СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ СИСТЕМЫ ПОДАЧИ ТОПЛИВА ДЛЯ ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ
OPERATION OF FUEL FEED SYSTEM FOR HEAT ENGINE

Изобретение относится к способу эксплуатации системы подачи топлива для теплового двигателя согласно пункту 1 формулы изобретения.
Тепловые двигатели, прежде всего газотурбинные и/или паротурбинные установки, преимущественно используемые для производства электроэнергии, подпадают под действие строгих требований директив по безопасности, обобщенных в нормативных сводах правил. В этой связи следует обратиться к стандартам эксплуатации ISO-NORM, ISO 21789, в которых изложены требования к безопасности газотурбинных установок, приводимых в движение жидким или газообразным топливом. Особенно это касается конкретных требований главы 5.10 вышеуказанного стандарта эксплуатации ISO-NORM, относящейся к безопасности приготовления топлива для эксплуатации находящейся под высоким рабочим давлением компоновки горелок, в которую подают для смешивания сильно уплотненный топочный воздух с жидким и/или газообразным топливом с образованием воспламеняющейся смеси воздуха и топлива. В современных газотурбинных установках во время процесса горения возникают рабочие давления более чем 30 бар, требующие особых мер для безопасной подачи топлива в процесс горения. В частности, в случаях, при которых необходимо срочно прервать подачу топлива или когда происходит перевод с одного вида топлива на другой (с жидкого топлива на газообразное или наоборот), следует обеспечивать, чтобы вдоль топливопровода не возникали повторные воспламенения или другие неконтролируемые детонации топлива. Для предотвращения подобных хаотических явлений горения вдоль подвода топлива предусмотрена специально выполненная защитная система клапанов, так называемая сдвоенная система выпускного и запорного клапана, обеспечивающая надежное прерывание подачи топлива как в случаях контролируемого выключения газотурбинной установки, так и в аварийных ситуациях. Конструкция, а также способ эксплуатации такого сдвоенного выпускного клапана и запорного клапана подробно описаны в главе 5.10.5 вышеуказанного стандарта эксплуатации ISO-NORM, ISO 21789.
В распространенной до настоящего времени практике осуществления аварийной остановки процесса 3 горения подачу горючего прекращают одновременным закрыванием запорного и распределительного клапана, вследствие чего находящаяся в условиях рабочего давления процесса горения часть топлива замыкается внутри участка провода топлива топливопровода и сливного трубопровода, ограниченного соответственно с одной стороны закрытым запорным распределительным и выпускным клапаном. В дальнейшем следует учесть, что этот участок трубопровода замыкает объем V1 топлива.
После осуществленного закрытия запорного клапана и распределительного клапана открывается выпускной клапан, вследствие чего нагруженная давлением часть топлива сливается через сливной трубопровод в участок места дренажа. Если речь идет, например, о газообразном топливе, то оно может выходить в безопасном месте в открытую атмосферу, как будто через камин.
2
2
В частности, хотя таким способом и обеспечивают безопасное удаление отходов части топлива внутри ограничивающего объем V1 топлива участка трубопровода, все же значительная другая часть V2 объема топлива остается в топливопроводе, продолжающемся вниз по потоку распределительного клапана и вверх по потоку процесса горения. Эта остаточная часть топлива может инициировать нежелательные реакции воспламенения или горения, которые могут повлечь за собой, в частности, в случае обратного воспламенения топлива вдоль топливопровода, значительные повреждения. Следует надежно исключать именно такие неконтролируемые случаи горения. Распространенные мероприятия для предотвращения таких неконтролируемых случаев горения предусматривают продувания проходящего к процессу горения топливопровода, при которых при открытом распределительном клапане через дополнительные продувные трубопроводы в проходящий в процесс горения топливопровод подают промывочный агент, например CO, N, воздух или им подобные агенты, однако такие промывочные мероприятия могут соответственно способствовать или приводить к другим нарушениям процесса горения, из-за которых может загореться, по меньшей мере, остаточная часть топлива на участке компоновки горелки.
В данном случае должно прийти на помощь изобретение. В основе изобретения, изложенного в пунктах формулы изобретения, лежит задача предложить способ эксплуатации системы подачи топлива для теплового двигателя, прекращающий повторное воспламенение процесса горения в топливоподающих трубопроводах.
