CN104279057B - 改善的燃气涡轮发动机及操作 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及改善的燃气涡轮发动机及操作。一种改善的燃气涡轮发动机(100)，适于包括入口流控制布置(116)，其设置在入口通路(102)中，至少在过滤器部件(112)与一排可变入口导叶(VIGV)之间，且邻近过滤器部件(112)，以允许入口通路(102)中的压力损失，且将减少量的入口空气供应至压缩机(106)，以使得能够在低负载状态下减小燃气涡轮发动机(100)的功率输出。
Description
技术领域
本公开内容涉及燃气涡轮发动机，并且更具体地涉及在低负载状态下具有改善的效率和在排出气体中改善的燃烧产物(如，氮氧化物气体(NOx)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、未燃烃(UHC)等)的排放控制的燃气涡轮发动机。
背景技术
在近些时候，随着对保护环境的关注增长，越来越多行业在朝可再生能源转移来发电，这导致需要常规发电设备有竞争力，且能够在很低负载下且在规定环境的约束内操作，包括对排出气体中的一种或多种燃烧产物(如，氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、未燃烃(UHC)等)的排放的限制。
在低负载状态下操作发电设备且同时将排放保持在规定环境约束内是挑战。之前已经进行了此方面的各种尝试，其中一种尝试包括通过闭合燃气涡轮或联合循环发电设备中的可变入口导叶(VIGV)来减少入口空气流。
然而，闭合VIGV来减少入口空气流仅在一定程度上可能，因为在某一极限之后，其上构造有VIGV的压缩机开始达到操作极限，且VIGV的任何进一步闭合可导致空气动力不稳定的操作或破坏。此外，减少用于使发电设备能够在低负载状态下操作的功率可通过降低燃气涡轮内的涡轮入口温度来完成。然而，这由特定燃烧器的操作极限约束，或关于如上文所述的一种或多种燃烧产物的排放变为对环境规定不利。
因此，存在改善燃气涡轮和操作的需要。
发明内容
本公开内容描述了一种改善的燃气涡轮发动机，其将以以下简化概述呈现，以提供旨在克服所述缺陷的本公开内容的一个或多个方面的基本理解，但包括其所有优点，同时提供一些附加优点。本概述并非是本公开内容的宽泛综述。其既不旨在识别本公开内容的重要或关键元件，又不旨在界定本公开内容的范围。相反，本概述的唯一目的在于以简化形式呈现出本公开内容的一些理念、其方面和优点，以作为随后提出的更为详细的描述的前序。
本公开内容的一个目的在于描述一种改善的燃气涡轮发动机，其可适于在以下方面可适应：可在低负载状态下且在排出气体中的一种或多种燃烧产物(如，氮氧化物气体(NOx)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、未燃烃(UHC)等)的排放的规定环境约束内操作。本公开内容的另一个目的在于描述一种改善的燃气涡轮，其便于以有效且经济的方式使用。本公开内容的各种其它目的和特征将从以下详细描述和权利要求清楚。
一方面，上文提到的及其它目的通过发电设备的改善的燃气涡轮发动机来实现。燃气涡轮发动机包括入口通路和排出通路。入口通路适于将入口空气接收和引送至压缩机，以将入口空气压缩和供应至燃烧器，以产生气体来驱动涡轮。此外，排出通路适于从涡轮释放排出气体。燃气涡轮发动机还包括过滤器部件、至少一排可变入口导叶(VIGV)和入口空气流控制布置。过滤器部件设置在入口通路中以过滤入口空气。VIGV适于构造在压缩机上。此外，入口空气流控制布置适于可拆卸地设置在至少过滤器部件与成排的VIGV之间，且邻近过滤器部件。可拆卸的附接使得能够在每当不需要时移除入口空气流控制布置。VIGV和空气入口流控制布置中的至少一者构造成在需要时可选择性地操作和控制，以至少部分地闭合入口通路来调整和产生入口通路中的预定所需压力损失，以便将减少的量的入口空气供应至压缩机，以使得能够优选在部分负载下或在低负载状态下减小燃气涡轮发动机的功率输出。
在本公开内容的一个实施例中，燃气涡轮发动机还可包括加热部件，其适于构造在入口通路中以加热入口空气，以与入口通路中的压力损失组合而使得能够减小燃气涡轮发动机的功率输出来获得低负载状态。
在本公内容的一个实施例中，独立的或与加热部件组合的入口空气流控制布置在燃气涡轮发动机的低负载状态下使得能够减少来自排出通路的排出气体的燃烧产物的排放。
