СИСТЕМЫ ВОСПОЛНЕНИЯ ЭНЕРГИИ И СИСТЕМЫ ПОДОГРЕВА ГАЗОВЫХ ТУРБИН, А ТАКЖЕ СПОСОБЫ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
ENERGY RECOVERY SYSTEM AND GAS TURBINE HEATING SYSTEM, AS WELL AS METHODS FOR PRODUCTION AND USE THEREOF

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится, в основном, к электроэнергетическим системам, включающим в себя генерирующую мощность газовой турбины, и, в частности, к накопителю энергии, который используется для подачи дополнительной электрической мощности во время периодов пикового потребления электрической мощности и создания систем, которые поддерживают газовую турбину и паровую турбину горячей и готовой к работе, тем самым сокращая время запуска.
ИЗВЕСТНЫЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В настоящее время минимально экономически эффективную энергию получают, главным образом, с помощью газовой турбины в конфигурациях либо с простым циклом, либо с комбинированным циклом. Вследствие профиля требуемой нагрузки основные системы газовой турбины включают рабочий цикл во время периодов высокого потребления и выключают рабочий цикл, или выключаются, во время периодов низкого потребления. Такое циклическое изменение обычно управляется системным оператором по программе, называемой активным управлением энергосистемой, или AGC. К сожалению, ввиду того, что промышленные газовые турбины, составляющие большую часть базы установленного оборудования, конструировались, главным образом, для базисного режима работы, когда в них включается рабочий цикл, серьезный недостаток связан со стоимостью обслуживания данного конкретного блока. Например, газовая турбина, работающая при базисной нагрузке, может проходить техническое обслуживание в обычном объеме один раз в три года, или 24000 часов, при стоимости в диапазоне 2-3 миллиона долларов. Те же расходы могут осуществляться за один год для установки, которую приходится запускать и выключать каждый день.
В настоящее время такие газотурбинные установки могут выключаться приблизительно до 50% от своей номинальной пропускной способности. Они осуществляют это путем закрытия направляющего аппарата на входе в компрессор, которое уменьшает воздушный поток в газовую турбину, понижая также поток топлива, поскольку в процессе сгорания необходимо постоянное соотношение топлива и воздуха. Обеспечение режима работы и выбросов безопасного компрессора обычно ограничивает уровень выключения, который может достигаться практически. Более низкое эксплуатационное ограничение безопасного компрессора в современных газотурбинных установках корректируется путем ввода теплого воздуха во впуск газовой турбины, как правило, из промежуточной ступени отбора пара компрессора. Иногда такой теплый воздух вводится также во впуск для предотвращения обледенения. В любом случае после выполнения этого та работа, которая выполняется компрессором с воздухом, приносится при этом в жертву в интересах возможности безопасной эксплуатации компрессора при более низком расходе, благодаря чему увеличивается способность выключения. Это оказывает еще одно негативное влияние на к.п.д. системы, поскольку работа, выполняемая с выпускаемым воздухом, не достигает цели. Кроме того, система сжигания топлива также создает ограничение для системы.
Система сжигания топлива обычно ограничивает значение, при котором система может выключаться, поскольку с добавлением меньшего количества топлива температура пламени снижается, увеличивая образуемое количество выбросов СО. Соотношение между температурой пламени и выбросами СО является экспоненциальным при снижении температуры, следовательно, по мере того, как газотурбинная система почти достигает ограничения, выбросы СО резко возрастают, поэтому данное ограничение мешает наличию разумного запаса. Указанная характеристика ограничивает все газотурбинные системы до способности выключения приблизительно 50%, либо - для газовой турбины мощностью 100 МВт - минимальная мощность, которая может быть достигнута, составляет около 50%, или 50 МВт. С уменьшением массового расхода газовой турбины к.п.д. компрессора и турбины также падает, вызывая увеличение удельного расхода тепла машины. Некоторые операторы сталкиваются с такой ситуацией каждый день, вследствие этого с падением требуемой нагрузки газотурбинные установки достигают нижнего эксплуатационного ограничения и должны выключать машины, что стоит им огромных издержек стоимости технического обслуживания.
Еще одна особенность типичной газовой турбины состоит в том, что с повышением окружающей температуры пропорционально ей падает выходная мощность из-за эффекта понижения плотности с увеличением температуры воздуха. В жаркие дни выходная мощность может понижаться более чем на 10% относительно паспортной величины, как правило, когда для обеспечения мощности пиковые газовые турбины используются больше всего.
Еще одна особенность типичных газовых турбин состоит в том, что воздух, который сжимается и нагревается в отсеке компрессора газовой турбины, направляется в различные части секции газовой турбины, где он используется для охлаждения различных компонентов. Этот воздух обычно называется воздухом охлаждения турбины и утечки (в дальнейшем в этом документе “ВОТУ”) - этот термин хорошо известен в области газовых турбин. Несмотря на то, что воздух ВОТУ нагревается в результате процесса сжатия, он, тем не менее, значительно холоднее, чем температуры турбины, и, следовательно, эффективно охлаждает эти компоненты в выходном потоке турбины компрессора. Как правило, от 10% до 15% воздуха, поступающего на впуск компрессора, обходит камеру сгорания и используется для этого процесса. Таким образом, ВОТУ является существенным недостатком в функционировании газотурбинной системы.
Еще одна особенность газовых турбин состоит в том, что им, как правило, требуется 20-30 минут на запуск исходя из соображений тепловой нагрузки, а котлу-утилизатору отходящих газов (КУОГ) в установке с комбинированным циклом может потребоваться час или больше. Это важно потому, что установки с комбинированным циклом используются чаще для выравнивания перебоев в возобновляемой энергии, которая значительно флуктуирует в течение минут.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В настоящем изобретении предлагаются несколько вариантов - в зависимости от требований установки - для корректировки верхнего ограничения выходной мощности газовой турбины, благодаря чему повышается пропускная способность и способность регулирования новой или существующей газотурбинной системы.
