用于压缩机保护的可变抽取的方法和系统的制作方法

专利名称：用于压缩机保护的可变抽取的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及用于保护燃气涡轮发动机中的压缩机的方法。更具体地但并不作为限制地涉及通过改变从压缩机抽取而供应给工厂供生产工艺过程使用的压缩空气量从而保护作为一个整体的气化组合循环的动力产生系统的一部分的燃气涡轮发动机中的压缩机的方法。
背景技术：
在当前的集成气化组合循环(“IGCC”)动力产生系统中，使用空气分离装置以便将氧气供应到气化器，气化器然后产生部分燃烧的气体，供在燃气涡轮机中用作燃料。通常从主空气压缩机和/或通过从燃气涡轮压缩机的排气中抽取这两者而将压缩空气供应到该空气分离装置。目前，从燃气涡轮压缩机抽取的压缩空气量近似地是压缩机气流的一个固定的百分率，并仅仅根据空气分离装置的外部需求而定。
在这样的系统中，燃气涡轮机的操作目的是满足所要的负荷程度而同时使效率最高。这包括允许燃气涡轮机装置在变化的环境条件下以所要的最高负荷程度操作而不超过该最高负荷程度，同时还考虑涡轮机的操作边界条件。操作边界条件例如包括在涡轮机或燃烧器部件中的最高可允许温度。超过这些温度可能导致损伤涡轮机部件或使增高排放值。另一操作边界条件包括最大的压缩机压力比或压缩机储备。超过该限度可能导致该装置喘振或失速，这可能导致压缩机广泛的损害。其次，该涡轮机可以有一最大马赫数，后者指当气体流出涡轮机时燃烧气体的最高流动速率。
因此，控制燃气涡轮机的操作以提高效率而同时满足操作限制或要求是工业界的重要目标。涡轮机操作人员使用若干已知的方法来控制或限制涡轮机的负荷而同时满足操作的边界条件。这些已知的方法包括入口放热、压缩机设置入口引导叶片和/或涡轮机燃料供应。
入口放热使涡轮机操作人员能够泄放涡轮压缩机的排放空气和将泄放的空气再循环返回到压缩机入口中。因为压缩机气流的一部分再循环到入口中，所以该法减少了通过压缩机而通过涡轮机膨胀的气流量，这减少了涡轮机的输出量。这种燃气涡轮机负荷控制的方法也可能由于使较冷的环境空气与热的压缩机排放空气的泄放部分混合而升高了压缩机入口空气的入口温度。这种温度升高减小了空气密度，因而减小了穿越压缩机而通到燃气涡轮机的质量流。虽然该途径可以用于使燃气涡轮机装置能够跨越变化的环境条件而在最高负荷程度下操作(同时考虑操作边界条件如最大的压缩机压力比)，但它增加了成本，因为它降低了燃气涡轮机的热效率。
关闭控制通往涡轮压缩机的空气流的入口引导叶片是减少跨越燃气涡轮机的质量流的另一普通方法，它转而可以用于控制或限制涡轮机负荷。关闭入口引导叶片可以限制空气通往压缩机的通道，因而减少进入压缩机的空气量。该途径也可以用于使燃气涡轮机装置在跨越变化的环境条件的最高程度的负荷下操作(同时考虑操作边界条件如最大的压缩机压力比或压缩机储备)，但也由于操作压缩机离开其最佳设计点而降低了燃气涡轮机的热效率。
最后，可以通过减小通往燃烧器的燃料流来控制或限制涡轮机负荷。这将降低涡轮机的燃烧温度和减少燃气涡轮发动机的输出。在下降的环境温度的情况下，这样一种措施可以使涡轮机能够保持一个最高程度的负荷(同时考虑操作边界条件如最大的压缩机压力比或压缩机储备)。但是，如该技术中已知的，燃烧温度的降低会降低燃气涡轮发动机的效率。
这些已知的控制涡轮机操作的方法不利地影响燃气涡轮发动机的效率。其次，这些控制方法中没有一个有利于作为IGCC动力产生系统的一部分的特定部件而使该系统能更有效地操作。因此，需要一种用于保护作为一个集成的气化组合循环动力产生系统的一部分的燃气涡轮发动机中的压缩机的更有效的方法。
发明概要因此本发明描述一种保护作为一个包括一空气分离装置的集成的气化组合循环动力产生系统的一部分的燃气涡轮发动机的涡轮压缩机的方法，该方法包括下列步骤(1)抽取由涡轮压缩机压缩的压缩空气的一个量；(2)将该抽取的压缩空气量供应到该空气分离装置；以及(3)根据一个所要的跨越该涡轮压缩机的压缩机压力比来改变从涡轮压缩机抽取的压缩空气量。该方法还可以包括用从主空气压缩机来的压缩空气来供应该空气分离装置的步骤。该由主空气压缩机供应到空气分离装置的压缩空气量可以根据从涡轮压缩机抽取的压缩空气量而变化。
压缩空气的组合供应可以包括由主空气压缩机供应到空气分离装置的压缩空气量和从涡轮压缩机抽取的压缩空气量。该组合的压缩空气供应可以包括满足该空气分离装置所需的压缩空气的总供应量的压缩空气的供应。
