КИСЛОРОДНО-ТОПЛИВНАЯ ТУРБИННАЯ СИСТЕМА И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ОКИСЛИТЕЛЕМ Российский патент 2025 года по МПК F02C3/34 F02C7/10 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Настоящее изобретение относится к газотурбинным системам для производства электроэнергии. Варианты осуществления, раскрытые в данном документе, в частности, относятся к кислородно-топливным турбинным системам, т. е. кислородно-топливным детандерным системам и связанным с ними способам.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0002] Ископаемое топливо является основным источником химической энергии, применяемой для производства механической энергии. Ископаемое топливо смешивают с воздухом и сжигают при высоком давлении и температуре с образованием газа сгорания, который расширяют в турбине. Турбина преобразует энтальпию газа сгорания в механическую энергию, доступную на выходном валу турбины и применяемую для приведения в действие нагрузки, такой как компрессор или группа компрессоров, или для вращения электрогенератора и преобразования механической энергии в электрическую энергию.

[0003] Одна из основных проблем, связанных со сжиганием ископаемого топлива, связана с образованием углекислого газа, парникового газа, который считается одним из основных факторов глобального потепления и изменения климата.

[0004] В попытке уменьшить воздействие производства электроэнергии на окружающую среду за счет сжигания ископаемого топлива был изучен вариант улавливания углекислого газа после сжигания. Были разработаны установки улавливания углекислого газа, предназначенные для обработки дымовых газов, отводимых из газовых турбин, и удаления из них углекислого газа до выпуска дымовых газов в окружающую среду. Затраты на установку улавливания углекислого газа высоки как с точки зрения капитальных затрат, так и с точки зрения энергии, необходимой для эксплуатации установки, что снижает общую термодинамическую эффективность системы. Процентное содержание углекислого газа в дымовых газах низкое; это требует обработки больших объемов дымового газа посредством установки улавливания углекислого газа и делает процесс улавливания особенно неэффективным.

[0005] В последние годы были разработаны турбины со сжиганием кислорода, также известные как кислородно-топливные турбины или кислородно-топливные детандеры, в которых вместо воздуха применяется поток окислителя, состоящий в основном из кислорода (O₂) или смеси кислорода и углекислого газа (CO₂). Кислород получают путем выделения из окружающего воздуха. Часть дымового газа из газовой турбины возвращается в камеру сгорания газовой турбины, так что рабочая текучая среда, подаваемая в камеру сгорания, в основном состоит из кислорода и углекислого газа и не содержит азот. Полученный дымовой газ в основном состоит из воды и углекислого газа. Вода удаляется из дымового газа путем конденсации, и часть безводного дымового газа, которая не возвращается в камеру сгорания, может быть эффективно переработана в блоке улавливания углекислого газа.

[0006] Количество энергии, вырабатываемой электростанцией или системой, может потребовать точной и быстрой регулировки, чтобы следовать изменениям механической нагрузки, приложенной к валу турбины. Например, когда турбина приводит в действие электрогенератор, соединенный с сетью распределения электроэнергии, нагрузка, приложенная к турбине, может изменяться в зависимости от количества электроэнергии, потребляемой электрическими нагрузками, соединенными с сетью распределения электроэнергии и питаемыми ею. Частота вращения турбины и электрогенератора должна оставаться постоянной. Поэтому колебания нагрузки должны уравновешиваться регулировкой топлива, подаваемого в камеру сгорания турбины. Аналогичные требования к регулировке могут также возникать, когда турбина приводит в действие группу компрессоров или любую другую приводимую машину. Колебания расхода топлива должны быть компенсированы регулировкой расхода окислителя.

[0007] Кислородно-топливные турбины работают при стехиометрическом соотношении или около него. Колебания расхода, необходимые для уравновешивания колебаний нагрузки во время переходных процессов в работе турбины, могут вызвать нестабильность пламени.

[0008] Были предприняты усилия, чтобы кислородно-топливные турбины быстрее реагировали на изменения нагрузки и предотвращали проблемы сгорания, возникающие в результате колебаний расхода окислителя и топлива. В этом отношении все еще существует необходимость в улучшении кислородно-топливных турбин.

ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0009] Для уменьшения недостатков газовых турбин согласно настоящему изобретению раскрыта кислородно-топливная газотурбинная система, содержащая камеру сгорания, выполненную с возможностью сжигания топлива и окислителя и генерирования горячего газа сгорания под давлением, и турбину, соединенную по текучей среде с камерой сгорания и вращаемую за счет расширения горячего газа сгорания под давлением из камеры сгорания.

[0010] Система дополнительно содержит теплообменник, соединенный по текучей среде с турбиной и выполненный с возможностью охлаждения расширенного газа сгорания, отводимого из турбины. Линия подачи основного окислителя выполнена с возможностью подачи потока основного окислителя в камеру сгорания через теплообменник. При применении поток основного окислителя, протекающий через теплообменник, обменивается теплом с газом сгорания, отводимым из турбины, так что тепло извлекается из газа сгорания и применяется для нагрева потока основного окислителя, а газ сгорания охлаждается.

