CN100365249C - 燃气涡轮机组 - Google Patents

Abstract

为了支持空气冷却的燃气涡轮机组的冷却，本发明提出：在冷却系统的冷却空气导管中设有用于流动的冷却空气的压力升高的装置。在一个实施形式中，冷却系统(17)由一个燃气涡轮机组(1，2，3，4)的压缩机(1)的未级供给高压压缩空气。该冷却系统分出第一分支(18)，通过它使燃烧室(2)及第一级、尤其是涡轮机(3)的第一引导级冷却。第二分支(19)将冷却空气导入其它的涡轮机级。为了按需要提高通过冷却系统第一分支(18)供给的压力降，设有一个喷射器(20)。对它的驱动喷嘴(22)供给由一个余热蒸汽发生器(51)取出的新蒸汽(9)，其中新蒸汽(9)的输入可通过一个调节机构(21)调节。本发明被证实普遍地适合于灵活地构成冷却空气预压力及由此适合于构成冷却空气质量流。

Description

燃气涡轮机组

技术领域

本发明涉及一种燃气涡轮机组。

背景技术

与对燃气涡轮机组的功率及效率的要求相并列地，一方面对热负荷高的机器部件冷却的要求及另一方面对冷却系统设计的要求随之提高。因此必需保证足够的冷却以利于工作的可靠性。另一方面，应尽可能限制冷却空气的消耗。在EP62932中提出：一个燃气轮机的部件用在封闭循环回路中的蒸汽来冷却。这要求有传导冷却蒸汽部件的相对昂贵的密封。同时进行部件的纯对流的冷却；这里放弃了用于减少热量输入的冷却膜的作用。在多个其它文献，如EP 684 369或EP 995891及与此相对应的US6,161,385中提出：为了冷却被膜冷却的部件使用了蒸汽或蒸汽-空气混合物。但这种方法消耗了相对多的蒸汽量，它必需满足纯度及过热的高要求，以便不会引起通常仅为十分之几毫米大的薄膜冷却孔的堵塞。即使能提供所需的蒸汽量及蒸汽质量，用蒸汽对燃气涡轮机组的冷却也不同于用压缩机分支空气的冷却，即不具有固有的可靠性。

后来使用压缩机分支空气(Verdichter-Anzapfluft)的冷却一直具有一系列显著的优点，其中为了有利于工作过程，取出的冷却空气量应很小。以后冷却空气系统愈来愈趋于按照边界工作设计，以便-从冷却技术层次出发-在不利的工作点上能保证足够的冷却，但在此情况下除绝对需要外不再消耗冷却空气。这意味着，一方面对工作过程偏离冷却的设计点的响应灵敏度高，例如当由于机器中压力比的偏移冷却空气量改变时。另一方面，在一系列其它工作点上产生热负荷部件的过冷却，由此使功率及效率的潜力未被利用。

因此在不同的文献中，例如在EP 1 028 230中提出在冷却空气路径中设置可变的节流点，DE 199 07 907提出，通过与冷却空气的分支点直接相邻地设置的可调节压缩机工作级可直接地调节冷却空气的预压力。尽管这些措施的实施是估计会成功的，但它们的成本自然很高及丝毫不适合现有的燃气涡轮机组的加装。此外，在冷却空气系统中装入可运动部件具有当机械部件故障时阻塞冷却空气导管的潜在危险。

另一重要问题出现在将冷却空气供给到燃烧室区域或涡轮机第一引导级前侧区域中的组件时。当试图减小工作介质的压力损耗，由此使涡轮机入口处的压力保持为尽可能接近压缩机端部的压力时，必需有足够的冷却空气质量流通过窄的冷却空气通道及冷却孔。这自然需要冷却空气系统上的相应压力降，其中冷却空气系统的预压力也可不高于压缩机端部的压力。因此在这方面-最终但不是完全令人满意地-合乎要求的是：在以燃气涡轮机组的功率及效率为一方与确保足够的冷却为另一方之间达成妥协。

JP 11 182263及EP 1 128 039提出：在一个燃气轮机的冷却空气路径中设置附加压缩机。这样将使冷却空气的总压力高于由压缩机提供的压力。对此应注意：在冷却空气主流动路径中主动及可运动部件的设置总与一定的危险相联系，即当主动部件失灵时冷却系统的功能整体受到很大影响，甚至于紧急冷却也不再可能维持。

