专利名称：温度测量装置以及用于燃气轮机的热烟气温度的调节手段的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃气轮机，尤其是一种按照权利要求1前序部分所述的用于发电的固定式燃气轮机和一种按照权利要求5前序部分所述的用于检测燃气轮机的空气流温度的温度检测装置。另外，本发明还涉及一种按照权利要求6前序部分所述的用于调节燃气轮机的热烟气温度的调节手段。
已知，采用固定式燃气轮机产生机械能，该机械能通常借助于一发电机转变为电能。为此，在燃气轮机中，一种化石类燃料与由压缩机压缩的空气流一起燃烧成一种热烟气，该热烟气接下来在一透平段内在转子上膨胀做功。其中，燃气轮机这样工作，即，在转子轴上输出足够能量用于产生电能，此时，热烟气的温度在透平段入口处不应该超过一最高值。
由于该透平段入口温度非常高，因而一般不能直接测量。因此，检测废气在透平段出口处所具有的温度，然后从中通过计算机确定透平段入口温度。通过投入到燃烧室内的燃料量可以调整透平段出口温度以及进而间接地也调节透平段入口温度，同时这也取决于压缩机入口处的空气温度。为了达到更简便地调节燃气轮机的目的，借助于一数学模型计算出一辅助参数，在该辅助参数下不再存在透平段出口温度受压缩机入口温度的影响性。该辅助参数被称为校正后的透平段出口温度。它仅取决于已燃烧的燃料量，因此达到简单调节燃气轮机的目的。此外，该调节虽然还与由发电机产生的电流的电网频率有关，但是在此不必考虑此影响。
为了提高燃气轮机的功率，可以将水输送给在压缩前由压缩机抽吸的空气流，以便于提高通过该燃气轮机的质量流。通常该运行方式作为湿式压缩运行方式已被公知。
所吸入的空气温度与所喷入的液体温度具有有规律的偏差。由于在压缩机入口处安装的用于测量空气温度的温度测量装置被喷入的液体沾湿，因此，温度测量装置检测的不是空气的温度，而是液体的温度。
如果基于按照测量表面上表现出的更高的压缩机入口温度确定出一个比实际温度更低的透平段出口温度，则燃气轮机的调节器就会提高输送到燃烧室中的燃料输送量，以便于抵消假想的差值。然而在此却使燃气轮机过度燃烧，也就是说，实际的透平段入口温度可能比最大允许的透平段入口温度高。反之，如果测量到比实际温度更低的压缩机入口温度，则燃气轮机内燃烧不充分。
燃气轮机的过度燃烧可以导致承受热烟气的部件过热以及进而导致降低它们的寿命，或者还导致损坏。相反，燃气轮机燃烧不充分则导致功率损失。
本发明的目的是提供一种燃气轮机，其中，在湿式压缩运行过程中提高承受热烟气部件的寿命以及尽管如此实现尽可能大的输出功率。本发明的另一个目的是提供一种实现上述这样运行方式的调节手段。另外，本发明的目的还在于提供一种与此对应的温度测量装置。
上述针对燃气轮机的目的通过权利要求1的特征部分达到。有利的扩展设计在从属权利要求中给出。
本发明的技术解决方案规定，所述温度测量装置沿空气的流向看设置在所述喷入装置之前以及借助于所测量的空气温度计算出在所述压缩机的入口处空气流的温度。因此，加入的液体不会将所述温度测量装置沾湿，使得始终测量所述吸入空气流的温度。试图借助于防护管简单地保护所述温度测量装置却不能解决这个问题，因为该温度测量装置对于这种情况可能测量的是被液体沾湿的防护管的温度。
在一个有利的扩展设计中，可在所述喷入装置之前借助于空气湿度测量装置确定所述空气流的湿度。通过了解所述吸入空气流的空气湿度和空气温度可以确定所加入液体在一直流向压缩机入口的过程中的汽化情况。可以通过将空气湿度考虑在内而特别精确地计算出在压缩机的入口处的温度。
若通过一关于温度和湿度的分布函数计算在压缩机入口处空气流的温度，则这一点可以特别简单地实现。
在另一有利的扩展设计中，所述温度和湿度分布可以以图表或曲线图的形式预先规定，因此可以特别简单地描述在空气流中喷入液体的汽化变化情况。这有助于简化计算。
本发明针对温度测量装置的目的通过权利要求5的特征部分达到。该温度测量装置的优点对应于上述燃气轮机的优点。
本发明针对调节手段的目的通过权利要求6的特征部分达到。有利的扩展设计在其从属权利要求中给出。
该技术解决方案规定，所述温度测量装置设置在所述喷入装置之前以及借助于所测量的温度计算出在所述压缩机的入口处空气流的温度。该调节手段的优点同样对应于所述燃气轮机的优点。