[0011] Линия рециркуляции выполнена с возможностью возврата первого потока охлажденного газа сгорания через теплообменник в камеру сгорания в качестве рабочей текучей среды, в то время как линия удаления газа сгорания выполнена с возможностью отвода второго потока охлажденного газа сгорания в направлении, например, системы улавливания углекислого газа.

[0012] Линия подачи топлива выполнена с возможностью подачи топлива в камеру сгорания, а линия подачи вспомогательного окислителя выполнена с возможностью подачи потока вспомогательного окислителя в линию подачи топлива выше по потоку от регулирующего клапана для топлива, расположенного вдоль линии подачи топлива, относительно направления потока топлива.

[0013] Таким образом, в зависимости от условий работы системы дополнительное количество окислителя может быть подано в камеру сгорания через линию подачи топлива. Посредством подачи потока вспомогательного окислителя в участок смешивания, расположенный выше по потоку от регулирующего клапана для топлива, получают улучшенную смесь окислителя и топлива. Обеспечивается равномерный состав смеси окислителя и топлива, подаваемой ко множеству топливных форсунок, что улучшает условия горения в камере сгорания.

[0014] В некоторых вариантах осуществления линия подачи вспомогательного окислителя проходит в обход теплообменника, то есть не проходит через теплообменник.

[0015] В случае изменения нагрузки, в ответ на это расход потока вспомогательного окислителя может быть быстро изменен и в сочетании с изменением потока топлива. Например, если нагрузка, приложенная к валу турбины, увеличивается, расход топлива и расход окислителя потока вспомогательного окислителя увеличиваются, чтобы генерировать больше электроэнергии и поддерживать требуемую частоту вращения турбины.

[0016] Поскольку изменяющийся расход окислителя предварительно смешивается с топливом до поступления в камеру сгорания, достигается повышенная стабильность пламени, в частности, в случае изменения нагрузки, в сочетании с быстрой реакцией турбинной системы на такой переходный процесс.

[0017] В вариантах осуществления, описанных в настоящем документе, регулирующий клапан для вспомогательного окислителя предусмотрен в линии подачи вспомогательного окислителя и выполнен с возможностью изменения расхода вспомогательного окислителя через линию подачи вспомогательного окислителя во время переходного состояния турбины, то есть в ответ на изменение нагрузки турбины. Поскольку вдоль линии подачи вспомогательного окислителя не предусмотрен теплообменник, регулирующий клапан для вспомогательного окислителя может быть расположен вблизи линии подачи топлива, чтобы минимизировать объем окислителя между регулирующим клапаном для вспомогательного окислителя и камерой сгорания. Это выгодно с точки зрения готовности системы к адаптации к изменяющимся условиям эксплуатации, то есть в случае изменений нагрузки.

[0018] Система может дополнительно содержать регулирующий клапан для основного окислителя в линии подачи основного окислителя и блок управления. Блок управления может быть выполнен с возможностью выборочного открытия и закрытия регулирующего клапана для вспомогательного окислителя и регулирующего клапана для основного окислителя в ответ на изменение нагрузки на турбину. Регулирующий клапан для вспомогательного окислителя может быть задействован первым, а регулирующий клапан для основного окислителя может быть задействован на второй стадии последовательности регулировки расхода окислителя, чтобы получить более быструю адаптацию расхода окислителя к колебаниям нагрузки.

[0019] В соответствии с дополнительным аспектом в настоящем документе раскрыт способ эксплуатации турбинной системы. Способ включает следующие стадии:

подачу потока топлива в камеру сгорания по линии подачи топлива;

подачу потока основного окислителя в камеру сгорания через теплообменник;

сжигание топлива из линии подачи топлива и окислителя в камере сгорания и генерирование потока горячего газа сгорания под давлением;

расширение газа сгорания в турбине и генерирование с ее помощью механической энергии;

выпуск газа сгорания из турбины;

пропускание отработавшего газа сгорания в теплообменнике при теплообмене с потоком основного окислителя, в результате чего газ сгорания охлаждается, а поток основного окислителя нагревается;

возврат первого потока охлажденного газа сгорания через теплообменник в камеру сгорания в качестве рабочей текучей среды и выпуск второго потока охлажденного газа сгорания;

подачу потока вспомогательного окислителя в поток топлива и смешивание потока вспомогательного окислителя в потоке топлива; и

подачу смеси окислителя и топлива в камеру сгорания.

[0020] В вариантах осуществления, раскрытых в настоящем документе, способ дополнительно включает стадию изменения расхода потока вспомогательного окислителя в ответ на изменение нагрузки на турбину.

