CN103470387A

CN103470387A - 用于关闭发电机以使发电机做好重启准备的方法和装置

Info

Publication number: CN103470387A
Application number: CN2013102239718A
Authority: CN
Inventors: D.A.斯奈德; M.J.亚历山大; R.L.布鲁克斯; E.A.卡兰蒂尼; M.J.杜特卡; C.J.莫劳斯基; E.A.波斯特
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2012-06-06
Filing date: 2013-06-06
Publication date: 2013-12-25
Also published as: EP2672076A2; RU2622576C2; EP2672076A3; RU2013125744A; JP2013253602A

Abstract

本发明公开一种用于关闭发电机以使所述发电机做好重启准备的方法和装置，所述发电机的燃气涡轮机的关机序列从运行状态启动，吹扫气被强制送入所述燃气涡轮机，使所述燃气涡轮机的燃烧火焰熄灭，所述吹扫气扫掠穿过所述燃气涡轮机，以便在所述关机序列期间使用穿过所述燃气涡轮机的惯性气流从所述燃气涡轮机中置换出燃料，以备发电机重启。

Description

用于关闭发电机以使发电机做好重启准备的方法和装置

相关申请案的交叉引用

本发明是于2008年12月10号提交的主张于2007年12月10日提交的美国临时专利申请第61/012,625号的优先权的美国专利申请第12/331,824号的部分继续申请。

技术领域

本发明涉及用于关闭燃气涡轮发电机以便快速重启的方法和装置。

背景技术

燃气涡轮发电机通常用于联合循环发电装置，这些燃气涡轮发电机通常根据不断波动的电力需求来关闭和启动。一旦发电机关闭，那么需执行一系列的测试和准备步骤后才能重启所述发电机。在一个此类准备步骤中，残余可燃气体被从所述发电机中清除。用于清除所述残余可燃气体的现有方法在所述发电机已经达到完全停止之后被启动。此类清除方法对所述发电机在关闭之后多久能够返回动力全满状态存在限制。因此，本发明提供一种关闭发电机以在一段减少的时间量内将所述发电机置于“启动准备就绪”状态的方法。

发明内容

根据本发明的一方面，提供一种用于关闭发电机以使所述发电机做好重启准备的方法，所述方法包括：从运行状态启动所述发电机的燃气涡轮机的关机序列；将吹扫气强制送入所述燃气涡轮机，使所述燃气涡轮机中的燃烧火焰熄灭；以及使所述吹扫气扫掠穿过所述燃气涡轮机，以便在所述关机序列期间使用穿过所述燃气涡轮机的惯性气流从所述燃气涡轮机置换出燃料，以使所述发电机做好重启准备。

根据本发明的另一方面，提供一种发电机，所述发电机包括：燃烧室；燃料系统；所述燃料系统连接到所述燃烧室，所述燃烧室经配置提供用于熄灭所述燃烧室中燃烧火焰的吹扫气；以及所述吹扫气的供应源，所述供应源经配置用于将所述吹扫气提供到所述燃料系统，其中，在所述发电机的关机序列期间，所述吹扫气置换出所述燃烧火焰熄灭之后余留在所述发电机中的燃料，其中所述吹扫气使用所述发电机的惯性气流扫掠穿过所述发电机。

这些和其它优点和特征将从结合附图的以下描述中更加清楚。

附图说明

本专利申请文件中的权利要求书详细指出并明确主张了本发明。通过以下结合附图的详细描述可以清楚地了解本发明的上述和其他特征以及优点，在附图中：

图1示出本发明的示例性联合燃气涡轮机/热回收蒸汽发生器（GT/HRSG）系统，所述系统通常地用于产生功率，如在联合循环发电装置中的电力；

图2示出图1的示例性燃料系统106的细节图；以及

图3示出根据本发明的示例性实施例的用于提供启动准备就绪状态的示例性关机和启动序列。

具体实施方式参考附图以实例方式介绍本发明的各项实施例以及优点和特征。

具体实施方式

图1示出本发明的示例性联合燃气涡轮机/热回收蒸汽发生器系统100，所述系统通常地用于产生功率，如在联合循环发电装置中的电力。所述示例性GT/HRSG系统100包括燃气涡轮机（GT）102、热回收蒸汽发生器（HRSG）104以及燃料系统106。所述燃料系统106大体上将燃料提供到所述燃气涡轮机以便进行燃烧，并且所述燃料系统参照图2进行详细讨论。如图1中示出，四条燃料线路107a、107b、107c以及107d将燃料从所述燃料系统106提供到所述燃气涡轮机102。燃料线路的数量并不表示为对本发明的限制，而且可以在本发明的各项实施例中使用任何数量的燃料线路。

