CN106030054A - 组合循环燃气轮机设备 - Google Patents

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Abstract

所述组合循环燃气轮机设备具有安装在同一轴上的燃气轮机(104)和蒸汽轮机(106)。控制系统被配置为将设备从额定运行模式(其中，设备依靠燃气轮机输出和蒸汽轮机输出运行)切换到负载降低运行模式(其中，设备仅依靠燃气轮机输出运行)。如果设备需求降低到预定阈值之下，则将设备从额定运行模式切换到负载降低运行模式。所述蒸汽轮机在负载降低运行模式下并在全速无负载条件下运行，并使用受控蒸汽准入加热以保持所述蒸汽轮机处于加热“待用”状态。

Description

组合循环燃气轮机设备
技术领域
本发明涉及燃气轮机设备，更具体地涉及具有单轴构造的组合循环燃气轮机设备。
背景技术
发电业竞争激烈。这就要求燃气轮机设备设计人员和制造商提供改善的运行效率(特别是针对在电力市场中的使用)。
发明内容
单轴组合循环燃气轮机设备具有与燃气轮机位于同一轴上的蒸汽轮机和轴向压缩机。在无离合器情况下，燃气轮机、蒸汽轮机和压缩机在运行期间总是以相同的速度旋转。在有离合器情况下，当燃气轮机、蒸汽轮机和压缩机的轴通过离合器连接时，它们在运行期间以相同的速度旋转。
对于典型的启动模式，燃气轮机被激活并开始产生蒸汽。旁通阀用于确保在蒸汽具有所需条件(例如温度、压力、化学性质)之前将蒸汽直接传递到冷凝器(即，旁路蒸汽轮机)。
当蒸汽达到所需条件时，可以准许蒸汽通过蒸汽控制阀进入蒸汽轮机。蒸汽控制阀的打开与旁通阀的闭合同步，以便维持蒸汽压力。最终，蒸汽控制阀完全打开，而旁通阀完全闭合，从而，滑动压力运行模式开始。
对于单轴组合循环设备，当需要设备的输出非常高时，这种运行模式是有用的。但是，如果需求显著下降，则负载能力就应该被限制(例如超过50％)。
需要尽可能多地减少组合循环燃气轮机设备的负载能力以维持安全的运行条件。
如权利要求1所述，按照本发明的一个方案，提供了一种具有单轴构造的组合循环燃气轮机设备。
如权利要求11所述，按照本发明的另一个方案，提供了一种控制组合循环燃气轮机设备的方法。
如权利要求16所述，按照本发明再一个方案，提供了一种针对具有单轴构造的组合循环燃气轮机设备的控制协议。
有利地，本发明允许单轴组合循环设备在比目前可能的情况低得多的负载下运行(通过仅运行在燃气轮机上)。
在一个示例性实施例中，蒸汽轮机在全速(即额定转速)无负载(下文称为“FSNL”)的条件下保持在加热“待用”状态中。如果需要的话，通过保持蒸汽轮机在有效的“热启动”状态，设备能够迅速增加负载。
在一个示例性实施例中，当蒸汽轮机在FSNL条件下运行时，少量的蒸汽被注入到蒸汽轮机(即蒸汽控制阀处于部分打开状态)。
在一个示例性实施例中，当蒸汽轮机在FSNL条件下运行，调节蒸汽轮机的蒸汽准入，以便在蒸汽轮机内部维持期望的或最低的温度水平。已发现，这可以减少这类设备的最小负载能力，同时改善负载变化的响应时间。
在一个示例性实施例中，只打开蒸汽控制阀的正常运行容量的一部分。重要的是，蒸汽准入的水平必须保持低于阈值水平，以便防止在蒸汽轮机内产生电力。结果是蒸汽轮机的“安全”变暖。重要的是，蒸汽的其余部分通过旁通阀的控制旁路到冷凝器(即，将发生在典型的启动操作过程中)。蒸汽控制阀和旁通阀的操作是同步的，以维持系统内的压力水平。
本发明为单轴组合循环设备提供负载降低能力，具体地，通过蒸汽轮机在FSNL条件下的调节操作来实现。
从示例性实施例的以下描述中并参考附图，本发明的其他方面和特征将显而易见。
附图说明
图1是示出了处于“待用”状态的具有单轴构造的组合循环燃气轮机设备的示意图。
