СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫРАВНИВАНИЯ КОЛЕБАНИЙ СОСТАВА ТОПЛИВА В ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКЕ Российский патент 2012 года по МПК F02C9/40 

Газотурбинная установка содержит в простейшем случае компрессор, камеру сгорания, а также турбину. В компрессоре происходит сжатие всасываемого воздуха, к которому затем добавляют топливо. В камере сгорания происходит сгорание смеси, причем отходящие газообразные продукты сгорания подводят к турбине, посредством которой отбирается энергия от отходящих газов и преобразуется в механическую энергию.

Газовые турбины в настоящее время снабжают многоступенчатыми камерами сгорания, в которых имеется множество ступеней параллельно эксплуатируемых горелок, которые в зависимости от нагрузки газотурбинной установки могут эксплуатироваться по отдельности или вместе. Типичным образом параллельные ступени горелок в большинстве случаев содержат наряду с, по меньшей мере, одной главной ступенью горелок, по меньшей мере, одну запальную ступень горелок, причем пламя запальной ступени горелок должно, в частности, стабилизировать пламя главной ступени горелок.

Во время стационарного режима эксплуатации газотурбинной установки выделяющееся количество тепла должно, по существу, поддерживаться постоянным. Колебания качества топлива приводят, однако, к колебаниям количества выделяющегося тепла и, тем самым, мощности установки. Чтобы компенсировать колебания состава топлива, газотурбинные установки содержат поэтому регулирующее устройство, посредством которого поддерживают постоянной мощность или находящуюся также в зависимости от выделяющегося количества тепла температуру отходящего газа установки.

Поддержание постоянной величины мощности или, соответственно, температуры отходящих газов происходит, в основном, за счет регулирования подачи топлива к главной ступени горелок посредством регулятора количества топлива. Эти действия могут, однако, приводить к повышенным выбросам или к колебаниям горения.

Задачей настоящего изобретения поэтому является предоставление в распоряжение способа для выравнивания колебаний состава топлива в газотурбинной установке регулирующего устройства для регулирования подачи топлива в газотурбинной установке, а также газотурбинной установки, при которых можно более эффективно исключить повышенные выбросы или колебания горения при выравнивании колебаний состава топлива.

Эта задача решается способом согласно пункту 1 формулы изобретения, регулирующим устройством согласно пункту 4 формулы изобретения и газотурбинной установкой согласно пункту 5 формулы изобретения. Зависимые пункты формулы изобретения содержат предпочтительные формы выполнения изобретения.

В способе согласно изобретению для выравнивания колебаний состава топлива в газотурбинной установке с, по меньшей мере, двумя параллельно эксплуатируемыми ступенями горелок в качестве реакции на колебания состава топлива проводят регулирование подачи топлива к, по меньшей мере, двум ступеням горелок, причем при регулировании подачи топлива разделение топлива между ступенями горелок, то есть относительное распределение топлива по ступеням горелок, устанавливают на целевое значение или поддерживают на целевом значении. При этом целевое значение может быть, например, постоянной величиной или функцией одной или нескольких переменных. В частности, газотурбинная установка может содержать запальную ступень горелок и главную ступень горелок, причем при регулировании подачи топлива разделение топлива между запальной и главной ступенью горелок устанавливают на целевое значение или поддерживают на целевом значении.

В основе изобретения лежат следующие знания.

Как упомянуто выше, выравнивание колебаний состава топлива путем регулирования подачи топлива к главной ступени горелок посредством регулятора количества топлива может приводить в неблагоприятном случае к повышению выбросов или к колебаниям горения. Причина этого лежит в том, что за счет регулирования подачи топлива к главной ступени горелок изменяется разделение топлива. Например, изменение разделения топлива между запальной и главной ступенью горелок может отрицательно действовать на стабильность пламени главных горелок, которое является, как правило, пламенем бедной топливовоздушной смеси. Бедная топливовоздушная смесь служит для того, чтобы в рамках так называемой сухой очистки от азота поддерживать низкими параметры выбросов установки. Низкая стабильность пламени бедной топливовоздушной смеси поэтому отрицательно сказывается на параметрах выбросов установки. В противоположность этому за счет поддержания разделения топлива на целевом значении или установки разделения топлива на подходящее новое целевое значение отрицательные воздействия на стабильность пламени главных горелок избегаются или, по меньшей мере, уменьшаются так, что вышеназванные недостатки могут быть исключены или, соответственно, уменьшены.

