CN103998749A - 燃气涡轮发动机及其启动方法 - Google Patents

Abstract

本发明的燃气涡轮发动机的启动方法具备一次暖机工序和二次暖机工序，所述一次暖机工序通过所述变频调速电动机保持在一定的一次暖机转速，对燃气涡轮发动机进行暖机，所述二次暖机工序通过所述变频调速电动机进一步增速，保持在一定的二次暖机转速，对燃气涡轮发动机进行暖机。在变频调速电动机所需的功率达到预先设定的设定功率值(E)时，一次暖机工序结束。设定功率值(E)设定成像吸气温度为低温那么小。

Description

燃气涡轮发动机及其启动方法

相关申请

本申请要求2011年12月22日申请的日本专利申请2011-280948的优先权，将其全部内容以参照的方式引入作为本申请的一部分。

技术领域

本发明涉及一种使用电动机的燃气涡轮发动机及其启动方法。

背景技术

作为使用燃气涡轮发动机的发电机的启动方法，有如下所述的方法：通过功率转换装置，将感应发电机作为马达，将燃气涡轮发动机保持在一定转速进行暖机运转后，对主燃烧器进行点火(例如，专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利公开2011-196355号公报

在专利文献1的启动方法的情况下，越提高保持一定的转速，吸气流量增大，暖机时间越短，但另一方面，耗电量呈三次函数增加。其结果，马达的耗电量在初期启动时最大，必须配合该初期启动时的马达的耗电量，而增加功率转换装置/感应发电机的容量。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明是鉴于上述技术问题而完成的，其目的是提供一种燃气涡轮发动机及其启动方法，该燃气涡轮发动机及其启动方法限制启动时的耗电量的峰值，能够使用容量小的功率转换装置/感应发电机进行启动。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明的燃气涡轮发动机的启动方法是具有压缩机、燃烧器、涡轮和启动装置的燃气涡轮发动机的启动方法，所述压缩机压缩进气，所述燃烧器使由所述压缩机压缩的压缩气体燃烧，产生高温高压的燃烧气体，所述涡轮通过所述燃烧气体驱动，所述启动装置由兼作通过所述涡轮驱动的发电机的旋转机械构成；所述启动装置包含变频调速电动机；具备一次暖机工序和二次暖机工序，所述一次暖机工序通过所述变频调速电动机保持在一定的一次暖机转速，对燃气涡轮发动机进行暖机，所述二次暖机工序通过所述变频调速电动机进一步增速，保持在一定的二次暖机转速，对燃气涡轮发动机进行暖机。

在现有的燃气涡轮发动机中，从启动时开始短时间提速至相当于二次暖机转速的规定的暖机转速。因此，旋转机械所需的功率(以下仅称为“必要马达功率”。)在启动刚开始后达到大的峰值，必须增大根据该峰值确定的功率转换装置/感应发电机的容量，但根据上述结构，由于以两个阶段实施暖机，因此与现有的必要马达功率的峰值相比，能够将必要马达功率的最大值限制成低值，其结果，能够减小变频调速电动机的容量。

在本发明中，优选地，在达到对应于吸气温度而预先设定的设定功率值时，使所述一次暖机工序结束。设定功率值例如设定成像吸气温度为低温那么小。

由于燃气涡轮发动机的吸入流量根据吸气温度而改变，因此压缩机驱动动力根据吸气温度而改变。吸气温度越低，吸气流量增加，即使在相同转速下，压缩驱动动力也越增加。即，根据吸气温度，马达的耗电量改变。因此，以往，考虑到冬季的吸气温度低的情况，必须准备大容量的功率转换装置/感应发电机，但根据上述结构，由于使一次暖机结束根据吸气温度而改变，使必要马达功率的最大值不超过规定的值，来确定设定功率值，因此必要马达功率的最大值能够不受吸气温度的影响，而保持一定。其结果，能够进一步减小变频调速电动机的容量。

