КАМЕРА СГОРАНИЯ И СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ
COMBUSTION CHAMBER AND METHOD OF ITS OPERATION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Данное изобретение в целом относится к камере сгорания для газовой турбины. Более конкретно, в настоящем изобретении описана и раскрыта камера сгорания с несколькими топливными форсунками, которые могут работать в различных режимах пониженной мощности для уменьшения потребления топлива.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0002] Газовые турбины находят широкое применение в промышленности для производства электроэнергии. Газовая турбина обеспечивает сжатие атмосферного воздуха, смешивание топлива с данным сжатым воздухом и воспламенение указанной смеси для создания продуктов горения, которые обладают большой энергией и проходят через турбину, выполняя работу. Турбина может приводить во вращение выходной вал, соединенный с генератором, обеспечивающим выработку электроэнергии, которая затем передается в электроэнергетическую систему. Турбина и генератор должны работать при сравнительно постоянной скорости независимо от объема вырабатываемой электроэнергии, чтобы вырабатывать электрический ток требуемой частоты.
[0003] Как правило, газовые турбины выполняются с возможностью работы с наибольшей эффективностью при расчетной базовой нагрузке или вблизи нее. Однако потребность в мощности газовой турбины часто может быть меньше расчетной базовой нагрузки. Например, расход энергии и, соответственно, потребление, может изменяться в течение года и даже в течение суток, при этом уменьшенный расход характерен для ночных часов. Если газовая турбина продолжает работать при расчетной базовой нагрузке в период минимума потребления электроэнергии, то бесполезно расходуется топливо и создаются чрезмерные выбросы.
[0004] Одной альтернативой работе газовой турбины при базовой нагрузке в период минимума потребления электроэнергии является простой останов газовой турбины и ее повторный запуск при увеличении потребления. Однако запуск и останов газовой турбины создает большие тепловые напряжения во многих ее компонентах, что приводит к увеличению объема ремонта и технического обслуживания. Кроме того, газовые турбины часто используются совместно с вспомогательным оборудованием в парогазовых установках. Например, к выходу турбины может быть подключен теплоутилизационный парогенератор для рекуперации тепла из отработавших газов для повышения общей эффективности газовой турбины. Таким образом, останов газовой турбины в периоды минимума потребления электроэнергии также требует останова соответствующего вспомогательного оборудования, что еще больше увеличивает затраты, связанные с остановом газовой турбины.
[0005] Другим решением для работы газовой турбины в период минимума потребления электроэнергии является работа газовой турбины в режиме пониженной мощности. В существующих режимах пониженной мощности газовая турбина продолжает работать с частотой вращения, необходимой для выработки электрического тока требуемой частоты, а расход топлива и воздуха в камерах сгорания уменьшается для уменьшения объема продуктов сгорания, создаваемых в камерах сгорания, при этом уменьшается объем вырабатываемой газовой турбиной электроэнергии. Однако рабочий диапазон типовых компрессоров ограничивает степень уменьшения расхода воздуха, что ограничивает степень возможного уменьшения расхода топлива при сохранении оптимального состава топливо-воздушной смеси. На низких рабочих уровнях одна или более форсунок в каждой камере сгорания работают вхолостую путем прекращения подачи топлива к работающим в холостую форсункам. Снабжаемые топливом форсунки продолжают выполнять смешивание топлива со сжатой рабочей текучей средой, а работающие вхолостую форсунки просто подводят сжатую рабочую текучую среду в камеру воспламенения без топлива для сгорания. Режим пониженной мощности обеспечивает достаточное количество газообразных продуктов сгорания для работы турбины и генератора с требуемой частотой вращения для выработки электрического тока требуемой частоты, а работающие вхолостую форсунки обеспечивают уменьшение потребления топлива. При увеличении потребления энергии может быть восстановлена подача топлива ко всем форсункам для эксплуатации газовой турбины при расчетной базовой нагрузке.
