运行联合循环功率装置的方法和执行该方法的装置与流程

本发明涉及联合循环功率装置的技术。其涉及用于运行联合循环功率装置的方法，该装置具有影响入口温度式空气入口系统，该系统具有用于调节入口质量流量的可变入口导叶。本发明进一步涉及用于与这种方法一起使用的联合循环功率装置。

背景技术：
在部分负载下，燃气涡轮(GT)的涡轮出口或排气温度(TAT)急剧降低(参见例如文献EP07184702A2)。以联合循环的方式(通过HRSG)联接到燃气涡轮上的水/蒸汽循环无法在低温下有效地运行。特别地，瞬时冷却对相应的蒸汽涡轮造成的寿命消耗较高。对于进行顺序(sequential)燃烧的燃气涡轮，特殊的低负载运行概念(LLOC)提供这样的可能性，即，整个联合循环装置保持运行，并且在功率需求低和/功率收费低的时间期间，在符合排放的情况下，联合循环装置在非常低的负载(<25%)下连接到电网上，燃气涡轮的第一燃烧器以稀薄运行的方式运行，而非关闭它，这具有所有相关优点。低负载运行概念•在电网需求低的期间时，例如在夜晚或周末期间时，避免频繁的功率装置启动-停止-循环。避免启动-停止循环使主要装置装备的应力积聚和寿命消耗降低，甚至是对于未安装寿命计数器的装备(热回收蒸汽发生器HRSG、管道系统等)；以及•使装置保持以非常低的负载运行，从而允许非常快速地响应急剧的功率需求以及/或者提高的点火差价(电价和燃料价格之间的毛利)。低负载运行概念利用了，使顺序(第二)燃烧器减速到低的部分负载，同时较高地燃烧第一燃烧器。低负载运行概念参数由GT运行参数确定，例如压缩机可变入口导叶(VIGV)设置和燃烧温度。但是，已知的LLOC仍然可导致排气温度降低，而且典型地仍然具有一些缺点：•对低负载运行的准备时间长，从而限制运行柔性，因为蒸汽涡轮(ST)必须逐渐冷却到足够低的温度；•对蒸汽涡轮的等效运行时间(EOH)有影响，因为蒸汽温度降低；以及•使加载到基础负载的速度受到蒸汽涡轮应力的限制。以下说明可消除这些缺陷：•无准备时间：操作者可在任何需要的时间启动LLOC模式；•对蒸汽涡轮没有EOH影响，因为蒸汽温度降低得较少；•快速加载/卸载。例如从EP2180165A2中得知使用压缩机出口气体再循环以及使用空气调节系统来控制燃气涡轮的入口温度，以实现防冰操作。另一份文献(JP4684968B2)公开一种高水分燃气涡轮装置和相应的控制方法，该装置在非额定负载运行中在输出和效率方面极好。高水分燃气涡轮装置包括：涡轮；压缩机；用于对压缩空气增湿的增湿塔；用于用排气来加热被增湿空气的再生性热交换器；燃烧器，其以受加热的空气和燃料运行，以便产生燃烧气体；控制燃烧空气的流率的压缩机入口导叶；压缩机出口压力检测器；排气温度检测器；供水量检测器，其检测供应到增湿塔的量；以及控制装置，其根据压缩机出口压力检测器检测到的输出压力和供水量检测器检测到的供水量来计算排气温度的设定值，使得通过使用用压缩机的出口压力限定在部分负载运行中的排气温度的设定值的函数，调节压缩机入口导叶的开度，以使排气温度接近计算设定值。

技术实现要素：
