CN103133147B - 用于改变燃气涡轮系统中的功率输出的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于在柔性负载下优化涡轮系统的运行的方法和设备。一种燃气涡轮系统包括压缩机保护子系统、冬眠模式子系统，以及控制压缩机子系统和冬眠子系统的控制子系统。在涡轮系统上的部分负载下，压缩机保护子系统使通过压缩机的空气流保持在高于最小流率系数的部分负载空气流量系数下，在最小流率系数下，在压缩机中会出现空气动力学应力。在以部分负载运行时，保持燃烧器中的空气燃料比，在该空气燃料比下，来自涡轮的排气排放成分保持低于预定成分排放水平。

Description

用于改变燃气涡轮系统中的功率输出的方法和设备
技术领域
本发明涉及燃气涡轮系统，并且更具体而言涉及用于在柔性负载下优化涡轮系统的运行的设备和方法。
背景技术
由于全球人口和收入的不断增长，电需求在全世界范围内继续增加。电网需要调节大量有些不可预测的需求变动以及生产容量的计划内和计划外的变化。另外，替代源(诸如风能和太阳能产生的功率)越来越重要，而且这些源对产生功率来满足需求的方式有影响。
电力需求是无秩序的。需求可随每天、每月、每季和每年的循环变化。例如，在热天的典型民用日常需求分布图可显示清晨时间最小，而在傍晚时间最大。在同一天的商用需求可显示在清晨时间最小，而大概在中午最大。一年中的天气和季节也会影响需求。高峰需求在一些情况下可为最小需求的两倍。
因为无法高效地存储电力公司生产的电，所以电力公共事业公司在传统上用不同的生产方法的组合来产生功率。例如，可使用大型核功率或燃煤电站来产生最小量的功率(基本负载)。基本负载电站典型地以最大输出不断运行。
在高峰需求(高峰负载)的时间期间，电力公司可使用简单循环燃气涡轮来产生功率。对于供应高峰负载期间所需的额外容量，燃气涡轮是合乎需要的，因为它们有快速启动的能力，在10到30分钟内产生电功率。在一天中对功率的需求低时的部分中，可关闭用来在高峰负载的时期期间产生功率的燃气涡轮。可根据需求来改变燃气涡轮的运行时期。
一些公共事业公司也运行负载跟踪式电站，其在一天中在中等需求的时期期间供应功率。有时使用联合循环燃气涡轮系统作为负载跟踪式电站。联合循环燃气涡轮系统典型地包括联接到燃气涡轮的排气口上的热回收蒸汽发生器。随着需求在一整天波动，联合循环燃气涡轮系统可调节它们的功率输出。在效率、启动速度和关闭速度以及容量方面，联合循环燃气涡轮系统典型地处于基本负载电站和高峰电站(例如用来提供高峰功率的燃气涡轮)之间。
为了满足增加的需求和解决环境考量，许多公共事业公司 都在使用可再生的能源(诸如风能和太阳能)来满足中等和高峰负载。这些源对电力需求增加了额外的变化性，因为它们的生产容量断断续续。例如，太阳能发电站的功率输出取决于云量而改变，并且类似地，风能功率输出将取决于风速而改变。
作为高峰负载的功率源，燃气涡轮具有许多优点。燃气涡轮高效，具有较低的安装成本，较迅速地启动和关闭，以及具有低的排放。燃气涡轮的启动顺序始于对启动器赋能。当涡轮的RPM达到点火RPM时，点燃系统被赋能，并且燃料提供给燃烧器。在燃烧之后，燃料流增加，同时使温度保持低于建立的温度极限。然后控制燃料流，以实现平稳加速，直到达到空转速度为止。
燃气涡轮可以基本负载、高峰负载和低于基本负载的负载运行。燃气涡轮基本负载是优化功率输出和热气路径部件寿命的负载。ANSI B133.6定额和性能将基本负载限定为每年运行8000小时，启动800小时。它还将高峰负载限定为每年运行1250小时，启动五小时。燃气涡轮的高峰负载是常常在牺牲效率、部件寿命和检查间隔的情况下最大程度地提高功率输出的负载。燃气涡轮可以部分负载或低负载运行，以便在功率需求增加时，能够快速斜坡增加到较高的输出。以部分负载运行燃气涡轮存在优点和缺点。一个优点是降低在启动和关闭期间引起的电站维护成本。但是，以低负载运行会导致较低的运行效率和较高的运行成本。
来自燃气涡轮的功会随质量流量、燃烧气体中的热能和跨过涡轮的温差而改变。这些因素可受到环境状况、燃料、入口和排气损耗、燃料加热、稀释剂喷射、空气抽取、入口冷却以及蒸汽和水喷射的影响。例如，环境状况(压力、温度和湿度)的变化会影响压缩机的空气进气的密度和/或质量流量，以及因此影响燃气涡轮性能。质量流量又会随压缩机空气流量和燃料流量而变化。
符合排放标准也是燃气涡轮的运行的主要约束。大多数燃气涡轮燃烧低硫和低灰燃料。因此，从燃气涡轮中排出的主要污染物是氮氧化物(NO和NO2，总称为NOX)、一氧化碳(CO)和挥发性有机化合物(VOC)。当在燃气涡轮中燃烧天然气时，NOX和CO被认为是重要的主要排放。来自燃气涡轮的排放会随环境温度、负载和污染物浓度而显著地改变。在50%的负载以下，排放浓度可增加。这对于一氧化碳(CO)尤其如此。因此，存在这样的负载水平极限，即，传统的燃气涡轮系统可以该负载水平极限运行，同时仍然符合排放标准。
