СПОСОБ РАБОТЫ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ И ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ УКАЗАННОГО СПОСОБА Российский патент 2015 года по МПК F02C9/26 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к технологии газотурбинных двигателей. Оно относится к способу работы газотурбинного двигателя в соответствии с ограничительной частью пункта 1 формулы изобретения. В частности, изобретение относится к способу надежной работы газотурбинного двигателя при изменении составов топливного газа. Кроме того, оно относится к газотурбинной установке для осуществления указанного способа.

Уровень техники

Обычно газотурбинные двигатели приводятся в действие с использованием сжигаемого природного газа. Природный газ состоит, главным образом, из СНЦ (метан). Кроме того, природный газ содержит также так называемые неметановые компоненты, которыми могут быть разбавляющие или обогащающие вещества. Примерами разбавляющих веществ являются азот (N₂) и CO₂ (диоксид углерода). Обогащающими веществами обычно являются предельные углеводороды (C₂₊), такие как C₂H₆ (этан), C₃H₈ (пропан), бутан и т.п.

В настоящее время принято характеризовать качество, т.е. состав природного газа, с использованием двух показателей. Этими показателями являются теплотворная способность топлива, с одной стороны, и индекс Воббе, с другой стороны. Помимо этого, до настоящего момента установилась общепринятая практика работы газотурбинного двигателя на природном газе стабильного качества. В настоящее время компании, обеспечивающие поставку газа, еще не способны гарантировать стабильность качества природного газа, которым они снабжают потребителя.

В ходе либерализации рынка природного газа поставщики природного газа все в большей степени пытаются оптимизировать требования к природному газу и цены на природный газ. В результате природный газ получают из различных источников, смешивают его и подают потребителю. Это, в свою очередь, приводит к высокой степени непостоянства, изменчивости качества и/или состава природного газа.

Ясно, что эти переменные свойства природного газа оказывают влияние на процесс сжигания в камере сгорания газотурбинного двигателя и, соответственно, значительное влияние на работу газотурбинного двигателя. Замена топливного газа (газового топлива) приводит к выходу газотурбинного двигателя за пределы его оптимального рабочего диапазона. Это оказывает воздействие на эффект сокращения вредных выбросов и пульсационные характеристики и снижает надежность работы. Поэтому фирмы-владельцы энергетической установки в перспективе должны быть готовы к изменению качества природного газа.

Ранее уже было предложено измерять содержание алкана C₂₊ в газовом топливе и изменение распределения массовых расходов газового топлива между различными камерами сгорания и форсунками в соответствии с изменениями состава газового топлива (см, например, US 7216486 или US 7516608). В патентном документе US 7854110 описан процесс регулирования рабочих параметров газотурбинного двигателя, исходя из величины изменения энергосодержания газового топлива.

С другой стороны, было предложено (см., например, патентные документы US 7484352, или US 2006/0040225, или US 2009/0037029) изменять распределение массовых расходов топлива между различными камерами сгорания и форсунками в зависимости от пульсаций, возбуждаемых в камере сгорания.

Однако все еще существует необходимость в лучшей адаптации работы газотурбинного двигателя к быстрому изменению составов газового топлива в целях повышения стабильности работы и надежности газотурбинного двигателя.

Сущность изобретения

В связи с изложенным задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы даже в широком интервале быстрого изменения составов газового топлива газотурбинная установка всегда работала в оптимальном диапазоне.

Задача настоящего изобретения заключается также в обеспечении оптимального эффекта сокращения вредных выбросов, оптимальных пульсационных характеристик, а также надежности работы газотурбинного двигателя.

Эти и другие задачи решаются с помощью способа работы газотурбинного двигателя, содержащего компрессор, турбину и камеру сгорания с группой пусковых горелок, группой горелок с предварительным смешением, работающих на обедненной топливовоздушной смеси, и группой горелок с предварительным смешением, работающих на обогащенной топливовоздушной смеси, в условиях изменения состава поступающего газового топлива, при этом предложенный способ включает следующие стадии:

непрерывное измерение в реальном времени состава газового топлива; и регулирование работы указанного газотурбинного двигателя и сжигание топлива в указанных горелках с использованием указанных измерений состава газового топлива в реальном времени.

В соответствии с одним воплощением изобретения способ распределения топлива между группой пусковых горелок, группой горелок с предварительным смешением, работающих на обедненной топливовоздушной смеси, и группой горелок с предварительным смешением, работающих на обогащенной топливовоздушной смеси, оптимизируют в зависимости от измеренного фактического состава газового топлива.

