СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ РАЗДЕЛЬНОЙ ПОДАЧИ ТОПЛИВА Российский патент 2012 года по МПК F23N1/00 F23N5/24 F23D14/26 F23Q9/00 

Изобретение относится к способу регулирования раздельной подачи топлива, в частности, в камерах сгорания газовых турбин.

Газовая турбина по существу содержит компрессор, камеру сгорания, турбину и канал выхлопа. В компрессоре воздух сжимается для подготовки к процессу сгорания. Топливо впрыскивается в камеру сгорания, где перемешивается со сжатым воздухом из компрессора и сгорает. Горячий и находящийся под давлением газ из камеры сгорания затем направляется к лопаткам турбины для приведения в действие турбины. После прохождения через турбину газообразный продукт сгорания выходит через канал выхлопа.

Документ WO 02/12795 A2 раскрывает камеру сгорания, которая работает с двумя различными потоками топлива. Один из этих потоков топлива именуется потоком запального топлива. Данный поток топлива впрыскивается непосредственно в камеру сгорания и является единственным потоком топлива во время пуска двигателя. Когда двигатель достигает некоторого процента своей рабочей скорости, поток топлива предварительного смешивания (основной поток топлива) добавляют в камеру сгорания в дополнение к пусковому потоку. Этот поток топлива предварительного смешивания смешивается с воздухом перед входом в камеру сгорания и называется «премикс». Регулируя соотношение расхода запального топлива и топлива премикс, можно настраивать уровень выбросов CO и NO_x. Пример камеры сгорания с запальным потоком топлива и потоком топлива предварительного смешивания раскрыт в международной публикации WO 96/02796 Sjunneson и др. Документ WO 02/12795 A2 дополнительно раскрывает управление для настройки соотношения между потоком запального топлива и потоком топлива предварительного смешивания для управления температурой пламени и, таким образом, минимизирования выбросов.

Из документа www.ecuinternational.com/pti, Mike Stock, Sermatec Powersolutions известен способ управления работой камеры сгорания с двумя потоками подачи топлива. Способ управления работой содержит рабочие режимы пусковой, на бедной смеси, и на топливе предварительного смешивания. Низкий выброс NO_x и CO достигается только в режиме предварительного смешивания топлива.

Пилотная горелка содержит впрыск и сжигание чистого топлива, проходящего через сопла основного контура, в то время, как основная горелка содержит впрыск и сжигание топлива предварительно смешанного с воздухом, проходящим через вспомогательные форсунки.

Быстрое уменьшение нагрузки в некоторых газотурбинных двигателях может приводить к погасанию факела горения вследствие того, что поток подачи запального топлива становится слишком бедным по причине запаздывания при измерениях температуры, используемых для определения требуемого соотношения при разделении топлива. Для значительного уменьшения нагрузки минимальное пилотное соотношение при разделении запускается на основе ступенчатого изменения потребности в топливе, не работающем при быстром снижении нагрузки, при котором нет достаточно большого ступенчатого изменения в потоке топлива.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей изобретения является создание предпочтительного способа регулирования раздельной подачи топлива в камере сгорания газовой турбины, в частности, в случае быстрых изменений нагрузки.

РЕШЕНИЕ СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮ

Данная задача решается способом регулирования раздельной подачи топлива с признаками п.1 формулы изобретения. Зависимые пункты формулы изобретения описывают дополнительные разработки изобретения.

Изобретенный способ регулирования расхода запального топлива и расхода основного топлива раздельной подачи топлива в камеру сгорания газовой турбины в случае уменьшения нагрузки содержит осуществление мониторинга скорости изменения потребности в топливе. Дополнительный расход запального топлива выполняется в зависимости от скорости изменения потребного расхода топлива.

Временное увеличение расхода запального топлива в данном способе, в то время как общий расход топлива быстро снижается, уменьшает возможность погасания пламени во время быстрого линейного снижения нагрузки.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения дополнительный расход запального топлива уменьшается до нуля после снижения нагрузки, чтобы расход запального топлива не был выше необходимого после линейного снижения нагрузки. Слишком высокий расход запального топлива может отрицательно сказываться на характеристиках выбросов газовой турбины.

