СПОСОБ РАБОТЫ ГАЗОТУРБИННОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ С РЕЦИРКУЛЯЦИЕЙ ОТРАБОТАВШЕГО ГАЗА И СООТВЕТСТВУЮЩАЯ ГАЗОТУРБИННАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
METHOD FOR OPERATION OF GAS-TURBINE POWER PLANT WITH SPENT GAS RECYCLING AND CORRESPONDING GAS-TURBINE POWER PLANT

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к способу работы газотурбинной установки, имеющей два впускных потока с различными составами газа, и к газотурбинной установке, имеющей разделенный впуск компрессора.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Обычно газ, который является как можно более однородным, подают в компрессор газотурбинных установок для его сжатия. В применениях, в которых имеются газы с разным составом, их сначала смешивают и затем подают в компрессор. Например, при рециркуляции отработавших газов используют отработавший газ, который имеет состав газа, отклоняющийся от свежего воздуха. Рециркуляция представляет собой метод, который может в основном использоваться для самых разнообразных возможных целей в газотурбинных установках. Таким образом, например, для мониторинга выбросов, для уменьшения объема отработавших газов, для отделения диоксида углерода и т.д. При рециркуляции отработавших газов в газотурбинной установке значительная часть отработавшего газа отделяется от общего потока отработавших газов и обычно после охлаждения и очистки снова подается во впускной массовый поток турбины или в компрессор турбины. Состав отработавших газов в значительной степени отличается от состава свежего окружающего воздуха. Обычно подвергнутый рециркуляции поток отработавших газов смешивают со свежим воздухом из окружающей среды и данную смесь впоследствии подают в компрессор.
За счет рециркуляции отработавших газов парциальное давление диоксида углерода в отработавших газах предпочтительно может быть увеличено для уменьшения потерь мощности и уменьшения снижения кпд в энергетических установках с отделением диоксида углерода. Также была предложена рециркуляция отработавших газов с целью уменьшения содержания кислорода во всасываемых газах в газотурбинных установках, чтобы, тем самым, уменьшить выбросы NOx.
Для рециркуляции отработавших газов, например, в документе US 7536252 В1 описан способ регулирования рециркуляционного потока отработавших газов в турбомашине, который возвращают на впуск турбомашины посредством системы рециркуляции отработавших газов. В данном способе определяют заданную часть подвергаемых рециркуляции, отработавших газов, которая содержит часть потока отработавших газов, во впускном потоке турбомашины, и фактическую величину устанавливают на уровне заданной величины.
В документе ЕР 2248999 раскрыты энергетическая установка с рециркуляцией отработавших газов, а также способ работы энергетической установки данного типа, заключающийся в том, что скорость рециркуляции и температуру, до которой повторно охлаждают отработавшие газы, подвергаемые рециркуляции, регулируют в зависимости от нагрузки.
Как правило, предпочтительно обеспечить как можно более высокую скорость рециркуляции. Скорость рециркуляции, как правило, ограничена требованиями к камере сгорания, поскольку в противном случае содержание кислорода в газообразном топливе становится слишком низким, и невозможно будет обеспечить полное сгорание без выпуска СО и несгоревших углеводородов (UHC).
В уровне техники для обеспечения хорошего сгорания при низком содержании кислорода в газообразном топливе свежий воздух смешивают как можно более тщательно с подвергнутыми рециркуляции, отработавшими газами для получения однородной газовой смеси на впуске камеры сгорания. Смеситель, пригодный для смешивания свежего воздуха с подвергнутыми рециркуляции, отработавшими газами так, чтобы обеспечить малые потери давления, известен, например, из документа WO 2010/142573 А2.
Компоненты установки, предназначенные для обеспечения рециркуляции отработавших газов, такие как смеситель, линии рециркуляции, устройство для охлаждения отработавших газов, подвергнутых рециркуляции, и т.д., имеют большой размер, являются дорогостоящими и требуют дополнительного пространства в энергетической установке. Они также приводят к потерям давления и оказывают отрицательное влияние на выходную мощность и кпд энергетической установки.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Одна задача настоящего изобретения состоит в описании способа надежной работы газотурбинной установки, имеющей два впускных потока с разными составами газа, в котором максимизировано воздействие впускного потока с пониженным содержанием кислорода на горение. Газотурбинная установка, которая пригодна для реализации способа, также является предметом изобретения.
