СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ НИЖЕ ПОРОГА ЕЕ НОМИНАЛЬНОЙ ВЫХОДНОЙ МОЩНОСТИ Российский патент 2018 года по МПК F02C9/22 F02C9/28 

Данное изобретение относится к способу эксплуатации газовой турбины ниже порога ее номинальной выходной мощности, включающему следующие этапы:

- определение нижнего порога мощности газовой турбины в качестве мощностного параметра, ниже которого дальнейшее понижение отдаваемой газовой турбиной выходной мощности приводит к выходу газовой турбины за пределы диапазона частичных нагрузок в соответствии с нормой выброса окиси углерода;

- выработка заданного порогового параметра отдаваемой газовой турбиной выходной мощности, причем заданный пороговой параметр ниже номинальной мощности газовой турбины;

- эксплуатация газовой турбины с отдаваемой выходной мощностью выше заданного порогового параметра с постоянной усредненной температурой отработавших газов или с просчитанной на ее основе выходной величиной (далее - температура отработавших газов), причем для понижения отдаваемой выходной мощности газовой турбины входные направляющие лопатки компрессора газовой турбины оставляют закрытыми.

Известно, что газовые турбины, применяемые для производства электроэнергии, эксплуатируют не только при их номинальной выходной мощности, но и ниже нее. Однако этот т.н. режим частичной нагрузки может вызвать образование значительного избытка воздуха при сжигании топлива; при этом коэффициент избытка воздуха значительно превышает 1. Чем ниже при этом отдаваемая газовой турбиной мощность, тем больше избыток воздуха. В этом случае температура топливовоздушной смеси в камере сгорания падает, что соответственно влияет на важные для выброса окиси углерода первичные температурные зоны. Если эта температура падает ниже минимального значения, выброс окиси углерода возрастает. При дальнейшем снижении температуры первичных зон выброс окиси углерода может превысить пороговое значение выброса, часто запрещаемое закононодательно, что приведет к выходу газовой турбины за пределы режима частичной нагрузки в соответствии с нормой выброса окиси углерода. Этот факт может вынудить эксплуатанта газовой турбины при запрещенном законодательно значении выброса окиси углерода отключить газовую турбину, если не будет возможности снизить отдаваемую выходную мощность газовой турбины с одновременным снижением порогового значения выброса окиси углерода.

Для повышения вышеописанной возможности работы газовой турбины в режиме частичной нагрузки в известном из уровня техники источнике DE 102008044442 A1 предложено оборудование газовой турбины системой байпаса, которая отводит часть конечного воздуха компрессора не в камеру сгорания, а в газоход для отработавших газов. Это сокращает объем подаваемого для процесса сгорания воздуха, что повышает температуру сгорания и, тем самым, релевантную температуру первичных зон. Такое повышение приводит к снижению выброса окиси углерода и обеспечивает возможность эксплуатации газовой турбины в соответствии с нормой выброса окиси углерода, несмотря на уменьшение режима нагрузки. Недостатком, однако, является то, что известный в существующем уровне техники способ эксплуатации излишне снижает производительность газовой турбины, так как сжатый в байпасе воздух не способствует преобразованию энергии в газовой турбине.

Поэтому задачей данного изобретения является выработка способа эксплуатации газовой турбины со сравнительно высокой производительностью в соответствии с нормой выброса окиси углерода, несмотря на режим частичной нагрузки. Изобретение решает также задачу выделения способа, при котором эксплуатация газовой турбины с нормальным выбросом окиси углерода возможна при более сильном снижении нагрузки.

Задачу выработки способа решают согласно признакам по пункту 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления изобретения раскрыты в зависимых пунктах формулы, технические решения по которым можно комбинировать друг с другом любым образом. Согласно данному изобретению понижение нагрузки снижает отдаваемую выходную мощность газовой турбины, причем при уменьшении отдаваемой выходной мощности газовой турбины ниже заданного порогового значения температура отработавших газов турбины возрастает до максимума пропорционально снижению выходной мощности газовой турбины, причем заданное пороговое значение выбираю максимальным, чтобы повышение температуры отработавших газов происходило в максимально широком диапазоне частичной нагрузки газовой турбины в соответствии с нормой выброса окиси углерода.

