ПРОДУВКА МАГИСТРАЛИ РЕЦИРКУЛЯЦИИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ
BLOWING OF MAIN SPENT GAS RECIRCULATION PIPELINE IN GAS TURBINE

Настоящее изобретение относится к продувке магистрали рециркуляции отработавших газов газовой турбины с рециркуляцией отработавших газов. Изобретение относится к способу для продувки магистрали рециркуляции отработавших газов, а также газовой турбине для осуществления этого способа.
Для уменьшения потерь мощности и степени уменьшения производительности газовых турбин и энергетических установок комбинированного цикла с отделением диоксида углерода в публикациях предложены различные пути повышения парциального давления диоксида углерода перед отделением.
x
Рециркуляция отработавших газов является технологией, которую в газовых турбинах можно использовать для разных целей. Так, она может использоваться для контроля эмиссии NO путем подачи всасываемого газа с уменьшенной реакционной способностью, например газа, обычно с уменьшенным по сравнению со свежим воздухом содержанием кислорода, или для уменьшения объема отработавших газов, от которых отделяют диоксид углерода. В процессе рециркуляции отработавшего газа в газовой турбине значительная часть этого отработавшего газа отделяется от общего потока отработавшего газа и, обычно после охлаждения, а при необходимости после скрубберной очистки, снова подается во всасываемый массовый поток турбины, или компрессор газовой турбины. С этой целью рециркулирующий поток отработавшего газа смешивается со свежим воздухом, и затем эта смесь подается в компрессор. Соответствующая энергетическая установка с газовой турбиной и рециркуляцией отработавшего газа известна, например, из WO 2010/072710.
В HRSG (heat recovery steam generator - парогенераторе на вторичном тепле или паровом котле на отходящем тепле) и в каналах для выхода отработавшего газа из газовой турбины при отключении установки могут накапливаться остатки топлива. Эти остатки топлива удаляются из указанных объемов способом так называемой продувки паровых котлов перед повторным запуском установки. Цель этой меры безопасности состоит в освобождении каналов отработавших газов и HRSG от остатков топлива и взрывоопасных газовых смесей, а также в предотвращении возможных взрывов при запуске. Продувка паровых котлов осуществляется путем приведения в действие валопровода, пусковым устройством, на небольшой скорости и при небольшом массовом потоке, в результате этого остаточное топливо удаляется из установки через выхлопную трубу.
В случае газовых турбин с рециркуляцией отработавших газов, остатки топлив могут также накапливаться в магистралях рециркуляции отработавших газов и вспомогательных системах рециркуляции отработавших газов, таких как обратные охладители, водоотделители и т.д., при отключении установки. Перед повторным запуском или перед проведением проверки или ремонта этих магистралей и вспомогательных систем они должны подвергаться продувке, например, свежим воздухом.
Магистрали рециркуляции отработавших газов предпочтительно продуваются в направлении, противоположном направлению потока при нормальном режиме работы. Следовательно, продувочный воздух может отводиться через обычную выхлопную трубу. Безусловно, кроме того, могут иметься остатки горючих газов, которые не попадают из парового котла в магистрали рециркуляции отходящих газов, и которые требуют дополнительного времени на продувку или даже обеспечения циркуляции.
2
В EP 2060772 предложены система и способ продувки магистралей рециркуляции отработавших газов. В этом документе предложены дополнительные клапаны и, например, дополнительный вентилятор для рециркуляции отработавших газов, позволяющие продувать магистраль рециркуляции отработавших газов. Большое число клапанов и дополнительный вентилятор увеличивают расходы и потребляемую мощность для процесса продувки и, как следствие, это приводит к снижению конкурентоспособности таких установок, осуществляющих и отделение CO.
Следовательно, задача изобретения состоит в создании способа, благодаря которому обеспечивается надежная продувка магистралей рециркуляции отработавших газов без использования дополнительных нагнетательных вентиляторов. Кроме того, задача состоит в создании газовой турбины, которая может использоваться для надежной продувки магистралей рециркуляции отработавших газов без применения дополнительных вентиляторов. В данном случае, к тому же, должно быть сведено до минимума число дополнительных клапанов, вентилей и труб.
Указанные задачи решаются совокупностью признаков независимых пунктов 1 и 15 формулы изобретения. Соответствующий изобретению способ отличается тем, что для продувки магистрали рециркуляции отработавших газов используется поток, выпускаемый из компрессора.
