СПОСОБ КОНТРОЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ТЕКУЧИХ СРЕД, ТОПЛИВНАЯ СИСТЕМА, СПОСОБ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ КЛАПАНА И ГАЗОВАЯ ТУРБИНА Российский патент 2017 года по МПК F02C7/22 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Настоящее изобретение, в общем, относится к газовым турбинам и, в частности, к системам и способам контроля разделения текучих сред и/или контроля состояния клапана.

ПРЕДПОСЫЛКИ К СОЗДАНИЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0002] Газотурбинные системы широко используются в таких областях, как производство электроэнергии. Традиционная газотурбинная система содержит компрессор, одну или более камер сгорания и турбину. Сжатый воздух создается в компрессоре и поступает в камеру сгорания, где сжатый воздух смешивается с топливом и сжигается. Горячие газообразные продукты сгорания поступают из камеры сгорания в турбину для того, чтобы привести в движение газотурбинную систему и выработать электроэнергию. [0003] В газотурбинных системах топливная система подает топливо в камеру сгорания. Для того чтобы избежать непреднамеренного горения вне камеры сгорания, топливная система выполнена с возможностью отделения топливного трубопровода от трубопровода, переносящего другие текучие среды системы, такие как горячий воздух или вторичные топлива. Во многих газотурбинных системах в топливной системе используется инертный газ для отделения топлива от других текучих сред системы. В таких газотурбинных системах для поддержания разделения текучих сред между топливом и другими текучими средами системы, топливная система предусматривает заполнение инертным газом полости между трубопроводом для переноса топлива и трубопроводом для переноса других текучих сред системы и поддержание инертного газа под давлением, превышающим давления топлива и других текучих сред системы.

[0004] В настоящее время для поддержания разделения текучих сред в газовой турбине инертный газ, разделяющий топливо и другие текучие среды системы, поддерживается под постоянным заранее заданным давлением. Заранее заданное давление определяется добавлением запаса надежности к исторически максимальному давлению топлива и других текучих сред системы на основе наихудшего сценария условий эксплуатации турбины. Этот способ часто приводил к очень высоким и чрезмерно осторожным требованиям к давлению инертного газа, поскольку многие факторы могут оказывать влияние на давления топлива и других текучих сред системы, такие как температура окружающего воздуха, поступающего в турбину, и нагрузка на турбину. В свою очередь высокие требования к давлению инертного газа также приводят в итоге к высоким расходам инертного газа, большим требованиям к хранению инертного газа под высоким давлением и негибким пределам регулирования работы системы.

[0005] Соответственно, необходимы новые системы и способы контроля разделения текучих сред в газовой турбине, которые учитывают изменения в требуемом давлении инертного газа.

[0006] Кроме того, в самой топливной системе для регулирования расхода топлива и других текучих сред системы используются клапаны. Техническое обслуживание этих клапанов является жизненно важным для эффективности эксплуатации и безопасности газотурбинной системы. Например, подтекающий клапан может стать причиной незапланированных остановок турбинной системы или опасного смешивания топлива и других текучих сред системы. В настоящее время физический осмотр является основным методом определения технического состояния клапанов в топливной системе. Однако физические осмотры являются дорогими и требуют больших затрат времени, так как они часто требуют выведения турбины из эксплуатации. Кроме того, с помощью физического осмотра трудно разрешить некоторые проблемы обслуживания клапанов.

[0007] Таким образом, необходимы новые системы и способы контроля состояния клапанов в газовых турбинах для предотвращения дорогостоящих отключений.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0008] Аспекты и преимущества настоящего изобретения будут изложены частично в последующем описании, или могут быть очевидными из описания, или могут быть изучены, исходя из практики применения изобретения.

[0009] В одном варианте предлагается способ контроля разделения текучих сред в газовой турбине, имеющей полость источника первой текучей среды и полость источника второй текучей среды, сообщающиеся по потоку с разделительной полостью. Способ включает получение перепада давления между полостью источника первой текучей среды и разделительной полостью и сравнение перепада давления с заранее заданным значением.

[0010] В другом варианте осуществления настоящего изобретения раскрывается газовая турбина, которая содержит топливную полость, имеющую топливо, содержащееся в ней, полость текучей среды, имеющую текучую среду, содержащуюся в ней, и полость инертной среды, связанную по потоку с топливной полостью и полостью текучей среды, при этом полость инертной среды выполнена с возможностью селективного поддержания разделения текучих сред между топливом и текучей средой. Газовая турбина также содержит контроллер, выполненный с возможностью получения перепада давления между топливной полостью и полостью инертной среды. Контроллер также выполнен с возможностью сравнения перепада давления с заранее заданным значением.

[0011] В другом варианте осуществления настоящего изобретения раскрывается способ контроля состояния клапана. Способ включает получение множества результатов измерений параметра текучей среды в разделительной полости и/или полости источника, при этом разделительная полость сообщается по потоку с полостью источника, определение тенденции изменения множества результатов измерений параметра текучей среды с течением времени и определение технического состояния клапана на основе, по меньшей мере частично, тенденции изменения результатов измерений параметра текучей среды с течением времени.

[0012] В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения раскрывается газовая турбина, имеющая полость источника, разделительную полость, сообщающуюся по потоку с полостью источника, и клапан, выполненный с возможностью селективного регулирования расхода текучей среды между разделительной полостью и полостью источника. Газовая турбина также содержит контроллер, выполненный с возможностью получения множества результатов измерений параметра текучей среды в разделительной полости и/или полости источника. Контроллер также выполнен с возможностью определения тенденции изменения множества результатов измерений параметра текучей среды с течением времени и установления технического состояния клапана на основе, по меньшей мере частично, тенденции изменения результатов измерений параметра текучей среды с течением времени.