С этой целью для осуществления способа предусмотрена система подачи топлива для теплового двигателя, состоящая, по существу по меньшей мере из одного топливопровода, проходящего к процессу горения, и расположенного вдоль него по меньшей мере одного блока клапанов. Каждый блок клапанов состоит по меньшей мере из одного запорного клапана и по меньшей мере одного распределительного клапана, причем распределительный клапан расположен ближе к процессу горения. Оба клапана ограничивают участок топливопровода, причем от этого участка топливопровода ответвляется оснащенный по меньшей мере одним выпускным клапаном сливной трубопровод, ведущий к месту дренажа.
Для поддержания системы обеспечения топливом для эксплуатации теплового двигателя запорный клапан и распределительный клапан открыты, в то время как выпускной клапан во время этой фазы остается закрытым. Участок топливопровода между запорным клапаном и распределительным клапаном и внутри сливного трубопровода до запорного клапана образуют объем V1 топлива. Для прекращения эксплуатации системы обеспечения топливом и для опорожнения находящихся перед процессом горения топливопроводов принимают следующие меры, идущие друг за другом в следующей временной последовательности:
этап 1: При закрытом выпускном клапане запорный клапан и распределительный клапан закрывают;
этап 2. Открывают выпускной клапан и сливают находящийся в участке топливопровода и сливном трубопроводе объем V1 топлива;
этап 3. Закрывают выпускной клапан;
этап 4. Открывают распределительный клапан;
этап 5. Наполняют объем V1 топлива приводимым в движение давлением оттоком топлива из топливопровода, проходящего к процессу горения;
этап 6. Закрывают распределительный клапан и вслед за этим открывают выпускной клапан для опорожнения наполненного объема V1 топлива после этапа 5.
Поступающее в данном случае для использования топливо может быть жидким или газообразным, причем тогда в таком случае предусматривают также несколько подводов топлива с различным топливом для обеспечения топливом процесса горения, имеющих по типу одинаковые клапаны, как представлено выше. Указанные клапаны должны иметь возможность эксплуатироваться по отдельности, в соединении, поочередно или во взаимосвязи относительно друг друга.
Существенные преимущества изобретения следует видеть в том, что в случае целенаправленно вызванного временного прекращения подачи топлива имеется возможность блокировать любые неконтролируемые процессы горения или воспламенения и, прежде всего, повторные воспламенения в топливопровод. Вследствие этого можно отказаться от введения промывочных агентов через ведущий к процессу горения топливопровод.
Предпочтительные варианты выполнения изобретения раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.
Изобретение поясняется с помощью единственной фигуры, на которой представлена схематичная компоновка системы обеспечения топливом для теплового двигателя, причем система обеспечения топливом состоит по существу по меньшей мере из одного проходящего к процессу горения топливопровода, вдоль которого расположен по меньшей мере один блок клапанов.
Для снабжения процесса горения топливом предусмотрен топливопровод 1, соединяющий процесс 3 горения с топливным резервуаром 2. Вдоль топливопровода 1 расположены запорный клапан 4 и распределительный клапан 5. Далее вдоль топливопровода 1 между запорным клапаном 4 и распределительным клапаном 5 ответвляется сливной трубопровод 6, вдоль которого расположен выпускной клапан 7. Сливной трубопровод 6 вниз по потоку запорного клапана 7 впадает в место 8 дренажа, в котором обычно преобладают большей частью атмосферные условия давления внешней среды.
В нормальном режиме работы, т.е. в находящейся в эксплуатации газотурбинной установке, запорный клапан 4 и распределительный клапан 5 открыты, тогда как выпускной клапан 7 во время этой фазы закрыт. Процесс горения 3 контролируемо снабжается топливом через топливопровод 1 из топливного резервуара 2 при соответствующем расположении клапана распределительного клапана 5, согласуемого, по меньшей мере, с преобладающим внутри процесса горения рабочим давлением. Большей частью дозировку топлива осуществляют исключительно через распределительный клапан 5, в то время как запорный клапан 4 при эксплуатации остается полностью открытым.
Показанная на фиг. 1 компоновка клапанов обычно называется сдвоенной системой запорного и выпускного клапана, так как имеются два прерывающих подачу горючего запорных клапана, в частности запорный клапан 4 и распределительный клапан 5, причем дополнительно предусмотрен еще выпускной клапан 7.
