СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ТУРБИННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ ПОСЛЕ ПОГАСАНИЯ ПЛАМЕНИ
METHOD FOR OPERATING TURBINE ENGINE AFTER FLAME EXTINCTION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение в целом относится к турбинным системам или двигателям, в частности к способам для оптимизированного замедления ротора турбины после прерывания потока топлива (то есть после погасания пламени), в частности, чтобы снизить общее время замедления и механическую, и термомеханическую нагрузку на турбинную систему или двигатель.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Процедуры останова турбины являются важными и регулярно выполняемыми процессами, которым стоит следовать безопасно и управляемым, и надежным образом. Во время замедления двигателя турбина не работает продуктивно; результирующее время работы вхолостую должно поддерживаться по техническим и экономическим причинам на минимуме.
US 2010/0275608 A1 предусматривает способ останова системы газотурбинного двигателя, способ, включающий в себя этапы уменьшения потока топлива в камеру сгорания, реверсирования работы генератора с тем, чтобы прикладывать крутящий момент к ротору, и увеличения замедления ротора с тем, чтобы ограничить поток воздуха в систему газотурбинного двигателя. Для этой конкретной цели пусковая система, которая обычно обеспечивается в турбинных системах для разгона вращающихся деталей до скорости зажигания, предназначена для реверсирования работы генератора с тем, чтобы приложить отрицательный крутящий момент к ротору, в то время как поток топлива уменьшается во время процедур останова.
В конечном счете, однако, после постепенного уменьшения потока топлива со временем поток топлива может прерываться полностью (погасание пламени), и в некоторой точке в графике останова генератор может отсоединяться от сети (выключатель генератора и/или выключатель высокого напряжения может быть разомкнут). После этого двигатель свободно вращается и медленно замедляется с помощью трения в подшипниках, аэродинамических сил на лопасти турбины и ротор, а также с помощью вентиляции и электрических потерь в генераторе. Важно, что после погасания пламени (то есть после прерывания потока топлива) все еще имеется большое количество кинетической (то есть вращательной) энергии (например, вплоть до нескольких мегаватт-часов в случае больших газовых турбин), сохраняемой в турбинном двигателе. Более того, после погасания пламени процесс замедления большой промышленной газовой турбины может длиться примерно еще 30 мин до целевой скорости, например скорости поворотного механизма, или пока полная остановка ротора турбины наконец не произойдет. Время, требуемое для этого последнего этапа, то есть снижения кинетической энергии свободно вращающегося двигателя после погасания пламени, значительно увеличивает общее время работы вхолостую турбинного двигателя.
Имеется несколько негативных вопросов или проблем, связанных с процедурой замедления турбинного двигателя, некоторые из которых будут упомянуты в дальнейшем:
i. Турбина не доступна для немедленного повторного запуска во время процесса замедления.
ii. Во время замедления аэродинамические поверхности или другие детали турбины или генератора будут проходить через свои резонансные частоты и будут накапливать циклы нагрузок с возможными повреждениями после большого числа остановов.
iii. Турбина будет охлаждаться посредством воздушного потока в двигателе во время замедления. Следовательно, с последующим (немедленным) повторным запуском после того, как ротор будет иметь скорость, равную или меньшую соответствующей скорости зажигания, имеют место существенные термомеханические нагрузки на турбинный двигатель.
iv. Во время замедления корпуса и держатели лопастей охлаждаются быстрее по сравнению с ротором турбины (последний имеет в сравнении большую толщину материала и, следовательно, охлаждается медленнее). Это приводит к более сильному сжатию держателей лопастей по сравнению с ротором и к уменьшению зазоров между вращающимися и неподвижными деталями. В некоторых случаях наблюдается блокирование ротора из-за «отрицательных» зазоров (то есть слишком маленьких зазоров). Следовательно, зазоры между деталями обычно должны устанавливаться более большими, чем требуется ввиду минимальных собранных в холодном виде зазоров, чтобы приспособиться к этим тепловым переходам; естественно, это делается за счет общей производительности двигателя.
v. Во время черного замедления (то есть, когда подача со стороны сети не доступна), двигатель потребляет вспомогательную мощность, обычно подаваемую батареями (или, как правило, батарейными элементами). Эти батарейные элементы оказывают существенное влияние на стоимость турбинного двигателя.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Цель изобретения, таким образом, состоит в предоставлении способа для замедления вращающихся деталей турбинного двигателя в пределах уменьшенного времени замедления турбинного двигателя после погасания пламени. Дополнительной целью является снижение общей нагрузки, в частности вибрационной нагрузки, на турбинный двигатель, которая происходит во время замедления.
Эти цели достигаются и вышеупомянутые проблемы уменьшаются, если не устраняются, посредством изобретения, которое предоставляет способ замедления ротора турбины турбинного двигателя (или в целом вращающихся частей турбинного двигателя), в котором, по меньшей мере, один электродвигатель соединен с ротором турбины (или с вращающимися деталями), в котором тормозная система соединена с, по меньшей мере, одним электродвигателем (то есть, электродвигатель управляется тормозной системой) так, чтобы использовать, по меньшей мере, один электродвигатель для приложения отрицательного крутящего момента к ротору турбины (или к вращающейся детали), способ, отличающийся тем, что после погасания пламени тормозную систему используют для рассеивания кинетической энергии, имеющейся в турбинном двигателе после погасания пламени, посредством, по меньшей мере, одного электродвигателя.
В дальнейшем, если раскрытие в контексте вращающихся деталей относится к ротору турбины, подразумевается, что любая вращающаяся деталь, например, также ротор паровой турбины, может являться объектом упомянутого раскрытия либо в качестве альтернативы, либо как отдельная деталь или деталь в соединении с ротором турбины. Предпочтительно электродвигатель является электрическим генератором, электрический генератор, предпочтительно предоставленный для снабжения сети высокого напряжения энергией во время обычной работы турбинного двигателя, в котором тормозную систему используют для преобразования кинетической энергии в электрическую энергию посредством электрического генератора. Многофункциональная конструкция обеспечивает снижение стоимости производства и более компактный турбинный двигатель.
