Многокаскадное газотурбинное устройство - RU2704386C2

Чертежи

Описание

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Настоящее изобретение в целом относится к выработке электрической энергии с использованием газотурбинных силовых установок. В частности, настоящее изобретение относится к наземным стационарным газотурбинным силовым установкам или судовым газотурбинным силовым установкам с многокаскадным газотурбинным устройством для генерирования электрической энергии для подачи на нагрузку.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Выработка электроэнергии в настоящее время претерпевает значительные изменения. Загрязнение окружающей среды и эмиссия парникового газа в энергетической отрасли все больше привлекают всеобщее внимание. В то время, как выработка электроэнергии переходит к возобновляемым источникам энергии, электросетевая инфраструктура также сталкивается с новыми трудностями. В прошлом силовые установки, соединенные с электрической сетью, были очень большими, такими, например, как атомные электростанции, большие ТЭЦ на угольной основе и т.п. Такая централизованная выработка электрической энергии, разумеется, связана с потерями в электрической сети, поскольку энергия должна передаваться на большие расстояния.

[0003] Распределенная выработка энергии происходит ближе к потреблению, и, таким образом, в электрической сети имеют место уменьшенные потери благодаря более коротким расстояниям, на которые передается энергия, по сравнению с централизованной выработкой энергии. В отличие от электростанций с централизованной выработкой энергии, которые обычно работают в своем режиме номинальной энергии, силовые установки с децентрализованной выработкой энергии должны иметь возможность постоянно регулировать работу и отдавать выходную мощность на основании требований потребителя. Это особенно важно, если электрическая сеть выполнена с возможностью отдачи или приема энергии, как, например, в случае режимов секционирования, во время которых выработка энергии и энергопотребление обычно должны быть равными в достаточно небольших районах, в которых электрическая сеть является маломощной. В этих случаях работа сети полностью основана на управлении и работе одиночного блока для выработки энергии или небольшого числа блоков для выработки энергии. Таким образом, вопросом предельной важности является необходимость иметь силовые установки, которые могут работать с высокой эффективностью в условиях частичной нагрузки и могут быстро регулировать свою производительность.

[0004] Одна из основных причин, по которой количество энергии, выработанной распределенным способом, не увеличивается, состоит в повышенной стоимости энергии, выработанной такими системами, по сравнению, например, со стоимостью электроэнергии, полученной из большой энергосистемы. Обычно это происходит из-за низкого электрического КПД небольших энергоустановок по сравнению с большими силовыми установками. Электростанции на основе газового двигателя или газовой турбины, которые все более широко используются для выработки электроэнергии, являются хорошими примерами электростанций, которые могут быть использованы при распределенной выработке энергии.

[0005] Газотурбинные силовые установки обычно проектируются для работы при 100% номинальной нагрузке, т.е. при проектном значении нагрузки. В настоящее время эффективность производства электроэнергии коммерческими газовыми турбинами в их проектных режимах составляет самое большее приблизительно 40%, в частности, в силовых установках с электрической мощностью меньше чем 20 МВт самое большее. Электрический КПД, который непосредственно не является очень высоким, быстро снижается, если газовую турбину эксплуатируют в условиях частичной нагрузки, т.е. в условиях нагрузки меньше, чем 100% номинальной нагрузки.

[0006] Типичная газотурбинная силовая установка содержит компрессор, камеру сгорания, турбину и электрический генератор. Компрессор и турбина установлены на том же самом валу и образуют одиночный каскад. Генератор также установлен на этом валу. Однако в некоторых известных источниках описаны решения с газовыми турбинами, имеющими два каскада. Устройство с двумя каскадами может обеспечить более высокую эффективность, чем системы с одиночным каскадом, поскольку на входе двухкаскадной турбины может быть выработана большая мощность при той же самой температуре по сравнению с однокаскадным устройством.

[0007] В некоторых известных источниках также описаны газовые турбины с многокаскадным устройством. Большинство из них находит применение в авиации, где вес и компактность являются очень важными характеристиками при проектировании этих систем. В наземных и судовых электростанциях размер и компактность конструкции являются менее важными, но, с другой стороны, более важными становятся эффективность и управляемость. Кроме того, управляемость и работа при частичной загрузке являются существенными для проектирования газотурбинной силовой установки, особенно при распределенной выработке энергии.

[0008] Обычно многокаскадные газовые турбины в случаях наземного применения имеют два каскада. Два каскада газовых турбин являются различными в том отношении, что один из них является каскадом высокого давления, в то время как другой является каскадом низкого давления. Каскад низкого давления обычно соединен с основным электрическим генератором, в то время как каскад высокого давления работает в качестве каскада, сжимающего газ. Повышение давления, которое должны обеспечивать компрессор в системе с одиночным каскадом или указанные два компрессора в системе с двумя каскадами, обычно ухудшает эффективность компрессоров и системы в том отношении, что чем больше увеличивается полное давление, тем ниже эффективность компрессора.

[0009] В некоторых экспериментальных вариантах реализации газотурбинных силовых установок используются два или более каскада, причем оба или все каскады имеют электрические генераторы, связанные с этими каскадами. В этих решениях мощность газотурбинной силовой установки получают главным образом от одиночного электрического генератора, который является основным генератором, а другие генераторы, работающие в качестве вспомогательных двигателей/генераторов, обычно имеют более низкие номинальные энергии, чем мощность основного генератора, и имеют скорости вращения, лежащие в других диапазонах скоростей вращения, чем скорость вращения основного генератора. Также известны решения, в которых оба или все электрические генераторы используются прежде всего для управления работой газотурбинной силовой установкой, то есть оба или все генераторы являются вспомогательными двигателями/генераторами, в то время как мощность, получаемая от газотурбинной силовой установки, главным образом вырабатывается дополнительным каскадом свободной турбины, с которым соединен дополнительный генератор, работающий в этих случаях в качестве основного генератора.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0010] Задача настоящего изобретения состоит в создании устройства, устраняющего один или более из описанных выше недостатков, связанных с выработкой электроэнергии с использованием газовых турбин, в частности, в обеспечении высокой эффективности также в условиях работы при частичной нагрузке. Задачи настоящего изобретения достигнуты с помощью устройства согласно соответствующему независимому пункту формулы. Предпочтительные варианты реализации настоящего изобретения описаны в зависимых пунктах формулы.

