专利名称：用于加热蒸汽涡轮机的系统和方法
技术领域：
本发明总体上涉及一种用于加热(warming up)蒸汽润轮机的系统和方法。
背景技术：
常规联合循环发电机组大体上包括燃气涡轮机、热回收蒸汽发生器(HRSG)和蒸汽涡轮机。来自燃气涡轮机的废气(排气)可以用于生成蒸汽，蒸汽又在蒸汽涡轮机中膨胀以产生功。例如，蒸汽在蒸汽涡轮机中的膨胀可以旋转连接到发电机的转子以产生电力。特别在蒸汽涡轮机的加热/热启动(heat-up)期间，蒸汽涡轮机和转子可能受到显著的瞬时热(thermal transients)。瞬时热又可以产生沿着转子的显著热应力，如果不小心地控制，该热应力可能减小转子的低循环疲劳、和/或可使用寿命。因此，加热/热启动限制可以应用于蒸汽涡轮机，以保证不超过蒸汽涡轮机和/或转子的最大设计加热率。由于来自燃气涡轮机的废气典型地用于加热蒸汽涡轮机，因此加热限制又可以应用于燃气涡轮机。在许多情况下，应用于燃气涡轮机的加热限制不与燃气涡轮机的实际测量参数关联，而是变为“替代”限制(“surr0gate”limitS)，如果满足，将保证也不超过实际限制。替代限制例如可以包括对燃气涡轮机的功率输出、和/或至燃气涡轮机的燃料流量的限制或保持。尽管有效地限制蒸汽涡轮机和转子的加热率，但是在一些情况下应用于燃气涡轮机的替代限制可能由于局部操作条件的变化而不太精确、和/或成为非必要地限制。例如，对于给定的功率输出和/或燃料流量，环境温度或湿度的变化可能产生燃气涡轮机废气温度和/或废气流率的相应变化。因此，对燃气涡轮机的功率输出、和/或至燃气涡轮机的燃料流量的替代限制，可能不会产生为获得蒸汽涡轮机中的最佳加热率所期望的废气温度、和/或至热回收蒸汽发生器的废气流率。所以，用于加热蒸汽涡轮机和转子的改进系统和方法将是有用的。
发明内容
本发明的各方面和优点将在以下描述中进行阐述，或者可以从该描述显而易见，或者可以通过本发明的实施而获悉。本发明的一个实施例是一种用于加热蒸汽涡轮机的系统，该系统包括燃气涡轮机和可操作地连接到燃气涡轮机的控制器。控制器被编程为接收多个被测量输入信号，并且控制燃气涡轮机以产生具有期望能量的废气。第一被测量输入信号反映燃气涡轮机的被测量操作参数，并且第二被测量输入信号反映蒸汽涡轮机的操作参数。本发明的另一个实施例是一种用于加热蒸汽涡轮机的方法，该方法包括:将多个被测量输入信号发送到控制器，其中第一被测量输入信号反映燃气涡轮机的被测量操作参数，并且第二被测量输入信号反映蒸汽涡轮机的操作参数。该方法还包括:基于多个被测量输入信号控制燃气涡轮机，并且产生来自燃气涡轮机的废气，其中废气具有期望能量。
更特别地在说明书的剩余部分中阐述了包括对于本领域的普通技术人员来说是本发明的最佳模式的本发明的完整和允许公开，包括参考附图，其中:图1是根据本发明的一个实施例的示例性联合循环发电机组的简化方块图；图2是根据本发明的一个实施例的蒸汽涡轮机的冷启动的示例性温度-流量分布；以及图3是根据本发明的备选实施例的蒸汽涡轮机的热启动的示例性温度-流量分布。
具体实施例方式现在将详细地参考本发明的实施例，所述实施例的一个或多个例子在附图中示出。详细描述使用数字和字母标示来表示附图中的特征。附图和描述中的相似或类似标示用于表示本发明的相似或类似部件。当在本说明书中使用时，术语“第一”、“第二”和“第三”可以互换地使用以使一个部件与另一个区分开并且不旨在表示单独的部件的位置或重要性。另外，术语“上游”和“下游”表示流体路径中的部件的相对位置。例如，如果流体从部件A流动到部件B，则部件A在部件B的上游。相反地，如果部件B接收来自部件A的流体流动，则部件B在部件A的下游。每个例子作为本发明的解释而不是作为本发明的限制而被提供。实际上，本领域的技术人员将显而易见可以在本发明中进行修改和变化而不脱离本发明的范围或精神。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以用于另一个实施例以产生又一个实施例。因此，本发明旨在涵盖属于附带的权利要求及其等效物的范围内的这样的修改和变型。