Результат интеллектуальной деятельности: Генератор и способ его остановки для подготовки к повторному запуску

Перекрестные ссылки на связанные заявки

[0001] Настоящее описание является частичным продолжением заявки на патент США №12/331824, зарегистрированной 10 декабря 2008 года, ссылающейся на приоритет предварительной заявки на патент США №61/012625, зарегистрированной 10 декабря 2007 года.

Предпосылки создания изобретения

[0002] Изобретение, описанное в настоящем документе, относится к способам и устройству для остановки газотурбинного генератора с целью его быстрого повторного запуска. Газотурбинные генераторы, которые обычно применяются в энергетических установках, часто останавливают и запускают в зависимости от постоянного меняющегося спроса на электроэнергию. После остановки генератора и перед тем, как он может быть запущен повторно, выполняют серию проверок и подготовительных шагов. На одном из этих подготовительных шагов осуществляют продувку генератора с целью удаления остатков горючих газов. Существующие способы продувки для удаления остатков горючих газов начинают выполнять только после полной остановки генератора. Такие способы продувки ограничивают оперативность вывода генератора на полную мощность после остановки. Соответственно, в настоящем описании предложен способ остановки генератора, который переводит генератор в состояние готовности к запуску за меньшее время.

Краткое описание изобретения

[0003] В соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения предложен способ остановки генератора для подготовки этого генератора к повторному запуску, включающий: инициирование последовательности отключения газовой турбины упомянутого генератора из рабочего состояния; нагнетание продувочного газа в упомянутую газовую турбину для гашения пламени сгорания упомянутой газовой турбины; и пропускание продувочного газа через упомянутую газовую турбину для удаления топлива из упомянутой газовой турбины с использованием воздушного потока выбега через газовую турбину во время упомянутой последовательности отключения с целью подготовки упомянутого генератора к повторному запуску.

[0004] В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения предложен генератор, включающий: камеру сгорания; топливную систему, связанную с упомянутой камерой сгорания и сконфигурированную для подачи продувочного газа с целью гашения пламени в упомянутой камере сгорания; и источник упомянутого продувочного газа, сконфигурированный для подачи продувочного газа в топливную систему, при этом упомянутый продувочный газ вытесняет топливо, остающееся в генераторе после гашения упомянутого пламени в камере сгорания во время упомянутой последовательности остановки упомянутого генератора, при этом упомянутый продувочный газ пропускают через упомянутый генератор с использованием воздушного потока выбега упомянутого генератора.

[0005] Эти и другие преимущества и отличительные особенности настоящего изобретения могут быть поняты более детально из дальнейшего описания, которое следует рассматривать в комбинации с чертежами.

Краткое описание чертежей

[0006] Предмет рассмотрения данного документа, называемый настоящим изобретением, детально изложен и заявлен в пунктах формулы изобретения. Описанные выше, а также другие отличительные особенности и преимущества настоящего изобретения могут быть поняты более детально из дальнейшего подробного описания, которое следует рассматривать в сочетании с приложенными чертежами, где:

[0007] Фиг.1 иллюстрирует пример комбинированной системы газовая турбина/парогенератор-рекуператор (gas turbine/heat recovery steam generator, GT/HRSG) в соответствии с настоящим изобретением, которую обычно применяют для производства энергии, например, электроэнергии в энергетических установках парогазового цикла.

[0008] На фиг.2 показана подробная иллюстрация топливной системы 106 фиг.1; и

[0009] Фиг.3 иллюстрирует пример последовательности остановки и запуска для обеспечения состояния готовности к запуску в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.

[0010] В подробном описании, на примерах и со ссылками на данные чертежи, рассмотрены варианты осуществления настоящего изобретения вместе с их преимуществами и отличительными особенностями.

