专利名称：在采用湿压缩的燃气涡轮中实现功率增大的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃气轮机、以及一种操作燃气轮机的方法，两者都采用过度雾化(over-fogging)。它还特别涉及具有序列燃烧室的一种燃气轮机，包括一个压缩机，用于压缩供应到其中的进入空气并排出压缩空气；一个高压燃烧室，燃料和所述压缩机排出的压缩空气在其中燃烧；一个高压涡轮，由所述高压燃烧室输出的热的燃烧空气驱动；一个低压燃烧室，燃料和所述高压涡轮输出的膨胀燃烧空气在其中燃烧；以及一个低压涡轮，由所述低压燃烧室输出的热的燃烧空气驱动。
背景技术：
众所周知，向燃气涡轮的工作介质中添加水或其它合适的液体或液体混合物可以增加燃气轮机产生的功率。除了别的原因之外，有效功率的增加是由于所添加的水的冷却效果减少了压缩功耗，并且有助于燃气轮机的燃烧，另外，还由于经过涡轮叶片的质量流增加。
水可以以蒸汽的形式即以湿空气的形式添加，或者以小液滴的形式添加——这也是本发明的目的，例如，水可以添加到高于空气中水的饱和度。该技术被称为过度雾化，通常是向进入燃气轮机的压缩机的空气流中添加特定尺寸的液滴，因此称为湿压缩。湿压缩可以增加有效功率，这是由于压缩进入空气所需的功减少，因为当进入的空气流经过压缩机级时，所添加的水的蒸发潜热使之冷却。
许多文件都公开了燃气轮机的详细设计和用湿压缩技术操作燃气轮机的方法。例如US5930990及其部分继续专利US5867977公开了一种用于湿压缩的装置以及一种通过采用湿压缩以增加有效功率的方法。这些文件涉及具有单一燃烧室的燃气轮机，其中小水滴被添加到进入压缩机的进入空气中。逐步地、增量式地增加所添加的水，由于燃气轮机喷射下游各零部件产生的热不平衡问题(热冲击导致合金零部件出现某种程度的裂缝，并且导致操作期间处于相对运动的各零部件间的间隙出现不希望的减小)，建议在10-20min之内完成逐步加水。另外，加水装置建议设计成位于一个平面上的喷嘴点阵，并且这些喷嘴基本垂直于进入空气流的流动方向。根据该文件，通过逐步增加向喷嘴供水，或者通过系统地向越来越多的喷嘴供水(在合适的时间或在合适的位置连续增加)，都可以实现向进入空气中逐步加水。
采用湿压缩时，为了控制或为了优化水的添加，WO00/50739提出了一种特殊的装置，用于监测燃气轮机与有害的湿压缩功率增大有关的外壳变形。该文件还指出，启动湿压缩时为了避免热应力，必须在仔细监测燃气轮机的外壳和其它零部件的关联变形的同时平稳加水。
在US6216443中提出了用于湿压缩的另一个特别装置。水是借助于位于压缩机上游侧且位于消音器下游侧的液滴喷射装置添加的。水的添加由阀门控制，并且也要指出的是由于热应力的存在，并且由于在向进入空气中加水时，必须随之调节其它参数(例如必须调节燃料的添加)，因此水的添加必须足够慢。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种燃气轮机及其操作方法，通过采用过度雾化，例如通过将液滴喷射到压缩机上游的进入空气流中，可以简单地且在结构上也易于增加燃气轮机的有效轴功率。更特别的是，可以实现这一目的的燃气轮机主要包括压缩机，用于压缩供应到其中的进入空气并排出压缩空气；高压燃烧室，燃料和所述压缩机排出的压缩空气在其中燃烧；高压涡轮，由所述高压燃烧室输出的热的燃烧空气驱动；低压燃烧室，燃料和所述高压涡轮输出的膨胀燃烧空气在其中燃烧；以及低压涡轮，由所述低压燃烧室输出的热的燃烧空气驱动。
该目的可以由独立权利要求1和2显示的技术特征以及权利要求16和17的工艺步骤实现。更特别的是，该目的为燃气轮机而实现，燃气轮机的压缩机工作时的压力比大于15巴(即该工艺主要针对的是大燃气轮机，但又不局限于此，优选的压力比甚至大于20巴)，为了增加燃气轮机产生的轴功率，在所述压缩机的上游侧设置至少一个液滴喷射装置，以将液体喷射到进入空气流中，其中与燃气轮机的轴功率输出所希望的增加或减少对应的液体的质量流的量立即地——即在由液滴喷射装置的设计特征所确定的时间间隔内——以液滴形式被增加或减少，以增加或减少液滴的质量流，并且基本是以无级方式，并且其中所述的液体的质量流优选基本喷射到进入空气的整个横截面上。
