ГАЗОВАЯ ТУРБИНА С УМЕНЬШЕННЫМИ ВЫБРОСАМИ ПРИ ЧАСТИЧНОЙ НАГРУЗКЕ
GAS TURBINE WITH REDUCED DISCHARGES AT PARTIAL LOAD

Область техники
Изобретение касается способа эксплуатации газовой турбины с последовательным сгоранием и низкими выбросами СО.
Уровень техники
Газовые турбины с последовательным сгоранием уже давно с успехом эксплуатируются в коммерческих целях. В них сжатый воздух сжигается в первой камере сгорания вместе с топливом, и на первую турбину, называемую турбиной высокого давления, попадает нагретый газ. Температура выходящих из турбины высокого давления нагретых газов снова повышается во второй камере сгорания путем повторной подачи топлива и его сгорания и на вторую турбину, называемую турбиной низкого давления, попадают эти нагретые газы.
По сравнению с традиционными газовыми турбинами только с одной камерой сгорания они отличаются дополнительной степенью свободы раздельного регулирования подачи топлива для первой и второй камер сгорания. Кроме того, имеется возможность сначала запустить только первую камеру сгорания и лишь при более высокой нагрузке подключить вторую камеру сгорания. Это делает возможным гибкое техническое решение с низкими выбросами в широком рабочем диапазоне газовой турбины.
x
x
За прошедшие годы основное внимание развития было направлено на снижение выбросов NO и достижения высокого КПД при частичной нагрузке. Газовые турбины с последовательным сгоранием, которые эксплуатируются известными способами, как они описаны, например, в ЕР0718470, имеют очень низкие выбросы NO и могут реализовать высокий КПД при частичной нагрузке.
Однако вышеупомянутые известные технические решения могут привести при интенсивной частичной нагрузке, в частности, в диапазоне примерно от 20% до 50% относительной нагрузки к высоким выбросам СО (окиси углерода).
Причиной этих высоких выбросов СО при интенсивной частичной нагрузке обычно является вторая камера сгорания газовой турбины с последовательным сгоранием.
Обычно вторая камера сгорания при интенсивной частичной нагрузке запускается, если регулируемые ряды направляющих лопаток компрессора закрыты, и температура нагретого газа или на входе в турбину высокого давления достигла верхнего предельного значения. Для запуска вторая камера горения снабжается минимальным потоком топлива, который обычно задается характеристикой клапана регулирования подачи топлива. Ввиду высокой температуры на выходе первой турбины происходит самовоспламенение доставленного во вторую камеру сгорания потока топлива. Поток топлива увеличивается для регулирования перегрузки. До тех пор пока поток топлива небольшой, температура нагретых газов во второй камере сгорания повышается несущественно. Скорость реакции остается соответственно сравнительно небольшой, и могут образоваться несгоревшие углеводороды и СО из-за малого времени пребывания в камере сгорания. Они образуются, в частности, при сгорании обедненной смеси, то есть при сгорании с высоким коэффициентом λ избытка воздуха. Коэффициент λ избытка воздуха - это отношение фактически имеющейся для сгорания воздушной массы к минимально необходимой стехиометрической воздушной массе.
В рамках гибкой эксплуатации электростанции требуется, однако все больше также возможность работать увеличенные периоды при интенсивной частичной нагрузке. Более длительная эксплуатация при интенсивной частичной нагрузке может реализоваться только, если и выбросы СО остаются на низком уровне. Обычно для снижения выбросов СО используется каталитический нейтрализатор. Наряду с высокой первоначальной стоимостью они приводят к падению давления в выпускной системе газовой турбины и связанным с этим уменьшению мощности и падению КПД.
Описание изобретения Задача настоящего изобретения состоит в создании способа эксплуатации газовой турбины с последовательным сгоранием, а также газовой турбины с последовательным сгоранием, благодаря которой становится возможной работа со сниженными выбросами СО.
В соответствии с изобретением данная задача решается посредством объектов независимых пунктов формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления изобретения представлены в зависимых пунктах формулы изобретения.
max
Суть изобретения заключается в способе эксплуатации газовой турбины, который сохраняет коэффициент избытка воздуха λ работающих форсунок второй камеры сгорания в режиме частичной нагрузки ниже максимального коэффициента избытка воздуха λ. Этот способ отличается по существу тремя новыми элементами, а также дополнительными решениями, которые могут осуществляться по отдельности или в сочетании.
max
При этом максимальный коэффициент избытка воздуха λ зависит от соблюдаемых предельных выбросов СО, конструкции форсунки и камеры сгорания, а также условий эксплуатации, то есть, в частности, от температуры на входе форсунки.
Первым элементом является изменение способа управления регулируемым рядом направляющих лопаток компрессора, который позволяет запускать вторую камеру сгорания только при более высокой частичной нагрузке. Регулируемый ряд направляющих лопаток компрессора открывается уже, начиная с режима холостого хода, в то время как работает только первая камера сгорания. Это допускает перегрузку, прежде чем начнет работать вторая камера сгорания. Если регулируемый ряд направляющих лопаток компрессора открыт, и температура нагретого газа или температура на входе турбины высокого давления достигла предельного значения, то во вторую камеру сгорания подается топливо. Далее регулируемый ряд направляющих лопаток компрессора быстро закрывается. Закрытие регулируемого ряда направляющих лопаток компрессора при постоянной температуре на входе TIT турбины высокого давления без встречных мер привело бы к значительному снижению относительной мощности. Для предотвращения уменьшения мощности, поток топлива, который вводится во вторую камеру сгорания, может увеличиваться. Минимальная нагрузка, при которой запускается вторая камера сгорания, и минимальный поток топлива во вторую камеру сгорания значительно повышаются. Вместе с этим увеличивается также минимальная температура нагретого газа второй камеры сгорания, которая уменьшает коэффициент избытка воздуха λ и таким образом сокращает выбросы СО.
