Двухкаскадное газотурбинное устройство - RU2704385C2

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 двухкаскадным 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 силовые установки, большие ТЭЦ на угольной основе и т.п. Централизованная выработка электрической мощности, 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 силовых установок с централизованной выработкой энергии, которые обычно работают в своем режиме номинальной мощности, 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 получения 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 обычно 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. Силовые установки на основе газового двигателя и силовые установки на основе газовой турбины, которые все более широко используются для выработки электроэнергии, являются хорошими примерами силовых установок, 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 установках с электрической мощностью меньше чем 20 МВт. 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. Двухкаскадное устройство предлагает потенциально более высокую эффективность, чем однокаскадной системы, поскольку на входе двухкаскадной турбины может быть выработана большая мощность при той же самой температуре по сравнению с однокаскадной системой.

[0007] Обычно два каскада газовых турбин различаются в том, 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. Двухкаскадные установки этого вида обеспечивают мощность примерно от 15 МВт и выше. В этих двухкаскадных установках проектирование рабочих колес турбины может вызвать большие трудности из-за их размера и влияния на динамику роторов. Высокое передаточное отношение, с которым скорость каскадов изменяется относительно друг друга, дополнительно усложняет конструкцию системы и управление системой.

[0008] В некоторых экспериментальных вариантах реализации газотурбинных силовых установок используются два каскада, причем оба каскада имеют электрические генераторы, связанные с их валами. В этих решениях мощность газотурбинной силовой установки получают главным образом от одиночного электрического генератора, который является основным генератором, и другой генератор, работающий в качестве вспомогательного двигателя/генератора, обычно имеет более низкую номинальную мощность, чем мощность основного генератора, и имеет скорость вращения, лежащую в другом диапазоне скоростей вращения, чем скорость вращения основного генератора. Также известны решения, в которых оба электрических генератора используются прежде всего для управления работой газотурбинной силовой установки, то есть оба генератора 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.

[0009] Высокая скорость вращения каскадов в целом может создать сложности и привести к быстрому износу подшипников, а также может вызвать повышенные потери из-за трения. В частности, при децентрализованной выработке электроэнергии силовая установка, должна быть выполнена с возможностью быстрого изменения выходной мощности. В типичных газовых турбинах управление может быть недостаточно быстрым для своевременного реагирования на все изменения нагрузки или изменения производительности других силовых установок. Особенности проектирования в газовых турбинах могут оказывать негативное влияние на возможности управления, например, динамические свойства, относящихся к лопаткам и рабочим колесам, а также конструкцию и управление генераторами.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0010] Задача настоящего изобретения состоит в создании устройства, облегчающего 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 настоящего изобретения предложена стационарная наземное или судовое газотурбинное устройство для генерирования электрической энергии для подачи на нагрузку, являющуюся внешней относительно указанного устройства. Установка содержит два каскада: второй каскад, содержащий второй вал, второй компрессор для сжатия входного газа и вторую турбину, установленную на втором валу; и первый каскад, содержащий первый вал, первый компрессор для дополнительного сжатия газа от второго компрессора и первую турбину, установленную на первом валу. Устройство дополнительно содержит первую камеру сгорания, выполненную с возможностью обеспечения сжигания топливной смеси или реакции топливной смеси так, что дополнительно сжатый газ из первого компрессора преобразуется в газ с повышенной температурой, который выполнен с возможностью расширяться в первой турбине с выработкой механической энергии. Устройство содержит вторую турбину, выполненную с возможностью обеспечения приема расширенного газа с повышенной температурой от первой турбины и дополнительного расширения указанного расширенного газа с повышенной температурой для выработки механической энергии, причем второй каскад выполнен с возможностью вращения независимо от первого каскада. Первый компрессор расположен с возможностью обеспечения приема указанного сжатого газа от второго компрессора и дополнительного сжатия указанного сжатого газа, причем первый каскад выполнен с возможностью вращения независимо от второго каскада. Установка также содержит только два электрических генератора: первый генератор, непосредственно связанный с первым валом с возможностью приведения во вращение этим валом, причем первый генератор выполнен с возможностью вращения с той же скоростью, что и первый вал, и выполнен с возможностью генерирования переменного электрического тока для подачи на указанную нагрузку; и второй генератор, непосредственно связанный со вторым валом с возможностью приведения во вращение этим валом, причем второй генератор выполнен с возможностью вращения с той же скоростью, что и второй вал, и выполнен с возможностью генерирования переменного электрического тока для подачи на указанную нагрузку. Устройство также содержит первый генератор и второй генератор, имеющие по существу равные номинальные мощности, а скорости вращения вращающихся частей первого генератора и второго генератора по существу являются номинально равными. Кроме того, установка обеспечивает по меньшей мере 60% общей выходной энергии, подаваемой на указанную нагрузку, в виде электрической и вращательной энергии, генерируемой двумя электрическими генераторами, причем общая выходная энергия равна сумме электрической и вращательной энергий, подаваемых установкой на указанную нагрузку.

