CZ80394A3

CZ80394A3 - Gas turbo-set

Info

Publication number: CZ80394A3
Application number: CZ94803A
Authority: CZ
Inventors: Rolf Dr Althaus; Franz Farkas; Peter Graf; Fredy Hausermann; Erhard Kreis
Original assignee: Abb Management Ag
Priority date: 1993-04-08
Filing date: 1994-04-06
Publication date: 1994-10-19
Also published as: DE59407785D1; JP3219930B2; CA2119519C; KR100297627B1; CA2119519A1; RU2137935C1; EP0620362A1; CH687269A5; JPH06323160A; EP0620362B1; US5454220A; US5577378A

Description

Plynové turbosoustrojí . - i 25 §5 - tss5si£i — — —

Vynález se týká plynového turbosoustrojí podle předvýznakové části patentového nároku 1. Týká se také způsobu provozu tohoto plynového turbosoustrojí.

Dosavadní_stav_techniky

Plynové turbosoustrojí, které v podstatě sestává z kompresorové skupiny, ze spalovací komory, která je vytvořena jako první spalovací komora a která je ve směru proudění upravena za kompresorovou skupinou a ve směru proudění před první turbinou, jakož i ze druhé spalovací komory, která působí ve směru proudění za první turbinou a ve směru proudění před druhou turbinou, je známé například z DE-OS 27 02 440. U tohoto plynového turbosoustrojí jakož i u až dosud známých zařízení podobné konstrukce jsou spalovací komory vytvořeny v podobě sila. Přitom jsou spojení spalovací komory š proudovými stroji, které jsou upraveny ve směru proudění před a za spalovací komorou, jak to znázorňuje a popisuje uvedený spis, vytvořena prostřednictvím potrubí, a to jako přívodní a odtokové kanály, které jsou z hlediska proudění a z hlediska tepelných aspektů konstrukčně velmi obtížně manipulovatelné. Nehledě k tomu, že uvedené spalovací komory v podobě sila, které jsou zpravidla upraveny kolmo vzhledem k rotorovému hřídeli podstatně nepříznivě ovlivňují velikost stavby, vyžaduje axiální nárok na prostor pro přívodní a odtokové kanály bezpodmínečné prodlouženi rotorového hřídele, což znamená, že proudové stroje musí být ze statického a dynamického hlediska uloženy nej- 2 méně ve třech ložiskách, případně uloženích. Rotorový hřídel je mezi jednotlivými proudovými stroji rozdělen prostřednictvím spojek, případně jsou proudové stroje navzájem spojeny prostřednictvím více hřídelů. Zejména u proudových plynových turbosoustrojí, jak je to patrno například z DE-OS 34 47 717, se vytváří jediná spalovací komora mezi kompresorem a turbinou jako tak zvaná prstencová spalovací komora, což umožňuje vytvořit kompaktní vnější kryt celého turbosoustrojí. Pokud se však tato technika převede do oblasti elektráren, vznikají z hlediska statických a dynamických imponderabilií shodné, již výše uvedené problémy.

Podstata_yynálezu

Vynález odstraňuje uvedené nedostatky* Vynález, tak jak je vyznačen v patentových nárocích, si klade za úkol vytvořit u plynového turbosoustrojí v úvodu uvedeného typu takové uspořádání, u kterého jsou všechny rotující agregáty proudových strojů součástmi jednoho jediného rotorového hřídele a μ kterého jsou spalovací komory při minimálním axiálním a radiálním protažení upraveny kolem uvedeného rotorového hřídele.

Podstatné výhody vynálezu spočívají v tom, že lze dosáhnout podstatně vyššího specifického výkonu a vyšší účinnosti.

Další podstatná výhoda vynálezu spočívá v tom, že účinnost v provozu s dílčím zatížením zařízení je vyšší.

Další podstatná výhoda vynálezu se týká prostorového rozšíření nebo protažení stroje, které je značně výhodné z hlediska kompaktnosti.

