ГАЗОВАЯ ТУРБИНА И СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ РАСХОДА ПОДАВАЕМОГО В НЕЁ ТОПЛИВА Российский патент 2022 года по МПК F02C9/32 

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к газовой турбине и способу регулирования расхода подаваемого в нее топлива. Настоящее изобретение, в частности, относится к газовой турбине и способу регулирования расхода подаваемого в нее топлива, подходящего для регулирования расхода топлива в ответ на изменение состава, температуры и т.д. топливного газа, который подается из оборудования подачи топлива в камеру сгорания газовой турбины.

В качестве источника предшествующего уровня техники в области регулирования расхода топливного газа в газовой турбине можно назвать выложенную заявку на патент Японии, опубликованную под №2011-256788.

В выложенной заявке на патент Японии, опубликованной под №2011-256788, описывается реализация газовой турбины для получения газовой турбины, которая выполнена с возможностью работы в непрерывном режиме в соответствии с давлением подачи топлива, и работой которой можно эффективно управлять для улучшения ее работоспособности за счет сокращения числа отключений. Управление работой газовой турбины осуществляется блоком системы управления, который вычисляет и выводит команду степени открытия клапана регулирования расхода, размещенного в системе подачи газового топлива, которая подает топливный газ в камеру сгорания. Блок системы управления включает в себя блок, который вычисляет команду выходной мощности газовой турбины. Этот блок определяет заданное значение выходной мощности газовой турбины в соответствии с давлением подачи топлива на основе операционной карты, которая была задана предварительно, и вычисляет команду степени открытия в результате выбора минимального значения из множества значений команды выходной мощности газовой турбины, включающего в себя заданное значение выходной мощности газовой турбины.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В системе подачи, так как топливный газ используется в другом оборудовании во время работы газовой турбины, то топливный газ может извлекаться или возвращаться с верхней по потоку стороны системы подачи топливного газа.

Когда топливный газ отбирается и возвращается с верхней по потоку стороны, системе подачи топливного газа требуется адаптировать команду нагрузки газовой турбины в соответствии с расходом топливного газа, который подается в газовую турбину.

То есть, когда состав и температура отбираемого и возвращаемого топливного газа изменяются по отношению к составу и температуре топливного газа, подаваемого из оборудования подачи топлива, и это приводит к изменению состава и температуры топливного газа, который подается в газовую турбину (после слияния с возвращаемым топливным газом), или когда состав и температура топливного газа, подаваемого из оборудования подачи топлива, по некоторым причинам изменяются с течением времени, происходит изменение теплотворной способности и плотности топливного газа, который подается в газовую турбину.

Вместе с этим изменением изменяется объемное потребление топливного газа в ответ на команду нагрузки газовой турбины внутри газовой турбины. Если не задано значение команды нагрузки, подходящее для объемного расхода топливного газа, подаваемого в газовую турбину, будет иметь место нехватка или застой топливного газа, проходящего через трубопровод системы подачи топливного газа. Может возникнуть падение давления или избыточное давление с верхней по потоку стороны клапана регулирования давления, установленного в системе подачи топливного газа, и это может вызвать прекращение работы (отключение) установки с газовой турбиной.

Однако в исполнении газовой турбины, описываемой в выложенной заявке на патент Японии, опубликованной под №2011-256788, рассмотренной выше, указанная выше проблема во внимание не принимается.

Настоящее изобретение было разработано с учетом указанной выше проблемы, и задача настоящего изобретения заключается в создании газовой турбины и способа регулирования расхода подаваемого в нее топлива, обеспечивающих стабильную работу газовой турбины, позволяющую избежать ситуации, при которой работа газовой турбины не может быть продолжена вследствие падения давления или избыточного давления, возникающего с верхней по потоку стороны системы подачи топливного газа.

Для решения поставленной задачи один аспект настоящего изобретения относится к газовой турбине, включающей в себя систему подачи топливного газа, предназначенную для подачи топливного газа из оборудования подачи топлива через топливопровод в камеру сгорания газовой турбины, клапан регулирования давления, установленный на полпути вдоль топливопровода для регулирования давления топливного газа, клапан регулирования расхода, установленный в топливопроводе с нижней по потоку стороны клапана регулирования давления для регулирования расхода топливного газа, и устройство управления, выполненное так, что в случае, когда происходит изменение расхода топливного газа, проходящего через систему подачи топливного газа, при устойчивом изменении степени открытия клапана регулирования давления или давления Р1 с верхней по потоку стороны клапана регулирования давления, значение команды расхода топливного газа, которое определяется на основе требуемого значения нагрузки газовой турбины, регулируется так, чтобы подавлялось изменение степени открытия клапана регулирования давления или давления Р1 с верхней по потоку стороны клапана регулирования давления.

Для решения поставленной задачи другой аспект настоящего изобретения состоит в способе регулирования расхода топлива в газовой турбине, снабженной системой подачи топливного газа, предназначенной для подачи топливного газа из оборудования подачи топлива через топливопровод в камеру сгорания газовой турбины, клапаном регулирования давления, установленным на полпути вдоль топливопровода для регулирования давления топливного газа, и клапаном регулирования расхода, установленным в топливопроводе с нижней по потоку стороны клапана регулирования давления для регулирования расхода топливного газа, где этот способ заключается в том, что в случае, когда происходит изменение расхода топливного газа, проходящего через систему подачи топливного газа, при устойчивом изменении степени открытия клапана регулирования давления или давления Р1 с верхней по потоку стороны клапана регулирования давления, способ регулирует значение команды расхода топливного газа, которое определяется на основе требуемого значения нагрузки газовой турбины так, чтобы подавлялось изменение степени открытия клапана регулирования давления или давления Р1 с верхней по потоку стороны клапана регулирования давления.

