Камера сгорания газовой турбины и способ её эксплуатации
Задачей создания камеры сгорания газовой турбины и способа ее эксплуатации является уменьшение заметности отработавшего газа газовой турбины при переключении топлива газовой турбины с нефтяного топлива на газовое топливо до минимума. При переключении сгорания во вспомогательной горелке со сжигания нефти на сжигание газа газовое топливо подается в основные горелки и начинается сжигание газа в основных горелках. Затем газовое топливо подается во вспомогательную горелку и начинается сжигание газа во вспомогательной горелке. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 6 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к камере сгорания газовой турбины и способу эксплуатации камеры сгорания газовой турбины. В частности, настоящее изобретение относится к камере сгорания газовой турбины с возможностью обеспечения сгорания как газового топлива, так и нефтяного топлива, и способу эксплуатации такой камеры сгорания газовой турбины.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
С точки зрения снижения затрат на производство электроэнергии, эффективного использования ресурсов и предотвращения глобального потепления была изучена эффективность использования водородсодержащего топлива, которое содержит водород, такого как коксовый газ, являющийся побочным продуктом на сталелитейных заводах, и отходящий газ, являющийся побочным продуктом на нефтеперерабатывающих заводах. Например, использование водородсодержащего топлива для газотурбинных электростанций может приводить к снижению выбросов диоксида углерода (СО2) при сгорании, которое является эффективным как мера для предотвращения глобального потепления. В случае электростанций с интегрированным комбинированным циклом газификации угля (IGCC), выработка электроэнергии на которых осуществляется путем газификации угля, являющегося богатым природным ресурсом, были также изучены меры по снижению выбросов СО2 за счет внедрения системы для сбора и хранения углерода (системы CCS) из водородсодержащего топлива, подаваемого на газовую турбину.
В случае использования водородсодержащего топливо в качестве топлива газовой турбины отказ при воспламенении внутри камеры сгорания может вызывать сброс несгоревшего водородсодержащего топлива из камеры сгорания и задержку топлива внутри турбины со стороны ниже по потоку. Во избежание возникновения такой опасности в газовых турбинах, использующих водородсодержащее топливо, воспламенение выполняется на пусковом топливе, не содержащем водорода (например, на нефтяном топливе), и до достижения заданной частичной нагрузки эксплуатация этих газовых турбин осуществляется на таком пусковом топливе. При заданной частичной нагрузке происходит переключение с пускового топлива на водородсодержащее топливо, за счет которого нагрузка повышается до номинального значения, и эксплуатация турбины продолжается на этом водородсодержащем топливе. В случае IGCC при запуске установки до начала образования угольного газа в печи газификации эксплуатация газовых турбин осуществляется на нефтяном топливе, а после начала образования угольного газа происходит переключение топлива газовой турбины с нефтяного топлива на угольный газ.
Описанные выше обстоятельства обусловили использование камер сгорания газовой турбины с возможностью использование двух типов топлива - газового топлива для режима обычной эксплуатации и нефтяного топлива для запуска и останова установки. Камера сгорания газовой турбины с возможностью обеспечения сгорания как нефтяного топлива, так и газового топлива (с возможностью сжигания нефти и сжигания газа), как правило, включает в себя пусковую горелку, установленную в осевом центре камеры сгорания, и основную горелку, размещенную вокруг пусковой горелки и предназначенную для обеспечения возможности сжигания в пусковой горелке как нефти, так и газа.
Например, патентный документ 1 раскрывает способ переключения топлива газовой турбины с нефтяного топлива на газовое топливо (переключения со сжигания нефти на сжигание газа). В частности, сначала уменьшают количество впрыскиваемого нефтяного топлива в пусковой горелке и одновременно в пусковой горелке увеличивают количество впрыскиваемого газового топлива, а затем увеличивают количество впрыскиваемого газового топлива в основной горелке.
СПИСОК ЦИТИРУЕМЫХ ДОКУМЕНТОВ
Патентный документ 1: JP 2014-105601 А
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Газовая турбина выполнена с возможностью обеспечения содержания веществ в отработавшем газе газовой турбины, равного или более низкого по сравнению со значением экологического стандарта. Однако при переключении топлива газовой турбины с нефтяного топлива на газовое топливо существует вероятность образования большого количества пыли в отработавшем газе, выпускаемом из газовой турбины. К примеру, в предпочтительном варианте даже при содержании веществ в отработавшем газе, равном или более низком по сравнению со значением экологического стандарта, с точки зрения сохранения ландшафта обеспечивают возможность снижения количества видимой пыли, содержащейся в отработавшем газе газовой турбины, до минимума.
Задачей настоящего изобретения является создание камеры сгорания газовой турбины и способа эксплуатации камеры сгорания газовой турбины, обеспечивающих возможность снижения количества заметного отработавшего газа газовой турбины при переключении топлива газовой турбины с нефтяного топлива на газовое топливо до минимума.
Камера сгорания газовой турбины и способ эксплуатации камеры сгорания газовой турбины согласно настоящему изобретению отличаются тем, что при переключении сгорания во вспомогательной горелке со сжигания нефти на сжигание газа газовое топливо подается в основную горелку и начинается сжигание газа в основной горелке, а затем газовое топливо подается во вспомогательную горелку и начинается сжигание газа во вспомогательной горелке.
Согласно настоящему изобретению при переключении топлива газовой турбины с нефтяного топлива на газовое топливо появляется возможность снижения количества заметного отработавшего газа, выпускаемого из газовой турбины, до минимума.