Раскрытый способ отличается тем, что в газотурбинной установке газ с пониженным содержанием кислорода и свежий воздух подают отдельно так, что наибольшая часть газа с уменьшенным содержанием кислорода достигает камеры сгорания газотурбинной установки, и свежий воздух подают так, что как можно большая его часть направляется мимо камеры сгорания. Газотурбинная установка содержит компрессор с поперечным сечением впуска, камеру сгорания, которая следует за компрессором и в которой сжатые газы сжигаются посредством топлива, и турбину, в которой горячие газообразные продукты сгорания расширяются.
То, что названо газом с пониженным содержанием кислорода, представляет собой газ, который имеет концентрацию кислорода, которая меньше средней концентрации кислорода в потоке на впуске в компрессор. Концентрация кислорода в газе с пониженным содержанием кислорода, как правило, по меньше мере, на 1% ниже по сравнению со средней концентрацией кислорода в потоке на впуске в компрессор, и концентрация кислорода в газе с пониженным содержанием кислорода предпочтительно по меньшей мере на 2% ниже, чем средняя концентрация кислорода в потоке на впуске в компрессор.
В соответствии с одним вариантом способа газ с пониженным содержанием кислорода и свежий воздух подают в компрессор радиально разделенным образом, при этом свежий воздух подают через наружную часть впускного поперечного сечения относительно оси вращения компрессора, и газ с пониженным содержанием кислорода подают через внутреннюю часть впускного поперечного сечения относительно оси вращения компрессора.
В соответствии с одним предпочтительным вариантом способа отработавшие газы газотурбинной установки разделяют на первый поток отработавших газов, предназначенный для рециркуляции во впускной поток газотурбинной установки, и на второй поток отработавших газов, предназначенный для выпуска в окружающую среду, и первый поток отработавших газов подают в виде газа с пониженным содержанием кислорода в компрессор через внутреннюю часть впускного поперечного сечения.
В соответствии с дополнительным предпочтительным вариантом способа по меньшей мере 95% первого потока отработавших газов, подвергнутого рециркуляции, направляют в камеру сгорания газотурбинной установки, так что данный процент влияет на сжигание.
Кроме того, свежий воздух может быть введен во впуск компрессора без его смешивания с первым потоком отработавших газов. В этом случае для охлаждения компонентов, подвергающихся воздействию горячего газа, по меньшей мере часть свежего воздуха, сжатого в компрессоре, отводят в виде охлаждающего газа.
Посредством данного способа можно избежать смешивания газа с пониженным содержанием кислорода с охлаждающим воздухом или по меньшей мере уменьшить подобное смешивание. Таким образом, концентрация кислорода в газах, которые достигают камеры сгорания, уменьшается по сравнению с обычным способом, в котором свежий воздух сначала смешивают с газом с пониженным содержанием кислорода и затем подают в компрессор. Это обеспечивает возможность использования массового расхода газа, который меньше по сравнению с массовым расходом по предшествующему уровню техники, и при этом газ имеет уменьшенную долю кислорода, что обеспечивает определенный эффект при сжигании.
Более низкий массовый расход газа с пониженным содержанием кислорода создает возможность уменьшения размера установки и, следовательно, расходов на установку и эксплуатационных затрат.
В соответствии с одним предпочтительным вариантом способа свежий воздух подают в компрессор через наружное круглое кольцо, и газ с пониженным содержанием кислорода подают через внутреннее круглое кольцо.
В соответствии с альтернативным предпочтительным вариантом способа первый поток отработавших газов вводят посредством питающих линий, расположенных по потоку перед впуском компрессора так, что они распределены в направлении вдоль окружности по периферии впускного канала концентрично относительно оси вращения компрессора. Это обеспечивает возможность регулирования количества отработавших газов, подвергнутых рециркуляции, без оказания сильного влияния на поле течения на впуске в компрессор, которое обусловлено «жесткой» геометрией, которая обеспечивает разделение впускного поперечного сечения.
Кроме того, в соответствии с одним вариантом способа содержание кислорода в газе, сжимаемом посредством компрессора и вводимом в камеру сгорания, поддерживают по меньшей мере на 3% более низким по сравнению со средним содержанием кислорода в охлаждающих газах, отводимых из компрессора.