[0012] В частности, настоящее изобретение относится к вышеуказанному устройству в сочетании со стационарной наземной газотурбинной силовой установкой или судовой газотурбинной силовой установкой, то. есть, в частности, настоящее изобретение относится к наземной или судовой газотурбинным силовым установкам с многокаскадным газотурбинным устройством для генерирования электрической энергии для подачи на внешнюю нагрузку.

[0013] Указанная нагрузка, которая является внешней по отношению к устройству, и на которую должна быть подана электрическая энергия, является электрической сетью или автономной электрической нагрузкой, такой как электрическая система энергоснабжения больницы, промышленного предприятия или жилого района.

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

[0015] Предлагаемое устройство содержит первый теплообменник, выполненный с возможностью приема указанного дополнительно сжатого газа от первого компрессора и дополнительно расширенного газа с повышенной температурой от второй турбины, причем первый теплообменник передает тепло от указанного дополнительно расширенного газа с повышенной температурой к указанному дополнительно сжатому газу для предварительного нагрева указанного дополнительно сжатого газа перед его сжиганием в первой камере сгорания.

[0016] Предлагаемое устройство содержит второй теплообменник, расположенный с возможностью приема указанного сжатого газа для передачи первому компрессору, и охлаждающей среды от внешнего источника для понижения температуры указанного сжатого газа.

[0017] Предлагаемое устройство содержит вторую камеру сгорания, выполненную с возможностью обеспечения сжигания топливной смеси или реакции топливной смеси, причем вторая камера сгорания выполнена с возможностью повторного нагрева указанного расширенного газа с повышенной температурой для того, чтобы после указанного повторного нагрева передать указанный расширенный газ с повышенной температурой во вторую турбину.

[0018] В предлагаемом устройстве первый компрессор и первая турбина могут быть установлены на первом валу и разделены только плоским элементом, размещенным между первым компрессором и первой турбиной, причем плоскость, образованная плоским элементом, перпендикулярна продольной оси первого вала.

[0019] В предлагаемом устройстве второй компрессор и вторая турбина могут быть установлены на втором валу и разделены только плоским элементом, размещенным между вторым компрессором и второй турбиной, причем плоскость, образованная плоским элементом, перпендикулярна продольной оси второго вала.

[0020] Предлагаемое устройство может содержать плоский элемент, являющийся частично полым и расположенный так, что воздух может протекать в указанном частично полом плоском элементе, обеспечивая его охлаждение.

[0021] В предлагаемом устройстве первая камера сгорания и/или вторая камера сгорания могут быть камерами внешнего сгорания.

[0022] Предлагаемое устройство также может содержать вспомогательную систему, содержащую источник энергии для управления газотурбинным устройством во время заданных (предполагаемых) нештатных режимов, таких как приостановка работы электрической сети, или в случае планового отключения для текущего обслуживания.

[0023] В предлагаемом устройстве первая камера сгорания может содержать систему зажигания и систему впрыска топлива.

[0024 Предлагаемое устройство может содержать систему управления для управления работой газотурбинного устройства.

[0025] В предлагаемом устройстве первый компрессор и/или второй компрессор могут быть центробежными компрессорами.

[0026] В предлагаемом устройстве первая турбина и/или вторая турбина могут быть радиальными турбинами.

[0027] Предлагаемое устройство может содержать горелку, выполненную с возможностью сообщения по текучей среде с газотурбинным устройством, причем в горелке используется указанный дополнительно расширенный газ с повышенной температурой из второй турбины или указанный газ с повышенной температурой из первого теплообменника.

