ТУРБИННАЯ УСТАНОВКА, РАБОТАЮЩАЯ НА ВЛАЖНОМ ВОЗДУХЕ Российский патент 2018 года по МПК F02C9/28 F01D17/08 F02C3/30 

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Область техники, к которой относится изобретение

[0001] Настоящее изобретение относится к турбинным установкам, работающим на влажном воздухе.

2. Уровень техники

[0002] Турбинная установка, работающая на влажном воздухе, представляющая собой один из типов газотурбинной установки, увеличивает влагу, содержащуюся в воздухе, подаваемом для сжигания, тем самым повышая выходную мощность и эффективность (смотри документ JP-2004-308596-A).

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0004] В последние годы возрастает применение энергетических установок, использующих возобновляемые источники энергии, например, ветровых или солнечных энергетических установок. Поскольку количество мощности, вырабатываемой на основе возобновляемых источников энергии, меняется в зависимости от сезона или погоды, для стабилизации мощности всей энергетической системы часто используются газотурбинные энергетические установки. В связи с увеличением количества мощности, вырабатываемой на основе возобновляемых источников энергии, масштаб ее колебаний также увеличивается. При этом требуется сокращение времени запуска (быстрый запуск) газотурбинных энергетических установок в целях стабилизации мощности всей энергетической системы. Однако в турбинной установке, работающей на влажном воздухе, в которой тепло выхлопных газов турбины используется для получения высокотемпературной влаги и, следовательно, увеличения содержания влаги в сжатом воздухе, время запуска больше, чем в стандартных газотурбинных установках, если нагрузка увеличивается только после получения влаги.

[0005] Также в турбинной установке, работающей на влажном воздухе, коэффициент удельной теплоемкости и теплопередачи газа сгорания (газа на впуске в турбину) больше, чем в стандартных газотурбинных установках. Таким образом, если турбинная установка, работающая на влажном воздухе, работает при температуре сгорания, подобной температуре сгорания в стандартных газотурбинных установках, тепловые нагрузки на лопатках турбины увеличиваются, что может приводить к уменьшению механического срока службы или повреждению. Типичный способ предотвращения увеличения тепловых нагрузок на лопатках турбины заключается в управлении температурой выхлопных газов турбины так, чтобы она не превышала заданного значения и, следовательно, в обеспечении того, чтобы температура газа сгорания не превышала предельного значения. Турбинная установка, работающая на влажном воздухе, в соответствии с документом JP-2004-308596-A измеряет температуру выхлопных газов турбины при подаче влаги в сжатый воздух, тем самым управляя расходом топлива так, чтобы температура выхлопных газов поддерживалась в оптимальном температурном диапазоне. Однако в турбинной установке, работающей на влажном воздухе, если содержание влаги в газе сгорания увеличивается по мере увеличения содержания влаги в сжатом воздухе, коэффициент удельной теплоемкости и теплопередачи газа сгорания может также увеличиваться, что может увеличивать тепловые нагрузки на лопатках турбины. В документе JP-2004-308596-A не учитывается увеличение коэффициента удельной теплоемкости и теплопередачи газа сгорания из-за увеличения содержания влаги в газе сгорания. Таким образом, даже если температура выхлопных газов регулируется так, что она остается в пределах заданного оптимального температурного диапазона, температура газа сгорания может подниматься выше предельного значения из-за увеличения содержания влаги в газе сгорания, в результате чего тепловые нагрузки на лопатках турбины превышают допустимое значение.

[0006] Настоящее изобретение предложено с учетом вышесказанного, и задача изобретения заключается в обеспечении турбинной установки, работающей на влажном воздухе, которая сокращает время, необходимое для запуска, и предотвращает чрезмерное увеличение тепловых нагрузок на лопатках турбины.

[0007] Для решения вышеуказанной задачи турбинная установка, работающая на влажном воздухе, в соответствии с изобретением включает в себя блок вычисления показателя влажности газа сгорания для определения (получения) показателя влаги, содержащейся в газе сгорания (показателя влажности газа сгорания); блок вычисления верхнего предела температуры выхлопных газов для установления верхнего предела температуры выхлопных газов на основе показателя влажности газа сгорания и отношения давлений; и блок вычисления разности температур выхлопных газов для определения разности между температурой выхлопных газов и верхним пределом температуры выхлопных газов. Блок вычисления разности температур выхлопных газов используется в качестве аналога традиционным способам управления для управления расходом топлива системы подачи топлива.

[0008] В соответствии с изобретением можно получить турбинную установку, работающую на влажном воздухе, которая сокращает время, необходимое для запуска, и предотвращает чрезмерное увеличение тепловых нагрузок на лопатках турбины.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0009] Фиг. 1 иллюстрирует пример конструкции энергетической установки с турбинной установкой, работающей на влажном воздухе, в соответствии с вариантом осуществления изобретения;

Фиг. 2 представляет собой структурную схему контроллера в соответствии с вариантом осуществления изобретения;

Фиг. 3 представляет собой график, иллюстрирующий линии управления температурой выхлопных газов;

Фиг. 4 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую процедуры управления клапаном регулировки расхода топлива турбинной установки, работающей на влажном воздухе, в соответствии с вариантом осуществления изобретения;

Фиг. 5 представляет собой график, иллюстрирующий работу энергетической установки с турбинной установкой, работающей на влажном воздухе, в соответствии с вариантом осуществления изобретения;

Фиг. 6 представляет собой график, иллюстрирующий работу энергетической установки с турбинной установкой, работающей на влажном воздухе, в соответствии с вариантом осуществления изобретения; и

Фиг. 7 представляет собой график, иллюстрирующий работу энергетической установки с турбинной установкой, работающей на влажном воздухе, в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0010] Вариант осуществления

Конструкция

1. Энергетическая установка с турбинной установкой, работающей на влажном воздухе

Фиг. 1 иллюстрирует пример конструкции энергетической установки с турбинной установкой, работающей на влажном воздухе, в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Как проиллюстрировано на Фиг. 1, энергетическая установка 100 с турбинной установкой, работающей на влажном воздухе, в соответствии с настоящим вариантом осуществления включает в себя турбинную установку 101, работающую на влажном воздухе, и нагрузочное устройство 8.