Регулирование подачи топлива к горелке происходит обычным образом через топливный регулировочный клапан, который представляет собой дроссель. Клапаны эксплуатируются в области критического перепада давления, то есть поток топлива через клапан является пропорциональным давлению топлива по стороне входа и высоте подъема клапана. Выделенное в камере сгорания количество тепла поэтому регулируется через падение давления в клапане, причем выделенное количество тепла находится в связи с падением давления через индекс Воббе.

Пока регулируют только одну ступень горелок, как это является обычным в уровне техники, параметры регуляторов устанавливают на определенный стандартный состав топлива, то есть для определенного индекса Воббе, причем допустимой является известная ширина полосы отклонения состава топлива от стандарта. Отклонение от стандарта может при этом рассматриваться в качестве возмущающего воздействия на систему регулирования, которое может быть компенсировано за счет поддержания постоянной величины мощности или температуры отходящих газов газотурбинной установки. Знание актуального индекса Воббе топлива поэтому в уровне техники для регулирования подачи топлива не требуется.

Знание действительного индекса Воббе позволяет, однако, также установку разделения топлива на новое согласованное целевое значение или, соответственно, поддержание разделения топлива на актуальном целевом значении за счет того, что в основу параметров регуляторов для регулирования потери давления в регулировочных клапанах отдельных ступеней горелок кладут действительный индекс Воббе топлива.

В предпочтительной форме выполнения способа поэтому для регулирования подачи топлива к, по меньшей мере, двум из ступеней горелок находят применение, соответственно, топливный регулировочный клапан и соответствующие параметры регуляторов, и параметры регуляторов в качестве реакции на колебания состава топлива актуализируют следующим образом:

проведение анализа состава топлива в режиме реального времени,

определение актуального индекса Воббе топлива на основе результата анализа и

актуализация параметров регуляторов для регулировочных клапанов с помощью определенного индекса Воббе.

С помощью актуального индекса Воббе топлива в этой форме выполнения можно устанавливать соответствующие потери давления на отдельных регулировочных клапанах для каждого состава топлива таким образом, что разделение топлива настраивается на новое целевое значение или поддерживается на актуальном целевом значении. В частности, описанной формой выполнения способа согласно изобретению обеспечено, что параметры регуляторов всегда основываются на актуальном индексе Воббе топлива, даже если состав топлива подвержен быстрым или большим изменениям.

Пригодное для осуществления способа согласно изобретению регулирующее устройство для регулирования подачи топлива в газотурбинной установке с, по меньшей мере, двумя параллельно эксплуатируемыми ступенями горелок и регулированием подачи топлива имеет, соответственно, один топливный регулирующий клапан для ступеней горелок, соответствующие параметры регуляторов и содержит:

- анализатор для выполнения анализа состава топлива в режиме реального времени,

- вычислительный блок для вычисления актуального индекса Воббе топлива, а также

- блок актуализации для актуализации, по меньшей мере, двух параметров регуляторов, соответствующих различным ступеням горелок регулировочных клапанов на основе определенного индекса Воббе.

Согласно изобретению газотурбинная установка, с помощью которой можно исключать или, по меньшей мере, уменьшать повышенные выбросы или колебания горения при изменениях состава топлива, содержит, по меньшей мере, две параллельно эксплуатируемые ступени горелок и соответствующее изобретению регулирующее устройство. В частности, ступени горелок содержат запальную ступень горелок и главную ступень горелок, причем блок актуализации регулирующего устройства выполнен с возможностью актуализации параметров регуляторов регулировочных клапанов главной ступени горелок, а также запальной ступени горелок на основе определенного индекса Воббе.