[0013] Эти и другие особенности, аспекты и преимущества настоящего изобретения станут более понятными при обращении к сопроводительным чертежам и приложенной формуле изобретения. Сопроводительные чертежи, которые включаются в настоящее описание и составляют его часть, иллюстрируют варианты осуществления настоящего изобретения и вместе с описанием служат для разъяснения принципов изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0014] Полное описание настоящего изобретения, включая наилучший способ его осуществления, предназначенное для специалиста в данной области техники, приводится с соответствующими ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:

[0015] Фиг.1 представляет структурную схему топливной системы газовой турбины в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения со всеми клапанами топливной системы в открытом положении;

[0016] Фиг.2 представляет структурную схему топливной системы фиг.1 в нормальном рабочем режиме с определенными клапанами, показанными черным цветом, в закрытом положении;

[0017] Фиг.3 представляет структурную схему топливной системы фиг.1 в режиме продувки инертной средой с определенными клапанами, показанными черным цветом, в закрытом положении;

[0018] Фиг.4 представляет структурную схему газовой турбины в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения, выполненную с возможностью разделения первой текучей среды и второй текучей среды;

[0019] Фиг.5 представляет структурную схему газовой турбины в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения, выполненную с возможностью разделения первой текучей среды и второй текучей среды;

[0020] Фиг.6 представляет блок-схему способа контроля разделения текучих сред в газотурбинной системе в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения; и

[0021] Фиг.7 представляет блок-схему способа контроля состояния клапана в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0022] Предметом настоящего изобретения, в общем, являются топливные системы для газовой турбины и соответствующие способы контроля разделения текучих сред в топливных системах. В частности, системы и способы включают в себя измерение перепадов давления и сравнение результатов измерений с заранее заданной величиной. Обратимся к более подробному описанию вариантов осуществления изобретения, один или более примеров которых проиллюстрированы на чертежах. Каждый пример рассматривается для объяснения изобретения, а не его ограничения. В действительности, специалистам в области техники понятно, что различные модификации и варианты могут быть осуществлены в пределах сущности или объема изобретения. Например, признаки, проиллюстрированные или описанные как часть одного варианта, могут быть использованы в другом варианте для получения в результате еще одного варианта. Таким образом, предполагается, что настоящее изобретение охватывает такие модификации или варианты, которые находятся в пределах объема пунктов прилагаемой формулы изобретения и их эквивалентов.

[0023] Фиг.1 представляет собой схему трубопроводов, иллюстрирующую пример осуществления топливной системы 102 газотурбинной системы 100, выполненной в соответствии с аспектами настоящего описания. Однако следует понимать, что способы и системы, раскрытые в настоящем документе, не ограничены использованием с газовыми турбинами или с любым другим типом силовой установки как таковой. Кроме того, следует понимать, что способы и системы, описанные в настоящем документе, могут быть также реализованы в ряде других схем и конфигураций трубопроводов, отличных от точной конфигурации, проиллюстрированной в настоящем документе.

[0024] На фиг.1 все клапаны топливной системы 102 находятся в открытом положении. На фиг.2 и 3 определенные клапаны топливной системы 102 находятся в закрытом положении, что показано черным цветом. Схемы расположения клапанов на фиг.2 и 3 соответствует определенному режиму работы топливной системы 102, что будет подробно описано ниже.

[0025] Как можно видеть на фиг.1, газотурбинная система 100 содержит турбину 104, камеру 108 сгорания и компрессор 106. Камера 108 сгорания выполнена с возможностью получения топлива, инертного газа и воздуха из топливной системы 102. Топливо и воздух, полученные камерой 108 сгорания, сжигаются и отводятся в турбину 104 и далее в выпускное отверстие 110 для отходящих газов турбины. Сгорание топлива и воздуха в камере 108 сгорания используется для приведения в действие турбины 104. В свою очередь турбина 104 находится в рабочей связи с компрессором 106 посредством вала 109, так что турбина 104 снабжает энергией компрессор 106. Компрессор 106 выполнен с возможностью получения воздуха через впускное отверстие 111 для воздуха компрессора и повышения давления такого воздуха по мере того, как он проходит через компрессор 106. Часть сжатого воздуха, нагнетаемого компрессором 106, может быть направлена в камеру 108 сгорания через выпускной продувочный клапан 120 компрессора выше по потоку и выпускной продувочный клапан 122 компрессора ниже по потоку.

[0026] Как можно видеть из фиг.1, топливная система 102 также получает топливо от источника 140 топлива. Топливом может быть синтез-газ, природный газ или любое другое подходящее топливо. Топливный клапан 142 и регулирующий клапан 144 выполнены с возможностью селективного регулирования расхода топлива из источника 140 топлива в камеру 108 сгорания.

[0027] Как показано на фиг.1, топливная система 102 также содержит источник 130 инертной текучей среды для подачи инертной текучей среды, которая может быть использована для продувки участков топливной системы 102. Инертной текучей средой может быть азот, пар, углекислый газ или любая другая инертная среда. В показанном примере осуществления изобретения инертная текучая среда из источника 130 инертной текучей среды подается через две ветви, ведущие к клапанам 132 и/или 134 подачи инертной текучей среды. Клапаны 132, 134 подачи инертной текучей среды выполнены с возможностью селективного регулирования расхода инертной текучей среды из источника 130 инертной текучей среды.

[0028] Газотурбинная система 100 может также содержать контроллер 160. Как описано более подробно ниже, контроллер 160 выполнен с возможностью получения сигналов от входов или источников и, по меньшей мере частично, в ответ на такие сигналы выполнения определенных функций. Например, контроллер 160 может быть связан с источниками, например, с помощью проводных соединений, как показано на фиг.1, или с помощью беспроводных соединений с целью получения таких сигналов. В таких примерах осуществления изобретения контроллер 160 может содержать память и микропроцессор, центральный процессор (central processing unit, CPU) или подобное устройство, такое как микропроцессор общего или специального назначения, пригодный к эксплуатации для выполнения команд или кода микроуправления, связанного с газотурбинной системой 100. Память может представлять собой оперативное запоминающее устройство, такое как динамическое ОЗУ (dynamic random access memory, DRAM), или постоянное запоминающее устройство, такое как ПЗУ (read only memory, ROM) или флэш-память (FLASH). В одном варианте процессор выполняет программные команды, хранящиеся в памяти. Память может быть отдельным от процессора компонентом или может быть встроена в процессор.