可应用于燃气涡轮运行的排放标准在不同的国家可有所不同，而且在美国，除了联邦标准之外，标准在不同的州可有所不同。管理机构可施行各种制度来调整排放。例如，NOX排放极限可表示为每单位输出的NOX磅数或每单位热输入的NOX 磅数(瞬间极限)。在一些情况下，标准可用公式表示为基于浓度或基于输出的排放标准。基于浓度的极限可用每百万分之一份(体积)(ppmv)的单位表示。基于输出的排放极限可用每单位可用回收能量的排放质量或每兆瓦小时的磅数的单位表示。可基于每年或其它时段(期间极限)排出的NOX吨数来限制一些电站。
当在启动模式中时，一些电站具有排放极限和其它约束。启动极限的类型包括：(a)磅每小时，(b)lb/事件/CTG以及(c)lb/事件/功率阻断。管理机构可要求最大许可lb/小时极限，因为这是用于评估空气质量影响的最直接的值。
关于燃气涡轮超越功率范围运行的问题之一在于，效率、燃料消耗和排放(尤其是NOX和CO排放)可受到不利的影响。例如，当电站操作员以低负载运行传统的燃气涡轮时，效率会显著地降低。另一个问题在于，当燃气涡轮在低的环境温度状况下以较低的负载运行时，压缩机在后面的级中可遭受空气动力学应力。在气动稳定极限以下出现这些应力，因为空气动力学模式受到激励，这由级加载参数的提高驱动。这些应力明显时所处的流率系数值被称为下调(turndown)约束区。关于燃气涡轮在较低的环境温度下运行的又一个问题于，除了别的之外，CO符合性所需的最小负载随环境温度而变化。例如，在一些燃气涡轮中，随着温度降到35℉(1.7℃)以下，CO符合性的最小负载急剧升高。又一个问题在于，在联合循环燃气涡轮系统中使用热回收蒸汽发生器可对燃气涡轮以基本负载、部分负载和负载斜坡变化运行模式最优地运行施加额外的约束。又一个问题在于，当燃气涡轮以大约10%的负载的极低的冬眠模式运行时，存在燃烧器稀薄(lean)熄火(即，失去火焰)的可能。
发明内容
根据本发明的一方面，提供一种用于改变燃气涡轮系统中的功率输出的方法。这方面的方法包括确定现有功率输出和期望功率输出。该方法还包括：测量现有压缩机参数和燃烧器参数；计算期望功率输出的压缩机流率系数；以及计算期望功率输出的排放速率。如果期望功率输出的流率系数小于预定下调极限，则方法包括计算使流率系数高于预定下调极限的新压缩机参数。如果计算的排放速率大于预定排放极限，则方法包括计算使排放速率低于预定排放极限的新燃烧器参数。该方法还包括：将功率输出改变成期望功率输出；将压缩机参数改变成新压缩机参数；以及将燃烧器参数改变成新燃烧器参数。
根据本发明的另一方面，提供一种燃气涡轮系统。这方面的燃气涡轮系统包括：压缩机；燃烧器；涡轮；压缩机保护子系统；冬眠模式子系统；以及控制压缩机子系统和冬眠子系统的控制子系统。
根据本发明的另一方面，提供一种用于扩展燃气涡轮系统的下调范围的方法。该方法包括：对流过压缩机的空气建立最小空气流参数；以第一流率将来自涡轮的涡轮排气传输到混合组件；以第二流率将来自压缩机的压缩空气传输到混合组件；以及控制第一流率和第二流率，以使压缩机空气流保持高于最小空气流参数。
根据本发明的另一方面，提供一种改进联合循环燃气涡轮在部分负载下的效率的方法。该方法包括：使通过压缩机的空气流保持在高于最小流率系数的部分负载空气流量系数下，在最小流率系数下，在压缩机中会出现空气动力学应力；保持燃烧器中的空气燃料比，在该空气燃料比下，来自涡轮的排气排放成分保持低于预定成分排放水平；以及使热再循环蒸汽发生器的入口处的排气温度保持低于预定最大入口温度。
根据本发明的另一方面，一种用于改进联合循环燃气涡轮在部分负载下的效率的系统。该系统包括：下调子系统；冬眠子系统；联合循环等温子系统；以及控制子系统，其对下调子系统提供指令，以使通过压缩机的空气流保持在高于最小流率系数的部分负载内部流量系数下，在最小流率系数下，在压缩机中会出现空气动力学应力。
附图说明
当参照附图来阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面与优点将变得更好理解，在附图中，相同符号在所有图中表示相同部件，其中：
图1是根据本发明的一个实施例的燃气涡轮系统的实施例的框图。
图2是示出了根据本发明的一个实施例的下调子系统的框图。
图3是示出了根据本发明的备选实施例的下调子系统的框图。
图4是示出了根据本发明的一个实施例的冬眠模式子系统的框图。
图5是示出了根据本发明的一个实施例的联合循环等温子系统的框图。
图6是根据本发明的一个实施例的联合循环等温子系统的喷雾器构件的横截面图。
图7是根据本发明的一个实施例的联合循环等温子系统的喷雾器构件的纵截面图。
图8是示出了根据本发明的一个实施例的控制子系统的框图。