[0006] Существующие режимы пониженной мощности ограничены возможной величиной уменьшения мощности. Например, сжатая рабочая текучая среда, проходящая через работающие вхолостую форсунки в режиме пониженной мощности, смешивается с газообразными продуктами сгорания, поступающими от снабжаемых топливом форсунок, и приводит к преждевременному подавлению сгорания топлива в камере воспламенения. Неполное сгорание топлива увеличивает выбросы оксида углерода, которые могут превысить предельно допустимые значения. В результате минимальный рабочий уровень в существующих режимах пониженной мощности должен составлять 40-50% от расчетной базовой нагрузки для обеспечения соответствия предельно допустимым значениям выбросов оксида углерода и оксидов азота.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0007] Аспекты и преимущества изобретения изложены в последующем описании, или могут быть очевидны из описания, или могут быть определены при реализации изобретения.
[0008] В одном варианте выполнения настоящего изобретения предлагается камера сгорания, которая содержит торцевую крышку, камеру воспламенения, расположенную за торцевой крышкой, и форсунки, расположенные радиально в торцевой крышке. Закрепленный колпак окружает по меньшей мере одну из указанных форсунок и проходит за указанную по меньшей мере одну форсунку в камеру воспламенения. Закрепленный колпак имеет внутреннюю поверхность стенки и наружную поверхность стенки. Центральный корпус форсунки в закрепленном колпаке проходит за указанную по меньшей мере одну форсунку в камеру воспламенения.
[0009] Еще в одном варианте выполнения настоящего изобретения предлагается камера сгорания, которая содержит торцевую крышку, камеру воспламенения, расположенную за торцевой крышкой, и форсунки, расположенные радиально в торцевой крышке. Закрепленный колпак окружает по меньшей мере одну из указанных форсунок и проходит за указанную по меньшей мере одну форсунку в камеру воспламенения. Закрепленный колпак содержит трубку с двойной стенкой. Центральный корпус форсунки в закрепленном колпаке проходит за указанную по меньшей мере одну форсунку в камеру воспламенения.
[0010] В другом варианте выполнения настоящего изобретения предлагается способ эксплуатации камеры сгорания. Данный способ включает подачу рабочей текучей среды через форсунки в камеру воспламенения и подачу топлива через каждую форсунку первого подмножества форсунок в камеру воспламенения. Данный способ дополнительно включает воспламенение топлива, поступающего из каждой форсунки первого подмножества форсунок, в камере воспламенения. Кроме того, данный способ включает прохождение в камеру воспламенения отдельного закрепленного колпака вокруг каждой форсунки второго подмножества форсунок и прекращение подачи топлива к каждой форсунке второго подмножества форсунок.
[0011] Специалистам в данной области техники станут более понятны признаки и аспекты этих вариантов выполнения, а также других вариантов выполнения, после изучения описания.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0012] Полное и достаточное описание настоящего изобретения, включающее наилучший вариант выполнения, предназначенное для специалистов в данной области техники, приведено ниже со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:
[0013] фиг.1 изображает упрощенный продольный разрез газовой турбины в пределах объема настоящего изобретения;
[0014] фиг.2 изображает вид в аксонометрии камеры сгорания, показанной на фиг.1, с удаленной для наглядности обшивкой;
[0015] фиг.3 изображает вид в аксонометрии камеры сгорания, показанной на фиг.2, работающей в конкретном режиме пониженной мощности;
[0016] фиг.4 изображает вид в аксонометрии колпака, показанного на фиг.3;
[0017] фиг.5 изображает вид сбоку центрального корпуса форсунки и закрепленного колпака в соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения; и
[0018] фиг.6, 7, 8 и 9 изображают работающие вхолостую и снабжаемые топливом форсунки в конкретных режимах пониженной мощности в пределах объема настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0019] Далее подробно описаны представленные варианты выполнения настоящего изобретения, один или более примеров которых проиллюстрированы на сопроводительных чертежах. В подробном описании используются численные и символьные буквенные обозначения для обозначения элементов на чертежах. Подобные или одинаковые обозначения на чертежах и в описании используются для обозначения подобных или одинаковых элементов изобретения.
