ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ ИНТЕГРИРОВАННАЯ СИСТЕМА БЕЗОПАСНОСТИ ГАЗОТУРБИННОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

Полезная модель относится к области энергетики и может быть использовано для выработки электроэнергии и тепла (в виде пара или горячей воды) в составе действующих или вновь сооружаемых тепловых электростанций, а также в качестве привода локомотива (газотурбовоз).
Преимущественная область применения - контейнерные стационарные и транспортируемые энергоустановкина базе ГТД со свободной турбиной.
Известна газотурбинная установка, содержащая раму, газотурбинный двигатель с силовой турбиной, затурбинным диффузором и агрегатами полезной нагрузки, а также воздухозаборное и выхлопное устройства (Патент Японии №08270458, F02С 7/04, 1996).
Установка имеет низкий кпд вследствие значительных потерь давления и турбулентности воздушного потока во входном устройстве, а также повышенный уровень шума и потерь в трактах всасывания и выхлопа.
Известен газотурбинный энергоагрегат, включающий контейнер, размещенный в нем газотурбинный двигатель с силовой турбиной, трансмиссию, затурбинный диффузор и агрегат полезной нагрузки, а также воздухозаборное и выхлопное устройства (Патент РФ №2193678, F02С 7/04, 04.12.2000).
Известный энергоагрегат позволяет использовать только определенные типы газотурбинных двигателей, так как отбор мощности от двигателя в нем осуществляется со стороны компрессора, например турбовинтовой двигатель или турбореактивный двухконтурный двигатель, в котором снята первая ступень компрессора, а освободившаяся мощность передается на привод агрегата полезной нагрузки. Кроме того, в этом энергоагрегате не используются все возможности по использованию энергии сгоревшего топлива, а для двухконтурных двигателей снижается ресурс работы из-за переборки уже ранее приработанных модулей двигателя.
Использовать все типы газотурбинных двигателей по тому же назначению, что и заявляемое техническое решение позволяет газтурбинный энергоагрегат по патенту РФ №2124645, F02С 7/25, 17.05.1996, прототип. Газотурбинный энергоагрегат является наиболее близким аналогом заявляемому техническому решению и содержит контейнер с размещенными в нем газотурбинным двигателем, силовой турбиной, агрегатом полезной нагрузки и трансмиссией, соединяющей последний с силовой турбиной, затурбинный диффузор, а также воздухозаборное и выхлопное устройства. Однако в этом энергоагрегате
также не используются все возможности по использованию энергии сгоревшего в двигателе топлива.
Решение указанных задач достигнуто в интеллектуальной интегрированной системе безопасности газотурбинной энергетической установки, содержащей контейнер, в котором установлен газотурбинный двигатель и свободная турбина, связанная с полезной нагрузкой, отличающаяся тем, что внутри контейнера установлены, по меньшей мере, одна видеокамера, соединенная через плату видеоввода с компьютером, датчики системы доступа и датчики противопожарной системы, соединенные через контроллер с компьютером. Снаружи контейнера может быть установлена, по меньшей мере, одна видеокамера, соединенная через плату видеоввода с компьютером. Внутри контейнера и снаружи может быть установлена система пожаротушения, соединенные через контроллер с компьютером. Снаружи контейнера установлены световые и звуковые извещатели, соединенные через контроллер с компьютером.
Предложенное техническое решение обладает новизной и промышленной применимостью, что подтверждается проведенными патентными исследованиями. Для реализации полезной модели достаточно применения известных узлов и деталей, ранее разработанных и реализованных в конструкции газотурбинных двигателей и в машиностроении.
Сущность полезной модели поясняется на фиг.1...2, где:
- на фиг.1 приведена первая схема системы безопасности силовой установки газотурбовоза,
- на фиг.2 - приведена схема охлаждения и пожаротушения,
Предложенное техническое решение (фиг.1) содержит трехвальный газотурбинный двигатель ГТД 1 и свободную турбину 2, установленную на выходе из ГТД 1. Полость на выходе из свободной турбины 2, образована корпусом свободной турбины 3. На выходе из свободной турбины 2 установлено выхлопное устройство 4.
Газотурбинный двигатель 1 содержит входное устройство 5, компрессор 6, камеру сгорания 7, имеющую систему топливоподачи 8 и топливный насос 9. В состав ГТД входит турбина 10.
К свободной турбине 2 подсоединен электрогенератор 11.
