Спосіб регулювання подачі палива і повітря у камеру згоряння одновальної енергетичної газотурбінної установки

1. Спосіб регулювання подачі палива і повітря у камеру згоряння одновальної енергетичної газотурбінної установки, що включає попереднє змішування палива з повітрям, дозування палива по каналах чергової і основної зон горіння, який відрізняється тим, що подачу повітря в чергову і основну зони горіння регулюють газодинамічно струменями палива в струменелопаткових пристроях, а процес подачі палива розбивають на етапи. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що при пуску, при відносних частотах обертання ротора установки до 0,7-0,8 від режиму холостого ходу, підтримують паливним дозатором чергової зони горіння швидкість збільшення подачі палива від 0,003 Gпал XX до 0,005 Gпал XX кг/ч/с, підтримують у діапазоні відносних частот обертання ротора від 0,7-0,8 до 0,95 холостого ходу швидкість збільшення подачі палива від 0,004 Gпал XX до 0,01 Gпал XX кг/ч/с, переходять у діапазоні відносних час C2 2 UA 1 3 79855 кий Г. Г. Снижение концентраций оксидов азота в выбросах ГТУ. Теплоэнергетика № 3, 1990, стор. 65-71]. Недоліками цих способів є невисока експлуатаційна надійність, чутливість до зовнішніх впливів, схильність до режимів з пульсацією факелу, конструктивна складність і висока вартість реалізації. Найбільш близьким до пропонованого винаходу по сукупності ознак є спосіб за [патентом RU №2162953 С2, кл. 7 F02C9/26, опублік. 10.02.2001]. Відповідно до цього способу, камера згоряння ГТУ складається з виносних жарових труб (ВЖТ), кожна ВЖТ має чергову й основну зони горіння. Чергова зона горіння кожної ВЖТ містить один пальник, основна зона - шість пальників. На виході з камери згоряння змонтовані елементи системи регулювання повітря, що включають вікна перепуску повітря і металеву стрічку перепуску, яка може бути в положенні "Закрито" чи "Відкрито". Чергова зона має дозатор палива. Основна зона розбита на чотири контури, кожний з який має свій дозатор палива. Запуск ГТУ і вихід на режим прогріву здійснюється подачею палива в чергову зону камери згоряння. Після прогріву подають паливо в перший основний контур, що містить шість ВЖТ, розташованих симетрично щодо осі камери. Збільшення потужності ГТД здійснюється плавним збільшенням витрати палива до режиму, коли температура полум'я в основній зоні включених ВЖТ досягає заданого рівня. У цих ВЖТ дозатором 1-го основного контуру підтримують температуру полум'я постійною. При подальшому підвищенні потужності ГТД включається 2-ий основний контур, що подає паливо в основну зону чергових ВЖТ. При досягненні заданого рівня температури полум'я за пальниками ВЖТ, що обслуговуються 2-м контуром, включається 3-й і так далі. Зниження потужності ГТД роблять у зворотному порядку. Витрата палива в черговій зоні з ростом режиму зменшується по визначеному закону, тому що зменшується потреба у вогневій підтримці основних контурів, а внесок чергової зони в генерацію оксидів азоту значний. Кожний дозатор палива включає у свій склад процесор, у якому розраховується температура в полум'ї в залежності від коефіцієнта надлишку повітря, температури повітря на вході в камеру згоряння і типу палива. Процесор дає команду на зміну витрати палива для підтримки заданого значення температури полум'я. При включенні першого контур у, для підви щення стійкості горіння і зменшення викидів оксидів азоту і незгорілих вуглеводнів, збагачують паливо-повітряну суміш (ППС) у зоні горіння. Це роблять включенням системи перекидання частини повітря з зони горіння на вихід камери згоряння шляхом відкриття вікон перепуску. Приведений спосіб має наступні недоліки: - зниження паливної ефективності й експлуатаційної надійності ГТД, обумовлені окружною нерівномірністю температурного поля за ВЖТ камери згоряння; 4 - ускладнення регулювання і зниження експлуатаційної надійності ГТД через наявність п'яти дозаторів палива; - збільшення вартості і зниження експлуатаційної надійності ГТД через наявність на кожнім дозаторі процесора; - система перекидання частини