ГАЗОТУРБИННАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ С РЕЦИРКУЛЯЦИЕЙ ОТРАБОТАВШЕГО ГАЗА Российский патент 2018 года по МПК F02C3/34 F02C9/20 

Область изобретения

Настоящее изобретение относится к электростанции комбинированного цикла с рециркуляцией отработавшего газа и способу эксплуатации такой электростанции.

Предшествующий уровень техники

Известна рециркуляция отработавшего газа для уменьшения выбросов окислов азота и для улучшения улавливания углерода. При использовании рециркуляции отработавшего газа выбросы окислов азота газотурбинного двигателя можно снизить благодаря пониженному содержанию кислорода в воздухе для горения. В WO 2010/072710 описана электростанция, имеющая газотурбинную установку и паротурбинную установку с парогенератором, работающим на отработанном газе газотурбинного двигателя. Электростанция по WO 2010/072710 также имеет систему для частичной рециркуляции отработавшего газа на впуск компрессора и установку по улавливанию CO2, расположенную последовательно.

Далее, рециркуляция отработавшего газа позволяет применять каталитическую денитрификацию отработавшего газа, если содержание кислорода в отработавшем газе достаточно мало. Для уменьшения содержания кислорода в отработавшем газе в US 2009/0284013 А1 была предложена электростанция, содержащая газотурбинный двигатель, утилизационный парогенератор и систему рециркуляции отработавшего газа. Газотурбинный двигатель содержит компрессор для воздуха и компрессор для рециркуляционного отработавшего газа, камеру сгорания и турбину. Утилизирующий парогенератор соединен с выпуском турбины котла газотурбинного двигателя на его впускной стороне. Утилизирующий парогенератор содержит два выпуска из котла. С первым выпуском котла соединена дымовая труба. Со вторым выпуском котла соединена система рециркуляции отработавшего газа, также соединенная с впуском компрессора для рециркуляционного отработавшего газа.

В такой электростанции допускается сгорание с соотношением λ 2

топлива к воздуху, близким к тому, которое необходимо для снижения содержания кислорода в газе, поступающем в камеру сгорания.

Хорошее управление потоком сжатого воздуха от компрессора и потоком рециркуляционного отработавшего газа затруднено. В частности, затруднены точные измерения расхода в больших трубопроводах. Далее, объемы впуска, трубопроводов и котла велики, что приводит к затруднениям в динамике поведения, если в трактах впускного газа и отработавшего газа взаимодействуют разные управляющие элементы.

Краткое описание изобретения

Одной целью настоящего изобретения является создание электростанции комбинированного цикла с рециркуляцией отработавшего газа и стабильным управлением впускного потока, а также с надежным соотношением рециркуляционного отработавшего газа и свежего воздуха.

Согласно одному аспекту настоящего изобретения предлагается электростанция, содержащая газотурбинный двигатель, имеющую по меньшей мере компрессор, камеру сгорания и турбину, а также систему рециркуляции отработавшего газа, которая возвращает часть отработавшего в газотурбинном двигателе газа на впуск компрессора газотурбинного двигателя. Электростанция далее содержит впуск компрессора с впускной секцией для свежего воздуха, которая именуется сектором впуска свежего воздуха, впускной секцией для рециркуляционного отработавшего газа и общий управляющий элемент для управления потоком свежего воздуха и потоком рециркуляционного отработавшего газа, который установлен в компрессоре или на впуске компрессора.

Типично, впускная секция для свежего воздуха и впускная секция для рециркуляционного отработавшего газа находятся в общем корпусе. На конце, ближайшем к впуску компрессора, впускная секция для свежего воздуха и впускная секция для рециркуляционного отработавшего газа могут быть расположены концентрично вокруг оси компрессора. В одном варианте впускная секция для свежего воздуха и впускная секция для 3

рециркуляционного отработавшего газа на выпускном конце имеют концентрическое кольцевое сечение.

Управление обоими потоками одним общим управляющим элементом возможно, если оба потока физически разделены или если свободный путь между физическим разделением и общим управляющим элементом слишком короток для возникновения существенных поперечных потоков от одного пути к другому или для существенного смешивания потоков. Существенным смешиванием будет, например, смешивание более 50% двух разделенных потоков. Для того чтобы стало возможным управление одним общим управляющим элементом, длина канала свободного потока перед общим управляющим элементом не должна быть больше десятикратной средней высоты канала свободного потока. Согласно одному иллюстративному варианту длина канала свободного потока перед общим управляющим элементом не должна быть больше пятикратной средней высоты канала свободного потока. В другом варианте длина канала свободного потока перед общим управляющим элементом меньше двукратной средней высоты канала свободного потока. Канал свободного потока типично проходит от стенки, которая разделяет каналы свежего воздуха и рециркуляционного отработавшего газа.

