CN105143640B - 燃气轮机、发电厂和用于减少燃气轮机的co排放的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于减少燃气轮机(1)的CO排放的方法，所述燃气轮机具有压气机(6)、具有涡轮机(10)并且具有定位在所述压气机(6)上游的空气预热器(22)，旨在允许技术上更简单的调节，而在CO排放的减少的质量方面没有损失。为此目的，空气预热器(22)的传热功率基于用于所述压气机(4)的入口温度的最小值被调节，其中所述最小值被预定为燃气轮机(1)的绝对功率的函数。

Description

燃气轮机、发电厂和用于减少燃气轮机的CO排放的方法

技术领域

本发明涉及一种用于减少燃气轮机的CO排放的方法，该燃气轮机具有压气机、涡轮和从该压气机在上游连接的空气预热器。本发明还涉及一种燃气轮机，该燃气轮机具有压气机，涡轮，从该压气机在上游连接的空气预热器，设置在压气机和空气预热器之间的、在数据输出侧连接至燃气轮机的控制装置的温度测量装置，在数据输出侧连接至控制装置的容量测量装置，以及用于调节空气预热器的传热容量的在控制输入侧连接至控制装置的装置。

背景技术

固定式燃气轮机通常用在发电厂中以发电。燃气轮机发电厂可在电力网中非常灵活地被使用，因为它们提供负载快速变化的可能性。在当存在可再生能源膨胀的这些时候，该可再生能源仅根据风的强度和太阳辐射的量不规则地产生能量，由于其灵活性，燃气轮机发电厂提供补偿这些容量波动的可能性。

然而，据此不希望在不需要容量时关闭燃气轮机并再次启动它，因为，一方面这在能量方面是不利的，另一方面，由于出现的温度波动它在燃气轮机的部件上产生高的机械负载。这降低了它们的寿命。最后但并非最不重要的是，它花费一定的量的时间来启动燃气轮机，使得当从电力网请求容量时，反应时间减少。因此希望的是，当不需要容量时，在部分负载模式下继续以可能的最低容量运行燃气轮机。

然而，在这里可能的最低容量经常被需要，这不是因为技术情况，相反是因为关于对废气中的一氧化碳(CO)排放的限制的法律规定。当容量下降时，燃烧室内的燃烧温度下降，使得燃烧仅不完全地发生并且CO的产生被促进。

为了补救这种情况，通常使用空气预热器，其被布置在压气机的入口。在它们的帮助下，压缩入口温度升高，其结果是燃烧温度最终提高并且废气的CO含量因而下降。用于调节传热容量的对应装置被提供用于调节空气预热器，该对应装置在控制输入侧被连接至燃气轮机的控制装置。

空气预热器和它的传热容量的调节通常是相对复杂的，因为CO排放通常是燃气轮机的相对容量的函数：空气预热器的启动和关闭点因此借助于燃气轮机的相对容量，即关于其最大可能容量被限定。最大可能容量在此取决于当前外部温度，使得用于外部温度的测量装置必须被提供。如果空气预热器被接通，必须由所述空气预热器来实现的温度增加通常被预先确定，即另外的温度测量装置被设置在压气机和空气预热器之间，其确定吸入空气已通过空气预热器之前和之后的温度差。针对这一温度差，目标值被预先确定，空气预热器的传热容量借助该目标值被调节。在这里，该目标值通常继而依赖于外部温度。

因此，空气预热器的调节总体上非常复杂。计算当前相对容量，以便确定接通和切断点单独需要一定程度的计算复杂性，如经由空气预热器确定将被获得的当前温度差一样。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种用于减少燃气轮机的CO排放的方法，以及一种燃气轮机，其使技术规则更简单，而没有CO排放量的减少的质量的任何下降。

根据本发明，在所述方法的方面这个目的通过借助于用于压气机的入口温度的最小值调节空气预热器的传热容量来实现，并且其中所述最小值被预先确定为燃气轮机的绝对容量的函数。

