СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ СГОРАНИЕМ В ГАЗОВОЙ ТУРБИНЕ Российский патент 2013 года по МПК F23N5/00 

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для управления сгоранием в газовой турбине, а более точно - к способу и устройству для управления сгоранием в присутствии газообразного топлива, имеющего значительно различающиеся индексы Воббе и изменяющиеся со временем.

ОПИСАНИЕ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ

Использование газовых турбин, обычно состоящих из мультифазного компрессора, в котором сжимается засасываемый снаружи воздух, камеры сгорания, в которой происходит сжигание газообразного топлива, добавленного к сжатому воздуху, и турбины или расширителя, в которой расширяются газы, поступающие из камеры сгорания, известно для производства электроэнергии. Турбина затем способна генерировать механическую энергию, которая может использоваться для приведения в действие функционирующих машин или возбуждения электрических генераторов.

Существуют различные типы газов и газообразных смесей, которые можно использовать в качестве топлива в газовой турбине. Теплотворная способность и, следовательно, энергия, которую каждый газ или газообразная смесь способны создавать внутри одной и той же камеры сгорания, могут в значительной степени варьироваться. Температура газа или газовой смеси, используемой в качестве топлива, также способна в значительной степени влиять на эффективность газовой турбины.

Известно использование параметра, называемого "число Воббе", для измерения теплоты, создаваемой газом или смесью газов, когда она сжигается при постоянном давлении подачи. Оно эквивалентно отношению между верхней теплотворной способностью (или нижней) газа и квадратным корнем относительной плотности газа, измеренной по отношению к воздуху, на основе следующей формулы:

где:

I_w = число Воббе;

PC = теплотворная способность (верхняя или нижняя) газа;

T_G = температура газа;

G_s = относительная плотность (или удельный вес) газа.

Теплота, создаваемая газом, таким образом, прямо пропорциональна числу Воббе, также как и площади форсунки турбины, из которой выходит газ, используемый в качестве топлива. Число Воббе является поэтому важной характеристикой для определения взаимозаменяемости различных газов, которые могут быть использованы в качестве топлива в определенной газовой турбине.

Большинство газовых турбин с малым выходом загрязняющих веществ в текущий момент сконфигурированы для эксплуатации с видами газообразного топлива, имеющими небольшие различия в единицах числа Воббе. Использование различных видов топлива, т.е. имеющих большой разброс чисел Воббе, в одной и той же турбине может фактически приводить к неправильному процессу сгорания, который может послужить причиной нарушения работоспособности самой турбины, сокращения периода эксплуатации компонентов системы сгорания и возможных перебоев в генерации энергии.

КРАТКАЯ СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Одной из полезных характеристик раскрытого объекта изобретения является, таким образом, обеспечение способа и устройства для управления сгоранием газовой турбины, который способен эффективно решать упомянутые выше недостатки.

В частности, другой из полезных характеристик раскрываемого предмета изобретения является обеспечение способа и устройства для управления сгоранием газовой турбины, который позволяет использовать виды газообразного топлива, имеющие в значительной степени разные числа Воббе и, следовательно, теплотворную способность, изменяющиеся во времени, без подвергания риску эксплуатационных качеств самой турбины и сохранения одной и той же геометрии камеры сгорания.

Дополнительной полезной характеристикой изобретения является обеспечение способа и устройства для управления сгоранием газовой турбины, который позволяет быстро сменять тип газообразного топлива, подаваемого на саму турбину.

Другой полезной характеристикой изобретения является обеспечение способа и устройства для управления сгоранием газовой турбины, который позволяет самой турбине правильно функционировать, также смешивая два различных типа газообразного топлива, имеющего различное число Воббе, в произвольных пропорциях и изменяющихся по времени.

Еще одной полезной характеристикой настоящего изобретения является обеспечение способа и устройства для управления сгоранием газовой турбины, который позволяет самой турбине работать с резкими изменениями мощности (сбросами нагрузки), требуемой всеми соединениями к турбине.

