СПОСОБ РАБОТЫ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ СО СТУПЕНЧАТЫМ И/ИЛИ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМ СГОРАНИЕМ Российский патент 2018 года по МПК F02C9/16 F23R3/36 F02C9/48 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к способу работы газотурбинной установки со ступенчатым и/или последовательным сгоранием. Кроме того, изобретение относится к газотурбинной установке для осуществления способа работы газотурбинной установки со ступенчатым и/или последовательным сгоранием.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Из-за возросшей выработки электроэнергии посредством непостоянных возобновляемых источников (например, ветер, солнечная энергия), все больше и больше используют современные электростанции, основанные на ГТ (газовых турбинах), для создания баланса между потребностью в электроэнергии и стабильностью энергетической системы, таким образом требуется повышенная эксплуатационная гибкость. Это подразумевает, что газотурбинные электростанции часто работают при меньшей нагрузке, чем расчетное значение номинальной нагрузки, т.е. при более низких температурах на впуске сжигающих устройств и температур розжига. Ниже определенных пределов это уменьшает устойчивость горения пламени и полного сгорания, с увеличенным образованием выбросов CO.

В то же время предельные значения выбросов и разрешения на валовые выбросы становятся более строгими, поэтому требуется:

- работать при более низких значениях выбросов;

- поддерживать выбросы на низком уровне как при работе при частичной нагрузке, так и во время переходного процесса, поскольку они отражаются на пределах совокупной эмиссии.

Системы сгорания топлива в соответствии с уровнем техники предназначены, чтобы справляться с некоторыми изменениями в рабочих условиях, например, регулируя расход воздуха через впуск компрессора или управляя разделением топлива между различными горелками, ступенями подачи топлива или сжигающими устройствами. В этом отношении целью является представление газотурбинной установки с принципом ступенчатого или последовательного сгорания, поскольку возможность работы первой и второй ступеней или сжигающего устройства при различных температурах горения уже обеспечивает возможность оптимизации работы в более широких диапазонах нагрузок.

В документе EP 0646704 A1 представлен способ управления газотурбинными установками, по существу содержащими компрессорный агрегат (1), камеру (4) сгорания высокого давления, турбину (6) высокого давления, камеру (9) сгорания низкого давления, турбину (12) низкого давления и генератор (14), количество топлива (ТВ) для камеры (4) сгорания высокого давления регулируется скорректированным сигналом датчика температуры, составленным из значения температуры (T13) на выпуске турбины (12) низкого давления, уменьшенным на соответствующее увеличение температуры (ДЕЛЬТА T), обнаруженное в нем. Этот сигнал (T13-ДЕЛЬТА T) датчика температуры регистрируется, вычитанием увеличения температуры (ДЕЛЬТА T), созданного количеством топлива (FL), введенного в камеру (9) сгорания низкого давления, из температуры, измеренной на выходе турбины (12) низкого давления. Для количества топлива (FL) для камеры (9) сгорания низкого давления используется нескорректированный сигнал датчика температуры на выходе турбины (12) низкого давления.

В соответствии с документом EP 0646705 A1 изобретение представляет способ обеспечения работы при частичной нагрузке в турбинной установке. Эта газотурбинная установка по существу содержит компрессорный агрегат (1), камеру (4) сгорания ВД (высокого давления), расположенную ниже по потоку от компрессорного агрегата (1), турбину (5) ВД, расположенную ниже по потоку от этой камеры (4) сгорания ВД, камеру (8) сгорания НД (низкого давления), которая расположена ниже по потоку от этой турбины (5) ВД; работает посредством самовоспламенения, и горячие газы которой действуют на турбину (11) НД. Уменьшая количество топлива в камере (8) сгорания НД до нуля, поддерживают температуру на выпуске турбины (5) ВД по существу постоянной. Более того, при уменьшении количества топлива в камере (8) сгорания НД, количество топлива для камеры (4) сгорания ВД остается приблизительно постоянным, и, таким образом, температура на впуске в турбину (5) ВД аналогично остается постоянной.

В соответствии с патентом EP 0718470 A2 газотурбинная установка состоит из компрессора (1), первой и второй камер (4, 8) сгорания с соответствующими турбинами (6, 10) высокого и низкого давления и по меньшей мере одного генератора (13). Работа при частичной нагрузке газотурбинной установки достигается регулированием ведущих лопаток компрессора для достижения нагрузок менее 50 процентов номинальной мощности. При регулировании температура на впуске турбины высокого давления остается постоянной, в то время как температура на впуске турбины низкого давления непрерывно падает. Температура на выпуске турбины низкого давления остается постоянной. Для нагрузок ниже нагрузок, достигнутых использованием регулирования лопаток, сначала уменьшается температура на впуске турбины низкого давления, затем на впуске турбины высокого давления.

В документе EP 0921292 A1 представлен способ регулирования газотурбогенераторной установки, управляемой последовательным сгоранием, в которой сначала управляют количеством топлива необходимым для работы первой камеры сгорания, в зависимости от давления, преобладающего на выпуске компрессора. Отношение между этим количеством топлива и этим давлением непрерывно обновляется посредством коэффициента, воспроизводящего отклонение температуры на впуске в первую турбину от требуемого значения этой температуры. Количеством топлива, необходимым для работы второй камерой сгорания, управляют в зависимости от давления, преобладающего на впуске во вторую турбину, и отношение между этим количеством топлива и этим давлением аналогично все время обновляется посредством коэффициента, воспроизводящего отклонение температуры на впуске во вторую турбину от требуемого значения этой температуры. Инерционные характеристики в системе нейтрализуются посредством этого резервного режима регулирования давления.