[0020] Каждый пример предназначен для описания изобретения, а не для его ограничения. При этом специалистам в данной области техники очевидно, что в настоящем изобретении могут быть выполнены модификации и изменения без отклонения от объема или сущности изобретения. Например, признаки, раскрытые или описанные как часть одного варианта выполнения, могут использоваться в другом варианте выполнения для получения еще одного варианта выполнения. Таким образом, подразумевается, что данное изобретение распространяется на подобные модификации и изменения в пределах объема прилагаемых пунктов формулы изобретения и их эквивалентов.
[0021] На фиг.1 показан упрощенный продольный разрез газовой турбины 10 в пределах объема настоящего изобретения. Газовая турбина 10 в целом включает компрессор 12 в передней части, одну или несколько камер 14 сгорания в средней части и турбину 16 в задней части. Компрессор 12 и турбина 16 обычно содержат общий ротор 18.
[0022] Компрессор 12 сообщает кинетическую энергию рабочей текучей среде (воздуху) путем ее сжатия для придания ей состояния с высоким уровнем энергии. Сжатая рабочая текучая среда покидает компрессор 12 и проходит через выпускную камеру 20 повышенного давления компрессора в камеры 14 сгорания. Каждая камера 14 сгорания в целом включает торцевую крышку 22, несколько форсунок 24 и обшивку 26, которая ограничивает камеру 28 воспламенения, расположенную за торцевой крышкой 22. Форсунки 24 обеспечивают смешивание топлива со сжатой рабочей текучей средой, и данная смесь воспламеняется в камере 28 воспламенения с образованием газообразных продуктов сгорания, имеющих высокую температуру, давление и скорость. Газообразные продукты сгорания проходят через переходной элемент 30 в турбину 16, в которой они расширяются для выполнения работы.
[0023] На фиг.2 показан вид в аксонометрии камеры 14 сгорания, показанной на фиг.1, с удаленной для наглядности обшивкой 26. Как показано, торцевая крышка 22 обеспечивает конструктивную опору для форсунок 24. Форсунки 24 в целом расположены радиально в торцевой крышке 22 различным образом, например, как показано на фиг.2, пять форсунок вокруг одной форсунки. К дополнительным расположениям в пределах объема настоящего изобретения относится расположение шести или семи форсунок вокруг одной форсунки или любое другое подходящее расположение в зависимости от проектных требований. Форсунки 24 могут иметь одинаковые или разные диаметры, как показано на фиг.2.
[0024] При работе с базовой мощностью каждая форсунка 24 обеспечивает смешивание топлива со сжатой рабочей текучей средой. Смесь воспламеняется за торцевой крышкой 22 в камере 28 воспламенения с образованием газообразных продуктов сгорания. В периоды уменьшенного потребления энергии камеры 14 сгорания могут работать в режиме пониженной мощности, в котором одна или более форсунок 24 работают вхолостую путем прекращения подачи топлива к ним.
[0025] На фиг.3 показан вид в аксонометрии 14 камеры сгорания, показанной на фиг.2, работающей в конкретном режиме пониженной мощности для конкретного расположения удлиненных форсунок. В указанном режиме и расположении форсунок три форсунки являются снабжаемыми топливом форсунками 32, а три форсунки являются работающими вхолостую форсунками 34. Через снабжаемые топливом форсунки 32 проходит топливо и сжатая рабочая текучая среда, а через работающие вхолостую форсунки 34 проходит только сжатая рабочая текучая среда. Кроме того, каждую работающую вхолостую форсунку 34 окружает колпак 36, который проходит за каждую форсунку 34 в камеру воспламенения. Колпаки 36 могут быть неподвижно прикреплены к работающим вхолостую форсункам 34 и/или к торцевой крышке 22. Каждый колпак 36 направляет сжатую рабочую текучую среду через часть камеры воспламенения для предотвращения преждевременного подавления горения работающими вхолостую форсунками 34. При возрастании энергопотребления камера 14 сгорания может вернуться к уровням базовой мощности путем восстановления потока топлива к форсункам 34 и воспламенения топливной смеси в камере воспламенения.
