专利名称：操作燃气轮机组的方法及实施该方法的燃气轮机组的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃气轮机领域。本发明涉及一种操作燃气轮机的方法，在燃气轮机中，压缩空气从压缩机中被抽取并用作冷却热负载部件的冷气流，本发明还涉及一种用于实施该方法的燃气轮机组。
背景技术：
为了冷却热部件，尤其是燃烧室以及有热气体流经的涡轮机，燃气轮机(燃气轮机组)一般使用在适当的压力下从压缩机抽取的冷却流体，将其不时进行再冷却，并且在对热部件的冷却完成后将其补充入涡轮机流中。在此情况下，燃气轮机的高热负载部件的冷却一般根据一个固定的程序执行。在最简单的情况下，该冷却空气比例在一个较宽的运行范围下保持为一个较大的常数。例如，机器在热气体温度降低的部分负荷运行时同样如此。·为了根据实际环境和工况成比例地改变和控制冷却空气量，EP1028230提出通过可变冷却空气补给的方式实现对受冷却部件的材料温度的控制。为此，其提出为热负载部件装备热电偶或其他用于温度测量的装置。如果测得的温度大于一个预设的参考值，则增加冷却空气量。反之亦然，如果测得的材质温度小于预设参考值，则冷却空气量被额外限制。US6615574解决了另一个问题。为了实现以相匹配的输送压力进行灵活送气，其提出在压缩机的不同级分流出压缩空气，然后以受控制的方式将其混合从而以足够的输送压力提供冷却所需的冷却空气量。此外，EP1967717还公开了用于在带部分负载运行期间使用可控辅助空气系统来提高热燃气温度。根据预设的运行方式对运行中冷却空气流进行具体调节在本领域是已知的。但是，上述这些方式灵活性较小并且不允许运行方式随着运行目标进行改变。
发明内容
本发明的目的是公开一种用于燃气轮机组的操作方法以及一种实施该方法的燃气轮机组，其避免了已知方法或燃气轮机的缺点，特别是通过冷却空气系统的灵活调整的方式使燃气轮机的运行适应于运行目标。本发明的一个方面是使用以运行目标为依据的控制元件来对冷却空气质量流进行控制以实现特定的运行目标。为此，在操作燃气轮机组的方法中一所述燃气轮机组包括压缩机，其从入口侧引入进口空气并对其压缩以在排出侧提供压缩机排出空气；燃烧室，在其中通过使用前述压缩机排出空气来燃烧燃料形成热燃气；以及还包括涡轮机，在其中热燃气膨胀做功——气从压缩机中抽取并受控制的压缩机排出空气作为冷却空气流被引导流入燃烧室和/或涡轮机中以冷却热负载部件。该方法的独特之处在于对冷却空气流的控制不依据固定的程序进行，而是为了获得特定的运行目标，使用控制元件依据运行目标来控制冷却空气流。此外，一个实施例允许在燃气轮机组的控制过程中选择不同的运行目标。为了控制的目的，两组或多组可选择的目标值一般被存储在控制器中。冷却空气流的控制所要适应的运行目标包括使用寿命延长的运行、为了提高低混和温度下的热燃气温度而具有增加的冷却空气流的低排放低部分负载运行，以及具有受控制的或受限制的压缩机出口压力的运行、具有余热锅炉的联合循环电厂中的运行，在其中，涡轮机废气温度被保持在高温，从而在较低的部分负载下进入到余热锅炉的入口具有良好工况，还包括具有受控制的涡轮机废气温度的部分负载运行。例如，在相对于标准运行方式延长了使用寿命的方法的一个实施例中，所述涡轮机入口温度TIT或所述燃烧室中的热燃气温度被降低，与此同时至少一股冷却空气流增力口。这种结合具有两个优点。第一，通过增加冷却空气流，冷却效果以及相应的使用寿命都得以增强，第二，避免热燃气温度急剧地降低，这在不改变能获得相同使用寿命延长的冷却空气流量的情况下是必需的。由于冷却空气流的增加，涡轮机入口质量流量减少。这致使 整个涡轮机的压力比减小，进而使温度比降低。