Предпочтительно тормозную систему предоставляют посредством пусковой системы, последняя, предназначенная для разгона ротора турбины до скорости зажигания, как известно из технологии современного уровня техники. В данном тексте, если раскрытие относится к пусковой системе, оно может, где это уместно, также относиться в более общем смысле к тормозной системе.
Таким образом, предпочтительно электрический генератор, который предоставляют для снабжения сети высокого напряжения энергий, соединен с ротором турбины, при этом пусковая система соединена с электрическим генератором с тем, чтобы использовать электрический генератор в качестве генератора (и с тем, чтобы прикладывать отрицательный крутящий момент к ротору) или в качестве пускового устройства (с тем, чтобы прикладывать положительный крутящий момент к ротору турбины), при этом в графике останова после погасания пламени пусковая система может использоваться для рассеивания кинетической энергии, имеющейся в турбинном двигателе, посредством электрического генератора, при этом пусковую систему используют для преобразования кинетической энергии, имеющейся в турбинном двигателе после погасания пламени, в электрическую энергию (энергию торможения) посредством электрического генератора.
В целом, способ согласно изобретению, в частности, в случае работы газовых турбин должен использовать пусковую систему для замедления валопровода предпочтительно всякий раз, когда генератор не соединен с сетью, то есть, когда выключатель генератора разомкнут. Типичным турбинным двигателем, для которого использование неподвижного пускового устройства (то есть пусковой системы) для замедления валопровода (или ротора турбины) во время останова может использоваться с выгодой, является большая промышленная газовая турбина, которая имеет номинальную мощность, составляющую, например, от 50 до 300 мегаватт. Ожидается, однако, что любой схожий турбинный двигатель и его работа могут получить пользу, общим образом, от работы согласно изобретению.
Когда делается ссылка на кинетическую энергию турбинного двигателя, подразумевается кинетическая энергия всех вращающихся деталей, например вращающегося валопровода турбины (то есть ротора турбины или нескольких роторов турбины в случае турбин с несколькими валами), включающая в себя кинетическую энергию ротора соответствующего генератора и/или ротора паровой турбины, если таковая имеется.
Пусковая система, или неподвижное пусковое устройство, которое может использоваться в качестве тормозной системы, обычно используется, с одной стороны, для разгона ротора турбины до скорости зажигания посредством реверсирования работы генератора общеизвестным образом; генератор с реверсированной работой функционирует соответственно как двигатель, который приводит в действие ротор турбины; он прикладывает приводной крутящий момент к ротору, вследствие чего ротор набирает скорость. Другими словами, генератор в реверсированном режиме прикладывает положительный крутящий момент к ротору, то есть крутящий момент, который ускоряет ротор, чтобы набрать скорость вращения в предпочтительном направлении, характерном для турбин.
С другой стороны, пусковая система может использоваться для генераторного торможения посредством приложения отрицательного крутящего момента или тормозящего крутящего момента к ротору посредством генератора; этот тормозящий крутящий момент обычно увеличивает скорость замедления ротора турбины. Генераторное торможение, однако, будет активным, предпочтительно, только если замедление скорости ротора турбины является желательным. Генераторное торможение, таким образом, предпочтительно блокируется, например, во время разгона, чтобы избежать, например, больших флуктуаций энергии, вызываемых на вспомогательных силовых шинах (см. ниже).
Во время генераторного торможения пусковая система может прикладывать предопределенный отрицательный крутящий момент или силу к ротору турбины посредством электрического генератора, при этом отрицательный крутящий момент предпочтительно прикладывается в зависимости от скорости вращения ротора турбины, то есть он изменяется в процессе замедления согласно предопределенной модели, которая относится к конкретному турбинному двигателю и пусковой системе.
Отрицательный крутящий момент естественно приводит к замедлению свободно вращающегося ротора турбины, так как компенсация этой потери кинетической энергии отсутствует. Отрицательный (тормозящий) крутящий момент может, например, составлять от 70% до 90% от положительного (приводного) крутящего момента. Выгодно использовать встроенный генератор турбинного двигателя, может, однако, также встречаться ситуация, в которой обеспечивается дополнительный электродвигатель для цели торможения, то есть для замедления движения ротора.
Предпочтительно тормозная система и/или пусковая система, или неподвижное пусковое устройство управляется с помощью четырехквадрантной работы, в которой два квадранта (один приводной и один тормозящий квадрант) используются, так как отрицательное вращение вала после того, как машина достигла нулевой скорости турбин, обычно будет избегаться. Приводной квадрант должен пониматься, как квадрант на графике крутящего момента в зависимости от скорости вращения, в котором скорость вращения возрастает; в тормозящем квадранте скорость вращения уменьшается.
Как упоминалось выше, свободно вращающийся ротор турбины замедляется с довольно низкой скоростью из-за множества эффектов, в то же время, с помощью дополнительной тормозящей мощности, прикладываемой пусковой (или тормозящей) системой (например, пусковой системой с тормозящей мощностью примерно от 1 до 10 мегаватт для большой газовой турбины, прикладываемой через электрический генератор), скорость замедления вала турбины значительно увеличивается, что, в свою очередь, снижает время замедления со скорости вращения при погасании пламени до покоя в значительное число раз. Это число может составлять порядка 3 в случае обычной промышленной газовой турбины, такой как GT13E2 компании Alstom (со времени замедления без генераторного торможения, составляющего примерно 30 мин, до примерно 10 мин с генераторным торможением, см. ниже).
