Газотурбинный двигатель, работающий на обедненной топливной смеси
Газотурбинный двигатель, работающий на обедненной топливной смеси, содержит компрессор, каталитическую камеру сгорания, турбину, регенеративный теплообменник, горелку и клапан. Компрессор предназначен для сжатия рабочего газа для создания сжатого газа, при этом рабочий газ имеет концентрацию горючего компонента, которая меньше его предела воспламеняемости. Каталитическая камера сгорания предназначена для сжигания сжатого газа посредством каталитической реакции с помощью катализатора, размещенного в ней, для образования газообразных продуктов сгорания. Турбина выполнена с возможностью приведения ее в действие посредством газообразных продуктов сгорания, подаваемых из каталитической камеры сгорания. Регенеративный теплообменник предназначен для нагрева сжатого газа, подаваемого из компрессора в каталитическую камеру сгорания, посредством отработавшего газа, подаваемого из турбины по каналу для отработавшего газа в регенеративный теплообменник. Горелка предназначена для сжигания газа, отбираемого из компрессора, вместе с топливом для образования нагревающего газа и подачи нагревающего газа в канал для отработавшего газа. Клапан предназначен для регулирования количества отбираемого газа, подлежащего подаче в горелку. Изобретение позволяет не допускать снижения выходной мощности или потери давления в системе выпуска, что обеспечивает получение газовой турбины малого размера. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к газотурбинному двигателю, работающему на обедненной топливной смеси, в котором используется низкокалорийное газовое топливо, такое как шахтный метан (ШМ), извлекаемый из угольных шахт, или газ из органических отходов, образующийся на мусорных свалках.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Традиционно был известен газотурбинный двигатель, работающий на обедненной топливной смеси, в который поступает низкокалорийный газ с концентрацией метана, меньшей по сравнению с пределом его воспламеняемости, для сжигания метанового компонента. В соответствии с конструкцией газотурбинного двигателя рабочий газ с низкой концентрацией метана сжимается компрессором для образования сжатого газа. Сжатый газ сжигается в каталитической камере сгорания посредством каталитической реакции для образования газообразных продуктов сгорания. Затем газообразные продукты сгорания используются для приведения в действие турбины. При этом сжатый газ, выходящий из турбины, перемещается в регенеративный теплообменник или теплообменник, в котором он используется для подогрева сжатого газа, перемещенного из компрессора в каталитическую камеру сгорания. В канале для выходящего газа между выходным каналом турбины и входным каналом генератора предусмотрена трубчатая горелка, в которую вводится топливо, такое как природный газ, и затем сжигается при запуске или работе при малой нагрузке, при которой отработанный газ имеет низкую температуру. Это приводит к увеличению температуры отработанного газа для обеспечения достаточного нагрева сжатого газа, подлежащего подаче из компрессора в регенеративный теплообменник, и для активации в результате каталитической камеры сгорания и тем самым приведения в действие двигателя эффективным образом. См. JP 2010-19247 (А).
Газотурбинный двигатель выполнен с возможностью использования вентиляционного воздуха с низкой концентрацией метана (ВВНКМ), представляющего собой низкокалорийный газ с низкой концентрацией метана, выходящий из угольных шахт. Вентиляционный воздух с низкой концентрацией метана (ВВНКМ) имеет концентрацию метана, составляющую только 1% или менее. Следовательно, обычно вентиляционный воздух с низкой концентрацией метана (ВВНКМ) выпускается в воздух без сжигания. Однако использование вентиляционного воздуха с низкой концентрацией метана (ВВНКМ) в качестве топлива для выработки электрической энергии посредством газовой турбины потребует определенного объема прав на выбросы диоксида углерода.