В соответствии с настоящим изобретением обеспечивается стабильная работа газовой турбины, позволяющая избежать ситуации, при которой работа газовой турбины не может быть продолжена вследствие падения давления или избыточного давления, возникающего с верхней по потоку стороны системы подачи топливного газа.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1 - схематическая иллюстрация одного примера системы подачи топливного газа для газовой турбины, предназначенной для подачи топливного газа из оборудования подачи топлива, в первом варианте осуществления газовой турбины в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг. 2 - схематическая иллюстрация системы управления для системы подачи топливного газа для газовой турбины, показанной на фиг.1, в деталях;

Фиг. 3 - схематическая иллюстрация примера измерений состава, температуры, расхода, плотности, теплотворной способности т.д. топливного газа из топливопровода системы подачи топливного газа для газовой турбины, показанной на фиг. 1;

Фиг. 4 - схематическая иллюстрация примера измерений расхода, температуры и состава топливного газа, проходящего через топливопровод системы подачи топливного газа для газовой турбины, показанной на фиг. 1, перед отбором в другое оборудование, расхода топливного газа, проходящего через трубопровод отбора топливного газа в другое оборудование, а также состава, температуры, расхода и т.д. топливного газа, проходящего через трубопровод возврата топливного газа из другого оборудования; и

Фиг. 5 - схематическая иллюстрация одного примера карты в четвертом варианте осуществления газовой турбины в соответствии с настоящим изобретением.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Ниже приводится описание газовой турбины и способа регулирования расхода подаваемого в нее топлива в соответствии с настоящим изобретением на основе иллюстрированных вариантов осуществления. При этом для обозначения идентичных элементов конструкции на чертежах используются идентичные ссылочные позиции или обозначения.

Первый вариант осуществления

Фиг. 1, 2, 3 и 4 иллюстрируют первый вариант осуществления газовой турбины 1 в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 1 иллюстрирует один пример системы 7 подачи топливного газа для газовой турбины 1, предназначенной для подачи топливного газа из оборудования 2 подачи топлива, в первом варианте осуществления газовой турбины 1 в соответствии с настоящим изобретением. Фиг. 2, 3 и 4 иллюстрируют систему управления для системы 7 подачи топливного газа в деталях.

Как показано на соответствующей фигуре, газовая турбина 1 в соответствии с настоящим вариантом осуществления состоит из компрессора С, камеры F сгорания и турбины Т. В топливопроводе 8 установлены клапан 3 регулирования давления и клапан 4 регулирования расхода, предназначенные для подачи топливного газа, такого как природный газ (СПГ), из оборудования 2 подачи топлива, такого как топливный бак, в газовую турбину.

Клапан 3 регулирования давления представляет собой регулирующий клапан для регулирования давления топливного газа, подаваемого при постоянном давлении из оборудования 2 подачи топлива, до достижения требуемого давления. Для этого клапан 3 регулирования давления постоянно регулирует степень своего открытия так, что его выходное давление после регулирования, измеряемое с нижней по потоку стороны, поддерживается при требуемом значении.

Клапан 4 управления расходом представляет собой регулирующий клапан, который регулирует расход топливного газа, подаваемого при требуемом давлении, до достижения требуемого значения.

В такой конструкции топливный газ, подаваемый в газовую турбину 1, подается из оборудования 2 подачи топлива в газовую турбину 1 через клапан 3 регулирования давления и клапан 4 регулирования расхода. В этом процессе подачи давление топливного газа, подаваемого из оборудования 2 подачи топлива, регулируется клапаном 3 регулирования давления до достижения постоянного давления, а затем расход топливного газа, поступающего в газовую турбину 1, регулируется клапаном 4 регулирования расхода с нижней по потоку стороны клапана 3 регулирования давления.

При этом в рассматриваемом варианте осуществления давление с верхней по потоку стороны клапана 3 регулирования давления определяется как давление Р1, давление с нижней по потоку стороны клапана 3 регулирования - как давление Р2, а давление с нижней по потоку стороны клапана 4 регулирования расхода - как давление Р3.

Кроме того, в примере конструкции газовой турбины 1 одна газовая турбина 1 включает в себя множество камер F сгорания, и каждая камера F сгорания снабжена множеством основных топливных форсунок и одной или более пилотными топливными форсунками.

Как показано на фиг.2, газовая турбина 1 представляет собой устройство, в основном состоящее из компрессора С, камеры F сгорания и турбины Т. Компрессор С всасывает и сжимает воздух и выпускает воздух, сжатый до высокого давления. Сжатый воздух, выпускаемый из компрессора С, подается в камеру F сгорания в качестве воздуха для горения. Топливо газовой турбины, подаваемое в камеру F сгорания, сгорает с воздухом с образованием высокотемпературного газа сгорания. Этот газ сгорания подается в турбину Т и в результате циркуляции между лопатками ротора и статора приводит турбину Т в движение, за счет которого вырабатывается мощность.

Выходной вал газовой турбины 1 соединен, например, с генератором (непоказанным) и, таким образом, приводит этот генератор в действие для выработки электроэнергии. В другом варианте для механического привода выходной вал газовой турбины соединяется с компрессором на установке по производству СПГ для привода компрессора.

Кроме того, в газовой турбине 1 в соответствии с настоящим вариантом осуществления, как показано на фиг. 1, с верхней по потоку стороной системы 7 подачи топливного газа, которая подает топливный газ из оборудования 2 подачи топлива в газовую турбину 1, соединены трубопровод 5а отбора топливного газа в другое оборудование 5 и трубопровод 5b возврата топливного газа из другого оборудования 5. Для использования топливного газа в другом оборудовании 5 в процессе работы газовой турбины 1 отбор и возврат топливного газа может выполняться через трубопровод 5а отбора топливного газа в другое оборудование 5 и трубопровод 5b возврата топливного газа из другого оборудования 5 с верхней по потоку стороны системы 7 подачи топливного газа.

Другое оборудование 5 может представлять собой, например, установку для риформинга топливного газа или т.п., которая может использоваться описываемыми ниже способами.

В частности, (а) возможен риформинг топливного газа для другого прикладного использования на установке, подача топливного газа на установку и возврат избытка газа в газовую турбину 1 в случае необходимости. Кроме того, например, (b) возможен риформинг топливного газа, подаваемого в газовую турбину 1, в газ, имеющий состав, подходящий для топлива. В частности, за счет удаления неактивных компонентов или т.п., содержащихся в топливе, и регулирования его теплотворной способности топливный газ преобразуется в газ, имеющий состав в пределах расчетного диапазона газовой турбины 1; это позволяет использовать топливный газ с широким диапазоном составов. Кроме того, (с) возможно также удаление углерода в процессе сгорания с целью сокращения выбросов парниковых газов.

