CN106164445A - 用于燃气轮机的可变极限值功率控制 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于运行燃气轮机电厂(1)的方法，燃气轮机电厂具有燃气轮机(100)和由燃气轮机(100)驱动的发电机(200)。方法具有至少以下步骤：检测燃气轮机电厂(1)的瞬时功率；将检测到的瞬时功率与功率极限值比较；以及当比较的结果是检测到的瞬时功率等于或大于功率极限值时，限制瞬时功率。根据本发明，于是提供了检测燃气轮机电厂(1)的至少一个运行参数的步骤，和确定作为至少一个检测到的运行参数的函数的功率极限值的步骤，其中燃气轮机电厂(1)的至少一个运行参数包括环境压力，并且当环境压力增大时，增大功率极限值。

Description

用于燃气轮机的可变极限值功率控制

技术领域

本发明涉及一种用于运行燃气轮机电厂的方法以及一种根据所述方法运行的燃气轮机电厂。

背景技术

燃气轮机的功率极限是燃气轮机可以运行的最大功率，并且由所述燃气轮机的各个部件的机械完整性来决定。首先达到其机械承载能力的极限的部件对于所述燃气轮机的功率极限是决定性的。通常，这些部件是主流动方向上的下游涡轮叶片，由于它们的半径和与其相关并作用在所述涡轮叶片上的较大离心力，所述涡轮机叶片被最高地承载。

为了实现从燃气轮机的最高可能的能量产出，它尽可能接近于功率极限运行。燃气轮机的瞬时功率通常在由在所述燃气轮机电厂中的燃气轮机驱动的发电机的电输出处通过测量电流、电压和可能的相位角间接确定，因为它假设来自发电机的瞬时输出功率直接取决于所述瞬时功率。

由于运行参数的波动，所述燃气轮机的瞬时功率可以暂时地达到或超过对所述燃气轮机限定的功率极限。在这种情况下，所述燃气轮机被节流以确保其机械完整性。

此外，还从例如US 2013/227954 A1或US 6718771 B1得知，所述功率极限值可以取决于环境温度而被可变地确定，其中所述功率极限值随温度下降而上升。然而，这样的依赖性的问题是，适应变化的环境条件的功率极限只能以受限的方式来确定。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于运行燃气轮机电厂的改进方法，特别地，其还可以适应进一步变化的环境条件。

本发明因此引入了一种用于运行具有燃气轮机和由所述燃气轮机驱动的发电机的燃气轮机电厂的方法。所述方法具有至少以下步骤：

-检测所述燃气轮机电厂的瞬时功率；

-将所检测到的瞬时功率与功率极限值比较；以及

-当所述比较的结果是所述检测到的瞬时功率等于或大于所述功率极限值时，限制所述瞬时功率。根据本发明，提供了检测所述燃气轮机电厂的至少一个运行参数的步骤，和确定作为所述至少一个检测到的运行参数的函数的功率极限值的步骤。

根据本发明，当环境压力增大时，所述功率极限值将被增大，并且分别地，当环境压力降低时，所述功率限限值将被减小。所述环境压力的变化以与所述环境温度的变化相同的方式作用于压气机的质量流。这里，也能够通过使用作为所述燃气轮机的运行参数的测量和/或计算确定所述压气机的质量流，如果适当的话，作为所述环境温度和环境压力的函数，并且能够选择所述功率极限值作为该质量流的函数。为了这个目的，如果适当的话，可以考虑进一步的运行参数，例如压气机出口压力或压气机出口温度。

本发明还具有获得更高的能量产出的优势，因为可变功率极限被用于所述燃气轮机电厂的控制。本发明基于并结合如下理解，即对于所述燃气轮机电厂的每个运行状态，通过在发电机上测量的电输出功率的限制不能直接从所述燃气轮机的关键瞬时载荷推断，所述关键瞬时载荷由所述燃气轮机中的基于流动和机械旋转条件确定。因此，所述燃气轮机的运行参数的变化可以允许所述燃气轮机更高的瞬时功率，在所有其它运行条件下将表示不允许的高载荷。同等适用于所述燃气轮机的所有运行状态的固定功率极限值必须被谨慎地选择以便确保所述燃气轮机在所有运行状态下的机械完整性。然而，根据本发明使用可变功率极限值(其被确定为在给定时间实际存在的运行参数的函数)，在特定情况下允许所述燃气轮机电厂的瞬时功率超过这样谨慎选择的功率极限值，这意味着所述燃气轮机电厂的总能量产出以及因此的利润率上升。特别地，提供了所述功率极限值适应进一步变化的环境条件，使得可以进行更准确和更灵活的适应。