Часто делают различие между измеренной температурой отработавших газов и т.н. скорректированной т6мературой отработавших газов. Под измеренной температурой отработавших газов понимают фактическую температуру отработавших газов на выходе из турбины. При детальном рассмотрении расположенные в плоскости потока датчики измеряют несколько температурных параметров отработавших газов, которые затем сводят в один единственный показатель температуры. В отличие от этого под корректированной температурой отработавших газов понимают выходную величину, получаемую из измеренной температуры отработавших газов с учетом температуры принудительно подаваемого воздуха и величины оборотов турбины. В рамках данного изобретения под усредненной температурой отработавших газов понимают как измеренную температуру, скорректированную температуру, так и полученную любым другим образом температуру отработавших газов.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения температуру отработавших газов повышают таким образом, чтобы получить пороговое значение выброса окиси углерода только после достижения максимально допустимого значения температуры отработавших газов.

Заданное пороговое значение предпочтительно равно номинальной выходной мощности газовой турбины. Однако заданное пороговое значение в любом случае ниже 100% номинальной выходной мощности; относительные параметры мощности соотнесены с расчетной выходной мощностью газовой турбины. Особенно предпочтительно выполнение, при котором заданное пороговое значение превышает 70% номинальной мощности, в частности больше 80% номинальной мощности и особенно предпочтительно больше 90% номинальной мощности.

За счет вышеописанного приема происходит сравнительно умеренное изменения температуры отработавших газов, чтобы эти изменения температуры максимально низко нагружали соответствующие детали газовой турбины, а также подключенные последовательно ниже по потоку компоненты. Таким образом, данное изобретение, с одной стороны, обеспечивает возможность дальнейшего снижения нижнего порога рабочего режима газовой турбины в соответствии с нормой выброса окиси углерода в рамках диапазона регулирования впускных лопаток и, тем самым, малой процентной доли номинальной выходной мощности, позволяющей газовой турбине продолжать работу в соответствии с нормой выброса окиси углерода.

С другой стороны, это обеспечивает устойчивость характеристик регулирования газовой турбины, так как исключает резкие перепады температуры. Кроме этого новый способ эксплуатации обеспечивает повышение производительности газовой турбины в режиме частичной нагрузки. Реализация способа по данному изобретению возможна также без конструктивных изменений газовой турбины, т.е. для осуществления изобретения необходимо только без значительных затрат адаптировать систему управления к способу по данному изобретению. Если, однако, такие газотоковые детали для отработавших газов, как диффузор отработавших газов, участок трубопровода для отработавших газов и последовательно подключаемый при необходимости ресивер высоких температур отработавших газов, соответствуют предъявляемым требованиям, преимущества проявят себя в еще большей мере.

При особенно равномерном перепаде температур в процессе изменения мощности зависящие от температуры расширение и напряжение материалов остаются сравнительно низкими. Это положительно сказывается на сроке службы деталей, контактирующих с горячими газами, и газопроводных деталей для отработавших газов.

Если заданное пороговое значение мощности соответствует режиму, при котором температура отработавших газов постоянна независимо от отдаваемой выходной мощности газовой турбины, то нижнее пороговое значение мощности предпочтительно падает со снижением отдаваемой выходной мощности газовой турбины. Поэтому существует возможность снижения нижнего порогового значения мощности, так как повышение температуры отработавших газов снижает значение мощности, при котором выбросы в отработавших газах превышают допустимое законодательством пороговое значение. Таким образом, повышение температуры отработавших газов расширяет границы эксплуатационного режима в соответствии с нормой выброса окиси углерода в сторону нижнего значения. Поэтому целесообразно снижать нижнее пороговое значение мощности с повышением температуры отработавших газов.

