Способ и система регулирования для газовой турбины
METHOD AND REGULATING SYSTEM FOR GAS TURBINE

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0001] Настоящее изобретения относится, в общем, к контроллерам системы сгорания для газовой турбины. В частности, изобретение относится к способу повторного зажигания камеры сгорания турбины, работающей с полной нагрузкой, посредством осуществления алгоритма регулирования.
ПРЕДПОСЫЛКИ К СОЗДАНИЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0002] Промышленные и энергетические газотурбинные установки имеют системы регулирования или контроллеры, которые отслеживают и регулируют работу газовой турбины. Эти контроллеры управляют системой сгорания газовой турбины. Газовые турбины требуют точной подачи топлива для получения гомогенного смесеобразования бедного топлива из топлива и воздуха в каждой локальной зоне горения, которую необходимо регулировать для работы с соблюдением требуемых низких уровней выбросов. Газовые турбины должны поддерживать рабочую границу выше границы срыва пламени при обеднении топлива. Тщательно отрегулированное управление локальным горением необходимо для поддержания стабильности пламени в камерах сгорания турбин без риска для производительности современных турбин.
[0003] В известных газовых турбинах если одна камера сгорания теряет пламя, то термопары замера температуры выхлопных газов распознают возросшие перепады температур между погасшей камерой сгорания и другими камерами сгорания, и система регулирования реагирует на это выключением турбины. Такое регулирование может стать причиной продолжительного простоя и потери рабочего времени и доходов. В известных системах регулирования газовых турбин для обнаружения погасшей камеры сгорания могут быть использованы некоторые сигналы, которые являются более скоростными, чем сигналы термопары замера температуры выхлопных газов, из-за относительно медленной природы времени задержки на транспортировку от камеры сгорания до термопары замера температуры выхлопных газов и последующей теплопередачи и изменения температуры в термопаре.
[0004] При обнаружении снижения нагрузки под управлением известных систем регулирования такая система регулирования обеспечит подачу большего количества топлива в попытке увеличить нагрузку. Когда камера сгорания гаснет, или ее пламя затухает, топливные форсунки, расположенные ближе всего к пламяперебрасывающим патрубкам, работают на бедном топливе, и их пламя является слабым и располагается дальше вниз по потоку от пламяперебрасывающего патрубка. Подача большего количества топлива в камеру сгорания в таком состоянии может оказаться неадекватной для содействия перебросу пламени в погасшую камеру сгорания. Однако регулирование распределений топлива и обогащение топливовоздушной смеси в топливных форсунках будет содействовать перебросу пламени в негорящую камеру сгорания.
В патенте США №5722230, опубл. 03.03.1998, который является прототипом настоящего изобретения, описан способ регулирования работы газовой турбины, содержащей по меньшей мере две камеры сгорания, в ответ на срыв пламени камеры сгорания при обеднении топлива. Этот способ включает обнаружение того, что первая камера сгорания гаснет в процессе работы газовой турбины с полной нагрузкой, после чего осуществляют переброс пламени из второй камеры сгорания в первую камеру сгорания через пламяперебрасывающий патрубок, затем выявляют восстановление нагрузки турбины и регулируют топливный коэффициент до нормального сбалансированного распределения топлива между соответствующими топливными форсунками. В этом патенте также описана система регулирования для газовой турбины, содержащая компрессор, множество камер сгорания, турбину, связанную с компрессором с возможностью передачи приводного усилия, и систему регулирования. Система регулирования также содержит контроллер, выполненный с возможностью обнаружения того, что камера сгорания гаснет в процессе работы газовой турбины с полной нагрузкой, осуществления переброса пламени из второй камеры сгорания в первую камеру сгорания, обнаружения восстановления нагрузки турбины и регулирования топливного коэффициента до нормального сбалансированного распределения топлива между первой топливной форсункой и второй топливной форсункой.
[0005] Необходим алгоритм для того, чтобы система регулирования могла осуществить регулировку подачи топлива очень быстро, так чтобы происходил переброс пламени для зажигания погасшей камеры сгорания, и при этом интервал времени был достаточно короткий, чтобы минимизировать воздействие на работу и выбросы газовой турбины.