Предпочтительно пусковая система является системой, которая уже обычно используется (или уже встроена в существующие устройства). Известно использование неподвижного пускового устройства для разгона вращающихся деталей до скорости воспламенения или зажигания, после чего пусковое устройство может отсоединяться, или в качестве альтернативы может использоваться для снабжения сети среднего напряжения вспомогательной мощностью из мощности, генерируемой электрическим генератором во время обычной работы турбинного двигателя.
Сеть среднего напряжения может, таким образом, удовлетворять требованиям электрической мощности для вспомогательных служб или вспомогательных устройств турбинного двигателя, например насосов смазочного масла, вентиляции кожуха, и подобного.
Чтобы дополнительно оптимизировать замедление вращающихся деталей турбинного двигателя, таких как ротор турбины и паровой турбины, если таковая имеется, отрицательный крутящий момент, прикладываемый к ротору турбины, изменяется во время замедления ротора турбины в зависимости от, по меньшей мере, одного ключевого параметра, выбираемого из группы, состоящей из скорости вращения ротора турбины, вибрационной нагрузки на элементы или группы элементов, соединенных с турбинным двигателем или содержащихся в нем, состояния тормозной системы (в частности, ее температуры), состояния электродвигателя, состояния сети, соединенной с генератором (например, сети высокого или среднего напряжения), или других ключевых параметров, которые могут определяться специалистом в области техники, к которой относится изобретение.
Конечно, также возможно использовать два или более ключевых параметра, чтобы изменять тормозящий крутящий момент, прикладываемый к вращающимся деталям посредством тормозной системы. Примером было бы, что тормозная система может работать на пиковой нагрузке (то есть прикладывая максимальный отрицательный крутящий момент), в то время как вибрационная нагрузка высока (то есть во время присутствия вибрационных резонансов элементов или групп элементов, соединенных с турбинным двигателем или содержащихся в нем), тем не менее, если тормозная система рискует получить серьезные повреждения из-за перегрева из-за работы на пиковой нагрузке, отрицательный крутящий момент должен быть уменьшен несмотря на сильные вибрации. Таким образом, в данном случае первый ключевой параметр может являться вибрационной нагрузкой, а второй - реальным состоянием (скажем, температурой) тормозной системы. Так как вибрационная нагрузка может быть напрямую связана со скоростью вращения вращающихся деталей, альтернативным первым ключевым параметром можно назвать скорость вращения (см. далее для дополнительных пояснений). Специалист в данной области техники сможет спланировать и запустить решения с различными ключевыми параметрами в зависимости от конкретной конструкции турбинного двигателя.
Имеется общеизвестная проблема, состоящая в том, что во время разгона и/или замедления турбинные двигатели испытывают усиленную вибрационную нагрузку, в то время как скорость вращения вращающихся деталей проходит через вибрационные резонансы или резонансные полосы отдельных элементов (например, ротора турбины) или групп элементов, соединенных с турбинным двигателем или содержащихся в нем. В дальнейшем термин «резонанс» может читаться как крутильные и изгибные вибрации соответствующих элементов или групп элементов. Это явление в некоторых случаях, например, является слышимым для оператора, как будто весь двигатель начинает вибрировать на некоторое время, когда скорость вращения изменяется. Резонансы или резонансные полосы элементов или групп элементов (или соответствующее распределение вибрационной амплитуды по скорости вращения) могут быть известны оператору из опыта и/или могут быть рассчитаны с помощью программного обеспечения с конечными элементами и графически визуализированы в виде диаграмм Кэмпбелла. Эти резонансы происходят естественным образом в общем диапазоне скоростей вращения (то есть в диапазоне скоростей вращения со скорости при погасании пламени до нулевой скорости) как функция скорости вращения ротора; вибрационный резонанс или резонансная полоса должна пониматься здесь как резонанс, который происходит в ограниченном диапазоне скоростей (диапазоне резонансных скоростей). В общем диапазоне скоростей турбинного двигателя вполне может присутствовать несколько отдельных диапазонов резонансных скоростей, например, из-за нескольких резонансов, которые происходят в общем диапазоне скоростей. Вибрационные резонансы могут происходить в связи с отдельным элементом турбинного двигателя 1 (например, ротора или статора турбины, подшипников, …) или элементом, соединенным с турбинным двигателем (например, корпус турбины, узел управления, …), или они могут происходить в связи с группами таких элементов. Для такого элемента или для такой группы элементов несколько разных вибрационных резонансов могут происходить в общем диапазоне скоростей. Общий резонансный спектр зависит от турбинного двигателя и деталей, соединенных с ним.
Скорость вращения ротора турбины может использоваться в качестве упомянутого ключевого параметра. По меньшей мере, один диапазон критических скоростей вращения может обеспечиваться в пределах общего диапазона скоростей вращения ротора турбины после погасания пламени, в каковом, по меньшей мере, одном диапазоне критических скоростей вращения происходят (увеличенные) вибрационные нагрузки предпочтительно из-за возбуждения резонансных частот элементов или групп элементов, соединенных с турбинным двигателем или содержащихся в нем. Тормозная система может использоваться с тем, чтобы увеличивать отрицательный крутящий момент, прикладываемый к ротору турбины (то есть увеличить скорость замедления) с первого уровня до второго уровня, если скорость вращения ротора турбины лежит в пределах диапазона критических скоростей (и тормозная система в состоянии увеличить производительность). При управлении на первом уровне (нагрузки) тормозная система может работать ниже своей пиковой нагрузки. При управлении на втором уровне (нагрузки), который выше, чем первый уровень (нагрузки), тормозная система может работать на более высокой нагрузке по сравнению с первым уровнем. Нагрузка на тормозную систему на втором уровне нагрузки может предпочтительно являться пиковой нагрузкой тормозной системы.
