СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПОДАЧЕЙ ТОПЛИВНОГО ГАЗА В ГОРЕЛКУ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ
PROCEDURE FOR CONTROL OF FUEL GAS SUPPLY TO BURNER OF GAS TURBINE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу управления подачей топливного газа в горелку газовой турбины.
Уровень техники
Как известно, электростанции с комбинированным циклом вырабатывают электроэнергию и образующийся совместно с ней пар. Некоторые электростанции с комбинированным циклом используют технологию комбинированного цикла комплексной газификации, то есть они имеют установку газификации для производства газа с низкой теплотворной способностью, именуемого обычно как «синтетический газ» или «сингаз», получающийся из процесса газификации биомассы, остатков нефтеперегонных процессов (битума, тяжелых масел) или угля. Сингаз используется в качестве топливного газа в горелке газовой турбины, в качестве альтернативы природному газу, после того как он был отфильтрован и, возможно, разбавлен паром и/или инертными газами (такими как, например, азот и углекислый газ), что приводит к снижению эмиссии углекислого газа в отработанных газах, полученных в горелке.
В некоторых применениях существует необходимость производства как сингаза, так и чистого водорода в установке газификации. Например, водород может быть использован для производства энергии посредством топливных ячеек или также для обессеривания сырой нефти с помощью процесса, именуемого как «гидрокрекинг». В частности, водород может быть получен из сингаза в количествах, которые можно изменять согласно требованиям оператора посредством ряда мембран, расположенных поперек потока газа.
Отсюда вытекает, что композиция, а следовательно, и теплотворная способность сингаза, который выходит из мембран и попадает в горелку газовой турбины, изменяется во времени как функция количества водорода, который был ранее получен. В качестве примера, процентное содержание водорода, содержащегося в сингазе, может изменяться приблизительно от 30% до 50 об.%. Так как в горелку поступает топливный газ, имеющий различную теплотворную способность, то газовая турбина не способна обеспечивать требуемую мощность постоянно. Кроме того, горение может быть нестабильным, в результате чего газовая турбина будет иметь трудности в работе во время переходных процессов, иногда останавливаться, и не сможет работать на своей максимальной мощности.
Для получения потребляемой мощности газовой турбины постоянно в патенте № ЕР 0055852 описан способ управления сгоранием посредством определения общего уровня энергии сингаза, подающегося в горелку, и посредством добавления топлива с высокой теплотворной способностью в горелку параллельно с потоком сингаза в случае, если уровень энергии сингаза недостаточен для поддержания стабильного горения горелки.
Существует необходимость в регулировании расхода сингаза и, возможно, в регулировании дополнительного расхода природного газа даже при отсутствии сигналов нагрузки или тепловой мощности, которая может быть выработана посредством сингаза, поступающего из установки газификации.
В частности, существует необходимость в получении максимальной мощности газовой турбины, используя весь сингаз, имеющийся в установке газификации, предотвращая отрицательные последствия работы самой установки газификации и одновременно с этим корректируя электрическую энергию, выработанную электростанцией с комбинированным циклом.
Сущность изобретения
Целью настоящего изобретения является создание способа управления подачей топливного газа в горелку газовой турбины для того, чтобы просто и недорого удовлетворить поставленные выше задачи.
Согласно настоящему изобретению предложен способ управления подачей топливного газа (SG, NG) в горелку (3) газовой турбины, включающий этапы, на которых:
подают газ с низкой теплотворной способностью (SG) из источника (7) в горелку (3);
определяют давление (p_SG) подачи газа с низкой теплотворной способностью (SG), поступающего из источника (7); и
регулируют расход топлива (SM), содержащего газ с низкой теплотворной способностью и поданного в горелку (3), как функцию давления (p_SG) подачи;
при этом расход топлива, поданного в горелку, регулируют так, чтобы поддержать давление (p_SG) подачи выше минимального давления (pSGMIN).