Кроме того, выбросы CO газотурбинных двигателей необходимо уменьшать ради защиты окружающей среды. Такие выбросы, как известно, происходят, когда нет достаточного времени для обеспечения окисление CO в CO₂ в камере сгорания и/или это окисление локально подавляется из-за контакта с холодными областями в сжигающем устройстве. Поскольку впуск в сжигающее устройство и/или температура горения меньше в условиях частичной нагрузки, окисление CO в CO₂ происходит медленнее, таким образом, при этих условиях обычно наблюдается тенденция увеличения выбросов CO.

Уменьшение выбросов CO, в свою очередь, было бы возможно посредством уменьшения нагрузки газотурбинной установки в режим ожидания газотурбинной установки. Это уменьшает воздействие на окружающую среду благодаря уменьшению выбросов CO₂ (и в некоторых случаях других загрязняющих веществ) и общую стоимость электричества благодаря меньшему расходу топлива во время режима ожидания двигателя. Наконец, уменьшение выбросов CO могло бы повлиять на уменьшение первоначальных стоимостей благодаря экономии катализатора CO. В этом случае можно было бы избежать использование катализатора CO (или по меньшей мере уменьшить). В то же время потери, которые возникают из-за катализатора, будут устранены (или по меньшей мере уменьшены), и, таким образом, общая эффективность электростанции увеличится.

В соответствии с документом US 2012/0017601 A1 основным положением этого уровня техники является способ работы газотурбинной установкой, которая поддерживает коэффициент λ избытка воздуха работающей горелки второго сжигающего устройства ниже максимального коэффициента λ_max избытка воздуха во время работы при частичной нагрузке. Этот способ отличается по существу тремя новыми элементами и также добавлением параметров, которые можно осуществлять отдельно или в комбинации.

Максимальный коэффициент λ_max избытка воздуха в этом случае зависит от пределов выброса CO, которые будут наблюдаться, на конструкции горелки и сжигающего устройства, и также от условий работы, а именно, особенно от температуры на впуске горелки.

Первый элемент это изменение в принципе работы ряда изменяемых впускных направляющих лопаток компрессора, которые обеспечивают возможность вводить в работу второе сжигающее устройство только при более высокой частичной нагрузки. Начиная с работы без нагрузки, ряд изменяемых впускных направляющих лопаток компрессора уже открывается, в то время как работает только первое сжигающее устройство. Это обеспечивает возможность приложения нагрузки вплоть до более высокой относительной нагрузки, прежде чем второе сжигающее устройство будет введено в работу. Если ряд изменяемых впускных направляющих лопаток компрессора открыт и температура горячего газа или температура на впуске турбины высокого давления достигла предела, во второе сжигающее устройство подается топливо.

Кроме того, ряд изменяемых впускных направляющих лопаток компрессора быстро закрывается. Закрытие ряда изменяемых впускных направляющих лопаток компрессора при постоянной температуре на впуске турбины TIT (Turbine Inlet Temperature) высокого давления, без мер противодействия, привело бы к значительному уменьшению относительной мощности.

Для того чтобы избежать этого уменьшения мощности, массовый расход топлива, который подают во второе сжигающее устройство, можно увеличить. Поэтому минимальная нагрузка, при которой второе сжигающее устройство вводят в работу, и минимальный поток топлива во второе сжигающее устройство значительно увеличиваются.

В результате минимальная температура горячего газа второго сжигающего устройства также увеличивается, что уменьшает коэффициент λ избытка воздуха и поэтому уменьшает выбросы CO.

Вторым элементом для уменьшения коэффициента λ избытка воздуха является изменение в принципе работы посредством увеличения полной температуры воздушного потока TAT1 (Total Air Temperature 1) на выпуске турбины высокого давления и/или полной температуры воздушного потока TAT2 (Total Air Temperature 2) на выпуске турбины низкого давления во время работы при частичной нагрузке. Это увеличение обеспечивает возможность открытия ряда изменяемых впускных направляющих лопаток компрессора, которые будут подняты на более высокую точку приложения нагрузки.

Обычно, максимальная температура на выпуске второй турбины определена для случая полной нагрузки, и газотурбинная установка и возможно расположенный ниже по потоку котел-утилизатор выполнены в соответствии с этой температурой. Это приводит к максимальной температуре горячего газа второй турбины, не ограничиваемой TIT2 (температурой на впуске второй турбины) во время работы при частичной нагрузке с рядом закрытых изменяемых впускных направляющих лопаток компрессора, но TAT2 (температурой на выпуске турбины второй турбины). Поскольку при частичной нагрузке по меньшей мере с одним рядом изменяемых впускных направляющих лопаток компрессора, перекрывается массовый расход, то отношение давления в турбине уменьшено, отношение температуры на впуске турбины к температуре на выпуске турбины также уменьшено.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Предшествующие концепции не могли бы быть достаточными для управления выбросами CO для данного значения во всем диапазоне частичной нагрузки из-за ограничений в возможном повышении температуры горения по причинам механической прочности.