Указанная выше задача настоящего изобретения, используемая конструкция и преимущества этой конструкции рассматриваются в приводимом ниже описании вариантов осуществления изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 - схематический вид конструкции газотурбинной установки газовой турбины согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг. 2 - схематический вид типичной конструкции камеры сгорания газовой турбины согласно варианту осуществления настоящего изобретения в разрезе;
фиг. 3 - вид спереди горелки со стороны камеры сгорания с типичной конструкцией камеры сгорания газовой турбины согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг. 4 - временные диаграммы логики переключения топлива и количества пыли в способе эксплуатации камеры сгорания газовой турбины согласно сравнительному варианту;
фиг. 5 - временные диаграммы логики переключения топлива и количества пыли в способе эксплуатации камеры сгорания газовой турбины согласно варианту осуществления настоящего изобретения; и
фиг. 6 - вид спереди горелки со стороны камеры сгорания с типичной конструкцией камеры сгорания газовой турбины согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Ниже приводится описание первого варианта осуществления настоящего изобретения, сопровождаемое ссылками на чертежи.
Описание камеры сгорания газовой турбины согласно варианту осуществления настоящего изобретения приводится со ссылками на фиг. 1-3.
На фиг. 1 представлен схематический вид конструкции газотурбинной установки газовой турбины согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
В качестве основных элементов конструкции газотурбинная установка содержит воздушный компрессор 1, камеру 3 сгорания, газовую турбину 2 и генератор 23. Воздушный компрессор 1 сжимает воздух, всасываемый из атмосферы, для получения сжатого воздуха 4, подаваемого в камеру 3 сгорания. В камере 3 сгорания сжатый воздух 4 и нефтяное топливо и/или газовое топливо подвергаются взаимному смешиванию и сгоранию, в результате чего образуется газ 20 сгорания. Газ 20 сгорания вводится в газовую турбину 2, в результате чего обеспечивается запуск этой газовой турбины 2. Под действием вращающего момента газовой турбины 2 запускается генератор 23 и вырабатывается электроэнергия. Отработавший газ 21 газовой турбины 2 выпускается через раструб 22. При этом воздушный компрессор 1 и газовая турбина 2 соединены с пусковым двигателем газовой турбины или т.п. (непоказанным). Генератор 23 снабжен датчиком нагрузки (непоказанным), вырабатывающим сигналы нагрузки газовой турбины, которые поступают на вход устройства 40 управления. Настоящее изобретение может быть использовано применительно к камере сгорания газовой турбины в составе газотурбинной установки на электростанциях с интегрированным комбинированным циклом газификации угля (IGCC). Однако чертежи, иллюстрирующие установку для газификации угля, такую как печь для газификации угля, котел-утилизатор для отработавших газов, вырабатывающий пар с использованием теплоты отработавших газов газовой турбины, и паротурбинную установку, приводимую в действие паром, вырабатываемым холодильником синтез-газа в котле-утилизаторе для отработавших газов или на установке для газификации угля, с IGCC, не приводятся.
На фиг. 2 представлен схематический вид типичной конструкции камеры сгорания газовой турбины согласно варианту осуществления настоящего изобретения в разрезе. Камера сгорания газовой турбины этого типа раскрыта, например, в выложенной заявке на патент Японии, опубликованной под №2016-38108.
Камера 3 сгорания газовой турбины с практически цилиндрической геометрией включает в себя внешний цилиндр 27, образующий боковую поверхность конструкции, торцевую крышку 28, прикрепленную к торцу внешнего цилиндра 27, горелки (вспомогательную горелку 38, основные горелки 39A-39F), и внутренний цилиндр 26 (вкладыш секции камеры сгорания), внешняя окружная поверхность которого образует с внутренней окружной поверхностью внешнего цилиндра 27 кольцевое пространство. Внутри внутреннего цилиндра 26 сформирована секция камеры сгорания, предназначенная для сгорания нефтяного топлива и/или газового топлива и сжатого воздуха 4. Газ 20 сгорания, образующийся в секции камеры сгорания вводится в газовую турбину 2 через переходной цилиндр 25.
На торцевом участке внутреннего цилиндра 26 поблизости от торцевой крышки 28 установлена пластина 33 с отверстиями для воздуха, снабженная множеством отверстий 34 для воздуха. Между внешней окружной поверхностью пластины 33 с отверстиями для воздуха и внутренней поверхностью внутреннего цилиндра 26 установлен уплотнительный элемент 36. Пластина 33 с отверстиями для воздуха и множество форсунок 35 газового топлива составляют вспомогательную горелку и основные горелки.
