ГАЗОТУРБИННАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ С РЕЦИРКУЛЯЦИЕЙ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ
GAS-TURBINE POWER PLANT WITH EXHAUST GAS RECIRCULATION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к способу работы газотурбинного двигателя с двумя входящими потоками разного газового состава и к газотурбинному двигателю с разделенным входом компрессора.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Рециркуляция представляет собой технологию, которая может быть применена, по сути, для как можно более разнообразных целей в газотурбинных двигателях. Таким образом, например, для управления выбросами, снижения объема отработавшего газа для отделения углекислого газа и т.д. При рециркуляции отработавших газов в газотурбинном двигателе существенная часть отработавших газов ответвляется от общего потока отработавших газов и, как правило, вновь направляется, после охлаждения и очистки, к общему входящему потоку в турбину или компрессор турбины. Состав отработавшего газа значительно отличается от состава свежего окружающего воздуха. Как правило, рециркулируемый подпоток отработавшего газа перемешивается со свежим воздухом из окружающей среды, и эта смесь затем подается в компрессор.
Предпочтительно путем рециркуляции отработавших газов парциальное давление углекислого газа в отработавших газах может быть увеличено для того, чтобы снизить потери мощности и производительности электростанций с отделением углекислого газа. Более того, рециркуляция отработавших газов предлагалась в целях снижения содержания кислорода во входящих газах газотурбинного двигателя для того, чтобы таким образом снизить выброс NOx.
Для рециркуляции отработавших газов, например, в документе US 7536252 B1 описан способ управления рециркулируемым потоком отработавших газов турбоагрегата, который возвращается на впуск турбоагрегата при помощи системы рециркуляции отработавших газов. При этом способе определяется желаемая часть рециркулируемых отработавших газов, которая содержит часть подпотока отработавшего газа во впускном потоке турбоагрегата, и действительное значение устанавливается в соответствии с желаемым значением.
В ЕР 2248999 описана электростанция с рециркуляцией отработавших газов и способ работы электростанции такого типа, при этом коэффициентом рециркуляции и температурой, до которой рециркулируемые отработавшие газы повторно охлаждаются, управляют в зависимости от нагрузки.
Для того чтобы обеспечить возможность рециркуляции отработавших газов, в предшествующем уровне техники было предложено устанавливать вентиляторы для преодоления потерь давления в линии рециркуляции во вторичном охладителе для рециркулируемых отработавших газов и т.д. Альтернативно, существуют версии, в которых линия рециркуляции, охладитель для рециркулированных отработавших газов и т.д. должны быть настолько большими, чтобы скорости потока и, таким образом, потери давления были настолько низкими, чтобы избыточного давления в линиях отработавших газов было достаточно для возврата отработавших газов. Оба решения являются громоздкими и дорогостоящими и требуют дополнительного пространства на электростанции. В частности, применение вентиляторов оказывает дополнительное отрицательное воздействие на мощность и производительность электростанции.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Одной из задач настоящего изобретения является разработка способа для надежной работы газотурбинного двигателя с рециркуляцией отработавших газов без использования вентиляторов для преодоления потерь давления в линиях рециркуляции.
Более того, газотурбинная электростанция, подходящая для осуществления указанного способа, является предметом изобретения.
Газотурбинная электростанция с рециркуляцией отработавших газов содержит газотурбинный двигатель, котел-утилизатор и разделитель отработавших газов, который разделяет отработавшие газы на первый подпоток отработавших газов для рециркуляции во входящий поток газотурбинного двигателя и на второй подпоток отработавших газов, выбрасываемый в окружающую среду, а также линию рециркуляции. Как правило, в линиях рециркуляции оборудуется по меньшей мере один вторичный охладитель отработавших газов.
Газотурбинный двигатель содержит компрессор с входным поперечным сечением, камеру сгорания, следующую за компрессором, в которой сжатые газы сжигаются с топливом, и турбину, в которой горячие газы сгорания расширяются, а также вал.
Описанный способ отличается тем, что предусмотрен целевой массовый расход для рециркулируемого первого подпотока отработавших газов, и рециркулируемый первый подпоток отработавших газов подают в область входа компрессора, в которой входящий поток свежего воздуха ускоряют до той степени, что разница между общим давлением и статическим давлением больше или равна разнице давлений, требуемой для всасывания целевого массового расхода рециркулируемого первого подпотока отработавших газов во вход компрессора.
Посредством снижения статического давления во входящем потоке компрессора разница давлений при рециркуляции отработавших газов увеличивается, и можно обойтись без вентилятора отработавших газов.
Целевой массовый расход может быть, в целях упрощения, установлен как фиксированное значение или может быть определен в зависимости от рабочих условий газотурбинного двигателя. Целевой массовый расход может быть установлен как абсолютное значение или быть установлен как относительное значение в зависимости от текущего состояния. Например, он может быть определен пропорционально отклонению желаемое значение/действительное значение по концентрации, температуре или пульсации в камере сгорания, либо по другой переменной.