[0028] Предлагаемое устройство может содержать устройство для утилизации тепла, выполненное с возможностью сообщения по текучей среде с газотурбинным устройством, причем охлаждающая среда от второго теплообменника, если это вода, подается в устройство для утилизации тепла и используется для нагрева.

[0029] В предлагаемом устройстве первый генератор и второй генератор, которые могут иметь по существу равные номинальные мощности, отличающиеся друг от друга не более чем на десять процентов относительно номинальной мощности генератора с более высоким значением номинальной мощности, а вращающиеся части первого генератора и второго генератора имеют по существу равные номинальные значения скорости вращения, отличающиеся друг от друга не более чем на десять процентов относительно значения скорости генератора с более высоким номинальным значением скорости вращения.

[0030] В предлагаемом устройстве обеспечена возможность использования по меньшей мере части переменного электрического ток для потребления самим устройством, например, для управления работой системы или активных магнитных подшипников.

[0031] Преимущество предлагаемого устройства согласно настоящему изобретению состоит в том, что предложенное двухкаскадное устройство обеспечивает независимое управление электрической производительностью генераторов, и, таким образом, система может быть использована с большей эффективностью, чем однокаскадная система. Поскольку оба генератора имеют по существу равные номинальные мощности, и скорости вращения вращающихся частей генераторов также по существу равны, изменения скорости вращения одного генератора не вызывают больших изменений скорости вращения другого генератора. Это упрощает проектирование работы и управления системы. Кроме того, поскольку размеры генераторов по существу равны, скорость вращения любого из генераторов не становится намного более высокой, что приводит к снижению потерь энергии по сравнению с решением с двумя генераторами, размеры которых значительно различаются. Еще одно преимущество заключается в том, что размер рабочего колеса турбины низкого давления, т.е. второй турбины меньше, чем в случае типичной газовой турбины с высокоскоростным каскадом высокого давления и каскадом низкого давления, турбина которого вращается значительно медленнее. Это дополнительно облегчает проектирование динамических свойств каскада низкого давления.

[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 понято из следующего ниже описания конкретных вариантов его реализации при прочтении совместно с сопроводительными чертежами.

[0034] Термины "первый" и "второй" 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.

[0035] Установка подобного типа также может быть использована для генерирования энергии для питания электрического двигателя поезда или тяжелых машин. Кроме того, помимо прочего могут быть выявлены разнообразные преимущества, обусловленные различием в потреблении мощности, получаемой от газовых турбин.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0036] Варианты реализации настоящего изобретения показаны в качестве примера, но не ограничения, на фигурах сопроводительных чертежей.

[0037] На ФИГ. 1 схематично показана газотурбинное устройство согласно одному варианту реализации настоящего изобретения.

[0038] На ФИГ. 2 схематично показана газотурбинное устройство согласно предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения.

[0039] На ФИГ. 3 схематично показан плоский элемент, расположенный между компрессором и турбиной, используемый в одном варианте реализации настоящего изобретения.

[0040] 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

[0041] Настоящее изобретение предпочтительно относится к устройству для выработки электрической энергии с целью ее подачи в нагрузку, с использованием стационарной наземной газовой турбины в сочетании со стационарной наземной газотурбинной силовой установкой. Настоящее изобретение также относится к судовым газовым турбинам, которые предназначены для использования в судовых газотурбинных силовых установках. Наземные газовые турбины относятся к любому стационарному случаю применения, использующему газовые турбины на земле, такому как силовые установки, соединенные с электрической сетью или местной нагрузкой, такой как снабжение электроэнергией лечебного учреждения, промышленного предприятия или жилого района. Судовые газовые турбины для выработки электрической энергии относятся к газовым турбинам, которые используются в случаях морского применения для генерирования электрической энергии, например, в судовой газотурбинной силовой установки.

[0042] 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 повышенной температуры использования.

[0043] 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 повышенной температуры использования.

[0044] 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 пониженной 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.

[0045] 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.

[0046] 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, камера сгорания с наружным обогревом может быть предпочтительной для предотвращения попадания вредных частиц в газовую турбину.

[0047] Введенным топливом можно управлять на основе желательного количества энергии, подаваемой на электрическую сеть или любую нагрузку, электрически соединенную 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.