Расход топливного газа, подаваемого в газовую турбину 1, можно, например, регулировать таким образом, чтобы он соответствовал требуемой нагрузке газовой турбины 1. В частности, значение команды расхода топливного газа определяется на основе требуемого значения нагрузки газовой турбины 1, а степень открытия клапана 4 регулирования расхода задается в соответствии с этим значением команды так, что топливный газ проходит с заданным расходом.

В этом процессе, если вырабатываемая выходная мощность газовой турбины 1 не соответствует требованиям начальной нагрузки газовой турбины 1, значение команды расхода топливного газа регулируется за счет управления с обратной связью так, что в результате достигается требуемая нагрузка газовой турбины 1.

В рассматриваемом варианте осуществления с иллюстрацией на фиг.1 количество топливного газа, отбираемого через трубопровод 5а отбора топливного газа в другое оборудование 5, расход газа, возвращаемого через трубопровод 5b возврата топливного газа из другого оборудования 5, а также состав и температура такого топливного газа могут быть определены в соответствии с условиями работы другого оборудования 5. Кроме того, количество топлива, подаваемого из оборудования 2 подачи топлива, а также состав и температура такого топливного газа также могут изменяться.

В системе, в которой количество топлива, отбираемого через трубопровод 5а отбора топливного газа в другое оборудование 5, и расход газа, возвращаемого через трубопровод 5b возврата топливного газа из другого оборудования 5, или количество топливного газа, подаваемого из оборудования 2 подачи топлива, изменяются, нарушение равновесия между расходом топливного газа, потребляемого газовой турбиной 1, и расходом топливного газа, подаваемого в газовую турбину 1 (например, расходом с нижней по потоку стороны за участком слияния, на котором трубопровод 5b возврата топливного газа из другого оборудования 5 соединяется с главным трубопроводом подачи (в положении А на фиг. 1)), может вызывать падение давления в положении А вследствие нехватки топливного газа, проходящего через топливопровод 8 системы 7 подачи топливного газа поблизости от положения А, или повышение давления в положении А вследствие чрезмерного расхода топливного газа, что в результате может приводить к затруднению поддержания непрерывной работы газовой турбины 1.

В частности, что касается давления подачи топливного газа (давления Р2 и давления Р1 с верхней по потоку стороны), то, так как топливный газ подается в секцию камеры сгорания в газовой турбине 1, которая является целевым местом подачи в газовой турбине 1, через топливную форсунку камеры F сгорания, давление подачи топливного газа должно быть задано с учетом потери давления на топливной форсунке и потери давления в системе 7 подачи топливного газа, а также внутреннего давления в газовой турбине 1.

Поэтому, например, если нехватка топливного газа возникает в положении А на фиг. 1 и давление Р1 падает, а давление Р2 с нижней по потоку стороны клапана 3 регулирования давления не может поддерживаться при заданном значении, то требуемый расход не может быть обеспечен даже при полном открытии клапана 4 регулирования расхода, и регулирование расхода топливного газа, а также дальнейшее управление газовой турбины 1 может стать невозможным.

Для надлежащего регулирования давления в системе 7 подачи топливного газа для газовой турбины 1 в случае, когда происходит изменение расхода топливного газа, проходящего через систему 7 подачи топливного газа, при устойчивом изменении степени открытия клапана 3 регулирования давления или давления (давления Р1) с верхней по потоку стороны клапана 3 регулирования давления, рассматриваемый вариант осуществления регулирует значение команды расхода топливного газа, которое определяется на основе требуемого значения нагрузки газовой турбины, так, чтобы никакого изменения степени открытия клапана 3 регулирования давления или давления (давления Р1) с верхней по потоку стороны клапана 3 регулирования давления не происходило. Таким образом, вариант осуществления регулирует расход топливного газа, поступающего в газовую турбину 1, и предотвращает возникновение нарушения равновесия давления топливного газа в системе 7 подачи топливного газа для газовой турбины 1 и невозможность продолжения работы газовой турбины 1.

Такая газовая турбина 1 в соответствии с рассматриваемым вариантом осуществления снабжена блоком 10 системы управления (устройством управления), который вычисляет и выводит команду степени открытия для клапана 3 регулирования давления и клапана 4 регулирования расхода, установленными в системе 7 подачи топливного газа, через которую топливный газ подается в камеру F сгорания. В случае, когда происходит изменение расхода топливного газа, проходящего через систему 7 подачи топливного газа, при устойчивом изменении степени открытия клапана 3 регулирования давления или давления (давления Р1) с верхней по потоку стороны клапана 3 регулирования давления, этот блок 10 системы управления регулирует значение команды расхода топливного газа, которое определяется на основе требуемого значения нагрузки газовой турбины 1 так, чтобы никакого изменения степени открытия клапана 3 регулирования давления или давления (давления Р1) с верхней по потоку стороны клапана 3 регулирования давления не происходило. Таким образом, после регулирования расхода топливного газа, поступающего в газовую турбину 1, блок системы управления осуществляет управление работой так, что клапан 4 регулирования расхода регулирует расход топливного газа до достижения требуемого расхода и подает топливный газ в камеру F сгорания.

Блок 10 системы управления в соответствии с рассматриваемым вариантом осуществления включает в себя блок 19, который вычисляет плотность и теплотворную способность топлива, поступающего в газовую турбину (см. фиг. 3). Этот блок принимает, в том числе, состав, температуру, плотность и теплотворную способность топливного газа, измеренные приблизительно при давлении Р1 (в положении А на фиг. 1) вдоль топливопровода 8 системы 7 подачи топливного газа, и вычисляет, в том числе, теплотворную способность и плотность топлива, поступающего в газовую турбину 1. Результаты вычислений в блоке 19, который вычисляет плотность и теплотворную способность топлива, поступающего в газовую турбину, вводятся в блок 15, который вычисляет команду выходной мощности газовой турбины. При этом блок 15, который вычисляет команду выходной мощности газовой турбины, также принимает давление Р1 и информацию о степени открытия клапана 3 регулирования давления и клапана 4 регулирования расхода.