На основе первого аспекта настоящего изобретения способ для управления сгоранием в газовой турбине содержит следующие этапы, на которых:

измеряют при помощи одного или более подходящих измерительных приборов, таких как, например, калориметры или газовые хроматографы, температуру, теплотворную способность и относительную плотность газообразного топлива, для того чтобы определить число Воббе;

сравнивают измеренное значение числа Воббе с заданным значением числа Воббе для газообразного топлива;

регулируют температуру газообразного топлива посредством по меньшей мере одного теплообменника (30), для того чтобы достичь заданного значения числа Воббе.

Другой аспект настоящего изобретения относится к устройству для управления сгоранием в газовой турбине вида, который содержит по меньшей мере один компрессор, способный сжимать воздух, вводимый в него через впускной канал, по меньшей мере одну камеру сгорания, в которой сжатый воздух смешивается с газообразным топливом, выходящим из подающего трубопровода, и по меньшей мере одну турбину, способную преобразовывать энергию газа, выходящего из камеры сгорания, в энергию работы, которая может быть использована для приведения в действие одной или более машин. Устройство содержит по меньшей мере один теплообменник, расположенный вдоль подающего трубопровода газообразного топлива и способный нагревать упомянутое газообразное топливо, и один или более измерительных приборов, таких как, например, калориметры или газовые хроматографы, для измерения числа Воббе газообразного топлива.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Характеристики и преимущества способа и устройства для управления сгоранием в газовой турбине согласно настоящему изобретению предстанут в более очевидной форме из последующего иллюстративного и неограничивающего примера, ссылающегося на раскрытые схематические чертежи, на которых:

фиг.1 - схематическое изображение газовой турбины, оборудованной устройством для управления сгоранием согласно настоящему изобретению;

фиг.2 показывает таблицы, содержащие значения, относящиеся к молярному составу, теплотворной способности и плотности двух примерных смесей топливных газов;

фиг.3 - блок-схема, которая иллюстрирует способ управления сгоранием газовой турбины согласно изобретению в так называемых условиях "холодного запуска";

фиг.4 - блок-схема, которая иллюстрирует способ управления сгоранием газовой турбины согласно изобретению в нормальных условиях запуска;

фиг.5 - блок-схема, которая иллюстрирует способ управления сгоранием газовой турбины согласно изобретению в условиях быстрого перехода от одного газового топлива к другому;

фиг.6 - блок-схема, которая иллюстрирует способ управления сгоранием газовой турбины согласно изобретению в условиях нормального функционирования.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

На фиг.1 схематично показана типовая газовая турбина, содержащая компрессор 10, способный сжимать воздух, поступающий в него через впускной канал 12. Сжатый воздух затем отправляется в камеру сгорания 14 для того, чтобы быть смешанным с газообразным топливом, поступающим из подающего трубопровода 16. Сгорание увеличивает температуру, скорость и объем потока газа и, следовательно, содержащуюся в нем энергию. Упомянутый поток газа направляется через канал 18 на турбину 20, которая преобразует энергию газа в энергию работы, которая может быть использована для приведения в действие функционирующих машин, таких как, например, генератор 22, подсоединенный к турбине 20 посредством вала 24. Турбина 20 также подает энергию, необходимую для приведения в действие компрессора 10, через соответствующий вал 26, тогда как испускаемые газы выбрасываются из турбины 20 через выходной канал 28.

Согласно изобретению существует по меньшей мере один теплообменник 30 на подающем трубопроводе 16 газообразного топлива, способный нагревать газообразное топливо, как будет полнее определено в настоящем документе, вместе с одним или более измерительными приборами 32 для измерения числа Воббе, таким как, например, калориметры или газовые хроматографы, расположенные выше по потоку и ниже по потоку вышеупомянутого теплообменника 30. Благодаря вышеупомянутым устройствам, является возможным непрерывно регулировать нагревание газообразного топлива для того, чтобы гарантировать наиболее подходящее значение числа Воббе, относящееся к самому топливу. В случае быстрой смены, при подаче, на топливо, имеющее другое число Воббе, система также позволяет компонентам газовой турбины быть активно управляемыми для того, чтобы минимизировать влияние вследствие этого изменения подачи.

Со ссылкой на блок-схемы фиг.3-6 и на две иллюстративные типологии топливных газовых смесей, обозначенных в таблицах фиг.2, ниже будет описан способ управления сгоранием согласно настоящему изобретению.

