Газотурбинная установка и способ разгона газотурбинной установки

 

Изобретение предназначено для использования в двигателестроении. Для привода гребного винта судна имеют основной двигатель с турбонагнетателем и для электроснабжения вспомогательныq двигатель, подающий через вспомогательный генератор электрический ток в сеть переменного напряжения. Избыточные газы сгорания основного двигателя, собирающиеся в емкости для отработавших газов и не требующиеся для привода турбонагнетателя, через лишь один быстродействующий первый запорный орган с временем закрытия 1 с подводятся к газовой турбине, приводящей синхронную машину. Для запуска блока турбины - генератор закрывается второй быстродействующий запорный орган, соответственно байпасный клапан, имеющий время открытия <1 с и одновременно открывается первый запорный орган. При запуске при разомкнутом выключателе пусковые сопротивления через выключатели подключены к статорным обмоткам синхронной машины, так что она является нагруженной и не может прокручиваться. Синхронная машина, нагруженная при запуске всеми пусковыми сопротивлениями, достигает при полной нагрузке газовой турбины с номинальной мощностью число оборотов в допустимом диапазоне частот статического преобразователя тока. Если необходимая для этого мощность газовой турбины является слишком малой, то отдельные пусковые сопротивления могут отключаться один за другим. Статический преобразователь тока принимает на себя после разгона через нагрузочное сопротивление да- льнейшее регулирование и синхронизацию. 2 с. и 8 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение касается газотурбинной установки согласно ограничительной части п.п. 1 и 4 формулы изобретения. Изобретение относится также к способу разгона газотурбинной установки согласно ограничительной части п. 6 формулы изобретения.

С помощью ограничительной части пп. 1, 4 и 6 формулы изобретения этим изобретением делается ссылка на уровень техники, известный из патента ФРГ N 3900612. Там описывается генераторная установка с турбиной, работающей на отработавших газах для судовых дизельных двигателей с установленным на валу генератором и без него, у которой избыточная часть отработавших газов дизельного двигателя подводится к рабочей турбине. Синхронный генератор с внешним возбуждением подает энергию в бортовую сеть. Величина настраиваемого через управляемый статический выпрямитель тока, соответственно, антидуктор, сопротивления для нагрузки турбогенератора при исчезновении нагрузки сети назначена таким образом, что оно меньше сетевого сопротивления турбогенератора. Перед запуском турбины и открытием клапана отработавших газов возбуждают генератор, зажигают антидуктор и размыкают сетевой выключатель. Вслед за тем с помощью регулирования частоты и установки тока нагрузки в нагрузочном сопротивлении за счет антидуктора частоту турбогенератора приводят к частоте буртовой сети и синхронизируют с ней.

Байпасный клапан для отработавших газов выполнен в виде углового клапана, а не быстродействующего клапана. При возникновении нежелательных избыточных чисел оборотов закрывается быстродействующий клапан закрытия, расположенный в том же подводящем трубопроводе турбины, что и клапан для отработавших газов. В связи с тем, что в случае судовых турбин работают с тяжелым моторным топливом, при лишь спорадическом включении в работу быстродействующего клапана закрытия может происходить коксование и тем самым нарушение функционирования.

Для нагружения сопротивления синхронного генератора при разгоне требуется сравнительно дорогое управление для антидуктора, который уже при очень низких частотах должен быть управляемым для того, чтобы еще не подключенный к бортовой сети генератор не прокручивался.

В отношении уровня техники делается ссылка далее на европейский патент N 0398138, согласно которому нетребующийся отработавший газ двигателя внутреннего сгорания с наддувом через рабочую турбину используют для привода асинхронного генератора. При этом давление перед рабочей турбиной используется в качестве регулирующей переменной для органа относительно медленного закрытия и органа быстродействующего закрытия в трубопроводе подвода газа к газовой турбине, а также для быстрооткрывающегося в случае аварии байпасного клапана. Во время ускорения запорные органы и байпасный клапан останавливаются в промежуточном положении, обеспечивающем дальнейшее ускорение генератора до его номинального числа оборотов. Для того чтобы генератор мог присоединяться к относительно слабой судовой сети без ударного импульса, клапан горячего газа должен быть постоянно регулируемым, так чтобы вблизи от номинального числа оборотов ускорение было достаточно малым.