Блок 10 системы управления в соответствии с рассматриваемым вариантом осуществления также включает в себя блок 18, который вычисляет команду степени открытия для клапана регулирования давления и также служит контроллером с обратной связью. Этот блок принимает давление Р2 и информацию о степени открытия клапана 3 регулирования давления, вычисляет команду степени открытия для клапана 3 регулирования давления, и выполняет управление с обратной связью. Команда степени открытия выводится на клапан 3 регулирования давления с блока 18, который вычисляет команду степени открытия для клапана регулирования давления и также служит контроллером с обратной связью.

При этом пример, иллюстрированный фиг. 3, предполагает, что измерения, в том числе, состава, температуры, плотности и теплотворной способности топливного газа проводятся приблизительно при давлении Р1 (в положении А на фиг. 1) вдоль топливопровода 8 системы 7 подачи топливного газа, однако если измерения не могут быть выполнены приблизительно при давлении Р1 (в положении А на фиг. 1) вдоль топливопровода 8 системы 7 подачи топливного газа, то, как показано на фиг. 4, в блок 19, который вычисляет плотность и теплотворную способность топлива, поступающего в газовую турбину, могут вводиться расход, температура и состав топливного газа, проходящего по топливному трубопроводу 8, перед отбором в другое оборудование 5, расход топливного газа, проходящего через трубопровод 5а отвода топливного газа в другое оборудование 5, а также состав, температура и расход топливного газа, проходящего по трубопроводу 5b возврата топливного газа из другого оборудования 5.

Блок 10 системы управления в соответствии с настоящим изобретением также включает в себя блок 15, который вычисляет команду выходной мощности газовой турбины. Этот блок принимает результаты вычислений в блоке 19, который вычисляет плотность и теплотворную способность топлива, поступающего в газовую турбину, давление Р1 и информацию о степени открытия клапана 3 регулирования давления и клапана 4 регулирования расхода. Из множества значений Sl-Sn (n значений) команды выходной мощности газовой турбины, включающих в себя заданное значение S1 выходной мощности газовой турбины, выведенное с блока 15 который, вычисляет команду выходной мощности газовой турбины, переключателем 13 минимального значения выбирается минимальное значение и определяется команда степени открытия. При этом дополнением к значению S1 команды выходной мощности газовой турбины являются следующие значения: значение S2 команды выходной мощности газовой турбины, которое выводится из объема выработки электроэнергии, определяемого по команде системы электроснабжения или запросом 16 нагрузки газовой турбины, и значения S3-Sn команды выходной мощности газовой турбины, которые выводятся с блока 17, который вычисляет сигнал команды подачи топлива и также служит контроллером с обратной связью по скорости вращения газовой турбины 1, температуры отработанного газа и т.п.

Значения S1 и S2 команды выходной мощности газовой турбины, указанные выше, вводятся в переключатель 11 команды выходной мощности газовой турбины.

Переключатель 11 команды выходной мощности газовой турбины выбирает значение команды выходной мощности, являющееся одним из значений S1 и S2 команды выходной мощности газовой турбины, и выводит его на контроллер 12 с обратной связью по выходной мощности. В случае, когда происходит изменение расхода топливного газа, проходящего через систему 7 подачи топливного газа, при устойчивом изменении степени открытия клапана 3 регулирования давления или давления (давления Р1) с верхней по потоку стороны клапана 3 регулирования давления, переключатель 11 команд выходной мощности газовой турбины в предпочтительном варианте выбирает значение S1 команды выходной мощности газовой турбины, выводимой с блока 15, который вычисляет команду выходной мощности газовой турбины, с приоритетом над значением S2 команды выходной мощности газовой турбины на основе объема выработки электроэнергии, определяемого по команде системы электроснабжения или запросом 16 нагрузки газовой турбины.

То есть в случае, когда происходит изменение расхода топливного газа, проходящего через систему 7 подачи топливного газа, при устойчивом изменении степени открытия клапана 3 регулирования давления или давления (давления Р1) с верхней по потоку стороны клапана 3 регулирования давления, переключатель 11 команд выходной мощности газовой турбины в рассматриваемом варианте осуществления выбирает значение S1 команды выходной мощности газовой турбины, чтобы выполнить операцию, которая устанавливает приоритет фактического состояния газовой турбины 1 по запросу над системой электроснабжения.

Выбранное таким образом значение S1 команды выходной мощности газовой турбины вводится в контроллер 12 с обратной связью по выходной мощности, который принимает входной сигнал выходной мощности 20 газовой турбины. Затем это значение вводится в переключатель 13 минимального значения в качестве значения S1' команды выходной мощности газовой турбины, подвергнутого контролю с обратной связью в результате сравнения с текущей выходной мощностью 20 газовой турбины.

В дополнение к значению S1' команды выходной мощности газовой турбины в переключатель 13 минимального значения вводятся значения S3-Sn команды выходной мощности газовой турбины, выводимые с вышеупомянутого блока 17, который вычисляет сигнал команды подачи топлива и также служит контроллером с обратной связью.

Переключатель 13 минимального значения сравнивает все вводимые значения S1' и S3-Sn команды выходной мощности газовой турбины и вводит минимальное из этих значений в функциональный процессор 14 в качестве команды подачи топлива (команды выходной мощности газовой турбины). В случае, когда происходит изменение расхода топливного газа, проходящего через систему 7 подачи топливного газа, при устойчивом изменении степени открытия клапана 3 регулирования давления или давления (давления Р1) с верхней по потоку стороны клапана 3 регулирования давления, в качестве команды подачи топлива выбирается значение S1' команды выходной мощности газовой турбины.

Функциональный процессор 14 арифметически обрабатывает вводимую команду подачи топлива на основании функции Fx и выводит сигнал команды степени открытия для клапана 4 регулирования расхода и сигнал команды степени открытия для входной направляющей лопатки (ВНЛ).