[0029] В показанном примере осуществления изобретения на фиг.1 контроллер 160 выполнен с возможностью получения сигналов от источников, таких как первый дифференциальный датчик 150 давления и второй дифференциальный датчик 152 давления. Первый и второй дифференциальные датчики 150, 152 давления выполнены с возможностью определения соответствующего перепада давления на соответствующем клапане дифференциального датчика 150, 152 давления, когда клапан находится в закрытом положении. Например, первый дифференциальный датчик 150 давления выполнен с возможностью определения результата измерения первого перепада давления на топливном клапане 142, и второй дифференциальный датчик 152 давления выполнен с возможностью определения результата измерения второго перепада давления на выпускном продувочном клапане 122 компрессора ниже по потоку. Специалистам в данной области должно быть понятно, что газотурбинная система 100 может содержать дополнительные дифференциальные датчики давления, выполненные с возможностью определения перепадов давления на любом подходящем клапане газотурбинной системы 100 (например, выпускном продувочном клапане 120 компрессора выше по потоку, выпускном продувочном клапане 122 компрессора ниже по потоку или регулирующем клапане 144).

[0030] Кроме того, как показано на фиг.1, контроллер 160 может быть выполнен с возможностью получения сигналов от расходомеров 136 клапанов 132, 134 подачи инертных текучих сред. Расходомеры могут быть, например, датчиками расхода или массового расхода. Каждый из расходомеров 136 может быть выполнен с возможностью измерения расхода инертной текучей среды через соответствующий клапан 132 или 134 подачи инертной текучей среды. Таким образом, контроллер 160 может получать сигналы от расходомеров 136, где каждый сигнал соответствует расходу инертной текучей среды через один конкретный клапан из клапанов 132, 134 подачи инертной текучей среды. В альтернативных вариантах контроллер 160 может также быть выполнен с возможностью получения сигналов от дополнительных расходомеров, которые выполнены с возможностью определения соответствующих расходов текучих сред через любую часть топливной системы 102.

[0031] Фиг.2 представляет пример осуществления топливной системы 102, изображенной на фиг.1, в нормальном режиме или схеме работы, так что определенные клапаны закрыты. Клапаны на фиг.2, которые находятся в закрытом положении, показаны черным цветом. В нормальном режиме работы топливо подается из источника 140 топлива в топливную полость 180, инертная текучая среда из источника 130 инертной текучей среды подается в полость 170 инертной среды, и сжатый воздух, нагнетаемый компрессором 106, подается в воздушную полость 190.

[0032] Кроме того, как можно видеть на фиг.2, в нормальном режиме работы газотурбинной системы 100 выпускные продувочные клапаны 120, 122 компрессора выше по потоку и ниже по потоку находятся в закрытом положении. Второй дифференциальный датчик 152 давления выполнен с возможностью определения результата измерения второго перепада давления, соответствующего разности давления между инертной текучей средой в полости 170 инертной среды и топливом в топливной полости 180. Таким образом, контроллер 160 выполнен с возможностью получения второго перепада давления между топливной полостью 180 и полостью 170 инертной среды от второго датчика 152.

[0033] Следует отметить, что в вариантах, описанных выше, или любых других вариантах не требуется второй дифференциальный датчик 152 давления для получения второго перепада давления между топливной полостью 180 и полостью 170 инертной среды. Например, контроллер 160 может быть выполнен с возможностью получения второго перепада давления между топливной полостью 180 и полостью 170 инертной среды путем получения давления в топливной полости 180 (например, с помощью датчика давления) и получения давления в полости 170 инертной среды (например, с помощью другого датчика давления) и сравнения давления в топливной полости 180 и давления в полости 170 инертной среды с целью определения второго перепада давления. Подобные способы могут быть использованы для определения любого другого перепада давления в пределах топливной системы 102. Таким образом, в примерах осуществления изобретения отдельные датчики или сенсоры давления могут быть использованы для получения результатов измерения давления в любой полости топливной системы 102, и такие результаты измерения давления могут затем быть переданы в контроллер 160 для того, чтобы определить соответствующие перепады давления между полостями топливной системы 102. Кроме того, в нормальном режиме работы контроллер 160 может быть выполнен с возможностью получения перепадов давления от любого из дополнительных дифференциальных датчиков давления, описанных выше.

[0034] В дополнительных примерах осуществления изобретения топливо источника 140 топлива может содержать свыше пяти процентов водорода на единицу объема. В таких примерах осуществления изобретения топливная система 102 может содержать резервный источник 199 топлива, гидравлически соединенный с камерой 108 сгорания. В таких вариантах резервный источник 199 топлива содержит топливо с содержанием водорода менее пяти процентов на единицу объема, и контроллер 160 может быть выполнен с возможностью регулирования топливной системы 102 с переводом из нормального режима работы (например, режима, показанного на фиг.2) в режим продувки инертной средой, в котором камера 108 сгорания работает на резервном топливе. Контроллер 160 может устанавливать топливную систему 102 в режим продувки инертной средой, если разделение текучих сред между топливом источника 140 топлива и другой текучей средой системы (например, сжатым воздухом из компрессора 106) находится под угрозой нарушения, поскольку резервное топливо, имеющее менее чем примерно пять процентов водорода на единицу объема, может быть менее опасным и/или более регулируемым, чем топливо, имеющее более чем примерно пять процентов водорода на единицу объема.

