CN101725412B - 用于改变燃气轮机的效率的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于改变燃气轮机的效率的系统和方法，更具体地，本发明的一个实施例采用一种应用和过程的形式，其结合外部热源(140)以提高进入到燃气轮机(150)的压缩机部分(155)的气流的温度。本发明的一个实施例可执行可不要求运行进气加热系统(125)的防冰操作。本发明的一个实施例可执行可允许将进口导流叶片角度保持几乎恒定的防冰操作。本发明的一个实施例通过延迟进气加热系统运行以及延迟关闭进口导流叶片而可以提升以部分负载运行的燃气轮机(150)的输出和效率。
Description
技术领域
本发明涉及燃气轮机上热控制系统的运行，并且更具体地涉及一种使用位于燃气轮机外部上的热源的防冰系统。
背景技术
燃气轮机(包括航改型燃气轮机)的操作员寻求来自机械装置的最大输出和效率。这典型地发生在以基本负载运行时。在基本负载运行期间，燃烧来自压缩机部分的大部分压缩空气，并完全打开进口导流叶片(IGV)，允许压缩机从周围环境吸入最大空气量。
为了从现有的燃气轮机产生额外功率，通常使用进口空调系统。通过降低进入燃气轮机的压缩机部分的气流的温度，空调系统增加了气流密度。这增加了进入压缩机的气流的质量流率，导致升高的燃气轮机的效率和输出功率。空调系统可以具有例如位于燃气轮机的进口系统内的冷却器系统的形式，但并不限于这种形式。
然而，燃气轮机的基本负载运行或来自燃气轮机的最大输出尽管是操作员所期望的，但并不总是切实可行的。在能源市场(电网等)中可能不需要在基本负载下产生的所有能量。这里，燃气轮机必须或者被关机，或者以部分负载运行，此处产生比最大能量少的能量。在某些能源市场中，部分负载运行典型地发生于傍晚或者夜间期间，此时电力需求一般会下降。
一些燃气轮机在寒冷、潮湿的周围环境中运行。这些环境会允许在进口系统内以及在压缩机部分的部件上形成冰，这对于燃气轮机可能是有害的。防冰系统被用来防止或者去除该结冰。这些系统可以具有进气加热系统(IBH，inlet bleed heat system)的功能，该IBH系统将热的压缩机排放空气再循环至进口系统，提高了进口气流的温度。此外，防冰系统典型地调节IGV以减少进入压缩机部分的空气量。在防冰操作期间，燃气轮机的功率和效率显著地降低。
由于上述原因，对于不显著地影响燃气轮机的输出和效率的防冰系统存在着需求。该系统应当结合外部热源以提高进入压缩机部分的气流的温度。该系统应当与先前存在的空调系统结合以提高气流温度。
发明内容
根据本发明的实施例，一种用于改变以部分负载运行的燃气轮机(150)的效率的系统，该系统包括：构造成用来接受气流的进口系统(100)，该进口系统(100)包括：进气加热(IBH)系统(125)和空调系统(115)，该空调系统(115)构造成用来调节该进口空气的温度，其中气流以第一温度进入该空调系统(115)并以第二温度离开该空调系统(115)；包括压缩机部分(155)的燃气轮机(150)，其中该压缩机部分(155)包括进口导流叶片(IGV)系统，并且其中该压缩机部分(155)接受来自该进口系统(100)的气流；以及定位到该燃气轮机(150)上并与该空调系统(115)结合的热源(140)，其中该热源提高气流的温度。
附图说明
图1是示意图，示出了用于提高根据本发明的第一实施例的燃气轮机的效率的系统的一个示例。
图2是图表，示出了在防冰操作中使用的典型的进气加热图。
图3是示出了本发明一个实施例的益处的图表。
图4是示意图，示出了用于提高根据本发明的第二实施例的燃气轮机的效率的系统的一个示例。部件列表100进口系统105防风雨罩107漂浮物清除器/凝聚过滤器衬垫110进口过滤器壳115空气预热系统120过渡件125进气加热130进口导管140热源150燃气轮机155压缩机部分160轴165燃烧系统170燃料175涡轮部分180发电机190轮机控制系统200进气加热图205x轴270第一y轴275第二y轴220发电机输出225进口空气温度300比较图305x轴310第一y轴315第二y轴320第一发电机输出325第二发电机输出330第一进口空气温度335第二进口空气温度340第一热耗(heat-rate)345第二热耗405阀410温度元件415热电偶420余热蒸汽发生器(HRSG)425蒸汽轮机430发电机435冷凝器