在这里，本发明开始于这样的考虑，技术规则可以通过去除对当前外部温度的依赖特别地被简化。为了实现这一点，用于压气机入口温度的固定最小值最初应被预先确定，其不依赖于外部温度。而且，依赖于燃气轮机的相对容量的先前的接通和切断点也应不再是必要的。此外，对燃气轮机的相对容量的调节的依赖性通常必须终止适用，因为最大容量也取决于外部温度，在最大容量的基础上计算相对容量为百分比。用于压气机入口温度的最小值因此仅应取决于燃气轮机的绝对容量被预先确定。在此，它已令人惊奇地证明情况是这样的，以这种方式调节的空气预热，其在技术上实现起来相当简单，至少与之前复杂的调节同等，无论是在燃气轮机的效率方面，还是在CO减少的效率方面都是如此。

在本方法的一个有利实施例中，该函数借助于用于燃气轮机的模型计算被确定。因此用于压气机入口温度的最小值对燃气轮机的绝对容量的依赖性在专门用于特定气体轮机的理论基础上被确定。这可以使用相应的热力学数据处理程序来执行。该函数在此与相应的燃气轮机工厂的技术情况和其所安装的地点处关于CO排放的法律规定一致。据此相应的安全措施也有利地被结合，以便确保在任何时候都CO依从运行。

该函数在这里有利的是单调递减，即对于较高的绝对容量值，用于压气机入口温度的较低最小值也被预先确定。其结果是，可以确保在部分负载模式下，即当绝对容量较低时，进入压气机的空气被预热。当容量低时尤其如此，由于燃气轮机的燃烧室内的下降的燃烧温度，CO排放确实增加。

在另一有利实施例中，该函数在低于用于燃气轮机的容量的下限阈值和/或高于其上限阈值时是常数。事实上因为空气预热继而影响燃气轮机的容量，避免了在这些区域的反馈效应。该调节从而是稳定的。

有利的是该函数也在阈值之间线性延伸。这也提高了在燃气轮机允许期间调节的稳定性。

有利的是，低于下阈值，该函数具有大约20°至50℃的值，和/或高于上限阈值时，它有利地具有大约-20℃的值。其结果是，当燃气轮机的容量高于上限阈值并且外部温度足够时，在该系统的切断被引发。当容量低时，20℃至50℃的最小值足以获得所希望的CO排放的减少。

使用所描述的方法在燃气轮机中有利地减少了CO排放。

在燃气轮机方面，该目的是通过函数被存储在控制装置中来实现的，该控制装置根据燃气轮机的绝对容量预先确定用于压气机的入口温度的最小值。

在一个有利的实施例中，空气预热器包括热交换器。该热交换器使热量能够特别有效并可容易控制地传递到进入压气机并另外离开而没有任何质量转移的空气中。其结果是，热交换器被从空气流密封，使得在热交换器的回路内可以使用最佳的热传导介质，例如水/乙二醇混合物。热交换器可以在此被设计为压气机的入口上游的管网(tube grid)。

发电厂有利地包括如上所述的燃气轮机。

发电厂在此有利地被设计成气体和蒸汽轮机厂，并因此包括蒸汽轮机。燃气轮机的废气在这里被传导通过蒸汽发生器，由蒸汽发生器所产生的蒸汽被用于驱动蒸汽轮机。因此，废气的热能被使用，这显著地提高了整个工厂的效率。

在一个有利实施例中，热交换器在这里是热回路的一部分，所述热回路在发电厂的与蒸汽轮机相关联的部分中具有热交换器。换句话说，用于预热流入压气机中的空气的热能在蒸汽轮机中，例如在低压区域被除去。其结果是，当空气预热被接通时，整个工厂的效率得到优化。

采用本发明所获得的优点特别包括以下事实，即由于预先确定了仅取决于燃气轮机的绝对容量的用于入口温度的最小值，使得有可能在技术上简单得多地调节空气预热器。不再有对单独的调节的接通和切断限制的任何需要。同样，对于调节不再需要外部温度，从而降低了所需测量技术的复杂性。燃气轮机的控制系统技术同样可以被简化，因为只有绝对燃气轮机容量是作为输入值所需的，其通常作为测量值存在于任何情况下。所需要的函数可以具体地针对相应的燃气轮机被迅速建立，同时还能够进行比以前的方法更准确的操作。

