Газотурбинная система с питанием обедненным топливом
Газотурбинная система с питанием обедненным топливом содержит компрессор, первую каталитическую камеру сгорания, турбину, рекуператор, канальную горелку и дополнительное устройство для введения вспомогательного топлива, расположенное на стороне всасывания компрессора и выполненное с возможностью повышения концентрации топлива в смеси путем добавления дополнительного вспомогательного топлива к смеси. Компрессор выполнен с возможностью сжатия смеси, полученной смешением топлива с воздухом и имеющей концентрацию, равную или меньшую предела возгораемости, для получения сжатого газа. Первая каталитическая камера сгорания выполнена с возможностью сожжения сжатого газа путем каталитического окисления. Турбина выполнена с возможностью приведения в действие рабочим газом, подаваемым из первой каталитической камеры сгорания. Рекуператор выполнен с возможностью нагревания сжатого газа выхлопным газом, выходящим из турбины, в то время как сжатый газ вводится из компрессора в первую каталитическую камеру сгорания. Канальная горелка расположена между турбиной и рекуператором и выполнена с возможностью сжигания выхлопного газа с помощью первого вспомогательного топлива в условиях пламенного горения. Изобретение повышает эффективность работы системы, упрощает ее конструкцию и предотвращает потерю топливного газа. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.
Область техники
Настоящее изобретение относится к газотурбинной системе с питанием обедненным топливом, предназначенной для использования горючего компонента, содержащегося в такой смеси, как топливо для этой системы, путем подведения смеси в двигатель системы, в которой получают смесь, например, смешением воздуха с низкокалорийным газом, таким как биогаз из твердых бытовых отходов (свалочный газ), генерированный на свалках, или тому подобных, и/или так называемого CMM (шахтного метана), газа, полученного из угольной шахты или тому подобного, с регулированием концентрации этой смеси до уровня, равного или более низкого, чем предел возгораемости, чтобы предотвратить непреднамеренное воспламенение такой смеси при ее сжатии компрессором этой системы.
Уровень техники
В традиционной технологии была известна газовая турбина, предназначенная для использования метанового компонента, содержащегося в смеси, такой как топливо для нее, введением газа в ее двигатель при концентрации метана, отрегулированной до уровня, более низкого, чем предел возгораемости. В газовой турбине этого типа концентрацию метана при необходимости регулируют в пределах диапазона, равного или более низкого, чем предел возгораемости, путем смешения газа с высокой концентрацией метана для получения газа с низкой концентрацией метана. Затем эту смесь сжимают компрессором, чтобы получить сжатый газ. После этого сжатый газ сжигают путем каталитического окисления в каталитической камере сгорания для получения рабочего газа, образованного продуктами сгорания. Этим путем турбина системы может быть приведена в действие полученным таким образом рабочим газом. В соответствии с этим выводимые из турбины выхлопные газы подают в рекуператор, с помощью которого может быть нагрет сжатый газ, вводимый в каталитическую камеру сгорания из компрессора (см., например, публикацию WO 2004/029433 А1 /далее - Документ 1/). В этой газовой турбине в качестве топлива для нее может быть использован низкокалорийный газ, такой как свалочный газ и/или CMM-газ, в частности так называемый газ VAM (вентиляционный шахтный метан), то есть газообразные вентиляционные выбросы, образованные из угольной шахты. Обычно этот газ VAM выводят или выбрасывают в атмосферу, поскольку концентрация метана в этом газе является равной или меньшей 1%, тем самым недостаточной для возможности сжигания такого газа при нормальных условиях сгорания. В то же время сейчас предпринимаются попытки навести порядок в отношении выбросов диоксида углерода (СО2) путем производства электрической энергии с использованием газовой турбины, в которой можно утилизировать такой газ VAM в качестве топлива для нее.
Однако в этой газовой турбине сжатый газ, подаваемый от компрессора, сжигают путем каталитического окисления в каталитической камере сгорания. Поэтому сжатый газ, подаваемый в каталитическую камеру сгорания, должен быть нагрет обычно до температуры 300°С или выше и иногда вплоть до температуры приблизительно 500°С, в зависимости от состава используемого катализатора. В частности, при пуске газовой турбины или во время ее работы с низкой нагрузкой нагревание сжатого газа производят только с помощью рекуператора, что имеет тенденцию быть недостаточным. Поэтому в таком случае необходимо дополнительно нагревать сжатый газ, например, с использованием вспомогательной нагревательной системы, например форкамеры или тому подобного. Например, согласно Документу 1 между компрессором и каталитической камерой сгорания размещают форкамеру, в которую подают газообразный пропан или т.п. и сжигают в этой форкамере с повышением давления этого газа, тем самым нагревая сжатый газ перед подачей его в каталитическую камеру сгорания. Однако в случае применения такой вспомогательной нагревательной системы нужно довольно сильно увеличивать габариты всего корпуса газовой турбины. В частности, в случае Документа 1 необходимо дополнительно предусматривать устройство для нагнетания топлива, предназначенное для нагнетания топлива, подводимого к форкамере, под определенным давлением, которое нужно создавать на выходе компрессора, что ведет к значительному снижению результирующей мощности, реально используемой для производства электроэнергии, тем самым в ущерб энергетическому выходу.