В соответствии с альтернативным предпочтительным вариантом способа соотношение площадей, представляющее собой площадь соединения наружной части с проточным каналом компрессора к площади соединения внутренней части с проточным каналом компрессора, изменяют посредством регулирующего элемента. В данном случае соотношение площадей изменяют так, чтобы оно соответствовало изменениям в соотношении между подаваемым свежим воздухом и первым потоком отработавших газов, подвергнутым рециркуляции.
В соответствии с дополнительным предпочтительным вариантом способа обедненный газ подают в виде газа с пониженным содержанием кислорода в компрессор через внутреннюю часть впускного поперечного сечения компрессора.
Под обедненным газом понимается газовая смесь с концентрацией метана, составляющей менее 3 объемных процентов (процентов по объему). Концентрацию метана, как правило, поддерживают на уровне менее 2 объемных процентов. Обедненный газ образуется, например, при отсасывании газа из вентилируемых угольных шахт. Помимо метановой фракции обедненные газы, как правило, состоят главным образом из воздуха, который подают в шахту в целях вентилирования.
Обедненные газы обычно часто выпускают непосредственно в окружающую среду, что приводит к значительному загрязнению окружающей среды, поскольку метан представляет собой газ с сильным парниковым эффектом. Кроме того, энергосодержание метана теряется без его использования. За счет предлагаемой подачи в газотурбинную установку метан подвергается сжиганию с обеспечением выгоды.
В соответствии с дополнительным вариантом способа подвергнутый рециркуляции, первый поток отработавших газов и обедненный газ подают в компрессор через внутреннюю часть и свежий воздух подают через наружную часть.
В зависимости от принципа работы и газотурбинной установки для запуска газотурбинной установки и тогда, когда газотурбинная установка находится под частичной нагрузкой, рециркуляцию отработавших газов отключают или уменьшают. Это необходимо, например, для обеспечения стабильного сжигания с низким выпуском СО (сжигание с низким выпуском моноксида углерода) или - во время процесса воспламенения - для избежания рециркуляции несгоревшего топлива с его возвратом во впускной поток газотурбинной установки. В зависимости от разделения внутренней и наружной части впускного поперечного сечения смещенный впускной поток, поступающий в компрессор, может возникать при уменьшении потока отработавших газов, подвергнутого рециркуляции. В соответствии с одним вариантом способа для избежания данного смещенного потока при запуске газотурбинной установки или при работе газотурбинной установки с частичной нагрузкой свежий воздух смешивают с первым потоком отработавших газов перед его вводом в компрессор. Смешивание свежего воздуха регулируют посредством регулирующего элемента, например, посредством клапана или заслонки. Когда рециркуляция отработавших газов отключена, чистый свежий воздух может быть подан через данный регулирующий элемент во внутреннюю часть впускного поперечного сечения, так что обеспечивается равномерный поток по направлению к компрессору.
Помимо способа предметом изобретения является газотурбинная энергетическая установка, предназначенная для реализации данного способа. Газотурбинная энергетическая установка данного типа содержит газотурбинную установку с впуском компрессора, с компрессором, с камерой сгорания, следующей за компрессором, и с турбиной, следующей за камерой сгорания. В соответствии с изобретением впуск компрессора, за которым следует проточный канал компрессора, разделен на внутреннюю часть и наружную часть, при этом питающая линия для газа с пониженным содержанием кислорода соединена с внутренней частью впуска компрессора, и питающая линия для свежего воздуха соединена с наружной частью впуска компрессора. В этом случае газ с пониженным содержанием кислорода представляет собой газ, который имеет концентрацию кислорода, которая ниже средней концентрации кислорода в потоке на впуске в компрессор при работе газотурбинной установки.
В одном варианте осуществления газотурбинной энергетической установки газотурбинная энергетическая установка содержит устройство для разделения отработавших газов, которое соединено посредством линии рециркуляции с внутренней частью впуска компрессора для обеспечения рециркуляции первого потока отработавших газов и которое соединено с линией для отработавших газов для выпуска второго потока отработавших газов в окружающую среду. Подвергнутый рециркуляции, отработавший газ вводится в виде газа с пониженным содержанием кислорода в компрессор.