[0011] Турбинная установка 101, работающая на влажном воздухе, включает в себя компрессор 1, камеру 2 сгорания, турбину 3, увлажнитель 4, блок 5 рекуперации тепла выхлопных газов и контроллер 7.

[0012] Компрессор 1 вращательно приводится в движение турбиной 3 и сжимает воздух (впускной воздух) 16, который он получает из атмосферы с помощью системы 52 впуска воздуха, для получения сжатого воздуха 17. Компрессор 1 подает сжатый воздух 17 в увлажнитель 4 через систему 53 сжатого воздуха. Система 52 впуска воздуха соединена с впускной секцией (не проиллюстрирована) компрессора 1. Система 52 впуска воздуха включает в себя блок 23 получения давления на впуске (датчик давления) и блок 47 получения расхода на впуске (расходомер). Блок 23 получения давления на впуске электрически соединен с контроллером 7 и выводит сигналы 11, связанные с давлением на впуске (сигналы давления на впуске), в контроллер 7. Блок 47 получения расхода на впуске электрически соединен с контроллером 7 и выводит сигналы 48, связанные с расходом на впуске (сигналы расхода на впуске), в контроллер 7. Система 53 сжатого воздуха соединяет выпускную секцию (не проиллюстрирована) компрессора 1 и увлажнитель 4. Система 53 сжатого воздуха включает в себя блок 24 получения давления на выпуске (датчик давления). Блок 24 получения давления на выпуске электрически соединен с контроллером 7 и выводит сигналы 12, связанные с давлением на выпуске (сигналы давления на выпуске), в контроллер 7.

[0013] Увлажнитель 4 вводит в сжатый воздух 17, подаваемый из компрессора 1, влагу 18, подаваемую из блока 5 рекуперации тепла выхлопных газов, для получения влажного воздуха 19 и затем подает влажный воздух 19 в камеру 2 сгорания. В настоящем варианте осуществления предполагается, что увлажнитель 4 представляет собой устройство впрыска влаги, однако он может представлять собой конструкцию, применяющую увлажняющую колонну или т.п.

[0014] Камера 2 сгорания смешивает влажный воздух 19, подаваемый из увлажнителя 4, с топливом 10, подаваемым из системы 60 подачи топлива для сжигания смешанного газа. Получаемый высокотемпературный газ 20 сгорания подается в турбину 3. Система 60 подачи топлива соединяет источник подачи топлива (не проиллюстрирован) и камеру 2 сгорания. Система 60 подачи топлива используется для подачи топлива в камеру 2 сгорания. Система 60 подачи топлива включает в себя клапан 9 регулировки расхода топлива и блок 58 получения расхода топлива (расходомер). Клапан 9 регулировки расхода топлива используется для управления (регулировки) количеством топлива, подаваемого в камеру 2 сгорания. В настоящем варианте осуществления клапан 9 регулировки расхода топлива электрически соединен с контроллером 7 и принимает командный сигнал S1 от контроллера 7 для регулировки угла открытия и управления количеством топлива, подаваемого в камеру 2 сгорания. Блок 58 получения расхода топлива электрически соединен с контроллером 7 и выводит в контроллер 7 сигналы 55, связанные с количеством топлива, подаваемого в камеру 2 сгорания (сигналы расхода топлива).

[0015] Турбина 3 вращательно приводится в движение расширением газа 20 сгорания (газа на впуске в турбину), подаваемого из камеры 2 сгорания. После приведения в движение турбины 3 газ 20 сгорания выпускается из выпускной секции (не проиллюстрирована) турбины 3 в виде выхлопного газа 51 турбины (выхлопа) и подается через выхлопную систему 54 в блок 5 рекуперации тепла выхлопных газов. Выхлопная система 54 соединяет выпускную секцию турбины 3 и блок 5 рекуперации тепла выхлопных газов. Выхлопная система 54 включает в себя блок 26 получения температуры выхлопных газов (термометр). Блок 26 получения температуры выхлопных газов используется для получения температуры выхлопных газов 51. Блок 26 получения температуры выхлопных газов электрически соединен с контроллером 7 и выводит сигналы 14, связанные с температурой выхлопных газов (сигналы температуры выхлопных газов), в контроллер 7.

[0016] Блок 5 рекуперации тепла выхлопных газов создает высокотемпературную влагу 18 (водяной пар в настоящем варианте осуществления) путем рекуперации тепла выхлопных газов 51 турбины 3 и подает ее в увлажнитель 4 через систему 59 подачи влаги. В настоящем варианте осуществления блок 5 рекуперации тепла выхлопных газов включает в себя теплообменник 6 и создает высокотемпературную влагу 18 путем нагревания теплообменника 5 с использованием выхлопных газов 51, подаваемых из турбины 3, и теплообмена с водой (подаваемой водой) 22, подаваемой в теплообменник 6. Система 59 подачи влаги соединяет блок 5 рекуперации тепла выхлопных газов (теплообменник 6) и увлажнитель 4. Система 59 подачи влаги включает в себя клапан 56 регулировки величины подачи влаги и блок 25 получения величины подачи влаги (расходомер). Клапан 56 регулировки величины подачи влаги регулирует количество влаги (величину подачи влаги), подаваемой в увлажнитель 4. Клапан 56 регулировки величины подачи влаги необязательно должен быть обеспечен на линии, соединяющей блок 5 рекуперации тепла выхлопных газов и увлажнитель 4; вместо этого он может быть расположен на обходной линии (не проиллюстрирована) системы 59 подачи влаги. В настоящем варианте осуществления клапан 56 регулировки величины подачи влаги электрически соединен с контроллером 7 и принимает командный сигнал S2 от контроллера 7 для регулировки угла открытия и управления количеством влаги, подаваемой в увлажнитель 4, так что камера 2 сгорания может обеспечивать заданную производительность, например, стабильное горение. Блок 25 получения величины подачи влаги электрически соединен с контроллером 7 и выводит в контроллер 7 сигналы 13, связанные с величиной подачи влаги (сигналы величины подачи влаги).

[0017] Нагрузочное устройство 8 (генератор в настоящем варианте осуществления) соосно соединено с турбиной 3 и преобразует вращательную мощность турбины 3 в электрическую мощность. В настоящем варианте осуществления компрессор 1, турбина 3 и нагрузочное устройство 8 взаимно соединены валом 21, и часть вращательной мощности турбины 3 используется для приведения в движение компрессора 1. Нагрузочное устройство 8 электрически соединено с контроллером 7 и выводит в контроллер 7 сигналы 57, связанные с вырабатываемой мощностью (сигналы вырабатываемой мощности).