本公开的目标是提供一种用于运行联合循环功率装置CCPP的方法。本公开的另一个目标是提供一种用于与根据本发明的方法一起使用的CCPP。本公开的一方面是要提出一种用于运行联合循环功率装置的方法，该方法允许以低的部分负载运行。提出该方法来用于一种联合循环功率装置，该装置包括燃气涡轮，燃气涡轮具有：影响入口温度式空气入口系统，其用于调节入口空气的温度；在影响入口温度式空气入口系统下游的压缩机，其用于提高空气的压力，并且配备有用于调节入口质量流量的可变入口导叶；在压缩机下游的至少一个燃烧器，其用于燃烧燃料与来自压缩机的压缩空气；以及在燃烧器下游的至少一个涡轮，其用于使热的燃烧气体膨胀，从而产生机械功率。联合循环功率装置进一步包括：在燃气涡轮下游的HRSG，其用于产生流通蒸汽；蒸汽涡轮，其用于使流通蒸汽膨胀，从而产生机械功率；以及控制系统。根据提出的方法，在闭环控制方案中产生指示流通蒸汽温度的控制变量，并且根据该控制变量来控制影响入口温度式空气入口系统和/或可变入口导叶，使得流通蒸汽温度保持在期望目标蒸汽温度处或在期望目标蒸汽温度之上。根据公开的方法的实施例，直接测量流通蒸汽温度，并且测量的温度用作控制变量。根据方法的另一个实施例，涡轮出口温度用作指示流通蒸汽温度的变量，而涡轮出口温度用作控制变量。根据此方法的另一个实施例，直接测量涡轮出口温度。根据方法的另一个实施例，根据在线热平衡计算来计算涡轮出口温度，并且将该涡轮出口温度用作指示流通蒸汽温度的变量。根据方法的另一个实施例，测量燃气涡轮的出口处的排放，尤其是NOx，并且将该排放用作控制变量。根据方法的又一个实施例，在燃气涡轮的其它部分处，尤其在测量涡轮的最后一级导叶处测量温度，并且将这个测量的温度用作控制变量。根据方法的另一个实施例，入口空气在影响入口温度式空气入口系统中被加热，直到流通蒸汽温度在目标蒸汽温度处或在目标蒸汽温度之上为止。为了执行这个方法，影响空气入口温度式空气入口系统设计成加热入口空气。特别地，来自压缩机的后级的压缩空气用来加热影响空气入口温度式空气入口系统中的入口空气。后级是第一压缩机级的下游的任一级。通常，压缩机的第二半部的级被称为后级。更特别地，压缩机最后两级或三级可被称为后级。根据方法的另一个实施例，烟道气的一部分被再循环，并且被混合到影响入口温度式空气入口系统中的入口空气，以加热入口空气。对于烟道气再循环，联合循环功率装置典型地还包括：布置在HRSG下游的烟道气分流器，其将烟道气分成抛弃到环境或进一步处理的烟道气流和供再循环的一个烟道气流；用以控制再循环烟道气质量流量的控制装置；以及再冷却器，其用以在再循环烟道气在影响空气入口温度式空气入口系统中与新鲜的环境空气混合之前，控制再循环烟道气的温度。在方法的又一个实施例中，减小燃气涡轮的冷却空气质量流量，以提高涡轮出口温度，并且从而提高流通蒸汽温度。备选地或以组合的方式，提高冷却空气冷却器的再冷却温度，以提高流通蒸汽温度。根据方法的另一个实施例，影响入口温度式入口系统设计成冷却入口空气。冷却入口温度可扩大在高的环境温度下的运行能力。另外，取决于设计和运行状况，冷的或暖的联合循环功率装置的加载必须在所谓的停顿点处停止，在停顿点处，燃气涡轮运行一定时间，直到涡轮的关键构件达到阈值温度值为止。在达到这些阈值之后，燃气涡轮可进一步加载。通过冷却入口温度，可提高阈值下的燃气涡轮功率。由于用入口冷却得到的较低的蒸汽温度，在阈值处无延迟地持续加载甚至也是可行的。在达到目标负载或基础负载之后，蒸汽涡轮逐渐升温，并且随着时间的推移减少入口冷却是可行的，直到最终可完全关闭入口冷却。根据方法的另一个实施例，影响入口温度式空气入口系统包括用于入口空气的空气调节系统。根据方法的另一个实施例，把水喷射到影响的入口温度空气入口系统中。对于这个方法，影响入口温度式入口系统包括喷水系统。根据方法的另外的另一个实施例，燃气涡轮以顺序燃烧的方式运行，并且包括两个燃烧器和两个涡轮。