具体实施方式
优选实施例的以下详细描述参考附图，这些附图示出了本发明的特定实施例。具有不同结构和操作的其它实施例不脱离本发明的范围。
本文中可能仅为了读者的方便而使用某些用语，并且这些用语不被认为是对本发明的范围的限制。例如，“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶部”、“底部”、“水平”、“垂直”、“上游”、“下游”、“前”、“后”等的措辞仅描述显示在附图中的构造。当然，本发明的一个实施例的一个或多个元件可以以任何方向定向，并且因而除非另外特别声明，否则用语应当理解为包括这些变体。
可以将本发明应用到多种燃气轮机上，包括但不限于航改型的轮机等。本发明的一个实施例采用结合外部热源以提高进入燃气轮机的压缩机部分的气流温度的应用和过程的形式。本发明的一个实施例可以执行可不要求运行IBH系统的防冰操作。本发明的一个实施例可以执行允许IGV角度保持几乎恒定的防冰操作。通过延迟IBH运行以及延迟关闭IGV，本发明的一个实施例可以提高以部分负载运行的燃气轮机的输出和效率。
现在参考附图，其中贯穿若干视图不同的标号代表相似的元件，图1是示意图，示出了用于提高根据本发明的一个实施例的燃气轮机150的效率的系统的示例。图1示出了包括进口系统100的部位；结合了燃气轮机150；以及轮机控制系统190。
进口系统100引导由压缩机部分155吸入的气流(由指向进口系统100的箭头代表)。可以直接或者间接地从燃气轮机150在其中运行的环境中得到该气流。最初，气流在防风雨罩105的周围流动，这可防止诸如雨、雪等的天气要素(weather element)进入压缩机部分155。然后，气流可以流经进口过滤器壳110；这通常会去除来自气流的外来物体以及碎屑。接下来，气流可以穿过空调系统115。接下来，气流可以穿过过渡件120和进口导管130；在进入压缩机部分155之前，这些部件可以调整气流的速度和压力。气流还可以流经IBH系统125。当运行时，IBH系统125通过将一部分压缩机排放空气再循环经过IBH的交换器等而提高气流温度。
进口系统100通常与燃气轮机150结合；该燃气轮机150包括可包含IGV系统185的压缩机部分155、燃烧系统165以及涡轮部分175。气流一般离开进口系统100并进入压缩机部分155，气流被压缩且随后被排放到燃烧系统165，在此燃烧诸如天然气的燃料170以提供驱动涡轮部分175的高能燃烧气体。在涡轮部分175中，将热气体的能量转换成为功，一些功被用于通过轴160来驱动压缩机部分155，且剩余部分可用作驱动诸如发电机180的负载的有用功。
轮机控制系统190通常控制燃气轮机150和进口系统100的部件的运行。轮机控制系统190可接受关于气流的周围条件的运行数据。运行数据可用于安排IBH系统125的运行。
例如但不限于，如果周围温度在大约40华氏度以下，并且如果气流温度在气流露点温度的大约10华氏度以内，则轮机控制系统190可以启动IBH系统125。这里，轮机控制系统190可以采用闭环控制方案以将气流温度维持在露点之上大约10华氏度以防止凝结，凝结会在大约32华氏度以下在表面上形成冰。如图2和图3中所示，采用IBH系统125的防冰操作可显著地影响燃气轮机150的输出和效率。
图2是图表200，该图表200示出了典型的进气加热图，该加热图可由轮机控制系统190在控制IBH系统125用于防冰操作时使用。具体地，图2示出了在气流温度为大约20华氏度时燃气轮机150可以以部分负载运行时的多个数据。在图2中，x轴205代表IGV185的角度，第一y轴270代表气流温度，并且第二y轴代表发电机180的输出。图2示出了在采用IBH系统125时防冰操作对燃气轮机150的输出可能具有的影响。
