专利名称：对燃烧重质燃料的燃气涡轮机的可用性改进的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及燃气涡轮机，且更具体地，涉及用于执行加快的燃气涡轮机停 机的方法和设备。
背景技术：
燃气涡轮机运行的经济性指示燃气涡轮机可用来尽最大可能程度地产生动力。然 而，已知在设备的寿命期间，为燃气涡轮机预防性维护和修复而要求计划和非计划停机。能 够迅速地关停燃气涡轮机、建立所需的条件以执行维护、以及然后在完成维护后快速地恢 复运行是有利的。要求燃气涡轮机的关停、冷却、起动和加热的操作的一个示例是热气体通 道的涡轮机水清洗。为了燃烧重质燃料(原油和残油)而需要涡轮机清洗。取决于燃料的组分和其它 工作和环境条件，这些清洗每隔3到17天发生。传统的清洗循环提供清洗溶液进入燃烧器 并穿过燃气涡轮机的热气体通道的喷射。该清洗循环包括清洗、浸泡、冲洗、排水以及干燥 操作。该清洗循环可持续大约1-2小时。然而，关停和冷却燃气涡轮机、执行清洗循环、以及 然后将燃气涡轮机恢复至基本负载按照惯例所需要的总时间可占去大约45小时。在很大 程度上，为了避免对涡轮机转子、压缩机转子和外壳的热应力和寿命降低，通过允许至大约 150华氏度的非强制冷却，限制了从燃气涡轮机的关停到恢复至基本负载的总时间长度。对发电厂运营商而言，使燃气涡轮机每隔3到17天停工大约45小时的涡轮机清 洗循环是非常代价高昂的。另外，清洗循环的操作在长时间内需要大量的人力来支持清洗 循环操作和燃气涡轮机转换。这些职员通常不会昼夜不停地工作。因此，需要提供用来减少用于关停、冷却、起动和恢复运行的燃气涡轮机操作的停 机时间，同时限制燃气涡轮机构件上的热应力并且防止来自瞬变的对构件的过度疲劳或损 坏。
发明内容
简而言之，根据本发明的一个方面，提供了执行对于燃气涡轮机的热气体通道的 维护操作的一种方法。该方法包括在关停期间将涡轮机保持在全速无负载状态下达一段时 间。该方法还包括在强制冷却至适合进行维护的温度期间，控制涡轮机到第一冷却速度和 第二冷却速度的加速。以这些速度旋转燃气涡轮机转子，推动空气穿过燃气涡轮机，这比非 强制冷却基准更快地冷却燃气涡轮机。该方法以第一冷却速度执行部分的涡轮机冷却，并 且以第二冷却速度完成涡轮机冷却，此处第二冷却速度大于第一冷却速度。当涡轮机状态固定后，则执行维护操作。该方法还包括在从点火到全速无负载的起动加速期间，以降低的 斜率使得涡轮机速度倾斜，并且在加载涡轮机之前将涡轮机保持在全速无负载状态达一段 时间。根据本发明的第二方面，提供用来为维护操作而执行包括压缩机和涡轮的燃气涡 轮机至冷却状态的停机的一种方法。该方法包括在关停期间将燃气涡轮机保持在全速无负 载的状态达一段时间。该方法提供在达到适合进行热气体通道的清洗操作的温度的强制冷 却期间，控制燃气涡轮机到第一冷却速度和第二冷却速度的加速。以第一冷却速度执行部 分的涡轮机冷却。以第二冷却速度完成涡轮机冷却，此处第二冷却速度大于第一冷却速度。本发明的第三方面提供用来从包括压缩机和涡轮的燃气涡轮机的停机从用于维 护的冷却状态恢复的方法。该方法包括在从点火到全速无负载的起动加速期间以降低的斜 率使得燃气涡轮机速度倾斜，并且然后在加载涡轮机之前将燃气涡轮机保持在全速无负载 的状态达一段时间。
参考附图阅读以下具体实施方式