Как правило, рециркулируемый первый подпоток отработавшего газа подают в область на входе компрессора, где входящий поток свежего воздуха ускоряют до такой степени, что разница между общим давлением и статическим давлением составляет более 1% от общего давления.
В соответствии с одним из вариантов способа рециркулируемый первый подпоток отработавших газов поставляют в область на входе компрессора, где входящий поток ускоряют до такой степени, что разница между окружающим давлением и статическим давлением больше, чем разница между суммой потерь давления в линии рециркуляции и всех фитингах в линии рециркуляции и избыточным давлением в разделителе отработавшего газа относительно окружающего давления.
Как правило, статическое давление в разделителе отработавших газов выше, чем окружающее давление, для того, чтобы компенсировать потери давления в следующих линиях отработавшего газа и в устройствах по обработке отработавшего газа, например, для отделения углекислого газа, перед дымовой трубой. Таким образом, в целом, давление может быть повышено для подачи рециркулируемых отработавших газов на вход компрессора.
С точки зрения большого ускорения входящего в компрессор потока до входа в компрессор, в частности, во впускном патрубке (также называемом коллектором) или непосредственно выше по потоку от впускного патрубка, получается явный перепад давлений на входе компрессора до поступления в компрессор. Путем изменения положения, в котором рециркулируемый первый подпоток отработавшего газа подводят к входу компрессора, перепад давления притока и, таким образом, количество рециркулируемого первого подпотока отработавшего газа может управляться по разомкнутом циклу или по замкнутому циклу. Чем ближе к входу компрессора подается рециркулируемый первый подпоток отработавшего газа, тем больше разница давления притока и, таким образом, количество рециркулируемого первого подпотока отработавшего газа.
Помимо положения, в котором рециркулируемый первый подпоток отработавшего газа подводится к входу компрессора, площадь выхода линии рециркуляции или сектора входа компрессора, через который возвращается рециркулируемый первый подпоток отработавшего газа, определяет рециркулируемый первый подпоток отработавшего газа. Чем больше площадь выхода, тем больше становится рециркулируемый первый подпоток отработавших газов. В соответствии с одним из вариантов способа количеством рециркулируемого первого подпотока отработавшего газа управляют по разомкнутому или по замкнутому циклу путем изменения площади поперечного сечения выпускного отверстия, из которого первый подпоток отработавшего газа подают на вход компрессора.
В соответствии с дополнительным вариантом способа свежий воздух и рециркулируемый первый подпоток отработавшего газа подают в компрессор коаксиально друг другу через вход компрессора.
В соответствии с еще одним вариантом данного способа свежий воздух и рециркулируемый первый подпоток отработавшего газа подают в компрессор через концентрические круглые кольца через вход компрессора.
В соответствии с еще одним вариантом данного способа первый подпоток отработавших газов подают через вход компрессора при помощи радиально внутреннего круглого кольца.
Для того чтобы установить количество рециркулируемого первого подпотока отработавшего газа в соответствии с еще одним воплощением способа, регулировку или управление осуществляют при помощи изменяемого разделительного элемента, расположенного на входе компрессора, который отделяет тракт свежего воздуха от тракта рециркулируемого первого подпотока отработавшего газа. Для регулировки или управления геометрия выхода изменяемого разделительного элемента является регулируемой. Это изменение может представлять собой движение или перемещение в любом направлении, в результате чего давление и характеристики потока на выходе разделительного элемента изменяются.
В соответствии с одним воплощением изменяемый разделительный элемент является перемещаемым в осевом направлении. Путем изменения осевого положения изменяемого разделительного элемента, в частности, на выходном конце изменяемого разделительного элемента количеством рециркулируемого первого подпотока отработавшего газа управляют по разомкнутому циклу или по замкнутому циклу.
В соответствии с дополнительным воплощением способа количеством рециркулируемого первого подпотока отработавшего газа управляют по разомкнутому циклу или по замкнутому циклу при помощи изменяемого разделительного элемента, выполненного с возможностью перемещения в радиальном направлении. При помощи радиального перемещения изменяемого разделительного элемента площадью выхода, через который рециркулируемый первый подпоток отработавших газов подают на вход компрессора, управляют по разомкнутому циклу или по замкнутому циклу для того, чтобы регулировать или управлять рециркулируемым первым подпотоком отработавшего газа.
