Способ уменьшения мощности газотурбинной установки ниже её допустимого нижнего предела регулировочного диапазона
METHOD OF REDUCING THE POWER OF A GAS TURBINE PLANT BELOW ITS PERMISSIBLE LOWER LIMIT OF THE CONTROL RANGE

Область использования
Изобретение относится к области теплоэнергетики, и может быть использовано для осуществления перевода энергетической газотурбинной установки (ГТУ) в составе парогазовой установки (ПТУ) на предельно допустимую минимальную мощность.
Уровень техники
За последние 10 лет в структуре генерирующих мощностей развитых стран значительно увеличилась доля возобновляемых источников энергии (солнца и ветра). Эти источники энергии являются естественно переменными и периодическое выбывание их мощности, прежде всего в дневное время, компенсируют мощные ГТУ в составе ПТУ.
Уменьшение мощности энергетической ГТУ для перевода ее в режим минимальной электрической нагрузки может быть осуществлено путем уменьшения подачи топлива и сжатого в компрессоре воздуха в камеру сгорания до допустимого нижнего предела регулировочного диапазона, определяемого предельно допустимым коэффициентом избытка воздуха. Для поддержания в допустимых пределах температуры газов перед и за газовой турбиной при уменьшении мощности ГТУ необходимо вместе с уменьшением подачи топлива в камеру сгорания уменьшать и расход сжатого воздуха, нагнетаемого в нее компрессором так, чтобы не превышать заданное соотношение между ними (заданного предельно возможного коэффициента избытка воздуха). Для этого служит регулирующий количество поступающего на вход компрессора воздуха входной направляющий аппарат (ВНА). Однако возможности использования ВНА для уменьшения мощности ГТУ ограничены. Регулировочный диапазон мощности ГТУ за счет использования ВНА составляет 60-100% от ее номинальной мощности.
К современным ГТУ предъявляются требования повышенной маневренности: их пуск и нагружение должны осуществляться с высокой скоростью, при этом они должны иметь возможность разгружаться ниже 60% от их номинальной мощности с сохранением высокой экономичности и экологической безопасности при снижении электрической нагрузки энергосети. Работая в режиме глубокого разгружения, но без расхолаживания паровой части ПТУ, ГТУ может при необходимости нагружаться сразу же с максимальной скоростью, непрерывно до 100% от ее номинальной мощности. При этом отпадают затраты энергии на разворот вала ГТУ в составе ПТУ и потери тепла от первоначального сброса пара из котла-утилизатора ПТУ в конденсатор ее паровой турбины. Однако по мере разгружения ГТУ ниже ее допустимого нижнего предела регулировочного диапазона, составляющего 60% от ее номинальной мощности, за счет повышения коэффициента избытка воздуха при дальнейшем уменьшении подачи топлива в камеру сгорания из-за ограничения возможности уменьшения расхода сжатого воздуха, поступающего из компрессора в камеру сгорания ГТУ, путем использования ВНА увеличивается эмиссия экологически вредных веществ и удельный расход тепла ПТУ.
Из уровня техники известен принятый в качестве прототипа заявляемого изобретения способ уменьшения мощности энергетической ГТУ для перевода ее в режим минимальной электрической нагрузки в составе ПТУ, заключающийся в том, что уменьшают подачу топлива и сжатого в компрессоре воздуха в камеру сгорания до допустимого нижнего предела регулировочного диапазона, определяемого предельно допустимым коэффициентом избытка воздуха, при этом мощность газотурбинной установки после достижения нижней границы регулировочного диапазона дополнительно уменьшают путем регулируемого перепуска части сжатого в компрессоре воздуха на его вход, контролируя степень перепуска по минимально допустимой температуре выхлопных газов газотурбинной установки и допустимым выбросам в атмосферу оксидов азота (патент RU 2536458 С1, опубл. 27.12.2014 г. (далее - [1])).
Согласно известному из [1] способу для перевода ГТУ в составе ПТУ в режим минимальной электрической нагрузки сначала уменьшают подачу топлива и сжатого компрессором воздуха в камеру сгорания до допустимого нижнего предела регулировочного диапазона, определяемого заданным предельно допустимым коэффициентом избытка воздуха. Мощность ГТУ после достижения нижней границы регулировочного диапазона дополнительно уменьшают путем перепуска части сжатого в компрессоре воздуха на его вход, контролируя степень перепуска воздуха с помощью регулятора по минимально допустимой температуре выхлопных газов ГТУ и с помощью оператора на пульте управления ГТУ по допустимым выбросам в атмосферу оксидов азота. Известным из [1] способом можно снизить расход подаваемого в камеру сгорания воздуха до более низких значений, чем от использования для этой цели регулируемого ВНА компрессора. Кроме того, при таком способе уменьшения мощности ГТУ расширяются регулировочные возможности в установлении требуемого соотношения топливо-воздух.