示例性燃气涡轮机102通常包括压缩机部分108、燃烧部分110和涡轮部分112。所述压缩机部分包括一系列压缩机级，每个级包括多个压缩机叶片，这些压缩机叶片旋转以便压缩空气。所述压缩机部分108大体上在入口处将环境空气接收到所述压缩机部分，在所述压缩机级处压缩所述空气，并且在所述压缩机部分的出口处将压缩空气提供到所述燃烧部分110。在所述入口处，入口导叶109可以打开和闭合，以便调节穿过所述压缩机部分108的气流。在所述燃烧部分110中，来自燃料系统106的燃料与来自所述压缩机的所述压缩空气混合。空气/燃料混合物随后被使用点火装置点燃以便形成工作气体，所述点火装置如火花塞。所述工作气体被引导穿过所述涡轮部分112。所述涡轮部分112由一系列级布置组成，每个级具有被称为桨叶的旋转叶片。所述旋转桨叶由公共旋转轴支撑。离开所述燃烧部分110的所述工作气体膨胀穿过一系列级，以便引起所述桨叶旋转并且因此引起所述旋转轴旋转。在一方面，所述涡轮部分112的所述旋转轴可以连接到在所述压缩机部分中的压缩叶片，这样使得所述旋转轴的旋转驱动在所述压缩机部分108中的空气压缩。所述旋转轴还超过所述涡轮部分延伸到发电机（未示出），其中所述旋转轴的旋转运动被转化成电力。同时，朝所述HRSG104引导从所述涡轮部分112排出的工作气体。

所述HRSG104接收来自所述燃气涡轮机的排气并且使用所述排气作为热源，以便驱动一个或多个蒸汽涡轮机。HRSG包括入口120、高压过热器122以及一个或多个HSRG压力部分124a、124b以及124c，这些压力部分各自在高压、中压和/或低压下可操作地生成蒸汽。来自所述HRSG的排气穿过HRSG出口管道126被送到排气管（exhauststack）124。

在一个示例性实施例中，所述燃气涡轮机102和燃料系统106连接到控制单元140，所述控制单元经配置用于控制所述燃料系统和燃气涡轮机的各种元件。所述控制单元140包括：存储器144；一组程序146，所述程序在所述存储器中存储指令，以便根据在本说明书中描述的方法关闭所述发电机；以及处理器142，所述处理器有权访问该组程序146和所述存储器144的内容。所述处理器142经配置用于运行当前实施例的各种程序，以使所述燃气涡轮机关闭并且在燃气涡轮机歧管、排气装置以及附属装置等中完成余留燃料置换。所述控制单元可以控制在所述燃料系统106处的阀配置并且监控各种参数，如在所述燃料系统106处的压力、在所述燃气涡轮机102中的气体水平等。监控装置132连接到所述发电机。在一项实施例中，在所述发电机处发生故障时，所述监控装置132将跳闸信号生成到所述控制单元140。所述跳闸信号可以用来启动所述发电机的跳闸，以使所述发电机关闭。

图2示出图1的示例性燃料系统106的细节图。所述燃料系统106包括管道配置，所述管道配置包括压力空腔220和230，用于将燃料供应到所述燃气涡轮机102。两个压力空腔220和230通过一系列阀彼此流体连通，所述阀在两者之间控制流，并且在彼此协作运行时允许燃料以受控方式流到所述燃气涡轮机102，从而允许所述联合循环发电装置运行。