Согласно одному иллюстративному варианту настоящего изобретения в компрессоре на переднем конце компрессора имеется по меньшей мере один входной направляющий аппарат для управления входящим потоком в секторе впуска свежего воздуха и в секторе впуска рециркуляционного отработавшего газа.

Согласно другому иллюстративному варианту перед компрессором во впуске компрессора установлен по меньшей мере один подвижный дефлектор, являющийся управляющим элементом. Подвижный дефлектор, по меньшей мере частично, заходит в сектор впуска свежего воздуха и, по меньшей мере частично, заходит в сектор впуска отработавшего газа. Такой дефлектор может иметь аэродинамический профиль, как направляющий аппарат.

Для обеспечения скорости рециркуляции в заданных допусках во всем рабочем диапазоне газотурбинного двигателя впуск компрессора может быть разделен на сектор впуска свежего воздуха 4

и сектор впуска отработавшего газа впускной перегородкой. В секторе свежего воздуха на впуск компрессора может течь свежий воздух, а в секторе впуска отработавшего газа на впуск компрессора может течь отработавший газ.

Площади поперечного сечения и геометрия впуска, выпускной системы и системы рециркуляции отработавшего газа могут быть спроектированы так, чтобы полученная скорость рециркуляции отработавшего газа при базовой нагрузке соответствовала проектным целям. Согласно настоящему изобретению скорость рециркуляции отработавшего газа можно регулировать, изменяя положение впускного коллектора, в котором заканчивается перегородка, например, расстояние между выпускным концом перегородки и впуском компрессора.

Для пуска и работы с малой нагрузкой может быть полезно отсутствие рециркуляции. Поэтому, можно определить минимальную нагрузку для рециркуляции отработавшего газа. Такая минимальная нагрузка, при которой допускается рециркуляция отработавшего газа, может быть низкой нагрузкой от 5% до 20% (выходной мощности относительно выходной мощности при базовой нагрузке); она может также быть более высокой относительной нагрузкой, например 50% или более. Типично, рециркуляция отработавшего газа допускается, самое позднее, при относительной нагрузке выше 65%.

Рециркуляцию отработавшего газа можно прекратить различными клапанами или задвижками в линии рециркуляции отработавшего газа. Согласно одному иллюстративному варианту изобретения впуск содержит управляющий элемент свежего воздуха, который соединяет сектор впуска отработавшего газа со свежим воздухом и позволяет подавать свежий воздух в сектор впуска отработавшего газа. При малой нагрузке газотурбинный двигатель работает без рециркуляции отработавшего газа, когда управляющий элемент свежего воздуха открыт.

Типично, электростанция с рециркуляцией отработавшего газа может содержать котел-утилизатор. Согласно еще одному иллюстративному варианту изобретения электростанция содержит котел-утилизатор с по меньшей мере одним впуском, соединенным с 5

выпуском турбины, и с выпускной стороной. Выпускная сторона содержит первый выход, соединенный с вытяжной трубой, и второй выход, соединенный с системой рециркуляции отработавшего газа. Предлагаемый котел-утилизатор далее содержит первый канал отработавшего газа котла, идущий от впуска котла к первому выходу котла, и второй канал отработавшего газа, идущий от впуска котла ко второму выходу котла. Котел с двумя отдельными каналами отработавшего газа на каждом канале имеет перепады давления, которые не зависят друг от друга. Благодаря независимым перепадам давления, которые являются функцией массового потока и температуры в каждом канале, такая разделенная конструкция котла помогает поддерживать постоянную скорость рециркуляции. Если скорость рециркуляции отклоняется от заданного значения, перепады давления в соответствующих каналах соответственно изменятся, тем самым начнут противодействовать отклонению от проектной скорости рециркуляции. Например, если скорость рециркуляции растет, перепад давления во втором канале отработавшего газа увеличится, а перепад давления в первом канале отработавшего газа уменьшится. Эти изменение перепадов давления противодействует изменению скорости рециркуляции и, тем самым, способствует поддержанию заданной скорости рециркуляции.

Далее, раздельные каналы отработавшего газа полезны для очистки отработавших газов, которые выбрасываются в окружающую среду. Например, катализатор СО или NOx требуется установить только в первом канале отработавшего газа, что позволяет уменьшить его требуемый размер.