喷射的液体优选主要或完全由水构成。可以先去除水中的矿物质，以避免有害的沉淀和水垢的生成，特别的是，为了防止沉淀的生成，水中可以含一些添加剂。为了简明和清楚，下面的术语“水”一般意指“液体”，当其喷射到压缩机上游时，它将产生预期的效果。
谈及“立即地，即在由液滴喷射装置的设计特征所确定的时间间隔内”时，“立即地”实质上是指在由喷射装置的构造(管子宽度、控制和阀门速度等等)预先确定的范围内尽可能快。下面将用术语“立即地”或“立即”代替上面的意思。
与本领域熟练技术人员的所有期待相反，并且与现有技术中发现的所有论点相反，可以用过度雾化的方法立即且无级地添加或减少水的质量流，而不会出现上述引用文件中提到的有害效果。令人惊奇的是，可以立即且全部接通或断开液滴喷射装置，而无需通过缓慢增加或减少水量以等待燃气轮机的恒稳态条件。如果额外优选确定将液滴添加到进入空气导管的几乎整个横截面上的进入空气流中，那么接通和断开基本上可以以开/关(on/off)方式进行。这种意想不到的可能的快速而简单的开关导致许多可能的结构简化和其它优点。一方面，不需要为液滴喷射装置提供复杂的控制和调节装置，一个简单的开/关控制器就足够了，因此可以降低成本，并减少可能的故障源；另一方面，与使用某些特别的、缓慢的(逐步的)下降以增加或减少水的添加相比，燃气轮机的轴功率的增加/减小可以更快捷地被利用。
根据本发明的第一优选实施例，燃气轮机还包括一个冷却系统，该系统使用由压缩机输出的压缩的或部分压缩的空气来冷却燃气轮机的零部件，其中冷却系统包括一个冷却单元，该冷却单元受到控制以确保被冷却的冷却空气基本恒定的质量。燃气轮机的冷却系统是高度复杂的系统，因此必须精心控制。燃气轮机操作模式的任何变化都会随之导致压缩机内条件的变化，并且导致进入冷却系统的空气产生相应的变化。为了避免冷却介质的回流，并且为了确保待由冷却系统冷却的各零部件有效而充分的冷却，通常根据温度以及压力对冷却系统进行控制。使用传统的湿压缩启动模式，冷却系统不得不进行频繁控制和积极操纵。尤其是，为了将冷却单元下游的冷却介质的压力和温度保持在理想的水平，即理想的限度之内，就必须根据水添加量的缓慢(逐步)增加来控制冷却单元。令人惊奇的是，用于根据本发明而提出的湿压缩的水的简化的立即而无级的添加或减少也大大简化了冷却系统的控制。冷却系统的控制基本上可以简化为与液滴喷射装置的开/关控制同时发生的单一的前馈信号(为了考虑燃气轮机的滞后效应，如果需要，两个系统的信号可以稍作相互置换)。换句话说，燃气轮机可以这样设计，即可以使至少一个喷射装置仅仅以开/关方式被控制，并且冷却单元最好可以用单信号来控制。但是燃气轮机所希望的功率增大或减小也可以有某些离散的水平，并且仅对这两个系统而言，有与这些水平相对应的开/关可能性。
万一发生紧急断开喷射系统的情况时，由于用于冷却器的单前溃信号无论如何都是必要的，因此建议的燃气轮机显然是简化的涡轮控制系统，因此可以增加可靠性，并且减少可能错误的发生。
根据本发明的另一个优选实施例，燃气轮机包括一个燃料(气或油)控制阀，该阀用于调节燃料的质量流，这是为了保持燃气轮机理想的点火温度。燃料控制阀受燃气轮机控制系统的一个复杂的控制机构的控制，它的实际位置取决于多个参数，例如(但又不局限于)压缩机输出条件。因此，为了防止燃气轮机过热并对燃烧室和涡轮叶片产生不利影响，燃料控制阀需要频繁控制和积极操纵，如果水缓慢地逐步添加，那么添加液体水滴就会造成压缩机输出温度的巨大变化。在这一点上，应该指出燃气轮机过热不仅会在液体喷射质量流减少时发生，从而造成压缩机输出温度升高；而且会在液体喷射质量流增加时发生，从而造成压缩机输出温度下降这都是由于燃料阀控制系统的过调效应。本发明可以用一个单前溃信号来减少对燃料阀现有控制的控制干涉。