特别地，在运行期间，当入口空气温度在影响入口温度式入口系统中提高时，第二燃烧器不运行。除了该方法之外，设计成执行该方法的联合循环功率装置也是本公开的目标。公开的联合循环功率装置包括燃气涡轮，燃气涡轮具有：影响入口温度式空气入口系统，其用于调节入口空气的温度；在影响入口温度式空气入口系统下游的压缩机，其用于提高空气的压力，并且配备有用于调节入口质量流量的可变入口导叶；在压缩机下游的至少一个燃烧器，其用于燃烧燃料与来自压缩机的压缩空气；以及在燃烧器下游的至少一个涡轮，其用于使热的燃烧气体膨胀，从而产生机械功率。联合循环功率装置进一步包括：在燃气涡轮下游的HRSG，其用于产生流通蒸汽；蒸汽涡轮，其用于使流通蒸汽膨胀，从而产生机械功率；以及控制系统。控制系统的特征在于其包括闭环控制方案，闭环控制方案构造成产生指示流通蒸汽温度的控制变量，以及根据该控制变量来控制影响入口温度式空气入口系统和/或可变入口导叶，使得在联合循环功率装置的运行期间，流通蒸汽温度保持在期望目标蒸汽温度处或在期望目标蒸汽温度之上。为了将流通蒸汽温度保持在目标蒸汽温度处或在目标蒸汽温度之上，关闭VIGV，其中，VIGV的关闭度是相对于目标温度的偏差的函数。另外，为了提高蒸汽温度，入口温度式空气入口系统可提高入口温度，而为了降低蒸汽温度，影响入口温度式空气入口系统可降低入口温度。装置的控制器具有连接到所述影响入口温度式空气入口系统上的第一输出，以及连接到所述可变入口导叶上的第二输出。根据公开的燃气涡轮的实施例，控制变量产生器件包括温度传感器，其尤其用于直接测量涡轮出口温度。根据公开的燃气涡轮的另一个实施例，影响温度式空气入口系统设计成加热入口空气。特别地，来自压缩机的后级的压缩空气通过控制阀而馈送回影响入口温度式空气入口系统中，控制阀连接到控制器上。根据公开的燃气涡轮的另一个实施例，影响入口温度式空气入口系统设计成冷却入口空气。根据公开的燃气涡轮的另一个实施例，影响入口温度式空气入口系统设计成把水喷射到入口空气流中。根据公开的燃气涡轮的又一个实施例，影响入口温度式空气入口系统包括用于入口空气的空气调节系统，空气调节系统连接到控制器上。根据公开的燃气涡轮的另一个实施例，燃气涡轮设计成用于进行顺序燃烧，并且包括两个燃烧器和两个涡轮。附图说明根据优选的但非排它性的实施例，以及参照附图，另外的特性和优点将更显而易见。图1显示根据实施例的、具有燃气涡轮的联合循环功率装置(CCPP)的示意图，燃气涡轮具有受控制的影响入口温度式空气入口系统，其用于加热入口空气；图2类似于图1显示根据另一个实施例的、具有燃气涡轮的联合循环功率装置(CCPP)的示意图，燃气涡轮具有受控制的影响入口温度式空气入口系统，其用于加热空气—调节入口空气；图3类似于图1和2显示根据另一个实施例的、具有燃气涡轮的联合循环功率装置(CCPP)的示意图，燃气涡轮具有受控制的影响入口温度式空气入口系统，其用于把水喷射到入口空气中，以进行雾化或高度雾化；以及图4类似于图1至3显示根据另一个实施例的具有燃气涡轮的联合循环功率装置(CCPP)的示意图，其中，烟道气再循环到入口空气中，以加热空气—调节入口空气；以及图5显示关于公开的方法和燃气涡轮的控制作用的示例性示意图。