作为这样组合的结果相比简单地降低热燃气温度，所导致的废气温度的降低得以减小。这使对于下游的余热锅炉的负面影响最小化并允许以闻的总体效率运行。所用的涡轮机入口温度是例如根据IS02314(1989)的所谓混和温度，其描述了一种在热燃气与输送到燃烧室和涡轮机的未膨胀的所有质量流混合所得到的理论温度，或者是根据ANSIB133. 1/1978的转子入口温度，或者是根据API616/1992的“标称点火温度”。根据延长使用寿命的方法的另一个实施例，相对于标准运行方式，所述燃烧室中的TIT被降低，与此同时增加至少一股高压冷却空气流，并且低压冷却空气流保持不变或者减少。该特定实施例避免了冷却空气流在涡轮机的尾级中的不必要地被消耗。由于所述TIT降低以及所述高压系统中冷却空气流输送量的增加，被低压冷却空气流所冷却的部件区域的热燃气温度已经被降低到再进行额外冷却也不会延长使用寿命的程度。相反，可以在不影响使用寿命的情况下实现低压冷却空气总流量的减小。残留在主流中的被限制的冷却空气在燃烧室中被加热到降低后的热燃气温度，由此能够做功并提高功率和效率。在本方法的另一个实施例中，根据压缩机出口压力来控制冷却空气流。特别地，在低温时压缩机入口质量流量增加，压缩机出口压力随之增大。例如零下15°C以下的环境温度被视为低温。但是，根据优化目标，燃气轮机可以设计为将低于(TC的温度、或者压缩机有结冰危险的温度，即一般低于大约TC的温度也视为低温。此时压缩机出口压力可以高于燃气轮机的设计压力，特别是壳体或冷却空气冷却器的设计压力。为了避免为应对极端的高压而进行繁复和昂贵的设计或避免在传统的运行方式下部分负载运行引起的压力减少，即TIT降低及压缩机进口导向叶片的闭合，根据本文提出的方法的实施例，在压缩机出口压力的限定值之后增加冷却空气，从而减小所述压缩机出口压力。特别地，该压缩机出口压力通过控制至少一个冷却空气流而保持在所述限定值。根据权利要求之一，根据所述方法的另一个实施例，在低部分负载情况下，根据涡轮机废气温度(TAT)控制冷却空气质量流量，从而将TAT保持在高水平。从满负载开始，一般通过将TIT首先减小到部分负载限定值来实现燃气轮机的部分负载。随后关闭至少一排压缩机可变入口导向叶片。随着所述排的压缩机可变入口导向叶片的闭合，质量流量下降，贯穿涡轮机的压力比也随之下降。这首先引起了 TAT的升高。一旦它达到部分负载限定值，TAT就降低。所述排的压缩机可变入口导向叶片的开口和热燃气温度随后被进一步减小和降低直到所却的压缩机可变入口导向叶片在部分负载限定值时闭合。一般通过进一步单独降低热燃气温度来实现负载的进一步减小，这直接引起TAT降低。为了提高具有下游余热锅炉的发电厂的总效能，TAT必须保持在最小值。在极低的部分负载期间，该最小值低于传统的运行条件，因此几乎不可能实现经济地运行。所述低部分负载运行一般是40%以下的相对负载，即相对负载是相对于满负载输出的负载。根据设计，所述低部分负载的范围一般是25%以下的相对负载。此时冷去空气系统中的质量流不受控制的运行方式被称为传统运行方式。通过关闭压缩机可变入口导向叶片和减小热燃气温度，所述输出从满负载开始减小。在高负载范围下，热燃气温度一般从满负载值减小到部分负载值(可选)。随后压缩机可变入口导向叶片闭合直到达到TAT限定值。一旦它达到限定值，则热燃气温度随着压缩机同变入口导向叶片的关闭而平行地降低并且被控制以使TAT保持在TAT限定值处。一旦压缩机可变入口导向叶片已经到达闭合位置(负载运行的最小位置)，则只能通过热燃气温度来控制所述负载。热燃气温度的降低随 后直接引起TAT的降低，并且一般会迅速导致出现低TAT和上述提到的下游汽水流程中的问题。在逆向的顺序中则增加负载。本方法建议的实施例允许通过降低冷却空气的消耗来提高TAT。