Способ запуска газовой турбины

Изобретение относится к способу запуска газовой турбины. Газовая турбина содержит, по меньшей мере, один компрессор, который сжимает воздух, вводимый в него через впускной канал, по меньшей мере, одну камеру сгорания и по меньшей мере одну турбину. В камере сгорания сжатый воздух смешивается и сжигается вместе с газообразным топливом из различных газообразных топлив, поступающим из подводящего канала. Турбина преобразует энергию сжигаемого газа, выходящего из камеры сгорания, в работу. Согласно способу устанавливают заданную минимальную величину потока топлива, поступающего в камеру сгорания. Осуществляют первую попытку воспламенения. Заданную минимальную величину устанавливают достаточной для воспламенения самой обогащенной воздушно-топливной смеси из тех, которые могут быть получены для различных газообразных топлив. Постепенно увеличивают величину потока топлива, поступающего в камеру сгорания. Осуществляют дальнейшие попытки воспламенения до полного воспламенения воздушно-топливной смеси и последующего запуска турбины или до тех пор, пока будет достигнута заданная максимальная величина упомянутого потока топлива. Изобретение позволяет обеспечить безопасный и эффективный запуск газовой турбины. 10 ил., 7 з.п. ф-лы.

 

Настоящее изобретение относится к способу запуска газовой турбины.

В многочисленных промышленных применениях, например в производстве электроэнергии, использование известных газовых турбин, обычно состоящих из многоступенчатого компрессора, в котором сжимается всасываемый снаружи воздух, камеры сгорания, в которой происходит сгорание газообразного топлива, добавленного в сжатый воздух, и турбины или расширителя, в котором расширяются газы, выходящие из камеры сгорания. Следовательно, турбина способна генерировать механическую энергию, которая может использоваться для приведения в действие рабочих машин или для зарядки электрических генераторов.

Как известно, этап запуска или приведения в действие газовой турбины является относительно сложной операцией. Прежде чем газовая турбина сможет функционировать на полном режиме, обычно необходимо заставить компрессор вращаться со скоростью, которая является достаточной для обеспечения определенного коэффициента сжатия. Данная операция обычно осуществляется посредством ускорительного двигателя или двигателя с наддувом.

При упомянутой скорости вращения компрессор должен обеспечивать достаточную скорость потока воздуха для зажигания пламени при минимальном режиме в камере сгорания, при этом данный режим работы известен на техническом жаргоне как «воспламенение». На практике режим воспламенения проверяется выбором скорости вращения компрессора таким образом, что в камере сгорания создаются такие параметры потока, которые обеспечивают воспламенение газообразного топлива и стабилизацию возникающего пламени. Скорость потока газообразного топлива выбирается следующим образом.

После того как машина достигла режима самоподдержания или, другими словами, режима, в котором турбина способна создавать достаточную мощность, чтобы загрузить компрессор, ускорительный двигатель может быть отключен, и скорость подачи топлива увеличена, пока машина не достигает своей режимной скорости.

Газовая турбина обычно способна работать с различными смесями газообразного топлива, имеющими различную теплоту сгорания. Поскольку диапазон изменения показателей Уобба, относящихся к различным используемым газообразным топливам, является обычно относительно широким, возможны различные условия «воспламенения» для одной и той же турбины в зависимости от применяемых различных топлив. Как известно, показатель Уобба измеряет отношение между низшей (или высшей) теплотой сгорания газа и квадратным корнем из относительной плотности газа, измеренной относительно воздуха:

I_W = PC/√T_G*G_S

где:

I_W - показатель Уобба некоторого газа;

PC - теплота сгорания (низшая или высшая) газа;

T_G - температура газа;

G_S - относительная плотность (или удельная масса) газа.

Необходимо отметить, что приведенная выше формула определяет так называемый «приведенный показатель Уобба», который отличается от действительного показателя Уобба, который не учитывает коррекцию по температуре смеси топливных газов.