发明内容

本发明的任务在于，在开始部分所述类型的燃气涡轮机组上避免现有技术中的缺点。

这里首先是，避免在冷却空气路径中设置可运动的部件。其次是，这样地给出冷却空气系统，以使得在冷却空气上的总压力升高或是固有可靠地产生的，或是当相应装置故障时至少可保证足够的紧急冷却。

根据本发明，提出一种燃气涡轮机组，它具有一个冷却空气系统，通过该冷却空气系统使至少一个冷却空气质量流从一个压缩机流到燃气涡轮机组的高热负荷部件，其中，在冷却空气系统的一个冷却空气导管中设置有用于流动的冷却空气的压力升高的装置，其中：该燃气涡轮机组装备有一个高压冷却系统和一个低压冷却系统，其中，高压冷却系统被从压缩机的多个未级中的一个未级供给，低压冷却系统被从压缩机的一个中间级供给。

本发明的核心是，在空气冷却的燃气涡轮机组中在传导冷却空气的通道中设置用于升高总压力的装置，及由此在给定冷却空气取出压力及冷却空气背压时改变冷却空气质量流，其中这些装置不具有运动的部件。为此可在冷却空气通道中设置一些可用驱动介质工作的喷射器。

因此，尤其当燃烧室及第一涡轮机级冷却时，不可避免的冷却空气的压力损耗至少在必要的范围上得到补偿。此外，作为本发明基础的构思是，在强节流的冷却空气导管中，-其中薄膜冷却孔在根本意义上也是节流点，提高冷却空气的有效总预压力。在本发明实施结构中的另一选择是，放弃内部节流及冷却空气质量流的调节，这通常是以装在冷却空气导管中的节流板的形式来实现的；及取而代之的是，在较低压力下从压缩机中进行冷却空气的抽取，及通过冷却空气通道中的压力升高来调整所需的总预压力。此外本发明也能特别好地适于：最好根据适当的过程参数，来改变工作期间的冷却空气质量流。例如在其中使用喷射器作为压力升高装置的一个实施形式中，它是相对简单的，其方式是仅需直接对小量的驱动介质质量流而不是整个冷却空气质量流施加影响。

除了不必调节整个冷却空气质量流及也不需要直接干预主冷却系统的优点外，与例如在主冷却系统中可变的节流点相比，可相对简单地改装现有的燃气涡轮机组到本发明的水平上。

作为所述一个或一些喷射器的驱动介质良好适用的是驱动气体质量流，这里尤其为比被驱动的冷却空气质量流的压力高的驱动空气质量流。它可源自于设置在外部的压缩机，但特别合乎要求地，也可为由较高压力的压缩机级分支出的空气质量流。变换地，并也证实是合乎要求的是设置一个附加压缩机，它使由燃气轮机的压缩机分支出的冷却空气的部分流进一步压缩；该进一步压缩的冷却空气的部分流将作为喷射器的驱动介质来使用。

此外蒸汽质量流也可良好地适合用作驱动介质，其中蒸汽质量流最好是被相应过热。因此无论如何可避免在冷却空气导管中的冷凝。与供给蒸汽作为冷却介质相比，或者是用于纯蒸汽冷却或者是蒸汽-空气混合冷却，优点是：仅需要相对小量的高质量及高纯度的蒸汽。当燃气涡轮机组设有用于在组合设备中工作或用于获得过程蒸汽的余热蒸汽发生器时，该实施形式则是有利的。此外使用如在DE 100 41413中在冷却空气冷却器中或在EP 516 995中在压缩机中间冷却器中产生的蒸汽来作为驱动介质也是合乎要求的。

此外在合乎要求的设计中冷却系统始终是固有可靠的，因为当驱动介质供给、尤其是蒸汽供给完全故障时始终能保证冷却空气流的最小值。在这方面总体地可确定，驱动介质的质量流其量值通常小于被驱动的冷却空气质量流的20％，优选为小于被驱动的冷却空气质量流的10％，尤其为小于被驱动的冷却空气质量流的5％，因此驱动介质本身作为冷却介质没有显著作用。