Кроме того, в том случае, в котором часть смеси, выведенной из компрессора, используют для охлаждения нагретых до высокой температуры деталей, таких как турбина и тому подобные, и/или применяют для уплотнения вала, газообразный метан, содержащийся в такой смеси, выделяется наружу, оставаясь непрореагировавшим. То есть будет происходить так называемая потеря топливного газа. В дополнение, такая потеря топливного газа будет также происходить при значительном ухудшении каталитической активности или производительности в каталитической камере сгорания.
Краткое описание изобретения
Поэтому задачей настоящего изобретения является создание газотурбинной системы с питанием обедненным топливом, которая может эффективно работать при значительном упрощении всей ее конструкции и в то же время также может успешно предотвращать упомянутую потерю топливного газа.
Для решения указанной задачи газотурбинная система с питанием обедненным топливом согласно изобретению содержит: компрессор, выполненный с возможностью сжатия смеси, полученной смешением топлива (то есть горючего компонента) с воздухом и имеющей концентрацию, равную или меньшую, чем порог возгораемости, чтобы получить сжатый газ; первую каталитическую камеру сгорания, выполненную с возможностью сжигания сжатого газа путем каталитического окисления; турбину, выполненную с возможностью приведения в действие рабочим газом, подводимым из первой каталитической камеры сгорания; рекуператор, выполненный с возможностью нагревания сжатого газа выхлопными газами, выводимыми из турбины, тогда как сжатый газ вводят из компрессора в первую каталитическую камеру сгорания; и канальную горелку, размещенную между турбиной и рекуператором и выполненную с возможностью сжигания первого вспомогательного топлива путем пламенного горения в выхлопных газах.
Согласно этой газотурбинной системе смесь с концентрацией, равной или меньшей, чем порог возгораемости, сжимают компрессором и затем полученный таким образом сжатый газ сжигают путем каталитического окисления в первой каталитической камере сгорания, в результате чего турбина может быть приведена во вращение имеющим высокое давление рабочим газом, полученным каталитическим окислением, тем самым приводя в движение потребитель мощности, такой как компрессор, электрический генератор и т.п. В случае, в котором температура на входе первой каталитической камеры сгорания не достигает определенной или заданной температуры для инициирования каталитического окисления (например, при пуске турбинной системы или при ее работе с частичной нагрузкой), в канальную горелку, размещенную на стороне выхода выхлопных газов из турбины, подают первое вспомогательное топливо из устройства для подачи первого вспомогательного топлива, чтобы температура выхлопных газов, выходящих из турбины, могла быть повышена путем пламенного горения первого вспомогательного топлива. В этом случае, поскольку давление выхлопных газов приблизительно равно атмосферному давлению, мощность, требуемая для повышения давления первого вспомогательного топлива, довольно мала. Затем выхлопные газы, подвергнутые воздействию для повышения температуры в результате пламенного горения первого вспомогательного топлива, направляют в рекуператор, где эти выхлопные газы, в свою очередь, подвергают теплообмену со сжатым газом, подводимым из компрессора в первую каталитическую камеру сгорания. В результате температура на входе первой каталитической камеры сгорания может быть повышена сжатым газом, подвергнутым воздействию с повышением температуры благодаря такому теплообмену, тем самым обеспечивая надлежащее каталитическое сгорание в первой каталитической камере сгорания. Этим путем газовая турбина может быть приведена во вращение, даже при использовании смеси с такой низкой концентрацией топлива (или концентрацией газообразного метана), которая имеет место в свалочном газе, газах CMM или VAM. Кроме того, применение каталитического окисления, безусловно, может предотвратить образование оксидов азота (NOx). Далее, в отличие от прототипа в газотурбинной системе согласно настоящему изобретению не применяют никакой вспомогательной нагревательной системы, такой как форкамера или т.п. Поэтому эта газотурбинная система может действовать с высокой эффективностью, причем вся ее конструкция значительно упрощается. Кроме того, применение метанового газообразного топлива, такого как газы CMM или VAM или т.п., безусловно, может сократить количество газообразного метана, выбрасываемого в атмосферу, тем самым способствуя предотвращению разогревания земли.