后，本发明的这些和其它特征、方面以及优点将 变得更好理解，贯穿这些附图，在其中，相似标号代表相似部件，其中图1图示了使用传统方法的基准涡轮机清洗循环；图2图示了用于燃气涡轮机冷却和恢复至燃气涡轮机的带负载运行的创造性方 法的一个实施例的操作的顺序；图3图示了执行燃气涡轮机(包括压缩机和蜗轮)的停机的方法的流程图，此 处用于燃气涡轮机的热气体通道被冷却至维护条件、执行维护、以及将燃气涡轮机恢复运 行；图4图示了用来执行使燃气涡轮机(包括压缩机和涡轮)达到用于维护操作的冷 却状态的停机的方法；图5图示了关于在停机后从冷却的状态恢复运行的方法的流程图；以及图6图示了具有起动马达和扭矩转换器的非工作燃气涡轮机的旋转方案。部件列表5涡轮机速度6 时间IOt = 015t = 0. 520 40 小时25 41. 5 小时26 清洗27 浸泡28 冲洗29 排水30 干燥31总的清洗
3244. 1小时
33吹扫
34点火
35加速至FSNL
36加载
IlOt = 0
111点火温度
115 保持 FSNL
120减速
125棘轮速度
130t = 2小时
135涡轮机速度倾斜
136第一冷却速度
137第一缓慢浸泡加速
140第二倾斜
141第二冷却速度
142第二缓慢浸泡加速
150涡轮机清洗操作
151清洗
152从22%倾斜至11%
153冲洗
154排水
155干燥
156准备恢复运行
157涡轮机清除
158涡轮机点火
159灵巧速度倾斜
160降低的斜率
161传统的斜率
162保持FSNL
163涡轮机加载
200速度控制装置
210起动马达
215扭矩转换器输入轴
220扭矩转换器
221扭矩转换器主体
222工作流体
230扭矩转换器输出轴
240燃气涡轮机
241压缩机242涡轮机243发电机245燃气涡轮机转子轴
具体实施例方式本发明的以下实施例具有许多优点，包括在要求燃气涡轮机或其单独的部件的关 停、冷却和之后的起动、加热的操作期间显著地降低当前用于给燃气涡轮机提供动力的停 机时间。提供一种方法以减少停机的持续时间，包括迄今为止避免的系统的强制冷却。对 此系统工作的关键是维持压缩机和涡轮机转子、外壳、起动机构和排气系统的寿命。为了达 到该目的，已经提供一种方法以延长起动和关停的持续时间，并且在加速至强制冷却的速 度期间延长马达斜率，但其安全地允许强制冷却，以便显著地减少用于停机的总时间。通过 燃气涡轮机的起动马达和扭矩转换器的新的使用而提供对空载的燃气涡轮机速度的控制。此类停机的一个示例是用于燃气涡轮机的热气体通道的水清洗操作。其它示例包 括压缩机的水清洗、燃烧硬件的检查和维护、热气体通道硬件的检查和维护以及整个系统 的检查和维护。图1提供了图示用于执行涡轮机清洗循环的传统方法的图表，该涡轮机清洗循环 从在基本负载下的运行状态直至恢复到基本负载运行。该图表绘出了额定涡轮机转速(5) 的百分率对时间(6)的曲线。全部的传统操作花费大约45小时。在时间0(10)处，命令燃 气涡轮机从满运行速度关停。在大约0.5小时(15)处，涡轮机已经达到棘轮速度(ratchet speed)，其中该涡轮机通过棘轮装置周期性地旋转。在接下来的39小时期间，由于到周围 环境的损耗，涡轮机以非强制的方式冷却。在大约40小时(20)的时间处，按照安装在燃气 涡轮机中的温度测量装置测量的温度，涡轮机已经冷却到大约150华氏度(认为是对于执 行清洗可接受的温度)。用于冷却的时间长度受周围环境温度影响，周围环境温度在某些地 理区域中可能特别高，并且因此不利地影响周围环境冷却速率。在大约41. 5小时处(25)，在燃气涡轮机系统中手动地定位一组阀，以便为穿过燃 烧器和热气体通道的水清洗设置该涡轮机。整个清洗操作(31)的清洗(26)、浸泡(27)、冲 洗(28)、排水(29)以及干燥(30)的步骤仅花费大约1小时。在清洗(26)和干燥(30)期 间，燃气涡轮机以全速的大约11% (35)旋转。旋转机构是起动马达和扭矩转换器。