附图说明

在附图中所示的示例性实施例的帮助下，对本发明进行了详细地说明，其中：

图1示意性地示出了在气体和蒸汽发电厂中的燃气轮机，

图2示出了针对相对燃气轮机容量绘制的CO排放的函数曲线图，以及

图3示出了针对绝对燃气轮机容量绘制的用于压气机的入口温度的最小值的函数曲线图。

在所有附图中，相同部件被提供相同的附图标记。

具体实施方式

气体和蒸汽轮机发电厂2中的燃气轮机1在图1中被示意性地示出。燃气轮机1是加压气体在其中膨胀的流体流动机器。它包括在轴4上的压气机6，燃烧室8，和涡轮机10，轴4形成在气体的流动方向S上的轴线。

操作原理是基于布雷登(Brayton)循环：空气在压气机6的入口处被吸入，压缩并与燃料混合，并且在燃烧室8内被点燃。热气体混合物然后在涡轮机10内减压并作为废气在涡轮机10的出口处离开。热能在涡轮机中被转换成机械能，并最初驱动压气机6。其余部分被用来驱动发电机(未详细示出)。

在图1中所示的气体和蒸汽发电厂2中，涡轮机10的废气被传导到蒸汽发生器12内，并且在那里产生的蒸汽经由蒸汽管14被使用，以驱动蒸汽轮机16。在图1中，蒸汽轮机16被设置在单独的轴18上，但也可被设置在与燃气轮机1相同的轴4上。来自蒸汽轮机16的被减压的蒸汽被传导到冷凝器20中，并从那里被传递到蒸汽发生器12。

燃气轮机1的压气机6和涡轮机10以及蒸汽轮机16具有在轴向方向上交替地布置在壳体内的导向叶片和转子叶片(未详细示出)。导向叶片沿着相应的轴4，18的圆周被布置，从而形成圆。导向叶片的这样的圆也称作导向叶片轮。转子叶片也以转动的方式作为转子叶片轮环状地被布置在各轴4，18上。导向叶片轮，连同上游或下游转子叶片轮，被称为压气机或涡轮机级。

空气预热器22被布置在压气机6的入口的上游。它包括由布置成网格的管形成的热交换器24。管被设计用于进入压气机6的空气的入口质量流的最佳热输入。热交换器24因此是热回路26的一部分，该热回路具有冷凝器20的另一热交换器28和流量控制阀30，热回路26中的水/乙二醇混合物的循环可借助流量控制阀30被调节。

流量控制阀30在控制入口侧被连接至控制装置32，所述控制装置32可以调节热回路26内的流量，以及因此调节从压气机6上游排出到空气的热量。控制装置32具有存储器34。

空气预热器22被用来加热可以被压气机6吸入的空气，以便因此保持燃气轮机1的废气中的CO含量低于法律规定的限值。为了做到这一点，控制装置32在数据输入侧被连接到用于燃气轮机的容量的容量测量装置36，和在空气预热器22和压气机6之间的温度测量装置38。

图2示出了曲线图，其示出了燃气轮机1的废气中的CO含量的函数依赖。以百万分之一(ppm)计的CO含量针对以百分比计的燃气轮机的相对容量(PKL)被绘制。没有绝对值在这里被给出用于CO含量，因为CO含量取决于具体相应的燃气轮机1。在此100％对应于燃气轮机1在满负载下的容量。然而，该满负载容量取决于外部温度。

图2示出，通过举例的方式，两个法律限值(ppm限值1，ppm限值2)，没有被更详细地限定，它可以根据在气体和蒸汽发电厂2的地点的有效法规存在。曲线继而以举例的方式显示用于两种不同的气体和蒸汽发电厂(工程1，工程2)的废气中的CO含量的两个不同值。

最小值借助于在存储器34中保存的函数并如图3所示，单独地从燃气轮机1的绝对容量在控制装置32中被确定。用于燃气轮机1的函数具体地在热力学类型的理论模型计算的帮助下事先确定。使通过容量测量装置36，当前绝对燃气轮机容量对控制装置32是可获得的，使得用于压气机6的入口温度的最小值在任何时候总是存在。