Подробное описание изобретения

[0011] Фиг.1 иллюстрирует пример комбинированной системы 100 газовая турбина/парогенератор-рекуператор (GT/HRSG) в соответствии с настоящим изобретением, которую обычно применяют для производства энергии, например, электроэнергии в энергетических установках парогазового цикла. Пример системы 100 GT/HRSG включает газовую турбину (gas turbine, GT) 102, парогенератор-рекуператор (heat recovery steam generator, HRSG) 104 и топливную систему 106. Топливная система 106 предназначена, в основном, для подачи топлива в газовую турбину с целью обеспечения горения, она подробно описана на примере фиг.2. В соответствии с иллюстрацией фиг.1 четыре топливопровода 107a, 107b, 107c и 107a подают топливо из топливной системы 106 в газовую турбину 102. Данное количество топливопроводов не имеет целью ограничение настоящего описания, в различных вариантах настоящего изобретения может применяться любое количество топливопроводов.

[0012] Пример газовой турбины 102 в общем случае включает секцию 108 компрессора, секцию 110 камеры сгорания и секцию 112 турбины. Секция компрессора включает набор ступеней компрессора, при этом каждая ступень включает множества лопаток компрессора, вращение которых обеспечивает сжатие воздуха. Секция 108 компрессора, как правило, принимает воздух из окружающей среды на впуске в секцию компрессора, сжимает это воздух в ступенях компрессора и подает сжатый воздух на выпуске секции компрессора в секцию 110 камеры сгорания. Входная направляющая заслонка 109 на упомянутом впуске может открываться и закрываться с целью регулирования потока воздуха через секцию 108 компрессора. В секции 110 камеры сгорания топливо из топливной системы 106 смешивается со сжатым воздухом из компрессора. Воздушно-топливная смесь затем поджигается с использованием устройства зажигания, например, свечи зажигания, с целью формирования рабочего газа. Рабочий газ проходит через секцию 112 турбины. Секция 112 турбины выполнена в виде последовательного ряда ступеней, при этом каждая ступень имеет вращающиеся лопатки, называемые также лопастями. Вращающиеся лопатки закреплены на общем вращающемся валу. Рабочий газ, выходящий из секции 110 камеры сгорания, расширяется и проходит через упомянутый набор ступеней и обеспечивает вращение лопаток, а следовательно, и вращающегося вала. В одном из аспектов настоящего изобретения вращающийся вал секции 112 турбины может быть связан с лопатками, обеспечивающими сжатие воздуха в секции компрессора, так что вращение вращающегося вала сообщает энергию для сжатия воздуха в секции 108 компрессора. Также вращающийся вал выходит за пределы секции турбины в электрический генератор (не показан на чертеже), где вращательное движение вала преобразуется в электроэнергию. При этом рабочий газ, выпускаемый из секции 112 турбины, направляют в HRSG 104.

[0013] HRSG 104 принимает отработавшие газы газовой турбины и использует их как источник теплоты для привода одной или более паровых турбин. HRSG включает впуск 120, пароперегреватель 122 высокого давления и одну или более напорных секций 124a, 124b и 124c, выполненных с возможностью формирования пара, соответственно, высокого давления, промежуточного давления и/или низкого давления. Отработанный газ из HRSG передают через выпускной патрубок 126 HRSG в выпускной трубопровод 124.

[0014] В одном из примеров осуществления настоящего изобретения газовая турбина 102 и топливная система 106 связаны с блоком 140 управления, сконфигурированным для управления различными элементами топливной системы и газовой турбины. Блок 140 управления включает память 144, набор программ 146, в которых содержатся инструкции для остановки генератора в соответствии с описанными в настоящем документе способами, и процессор 142, имеющий доступ к этому набору программ 146, а также к содержимому памяти 144. Процессор 142 сконфигурирован для исполнения различных программ данного варианта осуществления настоящего изобретения, предназначенных, помимо прочего, для остановки газовой турбины и для вытеснения остатков топлива из системы трубопроводов газовой турбины, ее выпуска и подключенного к ней оборудования. Блок управления способен управлять конфигурациями клапанов в топливной системе 106, а также контролировать различные параметры, например, давление в топливной системе 106, уровни концентрации газа в газовой турбине 102 и т.п. С генератором связано устройство 132 контроля. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения устройство 132 контроля формирует сигнал об аварийном отключении для блока 140 управления при возникновении отказа в генераторе. Сигнал об аварийном отключении может использоваться для инициирования аварийной остановки генератора.