Предпочтительно газотурбинная система с питанием обедненным топливом согласно настоящему изобретению дополнительно включает вторую каталитическую камеру сгорания, предусмотренную между канальной горелкой и рекуператором. При такой компоновке температура выхлопных газов должна быть повышена горением канальной горелки только до такой температуры, которая может обеспечивать возможность каталитического сгорания во второй каталитической камере сгорания. Таким образом, количество первого вспомогательного топлива с относительно высокой концентрацией (или высокого качества), подаваемого в канальную горелку, может быть значительно уменьшено. Кроме того, в случае, в котором выводимый газ или воздух, подаваемый из компрессора, используют для охлаждения нагретых до высокой температуры деталей, таких как турбина и т.п., и/или применяют для уплотнения вала, смесь, то есть газ, выводимый после использования для такого охлаждения и/или уплотнения вала, будет смешиваться с выхлопными газами, протекающими на стороне ниже по потоку относительно турбины. В дополнение, даже когда каталитическая активность или производительность в каталитической камере сгорания значительно снижается, смесь, содержащая некоторое количество непрореагировавшего топлива, будет также смешиваться с выхлопными газами. Затем такие выведенные и непрореагировавшие смеси, соответственно смешанные в выхлопных газах, могут быть дополнительно сожжены во второй каталитической камере сгорания. Поэтому может быть надежно предотвращена потеря топливного газа, то есть ситуация, когда смесь выводится наружу, будучи непрореагировавшей или неиспользованной.
Предпочтительно газотурбинная система с питанием обедненным топливом согласно настоящему изобретению дополнительно включает устройство для введения второго вспомогательного топлива, размещенное между канальной горелкой и второй каталитической камерой сгорания и выполненное с возможностью введения второго вспомогательного топлива в выхлопные газы. Таким введением второго вспомогательного топлива в выхлопные газы, выходящие из канальной горелки в сторону второй каталитической камеры сгорания, может быть значительно снижено количество первого вспомогательного топлива с высокой концентрацией (или высокого качества), подаваемого для пламенного горения в канальной горелке. В этом случае, поскольку второе вспомогательное топливо сжигают путем каталитического окисления во второй каталитической камере сгорания, в качестве этого второго вспомогательного топлива может быть использовано топливо с относительной низкой концентрацией и малоценное.
Предпочтительно, газотурбинная система с питанием обедненным топливом согласно настоящему изобретению дополнительно содержит температурный датчик, выполненный с возможностью определения температуры на входе первой каталитической камеры сгорания, и устройство для управления подачей топлива, выполненное с возможностью регулирования, по меньшей мере, подводимого количества первого вспомогательного топлива, чтобы контролировать температуру на входе в пределах заданного диапазона. При такой компоновке, по меньшей мере, подводимое количество первого вспомогательного топлива можно регулировать для надежной настройки температуры на входе в пределах данного диапазона, тем самым со значительной экономией первого вспомогательного топлива.
Предпочтительно газотурбинная система с питанием обедненным топливом согласно настоящему изобретению дополнительно содержит устройство для введения третьего вспомогательного топлива, размещенное на стороне всасывания компрессора и выполненное с возможностью повышения концентрации топлива в смеси путем добавления третьего вспомогательного топлива в смесь. При этой компоновке, как только температура на входе первой каталитической камеры сгорания достигает заданной температуры во время пускового режима, третье вспомогательное топливо будут вводить из устройства для введения третьего вспомогательного топлива, чтобы повысить температуру рабочего газа, подводимого к турбине из первой каталитической камеры сгорания, тем самым повышая число оборотов двигателя.
Предпочтительно газотурбинная система с питанием обедненным топливом согласно настоящему изобретению дополнительно содержит устройство для введения воздуха, размещенное на стороне всасывания компрессора и выполненное с возможностью снижения концентрации топлива в смеси путем добавления воздуха к смеси. При такой компоновке в случае аварийной остановки двигателя воздух может быть подан в компрессор из устройства для введения воздуха, расположенного на стороне всасывания компрессора, в результате снижая концентрацию топлива в смеси и тем самым надлежащим образом подавляя непомерное повышение температуры в каталитической камере сгорания, что приводит к значительному сокращению времени, необходимого для остановки двигателя.
