CN103244273B - 控制涡轮机的部分负荷性能的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种控制涡轮机的部分负荷性能的方法和装置，该方法包括：通过去除来自涡轮机的压缩机的经压缩的流体的一部分生成涡轮机中的旁通流；确定涡轮机的操作负荷；将旁通流输送到涡轮机的涡轮部段；以及根据所确定的涡轮机的操作负荷选择性地加热旁通流。

Description

控制涡轮机的部分负荷性能的方法和装置

技术领域

本说明书中所公开的主题涉及涡轮机，例如燃气涡轮机。

背景技术

燃气涡轮机被设计成在峰值负荷或基本负荷下操作。涡轮机具有吸入流体并且压缩流体的压缩机、燃烧燃料以加热流体的燃烧部段以及用经加热的流体发电的涡轮部段。当涡轮机在峰值负荷下操作时，涡轮机在预定燃烧水平下操作以驱动涡轮部段。然而，当涡轮机在非峰值负荷或部分负荷下操作时，涡轮机的效率减小。

发明内容

根据本发明的一个方面，一种涡轮机包括吸入流体并且压缩流体的压缩机、燃烧燃料以通过加热来自所述压缩机的流体生成经加热的流体的燃烧部段、将经加热的流体转换为功的涡轮部段、从所述涡轮部段输出经加热的流体的排出部段、以及旁通回路，旁通回路通过接收来自压缩机的经压缩的流体生成旁通流，用来自排出部段的经加热的流体加热旁通流，并且将经加热的旁通流输出到涡轮部段。

根据本发明的另一个方面，一种发电系统包括：涡轮机和涡轮机控制单元，涡轮机具有吸入并且压缩流体的压缩机、加热来自压缩机的流体的燃烧部段、用来自燃烧部段的经加热的流体驱动轴的涡轮部段，从涡轮部段喷射经加热的流体的排出部段、以及旁通回路，旁通回路通过接收来自压缩机的经压缩的流体的一部分生成旁通流并且将旁通流选择性地引导到涡轮部段和排出部段，涡轮机控制单元在峰值模式和部分负荷模式中确定涡轮机的操作模式、并且根据所确定的操作模式控制旁通回路将旁通流输送到涡轮部段和排出部段中的一个。

根据本发明的又一个方面，一种控制涡轮机的部分负荷性能的方法包括：通过去除来自涡轮机的压缩机的经压缩的流体的一部分生成涡轮机中的旁通流；确定涡轮机的操作负荷；将旁通流输送到涡轮机的涡轮部段；以及根据所确定的涡轮机的操作负荷选择性地加热旁通流。

这些和其它优点和特征将从结合附图进行的以下描述变得更明显。

附图说明

在权利要求中特别地指出并且清楚地要求保护被认为是本发明的主题。本发明的前述部分和其它特征及优点从结合附图进行的以下详细描述变得明显，其中：

图1示出了根据本发明的一个方面的涡轮机。

图2示出了涡轮机和涡轮机控制单元。

图3示出了根据本发明的实施例的涡轮部段。

图4是示出涡轮机的控制操作的流程图。

图5示出了根据本发明的实施例的涡轮机。

通过例子并参考附图，具体实施方式解释了本发明的实施例以及优点和特征。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的实施例的涡轮机1。涡轮机1包括进气部段或压缩机10、燃烧部段20、涡轮部段30和排出部段40。压缩机10吸入流体并且在将流体输送到燃烧部段20之前压缩流体。根据本实施例，流体是空气，并且压缩机10包括多个级，每个级包括围绕轴旋转的环形叶片环和后续的环形轮叶环。

燃烧部段20接收经压缩的空气并且通过在燃烧室21中燃烧燃料F加热经压缩的空气。经加热的压缩空气输送到涡轮部段30，在所述涡轮部段它驱动包括围绕轴旋转的叶片的转子，并且旋转轴发电。

排出部段40接收来自涡轮部段30的经加热的空气并且输出该经加热的空气。

在本发明的本实施例中，涡轮机1也包括旁通回路50。旁通回路50包括将来自压缩机10的空气输送到阀51的管路52、将空气从阀51输送到涡轮的管路53、以及将空气从阀51输送到排出部段40的管路54。另外，管路55将来自排出部段40的空气输送到涡轮部段30。

