CN101592085B - 用于运转燃气涡轮机的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于运转燃气涡轮机的方法，所述燃气涡轮机(1)包括压缩机(2)、燃烧室(4)和涡轮机(6)，所述方法应该能够使所述燃气涡轮机(1)进行特别安全和可靠的运行。此外，应该说明一种特别适合于实施所述方法的燃气涡轮机(1)和燃气及蒸汽涡轮机设备。为此，将压缩机终压力(120、128)用作调节量。

Description

用于运转燃气涡轮机的方法

技术领域

本发明涉及一种用于运转燃气涡轮机的方法，所述燃气涡轮机包括压缩机、燃烧室和涡轮机。此外，本发明涉及一种这样的燃气涡轮机和燃气及蒸汽涡轮机设备。

背景技术

燃气涡轮机是内燃发动机，该内燃发动机包括涡轮机连同前置的压缩机以及连接在其之间的燃烧室。在此，首先通过一个或多个压缩机级的叶片组对空气进行压缩，随后使其在燃烧室中与气态的或液态的动力燃料相混合，将其点燃并使其燃烧。此外，将所述空气用于冷却。因此产生热气(由燃烧气体和空气组成的混合物)，该热气在接下来的涡轮机部件中膨胀，其中热能转换为机械能。这种机械能首先驱动压缩机，剩下的部分比如用于驱动发电机。

所述压缩机通常包括多个工作轮，所述工作轮则具有轴向的结构形式的压缩机叶片。所述压缩机将流入的空气质量的动能在压缩机叶片的扩散器状的也就是加宽的中间空隙中转换为压力能。在这过程中失去的动能在转子级中再度得到补偿。轴流压缩机的完整的压缩机级因此包括转子级和定子级，在所述转子级中不仅压力和温度而且速度都上升，并且在所述定子级中压力在不利于速度的情况下上升。所述转子级先后布置在一定数量的鼓轮上，所述定子级则固定地安装在压缩机外壳的内侧上。

所述空气的高度压缩引起剧烈的温度上升。如此得到加热的空气随后流进燃烧室中，在那里向所述空气供给燃料。在驱动装置起动时，火花塞点燃燃料，随后连续地进行燃烧。通过燃烧，温度再度上升并且气体发生膨胀。

从所述燃烧室中流出的气体随后碰到涡轮机，在那里所述气体的动能和热能被转换为机械能。这种机械能通过轴首先驱动所述压缩机，并且-按燃气涡轮机的设计目的-驱动发电机以进行发电。

今天，燃气涡轮机在燃气和蒸汽涡轮机设备(GuD-设备)中得到使用并且在那里主要用于发电。在此，现代的GuD-设备通常包括一台到四台燃气涡轮机和至少一台蒸汽涡轮机，其中要么每台涡轮机分别驱动发电机(多轴设备)要么燃气涡轮机连同处于共同的轴上的蒸汽涡轮机驱动一台唯一的发电机(单轴设备)。在此，所述燃气涡轮机的热的废气用在用于产生水蒸汽的废热蒸汽发生器中。所述蒸汽随后被输送给蒸汽涡轮机。通常大约三分之二的电功率分摊到所述燃气涡轮机上并且三分之一的电功率分摊到蒸汽过程上。

按载能体的可用性，GuD-发电厂也可以设计为IGCC(整体煤气化联合循环(Integrated Gasification Combined Cycle))-设备。在此，在GuD-过程之前预置燃料汽化过程。在此，原始能量(煤炭、生物量、垃圾)在汽化器中被汽化成富含能量的气体。所产生的原气被冷却、被净化并且在此连续通过脱硫设备、过滤器和其它单元。随后将如此产生的合成气体输送给所述GuD-设备的燃气涡轮机。

为产生所述合成气体，按方案在所述燃气涡轮机的压缩机端部上提取空气并且在空气分解设备中将其分解成其主要组成部分氧气和氮气。在完全集成的IGCC-运行中，在此为分解空气仅仅使用从所述燃气涡轮机的压缩机端部上提取的空气，在部分集成的方案中则设置附加的外部的压缩机。在空气分解设备中提取的氧气用于产生合成气体，在所述空气分解设备中作为副产品产生的氮气的一部分与所述合成气体相混合并且在所述燃气涡轮机的燃烧室中被燃烧。

通常通过功率及温度调节器来调节所述燃气涡轮机。在此，所述功率调节器通常通过燃料阀的调节来遵守/调节功率额定值，并且所述温度调节器则借助于压缩机进口导向叶片也就是设在压缩机的进口上的导向叶片的调节来遵守规定的涡轮机排出温度。