在某些实施例中，根据从涡轮压缩机抽取的压缩空气量而改变由主空气压缩机供应到空气分离装置的压缩空气量的步骤可以包括当从涡轮压缩机抽取的压缩空气量增加时减少由主空气压缩机供应到该空气分离装置的压缩空气量的步骤。由主空气压缩机供应到该空气分离装置的压缩空气所减少的量可以近似地等于从涡轮压缩机抽取的压缩空气所增加的量。根据从涡轮压缩机抽取的压缩空气量而改变由主空气压缩机供应到该空气分离装置的压缩空气量的步骤可以包括当从涡轮压缩机抽取的压缩空气量减少时增加由主空气压缩机供应到该空气分离装置的压缩空气量的步骤。由主空气压缩机供应到该空气分离装置的压缩空气所增加的量可以近似地等于从涡轮压缩机抽取的压缩空气所减少的量。
在某些实施例中，根据所要的压缩机压力比而改变从涡轮压缩机抽取的压缩空气量的步骤可以包括以下步骤(1)测量涡轮压缩机的入口和出口处的压力；(2)由涡轮压缩机的入口和出口处进行的压力测量测定真实的压缩机压力；以及(3)对该真实的压缩机压力比与所要的压缩机压力比进行比较。该所要的压缩机压力比可以是一个既不会导致涡轮压缩机发生喘振也不会侵犯所要的最小压缩机储备。
某些实施例可以包括如果测到的真实的压缩机压力比大于所要的压缩机压力比那么就增加从涡轮压缩机抽取的压缩空气量的步骤。某些实施例可以包括如果测到的真实的压缩机压力比小于所要的压缩机压力比那么就减少从涡轮压缩机抽取的压缩空气量的步骤。
因此本发明描述一种用于保护作为一个有一空气分离装置的集成的气化组合循环动力产生系统的一部分的燃气涡轮发动机的涡轮压缩机的方法。该系统可以包括一个压缩空气的涡轮压缩机、用于从涡轮压缩机抽取压缩空气的一个量的机构和用于向空气分离装置供应该抽取的压缩空气量的机构；以及用于根据跨越涡轮压缩机的所要的压缩机的压力比而改变从涡轮压缩机抽取的压缩空气量的机构。
在某些实施例中，该系统可以包括用于测定跨越涡轮压缩机的真实的压缩机压力比的机构。一个所要的跨越涡轮压缩机的压缩机压力比可以是一个既不导致涡轮压缩机发生喘振也不侵犯所要的最小压缩机储备的压缩机压力比。该用于根据一个所要的跨越涡轮压缩机的压缩机压力比而改变从涡轮压缩机抽取的压缩空气量的机构可以包括用于将跨越涡轮压缩机的真实的压缩机压力比与所要的压缩机压力比进行比较的机构和用于根据该跨越涡轮压缩机的压缩机压力比与所要的跨越涡轮压缩机的压缩机压力比的比较而改变从涡轮压缩机抽取的压缩空气量的机构。
在某些实施例中，如果测到的真实的压缩机压力比大于所要的压缩机压力比，那么可以增加从涡轮压缩机抽取的压缩空气量。在某些实施例中，如果测到的真实的压缩机压力比小于所要的压缩机压力比，那么可以减少从涡轮压缩机抽取的压缩空气量。该用于根据所要的跨越涡轮压缩机的压缩机压力比而改变从涡轮压缩机抽取的压缩空气量的机构可以包括一个比例-积分-导数控制器。
在某些实施例中，该系统可以包括一台用从主空气压缩机来的压缩空气供应该空气分离装置的主空气压缩机和用于改变由主空气压缩机供应到该空气分离装置的压缩空气量的机构。该由主空气压缩机供应到空气分离装置的压缩空气量可以根据从涡轮压缩机抽取的压缩空气量而变化。在某些实施例中，当从涡轮压缩机抽取的压缩空气量减少时，由主空气压缩机供应到该空气分离装置的压缩空气量就增加，而当从涡轮压缩机抽取的压缩空气量增加时，由主空气压缩机供应到该空气分离装置的压缩空气量就减少。
结合附图和附属的权利要求阅读下列优选实施例的详述将会清楚本发明的上述和其它特点。
附图简述

图1是一种可以与本发明的某些实施例一起使用的示范的涡轮机的示意图。
图2是一种可以与本发明的某些实施例一起使用的示范的集成的气化组合循环(“IGCC”)动力产生系统的示意图。
图3(a)、3(b)和3(c)包括若干显示从一个示范的IGCC动力产生系统来的结果的有关图线，该系统中从涡轮压缩机来的压缩空气的抽取程度是变化的，使得在改变环境条件时可以有效地保持涡轮机的最大负荷(而同时考虑操作边界条件如最大压缩机压力比或压缩机储备)。
图4(a)和4(b)包括两条图线，它们显示燃烧器106内的温度可以如何变化而使得当改变环境条件而涡轮机100在一恒定的负荷下操作时流出燃烧器的气体的温度不会超过最高的容许温度。
图5(a)和5(b)包括两条图线，它们显示入口引导叶片的位置可以如何变化而使得当改变环境条件而涡轮机100在一恒定的负荷下操作时不会超过一个最大的出口马赫数。
图6是显示一种可以用来设定涡轮机的排气温度的示范的控制过程的流程图。
图7是显示一种可以用来计算一个用于涡轮机的入口引导叶片的安置点(即入口引导叶片的方位角)的示范的控制过程的流程图。
图8是显示一种用于计算涡轮压缩机抽取设定点(即从涡轮压缩机抽取而供应到空气分离装置的压缩空气的量或百分率)的示范的控制过程的流程图。