Сжатый воздух 4, поступающий из воздушного компрессора 1, сначала вводится в кожух 24, а затем через пространство, образуемое внешней поверхностью переходного цилиндра 25 и внутренней поверхностью кожуха 24, вводится в соединительный канал, сформированный между внешней окружной поверхностью внутреннего цилиндра 26 и внутренней окружной поверхностью внешнего цилиндра 27. Переходный цилиндр 25 и внутренний цилиндр 26 могут быть снабжены сквозными отверстиями (непоказанными), предназначенными для охлаждения. Через эти сквозные отверстия часть сжатого воздуха 4 может проходить в переходной цилиндр 25 и внутренний цилиндр 26. Торцевой крышкой 28 поток сжатого воздуха 4, проходящего через соединительный канал, сформированный между внешней окружной поверхностью внутреннего цилиндра 26 и внутренней окружной поверхностью внешнего цилиндра 27, отклоняется в направлении секции камеры сгорания и через отверстия 34 для воздуха, сформированные в пластине 33 с отверстиями для воздуха, впрыскивается в эту секцию камеры сгорания. Пластина 33 с отверстиями для воздуха имеет конструкцию с углублением, снабженным наклонными стенками, обеспечивающими удаление центра вспомогательной горелки от секции камеры сгорания. Описанная выше конструкция может быть использована применительно к случаю использования водородсодержащего газового топлива. Конструкция с углублением, снабженным наклонными стенками, обеспечивающими удаление центра поверхности со стороны секции камеры сгорания от секции камеры сгорания, позволяет уменьшить угол обзора установившегося пламени с поверхности в центре горелки и вследствие этого подавить поступающий в центр горелки тепловой поток, обусловленный излучением. Кроме того, отверстия 34 для воздуха сформированы с наклоном, обеспечивающим впрыскивание сжатого воздуха в секцию камеры сгорания с частичным завихрением.
В центре торцевой крышки 28 установлена форсунка 37 нефтяного топлива, которая составляет вспомогательную горелку. Нефтяное топливо из системы 5 подачи нефтяного топлива подается в форсунку 37 нефтяного топлива через трубу 8 для нефтяного топлива и клапан 9 регулирования расхода нефтяного топлива. Степень открытия клапана 9 регулирования расхода нефтяного топлива регулирует устройство 40 управления. Труба 8 для нефтяного топлива снабжена клапаном отсечки нефтяного топлива (непоказанным), установленным между системой 5 подачи нефтяного топлива и клапаном 9 регулирования расхода нефтяного топлива.
Внутри торцевой крышки 28 сформированы основные газовые коллекторы 29, 30 и вспомогательный газовый коллектор 31. Газовое топливо из системы 6 подачи газового топлива подается в основные газовые коллекторы 29, 30 через трубу 10 для газового топлива, клапан 14 регулирования расхода газового топлива основной горелки и трубу 12 газового топлива основной горелки. Поданное в основные газовые коллекторы 29, 30 газовое топливо впрыскивается из множества форсунок 35 газового топлива в соответствующие отверстия 34 для воздуха в пластине 33 с отверстиями для воздуха, которые составляют основные горелки. Эти отверстия 34 для воздуха и форсунки 35 газового топлива размещены так, что одна форсунка соответствует одному отверстию для воздуха. Во вспомогательный газовый коллектор 31 газовое топливо из системы 6 подачи газового топлива подается через трубу 10 газового топлива, клапан 13 регулирования расхода газового топлива вспомогательной горелки и трубу 11 газового топлива вспомогательной горелки. Поданное во вспомогательный газовый коллектор 31 газовое топливо впрыскивается из форсунок 35 газового топлива в соответствующие отверстия 34 для воздуха в пластине 33 с отверстиями для воздуха, которые составляют вспомогательную горелку. Коаксиально размещенные форсунки 35 газового топлива и отверстия 34 для воздуха формируют коаксиальную струйную горелку, а основная горелка состоит из множества собранных в одно целое коаксиальных струйных горелок. Вспомогательная горелка сформирована в результате объединения конструкции из множества собранных в одно целое коаксиальных струйных горелок с форсункой для впрыска нефтяного топлива. Конструкция из собранных в одно целое коаксиальных струйных горелок служит для предварительного повышения степени дисперсности подаваемых в секцию камеры сгорания топлива и воздуха и смешивания топлива с воздухом на коротком расстоянии, что позволяет предотвратить проскакивание пламени и снизить уровень NOx при сгорании. При этом регулирование степени открытия клапана 13 регулирования расхода газового топлива вспомогательной горелки и степени открытия клапана 14 регулирования расхода газового топлива основной горелки осуществляется с помощью устройство 40 управления. Труба 10 газового топлива разветвляется на трубу 11 газового топлива вспомогательной горелки и трубу 12 газового топлива основной горелки. Труба 10 газового топлива снабжена клапаном отсечки газового топлива (непоказанным), установленным между системой 6 подачи газового топлива и точкой разветвления. При этом в случае установки с IGCC система 6 подачи газового топлива подает газ, полученный в результате газификации угля, из установки по газификации угля.
Из системы 7 подачи азота через трубу 15 подачи азота, трубу 17 подачи азота в основную горелку, клапан 19 регулирования расхода азота основной горелки и трубу 12 газового топлива основной горелки в основные газовые коллекторы 29, 30 дополнительно подается газообразный азот. Кроме того, из системы 7 подачи азота через трубу 15 подачи азота, трубу 16 подачи азота во вспомогательную горелку, клапан 18 регулирования расхода азота вспомогательной горелки и трубу 11 газового топлива вспомогательной горелки газообразный азот подается во вспомогательный газовый коллектор 31. Регулирование степени открытия клапана 18 регулирования расхода азота вспомогательной горелки и степени открытия клапана 19 регулирования расхода азота основной горелки осуществляется с помощью устройства 40 управления. Труба 15 подачи азота разветвляется на трубу 16 подачи азота во вспомогательную горелку и трубу 17 подачи азота в основную горелку. При этом труба 16 подачи азота во вспомогательную горелку соединяется с трубой 11 газового топлива вспомогательной горелки на участке ниже по потоку от клапана 13 регулирования расхода газового топлива вспомогательной горелки, а труба 17 подачи азота в основную горелку соединяется с трубой 12 газового топлива основной горелки на участке ниже по потоку от клапана 14 регулирования расхода газового топлива основной горелки. Труба 15 подачи азота снабжено клапаном отсечки азота (непоказанным), установленным между системой 7 подачи азота и точкой разветвления. Перед началом сгорания в основной горелке и во вспомогательной горелка, то есть перед подачей газового топлива в форсунки 35 газового топлива, из системы подачи азота подается газообразный азот, и в результате продувки газообразного азота осуществляется очистка (замещение газообразным азотом) системы подачи горючего газа, включающей в себя основные газовые коллекторы 29, 30, вспомогательный газовый коллектор 31 и форсунки 35 впрыска топлива.