[0021] В частности, в некоторых вариантах осуществления способ включает следующие стадии:

увеличение или уменьшение расхода вспомогательного окислителя посредством регулирующего клапана для вспомогательного окислителя в ответ на увеличение или уменьшение нагрузки на турбину;

затем уменьшение или увеличение расхода вспомогательного окислителя посредством регулирующего клапана для вспомогательного окислителя и одновременно увеличение или уменьшение расхода основного окислителя посредством регулирующего клапана для основного окислителя, поддерживая приблизительно постоянный расход окислителя в камеру сгорания.

[0022] Дополнительные признаки и варианты осуществления системы и способа в соответствии с настоящим изобретением описаны ниже со ссылкой на прилагаемые графические материалы и изложены в прилагаемой формуле изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

[0023] Ниже кратко описаны сопроводительные графические материалы, в которых:

на фиг. 1 показана схема кислородно-топливной турбинной системы в соответствии с настоящим изобретением;

на фиг. 2, 3 и 4 показаны схемы, иллюстрирующие нагрузку, расход топлива и расходы основного и вспомогательного окислителя с течением времени в системе, показанной на фиг. 1; и

на фиг. 5 представлена блок-схема стадий способа в соответствии с настоящим изобретением.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

[0024] Для достижения более быстрой реакции на изменения нагрузки турбины в турбинной кислородно-топливной системе и улучшения стабильности пламени во время переходных процессов турбины на кислородном топливе линия подачи дополнительного или вспомогательного окислителя соединена по текучей среде непосредственно с линией подачи топлива. Для улучшения условий горения расход вспомогательного окислителя, подаваемого в линию подачи топлива, вводят в поток топлива выше по потоку от регулирующего клапана для топлива. Это обеспечивает, например, подачу одного и того же состава смеси топлива и окислителя во все топливные форсунки и горелки камеры сгорания.

[0025] Линия подачи вспомогательного окислителя может быть выполнена с возможностью обхода регенеративного теплообменника.

[0026] Регулирующий клапан на линии подачи вспомогательного окислителя приводится в действие посредством контроллера для изменения расхода вспомогательного окислителя, добавляемого непосредственно в поток топлива в камеру сгорания, для быстрой адаптации работы турбинной системы к быстрым колебаниям нагрузки, приложенной к валу турбины.

[0027] Обратимся теперь к графическим материалам. На фиг. 1 показана схема кислородно-топливной турбинной системы 1 в соответствии с настоящим изобретением. Турбинная система 1 содержит камеру 3 сгорания, соединенную по текучей среде с детандером или турбиной 5. Роторная турбомашина 5 будет упоминаться в данном документе как «турбина».

[0028] Турбина 5 генерирует механическую энергию за счет расширения газа сгорания и соединена с возможностью приведения в действие через вал 7 с нагрузкой 9. Нагрузка 9 приводится во вращение за счет механической энергии, генерируемой турбиной 5. В приведенном в качестве примера варианте осуществления на фиг. 1 нагрузка 9 содержит электрогенератор, электрически соединенный с сетью 11 распределения электроэнергии.

[0029] Поток основного окислителя подается в камеру 3 сгорания по линии 13 подачи основного окислителя. Поток основного окислителя состоит в основном из кислорода или смеси кислорода и углекислого газа. Окислитель может быть подан из любого источника окислителя. В некоторых вариантах осуществления углекислый газ может быть смешан с кислородом в линии подачи окислителя или в источнике 15 окислителя, так что поток окислителя содержит пониженное количество кислорода, например, около 20% по объему кислорода.

[0030] На фиг. 1 источник окислителя содержит блок 15 разделения воздуха, который отделяет кислород или смесь кислорода и углекислого газа от окружающего воздуха, удаляя из него азот или азот и углекислый газ. Поток основного окислителя из источника 15 окислителя может сжат в первом компрессоре 17 окислителя до давления, необходимого для подачи окислителя в камеру 3 сгорания. Первый компрессор 17 для окислителя может приводиться в действие приводом, таким как электродвигатель 18. Электродвигатель 18 может питаться электроэнергией от сети 11 распределения электроэнергии. В других вариантах осуществления, не показанных, компрессор 17 для первого окислителя может приводиться в действие непосредственно турбиной 5. В таком случае компрессор 17 для первого окислителя может быть частью нагрузки, соединенной с возможностью приведения в действие с валом 7 турбины.

[0031] Регулирующий клапан 19 для основного окислителя, который расположен вдоль линии 13 подачи основного окислителя между первым компрессором 17 для окислителя и камерой 3 сгорания, выполнен с возможностью управления расходом первого окислителя через линию 13 подачи основного окислителя по направлению к камере 3 сгорания. Расходомер 20 для основного окислителя может быть расположен в линии 13 подачи основного окислителя для регистрации расхода основного окислителя, протекающего через линию 13 подачи основного окислителя к камере 3 сгорания.

[0032] Поток основного окислителя, подаваемый через линию 13 подачи основного окислителя, протекает через холодную сторону 211 теплообменника 21 и обменивается теплом с газом сгорания (дымовым газом), отводимым из турбины 5, для рекуперации тепла из него, как более подробно описано ниже. Газ сгорания, отводимый из турбины 5, протекает через горячую сторону 212 теплообменника 21.