图2与图1相似，示出了处于初始启动状态的设备。
图3与图1和图2相似，并且示出了处于初始蒸汽准入状态的设备。
图4与图1-3相似，并且示出了处于滑动压力状态的设备。
图5与图1-4相似，并且示出了蒸汽轮机在FSNL条件下运行的设备。
具体实施方式
图1-5示出了具有单轴构造的组合循环燃气轮机设备100。
设备100包括热回收蒸汽发生器102(下文称为“HRSG”)、燃气轮机104(下文称为“GT”)、蒸汽轮机106(下文称为“ST”)和轴向压缩机108。压缩机108和ST 106与GT 104安装在相同的轴105上，所以在运行期间，设备100的这三个主要构件以相同的速度旋转。
设备100还包括冷凝器110。与GT 104使用同一轴的ST 106和压缩机108可以通过离合器连接。
在这个实施例中，如图1-5所示，设备100包括下述构件：供应线130，用于从热回收蒸汽发生器102向蒸汽轮机106提供产生的蒸汽，如下描述蒸汽轮机106具有三级112、114、116；旁通线131，其一端连接热回收蒸汽发生器102和蒸汽轮机106之间的供应线130，另一端连接冷凝器110；蒸汽控制阀118，设置在供应线中，以及旁通阀120，设置在旁通线131中。如图1-5所示，供应线130的一部分(其将热回收蒸汽发生器102与蒸汽轮机106的高压级112相连)充当用于连接所述供应线130和冷凝器110的旁通线131的一部分。
可以看到，如图1所示，由右至左，ST 106具有多级结构，具有高压级、中压级和低压级112、114、116(以下称为HP级、IP级和LP级)。
设备100包括蒸汽控制阀118，蒸汽控制阀118用来控制蒸汽从HRSG102进入到ST 106。设备100还包括旁通阀120，旁通阀120用来允许蒸汽从HRSG 102流到冷凝器110(即，为了旁路ST 106)。具体地，旁通阀120允许蒸汽在供应线130中流向蒸汽轮机，以流入旁通线131，然后进入冷凝器110。
图1示出了处于“待用”状态的设备100，其中，轴105不旋转且阀门118、120闭合。
对于典型的启动模式，GT 104被激活并开始产生蒸汽。图2示出了该“启动状态”。旁通阀120部分打开，允许蒸汽直接流入冷凝器110。更具体地，使得蒸汽旁路ST 106的HP级和IP级112、114。但是，从图2可以看到，希望允许用于ST 106的LP级116的蒸汽控制阀118至少部分地打开，以允许一些蒸汽进入LP级116并且冷却最后一级叶片。
一旦认为蒸汽具有期望参数(例如最适温度和/或压力和/或化学性质)，则准许蒸汽进入ST 106的HP级和IP级112、114。图3示出了该“蒸汽准入”状态，其中，用于ST 106的HP级和IP级112、114的蒸汽控制阀118部分打开。
重要的是，蒸汽控制阀118的打开与旁通阀120的闭合同步，以便维持蒸汽压力。最终，蒸汽控制阀118完全打开，而旁通阀120完全闭合，使得滑动压力运行模式开始(如图4所示)。
设备100包括用来操作阀门118和120的控制系统122。
如果设备100以额定转速运行且需要显著降低负载(例如，如果需求显著下降)，则控制系统122被配置为切换到“负载降低”运行模式。在该运行模式下，控制系统被配置为打开旁通阀120并因此允许蒸汽旁路ST106的HP级和IP级112、114。结果，ST 106将在FSNL条件下运行。因此，设备100在负载降低模式下仅依靠来自GT 104输出运行。
当ST 106在负载降低模式下并在FSNL条件下运行时，控制系统122被进一步编程以允许少量的蒸汽进入(例如，经由注入喷嘴)ST 106的HP级和IP级112、114。这在图5中示出。