本发明的各实施例包括一种用于加热蒸汽涡轮机的系统和方法。在特定实施例中，所述系统可以包括编程到控制器中的、基于模型的策略或算法，以产生否则未被具体测量的燃气涡轮机循环条件。例如，可以基于被测量燃气涡轮机参数、环境条件、和/或蒸汽润轮机的初始温度来调整控制器中的热力学模型(thermodynamic model),以计算并且产生所期望的燃气涡轮机废气能量、温度、和/或流率。所期望的废气能量、温度、和/或流率又可以用于获得蒸汽润轮机的最佳加热率(optimum heat-up rate),该最佳加热率可最小化加热蒸汽涡轮机的时间而不超过任何加热限制。该方法消除与替代限制(例如燃气涡轮机输出)关联的不确定性，以建立加热蒸汽涡轮机的必要和足够条件。另外，由于所需蒸汽涡轮机启动条件取决于蒸汽涡轮机的初始热状态、而不是环境条件，因此该方法提供一种手段以为一定范围的环境条件提供所需条件，而不需要验证燃气涡轮机对整个环境操作范围的反应。图1提供了示例性联合循环发电机组10以示出本发明的各实施例的一个可能应用。如图所示，联合循环发电机组10大体上包括连接到热回收系统14的燃气涡轮机12，这是本领域中已知的。燃气涡轮机12可以包括压缩器16、位于压缩器16的下游的至少一个燃烧器18、以及在燃烧器18的下游的涡轮机20。压缩器16可以包括打开或关闭以调节进入压缩器16的空气的流量的入口引导叶片17，并且压缩器16产生流动到燃烧器18的压缩工作流体22。燃烧器18大体上组合压缩工作流体22和燃料24和/或稀释剂的供应，并且点燃混合物以产生燃烧气体26。供应燃料24可以是由商用燃式发动机使用的任何合适的燃料，例如高炉气(blast furnace gas)、焦炉气(coke oven gas)、天然气、蒸发液化天然气(LNG)、丙烷和任何形式的液体燃料。稀释剂可以是适合于稀释或冷却燃料的任何流体，例如压缩空气、蒸汽、氮或另一种惰性气体。燃烧气体26流动到涡轮机20，在该涡轮机处它们膨胀以产生功。例如，燃烧气体26在涡轮机20中的膨胀可以旋转连接到发电机30的转子28以产生电力。热回收系统14可以改装或加入现有的燃气涡轮机以增加燃气涡轮机的总体热力学效率，同时也减小氧排放。热回收系统14例如可以包括热交换器32 (例如蒸汽发生器)、蒸汽涡轮机34和冷凝器36。热交换器或蒸汽发生器32可以位于涡轮机20的下游，使得来自涡轮机20的废气38流动通过蒸汽发生器32以产生蒸汽40。蒸汽涡轮机34可以位于蒸汽发生器32的下游，并且来自蒸汽发生器32的蒸汽40在蒸汽涡轮机34中膨胀以产生功。例如，蒸汽40在蒸汽涡轮机34中的膨胀可以旋转连接到发电机44的转子42以产生电力。在特定实施例中，转子42和发电机44可以是与先前关于燃气涡轮机12所述的相同的转子28和发电机30。冷凝器36可以位于蒸汽涡轮机34的下游、并且位于蒸汽发生器32的上游，以将离开蒸汽涡轮机34的蒸汽40冷凝成返回到蒸汽发生器32的冷凝物46。在冷凝器36和蒸汽发生器32之间的一个或多个冷凝泵48与蒸汽发生器32流体连通，以将来自冷凝器36的冷凝物46提供给蒸汽发生器32。典型地，蒸汽涡轮机34和/或转子42的加热将需要蒸汽发生器32的特定边界条件或操作限制，以保证提供给蒸汽涡轮机34的蒸汽40将在特定温度和/或流率限制内。在燃气涡轮机12将废气38提供给蒸汽发生器32的联合循环发电机组10中，蒸汽发生器32的所需边界条件导致燃气涡轮机12的关联边界条件，使得来自燃气涡轮机12的废气38的能量、温度和/或流率不会使蒸汽发生器32超过任何边界条件。通过直接控制来自燃气涡轮机的废气38的能量、温度和/或流率，可以预料在环境温度的范围上的废气38参数的变化将减小。换句话说，废气38的特性将比以前的替代参数(例如燃气涡轮机输出)更精确地反映燃气涡轮机12的边界条件，以前的替代参数典型地在环境条件的范围上变化、并且需要在环境条件的范围上的附加验证(additional validation)。本发明的各实施例提供了用于操作或控制燃气涡轮机12以提供所期望的废气38来加热蒸汽涡轮机34的、基于模型的策略。