CN104011347A - 具备热交换器的燃气涡轮发动机及其启动方法 - Google Patents
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Abstract
燃气涡轮发动机的启动方法具备一次暖机工序、二次暖机工序和加速工序，所述一次暖机工序使用变频调速电动机(IM)，将发动机转速保持在部分转速，通过压缩气体(G1)对热交换器(6)暖机；所述二次暖机工序通过在使用变频调速电动机(IM)保持在所述部分转速的状态下，使主燃烧器(2)工作，逐渐增加废气(G3)的温度，由此对热交换器(6)暖机；所述加速工序使主燃烧器(2)的点燃量增加，同时，使用变频调速电动机(IM)使发动机转速增加，提速至额定转速。
Description
相关申请
本申请要求2011年12月22日申请的日本专利申请2011-280947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
本发明涉及一种具备热交换器的燃气涡轮发动机及其启动方法，所述热交换器在涡轮的废气与由压缩机压缩的压缩气体之间进行热交换。
背景技术
近年来，为了燃气涡轮发动机的高效率化，采用具有热交换器的再生循环的机会在增加。燃气涡轮发动机的热交换器要求耐高温高压、高效率并且省空间，例如，使用散热片式、管式等的热交换器(例如，专利文献1、2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第5039366号公报
专利文献2：日本专利第5048389号公报
一般地，燃气轮机的启动以短时间进行，启动时由于燃气轮机的废气温度急剧上升，作为较大结构体的热交换器受到大的热冲击。具体地，在燃气涡轮发动机启动时，通过使用了压缩空气的启动器使燃气涡轮发动机旋转，同时，投入燃料点火。在燃烧器刚点火后，热交换器入口的气体温度达到峰值，在热交换器内部，热应力达到最大。由于这样在启动时迎来热应力的峰值，如果反复多次启动，则热交换器的耐久性降低。
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，所述燃气涡轮发动机及其启动方法能够限制启动时产生的热交换器的过大的热应力。
(二)技术方案
为了实现上述目的，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、启动装置和热交换器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，所述涡轮由所述燃烧气体驱动，所述热交换器通过来自所述涡轮的废气对所述压缩气体加热；具备一次暖机工序、二次暖机工序和加速工序，所述一次暖机工序使用所述启动装置将发动机转速保持在部分转速，通过所述压缩气体对所述热交换器暖机，所述二次暖机工序通过在使用所述启动装置保持在所述部分转速的状态下，使所述燃烧器工作，逐渐增加所述废气的温度，由此对所述热交换器暖机，所述加速工序使所述燃烧器的点燃量增加，即，向所述燃烧器供给的燃料供给量增加，同时，使用所述启动装置使发动机转速增加，提速至额定转速。
根据该结构，由于以利用压缩气体进行的一次暖机及利用废气进行的二次暖机这两个阶段进行热交换器的暖机，使热交换器入口的压缩气体的温度逐渐上升，因此能够大幅地限制在启动时产生对热交换器过大的热应力。
在本发明中，所述启动装置优选由兼作通过所述涡轮驱动的发电机的旋转机械构成。根据该结构，通过将变频调速电动机用作启动装置，不需要以往必须的另外的启动器，结构变得简单。
在本发明中，优选地，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，所述启动装置包含变频调速电动机，所述功率转换装置将所述旋转机械作为启动装置驱动，在所述一次及二次暖机工序中，通过所述变频调速电动机保持在所述部分转速，在所述加速工序中，通过所述变频调速电动机使发动机转速增加，提速至额定转速。根据该结构，由于设置了功率转换装置，即使逐渐提高热交换器入口的压缩气体温度，也能够将转速保持为一定。由此，直至暖机结束，能够将转速保持为一定。此外，以往，通过调整燃料的流量来进行转速控制，由于使用功率转换装置由变频调速电动机进行转速控制，能够将燃料的供给仅用于旋转机械的驱动，因此设计的自由度提高。
在本发明中，所述燃气涡轮发动机也可以是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。
在本发明中，优选地，在所述二次暖机工序中，通过增加向所述燃烧器供给的燃料供给量，使所述废气的温度逐渐上升。根据该结构，能够以简单的结构进行两个阶段的暖机。
在本发明中，所述燃气涡轮发动机也可以进一步设置在启动时使所述废气升温的辅助燃烧器，在所述二次暖机工序中，通过增加所述辅助燃烧器的点燃量，使所述废气的温度逐渐上升。根据该结构，由于调整辅助燃烧器的点燃量，因此不必考虑主燃烧器在额定状态下的燃烧特性的变化，能够进行辅助燃烧器在点火时及点燃量少的状态下的点燃量的调整。