Во внешнем цилиндре 27 установлена свеча 32 зажигания, проходящая через внутренний цилиндр 26 и обеспечивающая размещение точки воспламенения в секции камеры сгорания со стороны пластины 33 с отверстиями для воздуха. Управление операцией срабатывания свечи 32 осуществляется с помощью устройство 40 управления.
На фиг. 3 представлен вид спереди горелки со стороны камеры сгорания с типичной конструкцией камеры сгорания газовой турбины согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг. 3, горелка камеры сгорания включает в себя вспомогательную горелку 38 и множество основных горелок 39A-39F (на фиг. 3 показано шесть основных горелок), размещенных вокруг вспомогательной горелки 38. Форсунка 37 нефтяного топлива размещена в центре вспомогательной горелки 38 (являющемся также осевым центром камеры сгорания). Основные горелки 39A-39F размещены вокруг вспомогательной горелки 38. Пластина 33 с отверстиями для воздуха снабжена отверстиями для воздуха, сформированными коаксиально осевому центру вспомогательной горелки 38 и осевому центру основных горелок 39A-39F.
Ниже приводится описание операции переключения топлива в процессе эксплуатации камеры сгорания газовой турбины согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Однако сначала приводится описание операции переключения топлива в процессе эксплуатации камеры сгорания газовой турбины согласно сравнительному варианту. На фиг. 4 представлены временные диаграммы логики переключения топлива и количества появляющейся при этом пыли в сравнительном варианте. Вспомогательная горелка при этом именуется как горелка F1, а основная горелка - как горелка F2.
Камера сгорания газовой турбины, используемая в установке с IGCC, выполнена с возможностью впрыска нефтяного топлива из форсунки 37 нефтяного топлива в составе горелки F1 и воспламенения с помощью свечи 32 зажигания. Вырабатываемый камерой сгорания газовой турбины газ сгорания запускает газовую турбину. При этом все клапаны - клапан 13 регулирования расхода газового топлива вспомогательной горелки, клапан 14 регулирования расхода газового топлива основной горелки, клапан 18 регулирования расхода азота вспомогательной горелки и клапан 19 регулирования расхода азота основной горелки - находятся в закрытом состоянии. После осуществления заданного сгорания топливо для камеры сгорания газовой турбины переключается с нефтяного топлива на газовое топливо. Переключение топлива выполняется в состоянии частичной нагрузки. Сначала осуществляется открытие клапана 18 регулирования расхода азота вспомогательной горелки и клапана 19 регулирования расхода азота основной горелки, каждый из которых открывается до заданной степени открытия, обеспечивающей проведение продувки газообразного азота в течение заданного промежутка времени. После этого клапан 18 регулирования расхода азота вспомогательной горелки и клапан 19 регулирования расхода азота основной горелки закрываются, и в сравнительном варианте открывается клапан 13 регулирования расхода газового топлива вспомогательной горелки, степень открытия которого соответствует расходу топлива при незажженной коаксиальной струйной горелке в горелке F1 (во вспомогательной горелке 38). При этом система подачи газового топлива горелки F1 (включающая в себя клапан 13 регулирования расхода газового топлива вспомогательной горелки, трубу 11 газового топлива вспомогательной горелки, вспомогательный газовый коллектор 31 и форсунку 35 газового топлива) наполняется газовым топливом (предварительное наполнение F1). Промежуток времени предварительного наполнения F1 определяется объемом системы подачи газового топлива.
