CN101490387A - 调整燃气轮机使其能消耗低热值燃料的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于将第一燃气轮机(1)改变为第二燃气轮机(5)的方法，该第一燃气轮机设有第一多级轴向压缩机、燃烧室(3)和涡轮机(4)，且适于供给具有第一热值(PC1)的第一气体，该第二燃气轮机适于供给具有第二热值(PC2)的第二气体，该第二热值低于该第一热值(PC1)，该方法包括：用第二多级轴向压缩机(6)来替换第一多级轴向压缩机(2)，该第一多级轴向压缩机具有额定流速(QA1)，该第二多级轴向压缩机具有额定流速(QA2)，该额定流速(QA2)比该第一多级轴向压缩机(2)的额定流速(QA1)低；以及保持与第一燃气轮机(1)相同的燃烧室(3)和相同的涡轮机(4)。

Description

调整燃气轮机使其能消耗低热值燃料的方法
技术领域
本发明涉及一种将第一燃气轮机改变为第二燃气轮机的方法，该第一燃气轮机适于供给第一气体，该第二燃气轮机适于供给第二气体。
具体而言，本发明涉及一种将第一燃气轮机改变为第二燃气轮机的方法，该第一燃气轮机适于供给具有第一热值的第一气体，该第二燃气轮机适于供给具有第二热值的第二气体，该第二热值显著低于该第一气体的热值。第一燃气轮机设计且其尺寸形成为以高(第一)热值(约50MJ/kg)工作，该第一燃气轮机沿纵向轴线延伸并包括第一多级轴向压缩机、第一燃烧室、以及第一涡轮机。已证实，上述类型的第一燃气轮机供给高(第一)热值气体时效率极高，同时也证实，上述类型的第一燃气轮机在供给低(第二)热值气体时效率不是很高。
背景技术
低热值气体最近已经成为特别关注的焦点。实际上，目前贫乏的能量资源导致传统燃料，例如天然气和蒸馏油的成本上升。为此，现在趋于重新考虑使用更具成本效益的燃料，例如煤、奥里乳化油(Orimulsion)、重油。在该情形下，正重新考虑低热值气体，例如气化煤和沥青而衍生的气体；或者炼钢厂和精炼厂产生的副产物气体。这些气体的特征在于其4至10MJ/kg的热值，这显著低于第一燃气轮机，即，传统的燃气轮机中通常使用的气体的50MJ/kg的热值。
迄今为止，传统的燃气轮机，即，设计成供给高热值气体的燃气轮机，也开始使用热值为10至15MJ/kg的气体。
然而，考虑到市场需求，必需研发出一种技术，使得无论对于气化系统还是利用精炼厂或炼钢厂气体的系统而言，均可以使用甚至更低热值(达到4MJ/kg)的燃料，从而满足所有可能的要求。
通常地，从操作的角度而言，在燃气轮机中用低热值气体来替代高热值气体时，需要提高流入到燃烧室中的气体的流速，并将成比例地减小由多级轴向压缩机(multistage axial compressor)供给的气体流速，从而保持涡轮机的流速不变。
目前，主要采用下述两种技术来减小多级轴向压缩机的空气流速。
第一种技术包括，从多级轴向压缩机的出口处分离出与所引入的燃料流相同的空气流速，从而防止涡轮机流速的不平衡。该第一种技术产生的缺点是，显著降低了燃气轮机的效率，即使所分离出的流速再次用于后续的膨胀器中也仍然会降低效率。
第二种技术包括，通过布置在多级轴向压缩机入口处的可调节叶片(VIGV，可调入口引导叶片)来节流该多级轴向压缩机内的空气流速。
该第二种技术会导致压缩机泵送方面的问题，即，实际上，特别是在寒冷气候时，泵送极限曲线相对于涡轮机的工作曲线而言具有窄的裕量。该第二种技术的另一个不期望的效果是，多级轴向压缩机的效率在封闭VIGV工作模式下更差。
发明内容
本发明的目的是提供一种将第一燃气轮机改变为第二燃气轮机的方法，该第一燃气轮机适于供给具有第一热值的第一气体，该第二燃气轮机适于供给具有第二热值的第二气体，该第二热值显著地低于第一气体的热值，从而简单地且成本节约地优化第二燃气轮机的运作。
根据本发明，提供了一种将第一燃气轮机改变为第二燃气轮机的方法，该第一燃气轮机适于供给具有第一热值的第一气体，该第二燃气轮机适于供给具有第二热值的第二气体，该第二热值显著地低于第一气体的热值；该第一燃气轮机沿纵向轴线延伸，并包括第一多级轴向压缩机、第一燃烧室以及第一涡轮机；该第二燃气轮机包括该第一燃烧室和该第一涡轮机；该方法的特征在于：该第一多级轴向压缩机由第二多级轴向压缩机来替换，该第二多级轴向压缩机的额定流速比该第一多级轴向压缩机的额定流速低。
根据本发明的优选实施例，该第二多级轴向压缩机的轴向长度等于该第一多级轴向压缩机的轴向长度。