Предпочтительно диапазон критических скоростей вращения, установленный между верхней и нижней границей критических скоростей вращения, лежит в пределах одного из диапазонов резонансных скоростей или перекрывается с ним. В диапазоне критических скоростей вращения нежелательные вибрационные нагрузки происходят из-за возбуждения собственных или резонансных частот элементов или групп элементов турбинного двигателя.
Возможно иметь два или более диапазона критических скоростей вращения в общем диапазоне скоростей вращения ротора турбины, и/или при этом по меньшей мере временно во время замедления ротора турбины в диапазоне критических скоростей вращения отрицательный крутящий момент прикладывается к ротору турбины с тем, чтобы тормозная система управлялась, работая на пиковой нагрузке, вследствие чего, после упомянутой работы на пиковой нагрузке и предпочтительно во время замедления в диапазоне скоростей вращения, который не является диапазоном критических скоростей вращения, тормозная система используется с нагрузкой, меньшей, чем ее пиковая нагрузка (чтобы уменьшить нагрузку или восстановиться). Если имеется несколько диапазонов критических скоростей вращения, допустим, что в общем диапазоне скоростей часть из них могут, по меньшей мере, частично перекрывать друг друга, или они могут быть отделены друг от друга.
Зависимость амплитуды вибраций от скорости вращения, то есть резонансная полоса (или кратко резонанс), может быть приближена гауссовым распределением. Затем, верхняя граница критических скоростей вращения может быть установлена на скорость вращения, при которой амплитуда вибраций составляет, например, примерно от 5% до 20%, предпочтительно примерно 10% от максимальной амплитуды вибраций, при этом максимальная амплитуда вибраций происходит на скорости вращения, более низкой, чем верхняя граница критических скоростей вращения. Нижняя граница критических скоростей вращения может быть установлена на скорость вращения, при которой амплитуда вибраций составляет, например, примерно от 5% до 20%, предпочтительно примерно 10% от максимальной амплитуды вибраций, при этом максимальная амплитуда вибраций происходит на скорости вращения, более высокой, чем нижняя граница критических скоростей вращения.
Предпочтительно иметь тормозную систему, работающую на пиковой нагрузке настолько долго, насколько это возможно, и предпочтительно в пределах всего диапазона резонансных скоростей, так как скорость замедления в таком случае максимизируется. Тормозная система может, однако, быть сконструирована так, чтобы работа на пиковой нагрузке могла происходить лишь временно во время процесса замедления. Это как правило обеспечивает более дешевую и компактную конструкцию тормозной системы. Следовательно, работа на пиковой нагрузке тормозной системы может не быть приспособлена для постоянной работы (из-за риска перегрузки пусковой системы) и делает необходимым период охлаждения, в котором нагрузка должна быть существенно снижена. Другими словами, тормозная система или пусковая система, действующая в качестве тормозной системы, может работать на пиковой нагрузке в течение ограниченного количества времени во время замедления и затем должна восстанавливаться в течение более короткого времени, чем общее время замедления после погасания пламени, в зависимости от реального переноса тепла от перегретого устройства и других параметров. В некоторых случаях эта частичная по времени работа на пиковой нагрузке может быть необходимой, так как уже встроенная пусковая система с ограниченными способностями может использоваться для активного торможения.
Возможно установить множество не перекрывающих друг друга диапазонов критических значений скоростей в пределах каждого диапазона резонансных скоростей. Между этими не перекрывающими друг друга диапазонами критических скоростей, пусковая система может уменьшать нагрузку с тем, чтобы не страдать от возможного повреждения из-за перегрузки. Если диапазон резонансных скоростей достаточно узок, весь диапазон может быть покрыт работой на пиковой нагрузке. Это было бы выгодно, так как в этом случае пусковая система может уменьшать нагрузку, в то время как двигатель вращается в диапазонах некритических скоростей.
Специалист в данной области техники может определить диапазоны резонансных скоростей конкретного турбинного двигателя и также может установить диапазоны критических скоростей вращения в пределах этих диапазонов резонансных скоростей в зависимости от производительности выбранной пусковой системы и реального турбинного двигателя.
В идеале пусковая система работает на пиковой нагрузке во время всего замедления (минимальные вибрации, минимальное время замедления). Там, где это невозможно по техническим, или экономическим, или другим причинам, пусковая система может работать на пиковой нагрузке во время части времени замедления, предпочтительно в диапазонах резонансных скоростей, с тем, чтобы использовать максимальную производительность пусковых систем, в то же время эффективно минимизируя вибрационную нагрузку на двигатель. Нет необходимости, чтобы все диапазоны резонансных скоростей обеспечивались диапазонами критических скоростей вращения, однако выгодно иметь максимальное замедление в диапазонах резонансных скоростей, чтобы снизить общую вибрационную нагрузку на турбинный двигатель, в то же время сокращая время замедления посредством активного генераторного торможения посредством пусковой системы.
Пусковая система, таким образом, используется во время замедления ротора турбины так, что, когда скорость вращения ротора турбины меньше или равна верхней границе критических скоростей вращения, отрицательный крутящий момент, прикладываемый к ротору турбины, увеличивается предпочтительно до тех пор, пока пусковая система не достигнет пиковой нагрузки, тем самым увеличивая скорость замедления в диапазоне критических скоростей вращения, то есть в диапазоне резонансных скоростей. После этого, когда скорость вращения ротора турбины снижается, предпочтительно, чтобы быть равной или меньше нижней границы диапазона критических скоростей вращения, через который она проходит, отрицательный крутящий момент опять уменьшается (чтобы позволить пусковой системе уменьшить нагрузку). Посредством этой процедуры общая вибрационная нагрузка на турбинный двигатель снижается. Ширина диапазона критических скоростей вращения и его положение в общем диапазоне скоростей зависят от конструкции и использования реального турбинного двигателя. Из модельных расчетов и/или опытных значений типичные диапазоны резонансных скоростей обычных турбинных двигателей известны специалистам в данной области техники, и диапазоны критических скоростей могут устанавливаться ими же.
