RU2046198C1

RU2046198C1 - Method of controlling gas-turbine plant power and steam- gas-turbine plant

Info

Publication number: RU2046198C1
Authority: RU
Inventors: Леонид Иванович Полещуков; Анатолий Андреевич Кохан; Алиаскар Константинович Васильев
Original assignee: Леонид Иванович Полещуков; Анатолий Андреевич Кохан; Алиаскар Константинович Васильев
Priority date: 1990-01-29
Filing date: 1990-01-29
Publication date: 1995-10-20

Abstract

FIELD: gas-turbine engineering. SUBSTANCE: gas-turbine engine has boiler-utilizer, power turbine 4 coupled with a pressure regulator, turbocompressor having compressor and turbine and coupled with the additional electric generator through the shaft, steam turbine with condenser connected with the boiler- utilizer, and power controller coupled with the gas temperature pickup of the engine. For low loads, a part of the turbine power is fed to the additional electric generator and then to the rotor of the main electric generator through the electric motor. As a result, the compressor efficiency decreases and initial gas temperature increases up to the nominal value. EFFECT: expanded functional capabilities and enhanced reliability and efficiency. 3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к энергетическим, в частности к парогазотурбинным, установкам. The invention relates to power, in particular to steam and gas turbine installations.

Регулирование мощности парогазотурбинных установок (ПГТУ) осуществляют обычно путем изменения расхода топлива, сжигаемого в камере сгорания (КС) газотурбинного двигателя (ГТД). Если в ГТД турбина компрессора (ТК) и силовая трубина (СТ) сблокированы, а потребителем мощности ГТД и паровой турбины (ПТ) является электрогенератор с постоянной частотой вращения, уменьшение расхода топлива ведет к существенному снижению температуры газа, так как производительность компрессора на всех мощностных режимах остается практически постоянной. Снижение температуры газа ведет к уменьшению как КПД ГТД, так и производительности парового котла-утилизатора (КУ), т.е. к ухудшению экономичности ПГТУ. The power control of steam and gas turbine plants (ПГТУ) is usually carried out by changing the fuel consumption burned in the combustion chamber (CS) of a gas turbine engine (GTE). If in a gas turbine engine a compressor turbine (TC) and a power tube (CT) are blocked, and the power generator of a gas turbine engine and a steam turbine (PT) is a generator with a constant speed, a decrease in fuel consumption leads to a significant decrease in gas temperature, since the compressor capacity at all power modes remains almost constant. A decrease in gas temperature leads to a decrease in both the efficiency of a gas turbine engine and the productivity of a steam recovery boiler (KU), i.e. to a deterioration in the efficiency of PSTU.

Известны электрогенераторные ПГТУ с разблокированными ТК и СТ. В них при уменьшении мощности обороты ТК хотя и падают, но в меньшей степени, чем расход топлива. Поэтому, если мощность регулируют только изменением расхода топлива, то температура газа, а значит, и экономичность существенно снижаются на пониженных нагрузках и в этих ПГТУ. С целью поддержания температуры газа постоянной или в заданных пределах в некоторых ПГТУ предусматривают более сложные способы регулирования мощности, содержащие помимо изменения расхода топлива в основной камере сгорания сжигание топлива в дополнительных камерах сгорания ГТД или котла-утилизатора, поворот лопаток турбин или компрессора, подмешивание горячего газа к засасываемому воздуху, обвод части газа мимо КУ и т.п. Однако осуществление таких способов регулирования мощности усложняет ПГТУ дополнительными устройствами (газовые заслонки, газопроводы, камеры сгорания, воспламенители, механизмы поворота лопаток) и системами (топливными, пневматическими, гидравлическим и др.), а также существенно затрудяет автоматизацию управления установкой. Known electric generator ПГТУ with unlocked ТК and СТ. In them, when the power decreases, the revolutions of the fuel cell, although they decrease, are less than the fuel consumption. Therefore, if the power is regulated only by a change in fuel consumption, then the gas temperature, and hence the efficiency, is significantly reduced at reduced loads in these PSTUs. In order to maintain the gas temperature constant or within specified limits, some gas turbine power plants provide more sophisticated power control methods, which contain, in addition to changing the fuel consumption in the main combustion chamber, burning fuel in additional combustion chambers of a gas turbine engine or a recovery boiler, turning turbine or compressor blades, mixing hot gas to sucked air, bypassing part of the gas past the control unit, etc. However, the implementation of such methods of power control complicates the PSTU with additional devices (gas dampers, gas pipelines, combustion chambers, igniters, blade rotation mechanisms) and systems (fuel, pneumatic, hydraulic, etc.), and also significantly complicates the automation of the plant control.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототипом, является способ регулирования мощности ПГТУ и конструкции ПГТУ, описанные в [1] Установка содержит ГТД с турбиной компрессора и независимой силовой турбиной, установленный на выхлопе силовой турбины паровой котел-утилизатор, а также паровую турбину, соединенную по пару с котлом-утилизатором. Силовая и паровая турбины подключены к входным валам редуктора, к выходному валу редуктора подключен потребитель мощности (электрогенератор). Регулирование мощности в установке осуществляют только изменением расхода топлива, поэтому недостатком как способа регулирования мощности, так и самой ПГТУ является существенное снижение экономичности на пониженных мощностях из-за уменьшения температуры газа. The closest technical solution adopted for the prototype is a method of regulating the capacity of a gas turbine unit and the design of a gas turbine unit described in [1]. The installation contains a gas turbine engine with a compressor turbine and an independent power turbine mounted on the exhaust of a power turbine of a steam recovery boiler and also a steam turbine connected in a pair with a waste heat boiler. The power and steam turbines are connected to the input shafts of the gearbox, and a power consumer (electric generator) is connected to the output shaft of the gearbox. The power control in the installation is carried out only by changing the fuel consumption, therefore, the disadvantage of both the power control method and the PGTU itself is a significant decrease in efficiency at reduced capacities due to a decrease in gas temperature.