压力空腔220在所述压力空腔220的一侧上具有阀201，所述阀将所述压力空腔220连接到燃料入口线路210并且允许两者之间的流动。排气阀203连接到所述压力空腔220并且允许所述压力空腔220在必要时排气到适当的排气容器。阀202将压力空腔220连接到压力空腔230，并且允许两者之间的流动。

压力空腔230包括若干示例性气体控制阀205a、205b、205c以及205d，这些气体控制阀将所述压力空腔230连接到对应的燃料线路107a、107b、107c以及107d。尽管如图2中示出，示例性压力空腔230包括四个此类气体控制阀，但在替代实施例中，所述压力空腔230可以包括任何数量的气体控制阀，压力空腔230进一步包括排气阀206，以便所述压力空腔230在必要时排气到适当排气位置。排气阀206在一项实施例中可以是单阀，或者在替代实施例中可以包括多排气阀配置。压力空腔230还包括隔离阀208，所述隔离阀可以被打开，以便允许吹扫气从示例性吹扫气供应系统240进入所述压力空腔230中。所述吹扫气将压力腔室230中被隔离的燃料推送到所述燃烧火焰中。所述吹扫气因此被迫使穿过所述压力腔室230到达所述发电机，以便熄灭燃烧室处的火焰。吹扫气随后从图1的发电机系统置换出余留在所述发电机中的燃料。另外，吹扫气可以用来执行所述燃料系统106的各种阀的气密性测试。

压力空腔220和230进一步包括与其分别连接的各种示例性压力计212和213。图1的控制单元140可以连接到各种压力计，以便监控在所述压力空腔220和230处的压力。所述控制单元140可以用于在各种运行阶段期间监控所述燃料系统的运行状态，如在线上运行阶段期间、在关机序列期间、在启动序列期间、在吹扫序列期间、在如下所述建立吹扫凭据之后等。尽管两个压力表212和213在图2中示出，但这只表示说明性目的，并不表示对本发明的限制。压力表还可以被连接到示例性燃料系统的各种排气阀、气体控制阀、隔离阀以及停止阀，并且在这些压力表处获得的测量结果可以提供给所述控制单元140，以便进行监控和/或处理。

所述燃料系统106的阀可以根据任何适当的阀设置配置打开和闭合。在由本发明单独地或共同地实施时，所述阀可以包括旋转阀、闸阀、杆阀、蝶阀、球阀、节流阀或者任何其他合适的阀配置。另外，所述燃料系统106可以由任何适当装置，如螺线管，进行手动控制、传感器控制、远程控制或者任何其他合适的控制以便所述阀按照意图的那样工作。在一个配置中，阀202闭合以便在压力腔室230中隔离燃料，并且吹扫气隔离阀208打开，以便将所述吹扫气引入所述压力腔室230中。随着阀205a至205d打开，所述燃料经由所述吹扫气被推送到燃烧室中。

在本发明的一项实施例中，吹扫气供应系统240将气态介质供应到所述燃料系统，所述气态介质如吹扫气。所述吹扫气可由发电装置或从专用系统供应。专用吹扫气供应系统240包括但不限于用以进行隔离、控制压力、阻止回流、提供颗粒过滤、去除水分并且向控制器提供关于成功操作的指示的部件。在所述燃料系统的一个阀配置中，气态介质可以用于所述燃料系统的所述阀的气密性测试。在所述燃料系统的另一个阀配置中，所述吹扫气可以用来迫使来自燃料供应的燃料，并且用来熄灭燃烧室部分处的火焰。在所述燃烧室处，所述吹扫气在熄灭所述火焰之后吹扫所述燃气涡轮机和/或HRSG处余留在所述燃气涡轮机/HRSG中的挥发性燃料。

本发明提供一种关闭发电机系统的方法，以便自关闭后的一段减少的时间量内处于重启准备状态，所述准备状态如“启动准备就绪”状态。“启动准备就绪”状态是可燃气体充分地被稀释和/或从所述发电机去除并且所述发电机系统处于所需状态以待所述发电机重启的一般指示。“启动准备就绪”状态还可能涉及：消除与在所述燃气涡轮机部件、排气装置以及下游装置中的余留燃料相关联的风险；将所述燃料系统置于特定启动配置中；完成所述燃料系统的泄漏测试；确保所述燃料系统到达待机状态；以及在建立所需状态之后监控这些状态。