Чтобы сделать возможным равномерную перегрузку, то есть повышение мощности газовой турбины с практически постоянным градиентом, осуществляется закрытие ряда направляющих лопаток компрессора при постоянной температуре на входе TIT турбины высокого давления, как только откроется регулируемый ряд направляющих лопаток компрессора, и температура нагретого газа или на входе турбины высокого давления достигла предельного значения. Далее закрытие регулируемого ряда направляющих лопаток компрессора синхронизируется с топливной системой второй камеры сгорания, то есть оба процесса осуществляются одновременно или с небольшой задержкой относительно друг друга.
В качестве регулируемого ряда направляющих лопаток компрессора обозначен, по меньшей мере, один ряд направляющих лопаток, который поворачивается для управления впускаемым потоком компрессора по его углу установки. У современных компрессоров поворачивается обычно, по меньшей мере, входной ряд направляющих лопаток компрессора. Как правило, регулируются два ряда направляющих лопаток или больше.
Предельное значение температуры на входе TIT турбины высокого давления называется также пределом частичной нагрузки. Он, как правило, меньше или равен предельному значению полной нагрузки, причем предел полной нагрузки является максимальной температурой на входе турбины при полной нагрузке.
При уменьшении нагрузки происходит обратный процесс, то есть, нагрузка снижается на закрытом регулируемом ряде направляющих лопаток компрессора посредством уменьшения подаваемого во вторую камеру сгорания потока топлива, пока не будут достигнуты надлежащее предельное значение относительной нагрузки, температуры на входе TIT турбины низкого давления, температуры на выходе ТАТ турбины низкого давления, потока топлива второй камеры сгорания или другого надлежащего параметра или комбинации параметров. Как только будет достигнуто данное предельное значение, подача горючего во вторую камеру сгорания прекращается, и регулируемый ряд направляющих лопаток компрессора быстро открывается.
Для предотвращения повторного включения и отключения второй камеры сгорания с помощью связанных с этим открытия и закрытия регулируемого ряда направляющих лопаток компрессора, предельное значение, которое вызывает отключение второй камеры сгорания, может определяться гистерезисом. То есть относительная нагрузка, при которой отключается вторая камера сгорания, является более интенсивной, чем нагрузка, при которой она подключается.
В идеальных условиях температура на входе TIT первой турбины при быстром закрытии или открытии регулируемого ряда направляющих лопаток компрессора посредством регулятора остается постоянной. Однако на практике быстрое закрытие регулируемого ряда направляющих лопаток компрессора и подключение или отключение второй камеры сгорания может привести к скачку температуры на входе TIT турбины высокого давления. Для предотвращения этого, в изобретении предложена система предварительного управления клапаном регулирования подачи топлива первой камеры сгорания. При быстром закрытии регулируемого ряда направляющих лопаток компрессора клапан регулирования подачи топлива первой камеры сгорания соответственно немного закрывается через систему предварительного управления. Аналогичным образом при быстром открытии регулируемого ряда направляющих лопаток компрессора клапан регулирования подачи топлива соответственно немного открывается через систему предварительного управления.
Вторым элементом уменьшения коэффициента избытка воздуха λ является изменение способа управления посредством увеличения температуры на выходе турбины высокого давления ТАТ1 и/или температуры на выходе турбины низкого давления ТАТ2 при частичной нагрузке. Это повышение температуры позволяет сместить открытие регулируемого ряда направляющих лопаток компрессора к более высокой нагрузке.
Обычно максимальная температура на выходе второй турбины установлена для полной нагрузки, и газовая турбина и подключаемые котлы-утилизаторы рассчитаны в соответствии с этой температурой. Это приводит к тому, что при частичной нагрузке с закрытым регулируемым рядом направляющих лопаток компрессора максимальная температура нагретого газа второй турбины ограничена не посредством TIT2 (температура на входе второй турбины), а посредством ТАТ2 (температура на выходе второй турбины). Поскольку при частичной нагрузке с закрытым, по меньшей мере, одним регулируемым рядом направляющих лопаток компрессора поток и вместе с ним степень сжатия через турбину уменьшается, сокращается также соотношение температур на входе и выходе турбины. Соответственно при постоянной ТАТ2 уменьшается также TIT2 и в большинстве случаев лежит значительно ниже значения полной нагрузки. Предложенное небольшое повышение ТАТ2 выше предельного значения полной нагрузки, обычно от 10°С до 30°С, хотя и приводит к увеличению температуры TIT2, однако, она остается ниже значения полной нагрузки и может осуществляться практически или без существенного сокращения срока службы. Согласование параметров или выбора материалов становится ненужным или ограничивается обычно стороной выпуска. Для увеличения TIT2 температура нагретого газа повышается, что осуществляется увеличением потока топлива и вместе с ним связанным уменьшением коэффициента избытка воздуха λ. Соответственно сокращаются выбросы СО.
Следующая возможность уменьшить коэффициент избытка воздуха λ работающих форсунок - это отключение отдельных форсунок и перераспределение топлива при постоянной температуре TIT2.
Для поддержания в среднем постоянной температуры TIT2 работающие форсунки в соответствии с количеством отключенных форсунок должны работать более интенсивно. Для этого увеличивается подача топлива и вместе с ней уменьшается локальный коэффициент избытка воздуха λ.
В качестве температуры на входе турбины используется, например, теоретическая температура смеси нагретых газов и всех потоков охлаждающего воздуха по ISO 2314/1989. Однако можно пользоваться, например, также температурой нагретого газа перед входом в турбину, или так называемой «температурой сгорания», температурой смеси после первой направляющей лопатки турбины.
Начиная с высокой нагрузки, при которой работают все форсунки второй камеры сгорания, возможны различные способы управления, при которых, например, форсунки отключаются обратно пропорционально нагрузке.