[0006] Необходим контроллер, который обнаружит погасшую камеру сгорания с помощью более скоростного сигнала, например нагрузки, в пределах такого времени задержки транспортировки, изменит распределение топлива между топливными форсунками в каждой камере сгорания и поддержит это состояние до тех пор, пока контролер не обнаружит восстановление нагрузки.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0007] В одном варианте раскрывается способ регулирования работы газовой турбины в ответ на срыв пламени в камере сгорания при обеднении топлива. Газовая турбина содержит по меньшей мере две камеры сгорания, и способ включает шаги обнаружения того, что первая камера сгорания гаснет в процессе работы газовой турбины с полной нагрузкой, регулирования топливного коэффициента между топливными форсунками, обогащения состава топливовоздушной смеси в топливных форсунках, ближайших к пламяперебрасывающим патрубкам, осуществления переброса пламени из второй камеры сгорания в первую камеру сгорания, обнаружения восстановления нагрузки турбины и регулирования топливного коэффициента до нормального сбалансированного распределения топлива между первой камерой сгорания и второй камерой сгорания.
[0008] В другом варианте раскрывается система регулирования для газовой турбины. Система регулирования содержит компрессор, две или более камеры сгорания, турбину, соединенную с компрессором с возможностью передачи приводного усилия, и систему регулирования. Система регулирования также содержит контроллер. Контроллер программируют для обнаружения того, что первая камера сгорания гаснет в процессе работы газовой турбины с полной нагрузкой, регулирования топливного коэффициента между топливными форсунками для подачи обогащенной топливовоздушной смеси к форсункам, ближайшим к пламяперебрасывающим патрубкам, осуществления переброса пламени из второй камеры сгорания в первую камеру сгорания, обнаружения восстановления нагрузки турбины и регулирования топливного коэффициента до нормального сбалансированного распределения топлива между топливными форсунками.
[0009] В еще одном варианте раскрывается машиночитаемый носитель для хранения или содержания команд, исполняемых микропроцессорным контроллером для определения срыва пламени в камере сгорания газотурбинного двигателя при обеднении топлива. Указанные команды предназначены для обнаружения того, что первая камера сгорания гаснет в процессе работы газовой турбины с полной нагрузкой, регулирования топливного коэффициента между топливными форсунками для подачи обогащенной топливовоздушной смеси к по меньшей мере одной топливной форсунке, расположенной рядом с пламяперебрасывающим патрубком; который сообщается с первой камерой сгорания, осуществления переброса пламени из второй камеры сгорания в первую камеру сгорания посредством пламяперебрасывающего патрубка, обнаружения восстановления нагрузки турбины и регулирования топливного коэффициента до нормального сбалансированного распределения топлива между топливными форсунками.
[0010] Преимуществом раскрытого способа является способность устройств с низкими выбросами, которые эксплуатируются с более низкой границей относительно срыва пламени при обеднении топлива, работать более надежно.
[0011] Другим преимуществом раскрытого способа и системы является также повышение надежности за счет исключения необходимости отключения турбинного оборудования, что очень важно, например, в отношении применений в технологических линиях сжиженного природного газа (СПГ) (liquified natural gas, LNG), где необходима постоянная работа газовых турбин для производства СПГ.
[0012] Еще одним преимуществом является способность к быстрому регулированию потока топлива между множеством топливных форсунок для повторного зажигания в смежной камере сгорания прежде, чем газовая турбина отключится из-за возросшего перепада температуры между камерами сгорания.
[0013] Другие особенности и преимущества настоящего изобретения будут очевидны из последующего подробного описания предпочтительного варианта вместе с сопроводительными чертежами, которые иллюстрируют в качестве примера принципы изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0014] Фиг. 1 представляет принципиальную схему примера осуществления газовой турбины, имеющей систему регулирования подачи топлива.
[0015] Фиг. 2 представляет схему последовательности операций варианта системы восстановления зажигания камеры сгорания.