此外，从US 2008/0047275A1中公开，调节在单独运行的燃气涡轮机的压缩机的出口的压力。

尤其在上面所说明的IGCC-过程中，在通常的调节方案中会在涡轮机排出温度调节装置和空气分解设备之间(尤其在进口导向叶片的调节区域中)出现不稳定性。在此，所述燃气涡轮机的压缩机的进口导向叶片位置的轻微变化就会导致所提取的空气量的剧烈波动，所述波动而后又反作用于燃气涡轮机并且以级联的方式导致不再能够调整的波动。这样的严重的不稳定性仅仅可以通过所述进口导向叶片的闭锁通过操作人员的手动干预来抑制，不过不能再对燃气涡轮机进行功率调节。所述波动甚至会如此剧烈，从而可能无法再保证所述燃气涡轮机及邻接的系统(如空气分解设备)的可用性。

发明内容

因此，本发明的任务是，说明一种上面所述类型的用于运转燃气涡轮机的方法，该方法能够使燃气涡轮机进行特别安全和可靠的运行。此外，应该说明一种适合于实施所述方法的燃气涡轮机和GuD-设备。

关于所述方法，按本发明该任务通过将压缩机终压力用作调节量这种方式来解决。

本发明以这样的考虑为出发点，即所述燃气涡轮机可以进行特别可靠和安全的运行，如果在燃气涡轮机中明确地避免空气量波动以及与此相关联的不稳定性时。在此尤其在压缩机的出口的区域中出现这些不稳定性。这些不稳定性的主要特征在于压力波动。为了能够对这些波动进行监控，应该测量压缩机的端部上的压力。此外为了能够进行自动控制并且避免不稳定性，压缩机终压力应该在调节所述燃气涡轮机时用作调节量。

在此预先给定所述压缩机终压力的最大的变化速度。尤其在起动燃气涡轮机的过程中或者在负荷变换的过程中，由此避免压缩机端部上的压力变化太快，由此必然抑制不稳定性或级联(Kaskaden)的产生。

由此，所述燃气涡轮机在这些运行状态中始终保持可靠和安全运行的性能。

在另一种有利的设计方案中，为压缩机终压力预先给定额定值。这尤其在以预先给定的功率额定值进行持续运行的过程中有意义。对所述压缩机终压力进行控制并将其调节到预先给定的额定值上，由此能够实现所述燃气涡轮机的在总体上稳定的运行，此外，所述燃气涡轮机以更加恒定的涡轮机功率来运行。

所述压缩机终压力有利地通过所述进口导向叶片的位置的变化来调节。也就是说，所述进口导向叶片的位置直接影响通过所述压缩机流动的空气量。在以往的方案中，所述压缩机进口导向叶片的位置借助于涡轮机排出温度来确定。在这种情况下，这种温度通过热电偶来测量，所述热电偶具有比用于压缩机终压力的压力传感器高得多的反应时间。由此，可以通过所述压缩机终压力几乎无迟延地(比如大约6秒迟延/响应阈值105mbar)对所述压缩机进口导向叶片进行控制。

所述燃气涡轮机的废气温度有利地通过输送给燃烧室的烧嘴的燃料供给的变化来调节。通过涡轮机排出温度的这种调节，不再出现不允许的高的涡轮机排出温度波动，因为与在以往的方案中所规定的燃气涡轮机的进口导向叶片相比，燃料阀更快且更精确地调节所述温度。

在另一种有利的设计方案中，在所述燃气涡轮机的压缩机的出口上提取空气。尤其在那些在压缩机的端部上设有用于比如为煤的汽化提供氧气的空气分解设备的空气提取系统的燃气涡轮机中，会在压缩机的端部上出现高的压力波动。这些不稳定性由于所述空气提取系统缺少机械脱耦而出现，从而在所述系统之间出现相互作用。通过所述燃气涡轮机的相应的压力调节来避免这些不稳定性并且所述空气分解设备仅仅必须提取必要的质量流量。

与本发明相关联的优点尤其在于，通过将所述压缩机终压力用作用于调节燃气涡轮机的调节量这种方式可以保证所述燃气涡轮机特别安全和可靠的运行，因为通过对所述压缩机终压力的变化速度的与所述空气分解设备相匹配的限制不会在所述压缩机的出口的区域中出现任何不允许的反馈(Rückkopplung)和不稳定性。

