CN104213987B

CN104213987B - 双轴式燃气轮机及其运转方法

Info

Publication number: CN104213987B
Application number: CN201410228161.6A
Authority: CN
Inventors: 七泷健治; 黑木英俊
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2013-05-28
Filing date: 2014-05-27
Publication date: 2016-10-26
Anticipated expiration: 2034-05-27
Also published as: JP2014231745A; CN104213987A; EP2808493B1; US20140352320A1; EP2808493A1; JP6222993B2

Abstract

本发明提供一种双轴式燃气轮机，不需要在低压涡轮的初级使用可变静叶片，而能够在任意的大气温度下使高压涡轮的入口温度以及风量上升到额定值。该双轴式燃气轮机具备：具有压缩机(11)、燃烧器(12)以及高压涡轮(13)的燃气发生器(21)、通过来自高压涡轮(13)的排气驱动的低压涡轮(14)、与燃气发生器(21)连接的发电电动机(23)以及控制装置(24)，当高压涡轮(13)的入口温度或压缩机(11)的风量中的任意一方的值先于另一方的值达到额定值时，驱动发电电动机(23)使另一方的值接近额定值。

Description

双轴式燃气轮机及其运转方法

技术领域

本发明涉及一种双轴式燃气轮机。

背景技术

一般，双轴式燃气轮机具备：具有压缩机、燃烧器以及高压涡轮的燃气发生器和与负荷装置连接的低压涡轮(动力涡轮)。将低压涡轮的旋转轴从燃气发生器的旋转轴(燃气发生器轴)分离。在燃气发生器中，在燃烧器中将由压缩机生成的压缩空气和燃料一同进行燃烧，通过在燃烧器生成的燃烧气体驱动高压涡轮来得到压缩机的驱动力。低压涡轮通过驱动高压涡轮后的燃烧气体来驱动，由此驱动负荷装置(参照专利文献1)。

通常，在双轴式燃气轮机中，通过压缩机的风量(压缩机的动作流体流量)或高压涡轮入口温度达到额定，成为额定运转状态。一般当气温比设计温度低时，在高压涡轮入口温度达到额定值之前压缩机风量达到额定值，转移到额定运转后高压涡轮入口温度也不会上升到额定值。相反，当气温比设计温度高时，在压缩机风量达到额定值之前高压涡轮入口温度达到额定值，在额定运转时风量不会上升到额定值。因此，与气温为设计条件的条件下(高压涡轮入口温度以及风量都达到额定值的条件下)相比，在气温与设计温度不同的条件下性能降低。

对此，将低压涡轮的初级静叶片设为可动叶片(可变静叶片)，通过调整可动叶片的开度，能够变更高压涡轮以及低压涡轮的输出(动力)的比例。此时，与大气温度无关能够使高压涡轮入口温度以及风量上升到额定值。然而，随着近年的燃烧温度的上升低压涡轮的入口温度也随之上升，需要使低压涡轮的初级静叶片为冷却叶片，从而难以使低压涡轮的初级静叶片成为可动叶片。

专利文献1：日本特开2010-25069号公报

发明内容

本发明是鉴于上述问题而提出的，其目的在于提供一种不需要在低压涡轮的初级使用可变静叶片，而能够在任意的大气温度下使高压涡轮的入口温度以及风量上升到额定值的双轴式燃气轮机。

为了达成上述目的，本发明的特征在为，具备：具有压缩机、燃烧器以及高压涡轮的燃气发生器；通过来自所述高压涡轮的排气驱动的固定叶片低压涡轮；与所述燃气发生器连接的负荷调整器；以及控制装置，其在所述高压涡轮的入口温度或所述压缩机的风量中的任意一方的值先于另一方的值达到额定值时，驱动所述负荷调整器使所述另一方的值接近额定值。