повітря з зони горіння на вихід камери згоряння за допомогою стрічки перепуску не є надійною і може привести до порушення пульсацій тиску потоку; - для точного розрахунку температури полум'я за пальниками ВЖТ необхідний вимір витрати повітря через ВЖТ, що в умовах експлуатації нездійсненний. Помилки в розрахунку температури полум'я можуть привести до фактичного збільшення викидів оксидів азоту ГТД; - конструктивна складність і висока вартість реалізації способу. Задачею винаходу є забезпечення надійної і стійкої роботи камери згоряння одновальної енергетичної ГТУ в широкому діапазоні експлуатаційних режимів, з низьким рівнем емісії оксидів азоту NОх , окису вуглецю CO і незгорілих вуглеводнів CmHn , при невисокій вартості реалізації способу. Поставлена задача вирішується тим, що у відомому способі регулювання подачі палива в ГТД, що включає процеси попереднього змішання палива з повітрям, дозування палива по каналах чергової й основної зон горіння, відповідно до винаходу, подачу повітря в чергову й основну зони горіння регулюють газодинамічне в струменелопаткових пристроях, а процес подачі палива розбивають на етапи, кожному з яких відповідає найбільш доцільний закон регулювання подачі палива, для забезпечення надійної роботи камери згоряння і мінімального рівня шкідливих викидів в атмосферу. На пуску, при відносних частотах обертання ротора ГТУ до 0,7-0,8 від режиму холостої ходи (XX), - режиму синхронізації електрогенератора з мережею, паливним дозатором чергової зони горіння підтримують швидкість збільшення подачі палива від 0,003GXX до 0,005 GXX кг/ч/с (де GтопXX витрата палива на XX, кг/ч), у діапазоні відносних частот обертання ротора від 0,7-0,8 до 0,95 від режиму XX, підтримують швидкість збільшення подачі палива від 0,004 GXX до 0,1 GXXкг/ч/с, у діапазоні відносних частот обертання ротора понад 0,95 від режиму XX, переходять на закон підтримки постійної частоти обертання ротора ГТУ на режимі XX. Момент підключення/відключення основної зони горіння визначають максимальноприпустимою витратою палива через чергову зону, скоректованим за розрахунковоекспериментальними залежностями на значення температури зовнішнього повітря і положення вхідного напрямного апарата компресора ГТУ. Підключення основної зони горіння по витраті палива роблять стрибкоподібне, з величиною стрибка рівною від 0,05 Gmax до 0,1 G max (де G max витрата палива ГТУ на максимальному режимі, кг/ч), при наявності запалення ППС основної зони горіння, дозатор палива основної зони переводять у режим регулювання на заданий режим по потуж 5 79855 ності, а дозатор палива чергової зони переводять на регулювання за законом підтримки заданої витрати палива через чергову зону, скоректованого по розрахунково-експериментальних залежностях на значення температури зовнішнього повітря і положення вхідного направляючого апарата компресора ГТУ. При потужностях вище XX, при переході на заданий режим роботи витримують швидкість набору/скидання потужності до 14МВт/хв., а при роботі на заданому режимі по потужності, витримують закони сталості частоти обертання й активної потужності електрогенератора, з дотриманням обмежень по середній температурі газу за турбіною і по максимальній і мінімальній витратах палива. Наявність відмітних ознак у пропонованому винаході, відсутніх у прототипі й аналогах, дозволяють одержати наступні позитивні ефекти. 1. Газодинамічне регулювання подачі повітря в стр умене-лопатковому пристрої дозволяє одержати наступне: - на низьких режимах роботи ГТУ при малій витраті палива, коли працює лише чергова зона камери згоряння, забезпечується стійке горіння з високою повнотою згоряння палива, за рахунок збагачення ППС чергової зони камери згоряння; - на високих режимах роботи ГТУ при великій витраті палива, коли працюють чергова й основна зони горіння камери згоряння, забезпечується низький рівень шкідливих викидів за рахунок використання в процесі горіння збідненої ППС шляхом спеціального розподілу палива і повітря між черговою й основною зонами горіння камери згоряння; - газодинамічне регулювання