发明详述现在参照附图，其中相同的标号表示各图中相同的部件。图1表示一种可以与本发明的某些实施例一起使用的示范的燃气涡轮发动机100的示意图。燃气涡轮发动机100可以包括一台也可称为涡轮压缩机104的压缩机、一台燃烧器106和一台串联连接的涡轮机108。涡轮压缩机104和涡轮机108可以用轴110联接，该轴也可联接涡轮机108和驱动一发电机(未示出)。在某些实施例中，燃气涡轮发动机100可以是一种可从美国通用电气公司买到的7FB型发动机，虽然此处例示和描写的燃气涡轮发动机100只是示范性质的。因此，燃气涡轮发动机100不限于图1中所示和此处描述的燃气涡轮发动机，而可以是任何类型的燃气涡轮发动机。例如(但不受限制)，在另一实施例中，燃气涡轮发动机100可以是一种有两个轴以便分别驱动发电机(未示出)和涡轮压缩机104的多轴燃气涡轮发动机。
在操作中，用箭头112指示的空气可以通过涡轮压缩机104并可以被压缩而流入燃气涡轮发动机100。然后压缩空气可以被引导到燃烧器106中，在该处压缩空气可以与燃料混合而点火。从燃烧器106出来的膨胀的热气体可以驱动转动的涡轮机108并可以通过排气扩散器114而流出燃气涡轮发动机100(如箭头113所示)。此外，在某些实施例中，从涡轮发动机100来的排放气体可以供应到热回收蒸汽发生器(未示出)，后者发生蒸汽来驱动一蒸汽涡轮机(未示出)。
图2是一种示范的集合的气化联合循环(“IGCC”)动力产生系统200，该系统可与本发明的某些实施例一起使用。但是，普通专业人员将可理解，当前的申请书不限于与IGCC动力产生系统200一起使用，它也可以与包括一台燃气涡轮发动机的其它系统一起使用。该IGCC动力产生系统200可以包括上述燃气涡轮发动机100。IGCC系统200还可以包括一台主空气压缩机202、一台流体连通在主空气压缩机202和涡轮压缩机104上的空气分离装置204、一台流体连通在空气分离装置204上的气化器206、流体连通在气化器206上的燃烧器106和涡轮机108。图2中的箭头表示流动方向。
在通常操作中，可以包括一台或多台商售压缩机的主压缩机202可以压缩环境空气(其流动用箭头207表示)。从主压缩机202来的压缩空气可以通到空气分离装置204。从涡轮压缩机104来的压缩空气可以被抽取而供给到空气分离装置204。从涡轮压缩机104来的压缩空气的抽取可以通过使该压缩空气进入一管来完成，该抽取的压缩空气进入空气分离装置204。一个阀(未示出)如蝶形阀或其它类似的阀可以装入该管而控制从涡轮压缩机104抽取的压缩空气的量。该技术的普通专业人员可以理解，可以利用其它方法和系统来抽取从涡轮压缩机104来的压缩空气的一个量，并将其送到空气分离装置204。因此，空气分离装置204可以接受从主压缩机202来的为其功能所需的压缩空气和从涡轮压缩机104抽取的压缩空气的供应。
然后空气分离装置204可以利用压缩空气的供应来按照该技术中已知的方法而发生供气化器206使用的氧气。更具体地说，空气分离装置204可以将压缩空气分离成分开的氧气流(其流动由通路208表示)和有时称作“过程气体”的气体副产品。由空气分离装置204产生的过程气体可以包括氮气并将在此处称为“氮过程气体”。该氮过程气体也可包括其它气体，如氧、氩等。在某些实施例中，该氮过程气体可以包括约95％～约100％的氮。
从空气分离装置204来的氧气流可以通到气化器206，以用于产生此处称为“合成气体”的部分燃烧的气体，以便燃气涡轮发动机100用作燃料。在某些已知的IGCC系统中，空气分离装置204的副产品氮过程气体流的至少一部分可以通向大气(其流动用通路210表示)。在某些已知的IGCC系统中，其它氮过程气体流的一部分(其流动用通路211表示)可以供应到一个氮增压压缩机208，然后输入燃烧器106，以便于控制涡轮机108的排放。
按照该技术中已知的方法，气化器206可以将一种燃料(其流动用通路212表示)、由空气分离装置204供应的氧(其流动用通路208表示)、蒸汽(其流动用通路213表示)和/或石灰石(其流动未示出)的混合物转换成合成气体的输出，以便由燃气涡轮发动机100用作燃料。虽然气化器206可以使用许多种类的燃料，但在某些已知的IGCC系统中，气化器206可以使用粉碳、石油焦、残余石油、石油乳化液、焦油砂和/或其它类似燃料。在某些已知的IGCC系统中，由气化器206产生的合成气体可以包括二氧化碳、硫或其它不希望有的污染物。由气化器206产生的合成气体(其流动用通路214表示)可以由净化装置216(也可称作酸清除系统)净化，以便在通到燃烧器106燃烧之前除去这些污染物。