具体地，控制中压冷却空气流和/或低压冷却空气流直接引起在低部分负载下TAT的升高，同时也不损害使用寿命。由于热燃气温度和TAT已被大幅降低，因此在实践中不需要进行冷却。中压冷却空气流和/或低压冷却空气流可被很大程度地限制。极端情况下低压冷却空气流甚至能被完全切断。但是，一般情况下维持一个最小气流以起到清洗和避免回流的作用。除了所述方法之外，适于实施该方法的燃气轮机组也是本发明的一个主题。该种燃气轮机组包括至少一个压缩机，其在入口侧引入进口空气并对其进行压缩以在排出侧提供压缩机出口空气；至少一个燃烧室，使用压缩机出口空气在其中燃烧燃料，形成热燃气；以及还包括至少一个涡轮机，热燃气在其中膨胀做功。为了冷却燃烧室和/或涡轮机的热负载部件，从压缩机的抽气点和/或压缩机的出口到热负载部件之间设置第一冷却管线。另外，在从压缩机的抽气点和/或压缩机的出口到热负载部件之间的第一冷却管线中，根据本发明的燃气轮机包括至少一个用来控制到达热负载部件的冷却空气质量流的控制元件，以及还包括一个燃气轮机控制器。根据本发明，至少一组额外的控制参数，即操作者能够选择用来实现特定运行方式的参数，存储于控制器中。为了确保到达热负载部件的最小冷却空气流，根据一个实施例控制元件具有一个最小开口。该控制元件能够例如被配置为在机械上不可能沿流动方向闭合。特别地，最小冷却空气流防止回流到冷却空气系统中。被冷却的涡轮机叶片一般由耐高温材料组成。输送管线系统，以及这些输送管线所穿过的叶片持环或壳体一般由不同于涡轮叶片的材料制成。它们一般都不耐高温，所以即使热燃气温度已经降低到低于实际待冷却的热负载部件所允许的温度以下，也要阻止热燃气回流进入这些部件中。根据一个实施例，用于控制冷却空气流的控制元件具有一个最小开口，其确保具有满负载下的通流量的至少10%的通流量，从而阻止热燃气流入。传统上，热负载部件的冷却空气开口是为全负载运行设计，因为该运行状态对于使用寿命至关重要。与传统结构相反，根据一个实施例的燃气轮机组包括至少一个具有冷却空气开口的热负载部件，所述开口的通流量比满负载下设计点所需的通流量大。这样就允许冷却空气流可以在较宽的范围内根据运行动作进行控制。根据一个实施例，热负载部件的冷却空气开口具有一个至少大于在满负载设计点下获得设计使用寿命所需的通流量的30%的通流量。根据另一个实施例，热负载部件的冷却空气开口具有一个至少大于在满负载的设计点下可靠运行所需的通流量的50%的通流量。冷却空气的冷却效果以及其对燃气涡轮工序的影响不仅由冷却空气质量流量确定，还由再冷却器中的再冷却温度所确定。在本方法的一个实施例中，所述再冷却温度依据运行目标或者冷却空气质量流量另外进行控制。在一个特定的实施例中，再冷却温度随着冷却空气质量流量的增加而升高。在本例中温度升高是可选择的，从而使使用寿命的损耗不受冷却空气流量增加的影响。·
在另一个实施例中，所述再冷却温度随着冷却空气质量流量的增加而降低。例如对于TAT控制而言，在质量流量减小的同时降低再冷却温度可以在中压部的低负载下实现，而不会损害使用寿命。在另一个实施例中，所述再冷却温度在部分负载下被降低，以便例如增加在对应于一个负载点的给定TIT下的热燃气温度。本发明所述的实施例的带有一个燃烧室的燃气轮机仅用做解释而不能被认为是限制。例如，本发明也适用于具有两个或多个燃烧室的燃气轮机和/或EP0620363B1或EP0718470 A2的实例中的涡轮机，其在随后的示例性实施例中进行说明。进一步的，本方法还有利于针对特定类型的运行进行优化。例如，在高度水雾化的燃气轮机运行过程中，即水喷入到压缩机中以增大动力，与干燥运行的设计相比其在压缩机中的压力积聚能被转移。由于在高度水雾化运行期间喷射水的冷却效应，压力积聚一般向压缩机出口传递。所以，在低压冷却空气抽取和中压冷却空气抽取期间，压力相对于压缩机出口压力下降。然而，热燃气通道中的压力与压缩机出口压力成比例，所以在高度水雾化运行期间低压冷却空气系统和中压冷却空气系统中的有效压差减小。控制能被调节为与高度水雾化运行相适应从而使低压抽取或中压抽取期间通过冷却空气管线中的控制元件来补偿与压缩机出口压力相关的压力的变化。