[0018] 2. Контроллер

Фиг. 2 представляет собой структурную схему контроллера в соответствии с настоящим вариантом осуществления. Контроллер 7 использует блок 30 вычисления показателя влажности газа сгорания для определения показателя влаги, содержащейся в газе сгорания, на основе величины подачи влаги и расхода на впуске. Контроллер 7 также использует блок 32 вычисления верхнего предела температуры выхлопных газов для установления верхнего предела температуры выхлопных газов на основе показателя влаги, содержащейся в газе сгорания, и отношения давлений и регулирует угол открытия клапана 9 регулировки расхода топлива, так что температура выхлопных газов равна или меньше верхнего предела. Как проиллюстрировано на Фиг. 2, помимо блока 30 вычисления показателя влажности газа сгорания и блока 32 вычисления верхнего предела температуры выхлопных газов, контроллер 7 также включает в себя следующие компоненты: блок 29 ввода расхода на впуске; блок 31 ввода давления на впуске; блок 27 ввода давления на выпуске; блок 41 вычисления отношения давлений; блок 28 ввода величины подачи; блок 35 ввода температуры выхлопных газов; блок 36 вычисления разности температур выхлопных газов; блок 37 ввода вырабатываемой мощности; блок 38 вычисления разности вырабатываемых мощностей; блок 44 вычисления значения команды расхода топлива; блок 45 выбора значения команды расхода топлива; и блок 46 вывода значения команды управления.

[0019] Блок 29 ввода расхода на впуске

Блок 29 ввода расхода на впуске принимает сигнал 48 расхода на впуске, выводимый блоком 47 получения расхода на впуске.

[0020] Блок 31 ввода давления на впуске

Блок 31 ввода давления на впуске принимает сигнал 11 давления на впуске, выводимый блоком 23 получения давления на впуске.

[0021] Блок 27 ввода давления на выпуске

Блок 27 ввода давления на выпуске принимает сигнал 12 давления на выпуске, выводимый блоком 24 получения давления на выпуске.

[0022] Блок 41 вычисления отношения давлений

Блок 41 вычисления отношения давлений принимает давление на впуске и давление на выпуске от блока 23 получения давления на впуске и блока 24 получения давления на выпуске соответственно и определяет (получает) отношение давлений компрессора 1 путем деления давления на выпуске на давление на впуске.

[0023] Блок 28 ввода величины подачи влаги

Блок 28 ввода величины подачи влаги принимает сигнал 13 величины подачи влаги, выводимый блоком 25 получения величины подачи влаги.

[0024] Блок 30 вычисления показателя влажности газа сгорания

Блок 30 вычисления показателя влажности газа сгорания принимает величину подачи влаги и расход на впуске от блока 28 ввода величины подачи влаги и блока 29 ввода расхода на впуске соответственно и получает на основе принятых величины подачи влаги и расхода на впуске показатель влажности газа сгорания, который представляет собой показатель влаги, содержащейся в газе сгорания.

[0025] В настоящем варианте осуществления блок 30 вычисления показателя влажности газа сгорания определяет показатель влажности газа сгорания на основе величины подачи влаги и расхода на впуске с использованием следующей формулы (1):

[0026] rw=Gw/(Gin+Gw)... Формула (1),

где rw - показатель влажности газа сгорания, Gin - расход на впуске, и Gw - величина подачи влаги.

[0027] Блок 32 вычисления верхнего предела температуры выхлопных газов

Блок 32 вычисления верхнего предела температуры выхлопных газов определяет (устанавливает) верхний предел температуры выхлопных газов на основе функциональной зависимости верхнего предела температуры выхлопных газов и отношения давлений компрессора, которое может быть предварительно получено на основе предельного значения температуры газа сгорания, которое изменяется в соответствии с показателем влажности газа сгорания и температурными ограничениями трубы выхлопных газов. Верхний предел температуры выхлопных газов может быть получен на основе следующих формул (2)-(4).

[0028] Tx1=Txsup(rw)... Формула (2),

где Tx1 - верхний предел 1 температуры выхлопных газов, и Txsup - функция от верхнего предела температуры выхлопных газов с переменной, представляющей показатель влажности газа сгорания. Txsup получают предварительно на основе температурных ограничений выхлопной системы.

[0029] Tx2=F(πc,rw)... Формула (3),

где Tx2 - верхний предел 2 температуры выхлопных газов, πc - отношение давлений, F(πc,rw) - функция от верхнего предела температуры выхлопных газов с переменными, представляющими отношение давлений и показатель влажности газа сгорания. Функциональная форма задана на основе предельного значения температуры газа сгорания.

[0030] Tx=min(Tx1,Tx2)... Формула (4),

где Tx - верхний предел температуры выхлопных газов, и min(Tx1,Tx2) - минимальное значение Tx1 и Tx2.

[0031] Далее описаны линии управления температурой выхлопных газов. Фиг. 3 представляет собой график, иллюстрирующий линии управления температурой выхлопных газов, на котором горизонтальная ось показывает отношение давлений, а вертикальная ось показывает верхние пределы температуры выхлопных газов. Линии управления температурой выхлопных газов показывают переход верхних пределов температуры выхлопных газов на основе отношения давлений. На Фиг. 3 сплошная линия представляет собой линию L1 управления температурой выхлопных газов, когда показатель влажности газа сгорания имеет первое значение (0, то есть когда влага не подается в сжатый воздух). Пунктирная линия с одной точкой представляет собой линию L2 управления температурой выхлопных газов, когда показатель влажности газа сгорания имеет второе значение, тогда как пунктирная линия с двумя точками представляет собой линию L3 управления температурой выхлопных газов, когда показатель влажности газа сгорания имеет заданное третье значение. На Фиг. 3 показатель влажности газа сгорания увеличивается с первого значения до второго значения и затем до третьего значения. В турбинной установке, работающей на влажном воздухе, поскольку показатель влажности газа сгорания увеличивается по мере увеличения количества влаги, подаваемой в сжатый воздух, коэффициент удельной теплоемкости и теплопередачи газа сгорания может также увеличиваться. Таким образом, в настоящем варианте осуществления верхние пределы температуры выхлопных газов устанавливаются путем изменения линий управления температурой выхлопных газов в соответствии с увеличением показателя влажности газа сгорания.