Расход топлива, поданного в горелку (3), регулируют как функцию эталонной нагрузки (ELN), равной минимуму между следующими значениями:
требуемым значением нагрузки (PSX); и
изменяющимся значением нагрузки (С), вычисленным как функция давления (p_SG) подачи для поддержания давления (p_SG) подачи выше минимального давления (pSGMIN).
Изменяющееся значение нагрузки вычисляют посредством ПИД-регулятора.
Газ с высокой теплотворной способностью (NG) подают в горелку (3) в дополнение к газу с низкой теплотворной способностью (SG) для того, чтобы достигнуть требуемой нагрузки (PSX).
Газ с высокой теплотворной способностью (NG) добавляют к газу с низкой теплотворной способностью (SG) до попадания в горелку (3).
Расход газа с высокой теплотворной способностью (FNG) регулируют как функцию давления (p_SG) подачи.
Расход (FNG) газа с высокой теплотворной способностью (NG) регулируют так, чтобы поддержать давление (p_SG) подачи ниже максимального давления (pSGMAX).
Расход (FNG) газа с высокой теплотворной способностью (NG), добавленного к газу с низкой теплотворной способностью (SG), равен минимуму между следующими значениями:
первым значением расхода (NGRRL), вычисленным так, чтобы достичь требуемой нагрузки (PSX);
вторым значением расхода (NGRPS), вычисленным как функция давления (p_SG) подачи так, чтобы поддерживать давление (p_SG) подачи ниже максимального давления (pSGMAX); и
третьим значением расхода (NGRML), вычисленным так, чтобы достичь максимального значения нагрева для смеси двух газов (MAMLHV).
Второе значение расхода (NGRPS) вычисляют посредством ПИ-регулятора.
Третье значение расхода (NGRML) вычисляют как функцию значения (SGLHV) нагрева газа с низкой теплотворной способностью (SG), поступающего из источника (7).
Третье значение расхода (NGRML) дополнительно вычисляют как функцию:
значения (NGLHV) нагрева газа с высокой теплотворной способностью (NG);
определяемого расхода (FSGK) газа с низкой теплотворной способностью (SG); и
максимального значения нагрева для сухой смеси двух газов (MAMLHV); при этом максимальное значение для сухой смеси двух газов (MAMLHV) вычисляют как функцию определяемого значения (SGLHV) нагрева газа с низкой теплотворной способностью (SG), поступающего из источника (7).
Пар добавляют к смеси двух газов, а расход пара регулируют как функцию определяемого значения (SGLHV) нагрева газа с низкой теплотворной способностью (SG), поступающего из источника (7).
Расход пара также регулируют как функцию:
значения (NGLHV) нагрева газа с высокой теплотворной способностью (NG);
определяемого расхода (FSGK) газа с низкой теплотворной способностью (SG);
определяемого расхода (FNGK) газа с высокой теплотворной способностью (NG);
максимального значения нагрева для сырой смеси двух газов (MAMWLHV); при этом максимальное значение нагрева для сырой смеси двух газов (MAMWLHV) вычисляют как функцию определяемого значения (SGLHV) нагрева газа с низкой теплотворной способностью (SG), поступающего из источника (7).
Максимальное значение нагрева для сырой смеси двух газов (MAMWLHV) также вычисляют как функцию отношения между определяемым расходом (FSGK) газа с низкой теплотворной способностью (SG) и определяемым расходом (FNGK) газа с высокой теплотворной способностью (NG).
Кроме того, предложен блок (TG_GOVERNOR) управления, который осуществляет способ по любому из п.п.1-14.
Краткое описание чертежей
Далее для лучшего понимания настоящего изобретения будет описан предпочтительный вариант осуществления изобретения исключительно в качестве неограничивающего примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 представляет собой схематичный вид установки для подачи топливного газа в горелку газовой турбины, управляемую согласно аспектам настоящего изобретения; и
фиг.2-4 представляют собой схемы, соответствующие регуляторам, использованным для осуществления способа управления установкой, показанной на фиг.1.