[0026] На фиг.4 показан вид в аксонометрии колпака 36, показанного на фиг.3. Колпак 36 может быть выполнен из любого сплава, сверхпрочного сплава, сплава с керамическим покрытием или другого подходящего материала, выдерживающего температуры горения более 2800-3000°F (1538-1648°С). Колпак 36 может быть выполнен в виде конструкции с несколькими стенками, в которой внутренняя поверхность 38 стенок обращена к соответствующей работающей вхолостую форсунке, наружная поверхность 40 стенок обращена от указанной форсунки, а между внутренней и наружной поверхностями 38, 40 стенок расположена полость 42. В альтернативных вариантах выполнения колпак 36 может быть выполнен в виде конструкции с одной стенкой, в которой внутренняя и наружная поверхности 38, 40 стенки являются просто противоположными сторонами одной стенки. Независимо от конструкции колпак 36 может иметь несколько отверстий 44 диаметром равным приблизительно 0,02-0,05 дюйма (0,05-0,13 см) в любой или обеих внутренней и наружной поверхностях 38, 40 стенок.
[0027] Через полость 42 и/или отверстия 44 может подаваться охлаждающая текучая среда для охлаждения поверхностей 38, 40 колпака 36. Подходящие охлаждающие текучие среды включают пар, воду, отводимую сжатую рабочую текучую среду и воздух. Для охлаждения колпака 36 могут использоваться другие, известные специалистам в данной области техники, конструкции и способы. Например, в патентном документе США 2006/0191268 описан способ и устройство для охлаждения форсунок газовой турбины, которые также могут быть использованы для охлаждения колпаков.
[0028] Диаметр каждого колпака 36 немного больше диаметра соответствующей работающей вхолостую форсунки, и колпак может иметь цилиндрическую форму, как показано, или может иметь сужающуюся или расширяющуюся форму в зависимости от конкретного варианта выполнения и проектных требований. Длина колпака 36 должна быть достаточной для прохождения колпака достаточно далеко в камеру воспламенения с целью предотвращения смешивания газообразных продуктов сгорания, поступающих от снабжаемых топливом форсунок, и сжатой рабочей текучей среды, поступающей от работающих вхолостую форсунок, и преждевременного подавления горения. Подходящая длина может составлять 3, 5, 7 дюймов (7,6; 12,7; 17,8 см) или более в зависимости от конкретной конструкции камеры сжигания и предполагаемого режима пониженной мощности.
[0029] На фиг.5 показан вид сбоку закрепленного колпака 46 и центрального корпуса 48 форсунки в соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения. Как показано на фиг.5, закрепленный колпак 46 и центральный корпус 48 форсунки проходят за торцевую крышку 22 в камеру воспламенения. При работе в режиме пониженной мощности сжатый воздух продолжает поступать через смешивающие или создающие вихревой поток лопасти 50, а также через закрепленный колпак 46 в камеру воспламенения, однако, подача потока топлива к этой форсунке прекращена. При работе с базовой нагрузкой подачу топлива к этой форсунке восстанавливают, при этом центральный корпус 48 форсунки повышает устойчивость пламени у конца колпака 46.
[0030] В варианте выполнения, показанном на фиг.5, предложена ступенчатая камера сгорания, которая может обеспечить дополнительное преимущество в выбросах по сравнению с традиционными одноступенчатыми камерами сгорания. Например, при работе при минимуме нагрузки или в режиме пониженной нагрузки закрепленный колпак 46 препятствует смешиванию сжатого воздуха, поступающего от работающих вхолостую форсунок, с газообразными продуктами сгорания, поступающими от снабжаемых топливом форсунок, и предотвращает преждевременное гашение, при этом снижаются выбросы оксида углерода при работе в режиме пониженной мощности. При работе в режиме базовой нагрузки центральный корпус 48 форсунки поддерживает пламя у конца закрепленного колпака. Такое решение может уменьшить выбросы оксидов азота при работе в режиме пониженной мощности благодаря уменьшению продолжительности горения в камере воспламенения. Кроме того, при работе в режиме базовой нагрузки удлиненный центральный корпус 48 форсунки распределяет выделение тепла по длине камеры воспламенения, что может привести к уменьшению пульсаций давления, возникающих обычно в камерах сгорания и вызывающих предварительное смешивание сжатой рабочей текучей среды с топливом до процесса сгорания.