在本发明中，优选地，进一步设置热交换器，该热交换器利用来自所述涡轮的废气对所述压缩气体加热，在所述一次暖机工序及二次暖机工序中，通过使所述废气的温度上升，使所述压缩气体升温，对所述燃气涡轮发动机暖机。根据该结构，能够利用废气有效地对燃气涡轮发动机进行暖机。

在本发明中，优选地，进一步在所述旋转机械上连接由逆变器及整流器构成的功率转换装置，在启动时将所述旋转机械作为启动装置驱动，并且在所述一次暖机工序及二次暖机工序中，在达到一次及二次暖机转速后，分别保持一次及二次暖机转速。根据该结构，不仅能够减小变频调速电动机的容量，还可以减小功率转换装置的容量。

在本发明中，所述燃气涡轮发动机也可以为贫燃料吸入燃气涡轮发动机。由于贫燃料吸入燃气涡轮发动机不会频繁启动，因此即使启动时间长，对系统整体的影响也小。贫燃料是例如在煤矿产生的VAM(Ventilation Air Methane；煤矿通风甲烷)、CMM(Coal Mine Methane；煤矿甲烷)这样的可燃成分少的燃料，是通过压缩机的压缩也不会点火的燃料。

本发明的燃气涡轮发动机具备压缩机、燃烧器、涡轮、启动装置、控制器，所述压缩机压缩进气，所述燃烧器使由所述压缩机压缩的压缩气体燃烧，产生高温高压的燃烧气体，所述涡轮通过所述燃烧气体驱动，所述启动装置由兼作通过所述涡轮驱动的发电机的旋转机械构成；所述启动装置包含变频调速电动机；所述控制器进行如下控制：通过所述变频调速电动机保持在一定的一次暖机转速，对燃气涡轮发动机进行一次暖机，通过所述变频调速电动机进一步增速，保持在一定的二次暖机转速，对燃气涡轮发动机进行二次暖机。

根据该结构，由于以两个阶段实施暖机，与现有的必要马达功率的峰值相比较，能够将必要马达功率的最大值限制成低值，其结果，能够减小变频调速电动机的容量。

权利要求书和/或说明书和/或说明书附图所公开的至少两种结构的任意组合，均包含在本发明中。特别是权利要求书的各权利要求的两项以上的任意组合，也包含在本发明中。

附图说明

通过参照附图对以下适宜的实施方式进行说明，可更加清楚地理解本发明。但是，实施方式及附图仅用于图示及说明，不应用于确定本发明的范围。本发明的范围由权利要求书确定。在附图中，多个附图上的相同附图标记表示相同或与其相当的部分。

图1是表示本发明的第一实施方式的燃气涡轮发动机的示意图。

图2是表示该燃气涡轮发动机在启动时的燃料阀开度、必要马达功率及转速的变化的特性图。

图3是表示该燃气涡轮发动机在不同的吸气温度下启动时，各自的必要马达功率的图表。

具体实施方式

下面参照附图说明本发明的优选实施方式。图1是表示本发明的第一实施方式的燃气涡轮发动机的简略结构图。该燃气涡轮发动机GT具有压缩机1、主燃烧器2和涡轮3，所述主燃烧器2由含有铂或钯等催化剂的催化燃烧器构成。通过该燃气涡轮发动机GT的输出，来驱动兼作发电机和启动装置的旋转机械4。在旋转机械4上，连接由逆变器和整流器构成的功率转换装置11，启动装置包含变频调速电动机IM及功率转换装置11。

像空气这样的进气在压缩机1被压缩，该高压的压缩气体G1输送至主燃烧器2。该压缩气体G1通过主燃烧器2的铂或钯等催化剂进行的催化反应而燃烧，将由此产生的高温/高压的燃烧气体G2供给涡轮3，来驱动涡轮3。涡轮3通过旋转轴5与压缩机1连接，通过该涡轮3来驱动压缩机1。连接压缩机1与涡轮3的旋转轴5例如由单轴构成，该旋转轴5与旋转机械4连接。由此来构建包含燃气涡轮发动机GT及旋转机械4的发电装置50。