下文对本发明的优选实施例进行了说明，其中配图仅作为解释应用而不应被视为对其进行限制。图I示出了根据本发明示例性的实施例的极大简化的示意框图。
具体实施例方式图I示出了具有顺序燃烧用来执行根据本发明的方法的燃气轮机。其包括压缩机1，第一燃烧室4，第一涡轮机7，第二燃烧室9和第二涡轮机12。其一般包括一个在燃气轮机冷端的发电机19，即在压缩机I端，它与燃气轮机的轴18相连接。燃料，即燃气或油，通过燃料输送管线5进入到第一燃烧室4，与在压糊I中被压缩的空气相混合，并燃烧。热燃气6在随后的第一涡轮机7中部分地膨胀，做功。
一旦第二燃烧室投入运行，通过燃料输送管线10添加辅助燃料到第二燃烧室9的燃烧器中的部分膨胀的燃气8中，并且在第二燃烧室9中进行燃烧。燃烧室9例如形成为环形燃烧室。热燃气11在随后的第二涡轮机12中膨胀并故功。废气13可以输送到联合循环电厂的余热锅炉中或可产生效益的余热用户。为了控制入口质量流，压缩机I具有至少一排压缩机可变入口导向叶片14。压缩空气3的一部分分支为高压冷却空气22，通过高压冷却空气冷却器33再冷却并作为冷却空气22被输送到第一燃烧室4 (冷却空气管线未示出)以及第一涡轮机。被输送到高压涡轮机7的高压冷却空气22的质量流在本实施例中可利用高压冷却空气控制阀21进行控制。高压冷却空气22的一部分被作为所胃的携带空气24被输送到燃烧器喷枪并被用于冷却燃烧器喷枪和/或用于协助吸入燃料到燃烧器中并进行混合。携带空气 24的质量流能通过携带空气控制阀17进行控制。被部分压缩的空气的一部分，从压缩机I中分支出来，通过低压冷却空气冷却器34被再冷却并作为中压冷却空气23输送到第二燃烧室9以及第二涡轮机中。中压冷却空气23的质量流在本实，例中可以通过中压冷却空气控制阀16进行控制。进一步的，被部分压缩的空气的一部分，从压缩机I处作为低压冷却空气20被分支出并被输送到第二涡轮机12中。低压冷却空气20的质量流在本实例中可以利用低压冷却空气控制阀15进行控制。燃气轮机组还包括用于控制目的的控制器31，其通过传统的控制管线32与燃气轮机相连接并通过控制管线(25，. . . ,30)连接到冷却空气系统的控制元件。所述传统的控制管线在实施根据本发明的方法的发明范围内有必要予以说明，其包括用于将重要的过程变量输送给燃气轮机的测量管线，特别用于测量第一涡轮机7和第二涡轮机12的涡轮机废气温度、压缩机出口压力、燃烧室压力、入口空气2和压缩机出口空气3的温度、压缩机可变入口导向叶片14的位置以及发电机19的终端功率。此外，它们包括用于控制燃料控制阀的控制管线，所述控制阀用于控制燃料输送管线5、10，还包括用于控制压缩机可变入口导向叶片14的控制管线。为了控制冷却空气温度，控制器31通过连接到中压冷却空气冷却器30的控制管线和连接到高压冷却空气冷却器29的控制管线连接到冷却空气冷却器33，34。为了控制冷却空气流，控制器31通过连接到低压冷却空气控制阀25的控制管线25连接到低压冷却空气控制阀15，通过连接到中压冷却空气控制阀16的控制管线28连接到中压冷却空气阀16，通过连接到高压冷却空气控制阀26的控制管线连接到高压冷却空气控制阀21。为了控制携带空气流24，控制器31还与携带空气控制阀17相连接。存储于控制器31中的，除了标准运行方式的控制参数外，至少还有一组用于特定运行方式的与标准方式不同的控制参数，其中，操作者可以通过人机界面，例如控制室或“使用者界面”，进行选择。该控制参数组包括，例如，热燃气温度的修正目标值、冷却空气流、冷却空气再冷却温度以及TAT。这些控制参数能够以表格或函数的方式存储。附图标记列表I压缩机2入口空气