Этап запуска турбины, осуществляемый при использовании газообразного топлива с характеристиками, которые точно не определены, и/или при наличии неопределенностей в оценке скорости подачи воздуха, который может подаваться компрессором, т.е. при отсутствии точной калибровки соотношения количества воздуха и количества топлива, может вызвать различные проблемы, в числе которых можно упомянуть следующие:

неудачное воспламенение турбины вследствие сложности управления условиями воспламеняемости воздушно-топливной смеси в камере сгорания;

повреждение механических частей турбины и/или проблемы безопасности операторов вследствие возможности, даже при достаточном удалении, взрывов внутри двигателя и/или выпускных каналов в результате образования тепла на этапе воспламенения.

До сих пор единственная возможность осуществления эффективного и безопасного запуска турбины была связана с необходимостью использования топлив с хорошо известными характеристиками или уменьшением, в очень ограниченных пределах, при изменении соотношения количества воздуха и количества топлива в смеси. Известный способ запуска газовой турбины описан, например, в патенте США № 6 062 016.

Поэтому основной целью настоящего изобретения является создание способа, который обеспечивает эффективный и безопасный запуск газовой турбины, который устраняет вышеупомянутые проблемы известного уровня техники.

В частности, целью настоящего изобретения является создание способа запуска газовой турбины, с помощью которого всегда можно осуществить эффективное воспламенение, также и в случае изменения соотношения количества воздуха и количества топлива в смеси.

Другой целью настоящего изобретения является создание способа запуска газовой турбины, допускающего поддержание среднего соотношения количества воздуха и количества топлива ниже пределов воспламеняемости, обеспечивающего отделение, со стороны защитных устройств, установленных на устройстве, возможных небольших количеств горючей смеси в участках гашения пламени, имеющихся в выпускных каналах самого устройства.

Эти цели в соответствии с настоящим изобретением достигаются посредством создания способа запуска газовой турбины, содержащей, по меньшей мере, один компрессор, который сжимает воздух, вводимый в него через впускной канал, по меньшей мере, одну камеру сгорания, в которой сжатый воздух смешивается и сжигается вместе с газообразным топливом из различных газообразных топлив, поступающим из подводящего канала, и, по меньшей мере, одну турбину, которая преобразует энергию сжигаемого газа, выходящего из камеры сгорания, в работу, причем согласно способу a) устанавливают заданную минимальную величину потока топлива, поступающего в камеру сгорания, и осуществляют первую попытку воспламенения, причем заданную минимальную величину устанавливают достаточной для воспламенения самой обогащенной воздушно-топливной смеси из тех, которые могут быть получены для различных газообразных топлив; и b) постепенно увеличивают величину потока топлива, поступающего в камеру сгорания, и осуществляют дальнейшие попытки воспламенения до полного воспламенения воздушно-топливной смеси и последующего запуска турбины или до тех пор, пока будет достигнута заданная максимальная величина упомянутого потока топлива.

Предпочтительно, перед первым этапом a) осуществляют цикл предварительной продувки выпускного канала турбины.

Предпочтительно, цикл предварительной продувки осуществляют при вращении турбины, в частности, со скоростью продувки или со скоростью воспламенения.

Предпочтительно, на этапе b) осуществляют цикл промежуточной продувки выпускного канала, прерывая подачу газообразного топлива в камеру сгорания перед одним, любым или каждым увеличением в величине потока топлива.

Предпочтительно, после этапа b) осуществляют цикл окончательной продувки турбины, в случае неудачной попытки воспламенения воздушно-топливной смеси, когда заданная максимальная величина потока топлива достигнута, который должен осуществляться после того как турбина приведена в заданный режим вращения и перед выключением турбины для повторного запуска с последовательностью этапов воспламенения.

Предпочтительно, способ дополнительно включает в себя циклы продувки при вращении турбины.

Предпочтительно, газообразное топливо выбирают из множества газообразных топлив, имеющих различные показатели Уобба.

Предпочтительно, заданная минимальная величина потока газообразного топлива, поступающего в камеру (14) сгорания, является достаточной для воспламенения самой обогащенной воздушно-топливной смеси среди смесей, которые могут быть получены с использованием множества газообразных топлив, имеющих разные показатели Уобба.