Предпочтительно, чтобы два или более диапазона критических скоростей вращения обеспечивались в общем диапазоне скоростей вращения ротора турбины и/или чтобы при этом, по меньшей мере, временно во время замедления ротора турбины в диапазоне критических скоростей вращения пусковая система использовалась, работая на пиковой нагрузке, вследствие чего после упомянутой работы на пиковой нагрузке и предпочтительно во время замедления в диапазоне скоростей вращения, который не является диапазоном критических скоростей вращения, тормозная система используется с нагрузкой, меньшей, чем ее пиковая нагрузка, чтобы предотвратить повреждение пусковой системы из-за перегрузки.
В зависимости от реального турбинного двигателя, кинетической энергии, доступной во вращающихся деталях, может быть достаточно, чтобы электрическая энергия (энергия торможения), генерируемая электрическим генератором, могла подаваться в сеть высокого напряжения, в то время как выходная мощность генератора удовлетворяет требованиям питания сети высокого напряжения (например, когда скорость вращения ротора турбины выше, чем первая скорость вращения, обычно скорость вращения больше 2000 об/мин).
Если выходная мощность генератора не удовлетворяет требованиям сети высокого напряжения (например, когда скорость вращения ротора турбины падает ниже этой первой скорости вращения), выключатель высокого напряжения может быть разомкнут с тем, чтобы отсоединить генератор от сети высокого напряжения. В этой точке в графике останова все еще имеется кинетическая энергия, сохраненная в энергии турбины (во вращающихся деталях, таких как ротор турбины, ротор генератора, ротор паровой турбины или другие детали, в зависимости от конструкции двигателя), таким образом, выходная мощность генератора из-за активного торможения может далее использоваться для других целей.
Электрическая энергия торможения может в общем подаваться в сеть среднего напряжения, если выходная мощность генератора удовлетворяет требованиям питания сети среднего напряжения (например, по меньшей мере до тех пор, пока ротор не достигнет второй скорости вращения, более низкой, чем первая скорость вращения, обычно составляющей более 1500 об/мин).
Часть мощности, производимой во время генераторного торможения, может подаваться в сеть среднего в сеть среднего напряжения, в то время как мощность генераторного торможения также подается в сеть высокого напряжения, или после того, как выходная мощность генератора больше не удовлетворяет требованиям питания сети высокого напряжения, например, когда скорость вращения турбины меньше или равна упомянутой скорости вращения турбины.
В целом, выгодным аспектом изобретения является то, что кинетическая энергия, сохраняемая в турбинном двигателе после погасания пламени, может быть по меньшей мере частично возвращена, что улучшает общую производительность двигателя и имеет различные экологические и связанные с конструкцией машины выгоды.
Во время черного замедления (то есть, когда подача со стороны сети не доступна), двигатель потребляет вспомогательную мощность, подаваемую батареями. Эти батареи оказывают существенное влияние на стоимость силовой установки. Должна покрываться потребность в мощности потребителей вспомогательной мощности турбинного двигателя, выбираемых из группы, состоящей из: насосов смазочного масла, вентиляции кожуха, насосов охлаждающей воды, соответствующих точечных нагревателей, сетевых нагревателей и подобного.
Электрическая энергия торможения может подаваться предпочтительно через сеть среднего напряжения во внешний блок нагрузки (или несколько таких блоков), в батарейный элемент и/или в по меньшей мере один потребитель вспомогательной мощности турбинного двигателя с тем, чтобы рассеивать по меньшей мере часть электрической энергии торможения, при этом электрическая энергия торможения предпочтительно рассеивается посредством повторной зарядки батарейных элементов и/или посредством по меньшей мере частичного покрывания потребности во вспомогательной мощности, по меньшей мере, одного потребителя вспомогательной мощности соответственно.
Батарейные элементы обычно являются свинцовыми кислотными аккумуляторами, соединенными последовательно. Блоки нагрузки обычно являются электрическими резисторами, которые рассеивают электроэнергию в тепло.
Неподвижное пусковое устройство или пусковая система может использоваться во время черного безопасного замедления, чтобы по меньшей мере частично питать потребление вспомогательной мощности (насосы смазочного масла, вентиляцию кожуха или подобное). Это позволяет уменьшить размер экстренного энергоснабжения или батарейной системы.
Электрическая энергия торможения может подаваться во внешний блок нагрузки, в батарейный элемент или по меньшей мере в один потребитель вспомогательной мощности, в то время как выходная мощность генератора удовлетворяет требованиям сети среднего напряжения.
В конечном счете, например, когда скорость вращения падает ниже упомянутой второй скорости вращения во время замедления согласно изобретению, выходная мощность генератора может падать ниже конкретного значения системы, что требует отсоединения генератора также и от сети среднего напряжения. Начиная с этой точки в графике замедления, блок нагрузки может рассеивать дальнейшую выходную мощность генератора во время замедления ротора до состояния покоя. Специалист в данной области техники может определить значимые относящиеся к конкретному турбинному двигателю пороговые значения.
Способ согласно изобретению пригоден для турбинных двигателей с одним валом, при этом кинетическая энергия, доступная в турбинном двигателе из ротора турбины и/или ротора генератора газовой турбины и соответствующей паровой турбины, если таковая имеется, рассеивается.
Способ также пригоден для турбинных двигателей с двумя валами, при этом кинетическая энергия, доступная в турбинном двигателе из роторов турбин соответствующей паровой турбины, если таковая имеется, рассеивается согласно изобретению.
Способ, в частности, пригоден, если после ложного пуска турбинного двигателя ротор турбины должен быть замедлен до скорости воспламенения турбинного двигателя, чтобы быть повторно запущенным после этого настолько быстро, насколько возможно.
