CN105121809B - 燃气涡轮发动机及与热电联产电厂热负载需求匹配的方法 - Google Patents

Abstract

燃气涡轮发动机的一个示例可以包括气体发生器、布置在气体发生器的下游的再热燃烧器和布置在再热燃烧器的下游且包括多个喷嘴导向翼片的动力涡轮。再热燃烧器被配置成增加燃料流量以便增加再热燃烧器的温度并与要求的排放温度匹配。喷嘴导向翼片被配置成使动力涡轮入口处的真实容量与要求的排放温度成比例地增加。响应于使温度和真实容量相对于彼此成比例地增加，在再热燃烧器的上游的气体发生器出口处的恒定表观容量保持恒定。

Description

燃气涡轮发动机及与热电联产电厂热负载需求匹配的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年3月14日提交的美国临时申请号61/785,950、 2013年3月5日提交的美国临时申请号61/773,103、2013年3月5 日提交的美国临时申请号61/773,100和2013年12月19日提交的美 国发明专利申请号14/135,352的权益。

技术领域

所呈现的是生产用于联合循环发电厂的电力和热的热电联产系 统所用的燃气涡轮发动机，更特别地是使用被配置成与电厂的热负载 需求匹配的再热燃烧器和动力涡轮的燃气涡轮发动机。

背景技术

联合热电产生(“CHP”或“热电联产”)是由热力发电站进行 的电力和热的同时产生。特别地，典型的发电站包括产生电力并排放 特定量的热作为产生电力的副产品的一个或多个燃气涡轮发动机。 CHP采集并使用一些或全部热以用于加热地理上位于靠近发电站的 位置处的医院、商业建筑物或各种其他建筑物。作为另一示例，CHP 也可以用于加热地区的水供给。

两个常见类型的燃气涡轮发动机可以包括最初设计用于工业和电力产生应用的那些(“工业机器”)和典型地由航空发动机衍生的那些(“航改燃机”)。前者可能具有重的重量和用于长的使用寿命以及不太频繁的维护检修的坚固的构造。后者可以比工业机器更快地起动、改变负载和关闭。此外，航改燃机可以具有比工业机器更高的压力比、更高的效率和更低的排放温度并因此可以在联合循环和CHP 配置中产生较少蒸汽。CHP的潜在障碍可以包括使热和电负载在根据 发电站所要求的量和定时上匹配。

因此，存在着用于通过使用再热燃烧器和具有充分组的喷嘴导向 翼片(“NGV”)的动力涡轮或者可选地如果热负载是可变的话通过 使用可变喷嘴导向翼片(“VNGV”)来满足任何热负载要求的燃气 涡轮发动机的需要。

附图说明

虽然权利要求不限于特定说明，但通过其各种示例的讨论而最好 地获得各种方面的理解。现在参见附图，详细地示出了示例性说明。 尽管附图代表说明，但附图并不一定按比例绘制并且某些特征可能被 夸大以更好地说明和解释示例的创新方面。此外，这里所描述的示例 性说明不意在穷举性的或以其他方式限制或约束为附图中所示出且 在下面详述的描述中所公开的精确形式和配置。通过参见如下附图来 详细地描述示例性说明。

图1图示出包括了彼此协作以提供通过再热和容量匹配进行的热 电联产热负载匹配的再热燃烧器和动力涡轮的燃气涡轮发动机的一 个示例性实施例的分解图。

图2图示出包括了具有可变面积喷嘴导向翼片的动力涡轮的燃气 涡轮发动机的另一示例性实施例的分解图。

图3图示出与图1的动力涡轮的真实容量对应的热电联产热负载 的图表。

图4是图1中示出的燃气涡轮发动机的示意图。

图5是另一示例性燃气涡轮发动机的示意图。

具体实施方式

现在参见下面的讨论并且还参见附图，详细地示出了说明性方案。 尽管附图代表一些可能的方案，但附图并不一定按比例绘制并且某些 特征可能被夸大、去除或被部分剖切以更好地说明和解释本公开。此 外，这里所阐述的描述并不意在穷举性的或以其他方式将权利要求限 制或约束成附图中所示出且在下面详述的描述中所公开的精确形式 和配置。

燃气涡轮发动机的一个示例可以包括气体发生器、布置在气体发 生器的下游的再热燃烧器和布置在再热燃烧器的下游并包括多个喷 嘴导向翼片的动力涡轮。再热燃烧器被配置成增加燃料流量以便增加 再热燃烧器的温度并与要求的排放温度匹配。喷嘴导向翼片被配置成 使动力涡轮入口处的真实容量与要求的排放温度成比例地增加。响应 于使温度和真实容量相对于彼此成比例地增加，在再热燃烧器的上游 的气体发生器出口处的恒定表观容量保持恒定。