燃气涡轮发动机GT还具备热交换器6及辅助燃烧器7，所述热交换器6利用来自涡轮3的废气G3，对从压缩机1导入主燃烧器2的压缩气体G1加热，所述辅助燃烧器7由加温用燃烧器构成，所述加温用燃烧器通过在启动时使废气G3升温，来提高流入主燃烧器2的压缩气体G1的温度，使催化剂活化。该辅助燃烧器7将加温用气体G4混入废气G3来进行加温，所述加温用气体G4是在从由压缩机1压缩的压缩气体G1中部分抽出的抽出气体G20中混合燃料，使其火炎燃烧而成的，所述废气G3是从涡轮3供给热交换器6的废气。在辅助燃烧器7上连接抽气阀8，该抽气阀8用来控制向所述辅助燃烧器7供给抽出气体G20的供给量。从热交换器6流出的废气G3通过没有图示的消声器消声后，向外部排放。由所述抽气阀8进行的向辅助燃烧器7供给抽出气体G20的供给量的控制，通过来自控制器20的输出信号而进行。

向辅助燃烧器7的燃料供给在通过第二燃料控制阀10调整流量的同时进行。向主燃烧器2的燃料供给在通过第一燃料控制阀9调整其流量的同时进行。由该第一及第二燃料流量控制阀9、10进行的燃料的流量调整，也通过控制器20来进行。

对上述结构的燃气涡轮发动机GT的工作进行说明。各机器的控制全部通过控制器20来进行。启动时，不进行点火，通过来自控制器20的指令，功率转换装置11使用从外部电力系统15供给的电力，将旋转机械4作为启动装置驱动，通过变频调速电动机IM，如图2所示，保持在一定的一次暖机转速(一次暖机工序)。一次暖机转速转速是偏离轴振动/叶片振动的共振点的转速，例如是额定的55％。另外，在图2中，实线表示本实施方式的燃气涡轮发动机的特性，虚线表示现有的燃气涡轮发动机的特性。必要马达功率在从启动开始至达到一次暖机转速为止的期间急剧上升，形成第一峰值P1。从启动开始至达到第一峰值P1时为止，图1的燃气涡轮发动机GT仅由变频调速电动机IM驱动。

进而，在达到一次暖机转速后，在通过功率转换装置11保持一次暖机转速的同时，打开抽气阀8及第二燃料控制阀10，进行辅助燃烧器7的点火，并逐渐增大第二燃料控制阀10的开度，如图2所示，通过使启动燃料逐渐增加，使在连接图1的涡轮3与热交换器6的排气管道内流动的废气G3的温度(热交换气体入口温度)上升，由此使压缩气体G1升温而进行暖机。

通过一次暖机，燃气涡轮发动机GT逐渐暖机，涡轮入口温度上升，在涡轮3回收的功增加，由此，如图2所示，必要马达功率减少。

一次暖机的结束由启动所需的预先设定的设定功率值E来确定。设定功率值E是与吸气温度相对应的值，具体地，设定成像吸气温度为低温那么小，以使压缩所需动力不会过大。关于设定功率值E在后面记述。

在必要马达功率到达规定的必要马达功率值E的阶段，一次暖机结束，进入二次暖机(二次暖机工序)。若进入二次暖机，使发动机转速上升至二次暖机转速。二次暖机转速也是偏离轴振动/叶片振动的共振点的转速，例如是额定的65％。如图2所示，必要马达功率在达到二次暖机转速为止的期间上升，形成第二峰值P2。设定第二峰值P2高于第一峰值P1。