В дополнительном варианте осуществления газотурбинной энергетической установки внутренняя часть и наружная часть разделены направляющей пластиной впуска. В соответствии с еще одним дополнительным предпочтительным вариантом внутренняя часть и наружная часть впуска компрессора выполнены в виде концентричных круглых колец в соединении с проточным каналом компрессора.
Для обеспечения оптимального впускного потока, поступающего в компрессор, при расчетном режиме работы газотурбинной энергетической установки в соответствии с одним вариантом осуществления соотношение площадей, представляющее собой площадь соединения наружной части с проточным каналом компрессора к площади соединения внутренней части с проточным каналом компрессора, выбрано таким, чтобы оно было равно соотношению объемных расходов подаваемого свежего воздуха и подвергнутого рециркуляции, первого потока отработавших газов при расчетном режиме работы газотурбинной установки.
В дополнительном варианте осуществления газотурбинной энергетической установки предусмотрен регулирующий элемент, который обеспечивает изменение соотношения площадей, представляющих собой площади соединения, и который обеспечивает согласование указанного соотношения площадей с возможным изменением в соотношении между подаваемым свежим воздухом и подвергнутым рециркуляции, первым потоком отработавших газов. Для этого по меньшей мере одна пластина между питающей линией для свежего воздуха и питающей линией для подвергнутого рециркуляции, первого потока отработавших газов выполнена так, что она является гибкой или смещаемой.
Кроме того, в одном варианте осуществления впуск компрессора разделен на три или более частей, через которые свежий воздух или подвергнутый рециркуляции, отработавший газ могут избирательно подаваться в компрессор. В этом случае данные части предпочтительно расположены концентрично от внутренней части, расположенной рядом с осью вращения компрессора, наружу. Например, при увеличивающемся подвергнутом рециркуляции, первом потоке отработавших газов подвергнутый рециркуляции, отработавший газ подают, начиная от самой близкой к центру части последовательно в части, и подача свежего воздуха будет ограничена наружной частью или частями.
В одном варианте осуществления газотурбинной энергетической установки множество питающих каналов расположены так, что они распределены в направлении вдоль окружности по окружности концентрично относительно оси газотурбинной установки. Данные питающие каналы предусмотрены для ввода газа с пониженным содержанием кислорода во внутреннюю часть впуска компрессора в компрессоре рядом с осью вращения компрессора.
В дополнительном варианте осуществления газотурбинной энергетической установки предусмотрен регулирующий элемент, который обеспечивает возможность регулируемого смешивания свежего воздуха с подвергнутым рециркуляции, первым потоком отработавших газов. Данный регулирующий элемент, в который окружающий воздух подается по линии или воздуховоду, представляет собой, например, заслонку или клапан. Для компенсации потерь давления в регулирующем элементе или потерь давления при подаче и смешивании газодувка может быть предусмотрена в питающей линии.
Для осуществления лучшего отделения поступающего воздуха от подвергнутых рециркуляции, отработавших газов в компрессоре первый поток отработавших газов предпочтительно вводят при температуре, более высокой по сравнению с температурой свежего воздуха, со стороны внутренней периферии впуска компрессора, и свежий воздух вводят со стороны наружной периферии. Поскольку плотность подвергнутых рециркуляции, отработавших газов может поддерживаться более низкой по сравнению с плотностью свежего воздуха вследствие более высокой температуры, из-за наличия радиальной составляющей скорости потока и сопутствующих обусловленных большим объемом, центробежных сил, создаваемых свежим воздухом, разница в плотности приводит в компрессоре к «расслоению» в компрессоре или к уменьшению смешивания потока подвергнутых рециркуляции, отработавших газов и свежего воздуха в компрессоре.
Большая часть охлаждающего воздуха в газотурбинной установке, как правило, отводится от наружной стенки корпуса компрессора через точки отбора в компрессоре. Если в газотурбинной установке данного типа свежий воздух подают со стороны наружной периферии впуска компрессора и избегают смешивания со свежим воздухом, свежий воздух отбирается в компрессоре и направляется мимо камеры сгорания в виде охлаждающего газа, в то время как поток с низким содержанием кислорода остается в компрессоре и подается в камеру сгорания из выпуска компрессора.