燃气涡轮发动机的另一示例可以包括气体发生器、布置在气体发 生器的下游的再热燃烧器和在再热燃烧器的下游的动力涡轮。再热燃 烧器被配置成增加燃料流量以便增加再热燃烧器的温度并与要求的 排放温度匹配。动力涡轮具有被配置成与用于联产电厂的热负载匹配 的多个喷嘴导向翼片。喷嘴导向翼片是被配置成被调节并提供与再热 燃烧器的增加的温度对应的在动力涡轮入口处的多个真实容量的可 变面积喷嘴导向翼片(“VNGV”)。因此，燃气涡轮发动机与用于 联产电厂的可变热负载匹配并且维持在再热燃烧器的上游的气体发 生器出口处的恒定的表观容量。

与联产发电站所要求的热负载匹配的示例性方法可以包括增加 燃料流量至再热燃烧器以便增加再热燃烧器的温度并与要求的排放 温度匹配。方法还可以包括使在再热燃烧器的下游的动力涡轮入口处 的真实容量与再热燃烧器的增加的温度成比例地增加。另外，方法可 以包括响应于使真实容量和温度相对于彼此成比例地增加，维持在再 热燃烧器的上游的气体发生器出口处的恒定的表观容量。

参见图1，燃气涡轮发动机100的一个示例通常可以包括气体发 生器102、动力涡轮104和布置在它们之间的再热燃烧器106。在一 个示例中，动力涡轮104可以具有被配置成提供在动力涡轮104的入 口108处的真实容量或通过动力涡轮104的体积流率的一组喷嘴导向 翼片107(“NGV”)。特别地，成组的NGV可以被配置成提供在 较高容量与较低容量之间的范围内的真实容量，较高容量和较低容量 与用于联产发电站所需求的热负载的最佳容量相关联。用于联产发电 站热负载的最佳容量可以在储藏着的两组NGV之间。在该情况中， 两个或多个NGV组可以被混合并匹配使得：例如，一个组提供可得 到的较高真实容量并且另一组提供可得到的较低真实容量，并且最终 的真实容量可以产生联产电站所需求的相应的热负载。

如图2中所示，另一示例性燃气涡轮发动机200具有动力涡轮204 并且与具有动力涡轮104的图1的燃气涡轮发动机100基本类似，其 中相似部件以在200系列中的相应数字标识。然而，与具有被配置成 提供仅一个真实容量的两个或多个组合固定面积NGV组的图1的动 力涡轮104相比，动力涡轮204可以具有被配置成被调节以提供多个 真实容量并与联产发电站所需求的可变热负载匹配的一组可变面积 喷嘴导向翼片207(“VNGV”)。在这方面，VNGV可以被调节或 调节以进而调节通过动力涡轮入口208的真实容量或体积流率并与联 产发电站的可变热负载匹配。例如，联产发电站可能要求比夜间所要 求的热负载高的日间的热负载。因此，VNGV可以被打开或被调节以 增加比VNGV在夜间所提供的真实容量或体积流率高的在日间的在 动力涡轮入口处的真实容量或体积流率。

返回参见图1，再热燃烧器106可以具有进入点110和出口点112。 进入点110与气体发生器出口114和通过动力涡轮104的相应的表观 容量或体积流量相关联。此外，出口点112与动力涡轮入口108和通 过动力涡轮机104的相应的真实容量或体积流量相关联。在进入点和 出口点110、112之间，再热燃烧器106可以具有可忽略不计的压力 降(P₂＝P₁)、燃烧过程可以高达100％的效率并且没有冷却空气可在 两个平面(W₁＝W₂—W_燃料)之间被提取或注入。基于这些条件，用于 涡轮发动机100的下游涡轮容量Q可以通过以下一组方程式表达。

与进入点110和动力涡轮104的在气体发生器(GG)出口流量 处的表观容量Q₁相关联的流量函数可以是：

(方程式1)

此外，与出口点112和动力涡轮104的在其入口108处的真实容 量Q₂对应的流量函数可以是：

(方程式2)

假设P₂＝P₁，方程式2变成：

代入方程式1：

假设燃料流量为了该示例是核心流量的2％，W_燃料＝W₂的2％

(方程式3)

因此可以从方程式3看出，通过使真实容量Q₂成比例地增加并 使表观容量Q₁维持在恒定值，能够提高再热温度T₂，并因此能够提 高用于与热负载要求匹配的排放温度。

图3图示出依照方程式3的燃气涡轮发动机100的操作。此外， 当通过气体发生器102的操作循环的热负载可以变化时，可以从方程 式3看出，维持气体发生器出口114处的期望的表观容量能够利用被 配置成提供可变真实容量Q₂的动力涡轮104来实现。在这方面，单 个气体发生器可以用于多个应用，这进而可以使库存和发动机变体最 小化，并且通过根据热负载要求调整燃气涡轮循环还提高了联产电站 的效率和电力。