部件列表10a-c功率装置11燃气涡轮12空气12a-d影响入口温度式空气入口系统13可变入口导叶(VIGV)14压缩机15，15’燃烧器16，16’涡轮17水/蒸汽循环18热回收蒸汽发生器(HRSG)19蒸汽涡轮20冷凝器21给水泵22控制器23断流阀24控制阀25孔口26消音器27空气调节系统28水29控制阀30温度传感器31温度传感器输入32再循环烟道气再冷器33吹送器34再循环烟道气35排气36烟道气分流器37再循环流控制阀38蒸汽温度传感器Tsteam流通蒸汽温度Tsteam,t目标流通蒸汽温度。具体实施方式根据本公开，联合循环功率装置具有闭环控制控制器，闭环控制控制器调节空气入口冷却量或空气入口加热量，或者调整入口导叶角度，使得流通蒸汽温度或检测到的涡轮出口温度保持为期望设定值。在实施例中，涡轮排气扩散器中的排气温度传感器感测排气温度。在闭环控制方案中使用燃气涡轮入口装置(诸如冷却器、空气预热器和/或防冰系统)和入口导叶角度促动器，以便使检测到的排气温度保持为期望设定值。在燃气涡轮装置或联合循环功率装置CCPP中可使用公开的方法优点：在燃气涡轮运行期间，可将燃气涡轮的排气温度调整为期望值。因此，燃气涡轮的排气能量可保持为使得CCPP或联产装置的底层循环可在不由于运行状况的瞬时变化而过度消耗寿命的情况下持续运行的水平。优选地，燃气涡轮可在设计(或接近设计)条件下持续运行。图1显示根据实施例的、具有燃气涡轮11的联合循环功率装置(CCPP)10a的示意图，燃气涡轮11具有受控制的影响入口温度式空气入口系统12a，其用于加热入口空气。燃气涡轮11包括：影响入口温度式空气入口系统12a，它在其入口处接收空气12；具有可变入口导叶(VIGV)13的压缩机14；(第一)燃烧器15；(第一)涡轮16；以及水/蒸汽循环17，其具有热回收蒸汽发生器(HRSG)18、蒸汽涡轮19、冷凝器20和给水泵21。涡轮16的排气经过热回收蒸汽发生器，以便产生对水/蒸汽循环17必要的蒸汽。在这个实施例中，借助于涡轮16的出口处的温度传感器30，直接测量排气温度。另外，用蒸汽温度传感器38测量流通蒸汽的温度。测量的TAT和/或流通蒸汽温度值用作用于控制器22的输入变量，控制器22控制影响入口温度式空气入口系统12a和/或可变入口导叶13的运行。影响入口温度式空气入口系统12a接收在压缩机14的后级处抽出的热的压缩空气。这个热的压缩空气通过断流阀23、控制阀24、孔口25和消音器26而馈送到影响入口温度式空气入口系统12a中。控制阀24连接到控制器22的控制输出上。如图1(以及图2、3和4)中以虚线显示的那样，燃气涡轮11可具有带有第二燃烧器15’和第二涡轮16’的顺序燃烧，后面是水蒸汽循环。图2显示具有不同的影响入口温度式空气入口系统12b的另一个实施例，该系统12b包括空气调节系统27，空气调节系统27用于在入口空气12进入压缩机14之前，影响入口空气的温度。在这种情况下，可变入口导叶13和空气调节系统27由控制器22控制。可提供空气调节系统27需要的热，或者可使用空气调节系统27释放的热。例如，装置的水蒸汽循环可提供热源或热沉。例如释放的热的可用来预热水。低级热可用作热源。图3显示具有不同的影响入口温度式空气入口系统12c的另一个实施例，该系统12c包括用于把水28喷射到入口空气中的器件。借助于控制阀29来控制喷射的水量，控制阀29连接到控制器22的控制输出上。但是，用于喷水的其它控制器件是可行的。可借助于雾化或高度雾化系统来喷水，例如包括高压泵和喷嘴的系统。备选地，影响入口温度式空气入口系统可包括激冷系统或蒸发式冷却器系统。图4显示具有不同的影响入口温度式空气入口系统12d的另一个实施例，该系统12d包括用于将再循环烟道气34引入到入口空气中以加热空气—调节入口空气的器件。