Вышеописанные ограничения относятся к настоящему изобретению посредством управления одновременно количеством горелок в работе на второй ступени или второго сжигающего устройства и положением впускных направляющих лопаток компрессора, таким образом, обеспечивая возможность работы отдельных горелок при достаточно низком отношении воздуха к топливу без необходимости увеличения рабочих температур турбины.

Таким образом, главная техническая проблема, решаемая посредством данного изобретения, состоит фактически в улучшенном выполнении камеры сгорания газотурбинной установки при низкой нагрузке относительно выбросов CO, устойчивом сгорании и эффективности сгорания для последовательных двигателей, обеспечивая тем самым повышение эксплуатационной гибкости.

Когда происходит разгрузка газотурбинной установки, как, например, газотурбинной установки последовательного сгорания, известной заявителем как GT24/GT26, и, например, в соответствии с документом EP 0620362 A1, при этом данный документ является неотъемлемой частью настоящего описания, горелки второй ступени последовательно выключают отдельно или группами так, что горелки, оставшиеся в работе, работают при той же температуре горячего газа, как и при более высокой нагрузке двигателя, и таким образом выбросы CO поддерживаются на таком же низком уровне. В соответствии с предложенным способом TAT-strike (максимальная локальная температура на выпуске турбины) сохраняется неизменной, что приводит к уменьшенной TAT2 (средней температуре на выпуске турбины второй ступени), потому что температура на выпуске турбины локально уменьшается ниже по потоку от горелок, которые выключены.

Для поддержания достаточной горячей температуры газа ниже по потоку от горелки в работе регулируют VIGV (variable inlet guide vane - изменяемая впускная направляющая лопатка) компрессора. Для разгрузки горелку или горелки выключают и в то же время VIGV может быть открыта поддержания такой же выходной мощности. Для нагрузки горелку или горелки включают и в то же время VIGV может быть закрыта для поддержания такой же выходной мощности. В случае если горелку необходимо выключить для заданного немного уменьшенного значения нагрузки, массовый расход топлива будет управляться для снижения из-за локального ограничения температуры горячего газа, и, следовательно, нагрузка будет уменьшаться. Это компенсируется открытием VIGV для регулирования нагрузки до заданного значения. Посредством открытия VIGV увеличивают массовый расход на впуске, таким образом, обеспечивая возможность увеличения массового расхода топлива активных горелок. Дополнительно, отношение давления во второй турбине увеличивается, таким образом, увеличивая температуру горячего газа оставшихся в работе горелок для неизменившейся TAT-strike (загрузка выполняется аналогично в обратном порядке).

Основанную на этих результатах концепцию можно применять к двигателю, который работает с последовательным сгоранием (с турбиной высокого давления или без нее) в кольцевой и/или трубчатой конструкции.

Что касается последовательного сгорания, то комбинацию сжигающих устройств можно располагать следующим образом:

по меньшей мере одно сжигающее устройство выполнено в виде трубчатой конструкции, по меньшей мере с одной рабочей турбиной;

оба, первое и второе сжигающие устройства выполнены в виде последовательной трубчатой конструкции по меньшей мере с одной рабочей турбиной;

первое сжигающее устройство выполнено в виде кольцевой камеры сгорания, а второе сжигающее устройство пристроено в виде трубчатой конструкции по меньшей мере с одной рабочей турбиной;

первое сжигающее устройство выполнено в виде трубчатой конфигурации, а второе сжигающее устройство выполнено в виде кольцевой камеры сгорания по меньшей мере с одной рабочей турбиной;

оба, первое и второе сжигающие устройства выполнены в виде кольцевых камер сгорания по меньшей мере с одной рабочей турбиной;

оба, первое и второе сжигающие устройства выполнены в виде кольцевых камер сгорания с промежуточной рабочей турбиной.

В дополнение к способу, газотурбинная установка является предметом изобретения для осуществления способа. В зависимости от выбранного способа или комбинации способов, конструкция газотурбинной установки подлежит модификации, и/или система распределения топлива и система воздушного охлаждения подлежит модификации для обеспечения возможности осуществления способа.

В особенности, также производственные допуски приводят к различным потерям давления и расходам топлива во время работы. Допуски выбирают так, чтобы они не имели практически никакого влияния на ход работы во время работы при обычных условиях, особенно при высокой частичной нагрузке и полной нагрузке. При частичной нагрузке с высоким коэффициентом λ избытка воздуха, трубчатое сжигающее устройство, однако, может работать в условиях, в которых даже маленькие неисправности могут иметь значительное влияние на выбросы CO.

Процесс можно выполнять в соответствии с различными вариантами осуществления. Первый вариант осуществления использует среднее значение температуры TAT2 на выпуске турбины.

1. Процесс в переходном состоянии с управлением TAT2 (средним значением температуры на выпуске второй турбины низкого давления):

1.1 Газотурбинную установку разгружают пока не достигнут предел CO.