进而，在达到二次暖机转速后，在通过图1的功率转换装置11保持二次暖机转速的同时，进一步逐渐增大第二燃料控制阀10的开度，如图2所示，使启动燃料逐渐增加，缓慢增加图1的辅助燃烧器7的燃烧量(燃料供给量)，由此使废气G3的温度上升而结束暖机。二次暖机结束的定时通过例如定时器这样的时限装置来确定。

在二次暖机中，燃气涡轮发动机GT也逐渐暖机，涡轮入口温度上升，在涡轮3回收的功增加，由此，如图2所示，必要马达功率减少。即必要马达功率在第二峰值P2成为最大，根据该第二峰值P2来确定图1的功率转换装置11、变频调速电动机IM的容量。

在二次暖机结束后，一边关闭抽气阀8及第二燃料控制阀10，使辅助燃烧器7灭火，一边打开第一燃料控制阀9，进行主燃烧器2的点火，同时，使发动机转速增加，提速至额定转速。在二次暖机结束时，空转结束，之后，在达到额定转速时，过渡到负荷模式，即发电模式。在发电模式下，从功率转换装置11向外部电力系统15供电。

在上述结构中，如图2中虚线所示，通过现有的燃气涡轮发动机，从启动时开始短时间提速至相当于二次暖机转速的规定的暖机转速。因此，必要马达功率在启动刚开始后达到大于本实施方式的第一及第二峰值P1、P2的峰值P，必须增大根据该峰值P确定的功率转换装置/感应发电机的容量。对此，在本实施方式中，由于暖机以两个阶段实施，因此与现有的必要马达功率的峰值相比，能够将作为必要马达功率最大值的第二峰值P2限制成低值，其结果，能够减小功率转换装置11及变频调速电动机IM的容量。

由于燃气涡轮发动机的吸入流量根据吸气温度而改变，因此压缩机驱动动力根据吸气温度而改变。吸气温度越低，吸气流量增加，即使在相同转速下，压缩所需动力也越增加。这样，由于根据吸气温度，马达的耗电量改变，因此，以往，考虑到冬季的吸气温度低的情况，必须准备大容量的功率转换装置/感应发电机。

但是，在本实施方式中，如上所述，使一次暖机结束根据吸气温度而改变。详细地，准备汇总了判断一次暖机的结束的设定功率值E与吸气温度间关系的表格，如以下说明所述，使作为必要马达功率最大值的二次暖机的第二峰值P2不超过规定的值，来确定设定功率值E。在本实施方式中，如上所述，设定功率值E设定成像吸气温度为低温那么小。

图3是表示在吸气温度为15℃的情况和30℃的情况下必要马达功率的变化的图表。如该图所示，分别将吸气温度为15℃的情况下的设定功率值E设定为200kW，将吸气温度为30℃的情况下的设定功率值E设定为250kW。

如上所述，在燃气涡轮发动机中，吸气温度越低，吸气流量增加，即使在相同转速下，压缩驱动动力也越增加，因此，从启动开始提速到一次暖气转速的必要马达功率E1、E2，以及从一次暖气转速开始提速到二次暖气转速的必要马达功率E3、E4，根据吸气温度而不同。这里，必要马达功率E1、E2分别是在吸气温度为15℃、30℃的情况下，从启动开始提速至一次暖气转速的必要马达功率，必要马达功率E3、E4分别是在吸气温度为15℃、30℃的情况下，从一次暖气转速开始提速到二次暖气转速的必要马达功率。

在吸气温度为15℃的情况下，从一次暖气转速开始提速到二次暖气转速的必要马达功率E3为150kW，其大于在吸气温度为30℃的情况下的必要马达功率E4的100kW，但由于分别将吸气温度为15℃的情况下的设定功率值E设定为200kW，将吸气温度为30℃的情况下的设定功率值E设定为250kW，因此作为必要马达功率最大值的第二峰值P2成为相同值(350kW)。这样，通过将一次暖机结束时的设定功率值E设置为与吸气温度相应的值，使必要马达功率的最大值能够不受吸气温度的影响，而保持一定。其结果，能够进一步减小功率转换装置11及变频调速电动机IM的容量。

