СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ СТАЦИОНАРНОЙ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ, УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ РАБОТЫ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ И ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ
METHOD OF STATIONARY GAS TURBINE OPERATION, DEVICE FOR GAS TURBINE CONTROL AND POWER PLANT

Изобретение касается способа эксплуатации стационарной газовой турбины, включающего в себя следующие шаги:
- постоянный забор газообразного топлива из топливной сети и
- сжигание топлива с добавлением воздуха для сжигания в по меньшей мере одной топочной камере газовой турбины. Кроме того, изобретение касается устройства для регулирования работы газовой турбины. Наконец, изобретение касается электростанции, включающей в себя газовую турбину, снабженную по меньшей мере одной топочной камерой и компрессором, при этом в топочную камеру может подаваться приготавливаемый компрессором воздух для сжигания и постоянно забираемое из топливной сети топливо.
Стационарные газовые турбины и способы эксплуатации этих газовых турбин известны из доступного уровня техники в большом разнообразии. Газовые турбины современной конструкции, которые применяются для производства электрической энергии, имеют, как правило, компрессор с осевым потоком, одну или несколько топочных камер и один турбоагрегат. При эксплуатации подаваемое в топочную камеру топливо с помощью сжатого компрессором окружающего воздуха сжигается с получением горячего газа, который расширяется в турбоагрегате на роторе газовой турбины, совершая работу. Тогда ротор осуществляет привод генератора, который преобразует механическую энергию в электрическую энергию с небольшими потерями и запитывает в распределительную электросеть.
-1
-1
При пуске газовой турбины ее ротор с помощью приводного устройства доводится до частоты вращения воспламенения, после чего посредством запитки пилотного потока топлива в топочную камеру этот поток воспламеняется. Затем пилотное пламя воспламеняет основной поток топлива, который через отдельные горелки и/или топливные форсунки также впрыскивается в топочную камеру. Одновременно приводное устройство отсоединяется от ротора. Затем привод ротора осуществляется только лишь образующимся при сжигании горячим газом. С достижением рабочей частоты вращения, чаще всего 3000 мин или 3600 мин, процесс пуска газовой турбины заканчивается. Затем генератор может синхронизироваться с частотой распределительной электросети и подключаться к ней.
Подача пилотного топлива и основного топлива к соответствующим горелкам или, соответственно, форсункам происходит через отдельно работающие системы трубопроводов с расположенными в них клапанами, с помощью которых может регулироваться объем подаваемого в каждом случае топлива и его давление.
В качестве топлива при этом применяются как жидкие, так и газообразные топлива. Для получения особенно эффективного без большой эмиссии сжигания в топочной камере известна постоянная поддержка сжигания основного массового потока топлива посредством пилотного пламени. В качестве пилотного топлива часто применяется горючий газ, например, природный газ.
В связи с большими количествами топлива, необходимыми для производства больших объемов электрической энергии, системы топливных трубопроводов газовой турбины часто подключены к топливной сети, из которой может постоянно забираться топливо в необходимом количестве в течение долгого периода времени. При необходимости между топливной сетью и системой топливных трубопроводов включен еще один дополнительный газовый компрессор для безопасного повышения давления снабжения топливной сети до более высокой величины, с помощью которого может обеспечиваться надежная работа газовой турбины. Необходимое давление топлива при запитке в топочную камеру превышает при этом обеспечиваемую компрессором газовой турбины степень повышения давления. В результате перепад давлений установлен так, что топливо фактически втекает в топочную камеру. Давление снабжения, которое должно обеспечиваться топливной сетью или, соответственно, создаваться дополнительным газовым компрессором, может даже намного превышать обеспечиваемую компрессором степень повышения давления, так как, в частности, при ускорении ротора до рабочей частоты вращения и при сбросе нагрузки требуются очень большие количества пилотного топлива для стабилизации основного пламени и надежного предотвращения нежелательных термоакустических колебаний, а также затухания пламени. Пилотные горелки, которые создают смешанное пламя, так называемые пилотные горелки со смесителем, имеют, к тому же, сравнительно небольшие отверстия для выхода газа, которые делают необходимым дополнительное повышение и так уже высокого давления газоснабжения для достижения необходимых пилотных массовых потоков газа. Это противоречит потребности в возможности эффективной работы даже при пониженном давлении снабжения в топливной сети.