通过所述压力调节方案，可以在完全集成的具有空气提取系统的IGCC-运行中省略以往常用的设在燃气涡轮机和空气分解设备之间的用于压力及质量流量调节的调节装置。所述空气分解设备根据其需求在已经由所述燃气涡轮机调节的恒定的压力或最大的压力梯度的情况下提取空气。此外在部分集成的方案中，可以使用用于质量流量限制的调节装置以提取空气。所述压力调节方案在这里考虑所有集成度。

此外，通过所述压力调节方案不再出现不允许的高的涡轮机排出温度波动，因为与燃气涡轮机的进口导向叶片相比，燃料阀更快且更精确地调节所述温度，由此即使在干扰情况中也能够实现所有设备部件的在总体上更平稳的反应。通过上级的功率调节，可以在燃气涡轮机的正常运行中满足负载运营商(Lastbetreiber)的关于功率额定值的要求。在这样的功率调节中，在所述进口导向叶片的调节范围内总是遵守用于所述空气分解设备的允许的压力梯度。

通过压力调节方案中的调节器结构，可以用明确的且能够再现的性能来调节来自外面(空气分解设备，煤汽化)的影响并根据客户要求对其进行优化。

附图说明

下面借助于附图对本发明的实施例进行详细解释。其中：

图1是燃气涡轮机的纵剖面，并且

图2是压力调节方案的示意图。

相同的部件在两张附图中用相同的附图标记来表示。

具体实施方式

图1示范性地示出了环形燃烧室结构的燃气涡轮机1。也可以设想大量其它的方案如圆仓燃烧室或管形燃烧室。所述燃气涡轮机1在此具有用于对燃烧用空气进行压缩的压缩机2。为调节通过所述压缩机2的空气流量，该压缩机2具有能够调节的进口导向叶片3。此外，所述燃气涡轮机包括燃烧室4以及涡轮机6，所述涡轮机6用于驱动压缩机2和未示出的发电机或者作功机械。为此，所述涡轮机6和压缩机2布置在共同的也称为涡轮转子的涡轮机轴8上，所述发电机或者说作功机械也与该涡轮机轴8相连接，并且该涡轮机轴8以能够围绕着自身的中轴线9旋转的方式得到支承。

在所示出的实施例中以环形燃烧室的类型构成的燃烧室4装备着一定数量的用于使液态的或者气态的燃料燃烧的烧嘴10。此外，该燃烧室4在其内壁上设有未详细示出的挡热板元件。

所述涡轮机6具有一定数量的与所述涡轮机轴8相连接的能够旋转的动叶片12。所述动叶片12环状地布置在所述涡轮机轴8上，并且由此形成一定数量的动叶片组。此外，所述涡轮机6包括一定数量的固定的导向叶片14，所述导向叶片14同样环状地在形成导向叶片组的情况下固定在所述涡轮机6的内缸16上。但是所述动叶片12用于通过流经涡轮机6的工作介质M的脉冲传递来驱动所述涡轮机轴8。相反，所述导向叶片14则用于在相应两个沿工作介质M的流动方向看先后相随的动叶片组或动叶片环之间对所述工作介质M进行导流。先后相随的、由导向叶片14构成的环或者导向叶片组与由动叶片构成的环或者动叶片组构成的叶片对在此也称为涡轮级。

每个导向叶片14具有也称为叶根的平台18，该平台18为将相应的导向叶片14固定在所述涡轮机6的内缸16上而作为壁体元件来布置。所述平台18在此是经受比较严重的热负荷的部件，该部件形成用于所述流经涡轮机6的工作介质M的热气通道的外面限制件。每个动叶片12以类似方式通过也作为叶根得到固定的平台20固定在所述涡轮机轴8上。

为控制所述燃气涡轮机1，该燃气涡轮机1包括控制系统30，该控制系统30一方面调节输送给所述烧嘴10的燃料供给，另一方面调节所述压缩机2的进口导向叶片3的位置。通常在此将燃气涡轮机功率和流动介质M在燃气涡轮机1的出口上的排出温度考虑作为调节量。

在传统的调节方案中，所述涡轮机排出温度通过所述压缩机2的进口导向叶片3的调节来调节并且所述涡轮机功率则通过输送给所述烧嘴10的燃料供给的调节来调节，但是在所述传统的调节方案中会在所述压缩机2的出口的区域中出现不稳定性。这尤其适用于以下情况，即在所述压缩机2的端部上设置了空气提取系统，该空气提取系统将空气输送给未详细示出的空气分解设备，并且在该空气分解设备中将空气分解成氧气和氮气并且将氧气用于使固体燃料比如煤汽化成合成气体。为避免所述不稳定性，在所述燃气涡轮机1中在所述压缩机2的端部上设置了对压缩机终压力进行监控的压力传感器32。