排出部段40包括加热来自管路54的空气的热交换器41。经加热的空气然后经由管路55输送到涡轮部段30。

在峰值操作或基本负荷操作期间，阀51关闭到管路54的空气流，并且允许从管路52到管路53的空气流。因此，较冷空气提供给涡轮部段30以冷却涡轮部段的部件，例如轴、叶片和喷嘴。然而，当冷空气在部分负荷操作期间提供给涡轮部段30时，涡轮机1的效率减小。

因此，在部分负荷操作期间，阀51关闭到管路53的空气流，并且允许通过管路54到排出部段40的空气流。空气流动通过排出部段40的热交换器41并且通过管路55从排出部段40到涡轮部段30。因此，从热交换器41通过管路55流动到涡轮部段30的空气被加热，由此通过减小从燃烧部段20到涡轮部段30的空气的热损失而增加涡轮部段的效率。

换句话说，根据本发明的本实施例，涡轮部段30的部件在峰值负荷操作期间由旁通回路50被冷却以防止部件的过热，同时较高温度从燃烧部段20输出到涡轮部段30。然而，在部分负荷操作期间，其中从燃烧部段20输出到涡轮部段30的温度相对于峰值操作较低，旁通回路50将经加热的空气提供给涡轮部段30以减小从燃烧部段20提供的空气的热损失。因此，满足峰值负荷操作期间冷却部件和部分负荷操作期间增加效率的双重目的。

图2示出了涡轮机控制系统。涡轮机控制系统包括涡轮机1和涡轮机控制单元60。涡轮机控制单元60例如包括处理单元61、存储器62和接口单元63。涡轮机控制单元60经由端子68接收输入数据I，并且经由端子64、65、66和67输出控制信号A、B、C和D。

在操作期间，涡轮机控制单元60接收指令或命令以在部分负荷下操作涡轮机1。指令输入到接口单元63，所述接口单元包括有线端口和无线端口或天线中的至少一种。接口单元63将指令I发送到处理单元61。处理单元61确定指令I是否对应于部分负荷操作并且相应地控制控制信号A-D。根据一个实施例，处理单元61比较指令I中的负荷的水平和存储在存储器62中的预定水平以确定指令I是否对应于部分负荷操作。

例如，控制信号A通过调节进气控制装置12的特性调节压缩机10的进气。在本实施例中，进气控制装置12是在相邻轮叶之间具有可调节开口的轮叶和风扇中的一种。控制信号B控制燃烧室21的入口22以在部分负荷操作中减小到燃烧室21的燃料输入。控制信号C调节经由管路24从燃料供给23供应到燃烧室21燃料。控制信号D控制阀51以在部分负荷操作中闭合出口57并且打开出口58。

在峰值负荷操作期间，旁通回路50经由出口11吸入来自压缩机10的空气。该空气经由入口56进入阀51并且经由出口57离开阀51。较冷空气穿过管路53并且经由入口31进入涡轮部段30。在非峰值或部分负荷操作期间，较冷空气经由出口58离开阀51，穿过管路54，并且经由入口42进入排出部段40的热交换器41。经加热的空气经由出口43离开排出部段40，穿过管路55，并且经由入口32进入涡轮部段30。

为了清楚并且为了图示目的，图2示出了连接到涡轮部段30的相对侧的管路53和55。然而，根据一些实施例，管路53和55均在围绕涡轮部段的多个位置处将空气引入到涡轮部段30中。

尽管图2示出了连接到独立入口31和32的独立管路53和55，但是根据一些实施例，管路53和55彼此连接。图3示出了彼此连接以将空气引入到相同入口中的管路53和55的例子。如图3中所示，管路53和55的每一个连接到连接管路71，所述连接管路给送到涡轮部段30的壳体76中的入口72。入口72对应于图2的入口31和32。涡轮部段30包括轴73(所述轴具有围绕轴73旋转的叶片74)，以及包括轮叶75的喷嘴，在所述轮叶75之间具有开口以从燃烧部段20的方向将空气引导到叶片74上以驱动轴73。在本实施例中，入口72位于对应于轮叶75的位置。由箭头表示的从旁通回路50进入涡轮部段30中的空气流动到入口72中，在位于轮叶75内的管中沿着轮叶75的长度向下，在轴73的附近离开轮叶75，并且进入轮叶75和叶片74之间的空间中。

尽管图3示出了连接到连接管路71的管路53和55，但是根据备选实施例，管路53和55连接到对应于每个轮叶75的独立入口。在其它实施例中，管路53和55连接到交替轮叶75。