Для уменьшения смешивания первого потока отработавших газов и свежего воздуха в компрессоре дополнительно предложена лопатка компрессора с сегментом разделяющего обода для газотурбинной установки с рециркуляцией отработавших газов. Данная лопатка компрессора имеет хвостовик лопатки и перо, при этом сегмент разделяющего обода расположен между хвостовиком лопатки и свободным концом пера, обращенным в сторону от хвостовика лопатки. Данный сегмент разделяющего обода, как правило, образует прямой угол с продольной осью лопатки. При нормальном установочном положении сегменты разделяющего обода у всех лопаток ступени компрессора образуют по существу замкнутое круглое кольцо, расположенное перпендикулярно к оси газотурбинной установки и препятствующее в компрессоре смешиванию подвергнутого рециркуляции, первого потока отработавших газов со свежим воздухом.
Сегменты разделяющего обода могут быть предусмотрены на направляющих лопастях и на подвижных лопатках. Вследствие наличия образующихся в результате увеличенных центробежных сил в одном варианте осуществления сегменты разделяющего обода предусмотрены только на направляющих лопастях.
В дополнительном варианте осуществления в случае по меньшей мере одной ступени компрессора сегменты разделяющего обода предусмотрены только на подвижных лопатках, и не предусмотрено никаких сегментов разделяющего обода на направляющих лопастях. Это может быть предпочтительным, например, в случае регулируемых направляющих лопастей, поскольку в случае регулирования положения направляющих лопастей сегменты разделяющего обода на направляющих лопастях заходили бы один на другой, или в том случае, если они имеют укороченную или скругленную форму для обеспечения возможности регулирования, они оказывали бы отрицательное влияние на аэродинамические характеристики ступени.
В дополнительном варианте осуществления сегменты разделяющего обода предусмотрены только до первой или до второй точки отбора в компрессоре, поскольку сжатый богатый кислородом, свежий воздух может эффективно отбираться из компрессора до данной точки.
Все разъясненные преимущества могут быть использованы не только в комбинациях, указанных в каждом случае, но также в других комбинациях или сами по себе без отхода от объема изобретения. Например, вместе использования газодувки для отработавших газов может быть предусмотрен бустер-компрессор.
Изобретение может применяться без ограничения для газотурбинных установок с камерой сгорания и для газотурбинных установок с последовательным сжиганием, таких как известны, например, из документа ЕР 0718470.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Предпочтительные варианты осуществления изобретения описаны ниже посредством чертежей, которые служат только для разъяснения и не должны интерпретироваться в ограничительном смысле. На чертежах:
фиг. 1 показывает схематическую иллюстрацию газотурбинной энергетической установки с рециркуляцией отработавших газов в соответствии с уровнем техники;
фиг. 2 показывает схематическую иллюстрацию газотурбинной энергетической установки с рециркуляцией отработавших газов и с коаксиальным введением отработавших газов и свежего воздуха в компрессор;
фиг. 3 показывает схематическую иллюстрацию разделенного впуска компрессора и компрессора газотурбинной энергетической установки с рециркуляцией отработавших газов;
фиг. 4 показывает схематическую иллюстрацию детали впуска компрессора и компрессора газотурбинной установки с рециркуляцией отработавших газов и с сегментами разделяющего обода на направляющих лопастях компрессора и подвижных лопатках компрессора;
фиг. 5 показывает схематическую иллюстрацию впуска компрессора и компрессора газотурбинной энергетической установки с рециркуляцией отработавших газов посредством множества питающих каналов, расположенных во впускном элементе компрессора в виде «окружности» вокруг оси газотурбинной установки.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Фиг. 1 показывает схематическую иллюстрацию существенных элементов газотурбинной энергетической установки. Газотурбинная установка 6 содержит компрессор 1, и воздух для горения, сжимаемый в нем, подается в камеру 4 сгорания и сжигается в ней посредством топлива 5. Горячие газообразные продукты сгорания впоследствии расширяются в турбине 7. Полезная энергия, генерируемая в турбине 7, затем превращается в электрическую энергию, например, посредством первого генератора 25, расположенного на том же валу 37.