[0033] Горячая сторона 212 теплообменника 21 имеет впускное отверстие, соединенное по текучей среде с выпускным отверстием турбины 5 через линию 23 выпуска газа сгорания. Расширенный газ сгорания, отводимый из турбины 5, обменивается теплом с потоком основного окислителя, протекающим по линии 13 подачи основного окислителя, так что низкотемпературное тепло, содержащееся в газе сгорания, отводимом из турбины 5, по меньшей мере частично рекуперируется и применяется для предварительного нагрева потока основного окислителя до поступления в камеру 3 сгорания, в то время как газ сгорания охлаждается.

[0034] Выпускное отверстие горячей стороны 212 теплообменника 21 соединено по текучей среде с устройством 25 удаления воды, выполненным с возможностью удаления воды из охлажденного газа сгорания, выпускаемого из горячей стороны 212 теплообменника 21. На схеме, показанной на фиг. 1, устройство 25 для удаления воды содержит конденсатор 251 и устройство 252 разделения воды и газа. Газ сгорания, протекающий через конденсатор 251, охлаждается таким образом, что пар, содержащийся в газе сгорания, конденсируется, отделяется от газа в устройстве 252 разделения воды и газа и удаляется через линию 253 удаления воды.

[0035] Поскольку окислитель, подаваемый в камеру сгорания, в основном состоит из кислорода или смеси кислорода и углекислого газа, а расход окислителя, а также расход топлива регулируются таким образом, чтобы иметь стехиометрические условия горения в камере 3 сгорания, полученный дымовой газ, отводимый из турбины 5, состоит в основном из углекислого газа и воды. Последний удаляется устройством 25 удаления воды. Таким образом, охлажденный газ сгорания, отводимый из устройства 252 разделения воды и газа, состоит главным образом из углекислого газа.

[0036] Охлажденный газ сгорания из устройства 252 разделения воды и газа сжимается компрессором 27 для газа сгорания и разделяется на первый поток охлажденного газа сгорания и второй поток охлажденного газа сгорания. Компрессор 27 для газа сгорания может приводиться в действие турбиной 5 или приводом 28, таким как электродвигатель, который может питаться электроэнергией, например, от сети 11 распределения электроэнергии.

[0037] Первый поток охлажденного газа сгорания, подаваемый устройством разделения газа и воды, возвращается по направлению к теплообменнику 21 и камере 3 сгорания через линию 29 рециркуляции. Линия 29 рециркуляции ответвляется от линии 31 удаления газа сгорания. В варианте осуществления по фиг. 1 линия 31 удаления газа сгорания соединена по текучей среде с блоком 33 улавливания углекислого газа, который обрабатывает второй поток охлажденного газа сгорания, подаваемый из устройства 252 разделения воды и газа, например, для соответствующего хранения углекислого газа и предотвращения его выброса в окружающую среду.

[0038] Первый поток охлажденного газа сгорания, который возвращается через линию 29 рециркуляции, протекает через вторую холодную сторону 213 теплообменника 21 и обменивается теплом с горячей стороной 212 с получением тепла от горячего газа сгорания, отводимого из турбины 5.

[0039] Расход газа сгорания, возвращаемого через линию 29 рециркуляции, можно регулировать с помощью регулирующего клапана 35 для возвращаемого газа сгорания. Вдоль линии 29 рециркуляции может быть предусмотрен расходомер 37 для возвращаемого газа сгорания для регистрации расхода возвращаемого газа сгорания по направлению к камере 3 сгорания.

[0040] Побочный поток углекислого газа может быть ответвлен от линии 29 рециркуляции или от потока обезвоженного углекислого газа выше по потоку от компрессора 27 и добавлен к потоку кислорода из источника 15 окислителя. Как упоминалось выше, процентное содержание кислорода в линии 13 и/или в линии 53 может быть уменьшено до около 20 % по объему для облегчения операции.

[0041] В камере 3 сгорания поток основного окислителя, подаваемый через линию 13 подачи основного окислителя, и возвращаемый газ сгорания, подаваемый через линию 29 рециркуляции, смешиваются с топливом, например, газообразным топливом, которое подается через линию 39 подачи топлива в одну топливную форсунку 38 или предпочтительно во множество топливных форсунок 38 в камере 3 сгорания. Регулирующий клапан 41 для топлива вдоль линии 39 подачи топлива выполнен с возможностью регулирования расхода топлива, подаваемого в камеру 3 сгорания. Вдоль линии 39 подачи топлива может быть предусмотрен расходомер 43 для топлива для регистрации расхода топлива, подаваемого в камеру 3 сгорания.