更具体地，控制系统被配置为调节用于ST 106的HP级和IP级112、114的蒸汽控制阀118。这些阀门118保持在部分打开状态(例如，仅处于它们的正常运行容量的一部分)，以便当ST 106在FSNL条件下运行时在ST106的HP级和IP级内部维持所期望的或最低的温度水平。
在上述的解释中，虽然在负载降低模式下每个阀门118都被保持在部分打开状态以允许供应线130中流向蒸汽轮机106的部分蒸汽流入旁通线131，但是在负载降低模式下每个阀门118也可以保持完全闭合以允许供应线130中流向蒸汽轮机106的所有蒸汽流入旁通线131。
重要的是，将蒸汽准入的水平控制为保持在阈值水平之下，以防止在ST 106中产生电力。结果是蒸汽轮机ST 106的“安全”变暖。重要的是，蒸汽的其余部分通过旁通阀120的控制绕至冷凝器110(即，如典型的启动操作过程中将发生的一样)。
当保持合适的运行温度时，ST在FSNL条件下运行的方法已被发现可以减少这类设备的最小负载能力并还改善负载变化响应时间。设备能够快速切换到额定的运行模式，而不在ST中没有引起过度的金属压力。
本发明为单轴组合循环设备提供有效的负载降低能力，特别是通过蒸汽轮机在FSNL条件下运行的调节操作，其中，设备运行在仅由GT输出的情况下。本质上，本发明涉及在额定负载运行模式中间将ST切换到FSNL操作。实际上，这使得设备能够进入调低操作，其中，轴输出显著降低，例如降到设备额定输出的三分之一。过量蒸汽被旁路到冷凝器(如将在典型的启动模式中发生的一样)。然而，通过调节进入ST的蒸汽量(同时保持ST处于全速无负载的条件下)，ST保持温暖。因此，如果需求降低，则可以快速增加负载，即快速将设备切换回正常额定负载运行模式。
对于图1-5，应当注意，白色的阀门表示“闭合的”阀门，黑色的阀门表示“打开的”阀门，且黑白结合的阀门表示“部分打开的”阀门。
上述的本发明包括以下的几个方面。
本发明的一个方面提供了一种用于具有单轴构造的组合循环燃气轮机设备的控制系统的控制协议，该控制协议用于使设备执行以下的步骤或使控制系统122执行以下的步骤：监控设备需求；以及如果设备需求降低到预定阈值之下，则将设备从额定运行模式(其中，设备依靠燃气轮机输出和蒸汽轮机输出运行)切换到负载降低运行模式(其中，设备仅依靠燃气轮机输出运行)。
该协议可以包括在负载降低运行模式下在全速无负载的条件下运行蒸汽轮机的步骤。
该协议可以包括在负载降低运行模式期间并在FSNL条件下保持蒸汽轮机处于加热“待用”状态的步骤。
该协议可以包括当蒸汽轮机运行在全速无负载条件下控制蒸汽准入以便在蒸汽轮机内部维持期望的或预定的最低温度的步骤。
该协议可以包括将蒸汽轮机的蒸汽准入水平控制为低于阈值水平以防止在FSNL条件下蒸汽轮机产生电力的步骤。
该协议包括在FSNL条件下操作蒸汽控制阀控制蒸汽准入蒸汽轮机的步骤。
该协议包括在FSNL条件下操作旁通阀转移过量蒸汽到冷凝器的步骤。
附图标记列表
100 设备
104 燃气轮机
105 轴
106 蒸汽轮机
108 压缩机
110 冷凝器
118 蒸汽控制阀
120 旁通阀
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种具有单轴构造的组合循环燃气轮机设备，其中，所述设备属于将燃气轮机和蒸汽轮机安装在同一轴上的类型，其中，所述设备包括：控制系统，所述控制系统被配置为将所述设备从额定运行模式切换到负载降低运行模式，其中，在额定运行模式中，所述设备依靠燃气轮机输出和蒸汽轮机输出运行，在负载降低运行模式中，所述设备只依靠燃气轮机输出运行，
所述控制系统被配置为：如果设备需求降低到预定阈值之下，则将设备从额定运行模式切换到负载降低运行模式。
2.(删除)
3.根据权利要求1或2所述的组合循环燃气轮机设备，其中，所述控制系统被配置为：在负载降低运行模式下，在全速无负载条件下运行所述蒸汽轮机。