Постоянная рециркуляция отработавшего газа или постоянная рециркуляция отработавшего газа при высокой относительной нагрузке (типично более 50% относительной нагрузки, где относительная нагрузка - это нагрузка относительно полной нагрузки газотурбинного двигателя) позволяет оптимизировать систему впуска и вытяжную трубу с сопутствующими трубопроводами благодаря уменьшенному потоку требуемого свежего воздуха и уменьшенному количеству выбрасываемого отработавшего газа. Типично, конструкция впуска или вытяжной трубы определяется 6

благодаря проектному перепаду давления, и впуск или вытяжная труба имеют такие размеры, чтобы поддерживать проектный перепад давления при максимальном потоке. Типично, максимальный поток необходим для работы под базовой нагрузкой.

Согласно одному иллюстративному варианту сектор впуска свежего воздуха предназначен для потока свежего воздуха, который меньше, чем впускной поток на компрессор при базовой нагрузке. В частности, это позволяет уменьшить размер корпуса впускного фильтра и фильтров по сравнению с известной конструкцией. Впуски известных газотурбинных двигателей предназначены для полного впускного потока на компрессор.

В более конкретном иллюстративном варианте сектор впуска свежего воздуха предназначен для впуска потока свежего воздуха, который составляет менее 75% от впускного потока на компрессор при базовой нагрузке. Поскольку рециркуляция отработавшего газа ограничена приблизительно 50% отработавшего газа, приблизительно 50% входящего газа должен составлять свежий воздух. Поэтому сектор впуска свежего воздуха предназначен для подачи по меньшей мере 50% входного потока компрессора при базовой нагрузке. В случаях с очень высокой долей рециркуляции отработавшего газа сектор впуска свежего воздуха может быть рассчитан на по меньшей мере 40% впускного потока компрессора при базовой нагрузке.

Согласно одному иллюстративному варианту электростанции вытяжная труба рассчитана на поток отработавшего газа, который меньше потока отработавшего газа при базовой нагрузке турбины.

В более конкретном иллюстративном варианте вытяжная труба рассчитана на поток отработавшего газа меньше 75% выпускного потока турбины при базовой нагрузке. Поскольку рециркуляция отработавшего газа ограничена, приблизительно 50% отработавшего газа приходится выпускать в окружающую среду. Следовательно, вытяжная труба рассчитывается на по меньшей мере 50% потока отработавшего газа при базовой нагрузке. В случаях очень высокой доли рециркуляции отработавшего газа ее можно рассчитывать на по меньшей мере 40% от потока отработавшего газа при базовой нагрузке.

7

Существенное преимущество предлагаемой электростанции заключается в возможности управлять потоком рециркуляционного газа без добавления элементов управления потоком в канал рециркуляции отработавшего газа. Согласно предпочтительному иллюстративному варианту система рециркуляции отработавшего газа, которая соединяет выход котла-утилизатора с впуском компрессора, не содержит каких-либо элементов с управляемым или регулируемым перепадом давления. Элементом с управляемым или регулируемым перепадом давления является, например, клапан, задвижка или заслонка.

Объектом настоящего изобретения, помимо электростанции, является способ эксплуатации электростанции, содержащей газотурбинный двигатель с по меньшей мере компрессором, камерой сгорания и турбиной и систему рециркуляции отработавшего газа для подачи части отработавшего в турбине газа на впуск компрессора газотурбинного двигателя.

Согласно первому варианту способа поток свежего воздуха и поток рециркуляционного отработавшего газа подают на впуск компрессора через отдельные секции. Однако, и поток свежего воздуха, и поток рециркуляционного отработавшего газа регулируются общим управляющим элементом. Отсутствие дополнительных управляющих элементов в канале рециркуляционного отработавшего газа и в канале свежего воздуха существенно упрощает управление электростанцией.

Согласно еще одному варианту способа поток свежего воздуха и поток рециркуляционного отработавшего газа регулируют по меньшей мере одним входным направляющим аппаратом компрессора, установленным на впускном конце компрессора. Для этого способа преимуществом может быть физическое разделение потока свежего воздуха и потока рециркуляционного отработавшего газа внутри впуска и до положения рядом с входным направляющим аппаратом компрессора, например, до расстояния менее двукратной высоты первого входного направляющего аппарата компрессора.

Согласно еще одному варианту способа поток свежего воздуха и поток рециркуляционного отработавшего газа регулируют по 8

меньшей мере одним регулируемым дефлектором, расположенным во впуске компрессора перед компрессором, и который проходит, по меньшей мере частично, в сектор подачи свежего воздуха и, по меньшей мере частично, в сектор подачи рециркуляционного отработавшего газа. Регулируемый дефлектор может иметь форму пластины или аэродинамического профиля, который, например, выполнен с возможностью поворота вокруг оси 34 поворота.