Основной недостаток известного из [1] способа уменьшения мощности энергетической ГТУ для перевода ее в режим минимальной электрической нагрузки в составе ПТУ заключается в том, что снижение мощности ГТУ и ПТУ от перепуска воздуха значительно больше, чем уменьшение расхода топлива в камеру сгорания, и следовательно экономичность ГТУ и ПТУ при глубоком разгружении уменьшается.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является обеспечение возможности снижения мощности ГТУ при работе под нагрузкой ниже ее допустимой нижней границы регулировочного диапазона в составе ПТУ без перепуска части сжатого воздуха на вход компрессора, а техническими результатами -уменьшение расхода воздуха через компрессор, уменьшение мощности паровой турбины ПТУ и предотвращение хладноломкости деталей компрессора при температуре наружного воздуха ниже -20°С при работе ГТУ под нагрузкой ниже ее допустимой нижней границы регулировочного диапазона в составе ПТУ.
Решение указанной задачи путем достижения указанных технических результатов обеспечивается тем, что способ уменьшения мощности энергетической газотурбинной установки для перевода ее в режим минимальной электрической нагрузки в составе парогазовой установки заключается в том, что уменьшают подачу топлива и сжатого в компрессоре воздуха в камеру сгорания до допустимого нижнего предела регулировочного диапазона, определяемого предельно допустимым коэффициентом избытка воздуха. Причем мощность газотурбинной установки после достижения нижней границы регулировочного диапазона дополнительно уменьшают посредством дальнейшего уменьшения подачи топлива в камеру сгорания и подогрева воздуха перед компрессором за счет тепла, отбираемого из паровой турбины, дополнительно снижая ее мощность и потерю тепла в конденсаторе, при этом контролируя уровень подогрева воздуха перед компрессором по минимально допустимой температуре выхлопных газов ГТУ и допустимым выбросам в атмосферу оксидов азота. Причем подогрев воздуха перед компрессором осуществляют за счет тепла пара, отбираемого из цилиндра низкого давления (ЦНД) паровой турбины.
Причинно-следственная связь между вышеуказанными техническими результатами и совокупностью существенных признаков формулы заявляемого изобретения заключается в следующем.
Дополнительное уменьшение мощности ГТУ после достижения нижней границы ее регулировочного диапазона посредством дальнейшего уменьшения подачи топлива в камеру сгорания и подогрева воздуха перед компрессором за счет тепла пара, отбираемого из ступени ЦНД паровой турбины, дополнительно снижая ее мощность и потерю тепла в конденсаторе, позволяет уменьшить расход воздуха через компрессор и уменьшить мощность паровой турбины ПТУ при работе ГТУ ниже ее допустимой нижней границы регулировочного диапазона в составе ПТУ. Поскольку мощность газовой турбины прямо пропорциональна массе объемного расхода воздуха для снижения мощности ГТУ необходимо осуществлять предварительный подогрев воздуха перед компрессором для обеспечения снижения объемного расхода воздуха в камере сгорания, что также обеспечивает снижение расхода отработавших газов через котел-утилизатор, таким образом, снижая его паропроизводительность и, как следствие, дополнительно уменьшая мощность паровой турбины ПТУ. Предварительный подогрев воздуха перед компрессором также позволяет предотвращать хладноломкость деталей компрессора при температуре наружного воздуха ниже -20°С.
При вышеуказанном способе уменьшения мощности ГТУ для перевода ее в режим минимальной электрической нагрузки в составе ПТУ расширяются регулировочные возможности в установлении требуемого соотношения топливо-воздух, что позволяет удовлетворить все требования, связанные с поддержанием необходимых величин коэффициента избытка воздуха, величины выбросов оксидов азота и температуры выхлопных газов на выходе из газовой турбины за счет контроля уровня подогрева воздуха перед компрессором по минимально допустимой температуре выхлопных газов ГТУ и допустимым выбросам в атмосферу оксидов азота.