Цель изобретения расширение диапазона регулирования, повышение надежности экономичности на пониженных нагрузках. The purpose of the invention is the expansion of the control range, improving the reliability of economy at reduced loads.

Цель достигается тем, что при переходе с одного мощностного режима на другой помимо изменения расхода топлива дополнительно осуществляют регулирование мощности турбины компрессора и силовой турбины посредством подвода к электрическим регулирующим машинам, образующим систему генератор-двигатель и механически связанным с турбиной компрессора и силовой турбиной. The goal is achieved in that when switching from one power mode to another, in addition to changing the fuel consumption, the power of the compressor turbine and power turbine is additionally controlled by supplying to electric control machines that form a generator-engine system and are mechanically connected to the compressor turbine and power turbine.

Для осуществления предложенного способа регулирования мощности в ПГТУ предусмотрены дополнительно две электрические машины, одна из которых механически соединена с турбиной компрессора, вторая с редуктором (или с силовой турбиной, или с паровой). Электрически эти машины соединены между собой, образуя систему генератор-двигатель. To implement the proposed method for regulating power, two additional electric machines are provided at the Perm State Technical University, one of which is mechanically connected to the compressor turbine, the second to the gearbox (or to the power turbine, or to the steam one). Electrically, these machines are interconnected, forming a generator-engine system.

На чертеже представлена принципиальная схема ПГТУ, реализующей предлагаемый способ регулирования мощности. The drawing shows a schematic diagram of the PGTU that implements the proposed method of power regulation.

Установка содержит газотурбинные двигатель с турбокомпрессором, включающим компрессор 1, камеру 2 сгорания и турбину 3, и со свободной силовой турбиной 4. На выхлопе силовой турбины 4 установлен паровой котел-утилизатор 5, с которым по пару соединяется паровая трубина 6. Турбины 4 и 6 подсоединены с входным валам редуктора 7, к выходному валу этого редуктора подсоединен потребитель мощности электрогенератор 8 переменного тока. В установке предусмотрены также две электрические машины 9 и 10 с обмотками 11 возбуждения. Электрически эти машины соединены между собой и образуют систему генератор-двигатель. Кинематически машина 9 подсоединена к компрессору 1, а машина 10 к редуктору 7. Для регулирования тока в обмотках 11 предусмотрен регулятор 12, снабженный размещенным в проточной части двигателя датчиком 13 температуры. The installation comprises a gas turbine engine with a turbocompressor including a compressor 1, a combustion chamber 2 and a turbine 3, and with a free power turbine 4. A steam recovery boiler 5 is installed at the exhaust of the power turbine 4, to which a steam pipe 6 is connected in pairs. Turbines 4 and 6 connected to the input shafts of the gearbox 7, to the output shaft of this gearbox is connected a power consumer AC generator 8. The installation also provides two electric machines 9 and 10 with excitation windings 11. Electrically, these machines are interconnected and form a generator-engine system. Kinematically, the machine 9 is connected to the compressor 1, and the machine 10 to the gear 7. To regulate the current in the windings 11, a controller 12 is provided, equipped with a temperature sensor 13 located in the flow part of the engine.