根据本发明的另一个优选实施例，燃气轮机还还包括用立即且无级地添加或减少液体质量流来快速增加装置的输出功率的能力。这特别适用于但又不局限于这样一种情况，即用发电机将燃气轮机产生的功率转换成电能并输入发电机和用户的电网。当电网的功率需求快速增加或减少时(例如因接通或切断大用户而引起)，或者发电量快速下降时(例如因紧急切断大的发电装置而引起)，电网频率会下降或上升，并且发电量也需要在几秒或几分钟之内立即增加或减少，这是为了保持电网频率的合理稳定，并防止电网部分甚至全部中断。在电网频率低或高的情况下，特殊的燃气轮机快速增加或降低输出功率的能力也被称为按“频率响应”模式进行运行的能力。本发明提供了这样的装置，即通过立即且无级地向进入空气流中添加水的质量流，从而能快速(即几秒种之内)而大规模地(例如整个负载量的10％)增加或减少燃气轮机的输出功率。更特别的是，当电网频率下降时，燃气轮机的轴速也会有相应量的降低，假定燃气轮机包括单轴装置，理由是燃气轮机的轴与发电机的轴连接，并且发电机的轴速与电网的频率同步。万一轴速下降，喘振边界——它限定了燃气轮机的压缩机稳定运行的极限——也趋于下降，这限制了燃气轮机增加输出功率的能力，或者甚至迫使它降低输出功率以防止出现破坏性的压缩机喘振，这使电网的发电容量形式进一步恶化。本发明的液体喷射装置通过立即且无级地添加水而大大提高了燃气轮机快速增加输出功率的能力，即使在轴速下降的情况下，通过冷却压缩机的叶片截面，燃气轮机的压缩机的喘振边界得以增加。
根据本发明的另一个优选实施例，燃气轮机还包括安装在所述压缩机上游的进入总管和安装在所述进入总管上游并通过膨胀接头连接到所述进入总管上的进入管，并且液滴喷射装置基本上位于进入管和进入总管之间膨胀接头处，其中进入管优选还包括位于所述液滴喷射装置上游的消音器和基本位于进入管入口处的过滤器，并且其中用于冷却进入空气的优选的额外的冷却装置位于过滤器的下游。液滴喷射装置的位置靠近或位于膨胀接头处被证明是特别有利的，由于液滴可以在横截面上均匀分布，还可以产生尺寸非常小的液滴，并且液滴喷射装置易于安装，而且维护也很简单。根据又一个优选实施例，液滴喷射装置由雾化水的管网构成，优选以基本平行的方式安置在一个承载架上，在雾化水管的上游侧安装有喷雾嘴，用于将液滴喷射到进入空气流中，其中液滴喷射装置喷出的液滴的尺寸优选在2-40μm之间，更优选约为10μm。优选的是，雾化水管的间距以及安装在所述雾化水管上的喷雾嘴的间距要适于进入空气的流动，以实现液滴在进入空气流中的均匀分布。喷嘴优选为双元喷嘴(binary nozzles)，流入的是气体或类气体和液体。
根据本发明的又一优选实施例，液滴喷射装置的位置靠压缩机入口更近，优选位于压缩机的喇叭口处。液滴喷射装置的位置与压缩机入口的距离最小是有利的，由于它广泛地防止了二次液滴的形成、喷出的液滴由于聚集而尺寸增大、进入总管内的管壁和其它固定设备上的水损失、以及由于进入空气流转向而引起的离心效应。
关于冷却系统，根据另一个优选实施例，被冷却的冷却空气的温度被控制在约300-400℃，优选在330-380℃之间，允许有小于+/-10℃的误差，其中压力被保持在15-40巴之间，优选在20-30巴之间。即使对具有如此小的误差的冷却系统，接通/切断本发明的过度雾化也是可能的。本发明的燃气轮机的其它优选实施例在从属权利要求中说明。
另外，本发明涉及一种增加或减少燃气轮机的轴功率输出的方法，该燃气轮机主要包括压缩机，用于压缩供应到其中的进入空气并排出压缩空气；高压燃烧室，燃料和所述压缩机排出的压缩空气在其中燃烧；高压涡轮，由所述高压燃烧室输出的热的燃烧空气驱动；低压燃烧室，燃料和所述高压涡轮输出的膨胀燃烧空气在其中燃烧；以及低压涡轮，由所述低压燃烧室输出的热的燃烧空气驱动。根据上述的本发明的燃气轮机，所述方法的特征在于所述压缩机工作时的压力比大于15巴(即该工艺主要针对的是大燃气轮机，但又不局限于此，优选的压力比甚至大于20巴)，并且为了增加燃气轮机产生的轴功率，在所述压缩机的上游侧设置至少一个液滴喷射装置，以将液体喷射到进入空气流中，其中所述喷射是通过立即且无级地添加或减少液滴形式的液体质量流而进行的，液滴的添加或减少与燃气轮机的功率所希望的增加或减少分别对应，并且所述的水的质量流优选基本喷射到进入空气导管的整个横截面上。正如上面指出的那样，令人惊奇的是，液滴喷射装置立即且完全地接通或断开是可能的，无需通过缓慢增加或减少液体量以等待燃气轮机的恒稳态条件。假定液滴添加到进入空气导向装置的几乎整个横截面上的进入空气流中，那么接通/断开更易于以开/关(on/off)方式进行。
根据本发明的方法的第一优选实施例，燃气轮机还包括一个冷却系统，该系统使用由压缩机输出的压缩的或部分压缩的空气来冷却燃气轮机的零部件，其中冷却系统包括一个冷却单元，该冷却单元受到控制，这取决于被冷却的冷却空气的质量。大燃气轮机的冷却系统是高度复杂的设备，为了确保在使用冷却介质的地方可以保持恒定的条件，它必须非常精心地控制。因此，如果液滴喷射装置用增加模式接通，那么冷却设备也不得不根据压缩机内的增量式变化条件进行控制，冷却空气从压缩机分出。所述方法优选用上述的燃气轮机实现。