[0031] На фиг.6, 7, 8 и 9 показаны снабжаемые топливом форсунки 32 и работающие вхолостую форсунки 34 в конкретных режимах пониженной мощности в пределах объема настоящего изобретения. Заштрихованные круги на каждом чертеже представляют снабжаемые топливом форсунки 32, а незаштрихованные круги представляют работающие вхолостую форсунки 34.
Закрепленный колпак, как показано на фиг.4 и 5, окружает каждую работающую вхолостую форсунку 34 и проходит за каждую форсунку 34 в камеру воспламенения.
[0032] На фиг.6 пять форсунок, расположенных по периметру, являются снабжаемыми топливом форсунками 32, а центральная форсунка является работающей вхолостую форсункой. В показанном режиме пониженной мощности температура на выходе камеры сгорания может быть снижена почти на 70°F (39°С) без превышения требований по выбросам. На фиг.7, 8 и 9 дополнительные форсунки работают вхолостую для еще большего снижения энергопотребления в режиме пониженной мощности. В каждом режиме пониженной мощности, показанном на фиг.6, 7, 8 и 9, сжатая рабочая текучая среда, поступающая от компрессора, проходит через каждую форсунку 32, 34. На чертежах показано, что первое подмножество форсунок используется в качестве снабжаемых топливом форсунок 32, при этом они продолжают получать топливо для обеспечения процесса сгорания в камере воспламенения. На чертежах, показано, что второе подмножество форсунок используется в качестве работающих вхолостую форсунок 34 путем прекращения подачи к ним потока топлива, при этом каждая работающая вхолостую форсунка 34 окружена колпаком, проходящим за форсунку 34 в камеру воспламенения.
[0033] Камеру сгорания в соответствии с объемом настоящего изобретения могут использовать в режиме пониженной мощности следующим образом. Поток сжатой рабочей текучей среды могут подавать через каждую форсунку в камеру воспламенения. Поток топлива могут подавать через первое подмножество форсунок (т.е. снабжаемых топливом форсунок) в камеру воспламенения и воспламенять в ней. Один или более закрепленных колпаков могут проходить вокруг каждой форсунки во втором подмножестве форсунок (т.е. работающих вхолостую форсунок), при этом подача топлива к каждой работающей вхолостую форсунке может быть прекращена. При необходимости каждый колпак может охлаждаться, например, паром, водой, отводимой сжатой рабочей текучей средой и/или воздухом через отверстия, расположенные в каждом колпаке.
[0034] Камера сгорания может переключаться на режим работы с базовой нагрузкой путем подачи топлива через каждую ранее работающую вхолостую форсунку в камеру воспламенения и воспламенения топлива, поступающего от каждой ранее работающей вхолостую форсунки в камеру воспламенения. Колпаки остаются проходящими за ранее работающие вхолостую форсунки в камеру воспламенения.
[0035] В изложенном описании для раскрытия изобретения используются примеры, включающие предпочтительные варианты выполнения, а также позволяющие любому специалисту в данной области техники реализовать изобретение, включая выполнение и использование любых устройств или систем, а также выполнение любых способов. Объем настоящего изобретения определен формулой изобретения, при этом он может включать другие примеры, очевидные специалистам в данной области техники. Такие примеры входят в объем формулы изобретения, если они содержат конструктивные элементы, которые не отличаются буквальных формулировок пунктов формулы изобретения, или если они содержат эквивалентные конструктивные элементы с несущественными отличиями от буквальных формулировок пунктов формулы изобретения.