Поскольку трубчатая горелка установлена в выпускном канале на выходе турбины, вышеописанный газотурбинный двигатель вызывает потерю давления и снижение мощности на выходе двигателя вследствие того, что отработавший газ проходит по каналу из турбины, даже при расчетных режимах эксплуатации, при которых трубчатая горелка выключена. Кроме того, отсутствует возможность регулирования скорости потока воздуха для горения, поступающего в трубчатую горелку, что затрудняет повторное зажигание трубчатой горелки в условиях, при которых имеет место отравление катализатора в каталитической камере сгорания. Кроме того, поскольку трубчатая горелка установлена в канале для отработавшего газа, канал и получающаяся в результате газовая турбина должны иметь большие размеры.
Задача настоящего изобретения состоит в разработке газотурбинного двигателя, работающего на обедненной топливной смеси без какого-либо снижения выходной мощности двигателя или какой-либо потери давления в системе выпуска, что обеспечивает получение газовой турбины малого размера.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Для этого газотурбинный двигатель, работающий на обедненном топливе, содержит компрессор, предназначенный для сжатия рабочего газа для создания сжатого газа, при этом рабочий газ имеет концентрацию горючего компонента, которая меньше его предела воспламеняемости; каталитическую камеру сгорания, предназначенную для сжигания сжатого газа посредством каталитической реакции с помощью катализатора, размещенного в ней, для образования газообразных продуктов сгорания; турбину, выполненную с возможностью приведения ее в действие посредством газообразных продуктов сгорания, подаваемых из каталитической камеры сгорания; регенеративный теплообменник, предназначенный для нагрева сжатого газа, подаваемого из компрессора в каталитическую камеру сгорания, посредством отработавшего газа, подаваемого из турбины по каналу для отработавшего газа в регенеративный теплообменник; горелку, предназначенную для сжигания газа, отбираемого из компрессора, вместе с топливом для образования нагревающего газа и подачи нагревающего газа в канал для отработавшего газа; и клапан, предназначенный для регулирования количества отбираемого газа, подлежащего подаче в горелку.
В соответствии с конструкцией газотурбинного двигателя рабочий газ с концентрацией горючего компонента, которая меньше предела его воспламеняемости, сжимается компрессором для образования сжатого газа. Сжатый газ сжигается посредством каталитической реакции в каталитической камере сгорания для образования имеющих высокую температуру газообразных продуктов сгорания, которые используются для приведения в действие турбины. В том случае, когда температура на входе в каталитическую камеру сгорания меньше температуры, необходимой для инициирования каталитической реакции, например во время запуска или работы при низкой нагрузке, нагревательная горелка обеспечивает образование нагревающего газа посредством сжигания смеси топлива и газа, отбираемого из компрессора, при этом нагревающий газ подается в канал для отработавшего газа для нагрева отработавшего газа. Нагретый отработавший газ затем подвергается теплообмену со сжатым газом из компрессора в регенеративном теплообменнике. Нагретый сжатый газ обеспечивает повышение температуры на входе каталитической камеры сгорания для инициирования каталитического горения, что обеспечивает стабильную подачу имеющих высокую температуру газообразных продуктов сгорания в турбину. Кроме того, нагревательная горелка предусмотрена вне канала для отработавшего газа, что приводит к отсутствию снижения давления в системе выпуска или к отсутствию ухудшения эксплуатационных характеристик двигателя. Кроме того, использование бедного газа, такого как шахтный метан (ШМ), вентиляционный воздух с низкой концентрацией метана (ВВНКМ) или газ из органических отходов, с более низкой концентрацией топлива или концентрацией метана для приведения в действие газотурбинного двигателя или использование каталитической реакции не вызывает образования оксидов азота (NOx) при номинальном режиме работы, при котором горелка не приводится в действие, и обеспечивает снижение выбросов газообразного метана, что способствует предотвращению глобального потепления.
Кроме того, нагревательная горелка предусмотрена не в канале для отработавшего газа, при этом данное размещение горелки не вызывает каких-либо потерь давления в системе выпуска или ухудшения эксплуатационных характеристик двигателя и, следовательно, обеспечивает эффективную работу двигателя. Кроме того, в результате того, что в канале для отработавшего газа отсутствует нагревательная горелка, не требуется никакого увеличения канала или размеров газотурбинного двигателя. Кроме того, клапан регулирования отбора регулирует количество отбираемого газа, подаваемого в нагревательную горелку, что обеспечивает надлежащее регулирование количества отбираемого газа при повторном зажигании горелки для образования определенного количества нагревающего газа, требуемого от горелки. Это облегчает зажигание горелки.