在设置辅助燃烧器的情况下，优选地，通过该辅助燃烧器，在从所述压缩气体部分抽出的抽出气体中混合燃料，使其火焰燃烧，产生加温用气体，并将该加温用气体混入所述废气进行加温，同时，在所述二次暖机工序中，所述辅助燃烧器的点燃量的调整通过组合所述燃料的流量和所述抽气气体的流量的控制来进行。根据该结构，能够通过辅助燃烧器进行更细微的点燃量的调整。
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、热交换器、辅助燃烧器和控制器，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，所述涡轮由所述燃烧气体驱动，所述热交换器利用来自所述涡轮的废气对所述压缩气体加热，所述辅助燃烧器在启动时使所述废气升温；所述控制器进行如下控制：通过所述启动装置将发动机转速保持在部分转速，进行利用所述压缩气体的一次暖机，在通过所述启动装置保持在所述部分转速的状态下，使所述辅助燃烧器工作，逐渐增加所述废气的温度，由此进行对所述热交换器暖机的二次暖机，进而，在使所述燃烧器的点燃量增加的同时，使用所述启动装置使发动机转速增加，提速至额定转速。
根据该结构，由于以利用压缩气体进行的一次暖机及利用废气进行的二次暖机这两个阶段进行热交换器的暖机，使热交换器入口的压缩气体的温度逐渐上升，因此能够大幅地限制启动时产生对热交换器过大的热应力。此外，由于调整辅助燃烧器的点燃量，因此不必考虑主燃烧器在额定状态下的燃烧特性的变化，能够进行辅助燃烧器在点火时及点燃量少的状态下的点燃量的调整。
在本发明中，优选地，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，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，所述启动装置包含变频调速电动机，所述功率转换装置将所述旋转机械作为启动装置驱动，所述变频调速电动机在所述热交换器的暖机期间，将发动机转速保持在部分转速，在暖机结束后，使发动机转速增加，提速至额定转速。
根据该结构，由于设置了功率转换装置，即使逐渐提高热交换器入口的压缩气体温度，也能够保持转速为一定。由此，直至暖机结束，能够将转速保持为一定，并且，能够使用功率转换装置由变频调速电动机进行转速控制，将燃料的供给仅用于旋转机械的驱动，因此设计的自由度提高。进而，通过将变频调速电动机用作启动装置，不需要以往必须的另外的启动器，结构变得简单。
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具备热交换器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、热交换器入口温度及转速的变化的特性图。
图3是表示本发明的第二实施方式的燃气涡轮发动机的简要结构图。
图4是表示该燃气涡轮发动机在启动时的燃料阀开度、热交换器入口温度及转速的变化的特性图。
图5是表示本发明的第三实施方式的燃气涡轮发动机的简要结构图。
具体实施方式
下面参照附图说明本发明的优选的实施方式。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要结构图。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，连接由逆变器及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。
像空气这样的进气由压缩机1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。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和辅助燃烧器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，该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在从通过压缩机1压缩的压缩气体G1部分抽出的抽出气体G20中混合燃料，使其火炎燃烧产生加温用气体G4，将该加温用气体G4混入从涡轮3供给热交换器6的废气G3，进行加温。在辅助燃烧器7上连接抽气阀8，该抽气阀8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的输出信号来进行。
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。通过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进行。
连接压缩机1与涡轮3的旋转轴5由单轴构成，该旋转轴5与旋转机械4连接。通过由涡轮3的旋转而驱动的旋转机械4得到的电力输入至控制器20。