图9是根据本发明的一个实施例的控制子系统的输入和输出的框图。
图10是根据本发明的一个实施例的、用于下调燃气涡轮系统中的功率输出的方法的流程图。
图11是根据本发明的一个实施例的、用于下调燃气涡轮系统中的功率输出的方法的流程图。
图12是根据本发明的一个实施例的、用于扩展燃气涡轮系统的下调范围的方法的流程图。
部件列表：
1燃气涡轮系统
3燃气涡轮
4下调子系统
5压缩机保护子系统
7冬眠模式子系统
9联合循环等温子系统
11控制子系统
13压缩机
15燃烧器
16燃料输入
17涡轮
18发电机
19入口导叶(IGV)子系统
20环境空气进气
21热回收蒸汽发生器子系统
22联合循环输入
25压缩机泄放线路
27排气抽取线路
28备选EGE线路
29上游压缩机泄放控制阀
31下游压缩机泄放控制阀
33压缩机泄放流量传感器
35掺合组件或喷射器
37燃气涡轮入口系统
39排气抽取流量(EGE)传感器
41排气抽取(EGE)控制阀
43排气抽取阻断阀
45中间级压缩机泄放线路
46掺合构件(歧管、喷射器)
47压缩机空气跨连(overboard)线路
48分流器
49跨连阻断阀
51跨连控制阀
53跨连流量传感器
54安全阻断阀
55调温子系统
57喷雾器喷射喷嘴
58工作流体输入
59成形挡板组件
61挡板
62交迭喷射型式
63输入
103控制模块
105中央处理单元
107存储器构件(闪存盘卡)
109输入构件(I/O卡)
111输出构件
113通信构件(通信卡)
115功率供应
117输入
119输出
121人机接口(HMI)PC
123涡轮输入
125系统输入
127HMI输入
129程序逻辑
133涡轮输出
135系统输出
151操作员确定现有负载Lstart
153[…操作员确定…]下调水平负载(Lend)
155控制系统接收来自传感器的数据
157确定负载的递减量
159可计算最优Cm/U、Ti和θ
161确定实现那些状况所必要的流量Q1、Q2、Q5和Q6，以及用于调温子系统55的输入参数
163对EGE控制阀41和下游压缩机泄放控制阀31的指令
165然后使负载减小ΔL
167如果未达到Lend，则过程重复，直到负载达到Lend为止
251操作员确定现有负载Lstart
253[…操作员确定…]斜坡增加水平负载(Lend)
255控制系统接收来自传感器的数据
257确定负载的递增量
259可计算最优Cm/U、Ti和θ
261确定实现那些状况所必要的流量Q1、Q2、Q5和Q6，以及用于调温子系统55的输入参数
263对EGE控制阀41和下游压缩机泄放控制阀31的指令
265然后使负载增大ΔL
267如果未达到Lend，则过程重复，直到负载达到Lend为止
271确定当前负载
273期望最终负载(Lend)
275确定负载的递增变化ΔL
277确定新负载水平下的流量系数(Cm/UL+ΔL)是否将低于约束范围下的流量系数
279计算使流量系数保持在高于约束范围流量系数的水平下将需要的压缩机入口温度的变化ΔT和IGV导叶角θ的任何变化
281确定新负载水平下的NOX是否将大于可应用的最大NOX排放许可
283计算对于燃烧器以许可水平内的排放水平运行所必要的燃料空气比的变化
285使负载改变成新水平
287确定新负载水平下的流量系数是否小于约束水平下的流量系数
289对应地调节入口温度
291确定NOX排放水平是否超过NOX排放极限
293调节燃烧器处的燃料-空气比。
具体实施方式
图1示出了燃气涡轮系统1的实施例的高水平示意图。燃气涡轮系统1包括传统的燃气涡轮3、下调子系统4和控制子系统11。下调子系统4可包括压缩机保护子系统5、冬眠模式子系统7和联合循环等温子系统9。
燃气涡轮3可包括压缩机13、燃烧器15、涡轮17、发电机18、入口导叶(IGV)子系统19和热回收蒸汽发生器(热回收蒸汽发生器子系统21)子系统21。在运行中，环境空气20通过IGV子系统19被吸入且进入压缩机13。环境空气20的温度、压力和相对湿度将明显地有所改变。出于比较目的，涡轮业已经建立了关于环境空气的标准状况。标准状况为59℉/15℃、14.696 psia/1.013巴和60%的相对湿度。IGV子系统19用来改变进入到压缩机13中的体积流。来自压缩机13的压缩空气进入燃烧器15，在燃烧器15中，压缩空气与来自燃料输入16的燃料混合且燃烧。来自燃烧器15的排气驱动涡轮17，涡轮17又驱动连接到发电机18上的轴。在一些系统中，使排气流到热回收蒸汽发生器子系统21中，热回收蒸汽发生器子系统21从排气中回收热，并且驱动蒸汽涡轮(未显示)，以产生额外的功率，以及/或者对诸如区域加热的过程提供蒸汽。燃气涡轮系统1还包括将燃气涡轮3联接到下调子系统4上的压缩机泄放线路25和排气抽取线路27。在另一个实施例中，可提供排气抽取线路28来绕过下调子系统4，并且直接对燃气涡轮3提供排气。压缩机泄放线路25和排气抽取线路27还可联接到联合循环等温子系统9上，在联合循环等温子系统9中，气体可在联合循环输入22处与调温流体掺合。调温流体可为环境空气、水、蒸汽、它们的任何组合，或者可提供调整联合循环等温子系统9中的气体的温度的功能的任何其它流体。