Горячие отработавшие газы 8 выходят из турбины 7, и для оптимального использования энергии, по-прежнему имеющейся у них, используются в теплоутилизационном парогенераторе (HRSG) 9, предназначенном для утилизации отходящего тепла, для образования свежего пара 30 для паровой турбины 13 или для других установок. Полезная энергия, генерируемая в паровой турбине 13, затем преобразуется, например, в электрическую энергию посредством второго генератора 26, расположенного на том же валу 37. Контур циркуляции пара проиллюстрирован в данном примере в упрощенном виде и только схематически. Различные ступени давления, насосы для питательной воды и т.д. не показаны, поскольку данные элементы не являются предметом изобретения.
2
2
2
2
2
2
В такой установке отработавшие газы из теплоутилизационного парогенератора, предназначенного для утилизации отходящего тепла, разделяются на первый подпоток 21 отработавших газов и второй подпоток 20 отработавших газов за теплоутилизационным парогенератором 9, предназначенным для утилизации отходящего тепла, по ходу потока в устройстве 29 для разделения отработавших газов, которое может быть регулируемым. Первый подпоток 21 отработавших газов возвращается во впускную линию газотурбинной установки 6 и смешивается в ней со свежим воздухом 2. Невозвращаемый второй подпоток 20 отработавших газов выпускается в окружающую среду или, как в данном примере, дополнительно охлаждается посредством вторичного охладителя 23 для отработавших газов и подается в систему 18 отделения СО. Отработавшие газы 22 с малым содержанием СО выпускаются из данной системы в окружающую среду посредством дымовой трубы 32. Для компенсации потерь давления в системе 18 отделения СО и в линии для отработавших газов может быть предусмотрена газодувка 10 для отработавших газов. Углекислый газ СО 31, отделенный в системе 18 отделения СО, как правило, подвергается сжатию и отводится для хранения или дальнейшей обработки. Система 18 отделения СО снабжается посредством отбора пара паром, отводимым из паровой турбины 13.
Второй подпоток отработавших газов также может быть направлен непосредственно в дымовую трубу 32 посредством обводной линии 24 для прохода отработавших газов, имеющей перепускную заслонку 12.
Возвращаемый первый поток 21 отработавших газов охлаждается до температуры, немного превышающей температуру окружающей среды, во вторичном охладителе 27 для отработавших газов, который может быть оснащен конденсатором. За данным вторичным охладителем 27 для отработавших газов по ходу потока может быть расположена вспомогательная газодувка 11 или газодувка 11 для отработавших газов, предназначенная для рециркуляционного потока 21. Данный возвращаемый поток 21 отработавших газов смешивается со свежим воздухом 2 до того, как смесь будет подана в виде впускного потока через впуск 3 компрессора газотурбинной установки 6.
В отличие от фиг. 1, газотурбинная установка с последовательным сжиганием проиллюстрирована на фиг. 2. Способ может быть применен для газотурбинных установок с камерой сгорания и для газотурбинных установок с последовательным сжиганием. Также возможны соответствующие варианты для газотурбинных установок с камерой сгорания и для газотурбинных установок с последовательным сжиганием.
Фиг. 2 схематически показывает приведенный в виде примера вариант осуществления газотурбинной энергетической установки с впуском компрессора, который разделен на две части, при этом питающая линия для свежего воздуха 2 выходит в наружную часть 3' впуска 3 компрессора и питающая линия для потока 21 отработавших газов выходит во внутреннюю часть 3'' впуска 3 компрессора.
За двумя частями 3', 3'' впуска непосредственно следует проточный канал компрессора 1 с той стороны впуска 3 компрессора, которая обращена к компрессору. В данном случае наружная часть 3', предназначенная для свежего воздуха, выходит прямо в наружную кольцевую зону проточного канала, и внутренняя часть 3'', предназначенная для рециркуляции отработавших газов, выходит во внутреннюю кольцевую зону проточного канала.