[0048] 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, нагрузке переменного тока или автономной электрической нагрузке, такой как электрическая система энергоснабжения больницы, промышленной силовой установки или жилого района. Таким образом, переменный электрический ток, генерируемый электрическими генераторами G1, G2, может быть подан на нагрузку 200 через элементы, такие, как описанные выше, вместо непосредственной подачи на нагрузку. Характеристики переменного тока также могут быть изменены перед подачей на 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 автономной электрической нагрузке, которой передается электрическая энергия, генерируемая электрическими генераторами G1, G2 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.

[0049] 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).

[0050] Согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения электрические генераторы могут быть идентичными, или согласно еще одному варианту реализации они могут быть электрическими генераторами различных типов. Электрические генераторы 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. В отношении количества фаз генераторы предпочтительно могут иметь три фазы, но также могут иметь 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.

[0051] На ФИГ. 1 схематично показано газотурбинное устройство согласно одному варианту реализации настоящего изобретения, содержащая некоторые дополнительные элементы, обозначенные штриховыми линиями. Элементы газовой турбины, показанной на ФИГ. 1, и их основные назначения в общих чертах могут быть описаны следующим образом. Компрессор низкого давления, т.е. второй компрессор С2 и компрессор высокого давления, т.е. первый компрессор С1 увеличивают давление используемого газа, обычно воздуха, протекающего через них. Промежуточный теплообменник, т.е. второй теплообменник 15, если таковые вообще имеются, может использоваться для передачи части тепла от воздуха к охлаждающей среде. В промежуточном теплообменнике 15, если таковые вообще имеются, охлаждающая среда, передающая часть тепла от воздуха, подается из внешнего источника (не показан на ФИГ. 1).

[0052] Рекуператор, т.е. первый теплообменник 14, если таковые вообще имеются, используется для предварительного нагрева воздуха с использованием горячего газа, поступающего из турбины низкого давления, т.е. второй турбины Т2. В основной камере сгорания, т.е. первой камере Comb1 сгорания сжатый воздух смешивается с топливом, и в процессе сгорания вырабатывается тепло в случае типичной камеры сгорания, которое, таким образом, нагревает смесь воздуха и топлива, генерируя горячий газ. Во второй камере Comb2 сгорания, если таковые вообще имеются, газ из турбины высокого давления, т.е. первой турбины Т1 смешивается с топливом, и в процессе сгорания вырабатывается тепло в случае типичной камеры сгорания, в результате чего, таким образом, нагревается смесь газа из первой турбины Т1 и топлива. В турбине Т1 высокого давления и в турбине Т2 низкого давления горячий газ расширяется и вырабатывает механическую энергию для вращения электрических генераторов, т.е. первого генератора G1 и второго генератора G2 соответственно, а также первого и второго компрессоров C1, С2 соответственно. Каскад высокого давления, т.е. первый каскад 10 содержит вал высокого давления, т.е. первый вал 11, компрессор С1 высокого давления и турбину Т1 высокого давления. Каскад низкого давления, т.е. второй каскад 12 содержит вал низкого давления, т.е. второй вал 13, турбину Т2 низкого давления и компрессор С2 низкого давления.

[0053] На ФИГ. 2 показан предпочтительный вариант реализации настоящего изобретения, в котором воздух, входящий в систему, т.е. входной газ, нагнетается компрессором С2 низкого давления. Затем сжатый воздух подается в промежуточный теплообменник 15. Промежуточный теплообменник 15 понижает температуру воздуха, используя охлаждающую среду, такую как, например, вода, для удаления части тепла из воздуха. Затем воздух подается в компрессор С1 высокого давления, который дополнительно повышает давление воздуха. Затем воздух, поступающий от компрессора С1 высокого давления, подается в рекуператор 14, в котором воздух предварительно нагревается с использованием горячих отработанных газов или дополнительно расширенного газа с повышенной температурой, поступающего из турбины Т2 низкого давления. После рекуператора 14 предварительно нагретый воздух подается в основную камеру Comb1 сгорания, в которой предварительно нагретый воздух смешивается с топливом и воспламеняется для нагрева смеси предварительно нагретого воздуха и топлива и вырабатывает горячие отработанные газы. Затем указанные отработанные газы подаются в турбину Т1 высокого давления, в которой указанные отработанные газы расширяются и вырабатывают механическую энергию для вращения компрессора С1 высокого давления и первого генератора G1. Затем отработанные газы дополнительно подаются в турбину Т2 низкого давления, в которой отработанные газы дополнительно расширяются и вырабатывают механическую энергию для вращения компрессора С2 низкого давления и второго генератора G2. После этого отработанные газы подаются в рекуператор 14, после которого отработанные газы выпускаются из газовой турбины.

