СПОСОБ ПУСКА И ГАЗОСНАБЖЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОЙ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2016 года по МПК F02C7/26 

Изобретение относится к области энергетики и может найти применение в энергетических газотурбинных установках (ГТУ), преимущественно используемых в парогазовых тепловых электрических станциях.

В связи с тем, что у большинства высокоэффективных энергетических ГТУ, на высоких режимах работы, в камере сгорания давление воздуха (1,5÷2,5 МПа и более) больше, чем давление топливного (природного) газа в питающем эту ГТУ газопроводе (газопроводы среднего давления - 0,2÷0,6 МПа и газопроводы высокого давления 2-й категории - до 1,2 МПа), возникает необходимость компримирования топливного газа в дожимном газовом компрессоре (ДК). Кроме того, во время работы ГТУ на высоких режимах существует необходимость снижения вредных выбросов оксидов азота до нормативного уровня (в России по ГОСТу не более 50 мг/нм³).

Известна газодожимная установка газотурбинной электростанции, обеспечивающая газоснабжение камеры сгорания парогазовой установки (ПТУ) топливным газом из газопровода недостаточно высокого давления [1]. Газодожимная установка содержит ДК1 (фиг. 1) с приводной паровой турбиной (ПТ) 2 утилизационного контура ПГУ. ДК 1 соединен трубопроводом с камерой сгорания 3 газотурбинного двигателя (ГТД) 4 через регулирующую арматуру - дозатор газового топлива 5, а ПТ 2 с паровым котлом-утилизатором (КУП) 6 трубопроводом через отсечной клапан. Давление пара - скользящее, нерегулируемое, устанавливающееся в зависимости от расхода и температуры пара перед ПТ 2, а также от пропускной ее способности. Мощность ПТ 2 потребляется ДК 1, осуществляющим сжатие и подачу газового топлива в камеру сгорания 3 ГТД 4. Расход топлива регулируют дозатором топлива 5 по условиям работы ГТД 4. Частота вращения ротора блока ДК-ПТ 1,2 устанавливается в зависимости от сочетания величины потребной мощности ДК 1, соответствующей требуемым значениям давления и расхода газа за ним, с одной стороны, и располагаемой мощности ПТ 2, определяемой параметрами пара перед ПТ 2, с другой стороны. А расход и температура пара перед ПТ 2 на переменных режимах определяются параметрами выхлопных газов ГТД4.

Недостатками известного устройства газоснабжения энергетической ГТУ с применением регулирующего дозатора газового топлива и нерегулируемой ПТ является необходимость создания ДК высокого давления топливного газа, в 1,5-2 раза превышающего давление в камере сгорания ГТУ, что снижает эффективность энергетической ГТУ, усложняет конструкцию, увеличивает габариты и стоимость дожимных устройств, затрудняет их размещение вблизи ГТУ, снижает надежность и безопасность. Переменная частота вращения ДК и ПТ при неизменности геометрии их проточной части определяют низкую экономичность этих устройств на переменных режимах работы. Экологическая характеристика такой ГТУ низкая из-за высокого содержания оксидов азота в выхлопных газах. Для удовлетворения требованиям ГОСТа по экологии необходимо разработать высокоэффективную камеру сгорания, что является серьезной технической задачей и увеличивает стоимость ГТУ.

Существует относительно дешевый метод снижения вредных выбросов оксидов азота выхлопа ГТУ, путем впрыска пара в камеру сгорания по известному способу пуска и газоснабжения энергетической ГТУ и устройству для его осуществления [2]. Этот способ, принятый в качестве прототипа, включает раскрутку жестко связанных роторов газогенератора ГТД и ДК внешним пусковым двигателем, подачу топливного газа через ДК в камеру сгорания ГТУ и его зажигание, затем, при достижении расчетных оборотов, с помощью расцепной муфты, отсоединение от пускового двигателя роторов ГТД и ДК. Дальнейший вывод роторов ДК и ГТД на рабочие обороты с увеличением расхода и давления топливного газа производится с помощью пара от источника высокого давления, который, после открытия запорного и регулирующего паровых клапанов, подается в пароструйный компрессор, активное сопло эжектора. В пассивное сопло пароструйного компрессора через регулирующий клапан поступает топливный газ из ДК. Топливный газ, дополнительно сжатый в пароструйном компрессоре, парогазовой смесью направляют в камеру сгорания ГТУ. Регулирование расхода газа осуществляется регулирующим паровым клапаном и регулирующим топливным клапаном по программе, обеспечивающей отношение компонентов парогазовой смеси, соответствующее требуемому уровню мощности ГТУ и минимальному содержанию оксидов азота в выхлопных газах.

