Способ пуска и газоснабжения энергетической газотурбинной установки и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к энергетике. Способ пуска включает раскрутку внешним пусковым двигателем связанных роторов турбокомпрессора с турбиной и дожимного компрессора, отсоединение внешнего пускового двигателя расцепной муфтой от ротора после достижения пусковых оборотов и вывод ротора турбокомпрессора, а также ротора свободной силовой турбины на рабочие обороты. После достижения расчетных оборотов ротором турбокомпрессора автоматически разъединяют жестко связанные роторы дожимного компрессора и приводной газовой турбины дополнительной расцепной муфтой от ротора турбокомпрессора. Вывод роторов турбокомпрессора и силовой турбины осуществляют одновременно с раскруткой роторов дожимного компрессора и приводной турбины до высоких рабочих оборотов (15000-20000 об/мин). Установка содержит внешний пусковой двигатель, дожимной компрессор, турбокомпрессор с турбиной, расцепную муфту, расположенную между дожимным компрессором и внешним пусковым двигателем, силовую турбину, а также приводную газовую турбину, расположенную между дожимным компрессором и турбокомпрессором, и дополнительную расцепную муфту. Изобретение позволяет повысить экономичность и надежность установки, а также снизить ее габариты и стоимость. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области энергетики, а точнее к способам пуска и топливоснабжения энергетических газотурбинных установок со свободной силовой турбиной, работающих на природном или попутном газе.

В связи с тем что давление в городских газопроводах среднего давления (0,2-0,6 МПа) значительно ниже требуемого для топливного газа современных газотурбинных установок (2,5 - 4 МПа), необходимо применение дожимных газовых компрессоров.

Известны способы пуска ГТУ со свободной силовой турбиной путем раскрутки ротора турбокомпрессора ГТУ с помощью внешних пусковых двигателей (электродвигателей, паровых турбин, пневмостартеров, газотурбинных установок). (Стационарные газотурбинные установки: Справочник./ Под. ред. Л.В. Арсеньева и В.Г. Тырышкина. - Л.: Машиностроение, 1989, с. 376-377).

Известны энергетические ГТУ, имеющие дожимной компрессор топливного газа, приводимый электродвигателем (1. "Реконструкция Самарской ГРЭС с установкой ПГУ-80", Сельэнергопроект, Москва, 1992; 2. "Газотурбинная энергетическая установка на базе авиационного двигателя НК-37" для Безымянской ТЭЦ АО "Самараэнерго", 1998).

Недостатками известных ГТУ с дожимными газовыми компрессорами, приводимыми электродвигателем, являются повышенные габариты дожимного компрессора, связанные с относительно низкой частотой его вращения, пониженная экономичность ГТУ, определяемая дополнительными потерями энергии в электрогенераторе, трансформаторе и электродвигателе, трудность размещения дожимного компрессора в непосредственной близости от турбокомпрессора и повышенная пожароопасность, вызванная значительной протяженностью газопровода высокого давления от дожимного компрессора до камеры сгорания ГТУ.

Известна энергетическая ГТУ, у которой дожимной компрессор приводится паровой турбиной, питаемой паром, вырабатываемом в котле-утилизаторе, использующем тепло выхлопных газов после свободной силовой турбины ("Повышение эффективности и надежности теплоэнергетического оборудования, систем и комплексов". Межвузовский научный сборник, Саратов, 1996, с. 157). При приводе дожимных компрессоров от паровых турбин необходим источник пара повышенного давления, от газовых турбин малой мощности - их пониженные экономичность и надежность.

Известны способы газоснабжения ГТУ с приводом дожимных газовых компрессоров как от вала ГТУ, так и от приводных внешних двигателей. (Патент РФ 211370 6 F 02 С 7/26) - принят за прототип. Энергетическая газотурбинная установка, согласно прототипу, содержит внешний пусковой двигатель, дожимной компрессор, турбокомпрессор с турбиной, расцепную муфту, силовую турбину, жестко связанную с потребителем, а по газу - с турбокомпрессором. Способ пуска и газоснабжения энергетической газотурбинной установки - прототипа - включает раскрутку внешним пусковым двигателем связанных роторов турбокомпрессора с турбиной и дожимного компрессора, подачу при определенных оборотах топливного газа от дожимного компрессора в камеру сгорания ГТУ и его воспламенение, отсоединение внешнего пускового двигателя расцепной муфтой от ротора турбокомпрессора после достижения пусковых оборотов, вывод ротора турбокомпрессора, а также ротора связанной с ним по газу свободной силовой турбины, жестко связанной с потребителем, на рабочие обороты.