Поэтому задачей изобретения является предоставление способа эксплуатации газовой турбины, устройства для регулирования работы газовой турбины и электростанции, причем этот способ или, соответственно, это устройство обеспечивает надежную работу даже при минимальном давлении снабжения в топливной сети, которое только в ограниченной мере превышает максимально создаваемую компрессором газовой турбины степень повышения давления.
Задача, направленная на способ эксплуатации газовой турбины, решается с помощью способа в соответствии с признаками п.1 формулы изобретения. Задача, направленная на устройство, решается с помощью такого устройства, которое соответствует признакам п.12 формулы изобретения. Решение задачи, направленной на электростанцию, осуществляется с помощью такой электростанции в соответствии с признаками п.14 формулы изобретения.
3
Для всех решений является общим, что представленное здесь изобретение основывается на идее обеспечивать для особых рабочих состояний, таких как пуск, перегрузка топлива, сброс нагрузки или тому подобное, только кратковременно необходимое повышенное давление топлива или, соответственно, только кратковременно необходимый повышенный массовый поток топлива из топливного резервуара, например, сборного бака, и затем подавать его в случае необходимости в забранное из топливной сети топливо, повышая давление. Предпочтительно только идентичные газообразные топлива объединяются при осуществлении предлагаемого изобретением способа. Первые оценки показывают, что даже у стационарных газовых турбин, которые могут отдавать мощность от ста МВ до четырехсот МВ, размер бака, равный примерно 1-3 м, был бы уже достаточен для помещения необходимых количеств топлива при соответствующем давлении. Для создания давления в топливном резервуаре достаточно простого газового компрессора с низкой производительностью, так как для наполнения топливного резервуара, как правило, имеется в распоряжении достаточно времени. Такой газовый компрессор во много раз дешевле и безопаснее, чем топливный компрессор, который должен постоянно обеспечивать весь массовый поток топлива во время работы на высоком уровне давления.
В противоположность прежним, известным из уровня техники методам, с помощью этого изобретения газовая турбина может надежно и безопасно эксплуатироваться даже со сравнительно низким давлением снабжения в топливной сети. Даже при особых рабочих состояниях «пуск», «перегрузка топлива» и «сброс нагрузки» необходимый тогда дополнительно массовый поток топлива, в частности, для пилотной горелки или горелок, забирается из топливного резервуара, который предварительно с помощью простого газового компрессора был наполнен объемом топлива. Причем этот объем топлива был, разумеется, предварительно забран из топливной сети.
Предлагаемые меры значительно снижают требования к давлению снабжения в топливной сети. Благодаря отсутствию топливного компрессора для сравнительно высоких давлений топлива при высоких массовых потоках топлива могут экономиться высокие затраты, с одной стороны, на приобретение такого производительного топливного компрессора, а также на его эксплуатацию во время работы газовой турбины.
Предпочтительные варианты осуществления указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.
По первому предпочтительному признаку способа объем топлива в топливном резервуаре имеет более высокое давление, чем давление снабжения в топливной сети. Предпочтительно давление в объеме топлива в два-четыре раза больше, чем давление снабжения в топливной сети. Тем самым гарантируется, что при необходимости объем топлива незамедлительно и в достаточном количестве может подаваться для сжигания в топочную камеру. Чтобы достичь этого, с помощью топливного компрессора во время работы газовой турбины и/или во время останова топливо может забираться из топливной сети и помещаться в топливный резервуар. Так как при этом для загрузки топливного резервуара имеется в распоряжении достаточно большой промежуток времени, возможно применение топливного компрессора со сравнительно более низкой мощностью.
Кроме того, способ предпочтительно предусматривает, что в пилотную горелку или несколько пилотных горелок газовой турбины для кратковременного повышения пилотного потока топлива, подаваемого в топочную камеру, забранный из топливного резервуара объем топлива подается в пилотное топливо, которое еще предназначается для подачи в топочную камеру. В частности, благодаря этому могут предотвращаться нежелательные и нестабильные состояния сжигания.
