Способ пуска и газоснабжения энергетической газотурбинной установки

 

Способ пуска и газоснабжения энергетической газотурбинной установки, содержащей турбокомпрессор с камерой сгорания, дожимной компрессор топливного газа, внешний пусковой двигатель, автоматическую расцепную муфту, осуществляют путем раскрутки вала турбокомпрессора от пускового двигателя (например, паровой турбины) до пусковых оборотов, предварительно жестко связав их общим валом и соединив его через автоматическую расцепную муфту с валом турбокомпрессора газотурбинной установки. Затем подают пар на пусковую паровую турбину и раскручивают с ее помощью дожимной компрессор топливного газа и вал турбокомпрессора газотурбинной установки вплоть до пусковых оборотов. Подают и зажигают топливный газ в камере сгорания. Отсоединяют вал пускового двигателя расцепной муфтой от вала турбокомпрессора. Повышают расход пара на паровую турбину и увеличивают обороты дожимного компрессора топливного газа до 10000 - 15000 об./мин, обеспечивающих давление топливного газа за дожимным компрессором, соответствующее требуемому уровню мощности газотурбинной установки. 1 ил.

Изобретение относится к области энергетики, а точнее к способам пуска и газоснабжения газотурбинных и парогазовых установок на газообразном топливе.

Известны способы пуска газотурбинных установок (ГТУ) путем раскрутки ротора ГТУ с помощью внешних двигателей (стартеров) - электрических, газотурбинных, ДВС, воздушных и паровых турбин. (Стационарные газотурбинные установки: Справочник. / Под ред. Л.В.Арсеньева и В.Г.Тырышкина.-Л.: Машиностроение, 1989, стр. 376-377).

Известны способы газоснабжения ГТУ топливным газом как непосредственно от газопроводов высокого давления, так и от дожимных компрессоров топливного газа в случае недостаточно высокого давления газа в подводящем газопроводе. Дожимные компрессоры могут иметь как самостоятельные внешние приводные двигатели, чаще электрические, так и приводиться непосредственно от вала ГТУ.

Недостатками способов пуска и газоснабжения ГТУ с применением внешних двигателей для раскрутки ротора ГТУ и привода дожимных компрессоров топливного газа являются недостаточные надежность, экономичность и безопасность, определяемые наличием дополнительных систем электро-, топливо- и воздухоснабжения пусковых двигателей и дожимных компрессоров, протяженными газопроводами высокого давления между дожимными компрессорами и ГТУ.

Известен также способ пуска и газоснабжения энергетических ГТУ, ротор дожимного компрессора топливного газа которых непосредственно связан с валом ГТУ и, через автоматическую расцепную муфту, с внешним пусковым двигателем. Согласно этому способу, принятому нами в качестве прототипа, внешним пусковым двигателем - электродвигателем или паровой турбиной раскручивают вал ГТУ и дожимного компрессора до пусковых оборотов, после чего подают топливный газ в камеру сгорания ГТУ, воспламеняют его от запальника, отсоединяют вал пускового двигателя от вала ГТУ, останавливают пусковой двигатель и, увеличивая подачу топливного газа в камеру сгорания, выводят ГТУ вместе с дожимным компрессором на рабочие обороты (Основные концепции по использованию газотурбинных и парогазовых технологий в теплофикации. - М.: ГО ВНИПИЭНЕРГОПРОМ, 1993).

Этому способу также присущи недостатки. У одновальных энергетических ГТУ частота вращения ротора определяется частотой электрического тока (обычно 50 герц). При таких оборотах дожимной компрессор топливного газа должен иметь большое число ступеней, значительную массу, габариты и стоимость. В случае, если дожимной компрессор связан общим валом с турбокомпрессором ГТУ, необходимо согласование характеристик газовой турбины турбокомпрессора, его воздушного компрессора и дожимного компрессора топливного газа. В последнем случае в составе ГТУ оказывается невозможным применение турбокомпрессоров серийных авиационных и судовых газотурбинных двигателей.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что в известном из прототипа способе пуска и газоснабжения ГТУ (согласно которому внешним пусковым двигателем, например паровой турбиной, раскручивают роторы ГТУ и дожимного компрессора до пусковых оборотов, подают топливный газ от дожимного компрессора в камеру сгорания ГТУ и воспламеняют его от запальника, отсоединяют с помощью расцепной муфты вал паровой турбины и, увеличивая подачу топлива в камеру сгорания, выводят ГТУ на рабочие обороты), предварительно жестко связывают роторы паровой турбины и дожимного компрессора топливного газа общим валом, последний соединяют в валом ГТУ автоматической расцепной муфтой, проводят пусковые операции аналогично прототипу, но после расцепления валов автоматической муфтой подают на паровую турбину дополнительный расход пара, увеличивая обороты связанного с ней дожимного компрессора, давление и расход топливного газа в камеру сгорания до уровня, соответствующего требуемой мощности ГТУ. Благодаря этому повышается надежность, экономичность и безопасность пуска и газоснабжения ГТУ.

На чертеже показана одна из возможных схем для реализации предлагаемого способа пуска и газоснабжения ГТУ. Основными элементами схемы являются: 1 - регулирующий клапан; 2 - пускоприводная паровая турбина; 3 - дожимной компрессор топливного газа, ротор которого жестко связан с ротором турбины 2; 4 - расцепная муфта; 5 - запорный клапан; 6 - компрессор ГТУ; 7 - камера сгорания ГТУ; 8 - турбина ГТУ, ротор которой жестко связан с ротором компрессора 6; 9 - свободная силовая турбина; 10 - электрогенератор, ротор которого жестко связан с ротором турбины 9; 11 - сетевой подогреватель.