Охлаждающий газ 33, 34 низкого давления и среднего давления отводится от радиальной наружной стенки компрессора 1 и подается к компонентам газотурбинной установки, подвергающимся воздействию горячего газа, в целях охлаждения. Кроме того, на конце компрессора охлаждающий газ 28 высокого давления отводится от радиальной наружной стенки компрессора или от примыкающего диффузора и подается к компонентам газотурбинной установки, подвергающимся воздействию горячего газа, в целях охлаждения. Для упрощения на фиг. 2 проиллюстрирована только подача охлаждающего газа к турбине 16 высокого давления и к турбине 17 низкого давления. Для упрощения подача охлаждающего газа к камерам 14, 15 сгорания не проиллюстрирована, хотя камера 14 сгорания ступени высокого давления, как правило, охлаждается охлаждающим воздухом 28 высокого давления, и камера 15 сгорания ступени низкого давления, как правило, охлаждается охлаждающим воздухом 34 среднего давления. Поскольку богатый кислородом, свежий воздух направляется в зону вне компрессора, большая часть указанного свежего воздуха направляется в виде охлаждающего газа 33, 34, 28 вокруг камер 14, 15 сгорания, в то время как подвергнутые рециркуляции, отработавшие газы с низким содержанием кислорода сжимаются в центральной зоне компрессора 1 до конца компрессора и поступают в камеру 14 сгорания ступени высокого давления. В результате разделения подачи газов во впускном элементе 3 компрессора большая часть подвергнутых рециркуляции, отработавших газов с низким содержанием кислорода направляется в камеру 14 сгорания ступени высокого давления. Таким образом, доля кислорода в газах, поступающих в камеру 15 сгорания ступени низкого давления, также заметно снижается по сравнению с установкой, в которой подвергнутые рециркуляции, отработавшие газы 21 смешиваются со свежим воздухом 2.
Для обеспечения равномерного профиля скоростей в потоке, поступающем в компрессор, при различных рабочих состояниях газотурбинной установки и соответствующих изменениях доли подвергнутого рециркуляции, отработавшего газа 21 и количества, поступающего на впуск компрессора, в приведенном в виде примера варианте осуществления, показанном на фиг. 2, предусмотрен регулирующий элемент 42, посредством которого свежий воздух 2 добавляется к первому потоку 21 отработавших газов до того, как указанный свежий воздух будет введен в компрессор 1 через внутреннюю часть 3'' впуска 3 компрессора.
Фиг. 3 схематически показывает приведенный в виде примера вариант осуществления разделенного впуска компрессора и компрессора газотурбинной энергетической установки с рециркуляцией отработавших газов. В показанном примере впуск 3 компрессора разделен направляющей пластиной 45 впуска на наружную часть 3', предназначенную для свежего воздуха 2, и внутреннюю часть 3'', предназначенную для подвергнутых рециркуляции, отработавших газов 21. Данное разделение впуска 3 компрессора приводит к получению по существу коаксиальных впускных потоков подвергнутого рециркуляции, отработавшего газа 21 и свежего воздуха, поступающих в компрессор 1. В показанном примере подвергнутые рециркуляции, отработавшие газы 21 сжимаются в компрессоре 1 посредством кольцевого пространства, соседнего с валом 37, с внутренней стороны. Свежий воздух 2 сжимается в компрессоре 1 в кольцевом пространстве, соседнем с корпусом 40 компрессора, с наружной стороны. В показанном примере газ для системы с вторичным газом, предусмотренной в газотурбинной установке 6, отводится посредством точек 41 отбора в компрессоре в двух точках в компрессоре 1. Вторичный газ, как правило, используется для охлаждения компонентов, подвергающихся воздействию горячего газа, и, кроме того, в зависимости от конструкции используется, например, в области подшипников в виде продувочного или уплотняющего газа. Охлаждающий газ 33 низкого давления отводится из первой точки 41 отбора, и охлаждающий газ 34 среднего давления отводится из второй точки 41 отбора. Охлаждающий газ 28 высокого давления отводится из напорной камеры 36 компрессора.
Даже в случае коаксиальной подачи свежего воздуха 2 и подвергнутого рециркуляции, отработавшего газа 21 смешивание свежего воздуха 2 и подвергнутого рециркуляции, отработавшего газа 21 происходит вследствие вторичных потоков в компрессоре 1. Это может привести к уменьшению положительного эффекта от раздельной подачи свежего воздуха 2 и подвергнутого рециркуляции, отработавшего газа 21 во впускном элементе компрессора. Для минимизации данного смешивания в компрессоре 1 предложен компрессор с лопатками, имеющими сегменты разделяющего обода.
Фиг. 4 показывает приведенный в виде примера вариант осуществления, в котором все направляющие лопасти 43 компрессора и все подвижные лопатки 44 компрессора выполнены с сегментами 38 разделяющего обода, которые в собранном состоянии соединяются вместе на каждой ступени для образования соединенного разделяющего обода.
