RU2182247C2

RU2182247C2 - Method and device for starting gas-turbine power plant and feeding it with gas

Info

Publication number: RU2182247C2
Application number: RU99108953/06A
Authority: RU
Inventors: Л.П. Шелудько; И.Н. Денисов; А.В. Крашенинников
Original assignee: Самарский государственный технический университет
Priority date: 1999-04-27
Filing date: 1999-04-27
Publication date: 2002-05-10

Abstract

FIELD: power engineering. SUBSTANCE: method includes accelerating turbocompressor and turbine coupled rotors and booster compressor to starting speed by means of external starting motor, disconnecting external starting motor from rotor by means of disengaging clutch as soon as rotor gains starting speed, and accelerating turbocompressor rotor as well as free power turbine rotor to full speed. As soon as turbocompressor rotor gains rated speed, rigidly coupled rotors of booster compressor and driving gas turbine are uncoupled by means of additional disengaging clutch from turbocompressor rotor. Turbocompressor and power turbine rotors are brought to full speed simultaneously with acceleration of booster compressor and driving turbine rotors to high operating speeds of 15 000 to 20 000 rpm. Gas-turbine plant has external starting motor, booster compressor, turbocompressor with turbine, disengaging clutch mounted between booster compressor and external starting motor, power turbine, and also driving gas turbine placed between booster compressor and turbocompressor, as well as additional disengaging clutch. EFFECT: enhanced economic efficiency and reliability, reduced size and cost of gas-turbine plant. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области энергетики, а точнее к способам пуска и топливоснабжения энергетических газотурбинных установок со свободной силовой турбиной, работающих на природном или попутном газе. The invention relates to the field of energy, and more specifically to methods of starting and fueling energy gas turbine units with a free power turbine operating on natural or associated gas.

В связи с тем что давление в городских газопроводах среднего давления (0,2-0,6 МПа) значительно ниже требуемого для топливного газа современных газотурбинных установок (2,5 - 4 МПа), необходимо применение дожимных газовых компрессоров. Due to the fact that the pressure in medium-pressure urban gas pipelines (0.2-0.6 MPa) is significantly lower than that required for modern gas turbine gas plants (2.5 - 4 MPa), the use of booster gas compressors is necessary.

Известны способы пуска ГТУ со свободной силовой турбиной путем раскрутки ротора турбокомпрессора ГТУ с помощью внешних пусковых двигателей (электродвигателей, паровых турбин, пневмостартеров, газотурбинных установок). (Стационарные газотурбинные установки: Справочник./ Под. ред. Л.В. Арсеньева и В.Г. Тырышкина. - Л.: Машиностроение, 1989, с. 376-377). Known methods of starting a gas turbine with a free power turbine by spinning the rotor of a turbocharger gas turbine using external starting engines (electric motors, steam turbines, pneumatic starters, gas turbine units). (Stationary gas-turbine installations: Handbook. / Under the editorship of L.V. Arsenyev and V.G. Tyryshkin. - L .: Engineering, 1989, p. 376-377).

Известны энергетические ГТУ, имеющие дожимной компрессор топливного газа, приводимый электродвигателем (1. "Реконструкция Самарской ГРЭС с установкой ПГУ-80", Сельэнергопроект, Москва, 1992; 2. "Газотурбинная энергетическая установка на базе авиационного двигателя НК-37" для Безымянской ТЭЦ АО "Самараэнерго", 1998). Energy GTUs with a booster fuel gas compressor driven by an electric motor are known (1. "Reconstruction of Samara State District Power Plant with CCGT-80 installation", Selenergoproekt, Moscow, 1992; 2. "Gas-turbine power plant based on the NK-37 aircraft engine" for Bezymyanskaya TPP JSC Samaraenergo, 1998).

Недостатками известных ГТУ с дожимными газовыми компрессорами, приводимыми электродвигателем, являются повышенные габариты дожимного компрессора, связанные с относительно низкой частотой его вращения, пониженная экономичность ГТУ, определяемая дополнительными потерями энергии в электрогенераторе, трансформаторе и электродвигателе, трудность размещения дожимного компрессора в непосредственной близости от турбокомпрессора и повышенная пожароопасность, вызванная значительной протяженностью газопровода высокого давления от дожимного компрессора до камеры сгорания ГТУ. The disadvantages of the well-known gas turbines with booster gas compressors driven by an electric motor are the increased dimensions of the booster compressor associated with a relatively low rotational speed, reduced GTU efficiency, determined by additional energy losses in the electric generator, transformer and electric motor, the difficulty of placing the booster compressor in the immediate vicinity of the turbocharger and increased fire hazard caused by the significant length of the high pressure gas pipeline from the booster compressor to the gas turbine combustion chamber.