4.根据权利要求1-3中的任一项所述的组合循环燃气轮机设备，其中，所述控制系统被配置为：在负载降低运行模式期间，在全速无负载条件下保持所述蒸汽轮机处于加热“待用”状态。
5.根据权利要求1-4中的任一项所述的组合循环燃气轮机设备，其中，所述控制系统被配置为：当所述蒸汽轮机在全速无负载条件下运行时，在所述蒸汽轮机内部维持期望的或最低的温度水平。
6.根据权利要求3-5中的任一项所述的组合循环燃气轮机设备，其中，所述控制系统被配置为：在全速无负载条件下调节所述蒸汽轮机的蒸汽准入水平。
7.根据任一前述权利要求所述的组合循环燃气轮机设备，其中，所述蒸汽轮机是多级蒸汽轮机，且所述设备包括用于控制蒸汽进入所述蒸汽轮机的一个或多个级的蒸汽控制阀，其中，所述控制系统还被配置为，当所述蒸汽轮机在全速无负载条件下运行时，将所述蒸汽控制阀打开至其正常运行容量的仅一部分。
8.根据权利要求6或7所述的组合循环燃气轮机设备，其中，所述控制系统被配置为：保持所述蒸汽轮机的蒸汽准入水平低于阈值水平，以防止在全速无负载条件期间在所述蒸汽轮机中产生电力。
9.根据权利要求6-8中的任一项所述的组合循环燃气轮机设备，其中，所述控制系统被配置为：在全速无负载条件下，在调节所述蒸汽轮机的蒸汽准入期间操作旁通阀以允许过量蒸汽旁路所述蒸汽轮机并允许所述过量蒸汽被传递到冷凝器。
10.根据权利要求1-9中的任一项所述的组合循环燃气轮机设备，其中，所述控制系统被配置为：如果设备需求增加到预定阈值之上，则将设备从负载降低运行模式重新切换到额定运行模式。
11.根据权利要求1-10中的任一项所述的组合循环燃气轮机设备，还包括：
供应线，用于将蒸汽从蒸汽发生器供应到所述蒸汽轮机；
旁通线，一端连接到位于所述蒸汽发生器和所述蒸汽轮机之间的供应线；以及
旁通阀，设置在所述旁通线中，
其中，所述控制系统被配置为：通过打开所述旁通阀以使得在所述供应线中流动并且流向所述蒸汽轮机的蒸汽的部分或全部流入所述旁通线，将设备从额定模式切换到负载降低模式，其中，所述旁通阀在额定模式下是闭合的。
12.一种控制具有单轴构造的组合循环燃气轮机设备的方法，所述方法包括以下步骤：监控设备需求，以及如果设备需求降低到预定阈值之下，则将设备从额定运行模式切换到负载降低运行模式，其中，在额定运行模式中，所述设备依靠燃气轮机输出和蒸汽轮机输出运行，在负载降低运行模式中，所述设备只依靠燃气轮机输出运行。
13.根据权利要求12所述的方法，所述方法包括以下步骤：在负载降低运行模式下，在全速无负载条件下运行蒸汽轮机。
14.根据权利要求12或13所述的方法，所述方法包括以下步骤：在负载降低运行模式期间，在全速无负载条件下保持所述蒸汽轮机处于加热“待用”状态。
15.根据权利要求12-14中的任一项所述的方法，所述方法包括以下步骤：当蒸汽轮机在全速无负载条件下运行时，控制蒸汽准入，以在蒸汽轮机内部维持期望的或预定的最低温度。
16.根据权利要求12-15中的任一项所述的方法，所述方法包括以下步骤：控制所述蒸汽轮机的蒸汽准入水平低于阈值水平，以防止在全速无负载条件期间在所述蒸汽轮机中产生电力。
17.根据权利要求12-16中的任一项所述的方法，所述组合循环燃气轮机设备包括：
供应线，用于将蒸汽从蒸汽发生器供应到所述蒸汽轮机；
旁通线，一端连接到位于所述蒸汽发生器和所述蒸汽轮机之间的供应线；以及
旁通阀，设置在所述旁通线中，
其中，所述方法通过打开所述旁通阀以使得在所述供应线中流动并且流向所述蒸汽轮机的蒸汽的部分或全部流入所述旁通线，将设备从额定模式切换到负载降低模式，其中，所述旁通阀在额定模式下是闭合的。
18.一种具有单轴构造的组合循环燃气轮机设备的控制系统，其中，所述控制系统被配置为执行以下操作：