В предпочтительном варианте осуществления клапан регулирования отбора выполнен с возможностью непрерывного увеличения или уменьшения количества отбираемого газа, подлежащего подаче в нагревательную горелку. В соответствии с данным вариантом осуществления обеспечивается непрерывное регулирование количества отбираемого газа, подлежащего подаче в нагревательную горелку, посредством клапана регулирования отбора. Это гарантирует то, что будет обеспечено надежное регулирование количеств отбираемого газа и топлива, подлежащих подаче в нагревательную горелку, и, как следствие, надежное регулирование температуры нагревающего газа, выходящего из горелки. Это обеспечивает возможность стабильного регулирования температуры на входе каталитической камеры сгорания.
В другом предпочтительном варианте осуществления нагревательная горелка приводится в действие при операции запуска газотурбинного двигателя. В соответствии с данным вариантом осуществления нагревательная горелка приводится в действие на операции запуска двигателя для активизации работы каталитической камеры сгорания и последующего плавного приведения двигателя в действие, несмотря на то, что при обычной операции запуска температура отработавшего газа, выходящего из турбины, будет еще низкой и, следовательно, каталитическая камера сгорания не будет активизирована до степени, необходимой для подачи имеющего высокое давление и высокую температуру сжатого газа в турбину и повышения тем самым числа оборотов двигателя.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления нагревательная горелка работает в состоянии, когда газотурбинный двигатель работает в неноминальном режиме работы, при котором число оборотов меньше числа оборотов при номинальном режиме работы газотурбинного двигателя. В соответствии с данным вариантом осуществления общее количество рабочего газа, проходящего через газотурбинный двигатель при неноминальном режиме работы, меньше общего количества рабочего газа, проходящего через газотурбинный двигатель при номинальном режиме работы. Это означает, что нагревательная горелка требует меньшего количества топлива, что обеспечивает возможность использования для двигателя нагревательной горелки с меньшими размерами.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления газотурбинный двигатель выполнен таким, что нагревательная горелка срабатывает, когда имеет место нарушение нормального процесса горения в каталитической камере сгорания. В соответствии с данным вариантом осуществления даже в том случае, когда возникает какое-либо нарушение нормального процесса горения вследствие отравления катализатора, нагревательная горелка может быть повторно зажжена для активизации каталитической камеры сгорания и предотвращения тем самым ухудшения эксплуатационных характеристик двигателя.
В завершение следует отметить, что газотурбинный двигатель может быть приведен в действие посредством бедного газа, имеющего более низкую концентрацию топлива, например концентрацию метана. Кроме того, каталитическая реакция не вызывает образования оксидов азота (NOx) при номинальном режиме работы, а также позволяет уменьшить выбросы газообразного метана. Кроме того, поскольку нагревательная горелка не предусмотрена в канале для отработавшего газа, может быть использован канал для отработавшего газа, имеющий меньшие размеры, что позволяет уменьшить габариты газотурбинного двигателя. Кроме того, данная конструкция позволяет исключить потери давления в канале для отработавшего газа или предотвратить ухудшение эксплуатационных характеристик двигателя.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 представляет собой принципиальную схему, показывающую конструкцию газотурбинного двигателя, работающего на бедном газе, в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения;
фиг.2 представляет собой схему, показывающую имеющую заданные элементы конструкцию газотурбинного двигателя в соответствии с вариантом осуществления изобретения; и
фиг.3 представляет собой временную диаграмму, показывающую работу при запуске/останове газотурбинного двигателя в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Предпочтительный вариант осуществления изобретения будет описан ниже со ссылкой на сопровождающие чертежи. Фиг.1 представляет собой принципиальную схему, показывающую конструкцию газотурбинного двигателя, работающего на обедненной топливной смеси, в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения, в котором газовая турбина, обозначенная в целом ссылочной позицией GT, имеет компрессор 1, каталитическую камеру 2 сгорания, содержащую катализатор, такой как платина или палладий, и ротационную машину 4, которая использует мощность газовой турбины (ГТ) для работы в качестве электрического генератора или стартера.