В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения последнее повышение температуры отработавших газов до ее максимального значения осуществляют по достижении нижнего или уменьшенного порогового значения мощности или незадолго до этого. Это обеспечивает сравнительно равномерное повышение температуры отработавших газов с понижением мощности и его протяженность во время всего режима работы газовой турбины с частичной нагрузкой в соответствии с нормой выброса окиси углерода.

Но описанный в предыдущем абзаце прием не обязателен. В зависимости от цели, предпочтительно также более резкое повышение температуры отработавших газов и достижение максимально допустимой температуры задолго до достижения нижнего или уменьшенного порогового значения мощности. Это повышает производительность, так как температура сгорания может быть сравнительно высокой уже при незначительном снижении мощности. Необходимо при этом учитывать, что газовую турбину не перегружают по топливу.

Предпочтительно одновременно с повышением температуры отработавших газов сокращают объем подаваемого в камеру сгорания первичного воздуха дополнительным закрытием входной направляющей лопатки компрессора газовой турбины. Описанный выше режим особенно предпочтителен при регулировании температуры отработавших газов газовой турбины, а расчетное значение температуры отработавших газов с опусканием ниже порогового значения и продолжением понижения выходной мощности газовой турбины продолжают повышать до достижения максимальной температуры отработавших газов.

Другие предпочтительные варианты осуществления и признаки изобретения более подробно раскрыты на примере варианта осуществления с привлечением чертежей.

На чертежах представлено следующее:

фиг. 1 - схема конструктивного устройства газовой турбины;

фиг. 2 - диаграмма положения входных направляющих лопаток, температуры отработавших газов и возникающих в отработавших газах выбросов окиси углерода, наложенная на мощность генератора на клеммах.

На фиг. 1 показана схема стационарной газовой турбины 10 с компрессором 12 и турбинным блоком 14, роторы которого неподвижно состыкованы друг с другом. Между выходом компрессора и входным участком турбинного блока 14 установлена камера сгорания 16, выполненная в виде силосной камеры сгорания, трубчатой камеры сгорания или кольцевой камеры сгорания. В варианте трубчатой камеры сгорания устанавливают, как правило, десять, двенадцать или еще больше трубчатых камер сгорания. С ротором компрессора состыкован также генератор 11 для производства электроэнергии. На входе воздуха в компрессор 12 установлены с возможностью поворота вокруг продольной оси входные направляющие лопатки 13 компрессора, обеспечивающие возможность регулировать массовый поток m_V компрессора. Направляющие лопатки 13 изображены только схематически. Турбинный блок 14 включает согласно данному варианту осуществления изобретения четыре установленных последовательно ступени турбины 14_a, 14_b, 14_c и 14_d, изображенные на фиг. 1 также только схематично. В рабочем режиме компрессор 12 засасывает воздух из окружающей среды, сжимает его и подает его в камеру сгорания 16. Там сжатый воздух смешивают с топливом В и сжигают в пламени с образованием горячего газа HG. Горячий газ HG поступает на вход турбинного блока 14 и энергообразующе теряет давление на лопатках (не показано) турбинного блока 14. Образованный таким образом отработавший газ RG проходит на выходе из турбинного блока 14 через диффузор отработавших газов. Затем отработавший газ RG выходит или через дымоходную трубу в окружающую среду, или отработавший газ RG используют в т.н. ресивере, известном как парогенератор отходящего пара, для производства пара. Пар, произведенный в парогенераторе отходящего пара, используют далее для привода паровых турбин (не показано) или в качестве технологического пара. Массовый поток топлива m_B и массовый поток компрессора m_V обеспечивают возможность регулировать отдаваемую выходную мощность газовой турбины 10.