[0011] Согласно первому аспекту предложена стационарная наземное или морское многокаскадное газотурбинное устройство для генерирования электрической энергии для подачи на нагрузку, причем указанная нагрузка является внешней относительно устройства. Устройство содержит по меньшей мере три каскада, причем каждый по меньшей мере из трех каскадов содержит вал, а также компрессор и турбину, установленные на валу. Устройство также содержит компрессор самого высокого давления, которым является компрессор, установленный на валу каскада, турбина которого выполнена с возможностью иметь самое высокое давление среди указанных турбин, т.е. турбина самого высокого давления, также установлена на валу. Устройство также содержит первую камеру сгорания, выполненную с возможностью сжигания топливной смеси или приведения топливной смеси к реакции, так, чтобы сжатый газ из компрессора самого высокого давления преобразуется в газ с повышенной температурой, который выполнен с возможностью расширяться в турбине самого высокого давления с выработкой механической энергии для приведения в действие компрессора самого высокого давления, причем турбина самого высокого давления является первой турбиной, расположенной с возможностью приема указанного газа с повышенной температурой от первой камеры сгорания. Указанные по меньшей мере три каскада сообщаются по текучей среде друг с другом, причем каждая из расположенных ниже по ходу потока турбин выполнена с возможностью приема газа с более высоким давлением от непосредственно предшествующей расположенной выше по ходу потока турбины, выполненной с возможностью работы при более высоком давлении, чем любая из расположенных ниже по ходу потока турбин, принимающих газ с более высоким давлением, и каждый из компрессоров выполнен с возможностью приема газа с более низким давлением от непосредственно предшествующего компрессора, выполненного с возможностью работы при более низком давлении, чем указанный один из компрессоров, принимающих газ с более низким давлением. Устройство также содержит по меньшей мере три генератора, каждый из которых механически непосредственно связан с заданным одним из валов с возможностью приведения его во вращение этим валом, причем каждый из валов, таким образом, механически связан с одним генератором, и количество указанных по меньшей мере трех генераторов равно количеству указанных валов. Каждый из указанных по меньшей мере трех генераторов вращается с той же скоростью, что и вал, с которым связан данный генератор. Указанные по меньшей мере три генератора выполнены с возможностью генерирования переменного электрического тока для питания указанной нагрузки, а выходы электрической энергии указанных по меньшей мере трех генераторов выполнены с возможностью управления ими независимо друг от друга. По меньшей мере 60% полной выходной энергии, поданной на указанную нагрузку в виде электрической и вращательной энергии, генерируются этими по меньшей мере тремя генераторами в виде электрической энергии, причем полная выходная мощность равна сумме электрической и вращательной мощностей, поданных устройством на указанную нагрузку.

[0012] Указанная нагрузка, которая является внешней по отношению к устройству и на которую должна быть подана электрическая мощность, является электрической сетью или автономной электрической нагрузкой, такой как электрическая система энергоснабжения больницы, промышленного предприятия или жилого района.

[0013] В частности, настоящее изобретение относится к вышеуказанному устройству в сочетании со стационарной наземной газотурбинной силовой установкой или судовой газотурбинной силовой установкой, т.е., в частности, настоящее изобретение относится к наземной или судовой газотурбинным электростанциям с многокаскадным газотурбинным устройством для генерирования электрической энергии для подачи на внешнюю нагрузку.

[0014] Судовые газотурбинные силовые установки могут использоваться в сочетании с электрической системой энергоснабжения судна и/или электрической частью двигателя судовой силовой установки судна.

[0015] Предлагаемое устройство дополнительно может содержать первый теплообменник, выполненный с возможностью приема указанного сжатого газа от компрессора самого высокого давления и газа из последней расположенной ниже по ходу потока турбины, выполненной с возможностью иметь самое низкое давление среди указанных турбин, т.е. турбины самого низкого давления, обеспечивающий передачу тепла от указанного газа, поступающего из последней расположенной ниже по ходу потока турбины, к указанному сжатому газу для предварительного нагрева указанного сжатого газа перед его сгоранием в первой камере сгорания.

[0016] Предлагаемое устройство дополнительно может содержать по меньшей мере один второй теплообменник, расположенный с возможностью сообщения по текучей среде между двумя компрессорами для приема газа от одного из указанных двух компрессоров, имеющего более низкое давление, для передачи указанного газа другому из указанных двух компрессоров, имеющему более высокое давление, и охлаждающей среды из внешнего источника для уменьшения температуры указанного газа от одного из указанных двух компрессоров, имеющего более низкое давление, причем каждый из указанного по меньшей мере одного второго теплообменника выполнен с возможностью передачи указанного газа от одного из указанных двух компрессоров, имеющего более низкое давление, другому из указанных двух компрессоров, имеющему более высокое давление.

[0017] Предлагаемое устройство дополнительно может содержать по меньшей мере одну вторую камеру сгорания, расположенную с возможностью сообщения по текучей среде между двумя турбинами и выполненную с возможностью сжигания топливной смеси или приведения топливной смеси к реакции, так что температура газа в одной из указанных двух турбин, имеющей более высокое давление, повышается, причем по меньшей мере одна вторая камера сгорания выполнена с возможностью повторного нагрева указанного газа, поступающего от одной из указанных двух турбин, имеющей более высокое давление, и передачи указанного газа от указанной одной из указанных двух турбин, имеющей более высокое давление, другой из указанных двух турбин, имеющей более низкое давление.

[0018] Предлагаемое устройство дополнительно может содержать компрессор и турбину, установленные на одном и том же валу, соединенные друг с другом посредством плоского элемента, расположенного между компрессором и турбиной, причем плоскость, образованная плоским элементом, перпендикулярна продольной оси вала по меньшей мере в одном из указанных по меньшей мере трех каскадов.