根据所述方法的另一个优选实施例，有0.5-5％(质量比)，优选1.0-3.0％(质量比)的水被喷射到进入空气中，以增加燃气轮机的功率，例如可增加10％。喷射时水的压力优选高达250巴，最好在100-180巴之间，更好的是在约140巴，并且这一压力可在1s到60s之内立即建立起来，优选在10-30s之内。为了启动燃气轮机，建议第一步将燃气轮机加载到满负荷，在有额外的冷却系统时接通这些冷却系统，并且在15-45分钟、优选30分钟的滞后结束之后，通过液滴喷射装置加水。
与增加燃气轮机输出功率的方法有关的其它优选实施例在从属权利要求中作了说明。
本发明还包括上述燃气轮机在发电领域和在产生机械动力的领域的用途。
下面将借助附图更详细地说明本发明及其特点和优点。关于附图图1是具有序列燃烧室的燃气轮机和热回收蒸汽发生器的简图，它显示了液滴喷射装置以及可能的冷却管的位置；图2a/b是燃气轮机进入区域的简图；图3是贯穿具有序列燃烧室的燃气轮机的进入区域的详细的轴向剖面图(上半部分)，它显示了两个燃烧室和两个涡轮级；图4是如本发明所述的燃气轮机的进入总管的图，所述燃气轮机带有安装在膨胀接头内的液滴喷射装置；图5是本发明所使用的液滴喷射装置的图。
具体实施例方式
图1显示了具有序列燃烧室的燃气轮机的简图。进入空气10进入到压缩机1/2内，压缩机1/2在这一特定的例子中被分成在低压下运行的第一级1和在高压下运行的第二级2。部分压缩的进入空气11排出第一级1，并被输送到第二高压级2。为了增加燃气轮机的功率，部分压缩的空气11在进入高压级2之前可以由冷却装置21冷却(所谓的中间冷却)。在进入空气完全压缩之后，压缩空气12h进入高压燃烧室8h。该高压燃烧室8h由管子9供给燃料，高压燃烧室8h排出的热空气13h被输送到第一高压涡轮级3h。在燃烧空气13h部分膨胀之后，空气12l进入第二低压燃烧室8l，在此被再次加热并排到第二低压涡轮3l。低压涡轮3l排出的废气14要么可以通过烟囱直接排放到环境中，要么可以如图1所示的那样用在热回收蒸汽发生器15中以产生用于蒸汽涡轮4的蒸汽，然后通过烟囱16排出。在后一种情况下，水17被输送到热回收蒸汽发生器(汽包、蒸发器、节能装置等等)中的管道系统中，用于产生待输送到蒸汽涡轮4中的蒸汽18。蒸汽涡轮4排出的蒸汽然后要么排放到环境中，要么可以通过冷凝器回收，重新进入热回收蒸汽发生器15中。
图1显示了一个所谓的单轴燃气轮机，即压缩机1/2、燃气涡轮3h/3l以及发生器5和蒸汽涡轮4都安装在一根单轴6上的燃气轮机。离合器可能允许这些单元中的某一些彼此分离。
该简图还显示了用于冷却燃气轮机的零部件的冷却装置。通常，部分或全部压缩的冷却空气22要么从压缩机内的某一压缩机级中分出，要么在压缩机的末端出分出。由于压缩机的压缩过程实质上加热了压缩空气，为了冷却目的，该空气不得不冷却到所希望的温度水平。为此，在冷却空气25喷射位置上游的冷却空气管中提供一个冷却单元24。冷却单元24可以有各种各样的结构，例如像传统的换热器。为了避免冷却空气管中的液体沉淀和/或凝结(如果重的过度雾化被应用到压缩机上游就特别关键)，可以在管道中提供一个液滴分离器23(例如离心分离器)，优选是在冷却单元24的上游，但也可以在特别需要防止液滴沉淀的任何其它位置处。冷却空气可以用在图1所示的各位置处，例如用于冷却燃烧室8h和8l、用于冷却涡轮3h和3l以及4等等。如果需要，冷却空气可以与蒸汽混合以加强冷却效果。
为了让冷却系统正常工作，冷却系统必须保持平衡以满足一定的条件。首先冷却管内的压力必须大于冷却空气喷射位置处的压力以避免冷却空气回流到冷却管内。这就是为什么冷却空气通常不从环境中获取而从压缩机中分出的原因，压缩机处的高压可以被利用(正如上面提到的那样，这具有潜在的缺陷，即由于压缩过程，环境温度下的空气不可利用)。其次，冷却空气的温度不可以超出一定水平，这是为了让冷却空气喷射处的零部件有效冷却。通常，为了平衡冷却空气的温度以及压力，完全没必要对这些冷却系统中的温度以及压力的误差进行复杂控制。