подачі повітря відіграє роль регулятора витрати повітря, припускає вплив струменів палива на потоки повітря в міжлопаткових каналах завихрювачів чергової й основної зон горіння і забезпечує додатково якісне перемішування палива з повітрям, що виключає локальні високотемпературні зони горіння і, відповідно, забезпечує низький рівень викидів NOx; - струмене-лопатковий пристрій газодинамічного регулювання не містить частин, що рухаються, не вимагає яких-небудь механічних приводів і пристроїв, що послабляють чи порушують газощільність корпусу камери згоряння і підвищує таким чином експлуатаційну надійність і економічність ГТУ, з одночасним зниженням вартості конструкції. 2. Розбивка процесу подачі палива на етапи, кожному з яких, відповідає найбільш оптимальний закон регулювання подачі палива для забезпечення надійної роботи і мінімуму шкідливих викидів в атмосферу, забезпечує постійну роботу камери згоряння без загасання факелу, вібраційного горіння і проскакування полум'я аж до режиму XX, що сприяє підвищенню експлуатаційної надійності і зниженню темпів вироблення ресурсу ГТУ. 3. Регулювання основної зони на заданому режимі по потужності, а чергової зони - за законом підтримки заданої витрати палива, скоректованого по розрахунково-експериментальних залежностях на значення температури зовнішнього повітря і положення вхідного направляючого апарата компресора ГТУ в сукупності з газодинамічним регулю 6 ванням подачі повітря забезпечує перехід на будьякий режим роботи ГТУ аж до максимального з мінімально припустимим закидом температури газу, зі збереженням усталеної роботи камери згоряння при мінімальному рівні шкідливих викидів, що забезпечує підвищення експлуатаційної надійності, зниження темпів вироблення ресурсу ГТУ, екологічну чистоту ГТУ. На Фіг.1 зображена схема камери згоряння. На Фіг.2 - міжлопатковий канал струменелопаткового пристрою (розріз А-А Фіг.1). На Фіг.3 - зображена лопатка струменелопаткового пристрою (розріз В-В Фіг.2). Пристрій містить (див. Фіг.1) камеру згоряння 1, що включає жарову тр убу 2 з пальниковим пристроєм 3, канали підведення палива 4 і 5 в основну і чергову зони горіння відповідно, з керованими через процесори паливними дозаторами. Пальниковий пристрій 3 містить струмене-лопаткові пристрої 6 і 7 газодинамічного регулювання чергової й основної зон горіння, розташовані на вході в камери змішання 8 і 9 чергової й основної зон горіння. У жаровій трубі 2, на виході з камер змішування 8 і 9 сформовані чергова 10 і основна 11 зони горіння. Струмене - лопаткові пристрої газодинамічного регулювання чергової й основної зон горіння містять вінці, що складаються з радіальних лопаток 12 (див. Фіг.2, 3), у тілі кожної лопатки є канал 13 для підведення палива. Канали 13 мають отвори 14, спрямовані перпендикулярно напрямку руху потоку повітря в міжлопатковому каналі 15. Спосіб здійснюється таким чином. На режимі максимальної потужності ГТУ паливо і повітря в чергову 10 і основну 11 зони горіння подаються в пропорції, що забезпечує температуру в зонах горіння з мінімумом утворення NOx, CO, C mHт. Повітря з компресора ГТУ надходить у міжтрубний простір камери згоряння 1, рухається по протитечії, омиває зовнішню поверхню жарової труби 2 і входить у струмене-лопаткові пристрої 6 і 7 чергової й основної зон горіння. Гідравлічні опори, а відповідно і витрати повітря визначаються, як геометричними характеристиками лопаткових пристроїв, так і взаємодіями струменів палива з потоками повітря в міжлопаткових каналах струменелопаткових пристроїв. Струмене-опаткові пристрої виконують дві основні функції. Перша - функція керованого дозатора повітря в зонах горіння, а друга - функція ступіні початкової гомогенізації ППС. Витрата палива і гідравлічний опір струменелопаткових пристроїв на режимі максимальної потужності мають найбільші значення. Зі струмене-лопаткових пристроїв 6 і 7 ППС надходить у камери змішання 8 і 9, де остаточно завершується процес її гомогенізації. Далі ППС надходить у чергову 10 і основну 11 зони горіння, де процес горіння протікає при температурах, що