Предлагаемый способ пуска и газоснабжения ГТУ осуществляется следующим образом. Открывая регулирующий клапан 1, подают пар в турбину 2, раскручивают ротор пускового турбокомпрессора, состоящий из жестко связанных роторов пускоприводной турбины 2 и дожимного компрессора топливного газа 3, а также связанный с ним через расцепную муфту 4 ротор турбокомпрессора ГТУ, состоящий из жестко связанных роторов компрессора 6 и турбины 8. Запорный клапан при этом закрыт, и топливный газ в камеру сгорания 7 не поступает.

После достижения упомянутыми связанными роторами пусковых оборотов открывают запорный клапан 5, подают топливный газ от дожимного компрессора 3 в камеру сгорания 7 и воспламеняют его запальником. Образующиеся продукты сгорания направляются в турбину ГТУ 8, раскручивая упомянутые связанные роторы, и далее в свободную силовую турбину 9, раскручивая ротор турбогенератора, не связанный механически с ротором ГТУ.

По мере раскрутки связанных роторов пускового турбокомпрессора и турбокомпрессора ГТУ при определенных пусковых оборотах происходит автоматическое расцепление расцепной муфты 4 и отсоединение ротора пускового турбокомпрессора от ротора ГТУ. Открытием регулирующего клапана 1 увеличивают расход пара на паровую турбину 2, обеспечивая повышение числа оборотов этой турбины и дожимного компрессора топливного газа до 10000-15000 об/мин и давления топливного газа за компрессором 3 до требуемого уровня. Ротор турбогенератора выходит на рабочие обороты (3000 об/мин), которые в дальнейшем поддерживаются автоматически неизменными на всех нагрузках от мощности холостого хода до номинальной. Продукты сгорания, расширившись в свободной силовой турбине 9 и произведя работу, направляются в сетевой подогреватель 11 и далее в атмосферу.

Изменение нагрузки ГТУ и электрогенератора осуществляют, регулируя расход топливного газа в камеру сгорания ГТУ 7 за счет открытия регулирующего клапана 1, изменения частоты вращения ротора пускового турбокомпрессора и соответствующего изменения давления топливного газа за дожимным компрессором 3.

Предлагаемый способ пуска и газоснабжения ГТУ обладает преимуществами перед известными способами, в том числе и прототипом. Обеспечивается совмещение процессов пуска дожимного компрессора 3 и турбокомпрессора ГТУ от общего пускового двигателя - паровой турбины 2. Связь вала турбокомпрессора ГТУ с общим валом паровой турбины 2 и дожимного компрессора 3 через расцепную муфту 4 позволяет применять в составе ГТУ турбокомпрессоры серийных авиационных и судовых двигателей без их переделки, так как после достижения пусковых оборотов производится расцепление муфты 4 и дальнейший набор оборотов турбокомпрессора ГТУ и выход его на требуемую нагрузку производят, регулируя подачу топлива в камеру сгорания ГТУ. Паровая турбина 2 используется как для пуска ГТУ, так и при ее работе под нагрузкой, и обеспечивает привод дожимного компрессора 3. После достижения пусковых оборотов и расцепления муфты 4 расход пара на турбину 2 увеличивают, благодаря чему увеличивают число оборотов дожимного компрессора 3 до уровня, необходимого для получения требуемого давления газа за дожимным компрессором 3. Высокие обороты последнего (10000-15000 об/мин) обеспечивают его выполнение с меньшим числом ступеней при большей напорности каждой ступени.

Благодаря этому могут быть значительно снижены габариты, вес и стоимость дожимного компрессора. Что облегчит выполнение совмещенной компоновки паровой турбины, дожимного компрессора и газотурбинного двигателя, сократит до минимума длину газопровода высокого давления и в значительной степени снимет проблему пожаро- и взрывобезопасности установки.

Формула изобретения

Способ пуска и газоснабжения энергетической газотурбинной установки, содержащей турбокомпрессор с камерой сгорания, дожимной компрессор топливного газа, внешний пусковой двигатель, автоматическую расцепную муфту, путем раскрутки вала турбокомпрессора и дожимного компрессора от пускового двигателя до пусковых оборотов, подачи и зажигания топливного газа в камере сгорания, отсоединения пускового двигателя от турбокомпрессора, вывода последнего на рабочие обороты за счет увеличения расхода и давления топливного газа, отличающийся тем, что при пуске предварительно жестко связывают общим валом пусковой двигатель (например, паровую турбину) и дожимной компрессор и соединяют его через автоматическую расцепную муфту с валом турбокомпрессора газотурбинной установки, подают пар на пусковую паровую турбину и раскручивают с ее помощью дожимной компрессор топливного газа и вал турбокомпрессора газотурбинной установки вплоть до пусковых оборотов, отсоединяют вал пускового двигателя расцепной муфтой от вала турбокомпрессора, повышают расход пара на паровую турбину и увеличивают обороты дожимного компрессора топливного газа до 10000 - 15000 об./мин, обеспечивающих давление топливного газа за дожимным компрессором, соответствующее требуемому уровню мощности газотурбинной установки.

РИСУНКИ

Рисунок 1