根据本发明，即使不在低压涡轮的初级使用可变静叶片，也能够改变高压涡轮与低压涡轮的动叶片平衡，能够在任意的大气温度下将高压涡轮的入口温度以及风量上升到额定值。

附图说明

图1是本发明第一实施方式的双轴式燃气轮机的结构图。

图2是表示本发明第一实施方式的双轴式燃气轮机具备的控制装置进行的发电电动机的控制顺序的流程图。

图3是表示本发明第一实施方式的双轴式燃气轮机的输出(动力)的大气温度特性的图。

图4是表示本发明第一实施方式的双轴式燃气轮机的输出(动力)的大气温度特性的其他例子的图。

图5是本发明第二实施方式的双轴式燃气轮机的结构图，是与图1对应的图。

图6是本发明第三实施方式的双轴式燃气轮机的结构图，是与图1对应的图。

图7是本发明第四实施方式的双轴式燃气轮机的结构图，是与图1对应的图。

符号说明

1 IGV(入口导向叶片)

5 温度计

11 压缩机

12 燃烧器

13 高压涡轮

14 低压涡轮

20，20A-C 双轴式燃气轮机

21 燃气发生器

23 发电电动机(负荷调整器)

24 控制装置

25 燃料压缩机(负荷调整器)

27 抽气流量调整阀(负荷调整器)

28 抽气管路

29a、b 初级静叶片

具体实施方式

使用以下的附图说明本发明的实施方式。

(第一实施方式)

1.双轴式燃气轮机

图1是本发明第一实施方式的双轴式燃气轮机的结构图。

该图所示的双轴式燃气轮机20具备燃气发生器21、输出涡轮22、发电电动机23以及控制装置24。

(1)燃气发生器

燃气发生器21具备压缩机11、燃烧器12以及高压涡轮13作为主要要素。压缩机11压缩从大气吸入的空气生成压缩空气。在该压缩机11的入口(空气吸入口)设有IGV(入口导向叶片)1。通过IGV驱动装置(未图示)驱动IGV1，通过调整IGV1的开度，压缩机11的空气吸入量进行变化。IGV1中设有检测其叶轮(vane)(IGV1的开度)的角度的角度检测器2。燃烧器12将来自压缩机11的压缩空气和燃料一起混合燃烧，来生成燃烧气体17。高压涡轮13经由兼任该高压涡轮13的转子的燃气发生器轴3与压缩机11连接，将通过来自燃烧器12的燃烧气体17得到的旋转动力传递给压缩机11。

例如当将与输出涡轮22连接的负荷装置15设为发电机时，根据来自上位的控制装置(未图示)的发电输出指令(NWD)、低压涡轮14的输出(负荷装置15的发电输出)、低压涡轮14的转速等，按照预定的程序由控制装置24(或其他的控制装置)控制IGV1的开度。

(2)输出涡轮

一方的输出涡轮22具备低压涡轮14以及负荷装置15作为主要要素，经由兼任低压涡轮14的转子的输出涡轮轴4将低压涡轮14和负荷装置15连接。低压涡轮14是对所有段落的静叶片使用非可动型固定静叶片的固定叶片低压涡轮。将驱动上述高压涡轮13压力降低的燃烧气体18从高压涡轮13输送到低压涡轮14，通过燃烧气体18驱动低压涡轮14。将通过低压涡轮14得到的旋转动力传递给负荷装置15来驱动负荷装置15。代表性的负荷装置15是发电机，也可以应用泵等。把驱动低压涡轮14后的燃烧气体作为排气19排出。在低压涡轮14的排气管路上设有测定排气19的温度的温度计5。

(3)发电电动机

发电电动机23起到调整燃气发生器21的负荷的负荷调整器的作用，经由燃气发生器轴3与燃气发生器21的压缩机11连接。例如能够在该发电电动机23中使用变频器。

(4)控制装置

控制装置24执行控制发电电动机23来调整高压涡轮13和低压涡轮14的负荷(动力)的比例的顺序。具体而言，控制装置24起到以下作用：当高压涡轮13的入口温度或压缩机11的风量(动作流体流量)中的任意一方的值先于另一方的值达到额定值时，驱动发电电动机23使另一方的值接近额定值。额定值是如果高压涡轮13的入口温度或压缩机11的风量达到该值时，则双轴式燃气轮机20的运转状态成为额定运转的值，对高压涡轮13的入口温度或压缩机11的风量分别设定了额定值。关于额定值，能够对高压涡轮13的入口温度或压缩机11的风量分别设定特定的值，但也能够设定为预定范围(具有上限值以及下限值的值)。