Предпочтительный вариант осуществления изобретения
На фиг.1 показана установка (показанная частично и схематично), обозначенная в целом позицией 1, для подачи газа SG с низкой теплотворной способностью, а именно для подачи синтетического газа (или сингаза) в горелку 3 газовой турбины (не показана).
Газовая турбина является частью электростанции 4 с комбинированным циклом (типа комбинированного цикла комплексной газификации) для выработки электроэнергии и образующегося совместно с ней пара, т.е. содержащей установку 5 газификации, в которой один или более блок 6 газификации вырабатывает синтетический газ с помощью процессов газификации биомасс, остатков нефтеперегонного процесса (битума, тяжелых масел) или угля.
Установка 5 содержит устройство 7 для извлечения водорода известного типа и подробно не описанное, которое установлено после блока 6 и извлекает различное количество водорода из сингаза, полученного посредством блока 6, в ответ на запросы оператора. В результате газ SG, который выходит из устройства 7 и который попадает на впуск установки 1, имеет характеристики состава, теплотворную способность и расход, которые изменяются во времени.
Газ SG поступает в клапан CV_SG, который регулирует давление p_MX в его собственном выпуске так, чтобы поддерживать давление p_MX ниже заданного значения SET (равного, например, 21 бар), которое ниже, чем давление p_SG подачи установки 5, то есть давления на впуске клапана CV_SG.
После клапана CV_SG определяют давление p_SG и нижнее значение SGLHV нагрева (а также состава) газа SG посредством сенсорных устройств известного типа (не показаны). Сигналы, отображающие давление p_SG и значение SGLHV нагрева, передают в систему управления, обозначенную как TG_GOVERNOR на фиг.1.
После клапана CV_SG газ SG может быть выпущен через дополнительный клапан к факелу (не показан) в случае, если газ не был использован установкой 1 и, следовательно, если давление p_SG поднялось выше заданного предела.
Газ SG, поступающий из клапана CV_SG, попадает по линии 10 в смеситель 11, образованный камерой, в которой можно смешивать газ SG с потоком газа NG с высокой теплотворной способностью (в частности, состоящего из природного газа) и/или с потоком пара ST.
Расход газа NG и пара ST регулируют посредством соответствующих клапанов CV_NG и CV_ST, которые управляются системой TG_GOVERNOR и которые установлены вдоль соответствующих отдельных линий 13, 14 подачи. В частности, пар ST добавляют для снижения эмиссий оксида азота в отработанных газах. В результате образуется смесь SM, которая подается в камеру сгорания горелки 3 по линии 16. Расход смеси SM регулируется клапаном CV_SM, установленным на линии 16 и управляемым системой TG_GOVERNOR, для получения требуемой электрической мощности.
Система TG_GOVERNOR в дополнение к сигналам давления p_SG и значения SGLHV нагрева получает также сигналы о расходе газа SG, о расходе газа NG и о расходе пара ST на впуске в смеситель 11. Предпочтительно система TG_GOVERNOR также получает нижнее значение NGLHV нагрева (а также состава) газа NG; в качестве альтернативы, значение NGLHV нагрева могло бы быть заранее установлено и храниться в памяти системы TG_GOVERNOR.
В упомянутой памяти также хранятся следующие параметры:
- MAMLHV=f(SGLHV) - это соотношения или также таблицы, которые определены экспериментально и которые задают нижнее значение нагрева, полученное как максимум для сухой смеси газов SG и NG(*), то есть без пара ST, как функцию значения SGLHV нагрева, не вызывая нежелательных явлений при сгорании (гула и т.д.);
- MAMWLHV=f(MAMLHV, FSGK, FNGK) - это соотношения или также таблицы, которые определены экспериментально и которые задают нижнее значение нагрева, полученное как максимум для сырой смеси газов SG и NG(**), то есть вместе с паром ST, как функцию значения SGLHV нагрева, расхода FSGK, определяемого для газа SG, расхода FSGK, определяемого для газа SG и расхода FNGK, определяемого для газа NG, не вызывая нежелательных явлений при сгорании.