[0019] Предлагаемое устройство может содержать плоский элемент, являющийся частично полым плоским элементом и расположенный таким образом, что воздух может протекать в указанном частично полом плоском элементе, обеспечивая его охлаждение.

[0020] Предлагаемое устройство дополнительно может содержать вспомогательную систему, содержащую источник энергии для управления газотурбинным устройством во время приостановки работы электрической сети или при плановом отключении для текущего обслуживания.

[0021] В предлагаемом устройстве первая камера сгорания может содержать систему зажигания и систему впрыска топлива.

[0022] Предлагаемое устройство может содержать по меньшей мере один из компрессоров, являющийся центробежным компрессором.

[0023] В предлагаемом устройстве по меньшей мере одна из турбин может быть радиальной турбиной.

[0024] Предлагаемое устройство может также содержать систему управления для управления работой газотурбинной устройства.

[0025] Предлагаемое устройство может также содержать горелку, выполненную с возможностью сообщения по текучей среде с газовой турбиной, причем газ из турбины, имеющей самое низкое давление, или из первого теплообменника используется в указанной горелке.

[0026] Предлагаемое устройство может также содержать устройство для утилизации тепла, выполненное с возможностью сообщения по текучей среде с газотурбинным устройством, причем охлаждающая среда по меньшей мере от одного из указанных вторых теплообменников, если это вода, подается в устройство для утилизации тепла и используется для нагрева.

[0027] В предлагаемом устройстве указанные по меньшей мере три генератора могут иметь имеют по существу равные номинальные мощности, а вращающиеся части указанных по меньшей мере трех генераторов могут иметь по существу равные номинальные значения скорости вращения.

[0028] В предлагаемом устройстве может обеспечена возможность использования по меньшей мере части переменного электрического тока для потребления самим устройством, такой как энергия, необходимая для питания системы управления или активных магнитных подшипников.

[0029] Предлагаемое устройство может содержать по меньшей мере один активный магнитный подшипник, связанный с каждым из валов.

[0030] Устройство подобного типа, как описано выше, может использоваться для генерирования энергии для питания электрического двигателя поезда или тяжелых машин. Кроме того, помимо прочего могут быть выявлены разнообразные преимущества, обусловленные различием в потреблении энергии, получаемой от газовых турбин.

[0031] Преимущество устройства согласно настоящему изобретению состоит в том, что управление многокаскадным устройством обеспечивает отчасти независимое управление каскадами и электрической производительностью генераторов, и, таким образом, система может быть использована с большей эффективностью, чем однокаскадная система или система с двумя каскадами. Полное давление всех компрессоров разделено между более чем двумя компрессорами, в результате чего обеспечена улучшенная эффективность энергоотдачи по сравнению с однокаскадной системой или системой с двумя каскадами.

[0032] Примеры вариантов реализации настоящего изобретения, представленные в настоящей патентной заявке, не должны интерпретироваться как ограничения применимости пунктов приложенной формулы. Глагол "содержать" используется в настоящей патентной заявке в качестве открытого ограничения, которое также не исключает существования неописанных признаков. Признаки, описанные в зависимых пунктах приложенной формулы, являются взаимно и свободно комбинируемыми, если явно не указано иное.

[0033] Новые признаки, которые рассматриваются как характеристика настоящего изобретения, сформулированы, в частности, в пунктах приложенной формулы. Однако непосредственно само настоящее изобретение в отношении его конструкции и способа его работы вместе с его дополнительными задачами и преимуществами лучше всего будет понятно из следующего ниже описания конкретных вариантов его реализации при прочтении совместно с сопроводительными чертежами.

[0034] Термины "первый", "второй" и "третий" в настоящей заявке использованы для отличения элементов друг от друга, но не для их специального расположения по приоритетам или упорядочения, если явно не указано иное.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0035] Варианты реализации настоящего изобретения показаны в качестве примера, но не ограничения, на фигурах сопроводительных чертежей.

[0036] На ФИГ. 1 схематично показано газотурбинное устройство согласно одному варианту реализации настоящего изобретения.

[0037] На ФИГ. 2 схематично показано газотурбинное устройство согласно предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения.

[0038] На ФИГ. 3 схематично показан плоский элемент, расположенный между компрессором и турбиной, используемый в одном варианте реализации настоящего изобретения.

[0039] На ФИГ. 4 показана газотурбинная силовая установка, выполненная с возможностью сообщения по текучей среде с внешним процессом, использующим тепло от газовой турбины, согласно одному варианту реализации настоящего изобретения.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0040] Настоящее изобретение предпочтительно относится к устройству для выработки электрической энергии с целью ее подачи в нагрузку, с использованием стационарной наземной газовой турбины. Наземные газовые турбины относятся к любому стационарному случаю применения, использующему газовые турбины на земле, такому как электростанции, соединенные с электрической сетью или местной нагрузкой, такой как снабжение электроэнергией лечебного учреждения или промышленного предприятия. Настоящее изобретение также относится к судовым газовым турбинам, которые предназначены для выработки электрической энергии, в том числе к газовым турбинам, которые используются в случаях морского применения для вырабатывания электрической энергии, например, в судовой газотурбинной силовой установке.

[0041] Компрессоры, используемые в вариантах реализации настоящего изобретения, предпочтительно могут быть компрессорами центробежного типа, но также могут быть компрессорами осевого типа или компрессорами любого другого типа, выполненными с возможностью повышения давления текучей среды, протекающей через компрессор. Материалы, используемые в компрессорах и, в частности, в их лопатках, могут быть, например, помимо прочего алюминием, титановыми сплавами или мартенситной легированной сталью. Также могут быть использованы специальные покрытия для улучшения сопротивления эрозии лопаток и обеспечения возможности использования более высокой температуры.