图4是示出涡轮机1的控制操作的流程图。在操作301中，检测操作模式。涡轮机控制单元60接收输入指令或命令I以在预定负荷下操作涡轮机1。如果在操作302中确定涡轮机1正在峰值负荷下操作，则旁通回路50中的来自压缩机10的空气或旁通流直接输送到涡轮部段30，绕过排出部段40。在这样的情况下，涡轮机控制单元60输出控制信号B-D以将燃料的峰值负荷水平提供给燃烧室21，闭合从旁通阀51到排出部段40的出口58，并且打开从旁通阀51到涡轮部段30的出口57。另外，根据一些实施例，涡轮机控制单元60通过用控制信号A控制进气控制装置12来控制达到峰值负荷水平的进气水平。

如果在操作302中确定涡轮机1正在部分负荷下操作，则来自压缩机10的旁通流转向通过排出部段40的热交换器41以加热旁通流。涡轮机控制部段60检测到指令I将在部分负荷下操作涡轮机1，并且调节控制信号B-D以减小提供给燃烧室21的燃料，闭合来自旁通阀51的出口57，并且打开来自旁通阀51的出口58。来自旁通阀51的旁通流通过管路54流动到热交换器41，并且经加热的旁通流经由管路55返回到涡轮部段30。

因此，在峰值负荷操作期间，冷却旁通流施加到涡轮部段30以将涡轮部段30的部件的温度保持在预定范围内，并且在部分负荷操作期间，冷却旁通流被加热并且供应到涡轮部段30以改善涡轮机1的操作效率。

尽管以上实施例将旁通流描述为由排出部段40加热，但是根据备选实施例，任何加热源可以用于该加热。图5示出了涡轮机1，其中旁通回路50将旁通流选择性地通过加热单元80输送。加热单元80例如包括排出部段40、蒸汽源、热交换器和燃料燃烧单元中的任何一种。

尽管仅仅结合有限数量的实施例详细地描述了本发明，但是应当容易理解本发明不限于这样的公开实施例。相反地，本发明可以进行修改以包含到目前为止未描述、但是与本发明的精神和范围一致的任何数量的变型、更改、替代或等效布置。另外，尽管已描述了本发明的各实施例，但是应当理解本发明的方面可以仅仅包括所述实施例中的一些。因此，本发明不应当被认为由前面的描述限制，而是仅仅由所附的权利要求的范围限制。

Claims (18)

1.一种涡轮机，其包括：

压缩机，所述压缩机吸入流体并且压缩流体；

燃烧部段，所述燃烧部段燃烧燃料以通过加热来自所述压缩机的流体生成经加热的流体；

涡轮部段，所述涡轮部段将经加热的流体转换为功；以及

旁通回路，所述旁通回路通过接收来自所述压缩机的经压缩的流体生成旁通流，根据所述涡轮机的操作模式选择性地加热所述旁通流，并且将所述旁通流输出到所述涡轮部段；

其中，所述旁通回路包括：

第一管路，所述第一管路将来自所述压缩机的所述旁通流输送到阀；

第二管路，所述第二管路将来自所述阀的所述旁通流输送到所述涡轮部段的第一入口，所述第一入口对应于轮叶的位置；

第三管路，所述第三管路将来自所述阀的所述旁通流输送到所述排出部段；以及

第四管路，所述第四管路将来自所述排出部段的所述旁通流输送到所述涡轮部段的第二入口，所述第二入口对应于轮叶的位置。

2.根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，当所述涡轮机在部分负荷模式下操作时所述旁通回路加热所述旁通流，并且当所述涡轮机在峰值负荷模式下操作时所述旁通回路不加热所述旁通流。

3.根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，所述涡轮机还包括：

排出部段，所述排出部段输出经加热的来自所述涡轮部段的流体，

其中所述旁通回路通过使所述旁通流穿过所述排出部段而加热所述旁通流。

4.根据权利要求3所述的涡轮机，其特征在于，所述阀将来自所述压缩机的所述旁通流选择性地输出到所述排出部段和所述涡轮部段中的一个。

5.根据权利要求4所述的涡轮机，其特征在于，当所述涡轮机在部分负荷模式下操作时所述阀将所述旁通流输出到所述排出部段，并且当所述涡轮机在峰值负荷模式下操作时所述阀将所述旁通流输出到所述涡轮部段。

6.根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，所述第二管路和所述第四管路彼此连接。

7.根据权利要求3所述的涡轮机，其特征在于，所述排出部段包括所述热交换器、将来自所述阀的所述旁通流输送到所述热交换器的入口、以及将来自所述热交换器的所述旁通流输送到所述涡轮部段的出口。