当清洗 (31)操作完成时，然后在大约44. 1小时(32)处使手动阀复位(从清洗操作位置到用于涡 轮机运行的阵容(lineup))。从涡轮机吹扫可能的燃烧成分(33)，点火(34)、加速转子至全 速无负载(35)，并且然后在大约44. 6小时处加载涡轮机至基本负载(36)。在从基本负载到基本负载的总操作时间中，仅大约1小时涉及清洗操作本身。将 涡轮机冷却至对清洗操作可接受的温度占用了几乎40小时。为了最小化在压缩机和涡轮 机转子以及其它构件中的应力(它们可能潜在地导致这些构件的损坏和并缩短这些构件 的寿命)，传统上为清洗操作执行缓慢冷却至大约150华氏度。图2图示了用于燃气涡轮机关停、冷却以及恢复运行的创造性方法的实施例。使 用该方法以执行从在基本负载下的运行状态直至恢复到基本负载运行的涡轮机清洗循环。 应该理解的是可为使冷却至维护条件成为必要的多种操作以及恢复涡轮机运行而更广泛地采用该方法。还应该理解的是可使用该方法的部分，而无需执行整个方法。图2的图表绘出了在该创造性方法的操作期间，涡轮机速度(105)对时间(106) 的曲线。全部的操作可花费大约12小时，在现有技术过程上有大约33小时的进步。在时间0(110)处，命令燃气涡轮机从满运行速度关停。开始传统的空载，但在全 速无负载(FSNL)下执行大约10分钟的保持(115)。显示了点火温度(111)的曲线。在 FSNL保持(115)之后，实施传统的减速(120)直到在大约0. 7小时后达到棘轮速度(125)。 通过棘轮装置，该涡轮机以棘轮速度周期性地旋转。在大约2. 0小时(130)处，开始灵巧冷却(smart cool down)。在灵巧冷却中，通过 起动马达经由扭矩转换器操作涡轮机，强迫周围空气流入压缩机入口，穿过燃烧器并且穿 过热气体通道。周围空气穿过涡轮机的流动导致加快的冷却。涡轮机速度倾斜(135)至大 约11%的速度(136)，以该速度继续冷却大约1小时。在大约3小时处，执行至大约22%的 速度的第二速度倾斜(140)，以22%的速度(141)继续冷却大约7小时，直到涡轮机叶轮空 间温度满足清洗操作。更快的速度吸入更多的冷却空气并且增加冷却速率。为了水清洗操 作，执行冷却至大约150F。然而，可执行该方法以建立适合不同操作的其它温度。在大约10. 0小时处，在为穿过燃烧器和热气体通道的水清洗流通道定位阀以设 置涡轮机后，执行涡轮机清洗操作(150)。灵巧冷却在现有技术冷却方法上节约了大约30 小时。根据本发明的另一方面，阀可以是遥控操作的阀。另外，阀的操作顺序可从控制面板 或者根据来自例如但不限于涡轮机控制系统的控制器的自动顺序遥控地开始。可以在涡轮机从22%的速度倾斜(152)至11%的速度时执行清洗(151)。可在大 约11%的速度时执行冲洗(153)、排水(154)和干燥(155)。当完成清洗操作(150)时，根 据自动化的顺序，可恢复用于正常燃气涡轮机起动的阀阵容。在大约11. 1小时处，涡轮机可准备好(156)恢复运行。首先从涡轮机中吹扫(157) 可能的燃烧成分。在大约11. 2小时处，涡轮机点火(158)。然后通过灵巧速度倾斜(159) 的使用，将涡轮机加速至全速无负载。为了压缩机应力余量，该灵巧速度倾斜(159)包括在 大约35%的速度到55%的速度之间的降低的斜率(160)，在其后是至FSNL运行的传统的斜 率(161)。一旦在FSNL处，可为涡轮机应力余量而执行大约10分钟的FSNL保持(162)。在 FSNL保持(162)之后，可执行涡轮机的传统加载(163)。显示了用于起动的点火温度111。强制冷却将减少对于具体维护操作达到要求的叶轮空间温度(例如对于热气体 通道清洗小于150F)所需要的时间。