Управление работой газовой турбины 1 осуществляется как описано выше. Блок 10 системы управления включает в себя блок 19 который, вычисляет плотность и теплотворную способность топлива, поступающего в газовую турбину. Этот блок принимает, в том числе, состав, температуру, плотность и теплотворную способность топливного газа, измеренные приблизительно при давлении Р1 (в положении А на фиг. 1) вдоль топливопровода 8 системы 7 подачи топливного газа, и вычисляет, в том числе, теплотворную способность и плотность топлива, поступающего в газовую турбину 1. Результаты вычислений в блоке 19, который вычисляет плотность и теплотворную способность топлива, поступающего в газовую турбину, вводятся в блок 15, который вычисляет команду выходной мощности газовой турбины. Блок 10 системы управления дополнительно включает в себя блок 18, который вычисляет команду степени открытия для клапана регулирования давления и также служит контроллером с обратной связью. Этот блок принимает давление Р2 и информацию о степени открытия клапана 3 регулирования давления, вычисляет команду степени открытия для клапана 3 регулирования давления, и выполняет управление с обратной связью. Команда степени открытия выводится на клапан 3 регулирования давления с блока 18, который вычисляет команду степени открытия для клапана регулирования давления и также служит контроллером с обратной связью. Следовательно, в случае, когда происходит изменение расхода топливного газа, проходящего через систему 7 подачи топливного газа, при устойчивом изменении степени открытия клапана 3 регулирования давления или давления (давления Р1) с верхней по потоку стороны клапана 3 регулирования давления, можно регулировать значение команды расхода топливного газа, которое определяется на основе требуемого значения нагрузки газовой турбины, так, чтобы никакого изменения степени открытия клапана 3 регулирования давления или давления (давления Р1) с верхней по потоку стороны клапана 3 регулирования давления не происходило. Обеспечивается стабильная работа газовой турбины, позволяющая избежать ситуации, при которой работа газовой турбины не может быть продолжена вследствие падения давления или избыточного давления, возникающего с верхней по потоку стороны системы подачи топливного газа.

Ниже приводится описание способа регулирования расхода топлива в газовой турбине в соответствии с рассматриваемым вариантом осуществления.

В рассматриваемом варианте осуществления значение команды расхода топливного газа в газовой турбине 1 регулируется таким образом, чтобы с помощью следующих этапов 1, 2 давление Р1 поддерживалось при постоянном значении.

В результате расход топливного газа, поступающего в систему подачи топливного газа газовой турбины 1 и выходящего из нее, можно регулировать до достижения уравновешенного состояния.

Этап 1: Задание степени открытия клапана 3 регулирования давления в состоянии, при котором она автоматически регулируется блоком 18, который вычисляет команду степени открытия для клапана регулирования давления и также служит контроллером с обратной связью, так, что давление Р2 достигает своего целевого значения. В этом процессе степень открытия клапана 3 регулирования давления автоматически определяется по объемному расходу топливного газа и начальному значению давления Р1.

Этап 2: В состоянии, при котором давление Р2 регулируется так, что поддерживается при постоянном значении в результате этапа 1, описанного выше, когда вследствие работы другого оборудования 5 и оборудования 2 подачи топливного газа происходит изменение расхода или теплотворной способности топливного газа, подаваемого в систему 7 подачи топливного газа для газовой турбины 1, приводящее к устойчивому изменению давления Р1, то есть, когда давление Р1 повышается или понижается с течением времени, значение команды расхода топливного газа в газовой турбине 1 регулируется так, чтобы никакого изменения давления Р1 не происходило.

В частности, когда давление Р1 понижается, значение команды расхода топливного газа уменьшается, а когда давление Р1 повышается, значение команды расхода топливного газа увеличивается.

В соответствии с рассматриваемым вариантом осуществления обеспечивается стабильная работа газовой турбины 1, позволяющая избежать ситуации, при которой работа газовой турбины не может быть продолжена вследствие падения давления или избыточного внутреннего давления в топливопроводе 8 системы 7 подачи топливного газа с верхней по потоку стороны клапана 3 регулирования давления.

Кроме того, почти весь топливный газ, подаваемый с верхней по потоку стороны газовой турбины 1, может подаваться в газовую турбину 1 без сброса в факельную трубу 6. При этом работа газовой турбины может осуществляться без снижения эффективности установки.

В рассматриваемом варианте осуществления температура топливного газа может измеряться с верхней по потоку стороны клапана 3 регулирования давления. Возможно также непосредственное измерение плотности и теплотворной способности топливного газа с верхней по потоку стороны клапана 3 регулирования давления или вычисление этих параметров по измерениям состава и температуры топливного газа с верхней по потоку стороны клапана 3 регулирования давления. Кроме того, возможно вычисление состава и температуры топливного газа после смешивания и вычисление плотности и теплотворной способности топливного газа, поступающего в газовую турбину 1, на основе состава, температуры и расхода топливного газа, возвращаемого из другого оборудования 5, состава, температуры и расхода топливного газа на выходе оборудования 2 подачи топлива и расхода газа, отбираемого в другое оборудование 5.

Кроме того, в случае, когда можно оценить взаимосвязь между рабочим состоянием или т.п. оборудования 2 подачи топлива и другого оборудования 5 и составом, температурой и расходом топливного газа, подаваемого из них, а также расходом топлива, отводимого в другое оборудование 5, то на основе рабочего состояния можно оценить состав, температуру, расход, плотность и теплотворную способность топливного газа, подаваемого в газовую турбину 1.

В качестве практического примера для иллюстрации рассматриваемого варианта осуществления, например, приводится случай, когда теплотворная способность топливного газа изменяется, а расход топливного газа, подаваемого в систему 7 подачи топливного газа (с верхней по потоку стороны клапана 3 регулирования давления) для газовой турбины 1, остается постоянным вследствие работы оборудования с верхней по потоку стороны системы 7 подачи топливного газа, и общая теплота сгорания топливного газа, поступающего в, газовую турбину 1, понижается.