图3示出在本发明的示例性实施例中的示例性关机和启动序列。在发动机关闭的一方面，所述吹扫气在所述发电机的所述关机序列期间将余留燃料从发电机部件中置换到压缩机惯性气流中。惯性气流通常是指在发电机关闭期间，由于涡轮部分的涡轮叶片和/或与之相连接的压缩机部分的压缩机叶片的残余（无动力驱动的）旋转而在熄灭燃烧火焰之后流经所述发电机/燃烧室的空气，其中熄灭燃烧火焰被称作熄火。所述燃气涡轮发电机的入口导叶109可以在所述燃气涡轮发电机关闭或跳闸时实质上闭合。所述入口导叶109能够可操作地提供气流，以便从所述燃气涡轮发电机吹扫出可燃气体。在一方面，所述关机序列至少包括步骤：1）“熄火”或熄灭燃烧室火焰；2）测试所述燃料系统中的阀；3）使用所述惯性气流置换和稀释穿过所述发电机的残留燃料，以便从所述发电机吹扫出余留燃料；以及4）在所述燃料系统处，隔离燃料以便进行重启。在一项实施例中，这些步骤可以由控制单元140监控，以便确保所述燃气涡轮机102准备好启动序列。

在一项实施例中，作为计划关机序列的一部分，关闭所述发电机。在计划关机序列中，时间301指示所述发电机离线的时间。线320指示由所述发电机提供给附接电网的功率量。一旦发电机功率减少到指定设置（在时间303处），那么用于所述发电机的断路器打开，从而启动所述燃气涡轮机的计划关机序列。在一个替代实施例中，发电机由于跳闸序列而关闭。所述发电机可以在检测到故障时跳闸。因此，在跳闸序列中，断路器可以在发电机离线的同时打开（时间303）。在303处，在任一序列中，到燃烧部分110的燃料流均减少到特定设置，以便支持燃烧火焰。另外，在压力空腔230中通过闭合阀202来隔离燃料供应。吹扫气隔离阀208打开以提供吹扫气，所述吹扫气将隔离的燃料供应从压力空腔230推送到燃烧室中。在关机序列期间，涡轮机叶片和压缩机叶片（仍在旋转）提供流动穿过发电机的惯性气流。燃烧火焰可以在供应到火焰的空气降到火焰阈值以下时或在吹扫空气到达火焰时熄灭（在熄火点305）。因此，在各种实施例中，熄火点305可以在所选时间处产生。

在309处，吹扫气扫掠穿过燃气涡轮机歧管，以便置换出余留燃料。阀250a至250d打开，以便允许吹扫气进入燃气涡轮机，从而使用惯性气流使得排气流出HRSG。在吹扫过程期间，阀202可以闭合，以便阻止吹扫气的上游流。在各种实施例中，燃气涡轮机中的燃料被稀释，直到燃料水平降到指定值以下。各种参数可以进行测量，以便确保残余燃料和/或挥发性气体低于所选水平，且/或从燃气涡轮机的挥发性区域被扫掠到发电机的低温或非挥发性区域。在替代实施例中，吹扫气在熄火305处开始可以扫掠穿过发电机歧管。燃料系统106的测试通常在发电机进行成功吹扫之后执行。

在时间311处，设置燃料系统的阀配置，以便阻止燃料泄漏并且针对燃料系统准备启动序列。燃料压力塞典型性地形成用于提供处于所选压力下的压力空腔230以及在保持处于低压的压力空腔230中穿过排气阀203到大气中的压力。阀测试成功完成、剩余燃料置换以及无漏关闭形成因此使得“启动准备就绪”状态生成，这个状态指示的是系统处于启动序列准备状态。示例性时间313指示，一旦实现“启动准备就绪”状态，那么开始启动序列。