Для повышения операционной гибкости может быть полезным изменить способ так, чтобы он содержал операцию открытия элемента управления потоком свежего воздуха при пуске и/или при работе под малой нагрузкой, чтобы подавать свежий воздух в сектор подачи отработавшего газа для работы без рециркуляции отработавшего газа.

Согласно иллюстративному варианту способа поток отработавшего газа разделяют на два потока в котле-утилизаторе (3). Первый поток течет от впуска котла на первый выход котла, а второй поток течет от впуска котла на второй выход котла. Второй поток затем направляют от второго выхода котла на впуск компрессора газотурбинного двигателя, а первый поток выпускают из первого выхода котла в окружающую среду. Перед выпуском первого потока отработавшего газа в окружающую среду его могут обрабатывать, например, катализатором СО и/или NOx для уменьшения выбросов СО и/или NOx. Дополнительно, из первого потока отработавшего газа могут удалять CO2 для улавливания углерода.

Вышеописанный газотурбинный двигатель может быть единым газотурбинным двигателем или последовательным газотурбинным двигателем, известным, например, из ЕР 0620363 В1 или ЕР 0718470 А2. Раскрытый способ может применяться и к единственному газотурбинному двигателю, и к последовательному газотурбинному двигателю.

Краткое описание чертежей

Далее следует более подробное описание настоящего изобретения и его преимуществ со ссылками на приложенные чертежи, где:

9

фиг. 1 - первый вариант газотурбинного двигателя по настоящему изобретению,

фиг. 2 - пример релевантных давлений во впуске как функции относительной нагрузки.

Подробное описание изобретения

Ниже одинаковые или имеющие одинаковую функциональность элементы на разных чертежах обозначены одними и теми же позициями. Указанные величины и размеры являются лишь иллюстративными и не налагают каких-либо ограничений на изобретение.

Согласно фиг. 1, иллюстративный газотурбинный двигатель, которая, например, может применяться на электростанции для генерирования электроэнергии, содержит по меньшей мере газотурбинный двигатель 2, по меньшей мере котел-утилизатор 3, а также по меньшей мере систему 4 рециркуляции отработавшего газа. Газотурбинный двигатель 2 содержит по меньшей мере один компрессор 5, по меньшей мере камеру сгорания 6, 7, а также по меньшей мере одну турбину 8, 9. В показанном варианте газотурбинный двигатель 2 содержит две турбины 8, 9, а именно, турбину 8 высокого давления и турбину 9 низкого давления. Соответственно, также имеется две камеры сгорания 6, 7, а именно камера 6 сгорания высокого давления, расположенная перед турбиной 8 высокого давления, и камера 7 сгорания низкого давления, расположенная перед турбиной 9 низкого давления. Пар, генерируемый в котле 3, можно использовать в пароводяном цикле или для теплоснабжения.

Котел-утилизатор 3 имеет впускную сторону 10 и выходную сторону 11. Впускная сторона 10 котла соединена по текучей среде с выпуском 12 турбины 9 низкого давления. Выпускная сторона 11 котла содержит первый выход 13 котла и второй выход 14 котла. Первый выход 13 котла соединен с вытяжной трубой 15. Между первым выходом 13 котла и выхлопной трубой может быть установлено оборудование для улавливания CO2 (не показано). Второй выход 14 котла соединен по текучей среде с впуском 16 системы 4 рециркуляции отработавшего газа. Выпуск 17 системы 4 10

рециркуляции отработавшего газа соединен с впуском 18 компрессора 5. Поэтому, система 4 рециркуляции отработавшего газа соединяет второй выход 14 котла с впуском 18 компрессора. В примерах, в системе 4 рециркуляции отработавшего газа установлен вторичный охладитель 19, который может быть смешивающим водяным охладителем, поэтому рециркулирующий отработавший газ может одновременно охлаждаться и промываться.

В показанном варианте котел-утилизатор 3 содержит первый канал 20 для отработавшего газа, показанного стрелкой. Первый канал 20 для отработавшего газа в котле начинается на впускной стороне 10 котла и ведет к первому выходу 13 котла. Далее, котел-утилизатор 3 содержит второй канал 21 для отработавшего газа, также показанного стрелками. Второй канал 21 для отработавшего газа в котле также начинается на впускной стороне 10 и ведет ко второму выходу 14 котла. Оба канала 20, 21 для отработавшего газа разделены и ведут к соответствующим выходам 13, 14 котла. Для реализации раздельных каналов 20, 21 отработавшего газа в котле-утилизаторе 3 в этом котле-утилизаторе 3 может быть установлена перегородка 22, которая разделяет по текучей среде каналы 20, 21 отработавшего газа.

