СИСТЕМА (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ (ВАРИАНТЫ) ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ВЫХОДНОЙ МОЩНОСТИ ТУРБИНЫ, А ТАКЖЕ СИСТЕМА ЗАЩИТЫ ВХОДНОГО КАНАЛА ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ ОТ КОРРОЗИИ
SYSTEM (VERSIONS) AND METHOD (VERSIONS) TO INCREASE TURBINE OUTPUT, AND GAS TURBINE INTAKE PROTECTION (VERSIONS) AGAINST CORROSION

Изобретение относится в основном к области газовых турбин. В частности, настоящее изобретение относится к системе и способу для промывки с высоким давлением компрессора в комбинации с устройством подачи воды для увеличения потока массы и, таким образом, выходной мощности газовой турбины, при этом управление системой осуществляется с использованием заданной вычислительной модели динамического переноса текучей среды.
Генерирование мощности требует большого расхода воздуха газовыми турбинами. Работа газовых турбин сильно зависит от условий окружающего воздуха. Условия окружающего воздуха, такие как температура, давление и содержание воды, оказывают влияние на способность компрессора турбины сжимать воздух и, таким образом, на ее рабочие параметры. Другими словами, мощность газовой турбины является функцией общего потока массы, доступного для сжатия, в комбинации с топливом и расширением для приведения в действие турбинной секции. Поток массы прямо пропорционален выходной мощности турбины. Газовые турбины являются машинами постоянного объема (т.е. работают в соответствии с фиксированными геометрическими размерами) и, таким образом, плотность воздуха является параметром, который играет важную роль в способности газовой турбины генерировать мощность. Температура воздуха и плотность воздуха находятся в прямой зависимости друг от друга. При увеличении температуры воздуха уменьшается плотность воздуха, что приводит к уменьшению общего потенциального потока массы. При уменьшении потока массы уменьшается также выходная мощность газовой турбины. Другими ключевыми параметрами, которые оказывают сильное влияние на работу газовой турбины, являются соотношение давлений и эффективность сжатия.
Потоком массы можно управлять посредством манипулирования содержанием водяного пара на входе воздуха газовой турбины. Таким образом, воздух можно насыщать водяным паром для обеспечения максимального уровня общего потока массы в соответствии с конструкцией турбины. Насыщение может быть результатом простого насыщения воздуха, окружающего газовую турбину. В качестве альтернативного решения, более агрессивный подход к увеличению потока массы состоит во впрыскивании воды в компрессор турбины или камеру сгорания для перенасыщения воздуха. Перенасыщение позволяет теплу конденсации дополнительно сжимать рабочую текучую среду и увеличивать выходную мощность турбины до уровня, превышающего уровни выходной мощности с насыщенным воздухом.
Однако правильное насыщение воздуха может быть проблематичным вследствие диапазона температур, в котором работает газовая турбина в течение заданного периода времени (т.е. изменений температуры в течение 24 часов или в течение года). В результате этих изменений температуры соответствующим образом изменяются требования для насыщения водой. Для заданной погоды и условий нагрузки машины необходимо соответствующее количество воды для достижения насыщения или перенасыщения. Таким образом, используют измерение влажности и насосное оборудование для обеспечения правильного количества воды для подходящего уровня насыщения или перенасыщения. Использование слишком большого количества воды приводит к переувлажнению, когда воздух не может поглощать/удерживать избыток воды. Избыток воды может вредить работе за счет коррозии и/или затопления воздушного канала газовой турбины. И наоборот, слишком малое количество воды не насыщает воздух, и не достигается эффект увеличения общего потока массы.
Другой проблемой является скопление загрязнений или посторонних частиц в турбине, в частности в компрессоре, которые могут отрицательно сказываться на эффективности газовой турбины и, таким образом, на ее выходной мощности. Воздух содержит посторонние частицы в виде аэрозолей и мелких частиц, которые обычно входят в компрессор и прилипают к компонентам пути прохождения газа в компрессоре. Загрязнение компрессора изменяет свойства пограничного слоя воздушного потока компонентов пути прохождения газа, поскольку отложения увеличивают шероховатость поверхности компонентов. При прохождении воздушного потока над компонентом увеличенная шероховатость поверхности приводит к утолщению пограничного слоя воздушного потока. Утолщение пограничного слоя воздушного потока оказывает отрицательное воздействие на аэродинамические характеристики компрессора. На задней кромке лопатки воздушный поток образует спутную струю. Спутная струя является турбуленцией вихревого типа, которая оказывает отрицательное воздействие на воздушный поток. Чем толще пограничный слой, тем сильнее вихревая турбуленция. Вихревая турбуленция вместе с более толстым пограничным слоем уменьшает поток массы через компрессор. Толстый пограничный слой и сильная вихревая турбуленция приводят к уменьшению усиления давления сжатия, что в свою очередь приводит к работе двигателя при уменьшенном соотношении давлений. Уменьшенное соотношение давлений приводит к меньшей эффективности двигателя. Кроме того, загрязнение компрессора уменьшает адиабатическую и политрофную эффективность. Уменьшенная эффективность компрессора означает, что компрессор требует больше мощности для сжатия того же количества воздуха. В результате, мощность, необходимая для приведения в действие компрессора, увеличивается и приводит к уменьшению добавочной мощности, доступной для нагрузки.
Промывание газовой турбины противодействует загрязнению, и его можно осуществлять при остановленном двигателе или во время его работы. В первом случае вал двигателя можно проворачивать с использованием стартерного электродвигателя при одновременном впрыске воды в компрессор. Загрязнения снимаются за счет воздействия химикалий и механического движения во время прокручивания. Вода и снятые загрязнения транспортируются к выходному концу двигателя с помощью потока воздуха. Этот процесс называется промывкой с проворачиванием или автономной промывкой. Альтернативой автономной промывке является оперативная промывка, когда двигатель промывается во время работы. Оперативная или огневая промывка происходит при сжигании топлива в двигателе. Промывочная вода впрыскивается в компрессор при вращении ротора с высокой скоростью. За счет высокой скорости вращения ротора и короткого времени задержки воды эта промывка не является столь эффективной, как промывка с проворачиванием, однако позволяет проводить промывку во время работы.