В случае регулирования нагрузки газовой турбины 1 до достижения постоянного значения расход топливного газа в газовой турбине 1 регулируется в направлении повышения для поддержания теплотворной способности топливного газа, подаваемого в газовую турбину 1.

В результате расход топливного газа, поступающего и потребляемого в газовой турбине 1, повышается. Однако, если, как предполагалось выше, расход топливного газа, подаваемого с верхней по потоку стороны клапана 3 регулирования давления, остается постоянным, то расход топливного газа, подаваемого в систему 7 подачи топливного газа (с верхней по потоку стороны клапана 3 регулирования давления) для газовой турбины 1, становится меньше расхода топливного газа, поступающего и потребляемого в газовой турбине 1.

Таким образом, давление (давление Р1) в положении А на фиг. 1 падает. Однако падение давления Р1 может быть ограничено в результате уменьшения расхода топливного газа, поступающего и потребляемого в газовой турбине 1, за счет регулирования в соответствии с рассмотренным выше вариантом осуществления.

Также можно задать начальное целевое значение давления Р1, определяемое по расходу, плотности и теплотворной способности топливного газа, чтобы предотвратить чрезмерное падение или повышение давления Р1, и, когда давление Р1 отклоняется от целевого значения, контролировать давление Р1 для приближения к начальному целевому значению за счет увеличения или уменьшения расхода топливного газа, поступающего в газовую турбину 1.

При этом внутреннее давление топливопровода 8 системы 7 подачи топливного газа для газовой турбины 1 можно регулировать по-другому. Для поддержания постоянного внутреннего давления в топливопроводе 8 системы 7 подачи топливного газа для газовой турбины 1 можно обеспечить постоянное прохождение топливного газа через факельную трубу 6 и регулировать расход топливного газа за счет его сброса в факельную трубу для поддержания постоянства давления в положении А.

В соответствии с рассматриваемым вариантом осуществления обеспечивается стабильная работа газовой турбины, позволяющая избежать ситуации, при которой работа газовой турбины не может быть продолжена вследствие падения давления или избыточного давления, возникающего с верхней по потоку стороны системы 7 подачи топливного газа.

Второй вариант осуществления

Ниже приводится описание второго варианта осуществления газовой турбины 1 в соответствии с настоящим изобретением.

В рассматриваемом варианте осуществления на этапе 1, упомянутом в описании первого варианта осуществления, реализуется регулирование, направленное на преодоление устойчивого изменения не давления Р1, а степени открытия клапана 3 регулирования давления.

То есть этап 1 должен задавать степень открытия клапана 3 регулирования давления в состоянии, при котором она автоматически регулируется так, что давление Р2 достигает своего целевого значения. В этом процессе степень открытия клапана 3 регулирования давления автоматически определяется из объемного расхода топливного газа и начального значения давления Р1.

Этап 2: В состоянии, при котором давление Р2 регулируется так, что поддерживается при постоянном значении в результате этапа 1, описанного выше, когда вследствие работы другого оборудования 5 или оборудования 2 подачи топливного газа происходит изменение расхода или теплотворной способности топливного газа, подаваемого в систему 7 подачи топливного газа для газовой турбины 1, приводящее к устойчивому изменению степени открытия клапана 3 регулирования давления для регулирования давления Р2, обеспечивающего его поддержание при постоянном значении, то есть, когда степень открытия клапана 3 регулирования давления увеличивается или уменьшается с течением времени, значение команды расхода топливного газа в газовой турбине 1 регулируется так, чтобы никакого изменения степени открытия клапана 3 регулирования давления не происходило.

В частности, когда степень открытия клапана 3 регулирования давления увеличивается, значение команды расхода топливного газа должно уменьшаться, а когда степень открытия клапана 3 регулирования давления уменьшается, значение команды расхода топливного газа должно увеличиваться.

Этот вариант осуществления позволяет получить те же технические эффекты, что и первый вариант осуществления.

Третий вариант осуществления

Ниже приводится описание третьего варианта осуществления газовой турбины 1 в соответствии с настоящим изобретением.

Рассматриваемый вариант осуществления относится к случаю, когда в рассмотренных выше первом и втором вариантах осуществления имеется множество топливопроводов к камере сгорания газовой турбины и множество систем подачи топливного газа для газовой турбины 1. В этом случае с нижней по потоку стороны клапанов 3 регулирования давления устанавливается такое же число клапанов 4 регулирования расхода, что и число систем подачи топливного газа.

За счет использования суммарного значения расходов топливного газа, поступающего в соответствующие системы 7 подачи топливного газа, в рассматриваемом варианте осуществления также возможно такое же регулирование расхода топливного газа, как и в первом или втором варианте осуществления.

Четвертый вариант осуществления

Ниже приводится описание четвертого варианта осуществления газовой турбины 1 в соответствии с настоящим изобретением.

Рассматриваемый вариант осуществления предварительно создает карту степени открытия клапана 3 регулирования давления в отношении плотности и расхода топливного газа и давления Р1 в первом, втором или третьем варианте осуществления (фиг. 5 представляет собой пример карты).

Например, карта степени открытия клапана 3 регулирования давления предварительно создается в результате измерения и регистрации расхода и плотности топливного газа при поддержании постоянного значения степени открытия клапана 3 регулирования давления. Когда измеренное значение расхода топливного газа становится отличным от расхода топливного газа в зависимости от степени открытия клапана 3 регулирования давления в карте, созданной предварительно, карта корректируется, и начальное целевое значение давления Р1 корректируется на основе скорректированной карты.

Другими словами, расход и плотность топливного газа при поддержании постоянного значения давления Р1 и степени открытия клапана 3 регулирования давления измеряются и записываются в карте. Когда измеренное значение расхода топливного газа становится отличным от расхода топливного газа в зависимости от давления Р1 и степени открытия клапана 3 регулирования давления в карте, созданной предварительно, добавляется функция коррекции карты. Начальное целевое значение давления Р1 в первом варианте осуществления должно изменяться на основе карты, скорректированной с помощью функции коррекции карты.

Это позволяет поддерживать начальные целевые значения давления Р1 и степени открытия клапана 3 регулирования давления в соответствующем диапазоне.