В газовой турбине используется рабочий газ G1, который представляет собой смесь воздуха и топлива. Рабочий газ может представлять собой низкокалорийный газ, такой как вентиляционный воздух с низкой концентрацией метана (ВВНКМ), образующийся в угольных шахтах, или шахтный метан (ШМ), в котором концентрация горючего компонента (метана) больше концентрации горючего компонента в вентиляционном воздухе с низкой концентрацией метана (ВВНКМ), извлеченном из угольных шахт, или газ из органических отходов, образующийся на мусорной свалке. Рабочий газ G1 сжимается посредством компрессора 1 для образования сжатого газа G2, имеющего высокое давление, который перемещается в каталитическую камеру 2 сгорания, в которой он сжигается посредством каталитической реакции с помощью катализатора, такого как платина или палладий, для образования имеющих высокую температуру и высокое давление газообразных продуктов G3 сгорания. Газообразные продукты G3 сгорания подаются в турбину 3 для приведения в действие турбины. Турбина 3 соединена с компрессором 1 посредством вращающегося вала 5, так что компрессор 1 получает энергию от турбины 3. Как описано выше, газовая турбина ГТ и ротационная машина 4 образуют электрический генератор 50.
Поскольку концентрация топлива или горючего компонента в рабочем газе G1 меньше его предела воспламенения и температура топлива меньше минимальной температуры, необходимой для сжигания с воспламенением, рабочий газ не воспламеняется при увеличении температуры при его сжатии в компрессоре 1. В рабочий газ G1 может быть добавлен горючий газ с высокой концентрацией для увеличения концентрации топлива.
Газовая турбина ГТ дополнительно содержит регенеративный теплообменник или теплообменник 6, предназначенный для нагрева сжатого газа G2, подаваемого из компрессора 1 в каталитическую камеру 2 сгорания, посредством использования газа G4, выходящего из турбины 3, и горелки 7, для образования газа G5, подлежащего использованию для нагрева газа G2. В частности, в горелке 7 происходит добавление топлива к газу G20, отбираемому из компрессора 1, и сжигание смеси для образования нагревающего газа G5, который смешивается с отработавшим газом G4, подаваемым из турбины 3 в регенеративный теплообменник 6. Горелка 7 соединена с клапаном 8 регулирования отбора, предназначенным для регулирования количества отбираемого газа G20, подлежащего подаче в горелку 7. Газ G4 из регенеративного теплообменника подается в непоказанный глушитель, в котором обеспечивается снижение шумов, и затем выпускается в атмосферу.
Регулирование скорости потока газа G20, подаваемого в горелку 7, осуществляется посредством клапана 8 регулирования отбора в ответ на выходной сигнал от блока 21 управления запуском в управляющем устройстве 20, которое управляет всей работой системы, которая будет описана ниже.
Регулирование скорости потока шахтного метана, поступающего из источника 13 шахтного метана, такого как угольные шахты, и проходящего в горелку 7, осуществляется посредством первого клапана 9 регулирования скорости подачи топлива, который приводится в действие в ответ на управляющий сигнал от блока 21 управления запуском, предусмотренного в управляющем устройстве 20. Рабочий газ G1 готовят посредством смешивания вентиляционного воздуха с низкой концентрацией метана (ВВНКМ) из такого источника 12 вентиляционного воздуха с низкой концентрацией метана (ВВНКМ), как система вентиляции угольных шахт, с шахтным метаном (ШМ) из источника 13 шахтного метана так, как необходимо, в то время как количество шахтного метана (ШМ) регулируется посредством второго клапана 10 регулирования скорости подачи топлива. Шахтный метан (ШМ) содержит приблизительно 10-30% метана, а вентиляционный воздух с низкой концентрацией метана (ВВНКМ) содержит менее 1% метана. Регулирование скорости потока шахтного метана (ШМ) посредством второго клапана 10 регулирования скорости подачи топлива выполняется в ответ на сигнал от блока 22 регулирования нагрузки/управления остановом в управляющем устройстве 20. Источник 19 продувочного воздуха соединен с каналом, проходящим от источника 12 вентиляционного воздуха с низкой концентрацией метана (ВВНКМ) до компрессора 1, для выполнения операции продувки, выполняемой в процессе запуска.