例如，当压缩机11的风量达到额定值时，控制装置24对发电电动机23输出发电指令(例如在发电电动机23中流过负荷电流来产生发电负荷)，将发电电动机23作为发电机来驱动。作为对发电电动机23的发电指令值，运算并输出使高压涡轮13的入口温度与其额定值之差变小的值。另一方面，当高压涡轮13的入口温度达到额定值时，控制装置24对发电电动机23输出动力指令(对发电电动机23供给驱动电力)，将发电电动机23作为电动机来驱动。作为对发电电动机23的动力指令，运算并输出使压缩机11的风量与其额定值之差变小的值。假设当高压涡轮13的入口温度和压缩机11的风量同时到达各额定值时，发电电动机23进行无负荷运转(空转)。当经由离合器与燃气发生器轴3连接时，代替无负荷运转可以将发电电动机23从燃气发生器轴3分离。

在本实施方式中，根据角度检测器2的检测信号(IGV1的开度)通过控制装置24运算压缩机11的风量，能够将IGV1全开(或设定开度以上)的状态设为额定风量。然而，风量运算并不局限于此，例如也可以采用在压缩机11的入口设置风量计根据吸入流量进行运算等其他的测定方法。另一方面，能够根据例如温度计5的测定值(低压涡轮14的排气19的温度)通过控制装置24运算高压涡轮13的入口温度。然而，高压涡轮13的入口温度的运算并不局限于此，如果可能也可以采用在高压涡轮13的入口设置温度计直接测定等其他的测定方法。

2.动作

图2是表示控制装置24的发电电动机23的控制顺序的流程图。

在开始双轴式燃气轮机20的启动运转后，控制装置24运算压缩机11的风量F以及高压涡轮13的入口温度T(步骤S101、步骤S102)。步骤S101、S102的顺序也可以相反。接下来，控制装置24判定风量F是否达到额定值(步骤S103)，并且判定温度T是否达到额定值(步骤S104、步骤S105)。与风量F和温度T有关的判定顺序也可以相反。

作为步骤S103等的判定结果，在判定为风量F和温度T任何一方都没有达到额定值时，控制装置24返回步骤S101重新运算风量F以及温度T(步骤S103→S105→S101)。

作为步骤S103等的判定结果，在判定为先于风量F仅温度T达到额定值时，控制装置24对发电电动机23输出发电指令(步骤S106)，然后将顺序返回到S101(步骤S103→S105→S106→S101)。

作为步骤S103等的判定结果，在判定为先于温度T仅风量F达到额定值时，控制装置24对发电电动机23输出动力指令(步骤S107)，然后将顺序返回到S101(步骤S103→S104→S107→S101)。

然后，作为执行了以上的控制顺序的结果，当风量F以及温度T双方达到额定值时，控制装置24结束图2的控制顺序(步骤S101→S102→S103→S104→结束)。通过这些步骤启动运转完成，双轴式燃气轮机20转移到额定运转状态。

3.效果

图3表示了本实施方式的双轴式燃气轮机的输出(动力)的大气温度特性。该图中的实线表示应用了发明时(如图2所示控制发电电动机23时)的大气温度特性，虚线表示没有应用发明时(例如将发电电动机23连接到燃气发生器21时)的大气温度特性。

如该图所示，在双轴式燃气轮机20中，设计为不论有无发电电动机23，在设计温度(特定的大气温度)下高压涡轮的入口温度以及压缩机的风量双方达到额定值。当不使用发电电动机23时，在大气温度比设计温度低的条件下，在入口温度没有达到额定值的状态下风量达到额定值从而转移到额定运转，在转移到额定运转后风量也比额定值低。相反，在大气温度比设计温度高的条件下，在风量没有达到额定值的状态下入口温度达到额定值从而转移到额定运转，在转移到额定运转后入口温度也比额定值低。因此，在大气温度与设计温度不同的条件下，与设计温度的条件下相比性能降低。