从燃气涡轮发动机100来的动力输出能够驱动发电机(未示出)向电网(未示出)供电。从燃气涡轮发动机100来的排放气体可以供应给一个热回收蒸汽发生器(未示出)，使其发生蒸汽而驱动蒸汽涡轮机(未示出)。由蒸汽涡轮机产生的动力可以驱动一发电机(未示出)向电网供电。在某些已知的IGCC系统中，从热回收蒸汽发生器来的蒸汽也可以供应到气化器206，以便发生合成气体。
作为本发明实施例的一部分，从涡轮压缩机104抽取而供应到空气分离装置204的压缩空气量可以变化而成为控制IGCC动力系统200中涡轮机100的负荷和/或满足涡轮机100的可操作性限度的手段。例如，图3显示该涡轮机100的控制和操作的示范结果。图3包括若干显示燃气涡轮发动机100的示范操作的相关图线，其中从涡轮压缩机来的压缩空气的抽取程度是变化的，因此可以通过变化环境条件而有效地保持(和不超过)该发动机的最大负荷和可操作性限度。
图3(a)显示表示相对于环境温度的抽取百分率(也即从涡轮压缩机104来的被抽取的和供应到空气分离装置204的压缩空气的百分率)的示范结果。
图3(b)显示表示当抽取百分率变化时压缩机储备相对于环境温度的示范结果。压缩机储备可以反映测到的涡轮压缩机104的压力比和涡轮压缩机14可以在一给定的流动速率和速度下操作而不遇到喘振的最大压力比之间的差值。压缩机压力比可以反映涡轮压缩机104的排气处和入口处的压力之间的比值。喘振是一种在一定的压缩机压缩比之下在一给定的涡轮压缩机104的速度(即rpm)下对通过涡轮压缩机104的给定的流动速率在涡轮压缩机104中可能产生的失速状态。如上所述，喘振对涡轮压缩机104可以造成极大的损害。一条最低的压缩机操作极限线302可以反映在燃气涡轮发动机100操作期间系统操作人员允许的最小的可接受的压缩机储备(即操作偏差)。
图3c显示表示当抽取百分率变化时涡轮机输出(即负荷)相对于环境温度的示范结果。一条最高基本负荷程度线303可以反映涡轮机100的最大可允许负荷。
如图3(a)、3(b)和3(c)中所示，当环境温度降低时抽取百分率可以升高，使得涡轮机100的最高基本负荷程度和其它可操作性限度如压缩机储备不会受侵犯。注意下述图线所包含的数据只是例示的，仅指利用本申请书的系统和方法来演示通常的燃气涡轮机的操作。与这些图线有关的点、范围和数据在其它条件下可以因不同的系统而显著变化。如图3(a)中所示，在约70_(21℃)的环境温度下，抽取百分离可以提高到约7％(点306)。如图3(b)中所示，在约70_(21℃)处和在约5％的抽取百分率时压缩机的储备为约0.30(点308)。在约50_(10℃)处和在约7％的抽取百分率时压缩机的储备为约0.45(点310)。图3(c)显示，在70_(21℃)(点312)和50_(10℃)(点314)两种条件下，最高负荷程度可以通过改变环境条件而保持住(也即当温度从70_降到50_时涡轮机100的负荷保持在最高的基本负荷程度线303处)。
图3(a)、3(b)和3(c)中所示的结果改变从涡轮压缩机104抽取的压缩空气量的几个操作优点。首先，从涡轮压缩机来的压缩空气的可变的抽取可以提供一个考虑在涡轮机100操作期间有关的操作边界条件的额外的控制参数。如图3中的例子所示，环境温度从70_降到50_，仍可保持最高基本负荷程度(点312和314)，并可以保持可接受的压缩机储备(程度实际上从0.30升到0.45，见点308和310)。其次，可变的抽取可以允许涡轮机100通过改变环境条件来保持最高基本负荷程度。如该技术中已知，假定其它操作因素保持不变，环境温度的降低导致涡轮机输出的增加。因此，再采用上述图3的例子，当涡轮机100已经在最高基本负荷程度下起作用时，如果环境温度从70_降到50_，那么涡轮机操作人员为了使涡轮机100保持(和不超过)最高基本负荷程度就必须开始执行某些控制措施。如该技术中已知，这些操作措施包括放掉输入的热量(也即放掉涡轮压缩机104的排放空气和使放掉的空气再循环回到压缩机入口中)、关闭入口引导叶片和/或减少涡轮机燃料供应(也即降低涡轮机入口温度)。但是，如讨论的，这些控制措施降低燃气涡轮机100的热效率而不如提高从涡轮压缩机104的抽取百分率那么有效。图3(a)、3(b)和3(c)显示，改变抽取程度可以成功地防止燃气涡轮机100超过其最高基本负荷程度而同时通过改变环境条件来满足其可操作性限度如压缩机的储备。