监控设备需求，以及如果设备需求降低到预定阈值之下，则将设备从额定运行模式切换到负载降低运行模式，其中，在额定运行模式中，所述设备依靠燃气轮机输出和蒸汽轮机输出运行，在负载降低运行模式中，所述设备只依靠燃气轮机输出运行。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述系统被配置为执行以下操作：在负载降低运行模式下，在全速无负载条件下运行所述蒸汽轮机。
20.根据权利要求18或19所述的系统，其中，所述系统被配置为执行以下操作：在负载降低运行模式期间，在全速无负载条件下保持所述蒸汽轮机处于加热“待用”状态。
21.根据权利要求18-20中的任一项所述的系统，其中，所述系统被配置为执行以下操作：当蒸汽轮机在全速无负载条件下运行时，控制蒸汽准入，以在蒸汽轮机内部维持期望的或预定的最低温度。
22.根据权利要求18-21中的任一项所述的系统，其中，所述系统被配置为执行以下操作：控制所述蒸汽轮机的蒸汽准入水平低于阈值水平，以防止在全速无负载条件期间在所述蒸汽轮机中产生电力。
23.根据权利要求20-22中的任一项所述的系统，其中，所述系统被配置为执行以下操作：在全速无负载条件期间操作蒸汽控制阀以控制蒸汽进入所述蒸汽轮机。
24.根据权利要求23所述的系统，其中，所述系统被配置为执行以下操作：在全速无负载条件期间操作旁通阀以将过量的蒸汽转移到冷凝器。

Claims (24)

1.一种具有单轴构造的组合循环燃气轮机设备，其中，所述设备属于将燃气轮机和蒸汽轮机安装在同一轴上的类型，其中，所述设备包括：控制系统，所述控制系统被配置为将所述设备从额定运行模式切换到负载降低运行模式，其中，在额定运行模式中，所述设备依靠燃气轮机输出和蒸汽轮机输出运行，在负载降低运行模式中，所述设备只依靠燃气轮机输出运行。
2.根据权利要求1所述的组合循环燃气轮机设备，其中，所述控制系统被配置为：如果设备需求降低到预定阈值之下，则将设备从额定运行模式切换到负载降低运行模式。
3.根据权利要求1或2所述的组合循环燃气轮机设备，其中，所述控制系统被配置为：在负载降低运行模式下，在全速无负载条件下运行所述蒸汽轮机。
4.根据权利要求1-3中的任一项所述的组合循环燃气轮机设备，其中，所述控制系统被配置为：在负载降低运行模式期间，在全速无负载条件下保持所述蒸汽轮机处于加热“待用”状态。
5.根据权利要求1-4中的任一项所述的组合循环燃气轮机设备，其中，所述控制系统被配置为：当所述蒸汽轮机在全速无负载条件下运行时，在所述蒸汽轮机内部维持期望的或最低的温度水平。
6.根据权利要求3-5中的任一项所述的组合循环燃气轮机设备，其中，所述控制系统被配置为：在全速无负载条件下调节所述蒸汽轮机的蒸汽准入水平。
7.根据任一前述权利要求所述的组合循环燃气轮机设备，其中，所述蒸汽轮机是多级蒸汽轮机，且所述设备包括用于控制蒸汽进入所述蒸汽轮机的一个或多个级的蒸汽控制阀，其中，所述控制系统还被配置为，当所述蒸汽轮机在全速无负载条件下运行时，将所述蒸汽控制阀打开至其正常运行容量的仅一部分。
8.根据权利要求6或7所述的组合循环燃气轮机设备，其中，所述控制系统被配置为：保持所述蒸汽轮机的蒸汽准入水平低于阈值水平，以防止在全速无负载条件期间在所述蒸汽轮机中产生电力。
9.根据权利要求6-8中的任一项所述的组合循环燃气轮机设备，其中，所述控制系统被配置为：在全速无负载条件下，在调节所述蒸汽轮机的蒸汽准入期间操作旁通阀以允许过量蒸汽旁路所述蒸汽轮机并允许所述过量蒸汽被传递到冷凝器。
10.根据权利要求1-9中的任一项所述的组合循环燃气轮机设备，其中，所述控制系统被配置为：如果设备需求增加到预定阈值之上，则将设备从负载降低运行模式重新切换到额定运行模式。