数据序列225绘出了x轴205上的IGV 185的角度相对于第一y轴210上的气流温度的图。这里，图表200示出在防冰操作之前，气流为大约20华氏度。然后，当将IGV 185的角度降低到大约65度时，气流温度开始升高，这反映了防冰操作的效果。可以将此视为参考点A(在下文中为“REF_A”)并示出为图2上的“A”。此外，当将IGV 185的角度降低到大约44度时，气流温度升高到大约50华氏度。可以将此视为B点(在下文中为“REF_B”)并示出为图2上的“B”。
数据序列220绘出了IGV 185的角度相对于第二y轴215上的发电机180的输出的图。在REF_A处，输出的下降与运行IBH系统125相关。具体地，在65度到60度的IGV 185的角度之间，随着IGV 185的角度减小以及随着气流温度升高，输出降低。此外，REF_B示出了燃气轮机150的输出的显著降低。在REF_A处，输出为大约150兆瓦特，而在REF_B处，输出为大约60兆瓦特。这种输出的降低也转化成以部分负载运行时燃气轮机150的效率的降低。
再参考图1，本发明的一个实施例可提供外部热源140，该外部热源140构造成提高在进口系统100内流动的气流的温度。如所讨论的，进口系统100可以包括具有冷却系统等的形式的空调系统115。典型地，当燃气轮机150在额定温度范围之上的环境条件中运行时，可以用空调系统115来降低气流的温度。典型地，当周围条件允许在进口系统100或者燃烧部分155内发生结冰时，空调系统115不运行。
本发明的一个实施例将外部热源104与空调系统115结合，以便当燃气轮机150在允许发生结冰的周围环境中运行时加热气流。这可以减少运行IBH系统125的需要，从而增加了燃气轮机150的效率和输出。
外部热源140可以为不直接从燃气轮机150接受热量的任何形式。例如但不限于，外部热源140可具有以下形式中的至少一种形式：余热蒸汽发生器、锅炉、发动机、冷凝器、动力装置部件、太阳能源、地热能源、燃料电池/化学反应以及它们的组合。
在使用中，轮机控制系统190可以结合外部热源140，以通过空调系统115来控制气流的加热。本发明的一个实施例可以执行下面的步骤，以在进口系统100和燃气轮机150上执行防冰过程。确定燃气轮机150何时以部分负载运行。确定气流的温度是否在温度范围以下，并且如果需要的话随后确定是否操作空调系统115以将气流的温度提高到温度范围之上。当空调系统115运行时，轮机控制系统190还可提供使IGV系统185的调节或者关闭延迟的偏置。当空调系统115运行时，轮机控制系统190还可提供使IBH系统125的运行延迟的偏置。
轮机控制系统190可在控制外部热源140时确定燃气轮机150的效率。当轮机控制系统190接受关于周围条件、热源的输出的数据时可能发生该情形。周围条件数据可包括周围温度、周围压力、周围湿度或者它们的组合中的至少一个。
如所讨论的，本发明的一个实施例可以提高以部分负载运行的燃气轮机150的效率。本发明的一个实施例可以延迟或者避免使用IBH系统125，并且还可以延迟或者避免关闭压缩机部分155的IGV 185。图3是示出了本发明的一个实施例的益处的图表。具体地，图3示出了在气流温度为大约20华氏度时燃气轮机150可能以部分负载运行时的多个数据。在图3中，x轴305代表IGV 185的角度，第一y轴310代表气流温度以及燃气轮机150的归一化功率输出(normalized power output)，并且第二y轴315代表燃气轮机150的热耗。图3包括数据序列320，其代表了第一发电机输出，这与在图2中示出的数据序列220类似。此外，图2中的参考点A和B类似地定位在图3中。图3还包括图2中的数据序列225，该数据序列225示出了气流温度。图3还包括数据序列330，该数据序列代表了燃气轮机150的热耗。