Один аспект настоящего изобретения относится к способам и системам, которые позволяют газотурбинным системам эффективнее выдавать максимальную дополнительную мощность во время периодов пикового потребления, поскольку для приведения системы в действие используется отдельно питаемый топливом двигатель, что устраняет значительные паразитные нагрузки, как правило, связанные с системами с компрессорным впрыском.
Еще один аспект настоящего изобретения относится к системе рециркуляции выхлопа, которая устраняет точечный источник выбросов из отдельно питаемого топливом двигателя.
Еще один аспект настоящего изобретения относится к повышению к.п.д. с использованием отходящего тепла, связанного с системой рециркуляции отработавших газов.
Еще один аспект настоящего изобретения относится к системе охладителя питаемого впуска, в которой отходящее тепло от отдельно питаемого топливом двигателя увеличивает выходную мощность паровой турбины, тем самым сохраняя или повышая к.п.д. установки с комбинированным циклом.
Еще один аспект настоящего изобретения относится к альтернативному использованию - при неработающей установке - системы форсирования наддува, в которой сжатый воздух прогоняется через газовую турбину, а выхлоп от отдельно питаемого топливом двигателя прогоняется через котел-утилизатор отходящих газов (“КУОГ”) для поддержания всей газовой турбины и паровой турбины горячей, что сокращает время запуска.
Еще один аспект настоящего изобретения относится к альтернативному использованию - при неработающей установке - системы форсирования наддува, в которой сжатый воздух прогоняется через газовую турбину и КУОГ для поддержания всей газовой турбины и паровой турбины горячей, что сокращает время запуска.
Еще один аспект настоящего изобретения относится к системе впуска воздуха с форсированием наддува, которая вытесняет охлаждающий воздух, обычно забираемый из промежуточной ступени или камеры нагнетания компрессора газовой турбины, при этом выхлоп из отдельно питаемого топливом двигателя используется в КУОГ для создания дополнительной мощности. Альтернативно подаваемый охлаждающий воздух может быть одинаковым по температуре и давлению с воздухом, который он вытесняет, либо холоднее (что приводит к снижению требований к охлаждающему воздуху и повышению к.п.д. газовой турбины (“ГТ”)).
Еще один аспект настоящего изобретения относится к использованию относительно холодного охлаждающего воздуха сопла первой ступени, приводящему к снижению требований к охлаждающему воздуху, что переходит в повышенный к.п.д.
Еще один аспект настоящего изобретения относится к системе форсирования наддува, подающей относительно холодный охлаждающий воздух, а во время периодов, когда установка с комбинированным циклом не работает, подающей относительно горячий сжатый воздух для поддержания секции турбины горячей, при этом используется выхлоп отдельно питаемого топливом двигателя в котле пакетного типа для подачи пара через КУОГ и паровую турбину для минимизации времени запуска всей установки с комбинированным циклом (“КЦ”).
Еще один аспект настоящего изобретения относится к использованию отдельно питаемого топливом двигателя для введения горячего сжатого воздуха в камеру нагнетания сжигания, при этом используется избыточное тепло более низкого качества (т.е., более низкой температуры), поставляемое из выхлопа отдельно питаемого топливом двигателя для предварительного нагрева топлива ГТ, благодаря чему повышается к.п.д. ГТ.
Один вариант осуществления изобретения относится к системе, содержащей вспомогательный компрессор, по меньшей мере, один компрессор, по меньшей мере, один электрический генератор, по меньшей мере, одну турбину (указанная, по меньшей мере, одна турбина соединена с указанным, по меньшей мере, одним генератором и указанным, по меньшей мере, одним компрессором) и камеру сгорания (которая является выходным коллектором для компрессора).
Еще одним преимуществом еще одного предпочтительного варианта осуществления является возможность быстрого повышения выходной мощности газотурбинной системы с помощью вспомогательного сжатого горячего воздуха, подаваемого отдельно питаемым топливом двигателем.
Еще одним преимуществом этого предпочтительного варианта осуществления является рециркуляция выхлопного газа полностью или частично от отдельно питаемого топливом двигателя, благодаря чему минимизируются или устраняются выбросы из второго источников выбросов в установке.
Еще одним преимуществом этого предпочтительного варианта осуществления является рециркуляция выхлопного газа полностью или частично от отдельно питаемого топливом двигателя, благодаря чему минимизируются или исключаются расходы, связанные с очисткой выбросов с помощью существующей системы понижения токсичности ГТ.
Одним из преимуществ других предпочтительных вариантов осуществления является возможность повышения выходной мощности, при этом повышается к.п.д. системы в целом.
Еще одним преимуществом вариантов осуществления настоящего изобретения является повышение выходной мощности и к.п.д. традиционного охлаждающего устройства.
Еще одним преимуществом вариантов осуществления настоящего изобретения является возможность поддержания компонентов газовой турбины и паровой турбины теплыми при выключенной установке, благодаря чему сокращается требуемое время запуска.
Еще одним преимуществом некоторых вариантов осуществления настоящего изобретения является возможность повышения к.п.д. встроенной системы форсирования наддува путем уменьшения теряемого в других случаях тепла, связанного с охлажденными трактами охлаждающего воздуха ГТ.
Еще одним преимуществом некоторых вариантов осуществления настоящего изобретения является возможность подачи более холодного охлаждающего воздуха в питаемые извне компоненты турбины, приводящей к уменьшению ВОТУ, требуемого для ГТ, и повышению к.п.д. встроенной системы форсирования наддува.
Еще одним преимуществом некоторых вариантов осуществления настоящего изобретения является возможность подачи более холодного охлаждающего воздуха в питаемые извне компоненты турбины путем избирательного нагнетания или прямого распределения охлаждающего воздуха, приводящей к уменьшению ВОТУ, требуемого для ГТ, и повышению к.п.д. встроенной системы форсирования наддува.