Как только газовая турбина 10 начинает работать ниже своей номинальной выходной мощности, то уже даже при высокой частичной нагрузке температура отработавших газов газовой турбины незначительно возрастает, хотя подобный рост температуры отработавших газов пока не обязателен для предотвращения выброса окиси углерода. Этот способ подробно рассмотрен на основе диаграммы фиг. 2. Абсцисса диаграммы отображает относительную мощность генератора на клеммах P_KL, характеризующую отдаваемую выходную мощность газовой турбины. Максимальное значение относительной выходной мощности газовой турбины составляет 100% (номинальной мощности). На ординату нанесены три параметра. Первый параметр - это относительный угол открывания регулируемых направляющих лопаток, причем значение, равное 100%, отображает полное открывание входа компрессора. Со снижением процентного числа положения впускных направляющих лопаток вход компрессора постепенно закрывается, а массовый поток m_v компрессора убывает. Второй параметр на ординате - это содержащиеся в отработавшем газе газовой турбины выбросы окиси углерода, обозначенные единицей ppm, т.е. чнм = частей на миллион. Третий параметр на ординате - это температура отработавших газов.

Каждый из трех параметров обозначен на диаграмме параметрической кривой. Кривая 22 обозначает степень открытия регулируемых впускных лопаток в зависимости от указанной выходной мощности газовой турбины. Кривая 20 обозначает выброс окиси углерода в зависимости от указанной выходной мощности газовой турбины при неизменной температуре отработавших газов. Кривая 21 обозначает выброс окиси углерода в зависимости от отдаваемой выходной мощности газовой турбины при повышенной согласно данному изобретению температуре отработавших газов. Кривая 24 обозначает температуру отработавшего газа газовой турбины в зависимости от отдаваемой выходной мощности газовой турбины согласно данному изобретению.

Кривая 20 показывает зависимость выбросов окиси углерода в отработавших газах газовой турбины 10 в режиме эксплуатации обычной газовой турбины 10, т.е. турбины, работающей без применения способа по данному изобретению. В нижеследующем раскрытии способа по данному изобретению за основу взято законодательно определенное пограничное значение, например 10 ppm монооксида углерода. С помощью законодательно утвержденного порогового значения на основе кривой 20 можно определить нижнее пограничное значение выходной мощности p_1@TATK=const в качестве нижнего пограничного значения диапазона частичной нагрузки газовой турбины 10 в соответствии с нормой выброса окиси углерода: диапазон частичной нагрузки газовой турбины 10 в соответствии с нормой выброса окиси углерода составляет между и ниже 100% номинальной выходной мощности газовой турбины 10, при условии, что газовую турбину 10 эксплуатируют, как и ранее, с постоянной температурой отработавших газов в режиме частичной нагрузки.

Для этого необходимо определить заданное пограничное значение p₂. Это значение можно также обозначить как верхнее пограничное значение выходной мощности, которое примерно равно номинальной нагрузке газовой турбины 10, например значению 95% номинальной выходной мощности. Однако возможно определить это значение более низким.

При этом важно, чтобы значение p₂ было ближе к номинальной выходной мощности, а не к нижнему уменьшенному пограничному значению выходной мощности p_1@TAT+. Нижнее уменьшенное пограничное значение выходной мощности p_1@TAT+ определено режимной точкой газовой турбины 10, при которой, несмотря на повышенную температуру первичной зоны и повышенную температуру отработавших газов, в отработавших газах возникает выброс окиси углерода, превышающий законодательно установленное пограничное значение.

Нижние пограничные значения выходной мощности p_1@TATK=const, p_1@TAT+ газовой турбины 10 могут быть определены также в случае выбросов, незначительно отличающихся от законодательно установленной нижней нормы, чтобы обеспечить надежное ненарушение этих норм выбросов окиси углерода.