После завершения предварительного наполнения F1 клапан 9 регулирования расхода нефтяного топлива постепенно закрывается, и количество нефтяного топлива в горелке F1 постепенно уменьшается. Одновременно осуществляется постепенное открытие клапана 13 регулирования расхода газового топлива вспомогательной горелки, и постепенно увеличивается количество газового топлива в горелке F1 (F1: начало переключения топлива). В процессе переключения топлива зажигается коаксиальная струйная горелка в горелке F1, и появляется газовое пламя F1. После снижения расхода нефтяного топлива до заданного значения и повышения до заданного значения расхода газового топлива горелки F1 (например, при полном открытии или при открытии наполовину) в течение заданного промежутка времени выполняется сгорание многокомпонентного топлива в горелке F1. После этого перед началом предварительного наполнения F2 осуществляется открытие клапана 19 регулирования расхода азота основной горелки, заданная степень открытия которого обеспечивает повторную продувку газообразного азота через горелку F2. После этого клапан 19 регулирования расхода азота основной горелки закрывается, а клапан 14 регулирования расхода газового топлива основной горелки открывается до степени открытия, соответствующей расходу топлива при незажженной горелке F2. Система подачи газового топлива горелки F2 (включающая в себя клапан 14 регулирования расхода газового топлива основной горелки, трубу 12 газового топлива основной горелки, основные газовые коллекторы 29, 30 и форсунку 35 газового топлива) наполняется газовым топливом (предварительное наполнение F2). Промежуток времени предварительного наполнения F2 определяется объемом системы подачи газового топлива. После завершения предварительного наполнения F2 клапан 9 регулирования расхода нефтяного топлива постепенно закрывается повторно, и количество нефтяного топлива в горелке F1 постепенно уменьшается. Одновременно постепенно открывается клапан 14 регулирования расхода газового топлива основной горелки, и постепенно увеличивается количество газового топлива в горелке F2 (F2: начало переключения топлива). В горелке F1 в случае достижения в момент начала сгорания многокомпонентного топлива F1 заданного значения газового топлива степень открытия клапана 13 регулирования расхода газового топлива вспомогательной горелки поддерживается неизменной, а в случае расхода, равного значению при полуоткрытом состоянии, клапан 13 регулирования расхода газового топлива вспомогательной горелки постепенно открывается повторно, и количество газового топлива в горелке F1, как и количество газового топлива в горелке F2, увеличивается. В процессе переключения топлива F2 горелка F2 зажигается, и появляется газовое пламя F2. В момент времени полного закрытия клапана 9 регулирования расхода нефтяного топлива и достижения заданной степени открытия клапана 14 регулирования расхода газового топлива основной горелки переключение топлива завершается.
При выполнении переключения топлива с нефтяного топлива на газовое топливо в соответствии с описанной выше логикой переключения топлива плотность пыли в отработавшем газе становится достаточно высокой, и отработавший газ становится видимым. Как показано на фиг. 4, в промежуток времени от начала переключения топлива F1 (после зажигания коаксиальной струйной горелки в горелке F1) до начала переключения топлива F2 (до зажигания горелки F2), то есть в промежуток времени сжигания газа в дополнение к сжиганию нефти в горелке F1 (в фазу сгорания многокомпонентного топлива в горелке F1), количество пыли становится достаточно большим, и отработавший газ становится видимым (становится цветным дымом).
В результате исследования, проведенного изобретателями, было установлено, что в сравнительном варианте в промежуток времени переключения топлива (от "F1: начало переключения топлива" до "F2: начало переключения топлива" на фиг. 4) возникает описываемое ниже явление.
Газовое топливо является, по-видимому, более легковоспламеняющимся, чем нефтяное топливо. Поэтому для сгорания газового топлива требуется больше кислорода, что может приводить к возникновению состояния недостаточной подачи кислорода в нефтяное топливо. В результате реакция окисления при сгорании нефти не развивается, и это, по предположению, вызывает увеличение количества появляющейся пыли.
Ниже приводится описание операции переключения топлива в процессе эксплуатации камеры сгорания газовой турбины согласно варианту осуществления настоящего изобретения. На фиг. 5 представлены временные диаграммы логики переключения топлива и количества пыли в способе эксплуатации камеры сгорания газовой турбины согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
В этом варианте осуществления при переключении сгорания со сжигания нефти на сжигание газа во вспомогательной горелке 38 (в горелке F1) газовое топливо подается в основную горелку 39 (в горелку F2), и начинается сжигание газа. После этого во вспомогательную горелку также подается газовое топливо, и также начинается сжигание газа.
Как и в сравнительном варианте, нефтяное топливо впрыскивается из форсунки 37 нефтяного топлива в горелке F1 и воспламеняется с помощью свечи 32 зажигания. Вырабатываемый камерой сгорания газовой турбины газ сгорания запускает газовую турбину. При этом все клапаны - клапан 13 регулирования расхода газового топлива вспомогательной горелки, клапан 14 регулирования расхода газового топлива основной горелки, клапан 18 регулирования расхода азота вспомогательной горелки и клапан 19 регулирования расхода азота основной горелки - находятся в закрытом состоянии. После осуществления заданного сгорания топливо для камеры сгорания газовой турбины переключается с нефтяного топлива на газовое топливо. Переключение топлива выполняется в состоянии частичной нагрузки.
Сначала осуществляется открытие клапана 18 регулирования расхода азота вспомогательной горелки и клапана 19 регулирования расхода азота основной горелки, каждый из которых открывается до заданной степени открытия, обеспечивающей проведение продувки газообразного азота в течение заданного промежутка времени. После этого клапан 18 регулирования расхода азота вспомогательной горелки и клапан 19 регулирования расхода азота основной горелки закрываются, и открывается клапан 13 регулирования расхода газового топлива вспомогательной горелки, степень открытия которого соответствует расходу топлива при незажженной горелке F2. При этом система подачи газового топлива горелки F2 (включающая в себя клапан 14 регулирования расхода газового топлива основной горелки, трубу 12 газового топлива основной горелки, основные газовые коллекторы 29, 30 и форсунку 35 газового топлива) наполняется газовым топливом (предварительное наполнение F2). Промежуток времени предварительного наполнения F2 определяется объемом системы подачи газового топлива. После завершения предварительного наполнения F2 осуществляется постепенное закрытие клапана 9 регулирования расхода нефтяного топлива и постепенное уменьшение количества нефтяного топлива в горелке F1. Одновременно постепенно открывается клапан 14 регулирования расхода газового топлива основной горелки, и постепенно увеличивается количество газового топлива в горелке F2 (F2: начало переключения топлива). При этом в горелку F1 газовое топливо не подается (клапан 13 регулирования расхода газового топлива вспомогательной горелки находится в полностью закрытом состоянии). В процессе переключения топлива F2 горелка F2 зажигается, и появляется газовое пламя F2.