[0035] Фиг.3 представляет пример осуществления топливной системы 102, показанной на фиг.1, в режиме или схеме продувки инертной текучей средой (например, схеме, которая возникает в процессе работы на резервном источнике 199 топлива), когда определенные клапаны топливной системы 102 закрыты. На фиг.3 клапан 132 подачи инертной текучей среды и выпускные продувочные клапаны 120, 122 компрессора выше по потоку и ниже по потоку находятся в открытом положении. Другие клапаны 134, 142, 144 топливной системы 102 находятся в закрытом положении. Контроллер 160 может регулировать топливную систему 102 с переводом из нормального режима работы (например, схемы, показанной на фиг.2) в такой режим продувки инертной средой, по меньшей мере частично в ответ на снижение перепада давления, как описано ниже, или в ответ на запланированную работу на резервном топливе, при давлении топлива выше заранее заданного порога выше по потоку от топливного клапана 142. В режиме продувки инертной средой, показанном на фиг.3, сжатый воздух, нагнетаемый компрессором 106, подается в камеру 108 сгорания для получения положительного коэффициента давления относительно топливной форсунки (не показана) в камере 108 сгорания во время работы газотурбинной системы 100 на резервном топливе. Кроме того, в режиме продувки инертной текучей средой источник 140 топлива отделяется от нагнетаемого воздуха для предотвращения непреднамеренного горения. Таким образом, топливный клапан 142 и регулирующий клапан 144 находятся в закрытом положении для того, чтобы отделить топливо от остальной части топливной системы 102.

[0036] В режиме продувки инертной средой дифференциальный датчик 150 давления способен определять результат измерения первого перепада давления, соответствующего разности давления между инертной текучей средой в полости 171 продувочной инертной текучей среды и топливом в топливной продувочной полости 181. Таким образом, в примере осуществления изобретения, изображенном на фиг.3, контроллер 160 выполнен с возможностью получения первого перепада давления между топливной продувочной полостью 181 и полостью 171 продувочной инертной текучей среды с помощью первого дифференциального датчика 150 давления. Кроме того, в режиме продувки инертной средой контроллер 160 может быть способен получать значения перепадов давления от любого из дополнительных дифференциальных датчиков давления, описанных выше.

[0037] В резервном режиме работы газотурбинная система 100 не работает на топливе из источника 140 топлива. Таким образом, в резервном режиме работы топливо отделяется от сжатого нагнетаемого воздуха для предотвращения смешивания текучих сред. Топливный клапан 142 переводится в закрытое положение для того, чтобы отделить топливо от остальной части топливной системы 102.

[0038] В режиме работы на резервном топливе первый дифференциальный датчик 150 давления используется для контроля перепада давления между топливом и инертной текучей средой, разделенными топливным клапаном 142. Как описано ниже, если первый перепад давления упадет ниже заранее заданного значения, контроллер может снизить нагрузку на газовую турбину или предпринять иное заранее заданное действие для защиты от риска возникновения контакта источника 140 топлива с воздухом, нагнетаемым компрессором 106.

[0039] На фиг.4 представлена структурная схема системы 402 текучих сред газовой турбины 400 в соответствии с конкретным примером осуществления настоящего изобретения. В варианте, показанном на фиг.4, система 402 текучих сред содержит первый клапан 450, который выполнен с возможностью селективного регулирования потока между полостью 432 источника первой текучей среды и разделительной полостью 422. Полость 432 источника первой текучей среды системы 402 текучих сред выполнена с возможностью получения первой текучей среды из источника 430 первой текучей среды. Первой текучей средой может быть топливо или любая другая текучая среда. В варианте, показанном на фиг.4, система 402 текучих сред также содержит второй клапан 470, который выполнен с возможностью селективного регулирования потока между полостью 442 источника второй текучей среды и разделительной полостью 422. Полость 442 источника второй текучей среды системы 402 текучих сред выполнена с возможностью получения второй текучей среды из источника 440 второй текучей среды. Второй текучей средой может быть воздух или любая другая подходящая текучая среда. Кроме того, система 402 текучих сред газовой турбины 400 на фиг.4 также содержит третий клапан 460, который выполнен с возможностью селективного регулирования расхода текучей среды, подаваемой в разделительную полость 422 из источника 420 текучей среды. Текучей средой может быть азот, пар, углекислый газ, воздух или любая другая инертная среда.

[0040] В примере осуществления изобретения, показанном на фиг.4, первый и второй клапаны 450, 470 находятся в закрытом положении. Таким образом, полость 432 источника первой текучей среды получает первую текучую среду из источника 430 первой текучей среды, и полость 442 источника второй текучей среды получает вторую текучую среду из источника 440 второй текучей среды. Как можно видеть на фиг.4, третий клапан 460 находится в открытом положении, так что текучая среда из источника 420 текучей среды подается в разделительную полость.

[0041] Как можно видеть на фиг.4, система 402 текучих сред газовой турбины 400 также содержит контроллер 410. Контроллер 410 может быть подобен контроллеру 160 в вариантах осуществления, о которых шла речь выше. Контроллер 410 выполнен с возможностью получения сигналов от источников, таких как датчик 416 давления и дифференциальный датчик 414 давления. Датчик 416 давления выполнен с возможностью получения результата измерения давления в разделительной полости 422 текучих сред, и дифференциальный датчик 414 давления выполнен с возможностью измерения перепада давления на втором клапане 470. В альтернативных вариантах контроллер 400 может быть выполнен с возможностью получения сигналов от дополнительных датчиков давления, выполненных с возможностью определения соответствующих давлений в любой другой полости системы 402 текучих сред. Контроллер 410 может быть выполнен с возможностью получения сигналов от дополнительных дифференциальных датчиков давления, выполненных с возможностью определения перепадов давления на любом подходящем клапане системы 402 текучих сред (например, первом клапане 450).