Первый датчик 31 температуры предусмотрен рядом с входом каталитической камеры 2 сгорания для определения температуры газа, поступающего в каталитическую камеру 2 сгорания, и второй датчик 32 температуры предусмотрен рядом с каталитической камерой 2 сгорания для определения температуры газа, выходящего из каталитической камеры 2 сгорания. Температура на входе, «полученная» первым датчиком 31 температуры, передается в виде сигнала, характеризующего первую измеренную температуру, в блок 21 управления запуском, и температура на выходе, «полученная» вторым датчиком 32 температуры, передается в виде сигнала, характеризующего вторую измеренную температуру, в блок 21 управления запуском и в блок 22 регулирования нагрузки/управления остановом.
Кроме того, третий датчик 33 температуры предусмотрен рядом с выходом турбины 3 для определения температуры газа, выходящего из турбины 3. Температура на выходе, «полученная» третьим датчиком 33 температуры, передается в виде третьей измеренной температуры в блок 22 регулирования нагрузки/управления остановом в управляющем устройстве 20. Четвертый датчик 34 температуры предусмотрен рядом с входом регенеративного теплообменника 6 для определения температуры газа, поступающего в регенеративный теплообменник 6. Температура на входе, «полученная» четвертым датчиком температуры, передается в виде четвертой измеренной температуры в блок 21 управления запуском в управляющем устройстве 20.
Вращающийся вал 5, соединяющий компрессор 1 и турбину 3 и образованный из одного элемента, представляющего собой вал, соединен посредством редуктора 17 с ротационной машиной 4. Вращающийся вал 5 служит опорой для датчика 36 вращения, предназначенного для определения числа оборотов вращающегося вала 5, которое затем передается в блок 22 регулирования нагрузки/управления остановом в управляющем устройстве 20.
Сигнал, характеризующий электрическую энергию/мощность, создаваемую ротационной машиной 4, передается в блок 22 регулирования нагрузки/управления остановом в управляющем устройстве 20. Система 11 преобразования энергии выполнена такой, что блок 22 регулирования нагрузки/управления остановом приводит ротационную машину 4 в действие в качестве стартера на операции запуска.
Как показано на фиг.2, турбина 3 и регенеративный теплообменник 6 соединены друг с другом посредством трубы или канала 25 для отработавшего газа. Канал 25 для отработавшего газа имеет цилиндрическую часть 25а рядом с турбиной и расширяющуюся часть 25b, расположенную рядом с регенеративным теплообменником 6 и расширяющуюся по направлению к регенеративному теплообменнику 6, и горелка 7 соединена с расширяющейся частью 25b для обеспечения подачи нагревающего газа G5 во внутреннее пространство канала 25 для отработавшего газа. Расширяющаяся конструкция расширяющейся части 25b обеспечивает возможность равномерной подачи нагревающего газа G5 во внутреннее пространство регенеративного теплообменника 6 большого размера, так что теплообмен между газами G2 и G5 осуществляется при использовании всего внутреннего пространства регенеративного теплообменника 6.
Как описано выше, шахтный метан (ШМ) из источника шахтного метана (ШМ) (фиг.1) подается в горелку 7. Кроме того, канал 27 для отбираемого газа ответвляется от канала 24, предназначенного для подачи сжатого газа G2 из компрессора 1 в регенеративный теплообменник 6, на котором смонтированы горелка 7 и клапан 8.