如图1中所示，燃气涡轮机12可以包括控制器50，该控制器可操作地连接到燃气涡轮机12的各部件以控制废气38的能量、温度和/或流率。控制器50的技术效果是基于蒸汽涡轮机34的各种被测量操作参数、环境输入和/或初始条件，以热力学地建模燃气涡轮机12的输出。当在本说明书中使用时，控制器50可以包括微处理器、电路或其它编程逻辑电路的任何组合，并且不限于任何特定的硬件架构或配置。本说明书中所述的系统和方法的实施例可以由以任何合适方式适合于提供期望功能性的一个或多个通用或定制控制器50实现。控制器50可以适合于提供与本发明的主题互补或不相关的附加功能性。例如，一个或多个控制器50可以适合于通过访问以计算机可读形式产生的软件指令而提供所述功能性。当使用软件时，任何合适的编程、脚本或其它类型的语言或语言的组合可以用于实现包含在本说明书中的教导。然而，不需要仅仅使用软件，或根本不使用软件。例如，在不需要附加详细论述的情况下本领域的普通技术人员将理解，本说明书中所述和所公开的系统和方法的一些实施例也可以由硬线逻辑或其它电路实现，包括但不限于专用电路。当然，计算机执行软件和硬线逻辑或其它电路的各种组合也可能是合适的。控制器50可以可操作地联接到燃气涡轮机12的各部件，并且被编程为接收一个或多个被测量输入信号52。被测量输入信号52，例如可以反映燃气涡轮机12的操作参数，包括但不限于压缩器入口压力或流量54、压缩器排出压力、温度或抽取流量56、发电机功率输出或损失58、和/或燃料流率或组成60。在特定实施例中，被测量的输入信号52可以反映被测量的环境温度、或湿度62、和/或被测量的蒸汽涡轮机温度64。燃气涡轮机12的热力学表示模型可以存在于控制器50中。可以调整该模型以增强该模型精确地预测、预报或计算被测量输入信号52的能力，而不管当前的操作或环境条件。以该方式，该模型也可以提供通常对未被测量的燃气涡轮机12的其它操作参数的估计，例如废气38的能量、温度和/或流率。如先前所述，废气38的能量、温度和/或流率可以用作燃气涡轮机12的边界条件，该边界条件又防止蒸汽涡轮机34超过任何边界条件。控制器50处理被测量输入信号52以基于热力学模型、和/或离散情况生成合适的输出。在特定实施例中，控制器50可以使用例如在共同转让的美国专利公布2007/0055392或2009/0292436中所述的模型预测控制(MPC)算法，每个上述专利(申请)的全部内容为了所有目的完全被合并于本说明书中。备选地，控制器50可以包含在共同转让的美国专利7，742，904中有更完整描述的热力学算法，上述专利的全部内容为了所有目的完全被合并于本说明书中。本领域的普通技术人员将真正地领会本发明的实施例不限于任何特定的热力学模型、算法或程序，并且控制器50可以使用能够使该系统如本说明书中所述工作的任何算法和/或程序。控制器50也被编程为将一个或多个控制信号传输到合适的系统部件以保证不超过燃气涡轮机12和因此蒸汽涡轮机34的边界条件。例如，如图1中所示，控制器50可以传输入口引导叶片信号70以调节压缩器流率54、和/或压缩器排出压力56。备选地或附加地，控制器50可以传输燃料信号72以改变流动到燃烧器18中的燃料的量。在任一情况下，控制信号调节燃气涡轮机12的操作以实现废气38的期望能量、温度和/或流率，这将导致蒸汽涡轮机34的更方便、而且安全的加热。用于加热蒸汽涡轮机34的方法或过程通过控制废气38的能量、温度和/或流率来管理蒸汽涡轮机34的加热率。在特定实施例中，允许的加热率、和/或加热的持续时间至少部分地取决于蒸汽涡轮机34和/或转子42的初始温度。例如，图2提供了具有小于大约600-700° F的初始温度的蒸汽涡轮机34的冷启动的示例性温度_流量图，而图3提供了具有大于大约700° F的初始温度的蒸汽涡轮机34的热启动的示例性温度-流量图。在任一情况下，控制器50可以基于被测量的蒸汽涡轮机温度62选择合适的加热率和温度分布。