В процессе предварительного наполнения F2 и в процессе переключения топлива F2 клапан 18 регулирования расхода азота вспомогательной горелки может поддерживаться или открытым, или закрытым.
В случае большого количества появляющейся пыли при сжигании нефти с помощью горелки F1 открытие клапана 18 регулирования расхода азота вспомогательной горелки может быть эффективным для уменьшения количества появляющейся пыли. В процессе предварительного наполнения F2 в предпочтительном варианте с точки зрения эффективного предотвращения зажигания горелки F2 клапан 18 регулирования расхода азота вспомогательной горелки поддерживается открытым. В предпочтительном варианте для облегчения зажигания горелки F2 в процессе переключения топлива F2 клапан 18 регулирования расхода азота вспомогательной горелки закрывается. Однако предпринимаемые меры не ограничиваются описанными выше.
Расход нефтяного топлива снижается до заданного значения, а расход газового топлива в горелке F2 повышается до заданного значения (например, до расхода при полном открытии) (F2: завершение переключения топлива). Затем в течение заданного промежутка времени выполняется сгорание многокомпонентного топлива, включающее в себя сжигание нефти с помощью горелки F1 и сжигание газа с помощью горелки F2. Промежуток времени сгорания многокомпонентного топлива задается более коротким, чем промежуток времени сгорания многокомпонентного топлива F1, обеспечиваемого с помощью горелки F1, согласно сравнительному варианту (в сравнительном варианте этот промежуток времени составляет приблизительно 100 секунд, а варианте осуществления согласно настоящему изобретению - приблизительно десять секунд). Вследствие короткой длительности этого промежутка времени на фиг. 5 промежуток времени сгорания многокомпонентного топлива после завершения переключения топлива F2 не показан. Кроме того, сразу же после завершения переключения топлива без выполнения сгорания многокомпонентного топлива может быть начато предварительное наполнение F1 (рассматриваемое ниже). В случае сгорания многокомпонентного топлива клапан 18 регулирования расхода азота вспомогательной горелки может быть или открытым или закрытым. Как подробно описывается ниже, поддержание клапана 18 регулирования расхода азота вспомогательной горелки открытым до начала предварительного наполнения F1 обеспечивает возможность более надежного предотвращения появления пыли.
Затем выполняется предварительное наполнение F1. В случае закрытого клапана 18 регулирования расхода азота вспомогательной горелки при сгорании многокомпонентного топлива, как указано выше, в предпочтительном варианте перед предварительным наполнением F1 выполняется продувка газообразного азота. Клапан 13 регулирования расхода газового топлива вспомогательной горелки открывается до степени открытия, соответствующей расходу топлива при незажженной коаксиальной струйной горелке в горелке F1 (во вспомогательной горелке 38). При этом система подачи газового топлива горелки F1 (включающая в себя клапан 13 регулирования расхода газового топлива вспомогательной горелки, трубу 11 газового топлива вспомогательной горелки, вспомогательный газовый коллектор 31 и форсунку 35 газового топлива) наполняется газовым топливом (предварительное наполнение F1). Промежуток времени предварительного наполнения F1 определяется объемом системы подачи газового топлива.
После завершения предварительно наполнения F1 клапан 9 регулирования расхода нефтяного топлива постепенно закрывается повторно, и количество нефтяного топлива в горелке F1 постепенно уменьшается. Одновременно постепенно открывается клапан 13 регулирования расхода газового топлива вспомогательной горелки, и постепенно увеличивается количество газового топлива в горелке F1 (F1: начало переключения топлива). В процессе переключения топлива зажигается коаксиальная струйная горелка в горелке F1, и появляется газовое пламя F1. В момент времени полного закрытия клапана 9 регулирования расхода нефтяного топлива и достижения заданной степени открытия клапана 13 регулирования расхода газового топлива вспомогательной горелки (например, степени полного открытия) переключение топлива завершается (завершение переключения топлива F1).
Выполнение переключения топлива с нефтяного топлива на газовое топливо в соответствии с логикой переключения топлива согласно варианту осуществления настоящего изобретения позволяет уменьшить количество появляющейся пыли в отработавшем газе и, следовательно, уменьшить заметность отработавшего газа. То есть, как показано на фиг. 5, начало сжигания газа с помощью горелки F2 перед переключением топлива в горелке F1 позволяет уменьшить количество появляющейся пыли даже при сгорании многокомпонентного топлива.
Выполнение переключения топлива F2 перед переключением топлива F1 позволяет ускорить окисление нефтяного топлива с помощью пламени F2 горелки F2 и снизить выбросы пыли. Кроме того, начало сгорания многокомпонентного топлива с помощью горелки F1 даже после переключения топлива F2 также позволяет ускорить окисление нефтяного топлива с помощью пламени F2 вследствие одновременного подвода топливного газа F2. Поэтому переключение топлива F1 при уже снизившемся расходе нефтяного топлива в процессе переключения топлива F2 приводит к уменьшению количества появляющейся пыли, обусловленной сгоранием многокомпонентного топлива F1.