Дополнительно, может быть применено ограничение расхода запального топлива, когда количество потока дополнительного запального топлива снижается до нуля для предотвращения слишком малого расхода запального топлива после уменьшения дополнительного расхода запального топлива до нуля. Слишком малый расход запального топлива может негативно влиять на стабильность пламени.

В изобретенном способе может выполняться дополнительный расход запального топлива, когда изменение потребности в топливе не дотягивает до номинала и дает отрицательное значение. В более сложных версиях способа, количество потока дополнительного запального топлива зависит от скорости изменения потребного расхода топлива, то есть чем выше скорость отрицательного изменения потребного расхода топлива, тем выше дополнительный расход запального топлива.

Количество потока дополнительного запального топлива должно вычитаться из расхода основного топлива для поддержания общего расхода топлива на уровне заданном потребным расходом топлива.

Дополнительные признаки, отличия и преимущества изобретения становятся ясными из следующего описания вариантов осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг.1 показан блок горелок камеры сгорания газовой турбины.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг.1 схематично показан блок 23 горелок камеры сгорания газовой турбины. Блок горелок содержит пилотную горелку 21 с каналом 1 жидкого топлива, соплом 2, каналом 3 запального газа и центральным воздушным каналом 5. Блок 23 горелок дополнительно содержит основную горелку 22 с основным газовым каналом 7, внешний воздушный канал 9, сопловую трубу 11 и сопла 13.

Пилотная горелка 21 фиг.1 является симметричной относительно центральной оси A. Она исполнена, как диффузионная горелка. Канал 1 жидкого топлива расположен по центральной оси блока. Канал 1 жидкого топлива окружен каналом 3 запального газа, концентрическим относительно канала 1 жидкого топлива и таким образом, относительно оси A. Канал 3 запального газа, в свою очередь, окружен центральным воздушным каналом 5. Оба канала 3 и 5 являются концентрическими относительно канала 1 жидкого топлива.

Основная горелка фиг.1, исполненная как горелка с внутренним смесеобразованием, окружает пилотную горелку 21 и является по существу симметричной относительно центральной оси A. Основной газовый канал 7 основной горелки 22 также является концентрическим вокруг центральной оси A и сходится с сопловыми трубами 11, проходящими через внешний воздушный канал 9. В сопловых трубах 11 сопла 13 предусматривают выброс основного топлива в струю воздуха, проходящую через внешний канал. Завихрители 14 предназначены для интенсивного предварительного смешивания топлива и воздуха перед введением смеси в пламя сгорания.

В работе газовой турбины горение поддерживается главным образом основной горелкой 22, тогда как пилотная горелка 21 служит для стабилизации пламени горения, которое в противном случае подвержено нестабильности пламени, поскольку обычно стараются использовать как можно более бедную смесь топливо/воздух при предварительном смешивании, то есть, с долей топлива, возможно более низкой, для поддержания низких выбросов.

В способе регулирования раздельной подачи топлива осуществляют мониторинг скорости изменения потребности в топливе и добавляют дополнительное количество запального топлива в случае, если потребный расход топлива указывает на подход изменения нагрузки, то есть изменения нагрузки, в котором предварительно обусловленный отрицательный градиент нагрузки достигается или превышается.

Поскольку изменение потребности в топливе предваряет изменение нагрузки, данный мониторинг обеспечивает раннее распознавание того, что нагрузка подлежит уменьшению. Вследствие раннего распознавания изменение в раздельной подаче топлива можно инициировать раньше, чем было бы возможно с мониторингом температуры сгорания (или выхлопа), следующим за изменением нагрузки.

Подача топлива в пилотную горелку является относительно более высокой при воспламенении и низкой нагрузке и относительно более низкой при высокой нагрузке на газовую турбину. Другими словами, распределение общего количества топлива на пилотную горелку и основную горелку, то есть разделение подачи топлива, является разным для низких и высоких нагрузок.