[0054] Кроме того, на ФИГ. 2 показаны некоторые примеры измерений, которые могут быть использованы в устройстве согласно предпочтительному варианту реализации или любому варианту реализации настоящего изобретения. Также в системе могут быть использованы другие измерения. Примеры измерений показаны штриховыми линиями. Как можно видеть на ФИГ. 2, могут быть использованы измерения выходных напряжений 22 и электрических токов 24 генераторов G1 и G2, а также измерения со стороны нагрузки 200, такие как, например, измерения напряжений 23 и токов 25 электрической сети. Также могут быть могут быть использованы дополнительные измерения электрических параметров в системе CtrI 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 турбины высокого давления, температура 27 на входе турбины низкого давления и температура 28 на выходе турбины низкого давления, т.е. температура на входе рекуператора согласно варианту реализации, показанному на ФИГ. 2. Все измерения могут быть переданы системе CtrI управления для отслеживания и/или управления работой газотурбинной силовой установки.

[0055] Первый компрессор С1 и первая турбина Т1 предпочтительно могут быть установлены на первом валу 11 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 11. Кроме того, второй компрессор С2 и вторая турбина Т2 предпочтительно могут быть установлены на втором валу 13 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 13. 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 генератора G2, второго компрессора С2 и второй турбины Т2, также установленных на втором валу 13.

[0056] 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 минимизацию пути газа от компрессора 30 к турбине 32 через камеру 36 сгорания. Это приводит к уменьшению потерь давления и тепловых потерь.

[0057] 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, посредством топливной инжекторной форсунки 38. В результате на плоском элементе 34 возникает высокий градиент температур. В случае каскада, к которому отработанные газы приходят из турбины другого каскада, с одной стороны имеется воздух, приходящий из компрессора 30, и с другой стороны имеется нагретый газ, выходящий из турбины другого каскада. 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 холодного воздуха на стороне компрессора 30.

[0058] 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 или в обоих каскадах.

[0059] На ФИГ. 4 показано газотурбинное устройство, выполненное с возможностью сообщения по текучей среде с внешним процессом 40. Внешний процесс может быть реализован 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.

[0060] Согласно одному варианту реализации настоящего изобретения промежуточный теплообменник 15, рекуператор 14 и камера Comb2 сгорания повторного нагрева, которые все можно считать дополнительными элементами, удалены, как показано на ФИГ. 1. Согласно данному варианту реализации воздух, поступающий в систему, сначала нагнетается компрессором С2 низкого давления. Затем воздух подается в компрессор С1 высокого давления для дальнейшего нагнетания. Затем сжатый воздух подается в основную камеру Comb1 сгорания, в которой сжатый воздух смешивается с топливом для вырабатывания тепла при сгорании смеси воздуха и топлива. После основной камеры Comb1 сгорания отработанные газы подаются в турбину Т1 высокого давления, в которой отработанные газы расширяются, и вырабатывается механическая энергия, в результате чего компрессор С1 высокого давления и первый генератор G1 вращаются, сжимая воздух и вырабатывая электрическую энергию соответственно. Затем отработанные газы подаются в турбину Т2 низкого давления, в которой отработанные газы дополнительно расширяются, вырабатывая механическую энергию и вращая компрессор С2 низкого давления и второй генератор G2 для сжатия воздуха и выработки электрической энергии соответственно. После этого отработанные газы выпускаются из газовой турбины.