在图2中示出了压缩机保护子系统5的一个实施例(以双虚线描绘)。用实线示出表示压缩机保护子系统5的构件。燃气涡轮系统1的其它构件被示为虚线。在这个实施例中，压缩机泄放线路25联接到外部管道组件上，外部管道组件包括上游压缩机泄放控制阀29、下游压缩机泄放控制阀31和压缩机泄放流量传感器33。控制子系统11控制控制阀31，控制阀31又控制压缩空气的流率(Q1)。压缩空气被输送到掺合组件35，诸如歧管或喷射器，其中，压缩空气与排气掺合且被传输到IGV子系统19。排气由联接到排气抽取线路27上的外部管道组件提供。排气抽取线路27设有排气抽取(EGE)流量传感器39、EGE控制阀41和EGE阻断阀43。EGE传感器39将排气的流率(Q2)的数据提供给控制子系统11。控制子系统11将控制信号提供给上游压缩机泄放控制阀29、下游压缩机泄放控制阀31、EGE流量传感器39、EGE控制阀41和EGE阻断阀43。A压缩机和排气可在燃气涡轮入口系统37处与环境空气掺合。
在图3中示出了压缩机保护子系统5的备选实施例，其中，中间级压缩机泄放线路45连接到压缩机13的中间级上。来自压缩机泄放线路25和中间级压缩机泄放线路45的压缩空气通过掺合构件46(诸如歧管或喷射器)混合而产生第一掺合物。经掺合的压缩机空气在掺合组件35处与来自排气抽取线路27的排气掺合。然后第二掺合物可在燃气涡轮入口系统37处与环境空气20掺合，并且掺合气体通过IGV 19供应到压缩机13。
压缩机保护子系统5为燃气涡轮3的操作员提供通过持续地控制压缩机参数(诸如级加载参数和传送通过压缩机的空气的流量系数)来控制系统的性能的能力。级加载参数是每级抽取的功的无量纲度量，高的级加载是合乎需要的，因为这意味着需要较少级来产生所需功。级加载受到高的级加载会影响效率这一事实的限制。级加载参数以最小相关Cm/U(流量系数)为特征。流量系数是进入的轴向速度与平均转子速度的比。已经发现在无量纲轴向速度(常称为流量系数)在约束范围中的情况下，压缩机和涡轮的功最令人满意。给定级的流量系数是通过级的质量流行为的特性。对于给定的流量系数，级加载随着压缩机叶片相对于轴向方向的叶片角的增大而提高。
对压缩机参数的控制使得电站操作员能够在不同的环境状况(诸如低温)下以较低的负载运行燃气涡轮，同时避免空气动力学应力，传统的燃气涡轮在较低的温度处会遭受空气动力学应力。通过控制进入压缩机的空气的入口温度和IGV子系统19中的导叶的导叶角来实现这一点。使用抽出的排气来控制压缩机入口温度。通过控制通过IGV 19供应到压缩机13的掺合气体的温度，燃气涡轮3能够在低的环境温度(超过标称Cm/U水平)下在下调约束区以上运行，从而在燃气涡轮3以低负载运行时保护压缩机13。另外，冬眠模式子系统甚至使得燃气涡轮3的操作员又能够在标称CO排放极限以上运行低负载。
具有扩展的下调的客户益处为年生产小时数(可用性、容量因数)增加，启动、关闭周期减少(降低维护成本)，以及在低的环境温度下相对于标称状况在这些较低的下调下运行的效率显著提高。
本文描述的压缩机保护子系统5的优点在于，可通过降低用来加热供应给压缩机13的空气的系统的整体复杂性来减少资金和维护成本。本文描述的压缩机保护子系统5的另一个优点在于，其允许燃气涡轮3的操作员在诸如整体气化联合循环(IGCC)运行中使用低BTU燃料气体时改进运行效率。
在图4中示出了冬眠模式子系统7的实施例。在双虚线轮廓内示出了冬眠模式子系统7，并且冬眠模式子系统7的构件被示为实线。燃气涡轮系统1的其它构件被示为虚线。在这个实施例中，来自压缩机13的压缩空气在分流器48处分成待通过上游压缩机泄放控制阀29、下游压缩机泄放控制阀31和压缩机泄放流量传感器33泄放到压缩机13中的部分。待泄放到压缩机中的部分被传输到IGV子系统19。来自压缩机13的压缩空气也分成待通过压缩机空气跨连线路47跨连到排气口的第二部分。待跨连到排气口的空气流由跨连阻断阀49和跨连控制阀51与跨连流量传感器53控制。跨连流量传感器53对控制子系统11提供流率数据。控制子系统11燃烧器对跨连阻断阀49和跨连控制阀51提供控制信号。
冬眠模式子系统7通过使压缩机排出空气跨连到压缩机入口和涡轮排气口来启用冬眠模式，从而保持期望的燃料空气比(FAR)，该燃料空气比支持在低于最大极限的水平下进行排放。冬眠模式子系统7可与前面描述的压缩机保护子系统5结合。本发明还以非常低的小时数/启动次数比来减少客户的运行成本和与运行相关联的维护成本。