再循环烟道气在烟道气分流器36中从离开HRSG18的烟道气流分支出来。再循环烟道气34的质量流量由节气闸或再循环流控制阀37调节。为了补偿再循环系统的压力损耗，吹送器或可变速度吹送器33可布置在烟道气管道中。在这个示例中，再循环烟道气可在烟道气再冷器33中再冷却，以避免入口空气中有大的温度不均一性。备选地，影响入口温度式空气入口系统可包括具有外部热源的空气预热器系统，而非使空气从压缩机出口再循环到压缩机入口。大体上，闭环控制使用排气温度(TAT)作为控制系统的输入，并且在优化排气温度的情况下控制燃气涡轮运行。通过控制以下参数中的至少一个来进行控制：•可变入口导叶VIGV的位置；•通过调整控制阀24的位置控制入口放气质量流量；•调整控制阀29的位置，控制阀29调整冷却空气入口的水28的质量流量；•调整控制阀的位置，控制阀调整流喷射到燃烧器15、15’(在图1-4中未显示)中的燃料质量。不是直接测量TAT或流通蒸汽温度(用温度传感器30或38)，控制系统输入也可为根据在线热平衡计算而计算出的TAT。备选地，如果无法获得或使用直接的TAT测量，则可使用其它间接的输入变量：•在燃气涡轮出口处的排放(例如NOx)，或者•别处的温度测量(温度传感器输入31图1-4)，例如在涡轮的最后一级导叶上，该导叶通常不被冷却。除了测量排气温度TAT之外，可测量压缩机入口和出口温度。另外的关注的参数与环境状况(环境温度、环境压力、环境湿度)有关。其它参数为入口压降、雾化和高度雾化系统所喷射的水质量流量、在蒸发式冷却器中循环的水质量流量、燃烧器15、15’中喷射的水/蒸汽质量流量。示例：已经针对包括GT26型燃气涡轮的功率装置来介绍了在低负载运行期间运行的根据图1的空气再循环系统(也称为防冰)。为了达到高得足以使CCPP在低负载需求期间保持运行且没有惩罚(例如蒸汽涡轮寿命惩罚)的涡轮排气温度，防冰系统接通，并且在闭环控制中运行。图5显示在低负载运行期间(如果系统在运行)的预期涡轮排气温度TAT和空气再循环质量流量ARMF作为环境温度Tamb的函数。当环境温度Tamb降到某个水平之下(例如22℃)时，通过开始和提高空气再循环质量流量ARMF，来停止涡轮排气温度TAT的对应的降低。该概念还包括调整VIGV位置，以便优化排气温度。在CCPP中，目标是控制流通蒸汽温度Tsteam。可直接测量这个温度，或者可通过TAT来控制这个温度。针对燃气涡轮负载来设定目标温度Tsteam,t，并且借助于可变入口导叶VIGV以及对压缩机入口状况的调节来控制蒸汽温度Tsteam。调节包括下者中的至少一个：•控制入口温度；•借助于防冰系统进行预热，即，使压缩机出口空气或抽出的空气再循环(参见EP2180165)；•通过使排气再循环来进行预热(参见US2008/0309087)；•借助于另一个热源来进行预热，例如来自水/蒸汽循环的蒸汽等；•冷却；•控制入口气体组成；•水喷射或加湿。在低的部分负载下，可减少冷却空气，从而提高TAT和Tsteam。典型地，对于大多数运行状况，控制将局限于预热。例如在冷装置的加载期间，或者在环境温度非常高的某些极端情况下，冷却可为必要的。流通蒸汽温度Tsteam,t的目标值可为负载的确切函数。但是，蒸汽，Tsteam,t还可取决于蒸汽涡轮的转子或定子温度。当转子或定子尚未完全变暖时，Tsteam,t可较低。随着转子和定子变暖，Tsteam,t随时间改变。在实施例中，燃气涡轮控制将燃气涡轮保持在正好可保持Tsteam,t的最小负载处。