1.2 Отдельные горелки второго сжигающего устройства, соответственно, второй ступени, выключают для уменьшения нагрузки. Выключение горелки приводит к перераспределению потока топлива к оставшимся в работе горелкам с последовательно увеличенной локальной температурой горячего газа. Дополнительно разность между определенной самой высокой TAT2 и средним арифметическим увеличивают. С постоянным расходом топлива нагрузка осталась бы относительно постоянной.

1.3. С режимом для среднего предела TAT2 или управления пределом TAT2, используют значение ТАТ-strike или разницу от значения ТАТ-strike до максимально допустимой ТАТ-strike, после введения горелки в работу локальными температурами горячего газа управляют до достижения целевой температуры. Режим предела TAT2, например, может быть основан на относительной нагрузке или количестве горелок в работе. Благодаря изменению в пределе TAT2 массовый расход топлива уменьшается, и, следовательно, мощность уменьшается.

1.4. Для достижения целевой нагрузки фактическую нагрузку, наконец, регулируют впускными направляющими лопатками, что приводит к намеченному уменьшению выброса CO, как описано в предыдущем разделе. При открытии впускных направляющих лопаток TAT2 уменьшается. Расход топлива можно снова увеличивать для увеличения мощности до целевой нагрузки.

С двумя параметрами, режим предела TAT2 или управление пределом TAT2 и порядковым номером выключенной горелки, выбросы CO и пределы температур горячего газа можно регулировать для каждой точки приложения нагрузки.

Второй вариант осуществления использует среднее значение максимальной локальной температуры на выпуске турбины (ТАТ-strike).

2. Процесс с управлением максимальной локальной температурой на выпуске турбины:

2.1. При низкой нагрузке газотурбинной установки предел CO достигнут.

2.2. Горелку второго сжигающего устройства или ступени сгорания выключают для уменьшения CO, перераспределив топливо, которое было ранее введено в выключенную горелку, к оставшимся в работе горелкам, таким образом, возвращая локальную температуру горячего газа.

2.3. Если TAT2_strike (максимальное локальное значение температуры на выпуске турбины) увеличено сверх максимально допустимого значения, контроллер уменьшает массовый расход топлива, понижая заданное значение средней TAT2. Благодаря уменьшенному массовому расходу топлива мощность уменьшается.

2.4. Наконец, целевую нагрузку регулируют впускными направляющими лопатками, что приводит к намеченному уменьшению выброса CO, как описано в предыдущем разделе. При открытии впускных направляющих лопаток TAT2 уменьшается. Расход топлива можно снова увеличивать для увеличения мощности.

TAT2-strike можно использовать в случае выключенных горелок равнозначно использованию предела TAT2. В отличие от раскрытого способа, предел TAT2 сохраняется постоянным для меньших нагрузок в уровне техники. Порядковый номер горелки в работе используют для управления выбросами CO, а также может быть использован для регулирования каждой точки приложения нагрузки.

Кроме того, способ работы в соответствии с изобретением относится к местоположению горелок, подлежащих включению, и определяется на основании идентификации горелки, которая производят самые большие выбросы CO, и отдельной температуры на выпуске, определенной на первом или втором сжигающем устройстве под контролем значений локальных точек выбросов.

Преимущества изобретения состоят в следующем:

- Рабочий диапазон газотурбинной установки можно расширить для снижения точки приложения нагрузки для данного предела выброса CO.

- Выброс CO можно уменьшить на низких точках приложения нагрузки до разрешенного предела загрязнения воздуха на электростанции.

- Никакого пожизненного штрафа из-за увеличенного ТАТ-strike.

- Никакого ограничения относительно времени работы или градиента нагрузки в этом более низком диапазоне нагрузки.

- Горелки, которые по существу ответственны за образование CO (например, горелки разветвленной линии) можно выбирать в качестве целевых и выключать сначала, тем самым принося максимальную пользу.

- Процессом можно управлять с обратной связью для оптимизированных выбросов и срока службы.

- Во избежание слишком частого переключения горелки при изменении нагрузки, клапаны горелки включают или выключают с гистерезисом.

Следующие преимущества связаны с настоящим изобретением:

Выбросы CO уменьшаются особенно в условиях работы при более низких частичных нагрузках. Поэтому, электростанция газотурбинной установки может поддерживать энергетическую систему с увеличенным диапазоном мощности. Дополнительно газовую турбину можно устанавливать в положение при более низкой нагрузке во время периодов, когда оператор электростанции нацелен на низкую выходную мощность.

- С увеличенным диапазоном нагрузки электростанция будет чаще востребована для поддержания энергетической системы, потому что гибкость нагрузки становится более важной с возрастающим вкладом возобновляемой энергии.

- Электростанцию можно оставлять в режиме ожидания при более низкой нагрузке в периоды требования малого энергопотребления, приводя к уменьшению расхода топлива и по существу сниженной стоимости электричества.

- Экологические преимущества благодаря уменьшенным выбросам CO, ниже точки установки в режиме ожидания (таким образом, меньшего расхода топлива и образования CO2) или комбинации обоих преимуществ.

- Возможность устранения дорогого катализатора CO. Вследствие этого себестоимость уменьшается.

При использовании установки, содержащей переключение/ изменение разжиженного воздуха между трубчатыми устройствами сжигания, возникают дополнительные преимущества:

- Дополнительное уменьшение CO, со всеми описанными выше преимуществами, благодаря увеличенному объему для окисления CO с источником в первом сжигающем устройстве.