Известна энергетическая ГТУ, у которой дожимной компрессор приводится паровой турбиной, питаемой паром, вырабатываемом в котле-утилизаторе, использующем тепло выхлопных газов после свободной силовой турбины ("Повышение эффективности и надежности теплоэнергетического оборудования, систем и комплексов". Межвузовский научный сборник, Саратов, 1996, с. 157). При приводе дожимных компрессоров от паровых турбин необходим источник пара повышенного давления, от газовых турбин малой мощности - их пониженные экономичность и надежность. There is a well-known energy gas turbine, in which a booster compressor is driven by a steam turbine fed by steam generated in a waste heat boiler that uses the heat of exhaust gases after a free power turbine (“Improving the efficiency and reliability of heat power equipment, systems and complexes.” Interuniversity scientific collection, Saratov, 1996 p. 157). When driving booster compressors from steam turbines, a source of high pressure steam is required, from gas turbines of low power, their reduced efficiency and reliability.

Известны способы газоснабжения ГТУ с приводом дожимных газовых компрессоров как от вала ГТУ, так и от приводных внешних двигателей. (Патент РФ 211370 6 F 02 С 7/26) - принят за прототип. Энергетическая газотурбинная установка, согласно прототипу, содержит внешний пусковой двигатель, дожимной компрессор, турбокомпрессор с турбиной, расцепную муфту, силовую турбину, жестко связанную с потребителем, а по газу - с турбокомпрессором. Способ пуска и газоснабжения энергетической газотурбинной установки - прототипа - включает раскрутку внешним пусковым двигателем связанных роторов турбокомпрессора с турбиной и дожимного компрессора, подачу при определенных оборотах топливного газа от дожимного компрессора в камеру сгорания ГТУ и его воспламенение, отсоединение внешнего пускового двигателя расцепной муфтой от ротора турбокомпрессора после достижения пусковых оборотов, вывод ротора турбокомпрессора, а также ротора связанной с ним по газу свободной силовой турбины, жестко связанной с потребителем, на рабочие обороты. Known methods of gas supply to a gas turbine with a drive of booster gas compressors both from a gas turbine shaft and from external drive engines. (RF patent 211370 6 F 02 C 7/26) - adopted as a prototype. An energy gas turbine installation, according to the prototype, contains an external starting engine, a booster compressor, a turbocompressor with a turbine, a coupler, a power turbine that is rigidly connected to the consumer, and for gas, with a turbocompressor. The method of starting and supplying gas to a power gas turbine installation - a prototype - involves spinning an external starting engine of the associated rotors of a turbocompressor with a turbine and a booster compressor, supplying at certain revolutions of the fuel gas from the booster compressor to the gas turbine combustion chamber and igniting it, disconnecting the external starting engine with a trip clutch from the turbocompressor rotor after reaching the starting speed, the output of the rotor of the turbocompressor, as well as the rotor of a free power turbine connected with it through gas, ECTS related to the consumer, on the operating speed.

Недостатком способа-прототипа с приводом дожимного компрессора непосредственно от ротора ГТУ являются относительно низкие обороты ротора турбокомпрессоров энергетических ГТУ, что определяет низкую напорность ступеней дожимного компрессора и необходимость увеличения числа его ступеней для достижения требуемого давления топливного газа. В результате значительно возрастают габариты и стоимость дожимного компрессора. The disadvantage of the prototype method with the booster compressor drive directly from the gas turbine rotor is the relatively low rotor speed of the turbine compressors of energy gas turbines, which determines the low head pressure of the booster compressor stages and the need to increase the number of stages to achieve the required fuel gas pressure. As a result, the dimensions and cost of the booster compressor increase significantly.

Цели настоящего изобретения:
повышение экономичности и надежности энергетической ГТУ;
снижение ее габаритов и стоимости.Objectives of the present invention:
improving the efficiency and reliability of energy gas turbines;
reduction in its size and cost.