В показанном варианте перед впускной стороной 10 котла установлен диффузор 23. Впуск 24 диффузора соединен с выпуском 12 турбины. Диффузор 23 содержит впуск 24 диффузора и по меньшей мере выпуск 25, 26 диффузора. В варианте по фиг. 1 имеется два выпуска диффузора, а именно, первый выпуск 25 и второй выпуск 26.

Можно также использовать единый общий выпуск 25 диффузора. В этом случае общий выпуск диффузора соединен по текучей среде с впускной стороной 10 котла.

В варианте по фиг. 1 первый выход 25 диффузора соединен по текучей среде с первым впуском 27 котла, а второй выпуск 26 диффузора соединен со вторым впуском 28 котла. Оба впуска 27, 28 котла расположены на впускной стороне 10 котла. Согласно варианту, показанному на фиг. 1, первый канал 20 для отработавшего газа в котле ведет от первого впуска 27 котла к 11

первому выходу 13 котла. Параллельно и отдельно второй канал 21 для отработавшего газа в котле ведет от второго впуска 28 котла ко второму выходу 14 котла.

В диффузоре 23 по фиг. 1 расположены общий основной канал 29 диффузора, обозначенный стрелкой, а также первый канал 30 диффузора для отработавшего газа, показанный стрелкой, и второй канал 31 диффузора для отработавшего газа, также показанный стрелкой. Общий основной канал 29 диффузора разделен на разделенные каналы 30, 31 диффузора для отработавшего газа в точке 32 ветвления. Для разделения каналов 30, 31 диффузора для отработавшего газа в корпусе 58 диффузора 23 установлена перегородка 33 диффузора. Передняя кромка 39 перегородки 33 определяет точку 32 ветвления диффузора. Перегородка 32 диффузора разделяет оба канала 30, 31 диффузора для отработавшего газа, начиная от точки 32 ветвления и до обоих выходов 25, 26 диффузора. В примере, показанном на фиг. 1, перегородка 33 диффузора и перегородка 22 котла расположены так, чтобы задняя кромка 35 перегородки 33 диффузора и передняя кромка 36 перегородки 22 котла смыкались.

За счет смыкающихся перегородок 22, 33 первый канал 30 диффузора для отработавшего газа проходит непосредственно в первый канал 20 для отработавшего газа в котле, а второй канал 31 диффузора для отработавшего газа проходит во второй канал 21 для отработавшего газа в котле.

В первом канале 20 для отработавшего газа в котле установлены катализатор СО 49, каталитический преобразователь NOx 50 и первый теплообменник 52. Каталитический преобразователь NOx 50 расположен после катализатора СО 49. В зависимости от температуры и конструкции каталитического преобразователя NOx 50 часть первого теплообменника 52 можно расположить перед каталитическим преобразователем NOx 50 для уменьшения температуры отработавшего газа, а оставшаяся часть

теплообменника 52 может быть расположена после каталитического преобразователя NOx 50.

Во втором канале 21 для отработавшего газа в котле 12

установлен второй теплообменник 48. Первый теплообменник 52 и второй теплообменник 48 могут быть отдельными конструкциями или интегрированы с по меньшей мере частью элементов теплообменника, проходящих из первого во второй канал 21 для отработавшего газа в котле.

Как показано на фиг. 1, на заднем конце котла-утилизатора 3 может быть установлен управляющий элемент 40, выполненный с возможностью поворота вокруг оси 42, как показано стрелкой 41. Этот управляющий элемент можно применять как байпас для системы 4 рециркуляции отработавшего газа и для выпуска отработавшего газа из второго канала 21 для отработавшего газа в котле через вытяжную трубу 15.

В иллюстративном варианте впуск компрессора разделен на два сектора, как показано на фиг. 1. В приведенном примере заборное устройство 66 компрессора разделено с помощью впускной перегородки 67 на сектор 64 впуска свежего воздуха 61 и сектор 65 впуска отработавшего газа 69. Такое разделение заборного устройства 66 компрессора приводит к созданию по существу коаксиального поступающего потока рециркуляционного отработавшего газа и свежего воздуха 61 в компрессор 5. Управляющий элемент 68 для свежего воздуха позволяет подавать свежий воздух в сектор 65 подачи отработавшего газа для обеспечения возможности функционирования без рециркуляции или с уменьшенной рециркуляцией отработавшего газа.

На фиг. 1 показаны два альтернативных управляющих элемента 37, 38. Типично, достаточно одного из этих управляющих элементов, однако можно использовать комбинацию из двух или более управляющих элементов. Входной направляющий аппарат 37 можно использовать как общий управляющий элемент. Как показано на чертеже, расстояние d между задним концом впускной перегородки 67 и передним концом входного направляющего аппарата 37 должно равняться высоте h входного направляющего аппарата или быть меньше. Подвижный дефлектор 38 может быть установлен на оси поворота и содержать две секции дефлектора: одна из которых проходит в сектор 64 впуска свежего воздуха 61, а вторая 13

проходит в сектор 65 впуска отработавшего газа.