冬眠模式子系统7使得燃气涡轮3的操作员能够以大约10%的负载的极低的“冬眠模式”水平运行，且能够使负载迅速斜坡增加至基本负载水平以提供需要的旋转能力。冬眠模式子系统7也可以非常低的小时数/启动次数比来减少运行成本以及与燃气涡轮3的运行相关联的成本。冬眠模式子系统7也使得燃气涡轮3的操作员能够以极低的冬眠模式运行，同时仍然符合排放规定。在这个实施例中示出的冬眠模式子系统7将不需要在设计上改变燃气涡轮3中心线或燃烧系统，并且可用最少的额外资金组成来实现该冬眠模式子系统7。冬眠模式子系统7使得可选择的燃气涡轮3能够下调超过标称CO&NOX排放极限。另外，冬眠模式子系统7建立用以调整空气-燃料比和缓解燃烧器稀薄熄火的方案。
在图5中示出了联合循环等温子系统9，其可实现为联合循环实施例中的下调子系统4的一部分。在联合循环实施例中，来自燃气涡轮3的高温度排气传送通过热回收蒸汽发生器21，以产生蒸汽，蒸汽驱动蒸汽涡轮。往往合乎需要的是，提升燃气涡轮3，以增大输出和减小耗热率，但是，热回收蒸汽发生器21的设计极限可对基本负载、部分负载和负载斜坡变化运行模式下的最优燃气涡轮运行施加额外的约束。
在双虚线轮廓内示出了联合循环等温子系统9，并且联合循环等温子系统9的构件被示为实线。燃气涡轮系统1的其它构件被示为虚线。在这个实施例中，来自压缩机13的压缩空气流过压缩机泄放线路25。如前面描述的那样，上游压缩机泄放控制阀29可设置在压缩机泄放线路25上。另外，跨连阻断阀49、跨连控制阀51和跨连流量传感器53可设置在压缩机空气跨连线路47上。另外，安全阀54可设置在压缩机空气跨连线路47上。压缩空气可与来自涡轮17的排气且与调温流体在联合循环输入22处掺合。联合的压缩机空气、排气和调温流体可流过调温子系统55，其中，可控制联合气体的温度。使联合的调温气体流到热回收蒸汽发生器子系统21中，其中，可抽取额外的功。
联合循环运行要求离开燃气涡轮发动机的排气在特定的温度范围内。那是不能太高的排气温度，以避免使燃气涡轮排气管道和热回收蒸汽发生器21硬件退化。另外，温度应当不降低到某个温度值以下，以避免被称为强制冷却的状况，在这时，蒸汽涡轮转子和外壳中的热瞬态可使涡轮转子退化。上面论述的两个温度极限分别称为上阈限等温线和下阈限等温线。
调温子系统55是对水喷雾器提供后冷却以进行调温的组件。调温子系统55在燃气涡轮3的排气管道中提供优化喷雾器布置，其中，一个或多个喷雾器喷射喷嘴57位于管道中。对各个喷雾器喷射喷嘴57提供来自工作流体输入58的冷凝物或其它工作流体，并且使其在上游被成形挡板组件59遮挡。
在图6和7中示出了成形挡板组件59。战略地放置挡板61，以优化交迭的喷射型式62，以实现气体温度均匀性。调温子系统55接收来自热回收蒸汽发生器子系统21中的任何压力区的冷凝物或从外部供应的软化水，作为工作流体。喷雾器流率和冷凝物源可由控制子系统10控制。
联合循环等温子系统9提供用以借助对调温水喷雾器的后冷却来在外部管理和优化进入热回收蒸汽发生器21的排气温度的能力。
联合循环等温子系统9部分地克服入口气体温度极限所施加的关于在部分负载下运行的效率和能力的一些约束。这些约束可限制所有负载点下的燃气涡轮3的输出和整体电站效率。因此，燃气涡轮3可在所有运行模式期间以高于HRSG 21的入口温度极限的排气温度运行，从而改进负载斜坡变化速率和对热回收蒸汽发生器子系统21的排气热传递。联合循环等温子系统9提供方法来借助用于调温的水/蒸汽喷雾器的后冷却来在外部管理和优化来自燃气涡轮3的、进入热回收蒸汽发生器子系统21的排气的温度。另外，联合循环等温子系统9提供用于下游温度均匀性的喷雾器喷嘴和挡板组件，并且使得燃气涡轮客户能够在任何运行模式期间以高于热回收蒸汽发生器子系统21的入口温度极限的排气温度运行燃气涡轮3。使用联合循环等温子系统9还改进联合循环燃气涡轮电站负载斜坡变化速率，并且在燃气涡轮3提升时防止燃气涡轮3和热回收蒸汽发生器子系统21之间有失配。联合循环等温子系统9的另一个优点在于其提供用于调节燃气涡轮3和联合循环电站之间的负载平衡的手段，其中在不需要功率输出时有最大蒸汽生产。这进而在其中期望有额外的蒸汽的一些应用(诸如区域加热，以及在诸如炼油厂的设施中的现场热电联合)中为电站操作员提供柔性。其它优点为在其中燃气涡轮3受等温约束的部分负载状况下，改进对热回收蒸汽发生器子系统21的排气热传递和联合循环燃气涡轮耗热率。最后，联合循环等温子系统9在扩展的下调下改进排放轮廓，以及改进提高旧式电站的能力。额外的益处包括增加年生产小时数(可用性、容量因数)；减少联合循环燃气涡轮启动-关闭周期(降低维护成本)，并且在联合循环燃气涡轮提升的情况下，有负载平衡柔性和改进部分负载运行效率。