Другие признаки настоящего изобретения указаны в зависимых пунктах формулы изобретения, которые являются неотъемлемой частью настоящего описания.

Характеристики и преимущества способа запуска газовой турбины, осуществленного в соответствии с настоящим изобретением, будут более понятными из приведенного ниже иллюстративного и неограничивающего описания со ссылками на прилагаемые схематичные чертежи, на которых:

Фиг.1 - схематичная иллюстрация газовой турбины, в которой может быть применен способ запуска в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг.2 - график, иллюстрирующий изменение со временем предположительной низшей теплоты сгорания некоторого газообразного топлива, используемого в турбине, проиллюстрированной на фиг.1;

Фиг.3 - график, иллюстрирующий изменение со временем предположительного удельного веса некоторого газообразного топлива, используемого в турбине, проиллюстрированной на фиг.1;

Фиг.4 - график, который иллюстрирует коэффициент использования турбины, проиллюстрированной на фиг.1, на различных этапах применения способа запуска в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг.5 - график, который иллюстрирует расход тепла при условиях воспламенения на различных этапах применения способа запуска турбины в соответствии с настоящим изобретением; и

Фиг.6-10 - некоторые экспериментальные параметры, измеренные в зависимости от времени, которые иллюстрируют пригодность способа запуска турбины в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.1 схематично показана типичная газовая турбина, содержащая компрессор 10, способный сжимать воздух, поступающий через впускной канал 12. Затем сжатый воздух направляется в камеру 14 сгорания для смешивания с газообразным топливом, выбираемым из ряда газообразных топлив, имеющих разные показатели Уобба, поступающим из подводящего канала 16. Горение повышает температуру, скорость и объем потока газа, а следовательно, энергию, содержащуюся в нем. Упомянутый поток сжигаемого газа направляется, через канал 18, к турбине 20, которая преобразует энергию в работу, которая может быть использована для приведения в действие рабочих машин, таких, например, как генератор 22, соединяющийся с турбиной 20 посредством вала 24. Турбина 20 также обеспечивает необходимую энергию для приведения в действие компрессора 10 посредством относящегося к нему вала 26, при этом отработанные газы удаляются из турбины 20 через выпускной канал 28.

В соответствии с настоящим изобретением способ запуска газовой турбины включает в себя, прежде всего, цикл предварительной продувки выпускного канала 28, который должен осуществляться, когда турбина 20 вращается со скоростью продувки. Как известно, «продувкой» называется периодическая операция очистки подводящих каналов газообразного топлива, когда соответственный канал камеры сгорания не используется. В конце этапа продувки осуществляется этап воспламенения, и поток газообразного топлива на входе в камеру 14 сгорания устанавливается на первом заданном минимальном значении FSR₁, которое является достаточным для воспламенения самой обогащенной воздушно-топливной смеси из тех, которые могут быть получены с использованием различных газообразных топлив, в течение периода времени, который является достаточным для заполнения подводящего канала 16 и осуществления первой попытки воспламенения в соответствии с известными процедурами в типичной газовой турбине.

На данном этапе, если воспламенение смеси не произошло, то осуществляется цикл промежуточной продувки выпускного канала 28, при котором подача топлива в камеру 14 сгорания прерывается. Затем поток газообразного топлива, входящий в камеру 14 сгорания, устанавливается на втором заданном значении FSR₂, более высоком по сравнению с первым заданным минимальным значением FSR₁, и поддерживается в течение достаточного времени для осуществления другой короткой попытки воспламенения воздушно-топливной смеси. В случае неудачной попытки воспламенения осуществляется цикл дополнительной продувки выпускного канала 28.

Указанная выше последовательность повторяется с постепенным увеличением значения FSR_n потока газообразного топлива до тех пор, пока будет осуществлено воспламенение воздушно-топливной смеси или пока будет достигнуто заданное максимальное значение FSR_max упомянутого потока топлива. Если данная последняя гипотеза подтверждается, т.е. если одновременно можно привести в действие турбину 20, должен быть осуществлен цикл конечной продувки, после того как турбина 20 приведена в режим особенно уменьшенной заданной скорости вращения (называемый на техническом жаргоне «запуском от рукоятки»), перед выключением машины и возможным повторным запуском при использовании последовательности этапов воспламенения.