Для оптимизированной по выбросам СО эксплуатации у газовой турбины с плоскостью разъема обычно отключается смежная с плоскостью разъема форсунка. При этом плоскостью разъема обозначается плоскость, в которой обычно корпус разделен на верхнюю и нижнюю половины. Данные половины корпуса в плоскости разъема соединены, например, фланцем.
Впоследствии затем отключаются соседние форсунки или смежная с плоскостью разъема форсунка на противоположной стороне камеры сгорания, а в дальнейшем - попеременно соседние форсунки, чередуясь на обеих сторонах камеры сгорания, начиная с плоскости разъема.
Сначала предпочтительно отключается смежная с плоскостью разъема форсунка, так как плоскость разъема газовой турбины обычно не полностью герметична и в большинстве случаев утечка приводит к небольшому охлаждению и разрежению горючих газов и вместе с этим к локальному увеличению выбросов СО. Отключением смежных с плоскостью разъема форсунок предотвращаются данные локальные выбросы СО.
Однако в расчет необходимо принять то, что при отключении отдельных форсунок, по меньшей мере, две форсунки работают с холодными, не функционирующими соседними форсунками. Каждая граница с соседней холодной форсункой может привести к повышенным выбросам СО, из-за чего количество групп холодных форсунок нужно минимизировать. В зависимости от конструкции газовой турбины, в частности, от утечек в зоне плоскости разъема могут быть выгодны отдельная группа отключенных форсунок, две расположенные на обеих сторонах плоскости разъема группы отключенных форсунок или множество групп отключенных форсунок.
Следующей возможностью уменьшить коэффициент избытка воздуха к является управляемое ступенчатое изменение „Staging". Гомогенные процессы сгорания могут привести в кольцевых камерах сгорания к пульсациям. При высокой нагрузке их предотвращают, обычно так называемым ступенчатым изменением „Staging". Под Staging понимают сокращение подачи топлива, по меньшей мере, в одну форсунку. Для этого заслонка или другое дроссельное устройство прочно устанавливается в топливный трубопровод, по меньшей мере, одной перекрываемой форсунки.
Коэффициент избытка воздуха λ, по меньшей мере, одной перекрываемой форсунки увеличивается в соответствии с уменьшенным количеством топлива для всех режимов работы. При высокой нагрузке это приводит к желаемой неоднородности в кольцевой камере сгорания. Однако при интенсивной нагрузке эта неоднородность приводит к непропорциональному увеличению выброса СО, по меньшей мере, одной перекрываемой форсунки. Нестабильность сгорания, которая должна предотвращаться посредством ступенчатого изменения Staging, как правило, при интенсивной нагрузке больше не возникает или остается пренебрежимо мала. Поэтому в примере осуществления изобретения предлагается осуществлять уменьшение не с помощью неподвижной заслонки, а, по меньшей мере, одним регулирующим клапаном. Этот, по меньшей мере, один регулирующий клапан открывается при интенсивной нагрузке для того, чтобы все подключенные форсунки могли работать почти гомогенно с низким коэффициентом избытка воздуха λ. При высокой нагрузке, по меньшей мере, один регулирующий клапан прикрывается для того, чтобы осуществить Staging.
По меньшей мере, один регулирующий клапан может быть размещен в подводящий трубопровод отдельных форсунок. Альтернативно форсунки могут объединяться также, по меньшей мере, в две группы, имеющие по одному регулирующему клапану и по одному кольцевому трубопроводу для распределения топлива.
В следующем варианте исполнения изобретения для уменьшения коэффициента избытка воздуха λ при частичной нагрузке конечный воздух компрессора или отбираемый от компрессора воздух (называемый также Bleed-Luft) разряжается и смешивается с впускаемым воздухом. Это можно осуществить, например, подключением так называемой системы защиты от обледенения „Anti-Icing Systems", в которой воздух из сборной камеры компрессора смешивается с впускаемым воздухом для повышения температуры всасывания. Разветвление, стравливание воздуха компрессора приводит к уменьшению проходящего через камеру сгорания количества воздуха. Кроме того, повышается работа компрессора относительно общей мощности газовой турбины. Для компенсации повышенного потребления мощности компрессора должна увеличиваться мощность турбины и вместе с ней количество топлива. И то и другое приводит к уменьшению коэффициента избытка воздуха λ и вместе с этим к снижению выбросов СО.
Другие возможности сокращения выбросов СО появляются при регулировании потоков охлаждающего воздуха и/или температуры охлаждающего воздуха.
При частичной нагрузке может уменьшиться, например температура TIT1. В соответствии с уменьшенной температурой нагретого газа становятся холоднее части нагретого газа, и мощность охлаждения может уменьшаться посредством сокращения потока охлаждающего воздуха высокого давления и/или повышения температуры охлаждающего воздуха высокого давления после радиатора охлаждающего воздуха. В соответствии с уменьшенной мощностью охлаждения сокращаются вызванные охлаждающим воздухом и его утечками холодные отдельные струи или области потока. Следовательно, профиль температур при входе во вторую камеру сгорания становится более однородным. С однородным профилем на входе предотвращается локальное остывание пламени и вместе с ним уменьшаются выбросы СО.
Соответственно при частичной нагрузке с пониженной температурой TIT2 мощность охлаждения низкого давления уменьшается посредством сокращения потока охлаждающего воздуха низкого давления и/или повышения температуры охлаждающего воздуха низкого давления после радиатора охлаждающего воздуха. Посредством уменьшения мощности охлаждения ликвидируются непосредственно холодные области в камере сгорания, то есть уменьшается количество теплых и холодных отдельных струй относительно температуры нагретых газов и соответственно сокращаются выбросы СО.
Альтернативно в зависимости от системы охлаждающего воздуха может увеличиваться количество охлаждающего воздуха низкого давления. Если большая часть охлаждающего воздуха низкого давления запускается во вторую турбину, то вместе с ней может уменьшаться поток воздуха через форсунки и камеру сгорания. Вместе с тем уменьшается коэффициент избытка воздуха λ и можно добиться снижения выбросов СО.