图3图示出由多个燃气涡轮发动机提供的各种热负载。例如，数 据条目116代表在具有低热电联产热负载供给要求的联产电厂中的一 个示例性燃气发动机涡轮，其具有被配置成提供小容量Q₂的组合的 成组NGV，以便使要求的气体发生器表观容量Q₁被维持在在足以匹 配或满足固定热负载电厂的第一热负载要求118的具有低再热出口温 度T₂的指定值。数据条目120代表具有中等热电联产热负载的另一 示例性燃气发动机涡轮，其具有被配置成提供中等容量Q₂的组合的 成组NGV，以便使要求的气体发生器表观容量Q₁被维持在在足以匹 配或满足固定热负载电厂的第二热负载要求122的具有中等再热出口 温度T₂的与情况116相同的指定值。数据条目124代表具有高热电 联产热负载的又一示例性燃气发动机涡轮，其具有被配置成提供高容 量Q₂的组合的成组NGV，以便使要求的气体发生器表观容量Q₁被维 持在在足以匹配或满足固定热负载电厂的第三热负载要求126的具有 高再热出口温度T₂的与情况116相同的指定值。另外，连续条128 代表具有被配置成调节情况116与情况124之间的真实容量Q₂的可 变面积喷嘴导向翼片的一个示例性燃气涡轮发动机，以便响应于变化 的再热出口温度T₂的组合，使气体发生器表观容量Q₁维持在恒定的 指定值，其中变化的再热出口温度T₂响应于要求的热电联产电厂排 放热要求而从低再热出口温度118至高再热温度126变化。该可变容 量将与自身与再热燃料流量相互关联的再热出口温度成比例地调节， 以符合上面的方程式3。

参见图4，双轴气体发生器402与再热燃烧器406连通，再热燃 烧器406进而与动力涡轮404或低压力涡轮连通。气体发生器402包 括高压力压气机450、高压力涡轮452和连接在高压力压气机450与 高压力涡轮452之间的第一轴454。气体发生器402可以进一步包括中间压力压气机456、中间压力涡轮458和连接在中间压力压气机456 与中间压力涡轮458之间的第二轴460。此外，低压力涡轮404可以 布置在中间压力涡轮458的下游并且被附接至外部负载462。第一、 第二轴454、460彼此分离。

低压力涡轮或动力涡轮404可以具有几个不同组的部件，例如喷 嘴导向翼片，并且各组可以在动力涡轮入口408处产生不同的真实容 量Q₂。由于表观动力涡轮容量与真实动力涡轮容量的比率取决于再热 燃烧器406中的期望的温度升高量，所以当气体发生器出口414处的 容量Q₁保持恒定时，被配置成提供较大容量的一组动力涡轮部件将 允许较高再热温度T₂。因此，当需要高的温度时，可以提供用于联产 发电站的较高排放温度。

参见图5，三轴燃气涡轮发动机500具有低压力涡轮504并且与 具有低压力涡轮404的图4的双轴燃气涡轮发动机400基本类似。然 而，燃气涡轮发动机500进一步包括低压力压气机550，并且低压力 涡轮504通过第三轴564被附接至低压力压气机550。低压力涡轮被 进一步附接至外部负载562。外部负载562的示例可以包括发电机、 气体压缩机或制冷装置。低压力涡轮504可以具有几个不同组的涡轮 部件、例如喷嘴导向翼片，并且各组可以在动力涡轮入口508处产生 不同的真实容量。由于表观涡轮容量与真实涡轮容量的比率取决于再 热模块中的温度升高量，所以较大容量组将允许较高再热温度T₂并 因此允许用于需要高温度的联产发电站的较高排放温度。

应该理解的是，前述方法和装置可以被修改以使一些部件和步骤 去除，或者可以使附加的部件和步骤添加上，所有这些都被认为是在 本公开的精神内。尽管已经参照具体实施例详细描述了本公开，但应 该理解的是，可以在不脱离如权利要求中所阐述的本公开的范围的情 况下对这些实施例做出各种修改和改变。说明书和附图应被视为说明 性的思想而不是仅限制性的思想。

Claims (17)

1.一种燃气涡轮发动机，包括：

气体发生器；

在所述气体发生器的下游的再热燃烧器；和

在所述再热燃烧器的下游并且具有多个可变面积喷嘴导向翼片的动力涡轮；

其中所述再热燃烧器被配置成增加燃料流量以便增加所述再热燃烧器的温度并与要求的排放温度匹配；

其中所述可变面积喷嘴导向翼片被配置成使动力涡轮入口处的真实容量与所述要求的排放温度成比例地增加；

其中响应于使所述要求的排放温度和所述真实容量相对于彼此成比例地增加、在所述再热燃烧器的上游的气体发生器出口处的恒定表观容量保持恒定。

2.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中所述再热燃烧器和所述动力涡轮的一组部件被配置成提供所述动力涡轮的在所述气体发生器的出口处的表观容量。