减少的冷却时间伴随着在涡轮机和压缩机转子上以及 在外壳中的应力增加和寿命减少的不利结果。强制冷却期间在转子中的应力是拉力。为了 抵消强制冷却的应力并且恢复转子的寿命，发动机的起动和关停在长度上稍微延长。强制 冷却将用于涡轮机清洗循环的总时间减少了 30小时。将起动和关停的时间各增加仅10分 钟将不只是抵消强制冷却的应力。关键的创造性方面是更快的冷却与更慢的起动和关停的 整体组合导致转子和外壳的寿命的净增加。在燃气涡轮机的关停期间，在装置关停的无负载部分期间应力开始升高。这是因 为转子边缘冷却而转子的孔保持热。压缩机转子在FSNL后在慢下来期间具有峰值应力。 涡轮机转子在FSNL处具有其峰值应力。对于一些燃气涡轮机，压缩机转子的寿命低于涡轮 机转子的寿命。在关停期间保持在FSNL将导致涡轮机转子寿命减少，但压缩机转子寿命增 加。可对各具体的涡轮机应用执行分析以计算保持在FSNL的理想时间，以减轻应力并且增加压缩机转子的寿命，而不显著地增加对涡轮机转子的损坏，从而为寿命的净增加而平衡 系统。现今在现场中的装置执行强制冷却。这些强制冷却在转子中产生额外的应力而降 低寿命。在现场中的一些装置在关停后在开始强制冷却前等待2小时。转子的再加速引起 转子边缘温度与孔相比快速地冷却。随着热波从边缘到孔穿过转子，产生“冲击”热梯度。 该“冲击”热梯度在转子、外壳、排气系统中产生高应力，并且产生空隙问题。通过在强制冷却期间将涡轮机转子的加速分成两步，可减少热“冲击”，允许转子 边缘缓慢地冷却，并且允许热波传至孔。在灵巧冷却中，控制转子的速度使得限制冷却的速 率，从而限制在转子叶轮的主要部分和转子叶轮的边缘之间的峰值温度梯度，从而限制在 燃气涡轮机转子中的应力。涡轮机的起动在压缩机转子中引起压应力。在起动期间降低压应力减少了贯穿循 环的总的应变范围，显著地增加寿命。压缩机的设计细节产生一种状态，在该状态中压缩机 的某些级将从在起动期间保持在FSNL受益，但其它级仅可从在加速至FSNL期间的更缓的 斜率受益。加速必须不包括保持在中间速度，并且减缓的加速段必须在加速中足够迟以具 有足够的温度，并且又足够早以避免停转。因此，减缓的加速可通过经由扭矩转换器的起动 马达控制和涡轮机的燃料安排的组合而提供在30%到55%的速度范围中。在灵巧速度倾 斜期间限制加速率减少了限制压缩机叶轮的边缘温度的加热速率，从而降低在边缘和主要 部分之间的峰值温度差。因此，降低了限制压缩机叶轮上的峰值应力。当达到FSNL时，速 度在30%到55%的范围中的情况下，减缓的斜率将使峰值应力减少显著的量。本创造性过程的另一方面是在创造性停机期间当燃气涡轮机恢复工作时保持全 速无负载。在即将加载燃气涡轮机时的限制性构件是压缩机叶轮。在加载燃气涡轮机前保 持在FSNL状态下5分钟将降低压缩机叶轮的主要部分和边缘之间的温度差。通过降低此 温度差，在加载倾斜期间出现的峰值应力可减少至显著的程度。图3图示了执行燃气涡轮机(包括压缩机和涡轮机)的停机的方法的流程图，此 处将用于燃气涡轮机的热气体通道冷却至维护状态，并且恢复运行。在步骤(310)中在关 停期间将燃气涡轮机保持在全速无负载(FSNL)状态下，以减轻在FSNL状态下的燃气涡轮 机的最具限制性的构件中的热应力。将燃气涡轮机保持在FSNL状态达指定的时间段。在 步骤(320)中，通过根据燃气涡轮机速度循环穿过燃气涡轮机的热气体通道的周围空气来 设定强制冷却速率。步骤(330)在强制冷却至适合进行维护操作的温度期间，控制燃气涡 轮机至第一冷却速度和第二冷却速度的加速。在步骤(340)中，以第一冷却速度执行部分 的涡轮机冷却。