Подача рециркулируемого первого подпотока отработавшего газа на вход компрессора может осуществляться как при помощи одной связанной выходной площади тракта потока, так и при помощи множества выходных площадей от одного тракта потока или от множества трактов потока. В соответствии с иллюстративным воплощением рециркулируемый первый подпоток отработавшего газа вводится с помощью устройств подачи, расположенных так, чтобы распределяться в окружном направлении концентрично относительно вала газотурбинного двигателя выше по потоку от входа компрессора. В этом иллюстративном воплощении количеством рециркулируемого первого подпотока отработавшего газа управляют по разомкнутому циклу или по замкнутому циклу путем изменения осевого положения выпускного отверстия устройств подачи на входе компрессора.
В зависимости от концепции работы и газотурбинного двигателя рециркуляция отработавших газов отключается или уменьшается для пуска газотурбинного двигателя, или когда последняя находится под частичной нагрузкой. Это необходимо, например, для обеспечения устойчивого сгорания с низким содержанием оксида углерода (СО) или, в ходе операции зажигания, для избегания рециркуляции несгоревшего топлива во впускной поток газотурбинного двигателя. В зависимости от разделения впускного поперечного сечения на сектора, через которые подается свежий воздух, и сектора, через которые возвращаются рециркулируемые отработавшие газы, некорректный встречный поток в компрессоре может возникнуть при снижении рециркуляции отработавших газов. Чтобы избежать такого некорректного набегающего потока, в соответствии с одним из вариантов способа, при пуске или частичной нагрузке газотурбинного двигателя свежий воздух примешивается к рециркулируемому первому подпотоку отработавшего газа до того, как последний входит в компрессор. Подмесом свежего воздуха управляют по разомкнутому циклу или по замкнутому циклу с помощью контролирующего или регулирующего элемента, например, клапана или заслонки. Когда рециркуляция отработавших газов отключается, чистый свежий воздух может подаваться во второй сектор впускного поперечного сечения при помощи такого контролирующего или регулирующего элемента так, чтобы даже без рециркуляции отработавших газов обеспечивался равномерный набегающий поток в компрессор.
В соответствии с одним вариантом рециркулируемый первый поток отработавших газов и свежий воздух подают на вход компрессора радиально ступенчатым образом, свежий воздух подают через наружный сектор впускного поперечного сечения относительно оси вращения компрессора и рециркулируемый первый поток отработавших газов подают через внутренний сектор впускного поперечного сечения относительно оси вращения компрессора. При помощи этого способа подмеса газа со сниженным содержанием кислорода в охлаждающий воздух можно избежать или по меньшей мере уменьшить его. Концентрация кислорода в газах, достигающих камеры сгорания, таким образом, снижается по сравнению с традиционным способом, при котором свежий воздух сначала перемешивается с газом со сниженным содержанием кислорода и затем подается в компрессор. Это обеспечивает возможность применения массового расхода газа, меньшего, чем в предшествующем уровне техники, и обеспечивают меньшую кислородную долю для достижения особенных эффектов при сгорании.
В соответствии с альтернативным вариантом рециркулируемый первый поток отработавших газов и свежий воздух подают к входу компрессора радиально ступенчатым образом, при этом свежий воздух подают через внутренний сектор впускного поперечного сечения относительно оси вращения компрессора и рециркулируемый первый поток отработавшего газа подают через наружный сектор впускного поперечного сечения относительно оси вращения компрессора.
Это обеспечивает возможность использования повышенной доли свежего воздуха в рециркулируемом отработавшем газе по сравнению с предшествующим уровнем техники. В целом, таким образом, содержание кислорода в отработавших газах может быть снижено, содержание углекислого газа может быть увеличено, и массовый поток отработавшего газа, покидающего электростанцию, из которого, например, отделен углекислый газ, может быть снижен. Сниженный массовый поток отработавших газов обеспечивает возможность уменьшения размера станции. Большее содержание углекислого газа ведет к более эффективному отделению при сниженном потреблении вспомогательной энергии на отделение углекислого газа, и, таким образом, к большей полезной эффективной мощности и большей эффективной производительности электростанции.
Помимо указанного способа, предметом изобретения является газотурбинная электростанция с рециркуляцией отработавших газов для осуществления указанного способа. Газотурбинная электростанция такого типа содержит газотурбинный двигатель, котел-утилизатор, вход компрессора, через который входящий поток может поступать в компрессор газотурбинного двигателя, и разделитель отработавших газов, который во время работы разделяет отработавшие газы газотурбинного двигателя на первый подпоток отработавшего газа для рециркуляции во входящий поток газотурбинного двигателя и второй подпоток отработавших газов для выброса в окружающую среду. В соответствии с изобретением вход компрессора поделен на первый сектор и второй сектор. Тракт компрессора, начинающийся на входе компрессора, примыкает к двум секторам. Более того, устройство подачи для свежего воздуха соединено с первым сектором, и линия рециркуляции для рециркуляции первого подпотока отработавшего газа от разделителя отработавших газов соединена со вторым сектором. В этом случае второй сектор подходит к компрессору так близко, что, когда газотурбинный двигатель работает, статическое давление на выходе из второго сектора является таким низким, что разница между общим давлением и статическим давлением больше или равна разнице давлений, требуемой для всасывания целевого массового расхода во вход компрессора.