在上述各实施方式中，使用催化燃烧器作为主燃烧器2，但主燃烧器2不限于此。此外，本发明也能够适用于如下所述的贫燃料吸入燃气涡轮发动机，其将在煤矿产生的CMM(Coal Mine Methane；煤矿甲烷)等低热量气体与空气或从煤矿排出的VAM(Ventilation AirMethane；煤矿通风甲烷)等混合等，通过由压缩机压缩，制成不点火的燃烧极限浓度以下的工作气体，吸入发动机，将所含的可燃成分用作燃料。本发明特别是对于如贫燃料吸入燃气涡轮发动机那样不频繁启动的系统有效。

在上述实施方式中，将暖机次数设为两个阶段，但也可以为三个阶段以上。此外，也可以省略图1的热交换器6。进而，还可以没有功率转换装置11。

如上所述，参照附图对本发明的优选实施方式进行了说明，但在不脱离本发明的主旨的范围内，能够进行各种补充、改变或删除，这样的补充、改变及删除也包含在本发明的范围内。

附图标记说明

1  压缩机

2  主燃烧器

3  涡轮

4  旋转机械(启动装置)

6  热交换器

11 功率转换装置

20 控制器

GT 燃气涡轮发动机

IM 启动装置(变频调速电动机)

G1 压缩气体

G2 燃烧气体

G3 废气

E  设定功率值

Claims (6)

1.一种燃气涡轮发动机的启动方法，所述燃气涡轮发动机具有压缩机、燃烧器、涡轮和启动装置，所述压缩机压缩进气，所述燃烧器使由所述压缩机压缩的压缩气体燃烧，产生高温高压的燃烧气体，所述涡轮通过所述燃烧气体驱动，所述启动装置由兼作通过所述涡轮驱动的发电机的旋转机械构成；

所述启动装置包含变频调速电动机；

具备一次暖机工序和二次暖机工序；

所述一次暖机工序通过所述变频调速电动机保持在一定的一次暖机转速，对燃气涡轮发动机进行暖机；

所述二次暖机工序通过所述变频调速电动机进一步增速，保持在一定的二次暖机转速，对燃气涡轮发动机进行暖机。

2.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机的启动方法，其特征在于，在达到对应于吸气温度而预先设定的设定功率值时，使所述一次暖机工序结束。

3.根据权利要求1或2所述的燃气涡轮发动机的启动方法，其特征在于，进一步设置热交换器，该热交换器利用来自所述涡轮的废气对所述压缩气体加热；

在所述一次暖机工序及二次暖机工序中，通过使所述废气的温度上升，使所述压缩气体升温，对所述燃气涡轮发动机暖机。

4.根据权利要求1、2或3所述的燃气涡轮发动机的启动方法，其特征在于，进一步在所述旋转机械上连接由逆变器及整流器构成的功率转换装置；

在启动时将所述旋转机械作为启动装置驱动，并且在所述一次暖机工序及二次暖机工序中，在达到一次及二次暖机转速后，分别保持一次及二次暖机转速。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的燃气涡轮发动机的启动方法，其特征在于，所述燃气涡轮发动机是贫燃料吸入燃气涡轮发动机。

6.一种燃气涡轮发动机，具备压缩机、燃烧器、涡轮、启动装置和控制器；

所述压缩机压缩进气；

所述燃烧器使由所述压缩机压缩的压缩气体燃烧，产生高温高压的燃烧气体；

所述涡轮通过所述燃烧气体驱动；

所述启动装置由兼作通过所述涡轮驱动的发电机的旋转机械构成；

所述启动装置包含变频调速电动机；

所述控制器通过所述变频调速电动机保持在一定的一次暖机转速，对燃气涡轮发动机进行一次暖机，通过所述变频调速电动机进一步增速，保持在一定的二次暖机转速，对燃气涡轮发动机进行二次暖机。