Электрогенератор 11 предназначен для выработки электроэнергии для пиковых электростанций или для привода газотурбовоза и посредством электрических связей 12 через коммутатор 13 соединен с приводными электрическими двигателями 14, которые, в свою очередь связаны с приводными колесными парами 15. С одним из роторов ГТД 1, предпочтительно с ротором третьего каскада ГТД 1 через вал 16, расцепляемую муфту 17 и первичный вал вспомогательного дизеля 18 подсоединен вспомогательный дизель 19,
предназначенный для маневрирования газотурбовоза и для запуска ГТД 1. К вспомогательному дизелю 17, конкретно к его выходному валу 20 через муфту 21 и вал вспомогательного электрогенератора 22 подключен вспомогательный электрогенератор 23, предназначенный для маневрирования газотурбовоза и питания вспомогательных потребителей электроэнергии, когда энергетическая газотурбинная силовая установка не работает.
Компрессор 6 (фиг.1) состоит из каскада компрессора низкого давления 24, каскада компрессора среднего давления 25 и, каскада компрессора высокого давления 26. Турбина 10 состоит из турбины высокого давления 27, турбины среднего давления 28 и турбины низкого давления 29. Свободная турбина 2 состоит из регулируемого направляющего аппарата 30 с приводом регулирования 31 и, по меньшей мере, одного рабочего колеса свободной турбины 32.
ГТД 1 имеет наружный корпус 33, температура которого может достигать 100...130 0С, что небезопасно при обслуживании. Кроме того, на поверхности наружного корпуса 33 размещены агрегаты управления и регулирования, доступ к которым без крайней необходимости нежелателен. Также при транспортировке силовой установки с завода-изготовителя к заказчику эти агрегаты могут быть повреждены. Для устранения этих недостатков силовая установка установлена в контейнер 34. Для обслуживания агрегатов предусмотрены закрывающиеся люки 35. Силовая установка в контейнере 34 установлена на передних опорах 36 и задних опорах 37. Передние опоры 36 выполнены зафиксированными, а задние опоры 37 выполнены с возможностью горизонтального перемещения для компенсации температурных расширений. Предусмотрена система охлаждения наружного корпуса 33 ГТД 1, совмещенная с системами пожаротушения. Внутренняя полость контейнера «Б» при помощи патрубка сброса 38 сообщается с атмосферой или в внутренней полостью «В» выхлопного устройства 4. На патрубке сброса 38 из системы охлаждения установлен датчик температуры 39, контролирующий температуру сбрасываемого из системы охлаждения воздуха и одновременно выполняющего функцию датчика контроля возникновения пожара.
В схеме регулирования силовой установки предусмотрен, блок управления 40, по крайней мере, один датчик оборотов 41, соединенные с ним электрическими связями 12.
Оригинальной особенностью силовой установки является то, что она оборудована системой охлаждения (ГТД 1 и свободной турбины 2), совмещенной с тремя системами пожаротушения.
На фиг.1 и 2 приведена система охлаждения, совмещенная с системами пожаротушения.
Эта система содержит четыре системы:
- систему подачи охлаждающего воздуха - 42,
- систему пожаротушения двигателя - 43,
- систему пожаротушения контейнера - 44,
- систему тушения пожара водой - 45.
Система подачи охлаждающего воздуха 42, содержит кольцевой коллектор отбора воздуха 46, установленный на корпусе 33 ГТД 1, полость которого при помощи отверстий «Г» сообщается с полостью за первой ступенью первого каскада компрессора. На нем установлен клапан отбора 47, имеющий привод клапана 48, к выходу клапана отбора подсоединен кольцевой коллектор подачи воздуха 49. Кольцевой коллектор подачи воздуха 49 установлен в полости контейнера «Б».
Система пожаротушения двигателя 43 содержит на входе в ГТД 1 внутренний кольцевой коллектор 50, подключенный через клапан 51 к баллону с инертным газом 52. Эта система предназначена для тушения очага пожара внутри ГТД 1.
Система пожаротушения контейнера 44 содержит коллектор подачи воздуха 49, подключенный через клапан 53 к баллону с инертным газом 52 и предназначена для тушения очага пожара внутри контейнера 34.
Система тушения пожара водой 45 содержит бак воды 54, к выходу которого подключены водяной насос 55, клапан 56 и один или несколько коллекторов распыла воды 57 (фиг.2).
Внутри контейнера 34 установлена, по меньшей мере, одна видеокамера 58 и по меньшей мере, один тепловизор 59, подключенные через платы видеоввода 60 к компьютеру 61 (системному блоку), к которому подсоединен монитор 62 и устройство управления 63, например, клавиатура. Электрической связью 64 компьютер 61 соединен с блоком управления 40. На контейнере 34 снаружи может быть установлена, по меньшей мере одна видеокамера 65 для наружного наблюдения. Внутри контейнера 34 может быть установлен, по меньшей мере один осветительный прибор 66. Датчики контроля доступа 67, противопожарные датчики 68, световые и/или звуковые оповещатели 69 через контроллер 70 подключены к компьютеру 61. Полезная нагрузка 11 размещена в дополнительном контейнере 70.
Система безопасности энергетической газотурбинной силовой установки работает следующим образом.