图3还示出了在采用本发明的一个实施例时，对于燃气轮机150的输出和热耗的改善。数据序列330可代表第一热耗，其是在20华氏度的气流环境中运行的燃气轮机150的热耗。数据序列330示出了使用IBH系统125运行防冰系统的效果。
在REF_A处，使用IBH系统125的防冰操作的效果开始变得明显。这里，数据序列330示出了大约为9.25BTU/KWH的第一热耗；数据序列320示出了大约85％的归一化输出功率；并且数据序列225示出了大约20华氏度的气流温度。
在REF_B处，防冰操作的重大运行效果是明显的。这里，数据序列330示出了大约14.5BTU/KWH的第一热耗；数据序列320示出了大约31％的归一化输出功率；并且数据序列225示出了大约50华氏度的气流温度。
图3还示出了在本发明的一个实施例提供用于防冰操作的外部热源140时对燃气轮机150的益处。这些益处可包括由数据序列325代表的输出功率的增加；以及由数据序列335代表的热耗的降低。
可以用图3来比较进行防冰操作的燃气轮机150的热耗和输出。防冰操作示出为使用了IBH系统125；并且如上所述何时使用外部热源140。可以将第一热耗视为与为了防冰使用IBH系统125相关的热耗，并且其由数据序列330代表。如前所述，可以将第二热耗视为在不为了防冰使用IBH系统125时的热耗，并且该第二热耗由数据序列335代表。可以将第一发电机输出视为与为了防冰使用IBH系统125相关的输出，并且该第一发电机输出由数据序列320代表。如前所述，可以将第二发电机输出视为在不为了防冰使用IBH系统时的热耗，并且该第二发电机输出由数据序列325代表。
例如但不限于，在参考点B′(在下文中为“REF_B′”)
以及在图3上示出为“B′”处，示出了显示在表1中的运行数据比较。
表1
| 近似IGV角度 | 近似热耗 | 近似归一化功率输出 | |
| 有IBH | 51 | 48％ | 11500btu/kwn |
| 无IBH | 51 | 56％ | 9661btu/kwn |
图4是示意图，示出了用于提高根据本发明的第二实施例的燃气轮机150的效率的一个系统的示例。图4示出了适于以联合循环模式运行的燃气轮机150。这里，离开涡轮部分175的废热可以流向余热蒸汽发生器(HRSG)420等。HRSG 420可以从废热产生蒸汽。蒸汽可以流向蒸汽轮机425，蒸汽轮机425可以将蒸汽中的一些能量转化为由第二发电机430产生的电力。该过程可以导致蒸汽凝结，并且凝结物可以流向冷凝器435。
凝结物可以变成与空调系统115结合的外部热源140以防止结冰。在本发明的一个实施例中，凝结物可以流经空调系统115的冷却系统。这里，至少一个阀405可以调整进入空调系统115的凝结物的流。然后，凝结物可以流经空调系统115，加热从空调系统115溢出的气流。可以由温度元件410和热电偶415确定的气流温度可以由轮机控制系统190用来确定阀405的位置。然后，在流动经过空调系统115后，凝结物可以返回到冷凝器435并返回到HRSG 420。
在本文中使用的用语仅用于描述特定实施例的目的，并不是意在限制本发明。如在本文中使用的，除非上下文另外清楚地指出，否则单数形式“一”、“一个”和“该”也意在包括复数形式。将进一步理解的是：当在本说明书中使用时，用语“包括”和/或“包含”表明所陈述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除一个或者多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组合的存在或者增加。
尽管在本文中已经示出并描述了特定的实施例，但是应当理解的是：进行计算以达成同样目的的任何布置均可以替代示出的特定实施例，并且本发明在其它的环境中具有其它应用。此应用旨在覆盖本发明的任何改型或者变体。所附权利要求决不是旨在将本发明的范围限于本文所述的特定实施例。
Claims (9)
1.一种用于改变以部分负载运行的燃气轮机(150)的效率的系统，所述系统包括：