Другие преимущества, признаки и характеристики настоящего изобретения, а также способы действия и функции соответствующих элементов конструкции и совокупности деталей будут более понятными после изучения нижеследующего подробного описания и прилагаемой формулы изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, причем все они составляют часть данного описания.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 представляет собой схематический чертеж одного из вариантов осуществления настоящего изобретения, в котором имеется вспомогательная энергетическая система с двигателем на рекуперированном топливе, с рециркуляцией выхлопного газа, приводящая в действие вспомогательный компрессор, в котором выхлоп двигателя на рекуперированном топливе полностью или частично подается на ГТ для последующего сгорания.
Фиг.2 представляет собой схематический чертеж одного из вариантов осуществления настоящего изобретения, в котором имеется вспомогательная энергетическая система с двигателем на рекуперированном топливе, с рециркуляцией выхлопного газа и нагреванием топлива, приводящая в действие вспомогательный компрессор, в котором выхлоп двигателя на рекуперированном топливе полностью или частично подается на ГТ для последующего сгорания, а отходящее тепло низкого качества дополнительно используется для нагрева топлива ГТ.
Фиг.3 представляет собой схематический чертеж одного из вариантов осуществления настоящего изобретения, включающего в себя систему охлаждения впуска форсирования мощности с помощью охладителя, приводимого в действие отдельно питаемым топливом двигателем, в котором выхлоп от отдельно питаемого топливом двигателя встроен в выхлоп ГТ.
Фиг.4 представляет собой схематический чертеж одного из вариантов осуществления настоящего изобретения с системой нагрева котла-утилизатора отходящих газов с помощью выхлопа питаемого топливом двигателя, в которой и сжатый воздух, и выхлоп питаемого топливом двигателя используются для поддержания установки с простым или комбинированным циклом теплой при неработающей установке.
Фиг.5 представляет собой схематический чертеж одного из вариантов осуществления настоящего изобретения, включающего в себя систему быстрого запуска с помощью сжатого воздуха, в которой смесь сжатого воздуха и сжатого выхлопа из питаемого топливом двигателя используется для поддержания установки с простым или комбинированным циклом теплой при неработающей установке.
Фиг.6 представляет собой схематический чертеж одного из вариантов осуществления настоящего изобретения с подачей охлажденного воздуха турбины, в котором холодный охлаждающий воздух подается вспомогательным компрессором и питаемым топливом двигателем в тракт охлаждения высокого давления газовой турбины, при этом выхлоп питаемого топливом двигателя добавляется к выхлопу газовой турбины.
Фиг.7 представляет собой схематический чертеж одного из вариантов осуществления настоящего изобретения с подачей охлажденного охлаждающего воздуха на выходное сопло турбины, в котором холодный охлаждающий воздух подается вспомогательным компрессором и питаемым топливом двигателем в тракт охлаждения промежуточного давления, при этом выхлоп питаемого топливом двигателя добавляется к выхлопу ГТ.
Фиг.8 представляет собой схематический чертеж одного из вариантов осуществления настоящего изобретения с подачей охлажденного охлаждающего воздуха на первое сопло турбины, в котором холодный охлаждающий воздух подается вспомогательным компрессором и питаемым топливом двигателем в тракт охлаждения первой ступени газовой турбины, при этом выхлоп питаемого топливом двигателя добавляется к выхлопу ГТ.
Фиг.9 представляет собой схематический чертеж одного из вариантов осуществления настоящего изобретения, включающего в себя быстрый запуск с нагнетанием воздуха и пара, в котором холодный охлаждающий воздух подается вспомогательным компрессором и питаемым топливом двигателем в тракт охлаждения первой ступени, тракт охлаждения высокого давления или тракт охлаждения промежуточного давления газовой турбины, при этом выхлоп питаемого топливом двигателя используется для создания пара для форсирования мощности при работающей газовой турбине, а сжатые воздух и пар используются для поддержания установки теплой при неработающей газовой турбине.
Фиг.10 представляет собой схематический чертеж одного из вариантов осуществления настоящего изобретения с подогревом топлива, в котором имеется вспомогательная энергетическая система с двигателем на рекуперированном топливе, приводящая в действие вспомогательный компрессор, в котором выхлоп двигателя на рекуперированном топливе полностью или частично используется для нагрева топлива газовой турбины.
На фиг.11 изображен цикл газовой турбины типа, применимого к настоящему изобретению, на зависимости энтропия-температура диаграммы энтальпия-энтропия для SW501FD2 с подачей 55 фунтов/сек. (~24,95 кг/сек.) (+5,5%).
На фиг.12 изображено сравнение работы на фунт массы, требуемой для нагнетания воздуха от атмосферных условий до повышенного давления для компрессора SW501FD2, с процессом компрессора с промежуточным охлаждением.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Один аспект изобретения относится к способам и системам, которые позволяют газотурбинным системам работать эффективнее в различных условиях или режимах работы. В таких системах, как описанная в Патенте США № 6305158, выданном Нахамкину («патенте ‘158») определены три основных режима работы - нормальный режим, режим зарядки и режим нагнетания воздуха, но он ограничен необходимостью в электрическом генераторе, обладающем способностью подавать мощность, «превышающую полную мощность», которую может подавать газотурбинная система. То обстоятельство, что данный патент был выдан более 10 лет назад, однако в период быстро возрастающих затрат на энергоресурсы отсутствуют его известные применения, является доказательством того, что он не учитывает требования рынка.
Прежде всего, очень дорого заменять и модернизировать электрический генератор, чтобы он мог подавать мощность, «превышающую полную мощность», которую в настоящее время может подавать газотурбинная система.