通常，压缩机排出位置处冷却空气的温度在300-600℃，压力在10-30巴。具有代表性的是温度为400℃、压力为20巴，或者温度为500℃、压力为30巴(为了比较输送到高压燃烧室内的压缩空气12h的温度约为500℃)。冷却单元24下游的冷却空气的温度范围在300-400℃之间，优选地在330-380℃之间。温度误差通常需小于+/-10℃，以确保冷却系统正常工作。冷却空气流的压力范围在15-40巴之间，优选在20-30巴之间。压力误差通常需小于+/-0.5巴。为了满足温度和压力的这些要求，根据温度和压力在各位置处(见下)的测量结果来控制冷却单元24。
图2a/b显示了燃气轮机的进入区域。通常希望用横截面大的管道来输送进入空气10，该管道入口处带有过滤器28，以避免有害的杂质和其它颗粒进入。所述过滤器的正下游有一个第一进入空气蒸发冷却单元29/33，这意味着向进入空气质量流——在进入燃气轮机的压缩机之前充分蒸发——中添加液体的任何系统都会产生冷却效果，并增加进入燃气轮机中的进入空气质量流。例如，这可能会是图2a中的液体喷雾系统(雾化系统)29的形式，或者是图2b中的多孔介质(蒸发冷却器)33的形式。各蒸发冷却系统会使进入空气的湿度增加到尽可能接近饱和。优选在蒸发冷却器33的下游提供一个液滴收集器34，这是为了防止过大的液滴进入燃气轮机的压缩机。应该指出的是，喷雾设备29也可用于喷射比使进入空气饱和所需更多的液体，以实现与使用下述过度雾化装置32相同的效果。随后，进入管27的横截面减小，从而使进入空气10的流动速度增加。通常减小的截面的下游有一个安装在进入管中的消音器。在消音器的下游，进入管27通过膨胀接头31和进入总管26连接。进入总管26固定连接到燃气轮机上，因此会受到燃气涡轮的振动。相比之下，进入管27直接连接到地上，因此受燃气涡轮振动的影响尽可能地小，这靠在空气进入总管和空气进入管之间提供一个膨胀接头31来实现。已经发现膨胀接头31的位置是放置液滴喷射装置32a的一个非常有利的位置，但不是唯一的放置液滴喷射装置的位置(见下)。在液滴喷射装置32a下游，引导进入空气尽可能平稳地进入压缩机的进入总管26连接到压缩机1/2的入口，这里的压缩机是没有中间冷却的压缩机。液滴喷射装置的另一个位置例如在压缩机的喇叭口处，尽可能接近压缩机的入口(32b)、或在消音器(32c)之后。
元件29和32a/b/c优选喷射软化水，这是为了避免在燃气轮机中出现沉淀。通常有1.0-3.0％(质量比)的水被添加到进入空气流中，水压大于100巴。
为了直观地更详细地说明燃气轮机进入区域内的条件，图3显示了贯穿燃气轮机尤其是贯穿其进入总管26的轴向剖面图。可以看出，液滴喷射装置32a基本垂直于进入管27和进入总管26之间界面处的进入空气流10布置。液滴喷射装置32a优选位于膨胀接头31侧的进入管上。事实证明这一位置是有利的，因为它所受的振动最小、设备的压力损失也低、液滴分布均匀且液滴尺寸小。液滴喷射装置32a使进入空气过饱和，然后一个特别的适于流动的外壳(进入总管，图4)使之偏离到压缩机1/2内，空气在这里分几步压缩，但没有中间冷却。应该监测燃气轮机外壳内的温度曲线，以避免万一不规则而导致损失。
图5显示了一个可以作为液滴喷射装置32a使用的喷嘴架。喷嘴架由承载架37构成，液体管道35安装在承载架37上，通常有一个范围约为20-30cm的可以变动的间隔。液体喷雾嘴36安装在这些水管35上，这些喷嘴允许有高的流量、良好的液滴锥度和小的液滴尺寸，因此降低了叶片的磨损速度。通常一根水管上安装有5-15个喷嘴。正如从图5中看到的那样，喷嘴的以及管子的间距不必很规则。应该以有利于流动的方式确定水管35以及液体喷雾嘴36的位置，以提供均匀的液滴分布。例如对图2a/b所示的进入管27和进入总管26，进入空气在此几乎以直角从水平方向转向到垂直方向以进入进入总管26，所测得的基本上垂直于进入空气流的膨胀接头区域内的最大流动速度更靠近弯曲部分的外侧，速度最大值通常位于接近弯曲部分外侧的三分之一处。为了实现细小液滴在进入空气流整个横截面上的均匀分布，通常喷嘴的密度可以设定为与特定位置处的速度基本成正比。上述情况应用在所有喷嘴都同等地供应水的情况下，因此当喷嘴根据空气流分布时，更多的水被喷射到流动速度高且喷嘴密度更高的区域。如果所有的喷嘴都能够同等地被供应，那么实现均匀的高质量的液滴一般更容易一些。但是，用均匀分布的喷嘴并且向流速高的区域的喷嘴供应更多的水可以实现相同的效果。另外如果管子内的流动条件根据燃气轮机的运行模式有大的变化，那么可以将喷嘴适于流动的分布和喷嘴的个别供应结合起来，并且这种结合是有利的。喷嘴可以设计为供应气体或类气体和液体的二元喷嘴，以提供良好的液滴质量。