Использование способа согласно изобретению для останова промышленного газотурбинного двигателя или другого турбинного двигателя, или для замедления или торможения ротора турбины до скорости зажигания, например, для повторного запуска, является полезным, так как многие из ранее упомянутых вопросов и/или проблем могут быть решены или ослаблены. Более конкретно, способ согласно изобретению обеспечивает по меньшей мере следующее:
i. Турбинный двигатель замедляется быстрее, так как кинетическая энергия, сохраняемая в свободно вращающемся(ихся) роторе(ах) может рассеиваться активно и быстрее. Оценивается, что в обычной газовой турбине (например, турбине GT13E2 компании Alstom с номинальной мощностью, составляющей примерно от 150 до 170 мегаватт) доступно около 0.5 мегаватт-часов кинетической энергии. Соответствующему ротору турбины может потребоваться около 30 мин, чтобы замедлиться до состояния покоя. Если ротор, однако, замедляется активно и согласно изобретению посредством пусковой системы с номинальной мощностью, составляющей, например, около 4 мегаватт, около 90% которой обычно может быть доступно для целей торможения, ротор замедляется всего лишь за одну треть от этого времени, то есть примерно за 10 мин. Следовательно, процедура останова ускоряется, и турбинный двигатель скорее становится доступным для повторного (горячего) запуска. Доступность турбины увеличивается с помощью более короткого времени от погасания пламени до готовности к следующему запуску (обычно существует критерий освобождения, основанный на выходных скоростях двигателя). Это особенно важно для часто запускаемых двигателей, так называемых пиковых электростанций, и в целом для любого рынка средней нагрузки. Изобретение улучшает эффективность в целом и, следовательно, является полезным с экономической и экологической точки зрения.
ii. Периоды времени, во время которых двигатель работает на резонансных полосах лопастей или других деталей, то есть на собственных или резонансных частотах элементов или групп элементов турбинного двигателя, таких как аэродинамические поверхности или другие детали турбины или генератора, сокращаются, и, следовательно, количества циклов нагрузки на эти детали во время замедления уменьшаются. Посредством этого возможные повреждения после множества остановов избегаются или уменьшаются, что опять же является экономически и технологически полезным.
iii. Охлаждение конструктивных частей двигателя может быть уменьшено посредством изобретения так, чтобы потери тепла во время замедления были ниже, и двигатель оставался теплым в течение более длинного промежутка времени после останова - это приводит к более низким термомеханическим напряжениям во время повторного запуска и к более надежным процедурам повторного (горячего) запуска.
iv. Разное сжатие отдельных частей турбинного двигателя и возможные проблемы блокировки между неподвижными и подвижными деталями, как упомянуто выше, могут быть уменьшены посредством изобретения, так как меньше тепловых переходов. Следовательно, общая производительность двигателя улучшается. Более того, способ согласно изобретению обеспечивает уменьшенное трение в держателях лопастей во время замедления, что приводит к уменьшенным затратам на восстановление и уменьшенному риску блокировки ротора.
Более того, подача энергии в сеть (или в сеть высокого напряжения), в сеть среднего напряжения, в блок нагрузки, в батарейный элемент и/или в потребители вспомогательной мощности во время замедления после погасания пламени дополнительно улучшает общую производительность двигателя.
Посредством изобретения турбинный двигатель может быть быстрее возвращен в состояние повторного запуска после ложного запуска. Надежность запуска улучшается.
Как правило, существующие турбинные двигатели могут быть улучшены с помощью возможности генераторного торможения, в частности турбинные двигатели, которые уже используют неподвижную пусковую систему, которая может быть запрограммирована или управляться посредством системы управления GT.
4-квадрантная работа пусковой системы является стандартной характеристикой конструкции в обычных системах, используемых для больших газовых турбин. Ожидается, что стоимость продукта возрастет незначительно; приспособление в системе управления очевидно для специалиста в данной области техники (инженера управления GT).
Дополнительные варианты осуществления изобретения изложены в зависимых пунктах формулы изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Предпочтительные варианты осуществления изобретения описаны в дальнейшем более подробно со ссылкой на чертежи, которые предназначены для цели иллюстрации настоящих предпочтительных вариантов осуществления изобретения, а не для цели его ограничения.
Фиг. 1 показывает схематический вид турбинного двигателя, который может быть описан в материалах настоящей заявки;
Фиг. 2 показывает первую схематическую иллюстрацию отрицательного крутящего момента, прикладываемого к вращающимся деталям турбинного двигателя, или нагрузку на тормозную систему в зависимости от скорости вращения вращающихся деталей в качестве ключевого параметра, при этом диапазоны критических скоростей вращения не перекрывают друг друга;
Фиг. 3 показывает вторую иллюстрацию согласно фиг. 2, в которой диапазоны критических скоростей вращения перекрывают друг друга; и
Фиг. 4 показывает упрощенную схематическую зависимость скорости вращения ротора турбины согласно фиг. 1 от времени замедления.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
В качестве примера дальнейшие пояснения относятся к большому газотурбинному двигателю 1. Должно быть очевидно, однако, что также и другие аналогичные турбинные системы, имеющие другие конфигурации или использование, могут получать пользу от способа согласно изобретению. Стоит понимать, что многочисленные изменения и модификации могут производиться в материалах настоящей заявки рядовым специалистом в данной области техники без отклонения от общей сути и объема изобретения, определенного в материалах настоящей заявки.
Обычный турбинный двигатель 1 современного уровня техники, как изображено на фиг. 1, может включать в себя по меньшей мере один компрессор 8 для сжатия входящего воздушного потока. Сжатый воздух может доставляться в по меньшей мере одну камеру сгорания (не показано), в которой упомянутый воздух смешивается с топливом, вследствие чего после воспламенения поток газообразных продуктов сгорания направляется из-за расширения через турбину 10, чтобы производить механическую работу с помощью ротора 12 турбины, который вращается вокруг оси 10 вращения. Ротор 12 приводит в действие компрессор 8 и электрический генератор 30, который может вращаться вокруг оси 20 на том же валу. Выходная мощность электрического генератора 30 может передаваться через проводку 62 на трансформатор 35, и далее через проводку 63, 68 на сеть 60 высокого напряжения и/или сеть 61 среднего напряжения. В дальнейшем процессе газообразные продукты сгорания могут доставляться в парогенератор (не показан) для извлечения тепла.