其次，增大从涡轮压缩机104抽取的压缩空气的供应量可以减少从主压缩机202来的所需的压缩空气量的等效量，从而以所需的压缩空气量供应空气分离装置204。这可以导致减少主压缩机202的使用，这可以由于降低该部件的能量消耗而提高该系统的总效率。再次，减少主压缩机202的使用可以减少与此相关的维修费用。这样，与控制负荷和保持涡轮机100的可操作性限度的其它已知方法不同，改变通到空气分离装置204的压缩空气的抽取程度可以通过增加从涡轮压缩机104到空气分离装置204的压缩空气的供应而有效地利用控制措施(也即减少了主压缩机202的输出要求和降低了该部件的能量消耗)。
另一方面，如果在上述例子中涡轮压缩机104的抽取百分率保持不变(也即当环境温度降到50_时在70_的约4％程度处)，那么必须要求涡轮机100的操作人员将开始此类动作如入口放热、关闭入口引导叶片和/或减少涡轮机燃料供应，以便限制涡轮面负荷和考虑其它可操作性限制如压缩机储备。其次，将要求整个系统做到与主压缩机202的从涡轮压缩机104抽取的压缩空气量的差值在4％和7％抽取程度之间，这将进一步降低整个系统的效率。
如图3(a)、3(b)和3(c)中所示，通常，当环境温度升高时，抽取的百分率可能降低，使得涡轮机输出能保持在最高基本负荷程度线303处(也即，如果抽取的百分率不降低而其它操作因素保持不变，那么当环境温度升高时涡轮机输出将减少)。在某些点上，因为环境温度继续升高，所以涡轮机100可能不再能够满足最高基本负荷程度线303的负荷要求而同时照顾操作边界条件(如压缩机操作极限线302)，即使抽取的压缩空气的百分率进一步降低也如此。在图3中，这发生在约80_(27℃)时，虽然对于不同的系统在不同的条件下也可能发生在其它温度时。在这样一个点处，抽取百分率可以不再降低，使得最高基本负荷程度线303可以保持而最低压缩机储备线302不受侵犯。在该点后，涡轮机负荷可以通过其它手段而减小和/或继续抽取，使得系统效率在最高基本负荷程度线303下方的涡轮机输出程度处成为最高。直到该点以上，通过以一种使系统效率最高的方式改变环境条件，涡轮机输出(也即负荷)被控制在一个最高所需程度而同时照顾其它可操作性限度如压缩机储备。
图4(a)和4(b)包括两条图线，它们表示，当涡轮机100通过改变环境条件而在一恒定负荷下操作时，燃烧器106内部的温度可以如何变化而使得流出该燃烧器的气体的最高可允许温度不被超过。在这些图线中，“Tfire”表示流出燃烧器106内第一级喷嘴的气体的温度，而“T3.9”表示流出燃烧器106的气体的温度。如图所示，当环境温度降低时，Tfire可以降低，使得由最高T3.9线402表示的最高可允许的T3.9温度不被超过。起初，当环境温度从约100_(约38℃)降低到60_(16℃)时，Tfire可以保持在一个对应于最高可允许的Tfire温度的程度处，它由一条最高Tfire线404表示。同时，当环境温度从100_(38℃)降低到60_(16℃)时，T3.9温度可以升高，直到达到点406处的最高T3.9线。当环境温度的降低超过60_(16℃)°时(如上所述，仍保持一恒定负荷)，Tfire可以降低，使得最高T3.9线402不受侵犯例如，在环境温度40_(4℃)处，Tfire可以降低到低于最高Tfire线404的程度(点408)，使得T3.9温度不超过最高T3.9线402(点410)。
可变抽取(即变化供应到空气分离装置204的从涡轮压缩机104抽取的压缩空气量)可以用于保证观测到那些操作限度如最高T3.9线402和最高Tfire线404而系统效率成为最高。例如，如果将减小燃料流量作为限制涡轮机负荷程度的首要控制，那么Tfire和T3.9的温度不会最高化到其相关的限度。另一方面，由于高的系统温度和提高的系统效率之间的直接关系，变化抽取以维持Tfire/T3.9温度是更有效的。因此，在环境温度降低期间，可以加强抽取，使得可以保持最高的Tfire/T3.9温度而不超过最高的负荷程度。
图5(a)和5(b)包括两条图线，它们显示，当涡轮机100通过改变环境条件而在一恒定负荷下操作时，入口引导叶片的位置可以如何变化而使得流出涡轮机100的流体的最高速度不被超过。在该图线中，“IGV”指入口引导叶片的位置(即方位角)，而“轴向出口MN”指当流体流出涡轮机100时流体的速度，它也被称为涡轮机的马赫数。如图所示，当环境温度降低到约80_(27℃)以下时，入口引导叶片的方位角可以缩小(即入口引导叶片被进一步“关闭”)，使得用最大马赫数线502表示的最高可允许的出口流体速度不被超过。例如，从60_(16℃)到40_(4℃)，IGV方位角从约83度(见点504)减小到81度(见点506)，使得流出流体的速度保持在或低于最高马赫数线502(见点508和510)。
