высокому массовому расходу, результатом чего является более высокая выходная мощность на валу. Требуемый расход воды устанавливает насосный блок 110 с электроприводом с частотным регулированием. Работа испарительного охлаждения закрывается посредством закрытия главного клапана 120. Патент США №6718771, выданный Kopko, показывает пример системы испарительного охлаждения для газовой турбины, работающей при высоких температурах, и полностью включен в состав данного документа в виде ссылки.

Система («В») охлаждения компрессора между ступенями сжатия приведенного примера является системой «влажного хода компрессора», что означает, что вода в форме малых капель испаряется внутри компрессора во время работы по сжатию. Время пребывания воздуха в компрессоре при прохождении через него находится в пределах миллисекунд. В это время капли испаряются в результате первоначального размера капли. Испарительный процесс приводится в действие быстрым повышением температуры в результате работы сжатия. Когда ступень наполнена и в ней создано давление, например, с помощью насосного блока 130 предварительного наполнения, главный клапан 120 открывается, и вода под высоким давлением подается от насосного блока 110 с электроприводом с частотным регулированием в устройство инжектирования, такое как устройство 225 инжектирования, которое может включать в себя, по меньшей мере, одну форсунку. По меньшей мере, одна форсунка распыляет воду в струю малых капель, например, с размерами в диапазоне от около 10 до около 50 микрон и, предпочтительно, с размерами в диапазоне от около 10 до около 30 микрон. Малый размер капель является результатом распыления, предпочтительно, при давлении от около 80 до около 140 бар, хотя другое подходящее давление также можно использовать. Малые капли должны испаряться до выхода из компрессора. Патент США №6644935, выданный Ingistov, описывает пример компоновки форсунок для инжектирования воды между ступенями сжатия компрессора и полностью включен в состав данного документа в виде ссылки. Испарение охлаждает воздух и, тем самым, повышает плотность воздуха, что увеличивает массовый расход, результатом чего является более высокая выходная мощность. Кроме того, результатом охлаждения компрессора является более низкая температура на выходе компрессора, означающая, что более холодный воздух подается в камеру сгорания. Данный более холодный воздух, подаваемый в камеру сгорания, означает возможность сжигания большего количества топлива при поддержании постоянной температуры сжигания с обеспечением, тем самым, увеличения выходной мощности. Требуемый расход воды устанавливает насосный блок 110 с электроприводом с частотным регулированием. Альтернативно, форсунки для влажного хода компрессора можно установить выше по потоку от воздухозаборника компрессора. Принципиально, работа должна быть аналогичной работе вышеописанных форсунок, установленных внутри ступени.

Система («С») охлаждения камеры сгорания приведенного примера включает в себя устройство инжектирования, такое как устройство 225 инжектирования, которое может включать в себя, по меньшей мере, одну форсунку для инжектирования капель в камеру сгорания. Происходит теплообмен теплоты фазового перехода воды с физической теплотой пламени, при этом понижается температура пламени. Главный клапан 120 открывается и предоставляет возможность подачи воды высокого давления, по меньшей мере, к одной форсунке после наполнения ступени 160 и создания давления в ней. По меньшей мере, одна форсунка распыляет воду в струю малых капель, например, с размерами в диапазоне от около 10 до около 50 микрон и, предпочтительно, с размерами в диапазоне от около 10 до около 30 микрон. Данные капли являются результатом распыления, предпочтительно, при давлении от около 100 до около 200 бар. Следует понимать, что капли альтернативного размера и распыление при других давлениях также можно использовать, когда необходимо. Пламя испаряет воду с образованием пара. Пар расширяется, проходя через турбину, тем самым внося вклад в массовый расход и создавая эффект увеличения мощности. Дополнительно, поскольку понижается температура пламени, можно сжигать больше топлива при поддержании постоянной температуры сжигания. Сжигание большего количества топлива создает дополнительную выходную мощность. Требуемый расход воды устанавливает насосный блок 110 с электроприводом с частотным регулированием. Для деактивации охлаждения камеры сгорания закрывают главный клапан 120. Патент США №3976661, выданный Cheng, является примером действий по увеличению мощности путем инжектирования в камеру сгорания и полностью включен в состав данного документа в виде ссылки.

Хотя конкретные варианты осуществления изобретения описаны здесь для примера и иллюстрации, специалистам в данной области техники понятно, что конкретные варианты осуществления изобретения, показанные и описанные, можно заменять различными альтернативами и эквивалентами реализации без отхода от объема настоящего изобретения. Данное раскрытие предназначено для охвата любых приспособлений и изменений вариантов осуществления изобретения, рассмотренных в данном документе.