В предпочтительной форме выполнения согласно изобретению газотурбинной установки эта установка содержит топливный трубопровод, через который проходит поток топлива, и имеющуюся на топливном трубопроводе точку ответвления для ответвления части топлива и для ввода ответвленного топлива в качестве анализируемого потока в ответвленный трубопровод, который подает анализируемый поток к анализатору. Точка ответвления расположена на топливном трубопроводе таким образом, что время, которое требуется потоку топлива для прохождения пути от точки ответвления до топливных регулирующих клапанов, является достаточным, чтобы анализируемый поток смог пройти участок пути до анализатора, анализатор - проанализировать состав топлива, вычислительный блок - вычислить индекс Воббе, блок актуализации - актуализировать параметры регуляторов и регулирующее устройство - отрегулировать (настроить) топливные регулировочные клапаны до того, как поток топлива достигнет топливных регулирующих клапанов.

С описанной формой выполнения газотурбинной установки обеспечивается то, что в основу характеристик регуляторов всегда может быть положен индекс Воббе поступившего к клапану потока топлива как раз даже тогда, когда состав топлива колеблется в очень короткой временной шкале.

Дальнейшие признаки, свойства и преимущества настоящего изобретения следуют из последующего описания одного примера выполнения со ссылкой на прилагаемый чертеж: фиг.1 показывает пример выполнения согласно изобретению газотурбинной установки в схематическом изображении.

Фигура 1, которая содержит схематическое изображение блока актуализации параметров регуляторов, показывает газотурбинную установку с компрессором 1, камерой 3 сгорания и турбиной 5, которая связана с генератором 7.

К камере 3 сгорания подходят первый подводящий трубопровод 9 для топлива и второй подводящий трубопровод 11 для топлива, которые ответвляются от топливного трубопровода 13 и, соответственно, снабжены топливными регулирующими клапанами 15, 17. Посредством подводящих трубопроводов 9 и 11 для топлива снабжают топливом запальную горелку и главную горелку (обе на чертеже не представлены). Рядом с запальной горелкой и главной горелкой, которые, как правило, эксплуатируются параллельно, могут также иметься еще следующие, в частности, параллельно эксплуатируемые ступени горелок, как это показано на фигуре, с помощью следующего подводящего трубопровода 19 для топлива и топливного регулирующего клапана 21.

Для возможности выравнивания колебаний состава топлива представленная на фигуре газотурбинная установка содержит, кроме того, регулятор 23 для регулирования подачи топлива к отдельным ступеням горелок в зависимости от выделенного в камере 3 сгорания тепла. Оно может быть определено, например, через температуру отходящих газов или мощность турбины 5, что является общеизвестным и поэтому здесь не должно поясняться далее. Регулятор 23 содержит регулируемые параметры, на базе которых происходит регулировка (настройка) топливных регулирующих клапанов 15, 17 при изменении выделенного в камере 3 сгорания количества тепла.

Газотурбинная установка содержит, кроме того, анализатор 25 для проведения анализа состава топлива, протекающего по топливному трубопроводу 13, находящийся в соединении с анализатором 25 для приема результата анализа вычислительный блок 27 для вычисления с учетом результата анализа индекса Воббе топлива и находящийся в соединении как с вычислительным блоком 27 для приема индекса Воббе, так и с регулятором 23 для актуализации параметров регуляторов блок 29 актуализации.

Посредством ответвляющегося от топливного трубопровода 13 отводного трубопровода 31 к анализатору 25 подают небольшое количество топлива, текущего по топливному трубопроводу 13, чтобы его анализировать. Результат анализа анализатор 25 передает дальше на вычислительный блок 27, который вычисляет индекс Воббе анализируемого топлива и выдает, таким образом, определенный индекс Воббе на блок 29 актуализации. Последний актуализирует с учетом принятого индекса Воббе параметры регуляторов для топливных регулирующих клапанов 15, 17 в управляющей технике регулятора 23. С учетом актуализированных параметров регуляторов затем происходит регулировка подачи топлива к отдельным ступеням горелок посредством топливных регулирующих клапанов 15, 17. Согласование характеристик регуляторов с актуальным индексом Воббе топлива позволяет при этом регулировать подачу топлива к отдельным ступеням горелок таким образом, что происходит поддержание разделения топлива на актуальном целевом значении или регулировка разделения топлива на подходящее новое целевое значение.