Целевой массовый расход может, в целях упрощения, быть задан как фиксированное значение или определяться в зависимости от условий работы газотурбинного двигателя. Как правило, второй сектор подходит к компрессору так близко, что, во время работы, входящий поток ускоряется до такой степени, что разница давлений между общим давлением и статическим давлением составляет более 1% от общего давления.
В соответствии с дополнительным воплощением газотурбинной электростанции, когда газотурбинный двигатель работает, статическое давление на выходе из второго сектора такое низкое, что разница давлений между окружающим давлением и статическим давлением на выходе из второго сектора больше, чем разница между суммой потерь давления в линии рециркуляции и всех фитингах в линии рециркуляции и избыточным давлением в разделителе отработавших газов по отношению к окружающему давлению.
В соответствии с одним иллюстративным воплощением первый сектор для подачи свежего воздуха и второй сектор для подачи рециркулируемого первого подпотока отработавшего газа расположены коаксиально друг другу на своих выходах выше по потоку от входа компрессора.
В еще одном иллюстративном воплощении первый сектор для подачи свежего воздуха и второй сектор для подачи рециркулируемого первого подпотока отработавшего газа выполнены на своих выходах как концентрические круглые кольца.
Для того чтобы рециркулируемым подпотоком отработавшего газа можно было управлять по разомкнутому циклу или по замкнутому циклу, в соответствии с дополнительным воплощением газотурбинной электростанции выход второго сектора входа компрессора выполнен с возможностью быть геометрически изменяемым.
В соответствии с одним иллюстративным воплощением первый сектор для подачи свежего воздуха и второй сектор для подачи рециркулируемого первого подпотока отработавшего газа разделяются на своих выходах при помощи изменяемого разделительного элемента. Изменяемый разделительный элемент может содержать по меньшей мере одну перемещаемую стенку или по меньшей мере одну перемещаемую часть стенки. Тем не менее, изменяемый разделительный элемент также может быть расширяющимся элементом, изготовленным из эластичного материала, или содержать комбинацию обоих указанных типов.
Например, изменяемый разделительный элемент может быть расположен с возможностью перемещения в осевом направлении оси газотурбинного двигателя. При такой конструкции массовым расходом рециркулируемого первого подпотока отработавшего газа управляют по разомкнутому циклу или по замкнутому циклу при помощи разрежения в соответствующем осевом положении, на котором оканчивается разделительный элемент.
В качестве дополнительного примера изменяемый разделительный элемент расположен с возможностью перемещения в радиальном направлении. При помощи радиального перемещения массовым расходом рециркулируемого первого подпотока отработавшего газа управляют по разомкнутому циклу или по замкнутому циклу, в основном при помощи выходной площади второго сектора.
Дополнительно, может быть предусмотрена комбинация перемещаемого в осевом направлении и радиально перемещаемого разделительного элемента.
В дополнительном воплощении устройства подачи для ввода рециркулируемого первого подпотока отработавшего газа расположены так, чтобы распределяться в окружном направлении, выше по потоку от входа в компрессор, концентрично относительно вала газотурбинного двигателя. В этом случае осевое расстояние от выходных отверстий устройств подачи до входа в компрессор можно устанавливать так, чтобы регулировать или управлять рециркулируемым первым массовым расходом.
В дополнительном воплощении газотурбинной электростанции второй сектор входа компрессора соединен со свежим воздухом или с устройством подачи для свежего воздуха при помощи управляющего или регулирующего элемента. Этот управляющий или регулирующий элемент обеспечивает возможность подмеса свежего воздуха к рециркулируемому первому подпотоку отработавшего газа контролируемым образом. Когда газотурбинный двигатель находится под частичной нагрузкой или в режиме пуска, свежий воздух может всасываться во второй сектор входа компрессора.
Этот управляющий или регулирующий элемент, к которому свежий воздух (окружающий воздух) подается через линию или воздушный тракт, представляет собой, например, заслонку или клапан. Для того чтобы компенсировать потери давления регулирующего элемента, а также во время подачи и подмеса, в устройстве подачи может быть оборудован вентилятор. Это устройство подачи не обязательно должно осуществлять подачу непосредственно во второй сектор входа компрессора, но может осуществлять подачу в линию рециркуляции, при помощи которой возвращается рециркулируемый первый поток отработавшего газа. Например, оно может осуществлять подачу даже выше по потоку от охладителя отработавших газов с очисткой газов, например, такого, как распыляющий охладитель (также называемый охладителем прямого контакта). В этом случае свежий воздух может подаваться без дополнительной фильтрации или лишь с небольшой фильтрацией.