Недостатком способа-прототипа с приводом дожимного компрессора непосредственно от ротора ГТУ являются относительно низкие обороты ротора турбокомпрессоров энергетических ГТУ, что определяет низкую напорность ступеней дожимного компрессора и необходимость увеличения числа его ступеней для достижения требуемого давления топливного газа. В результате значительно возрастают габариты и стоимость дожимного компрессора.

Цели настоящего изобретения: повышение экономичности и надежности энергетической ГТУ; снижение ее габаритов и стоимости.

Эти цели достигаются тем, что в известном из прототипа способе пуска и газоснабжения ГТУ между дожимным компрессором и турбокомпрессором дополнительно включена приводная газовая турбина, ротор которой жестко связан с ротором дожимного компрессора и с дополнительной расцепной муфтой, связанной с ротором турбокомпрессора, а расцепная муфта включена между дожимным компрессором и внешним пусковым двигателем, причем вход в приводную газовую турбину соединен с полостью, расположенной между турбиной турбокомпрессора и свободной силовой турбиной, а выход из приводной газовой турбины соединен с выхлопом свободной силовой турбины. После достижения расчетных оборотов ротором турбокомпрессора автоматически разъединяют жестко связанные роторы дожимного компрессора и приводной газовой турбины дополнительной расцепной муфтой от ротора турбокомпрессора, а вывод роторов турбокомпрессора и силовой турбины осуществляют одновременно с раскруткой роторов дожимного компрессора и приводной турбины до высоких рабочих оборотов (15000-20000 об/мин), обеспечивающих давление топливного газа за дожимным компрессором, соответствующее требуемому уровню мощности ГТУ, увеличивая расход и давление топливного газа в камеру сгорания ГТУ.

Применение дополнительной газовой турбины, рабочим телом которой являются газы, отбираемые из линии газовой связи между турбиной турбокомпрессора и силовой турбиной, а также дополнительной автоматической расцепной муфты, определяет преимущества предлагаемого способа пуска и газоснабжения по сравнению с известными, в том числе перед прототипом. Газоснабжение ГТУ осуществляется с меньшими затратами топлива вследствие высокого КПД дополнительного цикла приводной газотурбинной установки. Высокие обороты дожимного компрессора упрощают его конструкцию, снижают габариты и стоимость, позволяют его размещать в мотоотсеке ГТУ. В результате для предлагаемого способа характерны большие надежность, экономичность и безопасность пуска и газоснабжения ГТУ.

На чертеже показана схема, реализующая предлагаемый способ пуска и газоснабжения ГТУ. Основными элементами схемы являются: 1 - внешний пусковой двигатель; 2 - расцепная муфта; 3 - дожимной газовый компрессор; 4 - регулирующий клапан топливного газа; 5 - приводная газовая турбина; 6 - автоматическая расцепная муфта; 7 - турбокомпрессор ГТУ; 8 - камера сгорания; 9 - силовая газовая турбина; 10 - электрогенератор.