Эти цели достигаются тем, что в известном из прототипа способе пуска и газоснабжения ГТУ между дожимным компрессором и турбокомпрессором дополнительно включена приводная газовая турбина, ротор которой жестко связан с ротором дожимного компрессора и с дополнительной расцепной муфтой, связанной с ротором турбокомпрессора, а расцепная муфта включена между дожимным компрессором и внешним пусковым двигателем, причем вход в приводную газовую турбину соединен с полостью, расположенной между турбиной турбокомпрессора и свободной силовой турбиной, а выход из приводной газовой турбины соединен с выхлопом свободной силовой турбины. После достижения расчетных оборотов ротором турбокомпрессора автоматически разъединяют жестко связанные роторы дожимного компрессора и приводной газовой турбины дополнительной расцепной муфтой от ротора турбокомпрессора, а вывод роторов турбокомпрессора и силовой турбины осуществляют одновременно с раскруткой роторов дожимного компрессора и приводной турбины до высоких рабочих оборотов (15000-20000 об/мин), обеспечивающих давление топливного газа за дожимным компрессором, соответствующее требуемому уровню мощности ГТУ, увеличивая расход и давление топливного газа в камеру сгорания ГТУ. These goals are achieved by the fact that in the gas turbine engine start-up and gas supply method known from the prototype, a gas turbine is additionally included between the booster compressor and the turbocharger, the rotor of which is rigidly connected to the booster compressor rotor and with an additional disconnect clutch connected to the turbocompressor rotor, and the disconnect clutch is connected between booster compressor and an external starting engine, and the entrance to the drive gas turbine is connected to the cavity located between the turbine of the turbocompressor and free power a rubbin, and the outlet of the gas driven gas turbine is connected to the exhaust of a free power turbine. After reaching the design speed, the rotor of the turbocompressor automatically disconnects the rigidly connected rotors of the booster compressor and the drive gas turbine with an additional disconnect clutch from the rotor of the turbocompressor, and the rotors of the turbocompressor and power turbine are driven simultaneously with the spinning of the rotors of the booster compressor and drive turbine to high operating revolutions (15000-20000 rpm / min), providing fuel gas pressure behind the booster compressor, corresponding to the required level of gas turbine power, increasing stroke and fuel gas pressure in the gas turbine combustor.

Применение дополнительной газовой турбины, рабочим телом которой являются газы, отбираемые из линии газовой связи между турбиной турбокомпрессора и силовой турбиной, а также дополнительной автоматической расцепной муфты, определяет преимущества предлагаемого способа пуска и газоснабжения по сравнению с известными, в том числе перед прототипом. Газоснабжение ГТУ осуществляется с меньшими затратами топлива вследствие высокого КПД дополнительного цикла приводной газотурбинной установки. Высокие обороты дожимного компрессора упрощают его конструкцию, снижают габариты и стоимость, позволяют его размещать в мотоотсеке ГТУ. В результате для предлагаемого способа характерны большие надежность, экономичность и безопасность пуска и газоснабжения ГТУ. The use of an additional gas turbine, the working fluid of which is the gases taken from the gas communication line between the turbine of the turbocompressor and the power turbine, as well as an additional automatic disconnect clutch, determines the advantages of the proposed method of starting and gas supply in comparison with the known ones, including over the prototype. Gas supply of gas turbines is carried out with lower fuel costs due to the high efficiency of the additional cycle of the driven gas turbine installation. High revolutions of the booster compressor simplify its design, reduce dimensions and cost, and allow it to be placed in the gas turbine engine compartment. As a result, the proposed method is characterized by great reliability, efficiency and safety of starting and gas supply of gas turbines.

На чертеже показана схема, реализующая предлагаемый способ пуска и газоснабжения ГТУ. Основными элементами схемы являются: 1 - внешний пусковой двигатель; 2 - расцепная муфта; 3 - дожимной газовый компрессор; 4 - регулирующий клапан топливного газа; 5 - приводная газовая турбина; 6 - автоматическая расцепная муфта; 7 - турбокомпрессор ГТУ; 8 - камера сгорания; 9 - силовая газовая турбина; 10 - электрогенератор. The drawing shows a diagram that implements the proposed method of starting and gas supply of gas turbines. The main elements of the circuit are: 1 - external starting engine; 2 - disconnect clutch; 3 - booster gas compressor; 4 - fuel gas control valve; 5 - drive gas turbine; 6 - automatic trip clutch; 7 - turbo-compressor GTU; 8 - combustion chamber; 9 - power gas turbine; 10 - electric generator.