Еще один недостаток состоит в том, что система не может быть реализована на установке с комбинированным циклом без существенного негативного влияния на расход топлива. В большинстве изложенных реализаций для нагрева воздуха в ходе операции с простым циклом используется рекуператор, который смягчает проблему повышения расхода топлива, однако он значительно увеличивает стоимость и сложность. В предлагаемом изобретении, излагаемом ниже, рассматриваются связанные с характеристиками и стоимостью недостатки систем, описанных в патенте ‘158.
Один вариант осуществления изобретения относится к способу действия газотурбинной энергетической системы, включающему в себя:
(a) действие газотурбинной системы, содержащей компрессор, корпус камеры сгорания, камеру сгорания и турбину, соединенные по текучей среде друг с другом;
(b) повышение давления воздуха из окружающей среды с помощью вспомогательного компрессора, приводимого в действие питаемым топливом двигателем, функционирование которого не зависит от электросети; и
(с) нагнетание сжатого воздуха в корпус камеры сгорания.
В соответствии с одним предпочтительным вариантом осуществления, теплый выхлоп от отдельно питаемого топливом двигателя используется для предварительного нагрева топлива, подаваемого в камеру сгорания. Предпочтительно, питаемый топливом двигатель содержит систему охлаждения водяной рубашкой, при этом тепло, отводимое от системы охлаждения водяной рубашкой, используется для предварительного нагрева топлива, подаваемого в камеру сгорания.
В соответствии с еще одним предпочтительным вариантом осуществления, выхлоп питаемого топливом двигателя полностью или частично отводится для обеспечения подвода тепла к котлу-утилизатору отходящих газов при неработающей газовой турбине.
В соответствии с еще одним предпочтительным вариантом осуществления, сжатый воздух, создаваемый с помощью приводимого в действие питаемым топливом двигателем процесса сжатия, отводится для обеспечения подвода тепла к котлу-утилизатору отходящих газов и/или турбине при неработающей газовой турбине.
Еще один вариант осуществления изобретения относится к способу действия газотурбинной энергетической системы, включающему в себя:
(a) действие газотурбинной системы, содержащей компрессор, корпус камеры сгорания, камеру сгорания и турбину, соединенные по текучей среде друг с другом;
(b) повышение давления воздуха из окружающей среды и части выхлопных газов от питаемого топливом двигателя с помощью вспомогательного компрессора, приводимого в действие питаемым топливом двигателем; и
(с) нагнетание смеси сжатого воздуха и выхлопных газов в корпус камеры сгорания,
причем функционирование питаемого топливом двигателя не зависит от электросети.
В соответствии с одним предпочтительным вариантом осуществления, теплый выхлоп от отдельно питаемого топливом двигателя используется для предварительного нагрева топлива, подаваемого в камеру сгорания. Предпочтительно, питаемый топливом двигатель содержит систему охлаждения водяной рубашкой, при этом тепло, отводимое от системы охлаждения водяной рубашкой, используется для предварительного нагрева топлива, подаваемого в камеру сгорания.
В соответствии с еще одним предпочтительным вариантом осуществления, выхлоп питаемого топливом двигателя полностью или частично отводится для обеспечения подвода тепла к котлу-утилизатору отходящих газов и/или турбине при неработающей газовой турбине.
В соответствии с еще одним предпочтительным вариантом осуществления, сжатый воздух, создаваемый с помощью приводимого в действие питаемым топливом двигателем процесса сжатия, отводится для обеспечения подвода тепла к котлу-утилизатору отходящих газов и/или турбине при неработающей газовой турбине.
Еще один вариант осуществления изобретения относится к способу действия газотурбинной энергетической системы, включающему в себя:
(a) действие газотурбинной системы, содержащей компрессор, корпус камеры сгорания, камеру сгорания и турбину, соединенные по текучей среде друг с другом;
(b) повышение давления воздуха из окружающей среды и всех выхлопных газов от питаемого топливом двигателя с помощью вспомогательного компрессора, приводимого в действие питаемым топливом двигателем; и
(с) нагнетание смеси сжатого воздуха и выхлопных газов в корпус камеры сгорания,
причем функционирование питаемого топливом двигателя не зависит от электросети.
В соответствии с одним предпочтительным вариантом осуществления, теплый выхлоп от отдельно питаемого топливом двигателя используется для предварительного нагрева топлива, подаваемого в камеру сгорания. Предпочтительно, питаемый топливом двигатель содержит систему охлаждения водяной рубашкой, при этом тепло, отводимое от системы охлаждения водяной рубашкой, используется для предварительного нагрева топлива, подаваемого в камеру сгорания.
В соответствии с еще одним предпочтительным вариантом осуществления, выхлоп питаемого топливом двигателя полностью или частично отводится для обеспечения подвода тепла к котлу-утилизатору отходящих газов и/или турбине при неработающей газовой турбине.
В соответствии с еще одним предпочтительным вариантом осуществления, сжатый воздух, создаваемый с помощью приводимого в действие питаемым топливом двигателем процесса сжатия, отводится для обеспечения подвода тепла к котлу-утилизатору отходящих газов и/или турбине при неработающей газовой турбине.
Еще один вариант осуществления изобретения относится к способу действия газотурбинной энергетической системы, включающему в себя:
(a) действие газотурбинной системы, содержащей компрессор, корпус камеры сгорания, камеру сгорания и турбину, соединенные по текучей среде друг с другом;
(b) повышение давления только выхлопных газов от питаемого топливом двигателя с помощью вспомогательного компрессора, приводимого в действие питаемым топливом двигателем; и
(с) нагнетание смеси сжатого воздуха и выхлопных газов в корпус камеры сгорания,
причем функционирование питаемого топливом двигателя не зависит от электросети.
В соответствии с одним предпочтительным вариантом осуществления, теплый выхлоп от отдельно питаемого топливом двигателя используется для предварительного нагрева топлива, подаваемого в камеру сгорания. Предпочтительно, питаемый топливом двигатель содержит систему охлаждения водяной рубашкой, при этом тепло, отводимое от системы охлаждения водяной рубашкой, используется для предварительного нагрева топлива, подаваемого в камеру сгорания.