Предпочтительно в газотурбинной системе с питанием обедненным топливом согласно настоящему изобретению вдоль поверхности стенки в каждом проходе для выхлопных газов в рекуператоре размещают катализатор для окисления выхлопных газов. Поскольку с помощью этой компоновки можно устранить необходимость во второй каталитической камере сгорания, вся конструкция системы может быть еще более упрощена.
Предпочтительно газотурбинная система с питанием обедненным топливом согласно настоящему изобретению дополнительно содержит газосмесительный канал, выполненный с возможностью смешения топливной смеси и воздуха в выхлопных газах, выходящих из рекуператора; каталитический реактор, выполненный с возможностью окисления топливного компонента, содержащегося в выхлопных газах, смешанных со смесью, с помощью каталитического окисления; и теплообменник, выполненный с возможностью нагревания смеси, протекающей через газосмесительный канал, подвергнутыми окислению выхлопными газами, выводимыми из каталитического реактора. Эта компоновка может успешно предотвращать образование NOx, а также может обрабатывать довольно большое количество смеси, со значительным сокращением количества газообразного метана, выбрасываемого наружу, даже в случае применения в качестве смеси газа с низкой концентрацией метана, такого как CMM, VAM или т.п.
Эффекты изобретения
Таким образом, согласно изобретению газотурбинная система с питанием обедненным топливом может работать эффективно, причем вся конструкция ее значительно упрощается, без необходимости в дополнительной нагревательной системе, такой как форкамера или т.п., как представлено в прототипе.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - схематическая диаграмма, которая иллюстрирует газотурбинную систему с питанием обедненным топливом согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 2 - вид в перспективе рекуператора для применения во втором варианте осуществления настоящего изобретения; и
Фиг. 3 - схематическая диаграмма, которая иллюстрирует газотурбинную систему с питанием обедненным топливом согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения.
Наилучший способ реализации изобретения
Далее будут описаны некоторые предпочтительные варианты осуществления изобретения со ссылкой на чертежи.
Во-первых, как показано в Фиг. 1, газотурбинная система GT с питанием обедненным топливом согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения содержит компрессор 1, первую каталитическую камеру 2 сгорания с использованием катализатора, такого как платина, палладий и/или т.п., и турбину 3. В этой системе смесь G1 из воздуха и топлива (то есть горючего компонента), такого как низкокалорийный газ, например свалочный газ, генерированный на свалках, или т.п., газ CMM и/или VAM, образующийся в угольной шахте, или т.п., сжимают в компрессоре 1. Затем полученный сжатый газ G2 подают в первую каталитическую камеру 2 сгорания и сжигают в ней в присутствии катализатора, такого как платина, палладий и/или т.п. После этого рабочий газ G3 под высоким давлением, полученный путем такого сгорания, подают на турбину 3. Тем самым турбина 3 может быть приведена в движение. В этом случае, поскольку концентрация (то есть концентрация горючего компонента) топлива, содержащегося в смеси G1, является меньшей, чем предел возгораемости, этот газ G1 воспламеняться не будет, даже будучи сжатым в компрессоре 1. Турбина 3 соединена с компрессором 1 вращающимся валом 5 так, что компрессор 1, в свою очередь, может быть приведен в движение турбиной 3. Кроме того, на выходе газотурбинной системы GT приводится в действие электрический генератор 4, то есть вид потребителя мощности в этой системе. Этим путем компонуют систему 50 для производства электроэнергии, включающую в себя газотурбинную систему GT. При необходимости концентрация топлива в смеси G1 может быть повышена надлежащим добавлением к газу G1 горючего компонента с высокой концентрацией.
Далее, газотурбинная система GT содержит рекуператор 6, выполненный с возможностью нагревания сжатого газа G2, вводимого из компрессора 1 в первую каталитическую камеру 2 сгорания, и канальную горелку 7, размещенную между турбиной 3 и рекуператором 6 и выполненную с возможностью сжигания выхлопных газов G4. Более конкретно, рекуператор 6 может служить для нагревания сжатого газа G2 выхлопными газами G4, выходящими из турбины 3, тогда как канальная горелка 7 может служить для сжигания выхлопных газов G4 путем пламенного горения первого вспомогательного топлива F1. В этом случае первое вспомогательное топливо F1, такое как природный газ или т.п., которое может быть подвергнуто пламенному сгоранию (или может быть сожжено в пламени), может быть подведено к канальной горелке 7 от источника 11 подачи первого вспомогательного топлива с помощью устройства 8 для подачи первого вспомогательного топлива, составленного, например, клапаном для регулирования расхода потока. В соответствии с этим выхлопные газы G4, выведенные из рекуператора 6, будут выпущены в атмосферу после глушения выхлопа в глушителе (не показан).