[0042] Механическая энергия, необходимая для вращения электрогенератора 9, может колебаться в результате колебаний электроэнергии, поглощаемой электрическими нагрузками (не показаны), подключенными к сети 11 распределения электроэнергии. Поскольку частота вращения турбины 5 и электрогенератора 9 должна оставаться постоянной, колебание нагрузки должно быть сбалансировано путем соответствующей регулировки расхода топлива, чтобы предотвратить угловые ускорения или замедления турбины 5 и электрогенератора 9. Расход топлива должен регулироваться как можно быстрее и точнее с помощью регулирующего клапана 41 для топлива под управлением блока 51 управления. Последний функционально связан с расходомерами 20, 37, 43 и с регулирующими клапанами 19, 35 и 41. Функциональные муфты изображены обведенными буквами (A) – (H).

[0043] Как упоминалось выше, молярное соотношение окислителя и топлива в камере 3 сгорания регулируется для поддержания стехиометрических условий сгорания и предотвращения выхода из турбины 5 остаточного топлива или остаточного окислителя в газе сгорания. Для поддержания стехиометрического соотношения в камере 3 сгорания изменение расхода топлива должно сопровождаться быстрой регулировкой расхода окислителя.

[0044] Объем между регулирующим клапаном 19 для основного окислителя и камерой 3 сгорания включает холодную сторону 211 теплообменника 21 и, следовательно, является относительно большим. Регулировка расхода окислителя посредством регулирующего клапана 19 для основного окислителя приведет к отсроченной регулировке расхода окислителя по сравнению с регулировкой расхода топлива после изменения нагрузки, приложенной к турбине 5. Таким образом, колебание мощности приведет к переходным процессам, во время которых камера 3 сгорания работает с избытком окислителя или с избытком топлива.

[0045] Чтобы избежать или уменьшить эти недостатки, кислородно-топливная турбинная система 1 содержит вторую, дополнительную линию 53 подачи окислителя, которая может содержать расходомер 55 для вспомогательного окислителя и регулирующий клапан 57 для вспомогательного окислителя, функционально соединенные с блоком 51 управления. Линия 53 подачи вспомогательного окислителя соединена по текучей среде в точке 54 смешивания с линией 39 подачи топлива посредством регулирующего клапана 57 для вспомогательного окислителя и выполнена с возможностью подачи потока вспомогательного окислителя в камеру 3 сгорания через линию 39 подачи топлива. Дополнительная линия 53 подачи окислителя проходит в обход теплообменника 21.

[0046] В графических материалах точка 54 смешивания показана ниже по потоку от расходомера 43 для топлива. Однако в других вариантах осуществления расходомер 43 для топлива может быть расположен ниже по потоку от точки 54 смешивания. Расходомер 43 для топлива будет регистрировать расход топлива, если регулирующий клапан 57 для вспомогательного окислителя закрыт, или расход смеси вспомогательного окислителя и топлива, если расходомер 43 для топлива расположен ниже по потоку от точки 54 смешивания.

[0047] Расход вспомогательного окислителя, протекающего через линию 53 подачи вспомогательного окислителя, может быть существенно меньше, чем расход потока основного окислителя, протекающего через линию 13 подачи основного окислителя. Нагрев потока вспомогательного окислителя не требуется, поскольку теплообменник 21 обеспечивает достаточную рекуперацию тепла. Следовательно, нет необходимости в теплообменных поверхностях между регулирующим клапаном 57 для вспомогательного окислителя и точкой 54 смешивания. Другими словами, регулирующий клапан 57 для вспомогательного окислителя может быть расположен вблизи линии 39 подачи топлива, так что объем между регулирующим клапаном 57 для вспомогательного окислителя и линией 39 подачи топлива сводится к минимуму. Воздействие на регулирующий клапан 57 для вспомогательного окислителя приводит к быстрой реакции системы с точки зрения общего расхода окислителя в камере 3 сгорания.

[0048] Кроме того, в соответствии с вариантами осуществления, описанными в данном документе, поток вспомогательного окислителя предварительно смешивается с топливом перед камерой 3 сгорания. Это приводит к повышенной стабильности пламени, в частности, во время переходных процессов с изменением нагрузки, что позволяет избежать или снизить риск возгорания в зонах камеры 3 сгорания.

[0049] Линия 53 подачи вспомогательного окислителя может быть соединена по текучей среде с источником 15 окислителя посредством компрессора 59 для второго окислителя, который может приводиться в действие приводом 61, таким как электродвигатель. В других вариантах осуществления, не показанных, компрессор 59 для второго окислителя может приводиться в действие турбиной 5.

[0050] В других вариантах осуществления, как проиллюстрировано пунктирными линиями, линия 53 подачи вспомогательного окислителя может ответвляться от линии 13 подачи основного окислителя ниже по потоку от стороны подачи компрессора 17 для первого окислителя. Компрессор 59 для второго окислителя может быть опущен или может быть расположен последовательно с компрессором 17 для первого окислителя, если требуется более высокое давление окислителя в линии 53 подачи вспомогательного окислителя, чем в линии 13 подачи основного окислителя.