В соответствии с еще одним предпочтительным вариантом осуществления, выхлоп питаемого топливом двигателя полностью или частично отводится для обеспечения подвода тепла к котлу-утилизатору отходящих газов и/или турбине при неработающей газовой турбине.
В соответствии с еще одним предпочтительным вариантом осуществления, сжатый воздух, создаваемый с помощью приводимого в действие питаемым топливом двигателем процесса сжатия, отводится для обеспечения подвода тепла к котлу-утилизатору отходящих газов и/или турбине при неработающей газовой турбине.
Еще один вариант осуществления изобретения относится к способу действия газотурбинной энергетической системы, включающему в себя:
(a) действие газотурбинной системы, содержащей компрессор, корпус камеры сгорания, камеру сгорания и турбину, соединенные по текучей среде друг с другом;
(b) охлаждение входящего воздуха газовой турбины с помощью вспомогательного процесса охлаждения, приводимого в действие питаемым топливом двигателем; и
(с) нагнетание выхлопа от отдельно питаемого топливом двигателя в выхлоп газовой турбины,
причем функционирование питаемого топливом двигателя не зависит от электросети.
Еще один вариант осуществления относится к способу действия газотурбинной энергетической системы, включающему в себя:
(a) действие газотурбинной системы, содержащей компрессор, корпус камеры сгорания, камеру сгорания и турбину, соединенные по текучей среде друг с другом;
(b) охлаждение входящего воздуха газовой турбины с помощью вспомогательного процесса охлаждения, приводимого в действие питаемым топливом двигателем; и
(с) нагнетание выхлопа от отдельно питаемого топливом двигателя в выхлоп газовой турбины,
причем функционирование питаемого топливом двигателя не зависит от электросети.
Еще один вариант осуществления относится к способу действия газотурбинной энергетической системы, включающему в себя:
(a) действие газотурбинной системы, содержащей компрессор, корпус камеры сгорания, камеру сгорания и турбину, соединенные по текучей среде друг с другом;
(b) повышение давления воздуха из окружающей среды с помощью вспомогательного компрессора, приводимого в действие питаемым топливом двигателем; и
(с) нагнетание сжатого воздуха в тракт охлаждающего воздуха ротора перед воздушным охладителем ротора,
причем функционирование питаемого топливом двигателя не зависит от электросети.
Предпочтительно, выхлоп из альтернативно питаемого топливом двигателя нагнетается в выхлоп турбины.
Еще один вариант осуществления относится к газотурбинной энергетической системе, включающей в себя:
(a) действие газотурбинной системы, содержащей компрессор, корпус камеры сгорания, камеру сгорания и турбину, соединенные по текучей среде друг с другом;
(b) повышение давления воздуха из окружающей среды с помощью вспомогательного компрессора, приводимого в действие питаемым топливом двигателем; и
(с) нагнетание сжатого воздуха в тракт охлаждающего воздуха ротора после воздушного охладителя ротора,
причем функционирование питаемого топливом двигателя не зависит от электросети.
Предпочтительно, выхлоп из альтернативно питаемого топливом двигателя нагнетается в выхлоп турбины.
Еще один вариант осуществления относится к способу действия газотурбинной энергетической системы, включающему в себя:
(a) действие газотурбинной системы, содержащей компрессор, корпус камеры сгорания, камеру сгорания и турбину, соединенные по текучей среде друг с другом;
(b) повышение давления воздуха из окружающей среды с помощью вспомогательного компрессора, приводимого в действие питаемым топливом двигателем; и
(с) нагнетание сжатого воздуха в тракт охлаждения промежуточного давления,
причем функционирование питаемого топливом двигателя не зависит от электросети.
Предпочтительно, выхлоп из альтернативно питаемого топливом двигателя нагнетается в выхлоп турбины.
Еще один вариант осуществления относится к способу действия газотурбинной энергетической системы, включающему в себя:
(a) действие газотурбинной системы, содержащей компрессор, корпус камеры сгорания, камеру сгорания и турбину, соединенные по текучей среде друг с другом;
(b) повышение давления воздуха из окружающей среды с помощью вспомогательного компрессора, приводимого в действие питаемым топливом двигателем; и
(с) нагнетание сжатого воздуха в тракт охлаждения сопла первой ступени,
причем функционирование питаемого топливом двигателя не зависит от электросети.
Предпочтительно, выхлоп из альтернативно питаемого топливом двигателя нагнетается в выхлоп турбины.
Еще один вариант осуществления относится к способу действия газотурбинной энергетической системы, включающему в себя:
(a) действие газотурбинной системы, содержащей компрессор, корпус камеры сгорания, камеру сгорания и турбину, соединенные по текучей среде друг с другом;
(b) повышение давления воздуха из окружающей среды с помощью вспомогательного компрессора, приводимого в действие питаемым топливом двигателем;
(с) нагнетание сжатого воздуха в тракт охлаждения газовой турбины; и
(d) нагнетание пара, создаваемого с использованием тепла от альтернативно питаемого топливом двигателя, в турбину,
причем функционирование питаемого топливом двигателя не зависит от электросети.
Еще один вариант осуществления относится к способу действия газотурбинной энергетической системы, включающему в себя:
(a) действие газотурбинной системы, содержащей компрессор, корпус камеры сгорания, камеру сгорания и турбину, соединенные по текучей среде друг с другом;
(b) повышение давления воздуха из окружающей среды с помощью вспомогательного компрессора, приводимого в действие питаемым топливом двигателем;
(с) нагнетание сжатого воздуха в турбину при неработающей газотурбинной системе,
причем функционирование питаемого топливом двигателя не зависит от электросети.