Дополнительно, в варианте исполнения, показанном в Фиг. 1, вторую каталитическую камеру 9 сгорания с использованием катализатора, такого как платина, палладий и/или т.п., размещают между канальной горелкой 7 и рекуператором 6, и устройство 13 для введения второго вспомогательного топлива, такое как впрыскивающее сопло или т.п., выполненное с возможностью введения второго вспомогательного топлива F2 в выхлопные газы G4, размещают в канале для выхлопных газов, проходящем между второй каталитической камерой 9 сгорания и канальной горелкой 7. В этом случае второе вспомогательное топливо F2, которое подобно смеси G1, может быть подведено к устройству 13 для введения второго вспомогательного топлива от источника 15 подачи второго вспомогательного топлива через устройство 14 для подачи второго вспомогательного топлива, такое как клапан для регулирования расхода потока. Кроме того, на стороне всасывания первой каталитической камеры 2 сгорания размещают первый температурный датчик 71, выполненный с возможностью определения температуры на входе (то есть входной температуры) первой каталитической камеры 2 сгорания.
В дополнение, в блоке 21 управления, выполненном с возможностью управления всей системой, предусмотрено устройство 22 для управления подачей топлива. Устройство 22 для управления подачей топлива может служить для получения сигнала об определяемой температуре, посланного ему первым температурным датчиком 71, и затем выдачи управляющих сигналов устройствам 8, 14 для подачи первого и второго вспомогательного топлива. Более конкретно, устройство 22 для управления подачей топлива выдает управляющие сигналы для соответствующего управления устройствами 8, 14 для подачи первого и второго вспомогательного топлива, основываясь на значении температуры, определяемой первым температурным датчиком 71, тем самым регулируя величину подачи каждого из первого и второго вспомогательного топлива F1, F2. Этим путем температуру на входе первой каталитической камеры 2 сгорания можно поддерживать постоянной (или в пределах предварительно заданного диапазона) сообразно повышению числа оборотов газотурбинной системы GT. Однако в этом случае температуру на входе первой каталитической камеры 2 сгорания можно регулировать в пределах заданного диапазона только регулированием количества топлива, подводимого из устройства 8 для подачи первого вспомогательного топлива.
Далее, в подводящем канале, расположенном на стороне выше по потоку относительно компрессора 1, размещают устройство 17 для введения третьего вспомогательного топлива, такое как впрыскивающее сопло или т.п. Это устройство 17 для введения третьего вспомогательного топлива предусмотрено для повышения концентрации смеси G1 путем добавления третьего вспомогательного топлива F3 к смеси G1. А именно, в этом случае третье вспомогательное топливо F3, подобное природному газу, имеющее концентрацию топлива (то есть концентрацию метана) выше, чем в смеси G1, может быть подведено к устройству 17 для введения третьего вспомогательного топлива от источника 19 для подачи третьего вспомогательного топлива через устройство 18 для подачи третьего вспомогательного топлива, такое как клапан для регулирования расхода потока. Опять-таки, устройство 18 для подачи третьего вспомогательного топлива управляется устройством 22 для управления подачей топлива в блоке 21 управления. При такой компоновке, как только температура на входе первой каталитической камеры 2 сгорания достигает заданной температуры, третье вспомогательное топливо F3 может быть подано для смешения со смесью G1 из устройства 18 для подачи третьего вспомогательного топлива на основании выходного сигнала от устройства 22 для управления подачей топлива, тем самым повышая число оборотов газотурбинной системы GT.
Поскольку каждое из первого и второго вспомогательного топлива F1, F2 вводят в канал для выхлопных газов, проходящий от турбины 3 и поддерживаемый приблизительно при атмосферном давлении, мощность, необходимая для сжатия каждого из таких топлив с использованием любого подходящего топливного насоса, является довольно низкой. Кроме того, поскольку третье вспомогательное топливо F3 сжимают компрессором 1 газотурбинной системы GT, нет необходимости в размещении любого дополнительного топливного насоса для дополнительного сжатия такого топлива F3.
Кроме того, в подводящем канале на стороне выше по потоку относительно компрессора 1 размещают устройство 23 для введения воздуха, такое как регулировочный клапан или т.п., выполненное с возможностью добавления воздуха А к смеси G1.