В соответствии с одним из вариантов сектора входа компрессора выполнены как внутренний сектор и наружный сектор, устройство подачи для рециркулируемого первого потока отработавшего газа соединяется с внутренним сектором входа компрессора, и устройство подачи для свежего воздуха соединяется с наружным сектором входа компрессора.
При помощи такой конструкции подмеса газа со сниженным содержанием кислорода в охлаждающий воздух можно избежать или, по меньшей мере, снизить. Концентрация кислорода в газах, достигающих камеры сгорания, таким образом, снижается по сравнению с традиционным способом, при котором свежий воздух сперва перемешивается с газом со сниженным содержанием кислорода и затем подается на компрессор. Это обеспечивает возможность использовать массовый расход газа, меньший, чем в предшествующем уровне техники, и обеспечивает сниженную долю кислорода для достижения специального эффекта при сгорании во время работы.
В соответствии с альтернативным вариантом сектора входа компрессора выполнены как внутренний сектор и наружный сектор, при этом устройство подачи для рециркулируемого первого потока отработавших газов соединяется с наружным сектором входа компрессора, и устройство подачи для свежего воздуха соединяется с внутренним сектором входа компрессора.
Это обеспечивает возможность использовать соотношение свежего воздуха к рециркулируемому отработавшему газу, большее, чем в предшествующем уровне техники. В целом, таким образом, кислородная составляющая в отработавших газах может" быть уменьшена, содержание углекислого газа может быть увеличено, и массовый поток отработавших газов, покидающий электростанцию, из которых отделяется, например, углекислый газ, может быть снижен. Сниженный массовый поток отработавших газов обеспечивает возможность уменьшения размера станции. Во время работы большее содержание углекислого газа приводит к более эффективному отделению при низком потреблении дополнительной энергии для отделения углекислого газа и, таким образом, к большей полезной выходной мощности и большей эффективной производительности электростанции.
Все описанные преимущества могут быть использованы не только в комбинациях, определенных для каждого случая, но также в других комбинациях или отдельно, не нарушая пределов настоящего изобретения. Изобретение может быть использовано без ограничений для газотурбинных двигателей, имеющих камеру сгорания, и для газотурбинных двигателей с последовательным сгоранием, например, для таких, как описано в ЕР 0718470.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Предпочтительные воплощения изобретения описаны ниже с помощью чертежей, служащих лишь в пояснительных целях и не расцениваемых как ограничивающие. На схематичных чертежах:
фиг. 1 изображает газотурбинную электростанцию с рециркуляцией отработавших газов в соответствии с предшествующим уровнем техники;
фиг. 2 изображает газотурбинную электростанцию с рециркуляцией отработавших газов и подводом отработавших газов в область входа компрессора со сниженным статическим давлением;
фиг. 3 изображает вид в перспективе разделенного входа компрессора для подвода рециркулируемых отработавших газов в область входа компрессора со сниженным статическим давлением;
фиг. 4 изображает иллюстрацию профиля давления на участке от входа компрессора выше по потоку от входа в компрессор;
фиг. 5 изображает фрагмент входа компрессора с разделительным элементом;
фиг. 6 изображает фрагмент входа компрессора с радиально изменяемым разделительным элементом;
фиг. 7 изображает фрагмент входа компрессора с изменяемым в осевом направлении разделительным элементом;
фиг. 8 изображает вход компрессора с рециркуляцией отработавших газов через множество подающих трактов, расположенных по кругу вокруг оси газотурбинного двигателя на входе компрессора.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Фиг. 1 представляет схематичную иллюстрацию основных элементов газотурбинной электростанции с рециркуляцией отработавших газов. Газотурбинный двигатель 6 содержит компрессор 1, воздух горения, сжимаемый в нем, подается в камеру сгорания 4 и сжигается вместе с топливом 5. Горячие газы сгорания после этого расширяются в турбине 7. Полезная энергия, создаваемая в турбине 7, затем превращается в электрическую энергию, например, при помощи первого генератора 25, расположенного на том же валу.
Горячие отработавшие газы 8, выходящие из турбины 7, используются, в целях оптимального использования энергии, все еще содержащейся в них, в котле-утилизаторе (HRSG) 9 для создания свежего пара 30 для паровой турбины 13 или для иных станций. Полезная энергия, создаваемая в паровой турбине 13, затем превращается в электрическую энергию, например, при помощи второго генератора 26, расположенного на том же валу. Паровой цикл показан в упрощенной форме и просто схематично в данном примере. Различные ступени давления, насосы питательной воды и т.д. не изображены, поскольку не являются предметом изобретения.