Согласно изобретению тормозная система может предоставляться посредством пусковой системы 40 для цели активного (генераторного) торможения вращающегося ротора 12 турбины после погасания пламени; пусковая система 40, таким образом, предназначена для разгона до скорости зажигания и замедления после погасания пламени ротора 12 до конечной или нулевой скорости. Пусковая система 40 может, следовательно, для целей управления находится в связи с электрическим генератором 30 посредством проводки 64 или через нее.
Чтобы пусковая система 40 удовлетворяла требованиям к тормозной системе, она может включать в себя инвертер коммутации нагрузки для управления генератором 30 с тем, чтобы прикладывать положительный (приводной) крутящий момент для разгона (до скорости зажигания) и отрицательный (тормозящий) крутящий момент для замедления (после погасания пламени) ротора 12 турбины.
Фиг. 2 показывает три примерных схематических графика 71, 72, 73 работы пусковой системы 40. Ясно, что многочисленные изменения и приспособления могут добавляться к этим графикам для конкретного турбинного двигателя.
Здесь ключевым параметром может являться скорость вращения ротора 12 турбины. Упомянутая скорость вращения отложена на абсциссе 701 на фиг. 2. Дополнительно первый и второй диапазон 75, 76 критических скоростей вращения показаны на абсциссе 701 не перекрывающимся образом. На ординате 702 отложен тормозящий крутящий момент, прикладываемый к ротору 12 турбины. В качестве альтернативы ту же фиг. 2 можно прочитать с ординатой, представляющей мощность торможения, подаваемую пусковой системой 40, или нагрузку, переносимую пусковой системой 40.
Первый график 71 работы показывает два подъема 711, 715 значения ординаты в двух соответствующих диапазонах 75, 76 критических скоростей вращения. Начиная со стрелки рядом с правым концом кривой 71, по направлению влево, первый подъем 711 значения ординаты имеет возрастающий край 712 и убывающий край 713, а второй подъем 715 значения ординаты имеет возрастающий край 716 и убывающий край 717.
Кривая 72 второго графика работы показывает два подъема 721, 725 значения ординаты в двух соответствующих диапазонах 75, 76 критических скоростей вращения. Начиная со стрелки рядом с правым концом кривой 72, по направлению влево, первый подъем 721 значения ординаты имеет возрастающий край 722 и убывающий край 723, а второй подъем 725 значения ординаты имеет возрастающий край 716 и убывающий край 727. Из кривой 72 очевидно, что два разных подъема 721, 725 значения ординаты могут иметь разные высоты, то есть среднее значение ординаты может различаться в двух диапазонах 75, 76 скоростей. Более того, на фиг. 2 и 3 подъемы значения ординаты могут иметь скругленные края, то есть они не обязательно должны быть прямоугольными.
Третий график 73 работы показывает два подъема 731, 715 значения ординаты в двух соответствующих диапазонах 75, 76 критических скоростей вращения. Начиная со стрелки рядом с правым концом кривой 73, по направлению влево, первый подъем 731 значения ординаты имеет возрастающий край 732 и убывающий край 733, а второй подъем 735 значения ординаты имеет возрастающий край 736 и убывающий край 737.
На фиг. 2 возрастающие края 712, 716, 722, 726, 732, 736 являются более крутыми, чем убывающие края 713, 717, 723, 727, 733, 737; но может быть и наоборот.
Как правило, рядом с максимумом подъемов 711, 715, 721, 721, 725, 731, 735 значения ординаты пусковая система 40 может работать на пиковой нагрузке (максимальная скорость замедления ротора 12 турбины), в то время как вне подъемов 711, 715, 721, 721, 725, 731, 735 значения ординаты пусковая система 40 может работать на нагрузке, которая позволяет пусковой системе 40 восстанавливаться от работы на пиковой нагрузке. Между подъемами 711, 715, 721, 721, 725, 731, 735 значения ординаты также могут изменяться согласно предопределенной модели, выбранной специалистом в данной области техники. Специалист в данной области техники, к которой относится изобретение, может установить подъемы 711, 715, 721, 725, 731, 735 значения ординаты в определенных положениях (например, чтобы покрывать диапазоны скоростей с высокими вибрационными нагрузками на механические детали) и с требуемыми формами.
На фиг. 2 также изображена примерная резонансная кривая 99, как обсуждалось выше. Эта резонансная кривая 99 показывает амплитуду вибраций деталей турбинного двигателя 1 или деталей, соединенных с ним, в зависимости от скорости вращения ротора 12 турбины. Диапазон 76 критических значений установлен здесь, чтобы покрывать резонансную кривую 99, при этом края 736, 736 соответствующего подъема 735 значения ординаты пересекают резонансную кривую 99 на амплитуде, составляющей около 20% ее максимальной амплитуды.
Фиг. 3 показывает два альтернативных примерных схематических графика 80, 81 работы пусковой системы 40. Здесь ключевым параметром может опять являться скорость вращения ротора 12 турбины. Упомянутая скорость вращения отложена на абсциссе 703 на фиг. 3. Дополнительно первый и второй диапазон 85, 86 критических скоростей вращения показаны на абсциссе 703 перекрывающимся образом. Диапазон 86 находится внутри диапазона 85. На ординате 704, опять же, отложен тормозящий крутящий момент, прикладываемый к ротору 12 турбины. В качестве альтернативы ту же фиг. 3 можно прочитать с ординатой, представляющей мощность торможения, подаваемую пусковой системой 40, или нагрузку, переносимую пусковой системой 40.