[0042] Турбины, используемые в вариантах реализации настоящего изобретения, предпочтительно могут быть турбинами радиального типа, но также могут быть турбинами осевого типа или турбинами любого другого типа, которые обеспечивают возможность протекания текучей среды через них и, таким образом, вырабатывания механической энергии. Материалы, используемые в турбинах, и, в частности, в их лопатках, могут быть, например, помимо прочего сплавами на основе железа или никеля, вырабатываемыми в слитках с использованием традиционной металлургии или порошковой металлургии. Также в турбинах могут использоваться керамические материалы. Также могут быть использованы специальные покрытия для улучшения сопротивления эрозии лопаток и обеспечения возможности использования более высокой температуры.

[0043] Теплообменники, используемые в вариантах реализации настоящего изобретения, предпочтительно могут быть теплообменниками противоточного типа, но также могут быть теплообменниками любого другого вида, выполненными с возможностью передачи тепла от источника тепла, имеющего более высокую температуру, воздуху, входящему в теплообменник. Источник тепла с более высокой температурой может быть, например, горячим газом, выходящим из некоторых турбин. Теплообменники также могут использоваться для охлаждения воздуха в газовой турбине с использованием охлаждающей среды с более низкой температурой для удаления части тепла из воздуха, протекающего в газовой турбине. Используемая охлаждающая среда может быть, например, жидкостью, такой как вода или любая другая текучая среда. Материалы, используемые для изготовления теплообменников, могут быть любыми материалами, выдерживающими повышенные температуры и давления и обычно имеющими более высокие коэффициенты теплопроводности. Они могут быть, например, помимо прочего сплавами на основе нержавеющей стали или сплавами на основе никеля и хрома.

[0044] Камеры сгорания, используемые в вариантах реализации согласно настоящему изобретению, могут быть камерами сгорания любого вида, выполненными с возможностью сжигания смеси воздуха и топлива для выработки горячего газа. Это может быть камера сгорания простого типа или камера сгорания, имеющая более сложную конструкцию. Это может быть трубчатая, кольцевая или двойная кольцевая камера сгорания. Камеры сгорания предпочтительно содержат систему впрыска топлива и систему зажигания, выполненную с возможностью воспламенения смеси воздуха и топлива. Предпочтительно количеством топлива, введенного системой впрыска топлива, может управлять система управления газовой турбиной. Система впрыска топлива, например, может быть системой впрыска топлива повышенного давления, имеющей систему распыления с распыляющими форсунками, через которые нагнетается топливо. Если топливо, используемое в камере сгорания, требует использования атомизации воздуха или других вспомогательных механизмов для достижения управляемого и эффективного сгорания, эти механизмы также могут содержаться в камере сгорания. Система впрыска топлива может содержать один или несколько клапанов, включенных последовательно или параллельно, для управления потоком топлива.

[0045] Камеры сгорания также могут содержать камеру сгорания с наружным обогревом, когда тепло, генерируемое этой камерой, передается сжатому воздуху из первого компрессора с использованием теплообменника, встроенного в камеру сгорания с наружным обогревом или установленного в соединении с указанной камерой. Соответственно, температура сжатого воздуха растет при его продвижении по направлению к первой турбине. Например, если используемое топливо является неподходящим для газовых турбин, камеру сгорания с наружным обогревом может быть предпочтительной для предотвращения попадания вредных частиц в газовую турбину.

[0046] Введенным топливом можно управлять на основе желательного количества энергии, подаваемой в электрическую сеть или любую нагрузку, находящуюся в электрическом соединении с газовой турбиной. Впрыском топлива также можно управлять на основе других параметров, таких как, например, напряжение, электрический ток, температура, давление или массовый расход. Камера сгорания также может иметь геометрию изменяемого типа. Камера сгорания, имеющая геометрию изменяемого типа, может содержать привод, посредством которого может быть изменена геометрия камеры сгорания. Камера сгорания может быть выполнена с использованием различных материалов, способных выдерживать повышенные температуры и давления, возникающие в процессе работы газовой турбины. Эти материалы могут быть, например, помимо прочего сплавами на основе никеля или кобальта. Также в камерах сгорания могут использоваться керамические материалы. Также могут использоваться различные теплоизолирующие покрывающие материалы, служащие в качестве изолирующего слоя для уменьшения температур нижележащего металлического основания.

[0047] Система управления предпочтительно содержит электронные схемы и мощные электронные устройства, выполненные с возможностью управления вращающим моментом и скоростью вращения всех электрических генераторов. Система управления может содержать преобразователи частоты для электрических генераторов или может содержать выпрямители для генераторов, выполненных с возможностью преобразования переменного тока (АС), генерируемого генераторами, в случае генераторов переменного тока, в постоянный ток (DC), а также инвертор или инверторы для преобразования постоянного тока в переменный ток с той же самой частотой, как, например, в электрической сети или нагрузке переменного тока. Переменный электрический ток, генерируемый электрическими генераторами, таким образом, может быть подан в нагрузку через элементы, такие, как описано выше, вместо непосредственной подачи в нагрузку. Характеристики переменного тока также могут быть изменены перед подачей в нагрузку. Система управления может быть выполнена с возможностью приема информации от датчиков, выполненных с возможностью измерения термодинамических параметров системы, таких как температуры и давления, и/или электрических параметров, таких как электрические токи и напряжения генераторов, мощных электронных схем, а также параметров вспомогательных систем или электрических напряжений и токов в электрической сети или нагрузке, которой передается электрическая энергия от газовой турбины. Система управления может содержать контуры обратной связи, цепи прямой передачи и может быть основана на различных способах управления, таких как, например, скалярное управление напряжением/частотой, векторное управление, также известное как управление с ориентацией по полю или прямое регулирование крутящего момента.

[0048] Система управления может содержать, например, центральный процессор (ЦП), запоминающий элемент, такой как, например, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), и блок связи. Управляющее программное обеспечение, такое как алгоритмы управления, сохранено в запоминающем устройстве и выполняется центральным процессором. Блок связи, который может быть использован для передачи данных внешней системе и/или приема данных от внешней системы, может содержать антенну и/или коммуникационный порт для проводной связи, например, Ethernet, или другой интерфейс локальной сети (ЛВС). В случае беспроводной связи приемник может использовать, например, радиочастотные способы связи, такие как беспроводная локальная сеть (WLAN), Глобальная система мобильной связи (GSM), а также систему связи третьего поколения (3G), долгосрочного развития (LTE), четвертого поколения (4G).