Еще один вариант осуществления относится к способу действия газотурбинной энергетической системы, включающему в себя:
(a) действие газотурбинной системы, содержащей компрессор, корпус камеры сгорания, камеру сгорания и турбину, соединенные по текучей среде друг с другом; и
(b) нагнетание пара, создаваемого с использованием тепла от альтернативно питаемого топливом двигателя, в котел-утилизатор отходящих газов при неработающей газотурбинной системе.
Еще один вариант осуществления относится к способу действия газотурбинной энергетической системы, включающему в себя:
(a) действие газотурбинной системы, содержащей компрессор, корпус камеры сгорания, камеру сгорания и турбину, соединенные по текучей среде друг с другом; и
(b) нагнетание выхлопа от отдельно питаемого топливом двигателя в котел-утилизатор отходящих газов при неработающей газотурбинной системе.
Еще один вариант осуществления изобретения относится к устройству, выполненному с возможностью осуществления способов в соответствии с изобретением, включающих в себя газотурбинную систему, содержащую компрессор, корпус камеры сгорания, камеру сгорания и турбину, соединенные по текучей среде друг с другом, а также один или более дополнительных компонентов (например, питаемый топливом двигатель), выполненные с возможностью осуществления способов в соответствии с изобретением.
Компоненты одного варианта осуществления настоящего изобретения изображены на фиг.1, поскольку они используются с существующей газотурбинной системой (1). Газотурбинная система (1) содержит компрессор (10), камеру (12) сгорания, корпус (14) камеры сгорания, турбину (16) и генератор (18). Питаемый топливом двигатель (151), представляющий собой либо поршневой двигатель внутреннего сгорания, либо газовую турбину, либо подобную машину, преобразующую топливо в энергию с помощью экзотермической реакции, такой как горение, используется для приведения в действие многоступенчатого вспомогательного компрессора (116) с промежуточным охлаждением, который сжимает воздух из окружающей среды (115) и/или охлажденный выхлоп (154) и нагнетает сжатый воздух/выхлоп (117). Специалисты без труда поймут, что по мере того, как воздух/выхлоп во вспомогательном компрессоре проходит от одной ступени компрессора к другой, воздух охлаждается с помощью теплообменника, такого как градирня, для уменьшения работы, требуемой для сжатия воздуха на следующей ступени компрессора. Такой подход повышает к.п.д. вспомогательного компрессора (116), что делает его более эффективным, чем компрессор (10) газотурбинной системы (1).
Данный вариант осуществления дополнительно содержит рекуператор (144), который является теплообменником и принимает выхлопной газ (152) от питаемого топливом двигателя (151) и сжатый воздух/выхлоп (117) от вспомогательного компрессора (116). В рекуператоре (144) горячий выхлопной газ (152) нагревает сжатый воздух/выхлоп (117), а затем выходит из рекуператора (144) в виде значительно более холодного выхлопного газа (153). В то же время в рекуператоре (144) сжатый воздух/выхлоп (117) поглощает тепло от выхлопного газа (152), а затем выходит из рекуператора (144) в виде значительно более горячего сжатого воздуха/выхлопа (118), чем когда он поступал в рекуператор (144). Значительно более горячий сжатый воздух/выхлоп (118) затем нагнетается в корпус (14) камеры сгорания газотурбинной системы (1), в котором он становится добавкой к массовому расходу через камеру (12) сгорания и турбину (16).
Теплый выхлопной газ (153) из рекуператора (144) поступает в вентиль (161), который направляет теплый выхлопной газ (153) полностью или частично в градирню (130) для последующего охлаждения. Холодный выхлопной газ (154) поступает на впуск вспомогательного компрессора (116). На впуск вспомогательного компрессора (116) может также добавляться дополнительный воздух из окружающей среды (115). Любой теплый выхлопной газ (153), который не отводится в градирню (130) вентилем (161), может сбрасываться в атмосферу, в систему подогрева топлива или в выхлоп (22) ГТ.
Система частичной рециркуляции выхлопа настоящего изобретения уменьшает выбросы от отдельно питаемого топливом двигателя, в то время как система 100% рециркуляции выхлопа исключает отдельно питаемый топливом двигатель как источник выбросов. Это может оказаться очень полезным из соображений получения разрешений, а также снижения стоимости, поскольку может использоваться существующая система очистки выхлопа газовой турбины, благодаря чему исключаются потенциальные расходы на проект.
2
2
2
2
Выяснено, что бензин, дизельное топливо, природный газ или биотопливо и соответствующие поршневые двигатели относительно нечувствительны к обратному давлению, поэтому установка рекуператора (144) на питаемый топливом двигатель (151) не оказывает существенного измеримого воздействия на характеристики питаемого топливом двигателя (151). На фиг.11 изображен цикл газовой турбины на диаграмме TS или HS (зависимости энтропия-температура диаграммы энтальпия-энтропия). Поскольку температура и энтальпия пропорциональны друг другу (Ср), вертикальное расстояние между окружающим давлением (Р10) 14,7 psi (~10335 кг/м) и выходным давлением компрессора (“КДК”) соответствует работе компрессора, требуемой для нагнетания воздуха до КДК. Точечной линией (Р11) показано выходное давление компрессора без нагнетания, составляющее 218,1 psi (~153339 кг/м), а пунктирной линией (Р12) показано выходное давление компрессора с нагнетанием, составляющее 230,5 psi (~162058 кг/м). Температура на выходе из компрессора повышается с 770 F (410°C) (Р13) без нагнетания сжатого воздуха до 794 F (~423°C) (Р14) с нагнетанием сжатого воздуха ввиду увеличенной степени повышения давления. Эти дополнительные 24 F (~13°C) приводят к тому, что для нагрева воздуха до температуры горения 2454 F (~1346°C) требуется топлива на 1% меньше, и, кроме того, приводят к увеличению работы компрессора на +1,3% (по сравнению с работой (Р15) компрессора без нагнетания сжатого воздуха), или на 3,5 МВт. Температура возрастает (и соответствующая энтальпия возрастает) с приблизительно 750 F (~399°C) до температуры на входе в турбину (“ТВТ”) величиной приблизительно 2454 F (~1346°C) - «температуры горения» (Р16), соответствующей количеству подводимого топлива в британских тепловых единицах (“БТЕ”). Вертикальное расстояние от КДК (Р11, Р12) до 14,7 psi (~10335 кг/м) (Р10) справа соответствует работе (Р17) турбины, которая приблизительно вдвое превышает работу компрессора (Р15). С нагнетанием ввиду более высокого коэффициента давления детандера температура выхлопа падает с 987 F (~531°С) (Р18) до 967 F (~519°С) (Р19) - уменьшение на 20 F (~12°С), или на +0,81% мощности на фунт воздуха, или +4,7 МВт в базисном стоке.