如已指出的，在一个优选实施形式中，在连接到喷射器的驱动介质流的输入导管中设有用于调节驱动介质流的装置。

本发明特别适于与一个燃气涡轮机组相组合，该燃气涡轮机组设有不同压力级的冷却系统，例如一个高压冷却系统及一个低压冷却系统，其中高压冷却系统被从压缩机的一个未级开始供给，及低压冷却系统由一个中间的压缩机级开始被供给。在此情况下一个特别优选的实施形式是，在低压冷却系统中设有一些喷射器，这些喷射器用从高压冷却系统分支出的驱动介质工作。而被证实有利的是，压缩机中的压力建立被推移，这尤其是这样的情况，即当压缩期间进行冷却时，例如在压缩机中冷却的情况下。

尤其适合的是一个根据本发明的燃气涡轮机组的实施例，它涉及设有顺序(串联)燃烧的一个燃气涡轮机组，其中第一燃烧室及第一涡轮机由高压冷却系统冷却；而一个第二燃烧室及一个第二涡轮机由低压力级的冷却系统冷却。

附图说明

以下将借助附图中所示的例子来详细描述本发明。

图1至4表示本发明的可能的有利实施形式，它们无论如何不应被理解为对于在权利要求书中作为特征的发明的终极。对于理解本发明不需要的细节被省略。

这些实施例及附图应被理解为仅是启发性的，而决不是用于对在权利要求书中作为特征的发明的限制。

具体实施方式

图1中所示的例子表明根据本发明的一个实施形式的、组合在一个组合设备中的燃气涡轮机组。一个压缩机1将空气压缩到一定压力及将其输送到一个燃烧室2中。在燃烧室中燃料在压缩空气中燃烧。所形成的热烟气流过一个涡轮机3，其中该涡轮机将输出一个功率，该功率用于驱动压缩机及一个外部的轴功率负载，如一个发电机4。仍处于高温度上的减压烟气流过一个余热蒸汽发生器5，在那里通过加热面51对流经那里的一个给水质量流加热及使其蒸发，这是在该减压烟气通过一个烟囱6排放到大气中以前。在水-蒸汽侧，一个给水泵7将来自一个容器8的水质量流输送到热交换器51，在该热交换器中水被蒸发及使形成的蒸汽过热。

新蒸汽9流到一个双流式的汽轮机10，蒸汽在这里被减压。该汽轮机驱动一个发电机11。被减压的蒸汽12流到一个冷凝器13。被液化的水通过一个冷凝水泵14被输送回容器8。该容器8通过一个供水导管添加附加的水15，以补偿各种可能的损耗。附加水的输入可通过一个调节机构16调节。该水-蒸汽循环被很简化地表示，专业人员了解其可能的实施形式，但其细节与本发明关系不大。燃气涡轮机组的燃烧室2及涡轮机3处于高热负荷下。因此该燃气涡轮机组设有一个冷却系统17，冷却空气通过该冷却系统由压缩机的未级流到燃气涡轮机组的高热负荷的部件。该空气冷却系统17分出：第一分支18，通过它使燃烧室及第一涡轮机引导级(Turbinenleitreihe)或第一涡轮机级冷却；及第二分支19，通过它冷却空气流到涡轮机3的第二级及可能时流到其第三级。在第二分支19中通过该空气冷却系统的压力降足够大，以便保证充分的冷却空气质量流。在第一分支18中设有一个喷射器20。新蒸汽9的部分流可通过一个调节机构21输送给该喷射器，作为其驱动介质。该蒸汽流以高速度由一个喷嘴喷出，该喷嘴被布置在冷却空气导管的一个会聚-发散通流横截面的最窄的横截面中。在喷射器下游引起冷却空气的总压力升高，由此使第一分支18中的冷却空气质量流的压力增高。本发明的该实施形式无需组合连接的高装置成本便可实现，其方式仅是在一个燃气轮机的排气侧中安装一个小而简单的蒸汽发生器。冷却空气质量流的百分比例如为2％至5％。因为所需的驱动蒸汽压力不用过高，在很低的蒸汽温度时便可达到充分的蒸汽过热。因此，与作为驱动介质的蒸汽相结合并无需余热蒸汽发生器，本发明也可被实现，这时将如DE 100 41 413所提出的，将冷却空气冷却器作为蒸汽发生器来实施；或这时将如EP 515 995所提出的，使用压缩机的一个中间冷却器中引出的热量来产生蒸汽。尤其当组合在一个组合设备中的情况下，完全不需要使用新蒸汽作为用于喷射器的驱动喷嘴的驱动介质；这里也可使用一个适当温度及适当压力的分支蒸汽。