在该调节手段的一个有利的扩展设计中，通过100％的汽化确定一可达到的最小温度，并将该最小可达到的温度用作在压缩机入口处的温度的替代值。在此假设，所述通过喷入装置加入的液体会达到这样的汽化程度，即，在压缩机入口处达到一100％的相对空气湿度。通过这样的假设并结合所测量出的空气湿度和空气温度，就可确定出在压缩机入口处最小可达到的(亦即尽可能小的)温度。若现在采用所述最小可达到的温度作为在压缩机入口处的温度，则在压缩机入口处的实际温度始终就比所述最小可达到的温度高，因为在没有外部影响的情况下根本达不到100％的空气湿度。在这种情况下，燃气轮机总是不足燃烧。因此避免了遭受热烟气的部件过热，由此不会降低这些部件的寿命。
如果在考虑到在所述空气流中的喷入液体实际汽化的情况下计算出所述在压缩机入口处空气流的温度，则获得一种更佳的燃气轮机调节手段。通过计算和/或实验确定汽化的效率，从中借助于所述最小可达到的温度确定在压缩机入口处的空气温度。通过这种调节可以勾画出有关所添加的液体在直到压缩机入口的行程中汽化的实际情况，以及因此使燃气轮机建立一种可靠且功率增强的运行方式，该运行方式避免了燃气轮机的过度燃烧以及不足燃烧。
在所述调节手段的一有利的扩展设计中，根据汽化情况改变所述喷入到所述空气流中的液体量。通常燃气轮机的压缩机都针对一个预定的在压缩期间汽化的液体量来设计尺寸。但是有少量被喷入的液体在压缩前就已通过汽化被蒸发，致使压缩机不在最佳的范围内运行。通过调节喷入液体的量可以避开这一缺点。
所述主要取决于液滴特性以及压缩机部件的空间布局结构的几何尺寸的汽化效率可以通过实验来估算和/或通过计算来确定，这些实验和/或计算可随后以模型或公式的方式存储在调节器中。由此，通过避免不足燃烧来提高燃气轮机的功率收益，同时通过避免燃气轮机的过度燃烧不损害通流热烟气的部件。
所述调节手段实现的优点对应于所述燃气轮机的优点。
下面借助于附图对本发明予以详细说明。附图中
图1表示一燃气轮机；图2表示图1所示燃气轮机的一吸入室。
图1简略地表示出一借助于燃气轮机1和一个与之连接的发电机2将化石能转化为电能的燃气轮机设备。该固定式燃气轮机1主要具有一压缩机3、一燃烧室5以及一透平段7。压缩机3通过一个共同的转子轴10与所述透平段7和发电机2相连。
在燃气轮机1运行时，空气由压缩机3通过一个吸入室11吸入以及被压缩。该压缩空气在一燃烧器中与一种可通过一截止机构8输送的燃烧介质B混合以及被送往燃烧室5。该混合物在燃气轮机运行时燃烧成一种随后流入到所述透平段7中的热烟气H。热烟气在透平段7中膨胀做功以及同时驱动转子轴10。随后热烟气H作为废气离开燃气轮机1进入到一个未详细示出的废气通道中。转子轴10驱动压缩机3和发电机2。
为了对燃气轮机1的运行进行调节，借助于一个温度测量装置MAT监视透平段7的出口6处的热烟气H的温度TAT，因为热烟气H在透平段7的入口14处的温度TT1是不能测量的。通过投入到燃烧室5内的燃料B的量不仅可以调整透平段出口温度TAT以及进而间接地也调节透平段入口温度TT1。提高投入到燃气轮机1内的燃料B的体积流量导致热烟气H具有更高的温度以及导致提高燃气轮机1的功率。为此，所述调节器13调节截止机构8，该调节器13通过其输出端控制该截止机构8。
因为透平段入口温度TT1与在压缩机3之前的被吸入的空气流L的温度TV1有关，因此同样要持续、亦即在整个运行期间循环反复地检测或确定该温度。
通过按照公式TATK＝TAK-k1·TV1(1)确定一个被校正的透平段出口温度TATK作为辅助参数，来借助于所述调节器13消除空气温度TV1对透平段出口温度TAT的影响。据此，所述校正的透平段出口温度TATK只与燃烧介质投入量B有关，因此可以更简便地通过调节所述校正的作为辅助参数的透平段出口温度TATK和随着调整作为调整参数的燃烧介质B的体积流量来调整燃气轮机1。所述校正的透平段出口温度TATK也可以借助于一个二次方程式或借助于其他函数来测算。