Как указано выше, в варианте осуществления настоящего изобретения переключение топлива F1 выполняется после переключения топлива F2. В случае переключения топлива F2 топливный газ F1 не подается. Поэтому при переключении топлива F2, как указано выше, в коаксиальную струйную горелку в горелке F1 (во вспомогательной горелке 38) может подаваться газообразный азот. В случае обеспечения сгорания многокомпонентного топлива, включающего в себя сжигание нефти с помощью горелки F1 и сжигание газа с помощью горелки F2, подача газообразного азота в коаксиальную струйную горелку в горелке F1 (во вспомогательной горелке 38) приводит к подъему нефтяного пламени из нефтяных капель и к смешиванию испарившегося топлива с воздухом из основной горелки, что вызывает снижение локальной температуры пламени и позволяет подавить образование пыли.
Ниже со ссылкой на фиг. 6 приводится описание второго варианта осуществления настоящего изобретения. На фиг. 6 представлен вид спереди горелки, как было описано в первом варианте осуществления настоящего изобретения. Форсунка 37 нефтяного топлива, вспомогательная горелка 38 и основные горелки 39A-39F имеют ту же конструкцию, что и описанная в первом варианте осуществления. Однако во втором варианте осуществления, каждая из основных горелок 39 имеет множество топливных систем.
В камере сгорания согласно варианту осуществления в состоянии эксплуатации газовой турбины топливо подается во вспомогательную горелку и в основную горелку. Для достижения и низких выбросов NOx, и стабильного сгорания в предпочтительном варианте основную горелку разделяют на множество групп горелок, в которые газовое топливо впрыскивается в соответствии с нагрузкой. Например, как показано на фиг. 6, основные горелки разделены на группу (на горелку F2), включающую в себя основные горелки 39А, 39С, 39Е, и группу (горелку F3), включающую в себя основные горелки 39В, 39D, 39F. Вспомогательная горелка, соответствующая в горелке F2 и горелке F3, именуется горелкой F1. В случае частичной нагрузки сгорание выполняется с помощью горелки F1 или горелки F1 и горелки F2. В случае разделения основной горелки на группу горелки F2 и группу горелки F3 основные газовые коллекторы также разделяются на соответствующие коллекторы для групп F2 и F3. Система подачи газового топлива также разделяется на множество соответствующих групп. Для обеспечения стабильного сгорания в соответствии с нагрузкой возможно также разделение группы горелки F2 и группы горелки F3 на центральные горелки F2-1 и F3-1 и периферийные горелки F2-2 и F3-2. В этом случае соответствующим образом разделяются и основные коллекторы, и система подачи газового топлива. В рассматриваемом варианте осуществления горелка камеры сгорания включает в себя горелку F1, горелку F2-1, горелку F2-2, горелку F3-1 и горелку F3-2, причем с помощью горелки F1 может выполняться сжигание как нефти, так и газа.
В первом варианте осуществления сгорание с помощью горелки F2 выполняется перед переключением горелки F1 со сжигания нефти на сжигание газа, и вследствие этого уменьшается количество пыли, появляющейся из горелки F1. Второй вариант осуществления обеспечивает возможность выбора горелки F2 согласно первому варианту осуществления из горелок F2-1, F3-1, F2-2 и F3-2. В зависимости от переключаемой нагрузки газовой турбины в качестве горелки F2 могут быть выбраны горелки F2-1 и F3-1. Горелки F2-1, F3-1 размещены в центре основной горелки и обеспечивают режим сгорания, такой как диффузионное сгорание, что гарантирует поддержание состояния стабильного сгорания при переключении с обеспечения сгорания нефти на горелку F2.
Настоящее изобретение не ограничивается ни первым вариантом осуществления, ни вторым вариантом осуществления, рассмотренными выше, и включает в себя различные модификации. Приведенное выше подробное описание вариантов осуществления предназначено исключительно для облегчения понимания настоящего изобретения, которое не обязательно ограничивается одним вариантом, включающим в себя все рассмотренные выше конструкции. При этом возможно замещение части конструкций из одного варианта осуществления конструкциями из другого варианта осуществления. Один вариант осуществления может быть дополнен конструкцией из другого варианта осуществления. Часть конструкции соответствующих вариантов осуществления может быть также дополнена, удалена и заменена другой конструкцией.
Например, в дополнение к установке с IGCC, рассмотренной выше, камера сгорания газовой турбины согласно настоящему изобретению может быть использована и применительно к газовой турбине с использованием в качестве топлива газа коксовой печи (COG), который в качестве побочного газообразного продукта содержит водород, газа доменной печи (BFG), газа LD-конвертера (LDG: газ конвертера Линца Донавитца) или смеси этих газов, и к газовой турбине с использованием в качестве топлива побочного газообразного продукта, содержащего водород, получаемого на установках крекинга сырой нефти на нефтеперерабатывающем заводе.
Настоящее изобретение быть также использовано применительно к камере сгорания газовой турбины (например, к раскрытой в выложенной заявке на патент Японии, опубликованной под №Н7(1995)-280267), которая включает в себя вспомогательную горелку с форсункой впрыска топлива для диффузионного сгорания, размещенной в центре, и основную горелку с кольцевой форсункой предварительного смешения для впрыска смеси топлива и воздуха, установленной вокруг вспомогательной горелки. В рассмотренном выше случае вспомогательная горелка выполнена с возможностью комплектации форсункой спрыска нефтяного топлива и форсункой впрыска газового топлива, обеспечивающей сжигание как нефти, так и газа.