Во время работы компрессора при скорости вращения, которая существенно ниже номинальной скорости вращения (устойчивое снижение ниже номинальной скорости вращения почти на 20%), т.е. во время запуска, отключения и продувки парового котла часть поступившего в компрессор воздуха должна выпускаться.
Для этого частично сжатый воздух выходит из компрессора через камеру повышенного давления и, например, выпускается непосредственно в окружающую среду или направляется через магистрали в канал для отработавшего газа газовой турбины и выпускается через выхлопную трубу.
Для продувки парового котла газовая турбина обычно работает со скоростью вращения, которая существенно ниже номинальной скорости вращения. Иными словами, газовые турбины работают в диапазоне скоростей вращения, при которых воздух выдувается из компрессора. Такой диапазон составляет, например, от 20% до 50% номинальной скорости вращения, причем для больших газовых турбин номинальная скорость вращения, например, равна промышленной частоте. Для продувки паровых котлов генератор, обычно с помощью преобразователя частоты, называемого обычно SFC (static frequency converter - статический преобразователь частоты) работает как мотор, который приводит в действие газовую турбину.
В зависимости от конструкции компрессора и скорости вращения значительная часть засасываемого компрессором потока выпускается через выпускные вентили во время продувки парового котла. Выдуваемая доля может достигать 60% - в особых случаях даже больше - от всасываемого компрессором потока. Подлежащий выдуванию массовый поток обычно пропорционален коэффициенту давления компрессора в период максимальной нагрузки, а всасываемый компрессором поток пропорционален скорости вращения, при которой массовый поток выпускается. Поскольку давление в камере повышенного давления компрессора превышает атмосферное давление, этот массовый поток может использоваться полностью или частично для продувки магистралей рециркуляции отработавших газов. Для этого предусмотрена по меньшей мере одна соединительная магистраль с управляющим элементом, проходящая от камеры повышенного давления компрессора к магистрали рециркуляции отработавших газов.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения выпускаемый воздух подается в конечную область магистрали рециркуляции отработавших газов и выходит на другом конце магистрали рециркуляции отработавших газов. По практическим соображениям, подать выпускаемый воздух непосредственно в конец магистрали рециркуляции отработавших газов было бы трудно. Предпочтительна подача в конечную область, т.е. обычно в ту часть, которая находится на расстоянии максимум от 10 до 20% от указанного конца магистрали, чтобы исключить образование больших мертвых зон в конце магистрали и обеспечить четко выраженное направление потока.
В одном из вариантов осуществления выпускаемый воздух подается на другой конец магистрали рециркуляции отработавших газов, который открыт во впускной канал компрессора газовой турбины. Оттуда выдуваемый воздух по магистрали рециркуляции отработавших газов движется в направлении, противоположном потоку рециркуляции во время нормальной работы газовой турбины, и выходит на первом конце магистрали рециркуляции отработавших газов. Первым концом магистрали рециркуляции отработавших газов является конец, которым магистраль рециркуляции отработавших газов соединена с каналом отработавших газов газовой турбины. Это соединение скомбинировано с управляющим элементом, например, таким, как управляющий клапан.
В процессе продувки после протекания через магистраль рециркуляции отработавшего газа выпускаемый воздух направляется из первого конца магистрали рециркуляции отработавших газов непосредственно или опосредованно в выхлопную трубу.
Поступление выпускаемого из магистрали рециркуляции воздуха во всасываемый компрессором поток регулируется управляющим элементом, установленным между местом, в котором выпускаемый воздух входит в магистраль рециркуляции отработавших газов, и вторым концом магистрали рециркуляции отработавших газов. Этим управляющим элементом является, как правило, клапан или вентиль.
Этот управляющий элемент позволяет также регулировать соотношение между выпускаемым воздухом, который движется ко второму концу магистрали рециркуляции отработавших газов, и выпускаемым воздухом, который движется к первому концу магистрали рециркуляции отработавших газов. Например, в течение короткого промежутка времени выпускаемый воздух продувается через второй конец магистрали рециркуляции отработавших газов во впускной канал компрессора и затем продувает магистраль рециркуляции отработавших газов в направлении первого конца. Период времени продолжительностью от нескольких секунд до нескольких минут должен рассматриваться в данном случае коротким периодом, обычно он равен от примерно десятой части до пятой части времени продувки парового котла.