在步骤(350)中，以第二冷却速度执行燃气涡轮机冷却，此处第二冷却速度 大于第一冷却速度。在步骤(360)中，当速度在FSNL以下的指定的范围中时，燃气涡轮机 速度在起动期间以相对于在起动期间的正常斜率降低的率倾斜上升。根据步骤(370)，在加 载之前，将燃气涡轮机保持在FSNL状态下达指定的时间段。图4图示了为维护操作而执行到冷却状态的燃气涡轮机(包括压缩机和涡轮)的 停机的方法的流程图。步骤(410)在关停期间将燃气涡轮机保持在全速无负载(FSNL)，以 减轻在FSNL状态下燃气涡轮机的最具限制性构件中的热应力。将燃气涡轮机在FSNL状态 下保持指定的时间段。在步骤(420)中，通过根据燃气涡轮机的速度循环穿过燃气涡轮机 的热气体通道的周围空气而执行强制冷却。步骤(430)在强制冷却至适合进行维护操作的温度期间，控制燃气涡轮机至第一冷却速度和第二冷却速度的加速。在步骤(440)中，以第 一冷却速度执行部分的涡轮机冷却。在步骤(450)中，以第二冷却速度执行燃气涡轮机冷 却，此处第二冷却速度大于第一冷却速度，将燃气涡轮机冷却至对于维护操作所需的温度 条件。图5图示了在停机后从冷却状态恢复运行的方法的流程图。在步骤(510)中，当 速度在FSNL以下的指定范围中时，燃气涡轮机速度在起动期间以相对于在起动期间正常 斜率降低的率倾斜上升。根据步骤(520)，在加载前，将燃气涡轮机保持在FSNL状态下达指 定的时间。图6图示了用于非工作燃气涡轮机的具有起动马达和扭矩转换器的速度控制装 置(200)。起动马达(210)经由扭矩转换器(220)可驱动空载的燃气涡轮机(240)的轴 (245)。燃气涡轮机(240)可包括压缩机部(241)和涡轮部(242)。起动马达(210)经由输 入轴(215)连接到扭矩转换器(220)的输入侧上。扭矩转换器(220)经由输出轴(230)连 接到燃气涡轮机(240)上。起动马达(210)可以是恒速马达(对于60Hz的3600rpm或者 对于50Hz的3000rpm运行)。可为带有过热保护的马达提供开关控制(未显示)。提供使 用由起动马达提供动力的扭矩转换器以减慢燃气涡轮机转子的加速的方法，从而限制加热 或冷却速率，其否则将导致在限制性构件上的过量峰值应力。以上的实施例提供了对燃气涡轮机的运行的若干方面优点。第一方面包括在为改 善转子寿命而增加起动和关停的持续时间时，缩短整个水清洗循环。清洗循环从大约45小 时减少至小于12小时。第二方面涉及对关停增加全速无负载(FSNL)保持，以允许转子温 度平衡。第三方面将全速无负载(FSNL)保持结合到起动上，以减轻在转子中间的应力，并 且将速度斜率减缓到30%到55%的速度之间，以减轻在压缩机转子的尾端中的应力。另一 方面是在关停后的零速度(棘轮)和22%的速度(当前用于强制冷却)之间增加额外的 速度点。还应该理解的是这些方法的应用对要求关停、冷却、起动和加热的燃气涡轮机设备 的许多操作和维护需要是有利的，并且不限于水清洗循环。虽然在本文中描述了各种实施 例，但从说明书中将理解的是可进行其中要素的各种组合、变型或改进，并且处在本发明的 范围内。
权利要求
一种用于执行包括压缩机(241)和涡轮(242)的燃气涡轮机(240)的停机的方法，其中将所述燃气涡轮机(240)冷却至维护状态，所述方法包括在关停期间将所述燃气涡轮机(240)保持在全速无负载状态达指定的时间(115)，以减轻在全速无负载状态下所述燃气涡轮机(240)中最具限制性构件中的热应力。