Další výhoda řešení podle vynálezu spočívá v tom, že je možné vytvořit napojení dalšího potenciálu pro plynové turbiny a kombinovaná zařízení, například plynové a parní turbiny, protože se vytvářejí vyšší výstupní teploty.

Další výhodná a účelná vytvoření řešení úkolu podle vynálezu jsou vyznačena v dalších závislých patentových nárocích.

Vynález je v dalším podrobněji vysvětlen na příkladu provedení ve spojení s výkresovou částí.

Na obrázku je znázorněn příčný řez plynovým turbosoustrojím· Přitom jsou zde vypuštěny všechny elementy, které nejsou potřebné pro pochopení vynálezu. Směr proudění jednotlivých médií je vyznačen šipkami.

Priklad_Broyedení_vynálezu_

Na obr. je schematicky znázorněno plynové turbosoustrojí. Neznázorněná příprava paliva potřebného pro provoz různých spalovacích komor nebo ústrojí pro vyvíjení tepla se může uskutečňovat například zplynováním uhlí, které spolupůsobí s plynovým turbosoustrojím. Je samozřejmě také možné odebírat používané palivo z primární sítě. Pokud se uskutečňuje zásobování plynným palivem pro provoz plynového tur4 bosoustrojí prostřednictvím dálkového potrubí, lze potenciál z tlakového a/nebo teplotního rozdílu mezi primární sítí a spotřební sítí pro oblast plynového turbosoustrojí, nebo všeobecně zapojení, rekuperovat. Dané plynové turbosoustrojí lze bez jakýchkoliv problémů rozšířit o připojený, neznázorněný parní obvod na tak zvané kombinované zařízení. Plynové turbosoustrojí jako autonomní jednotka séstává z kompresoru 2, z první spalovací komory 3, která je zařazena za kompresorem 2, z první turbiny 4, která je zařazena za touto spalovací komorou 3, ze druhé spalovací komory 5, která je zařazena za první turbinou 4, a z druhé turbiny 6, která je zařazena za druhou spalovací komorou 5. Uvedené proudové stroje 2, 4, 6 mají jednotný rotorový hřídel 1. Tento rotorový hřídel 1. je sám o sobě uložen ve dvou uloženích 9,