[0049] Согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения по меньшей мере некоторые из электрических генераторов могут быть идентичными, или согласно другому варианту реализации по меньшей мере некоторые из них могут быть электрическими генераторами различных типов. Электрические генераторы, используемые в газотурбинном устройстве согласно различным вариантам реализации настоящего изобретения, могут быть электрическими генераторами синхронного или асинхронного типа. Электрические генераторы могут быть генераторами постоянного тока (DC), генераторами на постоянных магнитах, индукционными генераторами, асинхронными генераторами двойного питания или генераторами любых других видов, выполненных с возможностью преобразования механической энергии вращающейся оси в электроэнергию. Количество фаз генераторов предпочтительно может быть три фазы, но также может быть две фазы в случае генераторов постоянного тока или, например, шесть фаз. Кроме того, генераторы могут иметь соединение звездой или соединение треугольником и могут быть заземленными или незаземленными генераторами.

[0050] На ФИГ. 1 схематично показано газотурбинное устройство с тремя каскадами согласно одному варианту реализации настоящего изобретения, содержащее некоторые дополнительные элементы, помеченные штриховыми линиями. Дополнительные элементы, показанные на ФИГ. 1, являются одинаковыми в вариантах реализации с более чем тремя каскадами.

[0051] Элементы газовой турбины, показанной на ФИГ. 1, и их основные назначения в общих чертах могут быть описаны следующим образом. Третий компрессор С3, второй компрессор С2 и первый компрессор С1 увеличивают давление газа, обычно воздуха, протекающего через них. Вторые теплообменники 15 могут использоваться для удаления части тепла из воздуха и передачи охлаждающей среде. Во вторых теплообменниках охлаждающая среда, удаляющая часть тепла из воздуха, питается из внешнего источника (не показан на ФИГ. 1). Первый теплообменник 14 используется для предварительного нагрева воздуха путем использования отработанных газов, поступающих из третьей турбины Т3. В первой камере Comb1 сгорания сжатый воздух смешивается с топливом, и в процессе сгорания высвобождается тепло в случае типичной камеры сгорания, в результате чего нагревается смесь воздуха и топлива, генерирующая горячий газ. Во вторых камерах Comb2 сгорания, если таковые вообще имеются, газ из первой турбины Т1 или из верхней (по течению потока) турбины смешивается с топливом, и в процессе сгорания освобождается тепло в случае типичной камеры сгорания, в результате чего нагревается смесь газа из первой турбины Т1 или из верхней (по течению потока) турбины с дополнительным нагревом газа и топлива. В первой турбине Т1, во второй турбине Т2 и в третьей турбине Т3 горячие отработанные газы расширяются и вырабатывают механическую энергию для вращения электрических генераторов, т.е. первого генератора G1, второго генератора G2 и третьего генератора G3, а также первого компрессора С1, второго компрессора С2 и третьего компрессора С3. Первый каскад 10а содержит первый вал 11а, первый компрессор С1 и первую турбину Т1. Второй каскад 10b содержит второй вал 11b, второй компрессор С2 и вторую турбину Т2. Третий каскад 10с содержит третий вал 11с, третий компрессор С3 и третью турбину Т3.

[0052] На ФИГ. 2 показан предпочтительный вариант реализации настоящего изобретения с тремя каскадами, в котором воздух, входящий в систему, нагнетается третьим компрессором С3. Затем сжатый воздух подается во второй теплообменник 15, соединенный между третьим компрессором С3 и вторым компрессором С2. Второй теплообменник 15 уменьшает температуру воздуха, используя охлаждающую среду, такую как, например, вода, для удаления части тепла из воздуха. Затем воздух подается во второй компрессор С2, который дополнительно увеличивает давление воздуха. Затем сжатый воздух подается в еще один второй теплообменник 15, соединенный между вторым компрессором С2 и первым компрессором С1. Затем, воздух, который сжат и приходит из первого компрессора С1, подается в первый теплообменник 14, в котором воздух предварительно нагревается с использованием горячих отработанных газов, приходящих из третьей турбины Т3. После первого теплообменника 14 воздух подается в первую камеру Comb1 сгорания, в которой воздух смешивается с топливом и воспламеняется для нагрева смеси воздуха и топлива с целью выработки горячих отработанных газов. Затем отработанные газы подаются в первую турбину Т1, в котором отработанные газы расширяются и вырабатывают механическую энергию для вращения первого компрессора С1 и первого генератора G1. Затем отработанные газы дополнительно подаются во вторую турбину Т2, в которой отработанные газы дополнительно расширяются и вырабатывают механическую энергию для вращения второго компрессора С2 и второго генератора G2. Затем отработанные газы дополнительно подаются в третью турбину Т3, в которой отработанные газы дополнительно расширяются и вырабатывают механическую энергию для вращения третьего компрессора С3 и третьего генератора G3. После этого отработанные газы подаются в первый теплообменник 14, после которого отработанные газы выпускаются из газовой турбины.

[0053] Кроме того, на ФИГ. 2 показаны некоторые примеры измерений, которые могут быть включены в устройство согласно предпочтительному варианту реализации или любому варианту реализации настоящего изобретения. Также в систему могут быть включены другие измерения. Примеры измерений показаны штриховыми линиями. Как можно видеть на ФИГ. 2, могут быть включены измерения выходных напряжений 22 и электрических токов 24 генераторов G1, G2 и G3, а также измерения со стороны нагрузки 200, такой как, например, напряжения 23 и токи 25 электрической сети. Также могут быть включены дополнительные измерения электрических параметров в системе Ctrl управления, таких как входные и выходные напряжения и/или электрические токи преобразователей и инверторов, если таковые используется в конкретном варианте реализации. Термодинамические параметры, такие как, например, температура 26 на входе первой турбины и температура 28 на выходе третьей турбины, т.е. температура на входе первого теплообменника, могут быть измерены в вариантах реализации настоящего изобретения, содержащих первый теплообменник. Также может быть включено другое измерение, такое как, например, температура на входе каждой турбины. Все измерения могут быть переданы в систему Ctrl управления для отслеживания и/или управления работой газотурбинной силовой установки.