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将旋转机械4作为启动装置驱动(启动模式/开始)，通过变频调速电动机IM，如图2所示，保持在一定的部分转速(一次暖机)。被保持的转速为例如偏离轴振动/叶片振动的共振点的转速。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。
在所述一次暖机中，通过由图1的压缩机1压缩/升温的压缩气体G1，如图2所示，使热交换气体入口温度不发生较大变化，对图1热交换器6进行暖机。热交换气体入口温度是在连接涡轮3与热交换器6的排气管道内流动的废气G3的温度。
接着，在通过功率转换装置11保持所述一定的部分转速的同时，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。如图2所示，逐渐增大第二燃料控制阀10的开度，通过缓慢增加点燃量，使热交换气体入口温度不发生较大变化，对图1的热交换器6进行暖机(二次暖机)。在本实施方式中，一次暖机及二次暖机的时间可以通过定时器这样的时限装置来设定，也可以例如在热交换器6的出入口设置温度计，基于这些温度计的测量值，来调整一次暖机及二次暖机的时间。
热交换器6的暖机结束后，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，使主燃烧器2点火，如图2所示，在逐渐打开第一燃料控制阀9，使主燃烧器2(图1)的点燃量增加的同时，使发动机转速增加，使热交换气体入口温度不发生较大变化，提速至额定转速(加速工序)。在二次暖机结束时，空转结束，之后，在达到额定转速时，从启动模式过渡至负荷模式，即发电模式。即，在启动模式中，燃气涡轮发动机GT通过商用电力驱动。
在上述说明中，二次暖机的辅助燃烧器7的点燃量的调整，即，向辅助燃烧器供给的燃料供给量的调整通过第二燃料控制阀10来进行，也可以组合通过抽气阀8进行的空气流量的控制。由此，能够进行更细微的调整。此外，像停止燃气涡轮发动机后马上重新启动的情况那样，在热交换器在暖机的状态下启动燃气涡轮发动机的情况下，启动模式也可以省略一次暖机，而从二次暖机开始。由此，能够缩短启动时间。
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，以启动时的定转速打开燃料阀，使燃烧器点火，在短时间达到额定转速。因此，热交换气体入口温度在启动刚开始后达到峰值P，对热交换器的热冲击过大。与此相对，在本实施方式中，对图1的热交换器6以利用压缩气体G1进行的一次暖机及利用辅助燃烧器7的废气G3进行的二次暖机这两个阶段进行，使图2的热交换气体入口温度逐渐上升，因此能够大幅地限制在启动时产生对热交换器6的过大的热应力。
此外，由于设置了图1所示的功率转换装置11，因此如图2所示，即使逐渐提高热交换气体入口温度，也能够同时将转速保持为一定。由此，直至暖机结束，能够将转速保持为一定。
在二次暖机中，由于控制第二燃料控制阀10，即，调整图1的辅助燃烧器7的点燃量，因此不必考虑主燃烧器2在额定状态下的燃烧特性的变化，能够进行辅助燃烧器7在点火时及点燃量少的状态下的点燃量的调整。
进而，以往通过调整燃料的流量来进行转速控制，但在本实施方式中，使用功率转换装置11由变频调速电动机IM进行转速控制，能够将燃料的供给仅用于发电，因此设计的自由度提高。此外，通过将变频调速电动机IM用作启动装置，不需要以往必须的另外的启动器，结构变得简单。
图3是表示本发明的第二实施方式的燃气涡轮发动机的简要结构图。第二实施方式与图1的第一实施方式相比，不同点在于没有辅助燃烧器7和向其分别供给空气及燃料的抽气阀8及第二燃料控制阀10，除此以外的结构与图1的第一实施方式相同。
图4表示第二实施方式的燃气涡轮发动机GT的特性。如图3及图4所示，在第二实施方式中，一次暖机结束后，在通过功率转换装置11进行一定转速的控制的同时，打开第一燃料控制阀9，使主燃烧器2点火，并逐渐增大第一燃料控制阀9的开度，使主燃烧器2的点燃量缓慢增加，由此使热交换气体入口温度不发生较大变化，完成热交换器6的暖机(二次暖机)。
二次暖机结束后，进一步增大第一燃料控制阀9的开度，使主燃烧器2的点燃量及发动机转速增加，使热交换气体入口温度不发生较大变化，提速至额定转速。到达额定转速后，过渡至负荷模式。
在第二实施方式中，对图3的热交换器6以利用压缩气体G1进行的一次暖机及利用主燃烧器2的废气G3进行的二次暖机这两个阶段进行，使图4的热交换气体入口温度逐渐上升，因此能够大幅地限制在启动时产生对热交换器6的过大的热应力，能够防止在热交换器内部产生破损。
图5是表示本发明的第三实施方式的燃气涡轮发动机的简要结构图。第三实施方式与图1的第一实施方式相比，不同点在于，作为辅助燃烧器7，使用设置在连接涡轮3与热交换器6的排气管道上的管道燃烧器52，除此以外的结构及启动时的工作与图1及图2的第一实施方式相同。因此，即便在第三实施方式中，也与图1的第一实施方式同样奏效。