Кроме того, данные, относящиеся к разности между расходом топливного газа при поддержании постоянного значения давления Р1 и степени открытия клапана 3 регулирования давления и расходом топливного газа, вычисленного по карте, созданной предварительно, накапливаются. В случае, когда возникает разность между расходом топливного газа и накопленными данными, добавляется функция коррекции карты. Начальные заданные значения должны оптимизироваться в соответствии с картой, скорректированной с помощью функции коррекции карты.

Это позволяет оптимизировать начальные заданные значения давления Р1 и степени открытия клапана 3 регулирования давления.

При этом настоящее изобретение не ограничивается вариантами осуществления, описанными выше, и включает в себя самые разные модификации. Например, рассмотренные выше варианты осуществления были описаны в деталях, чтобы объяснить настоящее изобретение простым для понимания способом, и настоящее изобретение не обязательно ограничивается вариантами, которые включают в себя все описанные элементы конструкции. Кроме того, подгруппу элементов конструкции одного варианта осуществления можно заменить элементами конструкции другого варианта осуществления, а также можно добавить элементы конструкции другого варианта осуществления к элементам конструкции одного варианта осуществления. Кроме того, можно добавить/удалить/заменить подгруппу элементов конструкции каждого варианта осуществления другими элементами конструкции.

СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ

1 - газовая турбина,

2 - оборудование подачи топлива,

3 - клапан регулирования давления,

4 - клапан регулирования расхода,

5 - другое оборудование,

5а - трубопровод отбора топливного газа в другое оборудование,

5b - трубопровод возврата топливного газа из другого оборудования,

6 - факельная труба,

7 - система подачи топливного газа,

8 - топливопровод,

10 - блок системы управления,

11 - переключатель команды выходной мощности газовой турбины,

12 - контроллер с обратной связью по выходной мощности,

13 - переключатель минимального значения,

14 - функциональный процессор,

15 - блок, который вычисляет команду выходной мощности газовой турбины (третий блок),

16 - объем выработки электроэнергии, определяемый по команде системы электроснабжения или запросом нагрузки газовой турбины,

17 - блок, который вычисляет сигнал команды подачи топлива и также служит контроллером с обратной связью,

18 - блок, который вычисляет команду степени открытия для клапана регулирования давления и также служит контроллером с обратной связью (второй блок),

19 - блок, который вычисляет плотность и теплотворную способность топливного газа, поступающего в газовую турбину (первый блок),

20 - выходная мощность газовой турбины,

С - компрессор,

F - камера сгорания,

Т - турбина.

Газовая турбина, включающая в себя систему подачи топливного газа, предназначенную для подачи топливного газа из оборудования подачи топлива через топливопровод в камеру сгорания газовой турбины, клапан регулирования давления, установленный на полпути вдоль топливопровода для регулирования давления топливного газа, клапан регулирования расхода, установленный в топливопроводе с нижней по потоку стороны клапана регулирования давления для регулирования расхода топливного газа, и устройство управления, выполненное так, что в случае, когда происходит изменение расхода топливного газа, проходящего через систему подачи топливного газа, при устойчивом изменении степени открытия клапана регулирования давления или давления Р1 с верхней по потоку стороны клапана регулирования давления, значение команды расхода топливного газа, которое определяется на основе требуемого значения нагрузки газовой турбины, регулируется так, чтобы подавлялось изменение степени открытия клапана регулирования давления или давления Р1. Обеспечивается стабильная работа газовой турбины, позволяет избежать ситуации, при которой работа газовой турбины не может быть продолжена вследствие падения давления или избыточного давления, возникающего с верхней по потоку стороны системы подачи топливного газа. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Газовая турбина, содержащая:

систему подачи топливного газа, предназначенную для подачи топливного газа из оборудования подачи топлива через топливопровод в камеру сгорания газовой турбины;

клапан регулирования давления, установленный на полпути вдоль топливопровода для регулирования давления топливного газа;

клапан регулирования расхода, установленный в топливопроводе с нижней по потоку стороны клапана регулирования давления для регулирования расхода топливного газа; и

устройство управления, выполненное так, что в случае, когда происходит изменение расхода топливного газа, проходящего через систему подачи топливного газа, при устойчивом изменении степени открытия клапана регулирования давления или давления Р1 с верхней по потоку стороны клапана регулирования давления, значение команды расхода топливного газа, которое определяется на основе требуемого значения нагрузки газовой турбины, регулируется так, чтобы подавлялось изменение степени открытия клапана регулирования давления или давления Р1 с верхней по потоку стороны клапана регулирования давления.

2. Газовая турбина по п. 1, отличающаяся тем, что

трубопровод отбора топливного газа в другое оборудование и трубопровод возврата топливного газа из другого оборудования соединены с верхней по потоку стороной системы подачи топливного газа, при этом отбор и возврат топливного газа выполняются через трубопровод отбора топливного газа в другое оборудование и трубопровод возврата топливного газа из другого оборудования с верхней по потоку стороны системы подачи топливного газа.

3. Газовая турбина по п. 2, отличающаяся тем, что устройство управления по меньшей мере включает в себя:

первый блок, который вычисляет плотность и теплотворную способность топливного газа, поступающего в газовую турбину и который адаптирован для ввода по меньшей мере температуры и состава или плотности и теплотворной способности топливного газа, измеренных приблизительно при давлении Р1 с верхней по потоку стороны клапана регулирования давления, или расхода, температуры и состава топливного газа, проходящего через топливопровод перед отбором топливного газа в другое оборудование, расхода топливного газа, проходящего через трубопровод отбора топливного газа в другое оборудование, и состава, температуры и расхода топливного газа, проходящего через трубопровод возврата топливного газа из другого оборудования, и вычисления по меньшей мере теплотворной способности и плотности топливного газа, поступающего в газовую турбину;

второй блок, который вычисляет команду степени открытия для клапана регулирования давления и также служит контроллером с обратной связью и который адаптирован для ввода давления Р2 с нижней по потоку стороны клапана регулирования давления и информации о степени открытия клапана регулирования давления, вычисляет команду степени открытия для клапана регулирования давления, выводит команду степени открытия на клапан регулирования давления и выполняет управление с обратной связью; и

третий блок, который вычисляет команду выходной мощности газовой турбины и который адаптирован для ввода результатов вычислений в первом блоке, давления Р1 с верхней по потоку стороны клапана регулирования давления и информации о степени открытия клапана регулирования давления и клапана регулирования расхода и выводит заданное значение выходной мощности газовой турбины, причем

устройство управления адаптировано для выбора минимального значения из множества значений S1-Sn команды выходной мощности газовой турбины, включающих в себя заданное значение выходной мощности газовой турбины, выведенное из третьего блока, и определяет команду степени открытия для клапана регулирования расхода.