[0015] На фиг.2 подробно проиллюстрирован пример топливной системы 106 фиг.1. Топливная система 106 включает систему трубопроводов, включающую напорные камеры 220 и 230 для подачи топлива в газовую турбину 102. Упомянутые две напорные камеры 220 и 230 гидравлически связаны друг с другом через серию клапанов, которые управляют потоком между ними и при согласованном управлении ими обеспечивают управляемый поток топлива в газовую турбину 102, обеспечивающий работу энергетической установки парогазового цикла.

[0016] Напорная камера 220 с одной из сторон имеет клапан 201, который связывает напорную камеру 220 с впускным топливопроводом 210 и обеспечивает поток между ними. Продувочный клапан 203 связан с напорной камерой 220 и позволяет при необходимости продувать напорную камеру 220 в соответствующий сборник продувки. Клапан 202 связывает напорную камеру с напорной камерой 230 и обеспечивает поток между ними.

[0017] Напорная камера 230 включает несколько газорегулирующих клапанов 205a, 205b, 205c и 205d, которые соединяют напорную камеру 230c соответствующими топливопроводами 107a, 107b, 107c и 107d. Данный пример напорной камеры 230 проиллюстрирован на фиг.2 как включающий четыре газорегулирующих клапана, однако, несмотря на это, в альтернативных вариантах осуществления настоящего изобретения напорная камера 230 может включать любое количество газорегулирующих клапанов. Напорная камера 230 включает также продувочный клапан 206 для продувки, при необходимости, напорной камеры 230 в соответствующее место вентиляции. Продувочный клапан 206 в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения может представлять собой один клапан, или может включать конфигурацию из нескольких продувочных клапанов в альтернативных вариантах осуществления настоящего изобретения. Напорная камера 230 включает также изолирующий клапан 208, который может открываться для впуска продувочного газа в напорную камеру 230 системы 204 подачи продувочного газа. Продувочный газ вытесняет топливо, изолированное в напорной камере 230, в пламя сгорания. Продувочный газ, таким образом, нагнетается через напорную камеру 230 в генератор с целью гашения пламени в камере сгорания. В результате продувочный газ вытесняет топливо, остающееся в генераторе, из системы генератора фиг.1. Также продувочный газ может использоваться для испытания на герметичность различных клапанов топливной системы 106.

[0018] Напорные камеры 220 и 230 включают также различные примеры связанных с ними датчиков давления, соответственно, 212 и 213. Блок 140 управления фиг.1 может быть связан с различными датчиками давления для контроля давлений в напорных камерах 220 и 230. Блок 140 управления может применяться для контроля рабочих параметров топливной системы на различных этапах работы, например, во время работы в основном режиме, во время последовательности остановки, во время последовательности запуска, во время последовательности продувки, после определения успешного завершения продувки в соответствии с последующим описанием и т.п. На фиг.2 показаны два датчика 212 и 213 давления, однако это сделано исключительно для иллюстрации и не имеет целью ограничение настоящего изобретения. Датчики давления могут быть также связаны с различными продувочными клапанами, газорегулирующими клапанами, изолирующими клапанами и перекрывающими клапанами одного из примеров топливной системы, при этом измерения, полученные на этих датчиках давления, могут подаваться в блок 140 управления для контроля и/или обработки.

[0019] Клапаны топливной системы 106 могут открываться и закрываться в соответствии с любой подходящей конфигурацией регулировки клапанов. Отдельные клапаны (или все клапаны) в соответствии с настоящим изобретением могут включать поворотные клапаны, шиберные клапаны, шпиндельные клапаны, двухстворчатые клапаны, шаровые клапаны, штуцерные клапаны или любые другие конфигурации клапанов. При этом клапаны топливной системы 106 могут регулироваться при помощи любых подходящих средств, например, катушек индуктивности, вручную, под управлением датчиков, с удаленным управлением или при помощи любых других органов управления, обеспечивающих требуемую работу клапанов. В одной из конфигураций клапан 202 закрывают с целью изолирования топлива в напорной камере 230, а клапан 208, перекрывающий продувочный газ, открывают с целью введения продувочного газа в напорную камеру 230. При открытых клапанах 205a-205d топливо выталкивается продувочным газом в камеру сгорания.