Изобретение, определенное в пп. 1, 4 и 6 формулы изобретения, решает задачу дальнейшей разработки газотурбинной установки названного вначале вида таким образом, чтобы обеспечивалась возможность более простой эксплуатации.

Преимущество изобретения состоит в том, что для управления газовой турбиной достаточно двух быстродействующих клапанов. Для этих клапанов являются необходимыми лишь рабочие положения "открыт" и "закрыт". За счет их относительно частого приведения в действие предупреждается коксование. Возможно имеющиеся отложения на уплотнительных поверхностях за счет быстрого движения механически удаляются, так что возникает определенный эффект самоочищения. Благодаря быстрым процессам переключения в сборнике отработавших газов практически незаметны изменения давления, так что двигателю внутреннего сгорания не создаются помехи в работе.

Для разгона синхронной машины может использоваться недорогой обычный статический преобразователь тока, который только вблизи от номинального числа оборотов синхронной машины должен принимать на себя ее регулирование.

На фиг. 1 показана газотурбинная установка с двумя дизельными двигателями и двумя генераторами; на фиг. 2 - диаграмма: число оборотов - время для пояснения разгона генератора.

Эксплуатируемый в качестве основного двигателя 5 судовой дизельный двигатель, соответственно двигатель внутреннего сгорания, для привода гребного винта, получает со стороны входа напорный воздух от компрессора 2 и выдает со стороны входа через емкость для отработавших газов 6 отработавшие газы сгорания через турбину с наддувом 4 в отводящий газопровод, соответственно дымовую трубу 1. Турбина с наддувом 4 приводит через вал 3 компрессор 2 и образует совместно с ним и валом 3 турбонагнетатель. Основной двигатель 5 имеет номинальную мощность 40 МВт и номинальное число оборотов 93 об/мин.

Избыточные отработавшие газы сгорания, не требующиеся для привода турбонагнетателя 2 - 4, подводят через первый запорный орган, соответственно клапан турбины, соответственно первый быстродействующий клапан, соответственно быстродействующий клапан закрытия 9, к рабочей турбине, соответственно газовой турбине 10, находящейся со стороны выхода в соединении с дымовой трубой 1. Газовая турбина 10 имеет номинальную мощность 1,2 МВт и номинальное число оборотов 1800 об/ мин. Для газовой турбины 10 емкость для отработавших газов 6 действует в качестве источника газа. Этот источник дополнительно через второй запорный орган, соответственно второй быстродействующий клапан, соответственно байпасный клапан 8, соединен с дымовой трубой 1. Для обоих клапанов 8, 9 требуются лишь два рабочих положения - "открыт" и "закрыт". Исполнительное время обоих клапанов 8, 9 составляет в направлении закрытия и открытия соответственно 0,5 с. Важным является то, что при трогании с места, соответственно выключения, а также в случае неисправности, например при исчезновении нагрузки, время закрытия быстродействующего клапана закрытия 9 и время открытия байпасного клапана 8 < 1 с, так что давление в емкости для отработавших газов 6 практически не изменяется в течение исполнительного времени, и основной двигатель практически не ощущает процесс переключения, и газовая турбина 10 в случае нарушения не может прокручиваться. Давление в емкости для отработавших газов 6 не должно отличаться от стационарного давления более чем на 20%, преимущественно более чем на 10%.

Такого рода быстродействующие клапаны 8, 9 можно приобрести, например, у немецкой фирмы "Оль-Индустри-техник Теодор Оль-Аг", Блюменродер штрассе 3, D 6250 Лимбург (Лан, под наименованием "Оль-быстропереключающие клапаны". Оба клапана 8, 9 так же, как и статический преобразователь тока нагрузки 15, управляются регулирующим и управляющим устройством 14.

Является достаточным, когда клапан турбины 9 открывается медленнее и байпасный клапан 8 закрывается медленнее, причем соответствующее исполнительное время может находиться в диапазоне 1 с - 5 с. Является предпочтительным, когда при запуске газовой турбины 10 клапан турбины 9 начинает открываться с запаздыванием на 0,3-кратную величину от его исполнительного времени по сравнению с началом закрытия байпасного клапана 8, так как за счет этого могут удерживаться в пределах допустимых предельных величин колебания давления в емкости для отработавших газов 6.