Согласно другому воплощению изобретения способ регулирования горения в зависимости от трех указанных составов топлива комбинируют с регулированием горения в зависимости от пульсаций.

В соответствии со следующим воплощением способа согласно изобретению в соответствии с новыми условиями изменяют в реальном времени низшую теплотворную способность (LHV) и молекулярный вес (M_R) газообразного топлива для повышения стабильности регулирования двигателя во время переходного режима его работы.

В соответствии с еще одним воплощением предложенного способа состав газового топлива измеряют с помощью быстродействующих ИК-газоанализаторов (FIRGAs).

Согласно другому воплощению изобретения измеряют общую концентрацию углеводородов, имеющих два или более атомов углерода (C₂₊), и полученные результаты используют в качестве входного сигнала для регулирования газотурбинного двигателя.

В соответствии со следующим воплощением изобретения дополнительно в качестве входного сигнала для регулирования газотурбинного двигателя используют величины концентраций CH₄, C₂H₆, C₃H₈ и CO₂.

Еще одно воплощение изобретения характеризуется тем, что выше по ходу течения потока размещено устройство для смешения топлива.

Газотурбинная установка в соответствии с изобретением содержит газотурбинный двигатель, состоящий из компрессора, турбины и камеры сгорания с группой пусковых горелок, группой горелок предварительного смешения, работающих на обедненной топливовоздушной смеси, и группой горелок предварительного смешения, работающих на обогащенной топливовоздушной смеси, при этом указанные группы горелок снабжаются газовым топливом под контролем системы регулирования газотурбинного двигателя; газотурбинная установка отличается тем, что она снабжена средствами для анализа состава газообразного топлива, а также тем, что выход указанных средств анализа соединен с указанной системой регулирования газотурбинного двигателя посредством входной линии анализатора состава.

Одно воплощение газотурбинного двигателя отличается тем, что каждая из указанных групп горелок обеспечена регулирующим клапаном, и указанные регулирующие клапаны регулируются с помощью указанной системы регулирования газотурбинного двигателя посредством линии передачи команд.

В соответствии с другим воплощением предложенной газотурбинной установки система фильтрации и непрерывного контроля пульсаций в процессе горения непрерывно контролирует указанную камеру сгорания и соединена с указанной системой регулирования газотурбинного двигателя посредством линии передачи команд из системы непрерывного контроля.

Согласно другому воплощению предложенной газотурбинной установки выше по потоку от камеры сгорания установлено устройство для смешения топлива.

Краткое описание чертежей.

Настоящее изобретение более подробно будет раскрыто ниже с помощью различных воплощений и со ссылками на приложенные чертежи.

Фиг.1 - принципиальная схема газотурбинной установки в соответствии с одним воплощением изобретения, в котором используются быстродействующий ИК-газоанализатор и определенная система регулирования газотурбинного двигателя.

Фиг.2 - подробные сведения, касающиеся особенности системы регулирования газотурбинного двигателя, показанной на фиг.1.

Фиг.3 - графический пример принципа быстродействия (по сравнению с газовыми хроматографами (GCs)) в ответ на изменения состава газового топлива, основанного на использовании быстродействующих ИК-газоанализаторов (FIRGAs) в соответствии с изобретением.

Подробное описание различных воплощений изобретения

В настоящее время на существующий во всем мире парк газотурбинных двигателей накладываются все возрастающие требования для сжигания природного газа с более высокими содержаниями C₂₊ (углеводороды более высокого порядка) и, кроме того, с имеющими большую величину и быстроту флуктуации содержания C₂₊.

Настоящее изобретение предоставляет новый принцип регулирования работы газотурбинного двигателя, который, прежде всего, может обеспечить адаптацию работы двигателя к частым и быстрым изменениям качеств газового топлива.

Настоящее изобретение основано на общей идее реализации принципа регулирования с использованием двух быстродействующих ИК-газоанализаторов (FIRGAs) для детектирования изменения содержаний C₂₊ и инертного газа в составе топлива.

В то время как традиционные газовые хроматографы (GCs) имеют время отклика (срабатывания) до 20 минут (см. фиг.3), время отклика быстродействующих инфракрасных датчиков (FIRGAs) составляет менее 20 секунд. Изобретение использует эту выгодную особенность инфракрасных ИК-газоанализаторов для того, чтобы в режиме, близком к режиму реального времени, вновь оптимизировать основные рабочие характеристики двигателя для текущего состава топлива.