Краткое описание чертежа
На чертеже изображена схема ПТУ с подогревом воздуха перед компрессором за счет тепла пара, отбираемого из паровой турбины.
Описание позиций чертежа
1 - компрессор;
1.1 - ВНА;
1.2 - исполнительный механизм поворота ВНА;
2 - камера сгорания;
2.1 - регулирующий клапан топлива;
2.2 - топливная линия;
3 - газовая турбина;
3.1 - линия выхлопных газов;
4 - электрогенератор;
5 - котел-утилизатор;
5.1 - линия уходящих газов;
5.2 - линия пара высокого давления;
5.3 - линия пара низкого давления;
6 - дымовая труба;
7 - паровая турбина;
7.1 - линия отработанного пара;
7.2 - линия отбираемого пара;
7.3 - регулирующий клапан пара;
8 - электрогенератор;
9 - конденсатор;
10 - пароводяной теплообменник;
11 - воздуховодяной теплообменник;
11.1 - линия охлажденной воды;
11.2 - линия нагретой воды;
11.3 - регулирующий клапан;
12 - циркуляционный насос;
13 - линия подвода воздуха;
14 - датчик температуры наружного воздуха;
15 - датчик температуры воздуха перед компрессором;
16 - датчик температуры выхлопных газов;
17 - регулятор;
ШРМ - штатный регулятор мощности.
Осуществление изобретения
Ниже приведен частный пример схемы ПТУ с подогревом воздуха перед компрессором за счет тепла пара, отбираемого из паровой турбины для осуществления способа уменьшения мощности энергетической ГТУ для перевода ее в режим минимальной электрической нагрузки в составе ПТУ.
ПТУ содержит компрессор 1 с ВНА 1.1, содержащим исполнительный механизм поворота 1.2, подключенный к ШРМ. Компрессор 1 соединен по линии воздуха с камерой сгорания 2, которая соединена с топливной линией 2.2 с установленным на ней регулирующим клапаном 2.1, подключенным к ШРМ. Камера сгорания 2 соединена с газовой турбиной 3. При этом компрессор 1 установлен на одном валу с газовой турбиной 3 и электрогенератором 4. Газовая турбина 3 соединена с помощью линии выхлопных газов 3.1 с котлом-утилизатором 5, который соединен с помощью линии уходящих газов 5.1 с дымовой трубой 6. При этом котел-утилизатор 5 соединен с помощью линии пара высокого давления 5.2 и линии пара низкого давления 5.3 с паровой турбиной 7, которая установлена на одном валу с электрогенератором 8. Паровая турбина 7 соединена с помощью линии отработанного пара 7.1 с конденсатором 9 и с помощью линии отбираемого пара 7.2, на которой установлен подключенный к регулятору 17 регулирующий клапан пара 7.3, с пароводяным теплообменником 10. При этом пароводяной теплообменник 10 соединен с помощью линии охлаждающей воды 11.1, на которой установлены циркуляционный насос 12 и регулирующий клапан 11.3, и линии нагретой воды 11.2 с воздуховодяным теплообменником 11, который установлен на линии подвода воздуха 13, соединенной с ВНА 1.1 компрессора 1. Регулятор 17 подключен к датчику температуры наружного воздуха 14, установленному на линии подвода воздуха 13 перед воздуховодяным теплообменником 11, к датчику температуры воздуха перед компрессором 15, установленному на линии подвода воздуха 13 перед ВНА 1.1 компрессора 1, и к датчику температуры выхлопных газов 16, установленному на линии выхлопных газов 3.1 перед котлом-утилизатором 5 (Фиг.).
Способ уменьшения мощности энергетической ГТУ для перевода ее в режим минимальной электрической нагрузки в составе ПТУ осуществляется следующим образом.
При работе ГТУ на частичных нагрузках в пределах ее регулировочного диапазона регулирование мощности осуществляется с помощью ШРМ путем воздействия на регулирующий клапан топлива 2.1 для регулирования расхода топлива, поступающего в камеру сгорания 2, а затем путем воздействия на исполнительный механизм поворота 1.2 ВНА 1.1 компрессора 1 для регулирования расхода сжатого воздуха, поступающего в камеру сгорания 2, не ниже допустимого нижнего предела регулировочного диапазона, определяемого предельно допустимым коэффициентом избытка воздуха.