[0032] В настоящем варианте осуществления линии управления температурой выхлопных газов непрерывно определяются в отношении отношения давлений и имеют горизонтальные участки, на которых верхние пределы температуры выхлопных газов являются фиксированными независимо от отношения давлений, и направленные вниз участки, на которых верхние пределы температуры выхлопных газов уменьшаются по мере увеличения отношения давлений. В примере, показанном на Фиг. 3, линия L1 управления температурой выхлопных газов имеет горизонтальный участок L11 и направленный вниз участок L12, линия L2 управления температурой выхлопных газов имеет горизонтальный участок L21 и направленный вниз участок L22, и линия L3 управления температурой выхлопных газов имеет горизонтальный участок L31 и направленный вниз участок L32. Горизонтальные участки линий управления температурой выхлопных газов обусловлены ограничениями температуры выхлопных газов турбины (температуры выхлопных газов) и предотвращают чрезмерное увеличение температуры выхлопных газов (например, превышение допустимой температуры элемента, который образует выхлопную систему, соединенную с выпускной секцией турбины). В настоящем варианте осуществления верхние пределы температуры выхлопных газов на горизонтальных участках линий управления температурой выхлопных газов установлены выше допустимой температуры элемента, образующего выхлопную систему. Направленные вниз участки линий управления температурой выхлопных газов являются такими, что верхние пределы температуры выхлопных газов уменьшаются по мере увеличения давления на выпуске и предотвращают слишком сильное увеличение температуры газа сгорания (например, превышение температуры термостойкости лопаток турбины) для защиты турбины.

[0033] Линии управления температурой выхлопных газов в соответствии с настоящим вариантом осуществления заданы так, что отношение давлений переходит с горизонтальных участков на направленные вниз участки при определенных отношениях перехода давления. В примере, показанном на Фиг. 3, отношение перехода давления линии L1 управления температурой выхлопных газов составляет πc1, отношение перехода давления линии L2 управления температурой выхлопных газов составляет πc2, отношение перехода давления линии L3 управления температурой выхлопных газов составляет πc3, и верхние пределы температуры выхлопных газов на горизонтальных участках линий L1, L2 и L3 управления температурой выхлопных газов составляют Txsup1, Txsup2 и Txsup3 соответственно.

[0034] Блок 35 ввода температуры выхлопных газов

Блок 35 ввода температуры выхлопных газов принимает сигнал 14 температуры выхлопных газов, выводимый блоком 26 получения температуры выхлопных газов.

[0035] Блок 36 вычисления разности температур выхлопных газов

Блок 36 вычисления разности температур выхлопных газов принимает температуру выхлопных газов, введенную в блок 35 ввода температуры выхлопных газов, и верхний предел температуры выхлопных газов, установленный блоком 32 вычисления верхнего предела температуры выхлопных газов, для определения разности (первой разности) между температурой выхлопных газов и верхним пределом температуры выхлопных газов.

[0036] Блок 37 ввода вырабатываемой мощности

Блок 37 ввода вырабатываемой мощности принимает сигнал 57 вырабатываемой мощности, выводимый нагрузочным устройством 8.

[0037] Блок 38 вычисления разности вырабатываемых мощностей

Блок 38 вычисления разности вырабатываемых мощностей принимает вырабатываемую мощность, введенную в блок 37 ввода вырабатываемой мощности, и мощность, требуемую пунктом управления нагрузкой или т.п. (требуемую мощность), для определения разности (второй разности) между вырабатываемой мощностью и требуемой мощностью.

[0038] Блок 44 вычисления значения команды расхода топлива

Блок 44 вычисления значения команды расхода топлива принимает первую разность, определенную блоком 36 вычисления разности температур выхлопных газов, для определения первого значения команды расхода топлива, принимает вторую разность, определенную блоком 38 вычисления разности вырабатываемых мощностей, для определения второго значения команды расхода топлива, и определяет третье значение команды расхода топлива и т.п. на основе скорости вращения или другого рабочего параметра.

[0039] Блок 45 выбора значения команды расхода топлива

Блок 45 выбора значения команды расхода топлива выбирает минимальное значение из множества значений команды расхода топлива, определенных блоком 44 вычисления значения команды расхода топлива, в качестве значения команды управления расходом топлива, которое управляет расходом топлива системы подачи топлива.

[0040] Блок 46 вывода значения команды управления

Блок 46 вывода значения команды управления определяет значения команды управления для клапана 9 регулировки расхода топлива на основе значения команды управления расходом топлива, выбранной блоком 45 выбора значения команды расхода топлива, и выводит командный сигнал S1 клапану 9 регулировки расхода топлива.

[0041] Работа

Процедуры управления для клапана 9 регулировки расхода топлива

Далее мы описываем процедуры управления клапаном 9 регулировки расхода топлива турбинной установки, работающей на влажном воздухе, в соответствии с настоящим вариантом осуществления. Фиг. 4 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую процедуры управления клапаном 9 регулировки расхода топлива турбинной установки, работающей на влажном воздухе, в соответствии с настоящим вариантом осуществления.

[0042] Блок 28 ввода величины подачи влаги принимает величину подачи влаги, полученную блоком 25 получения величины подачи влаги (Этап B1).

[0043] Блок 29 ввода расхода на впуске принимает расход на впуске, полученный блоком 47 получения расхода на впуске (Этап B2).

[0044] Блок 30 вычисления показателя влажности газа сгорания определяет показатель влажности газа сгорания на основе величины подачи влаги, введенной в блок 28 ввода величины подачи влаги, и расхода на впуске, введенного в блок 29 ввода расхода на впуске (Этап B3).

[0045] Блок 31 ввода давления на впуске принимает давление на впуске, полученное блоком 23 получения давления на впуске (Этап B4).

[0046] Блок 27 ввода давления на выпуске принимает давление на выпуске, полученное блоком 24 получения давления на выпуске (Этап B5).

[0047] Блок 41 вычисления отношения давлений определяет отношение давлений на основе давления на впуске, введенного в блок 31 ввода давления на впуске, и давления на выпуске, введенного в блок 27 ввода давления на выпуске (Этап B6).