В распространенной до настоящего времени практике осуществления аварийной остановки процесса 3 горения подачу горючего прекращают одновременным закрыванием запорного клапана 4 и распределительного клапана 5, вследствие чего находящаяся в условиях рабочего давления процесса горения часть топлива запирается внутри участка 1′, 6′ топливопровода и сливного трубопровода, ограниченного соответственно с одной стороны закрытым запорным клапаном 4, распределительным клапаном 5 и выпускным клапаном 7. При таком рассмотрении можно считать, что этот участок трубопровода включает объем V1 топлива.
После осуществленного закрытия запорного клапана 4 и распределительного клапана 5 открывают выпускной клапан 7, вследствие чего нагруженная давлением часть топлива внутри объема V1 топлива сливается через сливной трубопровод 6 в участок 8 дренажа. Если речь идет, например, о газообразном топливе, то оно может выходить в безопасном месте в открытую атмосферу, как будто через камин.
2
2
Хотя таким образом и обеспечивают надежное удаление части топлива внутри ограничивающего объем V1 топлива участка 1′, 6′ топливопровода, значительная другая часть объема V2 топлива все же остается в топливопроводе, продолжающемся вниз по потоку распределительного клапана 5 и вверх по потоку процесса 3 горения. Эта остаточная часть топлива может инициировать нежелательные реакции воспламенения или реакции горения, которые могут привести, в частности, в случае обратного воспламенения топлива вдоль топливопровода к значительным повреждениям. Именно такие неконтролируемые случаи горения следует надежно исключать. Распространенные мероприятия для предотвращения подобных неконтролируемых случаев горения предусматривают промывания проходящих к процессу 3 горения топливопроводов, при которых в проходящий к процессу горения топливопровод, при открытом распределительном клапане 5 через дополнительные неизображенные продувные трубопроводы, подают промывочные агенты, например CO, N, воздух или подобные вещества. Однако такие промывочные мероприятия могут способствовать другим нарушениям процесса горения, из-за которых может поступать для сгорания, по меньшей мере, остаточная часть топлива на участке компоновки горелки. Поэтому согласно изобретению предлагается положить в основу следующий способ действия.
На этапе 1 при закрытом выпускном клапане 7 запорный клапан 4 и распределительный клапан 5 закрывают.
На этапе 2 открывают выпускной клапан 7 для возможности осуществления слива находящегося на участке 1′ топливопровода и сливного трубопровода 6′ объема V1 топлива.
На этапе 3 осуществляют запирание выпускного клапана 7.
На этапе 4 открывают распределительный клапан 5.
На этапе 5 производят наполнение объема (V1) топлива приводимым в движение давлением оттоком топлива из топливопровода, проходящего к процессу горения.
На этапе 6 закрывают затем распределительный клапан 5 и осуществляют последующее открытие выпускного клапана 7 для слива наполненного объема V1 топлива, образовавшегося здесь вследствие действия после этапа 5.
Для отдельных этапов устанавливается следующая пунктоализация.
Согласно изобретению способ характеризуется тем, что с целью прекращения подачи топлива осуществляют вышеуказанные этапы 1-6, блокирующие обратное возгорание и/или повреждение топливоподающих трубопроводов.
На первом этапе, похожем на способ, как и в вышеразъясненном уровне техники, запорный клапан и распределительный клапан закрывают при соответственно закрытом выпускном клапане. После закрытия запорного клапана и распределительного клапана, как уже было описано, вдоль участка топливопровода, ограниченного с двух сторон запорным клапаном и распределительным клапаном, а также вдоль сливного трубопровода, ответвляющегося с одной стороны от топливопровода и ограниченного с другой стороны выпускным клапаном 7, находится топливо с объемом V1 топлива. Кроме того, в проходящем к процессу горения топливопроводе, ограниченным с одной стороны распределительным клапаном 5, находится остаточное топливо с объемом V2 топлива. Давление в трубопроводе, преобладающем, как в объеме V1 топлива, так и в объеме V2 топлива, одинаковое и соответствует давлению в трубопроводе топлива, требующуюся для надежной эксплуатации теплового двигателя, в частности для подачи топлива в процесс горения.