[0051] Хотя на фиг. 1 линия 53 подачи вспомогательного окислителя соединена по текучей среде с источником 15 окислителя, в других вариантах осуществления, не показанных, может быть предусмотрен отдельный источник окислителя. В некоторых вариантах осуществления чистый кислород может подаваться по линии 53 подачи вспомогательного окислителя. В других вариантах осуществления смесь кислорода и углекислого газа может подаваться по линии 53 подачи вспомогательного окислителя.

[0052] Во время переходного процесса, вызванного изменениями нагрузки на турбину, общий расход окислителя может изменяться путем открытия или закрытия регулирующего клапана 57 для вспомогательного окислителя для быстрого увеличения или уменьшения расхода окислителя, который непосредственно добавляется в поток топлива выше по потоку от топливных форсунок 38 в камере 3 сгорания. Поскольку объем между регулирующим клапаном 57 вспомогательного окислителя и линией 39 подачи топлива мал, регулировка расхода окислителя может быть такой же быстрой, как регулировка расхода топлива, так что количество энергии, генерируемой турбиной 5, может быть адаптировано к нагрузке турбины при одновременном поддержании стехиометрического соотношения в камере 3 сгорания.

[0053] На фиг. 2 изображен расход основного окислителя (основной окислитель) через линию 13 подачи основного окислителя и расход вспомогательного окислителя (вспомогательный окислитель) через линию 53 подачи вспомогательного окислителя с течением времени во время переходного процесса с изменением нагрузки. Нагрузка, приложенная к турбине, изображена кривой L, которая также соответствует расходу топлива F. На горизонтальной оси нанесено время t. В момент времени t1 нагрузка, прикладываемая к валу 7 турбины, увеличивается, например, дополнительные электрические нагрузки подключаются к сети 11 распределения электроэнергии, или уже подключенные нагрузки требуют больше электроэнергии от сети 11 распределения электроэнергии. Расход топлива увеличивается соответственно.

[0054] Расход топлива управляется блоком 51 управления на основании сигнала, обнаруживающего снижение частоты вращения турбины. Быстрое увеличение расхода топлива путем открытия регулирующего клапана 41 для топлива поддерживает требуемую частоту вращения турбины 5 и электрогенератора 9. Чтобы адаптировать расход окислителя к измененному расходу топлива, так что требуемая дополнительная тепловая мощность генерируется в соответствии с запросом для поддержания требуемой частоты вращения турбины 5 и генератора 9, блок 51 управления обеспечивает увеличение расхода вспомогательного окислителя за счет регулируемого отверстия регулирующего клапана 57 вспомогательного окислителя.

[0055] В момент времени t2 увеличение нагрузки заканчивается, и также прекращается увеличение расхода окислителя и топлива.

[0056] В интервале времени t3–t4 происходит противоположный переходный процесс, при котором нагрузка L уменьшается, уравновешиваемая уменьшающимся расходом топлива, управляемым блоком 51 управления. Чтобы следить за быстрым уменьшением расхода топлива и избегать нестехиометрического сгорания в камере 3 сгорания, регулирующий клапан 57 для вспомогательного окислителя закрывают, чтобы быстро уменьшить расход окислителя через линию 53 подачи вспомогательного окислителя и, таким образом, адаптировать общий расход окислителя к уменьшенному расходу топлива.

[0057] Медленные изменения нагрузки, которые не требуют быстрой регулировки расхода топлива и окислителя, могут быть устранены за счет воздействия на регулирующий клапан 19 основного окислителя, а не на регулирующий клапан 57 вспомогательного окислителя.

[0058] В некоторых вариантах осуществления может быть полезно поддерживать регулирующий клапан 57 вспомогательного окислителя в промежуточном рабочем состоянии, соответствующем промежуточному расходу вспомогательного окислителя, между нулевым и максимальным расходом вспомогательного окислителя (регулирующий клапан 57 вспомогательного окислителя полностью открыт). Это гарантирует, что быстрая реакция на быстрое изменение нагрузки (увеличение или уменьшение нагрузки) всегда может быть устранена воздействием на регулирующий клапан 57 вспомогательного окислителя.

[0059] Следовательно, может быть полезно, чтобы после того, как регулирующий клапан 57 вспомогательного окислителя был приведен в действие для уравновешивания внезапного увеличения или уменьшения нагрузки топливной турбины, регулирующий клапан 57 вспомогательного окислителя медленно возвращался в промежуточное рабочее состояние либо путем медленного уменьшения расхода вспомогательного окислителя и одновременного медленного увеличения расхода основного окислителя через линию 19, либо путем медленного увеличения расхода вспомогательного окислителя и одновременного медленного уменьшения расхода основного окислителя. Эти два переходных режима показаны на схема на фиг. 3 и 4.