А именно, в газотурбинной системе GT с вышеописанной конструкцией смесь G1 воздуха и топлива, содержащую низкокалорийный газ, такой как свалочный газ, газ CMM и/или т.п., сначала сжимают в компрессоре 1 и затем полученный сжатый газ G2 сжигают путем каталитического окисления в первой каталитической камере 2 сгорания. Таким образом, турбина 3 может быть приведена во вращение рабочим газом G3 с высоким давлением, полученным в результате такого сгорания, тем самым приводя в движение потребитель мощности, такой как компрессор 1, электрический генератор 4 и т.п. В этом случае при пуске газотурбинной системы GT электрический генератор 4 используется как стартер и служит для поддержания числа оборотов газотурбинной системы GT на низком уровне.
Когда число оборотов газотурбинной системы GT является относительно малым (например, при пуске системы GT и/или во время периода работы с частичной нагрузкой) и если температура, определяемая первым температурным датчиком 71, размещенным на стороне всасывания первой каталитической камеры 2 сгорания, не достигает заданной температуры (например, температуры, равной или превышающей 300°С), при которой может быть инициировано каталитическое окисление в первой каталитической камере 2 сгорания, первое вспомогательное топливо F1 подают на канальную горелку 7, размещенную на стороне выхода выхлопных газов из турбины 3, из устройства 8 для подачи первого вспомогательного топлива на основании сигнала или команды, выданных устройством 22 для управления подачей топлива в блоке 21 управления. Затем при такой подаче первого вспомогательного топлива F1 выхлопные газы G4, выходящие из турбины 3, будут сгорать не в результате каталитического сгорания (или сгорания в присутствии катализатора), а путем пламенного горения. После этого выхлопные газы G4, подвергнутые обработке пламенным горением, подают в рекуператор 6 и подвергают в нем теплообмену со сжатым газом G2, подводимым из компрессора 1 к первой каталитической камере 2 сгорания. Таким образом, температура сжатого газа G2 может быть повышена, тем самым увеличивая температуру на входе первой каталитической камеры 2 сгорания, так что в ней может быть инициировано каталитическое сгорание.
В канальной горелке 7 температура выхлопных газов G4 должна быть повышена только до такой температуры, которая может обеспечить возможность каталитического сгорания во второй каталитической камере 9 сгорания. Поэтому количество первого вспомогательного топлива F1, подводимого к канальной горелке 7, может быть значительно сокращено. При необходимости низкокалорийное второе вспомогательное топливо F2, которое подобно смеси G1, может быть подведено в канал для выхлопных газов из устройства 14 для подачи второго вспомогательного топлива. Таким образом, может быть дополнительно сэкономлено первое вспомогательное топливо F1 с относительно высокой концентрацией топлива.
Как только температура на входе первой каталитической камеры 2 сгорания, определяемая первым температурным датчиком 71, достигает заданной температуры и превышает ее во время пускового режима газотурбинной системы GT, третье вспомогательное топливо F, имеющее концентрацию топлива выше, чем концентрация в смеси G1, будет подано и примешано к смеси G1 из устройства 13 для подачи третьего вспомогательного топлива на основании выходного сигнала, посланного от устройства 22 для управления подачей топлива. В результате, температура рабочего газа G3, подводимого из первой каталитической камеры 2 сгорания, может быть повышена, тем самым увеличивая число оборотов газотурбиной системы GT.
В соответствии с этим во время нормальной работы газотурбинной системы GT температура на входе первой каталитической камеры 2 сгорания определяется первым температурным датчиком 71, и затем количество каждого из первого до третьего вспомогательного топлива F1-F3, соответственно, подводимое из устройств 8, 14, 18 для подачи от первого до третьего вспомогательного топлива, регулируется устройством 22 для управления подачей топлива на основе результата определения. Далее, в ответ на условия выхлопа газотурбинной системы GT температура на входе первой каталитической камеры 2 сгорания регулируется в пределах заданного диапазона (например, 300°С или выше). Этим путем каталитическое сгорание в первой каталитической камере 2 сгорания может быть выполнено с высокой эффективностью. В дополнение, для дополнительного контроля температуры на входе первой каталитической камеры 2 сгорания первое или второе вспомогательное топливо F1 или F2 может быть подведено в канал для выхлопных газов, насколько это требуется, из устройства 8 для подачи первого вспомогательного топлива или устройства 14 для подачи второго вспомогательного топлива.
Далее, при аварийной остановке газотурбинной системы GT будет открываться канал 23 для введения воздуха, размещенный на стороне всасывания компрессора 1, благодаря чему температура смеси G1 может быть снижена введением воздуха в смесь G1 из канала 23 для введения воздуха. В результате температура, для этого момента повышенная вследствие реакции горения в первой каталитической камере 2 сгорания, может быть быстро снижена, тем самым значительно сокращая время, необходимое для полного прекращения работы газотурбинной системы GT.