Газовая турбина 10 через редуктор 11 и муфту 12 механически соединена с ротором генератора, соответственно 3-фазной синхронной машины 16, которая является подключаемой электрически со стороны статора через выключатель (SC) к бортовой сети, соответственно сети переменного напряжения 18 с переменным напряжением 440 В и номинальной частотой 60 Гц. Статорные обмотки синхронной машины 16 в начале или до начала разгона синхронной машины 16 через коммутирующие элементы, соответственно пусковые выключатели (S₁ - S_n), подключены к пусковым сопротивлениям (R₁ - R_n). Пусковые выключатели (S₁ - S_n) могут быть, например, контакторами или полупроводниковыми вентилями. Дополнительно статорные обмотки синхронной машины 16 через коммутирующий дроссель (L) и по меньшей мере одно нагрузочное сопротивление (R) соединены со статическим преобразователем тока нагрузки 15, который нуждается в том, чтобы быть рассчитанным лишь для диапазона частот вблизи от номинальной частоты сети переменного напряжения 18, то есть для диапазона частот 54 Гц - 66 Гц. В качестве статического преобразователя тока нагрузки 15 может использоваться задатчик трехфазного тока или статический преобразователь тока для приводов постоянного тока.

Если в качестве статического преобразователя тока нагрузки 15 используют регулирующий ток статический преобразователь тока, то его сторона постоянного тока может закорачиваться, а коммутирующий дроссель L может проектироваться меньшим, чем в иных случаях. В качестве преимущества при этом рассматривается повышенное развязывание за счет нагрузочного сопротивления R от сети переменного напряжения 18, так что уменьшаются влияния помехи за счет высших гармоник.

Нагруженная при запуске всеми пусковыми сопротивлениями R₁ - R_n синхронная машина 16 достигает при полной нагрузке газовой турбины 10 с номинальной мощностью число оборотов n в допустимом диапазоне частот статического преобразователя тока 15. Если необходимая для этого мощность газовой турбины является слишком малой, то отдельные пусковые сопротивления R₁ - R_n могут друг за другом отключаться. После разгона статический преобразователь тока нагрузки 15 берет на себя регулирование числа оборотов и синхронизацию синхронной машины 16 с сетью переменного напряжения 18. Для регулирования числа оборотов с помощью регулирующего и управляющего устройства 14, управляющего статическим преобразователем тока нагрузки 15, может применяться принадлежащий обычно статическому преобразователю тока 15 регулятор числа оборотов с приданным ему регулятором тока.

Если статический преобразователь тока нагрузки 15 однажды откажет, то контактор, соответственно выключатель с нулевой точкой SD, может закоротить входную сторону статического преобразователя тока нагрузки 15 и, таким образом, нагрузить синхронную машину 16 всем нагрузочным сопротивлением R и тем самым действовать как электрический тормоз.

В связи с тем, что потребление электрической мощности судна в нормальном случае выше, чем максимальная мощность газовой турбины 10, дополнительно к основному двигателю 5 предусмотрен следующий дизельный двигатель, соответственно вспомогательный двигатель 19, который также имеет находящийся в соединении с дымовой трубой 1 турбонагнетатель 2 - 4 и механически соединен с ротором вспомогательного генератора 20, являющегося подключаемым со стороны статора через выключатель SA к сети переменного напряжения 18. Избыток электрической энергии может отдаваться через неизображенный электродвигатель на вал судна.

Далее описывается "газовый запуск" синхронной машины 16 в связи с диаграммой число оборотов - время на фиг. 2. На фиг. 2 по оси абсцисс нанесено время t и по оси ординат - число оборотов n синхронной машины 16. n_N обозначает номинальное число оборотов синхронной машины 16, при n_N - 1800 об/мин в соответствии с номинальной частотой сети переменного напряжения 18 60 Гц. Предельное число оборотов n15 соответствует нижней предельной частоте рабочего диапазона статического преобразователя тока нагрузки 15, например 54 Гц.