[0060] Блок-схема, обобщающая способ работы кислородно-топливной турбинной системы согласно настоящему изобретению, показана на фиг. 5. Способ включает стадию 101 подачи потока топлива в камеру (3) сгорания через линию (39) подачи топлива и стадию 102 подачи потока основного окислителя в камеру (3) сгорания через теплообменник (21), а также потока вспомогательного окислителя через линию (53) подачи вспомогательного окислителя в линию (39) подачи топлива. Способ дополнительно включает сжигание топлива и окислителя из линии (39) подачи топлива и окислителя из теплообменника (21) в камере (3) сгорания (стадия 103) и генерирование потока горячего газа сгорания под давлением. На стадии 104 газ сгорания с высоким давлением и высокой температурой из камеры 3 сгорания расширяется в турбине (5) для производства механической энергии. На стадии 105 из турбины (5) отводится газ сгорания. На следующей стадии 106 отработавший газ сгорания протекает через теплообменник (21) для передачи тепла от отходящего газа сгорания потоку основного окислителя. На стадии 107 регистрируют переходную нагрузку на турбину (5), и (стадия 108) расход окислителя через линию (53) подачи вспомогательного окислителя и расход топлива изменяют в ответ на переходный процесс с изменением нагрузки. После прекращения переходного процесса с изменением нагрузки и стабилизации новой нагрузки расход вспомогательного окислителя может быть постепенно возвращен к исходному значению, в то время как расход основного окислителя через теплообменник (21) может быть изменен для поддержания стехиометрического соотношения между топливом и окислителем (стадия 109).

[0061] Типовые варианты реализации изобретения были описаны выше и проиллюстрированы в прилагаемых графических материалах. Специалистам в данной области техники будет понятно, что различные изменения, опущения и добавления можно внести в то, что конкретно описано в настоящем документе, без отступления от объема изобретения, определенного в следующей формуле изобретения.

Газотурбинная система (1) содержит камеру (3) сгорания, выполненную с возможностью сжигания топлива и окислителя и генерирования горячего газа сгорания под давлением, и турбину (5), соединенную по текучей среде с камерой (3) сгорания и вращаемую за счет расширения горячего газа сгорания под давлением из камеры (3) сгорания. Теплообменник (21) соединен по текучей среде с турбиной (5) и выполнен с возможностью охлаждения расширенного газа сгорания, отводимого из турбины (5). Линия (13) подачи основного окислителя выполнена с возможностью подачи окислителя в камеру (3) сгорания через теплообменник (21). Окислитель, протекающий через теплообменник (21), обменивается теплом с газом сгорания, отводимым из турбины (5). Линия (39) подачи топлива подает топливо в камеру (3) сгорания. Линия (53) подачи вспомогательного окислителя выполнена с возможностью подачи окислителя в линию (39) подачи топлива выше по потоку от регулирующего клапана (41) для топлива. Также раскрыт способ эксплуатации системы. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Газотурбинная система (1), содержащая:

камеру (3) сгорания, выполненную с возможностью сжигания топлива и окислителя и генерирования горячего газа сгорания под давлением;

турбину (5), соединенную по текучей среде с камерой (3) сгорания и вращаемую за счет расширения горячего газа сгорания под давлением из камеры (3) сгорания;

теплообменник (21), соединенный по текучей среде с турбиной (5) и выполненный с возможностью охлаждения расширенного газа сгорания, отводимого из турбины (5);

линию (13) подачи основного окислителя, выполненную с возможностью подачи потока основного окислителя в камеру (3) сгорания через теплообменник (21); при этом при применении поток основного окислителя, протекающий через теплообменник (21), обменивается теплом с газом сгорания, отводимым из турбины (5), так что тепло передается от газа сгорания потоку основного окислителя и газ сгорания охлаждается;

линию (29) рециркуляции, выполненную с возможностью возврата первого потока охлажденного газа сгорания через теплообменник (21) в камеру (3) сгорания в качестве рабочей текучей среды;

линию (31) удаления газа сгорания, выполненную с возможностью отвода второго потока охлажденного газа сгорания;

линию (39) подачи топлива, выполненную с возможностью подачи топлива в камеру (3) сгорания;

регулирующий клапан (41) для топлива вдоль линии (39) подачи топлива, выполненный с возможностью регулирования расхода топлива, подаваемого в камеру (3) сгорания; и

линию (53) подачи вспомогательного окислителя, соединенную с линией (39) подачи топлива в точке (54) смешивания выше по потоку от регулирующего клапана (41) для топлива; при этом линия (53) подачи вспомогательного окислителя выполнена с возможностью подачи потока вспомогательного окислителя в линию (39) подачи топлива.

2. Газотурбинная система (1) по п. 1, в которой линия (53) подачи вспомогательного окислителя выполнена с возможностью обхода теплообменника (21).

3. Газотурбинная система (1) по п. 1 или 2, в которой камера сгорания содержит множество топливных форсунок (38) ниже по потоку от регулирующего клапана (41) для топлива.