Соотношения или экспериментальные таблицы, указанные выше, зависят, в основном, от геометрии горелки и состава сингаза, полученного посредством блока 6.
Кроме того, устанавливаются оператором или также хранятся в системе TG_GOVERNOR:
- минимальное давление pSGMIN (в частности, равное 40 бар) для давления p_SG; и
- максимальное давление pSGMX (в частности, равное 41 бар) для давления p_SG.
Также устанавливается требуемая нагрузка, т.е. вырабатываемая газовой турбиной электрическая мощность. Упомянутая требуемая нагрузка обозначается как PSX на схеме фиг.2.
Давление p_SG берется как значение, отображающее допустимую тепловую нагрузку, поступающую от установки 5, таким образом, чтобы не требовалось количество газа SG, большее, чем то, что может эффективно быть подано установкой 5, и чтобы использовался максимум доступного количества газа SG, в частности, если для получения эффективной мощности, равной требуемому значению PSX, добавляется газ NG.
Требуемое значение PSX ограничивается в случае, если давление р_SG начинает снижаться ниже минимального давления pSGMIN. На фиг.2 требуемое значение PSX фактически ограничено приоритетным регулятором 21, представленным ПИД-регулятором и установленным на минимальное давление pSGMIN, допустимое для работы устройства 7 (40 бар). На основании разницы или ошибки между определяемым значением давления p_SG и минимальным давлением pSGMIN регулятор выдает значение нагрузки С, которое является переменным и которое сравнивается с требуемым значением PSX.
Допускаемая в качестве эталонной нагрузки нагрузка ELN является минимальным значением между требуемым значением PSX и значением нагрузки С, вычисленным регулятором 21 (блок 23). Эталонная нагрузка ELN является заданным значением нагрузки или номинальной нагрузкой и используется на всем протяжении серии выполняемых известных операций и регулировок (соответствующих, например, спаду нагрузки, максимальной температуре газа на выходе из турбины и т.д.). Другими словами, система TG_GOVERNOR управляет величиной открытия клапана CV_SM так, чтобы газовая турбина эффективно выдавала мощность, равную эталонной нагрузке ELN.
В качестве примера, если начиная с ситуации, когда газовая турбина выдает требуемую нагрузку (т.е. ELN=PSX), начинает увеличиваться количество водорода, полученного устройством 7, то давление p_SG уменьшается (поскольку снижается расход газа SG, поступающего из устройства 7). Если давление p_SG начинает уменьшаться ниже значения pSGMIN, то регулятор 21 уменьшает значение нагрузки С ниже требуемого значения PSX так, что ELN=C. Так как эталонная нагрузка ELN была уменьшена от PSX до С, то система ST_GOVERNOR уменьшает величину открытия клапана CV_SM. Такое уменьшение величины открытия приводит к увеличению давления p_MX в линии 10, но клапан CV_SG регулируется автоматически для того, чтобы поддерживать давление p_MX постоянным. Следовательно, величина открытия клапана CV_SG уменьшается до нового состояния равновесия, при котором давление p_SG равно значению pSGMIN, при подаваемой мощности, равной значению нагрузки С (ниже, чем требуемое значение PSX).
Если расход водорода, полученного из устройства 7, уменьшается, то давление p_SG возрастает так, что регулятор 21 начинает увеличивать значение нагрузки С: такое же увеличение происходит также и с эталонной нагрузкой ELN, если ELN=С (при C<PSX), в результате система ST_GOVERNOR увеличивает величину открытия клапана CV_SM для увеличения расхода газа SG. Следовательно, давление p_SG начинает уменьшаться, когда давление p_SG достигает минимального давления pSGMIN.