Предложенный способ регулирования мощности реализуется устройством, работа которого осуществляется следующим образом. На номинальной нагрузке генератора 8 датчик 13 фиксирует номинальную температуру газа, соответствующую номинальной подаче топлива в камеру 2 сгорания и номинальной подаче воздуха комперссором 1. В этом случае регулятор 12 не подает ток в обмотки 11 возбуждения и машины 9 и 10 вращаются вхолостую. Если нагрузка генератора 8 уменьшилась, для поддержания постоянства оборотов система управления уменьшает количество подаваемого в камеру 2 топлива. При этом, в силу известных свойств газотурбинного двигателя, обороты турбины 3 и производительность компрессора 1 уменьшатся в меньшей степени, чем подача топлива. В результате температура газа уменьшится, о чем датчик 13 подаст сигнал на регулятор 12. Последний обеспечивает подачу тока возбуждения в обмотки 11, вводя машину 9 в режим генератора, а машину 10 в режим двигателя. Часть мощности при этом будет отбираться машиной 8 от компрессора 1 и через машину 10 передаваться редуктору 7. Обороты компрессора 1 и его производительность уменьшатся при этом настолько, что температура газа станет номинальной и на уменьшенной нагрузке. Поддержание температуры газа на постоянном уровне (или в заданных пределах) обеспечивает высокий КПД газотурбинного двигателя и стабильную паропроизводительность котла 5 во всем диапазоне работы установки. При нагрузках, близких к номинальной, температура атмосферного воздуха станет существенно выше расчетной, температура газа может возрасти выше номинальной, что опасно для двигателя. В этом случае регулятор 12 изменением тока в обмотках 11 переведет машину 9 в режим двигателя, а машину 10 в режим генератора, компрессор 1 увеличит подачу воздуха и температура газа снизится до номинальной. Таким образом, предложенный способ регулирования мощности ПГТУ обеспечивает повышение не только экономичности, но и надежности. The proposed method of power control is implemented by the device, the operation of which is as follows. At the rated load of the generator 8, the sensor 13 detects the nominal gas temperature corresponding to the nominal fuel supply to the combustion chamber 2 and the nominal air supply by compressor 1. In this case, the regulator 12 does not supply current to the excitation windings 11 and the machines 9 and 10 rotate idle. If the load of the generator 8 has decreased, to maintain a constant speed, the control system reduces the amount of fuel supplied to the chamber 2. Moreover, due to the known properties of the gas turbine engine, the speed of the turbine 3 and the productivity of the compressor 1 will decrease to a lesser extent than the fuel supply. As a result, the gas temperature decreases, about which the sensor 13 will send a signal to the controller 12. The latter provides the excitation current to the windings 11, entering the machine 9 into the generator mode, and the machine 10 into the engine mode. Part of the power in this case will be taken by machine 8 from compressor 1 and transmitted to gear 7 through machine 10. At that, compressor turns 1 and its productivity will decrease so much that the gas temperature becomes nominal and at a reduced load. Maintaining the gas temperature at a constant level (or within specified limits) ensures high efficiency of the gas turbine engine and stable steam production of boiler 5 in the entire range of the installation. At loads close to the nominal, the temperature of the air will become significantly higher than the calculated one, the gas temperature may increase above the nominal, which is dangerous for the engine. In this case, the regulator 12 by changing the current in the windings 11 will put the machine 9 in the engine mode, and the machine 10 in the generator mode, the compressor 1 will increase the air supply and the gas temperature will drop to the nominal. Thus, the proposed method of regulating the power of PSTU provides an increase not only in cost-effectiveness, but also in reliability.

Claims

1. METHOD FOR REGULATING THE POWER OF A STEAM-GAS-TURBINES INSTALLATION AND A STEAM-GAS-TURBINES INSTALLATION, which consists in changing the consumption of combustible fuel and gas temperature, characterized in that, in order to expand the regulation range, increase reliability and efficiency at reduced loads, gas turbines are additionally regulated by supplying electricity to electric turbines adjustable machines.

2. A steam-gas-turbine installation comprising a gas-turbine engine with a compressor, a compressor turbine and a power turbine, a steam recovery boiler installed on its exhaust, a steam turbine connected in pairs with the output of the recovery boiler, a reducer connected to the power and steam turbines and an electric generator, characterized the fact that the installation is equipped with two additional electric machines, one of which is mechanically connected to the gearbox, the second to the compressor, and they are electrically connected to each other with the formation of a ge erator-motor.