根据本发明的优选实施例，该第二多级轴向压缩机以额定流速提供的压缩比近似等于由该第一多级轴向压缩机以额定流速提供的压缩比。
根据本发明的另一优选实施例，该第一多级轴向压缩机包括第一转子，该第一转子包括第一环、末尾环和布置在该第一环和该末尾环之间的一组中间环，所述中间环通过前齿联结器而联结在一起；该方法的特征在于，通过除去该第一环，并依次将两个附加环增加到末尾环，且该附加环的轴向长度等于该第一环的轴向长度，使得该第一转子可适合于该第二多级轴向压缩机。
附图说明
为了更好地理解本发明，现仅以非限制性示例的形式并参考附图描述本发明的优选实施例，其中：
图1为已知类型的燃气轮机的示意图，其中，为清楚起见除去了一些部件；
图2为根据本发明制造的燃气轮机的示意图，其中，为清楚起见除去了一些部件；
图3为图1中的燃气轮机(在不同的工作条件下)以及图2中的燃气轮机的工作示意图；
图4为图1中的燃气轮机的多级轴向压缩机的剖视图，其中，为清楚起见除去了一些部件；以及
图5为图2中的燃气轮机的多级轴向压缩机的剖视图，其中，为清楚起见除去了一些部件。
具体实施方式
参考图1，已知类型的燃气轮机整体上由附图标记1来表示，该燃气轮机沿轴线A1延伸并布置成供给高热值气体PC1。燃气轮机1包括顺序布置并相互连接的多级轴向压缩机2、燃烧室3、以及涡轮机4。在全功率下，压缩机2吸入额定空气流速为QA1的空气，燃烧室3供给气体流速为QG1的气体，且涡轮机4排放流速为QGA1的已燃烧气体、空气和可能的未燃烧气体，QGA1等于QA1和QG1之和。
压缩机2具有轴向长度L1，且在输入压力Pi1和输出压力Pu1之间压缩额定空气流速为QA1的空气，其中的压缩比为PR1＝Pu1/Pi1，额定空气流速为QA1。
参考图2，燃气轮机整体上由附图标记5表示，该燃气轮机沿轴线A1延伸并布置成供给低热值气体PC2。燃气轮机5包括顺序布置并相互连接的多级轴向压缩机6、燃烧室3、以及涡轮机4。在全功率下，压缩机6吸入额定空气流速为QA2的空气，燃烧室3供给气体流速为QG2的气体，且涡轮机4排放流速为QGA2的已燃烧气体、空气和可能的未燃烧气体，QGA2等于QA2和QG2之和。
压缩机6的轴向长度L2与压缩机2的轴向长度L1相等，且在输入压力Pi2和输出压力Pu2之间压缩额定空气流速为QA2的空气，其中的压缩比为PR2＝Pu2/Pi2，额定空气流速为QA2。
换言之，燃气轮机1和燃气轮机5之间的差异在于，压缩机2替换为具有更低额定流速的压缩机6，但是轴向长度相同。由于对于燃气轮机1和5而言，二者的涡轮机4的最佳流速是预定的，因此优选地，QGA1和QGA2相等。
燃气轮机5布置成供给热值PC2为4MJ/kg至15MJ/kg的气体。结果，与尺寸相同且适于供给更高热值气体PC1的燃气轮机1相比，燃气轮机5需要供给的气体流速QG2比燃气轮机1需要供给的气体流速QG1更高，并且与尺寸相同且适于供给更高热值气体PC1的燃气轮机1相比，燃气轮机5所需的空气流速QA2比燃气轮机1所需的空气流速QA1更低。气体流速QG2由涡轮机4的气体热值和流速确定：
QG1+QA1＝QGA1＝QGA2＝QG2+QA2
QG2＝QG1×(PC1/PC2)
且因此根据下述方程计算空气流速：
QA2＝QGA1-QG2＝QG1×(PC1/PC2)
通过节流，即，通过调整布置在多级轴向压缩机2的入口处的可调节叶片，在燃气轮机1中也可以流速QA2来工作。然而，通过调节可调节叶片获得减小的空气流速会导致压缩机2的特性曲线的显著变化，该压缩机2的压缩比的减小量与空气流速的减小幅度一样大。
参考图3，曲线图在横坐标示出了空气流速QA，并在纵坐标示出了压缩比PR，并示出了空气流速的三种不同程度的节流时，即，叶片的三种不同程度的取向时，压缩机2的特性曲线A、B和C。在该情形下，特性曲线A表示在无节流时，即，在100％的额定空气流速QA1时的压缩机2，曲线A与线CT2相交，线CT2表示适于使涡轮机4在最佳条件下工作的恒定压缩比PR1。特性曲线B表示相对于额定空气流速QA1的90％的节流；以及特性曲线C表示相对于额定空气流速QA1的80％节流。实际上，压缩机2中空气流速QA的减小决定可压缩比PR的同步减小，因此，涡轮机4在低于涡轮机4的额定工作压力下进行供给。线CT1连接到压缩机2的曲线A、B和C的中心，表示压缩比PR如何随节流的增加而减小。