Для возможности быстрого реагирования на быстрые изменения состава топлива поддержанием разделения топлива на актуальном целевом значении или регулировкой разделения топлива на актуальное новое целевое значение отводной трубопровод 31 ответвляется от топливного трубопровода 13 в точке 33 ответвления, расстояние которой от топливных регулирующих клапанов 15, 17 выбрано таким образом, чтобы время, которое требуется топливу, текущему в топливном трубопроводе 13, для прохождения участка между точкой 33 ответвления и топливными регулирующими клапанами 15, 17, являлось достаточно большим для выполнения следующих шагов:

1) направление ответвленного топлива к анализатору,

2) анализ состава топлива,

3) вычисление индекса Воббе топлива,

4) актуализация параметров регуляторов,

5) регулировка топливных регулирующих клапанов.

В частности, момент регулировки топливных регулирующих клапанов с учетом скорости потока топлива выбирают при этом таким образом, что регулировка всегда происходит точно на основе индекса Воббе топлива, находящегося как раз в топливных регулирующих клапанах 15, 17.

В представленном примере выполнения вычислительный блок 27, блок 29 актуализации и регулятор 23 представлены в виде отдельных блоков. Альтернативно вычислительный блок 27 и/или блок 29 актуализации могут быть также интегрированы в регулятор 23.

В способе для выравнивания колебаний состава топлива в газотурбинной установке с, по меньшей мере, двумя параллельно эксплуатируемыми ступенями горелок в качестве реакции на колебания состава топлива производят регулирование подачи топлива к, по меньшей мере, двум из ступеней горелок, причем при регулировании подачи топлива устанавливают разделение топлива между ступенями горелок, то есть относительное распределение топлива по ступеням горелок, на целевое значение или поддерживают на целевом значении. При этом целевое значение может быть, например, постоянной величиной или функцией одной или нескольких переменных. В частности, газотурбинная установка может содержать запальную ступень горелок и главную ступень горелок, причем при регулировании подачи топлива разделение топлива между запальной и главной ступенью горелок устанавливают на целевое значение или поддерживают на целевом значении. Технический результат - эффективно исключить повышенные выбросы или колебания горения при выравнивании колебаний состава топлива. 1 ил.

Газотурбинная установка с по меньшей мере двумя параллельно эксплуатируемыми ступенями горелок и регулирующим устройством, отличающаяся тем, что регулирующее устройство содержит
- один топливный регулирующий клапан (15, 17) для ступеней горелок и регулятор (23), который содержит параметры регуляторов, соответствующие топливным регулирующим клапанам (15, 17),
анализатор (25) для выполнения анализа состава топлива в режиме реального времени,
вычислительный блок (27) для вычисления актуального индекса Воббе топлива,
блок (29) актуализации для актуализации по меньшей мере значений параметров регуляторов двух соответствующих различным ступеням горелок регулирующих клапанов на основе определенного индекса Воббе, причем регулятор выполнен с возможностью поддержания разделения топлива между ступенями горелок на целевом значении,
топливный трубопровод (13), через который проходит поток топлива, и имеется на топливном трубопроводе (13) точка (33) ответвления для отвода части топлива и для ввода отведенного топлива в качестве анализируемого потока в направляющий анализируемый поток к анализатору (25) отводной трубопровод (31), причем точка (33) ответвления расположена на топливном трубопроводе (13) таким образом, что время, которое требуется потоку топлива для прохождения пути от точки (33) ответвления до топливных регулирующих клапанов (15, 17), является достаточным, чтобы анализируемый поток смог пройти участок пути к анализатору (25), анализатор - проанализировать состав топлива, вычислительный блок (27) - вычислить индекс Воббе, блок актуализации (29) - актуализировать параметры регуляторов и регулирующее устройство - установить топливные регулирующие клапаны (15, 17) до тех пор, пока поток топлива достигнет топливных регулирующих клапанов (15, 17), при этом установка содержит запальную ступень горелок и главную ступень горелок, а блок (29) актуализации регулирующего устройства выполнен с возможностью актуализации параметров регуляторов топливных регулирующих клапанов (15, 17) главной ступени горелок, а также запальной ступени горелок на основе определенного индекса Воббе.