可变的抽取可以用于保证操作限度如最高马赫数线502被观测到，而同时能够使系统的效率变成最高而超过其它已知的控制机构如操纵入口引导叶片的位置的效率。例如，提高从涡轮压缩机104抽取的压缩空气的百分率可以减少可用来通过涡轮机104膨胀的压缩机气流的量，这转过来将降低流体流出涡轮机的速度。这样，当环境温度降低时，可以通过变化(该情况下为提高)从涡轮压缩机104抽取的程度而减少了减小通过入口引导叶片的操作而通到涡轮压缩机104的空气流量的需要。如已经讨论的，比起关闭入口引导叶片来，变化抽取而保持操作限度如流体流出涡轮机100的最高可允许速度更为有效，因为除了其它以外，抽取的空气的增加量还可以供给到空气分离装置204，使得对主空气压缩机202的需求2减少而总系统效率提高。
因此，在IGCC动力产生系统200操作期间，从涡轮压缩机104抽取而供应空气分离装置204的压缩空气量可以变化而控制涡轮机100上的负荷，并保证保持涡轮机100的操作边界条件，使得系统效率提到最高。其次，增加从涡轮压缩机104抽取的压缩空气的供应可以降低主空气压缩机202的能量消耗，从而提高IGCC系统200的总效率。这种控制涡轮机100的方法可以用多种手段完成，包括(但不限于)图6～8中表示的控制过程。
图6是表示可用于设定涡轮机100的排气温度(“Texh”)的示范的控制过程的流程图。在框602处，可以测量跨越涡轮压缩机104的压缩机压力比。在604处，该压缩机压力比的测量可用于对一种部分负荷状态(也即小于基本负荷的约96％的操作状态)计算Texh。然后计算出的部分负荷Texh可以取决于开关608的状态而向前进到“最小选择”框606。如果它确定涡轮机100正以部分负荷状态操作，那么开关608可以关闭而允许计算出的部分负荷Texh通到最小选择框606。另一方面，如果它确定涡轮机100并没有正在以部分负荷状态操作，那么开关606可以停留在打开状态，使得计算出的部分负荷Texh并不向前进到最小选择框606。
在框610处，可以根据测得的压缩机压力比602和已知的燃烧器出口温度限度612而完成另一个Texh设定点的计算，该限度612代表燃烧器106的最高可允许的出口温度。然后从框610计算的Texh可以输入到最小选择框606中。然后最小选择框606起作用而从两个点即从框604来的输入(假定开关608处于关闭位置)和框610之间选择最小Texh设定点。
一个第二最小选择即最小选择框613可以从由最小选择框606供应的输入和从框614来的输入选择最小计算和Texh设定点。在框614处，可以根据在框602处测得的压缩机压力比和已知的涡轮机入口温度最高值616(即在涡轮机入口处允许的最高温度)来进行Texh设定点的计算。可以选择进入最小选择框613的这两个输入中的最小值而结果可以成为Texh设定点618。
图7是表示一个示范的控制过程的流程图，该控制过程可以用于计算入口引导叶片的一个设定点，它可确定涡轮机100的入口引导叶片的方位角。在框702处，可以根据Texh 704的一个测得值、涡轮机排气706的压力的一个测得值和一个已知涡轮机的可允许的最大排气流动速率707。然后在框702中计算的目标涡轮机排气流动速度可以与下列一起输入框708测得的环境温度710、测得的环境空气压力712和测得的燃料流动速率714。有了这些信息，可以利用该技术中已知的方法来计算一个目标入口引导叶片的设定点。
然后可以将在框708处计算的值输入最小选择框716。最小选择框716可以下列来选择入口引导叶片的设定点值在框708处计算的入口引导叶片设定点；用该技术中已知的方法718计算的部分负荷入口引导叶片的设定点；以及一个已知的最大可允许的入口引导叶片的设定点720。然后选择在最小选择框716处确定的最小值作为入口引导叶片设定点722。
图8是表示一个示范的控制过程的流程图，该过程用于计算涡轮压缩机104的抽取设定点(即从涡轮压缩机104抽取而提供给空气分离装置204的压缩空气的量或百分率)。在框802处，可以计算测量到的涡轮机负荷804和目标涡轮机负荷806之间的差值。该涡轮机负荷可以用该技术中已知的装置和系统测量，包括精密的功率分析器、瓦一小时计或其它类似装置和系统。测到的涡轮机负荷804可通过该技术中普通专业人员已知的装置、控制器和系统与目标涡轮负荷806(和计算的差值)进行比较，这些装置、控制器和系统包括可编程序的逻辑控制器或其它类似的装置、控制器和系统。然后该计算的差值可以输入在框808处的一个比例-积分-导数(“PID”)控制器或其它类似装置中，然后可以根据该差值而计算出一个抽取设定点也即应当从涡轮压缩机104抽取的压缩空气量。然后可以将该计算的抽取设定点从框808输入最大选择框812中。该最大选择框812可以操作而从多个项目中选择最大值。