Описанный способ реализуется в ГТУ, содержащей ДК 1 (фиг. 2), внешний пусковой двигатель 7, соединенный через автоматическую расцепную муфту 8 с жестко связанными роторами ГТД 4 и ДК 1, который после себя по газопроводу топливного газа имеет регулирующий клапан 9 и пароструйный компрессор 10, соединенный по выходу трубопроводом подачи парогазовой смеси с камерой сгорания 3 и по входу активного сопла через запорный (отсечной) паровой клапан 11 и регулирующий паровой клапан 12 с источником пара высокого давления.

Известный способ и устройство не позволяют во всем диапазоне мощности работы энергетической ГТУ обеспечить зону горения камеры сгорания парогазовой смесью оптимального соотношения компонентов. Наличие регулирующего парового клапана и регулирующего клапана топливного газа предполагает дросселированные рабочих тел, что снижает эффективность ГТУ. Низкая эффективность пароструйного компрессора также снижает эффективность ГТУ.

Задачами настоящего изобретения являются:

1) повышение экономичности и надежности, а также снижение габаритов и стоимости энергетической ГТУ с ДК;

2) снижение содержания оксидов азота в продуктах сгорания ГТУ.

Поставленные задачи достигаются тем, что в известном из прототипа способе пуска и газоснабжения энергетической ГТУ, включающем раскрутку ротора газогенератора ГТД, подачу топливного газа через ДК и пассивное сопло эжектора в зону горения камеры сгорания ГТУ, его зажигание и вывод ротора ГТД на рабочие обороты за счет увеличения расхода и давления топливного газа, согласно изобретению регулирование расхода топливного газа до подключения котла утилизационного парового (КУП) осуществляется регулируемым направляющим аппаратом (РНА) ДК, а после подачи пара на вход регулируемого соплового аппарата (РСА) приводной ПТ - с помощью РНА и РСА. При этом пар после ПТ на низких режимах работы ГТУ направляется в проточную часть ГТД по потоку рабочего тела за зону горения камеры сгорания, а на высоких режимах - еще и в активное сопло эжектора-смесителя и тогда автоматическое регулирование расхода топливного газа и пара осуществляется РНА ДК, РСА ПТ и регулировочной иглой-дозатором эжектора-смесителя по программе, обеспечивающей экономичную работу ДК и ПТ на всех режимах работы ГТУ, а также поддерживающей отношение компонентов парогазовой смеси, соответствующее требуемому уровню мощности ГТУ и минимальному содержанию оксидов азота в выхлопных газах.

Поставленная задача решается также за счет того, что в энергетической ГТУ, содержащей турбогенератор, соединенный валом с ГТД, КУП, ДК, соединенный валом с приводной ПТ, и эжектор-смеситель, у которого пневматический выход соединен трубопроводом с зоной горения камеры сгорания ГТУ и пневматический вход пассивного сопла соединен трубопроводом с выходом газа из ДК, а выход пара из КУП соединен трубопроводом через отсечной клапан с входом пара в ПТ, согласно изобретению имеются в ДК РНА, в ПТ РСА, в эжекторе-смесителе регулируемая игла-дозатор активного сопла, и пневматический вход в активное сопло соединен трубопроводом с выходом пара из ПТ, который соединен также трубопроводом с проточной частью ГТД по потоку за зоной горения камеры сгорания.

На фигуре 3 изображена энергетическая ГТУ.

Основными элементами энергетической ГТУ являются турбогенератор 13, ГТД4 с камерой сгорания 3, КУП 6, ПТ 2 с РСА 14, ДК 1 с РНА 15, эжектор-смеситель 16 с пневматическими выходом 17, входами в активное 18 и пассивное 19 сопла и регулируемой иглой-дозатором 20. Имеются отсечной паровой клапан 21, задвижка газовая 22, трубопроводы пара 23, 24, 25, топливного газа 26, 27, смеси пара с топливным газом 28 и пневмопровод выхлопа 29, 30. Обозначены направления движения рабочих сред, подводы воды 31 и воздуха 32.