При запуске силовой установки электрический сигнал подается с системы управления 40 на вспомогательный дизель 19, выполняющий функцию стартера (фиг.1) и на топливный насос 9. Вспомогательный дизель 19 раскручивает ротор каскада компрессора высокого давления и турбину низкого давления 29. Мощность вспомогательного дизеля 19 тратится на раскрутку только одного из трех роторов ГТД 1, это облегчает и ускоряет
запуск. Раскручиваются ротора среднего и низкого давления и ротор свободной турбины 2.
Когда осуществится запуск газотурбинного двигателя ГТД 1, его обороты достигнут рабочих, что контролируют датчик оборотов 41, блок управления 40 подает сигнал на ограничение подачи топлива. Далее с блока управления 40 подается сигнал на привод клапана 48, который открывает клапан отбора воздуха 47. Воздух через отверстия «Е» поступает внутрь контейнера в полость «В». Датчики температуры 39 контролирует температуру воздуха на выходе из систем охлаждения и регулирования радиальных зазоров и передают эти данные в блок управления 40. При превышении температуры воздуха на выходе, например, более 95°С, блок управления 40 подает сигнал на привод 48 для открытия клапана отбора воздуха 47 (фиг.2). При температуре ниже 80°С подается сигнал на прикрытие клапана отбора воздуха 47. Это позволяет поддерживать минимальный радиальный зазор между рабочими лопатками и статорами компрессоров, турбин и свободной турбины. КПД силовой установки вследствие этого возрастет на 2...4% по сравнению с лучшими мировыми образцами изделий аналогичного назначения, а расход топлива соответственно уменьшится. Кроме того, наружная поверхность контейнера будет иметь температуру не более 40°С, что обеспечит безопасность обслуживания.
Контроль температуры стенок ГТД и свободной турбины осуществляет тепловизор 59, который передает информацию о температуре стенок с точностью до 0,1°С на компьютер 61 и далее на монитор 62 в виде многоцветного изображения, на котором, например, красный цвет соответствует перегреву. Видеокамера 58 позволяет визульно контролировать состояние полости «В», например, проникновение посторонних лиц внутрь контейнера или задьмление. Видеокамера 65 позволяет контролировать помещение (отсек) газотурбовоза, в котором установлена энергетическая установка.
При этом газотурбовоз (локомотив) имеет возможность при движении использовать мощность ГТД 1 в диапазоне от 6 до 40 МВт, по сравнению с максимальной мощностью локомотивов, используемых в РФ 1800 Квт, что позволит достичь скорости 500 км/час и более.
При проникновении в контейнер
Срабатывает датчик контроля доступа 67 и сигнал передается на компьютер 61 и далее на световой или звуковой извещатель 69.
При пожаре
Возникновение пожара контролируется по датчику температуры 39 и другим датчикам обнаружения пожара 68, которых может быть сколь угодно много и они могут быть размещены в ГТД 1, внутри контейнера 34 и вне него.
В первую очередь выключают топливный насос 9. Потом открывают клапаны 51 и 53 и инертный газ подается внутрь ГТД 1 и внутрь контейнера 34. При необходимости запускают водяной насос 55 и открывают клапан 56 для подачи воды на наружную поверхность контейнера 34. Такой способ тушения имеет ряд преимуществ:
- Локализация пожара внутри ГТД происходит быстро и не приводит к разрушение материальной части, т.к. при попадании воды на сильно нагретые детали ГТД могло бы привести к их короблению и поломке.
- При локализации пожара внутри контейнера 34 инертным газом не происходит увлажнение кабелей систем управления ГТД 1 и приведение их в нерабочее состояние.
При аварийной ситуации, используя устройство управления 63 через компьютер 61 и блок управления 40 машинист может подать команду на экстренное отключение силовой установки или включение одной из систем пожаротушения.
- Расход инертного газа и воды для тушения небольшой, т.к. ин расходуется целенаправленно в определенном объеме.
- Нет вредного влияния применения средств пожаротушения на обслуживающий персонал и пассажиров.
Применение полезной модели позволило:
1. Обеспечить безопасность работы с установкой за счет снижения шума, теплоизоляции и установки очень эффективной многоступенчатой системы пожаротушения.
2. Предотвратить террористический акт на транспорте.
3. Визуально контролировать обстановку как внутри контейнера, так и снаружи.
4. Контролировать перегрев отдельных узлов.
5. Обеспечить пожаробезопасность объекта.
6. обеспечить защиту от несанкционированного доступа на объект.
7. Облегчить (ускорить) запуск силовой установки энергетической газотурбинной транспортируемой силовой установки.
8. Повысить надежность силовой установки
9. Улучшить экономичность установки.
10. Облегчить сборку за счет модульной конструкции установки.
11. Создать условия для транспортировки.
12. Обеспечить ремонтопригодность установки.