Основные операции газовой турбины ГТ, включая операции управления запуском, регулирования нагрузки и управления остановом, будут описаны со ссылкой на фиг.3, показывающую работу газовой турбины при запуске/останове в зависимости от времени. На данном чертеже характеристические кривые А-Е показывают, соответственно, число оборотов вращающегося вала газовой турбины (ГТ), выработанную электрическую энергию/мощность, степень открытия первого клапана 9 регулирования скорости подачи топлива, степень открытия второго клапана 10 регулирования скорости подачи топлива и степень открытия клапана 8 регулирования отбора.
Сначала будет рассмотрена операция управления запуском. На данной операции при получении команды запуска блок 21 управления запуском обеспечивает приведение в действие системы 11 преобразования энергии по фиг.1 для подачи питания на ротационную машину 4. Кроме того, клапан 18 принимает открытое положение. Это приводит к тому, что газотурбинный двигатель (ГТ) будет всасывать воздух для работы при более низком числе оборотов, например, составляющем 20-30% от номинальной частоты вращения (продувка). После этого клапан 18 принимает открытое положение, которое вызывает всасывание вентиляционного воздуха с низкой концентрацией метана (ВВНКМ) из источника 2 вентиляционного воздуха с низкой концентрацией метана (ВВНКМ) в газовую турбину (ГТ) для увеличения числа оборотов, например, до 60% от номинальной частоты вращения для зажигания горелки 7 по фиг.1 для нагрева регенеративного теплообменника 6, а также для нагрева внутреннего пространства каталитической камеры 2 сгорания до температуры, необходимой для каталитической реакции. Как показано на фиг.3, клапан 8 регулирования отбора постепенно открывается после завершения операции продувки. Степень открытия клапана 8 поддерживается постоянной после зажигания горелки 7. После этого второй клапан 10 регулирования скорости подачи топлива открывается посредством управляющего сигнала от блока 22 регулирования нагрузки/управления остановом во время каталитического горения в каталитической камере 2 сгорания по фиг.1 для инициирования подачи шахтного метана (ШМ) из источника 13 шахтного метана (ШМ) в компрессор 1 (подача шахтного метана). После этого обеспечивают регулирование сжигания в горелке 7 для предотвращения повышения температуры на входе каталитической камеры 2 сгорания, которое в противном случае было бы вызвано подачей шахтного метана (ШМ).
Например, как показано на фиг.3, данное регулирование горения осуществляется посредством постепенного уменьшения степеней Е и С открытия клапана 8 регулирования отбора и первого клапана 9 регулирования скорости подачи топлива и получающихся в результате количеств газа G20 и шахтного метана (ШМ), подаваемых в горелку 7. Температура на входе каталитической камеры 2 сгорания определяется датчиком 31 температуры, и сигнал, характеризующий измеренную температуру, передается в блок 21 управления запуском в управляющем устройстве 20. При приеме сигнала блок 21 управления запуском передает управляющие сигналы клапану 8 регулирования отбора и первому клапану 9 регулирования скорости подачи топлива для регулирования соответственно их степеней Е и С открытия. Как показано на фиг.3, когда выработанная электрическая энергия/мощность В станет больше нуля кВт, то есть инициируется выработка электрической энергии, степени Е и С открытия клапана 8 регулирования отбора и клапана 9 регулирования скорости подачи топлива уменьшаются до нуля для прекращения подачи отбираемого газа G20 и шахтного метана (ШМ) в горелку 7 и устранения тем самым пламени горелки.