Отработавшие газы из котла-утилизатора 19 разделяются ниже по потоку от котла-утилизатора 9 на такой станции на первый подпоток 21 отработавших газов и второй подпоток 20 отработавших газов в разделителе 29 отработавших газов, который может управляться по разомкнутому или замкнутому циклу. Первый подпоток 21 отработавших газов возвращается во всасывающую линию газотурбинного двигателя 6 и перемешивается в ней со свежим воздухом 2. Невозвратный второй подпоток 20 отработавших газов выбрасывается в окружающую среду или, как в данном примере, дополнительно охлаждается с помощью вторичного охладителя 23 отработавших газов и направляется в систему 18 для отделения углекислого газа. Отработавшие газы 22 с низким содержанием углекислого газа выбрасываются в окружающую среду через дымовую трубу 32. Для преодоления потерь давления в системе 18 отделения углекислого газа и линии отработавших газов может быть оборудован вентилятор 10 отработавших газов. Углекислый газ 31, отделенный в системе 18 отделения углекислого газа, как правило, сжимается и направляется на хранение или в дальнейшую обработку. Система 18 отделения углекислого газа питается путем отбора пара с отводом пара от паровой турбины 13.
Второй подпоток отработавших газов может также подводиться к дымовой трубе 32 непосредственно при помощи перепускного канала 24 для отработавших газов, имеющего перепускную заслонку 12.
Возвращенный первый подпоток 21 отработавших газов охлаждается до температуры, слегка превышающей окружающую температуру, во вторичном охладителе 27 отработавших газов, который может быть оборудован конденсатором. Нагнетатель или вентилятор 11 отработавших газов для рециркулируемого потока 21 может быть расположен ниже по потоку от этого вторичного охладителя 27 отработавших газов. Этот возвращенный первый подпоток 21 отработавших газов перемешивается со свежим воздухом 2 до того, как смесь будет подана в виде входящего потока на газотурбинный двигатель 6 через вход 3 компрессора.
В отличие от фиг. 1, газотурбинный двигатель с последовательным сгоранием показана на фиг. 2. Указанный способ может быть применен к газотурбинным двигателям, имеющим камеру сгорания, и к газотурбинным двигателям с последовательным сгоранием. Соответственно, возможны варианты для газотурбинных двигателей, имеющих камеру сгорания, и для газотурбинных двигателей с последовательным сгоранием.
Фиг. 2 схематично изображает иллюстративное воплощение газотурбинной электростанции с входом компрессора, поделенным на два сектора, устройством подачи для свежего воздуха, осуществляющим подачу в первый сектор 3′ входа 3 компрессора, и устройством подачи для рециркулируемого подпотока 21 отработавших газов, осуществляющим подачу во второй сектор 3″ входа 3 компрессора. Два входных сектора 3′, 3″ примыкают к тракту потока компрессора 1 на той стороне входа 3 компрессора, которая обращена к компрессору. Второй сектор 3″ проходит до области входа 3 компрессора, в которой, когда газотурбинный двигатель работает, поток ускоряется настолько резко, что статическое давление падает до такой степени, что первый подпоток 21 отработавших газов преодолевает потери давления в линии рециркуляции и потери давления во вторичном охладителе 27 отработавших газов.
Охлаждающий газ низкого давления и среднего давления 33, 34 отбирается от компрессора 1 и подается для охлаждения к горячим газовым частям газотурбинного двигателя. Более того, охлаждающий газ 28 высокого давления отбирается на конце компрессора или следующего за ним диффузора и подается для охлаждения частей горячих газов газотурбинного двигателя. Фиг. 2 изображает, в целях упрощения, лишь подачу охлаждающего газа к турбине 16 высокого давления и, в каждом случае, газа низкого давления и среднего давления 33, 34 к турбине 17 низкого давления. В целях упрощения, подача охлаждающего газа в камеры сгорания 14, 15 не показана, камера сгорания 14 высокого давления, как правило, охлаждается при помощи охлаждающего воздуха 28 высокого давления, и камера сгорания 15 низкого давления, как правило, охлаждается при помощи охлаждающего воздуха 34 среднего давления.
Для получения однородного профиля скорости в потоке к компрессору в случае разных фаз работы газотурбинного двигателя и изменений в доле рециркулируемого отработавшего газа 21 и в объеме на входе в компрессор, связанные с этим, в иллюстративном воплощении, показанном на фиг. 2, предусмотрен элемент 42 для регулирования свежего воздуха, посредством которого свежий воздух 2 примешивается к первому подпотоку 21 отработавшего газа до того, как указанный свежий воздух вводится в компрессор 1 через второй сектор 3″ входа 3 компрессора.
Фиг. 3 изображает в перспективе схематичный вид разделенного входа компрессора для ввода отработавших газов в область входа компрессора со сниженным статическим давлением. Свежий воздух 2 подается с одной стороны к первому сектору 3′ входа 3 компрессора, отклоняется горизонтально и после отклонения подается в направлении оси газотурбинного двигателя к компрессору через кольцевую область выпуска.