В неподвижном состоянии и в нижнем диапазоне чисел оборотов синхронная машина 16 возбуждается со стороны ротора внешним образом. Ее статорные клеммы соединены со всеми пусковыми сопротивлениями R₁ - R_n, которые по меньшей мере кратковременно могут воспринимать полную мощность газовой турбины 10. Отдаваемое на статорные клеммы напряжение в первом приближении является пропорциональным числу оборотов (n). Преобразуемая в пусковых сопротивления R₁ - R_n мощность увеличивается квадратически вместе с увеличением напряжения.

Процесс запуска вводится за счет того, что открывают быстродействующий клапан турбины 9 и одновременно закрывают быстродействующий байпасный клапан 8. Освобожденный таким образом газовый поток ускоряет блок турбина - генератор 10 - 16 до тех пор, пока при первом равновесном числе оборотов n₁ в момент времени t₁ не устанавливается равновесное состояние между подведенной газовой мощностью и преобразованной в пусковых сопротивлениях R₁ - R_n в тепло электрической мощностью, ср. кривую B.

Если это равновесное состояние находится при числе оборотов n между 0,9 - и 1,1-кратной величиной от номинального числа оборотов n_N, ср. кривую A, то статический преобразователь тока нагрузки 15, начиная с момента времени t₃, при котором достигнуто предельное число оборотов n₁₅, может принимать на себя дальнейшее регулирование.

Если газовой мощности не хватает для того, чтобы ускорить блок турбина - генератор 10 - 16 с приведением в заданный диапазон числа оборотов, то каскад сопротивлений из нескольких пусковых сопротивлений R₁ - R_n или одно пусковое сопротивление, например R₁, изымают к моменту времени t₂, 10 с после момента времени t₁, ср. кривую B. Изъятый каскад сопротивлений может быть максимально таким, чтобы новое равновесное состояние было при максимально допустимой 1,1-кратной величине от номинального числа оборотов n_N. Этот процесс может неоднократно повторяться до тех пор, пока блок турбина - генератор 10 - 16 также при малой газовой мощности ускоряется приблизительно до номинального числа оборотов n_N. В случае кривой B при втором равновесном числе оборотов n₂ к моменту времени t₅ достигается второе равновесное состояние. Через 10 с к моменту времени t₆ отключается следующее пусковое сопротивление, например R₂, и к моменту времени t₇ достигается равновесное состояние в пределах регулирования статического преобразователя тока нагрузки 15. С помощью статического преобразователя тока нагрузки 15 теперь бесступенчатым образом и быстро может регулироваться число оборотов n. Такого рода регулирование числа оборотов является пригодным для того, чтобы синхронизировать синхронную машину 16 с сетью переменного напряжения 18 и обеспечить определенное распределение эффективной нагрузки при длительном режиме работы.

Отключение каскада сопротивлений или одного пускового сопротивления R₁ - R_n может делаться зависимым от того, что временное изменение числа оборотов n является меньшим, чем задаваемая предельная величина, равная, например, 0,5 Гц/с.

Особенно предпочтительным является, когда для разгона синхронной машины 16 пусковые сопротивления R₁ - R_n переключают на статический преобразователь тока нагрузки 15 (не изображено), и тогда они могут занять место нагрузочного сопротивления R и заменить его.

Само собой разумеется, что такого рода разгон синхронной машины 16 с помощью электрической части установки 13 с пусковыми сопротивлениями R₁ - R_n является применимым также тогда, когда механическая часть установки 7 блока турбина - генератор 10 - 16 имеет более чем 2 клапана 8, 9.

Сеть переменного напряжения 18 может иметь отличное от приведенного переменное напряжение и, например, сетевую частоту 50 Гц. Также мощности основного двигателя 5, вспомогательного двигателя 19 и газовой турбины 10 могут иметь отличные от приведенных выше величин.