如上所述，过度雾化系统可以与传统的进入空气蒸发冷却单元(例如图2a中的装置29或图2b中的装置33)结合起来。过度雾化泵的启动条件如下燃气轮机应处于或接近满负荷，并且环境湿球温度应高于某一值，通常高于0℃。如果安装有传统的进入空气蒸发冷却设备，如果环境条件允许，那么当过度雾化被激活时，应该运行进入空气冷却设备。另外，燃气轮机的满负荷或接近满负荷运行对某些预热阶段应该是积极的，这一阶段优选约为30min。必须对压缩机进口温度进行监测。如果该值低于某一水平(通常给定的是约0℃)，就有必要自动关闭液体喷射系统。另外，必须对过度雾化流量进行监测，以检测喷嘴是否堵塞、喷嘴流量的变化、泄露、测得的系统中水的流量的差别等等，这些都会导致不受控制的水的流动，这是应该避免的。如上所述，也应该监测补给水的质量。一般通过测量电导率来监测其质量，其电导率不应超出某一极限值。另外，也应该监测管道系统是否被冻结或堵塞。
对于具有进口冷却系统的设备，事实证明下面的启动程序是合适的1.将燃气轮机加载到满负荷或接近满负荷。
2.如果燃气轮机处于或接近满负荷运行，如果环境条件也允许接通进口冷却系统，那么就启动进口蒸发冷却系统。
3.在满负荷或接近满负荷条件下运行至少约30min之后，可以启动过度雾化系统。
如果一个设备没有安装进口蒸发冷却系统，那么可以省略上述的第2步骤。
关闭时，按相反的顺序执行上述程序。
附图标记表1压缩机的第一级(低压级)2压缩机的第二级(高压级)3h高压涡轮3l低压涡轮4蒸汽涡轮5发生器6共用轴7离合器8h高压燃烧室8l低压燃烧室9燃料管，燃料10进入空气11部分压缩的进入空气12h压缩空气12l来自高压燃烧室的膨胀燃烧空气13h热的燃烧空气(高压)13l热的燃烧空气(低压)
14废气15热回收蒸汽发生器16烟囱17通向热回收蒸汽发生器的管子18从热回收蒸汽发生器来的管子(蒸汽)19蒸汽涡轮的出口20进入空气的冷却/雾化21部分压缩的空气的冷却22冷却空气管，压缩的冷却空气23液滴分离器24冷却单元25被冷却的冷却空气26进入总管27进入管28过滤器29雾化液滴喷射装置31膨胀接头32a/b/c过度雾化液滴喷射装置
33蒸发冷却器34液滴收集器35水管36喷雾嘴37承载架
权利要求
1.一种燃气轮机，主要包括压缩机(1，2)，用于压缩供应到其中的进入空气(10)并排出压缩空气(12)；高压燃烧室(8h)，燃料(9)和从所述压缩机(1，2)排出的压缩空气(12)在其中燃烧；高压涡轮(3h)，由所述高压燃烧室(8)排出的热的燃烧空气(13h)驱动；低压燃烧室(8l)，燃料(9)和从所述高压涡轮(3h)排出的膨胀燃烧空气(12l)在其中燃烧；以及低压涡轮(3l)，由从所述低压燃烧室(8l)排出的热的燃烧空气(13l)驱动；其特征在于所述压缩机(1，2)工作时的压力比大于15巴，并且在所述压缩机(1，2)的上游侧设置至少一个液滴喷射装置(32)，用于将液体喷射到进入空气流(10)中以增加燃气轮机产生的轴功率，所述喷射装置(32)允许以液滴形式与燃气轮机的轴功率所希望的增加相对应地添加液体质量流；其中，与燃气轮机的轴功率输出所希望的增加相对应的液体质量流的量是以液滴形式、基本无级地、并且在基本上由液滴喷射装置(32)的设计特征确定的时间间隔内立即地被添加，以增加液滴的质量流。
2.一种燃气轮机，主要包括压缩机(1，2)，用于压缩供应到其中的进入空气(10)并排出压缩空气(12)；高压燃烧室(8h)，燃料(9)和从所述压缩机(1，2)排出的压缩空气(12)在其中燃烧；高压涡轮(3h)，由所述高压燃烧室(8)排出的热的燃烧空气(13h)驱动；低压燃烧室(8l)，燃料(9)和从所述高压涡轮(3h)排出的膨胀燃烧空气(12l)在其中燃烧；以及低压涡轮(3l)，由从所述低压燃烧室(8l)排出的热的燃烧空气(13l)驱动；其特征在于所述压缩机(1，2)工作时的压力比大于15巴，并且在所述压缩机(1，2)的上游侧设置至少一个液滴喷射装置(32)，用于将液体喷射到进入空气流(10)中以增加燃气轮机产生的轴功率，所述喷射装置(32)以液滴的形式添加液体质量流；其中，与燃气轮机的轴功率输出所希望的减小相对应的液体质量流的量是以基本无级的方式且在基本上由液滴喷射装置(32)的设计特征确定的时间间隔内立即被减少，以减少液滴的质量流。