压缩机6的尺寸形成为具有图3的曲线图中所示出的特性曲线D：换言之，压缩机2的尺寸形成为可获得低于QA1的额定空气流速QA2和等于PR1的压缩比PR2。如此，空气流速QA减小，但是压缩比PR保持恒定。线CT2与曲线D相交于坐标为QA1和PR2＝PR1的坐标点。
现在，参考相应的图4和图5更详细地说明压缩机2和压缩机6。
参考图4，多级轴向压缩机2沿纵向轴线A1延伸，且轴向长度为L1，且适于以特定压缩比PR1压缩空气流速QA1的空气，并沿方向D1传送空气。
压缩机2包括转子7、叶片保持壳体8、入口9和出口10。转子7包括由轴承(未示出)可旋转支撑的头部11、沿轴线A1顺序布置并相互联结的多个环、拉杆12和间隔件13。所述多个环包括毗邻头部11的第一环14、毗邻间隔件13的末尾环15、以及顺序布置在第一环14和末尾环15之间的一组中间环16。第一环14、中间环16和末尾环15通过拉杆12压置于头部11和间隔件13之间。第一环14、末尾环15和中间环16之间的每个环均支撑径向叶片17，所述径向叶片17围绕轴线A1均匀地分布以形成围绕相应环的冠部。每个中间环16通过Hirth型前齿联结器而联结到毗邻第一环14或者末尾环15的中间环16上。
叶片保持壳体8包括大致呈锥形的壁18，所述壁18分为三个连续的部分且由外部壳体(图4中未示出)支撑。壁18固定到入口9和出口10。压缩机2包括固定的环形级(stage)19，每个环形级包括：内环20，由转子7可转动地支撑；外环21，容置在形成于壁18内的腔体中；以及多个叶片22，所述多个叶片围绕轴线A1均匀地分布，并在内环20和外环21之间径向延伸。除了邻近入口9的固定级19之外，每个固定级19夹置于毗邻转子7的两个环14、15、16之间。
叶片17和叶片22的径向尺寸在入口9和出口10之间沿着方向D1逐渐减小。
级的定义是指包括固定级19的组件，所述固定级19位于具有叶片17的冠部的环14或15或16之后。对于图4中的情形而言，压缩机2为十六级轴向压缩机，并且入口9和出口10之间的总的轴向长度为L1。
参考图5，多级轴向压缩机6具有十七级，且适于压缩空气流速为QA2的空气，所述压缩比PR2等于PR1，且空气流速QA2低于QA1，并且其轴向长度L2等于压缩机2的轴向长度L1。此外，压缩机6是通过对压缩机2进行一些改变而形成的，但是，压缩机2的多个结构形构件基本保持不变。压缩机6相对于压缩机2进行的改变如下：
—入口23替换入口9，入口23的通道截面小于入口9的通道截面；
—头部24替换头部11，在与毗邻环16的接触点处，头部24的半径大于头部11的半径；
—叶片保持壳体25替换叶片保持壳体8；
—转子7的改变为：除去第一环13并增加两个附加环26和27；
—除去第—固定级19；
—在出口10处增加两个附加的固定级28和29。
这些改变旨在保持压缩机2的大多数的结构性构件。在该情形下，压缩机6包括出口10、拉杆12、间隔件13、具有相应叶片17的末尾环15、以及具有相应叶片17的中间环16、除了压缩机2中的末尾固定级19之外的固定级19。所述改变还包括将中间环26朝头部24移动，并紧邻末尾环15的上游增加附加环26和27。
同样地，被除去的、毗邻入口9的固定级19之外的固定级19，重新置为朝向新的头部24，且在相应的附加环26和27处增加两个附加的固定级28和29。
附加环26和附加的固定级28形成附加级；以及类似地，附加环27和附加的固定级29形成附加级。理论上不需要这两个附加级来确定压缩机2的工作特征，但是这两个附加级仍被插入以使得压缩机6的轴向长度L2等于压缩机2的轴向长度L1。具体地，两个附加环26和27的总的轴向长度等于第一环14的轴向长度。这样，改变后的转子7的长度等于原转子7的长度。
再者，附加环26和27彼此相同且大致上与末尾环15相同。此外，额外的末尾固定级28和29彼此相同且大致上与毗邻的末尾环15的固定级19相同。
保持轴向长度L2与轴向长度L1相等是极为有利的，因为这样可以利用压缩机2的相同的基底结构(未示出)，以及压缩机2的相同的外壳结构(未示出)；对于将已安装的燃气轮机1改变成适于以低热值气体工作的燃气轮机5而言，以及对于制造适于以低热值气体工作的新的燃气轮机5而言，这将会产生巨大的成本效益。
此外，插入彼此相同且与环15相同的附加环26和27，以及彼此相同且与毗邻末尾环15的固定级19相同的附加的固定级28和29，使得可以实现大规模的经济效益。

Claims (11)