- Уменьшение окружных градиентов температуры между различными трубчатыми сжигающими устройствами. Вследствие этого профиль на впуске турбины улучшен, а срок службы частей турбины увеличен.

Логика управления для определенного CO и управление максимальными температурами на выпуске турбины в зависимости от относительной нагрузки, порядкового номера горелки в работе или постоянного параметра, такого как ТАТ-strike, являются неотъемлемой частью настоящего изобретения.

Таким образом, в одном из аспектов изобретения предложен способ работы газотурбинной установки со ступенчатым и/или последовательным сгоранием, в котором горелки второй ступени или второго сжигающего устройства последовательно включают при нагрузке и выключают при разгрузке, при этом общий массовый расход топлива и впускные направляющие лопатки компрессора регулируют одновременно для обеспечения управления рабочими температурами газотурбинной установки и мощностью двигателя относительно требуемой нормы выброса CO, при этом

в переходном состоянии для достижения целевой нагрузки способ включает в себя этапы, на которых:

a) уменьшают нагрузку посредством закрывания изменяемой впускной направляющей лопатки (VIGV) с увеличением CO,

b) выключают отдельные горелки при достижении предела CO,

c) временно увеличивают локальную температуру горячего газа, поскольку общий расход топлива перераспределен на оставшиеся в работе горелки,

d) уменьшают температуру горячего газа до требуемого уровня посредством уменьшения расхода топлива, приводящего к временному уменьшению нагрузки,

e) открывают VIGV для восстановления целевой нагрузки,

f) дополнительно уменьшают нагрузку в соответствии с этапами a)-e) до тех пор, пока не будет достигнута целевая нагрузка.

В одном из вариантов предложен способ, отличающийся тем, что при разгрузке газотурбинной установки отдельные горелки второй ступени или последующего устройства сжигания выключают так, что оставшиеся в работе горелки, подвергают работе при той же температуре горячего газа, как и при более высокой нагрузке газотурбинной установки, с уменьшением средней температуры на выпуске второй турбины (TAT2_avg) для поддержания локальных максимальных температур на выпуске второй турбины (TAT2_strike), и одновременно VIGV регулируют для достижения заданного значения нагрузки.

В одном из вариантов предложен способ, отличающийся тем, что общий массовый расход топлива и входные направляющие лопатки компрессора регулируют в ответ на постоянную выходную мощность в процессе переключения горелки.

В одном из вариантов предложен способ, отличающийся тем, что клапаны горелок включают или выключают с гистерезисом.

В одном из вариантов предложен способ, отличающийся тем, что способ включает в себя следующие этапы разгрузки, на которых:

a) выключают по меньшей мере одну горелку,

b) открывают VIGV для поддержания той же нагрузки, как и перед выключением горелки.

В одном из вариантов предложен способ, отличающийся тем, что способ включает в себя следующие этапы нагрузки, на которых

a) включают по меньшей мере одну горелку,

b) закрывают VIGV для поддержания той же нагрузки, как и перед включением горелки.

В одном из вариантов предложен способ, отличающийся тем, что точкой включения горелки управляют по одному из или комбинации следующих параметров:

a) нагрузка газотурбинной установки,

b) выбросы CO,

c) пульсации сжигающего устройства,

d) температура на впуске турбины,

e) температура на выпуске турбины,

f) самые высокие значения температур на выпуске турбины,

g) массовый расход топлива в зависимости от количества горелок в работе,

h) температура на впуске турбины, определенная после приведения в работу горелки,

i) состав топлива,

j) давление на впуске второй ступени или сжигающего устройства,

k) температура на впуске второй ступени или сжигающего устройства.

В одном из вариантов предложен способ, отличающийся тем, что местоположение включенной горелки основано на

a) идентификации горелки, которая производит самые большие выбросы CO,

b) определении отдельной температуры на выпуске первого или второго сжигающего устройства,

c) измерение локальных точек выброса отработавших газов,

d) группировка соседних горелок,

e) повторная регулировка по окружности включенных горелок.

В одном из вариантов предложен способ, отличающийся тем, что первое и второе сжигающие устройства имеют кольцевую конструкцию или трубчатую конструкцию, или их комбинацию.

В одном из вариантов предложен способ, отличающийся тем, что для увеличения температуры всасываемого воздуха часть сжатого воздуха из компрессора может быть добавлена к всасываемому воздуху.

В одном из вариантов предложен способ, отличающийся тем, что частичный поток сжатого или частично сжатого воздуха компрессора добавляют по меньшей мере в местоположение выше по потоку от второго устройства сжигания.

В одном из вариантов предложен способ, отличающийся тем, что по меньшей мере одной температурой охлаждающего воздуха и/или по меньшей мере одним массовым расходом охлаждающего воздуха управляют в зависимости от нагрузки.

В одном из дополнительных документов предложена газотурбинная установка по меньшей мере с одним компрессором, первым сжигающим устройством, которое соединено ниже по потоку от компрессора, причем горячие газы первого сжигающего устройства поступают по меньшей мере в промежуточную турбину или непосредственно или косвенно во второе сжигающее устройство, при этом горячие газы второго сжигающего устройства поступают в дополнительную турбину или непосредственно или косвенно на энергетическое устройство, и с контроллером, отличающаяся тем, что контроллер выполнен с возможностью управления газотурбинной установкой по способу по любому из пп. 1-12.