Обычно попытки повышения мощности газовой турбины приводят к интенсивному использованию инструментальных средств во всей турбине для измерения температуры, смещения давлений и уровней нагрузки машины. Однако увеличение мощности, которое основывается на таком интенсивном применении инструментальных средств, имеет недостатки вследствие стоимости, сложности использования, увеличения вероятности возникновения рабочих погрешностей вследствие отказа инструменальных средств. Желательно устранение такой зависимости от сложных и дорогих инструментальных средств.
Таким образом, в промышленности имеется потребность в способе и устройстве для повышения выходной мощности газовой турбины двигателей, включая, но не ограничиваясь этим, стационарные газотурбинные двигатели, в широком диапазоне рабочих условий, где управление системой осуществляется с использованием вычислительной модели динамического переноса текучей среды.
Пример выполнения системы для увеличения выходной мощности газовой турбины содержит:
насосный блок с управлением изменяемой скоростью вращения или без него, с предпочтительной конфигурацией объемного насоса;
блок управления, соединенный с насосным блоком, который предварительно заполняет матрицы впрыска для исключения скачка мощности при запуске, при этом блок управления регулирует работу насосного блока в соответствии с заданным комбинированной циклической модели и вычислительной модели динамического переноса текучей среды, по меньшей мере, одного определяемого параметра для образования модели управления;
промывочный блок, соединенный с насосным блоком и содержащий, по меньшей мере, одну форсунку и, по меньшей мере, один клапан для управления расходом воды, подаваемой в, по меньшей мере, одну форсунку;
по меньшей мере, один блок впрыска воды, соединенный с насосным блоком и содержащий, по меньшей мере, одну форсунку и, по меньшей мере, один клапан для управления расходом воды, подаваемой в, по меньшей мере, одну форсунку;
блок мониторинга погоды, соединенный с блоком управления и указывающий, по меньшей мере, один из определяемых параметров;
матрицу, содержащую, по меньшей мере, одну полностью удерживаемую форсунку и опорную структуру форсунки;
конструкцию обработки входного канала для защиты не стойких к коррозии входных каналов за счет контакта с вуалирующим конденсатом.
Признаки, характеризующие различные аспекты изобретения, как конструкции, так и способа работы, вместе с другими признаками и преимуществами станут очевидными из приведенного ниже подробного описания изобретения, выполненного со ссылками на прилагаемые чертежи. Следует отметить, что чертежи приведены для целей иллюстрации и описания и не являются ограничениями.
Далее настоящее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 - схема примера выполнения обычного воздушного входа газовой турбины;
фиг.2 - схема примера выполнения системы согласно изобретению;
фиг.3 - схема примера выполнения системы согласно изобретению;
фиг.4 - схема примера выполнения системы согласно изобретению;
фиг.5 - схема примера выполнения системы согласно изобретению;
фиг.6 - схема примера выполнения системы трубопроводов согласно изобретению;
фиг.7 - схема примера выполнения системы согласно изобретению;
фиг.8 - схема примера выполнения системы трубопроводов согласно изобретению;
фиг.9, 9a, 9b, 9c - схемы примеров выполнения матрицы впрыска и крепления форсунок и структуры;
фиг.10 - схема примера выполнения защиты входа от коррозии и стока компрессора;
фиг.11 - схема примера выполнения входного дренажного клапана.
Газовые турбины имеют широкий спектр применений, таких как генерирование мощности, сжатие газа и многие другие механические применения в качестве привода. Представленные здесь аспекты можно использовать в любом типе газовой турбины, однако для простоты приводится описание газовой турбины, используемой в электростанции. Необходимые согласования для применения в других типах соответствующих турбин понятны для специалистов в данной области техники.
На фиг.1 показана примерная конфигурация секции воздушного входа газовой турбины. Стрелками показаны направления воздушного потока. Окружающий воздух входит в канал 101 через противопогодные жалюзи 102, через экран 103 защиты от мусора и через воздушный фильтр 104 - во вход газовой турбины 10. Газовая турбина 10 содержит ротор с лопатками и наружный кожух 11. На переднем конце вала компрессорные лопатки 12 сжимают воздух до высокого давления, например, обычно в 10-30 раз превышающего обычное давление воздуха. Сжатый воздух подается в камеру 13 сгорания. Топливо (не показано) впрыскивается в камеру 13 сгорания. Горячие газы сгорания расширяются в турбине 14 и выходят из установки через выходной канал (не показан). Выходная мощность турбины больше мощности, необходимой для компрессора, за счет чего на валу имеется доступная мощность. Добавочная мощность используется для приведения в действие нагрузки, такой как генератор, насос, компрессор, пропеллер или т.п.
Поток окружающего воздуха А после жалюзи, экрана и фильтра обычно имеет скорость от около 10 м/с до около 20 м/с, более типично 10 м/с. Воздух перемещается из зоны В в зону С при сохранении в целом своей скорости. Воздух входит в зону D, которая является секцией входной полости газовой турбины. Входная полость 19 имеет в этом варианте выполнения форму жерла колокола для обеспечения ускорения воздуха. Входная полость 19 не ограничивается формой жерла колокола и может иметь другие формы. Вдоль входной полости 19 могут быть расположены распорки (не показаны) перед входной поверхностью Е компрессора и лопатками 12 компрессора. У входной поверхности Е компрессора скорость воздуха обычно составляет от около 0,4 Маха до около 0,6 Маха, более типично половину скорости звука или около 180 м/с. Воздух ускоряется для достижения скорости, необходимой для выполнения компрессором работы сжатия. Обычно соотношения сжатия воздуха находятся в диапазоне от около 9:1 до около 25:1. Внутри компрессора скорость воздуха уменьшается как функции более высокой плотности в результате сжатия. Затем сжатый воздух подается в камеру сгорания. При прохождении в камеру сгорания скорости обычно меньше 100 м/с, хотя при желании могут быть предусмотрены другие скорости.
Ниже раскрыты способ и система для повышения выходной мощности на валу газотурбинных двигателей и для промывки газовой турбины, которую можно использовать в нескольких режимах работы. Выходную мощность газотурбинных двигателей обычно повышают посредством увеличения плотности воздуха и, таким образом, массы воздуха, посредством впрыска жидкости в машину для управления потоком массы. Жидкость обычно является водой, однако можно добавлять спирт или антифриз для понижения точки замерзания жидкости. Дополнительно к увеличению потока массы воздуха вода обеспечивает преимущества защиты окружающей среды, такие как уменьшение выбросов. Количество воды, впрыскиваемой в поток массы турбины, основывается на программируемой модели управления. Модель управления определяется посредством использования циклической модели и вычислительного анализа динамического переноса текучей среды (CFD).