Вместо этого, если изменяется требуемое значение PSX, то система TG_GOVERNOR изменяет величину открытия клапана CV_SM до тех пор, пока PSX<C, то есть пока давление p_SG не достигнет минимального значения давления pSGMIN. Когда же оно достигается, тогда возможное увеличение требуемого значения PSX не оказывает никакого влияния на регулирование клапана CV_SM.
В случае если требуемое значение PSX выше, чем эталонная загрузка ELN, а следовательно, выше, чем мощность, эффективно выдаваемая газовой турбиной, использующей только газ SG, то оператор имеет возможность сам дать команду для начала добавления потока газа NG к потоку газа SG в смесителе 11 для того, чтобы получить соответствующую мощность или мощность, которая настолько близка к требуемому значению PSX, насколько это возможно.
Со ссылкой на фиг.3 система TG_GOVERNOR вычисляет значение эффективной тепловой мощности, выдаваемой газом SG, который подается в горелку 3 (определяющееся произведением определенного расхода FSGK на определенное значение SGLHV нагрева газа SG) и вычисляет расход NGRRL газа NG, который должен быть добавлен к газу SG для того, чтобы компенсировать разницу в эффективной тепловой мощности для того, чтобы достигнуть требуемого значения PSX (блок 25).
Расход NGRRL ограничивается двумя вычисленными максимальными значениями NGRML и NGRPS; то есть клапан CV_NG открывается для того, чтобы обеспечить заданное значение или требуемое значение FNG расхода газа NG, равное минимальному значению среди значений NGRRL, NGRML и NGRPS (блок 27).
Значение NGRML вычисляется таким образом, чтобы обеспечить достижение значения MAMLHV нагрева смесью газов SG и NG без каких-либо отрицательных явлений при сгорании (блок 29):
NGRML=FSGK*(MAMLHV-SGLHV)/(NGLHV-MAMLHV), где
MAMLHV - максимальное нижнее значение нагрева, допустимое для сухой смеси газов SG и NG, вычисленное на основании соотношения или сохраненной таблицы как функция значения SGLHV нагрева (блок 30);
FSGK - определяемый расход газа SG;
SGLHV - нижнее значение нагрева, определяемое для газа SG;
NGLHV - нижнее значение нагрева газа NG.
Вместо этого, значение NGRPS вычисляется приоритетным регулятором 31 пропорционально-интегрированного типа, который ограничивает расход газа NG, в случае если давление p_SAG достигает максимального давления pSGMAX (41 бар). Целью регулятора 31 является предотвращение появления избыточного расхода газа NG при чрезмерном увеличении давления в линии 10 и, как следствие, при уменьшении величины открытия клапана CV_SG, a следовательно, и при чрезмерном увеличении давления p_SG после клапана CV_SG (упомянутое увеличение давления p_SG могло бы привести к выбросу газа SG в факел).
В частности, если расход добавленного газа NG ведет к увеличению давления p_SG выше максимального давления p_SGMAX (41 бар), то регулятор 31 вступает в работу для того, чтобы уменьшить значение NGRPS ниже значения NGRRL (и значения NGRML) и, следовательно, уменьшить заданное значение FNG. Уменьшение заданного значения FNG приводит к уменьшению величины открытия клапана CV_NG и, следовательно, к уменьшению расхода газа NG (газ, проходящий в этом случае в установившемся режиме, будет иметь постоянное давление p_SG, равное 41 бар). Благодаря уменьшению заданного значения FNG, используется, по существу, весь доступный расход газа SG, причем подаваемая мощность приближается к требуемому значению PSX настолько близко, насколько это возможно, не приводя к каким-либо отрицательным явлениям при сгорании (требование, наложенное значением NGRML) и не вызывая какой-либо траты газа SG (требование, наложенное значением NGRPS).