В одном из вариантов предложен установка, отличающаяся тем, что она содержит отдельный клапан управления или выключения горелки, расположенный по меньшей мере в одной топливной линии к по меньшей мере одной горелке первого и/или второго сжигающего устройства газотурбинной установки, при этом система распределения топлива содержит первый топливный регулирующий клапан, а также первый топливный кольцевой магистральный трубопровод для распределения топлива к горелкам.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Изобретение показано на Фиг. 1-3, основанных на примерных вариантах осуществления:

Фиг.1 схематично показывает газотурбинную установку с последовательным сгоранием для осуществления способа в соответствии с изобретением;

Фиг.2 схематично показывает поперечное сечение второго сжигающего устройства с горелками;

Фиг.3 схематично показывает рабочую концепцию с переключением горелки и температуры и управлением VIGV.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Фиг.1 схематично показывает газотурбинную установку с последовательным сгоранием для осуществления способа в соответствии с изобретением. Она содержит компрессор 1, первое сжигающее устройство 4’, содержащую множество горелок 9 и камеру 4 сгорания, первую турбину 7, второе сжигающее устройство 15’ сгорания, содержащую множество горелок 9’ и камеру 15 сгорания, и вторую турбину 12. Как правило, она содержит генератор 19, который расположен на холодном конце газотурбинной установки, а именно в компрессоре 1, и соединен с валом 18 газотурбинной установки. Первое сжигающее устройство 4’ и второе сжигающее устройство 15’ сгорания могут иметь кольцевую конструкцию или трубчатую конструкцию, в то время как первая турбина 7 является дополнительной.

Трубчатая конструкция содержит множество горелок с последовательными трубками, расположенными по кольцу вокруг окружности вала турбины, которые обеспечивают возможность отдельной операции сгорания каждой трубчатой камеры 4, 15 сгорания, и которые не вызывают вредных взаимодействий среди отдельных цилиндров в процессе сгорания.

Кольцевая конструкция содержит множество горелок, расположенных по кругу вокруг окружности вала турбины с последовательными кольцевыми камерами 4, 15 сгорания, которые облегчают взаимное воспламенение между различными горелками.

Топливо, газ или нефть поступают через линию 5 подачи топлива в горелку 9 первого сжигающего устройства 4’, смешиваются с воздухом, который сжат в компрессоре 1, и воспламеняются в камере 4 сгорания. Горячие газы 6 частично расширяются в последующей первой турбине 7, выполняя работу.

После того как второе сжигающее устройство вводится в работу, дополнительное топливо, через линию 10 подачи топлива, добавляется к частично расширенным газам 8 в горелках 9’ второй камеры 15’ сгорания и воспламеняется во второй камере 15 сгорания. Горячие газы 11 расширяются в последующей второй турбине 12, выполняя работу. Выхлопные газы 13 могут предпочтительно подаваться в котел-утилизатор электростанции комбинированного цикла или для другого применения отработанного тепла.

Для управления массовым расходом через входное устройство компрессор 1 содержит по меньшей мере один ряд изменяемых впускных направляющих лопаток 14 компрессора.

Как дополнительный возможный вариант для возможности увеличения температуры всасываемого воздуха 2, можно сделать резерв для линии 26 противообледенения, через которую часть сжатого воздуха 3 можно добавлять к всасываемому воздуху 2. Для управления создают резерв для противообледенительного регулирующего клапана 25. Это обычно выполняют в холодные дни с относительно высокой влажностью воздуха в окружающей атмосфере для предупреждения риска обледенения компрессора 1.

В этом примере часть сжатого воздуха 3 ответвляется как охлаждающий воздух 22 под высоким давлением, повторно охлаждается через устройство 35 охлаждения охлаждающего воздуха под высоким давлением и подается как охлаждающий воздух 22 в первое сжигающее устройство 4’ (линия охлаждения воздуха не показана), и в первую турбину.

В примере, массовым расходом охлаждающего воздуха 22 под высоким давлением, который подается в турбину 7 высокого давления, можно управлять посредством регулирующего клапана 21 охлаждающего воздуха под высоким давлением.

Часть охлаждающего воздуха 22 под высоким давлением подается в так называемый воздух-носитель 24 к эжекторным трубам горелки горелок 9’ кольцевой камеры 15 сгорания второго сжигающего устройства 15’. Массовым расходом воздух-носителя 24 можно управлять посредством регулирующего клапана 17 воздух-носителя.

Часть воздуха ответвляется, частично сжатого, от компрессора 1, повторно охлаждается через устройство 36 охлаждения охлаждающего воздуха низкого давления, и подается как охлаждающий воздух 23 в камеру 15 сгорания второго сжигающего устройства 15’ сгорания и во вторую турбину. В качестве дополнительного возможного варианта, в примере, массовым расходом охлаждающего воздуха 23 можно управлять посредством регулирующего клапана 16 охлаждающего воздуха.