[0048] Блок 32 вычисления верхнего предела температуры выхлопных газов определяет верхний предел температуры выхлопных газов на основе показателя влажности газа сгорания, определенного блоком 30 вычисления показателя влажности газа сгорания, и отношения давлений, определенного блоком 41 вычисления отношения давлений (Этап B7).

[0049] Блок 35 ввода температуры выхлопных газов принимает температуру выхлопных газов, полученную блоком 26 получения температуры выхлопных газов (Этап B8).

[0050] Блок 36 вычисления разности температур выхлопных газов определяет первую разность ΔT на основе температуры выхлопных газов, введенной в блок 35 ввода температуры выхлопных газов, и верхнего предела температуры выхлопных газов, определенного блоком 32 вычисления верхнего предела температуры выхлопных газов (Этап B9).

[0051] Блок 37 ввода вырабатываемой мощности принимает вырабатываемую мощность от нагрузочного устройства 8 (Этап B10).

[0052] Блок 38 вычисления разности вырабатываемых мощностей определяет вторую разность ΔE на основе вырабатываемой мощности, полученной блоком 37 ввода вырабатываемой мощности, и требуемой мощности (Этап B11).

[0053] Далее блок 44 вычисления значения команды расхода топлива определяет первое значение команды расхода топлива путем приема первой разности, определенной блоком 36 вычисления разности температур выхлопных газов, определяет второе значение команды расхода топлива путем приема второй разности, определенной блоком 38 вычисления разности вырабатываемых мощностей, и определяет третье значение команды расхода топлива и т.п. на основе скорости вращения или другого рабочего параметра (Этап B12).

[0054] Блок 45 выбора значения команды расхода топлива выбирает минимальное значение из множества значений команды расхода топлива, определенных блоком 44 вычисления значения команды расхода топлива, в качестве значения команды управления расходом топлива, которая управляет расходом топлива системы подачи топлива (Этап B13).

[0055] Далее блок 46 вывода значения команды управления выводит командный сигнал S1 на основе значения команды, выбранного блоком 45 выбора значения команды расхода топлива (Этап B14).

[0056] Работа энергетической установки 100 с турбинной установкой, работающей на влажном воздухе

Далее мы в качестве примера описываем операцию запуска энергетической установки 100 с турбинной установкой, работающей на влажном воздухе, в соответствии с настоящим вариантом осуществления. Фиг. 5-7 представляют собой графики, иллюстрирующие работу энергетической установки 100 с турбинной установкой, работающей на влажном воздухе, в соответствии с настоящим вариантом осуществления. На Фиг. 5 горизонтальная ось показывает отношение давлений, вертикальная ось показывает верхний предел температуры выхлопных газов, сплошная линия показывает линию La управления температурой выхлопных газов, полученную, когда показатель влажности газа сгорания имеет первое значение (0), и пунктирная линия с одной точкой показывает линию Lb управления температурой выхлопных газов, полученную, когда показатель влажности газа сгорания имеет второе значение. На Фиг. 6 горизонтальная ось показывает величину подачи влаги, вертикальная ось показывает температуру выхлопных газов, и сплошная линия показывает линию C перехода верхнего предела температуры выхлопных газов, которая обозначает переход верхнего предела температуры выхлопных газов из-за увеличения величины подачи влаги. На Фиг. 7 горизонтальная ось показывает величину подачи влаги, вертикальная ось показывает вырабатываемую мощность, сплошная линия показывает линию D перехода верхнего предела мощности, которая обозначает переход верхнего предела вырабатываемой мощности из-за увеличения величины подачи влаги, и пунктирная линия с одной точкой показывает линию R целевой мощности после запуска, которая обозначает целевую мощность (номинальную мощность) после запуска. Линия D перехода верхнего предела мощности указывает выходную мощность, когда температура выхлопных газов достигает верхнего предела температуры выхлопных газов при каждом показателе влажности газа сгорания. Мы предполагаем, что требуемая мощность увеличивается в соответствии с темпом увеличения нагрузки, предварительно установленным во время запуска.

[0057] Поскольку температура выхлопных газов является низкой во время запуска энергетической установки 100 с турбинной установкой, работающей на влажном воздухе, влага не будет подаваться (величина подачи влаги составляет 0) в течение заданного количества времени (в течение первого периода t1 времени) после запуска энергетической установки 100 с турбинной установкой, работающей на влажном воздухе. Температура выхлопных газов увеличивается по мере увеличения нагрузки. Фиг. 5 и 6 иллюстрируют случай, в котором температура выхлопных газов достигает верхнего предела температуры выхлопных газов линии La управления температурой выхлопных газов до начала подачи влаги. В течение первого периода t1 времени блок 45 выбора значения команды расхода топлива выбирает минимальное значение в качестве значения команды управления расходом топлива из первого значения команды расхода топлива, определенного на основе первой разности ΔT, второго значения команды расхода топлива, определенного на основе второй разности ΔE, и третьего значения команды расхода топлива, определенного блоком 44 вычисления значения команды расхода топлива на основе скорости вращения или другого рабочего параметра. Поскольку первая разность ΔT, определенная блоком 36 вычисления разности температур выхлопных газов, и вторая разность ΔE, определенная блоком 38 вычисления разности вырабатываемых мощностей, являются положительными до тех пор, пока температура выхлопных газов не достигнет верхнего предела температуры выхлопных газов линии La управления температурой выхлопных газов, какое значение команды расхода топлива будет выбрано из первого значения, второго значения или третьего значения, зависит от ситуации. Однако так как первый период t1 времени представляет собой фазу увеличения нагрузки во время запуска, все значения команды расхода топлива с первого по третье работают на увеличение расхода топлива. Таким образом, поскольку блок 46 вывода значения команды управления определяет значение команды управления, которое увеличивает угол открытия клапана 9 регулировки расхода топлива, на основе выбранного значения команды управления расходом топлива и выводит командный сигнал S1 клапану 9 регулировки расхода топлива, расход топлива энергетической установки увеличивается, что приводит к увеличенной нагрузке. После того, как температура выхлопных газов достигает верхнего предела температуры выхлопных газов линии La управления температурой выхлопных газов, первая разность ΔT становится равной 0, и блок 45 выбора значения команды расхода топлива выбирает первое значение команды расхода топлива, которое было определено таким образом, чтобы не увеличивать температуру выхлопных газов, тем самым поддерживая температуру выхлопных газов постоянной. В это время расход топлива не будет увеличиваться; таким образом, нагрузка остается постоянной до начала подачи влаги.