1.一种将第一燃气轮机(1)改变为第二燃气轮机(5)的方法，该第一燃气轮机适于供给具有第一热值(PC1)的第一气体，该第二燃气轮机适于供给具有第二热值(PC2)的第二气体，且该第二热值显著地低于该第一热值(PC1)；该第一燃气轮机(1)沿纵向轴线(A1)延伸并包括第一多级轴向压缩机(2)、第一燃烧室(3)以及第一涡轮机(4)；该第二燃气轮机(5)包括该第一燃烧室(3)和该第一涡轮机(4)；该方法的特征在于：该第一多级轴向压缩机(2)能由第二多级轴向压缩机(6)替换，该第二多级轴向压缩机的额定流速(QA2)比该第一多级轴向压缩机(2)的额定流速(QA1)低。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该第二多级轴向压缩机(6)的轴向长度(L2)近似等于该第一多级轴向压缩机(2)的轴向长度(L1)。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，该第二多级轴向压缩机(6)以额定流速(QA2)提供的压缩比(PR2)近似等于该第一多级轴向压缩机(2)以额定流速(QA1)提供的压缩比(PR1)。
4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其中该第一涡轮机(4)具有一流速(QGA1)，该方法的特征在于，该第二多级轴向压缩机(6)的流速(QA2)大致上由等式：
QA2＝QGA1-QG1×(PC1/PC2)确定出，
其中：
QA2为该第二多级轴向压缩机(6)的额定流速；
QGA1为该第一涡轮机(4)的额定流速；
QG1为该第一燃气轮机(1)的气体流速；
PCI为该第一气体的第一热值；以及
PC2为该第二气体的第二热值。
5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中该第一多级轴向压缩机(2)包括第一入口(9)和第一出口(10)，该方法的特征在于，该第一入口(9)能由第二入口(23)替换，该第二入口的通道截面小于该第一入口(9)的通道截面，且该第二入口的轴向长度与该第一入口的轴向长度相同。
6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，该第一多级轴向压缩机(2)的第一出口(10)保留在该第二多级轴向压缩机(6)中。
7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中该第一多级轴向压缩机(2)包括第一转子(7)，该第一转子(7)包括第一环(14)、末尾环(15)和布置在该第一环(14)和该末尾环(15)之间的一组中间环(16)，所述中间环通过前齿联结器而联结在一起；该方法的特征在于，通过用头部(24)替换头部(11)，除去该第一环(14)，并在末尾环(15)处增加两个附加环(26、27)，且该附加环(26、27)的轴向长度等于该第一环(14)的轴向长度，而使得该第一转子(7)能适合于该第二多级轴向压缩机(6)。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述附加环(26、27)彼此相同且与该末尾环(15)近似相同。
9.如权利要求7或8所述的方法，其中该第一多级轴向压缩机(2)包括多个固定级(19)，该方法的特征在于，除去毗邻入口(19)的该固定级(19)，并增加两个附加的固定级(28、29)。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述附加的固定级(28、29)彼此相同且与毗邻所述末尾环(15)的所述固定级(19)近似相同。
11.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，该第一多级轴向压缩机(2)为具有轴向长度(L1)的十六级轴向压缩机，以及该第二多级轴向压缩机(6)为具有轴向长度(L2)的十七级轴向压缩机，且轴向长度(L2)等于该第一多级轴向压缩机(2)的轴向长度(L1)。
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PB01 Publication
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Open date: 20090722