Если вместо топлива, забираемого из топливной сети, в качестве объема топлива в топливном резервуаре предоставляется другой вид топлива, при этом существует возможность выполнить топливный резервуар предпочтительно в виде одного или нескольких газовых баллонов. Это приводит к отсутствию необходимости в применении топливного компрессора. К тому же с другим видом топлива, если он химически более активен, чем предназначенное для подачи топливо, может дополнительно улучшаться сгорание предназначенного для подачи топлива. Это повышает коэффициент полезного действия сжигания, благодаря чему уменьшается в целом необходимое поступление тепла, т.е. тепловая мощность. Так как в качестве газообразного топлива чаще всего применяется природный газ или синтез-газ, химически более активными топливами являются, например, водород или ацетилен. Химическая активность может характеризоваться меньшим временем задержки воспламенения. С увеличением доли объема химически более активного топлива в топливе скорость пламени увеличивается, а время задержки воспламенения уменьшается. Поэтому оба показателя являются признаком того, что при подмешивании водорода или, соответственно, ацетилена может реализовываться значительно более быстрое и более компактное сжигание, что при данном времени нахождения горячего газа в топочной камере способствует улучшению сгорания. При этом выяснилось, что объемная доля от 10% до 30% химически более активного топлива во всем подаваемом потоке топлива уже достаточна, чтобы повысить тепловой коэффициент полезного действия и в целом выбрасывать меньше несгоревшего топлива, в частности несгоревших углеводородов и окиси углерода. Последнее относится, в частности, к пилотному сжиганию, когда основное сжигание, например, в случае сброса нагрузки, почти или даже полностью отключается. Одновременно улучшение теплового сгорания при данном массовом потоке (пилотного) потока топлива обеспечивает возможность в целом более стабильного термоакустического режима сжигания.
Предпочтительно ротор газовой турбины у предназначенных для производства энергии газовых турбин при работе подсоединен к электрическому генератору, причем этот генератор, со своей стороны, подключен к распределительной электросети. Под сбросом нагрузки в смысле этой заявки понимается, что либо наступает внезапное понижение электрической мощности, которая должна вырабатываться генератором, либо даже происходит отсоединение генератора от распределительной электросети, то есть электрическая мощность, которая должна вырабатываться генератором, скачкообразно снижается до нуля. Обычно такого рода сбросы нагрузки являются незапланированными и возникают, таким образом, только в случае неисправности. Возможно также имитирование такого рода сбросов нагрузки при пусконаладке стационарных газовых турбин, чтобы можно было гарантировать безопасную и надежную работу газовой турбины перед первой коммерческой эксплуатацией.
Для осуществления описанного выше способа и его предпочтительных вариантов осуществления в соответствии с изобретением предусмотрено устройство для регулирования работы газовой турбины, которое включает в себя:
- вход, на который может подаваться сигнал, отражающий в особом рабочем состоянии потребность в дополнительном топливе и/или недостаток давления газоснабжения,
- выход, сигнал которого управляет исполнительным элементом, с помощью которого в топливо может подаваться забираемый из топливного резервуара объем топлива, и
- узел, который управляет выходным сигналом в зависимости от входного сигнала. В соответствии с изобретением электростанция включает в себя по меньшей мере одну газовую турбину и один наполняемый объемом топлива топливный резервуар, а также средства, с помощью которых этот объем топлива может подаваться в топливо, постоянно забираемое из топливной сети.
Предпочтительно вышеназванные средства включают в себя трубопровод, соединяющий топливный резервуар с участком трубопровода, причем в этом трубопроводе расположен исполнительный элемент для открытия и закрытия трубопровода. Во избежание гидравлических ударов в объединенном потоке топлива в системе топливных трубопроводов может быть предусмотрен по меньшей мере один струйный насос, в который топливо, постоянно забираемое из топливной сети, может подаваться в качестве подлежащей активированию среды, а объем топлива, забираемый из топливного резервуара, в качестве активной среды, при этом упомянутый струйный насос на выходной стороне соединен с по меньшей мере одной горелкой газовой турбины.