在图8中示出了用来控制涡轮系统1的多种构件和过程的控制子系统100。控制子系统100可包括控制模块103，典型地为使机电过程(诸如对涡轮系统10的构件的控制)自动化的数字计算机。这些构件可包括入口导叶子系统19、压缩机13和燃烧器15。例如，控制模块103可为通用电气SPEEDTRONICGE Industrial & Power Systems(GE工业&功率系统)出版的Rowen、W.I的GE-3658D“SPEEDTRONIC Mark V Gas Turbine Control subsystem(SPEEDTRONICV燃气涡轮控制子系统)”中描述的那样。例如，诸如Rex Allen Morgan等人的名称为“Method and System for Controlling Gas Turbine by Adjusting TargetExhaust Temperature(用于通过调节目标排气温度来控制燃气涡轮的方法和系统)”的美国专利号No. 6,912,856中描述的控制子系统，该专利通过引用而结合在本文中。
控制模块103包括中央处理单元105。与中央处理单元105相关联的可为存储器构件107、输入构件109和输出构件111。存储器构件107可包括闪存盘卡、随机存取存储器卡(RAM)、只读存储器(ROM)、动态随机存取存储器(DRAM)；异步动态随机存取存储器(SDRAM)或者任何其它期望类型的存储器装置，并且可为控制模块103的一部分或与控制模块103分开。输入构件109和输出构件111可结合为与控制模块13相关联的单输入输出卡。虽然输出构件111的输入构件109被示为内嵌到控制模块103中，但它们可提供为附连到接通到控制模块103中的计算机网络上的外部输入输出模块。
另外控制模块103包括通信构件113和功率供应115。控制模块103处理多个输入117，并且提供多个输出119。控制模块103还可联接到人机接口(HMI)121上，诸如数字计算机。HMI(其也称为人控机接口(MMI)和图形用户接口(GUI))可包括使用按钮和灯，以与用户、文本显示器和图形触摸屏交互。可将编程和监测软件安装在通过通信接口连接到控制模块103上的计算机中。实施用以控制各种过程的算法的程序将典型地存储在存储器构件107中。
数据库可存储在存储器构件107中。存储在存储器构件107中的数据库可包括对于各个燃气涡轮3使压缩机加载极限与在压缩机入口处的不同温度Ti、燃烧器处的燃料空气比(FAR)和导叶角θ相关联的压缩机加载极限数据库。
存储在存储器构件107中的数据库可包括使排放极限与各个燃气涡轮3的不同的Ti、θ和FAR相关联的排放极限数据库。存储在存储器构件107中的数据库可包括对于各个燃气涡轮3使多种流率(Q1、Q2、Q3等)与不同的Ta(环境温度)、Ti、FAR和θ相关联的流率数据库。对于处于不同的环境温度和不同的IGV角的燃气涡轮3，数据库中的其它信息可包括压缩机流量-排放计划、压缩机排放模型、指示在压缩机的后面的级处出现空气动力学应力时所处的流率系数的数据。
参照图9，控制模块103可接收来自涡轮系统的各种输入，包括与涡轮的控制有关的输入(涡轮输入)123，以及与系统的其余部分的控制有关的输入(系统输入)125。另外，控制模块103可接收来自HMI 121的输入(HMI输入127)。控制模块103将基于程序逻辑129来执行程序，并且提供用以控制涡轮的输出(涡轮输出133)和用以控制系统的其余部分的输出(系统输出135)。
涡轮输入123可包括：涡轮入口温度；涡轮排气温度；以及单元特定的入口温度计划。除了别的之外，系统输入125可包括：扩展的下调单元特定的压缩机入口温度计划；抽取流率；抽取温度；入口温度计划；控制阀位置；安全/阻断阀位置。HMI输入127可包括：选择“正常”模式-(输出-控制阀关闭，安全阀关闭)，或者“下调”模式- (输出-控制阀打开许可，阻断阀打开许可)。
在高水平上，程序逻辑129可表示为以下：
HMI 设置 排气抽取阻断阀43的位置 下游压缩机泄放控制阀31的位置
正常 关闭 关闭
下调 许可逐渐打开 许可逐渐打开
系统输出135可包括用以打开和关闭排气抽取阻断阀43、跨连阻断阀49和安全阻断阀54的指令。另外，系统输出135可包括用以设定上游压缩机泄放控制阀29、下游压缩机泄放控制阀31、排气抽取(EGE)控制阀41和跨连控制阀51的位置的指令。
图10是可由压缩机保护子系统5执行来减小燃气涡轮3上的负载从起始负载(Lstart)减小到下调水平负载(Lend)的示例性方法的流程图。操作员确定现有负载Lstart (方法元素151)和期望负载Lend (方法元素153)。控制子系统11接收来自传感器的数据，其包括环境温度(Ta)、压缩机入口处的温度(Ti)、IGV导叶角(θ)、压缩机放出流率Q1，以及排气抽取流率Q2(方法元素155)。操作员可确定负载降低速率ΔL/t，以使负载从Lstart到达Lend。可确定负载的递减量ΔL(方法元素157)，并且可基于关于特定的燃气涡轮的Cm/U约束和排放极限来计算或确定最优Cm/U、Ti和θ(方法元素159)。基于那些值，控制子系统可确定实现那些状况所必要的流量Q1、Q2、Q5和Q6，以及用于调温子系统55的输入参数(方法元素161)。控制子系统11对EGE控制阀41和下游压缩机泄放控制阀31提供指令以实现减小的负载所期望状况(方法元素163)。然后使负载减小ΔL(方法元素165)。如果未达到Lend，则过程重复，直到负载达到Lend为止(方法元素167)。