Для эффективного использования системы охлаждающего воздуха низкого давления в качестве байпаса для камер сгорания, в частности, в качестве байпаса для второй камеры сгорания, в варианте исполнения изобретения предложено разделение системы охлаждающего воздуха низкого давления на узел для второй камеры сгорания и узел для второй турбины. При этом поток охлаждающего воздуха, по меньшей мере, для одной подсистемы выполнен с возможностью регулирования. В идеальных условиях обе подсистемы регулируются, так что при частичной нагрузке поток охлаждающего воздуха в форсунки и камеру сгорания уменьшается, в то время как поток охлаждающего воздуха во вторую турбину одновременно увеличивается.
Данное регулирование системы охлаждающего воздуха осуществляется обычно в зависимости от нагрузки или относительной нагрузки. Регулирование в зависимости от положения входного ряда направляющих лопаток компрессора, давления на выходе компрессора, температур TIT1 и TIT2 или другого параметра, а также комбинации параметров тоже возможно.
Вместо регулирования потоков охлаждающего воздуха и/или температуры охлаждающего воздуха также может применяться управление, например, в зависимости от тех же самых параметров или комбинации параметров.
В следующем варианте исполнения изобретения температура топлива, до которой в подогревателе нагревается топливо, регулируется в зависимости от нагрузки. Для сокращения выбросов СО при частичной нагрузке температура топлива при частичной нагрузке увеличивается. Благодаря повышению температуры топлива увеличивается скорость реакции, и пламя перемещается против потока. Это приводит к более стабильному пламени с лучшим сгоранием и соответственно к сокращению выбросов СО.
Данное регулирование температуры топлива осуществляется обычно в зависимости от нагрузки или относительной нагрузки. Регулирование в зависимости от положения входного ряда направляющих лопаток компрессора, давления на выходе компрессора, температур TIT1 и TIT2 или другого подходящего параметра, а также комбинации параметров тоже возможно.
Вместо регулирования температуры топлива может применяться также управление, например, в зависимости от тех же самых параметров или комбинации параметров.
Кроме способа предметом изобретения является газовая турбина для осуществления способа. В зависимости от выбранного способа или комбинации способов должны быть подобраны параметры газовой турбины и/или адаптированы система распределения топлива и/или система охлаждающего воздуха для того, чтобы обеспечить возможность осуществления способа.
Для возможности отключения отдельных форсунок при частичной нагрузке, необходимо предусмотреть, по меньшей мере, в одном топливном трубопроводе, по меньшей мере, для одной форсунки второй камеры сгорания отдельный клапан переключения.
Для осуществления зависимого от нагрузки ступенчатого изменения Staging, необходимо предусмотреть, по меньшей мере, в одном топливном трубопроводе, по меньшей мере, для одной форсунки второй камеры сгорания регулирующий клапан. Альтернативно система распределения топлива может разделяться, по меньшей мере, на два узла форсунок с сопутствующим распределением топлива. Причем каждый блок содержит клапан регулирования подачи топлива, а также кольцевой топливный трубопровод для распределения топлива в форсунках соответствующего узла.
Для возможности открытия регулируемого ряда направляющих лопаток компрессора, необходимо провести проверку расстояния между насосами компрессора высокого давления и при необходимости согласование роста давления в компрессоре, например, посредством перераспределения лопаток.
Для повышения температуры на выходе турбины при частичной нагрузке, по меньшей мере, выход турбины и выпускные трубопроводы должны быть рассчитаны на температуру на выходе турбины, которая выше чем максимальная температура отходящих газов при полной нагрузке.
Для выполнения регулирования потоков охлаждающего воздуха и температур, радиатор(-ы) охлаждающего воздуха должен(-ны) быть выполнен(ы) с возможностью регулирования и предусматривать регулирующие клапаны для систем охлаждающего воздуха. Далее системы в рамках расширенного рабочего диапазона нужно рассчитывать на увеличенные потоки охлаждающего воздуха и повышенную максимальную температуру после радиатора.
Другие преимущества и варианты исполнения изобретения описаны в дополнительных пунктах формулы изобретения и следуют из описания и прилагаемых чертежей. Все названные преимущества применимы не только в указанных комбинациях, но и в других комбинациях или в отдельных случаях без выхода за рамки изобретения.
Вариант исполнения изобретения отличается, например, подбором различных компонентов для снижения локально возникающего коэффициента избытка воздуха λ. Все конструктивные элементы газовой турбины находятся в диапазоне допускаемых отклонений. Эти допуски приводят для каждого компонента к незначительным отличающимся геометрии и свойствам. При эксплуатации это приводит также, в частности, к разному падению давления и потокам. Допуски выбраны таким образом, что в нормальном режиме, в частности, при высокой частичной и полной нагрузке, они практически не оказывают влияния на эксплуатационные свойства. Однако при частичной нагрузке с большим коэффициентом избытка воздуха λ камера сгорания работает в условиях, при которых уже небольшие неполадки могут существенно влиять на выбросы СО.
Если, например, жиклер с низким коэффициентом расхода топлива устанавливается в форсунку с большой площадью поперечного сечения, то эта комбинация может привести к увеличению локального коэффициента избытка воздуха λ, который приводит к повышенным локальным выбросам СО. Для предотвращения этого, предлагается подбор компонентов для снижения возникающего локального коэффициента избытка воздуха λ. Для этого измеряются геометрические параметры и/или коэффициенты расхода различных конструктивных элементов и комбинируются детали с большим и с низким расходом во второй камере сгорания.
Жиклер - это пример подачи топлива в форсунку второй камеры сгорания. Здесь и далее он представлен в качестве примера. Варианты выполнения изобретения действительны так же для других видов подачи топлива, например трубопроводов или профилей с топливными форсунками.
Типичный пример - это установка жиклеров с высоким расходом в форсунки с большим поперечным сечением и соответственно низким падением давления.