在上述各实施方式中，作为主燃烧器2，使用催化燃烧器，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，将所含的甲烷这样的可燃成分用作燃料。由于本发明启动时间比较长，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。
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。因此，这样的补充、改变及删除也包含在本发明的范围内。因此，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(燃烧器)
3 涡轮
4 旋转机械(启动装置)
6 热交换器
7 辅助燃烧器
11 功率转换装置
20 控制器
52 管道燃烧器(辅助燃烧器)
GT 燃气涡轮发动机
G1 压缩气体
G2 燃烧气体
G3 废气
G20 抽出气体
IM 启动装置(变频调速电动机)
Claims (9)
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、启动装置和热交换器，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，所述涡轮由所述燃烧气体驱动，所述热交换器通过来自所述涡轮的废气对所述压缩气体加热；
具备一次暖机工序、二次暖机工序和加速工序；
所述一次暖机工序使用所述启动装置将发动机转速保持在部分转速，通过所述压缩气体对所述热交换器暖机；
所述二次暖机工序通过在使用所述启动装置保持在所述部分转速的状态下，使所述燃烧器工作，逐渐增加所述废气的温度，由此对所述热交换器暖机；
所述加速工序使所述燃烧器的点燃量增加，同时，使用所述启动装置使发动机转速增加，提速至额定转速。
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，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。
3.根据权利要求2所述的燃气涡轮发动机的启动方法，其特征在于，
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，所述启动装置包含变频调速电动机；
所述功率转换装置将所述旋转机械作为启动装置驱动；
在所述一次及二次暖机工序中，通过所述变频调速电动机保持在所述部分转速；
在所述加速工序中，通过所述变频调速电动机使发动机转速增加，提速至额定转速。
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，所述燃气涡轮发动机是贫燃料吸入燃气涡轮发动机。
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，
在所述二次暖机工序中，优选通过增加所述燃烧器的点燃量，使所述废气的温度逐渐上升，根据该结构，能够以简单的结构进行两个阶段的暖机。
6.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进一步设置在启动时使所述废气升温的辅助燃烧器；
在所述二次暖机工序中，通过增加所述辅助燃烧器的点燃量，使所述废气的温度逐渐上升。
7.根据权利要求6所述的燃气涡轮发动机的启动方法，其特征在于，
通过所述辅助燃烧器，在从所述压缩气体部分抽出的抽出气体中混合燃料，使其火焰燃烧，产生加温用气体，并将该加温用气体混入所述废气进行加温，同时，在所述二次暖机工序中，所述辅助燃烧器的点燃量的调整通过组合所述燃料的流量和所述抽气气体的流量的控制来进行。
8.一种燃气涡轮发动机，具备压缩机、燃烧器、涡轮、启动装置、热交换器、辅助燃烧器和控制器；
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；
所述涡轮由所述燃烧气体驱动；
所述热交换器利用来自所述涡轮的废气对所述压缩气体加热；
所述辅助燃烧器在启动时使所述废气升温；
所述控制器进行如下控制：通过所述启动装置将发动机转速保持在部分转速，进行利用所述压缩气体的一次暖机，在通过所述启动装置保持在所述部分转速的状态下，使所述辅助燃烧器工作，逐渐增加所述废气的温度，由此进行对所述热交换器暖机的二次暖机，进而，在使所述燃烧器的点燃量增加的同时，使用所述启动装置使发动机转速增加，提速至额定转速。
9.根据权利要求8所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，
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；
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；
所述启动装置包含变频调速电动机；
所述功率转换装置将所述旋转机械作为启动装置驱动；
所述变频调速电动机在所述热交换器的暖机期间，将发动机转速保持在部分转速，在二次暖机结束后，使发动机转速增加，提速至额定转速。
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