构造成用来接受气流的进口系统(100)，所述进口系统(100)包括：进气加热系统(125)和空调系统(115)，所述空调系统(115)构造成用来调节进口空气的温度；其中所述气流以第一温度进入所述空调系统(115)，并以第二温度离开所述空调系统(115)；
其中，所述进气加热系统设置于所述空调系统的下游，所述进气加热系统包括连接到压缩机部分、用于将压缩空气循环到所述进气加热系统的循环管道；
包括所述压缩机部分(155)的燃气轮机(150)，其中所述压缩机部分(155)包括进口导流叶片系统，并且其中所述压缩机部分(155)接受来自所述进口系统(100)的所述气流；
设置在所述燃气轮机(150)外部、并与所述空调系统(115)结合的热源(140)；其中所述热源提高气流的温度；且所述热源包括以下形式中的至少一种形式：锅炉、太阳能源、地热能源、燃料电池/化学反应以及它们的组合；以及
涡轮控制系统(190)，所述涡轮控制系统构造成控制所述空调系统和所述进口导流叶片系统，以在空调系统运行时提供使所述进口导流叶片系统的调节延迟的偏置。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，当所述燃气轮机(150)以部分负载运行时，所述空调系统(115)减少调节所述进口导流叶片系统。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，当所述燃气轮机(150)以部分负载运行时，所述空调系统(115)减少使用所述进气加热系统(125)以加热所述气流。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述气流的第一温度包括周围温度。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述空调系统(115)包括冷却系统。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述系统还包括用于控制所述热源的排放流的至少一个阀(405)，其中所述至少一个阀允许该排放流进入所述空调系统(115)。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统还包括确定周围条件的至少一个装置，其中所述周围条件包括周围温度、周围压力、周围湿度或者它们的组合中的至少一种。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统还包括轮机控制系统(190)，所述轮机控制系统(190)构造成利用所述周围条件来控制所述至少一个阀的位置。
9.一种改变以部分负载运行的燃气轮机(150)的效率的方法，所述方法包括：
提供燃气轮机(150)，其中所述燃气轮机(150)包括：
构造成用来接受气流的进口系统(100)，所述进口系统(100)包括：进气加热系统(125)和构造成用来调节进口空气的温度的空调系统(115)，其中所述进气加热系统设置于所述空调系统下游，所述进气加热系统包括连接到压缩机部分、用于将压缩空气循环到所述进气加热系统的循环管道；
所述压缩机部分(155)，其中所述压缩机部分(155)包括进口导流叶片系统，并且其中所述压缩机部分(155)接受来自所述进口系统(100)的所述气流；以及
设置于所述燃气轮机(150)外部、并与所述空调系统(115)结合的热源(140)；其中所述热源(140)可提高所述气流的温度，且所述热源包括以下形式中的至少一种形式：锅炉、动力装置部件、 太阳能源、地热能源、燃料电池/化学反应以及它们的组合；
确定所述气流的温度是否在温度范围以下；
确定是否运行所述空调系统(115)以将所述气流的温度提高到所述温度范围以上；
控制所述热源以通过所述空调系统将所述气流的温度提高到所述温度范围以上；以及
在空调系统运行时，控制延迟所述进口导流叶片系统的调节。
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