Устройство подачи жидкого топлива газотурбинной установки
LIQUID FUEL SUPPLY DEVICE FOR A GAS TURBINE PLANT

Предлагаемое изобретение относится к области энергомашиностроения, конкретно к газотурбостроению, в частности к системе подачи жидкого топлива к горелкам камеры сгорания двухтопливной энергетической газотурбинной установки.
Стационарные газотурбинные установки, предназначенные для выработки электроэнергии, как правило, проектируются для возможности работы как на газообразном, так и на жидком топливе. При этом газообразное топливо является основным, а жидкое резервным и, в основном, используется в аварийных случаях при сбоях в работе устройства подачи основного газообразного топлива. После устранения сбоев, устройство подачи жидкого топлива автоматически переключается на газовое топливо для обеспечения нормальной работы газотурбинной установки. При этом минимизация габаритных размеров устройства подачи топлива имеет определяющее значение при размещении вспомогательного оборудования в машинном зале электростанции. Именно по этой причине разработчики топливного оборудования стремятся к компоновке аппаратурного оформления устройства топливоподачи в виде мобильного моноблока, на единой опорной раме. Однако, в силу специфики работы устройства подачи жидкого топлива, отличающейся конструкционной сложностью и наличием большого количества необходимых элементов оборудования, по сравнению с устройством газообразного топлива, обеспечить компактность компоновки и одновременно сохранить удобный доступ ко всем узлам устройства, например, при плановых осмотрах и обслуживании часто бывает проблематичным. Другой проблемой является обеспечение надежности работы устройства подачи жидкого топлива в условиях низких температур наружного воздуха по причине загустевания топлива и повышения давления на трубопроводе слива топлива с линии возврата в блок подготовки топлива. Как хорошо известно, в нефти присутствуют парафиновые группы, которые после дистиляции остаются в дизельном топливе. Их наличие в дизельном топливе и являются причиной замерзания топлива при наступлении отрицательных температур. Обычно при температуре -5°С топливо начинает мутнеть, что является первым признаком начала кристаллизации парафина. Пока кристаллы малы, слив топлива в блок подготовки топлива осуществляется в нормальном режиме, при дальнейшем снижении (до -7°С) кристаллы парафина начинают образовывать агломераты, вследствие чего топливо начинает загустевать, давление на сливе повышается, срабатывает защитная арматура и устройство подачи топлива аварийно останавливается и как следствие, останавливается работа газовой турбины. Такое явление может наступить уже при температуре -10°С. Чтобы избежать подобных ситуаций, отслеживается погода и при приближении морозов летнее топливо меняется на межсезонное, зимнее или арктическое (добавляются присадки), которое можно использовать при более низких отрицательных температурах вплоть до -45°С. Однако топливо с более высокими характеристиками морозостойкости существенно дороже. При этом ставить систему обогрева трубопроводов слива в блок подготовки топлива - это тоже дополнительные затраты. Таким образом задача повышения эксплуатационных характеристик устройства подачи жидкого топлива, в части низкозатратного расширения рабочего диапазона температур, обеспечения эксплуатационной надежности работы и обеспечения удобства технического обслуживания оборудования блока подачи жидкого топлива, является актуальной.
Известно устройство подачи жидкого топлива двухтопливной системы (жидкое/газообразное топливо) газовой турбины, содержащее линию подачи жидкого топлива к камере сгорания, линию возврата жидкого топлива, дренажный бак, линию откачки топлива из дренажного бака в линию возврата топлива в блок подготовки, регулирующую и запорную арматуру, (патент ИЗ США № US 10184351, приоритет 20.10.2016 г.).
Недостатком известного устройства является то, что оно не обеспечивает надежную работу в условиях низких температур наружного воздуха и удобства обслуживания оборудования устройства топливоподачи.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков к предлагаемому изобретению и выбранном в качестве прототипа является устройство подачи жидкого топлива газовой турбины, которое содержит линию подачи топлива, снабженную фильтром, топливный насос, делитель топливного потока, трубопроводы подачи топлива к каждой горелке камеры сгорания ГТУ, линию возврата топлива, линию дренажа, дренажный бак, регулирующую и запорную арматуру, (патент на изобретение US 6729135, приоритет 12.12.2002 г.).