Далее будет рассмотрено регулирование нагрузки. Как показано на фиг.3, как только будет начата выработка электрической энергии, степень D открытия второго клапана 10 регулирования скорости подачи топлива увеличивается в ответ на управляющий сигнал от блока 22 регулирования нагрузки/управления остановом, что обеспечивает увеличение количества шахтного метана (ШМ), подлежащего подаче из источника 13 шахтного метана (ШМ) в компрессор 1. Кроме того, после полного выключения горелки 7 продолжается каталитическое горение в каталитической камере 2 сгорания. Кроме того, как показано на фиг.3, степень D открытия второго клапана 10 регулирования скорости подачи топлива постепенно увеличивается для увеличения количества шахтного метана (ШМ), подлежащего подаче в компрессор 1, до тех пор, пока число А оборотов двигателя не достигнет расчетного числа (100%) для выработки номинальной электрической мощности В (номинальной нагрузки). Когда нагрузка достигнет номинальной нагрузки, концентрация шахтного метана (ШМ) в рабочем газе G1 регулируется посредством регулирования количества шахтного метана (ШМ), подлежащего подаче в компрессор 1, посредством использования второго клапана 10 по фиг.1, предназначенного для регулирования скорости подачи топлива.
При управлении остановом при приеме сигнала останова, как показано на фиг.3, блок 21 управления запуском функционирует для постепенного уменьшения электрической мощности В, подлежащей выработке, а также постепенного уменьшения степени D открытия второго клапана 10 регулирования скорости подачи топлива для уменьшения количества шахтного метана (ШМ), подлежащего подаче в каталитическую камеру 2 сгорания, что приводит к уменьшению числа А оборотов двигателя и вырабатываемой электрической мощности до нуля (отсутствие нагрузки). Данное состояние поддерживается в течение определенного промежутка времени, в течение которого двигатель в целом охлаждается (последующее охлаждение). После охлаждения двигателя в достаточной степени второй клапан 10 регулирования скорости подачи топлива полностью закрывается для прекращения подачи в газовую турбину (ГТ), что, в свою очередь, обеспечивает перевод газовой турбины (ГТ) в состояние свободного вращения/холостого хода.
Горелка 7 приводится в действие не только при запуске двигателя, но также при возникновении каких-либо проблем с горением в каталитической камере 2 сгорания. Например, когда температура на выходе каталитической камеры сгорания, определяемая вторым датчиком 32 температуры, уменьшается до значений, которые меньше заданной температуры, будет определено, что имело место какое-то нарушение нормального процесса горения, например, вследствие отравления катализатора, и в результате этого управляющее устройство 20 обеспечивает открытие клапана 8 регулирования отбора и первого клапана 9 регулирования скорости подачи топлива и зажигание горелки 7. Это обеспечивает повышение температуры отработавшего газа G4, поступающего в регенеративный теплообменник 6, а также сжатого газа G2, подлежащего подаче в каталитическую камеру 2 сгорания, в результате чего каталитическая камера 2 сгорания будет снабжаться энергией в достаточной степени для предотвращения какого-либо снижения выходной мощности двигателя.
В соответствии с вариантами осуществления газовая турбина может быть приведена в действие плавно. В частности, температура отработавшего газа G4, выходящего из турбины 3 на операции запуска двигателя, является низкой, и, следовательно, вряд ли будет обеспечена хорошая активизация работы каталитической камеры 2 сгорания, что затрудняет подачу имеющего высокое давление и высокую температуру сжатого газа в турбину и плавное увеличение частоты вращения. Однако в соответствии с вариантом осуществления горелка 7 приводится в действие на операции запуска двигателя для повышения температуры отработавшего газа G4, поступающего в регенеративный теплообменник 6. Это гарантирует то, что посредством теплообмена в регенеративном теплообменнике 6 температура сжатого газа G2, подлежащего подаче в каталитическую камеру 2 сгорания, будет повышаться, что обеспечивает эффективную активизацию работы каталитической камеры сгорания для обеспечения плавного запуска двигателя.
Кроме того, поскольку нагревательная горелка 7 предусмотрена за пределами канала 25 для отработавшего газа, а не внутри канала 25, не происходит никаких потерь давления или выходной энергии в канале для отработавшего газа и не происходит никакого снижения выходной мощности, что гарантирует эффективную работу газовой турбины (ГТ). Кроме того, поскольку нагревательная горелка предусмотрена не в канале 25 для отработавшего газа, канал может быть выполнен с меньшими размерами, в результате чего может быть получена компактная газовая турбина (ГТ).