[0042] Кроме того, как показано на фиг.4, контроллер 400 выполнен с возможностью получения сигналов от расходомера 418, который определяет расход текучей среды через третий клапан 460. В альтернативных вариантах контроллер 400 может быть выполнен с возможностью получения сигналов от дополнительных расходомеров, которые выполнены с возможностью определения соответствующих расходов текучих сред, проходящих через любой другой клапан системы 402 текучих сред.

[0043] На фиг.5 представлена структурная схема системы 502 текучих сред газовой турбины 500 в соответствии с конкретным примером осуществления настоящего изобретения. В варианте, показанном на фиг.5, система 502 текучих сред содержит первый клапан 550, который выполнен с возможностью селективного регулирования потока между полостью 532 источника первой текучей среды и разделительной полостью 522. Полость 532 источника первой текучей среды системы 502 текучих сред выполнена с возможностью получения первой текучей среды от источника 530 первой текучей среды. Первой текучей средой может быть топливо или любая другая текучая среда. В варианте, показанном на фиг.5, система 502 текучих сред может также содержать второй клапан 570, который выполнен с возможностью селективного регулирования потока между полостью 542 источника второй текучей среды и разделительной полостью 522. Полость 542 источника второй текучей среды системы 502 текучих сред выполнена с возможностью получения второй текучей среды от источника 540 второй текучей среды. Второй текучей средой может быть воздух или любая другая подходящая текучая среда. Кроме того, система 502 текучих сред газовой турбины 500 на фиг.5 также содержит третий клапан 560, который выполнен с возможностью селективного регулирования потока из разделительной полости 522 в выходное или спускное отверстие 521 в атмосферу. На фиг.5 разделительная полость 522 находится при более низком давлении по сравнению с полостями 532, 542 источников первой и второй текучих сред благодаря спускному отверстию 521 в атмосферу.

[0044] Как можно видеть на фиг.5, система 502 текучих сред газовой турбины 500 также содержит контроллер 510. Контроллер 510 может быть подобен контроллерам 160 или 410 в вариантах осуществления, которые обсуждались выше. Контроллер 510 выполнен с возможностью получения сигналов от источников, таких как датчик 516 давления. Датчик 516 давления выполнен с возможностью получения результата измерения давления в разделительной полости 522 текучих сред. В альтернативных вариантах контроллер 510 может быть выполнен с возможностью получения сигналов от дополнительных датчиков давления, выполненных с возможностью определения соответствующих давлений в любой другой полости системы 502 текучих сред.

[0045] Как обсуждалось выше, контроллер 510 может определять давление в разделительной полости 522, используя датчик 516 давления. Поскольку давление в разделительной полости меньше, чем давление в полостях 532, 542 источников первой и второй текучих сред, то если давление в разделительной полости 522 растет, можно сделать вывод, что первая текучая среда и/или вторая текучая среда протекают в разделительную полость 522. То есть, возможно, что первый и второй клапаны 550, 570 не герметизированы должным образом и могут требовать ремонта или замены, как описано ниже.

[0046] Как было сказано выше, следует понимать, что способы и системы, описанные выше, не ограничены использованием с газовыми турбинами или любой другой силовой установкой, как таковой. Кроме того, следует понимать, что способы и системы, описанные выше, могут быть также реализованы в ряде других схемах и конфигурациях трубопроводов, отличных от точной конфигурации, проиллюстрированной в настоящем документе.

[0047] Теперь обратимся к фиг.6, где предлагается блок-схема примера способа в соответствии с аспектами настоящего описания. Способ 600 может быть осуществлен контроллером 160 топливной системы 102, описанной выше, или контроллером 410 газовой турбины 400, описанной выше. В конкретных примерах осуществления изобретения способ включает получение перепада давления между полостью источника первой текучей среды и разделительной полостью и сравнение перепада давления с заранее заданным значением.

[0048] Начиная с блока 610, получают перепад давления. В примере осуществления изобретения перепад давления является перепадом давления между разделительной полостью (например, полостью инертной среды) и полостью источника первой текучей среды (например, топливной полостью), где разделительная полость и полость источника первой текучей среды сообщаются по потоку. Таким образом, как описано выше со ссылкой на фиг.2, перепад давления между топливной полостью 180 и полостью 170 инертной среды может быть получен с использованием дифференциального датчика 150 давления или, со ссылкой на фиг.4, перепад давления между полостью 432 источника первой текучей среды и разделительной полостью 422 может быть получен с использованием дифференциального датчика 412 давления. Аналогично, дифференциальный датчик 150 давления может быть использован для получения перепада давления между топливной продувочной полостью 181 и полостью 171 продувочной инертной среды по фиг.3. В различных вариантах осуществления изобретения перепад давления может быть получен с использованием дифференциального датчика давления, с использованием датчиков давления и способа, описанного выше, или с использованием любого другого подходящего способа.

[0049] В блоке 620 производят сравнение перепада давления с заранее заданным значением, например, используя контроллер 160 (фиг.2) или контроллер 410 (фиг.4). Со ссылкой на фиг.4, в примерах осуществления изобретения заранее заданное значение является значением, которое выбирают для достижения разделения текучих сред между первой текучей средой в полости 432 источника первой текучей среды и второй текучей средой в полости 442 источника второй текучей среды. Например, заранее заданное значение может быть выбрано таким образом, что давление в разделительной полости 422 поддерживается на подходящее число процентов больше, чем более высокое из давления в полости 432 источника первой текучей среды и давления в полости 442 источника второй текучей среды (например, примерно на 5%, 10%, 20% или 25% больше, чем более высокое из давления в полости 432 источника первой текучей среды и давления в полости 442 источника второй текучей среды).

[0050] В блоке 630, если определяют, что перепад давления оказывается меньше, чем заранее заданное значение, можно сделать вывод, что разделение текучих сред между первой и второй текучими средами может находиться под угрозой нарушения. Однако если определяют, что перепад давления больше, чем заранее заданное значение, можно сделать вывод о том, что разделение текучих сред поддерживается.