Одно или более сжигающее устройство может быть сконструировано как кольцевые сжигающие устройства, например, с большим количеством отдельных горелок 9 и 9’, соответственно, как обобщенно показано на Фиг.2 путем примера второго сжигающего устройства. На каждую из этих горелок 9 и 9’, соответственно, подается топливо через систему распределения топлива и линию 10 подачи топлива, образно в соответствии с Фиг.2.

На Фиг.2 показано сечение, например, через вторую камеру 15’ сгорания как кольцевую камеру сгорания газотурбинной установки с последовательным сгоранием, и также систему распределения топлива с топливным кольцевым магистральным трубопроводом 30 к отдельным горелкам 9’. Такое же распределение топлива возможно относительно второй камеры 15 сгорания, состоящей из трубчатых камер сгорания. Горелки 9’ обеспечены отдельными клапанами 37 включения/выключения для отключения каждой горелки 9’, чтобы управлять потоком топлива в линии 10 подачи топлива к соответствующей горелке 9, 9’ первого и второго сжигающего устройства 4’, 15’.

При закрытии отдельных клапанов 37 включения/выключения, подача топлива к отдельным горелкам 9’ кольцевой камеры 15 сгорания (или к горелкам каждой трубчатой камеры сгорания) останавливается, и дополнительно топливо можно распределять к оставшимся горелкам 9’, в которых общим массовым расходом топлива управляют через регулирующий клапан 28. В результате коэффициент λ избытка воздуха горелок 9 в работе уменьшается.

Ссылочной позицией 20 показан наружный кожух газотурбинной установки, содержащий устройство статора (не показано) в соединении с компрессором и турбинами.

На Фиг.3 показан принцип работы с выключением/включением горелки и температуры и управлением VIGV относительно обычного процесса (обозначенного как исходный). Когда происходит разгрузка газотурбинной установки, одиночные горелки 100 второй ступени последовательно выключаются таким образом, что оставшиеся горелки 100 работают при такой же температуре горячего газа как при более высокой нагрузке двигателя, таким образом, поддерживая такие же низкие выбросы CO.

Относительно исходных стандартных принципов работы, TAT2_avg 300 был уменьшен для поддержания локальных максимальных температур TAT2_strike 200 на выпуске турбины постоянными, пока они коррелируют с самыми высокими температурами горячего газа горелки.

Это достигнуто посредством открытия VIGV 400 одновременно для поддержания такой же выходной мощности.

Кривые, показанные на Фиг.3 относительно исходного способа и нового способа работ в соответствии с изобретением, рассмотрены качественно. Различная форма кривых (100-400) схематична, и образует основание для достижения целей изобретения.

СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ

1 - Компрессор

2 - Всасываемый воздух

3 - Сжатый воздух

4’ - Сжигающее устройство

4 - Первая камера сгорания (кольцевая камера сгорания/трубчатые камеры сгорания)

5 - Линия подачи топлива

6 - Горячие газы

7 - Первая турбина

8 - Частично расширенные горячие газы

9 - Горелка первого сжигающего устройства

9’ - Горелка второго сжигающего устройства

10 - Линия подачи топлива

11 - Горячие газы

12 - Вторая турбина

13 - Выхлопные газы (для котла-утилизатора)

14 - Изменяемые впускные направляющие лопатки компрессора

15’ - Второе сжигающее устройство

15 - Вторая камера сгорания (кольцевая камера сгорания/трубчатые камеры сгорания)

16 - Регулирующий клапан охлаждающего воздуха низкого давления

17 - Регулирующий клапан воздух-носителя

18 - Вал

19 - Генератор

20 - Кожух наружного корпуса газотурбинной установки

21 - Регулирующий клапан охлаждающего воздуха высокого давления

22 - Охлаждающий воздух высокого давления

23 - Охлаждающий воздух

24 - Воздух-носитель

25 - Противообледенительный регулирующий клапан

26 - Линия противообледенения

28 - Регулирующий клапан подачи топлива

29 - Питатель топлива

30 - Топливный кольцевой трубопровод

35 - Устройство охлаждения охлаждающего воздуха высокого давления

36 - Устройство охлаждения охлаждающего воздуха низкого давления

37 - Отдельный клапан включения/выключения

ТАТ - Температура на выпуске турбины

ТАТ1 - Температура на выпуске турбины первой турбины

TAT2 - Температура на выпуске турбины второй турбины

TIT - Температура на впуске турбины

TIT1 - Температура на впуске турбины первой турбины

TIT2 - Температура на впуске турбины второй турбины

100 - Порядковый номер горелки

200 - TAT2_strike - новая в соответствии с изобретением

200a - TAT2_strike - первоначальная в соответствии с уровнем техники

300 - TAT2_avg (avg. = среднее значение) новая в соответствии с изобретением

300a - TAT2_avg - первоначальная в соответствии с уровнем техники

400 - VIGV новая в соответствии с изобретением

400a - VIGV первоначальная в соответствии с уровнем техники

VIGV - регулируемые входные направляющие лопатки компрессора

AEV - Горелка предварительного смешения, в частности для первого сжигающего устройства

SEV - Горелка промежуточного подогрева, в частности для второго сжигающего устройства

Изобретение относится к способу работы газотурбинной установки со ступенчатым и/или последовательным сгоранием, в которой горелки второй ступени или второй камеры сгорания отдельно и последовательно включаются при нагрузке и выключаются при разгрузке. Общий массовый расход топлива и регулируемые впускные направляющие лопатки компрессора регулируют одновременно для обеспечения возможности управления рабочими температурами газотурбинной установки и мощностью двигателя относительно требуемой нормы выброса CO. Изобретение направлено на повышение эффективности сгорания. 2 н. и 12 з.п ф-лы, 3 ил.