В еще одном варианте осуществления первая порция выпускаемого воздуха подается в магистраль рециркуляции отработавших газов для продувки, а вторая порция выпускаемого воздуха подается через выпускную магистраль в каналы для отработавших газов и обычно в HRSG.
В еще одном варианте осуществления выпускаемый воздух из первого выхода компрессора направляется в магистраль рециркуляции отработавших газов для продувки, а выпускаемый воздух из второго выхода компрессора подается через выпускную магистраль в каналы отработавших газов и, следовательно, обычно в HRSG.
В дополнение к способу, объектом изобретения является газовая турбина с рециркуляцией, в которой возможна продувка магистрали рециркуляции отработавших газов выпускаемым из компрессора воздухом.
Соответствующая изобретению газовая турбина с магистралью рециркуляции отработавших газов, которая соединяет канал отработавших газов газовой турбины с впускным каналом компрессора для возврата отработавших газов во впускной поток компрессора, имеет по меньшей мере одну продувочную магистраль, которая соединяет выход компрессора с магистралью рециркуляции отработавших газов.
В этой продувочной магистрали обычно предусмотрен продувочный вентиль для регулирования продувочного массового потока. Это позволяет регулировать выпускной поток, которым магистраль рециркуляции отработавших газов продувается выпускаемым воздухом. Этот продувочный вентиль может устанавливаться последовательно с обычными выпускными вентилями или замещать их и их функцию, иными словами, может закрывать выпускную систему во время нормального режима работы газовой турбины и открывать выпускную систему при запуске и отключении газовой турбины.
Кроме того, выпускная магистраль может соединять выход компрессора, с которым соединена продувочная магистраль, с каналом отработавших газов газовой турбины. Это дает возможность использовать часть выпускаемого воздуха для обратной продувки магистрали рециркуляции отработавших газов и позволяет направлять другую часть через выпускную магистраль в канал отработавших газов. К тому же, таким образом можно предотвратить попадание выходящих из компрессора и имеющих высокое давление и высокую температуру газов в магистраль рециркуляции отработавших газов во время отключения газовой турбины или по время аварийной остановки турбины. В данном случае продувочный вентиль остается закрытым, а выпускной вентиль открыт, как и в случае обычной газовой турбины при ее отключении. Также преимущество при запуске может быть обеспечено, если после продувки закрывают продувочный вентиль и выпускаемый воздух выпускают при переходе на рабочий режим только лишь через выпускную магистраль. Для отдельного управления системой продувки выпускной вентиль устанавливают согласно одному из вариантов осуществления в выпускной магистрали.
В еще одном варианте осуществления предусмотрена по меньшей мере одна вторая выпускная магистраль из второго выхода компрессора, который соединяет ее с каналом для отработавших газов газовой турбины.
Обычно в магистрали рециркуляции отработавших газов газовой турбины с рециркуляцией отработавших газов предусмотрен рециркуляционный вентилятор, который способствует возвращению отработавших газов во входной поток компрессора. В процессе продувки направление потока противоположно направлению потока во время нормального режима работы, и рециркуляционный вентилятор усиливает падение давления. Для предотвращения этого дополнительного падения давления рециркуляционный вентилятор в одном из вариантов осуществления соединен со своим приводом через муфту. Эта муфта позволяет отсоединить рециркуляционный вентилятор во время процесса продувки, поэтому он может вращаться в режиме свободного хода в обратную сторону относительно нормального направления вращения и, следовательно, снижение им давления уменьшается.
В еще одном варианте осуществления рециркуляционный вентилятор имеет поворотные направляющие лопатки и рабочие лопатки. Для уменьшения сопротивления потоку они могут быть переведены в открытое положение. В альтернативном варианте они могут быть установлены так, что рециркуляционный вентилятор работает в направлении, противоположном нормальному направлению потока, что способствует продувке.
Большие рециркуляционные вентиляторы обычно приводятся в действие управляемым мотором. В одном из альтернативных вариантов осуществления благодаря управляющему устройству мотор вращается в направлении, противоположном нормальному направлению вращения, чтобы рециркуляционный вентилятор оказывал меньшее сопротивление потоку во время продувки или способствовал этой продувке.