[0058] После начала подачи влаги нагрузка увеличивается по мере увеличения величины подачи влаги, и температура выхлопных газов уменьшается. Если в это время вторая разность ΔE (разность между вырабатываемой мощностью и требуемой мощностью) является большой, уменьшение температуры выхлопных газов из-за увеличения величины подачи влаги может быть скомпенсировано увеличением температуры выхлопных газов из-за увеличения нагрузки и расхода топлива. В этом случае первая разность ΔT (разность между температурой выхлопных газов и верхним пределом температуры выхлопных газов) определяется на основе верхнего предела температуры выхлопных газов, который уменьшился, поскольку верхний предел температуры выхлопных газов уменьшается по мере увеличения показателя влажности газа сгорания. Далее блок 45 выбора значения команды расхода топлива выбирает первое значение команды расхода топлива, определенное на основе первой разности, расход топлива регулируется так, что температура выхлопных газов становится равной верхнему пределу, и температура выхлопных газов движется вдоль линии C перехода верхнего предела (Фиг. 6) (второй период t2 времени). В это время выходная мощность движется вдоль линии D перехода верхнего предела мощности (Фиг. 7) и достигает целевой мощности, например, номинальной мощности, при увеличении величины подачи влаги.

[0059] Как только выходная мощность достигает целевой мощности, вторая разность ΔE (разность между вырабатываемой мощностью и требуемой мощностью) становится равной 0. Таким образом, блок 45 выбора значения команды расхода топлива выбирает второе значение команды расхода топлива, определенное на основе второй разности, и расход топлива регулируется так, что вырабатываемая мощность становится равной требуемой мощности (целевой мощности после запуска). При продолжении увеличения величины подачи влаги после достижения целевой мощности, вырабатываемая мощность переходит на линию R целевой мощности после запуска. Температура выхлопных газов уменьшается при фиксированной вырабатываемой мощности и становится ниже линии Lb управления температурой выхлопных газов (Фиг. 5-7: третий период t3 времени).

[0060] Преимущества

(1) В настоящем варианте осуществления значение команды расхода топлива выбирается так, что оно соответствует требуемой мощности, которая изменяется в соответствии с заданным темпом увеличения нагрузки, независимо от величины подачи влаги, тем самым управляя клапаном 9 регулировки расхода топлива. В связи с этим нет необходимости поддерживать заданную частичную нагрузку и увеличивать нагрузку после начала подачи влаги, и, таким образом, можно исключить время ожидания и сократить время, необходимое для запуска. Также, поскольку нагрузка увеличивается раньше без необходимости времени ожидания при заданной частичной нагрузке, температура выхлопных газов становится высокой, влага начинает подаваться раньше, и можно сократить время, необходимое для достижения целевой мощности после запуска (номинальной мощности или т.п.).

[0061] Кроме того, если зависимость величины подачи влаги от верхнего предела температуры выхлопных газов не учитывается, необходимо устанавливать более низкий верхний предел температуры выхлопных газов при подготовке к случаям, когда количество влаги является большим, даже при работе турбины с небольшим количеством влаги. В таком случае температура выхлопных газов может поддерживаться на низком значении путем увеличения нагрузки во время запуска, и время, необходимое для ожидания начала подачи, может продлеваться. Этого можно избежать, учитывая зависимость величины подачи влаги от верхнего предела температуры выхлопных газов.

[0062] (2) В настоящем варианте осуществления, поскольку верхний предел температуры выхлопных газов уменьшается на основе показателя влажности газа сгорания после начала подачи влаги, значение команды расхода топлива выбирается так, чтобы оно не превышало верхний предел температуры выхлопных газов, который уменьшен, тем самым управляя клапаном 9 регулировки расхода топлива. Таким образом, даже если влага подается в сжатый воздух, и содержание влаги в газе сгорания увеличивается, можно избежать превышения температурой выхлопных газов верхнего предела, а также предотвратить превышение тепловыми нагрузками на лопатках турбины допустимого значения.

[0063] С учетом вышесказанного, в настоящем варианте осуществления можно сократить время, необходимое для запуска, и предотвратить чрезмерное увеличение тепловых нагрузок на лопатках турбины.

[0064] Прочее

Настоящее изобретение не ограничивается описанным выше вариантом осуществления и допускает различные модификации. Вышеописанный вариант осуществления предназначен только для иллюстрации, и изобретение необязательно должно иметь все компоненты варианта осуществления. Например, некоторые компоненты варианта осуществления могут быть удалены или заменены.

[0065] В вышеописанном варианте осуществления мы описали конструкцию, в которой турбинная установка 101, работающая на влажном воздухе, включает в себя увлажнитель 4. Однако основной задачей изобретения является обеспечение турбинной установки, работающей на влажном воздухе, которая сокращает время, необходимое для запуска, и предотвращает чрезмерное увеличение тепловых нагрузок на лопатках турбины, и изобретение не ограничивается вышеописанной конструкцией при условии решения основной задачи. Например, вместо увлажнителя 4 на впускной стороне компрессора 1 также может быть обеспечена система охлаждения распылением воды (WAC) или охладитель впускного воздуха, который подает влагу во впускной воздух 16 компрессора 1. Также возможна подача части или всей влаги 18, образуемой в блоке 5 рекуперации тепла выхлопных газов, в камеру 2 сгорания для получения влажного воздуха 19 и дальнейшего смешивания его с топливом 10 для сжигания смешанного газа, что приводит к получению газа 20 сгорания. Когда вся влага 18 подается в камеру 2 сгорания, функции увлажнителя 4 могут быть встроены в камеру 2 сгорания.