Дальнейшее пояснение изобретения происходит с помощью представленных на чертеже примеров осуществления. В частности, показано:
фиг.1: первый пример осуществления системы снабжения топливом электростанции,
фиг.2: один из альтернативных вариантов осуществления системы снабжения топливом электростанции, включающей в себя струйный насос, и
фиг.3: другой альтернативный вариант осуществления системы снабжения топливом электростанции, включающей в себя выполненный из газовых баллонов топливный резервуар для химически более активного объема топлива.
На фиг.1 показана электростанция 42, снабженная газовой турбиной 40. Эта турбина включает в себя компрессор 44 осевой конструкции, одну или несколько топочных камер 46, а также турбоагрегат 48, который также выполнен в осевой конструкции. Во время работы газовой турбины 40 через всасывающий трубопровод 50 окружающий воздух всасывается компрессором 44 и в виде сжатого компрессорного воздуха запитывается в топочную камеру 46. Как пилотный, так и основной поток топлива через одну или несколько горелок или, соответственно, ступеней подается в топочную камеру 46 или, соответственно, топочные камеры 46 и вместе со сжатым окружающим воздухом сжигается с получением горячего газа, который, совершая работу, расширяется в турбоагрегате 48 на роторе 51 газовой турбины 40. Этот ротор осуществляет привод подсоединенного к нему генератора 52 с целью производства электрической энергии.
Газовая турбина 40 электростанции 42 через систему 10 снабжения топливом соединена с топливной сетью 13. Топливная сеть 13 в состоянии поставлять необходимое количество газообразного топлива для продолжительной эксплуатации газовой турбины 40 при номинальной нагрузке. В частности, наряду с другими, не изображенными компонентами, система 10 снабжения топливом включает в себя первый топливный трубопровод 12, вход которого соединен с топливной сетью 13. В первом топливном трубопроводе 12 расположен первый клапан 14 в качестве запорного устройства безопасности. Ниже по потоку от первого клапана 14 первый топливный трубопровод 12 разделяется на два участка 16, 18 трубопровода. Первый участок 16 трубопровода является частью основной системы снабжения топливом и ведет ко второму клапану 20, с помощью которого может регулироваться объем основного массового потока топлива газовой турбины 40. Второй участок 18 трубопровода является частью пилотной системы снабжения топливом и ведет через первый обратный клапан 22 к третьему клапану 24, посредством которого может регулироваться объем пилотного массового потока топлива, который может направляться к пилотной горелке или пилотным горелкам газовой турбины 40.
3
В участок 18 трубопровода в точке 27 запитки ниже по потоку от обратного клапана 22 впадает другой топливный трубопровод 26. В этом другом топливном трубопроводе 26 предусмотрен запорный клапан 28 и редукционный клапан 29. Расположенный со стороны втекания конец топливного трубопровода 26 соединен с топливным резервуаром 30, который выполнен в виде топливного бака с объемом, равным, например, 2 м. Через питающий трубопровод 32, в котором последовательно включены газовый компрессор 34 и обратный клапан 36, в топливный резервуар 30 из топливной сети 13 может подаваться топливо, которое затем при особых рабочих состояниях может применяться в качестве объема BV топлива. Применение редукционного клапана 29 облегчает корректировку колебаний давления при открытии запорного клапана 28.
По одному из альтернативных вариантов осуществления системы 10 снабжения топливом, который изображен на фиг.2, эта система в месте точки 27 запитки имеет струйный насос 38, в который в качестве активной среды может подаваться помещаемый в топливный резервуар 30 объем BV топлива через трубопровод 26 и расположенный в нем клапан 28, чтобы повышать общее давление текущего в участке 18 трубопровода топлива B со сравнительно низким давлением.
Оба изображенных на фиг.1 и 2 варианта осуществления работают аналогичным образом, когда речь идет о том, чтобы во время пуска газовой турбины 40, при перегрузке топлива и/или при сбросе нагрузки стабилизировать происходящее в топочной камере 46 газовой турбины сжигание, что описывается ниже.