在框814处，可以根据涡轮压缩机104的当前操作测量包括环境温度输入816、压缩机压力比输入818、通过压缩机输入的流动速率820、测得的压缩机速度821等而计算一个真实的压缩机喘振的储备。在框822处，可以计算真实的压缩机储备(于框814处计算)和所要的最小压缩机储备操作限度(该操作限度先前在涉及图3(b)的段落中称为最小压缩机操作限度线302)之间的差值。该计算可以用该技术中普通专业人员已知的装置、控制器和系统来完成，包括可编程序的逻辑控制器或其它类似的装置、控制器和系统。然后可以将该计算的差值输入框824处的比例-积分-导数(“PID”)控制器或其它类似的装置，而后可以根据该差值为计算一个抽取设定点即应当从涡轮压缩机104抽取的压缩空气的量。
然后可以将从框824计算的抽取设定点输入最大选择框812。最大选择框812然后可以从框808和824的抽取设定点输入之间选择最大抽取设定点，它可以称为选定的抽取设定点826。抽取设定点826而后可以用于在涡轮压缩机104内安置阀(如蝶形阀)或其它类似装置，或者在涡轮压缩机104和空气分离装置204之间安置管道，使得能从涡轮压缩机104抽取所要的压缩空气量。然后可以如前所述地经过管道和阀将从涡轮压缩机104抽取的压缩空气供应到空气分离装置204。
如上所述地从涡轮压缩机104抽取可变量的压缩空气而后将抽取的压缩空气供应到空气分离装置204来控制涡轮机负荷的总过程，可以用该技术的普通专业人员已知的计算机化的工厂操作系统来实施和控制。这些操作系统可以包括任何合适的高功率固态开关装置。该操作系统可以是一台计算机，但是，这只是在本发明范围内的一种合适的高功率控制系统的示范。例如(但不限于)，该操作系统可以包括可控硅整流器(SCR)、闸流管、MOS控制的闸流管(MCT)和绝缘门双极晶体管中的至少一种。该操作系统也可以用单独一个专用集成电路如ASIC来实现，该集成电路有一用于总的系统程度控制的主要或中央处理器部分和在中央处理器部分的控制下的专用于进行各种不同的特定的组合、功能和其它过程的分开的部分。该技术的专业人员将会理解，该操作系统还可以用各种分开的专用的或可编程序集成电路或其它电子电路或装置如硬丝电子电路或逻辑电路来实现，这些电路包括分立元件电路或可编程序逻辑电路如PLD、PAL、PLA等。该操作系统还可以用一台合适地编制程序的通用计算机如微处理器或微控制器或其它处理装置如CPU或MPU(或单独地，或与一种或多种外围数据和信号处理装置联用)来实现。通常，其上有一能实施逻辑流程图200的有限状态的机器的任何装置或类似装置均可用作操作系统。如图所示，一种配电处理构造可以优选地用来实现最大的数据/信号处理能力和速度。该技术的专业人员将会理解，该操作系统还可以控制IGCC动力产生系统200的阀和其它机械系统的操作(即打开、关闭或其它调置)和接受从中转可能与系统的控制有关的涉及系统性能(即当前压缩机压力比、流动速率、速度等的测量)的信息的传感器来的输入。
一般说来，从涡轮压缩机104抽取的压缩空气的量可以变化，使得能满足操作边界条件如压缩机储备的要求和使系统效率最大化。压缩机储备可以反映涡轮压缩机104的测到的压力比和涡轮压缩机104可以在给定的流动速率和速度下操作而没有喘振的最大压力比之间的差值。变化从涡轮压缩机104的抽取可以影响涡轮压缩机104的排气的压力并从而影响压缩机的压力比。也就是，增加抽取可以减小涡轮压缩机104的排气的压力，这可以减小压缩机的压力比，而减少抽取可以增大涡轮压缩机104的排气的压力，这可以增大压缩机的压力比。因此，可以根据当前测量的压缩机压力比、流动速率和速度而改变抽取，使得涡轮压缩机104高效地操作，但不会超过或者(1)可能导致一次喘振事故和或者(2)形成一个侵犯最低压缩机操作极限线302的压力比。其次，如果增加从涡轮压缩机104抽取的压缩空气的量，那么就可以减少由空气压缩机202提供的近似地相等的压缩空气供应量(因此，由空气分离装置接受的联合供应量保持近似相等)。另一方面，如果减少从涡轮压缩机104抽取的压缩空气的量，那么就可以增加由主空气压缩机202提供的近似地相等的压缩空气供应量。