В рассмотренных выше вариантах осуществления основная горелка служит горелкой для сжигания газа. Однако основная горелка может быть выполнена с возможностью выполнения сжигания как нефти, так и газа. В случае невозможности использования газового топлива основная горелка, выполненная с возможностью обеспечения сгорания нефтяного топлива позволяет гарантировать гибкость в управлении турбинной установкой. В этом случае при переключении вспомогательной горелки со сжигания нефти на сжигание газа выполняется с помощью основной горелки.
В рассмотренных выше вариантах осуществления выполняется продувка газообразного азота. Однако продувка может быть выполнена с использованием и другого инертного газа.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
1 - компрессор;
2 - газовая турбина;
3 - камера сгорания;
4 - сжатый воздух;
5 - система подачи нефтяного топлива;
6 - система подачи газового топлива;
7 - система подачи азота;
8 - труба для нефтяного топлива;
9 - клапан регулирования расхода нефтяного топлива;
10 - труба для газового топлива;
11 - труба для газового топлива вспомогательной горелки;
12 - труба для газового топлива основной горелки;
13 - клапан регулирования расхода газового топлива вспомогательной горелки;
14 - клапан регулирования расхода газового топлива основной горелки;
15 - труба подачи азота;
16 - труба подачи азота во вспомогательную горелку;
17 - труба подачи азота в основную горелку;
18 - клапан регулирования расхода азота вспомогательной горелки;
19 - клапан регулирования расхода азота в основной горелке;
20 - газ сгорания;
21 - отработавший газ;
22 - раструб;
23 - генератор;
24 - кожух;
25 - переходной цилиндр;
26 - внутренний цилиндр;
27 - внешний цилиндр;
28 - торцевая крышка;
29 - основной газовый коллектор;
30 - основной газовый коллектор;
31- вспомогательный газовый коллектор;
32 - свеча зажигания;
33 - пластина с отверстиями для воздуха;
34 - отверстие для воздуха;
35 - форсунка газового топлива;
36 - уплотнительный элемент;
37 - форсунка нефтяного топлива;
38 - вспомогательная горелка;
39A-39F - основная горелка;
40 - устройство управления.
1. Способ эксплуатации камеры сгорания газовой турбины, которая включает в себя вспомогательную горелку и основную горелку, размещенную вокруг вспомогательной горелки, и в которой вспомогательная горелка выполнена с возможностью выполнения сжигания нефти и газа, а основная горелка выполнена с возможностью выполнения, по меньшей мере, сжигания газа, отличающийся тем, что
при переключении сгорания во вспомогательной горелке со сжигания нефти на сжигание газа газовое топливо подается в основную горелку и начинается сжигание газа в основной горелке, а затем газовое топливо подается во вспомогательную горелку и начинается сжигание газа во вспомогательной горелке.
2. Способ эксплуатации камеры сгорания газовой турбины по п. 1, отличающийся тем, что
в процессе подачи газового топлива в основную горелку и выполнения сжигания газа, во вспомогательную горелку, выполняющую сжигание газа, подается инертный газ.
3. Камера сгорания газовой турбины, которая включает в себя вспомогательную горелку и основную горелку, размещенную вокруг вспомогательной горелки, и в которой вспомогательная горелка выполнена с возможностью выполнения сжигания нефти и газа, а основная горелка выполнена с возможностью выполнения, по меньшей мере, сжигания газа, отличающаяся тем, что содержит:
систему подачи нефтяного топлива, выполненную с возможностью подачи нефтяного топлива в форсунку нефтяного топлива вспомогательной горелки и снабженную клапаном регулирования расхода нефтяного топлива;
систему подачи газового топлива вспомогательной горелки, выполненную с возможностью подачи газового топлива в форсунку газового топлива вспомогательной горелки и снабженную клапаном регулирования расхода газового топлива вспомогательной горелки;
систему подачи газового топлива основной горелки, выполненную с возможностью подачи газового топлива в форсунку газового топлива основной горелки и снабженную клапаном регулирования расхода газового топлива основной горелки; и
устройство управления, которое вырабатывает команду управления для регулирования степени открытия клапана регулирования расхода нефтяного топлива, клапана регулирования расхода газового топлива вспомогательной горелки и клапана регулирования расхода газового топлива основной горелки,
причем при переключении сгорания во вспомогательной горелке со сжигания нефти на сжигание газа устройство управления вырабатывает команды на постепенное закрытие клапана регулирования расхода нефтяного топлива, осуществляемое за счет уменьшения степени открытия этого клапана, и на постепенное открытие клапана регулирования расхода газового топлива основной горелки, осуществляемое за счет увеличения степени открытия этого клапана, а затем вырабатывает команды на постепенное открытие клапана регулирования расхода газового топлива вспомогательной горелки, выполняемое при поддержании клапана регулирования расхода газового топлива основной горелки открытым, и на полное закрытие клапана регулирования расхода нефтяного топлива.
4. Камера сгорания газовой турбины по п. 3, отличающаяся тем, что содержит систему подачи инертного газа, выполненную с возможностью подачи инертного газа в форсунку газового топлива вспомогательной горелки и снабженную клапаном регулирования расхода инертного газа,
причем устройство управления вырабатывает команду на открытие клапана регулирования расхода инертного газа в промежуток времени от момента открытия клапана регулирования расхода газового топлива основной горелки и создания пламени с помощью основной горелки до момента времени, предшествующего моменту открытия клапана регулирования расхода газового топлива вспомогательной горелки.