2
2
2
2
2
На фиг.12 изображено сравнение работы на фунт массы, требуемой для нагнетания воздуха от атмосферных условий (14,7 psi (~10335 кг/м)) до давления, несколько превышающего КДК (230 psi (~161706 кг/м)), поэтому оно может сбрасываться в напорную камеру КДК. Как видно из чертежа, штриховая кривая соответствует 3-ступенчатому компрессору с промежуточным охлаждением со степенью повышения давления приблизительно 2,45 на ступень (36 psi (~25311 кг/м) после первой ступени и 92 psi (~64682 кг/м) после второй ступени, 230 psi (~161706 кг/м) после третьей ступени). Работа для сжатия 1 фунта массы (~454 г) воздуха с помощью процесса (Р20) с промежуточным охлаждением значительно меньше, чем у компрессора без промежуточного охлаждения даже с учетом одинакового к.п.д. ступенчатого сжатия. В реальных условиях ввиду потерь давления промежуточного охладителя на каждой ступени и того, что для эффективного нагнетания воздуха в ГТ воздух должен нагнетаться до более высокого давления, чем КДК, требуется больше работы, чем это предполагается на фиг.12. Однако в расчете на фунт, даже с учетом этих соображений, компрессор с промежуточным охлаждением использует меньше мощности, чем работа (Р21), требуемая ГТ для сжатия воздуха для цикла турбины.
На фиг.2 изображен приведенный на фиг.1 вариант осуществления, в котором подогрев топлива осуществляется с помощью теплого выхлопа (153) для подогрева топлива в подогревателе (201) топлива. Это дополнительно повышает к.п.д. установки, поскольку подогрев топлива уменьшает количество подводимого топлива в БТЕ, требуемое для поднятия температуры нагнетаемого воздуха компрессора (10) до температуры на входе в турбину, что приводит к уменьшению количества топлива (24), требуемого ГТ.
На фиг.3 используется альтернативная технология - система (401) охлаждения впуска для форсирования мощности. Охлаждение впуска действует за счет подачи холодного хладагента, который используется для охлаждения жидкости, циркулирующей в радиаторе (405). Охлажденная жидкость (403) поступает в радиатор (405) и охлаждает входящий воздух (20) газовой турбины, проходящий через радиатор (405) таким образом, что холодный воздух (402) нагнетается во впуск ГТ, благодаря чему цикл ГТ становится более эффективным и дает больше мощности. При этом охлаждающая жидкость сбрасывается (404) из радиатора (405) более теплой, чем когда она поступала, и система (401) охлаждения снова охлаждает эту жидкость. Традиционно такие системы приводятся в действие с помощью электродвигателей, что создает большую паразитную нагрузку на установку, в то время как установка пытается получить дополнительную мощность, что переходит в значительные издержки на тепловую мощность. При использовании отдельно питаемого топливом двигателя для приведения в действие охладителя паразитная нагрузка устраняется. Принимая во внимание появление, существующую популярность и усовершенствования эффективных поршневых двигателей, работающих на природном газе, выхлоп от поршневого двигателя может быть добавлен к выхлопам газовой турбины для получения дополнительного пара в КУОГ для паровой турбины. При необходимости частично или полностью этот дополнительный пар может также извлекаться и использоваться в виде нагнетания пара для форсирования мощности. Оба указанных признака представляют собой значительные улучшения к.п.д. установки с комбинированным циклом. В установках с простым циклом вспомогательный котел (не показан) может использовать горячий выхлоп (352) для создания пара, который может использоваться для нагнетания пара в ГТ, приводя к форсированию мощности.
На фиг.4 изображен альтернативный вариант осуществления фиг.1, в котором в выхлоп (152) от отдельно питаемого топливом двигателя (151) помещен вентиль (501), отводящий выхлоп (502) от двигателя (151) в КУОГ (503) установки с комбинированным циклом, где он используется для предварительного подогрева или поддержания системы теплом, обеспечивая меньшее время запуска. При работе этой системы гидравлическая или механическая муфта (504) используется для выведения вала питаемого топливом двигателя (151) из зацепления с компрессором (116) таким образом, чтобы он не действовал.
Фиг.5 очень похожа на фиг.4, однако муфта для вспомогательного компрессора (116) исключена, а компрессор (116) подает смесь (602) сжатого воздуха/выхлопа в КУОГ (503) и/или смесь (118) сжатого воздуха/выхлопа в газовую турбину через рекуператор (114). Это может оказаться преимущественным по сравнению с выхлопом низкого давления, как показано на фиг.4, поскольку смесь сжатого воздуха/выхлопа может легче направляться в области, чем смесь воздуха относительно низкого давления/выхлопа. Кроме того, отдельно питаемый топливом двигатель (151) будет создавать более высокие температуры выхлопа, что может оказаться целесообразным в целях подогрева. Данная конструкция может быть изменена таким образом, что выхлоп очень высокой температуры (не показан) может использоваться для предварительного подогрева областей КУОГ (503) и ГТ, которые могут использовать воздух более высокой температуры, а сжатый воздух/выхлоп более низкой температуры может использоваться в областях КУОГ (503) и турбины, которые могут использовать воздух более низкой температуры.