3.根据权利要求2所述的燃气涡轮发动机，其中所述可变面积喷嘴导向翼片被配置成提供所述动力涡轮入口处的真实容量，所述真实容量进而在当所述表观容量保持恒定时确定排气的温度。

4.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中所述气体发生器是与所述再热燃烧器连通的双轴气体发生器，所述再热燃烧器进而与所述动力涡轮连通。

5.根据权利要求4所述的燃气涡轮发动机，其中所述双轴气体发生器包括：

高压力压气机；

高压力涡轮；

连接在所述高压力压气机与所述高压力涡轮之间的第一轴；

中间压力压气机；

中间压力涡轮；

连接在所述中间压力压气机与所述中间压力涡轮之间的第二轴；和

在所述中间压力涡轮的下游并且被附接至外部负载的低压力涡轮；

其中所述第一轴和所述第二轴彼此分离。

6.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中所述气体发生器是与所述再热燃烧器连通的三轴气体发生器，所述再热燃烧器进而与所述动力涡轮连通。

7.根据权利要求6所述的燃气涡轮发动机，其中所述三轴气体发生器包括：

高压力压气机；

高压力涡轮；

连接在所述高压力压气机与所述高压力涡轮之间的第一轴；

中间压力压气机；

中间压力涡轮；

连接在所述中间压力压气机与所述中间压力涡轮之间的第二轴；

低压力压气机；

被附接至外部负载的低压力涡轮；和

连接在所述低压力压气机与低压力涡轮之间的第三轴；

其中所述第一轴、第二轴和第三轴未彼此附接。

8.根据权利要求7所述的燃气涡轮发动机，其中所述外部负载是发电机、气体压缩机和制冷装置中的一个。

9.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中所述再热燃烧器具有从气体发生器出口跨越至动力涡轮入口的可忽略不计的压降。

10.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中所述多个可变面积喷嘴导向翼片被配置成提供在较高真实容量与较低真实容量之间的范围内的在动力涡轮入口处的真实容量，所述较高真实容量和所述较低真实容量限定了用于与热电联产发电站所需求的热负载相关联的最佳容量的一对最外边界。

11.一种燃气涡轮发动机，包括：

气体发生器；

布置在所述气体发生器的下游的再热燃烧器；和

在所述再热燃烧器的下游的动力涡轮；

其中所述再热燃烧器被配置成增加燃料流量以便增加所述再热燃烧器的温度并与要求的排放温度匹配；

其中所述动力涡轮具有被配置成与用于热电联产电厂的热负载匹配的多个喷嘴导向翼片；

其中所述多个喷嘴导向翼片是被配置成被调节并提供与所述再热燃烧器的增加的温度对应的在动力涡轮入口处的多个真实容量的多个可变面积喷嘴导向翼片，以便与用于热电联产电厂的可变热负载匹配并维持在所述再热燃烧器的上游的气体发生器出口处的恒定的表观容量。

12.根据权利要求11所述的燃气涡轮发动机，其中所述再热燃烧器和所述动力涡轮的一组部件被配置成提供所述动力涡轮的在所述气体发生器的出口处的表观容量。

13.根据权利要求12所述的燃气涡轮发动机，其中所述喷嘴导向翼片被配置成提供在所述动力涡轮入口处的真实容量，所述真实容量进而在所述表观容量保持恒定时确定排气的温度。

14.根据权利要求11所述的燃气涡轮发动机，其中所述气体发生器是双轴气体发生器和三轴气体发生器中的一个。

15.一种与用于热电联产电厂的热负载需求匹配的方法，所述方法包括：

增加燃料流量至再热燃烧器以便增加所述再热燃烧器的温度并与要求的排放温度匹配；

调节一组可变面积喷嘴导向翼片以用于使在所述再热燃烧器的下游的动力涡轮入口处的真实容量与所述再热燃烧器的增加的温度成比例地增加；和

响应于使所述真实容量和所述再热燃烧器的温度相对于彼此成比例地增加，维持在所述再热燃烧器的上游的气体发生器出口处的恒定的表观容量。

16.根据权利要求15所述的方法，其中将至少两组喷嘴导向翼片组合成提供用于热电联产发电站的最佳容量的配置。

17.根据权利要求15所述的方法，调节一组可变面积喷嘴导向翼片包括打开所述一组可变面积喷嘴导向翼片以增加所述动力涡轮入口处的真实容量。