[0066] В вышеописанном варианте осуществления мы также описали конструкцию, в которой расходомер 25, обеспеченный в системе 59 подачи влаги, получает величину подачи влаги. Однако изобретение необязательно ограничивается такой конструкцией при условии решения основной задачи изобретения. Например, если влага, создаваемая блоком 5 рекуперации тепла выхлопных газов, подается в увлажнитель 4 через устройство впрыска влаги, величина подачи влаги может быть получена на основе угла открытия клапана устройства впрыска влаги. Также, если в качестве увлажнителя 4 используется увлажняющая колонна, величина подачи влаги может быть получена на основе разности между количеством воды, подаваемой в увлажняющую колонну, и количеством воды, выдаваемой из колонны, или величина подачи влаги может быть получена на основе изменения уровня воды в нижнем резервуаре увлажняющей колонны и количества подаваемой или выдаваемой воды. Кроме того, для непосредственного измерения содержания влаги в сжатом воздухе, подаваемом в камеру сгорания, также может быть использован измерительный прибор.

[0067] В вышеописанном варианте осуществления мы также описали конструкцию, в которой блок 30 вычисления показателя влажности газа сгорания получает показатель влажности газа сгорания на основе величины подачи влаги и расхода на впуске. Однако изобретение необязательно ограничивается такой конструкцией при условии решения основной задачи изобретения. Например, блок 30 вычисления показателя влажности газа сгорания также может дополнительно определять на основе расхода топлива получаемое во время сгорания количество влаги, создаваемой в камере 2 сгорания во время сгорания топлива, и определять показатель влажности газа сгорания с учетом определенного получаемого во время сгорания количества влаги. Это повышает точность показателя влажности газа сгорания по сравнению со случаем, когда показатель влажности газа сгорания получают только на основе величины подачи влаги и расхода на впуске, и более надежно предотвращает чрезмерное увеличение тепловых нагрузок на лопатках турбины.

[0068] В вышеописанном варианте осуществления мы также описали конструкцию, в которой блок 32 вычисления верхнего предела температуры выхлопных газов принимает показатель влажности газа сгорания, определенный блоком 30 вычисления показателя влажности газа сгорания, и определяет верхний предел температуры выхлопных газов на основе принятого показателя влажности газа сгорания и заданной функции. Однако изобретение необязательно ограничивается такой конструкцией при условии решения основной задачи изобретения. Например, блок 32 вычисления верхнего предела температуры выхлопных газов также может задавать линии управления температурой выхлопных газов для заданных диапазонов показателя влажности газа сгорания и выбирать линию управления температурой выхлопных газов, которая соответствует показателю влажности газа сгорания, полученному блоком 30 вычисления показателя влажности газа сгорания.

[0069] В вышеописанном варианте осуществления мы также описали конструкцию, в которой блок 32 вычисления верхнего предела температуры выхлопных газов определяет верхний предел температуры выхлопных газов с использованием функции от показателя влажности газа сгорания. Однако изобретение необязательно ограничивается такой конструкцией при условии решения основной задачи изобретения. Например, также возможна настройка блока 32 вычисления верхнего предела температуры выхлопных газов так, чтобы верхний предел температуры выхлопных газов не был основан на показателе влажности газа сгорания, и корректировка на основе показателя влажности газа сгорания первого значения команды расхода топлива, определенного блоком 44 вычисления значения команды расхода топлива на основе первой разности ΔT(разности между температурой выхлопных газов и верхним пределом температуры выхлопных газов), для определения первого значения команды расхода топлива.

[0070] В вышеописанном варианте осуществления мы также описали конструкцию, в которой блок 41 вычисления отношения давлений определяет отношение давлений на основе давления на выпуске, введенного в блок 27 ввода давления на выпуске, и давления на впуске, введенного в блок 31 ввода давления на впуске. Однако изобретение необязательно ограничивается такой конструкцией при условии решения основной задачи изобретения. Например, блок 41 вычисления отношения давлений также может принимать скорость вращения компрессора и расход на впуске, полученный блоком 47 получения расхода на впуске, вместо давления на выпуске и определять давление на выпуске на основе скорости вращения и принятого расхода на впуске для определения отношения давлений. Вместо отношения давлений дополнительно может использоваться давление на выпуске. В таком случае верхний предел температуры выхлопных газов определяется по отношению к давлению на выпуске, и использование блока 31 ввода давления на впуске и блока 41 вычисления отношения давлений необязательно.

[0071] В вышеописанном варианте осуществления мы также заявили, что первое, второе или третье значение команды расхода топлива выбирается блоком 45 выбора значения команды расхода топлива. Однако вместо этого можно разделить третье значение команды расхода топлива, которое определено на основе скорости вращения или другого рабочего параметра, на несколько значений и выбрать среди этих значений и первого и второго значений команды расхода топлива значение команды управления расходом топлива, которое управляет расходом топлива системы подачи топлива.

[0072] В вышеописанном варианте осуществления мы также описали конструкцию, в которой значение команды определяется на основе разности между вырабатываемой мощностью и требуемой мощностью для управления клапаном 9 регулировки расхода топлива. Однако изобретение необязательно ограничивается такой конструкцией при условии решения основной задачи изобретения. Например, вместо вырабатываемой мощности также можно получить крутящий момент и определить значение команды на основе разности между крутящим моментом и требуемым крутящим моментом для управления клапаном 9 регулировки расхода топлива.

[0073] В вышеописанном варианте осуществления мы также описали случай, в котором изобретение применяется в отношении одновальной газотурбинной установки, причем компрессор 1, турбина 3 и нагрузочное устройство 8 взаимно соединены валом 21. Однако изобретение не ограничивается такой одновальной газотурбинной установки, и также может быть применено в отношении двухвальной газотурбинной установки.

Изобретение дополнительно может быть применено в отношении конструкции, в которой пар, создаваемый котлом рекуперации выхлопных газов системы выработки мощности комбинированного цикла, подается в газотурбинную установку.

ОПИСАНИЕ ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ

[0074]

1: Компрессор

2: Камера сгорания

3: Турбина

5: Блок рекуперации тепла выхлопных газов

9: Клапан регулировки расхода топлива

10: Топливо

15: Воздух (впускной воздух)

17: Сжатый воздух

18: Влага

19: Влажный воздух

20: Газ сгорания (газ на впуске в турбину)

26: Термометр (блок получения температуры выхлопных газов)

30: Блок вычисления показателя влажности газа сгорания

32: Блок вычисления верхнего предела температуры выхлопных газов

36: Блок вычисления разности температур выхлопных газов

38: Блок вычисления разности вырабатываемых мощностей

44: Блок вычисления значения команды расхода топлива

45: Блок выбора значения команды расхода топлива (блок выбора)

46: Блок вывода значения команды управления (блок вывода)

60: Система подачи топлива

101: Турбинная установка, работающая на влажном воздухе.