[0054] Первый компрессор С1 и первая турбина Т1 предпочтительно могут быть установлены на первом валу 11а таким способом, при котором они находятся в непосредственной близости друг к другу. Затем первый генератор G1 может быть установлен с любой из сторон этой пары турбины-компрессора на первом валу 11а. Кроме того, второй компрессор С2 и вторая турбина Т2 предпочтительно могут быть установлены на втором валу 11b таким способом, при которым они находятся в непосредственной близости друг к другу. Затем второй генератор G2 может быть установлен с любой из сторон этой пары турбины-компрессора на втором валу 11b. Кроме того, третий компрессор С3 и третья турбина Т3 предпочтительно могут быть установлены на третьем валу 11с таким способом, при котором они находятся в непосредственной близости друг к другу. Затем третий генератор G3 может быть установлен с любой из сторон этой пары турбины-компрессора на третьем валу 11с. Когда элементы находятся в непосредственной близости друг к другу, потери давления и тепловые потери могут быть минимизированы, и конструкция может быть компактной. Первый генератор G1 также может быть установлен между первым компрессором С1 и первой турбиной Т1. Это может иметь место для второго и третьего генераторов G2 и G3, второго и третьего компрессоров С2 и С3 и второй и третьей турбин Т2 и Т3, также установленных на втором и третьем валах 11b и 11с соответственно.

[0055] На ФИГ. 3а показан случай, когда компрессоры и турбины установлены в непосредственной близости друг к другу, и плоский элемент 34 может быть расположен между компрессором 30 и турбиной 32 согласно различным вариантам реализации настоящего изобретения. При практических обстоятельствах непосредственная близость может быть реализована путем расположения компрессора 30 и турбины 32 рядом друг с другом, разделенных по существу только плоским элементом 34. В этих случаях электрический генератор не может быть расположен между компрессором и турбиной. Плоскость, образованная плоским элементом, может быть расположена перпендикулярно продольной оси вала соответствующего каскада. Плоский элемент, например, может иметь ширину от примерно 1 сантиметра до примерно 20 сантиметров. Это также относится к вариантам реализации, содержащим рекуператор 14, несмотря на то, что он не показан на ФИГ. 3а для ясности иллюстрации. Такая конструкция обеспечивает минимальный путь для воздуха от компрессора 30 к турбине 32 через камеру 36 сгорания. Это приводит к уменьшению потерь давления и тепловых потерь.

[0056] С одной стороны плоского элемента 34 присутствует воздух, приходящий из компрессора 30, и с другой стороны присутствует нагретый газ, приходящий из камеры 36 сгорания, в которую подают воздух и в которую впрыскивают топливо, например, из топливной инжекторной форсунки 38. В результате на плоском элементе 34 возникает высокий градиент температуры. В случае каскада, к которому отработанные газы приходят из турбины другого каскада, имеется воздух, приходящий из компрессора 30 с одной стороны, и имеется нагретый газ, выходящий из турбины другого каскада с другой стороны. В данном случае температурный градиент также является высоким. Материал плоского элемента может быть любым материалом, выдерживающим высокий температурный градиент, присутствующий в газовых турбинах, таким как, например, сплав хрома и никеля, для разделения горячих отработанных газов, присутствующих на стороне турбины 32, и более холодного воздуха на стороне компрессора 30.

[0057] Плоский элемент 34 также может быть частично полым, т.е. частично полым плоским элементом 35, как показано на ФИГ. 3b, чтобы воздух мог протекать в частично полом плоском элементе 35, таким образом охлаждая элемент и обеспечивая хорошие теплоизолирующие свойства. Частично полый плоский элемент 35 в случае его использования может быть использован в одном каскаде, нескольких или всех каскадах.

[0058] На ФИГ. 4 показано газотурбинное устройство, гидравлически сообщающаяся с внешним процессом 40. Внешний процесс может быть любым устройством для общей утилизации тепла, таким как, например, паровой котел, система отопления помещений, канальная горелка или любая другая горелка, использующая предварительно нагретые газы. Во внешнем процессе может быть использована охлаждающая среда, приходящая из промежуточного теплообменника. В случае, например, канальной горелки также имеется топливо 42, поступающее из внешнего источника. Продуктом процесса может быть, например, пар 44.

[0059] Согласно одному варианту реализации настоящего изобретения второй теплообменник 15, первый теплообменник 14 и вторые камеры сгорания Comb2, которые все можно считать дополнительными элементами, удалены, как показано на ФИГ. 1. Согласно данному варианту реализации воздух, поступающий в систему, сначала нагнетается третьим компрессором С3, затем подается во второй компрессор С2 для дополнительного нагнетания. Затем воздух подается в первый компрессор С1 для дальнейшего нагнетания. Затем сжатый воздух подается в первую камеру Comb1 сгорания, в которой сжатый воздух смешивается с топливом для вырабатывания тепла при сгорании смеси воздуха и топлива. После первой камеры Comb1 сгорания отработанные газы подаются в первую турбину Т1, в которой отработанные газы расширяются, и вырабатывается механическая энергия, в результате чего первый компрессор С1 и первый генератор G1 вращаются и вырабатывают электроэнергию. Затем отработанные газы подаются во вторую турбину Т2, в которой отработанные газы дополнительно расширяются, вырабатывая механическую энергию и вращая второй компрессор С2 и второй генератор G2 для выработки электроэнергии. Затем отработанные газы дополнительно подаются в третью турбину Т3, в котором отработанные газы дополнительно расширяются, вырабатывая механическую энергию и вращая третий компрессор С3 и третий генератор G3 для выработки электроэнергии. После этого отработанные газы выпускаются из газовой турбины.