1. Способ работы газотурбинной установки со ступенчатым и/или последовательным сгоранием, в котором горелки второй ступени или второго сжигающего устройства последовательно включают при нагрузке и выключают при разгрузке, при этом общий массовый расход топлива и впускные направляющие лопатки компрессора регулируют одновременно для обеспечения управления рабочими температурами газотурбинной установки и мощностью двигателя относительно требуемой нормы выброса CO, при этом

в переходном состоянии для достижения целевой нагрузки способ включает в себя этапы, на которых:

a) уменьшают нагрузку посредством закрывания изменяемой впускной направляющей лопатки (VIGV) с увеличением CO,

b) выключают отдельные горелки при достижении предела CO,

c) временно увеличивают локальную температуру горячего газа, поскольку общий расход топлива перераспределен на оставшиеся в работе горелки,

d) уменьшают температуру горячего газа до требуемого уровня посредством уменьшения расхода топлива, приводящего к временному уменьшению нагрузки,

e) открывают VIGV для восстановления целевой нагрузки,

f) дополнительно уменьшают нагрузку в соответствии с этапами a)-e) до тех пор, пока не будет достигнута целевая нагрузка.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при разгрузке газотурбинной установки отдельные горелки второй ступени или последующего устройства сжигания выключают так, что оставшиеся в работе горелки подвергают работе при той же температуре горячего газа, как и при более высокой нагрузке газотурбинной установки, с уменьшением средней температуры на выпуске второй турбины (TAT2_avg) для поддержания локальных максимальных температур на выпуске второй турбины (TAT2_strike), и одновременно VIGV регулируют для достижения заданного значения нагрузки.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что общий массовый расход топлива и входные направляющие лопатки компрессора регулируют в ответ на постоянную выходную мощность в процессе переключения горелки.

4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что клапаны горелок включают или выключают с гистерезисом.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что способ включает в себя следующие этапы разгрузки, на которых:

a) выключают по меньшей мере одну горелку,

b) открывают VIGV для поддержания той же нагрузки, как и перед выключением горелки.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что способ включает в себя следующие этапы нагрузки, на которых

a) включают по меньшей мере одну горелку,

b) закрывают VIGV для поддержания той же нагрузки, как и перед включением горелки.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что точкой включения горелки управляют по одному из или комбинации следующих параметров:

a) нагрузка газотурбинной установки,

b) выбросы CO,

c) пульсации сжигающего устройства,

d) температура на впуске турбины,

e) температура на выпуске турбины,

f) самые высокие значения температур на выпуске турбины,

g) массовый расход топлива в зависимости от количества горелок в работе,

h) температура на впуске турбины, определенная после приведения в работу горелки,

i) состав топлива,

j) давление на впуске второй ступени или сжигающего устройства,

k) температура на впуске второй ступени или сжигающего устройства.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что местоположение включенной горелки основано на

a) идентификации горелки, которая производит самые большие выбросы CO,

b) определении отдельной температуры на выпуске первого или второго сжигающего устройства,

c) измерении локальных точек выброса отработавших газов,

d) группировке соседних горелок,

e) повторной регулировке по окружности включенных горелок.

9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что первое и второе сжигающие устройства имеют кольцевую конструкцию или трубчатую конструкцию, или их комбинацию.

10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для увеличения температуры всасываемого воздуха часть сжатого воздуха из компрессора может быть добавлена к всасываемому воздуху.

11. Способ по п. 1, отличающийся тем, что частичный поток сжатого или частично сжатого воздуха компрессора добавляют по меньшей мере в местоположение выше по потоку от второго устройства сжигания.

12. Способом по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере одной температурой охлаждающего воздуха и/или по меньшей мере одним массовым расходом охлаждающего воздуха управляют в зависимости от нагрузки.

13. Газотурбинная установка по меньшей мере с одним компрессором, первым сжигающим устройством, которое соединено ниже по потоку от компрессора, причем горячие газы первого сжигающего устройства поступают по меньшей мере в промежуточную турбину или непосредственно, или косвенно во второе сжигающее устройство, при этом горячие газы второго сжигающего устройства поступают в дополнительную турбину или непосредственно, или косвенно на энергетическое устройство, и с контроллером, отличающаяся тем, что контроллер выполнен с возможностью управления газотурбинной установкой по способу по любому из пп. 1-12.

14. Газотурбинная установка по п. 13, отличающаяся тем, что она содержит отдельный клапан управления или выключения горелки, расположенный по меньшей мере в одной топливной линии к по меньшей мере одной горелке первого и/или второго сжигающего устройства газотурбинной установки, при этом система распределения топлива содержит первый топливный регулирующий клапан, а также первый топливный кольцевой магистральный трубопровод для распределения топлива к горелкам.