15. případně ložiskách, která jsou umístěna na čelní straně kompresoru 2 a ve směru proudění za druhou turbinou 6. Uložení 9, 15 jsou opřena na vazných ukotveních 17, 18. upravených v základu 19. Kompresorový stupeň je možné podle provozu, například pro zvýšení specifického výkonu, rozdělit do dvou neznázorněných dílčích kompresorů· U takového uspořádání se potom ve směru proudění za prvním kompresorem a ve směru proudění před druhým kompresorem zapojí mezilehlý chladič, ve kterém se částečně zhutněný vzduch mezilehle ochlazuje. Teplo, které se získává uvedeným mezilehlým chlazením v neznázorněném mezilehlém chladiči se výhodně přivádí nazpět do procesu odpovídajících elektrárenských zařízení. Nasávaný vzduch 7 proudí po svém zhutnění do skříně 12 spalovací komory, do které je integrován výstup kompresoru 2 a první turbina 4. Ve skříni 12 spalovací komory je upravena první spalovací komora 3, která je vytvořena jako souvislá prstencová spalovací komora 3. Samozřejmě je možné přivádět do první spalovací komory 3 stlačený vzduch také z neznázor něného zásobního zařízení stlačeného vzduchu. Prstencová spalovací komora 3 má na své čelní straně po obvodu rozdělené hořáky 11. které udržují vytváření horkého plynu. Lze k tomu použít difuzní hořáky. Pro zajištění zmenšení emisí škodlivých látek z tohoto spalování, zejména pokud se týká emisí oxidu dusnatého nebo podobných oxidů dusíku, je účelné upravit uspořádání předsměšovacích hořáků podle EP-PS 0 321 809, přičemž předmět vynálezu z tohoto spisu vytváří integrovanou součást tohoto popisu, a mimoto také v tomto spise popsaný přívod paliva, který je na obrázku znázorněn v podobě kopinatých palivových trubek 21, spojených s okruž ním potrubím 20. Pokud jde a uspořádání předsměšovacích hořáků v obvodovém směru prstencové spalovací komory 3, tak se může lišit při využití obvyklé konfigurace shodných hořáků a lze uspořádat různě velké předsměšovací hořáky. Lze to provést například tak, že vždy mezi dvěma velkými předsměšovacími hořáky se upraví malý předsměšovací hořák se stejným vytvořením. Velké předsměšovací hořáky, které plní funkci hlavních hořáků, jsou vzhledem k malým předsměšovacím hořákům, které tvoří řídicí hořáky této spalovací komory, z hlediska protékaného spalovacího vzduchu, tedy stla čeného vzduchu z kompresoru 2, v takovém velikostním poměru, který se stanovuje pro daný případ. V celkové oblasti zatížení spalovací komory 3 pracují řídicí hořáky jako samočinné předsměšovací hořáky, přičemž počet vzduchu zůstává téměř konstantní. Připojení nebo odpojení hlavních hořáků se uskutečňuje podle stanovených hodnot specifických pro dané zařízení. Protože řídicí hořáky mohou pracovat ▼ celé oblasti zatížení při ideální směsi, jsou emise oxidů dusíku velmi nepatrné i při částečném zatížení. Při takovém uspořádání se dostávají obvodové proudnice v čelní oblasti prstencové spalovací komory 3 velmi blízko k centrům víření řídicích hořáků, takže vlastní zapálení je možné jen těmito řídicími hořáky. Při rozběhu se množství paliva, které se přivádí prostřednictvím řídicích hořáků, zvýší do té míry, až se řídicí hořáky uvedou do chodu, to znamená, že je k dispozici plné množství paliva. Toto uspořádání se volí tak, že tento okamžik odpovídá příslušnému odpadu zatížení plynového turbosoustrojí· Další zvyšování výkonu se potom uskutečňuje prostřednictvím hlavních hořáků. Pří špičkovém zatížení plynového turbosoustrojí jsou tedy i hlavní hořáky uvedeny do plného chodu. Protože prostřednictvím řídicích hořáků iniciované uspořádání malých horkých center víření mezi chladnými centry víření, vytvářenými hlavními hořáky je velmi nestabilní, dosahuje se i při nepatrně provozovaných hlavních hořácích