Назначение известного устройства по прототипу заключается в обеспечении его постоянной готовности к работе и повышении эксплуатационной надежности за счет предотвращения нагарообразования и углеродистых отложений во время простоев устройства подачи жидкого топлива.
Недостатками устройства по прототипу является сложность и громоздкость аппаратурного оформления, невозможность реализации компоновочного решения в виде моноблока, а также обеспечения надежности работы в условиях низких температур наружного воздуха.
Желаемым техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является улучшение эксплуатационных характеристик устройства подачи жидкого топлива, выражающееся в расширении рабочего диапазона температур (до -40°С), повышении эксплуатационной надежности и удобства технического обслуживания оборудования устройства при моноблочной компоновке.
Достижение вышеуказанного технического результата обеспечивается предлагаемым устройством подачи жидкого топлива, которое включает линию подачи топлива, узел фильтрации, топливный насос, делитель потока, трубопроводы подачи топлива к каждой горелке камеры сгорания ГТУ, линию возврата топлива, линию дренажа, дренажный бак, регулирующую и запорную арматуру, при этом устройство дополнительно снабжено узлом гидродемпфирования пиков давления в линии подачи топлива, а линия возврата топлива соединена с линией подачи топлива через линию разгрузки от превышения давления в линии возврата топлива, которая снабжена пружинным перепускным предохранительным клапаном превышения давления прямого действия, причем упомянутая линия разгрузки включает трубопровод входа в предохранительный клапан, с диаметром Dвх. и трубопровод выхода из предохранительного клапана, с диаметром Dвых., в соотношении величин Dвх. / Dвых. не более 0,85, при этом вход линии разгрузки врезан в линию возврата топлива после аварийной запорной арматуры, а выход врезан в трубопровод линии подачи топлива перед узлом фильтрации, причем устройство подачи жидкого топлива выполнено в виде моноблока и установлено на опорной раме, образованной опорными металлическими конструкциями в которые вмонтирован дренажный бак, таким образом, что опорные металлические конструкции, одновременно являются стенками дренажного бака, образуя общую опорную поверхность для оборудования устройства подачи топлива.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг. 1 и фиг. 2.
На фиг. 1 представлена блок-схема устройства подачи жидкого топлива, где поз. 1 обозначает линию подачи жидкого топлива к горелкам камеры сгорания газовой турбины, поз. 2 обозначает линию возврата жидкого топлива от горелок камеры сгорания газовой турбины, поз. 3 обозначает линию разгрузки от превышения давления, поз. 4 обозначает вход линии подачи жидкого топлива 1 с блока подготовки топлива (на схеме не обозначен), поз. 5 обозначает выход линии подачи жидкого топлива 1, поз. 6 обозначает вход линии возврата жидкого топлива 2, поз. 7 обозначает выход линии возврата жидкого топлива 2 к блоку подготовки топлива, поз. 8 обозначает линию откачки дренажного топлива в возвратную линию жидкого топлива 2, поз. 9 обозначает фильтр жидкого топлива, поз.10 обозначает узел мембранных гидроаккумуляторов, поз. 11 обозначает топливный насос жидкого топлива, поз. 12 и 13 обозначает аварийную запорную и регулирующую арматуру, поз. 14 обозначает предохранительный клапан прямого действия от превышения давления, поз. 15 обозначает дренажный бак-раму, поз. 16 обозначает насос откачки топлива из дренажного бака 15, поз. 17 обозначает линию дренажных трубопроводов, поз. 18 обозначает трубопровод входа в предохранительный клапан прямого действия 14, поз. 19 обозначает выходной трубопровод из предохранительного клапана прямого действия 14.
На фиг. 2 представлен фрагмент предлагаемого устройства подачи жидкого топлива. Значение позиций соответствует позициям на фиг. 1.
Предлагаемое устройство подачи жидкого топлива работает следующим образом:
Жидкое топливо, в качестве которого обычно используется мазут, дизельное топливо, с выхода 5 линии подачи топлива 1 поступает в камеру форсунок горелки, после чего разделяется на два потока, один из которых впрыскивается в камеру сгорания, а второй возвращается в линию возврата жидкого топлива 2. Линия возврата 2 жидкого топлива забирает поток топлива, идущий на возврат с камеры сгорания через вход 6. На линии возврата жидкого топлива 2 установлена аварийная запорная арматура 13, предназначенная для предотвращения утечки топлива в камеру сгорания при неработающей газовой турбине, например, в случаях, когда возвратный трубопровод подключен к другой системе трубопроводов, которая находится под давлением или, когда несколько газовых турбин электростанции подключены к общему обратному трубопроводу.