Еще один вариант осуществления изобретения отличается тем, что процесс продувки осуществляется рециркуляционным вентилятором. Для обеспечения продувки магистрали рециркуляции отработавших газов поворотные направляющие лопатки и/или рабочие лопатки устанавливаются так, чтобы рециркуляционный вентилятор работал в противоположном нормальному его потоку направлении и, следовательно, продувал магистрали рециркуляции отработавших газов в противоположном нормальному потоку направлении воздухом, который отведен из впускного канала компрессора. В альтернативном варианте мотор рециркуляционного вентилятора может в регулируемом режиме приводиться в действие с возможностью вращения в противоположную относительно нормального вращения сторону, чтобы магистраль рециркуляции отработавших газов продувалась в режиме вращения в направлении, противоположном нормальному направлению, воздухом, который отведен из впускного канала компрессора. Для этих вариантов осуществления можно обойтись без продувочной магистрали и системы выпуска из компрессора в магистраль рециркуляции отработавших газов.
Далее изобретение поясняется более подробно на основании вариантов осуществления с использованием чертежей.
На чертежах:
фиг.1 показывает газовую турбину с HRSG и рециркуляцией отработавших газов, с магистралью выпуска в магистраль рециркуляции отработавших газов для продувки магистралей рециркуляции отработавших газов,
фиг.2 показывает газовую турбину с HRSG и рециркуляцией отработавших газов, с магистралью выпуска в магистраль рециркуляции отработавших газов для продувки магистралей рециркуляции отработавших газов и магистрали выпуска в HRSG.
Газовая турбина с HRSG и рециркуляцией отработавших газов показана на фиг.1. Показаны также магистрали и управляющие элементы для выпуска воздуха из компрессора в магистраль рециркуляции отработавших газов для продувки этой магистрали.
Газовая турбина включает в себя компрессор 2, камеру 3 сгорания и турбину 4. Воздух горения, который сжат в компрессоре 2,  подается в камеру 3 сгорания и там используется в процессе горения, а горячие газы сгорания затем расширяются в турбине 4. Полезная энергия, которая вырабатывается в турбине, преобразуется, например, генератором 5, который установлен на том же валу, в электрическую энергию.
Отработавшие газы, которые выходят из турбины 4, для оптимального использования энергии, все еще содержащейся в них, используются в HRSG 23 (парогенератор, работающий на вторичном тепле) или паровом котле, работающем на отходящем тепле для выработки пара для паровой турбины или других установок.
Входной поток 1 для компрессора 2 обычно подается через впускной канал. Свежий всасываемый воздух направляется в этом случае прежде всего через воздушный фильтр, установленный на входе. Вслед за этим воздушным фильтром в питающем воздухом канале впускного потока 1 для компрессора могут быть расположены звукоглушители. Питающее воздухом устройство с фильтром и звукоглушителями в последующем для простоты именуется как впускной канал компрессора.
В такой установке часть отработавших газов после прохождения HRSG 23 направляется в разделителе 11 потока, который может быть управляемым, в первый конец 16 магистрали 8 рециркуляции отработавших газов, через эту магистраль 8 рециркуляции отработавших газов, рециркулирует во впускной поток 1 компрессора. Для этого рециркулирующие отработавшие газы из второго конца 17 линии 8 рециркуляции отработавших газов поступают во впускной поток 1 компрессора, смешиваются со свежим всасываемым воздухом и таким образом возвращаются к впускной стороне компрессора 2. Часть отработавших газов, которая не была отделена, обычно направляется к установке для выделения диоксида углерода или отводится через выхлопную трубу 12 в окружающую среду.
Направленный обратно поток отработавших газов охлаждается до температуры несколько выше температуры окружающей среды в рециркуляционном охладителе 13 отработавших газов или теплообменнике, который может быть оборудован конденсатором. За этим рециркуляционным охладителем 13 отработавших газов может быть установлен рециркуляционный вентилятор 9, который, например, приводится в действие приводом 25 через муфту 24. В качестве привода обычно используется электромотор.
При нормальной работе всасываемый воздух смешивается с рециркулирующими отработавшими газами перед компрессором 2. В этом случае, первый выпускной вентиль 6 и продувочный вентиль 7 при нормальном режиме работы находятся в закрытом положении. К тому же управляющий элемент 10, посредством которого выходное отверстие магистрали 8 рециркуляции отработавших газов может соединяться с впускным каналом компрессора, открыто.