图2表示具有顺序燃烧的现代结构类型的燃气涡轮机组。这种燃气涡轮机组已由EP 620 362公开。压缩机1压缩空气及将高压的空气输送到第一燃烧室2a，在其中燃烧第一燃料量。受压力的烟气在第一涡轮机即高压涡轮机3a中被部分减压，其中典型地达到1.5至2的压力比(Druckverhltnis)，及还是以高的温度及高压流到第二燃烧室2b。在第一燃烧室后烟气中的氧含量仍相对高，典型为约15％至17％。因此在第二燃烧室2b中可直接供给附加燃料并燃烧。被再加热的热烟气将在涡轮机3b中近似地减压到环境压力，及在排气侧6被排出。这里也可直接地设有一个未示出的余热蒸汽发生器；具有顺序燃烧的燃气涡轮机组原则上能特别好地适合在组合设备中应用。在涡轮机3a及3b中减压时，烟气将输出一个功率，该功率驱动压缩机1及一个发电机4。基于在这种燃气涡轮机组中实现的高压力比，冷却系统被作成具有一个高压冷却系统23及一个低压冷却系统24的两部分。高压冷却系统从压缩机出口分支出空气，及用它来冷却第一燃烧室2a及高压涡轮机3a。低压冷却系统24从一个中间压缩机级分支出空气，及用它来冷却第二燃烧室2b及低压涡轮机3b。该冷却系统的两部分划分可作到：对热气体路径的高压部分供给高压力的冷却空气，及在此可避免用于冷却热气体路径低压区段的高压冷却空气的损耗大的节流。当然原则上也可以实现具有多于两个压力级的冷却系统。压缩机1被分成第一压缩机部分1a及第二压缩机部分1b，在它们之间设有一个中间冷却器1c。通过中间冷却器1c的工作使驱动压缩机所需的功率减小，由此使燃气涡轮机组的效率及有用功增高。该效应也可通过将水喷射到压缩机中或带有湿气的吸入空气过饱和来达到，它基于汽化使湿气起到压缩机内部强冷却的作用。在压缩机中空气的冷却还具有另一作用：如专业人员借助简单的分级运动学的考虑可确定的，当在压缩机中用中间冷却部分工作时压力的建立转移到后压缩机级中。通过涡轮机级的相对减压可近似地保持不变，而压缩机级中压力的建立明显地转移到第二压缩机部分1b中。由此产生了低压冷却系统24上驱动压力差的明显减小，及由此得到低压冷却空气质量流的减小。如果低压冷却系统24被这样地确定尺寸，即在压缩机中冷却运行时冷却空气质量流足够用，则在无压缩机冷却运行时将导致低压热气体路径、即组件2b及3b的明显过冷却，对功率及效率将带来不良的后果。因此，根据本发明将一个喷射器20设置在低压冷却系统中，它的驱动喷嘴22通过一个调节机构21与高压冷却系统相连接。在无压缩机冷却的第一工作区域中该调节机构21被关闭或只很小地打开；该低压冷却系统是对于刚好足够用的冷却空气质量流设计的。在具有压缩机冷却的运行中，该调节机构21被打开，及以高速度从驱动喷嘴喷出的高压冷却空气这样地改变低压冷却系统中的压力比，即保证足够的冷却空气质量流。该系统甚至可在一定程度上自动调整地工作：其中压力建立转移到第二压缩机部分1b中，供喷射器驱动介质流用的压力降提高，由此自动地支持低压冷却系统中的驱动作用。在系统的相应设计时，因此原则上可考虑，用固定的节流点来取代调节机构21以调节流量，及放弃对驱动介质流的外部干预。类似于中间冷却，也可用多个引导级(Leitreihen)的调节引起压缩机中压力建立的推移，对于冷却空气质量流这也可由在冷却空气通道中使用引起压力升高的装置来补偿。

图2中所示的实施形式具有固有可靠的特征。在燃气涡轮机组工作时也可自动地对喷射器提供驱动介质。在图1中所示的实施形式中存在当供水泵7故障时失去驱动介质的可能性；在实践中这也意味着：余热蒸汽发生器5的加热面51会变干燥，以致在此情况下整个设备必需停止工作。就此而言，这里冷却空气的压力增高被称为是固有可靠的。