Способ пуска и газоснабжения ГТУ осуществляется следующим образом. Турбогенератором 13 в режиме мотор-генератор или внешним пусковым двигателем (не показан) раскручивают ротор газогенератора ГТД 4. При этом воздух 32 после компрессора поступает в камеру сгорания 3 ГТД 4. После достижения ротором ГТД пусковых оборотов открывают задвижку топливного газа 22 и подают топливный газ из внешнего газопровода (не показан) по трубопроводу 26 в ДК 1. В ДК 1 открывают РНА 15 на величины, соответствующие алгоритму начала работы ГТУ, частичного набора мощности: зажигание, режим «холостого хода», запуска КУП 6, приема нагрузки турбогенератором 13. Все эти режимы, как и возможная величина частичной мощности, обеспечиваются имеющимся превышением давления топливного газа на входе в РНА 15 над давлением воздуха в камере сгорания 3, создаваемым раскрученным компрессором ГТД 4. При этом топливный газ, регулируемый РНА 15, по газопроводу 27 проходит в пассивное сопло 19 эжектора-смесителя 16, откуда через выход 17 по трубопроводу 28 поступает для горения в камеру сгорания 3. Небольшой расход топлива по отношению к воздуху (коэффициент избытка воздуха большой) определяет относительно низкую температуру продуктов сгорания в зоне горения камеры сгорания 3, недостаточную для интенсивного образования оксидов азота. Газ выхлопа ГТД4 по пневмопроводу (диффузору) 29 проходит в КУП 6, где после подачи воды 31 генерирует пар, который после открытия отсечного парового клапана 21 поступает в ПТ 2, раскручивает ротор ПТ 2 и соединенный с ней ротор ДК 1. Из ПТ 2 пар по паропроводу 24 поступает в проточную часть ГТД 4, выполняя там роль рабочего тела турбины или хладагента системы охлаждения. Частота вращения роторов ДК 1 и ПТ 2 устанавливается в зависимости от сочетания величины потребной мощности ДК 1, соответствующей требуемым значениям давления и расхода топливного газа за ним, с одной стороны, и располагаемой мощности ПТ 2, определяемой параметрами пара перед ПТ 2 и за ПТ 2, с другой стороны. А расход и температура пара перед ПТ 2 определяются параметрами выхлопа ГТД 4 по скользящей характеристике КУП 6 и пропускной способностью ПТ 2, определяемой РСА 14 и параметрами на выходе ПТ 2. При этом регулирование работы ГТУ обеспечивается уже двумя органами - РНА 15 и РСА 14 по наиболее эффективному алгоритму. Критериями эффективности служат расходы пара и топливного газа при заданной мощности ГТУ. Возможность изменять угол натекания потока рабочего тела на рабочее колесо за РНА 15 и РСА 14, в зависимости от частоты вращения рабочего колеса, благоприятствует повышению эффективности работы ДК 1 и ПТ 2 в широком диапазоне режимов.

При подаче пара в ПТ 2 и работе ДК 1 снимается ограничение набора мощности ГТУ из-за низкого давления топливного газа перед камерой сгорания 3 ГТД 4, обеспечивается набор мощности ГТУ вплоть до номинального режима (и выше в холодное время года). Набор мощности ГТУ связан с повышением параметров рабочего процесса в зоне горения камеры сгорания 3 ГТД 4, влечет за собой повышение уровня вредных выбросов оксидов азота. С целью недопущения величины вредных выбросов оксидов азота, выше разрешенного предельного уровня, горячие газы в зоне горения камеры сгорания 3 балластируют нейтральным (с точки зрения химической реакции образования оксидов азота) водяным паром. Для этого, при повышении режима работы ГТУ, с помощью регулируемой иглы-дозатора 20 открывают проход пара из ПТ 2 по паропроводу 25 в эжектор-смеситель 16. Пройдя активное сопло 18, пар смешивается с топливным газом пассивного сопла 19 и через пневматический выход 17 и трубопровод 28, в виде равномерной (гомогенной) парогазовой смеси, поступает в зону горения камеры сгорания 3. Заданная проходная площадь активного сопла 18 обеспечивается положением иглы-дозатора 20 и определяется необходимым отношением компонентов парогазовой смеси, для обеспечения требуемого уровня мощности ГТУ, границы содержания оксидов азота в выхлопных газах и эффективной работы камеры сгорания 3. Таким образом, с момента открытия активного сопла 18 регулирование работы ГТУ обеспечивают три органа - РНА 14, РСА 15 и регулирующая игла-дозатор 20. Программой регулирования задается положение этих органов для наиболее эффективной и безопасной работы ГТУ.

Благодаря этому можно обеспечить удержание концентрации оксидов азота выхлопа в разрешенных пределах во всем диапазоне эффективного регулирования мощности ГТУ, повысить эффективность ГТУ за счет снижения степени сжатия дожимного компрессора и возврата теплоты сжатого топливного газа и пара в цикл ГТУ. Уменьшаются габариты, вес и стоимость всей энергетической установки, облегчается компоновка дожимного компрессора в едином боксе ГТУ, повышается ее надежность, экономичность и безопасность.

Источники информации

1. Патент РФ №2271458 Газодожимная установка газотурбинной электростанции, F02С 6/18 - аналог.