所述控制单元30的作用原理在按图2的线路图中示出。

首先为调节所述燃气涡轮机1预先设定了功率额定值40和废气温度额定值42。在此所述功率额定值40依赖于电网运营商的要求或者说用于电网的所必需的电功率。所述温度额定值按在燃气及蒸汽涡轮机发电厂中通常布置在所述燃气涡轮机1后面的蒸汽锅炉的设计参数来确定。

首先将所述功率额定值40传输给处理单元44，该处理单元44一同考虑相应的用于功率变化的极限值并且输出相应迟延的功率额定值。将这个迟延的功率额定值传输给另一个处理单元46，该处理单元46检查所述功率额定值是否超过依赖于所述燃气涡轮机1的设计参数的极限功率值48。在此从所述极限功率值48和从所述处理单元44中输出的迟延的功率额定值中形成最小值并将其继续传输。

而后在差值单元50中首先形成所述预先给定的功率额定值与当前的标准化的功率实际值52之间的差值，并将其传输给转速功率调节单元54。所述转速功率调节单元54在此只有在满足以下前提时才被释放：首先废气温度控制装置必须未被激活56，其次至少要么所述压缩机进口导向叶片必须关闭58，进口导向叶片调节器必须未被激活60要么所述废气温度控制装置必须没有起作用62。

随后将在所述转速功率调节器中求得的功率值传输给处理单元64。作为在所述转速功率调节器54中进行的处理的替代方案，也可以通过跨接单元66来跨接所述转速功率调节器54，从而将所述功率额定值从所述处理单元46直接按比例地跨导给(Durchgriff)所述处理单元64。

与对所述功率额定值40进行的处理并行地对所述废气温度额定值42进行处理。首先将该废气温度额定值42传输给处理单元68，该处理单元68从所述预先给定的废气温度额定值42和最低废气温度调节器70的废气温度值中形成最小值。对于从所述最小值形成中获得所述最低废气温度调节器70的原始数值这种情况来说，所述处理单元68输出所述最低废气温度调节器没有起作用72这个信号。

将由所述处理单元68求得的用于废气温度的数值传输给另一个处理单元74，在该处理单元74中考虑环境条件如外部温度和外部压力以及针对运行的极限值。将如此求得的用于废气温度的额定值传输给差值单元76，在该差值单元76中求得相对于当前的废气温度实际值78的差值。将所求得的差值传输给废气温度调节器80。如果至少废气温度调节器在起作用62这个输入信号是激活的或者减少负荷82，也就是说在所述燃气涡轮机1上突然降低所取用的功率，则此时所述废气温度调节器80得到释放。而后同样将所述废气温度调节器80的输出信号传输给所述处理单元64。

所述处理单元64除了考虑所述转速功率调节器54的原始数值和所述废气温度调节器80的原始数值之外还考虑其它的输入数据。所述其它的输入数据一方面包括借助于预先给定的燃料质量流量曲线对所述燃气涡轮机1的起动过程进行控制的加速传感器84的燃料质量流量值，另一方面包括对燃气涡轮机1的压缩机2的输入和输出压力进行监控的压力比限制调节器86的预先给定的最大的压力比额定值。也就是说，在所述压缩机2中比如在所述燃气涡轮机1的燃烧室4中出现爆燃的情况时会出现断流或者说逆流，所述断流或者说逆流使得所述燃气涡轮机的功率的降低成为必要。

所述处理单元64从所述输入数据的数目中相应地选出最不严重的燃料质量流量值，并且将所求得的最小的数值传输给用于燃料阀的位置额定值形成单元88。在这里存在的用于IGCC-设备也就是具有集成的煤汽化装置的设备的控制单元30中，在此相应地检测煤气和所混合的天然气的份额，并且将相应的用于燃料量的数值传输给天然气阀90的位置调节器或者说煤气阀92的位置调节器。所述位置调节器90、92而后分别控制所述天然气阀94的位置或者说煤气阀96的位置。

所述最低废气温度调节器70依赖于所述燃气涡轮机的运行状态得到其输入信号。在所述燃气涡轮机的起动过程中，所述最低废气温度调节器70从差值单元98中得到功率差值信号，所述差值单元98在起动过程之后从由所述处理单元46输出的额定功率和所述燃气涡轮机的当前的标准化的功率52中形成差值，也就是说，如果不仅所述转速功率调节器54得到释放，所述废气温度调节器得到激活56并且压缩机最低压力调节器不起作用100，那么还仅仅所述预先给定的温度额定值42起决定作用。