Фиг.2 сравнивает два газообразных топлива, обыкновенно использующихся в газовых турбинах. Топливо, обозначенное как "H", характеризуется максимальным значением числа Воббе, равным 53,673 МДж/Нм³, и низким содержанием инертных продуктов. Топливо, обозначенное как "G", используемое менее часто в качестве альтернативы топливу H, характеризуется, с другой стороны, максимальным значением числа Воббе, равным 44,3 МДж/Нм³, и несколько большим содержанием инертных продуктов (около 15%) по отношению к топливу H.

В блок-схеме фиг.3 представлен способ для управления сгоранием в газовой турбине согласно настоящему изобретению при условиях, которые на техническом жаргоне называются "холодным запуском", т.е. когда газовая турбина перезапускается после того, как весь энергоблок был отключен от электроснабжения. При этих условиях необходимый для нагрева газообразной смеси пар не имеется в наличии, и турбина должна быть способна запуститься с холодным топливом.

Способ предусматривает начальную фазу, в которой температура, теплотворная способность (нижняя) и относительная плотность используемого топлива, например топлива "H", имеющего очень высокое число Воббе, измеряется посредством калориметров 32. Как только установлен оптимальный поток топлива, который должен отправляться в камеру сгорания, имеет место фаза зажигания газовой турбины, которая, как уже указывалось, выполняется с холодным топливом (от примерно -5°C до примерно 25°C).

Нормальное функционирование устройства имеет место посредством предварительного смешивания воздуха с газообразным топливом, но эта фаза достигается после вышеупомянутой фазы зажигания, которая осуществляется с диффузным пламенем. Следовательно, присутствует фаза установки булевой управляющей переменной "Блокировка премикса", способной запрещать или не запрещать переход от диффузного пламени (фазы зажигания) к пламени предварительно перемешанной смеси (нормальное функционирование).

Устройство, следовательно, ожидает, пока появится определенное количество пара для нагрева газа. Это может занимать от 1 до 4 часов, если паровой котел для производства пара уже достиг определенной температуры, или от 6 до 8 часов, если паровой котел еще нужно привести в рабочее состояние. Когда появляется пар, теплообменник 30 начинает нагревать газообразное топливо до температуры, находящейся в диапазоне от примерно 125°С до примерно 165°C, эти значения измеряются в соответствии с камерой 14 сгорания. Когда нагрев завершен, будет иметь место соответствующее изменение числа Воббе газа, которое в случае топлива H равно около 2,6% первоначального значения самого числа. Когда достигнуто данное значение числа Воббе, предопределенное на основании увеличения температуры газа, также будут достигнуты условия, при которых возможен переход от диффузного пламени к пламени предварительно перемешанной смеси (последнее характеризуется более низкими загрязняющими выбросами).

Впоследствии дополнительный контроль того, что достигнуто предопределенное число Воббе будет позволять, в случае положительного результата, обнуление булевой управляющей переменной "Блокировка премикса", для того чтобы установить режим нормального функционирования устройства. Если предопределенное число Воббе не было достигнуто, теплообменник 30 должен быть отрегулирован для того, чтобы предоставить возможность соблюдения условий нормального функционирования.

Блок-схема фиг.4 представляет способ управления сгоранием в газовой турбине согласно настоящему изобретению в условиях нормального запуска. При этих условиях не требуется теплообменник 30 для регулирования нагрева пара газа в фазе запуска турбины. Способ управления поэтому сходен тому, который действует при условиях "холодного запуска", за исключением того, что фаза ожидания наличия пара и последующая фаза управления, того, что достигнуто число Воббе, которое изменилось после нагревания газа, не осуществляются.

Вообще при всех условиях запуска газовой турбины и в присутствии любого типа смесей газов способ всегда предусматривает автоматическую установку оптимального топлива на основе температуры, теплотворной способности и относительной плотности газообразного топлива, измеренных калориметрами 32.

Блок-схема фиг.5 иллюстрирует способ управления сгоранием в газовой турбине согласно настоящему изобретению в условиях быстрого перехода от одного газообразного топлива к другому. Является возможным питать турбину 20 топливом, переходя от одного отдельного топлива к другому, например как от топлива G к топливу H, или два топлива могут быть смешаны в переменных пропорциях.