Следующая возможность для оптимизации появляется благодаря настройке второй камеры сгорания на первую камеру сгорания. При этом, как правило, конструктивный элемент с высоким расходом в первой камере сгорания комбинируется с конструктивным элементом с низким расходом во второй камере сгорания.
max
Например, после форсунки первой камеры сгорания, которая имеет высокий расход топлива, расположен жиклер с низким расходом. Локальный высокий расход в первой камере сгорания приводит к локальной высокой температуре на выходе из первой камеры сгорания и вместе с тем к локальной повышенной температуре на входе в расположенную по направлению потока форсунку второй камеры сгорания. В соответствии с повышенной температурой на входе для этой форсунки скорость реакции поданного в нее топлива выше, чем в среднем по всем форсункам. Поэтому она может работать с более высоким локальным максимальным коэффициентом избытка воздуха λ. В этом положении для настройки к первой камере сгорания может устанавливаться жиклер с малым коэффициентом расхода.
Краткое описание чертежей
Изобретение схематически представлено примерами выполнения на фиг.1-11, где:
Фиг.1 - газовая турбина с последовательным сгоранием,
Фиг.2 - разрез второй камеры сгорания газовой турбины с последовательным сгоранием, а также система распределения топлива с кольцевым трубопроводом и восемь отдельных клапанов переключения для отключения восьми форсунок,
Фиг.3 - разрез второй камеры сгорания газовой турбины с последовательным сгоранием, а также система распределения топлива с кольцевым трубопроводом и четыре отдельных регулирующих клапана для регулирования потока топлива четырех форсунок,
Фиг.4 - разрез второй камеры сгорания газовой турбины с последовательным сгоранием, а также система распределения топлива с двумя отдельными регулируемыми узлами и двумя кольцевыми топливными трубопроводами,
Фиг.5 - обычный способ управления газовой турбины с последовательным сгоранием,
Фиг.6 - способ управления газовой турбины с последовательным сгоранием, при котором во время перегрузки при работе только первой камерой сгорания открывается регулируемый ряд направляющих лопаток компрессора до тех пор, пока он не закроется резко при подключении второй камеры сгорания,
Фиг.7 - способ управления газовой турбины с последовательным сгоранием, при котором во время перегрузки после подключения второй камеры сгорания, ограничения температуры TAT превышают предельное значение полной нагрузки,
Фиг.8 - поперечный разрез второй камеры сгорания газовой турбины с последовательным сгоранием, у которой работают все форсунки,
Фиг.8а - поперечный разрез второй камеры сгорания газовой турбины с последовательным сгоранием, в которой слева и справа отключены смежные с плоскостью разъема форсунки, а остальные форсунки работают,
Фиг.8b - поперечный разрез второй камеры сгорания газовой турбины с последовательным сгоранием, в которой слева и справа отключены по две смежные с плоскостью разъема форсунки, а остальные форсунки работают,
Фиг.9а - поперечный разрез второй камеры сгорания газовой турбины с последовательным сгоранием, в которой справа отключена смежная с плоскостью разъема форсунка, а остальные форсунки работают,
Фиг.9b - поперечный разрез второй камеры сгорания газовой турбины с последовательным сгоранием, в которой слева и справа отключены по одной смежной с плоскостью разъема форсунке, а остальные форсунки работают,
Фиг.10 - поперечный разрез второй камеры сгорания газовой турбины с последовательным сгоранием, в которой отключены три группы форсунок, а остальные форсунки работают,
Фиг.11 - поперечный разрез второй камеры сгорания газовой турбины с последовательным сгоранием, в которой отключена одна группа форсунок, а остальные форсунки работают.
Выполнение изобретения
На фиг.1 показана газовая турбина с последовательным сгоранием для осуществления способа согласно изобретению. Она состоит из компрессора 1, первой камеры 4 сгорания, первой турбины 7, второй камеры 15 сгорания и второй турбины 12. Обычно она содержит генератор 19, который на холодном конце газовой турбины, то есть на компрессоре 1 присоединен к валу 18 газовой турбины.
Топливо, газ или мазут, вводится через систему 5 подачи топлива в первую камеру 4 сгорания, смешивается со сжатым в компрессоре 1 воздухом и сжигается. Нагретые газы 6 становятся частично разреженными при совершении работы в следующей первой турбине 7.
Как только заработает вторая камера сгорания, к частично разреженным газам 8 в форсунках 9 второй камеры 15 сгорания через подводящий топливный трубопровод 10 добавляется следующая порция топлива и сгорает во второй камере 15 сгорания. Нагретые газы 11 разрежаются при совершении работы в следующей второй турбине 12. Выхлопные газы 13 могут подаваться в котел-утилизатор электростанции комбинированной выработки энергии или для другой цели утилизации тепла.
Для регулирования впускаемого потока компрессор 1 имеет, по меньшей мере, один регулируемый ряд направляющих лопаток 14 компрессора.
Для возможности увеличения температуры впускаемого воздуха 2 предусмотрен антиобледенительный трубопровод Anti-Icing 26, через который может подаваться часть сжатого воздуха 3 впускаемого воздушного потока 2. Для регулирования защиты от обледенения предусмотрен регулирующий клапан 25. Обычно он включается в холодные дни с высокой относительной влажностью окружающего воздуха для того, чтобы предотвратить обледенение компрессора.
Часть сжатого воздуха 3 отводится в виде охлаждающего воздуха высокого давления 22, повторно охлаждается через радиатор охлаждающего воздуха высокого давления 35 и подводится в первую камеру сгорания 4 (трубопровод охлаждающего воздуха не представлен) и к первой турбине в виде охлаждающего воздуха 22.
Поток охлаждающего воздуха высокого давления 22, который подводится к турбине 7 высокого давления, может регулироваться, например, регулирующим клапаном охлаждающего воздуха высокого давления 21.