[0060] Согласно одному варианту реализации настоящего изобретения первый теплообменник 14 и вторые камеры Comb2 сгорания, которые все можно считать дополнительными элементами, удалены, как показано на ФИГ. 1. Согласно данному варианту реализации воздух, входящий в систему, сначала нагнетается третьим компрессором С3. Затем воздух подается во второй теплообменник 15, соединенный между третьим компрессором С3 и вторым компрессором С2, причем теплообменник 15 извлекает часть тепла из воздуха, таким образом понижая температуру воздуха. Затем воздух подается во второй компрессор С2. Затем воздух подается во второй теплообменник 15, соединенный между вторым компрессором С2 и первым компрессором С1, причем теплообменник 15 удаляет часть тепла из воздуха, таким образом понижая температуру воздуха. Затем сжатый воздух подается в первую камеру Comb1 сгорания, в которой сжатый воздух смешивается с топливом для вырабатывания тепла при сгорании смеси воздуха и топлива. После первой камеры Comb1 сгорания отработанные газы подаются в первую турбину Т1, в которой отработанные газы расширяются, вырабатывается механическая энергия, и первый компрессор С1 и первый генератор G1 вращаются для выработки электроэнергии. Затем отработанные газы дополнительно подаются во вторую турбину Т2, в которой отработанные газы дополнительно расширяются, вырабатывая механическую энергию и вращая второй компрессор С2 и второй генератор G2 для выработки электроэнергии. Затем отработанные газы дополнительно подаются в третью турбину Т3, в которой отработанные газы дополнительно расширяются, вырабатывая механическую энергию и вращая третий компрессор С3 и третий генератор G3 для выработки электроэнергии. После этого отработанные газы выпускаются из газовой турбины.

[0061] Согласно одному варианту реализации настоящего изобретения вторые теплообменники 15 и вторые камеры Comb2 сгорания, которые все можно считать дополнительными элементами, как показано на ФИГ. 1, удалены. Согласно данному варианту реализации воздух, входящий в систему, сначала нагнетается третьим компрессором С3. Затем воздух подается во второй компрессор С2, после чего воздух подается в первый компрессор С1. После этого воздух подается в первый теплообменник 14. Первый теплообменник 14 передает часть тепла отработанных газов, поступающих из третьей турбины Т3, воздуху, таким образом предварительно нагревая воздух перед его подачей в первую камеру Comb1 сгорания, в которой предварительно нагретый воздух смешивается с топливом для вырабатывания тепла при сгорании смеси воздуха и топлива. После первой камеры Comb1 сгорания отработанные газы подаются к первой турбине Т1, в которой отработанные газы расширяются, вырабатывается механическая энергия, и первый компрессор С1 и первый генератор G1 вращаются для выработки электроэнергии. Затем отработанные газы дополнительно подаются во вторую турбину Т2, в которой они дополнительно расширяются, вырабатывая механическую энергию и вращая второй компрессор С2 и второй генератор G2 для выработки электроэнергии. Затем отработанные газы дополнительно подаются в третью турбину Т3, в которой отработанные газы дополнительно расширяются, вырабатывая механическую энергию и вращая третий компрессор С3 и третий генератор G3 для выработки электроэнергии. После этого отработанные газы подаются в первый теплообменник 14, после чего отработанные газы выпускаются из газовой турбины.

[0062] Примеры вариантов реализации настоящего изобретения, представленные выше, как показано на ФИГ. 1, являются только некоторыми возможными вариантами реализации. На ФИГ. 1 показаны только три каскада. Три каскада являются только примером и не должны рассматриваться как ограничение. Любое сочетание элементов, помеченных штриховыми линиями, с элементами, помеченными сплошными линиями, может рассматриваться как один из вариантов реализации настоящего изобретения независимо от количества каскадов, которое может быть три или больше.

[0063] Согласно одному варианту реализации настоящего изобретения устройство содержит вспомогательную систему, содержащую источник энергии, который может быть использован в заданных (предусмотренных) ненормальных условиях эксплуатации, таких как, например, в случае, когда возникает быстрое неожиданное прерывание в электрической сети, такое как в случае потери сети или в случае планового отключения для на техобслуживания с целью безопасного и управляемого линейного изменения системы с повышением или понижением ее энергоемкости для управления мощностью, подаваемой к нагрузке 200. В этих случаях системой управления газотурбинной силовой установки можно управлять с использованием энергии от источника энергии вспомогательной системы. Этот источник энергии может быть, например, помимо прочего батареей или блоком батарей, конденсатором большой емкости или системой топливных элементов. Благодаря использованию вспомогательной системы управление газовой турбиной остается в рабочем состоянии может, например, безопасно останавливать систему или может запускать систему в режиме секционирования.

[0064] Согласно различным вариантам реализации на каждом из валов 11а-11с каскадов 10а-10с могут использоваться активные магнитные подшипники. Могут быть использованы один или более активные магнитные подшипники, связанные с каждым из валов. Активные магнитные подшипники могут использоваться для определения частоты вращения по меньшей мере одного из валов. Определенная скорость может использоваться в системе управления для управления частотами вращения валов электрическими генераторами G1-G3.

[0065] Согласно различным вариантам реализации настоящего изобретения большая часть полной выходной энергии, поданной к нагрузке 200 в форме электрической и вращательной энергии, генерируется электрическими генераторами G1-G3 в форме электрической энергии. Полная выходная мощность, используемая в настоящей заявке, не содержит тепловую выходную мощность, такую как энергия, выпущенная из устройства через выхлопную трубу или в форме тепловых потерь устройства. Согласно одному варианту реализации по меньшей мере 60% или предпочтительно по меньшей мере 80% полной выходной энергии, поданной в нагрузку 200 в форме электрической или вращательной энергии, вырабатываются электрическими генераторами G1-G3 в форме электрической энергии.

[0066] Нагрузка 200 в настоящей заявке относится к нагрузке 200, которая является внешней по отношению к устройству, такой как электрическая сеть или автономная электрическая нагрузка, такая как электрическая система энергоснабжения, например, больницы, промышленного предприятия или жилого района.