本领域的普通技术人员将容易领会，图2和3中所示的温度-流量分布可以基于特定蒸汽涡轮机34、和/或蒸汽涡轮机34的离散初始温度条件的数量而变化，本发明不限于任何特定的温度-流量分布、或初始蒸汽涡轮机温度，除非在权利要求中具体地叙述。一般而言，用于加热蒸汽涡轮机34的方法需要远低于用于正常或无限制操作的蒸汽涡轮机操作温度的参考蒸汽温度。另外，在更高蒸汽温度下继续加热过程之前，与蒸汽涡轮机34关联的过程控制可能需要特定蒸汽流率、或蒸汽涡轮机34的功率输出作为允许条件。参考蒸汽温度、蒸汽流率和蒸汽涡轮机34的功率输出全部与废气38的能量、温度和/或流率直接相关。因此，系统可以通过控制废气38的能量、温度和/或流率来控制参考蒸汽温度、蒸汽流率和蒸汽涡轮机34的功率输出。如图2中所示的加热分布中所示，该过程大体上开始于燃气涡轮机12在全速、无负荷条件下操作，如参考数字80所示。蒸汽涡轮机34的加热可以开始于由参考数字82指示的加热请求(warm-up request)。加热请求可以是手动的或自动的。例如，操作者可以手动地产生请求，或控制器50可以基于被测量的蒸汽涡轮机温度62自动地生成请求。一旦接收该请求，控制器50可以基于初始蒸汽涡轮机温度62生成期望废气温度，并且比较此期望废气温度和由热力学模型计算得的实际废气温度。如果期望废气温度不匹配实际废气温度，则控制器50可以生成入口引导叶片信号70，以重定位入口引导叶片17直到实际废气温度等于期望废气温度，由参考数字84表示。一旦实际废气温度等于期望废气温度，控制器50可以生成期望废气流率，并且比较期望废气流率和由热力学模型计算的实际废气流率。如果期望废气流率不等于实际废气流率，则控制器50可以生成燃料信号72以调节至燃烧器18的燃料流量，直到实际废气流率等于期望废气流率，如参考数字86所示。—旦控制器50已使期望废气温度和流率与实际废气温度和流率匹配，控制器50可以调节入口引导叶片17和/或燃料流量，以保持废气温度和流率恒定持续一段指定时间。在由参考点88表示的指定时间之后，控制器生成入口引导叶片和燃料信号70、72，所述信号在逐渐增加废气温度、并且减小废气流率以加热蒸汽涡轮机34的同时为保持恒定的废气能量所需的。在参考点90，入口引导叶片17处于最小位置，并且蒸汽涡轮机34完全被加热、并且准备好进行无限制操作。图2中所示的温度-流量分布因此表示实现蒸汽涡轮机34的合适冷加热的废气温度和流率的期望组合。当废气温度和流率以及蒸汽温度和流率在加热期间变化时，燃气涡轮机12和蒸汽涡轮机34可以限制加热率。例如，在参考点88和90之间的废气温度的增加可以由燃烧器18的额定值(ratings)和/或排放限制来限制。另外，蒸汽涡轮机34的加热过程的多个操作路径为控制策略增加了附加的要求复杂性。所以，从初始加热状态返回正常负荷路径的特定路径(在参考点88至90之间)可能是所期望的，该特定路径具有关于该操作路径的最小变化。如图3中所示，相比于图2中所示的冷启动分布，蒸汽发生器34的热启动允许更高的废气温度和更低的废气流率。具体地，可以预料燃气涡轮机12的负荷将沿着正常操作路径，其中用于蒸汽涡轮机34加热的足够条件在很大程度上由处于最小废气流率下的废气温度驱动。然而本领域的普通技术人员将容易领会，用于热启动的特定温度-流量分布可以根据特定操作和环境条件而变化。本说明书中所述的各系统和方法提供胜过现有技术的若干优点。例如，本说明书中所述的算法和方法可以调整以适合于有助于正常操作的燃气涡轮机12和热回收系统14中的变化。另外，本说明书中所述的系统和方法可以减小与加热蒸汽涡轮机34关联的时间量、热应力、燃料消耗和/或非期望排放，并且这些优点中的一个或多个也可以产生蒸汽涡轮机34和转子42的增加寿命和/或减少维护。本说明书使用例子来公开包括最佳模式的本发明，并且也使本领域的任何技术人员能够实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统并且执行任何包含的方法。本发明的专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域的技术人员想到的其它例子。这样的其它例子旨在属于权利要求的范围内，只要它们具有与权利要求的文字语言没有区别的结构元件，或者只要它们包括与权利要求的文字语言无实质区别的等效结构元件。