在本公开内容的一个实施例中，入口空气流控制布置适于构造成保持入口空气的流动方向，使得VIGV的下游接收轴向入流。在本公开内容的另一个实施例中，入口空气流控制布置适于构造成改变入口空气的流动方向，使得在VIGV前缘处的入口空气的入射减少，以便在压缩机入口处提供良好的流动状态。
在本公开内容的一个实施例中，燃气涡轮发动机可包括控制系统，其适于且构造成控制入口空气流控制布置。
在本公开内容的一个实施例中，燃气涡轮发动机还可包括排出气体空气流控制布置，其适于可拆卸地设置在排出通路中，以增大从涡轮离开的排出气体的压力和温度。在一个示例性形式中，在具有燃气涡轮发动机和热回收蒸汽发生器(HRSG)的联合循环发电设备中，排出气体流控制布置适于可拆卸地设置在HRSG下游的排出通路中。可拆卸的附接使得能够在每当不想要时移除排出气体流控制布置。
本公开内容的这些及其它方面连同使本公开内容特征化的新颖性的各种特征将在本公开内容中具体指出。为了更好理解本公开内容、其操作优点及其使用，应当参照示出本公开内容的示例性实施例的附图和描述内容。
附图说明
将连同附图参照以下详细描述和权利要求来更好理解本公开内容的优点和特征，其中相似的元件标有相似的符号，且在附图中：
图1示出了根据本公开内容的示例性实施例的燃气涡轮发动机的示意性框图；以及
图2示出了根据本公开内容的示例性实施例的示例性燃气涡轮发动机部分，其绘出了入口空气流控制布置的可变位置。
相似的参考数字在附图的若干视图的描述中始终表示相似部分。
部件列表
100 燃气涡轮发动机
102 入口通路
104 排出通路
106 压缩机
106a 定子静叶
108 燃烧器
110 涡轮
112 过滤器部件
114 可变入口导叶(VIGV)
116 入口空气流控制布置
118 加热部件
120 控制系统
122 排出气体流控制布置。
具体实施方式
为了彻底理解本公开内容，将结合上文描述的附图对包括所附权利要求的以下详细描述进行参照。在以下描述中，为了阐释的目的，提出了许多具体细节以便提供本公开内容的彻底理解。然而，本领域的技术人员将清楚的是，可在没有这些具体细节的情况下实施本公开内容。在其它情况下，结构和设备仅以框图的形式示出，以免使本公开内容模糊。本说明书中提到的"一个实施例"、"实施例"、"另一个实施例"、"各种实施例"意指结合实施例描述的具体特征、结构或特性包括在本公开内容的至少一个实施例中。说明书中的不同位置中的短语"在一个实施例中"的出现不必所有都是指相同的实施例，也不是与其它实施例相互排斥的单独的或备选的实施例。此外，描述了可通过一些实施例且不通过其它实施例呈现的各种特征。同样，描述了各种要求，其可为一些实施例的要求，但可能不是其它实施例的要求。
尽管以下描述包含为了图示目的的许多细节，但本领域中的任何技术人员将认识到对于这些细节的许多变型和/或改变在本公开内容的范围内。同样，尽管按照彼此或连同彼此描述了本公开内容的特征中的许多，但本领域的技术人员将认识到这些特征中的许多可独立于其它特征提供。因此，阐明了本公开内容的描述，而没有本公开内容的概括的任何损失，且没有对本公开内容施加任何限制。此外，本文中的相对性用语如"第一"、"第二"、"第三"等不表示任何顺序、高度或重要性，而是用于将一个元件与另一个区分开。此外，本文的用语"一个"和"一种"不表示量的限制，而是表示至少一个提到的项目的存在。
现在参看图1和图2，根据本公开内容的示例性实施例示出了改善的燃气涡轮发动机100的示例。图1示出了示例性框图，而图2示出了燃气涡轮发动机100的一部分的示例性构件视图。在很多燃气涡轮发动机100的构型和布置中，各种相关联的元件可能对于本领域的技术人员是公知的，对于获得本公开内容的理解的目的并未认为必需本文叙述所有的结构细节及其阐释。相反，认为仅要足够注意的是，如图1和图2中所示，在燃气涡轮发动机100中，示出了仅对于本公开内容的各种实施例的描述相关的那些构件。
如图1中所示，燃气涡轮发动机100的框图包括入口通路102和排出通路104。入口通路102适于从大气或任何其它适合的来源接收入口空气。入口通路102包括设置在其内的过滤器部件112，以过滤入口空气来提供保护而免于污染的入口空气的效果。来自不同环境的入口空气中的不同类型的污染物可引起多种问题，其不利地影响燃气涡轮发动机100的内部构件的可靠性、可用性和检修间隔时间。过滤器部件112的首要目的在于清洁入口空气以满足机器的操作目标，且其次是保持其过滤效率。过滤器部件112的特定设计可按照要求适应以保护而免于各种尺寸和成分的颗粒。