[0051] В блоке 640 может быть выдано предупреждение, если перепад давления опустится ниже заранее заданного значения. Так, например, если перепад давления опустится ниже заранее заданного значения и разделение текучих сред между полостями источников первой и второй текучих сред может оказаться под угрозой нарушения, контроллер может выдать оповещение или предупреждение, которое сообщает оператору турбины о снижении перепада давления. Оповещением может быть сигнал тревоги, сирена, визуальный индикатор или любое другое подходящее оповещение. В альтернативных вариантах контроллер может вывести турбину из нормального режима работы, если перепад давления опустится ниже заранее заданного значения. Например, контроллер может отрегулировать турбину на другую выходную нагрузку, если перепад давления опустится ниже заранее заданного значения. Например, обращаясь к фиг.2, когда перепад давления окажется ниже заранее заданного значения, разделение текучих сред между топливом источника 140 топлива и воздухом из компрессора 106 может оказаться под угрозой нарушения. Так, например, контроллер 160 может перевести топливную систему 102 на схему продувки инертной текучей средой, показанную на фиг.3, для дальнейшего разделения топлива источника 140 топлива и воздуха из компрессора в воздушной полости 180 и для работы на резервном топливе, или же контроллер 160 может отрегулировать топливную систему 102 на изменение нагрузки турбины.

[0052] В дополнительных примерах осуществления изобретения первой текучей средой может быть топливо, которое содержит водород с концентрацией более пяти процентов на единицу объема. Кроме того, заранее заданным значением может быть первое заранее заданное значение. В таких примерах осуществления изобретения контроллер может быть также выполнен с возможностью перехода на источник 199 резервного топлива с концентрацией водорода менее пяти процентов на единицу объема, если перепад давления опустится ниже второго заранее заданного значения, или с возможностью отключения, если перепады давления опустятся ниже третьего заранее заданного значения. Первое, второе и третье заранее заданные значения могут быть определены такими, что эти значения соответствуют возрастающему риску потенциального нарушения разделения текучих сред, а значит, и потенциальной опасности. Соответственно, непреднамеренное нарушение разделения текучих сред может с наименьшей вероятностью произойти в результате падения перепада давления ниже первого заранее заданного значения, и непреднамеренное нарушение разделения текучих сред может с наибольшей вероятностью произойти в результате падения перепада давления ниже третьего заранее заданного значения. Следовательно, соответствующие ответные действия на снижение перепада давления ниже первого, второго и третьего заранее заданных значений отражают возрастание ответных мер безопасности. Таким образом, подача оповещения отражает наименее экстремальную меру безопасности, а отключение газотурбинной системы 100 является наиболее экстремальной мерой безопасности, поскольку такая реакция соответствует наиболее опасной ситуации.

[0053] В примерах осуществления изобретения, описанных выше, и других примерах клапаны топливной системы 102 должны работать соответствующим образом для безопасной работы топливной системы 102. Например, в нормальном режиме работы топливной системы 102, показанной на фиг.2, выпускной продувочный клапан 122 компрессора ниже по потоку находится в закрытом положении и должен по существу отделять сжатый воздух, нагнетаемый компрессором 106, от инертной текучей среды. Однако с течением времени клапаны топливной системы 102 могут перестать функционировать на приемлемом уровне, и они могут потребовать ремонта, технического обслуживания или замены. Для оказания помощи в определении, нуждается ли клапан в ремонте, техническом обслуживании или замене, контроллер 160 может быть выполнен с возможностью контроля ключевого параметра клапанов в топливной системе 102 с течением времени с целью определения технического состояния клапанов.

[0054] На фиг.7 предлагается блок-схема примера осуществления способа в соответствии с аспектами изобретения. Способ 700 может быть реализован контроллером 160 топливной системы 102, описанной выше, или контроллером 410 газовой турбины 400, описанной выше. В конкретных примерах осуществления изобретения способ включает получение множества результатов измерений параметра текучей среды, определение тенденции изменения множества результатов измерений параметра текучей среды с течением времени и установление технического состояния клапана на основе, по меньшей мере частично, тенденции изменения результатов измерений параметра текучей среды с течением времени.

[0055] Начиная с блока 710, получают множество результатов измерений параметра текучей среды. В различных вариантах множество результатов измерений параметра текучей среды может быть множеством результатов измерений перепада давления, множеством результатов измерений давления или множеством результатов измерений расхода текучей среды. Таким образом, например, способ может включать получение множества результатов измерений перепада давления между полостью источника (например, топливной полостью 180, воздушной полостью 190 или полостями 430, 440 источников первой или второй текучих сред) и разделительной полостью (например, полостью 170 инертной среды или полостью 422 инертной текучей среды). В примерах осуществления изобретения множество результатов измерений перепада давления может быть получено, например, с использованием дифференциального датчика давления (например, первого или второго дифференциальных датчиков 150, 152, 412 давления) или датчиков давления и способа, описанного выше. Кроме того, способ может также включать в себя получение множества результатов измерений давления в полости источника и/или разделительной полости (например, с использованием датчика 416 давления), или получение множества результатов измерений расхода текучей среды между полостью источника и разделительной полостью (например, с использованием расходомеров 136, 418 или датчика скорости потока). В альтернативных вариантах может быть получено более чем одно множество результатов измерений параметра текучей среды. Например, может быть получено множество результатов измерений перепада давления и множество результатов измерений расхода текучей среды. В альтернативных вариантах может быть получена любая подходящая комбинация из множества результатов измерений перепада давления, множества результатов измерений давления и множества результатов измерений расхода текучей среды.

[0056] В блоке 720 определяют тенденцию изменения множества параметров текучей среды с течением времени. Например, если значения множества результатов измерений параметра текучей среды возрастают с течением времени, тенденция изменения множества результатов измерений параметра текучей среды является позитивной, или если значения множества результатов измерений параметра текучей среды снижаются с течением времени, тенденция изменения множества результатов измерений параметра текучей среды является негативной. Кроме того, в данном примере, если значения множества результатов измерений параметра текучей среды являются по существу постоянными во времени, тенденция изменения множества результатов измерений параметра текучей среды является по существу постоянной.