[0020] В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения система 240 подачи продувочного газа обеспечивает подачу газообразной среды, например, продувочного газа. Продувочный газ может подаваться из этой же энергетической установки или из отдельной специализированной системы. Специализированная система 240 подачи продувочного газа включает, без ограничения перечисленным, компоненты для изоляции, для регулировки давления, для предотвращения обратного потока, для обеспечения фильтрации твердых частиц, для удаление влаги, а также для передачи в контроллер указания на исправную работу. В одной из конфигураций клапанов топливной системы упомянутая газообразная среда может использоваться для испытаний клапанов топливной системы на герметичность. В другой конфигурации клапанов топливной системы продувочный газ может использоваться для вытеснения топлива из топливной системы, а также для гашения пламени в секции камеры сгорания. Продувочный газ, попадая в камеру сгорания, обеспечивает удаление из газовой турбины и/или HRSG летучего топлива, остающегося в них после погасания пламени.

[0021] В настоящем изобретении предложен способ остановки системы генератора для перевода его в состояние готовности к повторному запуску, например, в состояние «готов к запуску», за сокращенный промежуток времени после остановки. Состояние «готов к запуску» в большинстве случаев является указанием на то, что горючие газы имеют незначительную концентрацию и/или практически полностью удалены из генератора и на то, что системы генератора находятся в состоянии, необходимом для запуска генератора. Состояние готовности к запуску может также подразумевать устранение рисков, связанных с присутствием остатков топлива в компонентах газовой турбины, на ее выходе и/или в оборудовании ниже по потоку относительно газовой турбины, перевод топливной системы в заданную пусковую конфигурацию, проведение испытаний на герметичность топливной системы, проверку того, что топливная система находится в состоянии эксплуатационной готовности, и, после установления необходимых состояний, контроль этих состояний.

[0022] Фиг.3 иллюстрирует один из примеров последовательности остановки и запуска в одном из примеров осуществления настоящего изобретения. В одном из вариантов осуществления способа остановки генератора продувочный газ во время последовательности остановки генератора вытесняет остатки топлива из компонентов генератора в воздушный поток выбега. Потоком выбега обычно называют воздух, проходящий через генератор/камеру сгорания за счет остаточного (без снабжения энергией) вращения лопаток турбины в секции турбины и/или соответствующих лопаток компрессора в секции компрессора после погасания пламени при остановке генератора. Входная направляющая заслонка 109 газотурбинного генератора при отключении или аварийном останове газотурбинного генератора может практически полностью закрываться. Может обеспечиваться управление выходной лопаткой 109 с целью обеспечения воздушного потока для удаления горючего газа из газотурбинного генератора. В одном из аспектов настоящего изобретения последовательность остановки включает по меньшей мере три следующие шага: 1) заглушение или гашение пламени в камере сгорания, 2) испытание клапанов в топливной системе, 3) вытеснение и снижение концентрации остатков топлива в генераторе с использованием воздушного потока выбега для удаления из него остатков топлива, и 4) изолирование топлива в топливной системе для повторного запуска. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения эти шаги могут контролироваться блоком 140 управления, чтобы гарантировать готовность газовой турбины 102 к выполнению последовательности запуска.