Перед пуском газовой турбины или же после забора объема BV топлива из топливного резервуара 30 используется газовый компрессор 34, чтобы (повторно) наполнять топливный резервуар 30 объемом BV топлива. Помещенный в топливный резервуар 30 объем BV топлива имеет тогда заданное, сравнительно высокое давление, которое в несколько раз, например, в 3 раза больше, чем давление снабжения в топливной сети 13 или, соответственно, чем максимально создаваемая компрессором 44 степень повышения давления.
Во время пуска газовой турбины 40 ее ротор 51 с помощью не изображенного устройства вращения или с помощью генератора 52 ускоряется до частоты вращения воспламенения. Затем открываются по меньшей мере клапаны 14, 24 и зажигается пилотное пламя, так что в топочной камере 46 происходит сжигание. После этого открывается второй клапан 20, так что начинается основное сжигание. Затем вследствие постоянного повышения массового потока топлива ротор ускоряется до рабочей частоты вращения. Возникающие во время этого явления нестабильности сжигания могут надежно предотвращаться тогда, когда с достижением или непосредственно после достижения упомянутых частот вращения дополнительный забранный из топливного резервуара 30 объем BV топлива с забранным из топливной сети 13, текущем во втором участке 18 трубопровода топливом B подается в топочную камеру 46, например, через пилотные горелки. В этом случае особенно большое количество топлива B с особенно высоким давлением может запитываться в топочную камеру 46 до тех пор, пока не будут преодолены упомянутые частоты вращения. Вследствие увеличенного таким образом количества пилотного топлива создаваемое пилотной горелкой пламя стабилизируется. Одновременно надежно предотвращаются нежелательные термоакустические колебания, а также затухание пламени.
Во избежание скачкообразного подъема давления во втором участке 18 трубопровода перед клапаном 24 клапан 28 должен открываться соответственно медленно. Поток BS топлива через клапан 24 также подается из топливного резервуара 30 до тех пор, пока его давление не опустится до нормального давления снабжения, которое действует во втором участке 18 трубопровода.
При сбросе нагрузки, как правило, большинство или все топливные клапаны основной горелки незамедлительно или, соответственно, в значительной степени закрываются, чтобы наилучшим возможным образом избежать ускорения ротора до превышения частоты вращения, в отличие от чего топливные клапаны пилотных горелок остаются открытыми для продолжения работы газовой турбины. Когда должен осуществляться сброс нагрузки, незапланированный или запланированный при пусконаладке газовой турбины 40, существует возможность стабилизации пилотного пламени (пилотных пламен) в топочной камере или, соответственно, камерах 46, при этом со сбросом нагрузки или непосредственно после него из топливного резервуара 30 забирается газообразный объем BV топлива путем открытия клапана 28 и подается в текущее во втором участке 18 трубопровода, забранное из топливной сети 13 топливо B, благодаря чему объединенный поток BS топлива ниже по течению от точки 27 запитки имеет повышенное давление P. Повышение давления приводит к увеличению количества топлива, втекающего в топочную камеру 46, что оказывает стабилизирующее действие.
Описанный выше способ может осуществляться также тогда, когда во время работы газовой турбины 40 предусмотрена перегрузка топлива. При перегрузке топлива происходит переход с жидкого основного топлива на газообразное основное топливо, или наоборот. Для этого продолжающегося примерно от 30 секунд примерно до 180 секунд процесса переключения требуется стабилизированное сжигание пилотного пламени, что достигается только посредством дополнительно вдуваемого во время него объема BV топлива. Поэтому режим стабилизации пламени путем повышения давления посредством добавления объема BV топлива осуществляется только в течение короткого промежутка времени. После перегрузки топлива работа может продолжаться как обычно, то есть без добавления объема BV топлива.
По варианту осуществления, показанному на фиг.2, помещенный в топливный резервуар 30 объем BV топлива работает как активная среда для топлива B, которое течет во втором участке 18 трубопровода и первоначально было забрано из топливной сети 13. Объединение топлива B и объема BV топлива в поток BS топлива происходит в струйном насосе 38, так что взаимодействие двух потоков B, BV для необходимого повышения давления в участке 18 трубопровода происходит ниже по потоку от струйного насоса 38. Благодаря применению струйного насоса 38 топливный резервуар 30 может быть выполнен меньше. Также благодаря этому возможен существенно более мягкий подъем давления перед клапаном 24 при открытии клапана 28. Благодаря этому клапан 28 возможным образом может выполняться намного проще и при этом дешевле. При необходимости клапан 28 может при этом также выполняться в виде распределительного клапана, тогда регулирующий клапан не нужен.