相应地，图3及4表示出本发明的两个实施形式，它们虽然不具有冷却空气压力增高的固有可靠性，但可特别简单地在现有的设备上补充安装，及当冷却空气总压力升高的系统故障时可保证最小的冷却。根据图3中的实施形式，在喷射器20的上游分支出冷却空气17的一部分及由一个附加压缩机25输送并提供比压缩机1可提供的高的总压力。该再压缩的部分流被用作喷射器的驱动喷嘴22的驱动介质。附加压缩机25由一个转速可变的电动机26驱动，该电动机的转速调节可达到冷却空气系统中待实现的压力升高的调节。图4则表示：附加压缩机25例如可压缩环境空气；当然也可以将喷射器20的驱动喷嘴22连接到任何外部压力气体系统上。即使当这样的有效外部系统故障时，也不会使主冷却空气路径一起产生故障。仅是失去了冷却空气总压力的提高及由此使冷却空气质量流减少。但仍然继续维持最小需要的冷却空气流，及燃气涡轮机组可毫无顾虑地用可能降低的功率继续工作。

此外本发明可作到：根据待被冷却部件区域中的热气体温度使冷却空气量减小到对于工作可靠性所需的最小值上，及当高的燃气轮机负载时相应地增高。

当然，具有仅一个燃烧室及仅一个涡轮机的燃气涡轮机组也可以装备一个具有两个或多个压力级的上述冷却系统。

本发明也可方便地与其它通常的措施，如专业人员所熟悉的空气冷却装置的结构相结合。

喷射器的驱动喷嘴-当驱动介质的预压力允许，尤其可过临界地被这样驱动，即，驱动喷嘴的排流以超声速度进行。驱动介质流的减速则可通过一个冲击系统来实现，这在流体通道相应轮廓设计的情况下将有助于很有效的工作。

原则上也可将其它装置，例如压力波发生器，以适合的方式用作提高冷却空气压力的装置。

根据上述实施例，为专业人员展示了在权利要求书中所表征的本发明的多种可能的实施形式。

Claims (12)

1.燃气涡轮机组，具有一个冷却空气系统(17；23，24)，通过该冷却空气系统使至少一个冷却空气质量流从一个压缩机(1；1a，1b)流到燃气涡轮机组的高热负荷部件(2，3；2a，2b，3a，3b)，其中，在冷却空气系统的一个冷却空气导管中设置有用于提高流动的冷却空气的压力的装置，其特征在于：该燃气涡轮机组装备有一个高压冷却系统(23)和一个低压冷却系统(24)，其中，高压冷却系统被从压缩机的多个未级中的一个未级供给，低压冷却系统被从压缩机的一个中间级供给。

2.根据权利要求1的燃气涡轮机组，其特征在于：所述用于提高压力的装置是用驱动介质工作的喷射器。

3.根据权利要求2的燃气涡轮机组，其特征在于：驱动介质是驱动气体质量流，其总压力高于被驱动的冷却空气质量流的压力。

4.根据权利要求3的燃气涡轮机组，其特征在于：驱动气体质量流是一个在较高压力位置上由压缩机分支出的空气质量流。

5.根据权利要求2的燃气涡轮机组，其特征在于：驱动介质是一个蒸汽质量流(9)。

6.根据权利要求3的燃气涡轮机组，其特征在于：所述驱动介质的质量流小于被驱动质量流的20％。

7.根据权利要求3的燃气涡轮机组，其特征在于：所述驱动介质的质量流小于被驱动质量流的10％。

8.根据权利要求3的燃气涡轮机组，其特征在于：所述驱动介质的质量流小于被驱动质量流的5％。

9.根据权利要求2的燃气涡轮机组，其特征在于：在用于驱动介质的输入导管中设有用于调节驱动介质质量流的装置。

10.根据权利要求1的燃气涡轮机组，其特征在于：该燃气涡轮机组是一个设有顺序燃烧的燃气涡轮机组。

11.根据权利要求1的燃气涡轮机组，其特征在于：在低压冷却系统中设有一个喷射器，该喷射器用来自高压冷却系统的冷却空气的部分流作为驱动介质工作。

12.根据权利要求1的燃气涡轮机组，其特征在于：高压冷却系统与一个设有顺序燃烧的燃气涡轮机组的第一燃烧室及第一涡轮机连接；低压冷却系统与该燃气涡轮机组的第二燃烧室及第二涡轮机连接。

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