В случае возникновения необходимости снижения мощности ГТУ ниже границы ее регулировочного диапазона при работе под нагрузкой в составе ПТУ сначала осуществляется уменьшение расхода топлива, поступающего в камеру сгорания 2, путем воздействия ШРМ на регулирующий клапан топлива 2.1, а затем осуществляется уменьшение расхода сжатого в компрессоре 1 воздуха, поступающего в камеру сгорания 2, путем воздействия ШРМ на исполнительный механизм поворота 1.2 ВНА 1.1, который переводят в крайнее прикрытое положение, при котором допустим нижний предел регулировочного диапазона, определяемого заданным предельно допустимым коэффициентом избытка воздуха. Затем осуществляется дальнейшее снижение расхода топлива, поступающего в камеру сгорания 2, путем воздействия ШРМ на регулирующий клапан топлива 2.1. При достижении заданного значения температуры выхлопных газов с дальнейшим ее снижением осуществляется уменьшение расхода воздуха, поступающего в камеру сгорания 2, путем его подогрева с помощью регулятора 17, управляя степенью открытия регулирующего клапана пара 7.3. При этом входным сигналом регулятора 17 служит сигнал датчика температуры выхлопных газов 16, усредненный по времени, с целью поддержания заданного значения температуры выхлопных газов. Для повышения быстродействия регулятора 17 в качестве дополнительных входных величин могут быть использованы другие параметры ГТУ, например сигнал от датчика температуры наружного воздуха 14 и/или сигнал от датчика температуры воздуха перед компрессором 15.
При работе ГТУ ниже ее допустимой нижней границы регулировочного диапазона воздух, поступающий через линию подвода воздуха 13, сначала нагревается в воздуховодяном теплообменнике 11, а затем проходит через ВНА 1.1 и сжимается в компрессоре 1. После чего сжатый в компрессоре 1 воздух попадает в камеру сгорания 2, в которой он смешивается с топливом, поступающим по топливной линии 2.2, и осуществляется зажигание полученной топливовоздушной смеси. Затем полученные в результате сжигания топливовоздушной смеси газы поступают из камеры сгорания 2 в газовую турбину 3, вращая ее лопатки и вал, на котором установлен компрессор 1 и электрогенератор 4. После прохождения через газовую турбину 3 выхлопные газы поступают по линии 3.1 в котел-утилизатор 5, в котором осуществляется нагрев воды за счет теплоты выхлопных газов. После этого выхлопные газы поступают из котла-утилизатора 5 в дымовую трубу 6, а полученный в результате нагрева воды в котле-утилизаторе 5 пар поступает по линии пара высокого давления 5.2 и линии пара низкого давления 5.3 в паровую турбину 7, осуществляя вращение ее лопаток и вала, на котором установлен электрогенератор 8. Затем отработанный в паровой турбине 7 пар поступает по линии отработанного пара 7.1 в конденсатор 9. При этом осуществляется отбор части пара по линии отбираемого пара 7.2 из ступени ЦНД паровой турбины 7. Отбираемый по линии 7.2 пар поступает в пароводяной теплообменник 10, в котором осуществляется его теплообмен с водой, прокачиваемой с помощью циркуляционного насоса 12 по линии охлаждающей воды 11.1 и линии нагретой воды 11.2 с регулирующим клапаном 11.3 через пароводяной теплообменник 10 и воздуховодяной теплообменник 11, в котором осуществляется подогрев поступающего по линии 13 воздуха за счет тепла нагретой воды.
Совместное действие ШРМ и регулятора 17 обеспечивает возможность снижения мощности ГТУ ниже ее допустимого нижнего регулировочного предела за счет дополнительного, по сравнению с возможностями ВНА 1.1, уменьшения расхода воздуха путем его подогрева и уменьшения расхода топлива в камере сгорания 2. При этом нагрев воздуха помимо условия поддержания температуры выхлопных газов ГТУ не ниже предельно допустимой, ограничивается предельно допустимым содержанием оксидов азота в выхлопных газах, которое контролируется оператором на пульте управления ГТУ по показаниям соответствующих штатных приборов (на фиг. не показаны) с возможностью внесения ручной корректировки степени открытия регулирующего клапана пара 7.3.
Промышленная применимость
Способ уменьшения мощности энергетической газотурбинной установки для перевода ее в режим минимальной электрической нагрузки в составе парогазовой установки согласно патентуемому изобретению отвечает условию «промышленная применимость». Сущность технического решения раскрыта в формуле, описании и чертеже достаточно ясно для понимания и промышленной реализации соответствующими специалистами на основании современного уровня техники в области теплоэнергетики.