[0023] В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения остановку генератора выполняют как часть последовательности плановой остановки. В последовательности плановой остановки момент 301 времени обозначает момент времени отключения генератора от сети. Линия 320 отражает количество энергии, вырабатываемой генератором в подключенную сеть энергоснабжения. После того как мощность генератора опустится до заданного значения (в момент 303 времени) в генераторе размыкают выключатель с целью инициирования последовательности плановой остановки газовой турбины. В альтернативном варианте осуществления настоящего изобретения отключение генератора происходит в результате последовательности аварийной остановки. Аварийная остановка генератора может осуществляться при обнаружении отказа. В соответствии с этим, в последовательности аварийной остановки выключатель может размыкаться одновременно (момент 303 времени) с отключением генератора от электросети. В любой из этих последовательностей в момент 303 времени поток топлива в секцию 110 камер сгорания уменьшают до заданного значения, позволяющего поддерживать пламя в камере сгорания. При этом поданное топливо изолируют в напорной камере 230 путем закрытия клапана 202. Клапан 208 изоляции продувочного газа открывают для подачи продувочного газа, который выталкивает изолированное поданное топливо из напорной камеры 230 в камеру сгорания. При выполнении последовательности остановки лопатки турбины и лопатки компрессора (которые продолжают вращаться) обеспечивают воздушный поток выбега через генератор. Пламя в камере сгорания может гаснуть (в точке 305 гашения) либо когда поток воздуха, поступающего к пламени, опускается ниже порога поддержания пламени, либо когда до пламени доходит продувочный газ. Таким образом, в различных вариантах осуществления настоящего изобретения может обеспечиваться появление точки 305 гашения в заданный момент времени.

[0024] В момент 309 времени продувочный газ пропускают через систему трубопроводов газовой турбины для вытеснения остатков топлива. Клапаны 205a-d открывают для впуска продувочного газа в газовую турбину и выпуска выхлопа через выходной патрубок HRSG при помощи воздушного потока выбега. Для предотвращения обратного потока продувочного газа в процессе продувки клапан 202 может закрываться. В различных вариантах осуществления настоящего изобретения концентрацию топлива в системе трубопроводов газовой турбины уменьшают до тех пор, пока она не опустится ниже заданного значения. Для гарантии того, что остатки топлива и/или летучих газов имеют концентрацию, не превышающую выбранных уровней, и/или вытеснены из опасных областей газовой турбины в низкотемпературные или неопасные области генератора может осуществляться измерение различных параметров. В одном из альтернативных вариантов осуществления настоящего изобретения пропускание продувочного газа через систему трубопроводов генератора может инициироваться в момент 305 времени гашения. Испытания топливной системы 106, как правило, выполняют после успешного завершения продувки генератора.

[0025] В момент 311 времени конфигурацию клапанов топливной системы задают таким образом, чтобы исключить утечку топлива и обеспечить подготовку топливной системы к последовательности запуска. Как правило, обеспечивают заглушку подачи топлива давлением, создавая в напорной камере 230 заданное давление, при этом напорную камеру 220 удерживают под низким давлением при помощи продувочного клапана 203, связанного с атмосферой. Успешное завершение испытания клапанов, вытеснение остатков топлива и формирование герметичного перекрытия, таким образом, формирует состояние готовности к запуску, указывающее на то, что система находится в состоянии готовности к последовательности запуска. Момент 313 времени на чертеже обозначает начало последовательности запуска после достижения состояния готовности к запуску.

[0026] Итак, в соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения предложен способ остановки генератора для подготовки этого генератора к повторному запуску, включающий: инициирование последовательности отключения газовой турбины упомянутого генератора из рабочего состояния; нагнетание продувочного газа в упомянутую газовую турбину для гашения пламени в камере сгорания упомянутой газовой турбины; и пропускание продувочного газа через упомянутую газовую турбину для удаления топлива из газовой турбины с использованием воздушного потока выбега через газовую турбину во время упомянутой последовательности отключения с целью подготовки упомянутого генератора к повторному запуску. Инициирование последовательности отключения может быть частью либо последовательности планово остановки, либо выполняться в ответ на сигнал об аварийно остановке. Топливо изолируют в топливной системе, связанной с упомянутой газовой турбиной, при этом изолированное топливо вытесняют из упомянутой топливной системы при помощи продувочного газа. В упомянутой топливной системе может формироваться заглушка давлением после пропускания упомянутого продувочного газа через упомянутую газовую турбину. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения пламя в камере сгорания гасят в заранее заданный момент времени после инициирования упомянутой последовательности остановки. Упомянутый заранее заданный момент времени может быть основан либо на выбранном давлении воздушного потока в упомянутом генераторе, либо на моменте времени, в который упомянутый продувочный газ доходит до упомянутого пламени в камере сгорания. Упомянутый продувочный газ может включать азот и/или сжатый воздух, при этом он может подаваться либо из генераторной установки парогазового цикла, либо из отдельной системы подачи продувочного газа. Упомянутый генератор считают готовым к повторному запуску, когда измеренная концентрация топлива в упомянутом генераторе опускается ниже выбранного порога. Генератор также может считаться готовым к повторному запуску после выполнения по меньшей мере одного из следующего: 1) гашение пламени в упомянутом генераторе, 2) испытание клапанов в топливной системе, 3) вытеснение и уменьшение концентрации оставшегося топлива в генераторе с использованием воздушного потока выбега и продувочного газа, и 4) формирование герметичного уплотнения топливной системы.