该技术的普通专业人员将会理解，压缩机压力比的测定可以由涡轮压缩机104的入口和出口的压力测量来确定，这些测量可以用置于涡轮压缩机104的入口和出口处的商售压力表、换能器或类似装置来进行。通过涡轮压缩机104的流动速率的测量可以通过测量跨越压缩机测流喷嘴的压力降来进行，包括利用压缩机入口流量探针或其它类似的方法或装置。涡轮压缩机104的速度(即rpm)的测量可以用磁性速度传感器、键相量探针或其它类似装置来进行。该技术的普通专业人员将会理解，可以根据对商售的燃气涡轮发动机获得的真实测试结果和/或根据涡轮机特性与给定的流动速率和速度的计算来预测相关的压缩机压力比(即反映(1)产生喘振的压缩机压力比或(2)形成侵犯最低压缩机操作极限线302的压缩机储备的压缩机压力比)。
如上所述，该技术的专业人员将会理解，可以使用其它控制过程、方法和系统来改变抽取程度而使得能有效地控制涡轮机负荷。显然，上述内容仅涉及本发明的优选实施例，并可以进行许多变化和修改而并不偏离由下述权利要求书及其等效内容所限定的本发明的范围和精神。
部件清单100燃气涡轮发动机104轮压缩机106燃烧器108涡轮机110轴114排气扩散器200IGCC动力产生系统202主空气压缩机204空气分离装置206气化器208氮升压压缩机216净化装置
权利要求
1.一种保护燃气涡轮发动机(100)的涡轮压缩机(104)的方法，该发动机(100)是一个包括一空气分离装置(204)的集成的气化组合循环动力产生系统的一部分，该方法包括下列步骤抽取由涡轮压缩机(104)压缩的压缩空气量；将该被抽取的压缩空气量供应给空气分离装置(204)；以及根据所要的涡轮压缩机(104)的压缩机压力比来改变自涡轮压缩机(104)抽取的压缩空气量。
2.权利要求1的方法，其特征在于还包括用来自主空气压缩机(202)的压缩空气的供应量来供应该空气分离装置(204)的步骤。
3.权利要求2的方法，其特征在于还包括根据自涡轮压缩机(104)抽取的压缩空气量来改变由主空气压缩机(202)供应到空气分离装置(204)的压缩空气量的步骤。
4.权利要求3的方法，其特征在于，压缩空气的组合供应包括由主空气压缩机(202)供应到空气分离装置(204)的压缩空气量和从涡轮压缩机(104)抽取的压缩空气量；以及其中，压缩空气的组合供应包括满足空气分离装置(204)所要求的压缩空气供应总是的压缩空气供应。
5.权利要求2的方法，其特征在于，根据自涡轮压缩机(104)抽取的压缩空气量来改变由主空气压缩机(202)供应到空气分离装置(204)的压缩空气量的步骤当自涡轮压缩机(104)抽取的压缩空气量增加时减少由主空气压缩机(202)供应给空气分离装置(204)的压缩空气量的步骤。
6.权利要求5的方法，其特征在于，根据自涡轮压缩机(104)抽取的压缩空气量来改变由主空气压缩机(202)供应给空气分离装置(204)的压缩空气量的步骤包括当自涡轮压缩机(104)抽取的压缩空气量减少时增加由主空气压缩机(202)供应到空气分离装置(204)的压缩空气量的步骤。
7.权利要求3的方法，其特征在于，根据所要的压缩机压力比来改变自涡轮压缩机(104)抽取的压缩空气量的步骤包括下列步骤在涡轮压缩机(104)的入口和出口处测量压力；根据在涡轮压缩机(104)的入口和出口处进行的压力测量确定实际的压缩机压力；以及将该真实的压缩机压力比与所要的压缩机压力比进行比较。
8.权利要求7的方法，其特征在于，该所要的压缩机压力比包括一个既不会使涡轮压缩机(104)喘振也不会侵犯所希望的最小的压缩机储备的压缩机压力比。
9.权利要求8的方法，其特征在于还包括如果该测到的真实的压缩机压力比大于所希望的压缩机压力比，就增加自涡轮压缩机(104)抽取的压缩空气量的步骤。
全文摘要
一种保护燃气涡轮发动机(100)的涡轮压缩机(104)的方法，该发动机(100)是一个包括一空气分离装置(204)的集成的气化组合循环动力产生系统的一部分，该方法包括下列步骤(1)抽取由涡轮压缩机(104)压缩的压缩空气的一个量；(2)将该抽取的压缩空气量供应到空气分离装置(204)；以及(3)根据所要的跨越涡轮压缩机(104)的压缩机压力比而改变从涡轮压缩机(104)抽取的压缩空气量。该方法还可以包括用从主空气压缩机(202)来的压缩空气的供应来供应空气分离装置(204)的步骤。由主空气压缩机(202)供应到空气分离装置(204)的压缩空气量可以根据从涡轮压缩机(104)抽取的压缩空气量而变化。
文档编号F04D27/00GK101033753SQ20071008571
公开日2007年9月12日 申请日期2007年3月6日 优先权日2006年3月6日
发明者R·T·塔彻尔, J·A·韦斯特 申请人:通用电气公司