В частности, раскрыта система для промывки газовой турбины и повышения ее выходной мощности. Как показано на фиг.2, система обычно содержит (а) насосный блок 201, содержащий, по меньшей мере, один насос с изменяемой скоростью, такой как поршневой насос, для увеличения давления воды; (b) блок 202 управления, соединенный с насосным блоком 201 первым кабелем 204 передачи сигналов, который управляет скоростью/работой насосного блока 201, при этом блок 202 управления использует заданную циклическую модель и компьютерный динамический анализ текучей среды для образования модели управления, основанной на, по меньшей мере, одном определяемом параметре, содержащим окружающие погодные условия, геометрические размеры турбины, поля скоростей движения воздуха и параметры конкретных компонентов турбины; (с) промывочный блок, соединенный с насосным блоком 201 трубопроводом, при этом промывочный блок содержит, по меньшей мере, одну форсунку и, по меньшей мере, один клапан, соединенный с насосным блоком трубопроводом и с, по меньшей мере, одной форсункой с помощью трубопровода, который управляет расходом воды, подаваемой в, по меньшей мере, одну форсунку, при этом, по меньшей мере, одна форсунка промывочного блока предназначена для выброса аэрозоля распыленной воды для соударения и смачивания, по меньшей мере, одной компрессорной лопатки с обеспечением отделения загрязняющего материала с, по меньшей мере, одной компрессорной лопатки; и/или (d), по меньшей мере, один блок впрыска воды, содержащий, по меньшей мере, одну форсунку и, по меньшей мере, один клапан, соединенный с насосным блоком с помощью трубопровода и с, по меньшей мере, одной форсункой с помощью трубопровода, и предназначенный для управления расходом воды, подаваемой в, по меньшей мере, одну форсунку, при этом, по меньшей мере, одна форсунка блока впрыска воды впрыскивает аэрозоль распыленной воды в воздушный поток входного канала турбины, увеличивая тем самым поток массы воздушного потока, при этом выходная мощность газотурбинного двигателя повышается.
Варианты выполнения содержат также (е) блок 203 мониторинга погоды (см. фиг.2), соединенный с блоком 202 управления линией 205 передачи сигналов, в котором можно измерять окружающие условия, которые влияют на рабочие параметры газовой турбины, и передавать их в блок 202 управления для модели, создаваемой с использованием циклической модели, и для компьютерного динамического анализа текучей среды для создания основы для определения правильного количества воды для обеспечения целевого уровня насыщения входного воздуха. Окружающие условия содержат окружающие факторы, которые могут влиять на работу газовой турбины, включая, но не ограничиваясь этим, температуру, влажность и давление воздуха. В одном варианте выполнения выполняется мониторинг температуры, влажности и давления воздуха. В одном примере выполнения блок 203 мониторинга погоды (подробно не показан) содержит сухой термометр и устройство измерения влажности воздуха. В альтернативном варианте выполнения блок 203 мониторинга погоды может содержать сухой термометр и смоченный термометр. В другом альтернативном варианте выполнения блок 203 мониторинга погоды может содержать барометрическое устройство измерения давления. В еще одном варианте выполнения для измерения окружающего давления блок 203 мониторинга погоды может содержать другие компоненты и/или комбинации компонентов, хорошо известных из уровня техники, для мониторинга и/или измерения окружающих погодных условий. Погодная информация обрабатывается с помощью блока 202 управления, при этом блок 202 управления поставляет оператору ключевую рабочую информацию, такую как допустимое количество испарения воды, опасность обледенения и т.д.
Насосный блок 201 может содержать единственный насос (если насосный блок 201 создан для этой цели), насос с изменяемой скоростью (где скорость управляется с помощью частоты и где подходящая частота устанавливается с помощью контроллера частоты) или несколько параллельных насосов, например, обычно пять насосов в некоторых вариантах выполнения, каждый с различной пропускной способностью. Посредством включения одного, двух или более насосов в различных комбинациях обеспечивается очень широкий диапазон пропускных способностей. Насосы могут иметь также поршневую конструкцию с передатчиком для указания потока в блок 202 управления для замкнутой схемы управления.
На фиг.2 показан насосный блок 201 (подробно не показан), содержащий насос для предварительного заполнения матрицы повышения мощности с использованием низкого давления и насоса для нагнетания воды до высокого давления для обеспечения заданного впрыска воды для повышения мощности. Насос предварительного заполнения низкого давления используется для полного заполнения водой при всех подачах воды в начале повышения мощности и предотвращения тем самым скачка мощности. Вода под давлением, выходящая из насосного блока, подается в питающий трубопровод (водяной трубный коллектор). Водяной трубный коллектор действует в качестве распределителя воды высокого давления для различных потребителей, таких как испарительная охлаждающая система, промывочная система, система промежуточного охлаждения компрессора и система охлаждения пламени камеры сгорания. Насосный блок содержит насос поршневого типа, приводимый в действие управляемым частотой электродвигателем переменного тока, в котором частота управляет скоростью насоса. В качестве альтернативного решения насосный блок может содержать электродвигатель, такой как электродвигатель постоянного тока, при этом скоростью насоса управляет ток электродвигателя. Другие подходящие насосные блоки хорошо известны для специалистов в данной области техники. В некоторых вариантах выполнения насос поднимает давление воды до максимальной величины около 80 бар, типично до 35 бар, более типично до около 70 бар, хотя понятно, что могут быть предусмотрены также другие величины. Максимальная пропускная способность насоса выбирается в зависимости от оцениваемого воздушного потока газовой турбины. Пропускная способность насоса выбирается в соответствии с отношением потока воды и потока массы воздуха, при этом поток воды является числителем, а поток воздуха - знаменателем. В некоторых вариантах выполнения отношение находится в диапазоне от около 0,3 до около 0,5, при этом поток воды выражается в литрах в минуту, а воздух - в кг/с; в других вариантах выполнения диапазоны отношения могут быть другими.