забезпечують мінімум утворення NOx, CO, C mHn. На режимі пуску ГТУ паливо через струмене лопатковий пристрій 6 і камеру змішання 8 подається тільки в чергову зону горіння 10. У зв'язку з відсутністю подачі палива в основну зону горіння 11 струмені палива в струмене - лопатковому пристрої 7 не впливають на потоки повітря в міжлопаткових каналах і, відповідно, гідравлічні опори про 7 79855 точної частини основної зони 7-9-11 зменшуються, а витрата повітря через неї збільшується. Це обумовлює зменшення витрати повітря через чергову зону горіння і при витратах палива, що забезпечують процес пуску ГТУ, ППС стає збагаченою. Така підготовка ППС сприяє стійкому процесу горіння і зменшенню можливості потухання жарових труб на пуску. Подача палива на етапі пуску від розпалення камери згоряння до режиму XX ГТУ забезпечує надійну, усталену роботу камери згоряння за умови підтримки керованим дозатором палива чергової зони в діапазоні відносних частот обертання до 0,7-0,8 від режиму XX швидкості збільшення подачі палива від 0,003 GXX до 0,005 GXX кг/ч/с (де GXX - витрата палива на XX, кг/ч), у діапазоні відносних частот обертання ротора від 0,70,8 до 0,95 від режиму XX, підтримують швидкість збільшення подачі палива від 0,004 GXX до 0,01 GXX кг/ч/с, у діапазоні відносних частот обертання ротора понад 0,95 від режиму XX, переходять на закон підтримки постійної частоти обертання ротора ГТУ на режимі XX. При наборі потужності від режиму XX до режиму ГТУ, що вимагає підключення основної камери згоряння, паливо і повітря в чергову зону горіння 10 подаються з виконанням умови підтримки дозатором палива чергової зони постійної швидкості набору потужності до 14 МВт/хв. Момент підключення/відключення основної зони горіння 11 визначають максимальноприпустимою витратою палива через чергову зону горіння 10, скоректованим по розрахунковоекспериментальних залежностях на значення температури зовнішнього повітря і положення вхідного направляючого апарата компресора ГТУ. Підключення основної зони 11 горіння по витраті палива роблять стрибкоподібне, з величиною стрибка рівною від 0,05 Gmax до 0,1 G max (де G max витрата палива ГТУ на максимальному режимі ). При наявності запалення ППС основної зони го 8 ріння, дозатор палива основної зони горіння 11 переводять у режим регулювання на заданий режим по потужності, а дозатор палива чергової зони 10 переводять на регулювання за законом підтримки заданої витрати палива через чергову зону, скоректованого по розрахунково-експериментальних залежностях на значення температури зовнішнього повітря і положення вхідного направляючого апарата компресора ГТУ. При цьому паливо подається в чергову 10 і основну 11 зони горіння, відповідно, через струмене - лопаткові пристрої 6, 7 і камери змішання 8, 9. Завдяки подачі палива в основну зону горіння, струменя палива в струмене - лопатковому пристрої основної зони 7 впливають на потоки повітря в міжлопаткових каналах і, відповідно, гідравлічні опори проточної частини основної зони 7-9-11 збільшуються. Витрати повітря через чергову й основну зони горіння перерозподіляються. Витрата повітря через чергову зону горіння збільшується, що супроводжується збіднінням паливо-повітряної суміші цієї зони і сприяє зменшенню викидів NOx. При наборі потужності ГТУ від режиму підключення основної зони горіння до заданого режиму, повітря і паливо в чергову й основну зони горіння 10, 11 подаються з виконанням умови підтримки дозатором палива основної зони горіння темпу набору потужності до 14МВт/хв., що забезпечує оптимальне по мінімуму шкідливих викидів співвідношення палива і повітря в зоні горіння. Зниження потужності ГТУ роблять у зворотному порядку. Пропонований спосіб регулювання подачі палива і повітря у камеру згоряння одновальної енергетичної ГТУ пройшов експериментальну перевірку на одновальній енергетичній ГТУ потужністю 110МВт виробництва ДП НВКГ "Зоря""Ма шпроект" і підтвердив свою високу ефективність. 9 Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін 79855 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601