2
Фиг.6 представляет собой упрощенный подход к нагнетанию сжатого воздуха в газотурбинную систему (1), поскольку не требуется, чтобы сжатый воздух (117) нагревался, поскольку этот воздух используется для замещения охлажденного охлаждающего воздуха (602), который обычно подается газовой турбиной (601) и охлаждается воздухом или паром в системе (155) воздушного охлаждения ротора. При нормальной работе двигателя 501F, 501D5 и 501B6 Сименса-Вестингауза, например, приблизительно 6,5% воздуха, сжимаемого компрессором (10), отбирается (601) из камеры (14) нагнетания компрессора по единственной большой трубе диаметром приблизительно 20 дюймов (50,8 см). Отбираемый воздух (601) имеет приблизительно 200-250 psi (~140614-175767 кг/м) и 650-750 F (~343-399°С). Этот горячий воздух поступает в систему (155) воздушного охлаждения ротора, в которой воздух или пар используется для охлаждения отбираемого воздуха (601). Тепло сбрасывается в атмосферу (603) и рассеивается, а воздух используется для охлаждения отбираемого воздуха (601). Однако если в качестве хладагента для охлаждения отбираемого воздуха (601) используется пар, тепло передается от отбираемого воздуха (601) к пару, тем самым увеличивая энтальпию пара, а пар после этого может использоваться в паровом цикле. В обоих случаях имеется повышение к.п.д. газового цикла ГТ (1), если тепло совершенно не сбрасывается. Благодаря нагнетанию холодного сжатого воздуха (117) на входе (601) или на выходе (602) воздушного охладителя (155) ротора отвод тепла (603) минимизируется или исключается, посредством чего повышается к.п.д. цикла ГТ (1), при этом эффективно увеличивается массовый расход воздуха через секцию камеры (12) сгорания и секцию (16) турбины. В большинстве газовых турбин имеются специальные отборы (701) воздуха от компрессора промежуточного давления, которые используются для охлаждения последующих ступеней турбины, в которых требуются пониженные давления, как показано на фиг.7. Кроме того, все газовые турбины подают в тракт охлаждения первой лопатки самое высокое имеющееся давление, которое находится в оболочке (14) нагнетания компрессора (или корпусе камеры сгорания), как показано на фиг.8. В зависимости от места нагнетания - охлаждающий воздух ротора, как показано на фиг.6, охлаждение промежуточного давления, как показано на фиг.7, или охлаждение первой лопатки, как показано на фиг.8 - требуются различные давления. Эти давления могут подаваться с выхода вспомогательного компрессора (116) с промежуточным охлаждением или от предыдущих ступеней вспомогательного компрессора (116) с промежуточным охлаждением для сфер применения с более низким давлением. Во всех случаях ввиду того, что такой тип нагнетания для подогрева воздуха использует незначительную (не показана) рекуперацию или не использует ее, выхлоп (152) от отдельно питаемого топливом двигателя может быть добавлен к выхлопу (22) газовой турбины, как показано на чертеже, для увеличения энергии выхлопа установки с комбинированным циклом. Если система форсирования наддува настоящего изобретения расположена в установке с простым циклом, горячий выхлоп (152) может использоваться в котле (901) пакетного типа для создания пара для нагнетания в газовую турбину (903), как показано на фиг.9. Поскольку предусматриваются модульные пакеты TurboPHASE (как называется настоящее изобретение), может оказаться целесообразным устанавливать котел (901) пакетного типа, по меньшей мере, на один из блоков таким образом, чтобы в непиковые периоды модульный пакет TurboPHASE мог запускаться для поддержания газовой турбины теплой с помощью циркуляции сжатого горячего воздуха (117) и поддержания паровой турбины/КУОГ (503) теплой с помощью циркуляции пара для снижения требований к времени запуска.
Имеются дополнительные повышения к.п.д., которые могут быть достигнуты путем введения низкокачественного тепла. Например, на фиг.10 ввод (24) топлива газовой турбины может предварительно подогреваться (1023) с использованием тепла от системы (1011 и 1012) охлаждения водяной рубашкой питаемого топливом двигателя. При этом требования к охлаждению установки будут снижены, и топливо газовой турбины будет предварительно подогреваться (1023) перед вводом в подогреватель (201) топлива, благодаря чему требуется меньше подводимого тепла, чтобы достичь необходимой температуры топлива или чтобы иметь возможность достичь более высокой температуры топлива. На фиг.10 также изображен альтернативный вариант осуществления, в котором выхлоп (153) от рекуператора (144) используется для добавления конечного тепла в топливо (1024) газовой турбины перед нагнетанием в ГТ. В этом случае выхлопной газ (153) альтернативно питаемого топливом двигателя (151) после протекания через подогреватель (201) топлива и сброса (1002) является относительно холодным.
Несмотря на то, что конкретные системы, компоненты, способы и устройства, подробно описываемые в настоящем документе, вполне позволяют достичь вышеописанных целей и преимуществ изобретения, следует понимать, что в настоящее время они являются предпочтительными вариантами осуществления изобретения и при этом представляют объект изобретения, который в общих чертах рассмотрен в настоящем изобретении, что объем настоящего изобретения полностью охватывает другие варианты осуществления, которые могут быть очевидны специалистам, и что объем настоящего изобретения в связи с этим не должен ограничиваться ничем, кроме прилагаемой формулы изобретения, в которой ссылка на элемент в единственном числе означает «один или более», а не «один и только один», если в формуле изобретения не изложено иначе.
Ясно, что различные варианты осуществления изобретения охватываются вышеописанными принципами и находятся под действием прилагаемой формулы изобретения в пределах сущности и предполагаемого объема изобретения.