与此相对，在如图2中说明那样控制发电电动机23时，在大气温度比设计温度低的条件下，将发电电动机23作为发电机驱动来对高压涡轮13施加负荷。当对高压涡轮13施加负荷时，对于同一高压涡轮入口温度减少相匹配的压缩机风量。即，通过相同的压缩机风量取得平衡的高压涡轮入口温度上升。因此，即使在大气温度比设计温度低的条件下，如图3所示能够将高压涡轮入口温度上升到额定值，在额定运转时能够成为高压涡轮入口温度以及压缩机风量都达到额定值的状态。

相反，在大气温度比设计温度高的条件下，将发电电动机23作为电动机驱动来对高压涡轮13提供动力。当对高压涡轮13提供动力时，对同一高压涡轮入口温度增加相匹配的压缩机风量。因此，即使在大气温度比设计温度高的条件下，如图3所示能够将压缩机风量上升到额定值，在额定运转时能够成为高压涡轮入口温度以及压缩机风量都能达到额定值的状态。

因此，不需要在低压涡轮14的初级使用可变静叶片，能够在任意的大气温度下使高压涡轮13的入口温度以及压缩机11的风量双方上升到额定值，能够提高大气温度特性。

此外，燃气发生器21的旋转速度并不限于恒定，通过对发电电动机23使用变频器，能够柔软地应对燃气发生器21的转速变动。

4.其他

在本实施方式中，以使用发电电动机23来作为负荷调整器，在大气温度相对于设计温度低时和高时进行应对的情况为例进行了说明，也可以考虑应对大气温度相对于设计温度低时和高时中的任意一方的结构。此时，能够使用发电机或电动机来代替发电电动机23。

例如，当将发电专用的发电机连接到燃气发生器21的情况下，在压缩机11达到额定风量时从控制装置24对发电机输出发电指令，由此通常在额定运转时在高压涡轮入口温度没有达到额定值的条件下能够将高压涡轮入口温度上升到额定值。此时，在大气温度比设计温度高的情况下无法使压缩机风量增加，但如图4所示通过将设计温度设定为在双轴式燃气轮机20的设置场所设想的大气温度的温度范围的上限附近，能够在大多数情况下起效。在使用发电机时，与使用发电电动机23的情况相比能够降低设备的费用。

此外，例如在将动力协助专用的电动机连接到燃气发生器21的情况下，当高压涡轮入口温度达到额定值时从控制装置24对电动机输出动力指令，从而通常在额定运转时在压缩机风量没有达到额定值的条件下能够将压缩机风量增加到额定值。此时，在大气温度比设计温度低的情况下无法使高压涡轮入口温度上升，但是通过将设计温度设定为在双轴式燃气轮机20的设置场所设想的大气温度的温度范围的下限附近，能够在大多数情况下起效。在使用电动机的情况下，与使用发电电动机23的情况相比能够降低设备的费用。此外，当电动机的容量较小而足够时，可以通过一般在燃气发生器21的启动中使用的启动装置来代替电动机，此时能够更廉价地构成双轴式燃气轮机20，在设置空间和维护性方面也有利。

(第二实施方式)

图5是本发明第二实施方式的双轴式燃气轮机的结构图，是与图1对应的图。在该图中对于已经说明的内容，赋予与之前附图相同的符号，并省略其说明。

如图4所示，本实施方式的双轴式燃气轮机20A与第一实施方式的双轴式燃气轮机20的不同点在于，取代发电电动机23，将燃料压缩机25作为负荷调整器与燃气发生器21连接。燃料压缩机25是压缩燃料气体，将压缩后的燃料气体26提供给燃烧器12的装置，经由燃气发生器轴3与压缩机11连接。当压缩机11的动作流体达到额定流量时(例如IGV1全开或设定开度以上时)，控制装置24驱动燃料压缩机25开始对燃气发生器21施加负荷。由此，即使在大气温度比设计温度低的条件下，也不需要在低压涡轮14的初级使用可变静叶片，能够使高压涡轮13的入口温度以及压缩机11的风量双方上升到额定值，能够提高大气温度特性。其他结构与第一实施方式相同。

在本实施方式的结构中，当大气温度比设计温度高时，无法增加压缩机风量，但如图4所示通过将设计温度设定为在双轴式燃气轮机20A的设置场所设想的大气温度的温度范围的上限附近，能够在大多数情况下起效。