[0016] Фиг. 3 представляет пример пламяперебрасывающего патрубка, установленного между камерами сгорания газовой турбины.
[0017] Фиг. 4 представляет частичный вид в разрезе примера многогорелочной камеры сгорания.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0018] Фиг. 1 изображает газовую турбину 10, имеющую компрессор 12, две камеры 14, 15 сгорания, турбину 16, связанную с компрессором с возможностью передачи приводного усилия, и систему 18 регулирования (контроллер). Впускной канал 20 компрессора обеспечивает подачу окружающего воздуха и, возможно, инжектированной воды в компрессор. Впускной канал может содержать каналы, фильтры, экраны и звукопоглощающие устройства, которые содействуют падению давления окружающего воздуха, протекающего через впускной канал 20 во входной направляющий аппарат 21 компрессора. Вытяжной канал 22 турбины направляет газообразные продукты сгорания с выхода турбины через, например, устройства контроля выбросов в атмосферу и звукопоглощающие устройства. Вытяжной канал 22 может содержать звукопоглощающие материалы и устройства контроля выбросов в атмосферу, которые создают противодавление для турбины. Величина потери входного давления и противодавления могут варьироваться с течением времени из-за добавления элементов в каналы 20, 22 и из-за засорения пылью и грязью впускного и вытяжного каналов. Турбина 16 может приводить в движение генератор 24, который вырабатывает электрическую энергию. Потери на входе в компрессор и потери давления газов за турбиной имеют тенденцию быть функцией скорректированного расхода через газовую турбину. Кроме того, величина потери на входе и противодавления турбины могут изменяться в зависимости от скорости расхода через газовую турбину.
[0019] Работа газовой турбины может отслеживаться с помощью нескольких датчиков 26, измеряющих различные состояния турбины, генератора и окружающей среды. Например, датчики 26 температуры могут отслеживать температуру внешней среды, окружающей газовую турбину, температуру на выходе из компрессора, температуру отходящих газов турбины и другие измерения температуры газового потока через газовую турбину. Датчики 26 давления могут отслеживать давление окружающей среды и уровни статического и динамического давления на входе в компрессор и на выходе из него, на выходе из турбины, в других местах в газовом потоке через газовую турбину. Датчики 26 влажности, например психрометры, измеряют влажность окружающей среды во впускном канале компрессора. Датчики 26 могут также включать в себя датчики расхода, датчики скорости, датчики-сигнализаторы пожара, датчики положения клапанов, датчики угла входного направляющего аппарата или подобные датчики, которые воспринимают различные параметры, имеющие отношение к работе газовой турбины 10. В настоящем документе «параметры» относятся к величинам, которые могут быть использованы для определения условий работы турбины, таким как температуры, давления и расходы газа в определенных местоположениях в турбине. Эти параметры могут использоваться для представления заданного режима работы турбины.
[0020] Система 28 регулирования подачи топлива регулирует топливо, поступающее из источника топлива в камеру 14 сгорания, и соотношение между топливом, поступающим в первичные и вторичные топливные форсунки, и топливом, смешиваемым с вторичным воздухом, поступающим в камеру сгорания. Контроллер регулирования подачи топлива может также осуществлять выбор вида топлива для камеры сгорания. Система 28 регулирования подачи топлива может быть отдельным устройством или может быть компонентом большего контроллера 18. Система регулирования подачи топлива может также вырабатывать и выполнять команды топливного коэффициента, которые определяют долю топлива, поступающего в первичные топливные форсунки, и долю топлива, поступающего во вторичные топливные форсунки.
[0021] Контроллером 18 может быть одна из подсистем управления газовой турбиной компании «General Electric» SPEEDTRONIC. TM. Gas Turbine Control System модели Mark V, Mark Ve, Mark VI или Mark Vie, такая как описана в Rowen, W. I., "SPEEDTRONIC. TM. Mark V Gas Turbine Control System", GE-3658D, опубликовано GE Industrial & Power Systems, Schenectady, N.Y. Контроллер 18 может быть компьютерной системой, имеющей процессор(-ы), которые выполняют программы для управления работой газовой турбины с использованием входных сигналов от датчиков и команд от людей-операторов. Программы, выполняемые контроллером 18, могут включать в себя алгоритмы планирования для регулирования подачи топлива в камеру сгорания 14. Команды, вырабатываемые контроллером, побуждают силовые приводы на газовой турбине, например, регулировать клапаны (силовой привод 32) между топливоподачей и камерами сгорания, которые регулируют расход, распределение топлива и вид топлива, протекающего в камеры сгорания; регулировать входной направляющий аппарат 21 (силовой привод 30) на компрессоре и активировать другие настройки управления на газовой турбине.