[0061] Согласно одному варианту реализации настоящего изобретения рекуператор 14 и камера Comb2 сгорания повторного нагревания, которые можно считать дополнительными элементами, удалены, как показано на ФИГ. 1. Согласно данному варианту реализации воздух, входящий в систему, сначала нагнетается компрессором С2 низкого давления. Затем воздух подается в промежуточный теплообменник 15, который удаляет часть тепла из воздуха, таким образом, понижая температуру воздуха. Затем воздух подается в компрессор С1 высокого давления. Затем сжатый воздух подается в основную камеру Comb1 сгорания, в которой сжатый воздух смешивается с топливом, для выработки тепла в результате сгорания смеси воздуха и топлива. После основной камеры Comb1 сгорания отработанные газы подаются в турбину Т1 высокого давления, в котором отработанные газы расширяются, и вырабатывается механическая энергия, в результате чего компрессор С1 высокого давления и первый генератор G1 вращаются, сжимая воздух и вырабатывая электрическую энергию соответственно. Затем отработанные газы дополнительно подаются в турбину Т2 низкого давления, в которой отработанные газы дополнительно расширяются, вырабатывая механическую энергию и вращая компрессор С2 низкого давления и второй генератор G2 для выработки электрической энергии. После этого отработанные газы выпускаются из газовой турбины.

[0062] Согласно одному варианту реализации настоящего изобретения промежуточный теплообменник 15 и камера Comb2 сгорания повторного нагревания, которые можно считать дополнительными элементами, как показано на ФИГ. 1, удалены. Согласно данному варианту реализации, воздух, входящий в систему, сначала нагнетается компрессором С2 низкого давления. Затем воздух подается в компрессор С1 высокого давления, после которого воздух подается в рекуператор 14. Рекуператор 14 передает часть тепла от отработанных газов, поступающих из турбины Т2 низкого давления, воздуху, таким образом, предварительно нагревая воздух перед его подачей в основную камеру Comb1 сгорания, в которой предварительно нагретый воздух смешивается с топливом для выработки тепла при сгорании смеси воздуха и топлива. После первой камеры сгорания отработанные газы подаются в первую турбину Т1, в которой отработанные газы расширяются, и вырабатывается механическая энергия, в результате чего компрессор С1 высокого давления и первый генератор G1 вращаются, сжимая воздух и вырабатывая электрическую энергию соответственно. Затем отработанные газы дополнительно подаются в турбину Т2 низкого давления, в которой отработанные газы дополнительно расширяются, вырабатывая механическую энергию и вращая компрессор С2 низкого давления и второй генератор G2 для выработки электрической энергии. После этого отработанные газы подаются в рекуператор 14, после которого отработанные газы выпускаются из газовой турбины.

[0063] Согласно одному варианту реализации настоящего изобретения, устройство содержит вспомогательную систему, содержащую источник энергии, который может быть использован в заданном (предусмотренном) нештатном режиме работы, таком как, например, в случае, если, когда возникает быстрая неожиданная приостановка работы электрической сети, такая как в случае потери сети или в случае планового отключения для техобслуживания с целью безопасного и управляемого линейного изменения системы с повышением или понижением ее энергоемкости или для управления мощностью, подаваемой на нагрузку 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 и может, например, безопасно останавливать систему или может запускать систему в режиме секционирования.

[0064] Согласно различным вариантам реализации активные магнитные подшипники могут использоваться на каждом из валов 11, 13 каскадов 10, 12. 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.

[0065] Согласно различным вариантам реализации настоящего изобретения, большая часть общей выходной мощности, поданной нагрузкой 200 в форме электрической и вращательной мощности, генерируется электрическими генераторами G1, G2 в форме электроэнергии. Общая выходная мощность, которая здесь имеется в виду, равна сумме электрической энергии и вращательной энергии, подаваемых устройством на нагрузку 200, причем нагрузка 200 является внешней относительно устройства. Общая выходная мощность, определенная таким образом в настоящей заявке, не включает в себя 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% общей выходной мощности, поданной на нагрузку 200 в форме электрической или вращательной мощности, вырабатываются электрическими генераторами G1, G2 в форме электрической мощности.

[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 силовая установка, например, больницы, промышленного предприятия или жилого района. Или в случае морского применения нагрузкой 200 газотурбинных силовых установок может быть электрическая система энергоснабжения судна и/или электрический двигатель, который является частью силовой установки судна.