v oblasti dílčího zatížení velmi dobrého spalování s nepatrnými, k oxidům dusíku přídavnými emisemi oxidů uhlíku a UHC, to znamená, že horké víry řídicích hořáků vnikají okamžitě do malých vírů hlavních hořáků. Je samozřejmé, že prstencová spalovací komora 3 může být vytvořena z více jednotlivých spalovacích prostorů ve tvaru trubky, které jsou uspořádány kolem osy rotoru také ve tvaru šikmých prstenců, případně až ve tvaru šroubovice. Tato prstencová spalovací komora 3 může být nezávisle na svém uspořádání vytvořena geometricky tak, že prakticky nepůsobí žádným nepříznivým vlivem na délku rotoru. Na výhody, které vyplývají z takového uspořádáni, které je dobře patrno z obrázku, bude ješ- 7 tě v dalším poukázáno. Horké plyny z této prstencové spalovací komory 3 ovlivňují bezprostředně přiřazenou první turbinu 4, jejíž kaloricky uvolněné působení na horké plyny je cíleně udržováno na minimální hodnotě, to znamená, že tato první turbina 4 není v souladu s tím vytvořena z více než ze dvou řad oběžných lopatek. U takové turbiny 4 je třeba pro stabilizaci axiálního posuvu upravit tlakové vyrovnání na čelních plochách. V turbině 4 částečně uvolněné horké plyny, které bezprostředně proudí do druhé spalovací komory 5, mají z uvedených důvodů poměrně vysokou teplotu, kterou lze specificky provozně stanovit tak, že má spolehli vě ještě zhruba 1000 °C. Tato druhá spalovací komora 5 má v podstatě tvar souvislého prstencového axiálního nebo téměř axiálního válce. Je samozřejmé, že tato druhá spalovací komora 5 může být také vytvořena z více axiálních, zhruba axiálních nebo šroubovité uspořádaných a samostatně uzavřených spalovacích prostorů· Pokud se jedná o uspořádání prstencové, z jednoho jediného spalovacího prostoru sestávající spalovací komory 5, jsou v obvodovém směru tohoto prstencového válce uspořádány kopinaté palivové trubky 23» které jsou navzájem spojeny prostřednictvím okružního potrubí 22· Tato druhá spalovací komora 5 nemá žádný hořák· Spalování paliva 13, které se vstřikuje do spalin přicházejících z první turbiny 4, se uskutečňuje samovznícenim, pokud pochopitelně hladina teploty připouští takový druh provozu. Za předpokladu, že druhá spalovací komora 5 je v provozu s plynným palivem, tedy například se zemním plynem, se musí pohybovat teplota spalin z první turbiny 4, potřebná pro samovznícení, kolem hodnoty 1000 °C· V souladu s tím, aby se zajistilo samovznícení zemního plynu ve druhé spalovací komoře 5, musí být výstupní teplota plynu z první turbiny 4 ještě značně vysoká, jak již bylo uvedeno kolem hodnoty 1000 °C, a to i při provozu s dílčím zatížením, což hraje značnou roli z hlediska vytvoření této první turbiny 4. Aby bylo možné zajistit provozní spolehlivost a vysokou účinnost spalovací komory založené na samovznícení, je značně důležité, aby plamenná fronta zůstávala stabilní z hlediska místa. K tonu účelu jsou v této prstencové spalovací komoře 5 uspořádány, a to s výhodou na vnitřní stěně a na vnější stěně rozloženě v obvodovém směru v řadě upravené elementy, to je vířivá ústrojí 14, která jsou v axiálním směru s výhodou umístěna ve směru proudění před palivovými tryskami 23. Úkol těchto elementů, to je vířivých ústrojí 14, spočívá v tom, aby vytvářely víření, které způsobuje oblast vratného proudění, která je analogická obdobné oblasti v předsměšovacích hořácích Η. Protože se u této druhé spalovací komory 5 vzhledem k axiálnímu uspořádání a vzhledem ke konstrukční délce jedná o spalovací komoru s vysokou rychlostí, jejíž střední rychlost proudění je větší než zhruba 60 m/s, musejí být vířivá ústrojí 14 vytvořena v souladu s prouděním. Na vstupní straně proudění mají mít s výhodou tvar pravidelného čtyřstěnu se