Кроме того, для целей промывки может быть предпочтительным использование нагретой воды (например, для промывки компрессора) и химикалий (например, для использования в качестве моющих средств или в качестве ингибиторов коррозии компрессора при завершении рабочего процесса). Поэтому насосный узел 201 может дополнительно иметь резервуары и нагреватели (для обеспечения нагретой воды), а также блок для впрыска химикалий в воду.
Насосный блок 201 может быть соединен с блоком сбора воды и блоком 206 обработки воды (т.е. способным очищать воду) с помощью трубопровода 209, поскольку газотурбинный двигатель во время промывки и/или повышения мощности отдает воду в виде отходов. Блок 206 обработки воды может содержать отделяющие частицы фильтры и фильтры деионизации. Например, отдаваемая вода может быть в виде водяного пара, выходящего через вытяжную башню, или же в конденсированном виде, при этом в случае промывки с остановкой двигателя промывочная вода вытекает из выходного дренажа компрессора газотурбинного двигателя. Эта сточная вода содержит материал загрязнений, а также масла, жиры и ионы металлов из самого газотурбинного двигателя. Эта вода обычно является вредной и ее предпочтительно собирать и обрабатывать или направлять в контролируемый слив. Вода может образовываться также во входном воздушном канале при охлаждении аэрозоля. Эту воду можно собирать с помощью коллекторного блока и обрабатывать в блоке 206 обработки воды. В качестве альтернативного решения блок 206 обработки воды может также обрабатывать сырую воду из водного источника (не показан), подаваемую по трубопроводу 207. Очищенная вода подается в насосный блок 201 через трубопровод 209. Обработанную сточную воду можно повторно использовать для промывки с образованием тем самым замкнутой системы без сброса воды. Кроме того, повторно используемая вода уменьшает общее потребление воды.
Блок 206 обработки воды очищает воду до деминерализованного качества воды, так что вода годится для впрыска в путь прохождения воздуха газовой турбины, при этом общее количество растворенных твердых веществ находится в некоторых вариантах выполнения в диапазоне от около 1 до около 5 частей на миллион. Подходящие очистители воды известны для специалистов в данной области техники.
Насосным блоком 201 управляет блок 202 управления. Блоком 202 управления можно управлять, например, из аппаратной или с панели управления насосного блока 201. Блок 202 управления содержит органы ручного управления, а также программируемые средства управления, которые обеспечивают работу насосного блока 201 через линию 204 передачи данных. Блок 202 управления содержит запоминающее устройство 218. Запоминающее устройство 218 может содержать ОЗУ и/или энергонезависимую память, такую как ПЗУ. Для специалистов в данной области техники понятно, что запоминающее устройство может содержать физические устройства различного типа для временного и/или постоянного хранения данных, включая, но не ограничиваясь этим, твердотельные, магнитные, оптические устройства и их комбинации. Например, запоминающее устройство может быть выполнено с использованием одного или нескольких физических устройств, таких как DRAM, PROMS, EPROMS, EEPROMS, флэш-память и т.п.Запоминающее устройство 218 может дополнительно содержать компьютерную программу, включая программные коды для выполнения этапов способа согласно изобретению, когда компьютерная программа запущена в компьютерном устройстве, например, управляя степенью открывания клапана для управления расходом воды, подаваемой в, по меньшей мере, одну форсунку, и осуществляя программу впрыска воды, задаваемую циклической моделью и компьютерным анализом динамического переноса текучей среды с образованием модели управления. Дополнительно к этому блок 202 управления может выполнять мониторинг программируемого потока по сравнению с действительным потоком. В случае если действительный поток ниже ожидаемого уровня, то оператор может получать сигнал предупреждения о блокировании форсунки. Если действительный поток больше программируемого потока, то оператор может получать сигнал о необходимости проверки возможных утечек.
Когда включается система повышения мощности, то блок управления может включать насос предварительного заполнения для заполнения водой предназначенной для повышения мощности матрицы форсунок впрыска. Это выполняется для исключения прерывания выходной мощности.
Дополнительно к этому трубный водяной коллектор 20 и все другие трубопроводы (например, 28, 29 и 215) могут содержать гибкий гидравлический шланг высокого давления, что упрощает монтаж. В качестве альтернативы можно устанавливать неподвижные трубопроводы. Клапаны (например, 24, 27, 210 и 216) можно открывать и закрывать из аппаратной или другого удаленного места (мест). Как вариант, клапаны можно открывать и закрывать вручную.
Блок 202 управления можно также использовать для осуществления компьютерного анализа динамического переноса текучей среды (CFD). Анализ динамического переноса текучей среды позволяет прогнозировать (т.е. формулировать модель) количества воды, необходимой для впрыска в газотурбинный двигатель для полного насыщения или перенасыщения воздуха. Анализ динамического переноса текучей среды обеспечивает компьютерную модель, представляющую систему согласно вариантам выполнения изобретения. Затем можно анализировать и прогнозировать динамические характеристики потока текучей среды через систему с учетом одного или нескольких определяемых параметров, включая, но не ограничиваясь этим, окружающие погодные условия и специальные параметры, относящиеся к газовой турбине (т.е. геометрические размеры и поля скоростей движения воздуха), а также ограничивающие нагрузку конструктивные аспекты турбины (например, компрессорные лопатки, кожух двигателя, компоненты камеры сгорания и рабочие элементы пути прохождения горячего газа). Анализ динамического переноса текучей среды обеспечивает создание модели управления, которая интерпретируется и управляется контроллером с программируемой логикой (PLC) для регулирования уровня впрыска воды. Определяемые параметры или граничные условия можно вводить в системе, согласно вариантам выполнения изобретения, вручную или автоматически с использованием различных датчиков и/или блоков мониторинга погоды. Анализ динамического переноса текучей среды обеспечивает имитацию потока текучей среды и тем самым прогнозируемый уровень рабочих параметров газовой турбины, который соответствует потоку массы через турбину. В результате создания модели можно регулировать уровень впрыска воды на постоянной или прерывистой основе с целью оптимизации выходной мощности газовой турбины. Базовый процесс анализа динамического переноса текучей среды содержит, согласно одному примеру выполнения, задание геометрических размеров газовой турбины; определение объема, занимаемого текучей средой (например, водяным паром), при этом объем разделяется на отдельные ячейки (при этом совокупность ячеек образует сеть); задание пограничных условий, таких как конкретные свойства используемой текучей среды (т.е. для тех процессов, которые претерпевают по существу постоянные изменения относительно пограничных условий, обычно задаются первоначальные границы); применение алгоритмов и уравнений (т.е. программного обеспечения или компьютерного продукта, загружаемого в цифровое вычислительное устройство) для вычисления прогнозируемых результатов; интерпретацию прогнозируемых результатов для формирования модели.