Кроме того, клапан 8 регулирования отбора предусмотрен с входной стороны нагревательной горелки 7 для обеспечения непрерывного увеличения или уменьшения количества отбираемого газа G20, подлежащего подаче в горелку 7. Это гарантирует то, что будет обеспечено надлежащее регулирование количеств отбираемого газа G20 и топлива, подлежащих подаче в горелку 7, в зависимости от числа оборотов двигателя, что, в свою очередь, гарантирует регулирование скорости потока и температуры нагревающего газа G5, выходящего из горелки 7, и тем самым регулирование температуры на входе каталитической камеры 2 сгорания.
Когда двигатель работает в неноминальном режиме работы, количество рабочего газа, проходящего через газовую турбину, будет меньше, чем количество рабочего газа, проходящего через газовую турбину при номинальном режиме работы. Это приводит к тому, что для нагревательной горелки 7 потребуется меньше топлива, что, в свою очередь, означает, что горелка 7 может иметь меньшие размеры.
Несмотря на то, что шахтный метан (ШМ) и вентиляционный воздух с низкой концентрацией метана (ВВНКМ) используются в качестве рабочих газов в вышеописанных вариантах осуществления, вместо них может быть использован другой газ, в котором концентрация горючего компонента меньше его предела воспламеняемости.
Несмотря на то, что предпочтительные варианты осуществления изобретения были описаны со ссылкой на сопровождающие чертежи, различные модификации могут быть выполнены без отхода от сущности изобретения, и они находятся в пределах объема изобретения.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
1: компрессор
2: каталитическая камера сгорания
3: турбина
4: генератор
6: регенеративный теплообменник
7: нагревательная горелка
8: клапан регулирования отбора
25: канал для отработавшего газа
G1: рабочий газ
G2: сжатый газ
G3: газообразные продукты сгорания
G4: отработавший газ
G5: нагревающий газ
G20: отбираемый газ
1. Газотурбинный двигатель, работающий на обедненной топливной смеси, содержащий:
компрессор, предназначенный для сжатия рабочего газа для создания сжатого газа, при этом рабочий газ имеет концентрацию горючего компонента, которая меньше его предела воспламеняемости;
каталитическую камеру сгорания, предназначенную для сжигания сжатого газа посредством каталитической реакции с помощью катализатора, размещенного в ней, для образования газообразных продуктов сгорания;
турбину, выполненную с возможностью приведения ее в действие посредством газообразных продуктов сгорания, подаваемых из каталитической камеры сгорания;
регенеративный теплообменник, предназначенный для нагрева сжатого газа, подаваемого из компрессора в каталитическую камеру сгорания, посредством отработавшего газа, подаваемого из турбины по каналу для отработавшего газа в регенеративный теплообменник;
горелку, предназначенную для сжигания газа, отбираемого из компрессора, вместе с топливом для образования нагревающего газа и подачи нагревающего газа в канал для отработавшего газа; и
клапан, предназначенный для регулирования количества отбираемого газа, подлежащего подаче в горелку.
2. Газотурбинный двигатель по п.1, в котором клапан выполнен с возможностью непрерывного увеличения или уменьшения количества отбираемого газа, подлежащего подаче в нагревательную горелку.
3. Газотурбинный двигатель по п.1 или 2, в котором нагревательная горелка приводится в действие при операции запуска газотурбинного двигателя.
4. Газотурбинный двигатель по п.3, в котором нагревательная горелка работает в состоянии, когда газотурбинный двигатель работает в неноминальном режиме работы, при котором число оборотов меньше числа оборотов при номинальном режиме работы газотурбинного двигателя.
5. Газотурбинный двигатель по п.1 или 2, в котором нагревательная горелка работает, когда имеет место нарушение нормального процесса горения в каталитической камере сгорания.