Для продувки магистрали 8 рециркуляции отработавших газов предусмотрена продувочная магистраль 20 от выхода компрессора 2 ко второму концу 17 магистрали 8 рециркуляции отработавших газов. Продувочная магистраль не впадает непосредственно во второй конец магистрали 8 рециркуляции отработавших газов, а отделена от впускного канала компрессора управляющим элементом 10. Для регулирования самого продувочного потока предусмотрен продувочный вентиль 7. Выпуск в канал 21 отработавших газов газовой турбины 14 возможен посредством первой выпускной магистрали 18. Для регулирования выпуска в канал 21 отработавших газов предусмотрен первый выпускной вентиль 6.
Для обеспечения продувки газовая турбина 14 доводится до продувочной скорости. С этой целью она обычно приводится в действие генератором 5, который работает как двигатель. Для обеспечения продувки магистрали 8 рециркуляции отработавших газов продувочный вентиль 7 открыт.Через продувочный вентиль 7 выпускаемый из компрессора 2 воздух движется по магистрали 8 рециркуляции отработавших газов в выхлопную трубу 12 и таким образом продувается магистраль 8 рециркуляции отработавших газов. Управляющий элемент 10 закрыт в течение, по меньшей мере, части периода продувки, чтобы выпускаемый воздух не мог попасть во всасываемый компрессором поток.
Посредством первого выпускного вентиля 6 можно разделять выпускаемый поток на часть, которая продувает магистраль рециркуляции отработавших газов, и часть, которая поступает в канал 21 отработавших газов. К тому же посредством первого выпускного вентиля 6 выпускается большое количество горячего воздуха, например, при аварийной остановке установки. Если выпуск предусмотрен через магистраль 8 рециркуляции отработавших газов, то эта магистраль 8 должна быть изготовлена в расчете на горячий воздух.
В зависимости от объема магистрали 8 рециркуляции отработавших газов и количеств выпускаемого воздуха, для продувки магистрали 8 рециркуляции отработавших газов достаточно использовать лишь часть выпускаемого воздуха.
Например, для продувки магистрали 8 рециркуляции отработавших газов используется воздух из первой камеры повышенного давления, например, следующей в компрессоре 2 за зоной низкого давления. Воздух же из второй камеры повышенного давления, например, следующей в компрессоре за зоной среднего давления, с другой стороны, через второй выпускной вентиль 15 и вторую выпускную магистраль 19 возвращается обратно непосредственно в канал 21 отработавших газов газовой турбины 14. Соответствующая компоновка показана схематически на фиг.2.
Все представленные преимущества достигаются не только в соответствующих раскрытых комбинациях, но также в других комбинациях или в отдельности без отклонения от объема изобретения. Например, вместо использования выпускаемого воздуха из одного выхода, как это показано на фиг.1 и 2, выпускаемый из множества выходов компрессора 2 воздух может объединяться и использоваться для продувки магистрали 8 рециркуляции отработавших газов.
Управление вентилями или клапанами описано в упрощенном виде. Это управление является типичным для управления в замкнутом контуре или управления в открытом контуре. Разные соответствующие управляющие элементы, такие, как клапаны или вентили, также известны специалистам в рассматриваемой области.
Выходом компрессора является обычно то место, из которого охлаждающий воздух для турбин и/или для охлаждения камер сгорания отбирается из компрессора. Продувочная магистраль 20 необязательно должна выходить непосредственно из компрессора, а может ответвляться от обычной выпускной магистрали или магистрали охлаждающего воздуха. Примеры показывают газовую турбину 14 с одной камерой сгорания. Изобретение соответственно применимо к газовым турбинам с последовательным сжиганием, которые известны, например, из EP 0718470.
Список условных обозначений
1 - всасываемый компрессором поток
2 - компрессор
3 - камера сгорания
4 - турбина
5 - генератор
6 - первый выпускной вентиль
7 - продувочный вентиль
8 - магистраль рециркуляции отработавших газов
9 - рециркуляционный вентилятор
10 - управляющий элемент
11 - разделитель потока
12 - выхлопная труба/магистраль для отделения С02
13 - рециркуляционный охладитель отработавших газов
14 - газовая турбина
15 - второй выпускной вентиль
16 - первый конец
17 - второй конец
18 - первая выпускная магистраль
19 - вторая выпускная магистраль
20 - продувочная линия
21, 22 - канал для отработавших газов
23 - HRSG
24 - муфта
25 - привод