(第三实施方式)

图6是本发明第三实施方式的双轴式燃气轮机的结构图，是与图1对应的图。在该图中对于已经说明的内容，赋予与之前附图相同的符号，并省略其说明。

如图6所示，本实施方式的双轴式燃气轮机20B与第一实施方式的双轴式燃气轮机20的不同点在于，取代发电电动机23，设置了抽气流量调整阀27来作为负荷调整器。将抽气流量调整阀27设置在从压缩机11抽取压缩空气的抽气管路28上。抽气管路28例如将压缩机11的中间段和低压涡轮14的入口部连接。在本实施方式的情况下，当压缩机11的风量达到额定值时，控制装置24提高抽气流量调整阀27的开度来增加向低压涡轮14的初级静叶片的冷却空气流量。其他点与第一实施方式相同。

当增加冷却空气流量(抽气量)时，即使压缩机风量相同燃烧温度上升，高压涡轮入口温度上升。因此，在大气温度比设计温度低的条件下，通过增加冷却空气流量使高压涡轮入口温度提高到额定值，从而能够提高性能。当增加冷却空气流量时，效率下降动作流体流量减少的份，但是如果燃烧温度上升导致的性能提高超过冷却空气流量增加导致的性能降低，则性能提高。

在本实施方式中，基本上是用于当大气温度低于设计温度时使高压涡轮入口温度上升的结构，但例如在大气温度比设计温度高的情况下增加压缩机风量时，也可以考虑减少抽气流量调整阀27的开度来减少冷却空气流量的结构。此时，能够应对大气温度相对于设计温度高时和低时这两种情况。

此外，当增加冷却空气流量时，燃烧温度上升的原因有以下三点：

(1)燃烧空气流量的减少

(2)向高压涡轮的燃烧气体流量的减少引起的高压涡轮的输出降低

(3)高压涡轮出口以后的冷却空气的流入引起的平衡变化

因此，作为冷却空气的流入部位，如上所述低压涡轮14的初级前侧效果更佳。

(第四实施方式)

图7是本发明第四实施方式的双轴式燃气轮机的结构图，是与图1对应的图。在该图中对于已经说明的内容，赋予与之前附图相同的符号，并省略其说明。

如图7所示，本实施方式的双轴式燃气轮机20C与第一实施方式的双轴式燃气轮机20的不同点在于，将低压涡轮14的初级静叶片29a替换为初级静叶片29b，关于该初级静叶片29b，以在双轴式燃气轮机20C的设置场所压缩机风量以及高压涡轮入口温度双方达到额定值的方式设计了其叶片部的出口角度。在燃气发生器21上可以设置发电电动机23(参照图1)或抽气流量调整阀27(参照图6)等，但也可以省略。初级静叶片29b是根据双轴式燃气轮机20C的设置场所的大气温度的基准值(设想值)，以压缩机11的风量达到额定值时高压涡轮入口温度也达到额定值的方式，并考虑高压涡轮13以及低压涡轮14的动力分配而设计的固定静叶片。并且，在初级静叶片29a中当压缩机11的风量达到额定值时高压涡轮入口温度也没有达到额定值时，通过在低压涡轮14的初级安装初级静叶片29c进行运转，双轴式燃气轮机20C在压缩机风量达到额定值时高压涡轮入口温度也达到额定值。

关于低压涡轮14的初级静叶片29b，当扩大槽(slot)面积时高压涡轮的输出增加，因此即使高压涡轮入口温度相同，与槽面积小的情况相比压缩机风量增加。因此，在气温较高的地域运转双轴式燃气轮机20C时，通过使用槽面积大的涡轮初级静叶片29b性能得到提高。相反，当减少低压涡轮14的初级静叶片29b的槽面积时高压涡轮的输出减少，因此即使高压涡轮入口温度相同，与槽面积大的情况相比压缩机风量减少。这意味着通过相同压缩机风量增加相匹配的高压涡轮入口温度。因此，为了在气温较低的地域运转双轴式燃气轮机20C，通过使用槽面积小的涡轮初级静叶片29b性能得到提高。