На фиг.1 представлена принципиальная схема газотурбинной установки в соответствии с одним воплощением изобретения, в которой используются быстродействующие ИК-газоанализаторы и специальная система регулирования газотурбинного двигателя. Газотурбинная установка 10 содержит газотурбинный двигатель 11 с компрессором, камерой 13 сгорания и турбиной 14. Камера 13 сгорания содержит три различные группы 15a-c топливных горелок, а именно, группу 15a пусковых горелок, группу 15b горелок предварительного смешения, работающих на обогащенной топливовоздушной смеси, и группу 15c горелок предварительного смешения, работающих на обедненной топливовоздушной смеси. Каждая группа горелок снабжается газовым топливом 16, при этом массовый расход газового топлива регулируют с помощью соответствующих клапанов V1, V2 и V3. Для прекращения общей подачи газового топлива установлен отсечной клапан V4.

Состав подаваемого газового топлива 16 анализируют в режиме реального времени с помощью быстродействующих инфракрасных газоанализаторов 17, которые соединены с системой 18 регулирования газотурбинного двигателя с помощью входной линии 20 газоанализаторов.

Кроме того, используется система 19 непрерывного контроля и фильтрации пульсации в процессе горения и для непрерывного контроля указанной камеры сгорания и снабжения указанной системы 18 регулирования газотурбинного двигателя соответствующими данными посредством входной линии 22 системы непрерывного контроля.

Система регулирования газотурбинного двигателя регулирует клапаны V1, V2 и V3 с помощью линии 21 передачи команд в соответствии с результатами измерения, полученными с помощью 17 быстродействующих инфракрасных газоанализаторов (FIRGAs) и системы 19 непрерывного контроля и фильтрации.

Дополнительно выше по потоку от камеры 13 сгорания может быть размещено устройство 23 для перемешивания топлива.

Как показано на фиг.2, в систему регулирования газотурбинного двигателя непосредственно поступают данные по содержанию C₂₊. Заданные величины распределения топлива при совместной работе горелок (регулирование без обратной связи) устанавливают в зависимости от состава топлива. Для повышения стабильности работы двигателя используют фактические значения LHV и M_R. Заданные значения переключения с переходом на новый режим (SWO) и переключения в обратном порядке (SWB) (при регулировании без обратной связи) устанавливают в зависимости от состава топлива. Усовершенствованная логика управления по пульсациям (APCL) также зависит от состава топлива (регулирование с обратной связью, исходя из пульсаций).

Способ работы газотурбинного двигателя в соответствии с изобретением может, таким образом, включать следующие основные особенности:

регулирование работы газотурбинного двигателя и процесса горения в горелках за счет использования данных измерений концентрации газообразного топлива в режиме реального времени, при этом концентрацию газообразного топлива измеряют с помощью быстродействующих инфракрасных газоанализаторов (FIRGAs) 17;

оптимизация в реальном времени распределения топлива между группой 15a пусковых горелок, группой 15b горелок предварительного смешения, работающих на обогащенной топливовоздушной смеси, и группой 15c горелок предварительного смешения, работающих на обедненной топливовоздушной смеси, в зависимости от фактического состава топлива;

комбинация регулирования процесса горения, основанного на составе топлива (т.е. в зависимости от C₂₊), и регулирования горения в зависимости от пульсаций; и

кроме того, производимые в режиме реального времени корректировки в соответствии с новыми величинами низшей теплотворной способности топлива (LHV в МДж/кг) и молекулярного веса (M_R в г/моль) для повышения стабильности контроля работы газотурбинного двигателя при работе двигателя в переходном режиме.

Предложенная идея изобретения позволяет оптимизировать процесс сжигания топлива и повысить надежность работы двигателя при изменении источников газообразного топлива во всем диапазоне нагрузок вплоть до номинальной нагрузки. Массовый расход газообразного топлива является, таким образом, функцией относительной нагрузки RL, пульсаций CP в процессе горения и состава FC топлива:

m_i=f(RL, CP, FC).

При проведении процесса предварительного смешения в области выше точки переключения регулирование сжигания, осуществляемое в зависимости от пульсаций с помощью более совершенной логической схемы управления пульсациями, комбинируют с регулированием на основе состава топлива, что позволяет дополнительно повысить функциональную надежности и оптимизировать характеристиками по вредным выбросам и пульсациям даже в случае замены источника газового топлива.