Часть охлаждающего воздуха высокого давления 22 подводится в виде так называемого транспортирующего воздуха 24 в жиклеры форсунок 9 второй камере 15 сгорания. Поток транспортирующего воздуха 24 может регулироваться регулирующим клапаном транспортирующего воздуха 17.
Из компрессора 1 часть воздуха отводится частично в сжатом виде, повторно охлаждается через радиатор охлаждающего воздуха низкого давления 36 и подводится во вторую камеру 15 сгорания и ко второй турбине в виде охлаждающего воздуха 23. Поток охлаждающего воздуха 23 может регулироваться, например, регулирующим клапаном охлаждающего воздуха 16.
Камеры сгорания выполнены, например, в виде кольцевых камер сгорания с множеством отдельных форсунок 9, как показано на фиг.2 и 3 на примере второй камеры 15 сгорания. Каждая из этих форсунок 9 снабжается топливом через систему его распределения и подводящие топливные трубопроводы 10.
На фиг.2 показан разрез второй камеры 15 сгорания с форсунками 9 газовой турбины с последовательным сгоранием, а также система распределения топлива с кольцевым топливным трубопроводом 30 и восемь отдельных клапанов переключения 37 для отключения восьми форсунок 9. Посредством закрытия отдельных клапанов переключения 37 прекращается подача топлива к отдельным форсункам 9, и оно распределяется на оставшиеся форсунки, причем полный поток топлива регулируется посредством регулирующего клапана 28. Вместе с тем коэффициент избытка воздуха λ для работающих форсунок 9 уменьшается.
На фиг.3 показан разрез второй камеры 15 сгорания, а также система распределения топлива с кольцевым топливным трубопроводом 30 и подводящими топливными трубопроводами 10 к отдельным форсункам 9. В примере четыре форсунки 9 снабжены отдельными регулирующими клапанами 27 для регулирования потока топлива в подводящих топливных трубопроводах 10 соответствующих форсунок 9. Полный поток топлива регулируется посредством регулирующего клапана 28. Раздельное регулирование потока топлива к четырем форсункам 9 с отдельным регулирующим клапаном 27 позволяет выполнять ступенчатое изменение Staging. Четыре отдельных регулирующих клапана при интенсивной частичной нагрузке полностью открыты для того, чтобы во все форсунки 9 второй камеры 15 сгорания равномерно поступало топливо, так что все форсунки 9 для минимизации выбросов СО работают с одинаковым коэффициентом избытка воздуха λ.
С увеличением относительной нагрузки, в частности, если, например, выше 70% относительной нагрузки могут возникнуть повышенные пульсации, то отдельные регулирующие клапаны 27 частично закрываются для того, чтобы осуществить ступенчатое изменение Staging и вместе с тем стабилизировать сгорание. При этом увеличивается коэффициент избытка воздуха λ снабженных топливом через слегка закрытые отдельные регулирующие клапаны 27 форсунок 9. Однако при высокой нагрузке относительно выбросов СО это некритично.
На фиг.4 показан разрез второй камеры 15 сгорания газовой турбины с последовательным сгоранием, а также система распределения топлива с двумя отдельно регулируемыми узлами форсунок. Они содержат по одному кольцевому топливному трубопроводу для первого узла 31 и по одному кольцевому топливному трубопроводу для второго узла 32, а также соответствующие подводящие топливные трубопроводы 10. Для независимого регулирования количества топлива обеих подсистем предусмотрен регулирующий клапан топлива для первого узла 33 и регулирующий клапан топлива для второго узла 34.
Оба регулирующих клапана для первого и второго узлов 33, 34 при интенсивной частичной нагрузке отрегулированы так, что поток топлива на форсунку одинаков.
Вместе с тем во все форсунки 9 второй камеры 15 сгорания топливо поступает равномерно, так что все форсунки 9 для минимизации выбросов СО работают с одинаковым коэффициентом избытка воздуха λ. С увеличением относительной нагрузки, в частности, если, например, выше 70% относительной нагрузки возникают повышенные пульсации, то регулирующий клапан первого узла 33 открывается не так сильно, как регулирующий клапан второго узла 34, для того чтобы осуществить ступенчатое изменение Staging и вместе с тем стабилизировать сгорание.
x
Альтернативно регулирующий клапан первого узла 33 может присоединяться в направлении потока второго регулирующего клапана 34. В случае аналогичном примеру на фиг.3 при частичной нагрузке регулирующий клапан первого узла 33 нужно полностью открыть и при высокой частичной нагрузке закрыть, чтобы затем выполнить ступенчатое изменение Staging. Полный поток топлива регулируется тогда посредством регулирующего клапана 34. В случае, если топливо является жидким горючим, как например мазут, то в зависимости от типа форсунки для сокращения выбросов NO требуется впрыск воды. Он выполняется, например, аналогично подаче топлива и нужно предусмотреть соответствующие трубопроводы и системы регулирования.
У так называемых битопливных (Dual Fuel) газовых турбин, которые могут работать как на жидком топливе, например мазуте, так и на горючем газе, например природном газе, для каждого топлива нужно предусмотреть отдельные системы распределения горючего.
На фиг.5 показан обычный способ регулирования газовой турбины с последовательным сгоранием. Начиная с холостого хода, то есть относительной нагрузки Prel 0% газовая турбина нагружается до полной нагрузки, то есть относительной нагрузки Prel 100%. При 0% Prel регулируемый ряд направляющих лопаток компрессора закрыт, то есть отрегулирован на минимальный угол раскрытия.
Первая камера сгорания запущена, что приводит к температуре на входе TIT1 первой турбины 7 и соответствующей температуре на выходе турбины ТАТ1. Вторая камера сгорания еще не работает, так что нагревание газов во второй камере горения не происходит. Температура ТАТ1 выходящих из первой турбины 7 газов уменьшается посредством охлаждения камеры сгорания, а также с учетом охлаждения турбины низкого давления до температуры на входе TIT2 второй турбины 12. Из второй турбины 12 выходят разреженные газы с температурой ТАТ2.