图3示出了函数，即针对以兆瓦(MW)计的绝对燃气轮机容量绘制的以摄氏度计的用于压气机入口温度(T2)的最小值。因为该函数在这里也仅通过举例的方式针对特定的燃气轮机1确定，关于绝对容量，没有实际值被赋予。在高达第一限值的第一范围，曲线在20℃是常数。可替代地，较高的值，例如诸如，高达50℃是可能的。在从较高第二限值达到燃气轮机1的最大容量的第二范围内，其在-20℃也是常数。在所述限值之间，该曲线基本上是线性的。该曲线在这里是绝对不断地并且单调递减的。

只要由温度检测装置38检测出的压气机入口温度T2低于最小值，该最小值与当前需要由燃气轮机1供给的容量相关联，对于压气机入口温度T2，控制装置32调节空气预热器22，并且从而调节到经由流量控制阀30流入压气机6的空气中的热输入。只要压气机入口温度T2低于最小值，通过流量控制阀30被打开更多，热量的连续供给的输入增加，直到压气机入口温度T2达到最小值。这防止了废气中不可接受的高排放的发生。只要压气机入口温度T2高于最小值，即使在没有空气预热器22被激活的情况下，流量控制阀30仍保持完全关闭。

燃气轮机1的废气中的CO含量使用控制技术以特别简单的方式，通过空气预热器22借助于用于压气机入口温度的最小值被调节而被减少，所述最小值是固定的，仅取决于绝对燃气轮机容量。

Claims (11)

1.一种用于减少燃气轮机(1)的CO排放的方法，所述燃气轮机(1)具有压气机(6)、涡轮机(10)和在所述压气机(6)上游被连接的空气预热器(22)，其中所述空气预热器(22)的传热功率基于所述压气机(6)的入口温度的最小值被调节，并且

其中所述最小值被预先确定为所述燃气轮机(1)的绝对功率的函数。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述函数借助于用于所述燃气轮机(1)的模型计算被确定。

3.如前述权利要求的任一项所述的方法，其中所述函数是单调递减的。

4.如权利要求1或2所述的方法，其中所述函数在所述燃气轮机(1)的绝对功率低于下限值和/或高于上限值时是常数。

5.如权利要求4所述的方法，其中所述函数在所述燃气轮机(1)的绝对功率在所述上限值和下限值之间时是线性的。

6.如权利要求4所述的方法，其中在所述燃气轮机(1)的绝对功率低于所述下限值时，所述函数具有20℃的值，并且在所述燃气轮机(1)的绝对功率高于所述上限值时，具有-20℃的值。

7.一种燃气轮机(1)，具有压气机(6)、涡轮机(10)以及在所述压气机(6)上游被连接的空气预热器(22)，设置在所述压气机(6)和所述空气预热器(22)之间、在数据输出侧被连接至所述燃气轮机(1)的控制装置(32)的温度测量装置(38)，在所述数据输出侧被连接至所述控制装置(32)的功率测量装置(36)，以及用于调节所述空气预热器(22)的传热功率的装置(30)，所述用于调节所述空气预热器(22)的传热功率的装置(30)在控制输入侧被连接至所述控制装置(32)，其中函数被存储在所述控制装置(32)中，所述函数根据所述燃气轮机(1)的绝对功率预先确定用于所述压气机(6)的入口温度的最小值。

8.如权利要求7所述的燃气轮机(1)，其中所述空气预热器(22)包括第一热交换器(24)。

9.一种发电厂(2)，所述发电厂具有如权利要求7所述的燃气轮机(1)。

10.如权利要求9所述的发电厂(2)，所述发电厂包括蒸汽轮机(16)。

11.如权利要求9或10所述的发电厂(2)，其中

所述空气预热器(22)包括第一热交换器(24)，所述第一热交换器(24)是热回路(26)的一部分，所述热回路(26)在所述发电厂(2)的与所述蒸汽轮机(16)相关联的那部分中具有第二热交换器(28)。