Предлагаемый способ пуска и газоснабжения ГТУ осуществляется следующим образом. Внешним пусковым двигателем 1 раскручивают через расцепную муфту 2 жестко связанные валы дожимного газового компрессора 3, приводной газовой турбины 5 и связанный с ними через автоматическую расцепную муфту 6 ротор турбокомпрессора 7 ГТУ. Регулирующий клапан топливного газа 4 при этом закрыт. После достижения указанными роторами пусковых оборотов открывают регулирующий клапан топливного газа 4, подают топливный газ от дожимного газового компрессора 3 в камеру сгорания 8 и воспламеняют его запальником. Продукты сгорания проходят через турбину турбокомпрессора 7, раскручивая вышеупомянутые связанные роторы, основная часть газов расширяется в силовой турбине 9, раскручивая связанный с ней ротор электрогенератора 10. Часть газов отбирают из линии газовой связи между турбиной турбокомпрессора 7 и силовой турбиной 9 и направляют в приводную газовую турбину 5. Расширяясь в ней, газы обеспечивают дополнительное повышение оборотов связанных роторов. По достижении связанными роторами пусковых оборотов расцепной муфтой 2 автоматически отсоединяется ротор пускового двигателя 1 от связанных роторов дожимного газового компрессора 3, приводной газовой турбины 5, турбокомпрессора 7. The proposed method of starting and supplying gas turbines is as follows. The external starting engine 1 is untwisted through the quick release coupling 2 by the rigidly connected shafts of the booster gas compressor 3, the drive gas turbine 5 and the rotor of the turbocharger 7 of the gas turbine connected with them via the automatic quick release coupling 6. The fuel gas control valve 4 is closed. After reaching the starting revolutions by the indicated rotors, the fuel gas control valve 4 is opened, fuel gas is supplied from the booster gas compressor 3 to the combustion chamber 8 and ignited with a pilot light. The combustion products pass through the turbine of the turbocharger 7, spinning the aforementioned connected rotors, the main part of the gases expands in the power turbine 9, spinning the rotor of the electric generator 10 connected with it. Some of the gases are taken from the gas line between the turbine of the turbocharger 7 and the power turbine 9 and sent to the gas drive turbine 5. Expanding in it, the gases provide an additional increase in the speed of the associated rotors. When the connected rotors reach the starting revolutions, the rotor of the starting engine 1 is automatically disconnected from the connected rotors of the booster gas compressor 3, the driving gas turbine 5, and the turbocompressor 7 by the trip clutch 2.

Увеличением степени открытия регулирующего клапана топливного газа 4 обеспечивают повышение оборотов роторов турбокомпрессора 7, дожимного компрессора 3 и приводной газовой турбины 5 до заданных оборотов, при которых автоматической расцепной муфтой 6 отсоединяют ротор турбокомпрессора от жестко связанных роторов дожимного компрессора и приводной газовой турбины. Далее повышают расход топливного газа в камеру сгорания и выводят ГТУ на рабочие обороты, синхронизируют генератор 10 и набирают нагрузку. По заданной программе, изменением степени открытия регулирующего клапана топливного газа 4, устанавливают для каждого уровня электрической нагрузки давление топливного газа, соответствующее требуемому уровню мощности газотурбинной установки. By increasing the degree of opening of the fuel gas control valve 4, the rotors of the turbocharger 7, the booster compressor 3 and the driving gas turbine 5 are increased to the specified speeds, at which the rotor of the turbocompressor is disconnected from the rigidly connected rotors of the booster compressor and the driving gas turbine by an automatic trip clutch 6. Next, increase the flow of fuel gas into the combustion chamber and bring the gas turbine engine to operating speed, synchronize the generator 10 and pick up the load. According to a given program, by changing the degree of opening of the fuel gas control valve 4, a fuel gas pressure corresponding to the required power level of a gas turbine installation is set for each level of electric load.

При реализации предлагаемого способа может быть достигнуто уменьшение числа ступеней, габаритов и стоимости дожимного компрессора, требуемой мощности внешнего приводного двигателя, облегчится компоновка системы пуска и газоснабжения в мотоотсеке ГТУ. При использовании в составе энергетической ГТУ существующих конвертированных авиадвигателей их турбокомпрессор может применяться в серийном исполнении. When implementing the proposed method, a reduction in the number of stages, dimensions and cost of the booster compressor, the required power of an external drive motor can be achieved, the layout of the start-up and gas supply systems in the gas turbine engine compartment will be facilitated. When using existing converted aircraft engines as part of an energy gas turbine engine, their turbocharger can be used as standard.