Предложенная интегрированная конструкция с одним управляющим элементом для свежего воздуха и рециркуляционного отработавшего газа должна обеспечить условия, при которых в рабочем диапазоне газотурбинного двигателя 2 статическое давление p_s,mix в плоскости смешивания, где смешиваются воздух и отработавший газ, будет всегда меньше, чем суммарное давление этих двух потоков. Примеры релевантных давлений во впуске как функция относительной нагрузки показаны на фиг. 2. Полное давление p_t окружающей среды остается постоянным. Полное давление p_t,rec рециркуляционного отработавшего газа падает вместе с нагрузкой по мере роста массового потока и, следовательно, перепада давления в системе рециркуляции отработавшего газа. Полное давление свежего воздуха изменяется пропорционально изменению полного давления p_t,rec рециркуляционного отработавшего газа, но может находиться на другом уровне (не показано). Статическое давление p_s,mix в плоскости смешивания, где потоки свежего воздуха и рециркуляционного отработавшего газа больше не разделены и могут смешиваться, также падает с нагрузкой. Из-за падения полного давления и увеличения динамического напора (с увеличением скорости потока) статическое давление падает быстрее, чем полное давление.

Правильная конструкция обеспечивает постоянную подачу отработавшего газа на впуск газотурбинного двигателя за счет разницы между полным давлением рециркуляционного топливного газа и статическим давлением в плоскости смешивания. Полное давление рециркуляционного топливного газа всегда ниже полного давления атмосферного воздуха из-за большего перепада давления в системе рециркуляции топливного газа, чем на впускном воздушном фильтре.

Специалистам понятно, что настоящее изобретение может быть реализовано в других конкретных формах, не выходя за пределы изобретательской идеи или ее существенных характеристик. Таким образом, описанные варианты во всех отношениях следует считать иллюстративными и неограничивающими.

14

Позиции на чертежах

1 - электростанция

2 - газотурбинный двигатель

3 - котел-утилизатор

4 - система рециркуляции отработавшего газа

5 - компрессор

6 - камера сгорания высокого давления

7 - камера сгорания низкого давления

8 - турбина высокого давления

9 - турбина низкого давления

10 - впускная сторона котла-утилизатора

11 - выпускная сторона котла-утилизатора

12 - выпуск турбины

13 - первый выход котла

14 - второй выход котла

15 - вытяжная труба

16 - впуск системы рециркуляции отработавшего газа

17 - выпуск системы рециркуляции отработавшего газа

18 - впуск компрессора

19 - охладитель системы рециркуляции отработавшего газа

20 - первый канал отработавшего топливного газа в котле

21 - второй канал отработавшего топливного газа в котле

22 - перегородка котла

23 - диффузор

24 - впуск диффузора

25 - общий выпуск диффузора/первый выпуск диффузора

26 - второй выпуск диффузора

27 - общий впуск котла/первый впуск котла

28 - второй впуск котла

29 - основной канал диффузора

30 - первый канал диффузора для отработавшего газа

31 - второй канал диффузора для отработавшего газа

32 - точка разветвления диффузора

33 - перегородка диффузора

34 - ось поворота

15

35 - задняя кромка перегородки диффузора

36 - передняя кромка перегородки котла

37 - входной направляющий аппарат

38 - подвижный дефлектор

39 - передняя кромка перегородки диффузора

40 - управляющий элемент

41 - направление движения управляющего элемента

42 - поворотная ось управляющего элемента

48 - второй теплообменник

49 - катализатор СО

50 - каталитический преобразователь NOx (трехкомпонентный катализатор, катализатор, поглощающий NOx)