燃气涡轮发动机100还包括压缩机106、构造在压缩机上的各种成排的定子静叶106a、燃烧器108、以及涡轮110。来自入口通路102的入口空气被引送至压缩机106。压缩机106中的入口空气被压缩和供应至燃烧器108来产生气体。来自燃烧器108的气体被引送经过定子静叶106a以驱动涡轮110。此外，排出通路104适于从涡轮110释放排出气体。燃气涡轮发动机100适于且构造成可在不同负载状态，即，在满负载状态下和低负载或部分负载状态下操作。
为了允许此操作状态，燃气涡轮发动机100包括至少一排可变入口导叶(VIGV)114和入口空气流控制布置116。VIGV114和入口空气流控制布置116适于控制需要引送至压缩机106中来用于燃烧目的的入口空气流和量，这取决于燃气涡轮发动机100的操作的要求，即，低负载状态或满负载状态。至少一排VIGV114适于在各种成排定子静叶106a之前构造在压缩机106上。
在本公开内容的一个实施例中，入口空气流控制布置116适于在任何适合的位置处设置在过滤器部件112与成排的VIGV114a之间。在本公开内容的另一个实施例中，入口空气流控制布置116适于可拆卸地设置成邻近过滤器部件112。可拆卸的附接使得能够在每当在公开的位置处不需要时就移除入口空气流控制布置116。
在图2的示例中，入口空气流控制布置116示为设置在过滤器部件112与成排的VIGV114之间的三个不同位置处，这可由使用者按照系统要求选择。在第一位置处，入口空气流控制布置116示为设置在过滤器部件112与成排的VIGV114之间，在过滤器部件112的近侧，且合理地在成排的VIGV114远侧。在第二位置处，入口空气流控制布置116示为设置在过滤器部件112与成排的VIGV114之间，在两者的大致中心位置。在第三位置处，入口空气流控制布置116示为设置在过滤器部件112与成排的VIGV114之间，在成排的VIGV114的近侧，且合理地在过滤器部件112的远侧。然而，在不脱离本公开内容的范围的情况下，除公开的位置之外，入口空气流控制布置116可取决于燃气涡轮发动机100的操作状态而设置在过滤器部件112与成排的VIGV114之间的任何优选位置处。此外，按照并未如此在附图中示出的另一个实施例，入口空气流控制布置116可取决于燃气涡轮发动机100的操作状态而可拆卸地在任何优选位置处设置成邻近过滤器部件112。例如，入口空气流控制布置116的放置可在过滤器部件112的前侧处，或在过滤器部件112的后方/后侧，在入口通路102内。
燃气涡轮发动机100在低负载状态下操作时，VIGV114和空气入口流控制布置116中的至少一者构造成可选择性地操作来至少部分地闭合入口通路102。即，VIGV114和空气入口流控制布置116可组合地或单独地操作以将入口通路102闭合至大致完全的程度。这使得能够调整压力损失以达到入口通路102中的预定水平，且减少对压缩机106的入口空气供应量，以使得燃气涡轮发动机100的功率输出能够在低负载状态下减小。压力损失的预定水平可在发电设备操作期间以任何特定时间水平基于功率输出要求选择。一般而言，在现今发现的常规燃气涡轮发动机中，进气通路和设置在其中的其它元件大体上产生压力损失，这是不需要的，但不可避免。然而，本公开内容使用了有意地使进气压力损失最大化的手段，且此压力损失的量可按照燃气涡轮发动机100的要求和其在低负载状态下的工作来完全地控制。在一个实施例中，此手段为空气入口流控制布置116，其可在需要时完全地受控制、选择性地操作，以将入口通路102闭合至可获得所需的压力损失的水平。
此外，在需要以满负载状态操作燃气涡轮发动机100时，空气入口流控制布置116可从入口通路102移除，且VIGV114中的至少一个可开启至最大量以减小压力损失，且将足够更高的量的入口空气供应至压缩机106，以使得能够增大燃气涡轮发动机100的功率输出。
在本公开内容的一个实施例中，入口空气流控制布置116可适于保持入口空气的流动方向，使得VIGV114的下游接收轴向入流。换言之，入口空气的流动方向随着入口空气流控制布置116插入入口通路102中而保持不变。此外，在另一个实施例中，在需要时，入口空气流控制布置116可适于改变入口空气的流动方向，使得VIGV114前缘处的入口空气的入射减少。