因此，在一方面，本发明提供一种用于关闭发电机以使所述发电机做好重启准备的方法，所述方法包括：从运行状态启动所述发电机的燃气涡轮机的关机序列；将吹扫气强制送入所述燃气涡轮机，使所述燃气涡轮机中的燃烧火焰熄灭；以及使所述吹扫气扫掠穿过所述燃气涡轮机，以便在所述关机序列期间使用穿过所述燃气涡轮机的惯性气流从所述燃气涡轮机置换出燃料，以使所述发电机做好重启准备。启动所述关机序列可以作为计划关机序列或响应跳闸信号的一部分。燃料在连接到燃料涡轮机的燃料系统中隔离，并且使用吹扫气从所述燃料系统推送出隔离的燃料。在使得吹扫气扫掠穿过燃料涡轮机之后，可以在燃料系统处形成压力塞。在一项实施例中，燃烧火焰在启动关机序列之后，在预定时间上熄灭。所述预定时间可以基于在发电机中的气流的所选空气压力或吹扫气到达燃烧火焰的时间。吹扫气可以包括氮气或压缩空气中的至少一个并且可以从联合循环发电装置或专用的吹扫空气供应系统提供。当在所述发电机中的所述燃料的测得的浓度下降到所选阈值以下时，发电机被认为是准备好重启。一旦执行以下操作中的至少一项，也可以认为发电机准备好重启：1）熄灭所述发电机中的所述火焰；2）测试燃料系统中的阀门；3）使用所述惯性气流和吹扫气置换和稀释穿过所述发电机的余留燃料；以及4）在所述燃料系统处形成无漏隔离。

在另一方面，本发明提供一种发电机，所述发电机包括：燃烧室；燃料系统；所述燃料系统连接到所述燃烧室，所述燃烧室经配置以提供用于熄灭所述燃烧室中燃烧火焰的吹扫气；以及所述吹扫气的供应源，所述供应源经配置用于将所述吹扫气提供到所述燃料系统，其中在所述发电机的关机序列期间，所述吹扫气置换出所述燃烧火焰熄灭之后余留在所述发电机中的燃料，其中所述吹扫气使用所述发电机的惯性气流扫掠穿过所述发电机。关机序列可以是计划关机序列或响应跳闸信号而启动的关机序列。燃料系统包括压力腔室，所述压力腔室经配置用于将吹扫气提供到发电机。压力腔室包括：控制阀，所述控制阀经配置用于在所述压力腔室处隔离燃料；以及隔离阀，所述隔离阀经配置用于允许吹扫气进入所述压力腔室。所述吹扫气强制来自所述压力腔室的隔离燃料将所述燃烧室处的所述火焰熄灭。连接到发电机的控制单元可以用于确定发电机的启动准备就绪状态。当在所述发电机中的所述燃料的测得的浓度降到所选阈值以下时，所述控件可以确定启动准备就绪状态。另外，控制单元可以通过执行以下项中的至少一个来确定启动准备就绪状态：1）熄灭所述燃烧室中的所述火焰；2）测试所述燃料系统中的阀门；3）使用所述惯性气流和吹扫气置换和稀释穿过所述发电机的残留燃料；以及4）在所述燃料系统处形成无漏隔离。控制单元可以经进一步配置用于控制入口导叶，以便提供用于从发电机吹扫可燃气体的气流。所述控制单元经进一步配置用于在启动关机序列之后，在预定时间熄灭所述燃烧火焰。熄灭燃烧火焰的预定时间可以基于在发电机中的气流的所选空气压力。

尽管本发明只结合有限数量的实施例进行详细描述，但应易于了解，本发明并不限于此类披露的实施例。相反，本发明可以进行修改，以便并入在此之前并未描述但与本发明的精神和范围相符的任何数量的变化、更改、替换或等效布置。此外，尽管本发明的各项实施例已进行描述，但要明白，本发明的各个方面可以只包括所述实施例中的一部分。因此，本发明不应被视为受限于前述描述，而只受限于所附权利要求书的范围。