Для полного насыщения впрыск во вход газовой турбины выполняют обычно в виде тонко распределенного аэрозоля, имеющего капельки в диапазоне от около 10 до около 50 микрон, хотя понятно, что при желании можно использовать также капельки другого размера. При насыщении воздуха созданная с помощью анализа динамического переноса текучей среды модель задает поток массы входного воздуха в газовую турбину для сохранения выходной мощности газовой турбины.
Как вариант, могут быть предусмотрены варианты выполнения для перенасыщения воздуха, что приводит к большей массе воздуха, чем при полном насыщении. В этом случае дополнительная модель на основе анализа динамического переноса текучей среды учитывает положение в газотурбинном двигателе, в котором впрыскивается вода, а также специальную нагрузку машины, создаваемую за счет перенасыщения потока массы. Точки впрыска могут включать, но не ограничиваясь этим, например, точки, связанные с испарительным охлаждением, промежуточным охлаждением компрессора, охлаждением пламени камеры сгорания или с промывкой двигателя. При перенасыщении воздуха модель задает входную массу воздуха газовой турбины при одновременном задании компонентов газовой турбины, которые обуславливают ограничения уровня впрыскиваемой воды, так что поток массы воздуха находится внутри приемлемых границ в соответствии с конструкцией газотурбинного двигателя. Затем в контроллер с программируемой логикой можно вводить условия окружающей погоды и требования к нагрузке турбины.
Контроллер с программируемой логикой действует в соответствии с моделью управления при регулировании потока массы воздуха через газотурбинный двигатель. А именно, контроллер с программируемой логикой регулирует поток воды для ее использования при повышении мощности и/или промывке посредством управления насосным блоком 201 для обеспечения специфического давления, а также посредством регулирования конкретной форсунки (форсунок), используемых для каждой цели. Кроме того, для повышения мощности включается или выключается, по меньшей мере, одна форсунка для обеспечения правильного расхода в соответствии с моделью динамического переноса текучей среды, так что он соответствует требуемой мощности и условиям окружающей погоды. Таким образом, модель динамического переноса текучей среды и контроллер с программируемой логикой обеспечивают насыщение или перенасыщение воздуха. При инициировании повышения мощности блок 202 управления вычисляет уровень впрыска воды на основе вычисленного потока воздуха из прогноза на основе циклической модели. Затем это значение воздушного потока используется для вычисления целевого уровня относительной влажности для задания количества впрыскиваемой воды. Затем вычисление повторяют при программировании количества воды, обеспечивающем схождение скорости впрыска воды для стабильного потока.
Варианты выполнения могут дополнительно содержать рабочий блок 500, показанный на фиг.3, который может быть установлен в аппаратной и соединен с блоком 202 управления линией 301 передачи данных. Блок управления может содержать устройство ввода, включая, но не ограничиваясь этим, клавиатуру 302, которая позволяет оператору вводить в систему команды, такие как, например, команды управления насосным блоком 201. Можно использовать дисплей, монитор или экран 304 для представления информации, относящейся к работе насосного блока 201, такой как, например, изменение во времени рабочих параметров или статус информации о насосе. В соответствии с этим оператор может следить за работой насоса, а также за различными рабочими параметрами. В качестве альтернативного решения дисплей 304 может быть сенсорным экраном, имеющим, например, несколько экранных клавиш для представления различных команд на различных интерфейсах, представленных на экране. Рабочий блок 300 может дополнительно содержать запоминающее устройство (не показано), аналогичное устройству, описание которого было приведено выше.
Согласно одному варианту выполнения как промывочный блок, так и, по меньшей мере, один блок впрыска содержат, по меньшей мере, одну форсунку и, по меньшей мере, один клапан. Подсистема подачи воды промывочного блока может создавать деионизированную воду из пресного источника и подавать ее в удерживающий воду бак для использования в качестве промывочной жидкости или для повышения мощности. Например, в промывочном блоке можно использовать, но не ограничиваясь этим, систему обратного осмоса, обеспечивающего воду, имеющую общее количество растворенных твердых веществ в диапазоне, например, от около 1 до около 5 частей на миллион. Промывочный блок и, по меньшей мере, один блок впрыска могут быть установлены в газовой турбине в виде отдельных блоков или же промывочный блок может служить также в качестве, по меньшей мере, одного блока впрыска. По меньшей мере, одну форсунку (например, 1-10 форсунок) можно использовать для распыления воды в компрессор и в камеру сгорания. По меньшей мере, одна форсунка может быть расположена внутри входной воздушной секции и между распорками. Такое расположение форсунки может уменьшать смачивание стенок имеющей форму жерла колокола входной полости 19 и распорок. По меньшей мере, одна форсунка может быть соединена с кольцевым подающим трубопроводом, при этом раскрыв, по меньшей мере, одной форсунки направлен внутрь двигателя, причем она может быть установлена в зоне входного канала, а также в компрессоре и в камере сгорания. Шланг (например, гибкий шланг высокого давления) может быть соединен как с кольцевым подающим трубопроводом, так и с контейнером для воды (контейнер для воды может включать, но не ограничиваясь этим, установленный на земле контейнер для воды или другой подходящий источник воды), подачей воды из которого можно дистанционно управлять. В качестве альтернативного решения, шланг может быть соединен с наземным транспортным средством, за счет чего процессом промывки можно управлять из разных мест, например, с наземного транспортного средства или из аппаратной стационарной газотурбинной установки.
Обычно, по меньшей мере, одна форсунка обеспечивает количество тонко распределенной воды, подаваемой в газовую турбину для промывки или увеличения потока массы. Вода может быть так тонко распределена, что капельки воды проходят по тому же маршруту, что и поток массы. При промывке капельки воды проходят по тому же маршруту, что и поток несомых воздухом загрязнений, которые загрязняют газовую турбину.