图11是可由压缩机保护子系统5执行来使燃气涡轮3上的负载从起始负载(Lstart)增大(斜坡增加)到斜坡增加水平负载(Lend)的示例性方法的流程图。操作员确定现有负载Lstart(方法元素251)和期望负载Lend (方法元素253)。控制子系统11接收来自传感器的数据，其包括环境温度(Ta)、压缩机入口处的温度(Ti)、IGV导叶角(θ)、压缩机放出流率Q1和排气抽取流率Q2(方法元素255)。操作员可确定负载增大速率ΔL/t，以使负载从Lstart到达Lend。可确定负载的递增量ΔL(方法元素257)，并且可基于关于特定的燃气涡轮的Cm/U约束和排放极限来计算或确定最优Cm/U、Ti和θ(方法元素259)。基于那些值，控制子系统可确定实现那些状况所必要的流量Q1、Q2、Q5和Q6，以及用于调温子系统55的输入参数(方法元素263)。控制子系统11对EGE控制阀41和下游压缩机泄放控制阀31提供指令以实现增大的负载的所期望的状况(方法元素265)。如果未达到Lend，则过程重复，直到负载达到Lend为止。利用图10和11中示出的方法会为操作员提供柔性，以不仅控制起始负载和最终负载，而且还控制负载改变的速率，同时避免在压缩机13上有空气动力学应力。
图12示出了用于在将燃气涡轮3下调到下调负载的同时仍然符合可由冬眠模式子系统7执行的排放标准的方法的实施例。操作员确定当前负载(L)(方法元素271)和期望最终负载(Lend)(方法元素273)。然后操作员可确定负载的递增变化ΔL(方法元素275)。控制子系统11可确定新负载水平下的流量系数(Cm/UL+ΔL)是否将低于约束范围下的流量系数(Cm/UR)(方法元素277)。如果新负载水平下的流量系数将小于约束范围流量系数，则控制子系统11计算使流量系数保持在高于约束范围流量系数的水平下所需要的压缩机入口温度的变化ΔT和IGV导叶角θ的任何变化(方法元素279)。然后控制子系统11确定新负载水平下的NOX是否将大于可应用的最大NOX排放许可。另外，控制子系统11还可确定新负载水平下的CO排放是否将大于可应用的最大CO排放许可(方法元素281)。如果针对新负载所计算出的排放水平超过许可水平，控制子系统则将计算对于燃烧器在许可水平内的排放水平下运行所必要的燃料空气比的变化(方法元素283)。然后控制子系统11可将负载改变成新水平(方法元素285)。控制子系统11可确定新负载水平下的流量系数是否小于约束水平下的流量系数(方法元素287)。如果新负载水平下的流量系数小于约束水平下的流量系数，控制子系统11则对应地将指示冬眠模式子系统7调节入口温度(方法元素289)。控制子系统11可确定NOX排放水平是否超过施加在系统上的NOX排放极限。控制子系统11还可确定CO排放水平是否超过施加在系统上的CO排放极限(方法元素291)。如果新负载水平下的排放超过可应用的排放水平，控制子系统11将指示冬眠模式子系统7调节燃烧器15处的燃料空气比，使得排放在许可水平内(方法元素293)。在联合循环燃气涡轮系统中，方法另外可包括方法元素来用于对于新负载确定热回收蒸汽发生器子系统21的入口温度，而且如果其超过许可温度极限，控制子系统11可指示联合循环等温子系统9对进入热回收蒸汽发生器子系统21的气体温度调温，使得温度落在可接受的极限内。利用图12中示出的方法会为操作员提供柔性，以不仅控制起始负载和最终负载，而且还控制负载改变的速率，同时避免违反排放标准所施加的极限。
压缩机保护子系统5、冬眠模式子系统7以及(在联合循环燃气涡轮系统的情况下)联合循环等温子系统9的组合为计划操作员提供柔性，以在非常低的负载水平下以高于传统系统的效率运行燃气涡轮。另外，子系统的组合为操作员提供多个途径来改变燃气涡轮系统1的功率输出。通过控制压缩机入口温度、燃烧器15处的燃料空气比以及在热回收蒸汽发生器子系统21的入口处的气体的温度的组合，操作员能够在给定的部分负载下以及针对给定的环境温度来改进燃气涡轮3和/或联合循环的效率。
燃气涡轮系统1的多种实施例对燃气涡轮3提供显著的运行优点。例如，关于代表性燃气涡轮3的计算指示下调极限可从大约45%至60%的负载之间的范围降低到大约10%至36%之间的范围，同时仍然保持NOX和CO符合性。可保持这些负载水平，而对以特定的负载水平运行所需的BTU/KWh有可测量的影响。