[0022] Контроллер 18 регулирует газовую турбину на основе, частично, алгоритмов, хранящихся в компьютерной памяти, связанной с контроллером. Если в процессе работы система регулирования обнаруживает изменение в рабочей нагрузке посредством использования сигналов, которые быстро обнаруживаются, например в мегаваттах, система регулирования может скорректировать распределение топлива между камерами сгорания для переброса пламени из зажженной камеры сгорания в погасшую камеру сгорания. Как только контроллер распознает, что в погасшей камере сгорания пламя восстановлено, контроллер произведет корректировку распределения топлива между камерами сгорания для получения номинального параметра работы турбины. Ключевым при этом является скорость, при которой происходит повторное зажигание. Если камера сгорания не воспламенится повторно достаточно быстро, тогда система регулирования получит указание на высокий перепад температур от термопар замера температуры выхлопных газов из-за погасшей камеры сгорания и побудит турбину выключиться. Однако если камера сгорания повторно воспламенится, система регулирования отследит восстановление результатов измерений термопар в виде нормального распределения, проигнорирует высокие температурные перепады, зафиксированные термопарами замера температуры выхлопных газов до восстановления, и турбина вернется к нормальной работе. Если контроллер установит, что камера сгорания не может быть повторно воспламенена, тогда контроллер примет предел распространения высокой температуры и остановит турбину.
[0023] На фиг. 2 представлен пример осуществления способа управления повторным зажиганием погасшей камеры сгорания при полной нагрузке. В процессе работы газовой турбины 10 с полной нагрузкой на шаге 100 камера сгорания 14 гаснет. Далее, на шаге 102, небольшое уменьшение рабочей нагрузки обнаруживается контроллером 18. На шаге 104 контроллер 18 реагирует на обнаруженное нарушение или уменьшение в рабочей нагрузке путем инициирования шагов по повторному зажиганию. Затем на шаге 106 контроллер 18 формирует команду для корректировки распределения топлива между камерами 14, 15 сгорания с целью подачи более обогащенной топливовоздушной смеси в работающую камеру 15 сгорания. Введение более обогащенной топливовоздушной смеси в работающую камеру 15 сгорания создает переброс пламени, который заставляет пламя из работающей камеры 15 сгорания перейти в погасшую камеру 14 сгорания по пламяперебрасывающему патрубку 11 (фиг. 3), на шаге 108. Далее, на шаге 110 после короткого интервала времени система регулирования воспринимает распределение нагрузки для установления, сбалансирована ли вновь нагрузка, что указывает на обнаружение восстановления нагрузки. Если на шаге 110 обнаруживается восстановление нагрузки, тогда контроллер 18 вырабатывает сигнал (шаг 112) для корректировки распределения топлива к нормальному сбалансированному распределению топлива (шаг 114) между топливными форсунками камер 14, 15 сгорания.
[0024] Пламяперебрасывающие патрубки хорошо известны в данной области техники. На фиг. 3 представлен пример конструкции пламяперебрасывающего патрубка. Пламяперебрасывающий патрубок 11 проходит между первой камерой 14 сгорания и второй камерой 15 сгорания и заключен в корпус 17, который открыт потоку воздуха, нагнетаемого компрессором. Пламяперебрасывающий патрубок 11 может состоять из двух конусообразных трубчатых секций 38, 40, связанных телескопической связью. Множество отверстий 36 для продувочного воздуха просверлены в секции 38 поблизости от телескопического соединения с секцией 40. Трубчатые секции 38 и 40 постепенно сужаются от большего диаметра в средней части пламяперебрасывающего патрубка к меньшим диаметрам у концов 42, 44 соответственно, где концы соединяются с камерами 14 и 15 сгорания. Конусообразность у концов пламяперебрасывающего патрубка 11 заставляет продувочный воздушный поток ускоряться и прижиматься к стенкам патрубка, так что продувочный воздух заполняет все поперечное сечение у противоположных концов патрубка.