Изобретение относится к увеличению мощности газовых турбин. Узел подачи текучей среды, выполненный для системы увеличения мощности, содержащий: одну или более ступеней, имеющих активное состояние и неактивное состояние, причем каждая из ступеней содержит, по меньшей мере, первый и второй клапаны, причем каждый первый и второй клапаны имеют открытое и закрытое положения. Система увеличения мощности, содержащая: узел подачи текучей среды, содержащий одну или более ступеней, имеющих активное и неактивное состояния, причем каждая из ступеней содержит, по меньшей мере, первый и второй клапаны, причем каждый из первого и второго клапанов имеет открытое и закрытое положения; насос, соединенный с узлом подачи текучей среды, питающий каждую из ступеней; блок управления, соединенный с насосом, регулирующий насос и соединенный с узлом подачи текучей среды для регулирования первого и второго клапанов; источник текучей среды, подводящий текучую среду к одной или более ступеням. Способ инжектирования текучей среды из узла подачи текучей среды в устройство инжектирования, при котором: активизируют, по меньшей мере, одну ступень узла подачи текучей среды, имеющую одну или более ступеней, имеющих активное и неактивное состояния, причем каждая из ступеней содержит, по меньшей мере, первый и второй клапаны, причем каждый первый и второй клапаны имеют открытое и закрытое положения, причем активизация содержит: при первом клапане, находящемся в открытом положении, и втором клапане, находящемся в закрытом положении, наполняют ступень текучей средой из источника текучей среды и сжимают текучую среду насосом до первого заданного уровня; при первом клапане, находящемся в закрытом положении, и втором клапане, находящемся в открытом положении, выпускают сжатую текучую среду. Изобретение позволяет обеспечить увеличение мощности газовых турбин и снижение стоимости системы увеличения мощности. 3 н. и 29 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Узел подачи текучей среды, выполненный для системы увеличения мощности, содержащий:
одну или более ступеней, имеющих активное состояние и неактивное состояние, причем каждая из ступеней содержит, по меньшей мере, первый и второй клапаны, причем каждый первый и второй клапаны имеют открытое и закрытое положения;
при этом в активном состоянии текучая среда из источника текучей среды принимается в ступень и сжимается насосом до первого заданного уровня, и выпускается, при этом, когда первый клапан находится в открытом положении и второй клапан находится в закрытом положении, текучая среда принимается в ступень и сжимается, и при этом, когда первый клапан находится в закрытом положении и второй клапан находится в открытом положении, сжатая текучая среда выпускается; и при этом в неактивном состоянии, по меньшей мере, один второй клапан находится в закрытом положении, чтобы, по меньшей мере, существенная часть текучей среды не выпускалась из ступени.

2. Узел по п.1, в котором первый клапан питает первый насос, а второй клапан питает второй насос.

3. Узел по п.1, содержащий множество ступеней, при этом каждую из множества ступеней питает указанный насос, при этом один и тот же насос питает каждую ступень.

4. Узел по п.3, в котором насос содержит первый насос и второй насос, первый насос для питания первого клапана каждой из множества ступеней и второй насос для питания второго клапана каждой из множества ступеней.

5. Узел по п.1, в котором текучая среда, принимаемая в ступень, подается в ступень из источника текучей среды.

6. Узел по п.1, в котором текучая среда, выпускаемая из ступени, подается на устройство инжектирования.

7. Узел по п.1, в котором в активном состоянии дополнительная текучая среда принимается в ступень, сжимается до второго заданного уровня и выпускается, при этом, когда дополнительная текучая среда принимается в ступень, сжимается до второго заданного уровня и выпускается, первый клапан находится в закрытом положении, и второй клапан находится в открытом положении.

8. Узел по п.7, в котором второй заданный уровень основан на внешних метеорологических условиях.

9. Узел по п.7, в котором в активном состоянии, когда текучая среда выпускается, гидроаккумулятор дополнительно сжимает текучую среду и сжимает оставшееся в ступени количество воздуха.

10. Узел по п.9, в котором увеличивается скорость, при которой дополнительная текучая среда сжимается.

11. Узел по п.1, в котором, когда первый клапан находится в открытом положении и второй клапан находится в закрытом положении, и текучая среда принимается в ступень и сжимается, небольшое количество текучей среды пропускается через второй клапан.

12. Узел по п.1, в котором в неактивном состоянии, когда, по меньшей мере, второй клапан находится в закрытом положении, небольшое количество текучей среды пропускается через первый и/или второй клапан.

13. Система увеличения мощности, содержащая:
узел подачи текучей среды, содержащий одну или более ступеней, имеющих активное и неактивное состояния, причем каждая из ступеней содержит, по меньшей мере, первый и второй клапаны, причем каждый из первого и второго клапанов имеет открытое и закрытое положения;
насос, соединенный с узлом подачи текучей среды, питающий каждую из ступеней;
блок управления, соединенный с насосом, регулирующий насос и соединенный с узлом подачи текучей среды для регулирования первого и второго клапанов;
источник текучей среды, подводящий текучую среду к одной или более ступеням;
при этом в активном состоянии текучая среда из источника текучей среды принимается в ступень и сжимается насосом до первого заданного уровня, и выпускается, при этом, когда первый клапан находится в открытом положении и второй клапан находится в закрытом положении, текучая среда принимается в ступень и сжимается, и при этом, когда первый клапан находится в закрытом положении и второй клапан находится в открытом положении, сжатая текучая среда выпускается; и
при этом в неактивном состоянии, по меньшей мере, второй клапан находится в закрытом положении, чтобы, по меньшей мере, существенная часть текучей среды не выпускалась из ступени.