Когда нагрузка уменьшается, доля общего количества топлива, подлежащего подаче на пилотную горелку, увеличивается относительно доли общего количества топлива, подлежащего подаче на основную горелку. Вместе с тем, когда уменьшение нагрузки выполняется быстро, на что указывает высокая скорость изменения потребного расхода топлива, долю общего количества топлива, подлежащего подаче на пилотную горелку, также необходимо быстро увеличивать.

Поскольку обычно разделением топлива управляют на основе температуры сгорания, следующей за началом уменьшения нагрузки, увеличение подачи запального топлива начинается уже после начала уменьшения нагрузки. Хотя это обычно не является проблемой для медленно уменьшающихся нагрузок, доля запального топлива может оказаться слишком низкой, когда начинается изменение подачи запального топлива в случае быстрых изменений нагрузки. Поэтому, согласно изобретению, дополнительное количество топлива направляется на пилотную горелку, когда начинается изменение нагрузки, указанное потребным расходом топлива, для введения всегда достаточного запального топлива в пламя. Затем, когда обычное управление на основе температуры сгорания способно обеспечивать достаточно высокую долю запального топлива, подача дополнительного запального топлива вновь уменьшается до нуля.

В описанном варианте осуществления изобретения, количество дополнительного расхода запального топлива тем выше, чем выше скорость изменения потребного расхода топлива. Однако если скорость изменения потребного расхода топлива выше данной отрицательной величины, то есть уменьшение нагрузки происходит медленнее данной скорости, дополнительный расход запального топлива не добавляется к обычным способом управляемой подаче топлива с разделением.

Во время работы основной горелки расход запального топлива не должен превышать некоторую величину для поддержания низкого уровня выбросов. Поэтому практически применяется пороговое значение для предотвращения превышения расхода запального топлива выше необходимого для стабилизации пламени, вследствие добавленного количества запального топлива. Когда достигается пороговое значение, количество добавленного запального топлива снижают.

Дополнительное запальное топливо требуется только в процессе быстрого уменьшения нагрузки для исключения низкого уровня подачи топлива в пилотной горелке. Когда нагрузка уменьшена и получено стабильное пламя посредством регулярного увеличения количества потока запального топлива, количество потока дополнительного запального топлива вновь уменьшают до нуля.

Когда дополнительный расход запального топлива уменьшен до нуля применяется предел расхода для предотвращения падения расхода запального топлива ниже минимального уровня, необходимого для стабильного пламени горения при низких нагрузках.

При добавлении дополнительного расхода запального топлива предпочтительно уменьшение расхода основного топлива, соответственно для поддержания общего количества потока топлива, то есть суммы расхода запального топлива и основного топлива, на которую не влияет дополнительный расход запального топлива.

Изобретение относится к области энергетики. Способ регулирования расхода запального топлива и расхода основного топлива в раздельной подаче топлива в камеру сгорания газовой турбины в случае уменьшения нагрузки. Осуществляют мониторинг скорости изменения потребности в топливе и добавляют дополнительный расход запального топлива, количество которого зависит от скорости изменения потребного расхода топлива. Дополнительный расход запального топлива уменьшают до нуля после сокращения нагрузки. Применяют ограничение расхода запального топлива, когда количество дополнительного разделения уменьшается до нуля. Добавляют дополнительный расход запального топлива, когда скорость изменения потребного расхода топлива превосходит данную отрицательную величину. Дополнительный расход запального топлива, вычитают из основного расхода топлива. Изобретение позволяет снизить уровень выбросов СО и NO_x. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ регулирования расхода запального топлива и расхода основного топлива в раздельной подаче топлива в камеру сгорания газовой турбины в случае уменьшения нагрузки, отличающийся тем, что осуществляют мониторинг скорости изменения потребности в топливе и добавляют дополнительный расход запального топлива, количество которого зависит от скорости изменения потребного расхода топлива.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительный расход запального топлива уменьшают до нуля после сокращения нагрузки.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что применяют ограничение расхода запального топлива, когда количество дополнительного разделения уменьшается до нуля.

4. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что добавляют дополнительный расход запального топлива, когда скорость изменения потребного расхода топлива превосходит данную отрицательную величину.

5. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что дополнительный расход запального топлива вычитают из основного расхода топлива.

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что дополнительный расход запального топлива вычитают из основного расхода топлива.