将从当前的标准化的功率实际值52和来自所述处理单元46的功率额定值中得到的差值作为输入信号传输给所述导向叶片功率调节器102。如果至少所述压力比限制调节器在起作用104或者所述废气温度调节器在起作用62并且所述最低废气温度调节器在起作用72，则所述导向叶片功率调节器102得到释放。此外，作为下限制向所述导向叶片功率调节器102提供压缩机终压力额定值106。

类似于转速功率调节器54，在导向叶片功率调节器102上也设置了跨接单元108，通过该跨接单元108可以按需要按比例跨导(Durchgriff)额定值。将所述导向叶片功率调节器102或者说所述跨接单元108的信号传输给处理单元110，该处理单元110为所述导向叶片压力调节器112求得暂时的额定值。在此，另外作为输入数据向所述处理单元110提供用于所述压缩机最低终压力114的额定值，除非所述压缩机最低压力调节器未被激活116。此外，所述处理单元110提供所述压缩机最低压力调节器起作用100这个输出信号。

将所述处理单元110的输出信号传输给处理单元118。这个处理单元118现在求得用于压缩机终压力的额定值，并且在此使用所有按运行预先给定的用于所述压缩机终压力的极限值以及所述压缩机终压力的允许的变化速度。相应地，所述处理单元118也直接从燃气涡轮机1中的传感器32得到压缩机终压力实际值120。

只要既不激活所述进口导向叶片调节器也就是说不手动调节所述导向叶片又不使所述废气温度调节器起作用62、又不激活所述压缩机最低压力调节器116或者又不使所述压力比限制调节器起作用122，那么所述处理单元118就输出当前的压缩机终压力实际值120作为额定值。一旦激活导向叶片压力调节功能124，那就冻结所述额定值并且通过处理单元126直接将其传输给处理单元118。该处理单元118而后求得相应恒定的压缩机终压力额定值106，通过差值单元130将该压缩机终压力额定值106传输给所述导向叶片压力调节器112。

而后，只要所述进口导向叶片调节器被激活60，导向叶片压力调节器112就对所述导向叶片进行控制，否则将手动预先给定的导向叶片位置额定值132传输给导向叶片位置控制单元134。该导向叶片位置控制单元134而后相应地控制用于所述导向叶片的位置的马达136。

通过所述新颖的调节方案尤其在处理单元118中对压缩机终压力的考虑，可以实现所述燃气涡轮机1及整个GuD-设备的在总体上更为安全和更加稳定的运行。这尤其适用于这样的为所述IGCC-运行而设计的GuD-设备，因为这里通过对压缩机终压力的连续监控及对所述燃气涡轮机1的相应的调节必然可以避免因用于煤汽化的空气提取系统而引起的故障。

Claims (7)

1.用于运转燃气涡轮机(1)的方法，所述燃气涡轮机(1)包括压缩机(2)、燃烧室(4)和涡轮机(6)，

在该方法中将压缩机终压力(120、128)用作调节量，

其特征在于，

预先设定所述压缩机终压力(120、128)的最大的变化速度，

其中，所述燃气涡轮机(1)的压缩机(2)包括一定数量的能够调节的进口导向叶片(3)，并且

其中，所述压缩机终压力(120、128)通过所述进口导向叶片(3)的位置的变化来调节。

2.按权利要求1所述的方法，

其中，预先设定用于所述压缩机终压力(120、128)的额定值。

3.按权利要求1或2所述的方法，

其中，所述燃气涡轮机(1)的废气温度通过输送给燃烧室(4)的烧嘴(10)的燃料供给的变化来调节。

4.按权利要求1或2所述的方法，

其中，在所述燃气涡轮机-压缩机(4)的出口上提取空气。

5.按权利要求4所述的方法，

其中，将所提取的空气输送给空气分解设备，并且将在所述空气分解设备中得到的氧气用于产生合成气体，由燃气涡轮机燃烧所述合成气体用于产生热气。

6.燃气涡轮机(1)，

包括压缩机(2)、燃烧室(4)、涡轮机(6)和控制装置连同分配给该控制装置的压缩机终压力传感器，

其中，所述控制装置用于实施按权利要求1到5中任一项所述的方法。

7.具有按权利要求6所述的燃气涡轮机(1)的燃气及蒸汽涡轮机设备。