Более конкретно, на фиг.2-5 показана иллюстративная последовательность воспламенения турбины с использованием способа в соответствии с настоящим изобретением. На графике, проиллюстрированном на фиг.2, LHV обозначает низшую теплоту сгорания некоторого газообразного топлива, используемого в турбине. Низшая теплота сгорания LHV изменяется от максимальной величины LHV_max до минимальной величины LHV_min, причем LHV_max соответствует низшей теплоте сгорания самого обогащенного газообразного топлива из используемых топлив. С другой стороны, минимальное значение LHV_min вычисляется как максимальное значение между низшей теплотой сгорания, измеренной при помощи измерительных приборов турбины, например, калориметра, и минимальным значением низшей теплоты сгорания самого обедненного газообразного топлива, считающегося безопасным во время запуска турбины. При отсутствии устройства, пригодного для изменения или оценки теплоты сгорания газа, величина LHV_{калориметр} может считаться равной нулю. На практике:

LHV_min = Max(LHV_{калориметр}, LHV_{обедненный газ})

На графике, проиллюстрированном на фиг.3, SG обозначает удельный вес некоторого газообразного топлива, используемого в турбине. По аналогии с тем, как описано выше, величина удельного веса SG изменяется от максимального значения SG_max до минимального значения SG_min, причем SG_min соответствует удельному весу самого обогащенного газообразного топлива среди используемых топлив. С другой стороны, максимальное значение SG_max вычисляется как минимальное значение удельного веса газообразного топлива, считающегося безопасным во время запуска турбины, и равно:

SG_max = Min(SG_{калориметр}, SG_{обедненный газ})

Как и в случае низшей теплоты сгорания LHV, при отсутствии устройства, пригодного для измерения или оценки удельного веса SG, величина SG_{калориметр} может считаться равной нулю.

На фиг.5 показан контрольный расход тепла при условиях воспламенения, скоррелированных с коэффициентом использования MDCSW, проиллюстрированным на фиг.4. На данном чертеже, при MDCSW = 1 система воспламенения приводится в действие, а при MDCSW = 0 система воспламенения отключается.

С учетом этого обычные этапы запуска газовой турбины в соответствии с моментом времени t_i и со ссылкой на фиг.2-5 могут быть сведены к следующему:

Момент времени t₀:

этап предварительной продувки выпускного канала 28 завершен. Турбина приводится к скорости вращения при воспламенении. На данном этапе:

MDCSW = 0

LHV = LHV_max

SG = SG_min

Момент времени t₁:

турбина вращается со скоростью воспламенения, система воспламенения приводится в действие, и предохранительные вентиляционные отверстия открываются. На данном этапе:

MDCSW = 1

LHV = LHV_max

SG = SG_min

Момент времени t₂:

воспламенение не произошло. Осуществляется этап промежуточной продувки выпускного канала 28. Система воспламенения выключается, и предохранительные вентиляционные отверстия закрываются. На данном этапе:

MDCSW = 0

LHV = LHV уменьшается

SG = SG увеличивается

Момент времени t₃:

этап промежуточной продувки выпускного канала 28 заканчивается. Возобновляется подача газообразного топлива, система воспламенения приводится в действие, и предохранительные вентиляционные отверстия открываются. На данном этапе:

MDCSW = 1

LHV = LHV уменьшается

SG = SG увеличивается

Момент времени t₄:

попытка воспламенения оказалась неудачной. Осуществляется новый этап промежуточной продувки выпускного канала 28. Система воспламенения выключается, и предохранительные вентиляционные отверстия закрываются. На данном этапе:

MDCSW = 0

LHV = LHV уменьшается

SG = SG увеличивается

Если в любой данный момент времени t₈ запуск турбины не произошел, последовательность воспламенения завершается. Следовательно, осуществляется этап полной продувки машины перед полным прекращением работы.