[0067] Таким образом, электрические генераторы G1, G2 выполнены с возможностью вырабатывания основной выходной мощности устройства, подаваемой непрерывно или в среднем к нагрузке 200, которая является внешней по отношению к устройству, в форме электрической энергии, но не действуют только в качестве вспомогательного источника энергии или только для управления работой устройства. Непрерывная или усредненная мощность, подаваемая на указанную нагрузку 200, внешнюю по отношению к устройству, в настоящей заявке относится 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 мощности. Однако, электрические генераторы G1, G2 также могут использоваться в управлении работой газотурбинного устройства в соединении с управлением количеством тепла, генерируемого в первой камере Comb1 сгорания, а также во вторых камерах Comb2 сгорания, если таковые имеются.

[0068] Согласно одному варианту реализации, части электрической выходной мощности электрических генераторов G1, G2 может использоваться, чтобы управлять газотурбинным устройством, т.е. к собственному потреблению устройства. Собственное потребление может быть, например, мощностью, необходимой для системы управления или активных магнитных подшипников. Однако большая часть общей выходной мощности устройства подается им на нагрузку 200, которая остается внешней относительно устройства. Согласно различным вариантам реализации по меньшей мере 60 процентов или, предпочтительно, по меньшей мере 80 процентов выходной мощности, поданной на нагрузку 200, выработаны электрическими генераторами G1, G2 в форме электроэнергии. Меньше чем 40% или предпочтительно меньше чем 20% общей выходной мощности подается на нагрузку 200 в форме электрической или вращательной мощности, т.е., например, вращательной энергии вала 11, 13, могут поступать из других источников, например, от дополнительной турбины или способного вращаться устройства, такого как вентилятор или насос, выполненный с возможностью обмениваться по текучей среде с устройством.

[0069] Согласно различным вариантам реализации настоящего изобретения значения номинальной мощности и/или номинальной скорости вращения генераторов могут отличаться самое большее на 10% или 15% друг от друга относительно номинальной мощности генератора, имеющего самую высокую номинальную мощность, и все еще могут подпадать под понятие по существу равного значения, описанного в настоящей заявке. В определенных случаях режим работы газовой турбины может быть спроектирован таким образом, чтобы было выгодно иметь несколько повышенную разность номинальных мощностей генераторов для оптимизации работы системы, и, таким образом, предел этой разности значений в зависимости от конкретного случая применения также может составлять 15%.

[0070] Согласно одному варианту реализации номинальная мощность электрического генератора G1, G2 может составлять 30-1500 кВт. Согласно еще одному варианту реализации скорость вращения электрического генератора G1, G2 может составлять 10000-120000 об/мин. Согласно различным вариантам реализации максимальное значение температуры на входе самой высоконапорной турбины Т1 может составлять 600-1500°С и предпочтительно 750-1250°С.

[0071] Согласно различным вариантам реализации скорости вращения вращающихся частей электрических генераторов G1, G2, которые являются их роторами, могут различаться не более чем на 30% относительно скорости вращения генератора, связанного с каскадом, имеющим самую высокую скорость вращения.

[0072] Согласно одному варианту реализации электрические мощности, выработанные электрическими генераторами G1, G2, предпочтительно могут быть такими, что разность между электрическими мощностями генераторов G1, G2 относительно значения номинальной мощности одного из электрических генераторов не превышает 60%. Если значения номинальной мощности отличаются в пределах диапазона согласно настоящему изобретению, электрические мощности, вырабатываемые электрическими генераторами G1, G2, не отличаются больше чем на 60% друг от друга относительно значения номинальной мощности электрического генератора, имеющего самое высокое значение номинальной мощности.

[0073] Признаки, представленные в предыдущем описании, могут использоваться в различных 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 силовым установкам с двухкаскадным газотурбинным устройством для генерирования электрической энергии. Изобретение содержит два каскада. Первый каскад содержит первый вал, первый компрессор и первую турбину. Второй каскад содержит по меньшей мере второй вал и вторую турбину. Валы первого и второго каскадов выполнены с возможностью вращения независимо друг от друга. Настоящее изобретение дополнительно содержит первый генератор и второй генератор, имеющие по существу равные номинальные мощности, и вращающиеся части первого генератора и второго генератора имеют по существу равные значения номинальных скоростей вращения, и по меньшей мере 60% общей выходной энергии, подаваемой на указанную нагрузку в виде электрической и вращательной энергии, генерируются двумя электрическими генераторами. Изобретение позволяет повысить эффективность выработки энергии. 19 з.п. ф-лы, 4 ил.

Формула