[0027] В другом аспекте настоящего изобретения предложен генератор, включающий: камеру сгорания; топливную систему, связанную с упомянутой камерой сгорания и сконфигурированную для подачи продувочного газа с целью гашения пламени в упомянутой камере сгорания; и источник упомянутого продувочного газа, сконфигурированный для подачи упомянутого продувочного газа в упомянутую топливную систему, при этом упомянутый продувочный газ вытесняет топливо, остающееся в генераторе после гашения упомянутого пламени в камере сгорания во время последовательности остановки упомянутого генератора, при этом упомянутый продувочный газ пропускают через упомянутый генератор с использованием воздушного потока выбега упомянутого генератора. Упомянутая последовательность остановки может быть либо последовательностью плановой остановки, либо последовательностью остановки, инициируемой в ответ на сигнал аварийной остановки. Упомянутая топливная система включает напорную камеру, сконфигурированную для подачи продувочного газа в упомянутый генератор. Упомянутая напорная камера включает регулирующий клапан, сконфигурированный для изолирования топлива в упомянутой напорной камере, и изолирующий клапан, сконфигурированный для впуска упомянутого продувочного газа в упомянутую напорную камеру. Упомянутый продувочный газ вытесняет изолированное топливо из упомянутой напорной камеры с целью гашения пламени в упомянутой камере сгорания. Блок управления, связанный с упомянутым генератором, может использоваться для определения состояния готовности к запуску упомянутого генератора. Упомянутый блок управления может определять, что достигнуто состояние готовности к запуску, когда измеренная концентрация топлива в упомянутом генераторе опускается ниже выбранного порога. Также упомянутый блок управления может определять состояние готовности к запуску при выполнении по меньшей мере одного из следующего: 1) гашение пламени в упомянутой камере сгорания, 2) испытание клапанов в топливной системе, 3) вытеснение и уменьшение концентрации оставшегося топлива через генератор с использованием воздушного потока выбега и продувочного газа, и 4) формирование герметичного перекрытия топливной системы. Упомянутый блок управления может быть также сконфигурирован для регулировки направляющей заслонки на входе с целью обеспечения потока воздуха для удаления горючих газов из упомянутого генератора. Упомянутый блок управления сконфигурирован также для выполнения гашения упомянутого пламени в камере сгорания в заранее заданный момент времени после инициирования последовательности остановки. Упомянутый заранее заданный момент времени гашения пламени камеры сгорания может быть основан на выбранном давлении воздуха или воздушном потоке в упомянутом генераторе.

[0028] Настоящее изобретение было подробно описано в связи лишь с ограниченным количеством вариантов его осуществления, но, тем не менее, должно быть очевидно, что настоящее изобретение не ограничено только этими описанными вариантами осуществления изобретения. Напротив, изобретение может быть модифицировано и включать любое количество вариаций, изменений, замен или эквивалентных схем, не описанных выше в настоящем документе, однако попадающих в рамки настоящего изобретения. При этом, несмотря на описание различных вариантов осуществления настоящего изобретения, нужно понимать, что его аспекты могут включать только часть описанных вариантов осуществления изобретения. В соответствии с этим настоящее изобретение не должно считаться ограниченным предшествующим описанием, оно ограничено исключительно рамками приложенной формулы изобретения.