Жидкое топливо отводится в блок подготовки топлива через выход 7. В холодные периоды, из-за низкой температуры окружающего воздуха, топливо, находящееся в системе трубопроводов на участке между выходом 7 линии возврата 2 и блоком подготовки топлива, может загустевать или отвердевать. Это становится причиной повышения давления в линии возврата 2 и аварийного отключения топливного насоса 11. В таких случаях в работу включается линия разгрузки 3, соединяющая напрямую линию возврата 2 с линией подачи жидкого топлива 1, исключая из работы участок между выходом 7 линии возврата 2 и блоком подготовки топлива, предотвращая тем самым аварийный останов топливного насоса 11 и, соответственно, газотурбинной установки в целом.
Таким образом из вышеприведенного описания заявляемого изобретения следует, что желаемый технический результат достигается в полной мере и предлагаемое техническое решение обладает рядом несомненных преимуществ.
В частности, как показали расчетные исследования, именно применение в линии разгрузки 3 трубопроводов разного диаметра, трубопровод 18 до входа (Dвх.) и трубопровод после выхода 19 (Dвых) из предохранительного клапана 14, взятых в определенном соотношении Dвх. / Dвых. но не более 0,85, в сочетании с применением перепускного пружинного предохранительного клапана прямого действия 14, открывающегося пропорционально возникающему сверхдавлению, где установочное давление не зависит от величины противодавления, позволяет обеспечить корректную работу линии подачи топлива 1 и практически исключить аварийный останов топливного насоса из-за изменения вязкости топлива на участке между выходом 7 линии возврата 2 и блоком подготовки топлива. В частности, сброс топлива через предохранительный клапан 14 производится с массовым расходом, который необходим, чтобы не вызывать резкий рост давления в линии подачи топлива 1, поскольку предохранительный клапан 14 по достижении установочного давления обеспечивает плавное открытие, регулируя сверхдавление в системе и хорошую гидродинамику течения в линии подачи топлива 1. В частности, предохранительный клапан 14 обеспечивает работу в системе с коэффициентом противодавления (т.е. отношение противодавления к установочному давлению) до 70% по отношению к стандартным пружинным клапанам обеспечивающих коэффициент противодавления 50%.
Таким образом, выполнение линии разгрузки 3 согласно предлагаемому изобретению позволяет заметно повысить эксплуатационную надежность работы газотурбинной установки и практически исключить аварийный останов топливного насоса из-за изменения вязкости топлива на участке между выходом 7 линии возврата 2 и блоком подготовки топлива в условиях низких наружных температур, за счет автоматического исключения из работы упомянутого участка в случае повышения в нем давления из-за загустевания топлива в условиях низких температур до -40С. Другое достоинство предлагаемого изобретения заключается в том, что в ряде случаев его применения возможно уйти от необходимости прибегать к затратной системе подогрева трубопроводов слива топлива в блок подготовки топлива и от использования более дорогостоящего топлива с более высокими характеристиками морозостойкости.
Для обеспечения компактности компоновки аппаратуры заявленного устройства подачи жидкого топлива в моноблоке, линию разгрузки 3 выполняют с минимально короткой длиной (например, в предлагаемом варианте не более 3000 мм). Предохранительный клапан 14, по сравнению с аналогичными клапанами обладает достаточно компактными размерами (занимает примерно на 20% меньше места, чем клапаны аналогичного назначения), что позволяет расположить трубопроводы линии подачи 1 и линии возврата жидкого топлива 2 в максимальной близости друг от друга и тем самым обеспечить компактность моноблока устройства подачи жидкого топлива в целом. Дренажный бак 15 соединен с конструкциями опорной рамы таким образом, что металлические конструкции опорной рамы одновременно являются стенками дренажного бака, образуя общую опорную поверхность для оборудования устройства подачи топлива. Тем самым обеспечивается расширение зоны обслуживания оборудования устройства и удобство доступа к запорной, регулирующей и измерительной арматуре.
Настоящее изобретение не ограничено описанным вариантом его осуществления и может изменяться, и модифицироваться в пределах объема формулы изобретения.