所述调节器13具有一个输入端，在该输入端处可调整所述校正的透平段出口温度的额定值Tsoll。在调节器13内将该额定值Tsoll与所述确定的被校正的透平段出口温度TATK进行比较。若实际值是，被校正的透平段出口温度TATK比额定值Tsoll小，则调节器13通过截止机构8提高燃烧介质输送量，若实际值是，被校正的透平段出口温度TATK比额定值Tsoll大，则调节器13通过截止机构8降低燃烧介质输送量。
若燃气轮机1在不向空气流L中添加液体的情况下工作，则可以借助于所述设置在吸入室11之前的温度测量装置MLU直接测量所述空气流在压缩机入口12处的温度TV1。
在图2中示出了所示燃气轮机的一个吸入室11。其中，所述温度测量装置MTU设置在一喷入装置9之上，因此加入的液体W不沾湿温度测量装置MTU和空气湿度测量装置MFU。
在以湿式压缩运行方式工作时，通过所述喷入装置9向吸入室11内的吸入空气流L喷入一种液体W，尤其是水。
在吸入室11的上游借助于温度测量装置MLU确定吸入空气的温度TU以及借助于空气湿度测量装置MFU确定空气湿度FU。它们的输出端与所述调节器13的输入端相连。
根据所测量的数值以及结合模型在调节器13内确定所述为调节所需的在压缩机3的入口12处的温度TV1。因此可以通过采用公式(1)并借助于调节所喷入的燃烧介质B量调节透平段出口温度TATK，并进而调节燃气轮机1。
如果燃气轮机1的工作方式是采用将一种液体W喷入到所述由压缩机3吸入的空气流L中，则可以有两种不同的调节手段通过一种假设导致100％的空气湿度的理论上的汽化进行调节，以及与可变化的汽化情况相适配地进行调节。
在通过理论上的汽化进行调节时假设，由喷入的液体达到这样的汽化程度，即，在压缩机入口12处的抽吸空气流L达到100％的空气湿度。在这种假设的情况下，借助于所测量出的空气流L温度TU以及空气湿度FU确定一最小可达到的温度Twetbulb(wetbulb表示湿球温度计)，该温度代替在压缩机入口12处的温度TV1。如此确定的压缩机入口温度TV1可以通过计算机、也可以从以测量技术以电子形式勾画出的图表中或者还借助于数学公式导出。用于所述调节器13的用以确定所述校正的透平段出口温度TATK的方程式如下TATK＝TAK-k1·TWetBulb(2)因为100％的空气湿度在实际运行中是根本达不到的，所以在压缩机3的入口12处的实际温度TV1总是大于假设的最小可达到的温度。通过采用该最小可达到的压缩机入口温度Twetbulb，总是确定一个过大的被校正的透平段出口温度TATK，致使调节器13总是向燃烧器提供过小量的燃烧介质B。这样避免了燃气轮机1的过度燃烧。据此，燃气轮机1的遭受热烟气的部件、如透平叶片、导向环、叶片平台以及燃烧室热屏蔽元件承受规定的温度以及避免这些部件过早疲劳受损。
在所述适配地调节燃气轮机1时，算出在压缩机3的入口12处相宜的空气湿度，而该空气湿度小于100％并且可根据所测量的空气湿度FU、所测量的空气流L温度TU以及通过所述喷入装置9加入的液体W量来确定。对于其计算，为了确定压缩机3的入口12处的温度TV1要将在抽吸的空气流L中的液体W的汽化效率η考虑进去。
带有液体W的空气流L的饱和效率可以按照下列方程式η=TU-TV1TU-TWetBulb···(3)]]>算出。
通过求解方程式(3)来计算TV1并将其代入到方程式(1)中获得TATK＝TAT-k1·[TU-η·(TU-TWetBulb)] (4)所述取决于喷入水的液滴特性以及压缩机3各部件的空间布局几何结构的汽化效率η可以通过计算机和/或通过一些实验算出，然后借助于一个模型或者一电子形式的图表储存在调节器13中。
导致在压缩机3的入口12处的空气湿度小于100％的液体W的汽化更好地描述了现实状况，使得可以更好地对燃气轮机1进行调节。
一个按照方程式(4)确定的校正的透平段出口温度TATK比一个按照方程式(2)确定的校正的透平段出口温度TATK小，则避免了由于过低的假设透平段入口温度TT1而造成的功率损失。
另外，可以确定在压缩机3入口12前蒸发的液体W量，然后将该数量的液体附加地通过喷入装置9喷入。这导致燃气轮机1进一步提高效率，因为仅仅所述液体W在压缩时(即在压缩机3内)汽化的部分有助于通过湿式压缩提高燃气轮机1的功率。
权利要求