51 - котел-утилизатор

52 - первый теплообменник

58 - корпус диффузора

61 - свежий воздух

64 - сектор впуска свежего воздуха

65 - сектор впуска отработавшего газа

66 - заборное устройство компрессора

67 - впускная перегородка

68 - управляющий элемент для свежего воздуха

69 - рециркуляционный отработавший газ

h - высота

d - расстояние

p - давление

p_t - полное атмосферное давление

p_t,rec - полное давление рециркуляционного отработавшего газа

p_s,mix - статическое давление в плоскости смешивания

Предлагаются электростанция (1) и способ эксплуатации такой электростанции. Электростанция (1) содержит газотурбинный двигатель (2) с компрессором (5), заборным устройством компрессора (66), камерой сгорания (6, 7) и турбиной (8, 9). Система (4) рециркуляции отработавшего газа для возврата части отработавшего в газовой турбине газа на впуск (18) компрессора газовой турбины (2) и котел-утилизатор (3). Заборное устройство (66) компрессора содержит сектор (64) впуска свежего воздуха и сектор (65) впуска отработавшего газа. В компрессоре (5) и/или в заборном устройстве (66) компрессора установлен общий управляющий элемент (37, 38) для управления потоком свежего воздуха (61) и рециркуляционным потоком отработавшего газа (69). В заборном устройстве (66) компрессора предусмотрено физическое разделение между потоком свежего воздуха (61) и рециркуляционным потоком отработавшего газа (69) или свободный путь между физическим разделением потока свежего воздуха (61) и рециркуляционным потоком отработавшего газа (69) в заборном устройстве (66) компрессора и впуском (18) компрессора, слишком короток для возникновения существенных поперечных потоков от одного пути к другому или для существенного смешивания потоков. Рециркуляция выпускных газов улучшает эффективность двигателя на этапе частичной нагрузки, во время которой имеет место только использование наружной температуры воздуха, входящего в компрессор, а также управляемое применение рециркуляции выпускных газов улучшает динамический отклик двигателя на изменение в выходной мощности и позволяет спрогнозировать снижение эмиссии загрязняющих газов, таких как оксид азота из компрессора. 3 н. и 14 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Электростанция (1), содержащая:

газотурбинный двигатель (2) с по меньшей мере компрессором (5), заборным устройством компрессора (66), камерой сгорания (6, 7) и турбиной (8, 9),

систему (4) рециркуляции отработавшего газа для возврата части отработавшего в газовой турбине газа на впуск (18) компрессора газовой турбины (2) и котел-утилизатор (3), отличающаяся тем, что:

заборное устройство (66) компрессора содержит сектор (64) впуска свежего воздуха и сектор (65) впуска отработавшего газа, и

тем, что в компрессоре (5) и/или в заборном устройстве (66) компрессора установлен общий управляющий элемент (37, 38) для управления потоком свежего воздуха (61) и рециркуляционным потоком отработавшего газа (69), причем в заборном устройстве (66) компрессора предусмотрено физическое разделение между потоком свежего воздуха (61) и рециркуляционным потоком отработавшего газа (69), или причем свободный путь между физическим разделением потока свежего воздуха (61) и рециркуляционным потоком отработавшего газа (69) в заборном устройстве (66) компрессора и впуском (18) компрессора, слишком короток для возникновения существенных поперечных потоков от одного пути к другому или для существенного смешивания потоков.

2. Электростанция по п. 1, отличающаяся тем, что на переднем конце компрессора (5) установлен по меньшей мере один входной направляющий аппарат (37) для управления потоком свежего воздуха в секторе (64) подачи свежего воздуха и в секторе (65) подачи отработавшего газа.

3. Электростанция по п. 1, отличающаяся тем, что в заборном устройстве (66) компрессора (5) установлен по меньшей мере один подвижный дефлектор (38), проходящий, по меньшей мере частично, в сектор (64) подачи свежего воздуха и в сектор (65) подачи отработавшего газа.

4. Электростанция по п. 1, отличающаяся тем, что заборное устройство (66) компрессора разделено впускной перегородкой (67) на сектор (64) подачи свежего воздуха, который подает свежий воздух (61) на впуск компрессора (5), и сектор (65) подачи отработавшего газа, который подает поток (69) рециркуляционного отработавшего газа на впуск компрессора (5).

5. Электростанция по п. 1, отличающаяся тем, что в заборном устройстве (66) компрессора (5) установлен по меньшей мере один подвижный дефлектор (38), проходящий, по меньшей мере частично, в сектор (64) подачи свежего воздуха и в сектор (65) подачи отработавшего газа;

и тем, что заборное устройство (66) компрессора разделено впускной перегородкой (67) на сектор (64) подачи свежего воздуха, который подает свежий воздух (61) на впуск компрессора (5), и сектор (65) подачи отработавшего газа, который подает поток (69) рециркуляционного отработавшего газа на впуск компрессора (5).

6. Электростанция по п. 4, отличающаяся тем, что содержит управляющий элемент (68) свежего воздуха для обеспечения возможности подачи свежего воздуха в сектор (65) подачи отработавшего газа для обеспечения возможности работы без рециркуляции отработавшего газа.

7. Электростанция по п. 4, отличающаяся тем, что содержит управляющий элемент (68) свежего воздуха для обеспечения возможности подачи свежего воздуха в сектор (65) подачи отработавшего газа для обеспечения возможности работы без рециркуляции отработавшего газа.