[0025] Фиг. 4 представляет пример камеры 14, 15 сгорания. Пламяперебрасывающий патрубок 11 проходит через стенку камеры 14, 15 сгорания перед топливными форсунками 33. Пламяперебрасывающий патрубок 11 может быть соединен со смежной камерой сгорания 14, 15. Камера сгорания может содержать множество форсунок 33 и/или пламяперебрасывающих патрубков 11.
[0026] Как указывалось выше, варианты осуществления изобретения в пределах объема настоящей заявки содержат машиночитаемый носитель для хранения или содержания исполняемых машиной команд или структуры данных, хранящихся на нем. Таким машиночитаемым носителем может быть любой доступный носитель, к которому может иметь доступ специализированный или универсальный компьютер или любое другое вычислительное устройство с процессором. В качестве примера такой машиночитаемый носитель может включать в себя RAM (оперативное запоминающее устройство, ОЗУ), ROM (постоянное запоминающее устройство, ПЗУ), EPROM (стираемое программируемое ПЗУ, СППЗУ), EEPROM (электронно-стираемое программируемое ПЗУ, ЭСППЗУ), CD-ROM (компакт-диск без возможности перезаписи), или другое оптическое запоминающее устройство на дисках, или другие магнитные запоминающие устройства, или любой другой носитель, который может быть использован для запоминания или хранения требуемого программного кода в форме исполняемых машиной команд или структур данных и к которым может иметь доступ любой специализированный или универсальный компьютер или любое другое вычислительное устройство с процессором. Когда информация передается или предоставляется через сеть или коммуникационное соединение (проводное или беспроводное соединение, либо комбинацию проводного и беспроводного) в вычислительную машину, машина соответствующим образом рассматривает соединение в качестве машиночитаемого носителя. Таким образом, любое такое соединение должным образом определяется как машиночитаемый носитель. Комбинации вышеуказанного также включаются в объем машиночитаемого носителя. Исполняемые машиной команды охватывают, например, команды и данные, которые побуждают универсальный компьютер, специализированный компьютер или специальные обрабатывающие устройства выполнять определенную функцию или группу функций.
[0027] Технические эффекты некоторых конфигураций согласно настоящему изобретению включают способность турбинных установок с низкими выбросами работать более надежно без отключения турбинного оборудования, а также быстрое изменение топливного потока между множеством топливных форсунок для повторного зажигания смежной камеры сгорания до того, как произойдет отключение газовой турбины.
[0028] Следует заметить, что хотя чертежи в настоящем документе могут показывать определенный порядок шагов способа, предполагается, что порядок шагов может отличаться от изображенного. Кроме того, два или более шагов могут быть выполнены одновременно или с частичным совпадением во времени. Подобное варьирование будет зависеть от выбранных систем программного обеспечения и аппаратного обеспечения и от выбора проектировщика. Следует понимать, что все эти варианты находятся в пределах объема изобретения. Подобным образом реализации программного обеспечения могут быть осуществлены с помощью стандартных программных способов с логикой, основанной на правилах, или другой логикой для выполнения различных шагов соединения, шагов обработки, шагов сравнения и шагов принятия решений.
[0029] Хотя изобретение описано со ссылкой на предпочтительный вариант его осуществления, специалистам понятно, что могут быть произведены различные изменения, и элементы могут быть заменены эквивалентами в пределах объема изобретения. Кроме того, могут быть произведены модификации для адаптации к конкретной ситуации или материалу в рамках изобретения. Следовательно, изобретение не ограничено конкретным вариантом, раскрытым как лучший вариант осуществления изобретения, а включает все варианты в пределах объема приложенной формулы изобретения.