1.一种燃气轮机(1)，尤其是一种用于发电的固定式燃气轮机，其具有一用于将一液体(W)喷入到可由一压缩机(3)吸入的空气流(L)中的喷入装置(9)，一种燃烧介质(B)借助于该空气流(L)可在一后置的燃烧室(5)内燃烧，形成热烟气(H)，该热烟气在流过后置的透平段(7)时膨胀做功；该燃气轮机还具有一用于检测所述空气流(L)的温度的温度测量装置(MTU)，其特征在于，所述温度测量装置(MTU)设置在所述喷入装置(9)之前以及借助于所测量的温度(TU)算出在所述压缩机(3)的入口(12)处空气流(L)的温度(TV1)。
2.如权利要求1所述的燃气轮机，其特征在于，可在所述喷入装置(9)之前借助于空气湿度测量装置(MFU)确定所述空气流(L)的湿度。
3.如权利要求1或2所述的燃气轮机，其特征在于，通过一借助于温度和湿度分布的函数计算出所述温度(TV1)。
4.如权利要求1至3中任一项所述的燃气轮机，其特征在于，所述温度和湿度分布可以以图表的形式预先规定。
5.一种用于检测在一燃气轮机(1)、尤其一用于发电的固定式燃气轮机的压缩机(3)之前的空气流(L)温度的温度测量装置(MTU)，该温度测量装置具有一用于将一液体(W)喷入到可由一压缩机(3)吸入的空气流(L)中的喷入装置(9)，一种燃烧介质(B)借助于该空气流可在一后置的燃烧室(5)内燃烧，形成热烟气(H)，该热烟气在流过后置的透平段(7)时膨胀做功，其特征在于，所述温度测量装置(MTU)设置在所述喷入装置(9)之前以及借助于所测量的温度(TU)计算出在所述压缩机(3)的入口(12)处空气流(L)的温度(TV1)。
6.一种用于调节一燃气轮机(1)、尤其是用于发电的固定式燃气轮机的热烟气温度的调节手段，该燃气轮机具有一用于将一液体(W)喷入到可由一压缩机(3)吸入的空气流(L)中的喷入装置(9)，一种燃烧介质(B)借助于该空气流可在一后置的燃烧室(5)内燃烧，形成热烟气(H)，该热烟气在流过后置的透平段(7)时膨胀做功，以及该燃气轮机具有一检测所述压缩机(3)之前的空气流(L)温度的温度测量装置(MTU)，其中，所述热烟气温度通过控制所述燃烧介质量来调节，其特征在于，所述温度测量装置(MTU)设置在所述喷入装置(9)之前以及借助于所测量的温度(TU)计算出在所述压缩机(3)的入口(12)处空气流(L)的温度(TV1)。
7.如权利要求6所述的调节手段，其特征在于，检测在所述透平段(7)出口(6)处的热烟气温度。
8.如权利要求6或7所述的调节手段，其特征在于，可在所述喷入装置(9)之前借助于空气湿度测量装置(MFU)确定所述空气流(L)的湿度(FU)。
9.如权利要求6至8中任一项所述的调节手段，其特征在于，将所述温度(TV1)确定为一最小可达到的温度(Twetbulb)，在此假设会有这样高程度的汽化，即，在所述压缩机(3)的入口(12)处有100％的空气湿度(FU)。
10.如权利要求6至8中任一项所述的调节手段，其特征在于，在考虑到在所述空气流(L)中的喷入液体(W)汽化的情况下计算出所述温度(TV1)。
11.如权利要求6至10中任一项所述的调节手段，其特征在于，根据汽化情况改变所述喷入到空气流(L)中的液体(W)量。
12.如权利要求6至11中任一项所述的调节手段，其特征在于，所述液体(W)是水，尤其是蒸馏水。
13.如权利要求6至12中任一项所述的调节手段，其特征在于，通过一借助于温度和湿度分布的函数计算出所述温度(TV1)。
14.如权利要求6至13中任一项所述的调节手段，其特征在于，所述函数可以以图表的形式预先规定。
全文摘要
本发明涉及一种用于调节一燃气轮机(1)、尤其是用于发电的固定式燃气轮机的热烟气温度的调节手段，该燃气轮机具有一用于将一液体(W)喷入到可由一压缩机(3)吸入的空气流(L)中的喷入装置(9)，一种燃烧介质(B)借助于该空气流可在一后置的燃烧室(5)内燃烧，形成热烟气(H)，该热烟气在流过后置的透平段(7)时膨胀做功，以及该燃气轮机具有一检测在所述压缩机(3)之前的空气流(L)温度的温度测量装置(M
文档编号F01D17/08GK1761805SQ200480007518
公开日2006年4月19日 申请日期2004年3月25日 优先权日2003年3月28日
发明者乔基姆-勒内·纽丁, 克里斯托弗·佩尔斯勒斯登, 马科·塔彭 申请人:西门子公司