В одном варианте выполнения промывочный блок обычно работает с давлением от около 10 до около 80 бар и более типично с давлением от около 50 бар до около 80 бар, хотя промывочный блок при желании может работать с любым другим давлением. Капельки распыленной воды в некоторых вариантах выполнения обычно имеют диаметр около 80-250 мкм (в среднем) и скорости в диапазоне около 40-240 м/с (расход от около 0,2 до около 240 л/мин). В других вариантах выполнения диаметры и/или скорости капелек распыленной воды могут иметь другие значения, если это желательно. Например, по меньшей мере, одну форсунку промывочного блока можно снабжать водой в количестве 0,1 л/мин в течение 30 с при давлении около 70 бар, при этом капельки воды имеют размер (диаметр) около 150 мкм. В некоторых вариантах выполнения полный объемный расход воды составляет от около 0,2 до около 240 л/мин, в то время как в другом варианте выполнения полный объемный расход воды может находиться в других диапазонах. При использовании нескольких форсунок в процессе промывки объемный расход воды относится совместно ко всем форсункам. В патенте США №5868860 раскрыт пример использования воды под высоким давлением для промывки компрессора газовой турбины, полное содержание которого включено сюда посредством ссылки.
В одном примере выполнения, по меньшей мере, один блок впрыска работает при давлении от около 50 бар до около 160 бар, более типично от около 80 бар до около 140 бар. Капельки распыленной воды обычно имеют диаметр от около более 10 до около 20 мкм, более типично от около более 10 до около 15 мкм, и скорости частиц в диапазоне от около 20 м/с до около 80 м/с. Например, по меньшей мере, одну форсунку, по меньшей мере, одного блока впрыска можно снабжать водой в количестве 0,1 л/с в течение около 6 часов при давлении около 120 бар, при этом капельки распыленной воды имеют размер (диаметр) около 10 мкм. Полный объемный расход воды обычно находится внутри диапазона около 4 л/с. При использовании нескольких форсунок в процессе впрыска объемный расход воды относится совместно ко всем форсункам.
Распыление или впрыск тонко распределенной воды является характерным для способа, используемого для увеличения потока массы. На фиг.2 показан воздушный вход газовой турбины, показанной на фиг.1. На фиг.2 показано применение испарительной охлаждающей системы, промывочной системы, системы промежуточного охлаждения компрессора и охлаждение пламени камеры сгорания. Испарительная охлаждающая система является «туманной» системой, где вода распыляется у воздушного входа в виде тумана из мелких капелек, которые испаряются. Промывочная система является системой для распыления воды во вход компрессора. Система промежуточного охлаждения компрессора является системой увлажненного сжатия для распыления воды в воздушный поток высокой плотности в промежуточной ступени компрессора. Система охлаждения камеры сгорания является системой для распыления воды в камеру сгорания.
В некоторых вариантах выполнения испарительное охлаждение, промежуточное охлаждение компрессора, охлаждение пламени камеры сгорания или промывку двигателя редко выполняют в соответствии с фиксированной программой. Например, при изменении температуры воздуха, например в течение часа, изменяется также осуществляемость испарительного охлаждения.
Пример выполнения испарительной охлаждающей системы показан на фиг.4. Трубный водяной коллектор 20 соединен с трубопроводом 23 через клапан 24. Когда клапан 24 открывается, вода под большим давлением подается в держатель 21 форсунки, который установлен внутри канала и далеко перед входной поверхностью компрессора. Держатель 21 форсунки обычно содержит трубу, имеющую несколько форсунок, которые распыляют воду в аэрозоль 22 из мелких капелек, например, обычно в диапазоне от около 10 до около 20 мкм и более типично от около 10 до около 15 мкм. Капельки являются результатом распыления воды, например, при давлении от около 80 до около 140 бар. Капельки переносятся/поддерживаются потоком воздуха и испаряются перед входом в компрессор, так что имеется достаточно длительное время для прохождения воздуха от вершины форсунки до входа в компрессор. Испарение приводит к обмену тепла воды на тепло воздуха, так что температура воздуха понижается за счет испарения. Более низкая температура воздуха соответствует более высокой плотности воздуха и поэтому большему потоку массы, который приводит к большей мощности на валу. Требуемый расход воды устанавливается с помощью насоса с изменяемой скоростью. Операция испарительного охлаждения прекращается при закрывании клапана 24. В патенте США №6718771 показана испарительная охлаждающая система, которая обеспечивает работу газовой турбины при высоких температурах, полное содержание которого включено сюда посредством ссылки. Количество воды, подаваемой в форсунки, определяется в соответствии с моделью управления, создаваемой на основе анализа динамического переноса текучей среды, и регулируется с помощью контроллера с программируемой логикой.
Пример выполнения системы промежуточного охлаждения компрессора показан на фиг.5. Эта система является системой увлажненного сжатия, что означает, что вода в виде небольших капелек испаряется внутри компрессора при работе сжатия. Время удерживания воздуха в компрессоре находится в диапазоне миллисекунд. В течение этого времени капельки испаряются в результате конечного размера капелек. Процесс испарения вызывается быстрым увеличением температуры вследствие работы сжатия. В показанном примере выполнения водяной коллектор 20 соединен с каналом 29 через клапан 210. Когда открывается клапан 210, вода под большим давлением подается в, по меньшей мере, одну форсунку 212. По меньшей мере, одна форсунка 212 установлена для впрыска воды в путь прохождения газа в компрессоре (например, форсунки могут быть установлены для впрыска воды между двумя дисками). По меньшей мере, одна форсунка 212 распыляет воду в аэрозоль 211 из мелких капелек, например в диапазоне от около 10 до около 50 мкм, и предпочтительно в диапазоне от около 10 до около 30 мкм. Небольшой размер капелек является результатом распыления, предпочтительно при давлении от около 10 до около 80 бар, хотя можно использовать также другие подходящие давления. Небольшие капельки испаряются перед выходом из компрессора. В патенте США №6644935 описан пример выполнения узла форсунок для впрыска воды в промежуточную ступень компрессора, полное содержание которого включено сюда посредством ссылки. Испарение охлаждает воздух и таким образом увеличивает плотность воздуха, что увеличивает поток массы и приводит к увеличению выходной мощности. Дополнительно к этому, охлаждение компрессора приводит к более низкой выходной температуре компрессора, что означает, что более холодный воздух подается в камеру сгорания. Этот более холодный воздух в камере сгорания означает, что можно сжигать больше топлива при сохранении постоянной температуры сгорания, что обеспечивает увеличение выходной мощности. Требуемый расход воды устанавливается с помощью насоса с изменяемой скоростью. Для прекращения увлажненного сжатия закрывают рабочий клапан 210. В качестве альтернативного решения форсунки для увлажненного сжатия могут быть установлены перед входом компрессора. Принцип действия остается таким же, что и для установленных в промежуточной ступени форсунок, указанных выше. Количество подаваемой в, по меньшей мере, одну форсунку воды определяется в соответствии с моделью управления, создаваемой на основе анализа динамического переноса текучей среды, и регулируется с помощью контроллера с программируемой логикой.