3压缩机出口空气4第一燃烧室5燃料输送管线6热燃气7第一涡轮机8部分膨胀的热燃气9第二燃烧室
10燃料输送管线11热燃气12第二涡轮机13废气(到余热锅炉)14压缩机可变入口导向叶片15低压冷却空气控制阀16中压冷却空气控制阀17携带空气控制阀18 轴19发电机20低压冷却空气21高压冷却空气控制阀22高压冷却空气23中压冷却空气24携带空气25连接到低压冷却空气控制阀的控制管线26连接到高压冷却空气控制阀的控制管线27连接到携带空气控制阀的控制管线28连接到中压冷却空气控制阀的控制管线29连接到高压冷却空气冷却器的控制管线30连接到中压冷却空气冷却器的控制管线31燃气轮机控制器32连接到燃汽轮机的控制和测量管线33高压冷却空气冷却器34中压冷却空气冷却器TAT涡轮机废气温度TIT涡轮机入口温度
权利要求
1.一种操作燃气轮机组的方法，所述燃气轮机组包括压缩机(I)，其在入口侧引入入口空气(2)并将其压缩从而在排气侧提供压缩机出口空气(3)，燃烧室(4，9)，使用压缩机出口空气(3)在其中燃烧燃料(5，10)形成热燃气(6，11)，以及涡轮机(7，12)，热燃气(6，11)在其中膨胀做功，在该方法中，压缩空气从压缩机(I)中被抽取并作为冷却空气流(20，22，23，24)被引导入燃烧室(4，9)和/或涡轮机(7，12)中以冷却热负载部件，其特征在于，为获得指定运行目标，至少一股冷却空气流(20，22，23，24)通过控制元件(15，16，17，21)依据所述运行目标进行控制。
2.如权利要求I所述的方法，其特征在于利用该方法，根据下面至少一个运行目标执行控制 -增加使用寿命的运行， -具有增加冷却空气流(20，22，23，24)的低排放低部分负载运行，以便在低混和温度(TIT)下增加热燃气温度， -具有受控制的或受限制的压缩机出口压力的运行， -具有高涡轮机废气温度(TAT)的低部分负载运行，以良好的入口工况进入余热锅炉， -控制涡轮机废气温度(TAT)。
3.如权利要求I或2所述的方法，其特征在于，为了提高使用寿命，所述燃烧室(4，9)中的热燃气温度被降低，用于冷却所述燃烧室(4，9)和/或涡轮机(7，12)中热负载部件的冷却空气流(20，22，23，24)被增加。
4.如权利要求1-3之一所述的方法，其特征在于，为了增加使用寿命，所述燃烧室(4，9)中的热燃气温度被降低，高压冷却空气流(22)被增加，中压冷却空气流(23)和/或低压冷却空气流(20)保持不变或者减小。
5.如权利要求1-4之一所述的方法，其特征在于，对于低部分负载运行，所述混和温度(TIT)被降低，用于冷却所述燃烧室(4，9)和/或涡轮机(7，12)的热负载部件的至少一股冷却空气流(20，22，23，24)被增加。
6.如权利要求1-5之一所述的方法，其特征在于，对于部分负载运行，所述混和温度(TIT)被降低，用于冷却所述燃烧室(4，9)和/或涡轮机(7，12)的热负载部件的高压冷却空气流(22)被增加，用于冷却热负载部件的中压冷却空气流(23)和/或低压冷却空气流(20)保持不变或者减小。
7.如权利要求1-6之一所述的方法，其特征在于，根据压缩机出口压力来控制用于冷却所述燃烧室(4，9)和/或涡轮机(7，12)的热负载部件的冷却空气流(20，22，23，24)。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在低环境温度下增加用于冷却所述燃烧室(4,9)和/或涡轮机(7，12)的热负载部件的冷却空气流(20，22，23，24)以减小压缩机出口压力。