Claims

1.一种用于关闭发电机以使所述发电机做好重启准备的方法，包括：

从运行状态启动所述发电机的燃气涡轮机的关机序列；

将吹扫气强制送入所述燃气涡轮机，使所述燃气涡轮机中的燃烧火焰熄灭；以及

使所述吹扫气扫掠穿过所述燃气涡轮机，以便在所述关机序列期间使用穿过所述燃气涡轮机的惯性气流从所述燃气涡轮机置换出所述燃料，以使所述发电机做好重启准备。

2.如权利要求1所述的方法，进一步包括启动所述关机序列作为以下其中一项：（1）计划关机序列；以及（2）对跳闸信号的响应。

3.如权利要求1所述的方法，进一步包括在连接到所述燃气涡轮机的燃料系统处隔离燃料，并且使用所述吹扫气强制置换来自所述燃料系统的所述燃料。

4.如权利要求3所述的方法，进一步包括在使所述吹扫气扫掠穿过所述燃气涡轮机之后，在所述燃料系统处形成压力塞。

5.如权利要求1所述的方法，进一步包括在启动所述关机序列之后，在预定时间熄灭所述燃烧火焰。

6.如权利要求5所述的方法，其中用于熄灭所述燃烧火焰的所述预定时间基于以下其中一项：（1）所述发电机中的气流的所选空气压力；以及（2）吹扫气到达所述燃烧火焰的时间。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述吹扫气包括氮气和压缩空气中的至少一个。

8.如权利要求1所述的方法，其中所述吹扫气从以下至少一项提供：（1）联合循环发电装置；以及（2）专用的吹扫气供应系统。

9.如权利要求1所述的方法，进一步包括当所述发电机中的所述燃料的测得的浓度降到所选阈值以下时，确定启动准备就绪状态。

10.如权利要求9所述的方法，进一步包括在执行以下至少一项时，获得确定的启动准备就绪状态：1）熄灭所述发电机中的所述火焰；2）测试燃料系统中的阀门；3）使用所述惯性气流和吹扫气置换和稀释穿过所述发电机的残留燃料；以及4）在所述燃料系统处形成无漏隔离。

11.一种发电机，其包括：

燃烧室；

燃料系统，所述燃料系统连接到所述燃烧室，所述燃烧室经配置提供用于熄灭所述燃烧室中燃烧火焰的吹扫气；以及

所述吹扫气的供应源，所述供应源经配置用于将所述吹扫气提供到所述燃料系统，其中所述吹扫气用于在所述发电机的关机序列期间，置换所述燃烧火焰熄灭之后余留在所述发电机中的燃料，其中所述吹扫气使用所述发电机的惯性气流扫掠穿过所述发电机。

12.如权利要求11所述的发电机，其中所述关机序列由以下其中之一启动：（1）计划关机序列；以及（2）响应于跳闸信号的关机序列。

13.如权利要求11所述的发电机，其中所述燃料系统包括压力腔室，所述压力腔室经配置用于将所述吹扫气提供到所述发电机，所述压力腔室具有经配置以隔离所述压力腔室处燃料的控制阀，以及经配置以使所述吹扫气进入所述压力腔室的隔离阀。

14.如权利要求13所述的发电机，其中所述吹扫气迫使来自所述压力腔室的隔离燃料将所述燃烧室处的所述火焰熄灭。

15.如权利要求11所述的发电机，进一步包括连接到所述发电机的控制单元，所述控制单元经配置用于确定所述发电机的启动准备就绪状态。

16.如权利要求15所述的发电机，其中当所述发电机中的所述燃料的测得的浓度降到所选阈值以下时，所述控制单元确定所述启动准备就绪状态。

17.如权利要求15所述的发电机，其中所述控制单元经配置用于在执行以下至少一项时确定所述启动准备就绪状态：1）熄灭所述燃烧室中的所述火焰；2）测试所述燃料系统中的阀门；3）使用所述惯性气流和吹扫气置换和稀释穿过所述发电机的残留燃料；以及4）在所述燃料系统处形成无漏隔离。

18.如权利要求15所述的发电机，其中所述控制单元经进一步配置用于控制入口导叶，以便提供用于从所述发电机吹扫可燃气体的气流。

19.如权利要求15所述的发电机，其中所述控制单元经进一步配置用于在关机序列启动之后，在预定时间熄灭所述燃烧火焰。

20.如权利要求19所述的发电机，用于熄灭所述燃烧火焰的所述预定时间基于所述发电机中的气流的所选空气压力。