На этапе I способа начиная с 0% Prel для повышения мощности сначала увеличивается температура TIT1 до предельного значения TIT1. С увеличением TIT1 также поднимается температура на выходе ТАТ1 и температуры TIT2 и ТАТ2 следующей второй турбины 12.
Для дальнейшего повышения мощности после достижении предельного значения TIT1, в начале этапа II запускается вторая камера 15 сгорания и подача топлива 10 в форсунки 9 второй камеры сгорания увеличивается пропорционально нагрузке. Температуры TIT2 и ТАТ2 становятся выше нагрузки на этапе II в соответствии с большим градиентом, пока не будет достигнуто первое предельное значение ТАТ2. Обычно предельное значение ТАТ2 совпадает с предельным значением полной нагрузки ТАТ2.
Для дальнейшего повышения мощности после достижения предельного значения ТАТ2, на этапе III способа открывается регулируемый ряд направляющих лопаток 14 компрессора для того, чтобы посредством увеличения впускаемого потока регулировать мощность.
Пропорционально впускаемому потоку увеличивается степень сжатия второй турбины 12, из-за чего при постоянной температуре ТАТ2 далее нарастает TIT2 выше относительной мощности Prel, пока не будет достигнуто первое предельное значение TIT2.
Для дальнейшего повышения относительной нагрузки Prel после достижения первого предельного значения TIT2, на этапе IV способа регулируемый ряд направляющих лопаток компрессора 14 при постоянной температуре TIT2 открывается дальше, пока он не достигнет полностью открытого положения.
В представленном примере на этапе V способа температура TIT2 в фиксированном положении регулируемого ряда направляющих лопаток компрессора 14 увеличивается от первого предельного значения TIT2 до второго предельного значения TIT2, пока не будет достигнуто 100% Prel.
На фиг.6 показан способ регулирования газовой турбины с последовательным сгоранием, при котором по сравнению с показанным на фиг.5 процессом изменился этап II. Этап II разделен здесь на две части. Как только будет достигнуто предельное значение температуры TIT1 в конце этапа I, то повышается нагрузка на этапе IIа, тем что открывается регулируемый ряд направляющих лопаток 14 компрессора. Вторая камера 15 сгорания во время этапа IIа еще не работает. Как только регулируемый ряд направляющих лопаток 14 компрессора в конце этапа Па достигнет открытого положения, подключается вторая камера 15 сгорания и регулируемый ряд направляющих лопаток 14 компрессора быстро закрывается. Одновременно с закрытием регулируемого ряда направляющих лопаток 14 компрессора поток топлива, который подается во вторую камеру 15 сгорания, увеличивается. Вместе с тем вторая камера сгорания работает в установившемся режиме только при значительно более высокой нагрузке со значительно увеличенным потоком топлива и значительно повышенной температуре TIT2.
Поскольку впускаемый поток, как только вторая камера сгорания перейдет в установившийся режим, - это неизменно минимальный поток, коэффициент избытка воздуха λ значительно уменьшается, и вместе с ним сокращаются выбросы СО. На этапе II мощность повышается посредством повышения температуры TIT2 до достижения предельного значения ТАТ2 аналогично описанному для этапа II способу. Во время быстрого закрытия регулируемого ряда направляющих лопаток 14 компрессора это может привести к повышенным выбросам СО, из-за чего они перемещаются с максимальной угловой скоростью. Угловая скорость ограничивается, с одной стороны, предельными значениями исполнительных элементов регулируемого ряда направляющих лопаток 14 компрессора, с другой стороны, при быстром закрытии может привести к колебаниям нагрузки и проблемам регулирования температур на входе турбины. Даже если исполнительные элементы допускают закрытие регулируемого ряда направляющих лопаток 14 в течение нескольких секунд, регулируемый ряд направляющих лопаток 14 закрывается, например, в интервале нескольких минут, преимущественно в интервале менее полминуты.
На фиг.7 показан способ регулирования газовой турбины с последовательным сгоранием, при котором по сравнению с показанным на фиг.5 процессом изменился этап III. На фиг.7 представлены две модификации.
Первая модификация этапа III - увеличение предельного значения ТАТ2 до второго предельного значения, которое лежит выше, чем предельное значение полной нагрузки ТАТ2. Это позволяет дальнейшее увеличение температуры TIT2, до тех пор, пока не достигнут второго предельного значения ТАТ2. При этом регулируемый ряд направляющих лопаток 14 остается закрытым до конца этапа IIIa. Вследствие того, что регулируемый ряд направляющих лопаток 14 остается закрытым и с температурой TIT2 увеличивается поток топлива, коэффициент избытка воздуха λ значительно уменьшается и вместе с ним выбросы СО при частичной нагрузке. На этапе IIIb предельное значение температуры ТАТ2 уменьшается пропорционально нагрузке до тех пор, пока в конце этапа не достигнут первого предельного значения ТАТ2. Для повышения мощности, несмотря на снижающуюся температуру ТАТ2, регулируемый ряд направляющих лопаток 14 открывается с большим градиентом. Пропорционально открытию регулируемого ряда направляющих лопаток 14 возрастает поток и вместе с ним степень сжатия через вторую турбину 12. Со степенью сжатия увеличивается соотношение температур TIT2 и ТАТ2, так что, несмотря на снижающуюся температуру ТАТ2 температура TIT2 растет дальше, до тех пор, пока она в конце этапа IIIb не достигнет первого предельного значения TIT2.
min
Представленная на фиг.7 вторая модификация - увеличение температур TIT1 и ТАТ1 в начале этапа IIIa. Представленное увеличение показано только на примере этапа III. Она независима от характерных точек способа или этапов способа. Она может осуществляться в каждом диапазоне частичной нагрузки, критичном по выбросам СО. На коэффициент избытка воздуха λ здесь не прямо влияют. Минимальный коэффициент избытка воздуха λ для достижения сгорания с низкими выбросами вредных веществ зависит от краевых условий сгорания. Посредством повышения температуры ТАТ1 улучшаются данные краевые условия. Посредством увеличения ТАТ1 растет температура и скорость реакции во второй камере 15 сгорания, вследствие чего улучшается сгорание и сокращаются выбросы СО.