本书面描述使用示例来公开本发明，包括最优模式，并且还使本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及实行任何结合的方法。本发明的可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这样的其它示例具有不异于权利要求的字面语言的结构元素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质性差异的等效结构元素，则它们意于处在权利要求的范围之内。

Claims (19)

1.一种用于改变燃气涡轮系统中的功率输出的方法，所述燃气涡轮系统具有压缩机、燃烧器和涡轮，所述方法包括：
确定现有功率输出；
确定期望功率输出；
测量现有压缩机参数和燃烧器参数；
计算所述期望功率输出的压缩机流率系数；
计算所述期望功率输出的排放速率；
如果所述期望功率输出的压缩机流率系数小于预定下调极限，则计算使压缩机流率系数高于所述预定下调极限的新压缩机参数；
如果计算的排放速率大于预定排放极限，则计算使排放速率低于所述预定排放极限的新燃烧器参数；
将功率输出改变成所述期望功率输出；
将压缩机参数改变成所述新压缩机参数；以及
将燃烧器参数改变成所述新燃烧器参数；
所述预定下调极限包括在所述压缩机中出现空气动力学应力时所处的最小压缩机流率系数值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述压缩机参数包括压缩机流率系数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述压缩机参数包括入口空气温度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述压缩机参数包括导叶角。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述燃烧器参数包括燃料空气比。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预定排放极限包括瞬间排放极限。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预定排放极限包括期间排放极限。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将压缩机参数改变成所述新压缩机参数包括将排气口跨连到所述压缩机。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述压缩机具有入口和出口，并且改变燃烧器参数包括通过将来自所述压缩机出口的压缩空气泄放到所述压缩机入口来改变空气燃料比。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述燃气涡轮系统进一步包括热回收蒸汽发生器，并且所述方法进一步包括对来自所述燃烧器的排气调温。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，对排气调温包括使排气穿过喷雾器。
12.一种燃气涡轮系统，包括：
压缩机；
燃烧器；
涡轮；
压缩机保护子系统；
冬眠模式子系统；以及
控制所述压缩机子系统和所述冬眠子系统的控制子系统；
其中，所述控制子系统执行根据权利要求1-11中任一项所述的方法。
13.根据权利要求12所述的燃气涡轮系统，其特征在于，所述压缩机保护子系统包括：
压缩机泄放线路；
排气抽取线路；以及
联接到所述压缩机泄放线路和排气抽取线路上的掺合组件。
14.根据权利要求13所述的燃气涡轮系统，其特征在于，所述燃气涡轮系统进一步包括：
设置在所述压缩机泄放线路上的泄放控制阀；以及
设置在所述排气抽取线路上的再循环控制阀。
15.根据权利要求13所述的燃气涡轮系统，其特征在于，所述燃气涡轮系统进一步包括：
设置在所述压缩机泄放线路上的泄放流量传感器；
设置在所述排气抽取线路上的再循环流量传感器。
16.根据权利要求13所述的燃气涡轮系统，其特征在于，所述掺合组件包括喷射器。
17.根据权利要求12所述的燃气涡轮系统，其特征在于，所述燃气涡轮系统进一步包括：
联接到所述燃烧器上的调温子系统；以及
联接到所述调温子系统上的热回收蒸汽发生器子系统。
18.根据权利要求17所述的燃气涡轮系统，其特征在于，所述调温子系统包括：
工作流体源；
成形挡板组件；以及
多个喷雾器喷射喷嘴，其联接到所述工作流体源上，并且设置在所述成形挡板组件中。
19.根据权利要求18所述的燃气涡轮系统，其特征在于，所述成形挡板组件包括设置在所述喷雾器喷射喷嘴的下游的多个挡板。
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