Предлагаемый способ пуска и газоснабжения ГТУ осуществляется следующим образом. Внешним пусковым двигателем 1 раскручивают через расцепную муфту 2 жестко связанные валы дожимного газового компрессора 3, приводной газовой турбины 5 и связанный с ними через автоматическую расцепную муфту 6 ротор турбокомпрессора 7 ГТУ. Регулирующий клапан топливного газа 4 при этом закрыт. После достижения указанными роторами пусковых оборотов открывают регулирующий клапан топливного газа 4, подают топливный газ от дожимного газового компрессора 3 в камеру сгорания 8 и воспламеняют его запальником. Продукты сгорания проходят через турбину турбокомпрессора 7, раскручивая вышеупомянутые связанные роторы, основная часть газов расширяется в силовой турбине 9, раскручивая связанный с ней ротор электрогенератора 10. Часть газов отбирают из линии газовой связи между турбиной турбокомпрессора 7 и силовой турбиной 9 и направляют в приводную газовую турбину 5. Расширяясь в ней, газы обеспечивают дополнительное повышение оборотов связанных роторов. По достижении связанными роторами пусковых оборотов расцепной муфтой 2 автоматически отсоединяется ротор пускового двигателя 1 от связанных роторов дожимного газового компрессора 3, приводной газовой турбины 5, турбокомпрессора 7.

Увеличением степени открытия регулирующего клапана топливного газа 4 обеспечивают повышение оборотов роторов турбокомпрессора 7, дожимного компрессора 3 и приводной газовой турбины 5 до заданных оборотов, при которых автоматической расцепной муфтой 6 отсоединяют ротор турбокомпрессора от жестко связанных роторов дожимного компрессора и приводной газовой турбины. Далее повышают расход топливного газа в камеру сгорания и выводят ГТУ на рабочие обороты, синхронизируют генератор 10 и набирают нагрузку. По заданной программе, изменением степени открытия регулирующего клапана топливного газа 4, устанавливают для каждого уровня электрической нагрузки давление топливного газа, соответствующее требуемому уровню мощности газотурбинной установки.

При реализации предлагаемого способа может быть достигнуто уменьшение числа ступеней, габаритов и стоимости дожимного компрессора, требуемой мощности внешнего приводного двигателя, облегчится компоновка системы пуска и газоснабжения в мотоотсеке ГТУ. При использовании в составе энергетической ГТУ существующих конвертированных авиадвигателей их турбокомпрессор может применяться в серийном исполнении.

Формула изобретения

1. Способ пуска и газоснабжения энергетической газотурбинной установки (ГТУ), включающий раскрутку внешним пусковым двигателем связанных роторов турбокомпрессора с турбиной и дожимного компрессора, подачу при определенных оборотах топливного газа от дожимного компрессора в камеру сгорания ГТУ и его воспламенение, отсоединение внешнего пускового двигателя расцепной муфтой от ротора турбокомпрессора после достижения пусковых оборотов, вывод ротора турбокомпрессора, а также ротора связанной с ним по газу свободной силовой турбины, связанной жестко с потребителем, на рабочие обороты, отличающийся тем, что соединяют газопроводом полость, расположенную между турбиной турбокомпрессора и силовой турбиной, со входом в приводную газовую турбину, после достижения расчетных оборотов ротором турбокомпрессора автоматически разъединяют жестко связанные роторы дожимного компрессора и приводной газовой турбины дополнительной расцепной муфтой от ротора турбокомпрессора, а вывод роторов турбокомпрессора и силовой турбины осуществляют одновременно с раскруткой роторов дожимного компрессора и приводной газовой турбины до высоких рабочих оборотов (15000 - 20000 об/мин), обеспечивающих давление топливного газа за дожимным компрессором, соответствующее требуемому уровню мощности ГТУ, увеличивая расход и давление топливного газа в камеру сгорания ГТУ.

2. Энергетическая газотурбинная установка для осуществления способа по п. 1, содержащая внешний пусковой двигатель, дожимной компрессор, турбокомпрессор с турбиной, расцепную муфту, силовую турбину, жестко связанную с потребителем, а по газу - с турбокомпрессором, отличающаяся тем, что между дожимным компрессором и турбокомпрессором включена приводная газовая турбина, ротор которой жестко связан с ротором дожимного компрессора и дополнительной расцепной муфтой, связанной с ротором турбокомпрессора, а расцепная муфта включена между дожимным компрессором и внешним пусковым двигателем, причем вход в приводную газовую турбину соединен с полостью, расположенной между турбиной турбокомпрессора и свободной силовой турбиной, а выход из приводной газовой турбины соединен с выхлопом свободной силовой турбины.

РИСУНКИ

Рисунок 1