На фиг.8 показан схематический поперечный разрез второй камеры 15 сгорания газовой турбины с последовательным сгоранием, в которой работают все форсунки 9. Работающие форсунки обозначены X.
На фиг.8а показан поперечный разрез второй камеры 15 сгорания газовой турбины с последовательным сгоранием, в которой слева и справа отключены смежные с плоскостью разъема 38 форсунки 9, а остальные форсунки 9 работают. Отключенные форсунки 9, как не работающие, обозначены О.
На фиг.8b показан поперечный разрез второй камеры 15 сгорания газовой турбины с последовательным сгоранием, в которой слева и справа отключены по две смежных с плоскостью 38 разъема форсунки 9, а остальные форсунки 9 работают.
Для подключения отдельных форсунок на фиг.8а и 8b могут быть предусмотрены, например, как показано на фиг.2, отдельные клапаны переключения в подводящих топливных трубопроводах 10 для отдельных форсунок 9. В варианте выполнения способа при высокой относительной нагрузке Prel все форсунки 9 работают. При снижении нагрузки ниже предельного значения Prel отключаются сначала согласно фиг.8а смежные с плоскостью разъема форсунки 9.
После следующего понижения нагрузки ниже более меньшего предельного значения Prel отключаются дальше согласно фиг.8b и форсунки 9, которые находятся на удалении двух позиций от плоскости разъема 38.
На фиг.9а показан поперечный разрез второй камеры 15 сгорания газовой турбины с последовательным сгоранием, в которой справа отключена одна смежная с плоскостью разъема 38 форсунка 9, а остальные форсунки 9 работают,
На фиг.9b показан поперечный разрез второй камеры 15 сгорания газовой турбины с последовательным сгоранием, в которой слева и справа отключено по одной смежной с плоскостью разъема 38 форсунке 9, а остальные форсунки 9 работают,
Альтернативно к показанному на фиг.8а/b отключению узлов форсунок могут отключаться, исходя из высокой нагрузки, при которой работают все форсунки 9, также отдельные форсунки 9. Сначала отключается, как показано на фиг.9а, только одна, если смотреть слева, смежная с плоскостью разъема 38 форсунка 9. Следующей отключается, если смотреть справа, смежная с плоскостью разъема 38 форсунка 9.
Попеременно могут отключаться обратно пропорционально нагрузке следующие форсунки 9.
На фиг.10 показан поперечный разрез второй камеры 15 сгорания газовой турбины с последовательным сгоранием, в которой отключены три узла форсунок 9, а остальные форсунки 9 работают. Такая конфигурация может быть выбрана, например, тогда, когда влияние утечек в плоскости разъема 38 на выбросы СО незначительно и, кроме того, влияние отключенных, холодных соседних форсунок на выбросы СО подключенных форсунок 9 незначительно. Преимущество такой схемы - это относительно однородный температурный профиль на выходе камеры 15 сгорания.
На фиг.11 показан поперечный разрез второй камеры 15 сгорания газовой турбины с последовательным сгоранием, в которой отключен только один узел форсунок 9, а остальные форсунки 9 работают. Эта схема предпочтительна, когда влияние отключенных, холодных соседних форсунок на выбросы СО подключенных форсунок 9 весьма большое и при этом возникающий плохой профиль температуры на выходе камеры 15 сгорания устанавливается следующей второй турбиной 12 или охлаждение может адаптироваться к температурному профилю.
Все разъясненные преимущества ограничены не только указанными комбинациями, но и применимы в других сочетаниях или в отдельных случаях без выхода за рамки изобретения. Например, допустимы любые другие возможности отключения отдельных форсунок 9 или узлов форсунок 9.
Перечень позиций
1 Компрессор
2 Впускаемый воздух
3 Сжатый воздух
4 Первая камера сгорания
5 Подводящий топливный трубопровод
6 Нагретые газы
7 Первая турбина
8 Частично разреженные нагретые газы
9 Форсунка второй камеры сгорания
10 Подводящий топливный трубопровод
11 Нагретые газы
12 Вторая турбина
13 Отходящие газы (к котлу-утилизатору)
14 Регулируемый ряд направляющих лопаток компрессора
15 Вторая камера сгорания
16 Регулирующий клапан охлаждающего воздуха низкого давления
17 Регулирующий клапан транспортирующего воздуха
18 Вал
19 Генератор
20
21 Регулирующий клапан охлаждающего воздуха высокого давления
22 Охлаждающий воздух высокого давления
23 Охлаждающий воздух
24 Транспортирующий воздух
25 Регулирующий клапан системы защиты от обледенения Anti-Icing
26 Трубопровод системы защиты от обледенения Anti-Icing
27 Отдельный регулирующий клапан
28 Клапан регулирования подачи топлива
29 Подача топлива
30 Кольцевой топливный трубопровод
31 Кольцевой топливный трубопровод первого узла
32 Кольцевой топливный трубопровод второго узла
33 Клапан регулирования подачи топлива первого узла
34 Клапан регулирования подачи топлива второго узла
35 Радиатор охлаждающего воздуха высокого давления
36 Радиатор охлаждающего воздуха низкого давления
37 Отдельный клапан переключения
38 Плоскость разъема
ТАТ температура на выходе турбины
ТАТ1 температуры на выходе первой турбины
ТАТ2 температуры на выходе второй турбины
TIT температура на входе турбины
TIT1 температура на входе первой турбины
TIT2 температура на входе второй турбины
Prel относительная мощность
X подключенная форсунка
О отключенная форсунка