В соответствии с примером воплощения изобретения работа газотурбинного двигателя характеризуется следующими особенностями:

для измерений состава газового топлива в режиме реального времени используют быстродействующие инфракрасные газоанализаторы (FIRGAs);

в качестве входного сигнала для системы (18) регулирования газотурбинного двигателя используют общую концентрацию углеводородов, имеющих два или более атомов углерода (содержание C₂₊), а также концентрации CH₄, C₂H₆, C₃H₈ и CO₂;

оптимизировано распределение топлива при работе горелок предварительного смешения между группами 15b и 15с горелок предварительного смешения, работающих на обогащенной и бедной топливовоздушной смеси, соответственно, в зависимости от содержания C₂₊;

используется комбинация регулирования с обратной связью, основанного на измерении пульсаций в камере сгорания (более совершенная логическая схема управления пульсациями), с регулированием без обратной связи на основе фактического текущего состава газового топлива;

регулировка переключения на новый режим, а также переключения в обратном направлении распределения газового топлива между пусковыми горелками и горелками предварительного смешения, работающими на обогащенной и обедненной топливовоздушной смеси, в зависимости от измеренного содержания C₂₊;

оптимизация распределения топлива при совместном функционировании горелок между группами 15a-c пусковых горелок и горелок предварительного смешения, работающих на обогащенной и обедненной топливовоздушной смеси;

проведение оценки в реальном времени низшей теплотворной способности (LHV) и молекулярного веса (M_R) природных газов и непрерывное использование этой информации для повышения эффективности регулирования переходного режима газотурбинного двигателя.

Согласно альтернативному воплощению оценку величин LHV и M_R топлив на основе природного газа осуществляют без проведения анализа состава газа полностью, т.е. в режиме реального времени измеряют концентрации только CH₄, C₂H₆, C₃H₈ и CO₂.

В том случае, если содержание C₂₊ в газовом топливе превышает определенные рабочие пределы, реализуют меры защиты газотурбинного двигателя.

Размещение устройства 23 для смешивания различных видов газообразного топлива выше по потоку от камеры 13 сгорания может уменьшить очень сильные градиенты свойств газового топлива. Эта мера дополнительно обеспечивает устойчивый процесс регулирования двигателя.

Основные преимущества изобретения

Одно из преимуществ изобретения заключается в том, что газотурбинный двигатель теперь способен быстро и надежно реагировать на изменение составов газового топлива даже в широком диапазоне быстрого изменения составов газового топлива.

Следствиями этого преимущества являются улучшенная работа двигателя за счет ее оптимизации в режиме реального времени во всем интервале содержаний C₂₊ в топливе и бесперебойная работа двигателя благодаря его повышенной надежности при флуктуирующих содержаниях C₂₊ во всем интервале содержаний.

Другое преимущество изобретения заключается в том, что обеспечивается работа газотурбинного двигателя с оптимальными вредными выбросами и пульсационными характеристиками. Это повышает маневренность в работе фирмы-владельца газотурбинной установки, и она может использовать в своих интересах коммерческие выгоды замены топлив, содержащих C₂₊, на рынке топливной продукции.

Перечень ссылочных позиций:

10 - газотурбинная установка

11 - газотурбинный двигатель

12 - компрессор

13 - камера сгорания

14 - турбина

15a, b, c - группа горелок

16 - газовое топливо 17-FIRGA

18 - система регулирования газотурбинного двигателя

19 - система фильтрации и непрерывного контроля пульсаций в процессе горения

20 - входная линия газоанализатора

21 - линия передачи команд

22 - входная линия непрерывного контроля

23 - устройство для смешения топлив

GC - газовый хроматограф

FIRGA - быстродействующий инфракрасный газовый анализатор

V1,…, V4 - клапан

Изобретение относится к энергетике. Способ работы газотурбинной установки, содержащей компрессор, турбину и камеру сгорания с группой пусковых горелок, группой горелок с предварительным смешением, работающих на обогащенной топливовоздушной смеси, и группой горелок с предварительным смешением, работающих на обедненной топливовоздушной смеси, в условиях изменения состава поступающего газового топлива, при этом указанный способ включает стадии: непрерывного измерения в реальном времени состава газового топлива, регулирования работы указанного газотурбинного двигателя и сжигание топлива в указанных горелках с использованием указанных измерений состава газового топлива в реальном времени. Также представлена газотурбинная установка для осуществления способа согласно изобретению. Изобретение позволяет обеспечить работу установки в оптимальном диапазоне, а также обеспечить оптимальный эффект сокращения вредных выбросов, оптимальные пульсационные характеристики и надежность работы газотурбинного двигателя. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ работы газотурбинного двигателя (11), содержащего компрессор (12), турбину (14) и камеру сгорания (13) с группой (15a) пусковых горелок, группой (15b) горелок предварительного смешения, работающих на обогащенной топливовоздушной смеси, и группой (15c) горелок предварительного смешения, работающих на обедненной топливовоздушной смеси, в условиях изменения состава подаваемого газового топлива (16), включающий в себя этапы, на которых осуществляют
непрерывное измерение в реальном времени состава газового топлива (16),
регулирование работы указанного газотурбинного двигателя (11) и сжигание топлива в указанных горелках (15a-c) с использованием результатов указанных измерений состава газового топлива в реальном времени, причём указанное регулирование процесса сжигания топлива в зависимости от состава комбинируют с регулированием процесса сжигания топлива в зависимости от пульсаций,
отличающийся тем, что комбинируют регулирование с обратной связью, основанное на измерении пульсаций в камере сгорания, с регулированием без обратной связи, основанным на фактическом составе газового топлива, при этом выше по потоку от камеры сгорания (13) расположено устройство (23) смешения газового топлива для смешивания различных типов газовых топлив.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что
распределение топлива между группой (15a) пусковых горелок, группой (15b) горелок предварительного смешения, работающих на обогащенной топливовоздушной смеси, и группой (15c) горелок предварительного смешения, работающих на обедненной топливовоздушной смеси, оптимизируют в зависимости от измеренного фактического состава газового топлива.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что низшую теплотворную способность (LHV) и молекулярный вес (M_R) газового топлива (16) изменяют в режиме реального времени в соответствии с новыми условиями для повышения стабильности регулирования двигателя во время переходного режима работы.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что состав газового топлива измеряют посредством быстродействующих ИК-газоанализаторов (FIRGAs).

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что измеряют общую концентрацию углеводородов с двумя или более атомами углерода (C₂₊) и используют ее в качестве входного сигнала для регулирования газотурбинного двигателя.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что дополнительно в качестве входного сигнала для регулирования газотурбинного двигателя используют концентрации CH₄, C₂H₆, C₃H₈ и CO₂.

7. Способ по п.3, отличающийся тем, что низшую теплотворную способность (LHV) и молекулярный вес (M_R) газового топлива (16) оценивают по измерениям в режиме реального времени концентраций CH₄, C₂H₆, C₃H₈ и CO₂.

8. Газотурбинная установка (10) для осуществления способа по любому из пп.1-7, содержащая газотурбинный двигатель (11), содержащий компрессор (12), турбину (14) и камеру сгорания (13) с группой (15a) пусковых горелок, группой (15b) горелок предварительного смешения, работающих на обогащенной топливовоздушной смеси, и группой (15c) горелок предварительного смешения, работающих на обедненной топливовоздушной смеси, при этом указанные группы (15a-c) горелок снабжаются газообразным топливом (16) под контролем системы (18) регулирования газотурбинного двигателя, отличающаяся тем, что предусмотрены средства (17) анализа состава газового топлива (16), при этом выход указанного средства (17) анализа соединен с указанной системой (18) регулирования газотурбинного двигателя посредством входной линии (20) анализатора состава с регулированием без обратной связи, а система (19) фильтрации и непрерывного контроля пульсации с регулированием с обратной связью непрерывно при сжигании топлива контролирует указанную камеру (13) сгорания и соединена с указанной системой (18) регулирования газотурбинного двигателя посредством выходной линии (22) системы непрерывного контроля, причём выше по потоку от камеры сгорания (13) расположено устройство (23) смешения топлива для смешения различных типов газового топлива.

9. Газотурбинная установка по п.8, отличающаяся тем, что предусмотрен регулирующий клапан (V1, V2, V3) для каждой из указанных групп (15a-c) горелок, при этом указанные регулирующие клапаны (V1, V2, V3) регулируют посредством линии (21) передачи команд посредством указанной системы (18) регулирования газотурбинного двигателя.