sešikmenými plochami na vstupu proudění· Vířivá ústrojí 14 mohou být umístěna bud na vnější ploše nebo na vnitřní ploše druhé spalovací komory 5, nebo mohou být, jak je to znázorněno na obrátku,vytvořena na obou místech. U znázorněného příkladu provedení je z obrázku dále patrno, že šikmé plochy mezi na vnější straně upravenými a na vnitřní straně upravenými vířivými ústrojími 14 jsou s výhodou vytvořeny zrcadlově souměrně, a to tak, že průtokový průřez druhé spalovací komory 5 ve směru proudění za tímto místem v oblasti vstřikování paliva 13 získá víření vytvářející roz- 9 šířeni. Je samozřejmé, že vířivá ústrojí 14 mohou být také proti sobě navzájem axiálně posunuta· Ta plocha vířivých ústrojí 14, která je ve směru proudění upravena na odtokové straně, je vytvořena v podstatě radiálně, takže se odtud vytváří oblast zpětného proudění. Samovznícení ve druhé spa lovací komoře <5 musí zůstat zajištěno také v přechodových oblastech zatížení, jakož i v oblasti dílčího zatížení plynového turbosoustrojí, to znamená, že je třeba učinit po mocná opatření, která zajistí samovznícení ve druhé spalovací komoře 5 i tehdy, pokud dojde ke zlomu teploty plynů v oblasti vstřikování paliva 13. Aby se zajistilo spolehlivé samovznícení plynného paliva vstřikovaného do druhé spalovací komory 5, to znamená paliva 13, přimíchává se k tomuto palivu 13 malé množství jiného paliva s nižší teplotou spalování. Jako pomocné palivo je zde například velmi vhodný spalovací olej· Kapalné pomocné palivo, které se vstřikuje odpovídajícím způsobem, zde splňuje úkol tak, že působí vlastně jako zápalnice, čímž umožňuje samovznícení ve druhé spalovací komoře 5 i tehdy, pokud by spaliny z prv ní turbiny ·4 měly mít teplotu pod uvedenou optimální úrovní o hodnotě zhruba 1000 °C. Využít spalovací olej pro zajištění samovznícení se uskuteční samozřejmě vždy teprve tenkrát, když má dojít k provozu plynového turbosoustrojí s redukovaným zatížením. Toto opatření dále přispívá rozhodujícím způsobem k tomu, že druhá spalovací komora 5 může mít minimální axiální protažení· Toto opatření mimo jiné zajištuje, že krátká stavební délka druhé spalovací komory 5, účinek vířivých ústrojí 14 pro stabilizaci plamene, jakož i trvalé zajištění samovznícení nesou v podstatě odpovědnost za tu skutečnost, že spalování se uskutečňuje velmi rychle a že doba prodlevy paliva v oblasti horké fronty plamene zůstává minimální. Bezprostředně z hlediska spalování změřítelný účinek se přitom týká emisí oxidů dusíku, které se minimalizují do té míry, že již není třeba se s nimi vůbec zabývat. Tato výchozí situace dále umožňuje zcela přesně definovat místo spalování, což se odráží i na optimalizaci chlazení konstrukce této druhé spalovací komory 5. Horké plyny, které se vytvoří ve druhé spalovací komoře 5, ovlivňují návazně přiřazenou druhou turbinu 6. Termodynamické charakteristiky plynového turbosoustrojí mohou být vytvořeny tak, že spaliny 16 z druhé turbiny 6 mají ještě tolik kalorického potenciálu, že mohou pohánět optimálním způsobem neznázorněný parní obvod, čímž se celé zařízení stává kombinovaným zařízením· Jak již bylo uvedeno při popisu prstencové spalovací komory 3, je tato geometricky uspořádána tak, že prakticky nemá žádný vliv na délku rotoru· Jak je patrno, má druhá spalovací komora 5, která je upravena mezi odtokovou rovinou první turbiny 4 a mezi náběžnou rovinou druhé turbiny 6 minimální délku. Vzhledem k tomu, že se uvolňování horkých plynů v první tur bině 4 z uvedených důvodů uskutečňuje jen prostřednictvim malého počtu řad oběžných lopatek, je možné vytvořit plynové turbosoustro jí, jehož rotorový hřídel 1. je na podkladě minimalizované délky podepřen jen na dvou uloženích 9, 15.