[0057] В блоке 720 контроллер 160 или 410 может установить клапаны 132, 134 подачи инертной текучей среды или третий клапан 460 в закрытое положение для того, чтобы получить результаты измерения параметра текучей среды (например, перепада давления на клапанах 132, 134 или 460). Контроллер 160 или 410 может произвести установку клапанов 132, 134 или 460 на короткий период времени. Контроллер 160 или 410 может отслеживать тенденцию уменьшения давления на одном из соответствующих клапанов 132, 134 или 460 с течением времени для того, чтобы накапливать данные для определения будущей тенденции изменения. Такие данные могут быть использованы для того, чтобы сделать вывод о необходимости технического обслуживания, например, способом, описанным ниже.

[0058] В блоке 730 устанавливается техническое состояние клапана. В примерах осуществления изобретения техническое состояние может указывать на физическое состояние клапана (например, любого клапана топливной системы 102 на фиг.2 или системы 402 текучих сред на фиг.4). Так, негативное техническое состояние может указывать на то, что клапан должен быть осмотрен, отремонтирован или заменен, в то время как позитивное техническое состояние может указывать на то, что клапан функционирует на приемлемом уровне. В первом примере, если множество результатов измерений параметра текучей среды является множеством результатов измерений перепада давления, и множество результатов измерений перепада являются положительными, убывающая тенденция устанавливает негативное техническое состояние клапана, так как убывающая тенденция может указывать на то, что текучая среда просачивается из полости с более высоким давлением через клапан в полость с более низким давлением, в то время как по существу постоянная тенденция устанавливает позитивное техническое состояние клапана. Например, если тенденция множества результатов измерений перепада давления между полостью 170 инертной текучей среды и топливной полостью 180 топливной системы 102 на фиг.2 является возрастающей, можно сделать вывод, что инертный газ просачивается в топливную полость 180 через клапан 142 из-за уменьшающихся с течением времени результатов измерений перепада давления. Во втором примере, если множество результатов измерений параметра текучей среды является множеством результатов измерений перепада давления, и множество результатов измерений перепада являются отрицательными, возрастающая тенденция устанавливает негативное техническое состояние клапана, так как возрастающая тенденция может указывать на то, что текучая среда просачивается из полости с более высоким давлением через клапан в полость с более низким давлением, в то время как по существу постоянная тенденция устанавливает позитивное техническое состояние клапана. В третьем примере, если множество результатов измерений параметра текучей среды является множеством результатов измерений давления, убывающая тенденция устанавливает негативное техническое состояние клапана, так как убывающая тенденция может указывать на то, что текучая среда просачивается из полости, которая подвергается измерению, через клапан в другую полость, в то время как по существу постоянная тенденция устанавливает позитивное техническое состояние клапана. Например, если множество результатов измерений давления в полости 170 инертной среды топливной системы 102 на фиг.2 имеет тенденцию к понижению, то можно сделать вывод, что инертный газ просачивается в топливную полость 180 через регулирующий клапан 142 или просачивается в воздушную полость 190 через выпускной клапан 122 компрессора ниже по потоку из-за уменьшающихся результатов измерений давления с течением времени. В четвертом и последнем примере, если множество результатов измерений параметра текучей среды является множеством результатов измерений расхода текучей среды, возрастающая тенденция устанавливает негативное техническое состояние клапана, так как возрастающая тенденция может указывать на то, что большее количество текучей среды протекает в полость с течением времени, и тем самым клапан может протекать, в то время как по существу постоянная тенденция устанавливает позитивное техническое состояние клапана. Например, если множество результатов измерений расхода текучей среды в полость 170 инертной среды топливной системы 102 на фиг.2 имеет тенденцию к повышению, можно сделать вывод, что инертный газ просачивается в топливную полость 180 через регулирующий клапан 142 или просачивается в воздушную полость 190 через выпускной клапан 122 компрессора ниже по потоку из-за возрастающих результатов измерений расхода текучей среды с течением времени.

[0059] В блоке 740, если определяется, что клапан имеет негативное техническое состояние, можно сделать вывод, что клапан должен быть подвергнут физическому осмотру, ремонту или замене или, если определяется, что клапан имеет позитивное техническое состояние, можно сделать вывод, что клапан находится в хорошем рабочем состоянии.

[0060] В блоке 750, если определяется, что клапан имеет негативное техническое состояние, по меньшей мере частично в ответ на такое определение клапан может быть подвергнут физическому осмотру, ремонту или замене.

[0061] Следует понимать, что способ и система, описанные в настоящем документе, не ограничены использованием с газовыми турбинами и другим типом силовой установки как таковой. Кроме того, следует понимать, что способ и система, описанные в настоящем документе, могут быть реализованы в ряде других схем и компоновок трубопровода, отличных от точной схемы, проиллюстрированной выше.

[0062] В настоящем письменном описании приводятся примеры для раскрытия изобретения, включая лучший вариант его осуществления, для того, чтобы дать возможность специалисту в данной области применить изобретение на практике, включая изготовление и использование любых устройств или систем и осуществление любых включенных способов. Объем изобретения определяется формулой изобретения и может включать другие примеры, которые могут предложить специалисты в данной области. Такие другие примеры входят в объем формулы изобретения, если они содержат структурные элементы, которые не отличаются от точной формулировки пукнтов формулы изобретения, или если они содержат эквивалентные структурные элементы с несущественными отклонениями от точных формулировок пунктов формулы изобретения.