Управление клапаном 28 происходит с помощью устройства 60. Устройство 60 имеет с одной стороны вход E, на который может подаваться сигнал, отражающий потребность в дополнительном топливе или, соответственно, недостаток давления газоснабжения. Предпочтительно речь идет при этом о сигнале, отражающем текущую частоту вращения ротора 51 газовой турбины, состояние нагрузки газовой турбины 40 или перегрузку топлива. Кроме того, устройство 60 включает в себя выход 62, сигнал которого управляет исполнительным элементом, предпочтительно клапаном 28, с помощью которого текущее во втором участке 18 топливо B может подаваться в забираемый из топливного резервуара 30 объем BV топлива. Кроме того, устройство 60 включает в себя узел, который управляет выходным сигналом в зависимости от входного сигнала в соответствии с указанными способами.
По примеру осуществления, показанному на фиг.3, и в отличие от примера осуществления, показанного на фиг.1, топливный резервуар 30 выполнен в виде газового баллона или в виде батареи из нескольких, параллельно включенных газовых баллонов 64. В этих газовых баллонах 64 находится химически значительно более активное топливо для применения в качестве объема BV топлива, чем то топливо B, которое может забираться из топливной сети 13. Например, в газовых баллонах 64 помещен водород или ацетилен. Это топливо может в качестве объема BV топлива в описанных выше случаях применения для улучшения сгорания и для термоакустической стабилизации сжигания кратковременно добавляться в топливо B, забранное из топливной сети 13.
Изображенные на фиг.1, 2 и 3 примеры осуществления служат только для пояснения изобретения и не являются для него ограничивающими, и могут также комбинироваться друг с другом. Так, в частности, могут быть предусмотрены несколько топочных камер 46, которые включают в себя каждая одну пилотную горелку и одну основную горелку, с одной или несколькими ступенями каждая, причем эти пилотные горелки подключены к системе 10 снабжения топливом. Разумеется, основные горелки также могут дополнительно снабжаться забранным из топливного резервуара объемом BV топлива, чтобы аналогичным образом стабилизировать основное пламя (пламена) во время сравнимых рабочих состояний. Изобретение описывается на примере с газообразным топливом. Применение газообразного топлива, однако, не является обязательным. Разумеется, что в предлагаемой изобретением системе 10 снабжения топливом возможна также подача жидких топлив. Возможна также комбинация жидких и газообразных топлив, при этом, однако, не предусмотрено смешивание жидких и газообразных топлив в точке 27 запитки или, соответственно, в струйном насосе 38, а происходит разделение газообразного топлива и жидкого топлива на пилотное топливо и основное топливо: то есть, пилотное топливо может быть газообразным, а основное топливо жидким, или наоборот.
Электростанция 42 может включать в себя не изображенный отдельно паровой турбоагрегат, ротор которого тоже соединен с изображенным генератором 52 на одном общем валу, который тогда называется валопроводом.
В целом изобретением, таким образом, предлагаются способ пуска газовой турбины 40, способ эксплуатации газовой турбины 40 при сбросе нагрузки или перегрузке топлива, устройство 60 для регулирования работы газовой турбины 40, а также электростанция 42. Чтобы обеспечить возможность надежной работы газовой турбины (40) во время пуска, при сбросе нагрузки или при перегрузке топлива, несмотря на лишь сравнительно низкое давление снабжения топливной сети 13, предусмотрено, чтобы приготавливался объем BV топлива с давлением, существенно повышенным по сравнению с давлением снабжения в топливной сети 13, и в случае необходимости кратковременно подавался в забранное из топливной сети 13 топливо B с целью повышения его давления. Благодаря обеспечению сравнительно высокого давления топлива пилотное пламя в необходимых случаях эксплуатации может гореть стабилизированным образом. Также могут предотвращаться термоакустические колебания, а также затухание пламени, хотя постоянно обеспечиваемое топливной сетью 13 давление снабжения сравнительно низко.