V souladu s tím jsou tato uložení .9, 15 umístěna jednak ve směru proudění před přvním proudovým strojem, tedy v daném případě před kompresorem 2, a jednak ve směru proudění za posledním proudovým strojem, tedy v daném případě za druhou turbinou 6, čímž nevyžaduje rotorový hřídel 1. v oblasti zbývajících agregátů plynového turbosoustrojí žádné další uložení· Na straně kompresoru 2 má rotorový hřídel JL spojku 8 odevzdávaného výkonu, která slouží pro předávání vy11 tvářeného výkonu. Zpravidla se zde jedná o generátor 24. který je r»a ofcrÁzšv jen velmi schematicky označen. Pro zvýšení účinnosti plynového turbosoustrojí je výhodné, když je před druhou spalovací komorou 5 upraven malý difuzor, který není na obrázku znázorněn. Tím je totiž možné snížit celkové tlakové ztráty v celém systému. Na podklade obvyklých difusorových interpretačních diagramů lze prokázat, že již při minimální délce difuzoru lze dosáhnout velkých skupin zpětného zídku dynamického tlaku. Jak již bylo uvedeno, mohou být kompresorové stupně opatřeny mezilehlým chlazením. Aby se při vytvoření mezilehlého chla zení nezhoršila geometrická základní koncepce plynového turbosoustrojí, která je patrná z obrázku, navrhuje se upra vit na obrázku neznázorněný mezilehlý chladič uvnitř statorové skříně a bezprostředně ve směru proudění za kompresorovými stupni. Chlazení u tohoto mezilehlého chladiče se uskutečňuje bud zprostředkovaně nebo bezprostředně. Při bezprostředním mezilehlém chlazení se toto uskutečňuje s výhodou prostřednictvím agregátu, jehož provoz je založen na odpařování vstřikované vody. Tak se vytváří uspořádání, u kterého zcela odpadají obvyklá spojovací potrubí k mezilehlému chladiči, který je umístěn vně statorové skříně, jakož i spojovací potrubí od tohoto mezilehlého chladiče zpět skrz statorovou skříň k nejbližšímu kompresorovému stupni· U mezilehlého chladiče pracujícího na principu odpařování se tak vytváří možnost vytvořit stejný geometrický tvar, jaký byl již uveden u zmíněného hořáku 11.. U takového provedení je možné zajistit přívod potřebného množství vody do vnitřního prostoru mezilehlého chladiče nejen prostřednictvím čelní trysky, ale také prostřednictvím trysek upravených podél tangenciálních vstupních štěrbin tohoto nyní na mezilehlý chladič přeměněného hořáku. Při rozdělení kompresorového stupně, například za účelem integrace mezilehlého chlazení, může být uložení 9 na straně kompresoru 2, pokud to požadují statické a/nebo dynamické výpočty, uspořádáno mezi oběma částmi kompresoru.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Plynové turbosoustrojí, které v podstatě sestává z nejméně jedné kompresorové jednotky, z první spalovací komory, působící ve směru proudění za kompresorovou jednotkou, z první turbiny, působící ve směru proudění za první spalovací komorou, z druhé spalovací komory, působící ve směru proudění za první turbinou, a z druhé turbiny, působící ve směru proudění za druhou spalovací komorou, vyznačující se tím, že první spalovací komora (3) je prstencová spalovací komora (3) a druhá spalovací komora (5) sestává z nejméně jednoho bezhořákového spalovacího prostoru, přičemž tento spalovací prostor je upraven mezi odtokovou rovinou první turbiny (4) a mezi náběžnou rovinou druhé turbiny (6).
2. Plynové turbosoustrojí podle nároku 1, vyznačující se tím, že spalovací prostor druhé spalovací komory (5) sestává ze souvislého prstencového kanálu·
3. Plynové turbosoustrojí podle nároku 1, vyznačující se tím, že kompresorová jednotka sestává z nejméně jednoho kompresoru (2).
4. Plynové turbosoustrojí podle nároku 1, vyznačující se tím, že proudové stroje (2, 4, 6) plynového turbosoustrojí jsou uspořádány na společném rotorovém hřídeli (1).
5. Plynové turbosoustrojí podle nároku 4, vyznaču- 14 jící se tím, že rotorový hřídel (1) je podepřen ve dvou uloženích (9, 15)·
6. Plynové turbosoustrojí podle nároku 1, vyznačující se tím, že prstencová spalovací komora (3) sestává z více na obvodu uspořádaných jednotlivých spalovacích prostorů.
7. Plynové turbosoustrojí podle nároku 1 a 6, vyznačující se tím, že prstencová spalovací komora (3) je provozovatelná více předsměšovatelnými hořáky (11).
8. Plynové turbosoustrojí podle nároku 1, vyznačující se tím, že spalovací prostor druhé spalovací komory (5) je osazen vířivými ústrojími (14).
9. Plynové turbosoustrojí podle jednoho z nároků 1 až 8, vyznačující se tím, žek plynovému turbosoustrojí je připojen parní okruh.
10. Způsob provozu plynového turbosoustrojí podle nároku 1, vyznačující se tím, že spaliny z první turbiny (4) mají úroveň teploty, která je vyšší než samozápalná teplota paliva (13) použitého ve druhé spalovací komoře (5).