Вместо описанного выше газового запуска также может быть предусмотрен запуск статического преобразователя тока с помощью пускового статического преобразователя частоты 17, присоединяемого через выключатель SB к сети переменного напряжения 18, как штриховыми линиями обозначено на фиг. 1. При этом синхронную машину 16 используют в качестве двигателя, ускоряющего газовую турбину 10, при закрытом клапане турбины 9 до номинального числа оборотов n_N. Блок турбина - генератор 10 - 16, таким образом, может разгоняться с малым риском при хорошей регулируемости, так как при прерывании в передаче мощности только прекращается ускорение и блок турбина - генератор 10 - 16 выбегает с торможением от естественного трения.

Формула изобретения

1. Газотурбинная установка, снабженная газовой турбиной, механически соединенной с синхронной машиной, а также соединенной с одной стороны через первый запорный орган с источником газа и с другой стороны с отводящим газопроводом, причем источник газа через второй запорный орган соединен с отводящим газопроводом, отличающаяся тем, что первый запорный орган имеет время закрытия меньше 1 с, а второй запорный имеет время открытия меньше 1 с.

2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что источник газа (6) выполнен в виде емкости для отработавших газов двигателя внутреннего сгорания (5), причем давление емкости для отработавших газов (6) отличается от стационарного давления, устанавливающегося при открытом втором запорном органе (8) и закрытом первом запорном органе (9), не более чем на 20%, например, не более чем на 10%.

3. Установка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что статор синхронной машины (16) находится в электрическом рабочем соединении с последовательной схемой по меньшей мере из одного нагрузочного сопротивления R и одного управляемого статического преобразователя тока (15), а также дополнительно находится в рабочем соединении по меньшей мере с одной последовательной схемой из пускового сопротивления R₁ - R_n и выключателя S₁ - S_n.

4. Газотурбинная установка, снабженная газовой турбиной (10), находящейся в механическом рабочем соединении с синхронной машиной (16), статор которой находится в электрическом рабочем соединении с последовательной схемой по меньшей мере из одного нагрузочного сопротивления R и одного управляемого статического преобразователя тока (15), отличающаяся тем, что статор синхронной машины (16) дополнительно находится в рабочем соединении по меньшей мере с одной последовательной схемой из пускового соединения R₁ - R_n и выключателя S₁ - S_n.

5. Установка по п. 3 или 4, отличающаяся тем, что пусковому сопротивлению или пусковым сопротивлениям заданы такие параметры по мощности, что их суммарная воспринимаемая мощность больше, чем наибольшая возможная рабочая мощность на клеммах синхронной машины (16) при эксплуатации.

6. Способ разгона газотурбинной установки, снабженной газовой турбиной (10), находящейся в механическом рабочем соединении с синхронной машиной (16), причем статор синхронной машины (16) находится в электрическом рабочем соединении с последовательной схемой по меньшей мере из одного нагрузочного сопротивления и одного управляемого статического преобразователя тока (15), отличающийся тем, что в начале или до начала разгона статор синхронной машины (16) подключают по меньшей мере к одному сопротивлению R₁ - R_n и тем самым электрически нагружают и по достижении зависимого от мгновенной газовой мощности в газовой турбине (10) равновесного числа оборотов n₁, n₂ синхронной машины (16) в соответствии с равновесием мощности отключают по меньшей мере одно пусковое сопротивление R₁ - R_n.

7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что в зависимости от достижения предельного числа оборотов n₁₅ синхронной машины (16) включают статический преобразователь тока (15), который принимает на себя регулирование чисел оборотов, причем предельное число оборотов n₁₅ соответствует нижней предельной частоте рабочего диапазона статического преобразователя тока (15).

8. Способ по п. 6 или 7, отличающийся тем, что при нескольких включенных сначала пусковых сопротивлениях R₁ - R_n отключают друг за другом отдельные пусковые сопротивления R₁ - R_n для повышения числа оборотов n синхронной машины (16), в частности в зависимости от достижения равновесия мощности.

9. Способ по одному из пп. 6 - 8, отличающийся тем, что в случае неисправности статического преобразователя тока (15) полностью подключают к статору синхронной машины (16) по меньшей мере одно включенное последовательно со статическим преобразователем тока (15) нагрузочное сопротивление R.

10. Способ по одному из пп. 6 - 9, отличающийся тем, что начало открытия первого запорного органа (9) задерживают по времени по отношению к началу закрытия второго запорного органа.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2