Как правило, в газовой турбине воздух, выведенный из компрессора, используют для охлаждения деталей, нагретых до высокой температуры, таких как турбина и т.п., и/или применяют для уплотнения вала, и затем такой выведенный воздух после использования для охлаждения и/или уплотнения вала будет смешиваться с выхлопными газами, протекающими на стороне ниже по потоку относительно турбины. Соответственно, в этом варианте исполнения смесь G1 после использования для охлаждения и/или уплотнения вала смешивается с выхлопными газами G4. Далее, после смешения с выхлопными газами G4 смесь G1 будет сгорать во второй каталитической камере 9 сгорания. Поэтому так называемая потеря топливного газа или газообразного метана (то есть ситуация, когда газообразный метан, содержащийся в смеси G1, выпускается наружу, будучи непрореагировавшим или неиспользованным) может быть успешно предотвращена. В дополнение, даже когда каталитическая активность или производительность в первой каталитической камере 2 сгорания значительно ухудшается, топливо, которое может быть выпущено, будучи непрореагировавшим, из такой первой каталитической камеры 2 сгорания, может быть дополнительно сожжено во второй каталитической камере 9 сгорания, тем самым дополнительно предотвращая потерю топливного газа.
Как описано выше, поскольку в этом варианте исполнения не используют никакой нагревательной системы, такой как форкамера или т.п., газотурбинная система GT может работать с высокой эффективностью, причем общая конструкция ее значительно упрощается, тогда как потеря смеси может быть успешно предотвращена.
Фиг. 2 иллюстрирует рекуператор 6 для применения во втором варианте осуществления настоящего изобретения, в котором этот рекуператор 6 может быть также использован в качестве второй каталитической камеры 9 сгорания. Как показано в чертеже, рекуператор 6 представляет собой теплообменник пластинчато-ребристого типа, составленный многочисленными пластинами 31 и ребрами 32, соответственно уложенными в стопу попеременно друг на друга. Передняя поверхность рекуператора 6 может служить в качестве впускного канала 34 для выхлопных газов G4, тогда как задняя поверхность его может служить в качестве выпускного канала для выхлопных газов G4. В этом случае многочисленные проходы 36 для выхлопных газов G4 размещены соответственно протяженными через рекуператор 6 от его передней поверхности до его задней поверхности. Кроме того, правая боковая сторона рекуператора 6 может служить в качестве впускного канала 38 для сжатого газа G2, тогда как левая боковая сторона его может служить в качестве выпускного канала 39 для сжатого газа G2. А именно, многочисленные проходы 40 для сжатого газа G2 размещены соответственно протяженными через рекуператор 6 от его правой боковой стороны до левой боковой стороны. Каждое ребро 32 сформировано гофрированной пластиной так, что могут быть образованы проходы 36, 40 соответственно, причем каждое ребро 32 размещено между двумя соседними плоскими пластинами 31. Более конкретно, проходы 36 для выхлопных газов G4 и проходы 40 для сжатого газа G2 соответственно размещены попеременно в вертикальном направлении, в то же время соответственно располагаясь перпендикулярно относительно друг друга.
Далее, поверхность стенки каждого прохода 36 для выхлопных газов G4 несет на себе или содержит катализатор, такой как платина, палладий и/или т.п., используемый для каталитического окисления при горении или сгорании выхлопных газов G4. Благодаря такой компоновке можно устранить необходимость в размещении второй каталитической камеры 9 сгорания, показанной в Фиг. 1, и можно дополнительно упростить всю конструкцию газотурбинной системы GT.