8.根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，所述涡轮部段包括多个轮叶，所述多个轮叶将经加热的流体引导到叶片的多个环形级，并且

所述旁通回路将所述旁通流输出到所述涡轮部段的所述多个轮叶。

9.一种发电系统，其包括：

涡轮机，所述涡轮机具有吸入并且压缩流体的压缩机、加热来自所述压缩机的流体的燃烧部段、用由所述燃烧部段加热的流体驱动轴的涡轮部段、从所述涡轮部段喷射流体的排出部段、以及旁通回路，所述旁通回路通过接收由所述压缩机压缩的流体的一部分生成旁通流并且将所述旁通流选择性地引导到所述涡轮部段和所述排出部段；以及

涡轮机控制单元，所述涡轮机控制单元确定所述涡轮机的操作模式，并且根据所确定的操作模式控制所述旁通回路，以将所述旁通流输送到所述涡轮部段和所述排出部段中的一个其中，所述旁通回路包括：

第一管路，所述第一管路将来自所述压缩机的所述旁通流输送到阀；

第二管路，所述第二管路将来自所述阀的所述旁通流输送到所述涡轮部段的第一入口，所述第一入口对应于轮叶的位置；

第三管路，所述第三管路将来自所述阀的所述旁通流输送到所述排出部段；以及

第四管路，所述第四管路将来自所述排出部段的所述旁通流输送到所述涡轮部段的第二入口，所述第二入口对应于轮叶的位置。

10.根据权利要求9所述的发电系统，其特征在于，所述涡轮机控制单元控制所述涡轮机的所述旁通回路以当所述涡轮机在峰值负荷操作模式下操作时将所述旁通流直接输送到所述涡轮部段，并且当所述涡轮机在部分负荷操作模式下操作时将所述旁通流输送到所述排出部段。

11.根据权利要求10所述的发电系统，其特征在于，所述涡轮机控制单元接收输入指令以在预定操作模式下操作所述涡轮机，分析所述输入指令以确定所述涡轮机的操作模式，以及输出控制信号以控制所述燃烧部段中的燃烧的水平、并且当所述涡轮机在峰值负荷操作模式下操作时将所述旁通流直接输送到所述涡轮部段、并且当所述涡轮机在部分负荷操作模式下操作时将所述旁通流输送到所述排出部段。

12.根据权利要求9所述的发电系统，其特征在于，所述涡轮机的旁通回路包括从所述排出部段到所述涡轮部段的管路，以将来自所述排出部段的所述旁通流引导到所述涡轮部段。

13.根据权利要求9所述的发电系统，其特征在于，所述涡轮机的所述排出部段包括所述热交换器，并且

所述旁通回路将所述旁通流从所述旁通回路输送到所述热交换器并且从所述热交换器输送到所述涡轮部段。

14.一种控制涡轮机的部分负荷性能的方法，所述方法包括：

旁通回路通过去除来自涡轮机的压缩机的经压缩的流体的一部分生成涡轮机中的旁通流；

确定所述涡轮机的操作负荷；

将所述旁通流输送到所述涡轮机的涡轮部段；以及根据所确定的所述涡轮机的操作负荷选择性地加热所述旁通流；

其中，所述旁通回路包括：

第一管路，所述第一管路将来自所述压缩机的所述旁通流输送到阀；

第二管路，所述第二管路将来自所述阀的所述旁通流输送到所述涡轮部段的第一入口，所述第一入口对应于轮叶的位置；

第三管路，所述第三管路将来自所述阀的所述旁通流输送到排出部段；以及

第四管路，所述第四管路将来自所述排出部段的所述旁通流输送到所述涡轮部段的第二入口，所述第二入口对应于轮叶的位置。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，当确定所述涡轮机在峰值负荷下操作时，所述旁通流被直接输送到所述涡轮部段，并且

当确定所述涡轮机在部分负荷下操作时，所述旁通流在被输送到所述涡轮部段之前被加热。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，当确定所述涡轮机在部分负荷下操作时所述涡轮机的排出部段加热所述旁通流。

17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，选择性地加热所述旁通流包括控制阀，从而当未加热所述旁通流时闭合到所述涡轮机的排出部段的管路，并且当加热所述旁通流时闭合到所述涡轮部段的管路。

18.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，确定所述涡轮机的操作负荷包括：

接收指令以在预定操作负荷下操作所述涡轮机；以及

分析所述指令以确定所述涡轮机的所述操作负荷。