操作具有分级和/或连续燃烧的燃气涡轮的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于操作具有分级和/或连续燃烧的燃气涡轮的方法。此外，本发明涉及一种用于实施用于操作具有分级和/或连续燃烧的燃气涡轮的方法的燃气涡轮。
【背景技术】
[0002]由于由非稳定可再生源(例如，风、太阳能)的发电增加，故现有的基于GT的发电站日益用于平衡电力需求和电网稳定性，因此需要改进的操作灵活性。这隐含了 GT发电站通常在低于基本负载设计点的负载下操作，即，在较低燃烧器入口和燃烧温度下。在某些极限下，这降低了火焰稳定性和烧尽，同时增加了 CO排放产生。
[0003]同时，排气极限值和总体排放许可变得更紧，以致于需要:
在较低排放值下操作；
在部分负载操作下且在瞬变操作期间也保持低排放，因为这些也算作累积的排放极限。
[0004]根据现有技术水平的燃烧系统设计成应对操作条件下的某些可变性，例如，通过调整压缩机入口质量或控制不同焚烧器、燃料级或燃烧器间的燃料分流。关于该方面的目的在关于分级或连续燃烧构想的燃气涡轮中给出，当在不同燃烧温度下操作第一和第二级或燃烧器的可能性已经允许较宽负载范围内的操作的优化时。
[0005]从EP0646704A1出现了一种用于控制燃气涡轮发电站的方法，该燃气涡轮发电站基本上包括压缩机单元(I)、高压燃烧室(4)、高压涡轮(6)、低压燃烧室(9)、低压涡轮(12)和发电机(14)，用于高压燃烧室(4)的燃料(FH)量通过由低压涡轮(12)的出口处的温度(T13)的值减去该处可检测的相应温升(DELTA T)构成的校正温度信号调整。该温度信号(T13-DELTA T)通过从低压涡轮(12)的出口处测得的温度减去引入到低压燃烧室(9)中的燃料(FL)量产生的温升(DELTA T)来记录。对于低压燃烧室(9)的燃料(FL)量，使用低压涡轮(12)的出口处的未校正的温度信号。
[0006]根据EP0646705A1的本发明提出了一种用于在涡轮发电站中提供部分负载操作的方法。该燃气涡轮发电站基本上包括压缩机单元(I)、布置在压缩机单元(I)下游的HP燃烧室⑷、布置在该HP燃烧室(4)下游的HP涡轮(5)、布置在该HP涡轮(5)下游的LP燃烧室(8)，通过自燃操作，并且其热气体作用于LP涡轮(11)上。将LP燃烧室(8)中的燃料量减少至零将HP涡轮(5)的出口处的温度保持基本上恒定。在降低LP燃烧室(8)中的燃料量期间，用于HP燃烧室(4)的燃料量还保持大致恒定，并且HP涡轮(5)的入口处的温度因此同样保持恒定。
[0007]关于EP0718470A2的燃气涡轮包括压缩机(I)、具有对应的高压涡轮(6)和低压涡轮(10)的第一燃烧室⑷和第二燃烧室(8)，以及至少一个发电机(13)。燃气涡轮的部分负载操作通过调整压缩机导叶来达到标称负载的百分之50以下的负载而实现。在调整期间，高压涡轮入口温度保持恒定，而低压涡轮入口温度连续下降。低压涡轮出口温度保持恒定。对于低于使用导叶调整实现的那些的负载，首先是低压接着是高压涡轮入口温度降低。
[0008]从EP0921292A1出现了一种用于调节以连续燃烧操作的燃气涡轮发电机组的方法，其中操作第一燃烧室所必需的燃料量首先随压缩机的出口处主要的压力变化而控制。该燃料量与该压力之间的比借助于再现第一涡轮的入口处的温度与该温度的期望值的偏差的因数连续地更新。操作第二燃烧室所必需的燃料量随第二涡轮入口处主要的压力变化而控制，并且该燃料量与该压力之间的比同样借助于再现第二涡轮的入口温度与该温度的期望值的偏差的因数连续地更新。系统中的惯性借助于该压力支持调节来中和。
[0009]此外，为了保护环境起见，燃气涡轮发动机的CO排放需要减少。此类排放已知在燃烧室中没有足够的时间确保CO到0)2的氧化和/或该氧化由于与燃烧器中的冷区接触而局部骤冷时发生。由于燃烧器入口和/或燃烧温度在部分负载状态下较小，故CO到0)2的氧化变更慢，因此CO排放通常在这些状态下趋于增加。
[0010]CO排放的减少继而可通过在燃气涡轮的停机点处减小燃气涡轮负载来利用。这由于减少的CO2(并且在一些情况中是其它污染物)排放而减小了环境影响，并且由于发动机停机期间的较少燃料消耗而降低了电力的总成本。最后，由于节省了 CO催化剂，故CO排放减少可投入降低第一成本。在该情况下，可避免CO催化剂(或至少减少)。同时，由于催化剂而出现的损失将消除(或至少减少)，并且因此发电站的总体效率提高。