燃气涡轮发动机100还可包括适于构造在入口通路102中的加热部件118。在图1中，加热部件118示为设置在过滤器部件112与入口空气流控制布置116之间。然而，在不脱离本公开内容的范围的情况下，加热部件118可设置在能够加热进入压缩机106的入口空气的任何位置处。加热部件118可适于在燃气涡轮发动机100的低负载操作状态期间可操作。具体而言，在低负载操作状态期间，当需要加热入口空气以使得能够减少燃气涡轮发动机100的功率输出时，加热部件118与空气入口流控制部件116组合来管理入口通路102中的压力损失。与加热部件118组合的入口空气流控制布置116，能够通过增大入口压力损失来减小进气压力，继而减小入口空气的进气质量流，同时保持进气空气的质量流的体积，而不会影响燃烧器108或其室的操作状态。此外，除供应较低量的入口空气之外，独立的或与加热部件118组合的入口空气流控制布置116在燃气涡轮发动机100的低负载状态下还使得能够减少具有来自排出通路104的排出气体的燃烧产物的排放。
在本公开内容的一个附加实施例中，燃气涡轮发动机100可包括排出气体流控制布置122。此排出气体流控制布置122可适于可拆卸地设置在排出通路104中，以便在需要时可移除。此排出气体流控制布置122可适于增大从涡轮110离开的排出气体的压力和温度。具体而言，除入口流控制布置116的放置之外，排出气体流控制布置122的此附加放置可在联合循环发电设备中有效，其中燃气涡轮发动机100可已与其它发电设备组合，如，蒸汽/水循环发电设备。在还包括热回收蒸汽发生器(HRSG)的此组合的发电设备中，排出气体流控制布置122可适于可拆卸地设置在排出通路104中，在HRSG的下游。这确保了离开涡轮110的排出气体的压力和温度的增大，以用于使此类其它发电设备能够使用排出气体来用于操作。换言之，在这样将排出气体流控制布置122添加于燃气涡轮发动机100中且保持涡轮入口温度或功率恒定的情况下，燃气涡轮排气温度可增大，这在燃气涡轮发动机100与联合循环发电设备一起使用时是有利的。此外，这当在此联合循环中需要较快的功率逐步上升速率时也是有利的条件。
在本公开内容的一个实施例中，入口空气流控制布置116和排出气体流控制布置122可为选择性地按照要求选择的闸板布置、格栅布置、阻尼器布置和节流装置布置中的一者。然而，在不脱离本公开内容的范围的情况下，入口空气流控制布置116和排出空气流控制布置122可为任何适合的布置，其可执行控制入口空气和排出气体。
在本公开内容的一个附加实施例中，燃气涡轮发动机100可包括控制系统120，其适于且构造成控制入口空气流控制布置116和排出气体流控制布置120。
本公开内容的改善的燃气涡轮发动机在各种范围内都是有利的。本公开内容的改善的燃气涡轮发动机可明确地适于降低进气压力，继而减少入口空气的进气质量流，同时保持进气空气的体积流，而不会影响燃烧器或燃烧室的操作状态。改善的燃气涡轮发动机使得能够通过使用用于实现低负载状态的适合的布置而降低入口空气的质量流来减小涡轮功率。此外，改善的燃气涡轮发动机改善了效率，且在低负载状态下改善了排出气体中的燃烧产物如氮氧化物气体(NOx)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、未燃烃(UHC)等的排放控制。此类改善的燃气涡轮发动机还使涡轮压力比能够低于压缩机比。此外，改善的燃气涡轮发动机还实现了组合的功率循环，其中通过保持涡轮入口温度恒定或保持功率恒定，燃气涡轮排气温度将增大，这在此联合发电设备中需要较快的功率逐步上升速率时，对于其它联合循环发电设备如水/蒸汽循环是有利的。此外，改善的燃气涡轮发动机便于使用且经济。本公开内容的各种其它优点和特征从以上详细描述和所附权利要求清楚。
已经出于图示和描述的目的呈现了本公开内容的特定实施例的以上描述。它们并非旨在为彻底的或将本公开内容限于公开的精确形式，且很明显，许多改型和变型鉴于以上教导内容是可能的。为了更好地阐释本公开内容及其实际应用的原理而选择和描述了实施例，从而使本领域的其它技术人员能够最佳使用本公开内容和具有适于构想的特定使用的各种改型的各种实施例。应当理解的是，当情况可提出或带来方便时，可构想出等同物的各种省略和置换，但此旨在覆盖应用或实施方式，而不会脱离本公开内容的权利要求的精神或范围。