11.根据权利要求1-10中的任一项所述的组合循环燃气轮机设备，还包括：
供应线，用于将蒸汽从蒸汽发生器供应到所述蒸汽轮机；
旁通线，一端连接到位于所述蒸汽发生器和所述蒸汽轮机之间的供应线；以及
旁通阀，设置在所述旁通线中，
其中，所述控制系统被配置为：通过打开所述旁通阀以使得在所述供应线中流动并且流向所述蒸汽轮机的蒸汽的部分或全部流入所述旁通线，将设备从额定模式切换到负载降低模式，其中，所述旁通阀在额定模式下是闭合的。
12.一种控制具有单轴构造的组合循环燃气轮机设备的方法，所述方法包括以下步骤：监控设备需求，以及如果设备需求降低到预定阈值之下，则将设备从额定运行模式切换到负载降低运行模式，其中，在额定运行模式中，所述设备依靠燃气轮机输出和蒸汽轮机输出运行，在负载降低运行模式中，所述设备只依靠燃气轮机输出运行。
13.根据权利要求12所述的方法，所述方法包括以下步骤：在负载降低运行模式下，在全速无负载条件下运行蒸汽轮机。
14.根据权利要求12或13所述的方法，所述方法包括以下步骤：在负载降低运行模式期间，在全速无负载条件下保持所述蒸汽轮机处于加热“待用”状态。
15.根据权利要求12-14中的任一项所述的方法，所述方法包括以下步骤：当蒸汽轮机在全速无负载条件下运行时，控制蒸汽准入，以在蒸汽轮机内部维持期望的或预定的最低温度。
16.根据权利要求12-15中的任一项所述的方法，所述方法包括以下步骤：控制所述蒸汽轮机的蒸汽准入水平低于阈值水平，以防止在全速无负载条件期间在所述蒸汽轮机中产生电力。
17.根据权利要求12-16中的任一项所述的方法，所述组合循环燃气轮机设备包括：
供应线，用于将蒸汽从蒸汽发生器供应到所述蒸汽轮机；
旁通线，一端连接到位于所述蒸汽发生器和所述蒸汽轮机之间的供应线；以及
旁通阀，设置在所述旁通线中，
其中，所述方法通过打开所述旁通阀以使得在所述供应线中流动并且流向所述蒸汽轮机的蒸汽的部分或全部流入所述旁通线，将设备从额定模式切换到负载降低模式，其中，所述旁通阀在额定模式下是闭合的。
18.一种具有单轴构造的组合循环燃气轮机设备的控制系统，其中，所述控制系统被配置为执行以下操作：
监控设备需求，以及如果设备需求降低到预定阈值之下，则将设备从额定运行模式切换到负载降低运行模式，其中，在额定运行模式中，所述设备依靠燃气轮机输出和蒸汽轮机输出运行，在负载降低运行模式中，所述设备只依靠燃气轮机输出运行。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述系统被配置为执行以下操作：在负载降低运行模式下，在全速无负载条件下运行所述蒸汽轮机。
20.根据权利要求18或19所述的系统，其中，所述系统被配置为执行以下操作：在负载降低运行模式期间，在全速无负载条件下保持所述蒸汽轮机处于加热“待用”状态。
21.根据权利要求18-20中的任一项所述的系统，其中，所述系统被配置为执行以下操作：当蒸汽轮机在全速无负载条件下运行时，控制蒸汽准入，以在蒸汽轮机内部维持期望的或预定的最低温度。
22.根据权利要求18-21中的任一项所述的系统，其中，所述系统被配置为执行以下操作：控制所述蒸汽轮机的蒸汽准入水平低于阈值水平，以防止在全速无负载条件期间在所述蒸汽轮机中产生电力。
23.根据权利要求20-22中的任一项所述的系统，其中，所述系统被配置为执行以下操作：在全速无负载条件期间操作蒸汽控制阀以控制蒸汽进入所述蒸汽轮机。
24.根据权利要求23所述的系统，其中，所述系统被配置为执行以下操作：在全速无负载条件期间操作旁通阀以将过量的蒸汽转移到冷凝器。
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