С другой стороны, если предположить, что в некоторый момент времени t_i воздушно-топливная смесь воспламеняется, может начаться этап нагревания турбины. Текущие значения низшей теплоты сгорания LHV и значения удельного веса SG газа устанавливаются логикой управления машины как величины для последовательности запуска. Последовательность воспламенения завершается, и машина готова для нагревания и последующего ускорения до тех пор, пока будет достигнута скорость функционирования на полном режиме.

Фиг.6-10 иллюстрируют различные экспериментальные параметры, измеренные в зависимости от времени, полученные во время «контрольных» испытаний запуска газовой турбины в работе. При использовании особенно обогащенного газообразного топлива наблюдалось, что воспламенение осуществлялось на начальных этапах последовательности воспламенения, тогда как при обедненном топливе воспламенение происходило только на конечных этапах, но всегда в полном соответствии с требуемыми условиями безопасности.

Таким образом, можно понять, что способ запуска газовой турбины в соответствии с настоящим изобретением достигает указанных выше целей, обеспечивая следующие преимущества:

возможность приведения в действие турбины при различных составах газообразных топлив;

эффективную и безопасную последовательность запуска;

меньшее количество необходимых элементов, относительно применений известного типа, которые должны иметь составы газообразных топлив для эффективного запуска турбины.

Описанный таким образом способ запуска газовой турбины настоящего изобретения допускает в любом случае множество модификаций и изменений, причем все они входят в одну концепцию настоящего изобретения. Следовательно, объем охраны определяется прилагаемой формулой изобретения.

1. Способ запуска газовой турбины, содержащей, по меньшей мере, один компрессор (10), который сжимает воздух, вводимый в него через впускной канал (12), по меньшей мере, одну камеру (14) сгорания, в которой сжатый воздух смешивается и сжигается вместе с газообразным топливом из различных газообразных топлив, поступающим из подводящего канала (16), и, по меньшей мере, одну турбину (20), которая преобразует энергию сжигаемого газа, выходящего из камеры (14) сгорания, в работу, причем согласно способу:
a) устанавливают заданную минимальную величину (FSR₁) потока топлива, поступающего в камеру (14) сгорания, и осуществляют первую попытку воспламенения, причем заданную минимальную величину устанавливают достаточной для воспламенения самой обогащенной воздушно-топливной смеси из тех, которые могут быть получены для различных газообразных топлив; и
b) постепенно увеличивают величину (FSR_n) потока топлива, поступающего в камеру (14) сгорания, и осуществляют дальнейшие попытки воспламенения до полного воспламенения воздушно-топливной смеси и последующего запуска турбины (20) или до тех пор, пока будет достигнута заданная максимальная величина (FSR_max) упомянутого потока топлива.

2. Способ по п.1, при котором перед первым этапом а) осуществляют цикл предварительной продувки выпускного канала (28) турбины (20).

3. Способ по п.2, при котором цикл предварительной продувки осуществляют при вращении турбины (20), в частности, со скоростью продувки или со скоростью воспламенения.

4. Способ по п.1, при котором на этапе b) осуществляют цикл промежуточной продувки выпускного капала (28), прерывая подачу газообразного топлива в камеру (14) сгорания перед одним, любым или каждым увеличением в величине (FSR_n) потока топлива.

5. Способ по п.1, при котором после этапа b) осуществляют цикл окончательной продувки турбины (20), в случае неудачной попытки воспламенения воздушно-топливной смеси, когда заданная максимальная величина (FSR_max) потока топлива достигнута, который должен осуществляться после того, как турбина (20) приведена в заданный режим вращения и перед выключением турбины (20) для повторного запуска с последовательностью этапов воспламенения.

6. Способ по п.1, дополнительно включающий в себя циклы продувки при вращении турбины (20).

7. Способ по п.1, при котором газообразное топливо выбирают из множества газообразных топлив, имеющих различные показатели Уобба.

8. Способ по п.7, при котором заданная минимальная величина (FSR₁) потока газообразного топлива, поступающего в камеру (14) сгорания, является достаточной для воспламенения самой обогащенной воздушно-топливной смеси среди смесей, которые могут быть получены с использованием множества газообразных топлив, имеющих разные показатели Уобба.