8. Электростанция по п. 1, отличающаяся тем, что сектор (64) подачи свежего воздуха рассчитан на поток свежего воздуха (61), который меньше, чем входной поток на компрессор при базовой нагрузке.

9. Электростанция по п. 1, отличающаяся тем, что вытяжная труба (15) рассчитана на поток отработавшего газа, который меньше, чем выпускной поток турбины при базовой нагрузке.

10. Электростанция по одному из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что котел-утилизатор (3) содержит по меньшей мере впускную сторону (10) котла, соединенную с выпуском (12) турбины, и выпускную сторону с первым выходом (13), соединенным с вытяжной трубой (15), и со вторым выходом (14), соединенным с системой (4) рециркуляции отработавшего газа,

и тем, что котел-утилизатор (3) содержит первый канал (20) отработавшего газа, идущий от впуска (10) котла к первому выходу (13) котла, и второй канал (20), идущий от впуска (10) котла ко второму выходу котла (13).

11. Электростанция по одному из пп. 1-9, отличающаяся тем, что канал системы (4) рециркуляции отработавшего газа, проходящий от выхода котла-утилизатора (3) к заборному устройству (66) компрессора, не содержит каких-либо элементов с управляемым или регулируемым перепадом давления.

12. Электростанция по п. 10, отличающаяся тем, что канал системы (4) рециркуляции отработавшего газа, проходящий от выхода котла-утилизатора (3) к заборному устройству (66) компрессора, не содержит каких-либо элементов с управляемым или регулируемым перепадом давления.

13. Электростанция (1), содержащая:

газотурбинный двигатель (2) с по меньшей мере компрессором (5), заборным устройством компрессора (66), камерой сгорания (6, 7) и турбиной (8, 9),

систему (4) рециркуляции отработавшего газа для возврата части газа, отработавшего в газотурбинном двигателе, на впуск (18) компрессора газотурбинного двигателя (2),

отличающаяся тем, что

канал системы (4) рециркуляции отработавшего газа, проходящий от выхода котла-утилизатора (3) к заборному устройству (66) компрессора, не содержит каких-либо элементов с управляемым или регулируемым перепадом давления, и тем, что в заборном устройстве (66) компрессора предусмотрено физическое разделение между потоком свежего воздуха (61) и рециркуляционным потоком отработавшего газа (69), или причем свободный путь между физическим разделением потока свежего воздуха (61) и рециркуляционным потоком отработавшего газа (69) в заборном устройстве (66) компрессора и впуском (18) компрессора, слишком короток для возникновения существенных поперечных потоков от одного пути к другому или для существенного смешивания потоков.

14. Способ эксплуатации электростанции (1),

содержащей газотурбинный двигатель (2) с по меньшей мере компрессором (5), заборным устройством компрессора (66), камерой сгорания (6, 7), турбиной (8, 9), и систему (4) рециркуляции отработавшего газа для возврата части отработавшего в газотурбинном двигателе газа на впуск (18) компрессора газотурбинного двигателя (2),

отличающийся тем, что поток свежего воздуха и поток рециркуляционного отработавшего газа подают на впуск (18) компрессора через раздельные секции, и тем, что и поток свежего воздуха (61), и поток рециркуляционного отработавшего газа (69) регулируют общим управляющим элементом (37, 38), и причем поток свежего воздуха (61) и рециркуляционный поток отработавшего газа (69), физически разделены в заборном устройстве (66) компрессора или свободный путь между физическим разделением и общим управляющим элементом слишком короток для возникновения существенных поперечных потоков от одного пути к другому или для существенного смешивания потоков.

15. Способ по п. 14, отличающийся тем, что поток свежего воздуха (61) и поток рециркуляционного отработавшего газа (69) регулируют, управляя по меньшей мере одним входным направляющим аппаратом (37) компрессора, установленным на переднем конце компрессора (5).

16. Способ по п. 14 или 15, отличающийся тем, что поток свежего воздуха (61) и поток рециркуляционного отработавшего газа (69) регулируют, управляя по меньшей мере одним регулируемым дефлектором (38), расположенным в заборном устройстве (66) компрессора перед компрессором (5) и проходящим, по меньшей мере частично, в сектор (64) подачи свежего воздуха и, по меньшей мере частично, в сектор (65) подачи отработавшего газа.

17. Способ по п. 16, отличающийся тем, что газ, отработавший в турбине (8, 9), разделяют на два потока в котле-утилизаторе (3) и подают первый поток от впуска (10) котла на первый выход (13) котла, а второй поток от впуска (10) котла на второй выход (14) котла,

при котором второй поток возвращают из второго выхода котла на впуск компрессора газотурбинного двигателя (2) и при котором первый поток выпускают из первого выхода (13) котла в окружающую среду.