Claims (11)
1.一种燃气发电设备的燃气涡轮发动机(100)，所述燃气涡轮发动机(100)包括：
入口通路(102)和排出通路(104)，所述入口通路(102)适于将入口空气接收且引送至压缩机(106)，以将所述入口空气压缩且供应至燃烧器(108)，以产生气体来驱动涡轮(110)，且所述排出通路(104)适于从所述涡轮(110)释放排出气体；
设置在所述入口通路(102)以过滤所述入口空气的过滤器部件(112)；
适于构造在所述压缩机(106)上的至少一排的可变入口导叶(VIGV)(114)；以及
入口空气流控制布置(116)，其适于能够拆卸地至少设置成：
在所述过滤器部件(112)与所述至少一排的VIGV(114)之间，以及
邻近所述过滤器部件(112)，
其中所述VIGV(114)和所述入口空气流控制布置(116)中的至少一者构造成在需要时能够选择性地操作和控制，以至少部分地闭合所述入口通路(102)，以调整和产生所述入口通路(102)中的预定的所需压力损失，以便将减少的量的所述入口空气供应至所述压缩机(106)，以使得能够在低负载状态下减少所述燃气涡轮发动机(100)的功率输出；并且
其中，排出气体流控制布置(122)适于设置在所述排出通路(104)中，以增大离开所述涡轮(110)的排出气体的压力和温度。
2.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机(100)，其特征在于，所述燃气涡轮发动机(100)还包括加热部件(118)，其适于构造在所述入口通路(102)中来加热所述入口空气，以与所述入口通路(102)中的压力损失组合来使得能够在所述低负载状态下减小所述燃气涡轮发动机(100)的功率输出。
3.根据权利要求2所述的燃气涡轮发动机(100)，其特征在于，独立的或与所述加热部件(118)组合的所述入口空气流控制布置(116)在所述燃气涡轮发动机(100)的所述低负载状态下使得能够减少具有来自所述排出通路(104)的所述排出气体的燃烧产物的排放。
4.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机(100)，其特征在于，所述入口空气流控制布置(116)适于构造成保持所述入口空气的流动方向，使得所述VIGV(114)的下游接收轴向入流。
5.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机(100)，其特征在于，所述入口空气流控制布置(116)适于构造成改变所述入口空气的流动方向，使得所述VIGV(114)前缘处的所述入口空气的入射减少。
6.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机(100)，其特征在于，所述入口空气流控制布置(116)为闸板布置、格栅布置、阻尼器布置和节流装置布置中的一者。
7.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机(100)，其特征在于，所述燃气涡轮发动机(100)还包括适于且构造成控制所述入口空气流控制布置(116)的控制系统(120)。
8.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机(100)，其特征在于，所述排出气体流控制布置(122)适于能够拆卸地设置在所述排出通路(104)中，以增大离开所述涡轮(110)的所述排出气体的压力和温度。
9.根据权利要求8所述的燃气涡轮发动机(100)，其特征在于，所述燃气涡轮发动机(100)还包括适于且构造成控制所述排出气体流控制布置(122)的控制系统(120)。
10.根据权利要求8所述的燃气发电设备的燃气涡轮发动机(100)，其中所述燃气发电设备具有热回收蒸汽发生器(HRSG)，其特征在于，所述排出气体流控制布置(122)适于在所述HRSG下游能够拆卸地设置在所述排出通路(104)中，以增大离开所述涡轮(110)的所述排出气体的压力和温度。
11.根据权利要求8所述的燃气涡轮发动机(100)，其特征在于，所述排出气体流控制布置(122)为闸板布置、格栅布置、阻尼器布置和节流装置布置中的一者。
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