Пример выполнения системы охлаждения камеры сгорания показан на фиг.6. Система охлаждения камеры сгорания содержит, по меньшей мере, одну форсунку для впрыска капелек воды в камеру сгорания. Вода поглощает необходимое для испарения тепло из физического тепла пламени, что приводит к понижению температуры пламени. Водяной коллектор 20 соединен с трубопроводом 215 через клапан 216. При открывании клапана 216 вода под большим давлением подается в, по меньшей мере, одну форсунку 214. По меньшей мере, одна форсунка 216 распыляет воду в аэрозоль 213. Аэрозоль 213 содержит капельки с размером обычно в диапазоне от около 10 до около 50 мкм и более типично в диапазоне от около 10 до около 30 мкм. Эти капельки являются результатом распыления под давлением от около 100 до около 200 бар. Понятно, что при желании можно использовать также капельки альтернативных размеров и/или другие давления распыления. Пар расширяется через турбину, обеспечивая тем самым эффект увеличения потока массы и повышения мощности. Кроме того, поскольку понижается температура пламени, то можно сжигать больше топлива при сохранении постоянной температуры сжигания. Сжигание большего количества топлива обеспечивает дополнительную выходную мощность. Требуемый расход воды устанавливается с помощью насоса с изменяемой скоростью. Для прекращения охлаждения камеры сгорания клапан 216 закрывается. Количество воды, подаваемой, по меньшей мере, в одну форсунку, определяется в соответствии с моделью управления, созданной с помощью анализа динамического переноса текучей среды, и регулируется контроллером с программируемой логикой. В патенте США №3976661 раскрыты примеры эффектов повышения мощности посредством впрыска в камеру сгорания, полное содержание которого включено сюда посредством ссылки.
Как показано на фиг.8, другие признаки общего повышения мощности и промывки системы заключаются в использовании компьютера или регистратора данных (PLC) для мониторинга изменения рабочих параметров вследствие повышения мощности и/или промывки водой. Окружающие погодные условия и данные рабочих параметров установки собираются для подготовки данных о тренде изменения рабочих параметров до и после условий. Эти данные могут быть полезными для обоснования экономичных рабочих параметров и обеспечения правильной, ожидаемой работы системы повышения мощности и промывки. Использование этих данных позволяет обнаруживать неисправности и принимать необходимые меры. Передача этих данных с использованием любой подходящей платформы связи, такой как обычное соединение через Интернет с помощью сотового телефона, предусмотрено в системе регистрации данных.
Система 900 матрицы впрыска может быть соединена с блоком 202 управления. Систему 900 матрицы впрыска можно предварительно заполнять перед повышением мощности газовой турбины под управлением блока 202 управления. Система 900 матрицы впрыска может быть матрицей из форсунок.
Система 900 матрицы впрыска для повышения мощности может удерживаться с использованием зажимного устройства 910, как показано на фиг.9, 9а и 9b. Зажимное устройство 910 может быть держателем форсунок, расположенным перед входной поверхностью компрессора. Зажимное устройство 910 может находиться полностью внутри системы неподвижных стержней, закрепленных снаружи стенки корпуса фильтра для предотвращения отделения постороннего материала. Как показано на фиг.9 с, можно использовать шпоночную опорную систему 920 для опоры системы 900 матрицы впрыска. В одном варианте выполнения шпоночная опорная система 920 может обеспечивать преимущества снижения стоимости за счет изготовления водяного впрыска.
Зажим может обеспечивать полное удерживание всех элементов матрицы. Второй зажим снаружи стенки корпуса входного фильтра удерживает опорные стержни матрицы. Для повышения мощности посредством полного насыщения некоторое количество воды конденсируется на стенках корпуса фильтра. Для защиты углеродистой стали или гальванизированной стали стенки корпуса фильтра можно покрывать защитным водонепроницаемым покрытием, и покрытие можно покрывать стойкой к коррозии плиткой, такой как, например, плитка из нержавеющей стали. Плитка может удерживаться механическими крепежными элементами, соединенными со стенкой корпуса фильтра, как показано на фиг.10. Дополнительное управление конденсатом обеспечивается с помощью имеющих подходящий размер сточных желобов вокруг структур входа и входного жерла в виде колокола. Эти сточные желоба направляют воду на дно входа, где обеспечивается дренаж собирающегося конденсата с помощью датчиков уровня. Эти признаки показаны на фиг.10 и 11.
Сточные желоба являются J-образными структурами, которые образуют круг вокруг раскрыва в виде жерла колокола в компрессор или вокруг структур внутри входа. Сточные желоба улавливают воду, стекающую по стенкам внутри входа, для предотвращения протекания воды в компрессор. В частности, сточные желоба направляют воду к полу входа и к дренажу входа. При скапливании воды вокруг дренажа входа, аккумулятор в дренаже собирает воду и, при достижении водой уровня датчика, датчик приводит в действие электромагнитный клапан для слива скопившейся воды.