4. Газовая турбина по п. 3,

отличающаяся тем, что устройство управления снабжено картой по меньшей мере степени открытия клапана регулирования давления, которая создана предварительно, и

устройство управления выполнено с возможностью измерения и регистрации расхода топливного газа при постоянном значении степени открытия клапана регулирования давления, имеет функцию коррекции карты для коррекции карты, когда измеренное значение расхода топливного газа становится отличным от расхода топливного газа в зависимости от степени открытия клапана регулирования давления на карте, созданной предварительно, и корректирует начальное целевое значение давления Р1 на основе карты, скорректированной с помощью функции коррекции карты.

5. Способ для регулирования расхода топлива в газовой турбине, при котором

эта газовая турбина снабжена системой подачи топливного газа, предназначенной для подачи топливного газа из оборудования подачи топлива через топливопровод в камеру сгорания газовой турбины, клапаном регулирования давления, установленным на полпути вдоль топливопровода для регулирования давления топливного газа, и клапаном регулирования расхода, установленным в топливопроводе с нижней по потоку стороны клапана регулирования давления для регулирования расхода топливного газа, заключается в том, что

в случае, когда происходит изменение расхода топливного газа, проходящего через систему подачи топливного газа, при устойчивом изменении степени открытия клапана регулирования давления или давления Р1 с верхней по потоку стороны клапана регулирования давления, способ регулирует значение команды расхода топливного газа, которое определяется на основе требуемого значения нагрузки газовой турбины, так, чтобы подавлялось изменение степени открытия клапана регулирования давления или давления Р1 с верхней по потоку стороны.

6. Способ регулирования расхода топлива в газовой турбине по п. 5, отличающийся тем, что

в случае возникновения устойчивого изменения давления Р1 с верхней по потоку стороны клапана регулирования давления в результате изменения по меньшей мере расхода и/или теплотворной способности топливного газа, подаваемого в систему подачи топливного газа, в состоянии, при котором степень открытия клапана регулирования давления автоматически регулируется так, чтобы давление Р2 с нижней по потоку стороны клапана регулирования давления достигало своего целевого значения, давление Р2 регулируется до достижения постоянного значения.

7. Способ регулирования расхода топлива в газовой турбине по п. 6, отличающийся тем, что

когда давление Р1 повышается или понижается с течением времени вместе с изменением по меньшей мере расхода и/или теплотворной способности топливного газа, подаваемого в систему подачи топливного газа, способ регулирует значение команды расхода топливного газа так, чтобы никакого изменения давления Р1 не происходило.

8. Способ регулирования расхода топлива в газовой турбине по п. 7, отличающийся тем, что

способ уменьшает значение команды расхода топливного газа, если давление Р1 понижается, или увеличивает значение команды расхода топливного газа, если давление Р1 повышается.

9. Способ регулирования расхода топлива в газовой турбине по п. 8, отличающийся тем, что

способ содержит этапы:

предварительного создания карты по меньшей мере давления Р1,

измерения и регистрации расхода топливного газа при давлении Р1, поддерживаемом при постоянном значении,

коррекции карты, когда измеренное значение расхода топливного газа становится отличным от расхода топливного газа в зависимости от давления Р1 в карте, созданной предварительно, и

коррекции начального целевого значения давления Р1 на основе карты, скорректированной на этапе коррекции.

10. Способ регулирования расхода топлива в газовой турбине по п. 5, отличающийся тем, что

в случае возникновения устойчивого изменения степени открытия клапана регулирования давления в результате изменения по меньшей мере расхода и/или теплотворной способности топливного газа, подаваемого в систему подачи топливного газа, в состоянии, при котором степень открытия клапана регулирования давления автоматически регулируется так, чтобы давление Р2 с нижней по потоку стороны клапана регулирования давления достигало своего целевого значения, давление Р2 регулируется до достижения постоянного значения.

11. Способ регулирования расхода топлива в газовой турбине по п. 10, отличающийся тем, что

когда степень открытия клапана регулирования давления повышается или понижается с течением времени вместе с изменением по меньшей мере расхода и/или теплотворной способности топливного газа, подаваемого в систему подачи топливного газа, способ регулирует значение команды расхода топливного газа так, чтобы никакого изменения степени открытия клапана регулирования давления не происходило.

12. Способ регулирования расхода топлива в газовой турбине по п. 11, отличающийся тем, что

способ уменьшает значение команды расхода топливного газа, если степень открытия клапана регулирования давления увеличивается, или увеличивает значение команды расхода топливного газа, если степень открытия клапана регулирования давления уменьшается.

13. Способ регулирования расхода топлива в газовой турбине по п. 12, отличающийся тем, что

способ содержит этапы:

предварительного создания карты по меньшей мере степени открытия клапана регулирования давления,

измерения и регистрации расхода топливного газа при степени открытия клапана регулирования давления, поддерживаемой при постоянном значении,

коррекции карты, когда измеренное значение расхода топливного газа становится отличным от расхода топливного газа в зависимости от степени открытия клапана регулирования давления в карте, созданной предварительно, и

коррекции начального целевого значения давления Р1 на основе карты, скорректированной на этапе коррекции.

14. Способ регулирования расхода топлива в газовой турбине по любому из пп. 5-13, отличающийся тем, что

изменение расхода топливного газа, проходящего через систему подачи топливного газа, происходит за счет топливного газа, отбираемого и/или возвращаемого из другого оборудования, соединенного с верхней по потоку стороной системы подачи топливного газа.