Изобретение относится к топливным системам для газовой турбины и соответствующим способам контроля разделения текучих сред в топливных системах. В частности, системы и способы включают измерение перепадов давления и сравнение результатов измерений с заранее заданным значением. Технический результат изобретений – уменьшение давления инертного газа при обеспечении разделения текучих сред системы и обеспечение контроля клапанов в газовой турбине, позволяющего избежать физических осмотров клапанов и дорогостоящих отключений турбины. 4 н. и 15 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ контроля разделения текучих сред в газовой турбине, имеющей полость источника первой текучей среды, полость источника второй текучей среды и разделительную полость, при этом разделительная полость сообщается по потоку с полостями источников первой и второй текучих сред, включающий:

получение перепада давления между полостью источника первой текучей среды газовой турбины и разделительной полостью газовой турбины; и

сравнение перепада давления с заранее заданным значением, при этом заранее заданное значение выбрано таким, что поддерживается разделение между первой текучей средой в полости источника первой текучей среды и второй текучей средой в полости источника второй текучей среды.

2. Способ по п. 1, в котором заранее заданное значение выбрано таким, что давление в разделительной полости примерно на 10% больше, чем большее из давления в полости источника первой текучей среды и давления в полости источника второй текучей среды.

3. Способ по п. 1, в котором получение перепада давления между полостью источника первой текучей среды и разделительной полостью включает:

получение давления в полости источника первой текучей среды;

получение давления в разделительной полости; и

сравнение давления в полости источника первой текучей среды и давления в разделительной полости.

4. Способ по п. 1, в котором получение перепада давления между полостью источника первой текучей среды и разделительной полостью включает получение перепада давления между полостью источника первой текучей среды и разделительной полостью с помощью дифференциального датчика давления.

5. Способ по п. 1, в котором первая текучая среда содержит водород с концентрацией более чем примерно 5 процентов на единицу объема, и заранее заданное значение является первым заранее заданным значением, причем способ включает переход на источник резервной текучей среды с концентрацией водорода менее чем примерно 5 процентов на единицу объема, если перепад давления падает ниже второго заранее заданного значения.

6. Топливная система, содержащая:

топливную полость, содержащую топливо;

полость текучей среды, содержащую текучую среду;

полость инертной среды, сообщающуюся по потоку с топливной полостью и полостью текучей среды через клапаны; и

контроллер, выполненный с возможностью получения перепада давления между топливной полостью и полостью инертной среды, а также с возможностью сравнения перепада давления с заранее заданным значением, при этом заранее заданное значение выбрано таким, что поддерживается разделение между топливом в топливной полости и текучей средой в полости текучей среды.

7. Топливная система по п. 6, в которой контроллер также выполнен с возможностью подачи оповещения, если перепады давления падают ниже заранее заданного значения.

8. Топливная система по п. 7, в которой топливо содержит водород с концентрацией более чем примерно 5 процентов на единицу объема, и заранее заданное значение является первым заранее заданным значением, при этом контроллер также выполнен с возможностью перехода на источник резервного топлива с концентрацией водорода менее чем примерно 5 процентов на единицу объема, если перепад давления падает ниже второго заранее заданного значения, и отключения газовой турбины, если перепад давления падает ниже третьего заранее заданного значения.

9. Топливная система по п. 6, в которой заранее заданное значение выбрано таким, что давление в полости инертной среды примерно на 10% выше, чем большее из: давления в топливной полости и давления в полости текучей среды.

10. Топливная система по п. 6, в которой контроллер выполнен с возможностью получения перепада давления между топливной полостью и полостью инертной среды и сравнения давления в топливной полости с давлением в полости инертной среды.

11. Топливная система по п. 6, содержащая дифференциальный датчик давления, выполненный с возможностью измерения перепада давления, при этом дифференциальный датчик давления связан с контроллером.

12. Способ контроля состояния клапана в газовой турбине, выполненного с возможностью регулирования расхода текучей среды между разделительной полостью и полостью источника текучей среды, включающий:

получение множества результатов измерений параметра текучей среды в разделительной полости и/или полости источника текучей среды;

определение тенденции изменения множества результатов измерений параметра текучей среды с течением времени; и

установление технического состояния клапана на основе тенденции изменения результатов измерений параметра текучей среды с течением времени.

13. Способ по п. 12, в котором получение множества результатов измерений параметра текучей среды представляет собой получение по меньшей мере одного из следующих множеств результатов: множество результатов измерений перепада давления между разделительной полостью и полостью источника текучей среды, множество результатов измерений расхода текучей среды в разделительную полость и множество результатов измерений давления в разделительной полости и/или полости источника текучей среды.

14. Способ по п. 12, в котором установление технического состояния клапана представляет собой установление неудовлетворительного технического состояния, если тенденция является убывающей.

15. Способ по п. 12, в котором установление технического состояния клапана представляет собой установление неудовлетворительного технического состояния, если тенденция является возрастающей.

16. Газовая турбина, содержащая:

полость источника текучей среды;

разделительную полость, сообщающуюся по потоку с полостью источника текучей среды;

клапан, выполненный с возможностью регулирования расхода текучей среды между разделительной полостью и полостью источника текучей среды; и

контроллер, выполненный с возможностью получения множества результатов измерений параметра текучей среды в разделительной полости и/или полости источника текучей среды, а также с возможностью определения тенденции изменения множества результатов измерений параметра текучей среды с течением времени, и контроллер также выполнен с возможностью установления технического состояния клапана на основе тенденции изменения результатов измерений параметра текучей среды с течением времени.

17. Газовая турбина по п. 16, в которой множество результатов измерений параметра текучей среды представляет собой по меньшей мере одно из следующего: множество результатов измерений перепада давления между разделительной полостью и полостью источника текучей среды, множество результатов измерений расхода текучей среды в разделительную полость и множество результатов измерений давления в разделительной полости и/или полости источника текучей среды.

18. Газовая турбина по п. 16, в которой контроллер выполнен с возможностью установления неудовлетворительного технического состояния клапана, если тенденция является убывающей.

19. Газовая турбина по п. 16, в которой контроллер выполнен с возможностью установления неудовлетворительного технического состояния клапана, если тенденция является возрастающей.