2. Патент РФ №2186224 Способ пуска и газоснабжения электрической газотурбинной установки и устройство для его осуществления, F02С 7/26 - прототип.

3. Патент США №2826038 Gas turbine plant with liquid and gaseous fuels, F02C 3/20.

4. Патент США №5682737 Method for starting up a combination gas and steam power plant, F01K 23/16; F02C 3/22; F02C 6/18; F02C 7/26; F02C 7/277; F02C 9/40; (IPC1-7): F02C 6/18; F02C 7/26.

5. Патент США №5329757 Turbocharger-based bleed-air driven fuel gas booster system and method, F02B 43/00; F02C 3/22; F02C 6/10; (IPC1-7): F02C 3/22.

6. Патент США №4212160 Combined cycle power plant using low Btu gas, F02B 43/00; (IPC1-7): F02B 43/08; F02C 7/02.

7. Патент РФ №2111370 Способ пуска и газоснабжения электрической газотурбинной установки, F02C 7/26.

8. Патент РФ №2142565 Парогазовая установка, F01K 23/10, F02C 7/26.

9. Патент РФ №2182247 Способ пуска и газоснабжения электрической газотурбинной установки и устройство для его осуществления, F02C 7/26.

10. Патент РФ №2372498 Парогазовая установка, F01K 23/10, F02C 6/18.

Изобретение относится к области энергетики, а именно к способу регулирования газоснабжения в энергетической газотурбинной установке (ГТУ), и может найти применение в энергетических газотурбинных установках. Раскручивают ротор газогенератора газотурбинного двигателя (ГТД) для подачи воздуха в камеру сгорания. После достижения ротором ГТД пусковых оборотов открывают задвижку топливного газа на ГТУ и подают топливный газ в дожимной газовый компрессор. В дожимном газовом компрессоре открывают регулируемый направляющий аппарат для обеспечения превышения давления топливного газа на входе в камеру сгорания над давлением воздуха в камере сгорания и подают топливный газ в пассивное сопло эжектора-смесителя, из которого топливный газ подают для горения в камеру сгорания. Газ выхлопа ГТД по пневмопроводу подают в паровой котел-утилизатор, в котором после подачи воды генерируется пар. Открывают отсечной паровой клапан для подачи пара в паровую турбину, снабженную регулируемым сопловым аппаратом, для раскручивания ротора паровой турбины и соединенного с ней ротора дожимного газового компрессора, при этом из паровой турбины пар подают в проточную часть ГТД в виде рабочего тела турбины или хладагента системы охлаждения ГТД. При работе дожимного газового компрессора и на высоких режимах ГТД с помощью регулируемой иглы-дозатора подают пар из паровой турбины в эжектор-смеситель, в котором после прохождения активного сопла пар смешивают с топливным газом, поданным в пассивное сопло, и через пневматический выход эжектора-смесителя в виде равномерной парогазовой смеси подают в зону горения камеры сгорания. Обеспечивается уменьшение концентрации оксидов азота в продуктах сгорания, увеличение мощности энергетической газотурбинной установки, повышение ее надежности, экономичность и безопасность. 3 ил.

Способ регулирования газоснабжения в энергетической газотурбинной установке (ГТУ), характеризующийся тем, что раскручивают ротор газогенератора газотурбинного двигателя (ГТД) для подачи воздуха в камеру сгорания, после достижения ротором ГТД пусковых оборотов открывают задвижку топливного газа на ГТУ и подают топливный газ в дожимной газовый компрессор, в дожимном газовом компрессоре открывают регулируемый направляющий аппарат для обеспечения превышения давления топливного газа на входе в камеру сгорания над давлением воздуха в камере сгорания и подают топливный газ в пассивное сопло эжектора-смесителя, из которого топливный газ подают для горения в камеру сгорания, газ выхлопа ГТД по пневмопроводу подают в паровой котел-утилизатор, в котором после подачи воды генерируется пар, открывают отсечной паровой клапан для подачи пара в паровую турбину, снабженную регулируемым сопловым аппаратом, для раскручивания ротора паровой турбины и соединенного с ней ротора дожимного газового компрессора, при этом из паровой турбины пар подают в проточную часть ГТД в виде рабочего тела турбины или хладагента системы охлаждения ГТД, причем при работе дожимного газового компрессора и на высоких режимах ГТД с помощью регулируемой иглы-дозатора подают пар из паровой турбины в эжектор-смеситель, в котором после прохождения активного сопла пар смешивают с топливным газом, поданным в пассивное сопло, и через пневматический выход эжектора-смесителя в виде равномерной парогазовой смеси подают в зону горения камеры сгорания.