На втором этапе выпускной клапан 7 открывают, поэтому топливо с объемом топлива V1 сливается против атмосферных условий давления внешней среды вдоль сливного трубопровода 6 в месте 8 дренажа. После опорожнения внутри сливного трубопровода 6, а также участка топливопровода 1′ в месте 8 дренажа устанавливается преобладающее в месте 8 дренажа давление, предпочтительно атмосферное давление внешней среды.
На следующем за этим третьем этапе выпускной клапан 7 закрывают, а в качестве этапа 4 открывают распределительный клапан 5. Вследствие преобладающего между топливопроводами слева и справа от распределительного клапана разного давления трубопровода происходит приводимый в движение давлением отток топлива из проходящего к процессу 3 горения топливопровода в направлении участка 1′ топливопровода. Во время обратного течения остаточного топлива доля горячего воздуха дополнительно всасывается из компоновки горелки через топливопровод. Распределительный клапан 5 остается открытым до тех пор, пока объем V1 топлива не заполнится приводимым в движение давлением обратным течением остаточного топлива из проходящего от распределительного клапана к процессу горения участка топливопровода, чем и заканчивают в качестве этапа 5 наполнение.
Вслед за этим на шестом этапе распределительный клапан 5 закрывают. Теперь выпускной клапан 7 можно открыть, чтобы снова слить объем V1 топлива вдоль сливного трубопровода 6 в направлении места 8 дренажа.
Обычно, объем V2 топлива, замкнутый проходящим от распределительного клапана 5 к процессу горения 3 топливопроводом, больше или значительно больше, чем вышеуказанный объем V1 топлива. Поэтому для полного слива остающейся остаточной части топлива вдоль проходящего к процессу 3 горения топливопровода необходимо повторять разъясненный процесс отвода, т.е. вышеуказанные этапы от двух до четырех раз, предпочтительно n=V2/V1 - раз.
Это значит, что распределительный клапан 5 открывают снова, как только закроется выпускной клапан 7, а вдоль участка 1′ или 6′ топливопровода установятся преобладающие в месте 8 дренажа условия давления. Обратное течение или обратная откачка остаточного топлива с долей горячего воздуха со стороны проходящего к процессу 3 горения топливопровода происходит снова до тех пор, пока объем V1 топлива снова не будет заполнен. Слив объема V1 топлива происходит после закрытия распределительного клапана 5 посредством открытия выпускного клапана 7.
Соответствующие решению задачи мероприятия служат, таким образом, для контролируемого обратного течения или обратной откачки остающегося внутри объема V2 топлива остаточного топлива после временного прекращения подачи горючего. Процесс откачки происходит многократно, пока вдоль проходящего к процессу горения топливопровода не установятся одинаковые соотношения давлений, как в месте 8 дренажа.
Кроме того, в предпочтительном варианте выполнения способа на участке распределительного клапана осуществляют измерение температуры, чтобы позаботиться о возможности сразу определять случаи, при которых горячие продукты сгорания со стороны процесса горения неконтролируемо распространяются по топливопроводу в направлении распределительного клапана 5, для временного прекращения процесса контролируемой обратной откачки остаточного топлива. С помощью слежения за температурой также можно контролировать долю массы горячего воздуха вдоль проходящего к процессу горения топливопровода, доля которого увеличивается с возрастанием последовательности спуска и ее продолжительности и приводит, наконец, при измерении температуры к отключению чередований откачки. При этом этапы способа 3-6 повторяют до тех пор, пока не будет превышена величина температурного порога.
Принцип контролируемой обратной откачки остаточных частей топлива, находящихся вдоль проходящего к процессу 3 горения топливопровода, вниз по потоку распределительного клапана 5, не требует никаких дополнительных технических компонентов, а только одну программу управления, согласованно активирующую соответствующие клапаны. Таким образом, можно легко, экономически целесообразно и без технических дополнительных мероприятий интегрировать соответствующее решению задачи мероприятие, как в новых установках, так и в уже находящихся в эксплуатации. Кроме того, соответствующий изобретению способ способствует снижению эксплутационных расходов тепловых двигателей, прежде всего газотурбинных и паротурбинных установок, тем более, что можно отказаться от каких-либо промывочных мероприятий и связанных вместе с ними расходов.