3.如上述权利要求之一所述的燃气轮机，其特征在于，所述液体质量流基本喷射到进入空气导管(26，27)的整个横截面上。
4.如上述权利要求之一所述的燃气轮机，其特征在于，它还包括冷却系统(22-25)，该冷却系统使用从压缩机(1，2)排出的压缩的或部分压缩的空气(22)来冷却燃气轮机的零部件，其中冷却系统(22-25)包括冷却单元(24)，该冷却单元(24)受到控制以确保被冷却的冷却空气(25)的恒定质量。
5.如权利要求4所述的燃气轮机，其特征在于，至少一个喷射装置(29，32)可以用与液滴喷射装置(32)的开/关控制同步的单前溃信号来控制，其中，优选两个系统的信号可以稍作相互置换，以考虑燃气轮机的滞后效应。
6.如上述权利要求之一所述的燃气轮机，其特征在于，它包括一个燃料控制阀，该阀用于调节燃料的质量流，以保持燃气轮机理想的点火温度，其中，所述燃料控制阀的控制优选由与液滴喷射装置(32)的开/关控制同步的单前溃信号来实施。
7.如上述权利要求之一所述的燃气轮机，其特征在于，它包括通过燃气轮机的发生器(5)采用立即且无级地增加或减少液体质量流来快速增加或减少有效的轴功率输出的能力。
8.如权利要求7所述的燃气轮机，其特征在于，当电网的功率需求快速增加或减少时，特别是当电网的频率分别出现下降或上升时，可以产生快速的增加或下降。
9.如权利要求8所述的燃气轮机，其特征在于，电网频率的下降或上升造成燃气轮机的轴速降低或增大，并且通过立即且无级地增加或减少液体的量，燃气轮机的压缩机的喘振边界可以通过冷却压缩机的叶片截面而增加或减少。
10.如权利要求1-9中的一项所述的燃气轮机，其特征在于，它还包括安装在所述压缩机(1，2)上游的进入总管(26)和安装在所述进入总管(26)上游并通过膨胀接头(31)连接到所述进入总管(26)上的进入管(27)，并且液滴喷射装置(32)基本上位于进入管(27)和进入总管(26)之间的膨胀接头(31)处，其中进入管(27)优选还包括位于所述液滴喷射装置(32)上游的消音器和基本位于进入管(27)入口处的过滤器(28)，并且用于冷却进入空气(10)的另外的冷却装置(29，33)优选位于过滤器(28)的下游。
11.如权利要求1-10中的一项所述的燃气轮机，其特征在于，液滴喷射装置(32)由雾化水管(35)的管网(32)构成，优选以基本平行的方式安置在承载架(37)上，在该雾化水管(35)的下游侧安装有喷雾嘴(36)，用于将液滴喷射到进入空气流(10)中，其中液滴喷射装置(32)喷出的液滴的尺寸优选在2-40μm之间，最好约为10μm。
12.如权利要求11所述的燃气轮机，其特征在于，喷雾嘴(36)优选为进给气体或类气体和液体的双元喷嘴。
13.如权利要求11或12所述的燃气轮机，其特征在于，雾化水管(35)的间距以及安装在所述雾化水管(35)上的喷雾嘴(36)的间距适于进入空气(10)的流动，以实现液滴在进入空气流(10)中的均匀分布。
14.如上述权利要求之一所述的燃气轮机，其特征在于，液滴喷射装置的位置靠近压缩机入口，优选位于压缩机的喇叭口处。
15.如权利要求4和权利要求1-14中的一项所述的燃气轮机，其特征在于，被冷却的冷却空气(25)被控制在温度约300-400℃，优选在330-380℃之间，允许有小于+/-10℃的误差，其中压力被保持在15-40巴之间，优选在20-30巴之间。
16.一种增加或减少燃气轮机输出的轴功率的方法，该燃气轮机主要包括压缩机(1，2)，用于压缩供应到其中的进入空气(10)并排出压缩空气(12)；高压燃烧室(8h)，燃料(9)和从所述压缩机(1，2)排出的压缩空气(12)在其中燃烧；高压涡轮(3h)，由所述高压燃烧室(8)排出的热的燃烧空气(13h)驱动；低压燃烧室(8l)，燃料(9)和从所述高压涡轮(3h)排出的膨胀燃烧空气(12l)在其中燃烧；以及低压涡轮(3l)，由从所述低压燃烧室(8l)排出的热的燃烧空气(13l)驱动；其特征在于所述压缩机(1，2)工作时的压力比大于15巴，并且通过设置在所述压缩机(1，2)上游侧的至少一个液滴喷射装置(32)，将液体喷射到进入空气流(10)中，以增加燃气轮机产生的轴功率；其中，与燃气轮机的轴功率输出所希望的增加相对应的液体质量流的量是以液滴形式、基本无级地、并且在基本上由液滴喷射装置(32)的设计特征确定的时间间隔内立即地被添加，以增加液滴的质量流。