4. Газотурбинная система (1) по п. 1, 2 или 3, дополнительно содержащая регулирующий клапан (57) для вспомогательного окислителя в линии (53) подачи вспомогательного окислителя, выполненный с возможностью изменения расхода вспомогательного окислителя через линию (53) подачи вспомогательного окислителя во время переходного состояния турбины (5) в ответ на изменение нагрузки турбины.

5. Газотурбинная система (1) по п. 4, дополнительно содержащая регулирующий клапан (19) для основного окислителя в линии (13) подачи основного окислителя и блок (51) управления; при этом блок управления выполнен с возможностью выборочного открытия и закрытия регулирующего клапана (57) для вспомогательного окислителя и регулирующего клапана (19) для основного окислителя в ответ на изменение нагрузки на турбину (5).

6. Газотурбинная система (1) по п. 5, в которой блок (51) управления выполнен с возможностью выполнения следующих стадий:

увеличение или уменьшение расхода вспомогательного окислителя посредством регулирующего клапана (57) для вспомогательного окислителя в ответ на увеличение или уменьшение нагрузки на турбину (3);

затем уменьшение или увеличение расхода вспомогательного окислителя посредством регулирующего клапана (57) вспомогательного окислителя и одновременно увеличение или уменьшение расхода основного окислителя посредством регулирующего клапана (19) для основного окислителя, поддерживая приблизительно постоянный расход окислителя в камеру (3) сгорания.

7. Газотурбинная система (1) по любому из предшествующих пунктов, дополнительно содержащая:

расходомер (20) для основного окислителя, выполненный с возможностью регистрации расхода окислителя в линии (13) подачи основного окислителя;

расходомер (55) для вспомогательного окислителя, выполненный с возможностью регистрации расхода окислителя в линии (53) подачи вспомогательного окислителя;

регулирующий клапан (57) для вспомогательного окислителя, выполненный с возможностью регулирования расхода окислителя в линии (53) подачи вспомогательного окислителя;

блок (51) управления, выполненный с возможностью воздействия на регулирующий клапан (57) для вспомогательного окислителя на основе сигналов регистрации от расходомера (20) для первого окислителя и расходомера (53) для вспомогательного окислителя.

8. Газотурбинная система (1) по п. 7, дополнительно содержащая расходомер (43) для топлива, выполненный с возможностью регистрации расхода топлива через линию (39) подачи топлива; и при этом блок (51) управления выполнен с возможностью воздействия на регулирующий клапан (57) для вспомогательного окислителя на основе сигнала регистрации от расходомера (43) для топлива в сочетании с сигналами регистрации от расходомера (20) для первого окислителя и расходомера (53) для вспомогательного окислителя.

9. Способ эксплуатации турбинной системы, включающий:

подачу потока топлива в камеру (3) сгорания через линию (39) подачи топлива;

подачу потока основного окислителя в камеру (3) сгорания через теплообменник (21);

сжигание топлива из линии (39) подачи топлива и окислителя в камере (3) сгорания и генерирование потока горячего газа сгорания под давлением;

расширение газа сгорания в турбине (5) и генерирование с ее помощью механической энергии;

выпуск отработавшего газа сгорания из турбины (5);

пропускание отработавшего газа сгорания в теплообменнике (21) при теплообмене с потоком основного окислителя, в результате чего отработавший газ сгорания охлаждается, а поток основного окислителя нагревается;

возврат первого потока охлажденного газа сгорания через теплообменник (21) в камеру (3) сгорания в качестве рабочей текучей среды и выпуск второго потока охлажденного газа сгорания;

подачу потока вспомогательного окислителя в поток топлива и смешивание потока вспомогательного окислителя в потоке топлива перед регулирующим клапаном (41) для топлива, расположенным в линии (39) подачи топлива; и

подачу смеси окислителя и топлива в камеру (3) сгорания.

10. Способ по п. 9, в котором смесь окислителя и топлива подают ко множеству топливных форсунок (38) камеры (3) сгорания.

11. Способ по п. 9 или 10, дополнительно включающий стадию изменения расхода потока вспомогательного окислителя в ответ на изменение нагрузки на турбину (5).

12. Способ по п. 9, или 10, или 11, дополнительно включающий следующие стадии:

увеличение или уменьшение расхода вспомогательного окислителя посредством регулирующего клапана (57) для вспомогательного окислителя в ответ на увеличение или уменьшение нагрузки на турбину (3);

затем уменьшение или увеличение расхода вспомогательного окислителя посредством регулирующего клапана (57) вспомогательного окислителя и одновременно увеличение или уменьшение расхода основного окислителя посредством регулирующего клапана (19) для основного окислителя, поддерживая приблизительно постоянный расход окислителя в камеру (3) сгорания.

13. Способ по любому из пп. 9-12, дополнительно включающий стадию улавливания углекислого газа из второго потока охлажденного газа сгорания.

14. Способ по любому из пп. 9-13, в котором поток вспомогательного окислителя подают через линию (53) подачи вспомогательного окислителя, которая обходит теплообменник (21).