Из фиг. 3 становится очевидно, что значение ординаты (например, тормозящий момент или нагрузка, накладываемая на пусковую систему 40) также может изменяться в пределах диапазона критических скоростей вращения, здесь диапазона 85 критических скоростей вращения.
Фиг. 4 показывает очень упрощенным образом изменение во времени скорости вращения двигателя, в то время как она изменяется от изначальной скорости 111 вращения до более низкой конечной скорости 112 вращения. На абсциссе 705 отложено время замедления после погасания пламени, а на ординате 706 - соответствующая скорость вращения ротора 12 турбины. В диапазоне скоростей на ординате 706 неперекрывающимся образом показаны два диапазона 85, 86 критических скоростей вращения. В диапазонах 85, 86 высокие вибрационные нагрузки могут происходить, например, из-за явления резонанса, как описано выше. Три кривые 90, 91, 92 замедления изображены на фиг. 4. Для простоты предполагается, что свободно вращающийся ротор 12 турбины может замедляться по существу линейно из-за ранее упомянутых эффектов (и без какого-либо активного торможения). Это проиллюстрировано кривой 90 на фиг. 4. У ротора 12 турбины уходит время 110 замедления, чтобы замедлиться с изначальной скорости 111 (например, 3000 об/мин) до конечной скорости 112 (например, нулевая или более высокая скорость). Во время этого останова турбинный двигатель 1 накапливает, говоря простым языком, высокие вибрационные нагрузки, главным образом во время временных интервалов 106 и 107, представленных на абсциссе 705. Интервалы 106 и 107 являются периодами времени, в течение которых ротор 12 замедляется в диапазонах 85 и 86 соответственно.
Если используется генераторное торможение согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, скорость замедления увеличивается по сравнению с ситуацией, представленной кривой 90. Замедление с помощью генераторного торможения также упрощено, чтобы следовать по существу линейной кривой 91 на графике согласно фиг. 4. Следуя кривой 91, у ротора 12 турбины уходит время 109, чтобы замедлиться с изначальной скорости 111 до конечной скорости 112. Абсолютное значение среднего наклона кривой 91 выше, чем таковое кривой 90, то есть скорость замедления выше. На фиг. 4 время 109 составляет треть от времени 110 (в соответствии с примером, описанным выше). Турбинный двигатель 1 накапливает высокие вибрационные нагрузки опять же, главным образом, во время вращения в диапазонах 85 и 86, то есть во время соответствующих интервалов времени 103 и 104. Из фиг. 4 очевидно, что сумма времени интервалов 103 и 104, относящихся к кривой 91, существенно меньше, чем сумма временных интервалов 106 и 107, относящихся к кривой 90, следовательно, вибрационная нагрузка на двигатель 1 (или на детали, связанные с ним) снижается при переходе от графика замедления 90 к графику 91.
В дополнительном варианте осуществления изобретения генератарное торможение усиливается в диапазонах 85, 86 критических скоростей вращения, как описано выше, с тем, чтобы пусковое устройство 40 работало на пиковой нагрузке в этих диапазонах 85, 86. После обычного периода, который здесь, опять же для простоты, может равняться соответствующему диапазону критических скоростей вращения, пусковая система 40 должна уменьшать нагрузку, чтобы не быть поврежденной, после чего скорость замедления падает (соответствующий наклон уменьшается; он может даже становиться меньше среднего наклона кривой 91), как проиллюстрировано кривой 92 на фиг. 4. Следовательно, время, в течение которого ротор 12 турбины пребывает в диапазонах 85, 86 критических скоростей вращения, равняется сумме соответствующих периодов 100 и 101 времени (фиг. 4). Следуя кривой 92, у ротора 12 турбины уходит время 109, чтобы замедлиться с изначальной скорости 111 до конечной скорости 112.
Суммируя, общее время 109 замедления для кривых 91, 92 одинаково, и короче, чем общее время 110 замедления для кривой 90. Вибрационная нагрузка в целом, однако, снижается для процедуры согласно кривой 92 в сравнении с кривой 91 (и 90), так как сумма интервалов 100 и 101, относящихся к кривой 92, опять же значительно меньше, чем сумма временных интервалов 103 и 104, относящихся к кривой 91.
Изобретение, таким образом, может существенно сократить процесс останова турбинного двигателя 1 после погасания пламени, так как оно заставляет ротор турбины замедляться быстрее. Более того, оно снижает вибрационную нагрузку на турбинный двигатель 1 или элементы, соединенные с турбинным двигателем 1.
СПИСОК СИМВОЛОВ ССЫЛОК
1 Турбинный двигатель
8 Компрессор
10 Газовая турбина
12 Ротор турбины
20 Ось ротора турбины
30 Электрический генератор
35 Трансформатор
40 Тормозная/пусковая система
50 Потребитель вспомогательной мощности
60 Сеть высокого напряжения
61 Сеть среднего напряжения
62-68 Проводка
69 Соединение
99 Резонансная полоса
701, 703, 705 Абсцисса
702, 704, 706 Ордината
71-73 График работы тормозной системы 40
711, 715, 721, 725, 731, 735 Подъем значения ординаты
712, 716, 722, 726, 732, 736 Возрастающий край
713, 717, 733, 737, 723, 727 Убывающий край
75, 75 Диапазон критических скоростей вращения в графиках работы с 71 по 73
80, 81 График работы тормозной системы 40
801, 805, 811, 815 Подъем значения ординаты
802, 806, 812, 816 Возрастающий край
803, 807, 813, 817 Убывающий край
85, 86 Диапазон критических скоростей вращения в графиках работы 80, 81
90-93 Кривые замедления
100-110 Периоды времени
111 Изначальная скорость вращения
112 Конечная скорость вращения