[0011]根据US2012/0017601A1，该现有技术水平的基础为用于操作燃气涡轮的方法，其保持了操作第二燃烧器的焚烧器的空气比λ低于部分负载操作期间的最大空气比Amax。该方法基本上特征为三个新元素，并且还为可独立地或组合地实施的补充措施。
[0012]该情况中的最大空气比Amax取决于在焚烧器和燃烧器的设计时将观察到的CO排放极限，以及还取决于操作条件，即是说，尤其是焚烧器入口温度。
[0013]第一元素为成排的可变压缩机入口导叶的操作原理的变化，这允许第二燃烧器仅在较高部分负载下进入操作。从空载操作开始，成排的可变压缩机入口导叶已经打开，同时仅第一燃烧器操作。这允许在第二燃烧器必须进入操作之前负载升高至较高相对负载。如果成排的可变压缩机入口导叶打开并且高压涡轮的热气体温度或涡轮入口温度达到极限，则第二燃烧器供应有燃料。
[0014]此外，成排的可变压缩机入口导叶快速闭合。在高压涡轮的恒定涡轮入口温度TIT下闭合成排的可变压缩机入口导叶而没有对策将导致相对功率的显著减小。
[0015]为了避免该功率减小，引入到第二燃烧器中的燃烧质量流可增加。第二燃烧器进入操作所处的最低负载和进入第二燃烧器中的最少燃料流因此显著地增加。
[0016]结果，第二燃烧器的最低热气体温度也增加，这减小了空气比λ，并且因此减少了CO排放。用于减小空气比λ的第二元素为通过在部分负载操作期间升高高压涡轮的涡轮排气温度TATl和/或低压涡轮的涡轮排气温度ΤΑΤ2的操作原理的变化。该升高允许了打开成排的可变压缩机入口导叶来转移至较高的负载点。
[0017]常规地，第二涡轮的最高涡轮排气温度针对满载情况确定，并且燃气涡轮和可能的下游废热锅炉根据该温度来设计。这导致了第二涡轮的最高热气体温度在部分负载操作期间不由ΤΙΤ2(第二涡轮的涡轮入口温度)限制，其中成排的可变压缩机入口导叶闭合，而由ΤΑΤ2(第二涡轮的涡轮排气温度)限制。由于在具有至少一排可变压缩机入口导叶闭合的部分负载下，质量流和因此横跨涡轮的压力比减小，故涡轮入口温度与涡轮排气温度之比也减小。
【发明内容】
[0018]由于出于机械完整性原因的可能的燃烧温度升高的限制，故现有的构想可不足以在整个部分负载范围期间将CO排放控制至给定值。
[0019]上述限制利用本发明通过同时控制第二级或第二燃烧器中的操作的焚烧器的数量和燃烧器入口导叶的位置来解决，从而允许了单个焚烧器在足够低的空气与燃料比下操作，而不需要升高涡轮操作温度。
[0020]因此，由本发明解决的主要技术问题在于在低负载下相对于连续发动机的CO排放、稳定燃烧和燃烧效率的改进的燃气涡轮燃烧性能，允许了提高的操作灵活性。
[0021]在卸载燃气涡轮，像例如，申请人的称为GT24/GT26的连续燃烧燃气涡轮期间，并且例如根据EP0620362A1，其中该文献形成本说明书的组成部分，第二级焚烧器独立地或组合地连续地切断，使得焚烧器在与在较高发动机负载下的相同热气体温度下保持操作，并且从而保持相同低CO排放。根据提出的方法，TAT_strike(最大局部涡轮出口温度)保持不变，这导致降低的TAT2 (第二涡轮的平均涡轮出口温度)，因为涡轮出口温度在切断的焚烧器下游局部地降低。
[0022]为了保持操作中的焚烧器下游的足够热气体温度，调整压缩机的VIGV(可变入口导叶)。对于卸载，一个或多个焚烧器切断，并且VIGV可同时打开，以便保持相同的功率输出。对于加载，一个或多个焚烧器开启，并且VIGV可同时闭合，以便保持相同功率输出。在焚烧器对于略微减小的负载设定点必须切断的情况中，由于局部热气体温度限制，故燃料质量流将控制为较低，并且负载将因此下降。这通过打开VIGV来将负载调整至命令的设定点来补偿。通过打开VIGV，进入质量流增加，因此允许至有效焚烧器的燃料质量流的增大。此外，第二涡轮上的压力比增大，从而增大用于不变的TAT_strike的剩余操作的焚烧器的热气体温度(负载以相反顺序类似地执行)。
[0023]基于这些发现，构想可应用于发动机，其在环形和/或筒形构架中的连续燃烧(具有或不具有高压涡轮)下运行。
[0024]关于连续燃烧，