17.一种减少燃气轮机输出的轴功率的方法，该燃气轮机主要包括压缩机(1，2)，用于压缩供应到其中的进入空气(10)并排出压缩空气(12)；高压燃烧室(8h)，燃料(9)和从所述压缩机(1，2)排出的压缩空气(12)在其中燃烧；高压涡轮(3h)，由所述高压燃烧室(8)排出的热的燃烧空气(13h)驱动；低压燃烧室(8l)，燃料(9)和从所述高压涡轮(3h)排出的膨胀燃烧空气(12l)在其中燃烧；以及低压涡轮(3l)，由从所述低压燃烧室(8l)排出的热的燃烧空气(13l)驱动；其特征在于所述压缩机(1，2)工作时的压力比大于15巴，并且在所述压缩机(1，2)的上游侧设置至少一个液滴喷射装置(32)，用于将液体喷射到进入空气流(10)中以增加燃气轮机产生的轴功率，所述喷射装置(32)以液滴的形式添加液体质量流；其中，与燃气轮机的轴功率输出所希望的减小相对应的液体质量流的量是以基本无级的方式且在基本上由液滴喷射装置(32)的设计特征确定的时间间隔内立即被减少，以减少液滴的质量流。
18.如权利要求16或17所述的方法，其特征在于，所述液体质量流基本喷射到进入空气导管(26，27)的整个横截面上。
19.如权利要求16到18中的一项所述的方法，其特征在于，燃气轮机还包括冷却系统(22-25)，该冷却系统使用从压缩机(1，2)排出的压缩的或部分压缩的空气(22)来冷却燃气轮机的零部件，其中冷却系统(22-25)包括冷却单元(24)，该冷却单元(24)受到控制以确保被冷却的冷却空气(25)的恒定质量。
20.如权利要求16到19中的一项所述的方法，其特征在于，用如权利要求1-15中的一项所述的燃气轮机来执行该方法。
21.如权利要求16到20中的一项所述的方法，其特征在于，质量比为0.5-5％、优选为1.0-3.0％的液体被喷射到进入空气(10)中，以使燃气轮机的轴功率增大10％；减少相同量以降低轴功率。
22.如权利要求16到21中的一项所述的方法，其特征在于，水的喷射压力可达250巴，优选在100-180巴之间，最好约为140巴，并且这一压力可在1s到60s之内立即建立起来，优选在10-30s之内。
23.如权利要求16到22中的一项所述的方法，其特征在于，采用立即且无级地添加或减少液体的质量流，快速增加或减少燃气轮机的发生器(5)上可利用的燃气轮机的输出功率。
24.如权利要求23所述的方法，其特征在于，当电网的功率需求快速增加或减少时，特别是当电网的频率下降或上升时，产生快速地增加或下降，并且更特别的是电网的频率下降或上升分别造成燃气轮机的轴速降低或增大，并且通过立即且无级地添加或减少水，燃气轮机的压缩机的喘振边界可通过冷却压缩机的叶片截面而增大或减小。
25.如权利要求16到22中的一项所述的方法，其特征在于，为了启动燃气轮机，第一步将燃气轮机加载到满负荷，如果有额外的冷却系统(29，33)，就接通这些冷却系统，并且在滞后15-45min、优选是30min之后，通过液滴喷射装置(32)添加水。
26.如权利要求1到16中的任一项所述的燃气轮机的用途是用于产生电能、产生机械能或用在飞行器的推进领域。
全文摘要
一种燃气轮机以及运行燃气轮机的方法。为了增加燃气轮机产生的轴功率，在压缩机(1，2)的上游侧设置至少一个液滴喷射装置(32)，以将液体喷射到进入空气流(10)中，从而可以非常快速地同时也非常易于控制地增大或减小燃气轮机产生的轴功率。与燃气轮机的轴功率输出所希望的增加或减小相对应的水的质量流的量是以液滴的形式、基本无级地、并且是在某一时间间隔内立即添加或减少的，所述时间间隔基本上由液滴喷射装置(32)的设计特征确定。
文档编号F01K21/04GK1612977SQ02826851
公开日2005年5月4日 申请日期2002年12月4日 优先权日2001年12月6日
发明者贾科莫·博利斯, 古斯塔夫·哈格斯特伦, 于尔根·霍夫曼, 托尔斯滕·瓦斯穆特 申请人:阿尔斯通技术有限公司