权利要求
1.一种用于加热蒸汽涡轮机的系统，所述系统包括: a.燃气涡轮机； b.可操作地连接到所述燃气涡轮机的控制器，其中所述控制器被编程为接收多个被测量输入信号、并且控制所述燃气涡轮机以产生具有期望能量的废气；并且 c.其中第一被测量输入信号反映所述燃气涡轮机的被测量操作参数，并且第二被测量输入信号反映所述蒸汽涡轮机的操作参数。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述燃气涡轮机的被测量操作参数包括压缩器入口压力、压缩器入口流量、压缩器排出压力、压缩器排出温度、压缩器抽取流量、发电机的功率输出、来自发电机的功率损失、燃料流率、或燃料组成中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述被测量输入信号中的至少一种反映被测量环境温度或被测量环境湿度。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述被测量输入信号中的至少一种反映所述蒸汽涡轮机被测量的温度。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器被编程为控制所述燃气涡轮机以产生具有期望温度或期望流率中的至少一种的废气。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器被编程为控制入口引导叶片在所述燃气涡轮机中的位置、至所述燃气涡轮机的燃料流率、通过压缩器的流率、或压缩器排出压力中的至少一种。
7.一种用于加热蒸汽涡轮机的方法，所述方法包括: a.将一个或多个被测量输入信号发送到控制器，其中第一被测量输入信号反映燃气涡轮机的被测量操作参数，并且第二被测量输入信号反映所述蒸汽涡轮机的操作参数； b.基于所述多个被测量输入信号控制所述燃气涡轮机；以及 c.产生来自所述燃气涡轮机的废气，其中所述废气具有期望能量。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述将至少一个或多个被测量输入信号发送到控制器的步骤包括:将被测量环境温度信号或被测量环境湿度信号中的至少一种发送到所述燃气涡轮机。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述将至少一个或多个被测量输入信号发送到控制器的步骤包括:发送被测量蒸汽涡轮机温度信号中的至少一种。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括:控制所述燃气涡轮机以产生具有期望温度或期望流率中的至少一种的废气。
11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括:控制入口引导叶片在所述燃气涡轮机中的位置、至所述燃气涡轮机的燃料流率、通过压缩器的流率、或压缩器排出压力中的至少一种。
全文摘要
本发明提供一种用于加热蒸汽涡轮机的系统和方法，其包括燃气涡轮机和可操作地连接到燃气涡轮机的控制器。控制器被编程为接收多个被测量输入信号并且控制燃气涡轮机以产生具有期望能量的废气。第一被测量输入信号反映燃气涡轮机的被测量操作参数，并且第二被测量输入信号反映蒸汽涡轮机的操作参数。本发明所述方法包括将多个被测量输入信号发送到控制器，其中第一被测量输入信号反映燃气涡轮机的被测量操作参数，并且第二被测量输入信号反映蒸汽涡轮机的操作参数。该方法还包括基于多个被测量输入信号控制燃气涡轮机，并且产生来自燃气涡轮机的废气，其中废气具有期望能量。
文档编号F01D25/10GK103161521SQ20121054414
公开日2013年6月19日 申请日期2012年12月14日 优先权日2011年12月14日
发明者H.L.小乔丹, J.E.肖尔斯, 林宗伯 申请人:通用电气公司