После измерения снова посредством калориметров 32 температуры, теплотворной способности (нижней) и относительной плотности подающегося газообразного топлива сравниваются данные двух последовательных измерений. Если различие между двумя последовательными измерениями числа Воббе равно или выше, чем различие между числами Воббе двух газов, например G и H, используемых в качестве топлива в турбине, устройство помещается в условия быстрого перехода от одного топлива к другому. В этот момент осуществляется процедура управления режимом сгорания устройства, и на основе результата управления величина электрической мощности, поставляемой устройством, в результате будет регулироваться.

Как только быстрый переход от одного топлива к другому был осуществлен, например с газа G на газ H, число Воббе будет рассчитываться снова для проверки, действительно ли устройство функционирует с новым топливом. Если условия были удовлетворены, затем будет возможно перейти к функционированию со смешанным пламенем и к установке режима нормального функционирования устройства.

Блок-схема на фиг.6 иллюстрирует режимы нормального функционирования газовой турбины на основе типа используемого топлива. В случае подачи топлива G, которое не имеет очень высокое число Воббе и не нуждается в нагреве теплообменником 30 для того, чтобы сделать возможным правильное функционирование турбины, нет необходимости осуществлять управление параметрами, относящимися к числу Воббе. В случае подачи топлива H, с другой стороны, необходимо управлять температурой ниже по течению теплообменника 30.

Если на турбину подается смесь газов топлива, в случае сочетания топлива G и топлива H, калориметры 32 будут замерять температуру, теплотворную способность (нижнюю) и относительную плотность смеси для определения числа Воббе самой смеси. Если число Воббе отличается от предопределенного значения для используемой смеси, температура функционирования теплообменника 30 будет изменена.

Предлагаемая система может стабилизировать без ожидания регулировки температуры, выполняемой теплообменником 30, требуемые изменения мощности до 6 МВт электроэнергии. Система, следовательно, способна поддерживать почти мгновенно требуемые изменения мощности до 6 МВт электроэнергии.

Таким образом, можно увидеть, что способ и устройство для управления сгоранием в газовой турбине согласно настоящему изобретению достигает описанных выше целей. В частности, турбина способна одинаково функционировать и с газообразными типами топлива, имеющими в значительной степени разные числа Воббе, а также со смесью их согласно произвольным пропорциям, и также поглощает резкие сбросы нагрузки.

Способ и устройство для управления сгоранием в газовой турбине настоящего изобретения, задуманные таким образом, могут в любом случае претерпевать многочисленные модификации и варианты, все из которых включены в одну и ту же идею изобретения. Объем охраны изобретения поэтому определен раскрытой формулой изобретения.

Изобретение относится к энергетике. Способ управления сгоранием в газовой турбине и соответствующее ему устройство включают этапы, на которых измеряют посредством одного или двух калориметров температуру, теплотворную способность и относительную плотность газообразного топлива, для того чтобы определить число Воббе, сравнивают измеренное значение числа Воббе с заданным значением числа Воббе для газообразного топлива и регулируют температуру газообразного топлива посредством по меньшей мере одного теплообменника, для того чтобы достичь заданного значения числа Воббе. Они могут также включать в себя этап, на котором используют второе газообразное топливо, имеющее число Воббе, отличающееся от газообразного топлива, или топливо, полученное смешиванием газообразного топлива и второго газообразного топлива согласно произвольным пропорциям и изменяющимся во времени. Изобретение позволяет повысить эффективность эксплуатации газовой турбины. 7 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ для управления сгоранием в газовой турбине, содержащей по меньшей мере один компрессор, выполненный с возможностью сжимать воздух, вводимый в него через впускной канал, по меньшей мере одну камеру сгорания, в которой упомянутый сжатый воздух смешивается с газообразным топливом, выходящим из подающего трубопровода, и по меньшей мере одну турбину, способную преобразовывать энергию газа, выходящего из упомянутой камеры сгорания, в энергию работы, которая может быть использована для приведения в действие одной или более машин, при этом способ включает этапы, на которых:
измеряют с помощью одного или более измерительных приборов температуру, теплотворную способность и относительную плотность упомянутого газообразного топлива, для того чтобы определить число Воббе, Iw, при этом упомянутое число Воббе определено как:

где PC - это значение верхней или нижней теплотворной способности упомянутого газообразного топлива, T_G - температура упомянутого газообразного топлива, a G_s - удельный вес упомянутого газообразного топлива;
сравнивают измеренное значение числа Воббе с заданным значением числа Воббе для упомянутого газообразного топлива;
регулируют температуру упомянутого газообразного топлива с помощью по меньшей мере одного теплообменника, для того чтобы достичь предопределенного значения числа Воббе; и
изменяют на основании упомянутого значения числа Воббе функционирование газовой турбины от диффузного пламени к пламени предварительно перемешанной смеси, причем диффузионное пламя присутствует во время фазы зажигания газовой турбины, а пламя предварительно перемешанной смеси присутствует во время нормального функционирования газовой турбины.

2. Способ по п.1, дополнительно включающий этапы, на которых:
подают в упомянутую камеру сгорания второе газообразное топливо, имеющее другое число Воббе по отношению к числу Воббе упомянутого газообразного топлива;
измеряют с помощью упомянутых измерительных приборов температуру, теплотворную способность и относительную плотность упомянутого второго газообразного топлива, для того чтобы определить его число Воббе;
сравнивают измеренное значение числа Воббе для упомянутого второго газообразного топлива с соизмеренным значением числа Воббе для упомянутого газообразного топлива; и
осуществляют упомянутую процедуру управления режимом сгорания упомянутой турбины и величиной электрической мощности, которая подается упомянутой, по меньшей мере, одной турбиной, если разница между последовательными измерениями значения числа Воббе для одного или более из упомянутого газообразного топлива и упомянутого второго газообразного топлива равно или выше, чем разница между числами Воббе упомянутого газообразного топлива и упомянутого второго газообразного топлива.

3. Способ по п.1, дополнительно включающий этапы, на которых:
подают в упомянутую камеру сгорания смесь, содержащую пропорции и изменяющиеся по времени упомянутого газообразного топлива и второго газообразного топлива, имеющего другое число Воббе по отношению к числу Воббе упомянутого газообразного топлива;
измеряют с помощью упомянутых измерительных приборов температуру, теплотворную способность и относительную плотность смеси, для того чтобы определить его число Воббе;
сравнивают измеренное значение числа Воббе для упомянутой смеси с заданным значением числа Воббе для упомянутой смеси; и
регулируют температуру упомянутой смеси с помощью упомянутого теплообменника, для того чтобы достичь заданного значения числа Воббе для упомянутой смеси.

4. Способ по п.1, дополнительно содержащий этапы, на которых:
измеряют во время начало работы газовой турбины с помощью упомянутых одного или более измерительных приборов температуру, теплотворную способность и относительную плотность упомянутого газового топлива, для того чтобы определить число Воббе;
устанавливают оптимальный поток топлива и
зажигают поток топлива, причем все эти этапы осуществляются перед упомянутым этапом изменения.

5. Способ по п.2, дополнительно содержащий этап, на котором осуществляют быстрый переход от упомянутого газообразного топлива к упомянутому второму газообразному топливу.

6. Способ по п.1, дополнительно содержащий этапы, на которых:
запускают газовую турбину с холодным топливом;
устанавливают оптимальный поток холодного топлива;
зажигают холодное топливо в камере сгорания и используют диффузионное пламя для холодного топлива.

7. Способ по п.6, дополнительно содержащий этап, на котором принимают пар на по меньшей мере одном теплообменнике для увеличения температуры холодного топлива.

8. Способ по п.1, дополнительно включающий этапы, на которых:
подают в упомянутую камеру сгорания смесь, содержащую пропорции, изменяющиеся по времени упомянутого газообразного топлива и второго газообразного топлива, имеющего другое число Воббе по отношению к числу Воббе упомянутого газообразного топлива;
измеряют с помощью одного или более измерительных приборов температуру, теплотворную способность и относительную плотность упомянутой смеси, для того чтобы определить его число Воббе;
сравнивают измеренное значение числа Воббе упомянутой смеси с заданным значением числа Воббе и
регулируют температуру упомянутой смеси с помощью упомянутого по меньше мере одного теплообменника, для того чтобы достичь заданного значения числа Воббе.