Рециркулируемый первый подпоток 21 отработавших газов направляется в осевом направлении против направления основного потока газотурбинного двигателя к плоскости выше по потоку от входа 3 компрессора, отклоняется во втором секторе 3″ входа компрессора и направляется от стороны над осью газотурбинного двигателя выше по потоку от входа в газотурбинный двигатель. В результате второго отклонения рециркулируемый первый подпоток 21 отработавших газов проводится в направлении высоты оси газотурбинного двигателя и подается в компрессор, после дополнительного отклонения, через кольцевую область выпуска. Два сектора 3′, 3″ разделены перегородкой 45, которая простирается до области, имеющей низкое статическое давление, с помощью которой рециркулируемый первый подпоток 21 отработавшего газа всасывается в компрессор 1.
1
3
Профиль давления на входе 3 компрессора схематично показан на фиг. 4. Здесь показан фрагмент входа 3 компрессора выше по потоку от входа в компрессор, в котором из-за ускорения потока давление резко падает от входного давления p до тех пор, пока не достигнет давления на входе в компрессор р. В примере изображена 90% изобара 47. Статическое давление падает от этой 90% изобары 47 до 90% от общего давления в результате ускорения потока. Когда рециркулируемый первый подпоток отработавшего газа вводится в область входа 3 компрессора, находящуюся после этих изобар, 10% общего давления окружающей среды доступно для транспортировки рециркулируемого первого подпотока отработавших газов. Как правило, снижение статического давления на 5% является достаточным для обеспечения возврата отработавшего газа во вход компрессора. В случае больших линий рециркуляции с низкими потерями давления и принимая во внимание возможное избыточное давление в выпускной системе, когда рециркулируемый первый подпоток отработавших газов отводится, может быть достаточно меньшего снижения статического давления. Таким образом, ввод может быть возможен в области, где статическое давление понижено лишь на 1% или 2% от общего давления. В зависимости от желаемой скорости потока на выходе для рециркулируемого первого подпотока отработавших газов на выходе из второго сектора входа компрессора, может потребоваться большее снижение статического давления, которое может достигать доли в 20% или 30% от общего давления.
2
21
2
21
3
2
21
Фиг. 5 изображает схематичную иллюстрацию фрагмента входа 3 компрессора непосредственно выше по потоку от компрессора. Фрагмент ограничен в направлении вала газотурбинного двигателя крышкой 38 вала и снаружи корпусом 40 компрессора. Разделительный элемент 45 отделяет первый сектор 3′ для ввода свежего воздуха 2 от второго сектора 3″ для ввода рециркулируемого первого подпотока отработавшего газа. Давление свежего воздуха р на входе показанного фрагмента в первом секторе 3′ выше, чем давление рециркулируемого первого подпотока отработавшего газа p на входе показанного фрагмента во втором секторе 3″. Оба давления р, p существенно выше, чем статическое давление на входе в компрессор р. С учетом более высокого изначального давления, свежий воздух ускоряется более резко в первом секторе 3′ так, чтобы скорость свежего воздуха v на конце разделительного элемента 45 была выше, чем скорость рециркулируемого подпотока отработавших газов v. Таким образом, образуется пограничный поток, отделяемый пограничным слоем 50.
Фиг. 6 и 7 изображают примеры изменяемых разделительных элементов 49, которые обеспечивают возможность регулирования или управления рециркулируемым первым массовым потоком 21 отработавших газов. Как правило, в вариантах с изменяемым разделительным элементом 49 вход 3 компрессора поделен на два сектора 3′, 3″ при помощи фиксированной перегородки 45, и участок фиксированной перегородки заменяется или дополняется изменяемым разделительным элементом 49 лишь в выходной области секторов 3′, 3″.
Фиг. 6 изображает схематическую иллюстрацию фрагмента входа 3 компрессора с радиально изменяемым разделительным элементом 49, который примыкает к фиксированной перегородке 45. Выходной конец может быть расширен или сужен в радиальном направлении.
Для того чтобы увеличить рециркулируемый первый массовый поток 21 отработавших газов, изменяемый разделительный элемент 49 может быть расширен в радиальном направлении вдаль от оси газотурбинного двигателя в направлении потока так, чтобы площадь выхода из второго сектора 3″ увеличилась. Это обеспечивает возможность всасывания большего расхода рециркулируемого первого подпотока 21 отработавшего газа при той же скорости потока.
Для снижения рециркулируемого первого массового потока 21 отработавших газов изменяемый разделительный элемент 49 может быть сжат в радиальном направлении к оси газотурбинного двигателя так, чтобы площадь выхода из второго сектора 3″ уменьшилась. Следовательно, впуск рециркулируемого первого подпотока 21 отработавшего газа снижается при той же скорости потока.