Когда газы SG и NG смешиваются друг с другом, оба регулятора, и 21, и 31, начинают функционировать для регулирования расхода газа SG и газа NG как функции давления p_SG. В качестве примера, фактически если возрастает количество водорода, полученного из устройства 7, то расход газа SG уменьшается так, чтобы расход NGRRL, а следовательно, и заданное значение FNG, увеличивались до значения NGRML. На этой стадии значение NGRML становится новым заданным значением FNG (блок 29). Если расход добавленного газа NG неэффективен для достижения требуемого значения PSX, то регулятор 21 вступает в работу для уменьшения эталонной нагрузки ELN, таким образом, величина открытия клапана CV_SM будет уменьшена и, следовательно, давление P_SG не упадет ниже минимального давления pSGMIN.
Снова в качестве примера, если количество водорода, полученного посредством устройства 7, уменьшилось, то давление p_SG начинает расти выше максимального значения pSGMAX, и регулятор 31 вступает в работу для того, чтобы уменьшить значение NGRPS, которое становится новым заданным значением FNG. Таким образом, величина открытия клапана CV_NG, а следовательно, и расход газа NG уменьшаются, и линия 10 теперь способна принять больший расход газа SG. Увеличение расхода газа SG приводит к возврату давления p_SG к значению ниже значения максимального давления pSGMAX, а следовательно, приводит к новой ситуации, в которой поглощается все количество произведенного газа SG.
Снова в качестве примера, если требуемое значение PSX падает, то расход NGRRL уменьшается (блок 25), до тех пор пока он не достигнет нулевого значения, когда расход газа SG становится достаточным для достижения требуемого значения PSX.
Со ссылкой на фиг.4 возможно добавить поток пара ST в смеситель 11. Тогда система TG_GOVERNOR вычисляет требуемое значение и заданное значение FSTC расхода пара, необходимого для сырой смеси газов SG и NG, для того чтобы получить допустимое максимальное значение нагрева (блок 33):
FSTC=(FSGK*(MAMWLHV-SGLHV)+FNGK*(MAMWLHV-NGLHV))/MAMWLHV,
где:
FNGK - определяемый расход газа NG;
MAMWLHV - максимальное нижнее значение нагрева, допустимое для сырой смеси газов SG и NG, вычисленное на основании соотношений и сохраненных таблиц как функция значения SGLHV нагрева и отношения между определяемыми расходами FSGK и FNGK; в частности, система TG_GOVERNOR вычисляет значение нагрева как линейную функцию SGLHV (блок 35), вычисляет отношение между определяемыми расходами FSGK и FNGK (блок 37), а затем корректирует полученное отношение (блок 39).
Из вышеприведенного описания становится ясно, как способ, осуществленный в системе TG_GOVERNOR, обеспечивает оптимальное регулирование подачи топлива, даже при отсутствии сигналов, определяющих тепловую нагрузку, которая может быть получена посредством газа SG, на выходе установки 5, поскольку давление p_SG принимается как количество, определяющее допустимую нагрузку.
Более того, возможно предотвратить отрицательные явления в работе установки 5, поскольку регулирование поддерживает давление p_SG в оптимальных пределах. В частности, регулирование удовлетворяет требование pSGMIN<p_SG<pSGMAX, пока осуществляется ведение газа с высокой теплотворной способностью (NG) для того, чтобы корректировать тепловую нагрузку, поступающую на горелку 3.
Смешивание газов SG, NG и пара ST перед их введением в камеру сгорания горелки 3 обеспечивает поддержание оптимального контроля горения.
Очевидно, что в способе, описанном и проиллюстрированном здесь, могут быть выполнены изменения и дополнения, не входящие, таким образом, за рамки объема зашиты настоящего изобретения, определенного в приложенной формуле изобретения.
В частности, топливо с высокой теплотворной способностью может быть добавлено в камеру сгорания горелки 3 (осуществляя «совместное горение»), а не смешано с газом SG.