Варианты выполнения изобретения относятся также к способу повышения выходной мощности газотурбинного двигателя, содержащего входной канал турбины и газовую турбину, включающую камеру сгорания и компрессор, имеющий, по меньшей мере, одну компрессорную лопатку. Способ включает: (1) увеличение давления воды с использованием насосного блока, содержащего, по меньшей мере, один насос с изменяемой скоростью; (2) управление скоростью насоса с использованием блока управления, соединенного с насосным блоком линией передачи сигналов, при этом блок управления регулирует работу насосного блока в соответствии с заданной циклической моделью и компьютерным анализом динамической текучей среды на основе ввода, по меньшей мере, одного определяемого параметра для образования модели управления; (3) подачу воды в (а) промывочный блок, соединенный с насосным блоком с помощью питающего трубопровода, и/или (b), по меньшей мере, в один блок впрыска, соединенный с насосным блоком с помощью питающего трубопровода; (4) управление расходом воды, подаваемой в, по меньшей мере, одну форсунку промывочного блока или, по меньшей мере, одного блока впрыска с использованием клапана; (5) выбрасывание аэрозоля распыленных капелек воды из, по меньшей мере, одной форсунки промывочного блока для соударения и смачивания, по меньшей мере, одной компрессорной лопатки, обеспечивая тем самым удаление загрязняющего материала с, по меньшей мере, одной компрессорной лопатки, при этом распыленные капельки воды впрыскиваются со скоростью, достаточно высокой для пронизывания воздушного потока, создаваемого во время работы двигателя; (6) впрыск аэрозоля распыленной воды из, по меньшей мере, одной форсунки, по меньшей мере, одного блока впрыска воды в воздушный поток воздушного входа турбины или в газовую турбину, с увеличением тем самым потока массы воздушного потока с повышением выходной мощности газотурбинного двигателя, при этом обычно по существу все капельки аэрозоля испаряются перед вхождением в компрессор; (7) мониторинг окружающих условий с использованием блока мониторинга погоды посредством измерения, по меньшей мере, температуры с помощью сухого термометра, давления воздуха, влажности воздуха или температуры с помощью увлажненного термометра, при этом наблюдаемые погодные условия передаются в блок управления с помощью второй линии передачи сигналов.
Способ может дополнительно включать этап (8) сбора воды из газотурбинного двигателя с использованием блока собирания воды, соединенного трубопроводом с насосным блоком и очищающего воду с использованием блока обработки воды.
Способ можно выполнять при выключенном двигателе, при этом, по меньшей мере, одна форсунка промывочного блока расположена перед компрессором и направлена во вход компрессора. Из этого положения воду можно впрыскивать в путь прохождения газа компрессора. Аналогичным образом, по меньшей мере, одна форсунка, по меньшей мере, одного блока впрыска может быть расположена вблизи камеры сгорания.
В качестве альтернативного решения, способ, согласно вариантам выполнения изобретения, можно выполнять оперативно при работающем двигателе, при этом ниже приводится описание примера выполнения такой оперативной промывочной системы. Во время оперативной промывки в двигателе сжигается топливо при одновременном вращении ротора с большой скоростью и вхождением с большой скоростью воздуха в компрессор. Как показано на фиг.2-6, трубопровод 28 соединен с водяным коллектором 20 с помощью клапана 27. Когда клапан 27 открывается, вода под большим давлением подается в, по меньшей мере, одну форсунку 25, при этом вода имеет скорость на выходе из форсунки около 40 м/с. По меньшей мере, одна форсунка 25 установлена перед входной поверхностью компрессора. Форсунка 25 распыляет воду в аэрозоль 26. Форсунка 25 направлена по существу в направлении входа компрессора. Этот имеющий высокую скорость аэрозоль проникает в имеющий высокую скорость воздушный поток. Аэрозоль переносится воздушным потоком в компрессор. Внутри компрессора капельки ударяются в, по меньшей мере, одну компрессорную лопатку и лопасть и смачивают их. Смачивание, по меньшей мере, одной лопатки и лопасти приводит к удалению загрязняющего материала и тем самым к очистке компрессора. Очистка приводит к уменьшению толщины пограничного слоя, увеличивая поток массы. Увеличение потока массы увеличивает выходную мощность двигателя. Аэрозоль 26 содержит капельки с размером от около 80 до около 250 мкм и предпочтительно в диапазоне от около 80 до около 180 мкм. Размер капелек является результатом распыления при давлении от около 10 до около 80 бар. Необходимый расход воды устанавливается с помощью насоса с изменяемой скоростью. Для прекращения промывочной операции клапан 27 закрывается.
Ниже приводится описание варианта выполнения промывочной системы при неработающем двигателе. В этом варианте выполнения используется тот же набор форсунок, что и для промывки при работающем двигателе. Трубопровод 28 соединен с водяным коллектором 20 с помощью клапана 27. При открывании клапана 27 вода под большим давлением подается в, по меньшей мере, одну форсунку 25. По меньшей мере, одна форсунка 26 установлена перед входной поверхностью компрессора. Форсунка 25 по существу направлена в направлении входа компрессора. Форсунка 25 распыляет воду в аэрозоль 26. Поскольку, по меньшей мере, одна форсунка направлена по существу к входу компрессора, капельки воды входят в компрессор. Эти капельки имеют подходящий размер для соударения с, по меньшей мере, одной компрессорной лопаткой и лопастью и тем самым смачивания их. Смачивание лопаток и лопасти приводит к отделению загрязняющего материала и тем самым к очищению компрессора. Очистка приводит к уменьшению толщины пограничного слоя при работе двигателя. Уменьшенная толщина пограничного слоя приводит в увеличению потока массы. Увеличение потока массы увеличивает выходную мощность двигателя. Аэрозоль 26 содержит капельки с размером от около 80 до около 250 мкм (в среднем) и предпочтительно в диапазоне от около 80 до около 180 мкм. Размер капелек является результатом распыления при давлении от около 10 до около 80 бар. Необходимый расход воды устанавливается с помощью насоса с изменяемой скоростью. Для прекращения промывочной операции клапан 27 закрывается. В качестве альтернативного решения, можно использовать другой набор форсунок для промывки неработающего двигателя, хотя принцип действия сохраняется.
Дополнительно к этому, использование воды уменьшает расход топлива. Уменьшение расхода топлива является результатом более эффективной работы компонентов газотурбинного двигателя, таких как компрессор и турбина.
Преимуществом системы является гибкость включения и выключения системы. Можно при желании быстро приводить в действие одну систему и отключать другую систему, показанные на чертежах.
Следует отметить, что хотя описание данного изобретения приведено применительно к предпочтительным вариантам выполнения, указанные выше варианты выполнения являются лишь примерами и служат лишь для ясного понимания данного изобретения. Имеется множество модификаций, изменений и эквивалентных решений, которые можно выполнять в этих вариантах выполнения без отхода от идеи данного изобретения. Поэтому последующую формулу изобретения следует рассматривать как включающую все такие модификации, изменения и эквивалентные решения, которые входят в идею и объем данного изобретения.