Claims

1. Способ пуска и газоснабжения энергетической газотурбинной установки (ГТУ), включающий раскрутку внешним пусковым двигателем связанных роторов турбокомпрессора с турбиной и дожимного компрессора, подачу при определенных оборотах топливного газа от дожимного компрессора в камеру сгорания ГТУ и его воспламенение, отсоединение внешнего пускового двигателя расцепной муфтой от ротора турбокомпрессора после достижения пусковых оборотов, вывод ротора турбокомпрессора, а также ротора связанной с ним по газу свободной силовой турбины, связанной жестко с потребителем, на рабочие обороты, отличающийся тем, что соединяют газопроводом полость, расположенную между турбиной турбокомпрессора и силовой турбиной, со входом в приводную газовую турбину, после достижения расчетных оборотов ротором турбокомпрессора автоматически разъединяют жестко связанные роторы дожимного компрессора и приводной газовой турбины дополнительной расцепной муфтой от ротора турбокомпрессора, а вывод роторов турбокомпрессора и силовой турбины осуществляют одновременно с раскруткой роторов дожимного компрессора и приводной газовой турбины до высоких рабочих оборотов (15000 - 20000 об/мин), обеспечивающих давление топливного газа за дожимным компрессором, соответствующее требуемому уровню мощности ГТУ, увеличивая расход и давление топливного газа в камеру сгорания ГТУ. 1. The method of starting and gas supply of an energy gas turbine unit (GTU), including the promotion by an external starting engine of the connected rotors of a turbocompressor with a turbine and a booster compressor, supplying at certain revolutions of fuel gas from the booster compressor to the gas turbine combustion chamber and its ignition, disconnecting the external starting engine with a trip clutch from the rotor of the turbocompressor after reaching the starting speed, the output of the rotor of the turbocompressor, as well as the rotor of a free power turbine associated with it through gas, connected Anna rigidly with the consumer, at working revolutions, characterized in that they connect the cavity located between the turbine of the turbocompressor and the power turbine with the gas turbine inlet to the inlet of the gas turbine, after reaching the calculated revolutions, the rigidly connected rotors of the booster compressor and the auxiliary gas turbine are automatically disconnected with a coupling from the rotor of the turbocharger, and the output of the rotors of the turbocharger and the power turbine is carried out simultaneously with the spinning of the rotors of the booster th compressor and the gas turbine to drive the high operating speed (15000 - 20000 rev / min), providing the pressure of the fuel gas booster compressor corresponding to the desired power level of gas turbine, increasing the flow rate and fuel gas pressure in the gas turbine combustor.

2. Энергетическая газотурбинная установка для осуществления способа по п. 1, содержащая внешний пусковой двигатель, дожимной компрессор, турбокомпрессор с турбиной, расцепную муфту, силовую турбину, жестко связанную с потребителем, а по газу - с турбокомпрессором, отличающаяся тем, что между дожимным компрессором и турбокомпрессором включена приводная газовая турбина, ротор которой жестко связан с ротором дожимного компрессора и дополнительной расцепной муфтой, связанной с ротором турбокомпрессора, а расцепная муфта включена между дожимным компрессором и внешним пусковым двигателем, причем вход в приводную газовую турбину соединен с полостью, расположенной между турбиной турбокомпрессора и свободной силовой турбиной, а выход из приводной газовой турбины соединен с выхлопом свободной силовой турбины. 2. An energy gas turbine installation for implementing the method according to claim 1, comprising an external starting engine, a booster compressor, a turbocompressor with a turbine, a coupler, a power turbine rigidly connected to the consumer, and a gas turbine compressor, characterized in that between the booster compressor and a gas turbine included in the turbocharger, the rotor of which is rigidly connected to the rotor of the booster compressor and an additional disconnect clutch associated with the rotor of the turbocompressor, and the disconnect clutch is connected between the doges nym compressor and an external starting motor, wherein the drive input in a gas turbine connected to a cavity located between the turbocharger turbine and free power turbine, and the output of the gas turbine drive is coupled to the free power turbine exhaust.