[0067] Таким образом, электрические генераторы G1-G3 выполнены с возможностью вырабатывания основной выходной энергии устройства, подаваемой непрерывно или в среднем к нагрузке 200, которая является внешней по отношению к устройству, в форме электрической энергии, но не действуют только как вспомогательный источник энергии или только для управления работой устройства. Непрерывная или усредненная мощность, подаваемая к указанной нагрузке 200, внешней по отношению к устройству, в настоящей заявке отнесена к типичным рабочим условиям, таким как номинальные рабочие условия или условия частичной нагрузки, исключая мощность, вырабатываемую периодически, в данный момент времени или в короткие промежутки времени, например, для краткого повышения энергии. Однако электрические генераторы G1-G3 также могут использоваться в управлении работой газотурбинного устройства в соединении с количеством тепла, генерируемого в первой камере Comb1 сгорания, а также во вторых камерах Comb2 сгорания, если таковые имеются.

[0068] Однако согласно одному варианту реализации часть электрической выходной энергии электрических генераторов G1-G3 может использоваться для управления газотурбинным устройством, т.е. для собственного потребления. Собственное потребление может быть, например, мощностью, необходимой для питания системы управления или активных магнитных подшипников. Однако большая часть полной выходной энергии устройства, подаваемой к внешней нагрузке 200, т.е. по меньшей мере 60% или предпочтительно по меньшей мере 80%, вырабатываются электрическими генераторами G1-G3 в форме электрической энергии. Меньше чем 40% или предпочтительно меньше чем 20% полной выходной энергии в форме электрической или вращательной энергии, т.е., например, вращательной энергии вала 11a-11c, могут поступать из других источников, например, от дополнительной турбины, вращающей электрический генератор или способное вращаться устройство, такое как вентилятор или насос.

[0069] Согласно одному варианту реализации номинальная мощность электрического генератора G1-G3 может составлять 30-1500 кВт. Согласно еще одному варианту реализации скорость вращения электрического генератора G1-G3 может составлять 10000-120000 об/мин. Согласно различным вариантам реализации максимальное значение температуры на входе самой высоконапорной турбины Т1 может составлять 600-1500°С предпочтительно 750-1250°С.

[0070] Согласно различным вариантам реализации настоящего изобретения значения номинальной энергии и/или значения номинальной скорости вращения электрических генераторов могут быть равными или различными.

[0071] Согласно различным вариантам реализации настоящего изобретения значения номинальной энергии и/или номинальной скорости вращения генераторов по существу являются равными. Согласно различным вариантам реализации эти значения могут отличаться самое большее на 10% или 15% друг от друга относительно номинальной энергии генератора, имеющего самую высокую номинальную мощность, и все еще могут подпадать под понятие по существу равного значения, описанного в настоящей заявке. Согласно некоторым вариантам реализации режим работы газовой турбины может быть спроектирован таким образом, чтобы было выгодно иметь несколько повышенную разность номинальных мощностей генераторов для оптимизации работы системы. Таким образом, предел этой разности значений в зависимости от конкретного случая применения также может составлять 15% относительно номинальной энергии генератора, имеющего самую высокую номинальную мощность.

[0072] Согласно различным вариантам реализации скорости вращения вращающихся частей электрических генераторов G1-G3, которые являются их роторами, могут отличаться друг от друга или по существу могут быть равными.

[0073] Согласно различным вариантам реализации, в частности, но не обязательно, или не ограничиваясь вариантами реализации с равными значениями номинальной энергии и скорости вращения электрических генераторов, скорости вращения вращающихся частей электрических генераторов G1-G3, которые являются их роторами, могут различаться не более чем на 30% относительно скорости вращения генератора, связанного с каскадом, имеющим самую высокую скорость вращения.

[0074] Согласно различным вариантам реализации электрические энергии, вырабатываемые электрическими генераторами G1-G3, могут отличаться друг от друга или могут быть по существу равными.

[0075] Согласно различным вариантам реализации, в частности, но не обязательно, или не ограничиваясь вариантами реализации с равными значениями номинальной энергии и скорости вращения электрических генераторов, электрические энергии, вырабатываемые электрическими генераторами G1-G3, предпочтительно могут быть такими, что разность между электрическими мощностями генераторов G1-G3 относительно значения номинальной энергии одного из электрических генераторов не превышает 60%. Согласно вариантам реализации с различными значениями номинальной энергии электрические энергии, вырабатываемые электрическими генераторами G1-G3, не отличаются больше чем на 60% друг от друга относительно значения номинальной энергии электрического генератора с самым высоким значением номинальной энергии.

[0076] Признаки, представленные в предыдущем описании, могут использоваться в сочетаниях, помимо описанных в настоящей заявке. Несмотря на то, что функции описаны со ссылкой на определенные признаки, эти функции могут быть реализованы другими признаками, описанными или не описанными. Несмотря на то, что признаки описаны со ссылкой на определенные варианты реализации, эти признаки также могут быть представлены в других вариантах реализации, описанных или не описанных.

Реферат

Изобретение относится к наземным газотурбинным электростанциям с многокаскадным газотурбинным устройством для генерирования электрической энергии с целью питания нагрузки. Настоящее изобретение содержит по меньшей мере три каскада. Каждый из указанных по меньшей мере трех каскадов содержит вал, компрессор и турбину. Каждый из валов указанных по меньшей мере трех каскадов выполнен с возможностью вращения независимого друг от друга. Настоящее изобретение дополнительно содержит электрические генераторы, установленные на каждом из валов указанных по меньшей мере трех каскадов, причем обеспечена возможность независимого управления выходной мощностью генераторов, и по меньшей мере 60% общей выходной энергии, подаваемой на указанную нагрузку в виде электрической и вращательной энергии, генерируется указанными по меньшей мере тремя генераторами в виде электрической энергии. Изобретение позволяет повысить эффективность выработки электрической энергии. 16 з.п. ф-лы, 4 ил.

Формула