В качестве альтернативного иллюстративного воплощения на фиг. 7 показана схематичная иллюстрация фрагмента входа 3 компрессора с изменяемым в осевом направлении разделительным элементом 49.
Для увеличения рециркулируемого первого массового потока 21 отработавшего газа изменяемый разделительный элемент 49 может быть смещен в осевом направлении (вправо) в направлении потока так, чтобы выход из второго сектора 3″ лежал в области с большей скоростью потока и, соответственно, меньшим статическим давлением.
Для снижения расхода рециркулируемого первого массового потока 21 отработавших газов изменяемый разделительный элемент 49 может быть смещен в осевом направлении (влево) против направления потока так, чтобы выход из второго сектора 3″ лежал в области, имеющей меньшую скорость потока и, соответственно, большее статическое давление.
Фиг. 8 изображает альтернативную подачу рециркулируемых отработавших газов 21. Вместо отдельной подачи рециркулируемых отработавших газов 21 через второй сектор 3″, отделенный металлическим листом, входа компрессора для рециркулируемых отработавших газов 21, применяется неразделенный вход 3 компрессора, в который рециркулируемые отработавшие газы 21 вводятся через множество подающих трактов 39, расположенных в форме кольца вокруг оси на внутренней стенке входа 3 компрессора. Подходящие подающие тракты 39 представляют собой, например, трубки или патрубки, выходные концы которых сориентированы параллельно основному потоку в направлении входа компрессора. В показанном примере патрубки достигают впускного сопла (коллектора) компрессора 1. В показанном примере осевое положение выпускных отверстий труб может быть отрегулировано. Это может осуществляться, например, при помощи телескопического удлинения или сокращения труб или перемещения всей трубы с помощью эластичного трубного соединения.
Вариант с множеством подающих трактов 39 обладает преимуществом, заключающимся в том, что не требуется перегородки 45 для разделения входа 3 компрессора. Это обеспечивает преимущество во время работы, заключающееся в том, что отношение свежего воздуха 2 к рециркулируемым отработавшим газам 21 может быть изменено независимо от соотношения площадей впускных секторов. Более того, смещение отдельных трубок может осуществляться механически более простым способом, чем с помощью изменяемой перегородки.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
1 Компрессор
2 Свежий воздух
3 Вход компрессора
3′ Первый сектор: сектор входа компрессора для свежего воздуха
3″ Второй сектор: сектор входа компрессора для газа со сниженным содержанием кислорода
4 Камера сгорания
5 Топливо
6 Газотурбинный двигатель
7 Турбина
8 Горячие отработавшие газы газотурбинного двигателя
9 Котел-утилизатор (HRSG)
10 Вентилятор отработавших газов для второго подпотока отработавших газов (к системе отделения углекислого газа)
11 Вентилятор отработавших газов для первого подпотока отработавших газов (рециркуляция отработавших газов)
12 Перепускная заслонка или клапан
13 Паровая турбина
14 Камера сгорания высокого давления
15 Камера сгорания низкого давления
16 Турбина высокого давления
17 Турбина низкого давления
18 Система отделения углекислого газа
19 Отработавший газ из котла-утилизатора
20 Второй подпоток отработавших газов (линия отработавших газов к системе отделения углекислого газа)
21 Первый подпоток отработавших газов (рециркуляция отработавших газов)
22 Отработавшие газы с низким содержанием углекислого газа
23 Вторичный охладитель отработавших газов (для второго подпотока отработавших газов)
24 Перепуск отработавших газов к дымовой трубе
25 Первый генератор
26 Второй генератор
27 Вторичный охладитель отработавших газов (для первого подпотока отработавших газов)
28 Охлаждающий газ высокого давления
29 Разделитель отработавших газов
30 Свежий пар
31 Отделенный углекислый газ
32 Дымовая труба
33 Охлаждающий газ низкого давления
34 Охлаждающий газ среднего давления
35 Охлаждающий газ для ротора
36 Камера компрессора
37 Вал (также обозначаемый как ротор)
38 Крышка вала
39 Подающий тракт
40 Корпус компрессора
41 Точка отбора из компрессора
42 Управляющий или регулирующий элемент
43 Направляющая лопатка компрессора
44 Подвижная лопатка компрессора
45 Направляющая пластина на впуске
46 Крышка вала
47 90% изобара
48 Опора подшипника
49 Изменяемый разделительный элемент
50 Пограничный слой
1
Р Давление на впуске
2
р Давление свежего воздуха
21
P Давление рециркулируемого первого подпотока отработавшего газа
3
р Давление на входе в компрессора
2
v Скорость свежего воздуха
21
v Скорость рециркулируемого подпотока отработавших газов