9.如权利要求1-8之一所述的方法，其特征在于，根据涡轮机废气温度(TAT)来控制用于冷却所述燃烧室(4，9)和/或涡轮机(7，12)中热负载部件的中压冷却空气流(23)和/或低压冷却空气流(20)。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，在低部分负载条件下，根据涡轮机废气温度(TAT)来减小用于冷却所述燃烧室(4，9)和/或涡轮机(7，12)的热负载部件的中压冷却空气流(23)和/或低压冷却空气流(20)，从而保持涡轮机废气温度(TAT)不变。
11.如权利要求9或10所述的方法，其特征在于，不考虑涡轮机废气温度(TAT)，所述中压冷却空气流(23)和/低压冷却空气流(20)都不减少到最小流量以下。
12.如在前权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述冷却空气流(22，23，24)在其中被再冷却的再冷却器(33，34)的再冷却温度根据冷却空气流(22，23，24)进行控制。
13.一种燃气轮机组，其包括压缩机(I)，其在入口侧引入入口空气(2)并将其压缩从而在排气侧提供压缩机出口空气(3)，燃烧室(4，9)，使用压缩机出口空气(3)在其中燃烧燃料(5，10)形成热燃气(6，11)，以及涡轮机(7，12)，热燃气(6，11)在其中膨胀做功，其中，为了冷却所述燃烧室(4，9)和/或涡轮机(7，12)中的热负载部件，冷却空气流(20，22，23，24)从压缩机(I)和/或压缩机(I)的出口被引导至所述热负载部件，以及用于控制所述冷却空气流(20，22，23，24)的至少一个控制元件(15，16，17，21)，以及燃气轮机控制器(31)，在其中存储用来实现传统运行方式的控制参数，其特征在于在所述燃气轮机控制器(31)中存储至少一组额外控制参数，其能由操作人员来选择以实现指定的运行方式。
14.如权利要求13所述的燃气轮机组，其特征在于，所述至少一组控制元件(15，16，17，21)具有一个最小开口，其确保一个最小冷却空气流(20，21，23，24)流至热负载部件。
15.如权利要求13或14所述的燃气轮机组，其特征在于，所述至少一组热负载部件包括冷却空气开口，所述冷却空气开口具有一个至少大于在满负载的设计点下获得设计使用寿命所必需的通流量的30%的通流量。
全文摘要
本发明涉及一种操作燃气轮机组的方法，在其中压缩空气从压缩机被抽取并被供给以冷却所述燃烧室(4，9)和/或涡轮机(7，12)中的热负载部件。该方法的不同之处在于，为获得特定运行目标，至少一股冷却空气流(20，22，23，24)通过控制元件(15，16，17，21)依据所述运行目标进行控制。此外，本发明还涉及一种燃气轮机组，其中，为了冷却所述燃烧室(4，9)和/或涡轮机(7，11)的热负载部件，冷却空气流(20，22，23，24)被从压缩机(1)和/或压缩机(1)的出口引导至热负载部件，所述燃气轮机组包括用于控制所述冷却空气流(20，22，23，24)的至少一个控制元件(15，16，17，21)，以及还包括涡轮机控制器(31)，其根据可选择的控制参数组来控制所述燃气轮机组。
文档编号F02C7/18GK102953836SQ20121037504
公开日2013年3月6日 申请日期2012年8月22日 优先权日2011年8月22日
发明者M·阿里亚斯查奥, B·维佩尔, C·巴尔默, R·雅各比 申请人:阿尔斯通技术有限公司