Один вариант разделяющего обода показан в сечении В-В посредством примера первой ступени компрессора. В данном примере на каждой подвижной лопатке сегмент 38 разделяющего обода расположен в месте, соответствующем приблизительно 50% высоты пера, и простирается по существу перпендикулярно относительно пера в радиальном направлении.
Фиг. 5 показывает альтернативную подачу подвергнутых рециркуляции, отработавших газов 21. Вместо отдельной подачи подвергнутых рециркуляции, отработавших газов 21 через отделенную пластиной, внутреннюю часть 3'' впуска компрессора, предназначенную для подвергнутых рециркуляции, отработавших газов 21, используется неразделенный впуск 3 компрессора, в который подвергнутые рециркуляции, отработавшие газы 21 вводятся посредством множества питающих каналов 39, расположенных в виде кольца в аксиальном направлении во внутренней стенке впуска 3 компрессора. Пригодными питающими каналами 39 являются, например, трубы или детали для соединения труб, наружные концы которых ориентированы параллельно основному потоку, проходящему в направлении впуска компрессора. В показанном примере детали для соединения труб доходят до впускного сопла (раструба) компрессора 1 для минимизации смешивания со свежим воздухом 2.
Детали для соединения труб также могут заканчиваться в реальном впускном элементе 3 компрессора или заканчиваться даже у стенки впуска 3 компрессора. Концы предпочтительно должны быть расположены в виде кольца вокруг оси газотурбинной установки.
Вариант с множеством питающих каналов 39 имеет преимущество, заключающееся в том, что отсутствует необходимость в направляющей пластине 45 впуска, предназначенной для разделения впуска 3 компрессора. Преимущество этого во время эксплуатации заключается в том, что соотношение свежего воздуха и подвергнутого рециркуляции, отработавшего газа может быть изменено независимо от соотношения площадей частей впуска.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
1 - Компрессор
2 - Свежий воздух
3 - Впуск компрессора
3' - Наружная часть: часть впуска компрессора, предназначенная для ввода свежего воздуха
3'' - Внутренняя часть: часть впуска компрессора, предназначенная для ввода газа с пониженным содержанием кислорода
4 - Камера сгорания
5 - Топливо
6 - Газотурбинная установка
7 - Турбина
8 - Горячие отработавшие газы газотурбинной установки
9 - Теплоутилизационный парогенератор (HRSG), предназначенный для утилизации отходящего тепла
2
10 - Газодувка для отработавших газов, предназначенная для второго частичного потока отработавших газов (к системе отделения СО)
11 - Газодувка для отработавших газов, предназначенная для первого подпотока отработавших газов (рециркуляция отработавших газов)
12 - Перепускная заслонка или перепускной клапан
13 - Паровая турбина
14 - Камера сгорания ступени высокого давления
15 - Камера сгорания ступени низкого давления
16 - Турбина высокого давления
17 - Турбина низкого давления
2
18 - Система отделения СО
19 - Отработавший газ из теплоутилизационного парогенератора, предназначенного для утилизации отходящего тепла
2
20 - Второй подпоток отработавших газов (линия для подачи отработавших газов в систему отделения СО)
21 - Первый подпоток отработавших газов (рециркуляция отработавших газов)
2
22 - Отработавший газ с низким содержанием СО
23 - Вторичный охладитель для отработавших газов (для второго подпотока отработавших газов)
24 - Обводная линия для прохода отработавших газов к дымовой трубе
25 - Первый генератор
26 - Второй генератор
27 - Вторичный охладитель для отработавших газов (для первого подпотока отработавших газов)
28 - Охлаждающий газ высокого давления
29 - Устройство для разделения отработавших газов
30 - Свежий пар
2
31 - Отделенный СО
32 - Дымовая труба
33 - Охлаждающий газ низкого давления
34 - Охлаждающий газ среднего давления
35 - Газ для охлаждения ротора
36 - Напорная камера компрессора
37 - Вал (также называемый ротором)
38 - Сегмент разделяющего обода
39 - Питающий канал
40 - Корпус компрессора
41 - Точка отбора из компрессора
42 - Регулирующий элемент для регулирования подачи свежего воздуха
43 - Направляющая лопасть компрессора
44 - Подвижная лопатка компрессора
45 - Направляющая пластина впуска
46 - Крышка вала