Фиг. 3 иллюстрирует третий вариант осуществления настоящего изобретения, в котором окислительный блок 60, выполненный с возможностью окисления смеси G1 с утилизацией тепла выхлопных газов G4, выведенных из рекуператора 6, добавляют к системе 50 генерирования электрической энергии из вышеописанного первого варианта исполнения, показанного в Фиг. 1. Этот вариант исполнения предназначен для дополнительного сокращения количества выбросов в атмосферу газообразного метана, содержащегося в газах CMM или VAM. Окислительный блок 60 включает газосмесительный канал 61, предназначенный для добавления смеси G1, содержащей газообразный метан, такой как газ CMM или VAM, к выхлопным газам G4, выходящим из рекуператора 6, каталитический реактор 62, выполненный с возможностью окисления путем каталитического окисления топливного компонента, содержащегося в смешанных выхлопных газах G5, образованных добавлением смеси G1 к выхлопным газам G4, то есть топлива, содержащегося в смеси G1, и теплообменник 63, выполненный с возможностью нагревания смеси G1, протекающей через газосмесительный канал 61, с использованием окисленных выхлопных газов G6, выведенных из каталитического реактора 62. На стороне впускного канала каталитического реактора 62 размещают второй температурный датчик 72, выполненный с возможностью определения температуры на входе каталитического реактора 62, то есть температуры смешанных выхлопных газов G5, образованных добавлением смеси G1 к выхлопным газам G4. В этом случае сигнал об определяемой температуре от второго температурного датчика 72 поступает в блок 21 управления системой 50 генерирования электрической энергии, и затем блок 21 управления регулирует количество воздуха, направляемого воздуходувным устройством 64, на основе температуры смешанных выхлопных газов G4, определяемой датчиком 72. Этим путем можно регулировать количество смеси G1, примешиваемой к выхлопным газам G4, тем самым регулируя температуру на входе каталитического реактора 62, в пределах надлежащего диапазона (например, от 250 до 300°С) для каталитического окисления. В то время как окислительный блок 60 согласно этому варианту исполнения управляется блоком 21 управления системы 50 генерирования электрической энергии, этот окислительный блок 60 может управляться еще одним особым контроллером, размещенным отдельно от блока 21 управления.
Вместо применения газов CMM или VAM в настоящем изобретении может быть использован любой другой подходящий газ, при условии, что этот газ является горючим или содержит надлежащее количество горючего компонента.
Как указано выше, в то время как предпочтительные варианты исполнения были показаны и описаны в качестве примеров, их следует толковать так, что в объеме настоящего изобретения могут быть сделаны их разнообразные модификации и/или изменения.
1. Газотурбинная система с питанием обедненным топливом, содержащая: компрессор, выполненный с возможностью сжатия смеси, полученной смешением топлива с воздухом и имеющей концентрацию, равную или меньшую предела возгораемости, для получения сжатого газа; первую каталитическую камеру сгорания, выполненную с возможностью сожжения сжатого газа путем каталитического окисления; турбину, выполненную с возможностью приведения в действие рабочим газом, подаваемым из первой каталитической камеры сгорания; рекуператор, выполненный с возможностью нагревания сжатого газа выхлопным газом, выходящим из турбины, в то время как сжатый газ вводится из компрессора в первую каталитическую камеру сгорания; канальную горелку, расположенную между турбиной и рекуператором и выполненную с возможностью сжигания выхлопного газа с помощью первого вспомогательного топлива в условиях пламенного горения; и дополнительное устройство для введения вспомогательного топлива, расположенное на стороне всасывания компрессора и выполненное с возможностью повышения концентрации топлива в смеси путем добавления дополнительного вспомогательного топлива к смеси.
2. Система по п.1, дополнительно содержащая вторую каталитическую камеру сгорания, расположенную между канальной горелкой и рекуператором.
3. Система по п.2, дополнительно содержащая еще одно дополнительное устройство для введения вспомогательного топлива, расположенное между канальной горелкой и второй каталитической камерой сгорания и выполненное с возможностью введения еще одного дополнительного вспомогательного топлива в выхлопной газ.
4. Система по любому из пп.1-3, дополнительно содержащая температурный датчик, выполненный с возможностью определения температуры на входе первой каталитической камеры сгорания, и устройство для управления подачей топлива, выполненное с возможностью регулирования, по меньшей мере, подводимого количества первого вспомогательного топлива, чтобы регулировать входную температуру в пределах заданного диапазона.
5. Система по любому из пп.1-3, дополнительно содержащая устройство для введения воздуха, расположенное на стороне всасывания компрессора и выполненное с возможностью снижения концентрации топлива в смеси путем добавления воздуха к смеси.
6. Система по любому из пп.1-3, в которой катализатор для окисления выхлопного газа расположен вдоль поверхности стенок прохода для выхлопного газа в рекуператоре.
7. Система по любому из пп.1-3, дополнительно содержащая газосмесительный канал, выполненный с возможностью добавления смеси топлива и воздуха к выхлопному газу, выходящему из рекуператора; каталитический реактор, выполненный с возможностью окисления топливного компонента, содержащегося в выхлопном газе, смешанным со смесью, путем каталитического окисления; и теплообменник, выполненный с возможностью нагревания смеси, протекающей через газосмесительный канал, окисленным выхлопным газом, выходящим из каталитического реактора.