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述燃气涡轮机(240)保持在全速无负 载状态达指定的时间(115)并不由于将所述燃气涡轮机保持在全速无负载状态达所述指 定的时间的热应力而导致非限制性构件在全速无负载状态对所述燃气涡轮机(240)变得 比在全速无负载状态的所述最具限制性构件更具有限制性。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括通过根据所述燃气涡轮机的速度循环穿过所述燃气涡轮机(240)的热气体通道的周 围空气而执行强制冷却；在强制冷却至适合进行维护操作的温度期间，控制所述燃气涡轮机(240)至第一冷却 速度(136)和第二冷却速度(141)的加速；以第一冷却速度(136)执行部分的涡轮机冷却；以第二冷却速度(141)完成所述涡轮机冷却，其中所述第二冷却速度(141)大于所述 第一冷却速度(136)。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括从棘轮速度(125)至所述第一冷却速度(136)执行所述燃气涡轮机(240)的缓慢浸泡 加速(137)；以及从所述第一冷却速度(136)至所述第二冷却速度(141)执行所述燃气涡轮机(240)的 缓慢浸泡加速(142)。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述冷却期间，限制所述第一冷却速度 (136)和所述第二冷却速度(141)约束了在所述燃气涡轮机(240)的所述最具限制性构件 上的热冲击。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述冷却期间，所述燃气涡轮机(240) 的所述最具限制性构件包括涡轮机转子。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在起动期间，以相对于在起动期间的正常斜率降低的率使所述燃气涡轮机(240)的速 度倾斜上升(159)。
8.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，以降低的率倾斜的所述步骤还包括当所述燃气涡轮机在全速无负载的大约30%到大约55%之间运行时，以降低的率使所述燃气涡轮机(240)的速度倾斜上升(160)。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，当所述燃气涡轮机(240)在全速无负载的 大约30%到55%之间运行时使速度倾斜上升(160)的步骤限制了压应力。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在加载(163)之前，将所述燃气涡轮机(240)保持在全速无负载状态达指定的时间 (162)。全文摘要
本发明涉及对燃烧重质燃料的燃气涡轮机的可用性改进，具体而言，对于燃气涡轮机的热气体通道的维护操作要求关停和冷却状态。当关停燃气涡轮机时，在燃气涡轮机和压缩机的主要构件上的热梯度引起限制这些构件的寿命的应力。由于增加了冷却速率以减少维护时间，增加了应力，降低了构件寿命。提供方法和设备以降低对于维护的总循环时间，而减轻了寿命的不利结果，从而在维持(或可能地延长)构件寿命时提供更大的动力产生。该方法包括在涡轮机关停和起动期间的小的保持时间，以及在冷却和起动期间的更缓的燃气涡轮机斜率，其不只是抵消来自强制冷却的热应力，显著地缩短总的操作。
文档编号F02C9/00GK101886575SQ20101018384
公开日2010年11月17日 申请日期2010年5月13日 优先权日2009年5月13日
发明者D·A·斯奈德, R·T·撒切尔, S·D·德雷珀 申请人:通用电气公司