Изобретение направлено на сокращение времени, необходимого для запуска, и предотвращение чрезмерного увеличения тепловых нагрузок на лопатках турбины. Турбинная установка, работающая на влажном воздухе, включает в себя компрессор; камеру сгорания; турбину; блок рекуперации тепла выхлопных газов для рекуперации тепла выхлопных газов турбины для получения высокотемпературной влаги; систему подачи топлива, имеющую клапан регулировки расхода топлива; блок получения температуры выхлопных газов для получения температуры выхлопных газов, выпускаемых во время приведения в движение турбины; блок вычисления показателя влажности газа сгорания для определения показателя влаги, содержащейся в газе сгорания; блок вычисления верхнего предела температуры выхлопных газов для установления верхнего предела температуры выхлопных газов на основе показателя влажности газа сгорания и отношения давлений; блок вычисления разности температур выхлопных газов для определения разности между верхним пределом температуры выхлопных газов и температурой выхлопных газов; блок вычисления значения команды расхода топлива для определения значения команды расхода топлива с использованием разности температур выхлопных газов; и блок вывода значения команды управления для вывода командного сигнала клапану регулировки расхода топлива на основе значения команды, выбранного блоком выбора значения команды расхода топлива. Также представлен способ управления турбинной установкой, работающей на влажном воздухе. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Турбинная установка, работающая на влажном воздухе, содержащая:

компрессор для сжатия воздуха для получения сжатого воздуха;

блок вычисления отношения давлений для определения отношения давлений компрессора;

систему подачи влаги для подачи влаги во впускной воздух компрессора или сжатый воздух, создаваемый компрессором;

камеру сгорания для смешивания влажного воздуха, полученного подачей влаги во впускной воздух или сжатый воздух, с топливом и сжигания смеси для получения газа сгорания;

блок вычисления показателя влажности газа сгорания для получения показателя влажности газа сгорания, который представляет собой показатель влаги, содержащейся в газе сгорания;

систему подачи топлива, имеющую клапан регулировки расхода топлива, для подачи топлива в камеру сгорания;

турбину, вращательно приводимую в движение газом сгорания, подаваемым из камеры сгорания;

блок получения температуры выхлопных газов для получения температуры выхлопных газов, которая представляет собой температуру выхлопных газов, выпускаемых во время приведения в движение турбины;

блок вычисления верхнего предела температуры выхлопных газов для определения верхнего предела температуры выхлопных газов на основе показателя влажности газа сгорания и отношения давлений; и

блок вывода значения команды управления для вывода командного сигнала клапану регулировки расхода топлива с использованием значения команды расхода топлива, определенного на основе верхнего предела температуры выхлопных газов, определенного блоком вычисления верхнего предела температуры выхлопных газов, и на основе температуры выхлопных газов.

2. Турбинная установка, работающая на влажном воздухе, по п. 1, в которой часть или вся влага, подаваемая во впускной воздух или сжатый воздух, подается в камеру сгорания.

3. Турбинная установка, работающая на влажном воздухе, по п. 1, дополнительно содержащая: блок рекуперации тепла выхлопных газов для рекуперации тепла выхлопных газов для получения влаги и подачи влаги в систему подачи влаги.

4. Турбинная установка, работающая на влажном воздухе, по п. 3, в которой блок получения температуры выхлопных газов представляет собой термометр, обеспеченный в выхлопной системе, соединяющей турбину и блок рекуперации тепла выхлопных газов.

5. Турбинная установка, работающая на влажном воздухе, по п. 1, в которой блок вычисления показателя влажности газа сгорания определяет показатель влажности газа сгорания на основе количества влаги, подаваемой системой подачи влаги.

6. Турбинная установка, работающая на влажном воздухе, по п. 5, в которой блок вычисления показателя влажности газа сгорания определяет на основе расхода топлива, подаваемого в камеру сгорания, получаемое во время сгорания количество влаги, получаемое путем сгорания топлива в камере сгорания, и дополнительно определяет показатель влажности газа сгорания на основе определенного получаемого во время сгорания количества влаги.

7. Турбинная установка, работающая на влажном воздухе, по п. 1, в которой блок вычисления верхнего предела температуры выхлопных газов определяет верхний предел температуры выхлопных газов с использованием заданной функции от показателя влажности газа сгорания и отношения давлений.

8. Способ управления турбинной установкой, работающей на влажном воздухе и содержащей:

компрессор для сжатия воздуха для получения сжатого воздуха;

камеру сгорания для смешивания сжатого воздуха с топливом и сжигания смеси для получения газа сгорания;

турбину, вращательно приводимую в движение газом сгорания, подаваемым из камеры сгорания;

блок рекуперации тепла выхлопных газов для рекуперации тепла выхлопных газов, выпускаемых во время приведения в движение турбины;

систему подачи топлива, имеющую клапан регулировки расхода топлива, для подачи топлива в камеру сгорания; и

блок получения температуры выхлопных газов для получения температуры выхлопных газов, которая представляет собой температуру выхлопных газов, при этом

влага подается по меньшей мере в одно из впускного воздуха компрессора, сжатого воздуха, создаваемого компрессором, или камеры сгорания,

причем способ включает в себя этапы, на которых:

получают показатель влажности газа сгорания, который представляет собой показатель влаги, содержащейся в газе сгорания;

устанавливают предварительно зависимость между верхним пределом температуры выхлопных газов и показателем влажности газа сгорания и определяют верхний предел температуры выхлопных газов на основе полученного показателя влажности газа сгорания;

определяют значение команды расхода топлива на основе верхнего предела температуры выхлопных газов и температуры выхлопных газов, полученной блоком получения температуры выхлопных газов; и

выводят командный сигнал клапану регулировки расхода топлива с использованием значения команды расхода топлива.

9. Способ по п. 8, в котором влагу подают по меньшей мере в одно из впускного воздуха компрессора или сжатого воздуха, создаваемого компрессором.

10. Способ по п. 8, в котором часть влаги подают по меньшей мере в одно из впускного воздуха компрессора или сжатого воздуха, создаваемого компрессором, а остальную часть влаги подают в камеру сгорания.

11. Способ по п. 8, в котором влагу подают в камеру сгорания.