Заданное пограничное значение p₂ определяет рабочий момент газовой турбины 10, при котором дальнейшее понижение заданного значения p₂ повышает температуру отработавших газов закрытием впускных направляющих лопаток 13. Закрытие впускных направляющих лопаток 13 даже при незначительном сокращении массового потока топлива m_B может незначительно повысить температуру сжигания и, тем самым, температуру первичных зон, что обеспечивает и далее низкий уровень выброса окиси углерода. Дальнейшее снижение выходной мощности газовой турбины вызывает дальнейшее закрытие впускных направляющих лопаток компрессора, что далее снижает массовый поток m_V компрессора. Одновременно газовая турбина 10 работает в режиме, при котором температура сжигания и, тем самым, температура отработавших газов возрастают. За счет этого кривая выбросов окиси углерода падает с более высоких значений частичной нагрузки к более низким. Вследствие того, что заданное пороговое значение p₂ значительно больше нижнего уменьшенного порогового значение выходной мощности p_1@TAT+ и заданное пороговое значение p₂ примерно равно номинальной выходной мощности газовой турбины, возрастание температуры отработавших газов температуры первичных зон более равномерное, чем при режиме работы газовой турбины, при котором заданное пороговое значение p₂ примерно равно нижнему, уменьшенному пороговому значению выходной мощности p_1@TAT+ газовой турбины. Это обеспечивает сравнительно более щадящий конструктивные детали режим работы газовой турбины 10. В целом данное изобретение относится к способу эксплуатации газовой турбины 10 ниже ее номинальной выходной мощности, включающему следующие этапы:

- определение нижнего порога мощности p_1@TATK=const газовой турбины 10 в качестве мощностного параметра, ниже которого дальнейшее понижение отдаваемой газовой турбиной выходной мощности приводит к выходу газовой турбин 10 за пределы диапазона частичных нагрузок в соответствии с нормой выброса окиси углерода;

- выработка заданного порогового значения p₂ отдаваемой газовой турбиной выходной мощности, причем заданное пороговое значение p₂ ниже номинальной мощности газовой турбины 10;

- эксплуатация газовой турбины 10 с отдаваемой выходной мощностью выше заданного порогового значения p₂ с постоянной температурой отработавших газов, причем для понижения отдаваемой выходной мощности газовой турбины входные направляющие лопатки 13 компрессора 12 газовой турбины 10 оставляют закрытыми.

Для предотвращения высоких перепадов температуры при подготовке режима с особенно низкой частичной нагрузкой и, следовательно, щадящего конструктивные детали режима заданное пороговое значение p₂ выбирают таким образом, чтобы повышение температуры первичных зон, температуры сгорания или температуры отработавших газов происходило в максимально протяженном режиме частичной нагрузки в соответствии с нормой выброса окиси углерода.

Способ эксплуатации газовой турбины ниже порога ее номинальной выходной мощности, при котором определяют нижнее значение порога мощности газовой турбины в качестве мощностного параметра, ниже которого дальнейшее понижение отдаваемой газовой турбиной выходной мощности приводит к выходу газовой турбин за пределы диапазона частичных нагрузок в соответствии с нормой выброса окиси углерода. Устанавливают заданное пороговое значение отдаваемой газовой турбиной выходной мощности, пороговое значение ниже номинальной мощности газовой турбины. Эксплуатируют газовую турбину с отдаваемой выходной мощностью выше заданного порогового значения (p₂) с постоянной усредненной температурой отработавших газов или с высчитанной на этой основе выходной величиной. Для понижения отдаваемой выходной мощности газовой турбины входные направляющие лопатки компрессора газовой турбины оставляют закрытыми. Снижают заданное значение отдаваемой выходной мощности газовой турбины при переходе отдаваемой выходной мощности ниже порогового значения. Температуру отработавших газов газовой турбины повышают с продолжением снижения мощности газовой турбины и снижают до достижения максимального значения температуры отработавших газов. Заданное пороговое значение выбирают таким образом, чтобы повышение температуры происходило в максимально протяженном режиме частичной нагрузки в соответствии с нормой выброса окиси углерода. Изобретение направлено на эксплуатацию газовой турбины со сравнительно высокой производительностью в соответствии с нормой выброса окиси углерода. 10 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ эксплуатации газовой турбины (10) ниже порога ее номинальной выходной мощности, при котором:

определяют нижнее значение порога мощности (p₁) газовой турбины (10) в качестве мощностного параметра, ниже которого дальнейшее понижение отдаваемой газовой турбиной выходной мощности приводит к выходу газовой турбин (10) за пределы диапазона частичных нагрузок в соответствии с нормой выброса окиси углерода;

устанавливают заданное пороговое значение (p₂) отдаваемой газовой турбиной выходной мощности, причем заданное пороговое значение (p₂) ниже номинальной мощности газовой турбины;

эксплуатируют газовую турбину с отдаваемой выходной мощностью выше заданного порогового значения (p₂) с постоянной усредненной температурой отработавших газов или с высчитанной на этой основе выходной величиной,

причем для понижения отдаваемой выходной мощности газовой турбины входные направляющие лопатки (13) компрессора (12) газовой турбины (10) оставляют закрытыми,

отличающийся тем, что

снижают заданное значение отдаваемой выходной мощности газовой турбины при переходе отдаваемой выходной мощности ниже порогового значения (p₂);

температуру отработавших газов газовой турбины (10) повышают с продолжением снижения мощности газовой турбины и снижают до достижения максимального значения температуры отработавших газов,

причем заданное пороговое значение (p₂) выбирают таким образом, чтобы повышение температуры происходило в максимально протяженном режиме частичной нагрузки в соответствии с нормой выброса окиси углерода.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что задают пороговое значение (p₂) больше 70% номинальной выходной мощности, предпочтительно больше 80% номинальной выходной мощности, особенно предпочтительно больше 90% номинальной выходной мощности.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что при понижении отдаваемой выходной мощности газовой турбины снижают нижнее пороговое значение (p_1@TAT+).

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что последнее повышение температуры отработавших газов выполняют до максимального значения температуры отработавших газов до достижения нижнего порогового значения (p_1@TAT+) выходной мощности.

5. Способ по любому из пп. 1, 2, 4, отличающийся тем, что продолжение понижения отдаваемой выходной мощности газовой турбины поэтапно или непрерывно повышает температуру отработавших газов.

6. Способ по п. 3, отличающийся тем, что продолжение понижения отдаваемой выходной мощности газовой турбины поэтапно или непрерывно повышает температуру отработавших газов.

7. Способ по п. 5, отличающийся тем, что для повышения температуры отработавших газов снижают объем подаваемого в камеру сжигания (16) первичного воздуха посредством закрывания входных направляющих лопаток (13) компрессора (12) газовой турбины (10).

8. Способ по п. 6, отличающийся тем, что для повышения температуры отработавших газов снижают объем подаваемого в камеру сжигания (16) первичного воздуха посредством закрывания входных направляющих лопаток (13) компрессора (12) газовой турбины (10).

9. Способ по любому из пп. 1, 2, 4, 6-8, отличающийся тем, что регулируют температуру отработавших газов газовой турбины (10), а расчетное значение температуры отработавших газов непрерывно повышают после превышения заданного нижнего порогового значения и при продолжении снижения выходной мощности газовой турбины до достижения максимального значения температуры отработавших газов.

10. Способ по п. 3, отличающийся тем, что регулируют температуру отработавших газов газовой турбины (10), а расчетное значение температуры отработавших газов непрерывно повышают после превышения заданного нижнего порогового значения и при продолжении снижения выходной мощности газовой турбины до достижения максимального значения температуры отработавших газов.

11. Способ по п. 5, отличающийся тем, что регулируют температуру отработавших газов газовой турбины (10), а расчетное значение температуры отработавших газов непрерывно повышают после превышения заданного нижнего порогового значения и при продолжении снижения выходной мощности газовой турбины до достижения максимального значения температуры отработавших газов.