14. Система по п.13, дополнительно содержащая устройство инжектирования, принимающее выпускаемую текучую среду.

15. Система по п.13, в которой насос содержит первый насос и второй насос, первый насос, питающий первый клапан каждой из множества ступеней, и второй насос, питающий второй клапан каждой из множества ступеней.

16. Система по п.13, в которой в активном состоянии дополнительная текучая среда принимается в ступень, сжимается до второго заданного уровня и выпускается, при этом, когда дополнительная текучая среда принимается в ступень, сжимается до второго заданного уровня и выпускается, первый клапан находится в закрытом положении, и второй клапан находится в открытом положении.

17. Система по п.16, содержащая первый насос и второй насос, причем первый насос сжимает текучую среду до первого заданного уровня, а второй насос сжимает дополнительную текучую среду до второго заданного уровня.

18. Система по п.16, в которой второй заданный уровень основан на внешних метеорологических условиях.

19. Система по п.13, дополнительно содержащая гидроаккумулятор, соединенный с каждой из одной или множества ступеней, при этом в активном состоянии, когда текучая среда выпускается, гидроаккумулятор дополнительно сжимает текучую среду и оставшееся в ступени количество воздуха.

20. Система по п.19, дополнительно содержащая расходомер для увеличения скорости работы насоса.

21. Система по п.13, в которой блок управления регулирует насос посредством:
определения расхода, с которым подлежит выпуску текучая среда;
определения ступеней, подлежащих активизации для получения заданного расхода;
регулирования насоса для получения активного состояния для заданных ступеней посредством (i) открытия клапанов предварительного наполнения; (ii) регулирования работы насоса для наполнения ступеней текучей средой и сжатия текучей среды ступеней до первого заданного уровня; (iii) закрытия клапанов предварительного наполнения; (iv) открытия главных клапанов ступеней; и (v) регулирования работы насоса для подачи дополнительной текучей среды в ступени и для сжатия текучей среды ступеней до второго заданного уровня.

22. Система по п.21, в которой определение расхода, с которым подлежит выпуску текучая среда, основано на внешних метеорологических условиях.

23. Система по п.13, дополнительно содержащая:
блок метеорологического мониторинга, соединенный с блоком управления, при этом метеорологический блок обеспечивает данные внешних метеорологических условий для блока управления.

24. Система по п.13, дополнительно содержащая:
вычислительную систему, соединенную с блоком управления, при этом вычислительная система отслеживает и сообщает данные показателей работы.

25. Система по п.13, в которой насос содержит насосный блок низкого давления и насосный блок высокого давления.

26. Способ инжектирования текучей среды из узла подачи текучей среды в устройство инжектирования, при котором:
активизируют, по меньшей мере, одну ступень узла подачи текучей среды, имеющую одну или более ступеней, имеющих активное и неактивное состояния, причем каждая из ступеней содержит, по меньшей мере, первый и второй клапаны, причем каждый первый и второй клапаны имеют открытое и закрытое положения, причем активизация содержит:
при первом клапане, находящемся в открытом положении, и втором клапане, находящемся в закрытом положении, наполняют ступень текучей средой из источника текучей среды и сжимают текучую среду насосом до первого заданного уровня;
при первом клапане, находящемся в закрытом положении, и втором клапане, находящемся в открытом положении, выпускают сжатую текучую среду.

27. Способ по п.26, при котором дополнительно:
принимают указание от блока управления для активизации одной или более ступеней.

28. Способ по п.26, при котором дополнительно:
принимают указание от блока управления для деактивации одной или более ступеней.

29. Способ по п.28, при котором дополнительно:
деактивируют указанные ступени посредством закрытия, по меньшей мере, второго клапана, чтобы, по меньшей мере, существенную часть текучей среды не выпускать из ступени.

30. Способ по п.26, в котором активизация, по меньшей мере, одной ступени узла подачи текучей среды дополнительно содержит:
при первом клапане, находящемся в закрытом положении, и втором клапане, находящемся в открытом положении, наполняют ступень дополнительной текучей средой и сжимают дополнительную текучую среду до второго заданного уровня.

31. Способ по п.30, в котором дополнительная текучая среда сжимается до уровня выше заданного уровня текучей среды.

32. Способ по п.26, в котором сжатие текучей среды до первого заданного уровня содержит закачку для достижения давления на первом заданном уровне, регистрируемого блоком управления.