由此，在低压涡轮14中根据设置场所不同区分使用槽面积不同的多个初级静叶片29b，从而能够使高压涡轮入口温度以及压缩机风量达到额定值，能够提高性能。

(其他变形例)

各实施方式分别实施能够得到效果，也可以组合多个实施方式来实施。此外，各实施方式示例的结构只是代表例，在不脱离本发明的宗旨的范围内能够进行各种变形。例如，以对轴流型双轴式燃气轮机应用发明的情况为例进行了说明，但也可以对离心型双轴式燃气轮机应用发明。然而，在离心型双轴式燃气轮机中一般不使用IGV，压缩机风量取决于压缩机的转速。因此，关于压缩机风量是否达到额定值，例如在压缩机中设置转速检测器，根据转速检测器的检测信号通过控制装置判断压缩机的转速是否达到额定值。

Claims

1.一种双轴式燃气轮机，其特征在于，具备：

具有压缩机、燃烧器以及高压涡轮的燃气发生器；

通过来自所述高压涡轮的排气驱动的固定叶片低压涡轮；

与所述燃气发生器连接的负荷调整器；以及

控制装置，其在所述高压涡轮的入口温度或所述压缩机的风量中的任意一方的值先于另一方的值达到额定值时，以即使在大气温度不同于设计温度的条件下在额定运转时仍能够使得所述高压涡轮的入口温度和所述压缩机的风量都达到额定值的方式，来驱动所述负荷调整器使所述另一方的值接近额定值。

2.根据权利要求1所述的双轴式燃气轮机，其特征在于，

所述负荷调整器是发电机，

当所述压缩机的风量达到额定值时，所述控制装置对所述发电机输出发电指令。

3.根据权利要求1所述的双轴式燃气轮机，其特征在于，

所述负荷调整器是燃料压缩机，

当所述压缩机的风量达到额定值时，所述控制装置驱动所述燃料压缩机。

4.根据权利要求1所述的双轴式燃气轮机，其特征在于，

所述负荷调整器是设置在从所述压缩机抽出压缩空气的抽气管路上的抽气流量调整阀，

当所述压缩机的风量达到额定值时，所述控制装置提高所述抽气流量调整阀的开度。

5.根据权利要求4所述的双轴式燃气轮机，其特征在于，

所述抽气管路与所述低压涡轮的入口部连接。

6.根据权利要求1所述的双轴式燃气轮机，其特征在于，

所述负荷调整器是电动机，

当所述高压涡轮的入口温度达到额定值时，所述控制装置对所述电动机输出动力指令。

7.根据权利要求6所述的双轴式燃气轮机，其特征在于，

使用启动用电动机兼任作为负荷调整器的电动机。

8.根据权利要求1所述的双轴式燃气轮机，其特征在于，

所述负荷调整器是发电电动机，

当所述压缩机的风量达到额定值时，所述控制装置对所述发电电动机输出发电指令，当所述高压涡轮的入口温度达到额定值时，所述控制装置对所述发电电动机输出动力指令。

9.根据权利要求8所述的双轴式燃气轮机，其特征在于，

在所述发电电动机中使用变频器。

10.根据权利要求2至9中的任一项所述的双轴式燃气轮机，其特征在于，

具备在所述压缩机的入口设置的入口导向叶片，

所述控制装置根据所述入口导向叶片的开度运算所述风量。

11.根据权利要求2至9中的任一项所述的双轴式燃气轮机，其特征在于，

具备测定所述低压涡轮的排气的温度的温度计，

所述控制装置根据所述温度计的测定值运算所述高压涡轮的入口温度。

12.一种双轴式燃气轮机的运转方法，该双轴式燃气轮机具备：具有压缩机、燃烧器以及高压涡轮的燃气发生器和通过来自所述高压涡轮的排气驱动的固定叶片低压涡轮，所述双轴式燃气轮机的运转方法的特征在于，

当所述高压涡轮的入口温度或所述压缩机的风量中的任意一方的值先于另一方的值达到额定值时，以即使在大气温度不同于设计温度的条件下在额定运转时仍能够使得所述高压涡轮的入口温度和所述压缩机的风量都达到额定值的方式，来调整所述燃气发生器的负荷使所述另一方的值接近额定值。