所述燃气轮机电厂的所述至少一个运行参数优选还包括从环境温度、所述燃气轮机的总运行时间和所述燃气轮机电厂的总能量产出中选择的至少一个运行参数。这些运行参数直接影响所述燃气轮机的瞬时功率(环境温度)并且对所述燃气轮机的机械载荷极限有影响(总运行时间和总能量产出)的那些运行参数。这些运行参数如果适合的话可以通过诸如热电偶或压力传感器的传感器确定。可替换地，这些运行参数还可以被用来代替所述环境压力运行参数以确定功率极限值。

如果所述燃气轮机的总运行时间超过预先确定的阈值，则所述功率极限值被降低。本发明的这个实施例考虑这样的事实，即与所述发电机上测得的功率相关的载荷还随着老化上升。因此，对于另外具有不同总运行时间的完全相同的燃气轮机，可以为比其它的燃气轮机相比具有更低运行时间的燃气轮机选择更高的功率极限值。这里，所述部件的承载能力的变化远小于具有相同机械载荷的功率产出。所述老化可以以特定船舰的特性的形式或从运行参数的计算的形式被预义。这允许在对燃气轮机修理或修改之后还选择适当的功率极限值，在所述修理或修改中所述燃气轮机的各个部件被更换或修理。

所述燃气轮机电厂的瞬时功率可以通过来自正被确定的燃气轮机电厂的发电机的电输出来确定。然而可替换地，也可能通过正被确定的燃气轮机电厂的燃气轮机的瞬时涡轮功率来确定所述燃气轮机电厂的瞬时功率。从所述燃气轮机电厂的发电机确定所述电输出可以简单地进行，并且在许多现有的燃气轮机电厂中是可能的且不需要改变结构。在另一方面，利用瞬时涡轮功率具有如下优势，实际作用于所述燃气轮机的各个部件的力和载荷可以直接获得，从而使合适的功率极限值直接跟随。所述控制因此可以直接基于新的控制变量，即所述燃气轮机的瞬时涡轮功率，在由测量所确定的和/或系统中已知的运行条件的基础上通过数学建模来确定。这里，所述瞬时涡轮功率也可以通过考虑不同涡轮级的各自功率而找到，不同涡轮级的各自功率也可以作为控制变量被单独引入所述控制。

所述瞬时功率可以被限制，例如，由正被限制的燃气轮机的压气机的压气机质量流限制。这可以通过不同的措施来实现，例如调整所述压气机的一排可变导叶或通过使用湿式压缩方法通过减少注入到所述压气机中水量。

本发明的第二方面涉及一种燃气轮机电厂，具有燃气轮机、连接到所述燃气轮机发电机，以及连接到所述燃气轮机和所述发电机并被设计用于实现根据本发明的方法的控制单元。

此外，本发明涉及一种具有计算机可执行程序代码的计算机可读数据载体，所述计算机可执行程序代码由这样的燃气轮机电厂的控制单元执行且实现根据本发明的方法。燃气轮机电厂的现有安装可以通过以利用本发明的方式更新它们的控制软件来修改。

附图说明

下面通过使用对示例性实施例的描绘更详细地解释本发明。在附图中：

图1示出了根据本发明的燃气轮机电厂；

图2示出了在局部纵向截面图中的燃气轮机的示例；

图3示出了解释例如从现有技术已知的燃气轮机的功率作为温度的函数的第一曲线图；

图4示出了解释燃气轮机的功率再一次作为温度的函数的第二曲线图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的燃气轮机电厂1，其包括燃气轮机100，通过轴300连接到发电机200并驱动后者。所述发电机200将由所述燃气轮机100提供的旋转能量转换成电能，并经由电连接输出所述能量。

图2示出了在局部纵向截面图中的燃气轮机的一个示例性实施例，例如可以被用于根据本发明的燃气轮机电厂中。

所述燃气轮机100在其内部具有转子103，安装为使得可以绕旋转轴线102旋转并且具有轴101，转子103也被指定为涡轮机转子。

沿着所述转子103，依次为进气壳体104、压气机105、具有多个同轴布置的燃烧器107的环状的燃烧室110(例如特别地为环形燃烧室)、涡轮108和排气壳体109。

从所述燃烧室110，热气体在所述涡轮的环形热气管道111中膨胀。在那里，例如四个依次连接的涡轮级112形成所述涡轮118。

每个涡轮级112例如由两个叶片环形成。如从工作介质113的流动方向观察，在所述热气管道111中一排导叶115之后是由转子叶片120形成的一排125。所述转子叶片120通常构成具有最高载荷的那些部件，其中所述转子叶片120的载荷在所述工作介质113的流动方向上增大，因为该设备的半径增大。因此，这些部件严重影响确定所述功率极限值。

所述导叶130被固定到定子143的内壳138，而一排125的转子叶片120例如通过涡轮盘133被固定到所述转子103。发电机(未示出)耦接到所述转子103。

在燃气轮机100的运行期间，空气135被所述压气机105通过所述进气壳体104吸入并被压缩。在所述压气机105的涡轮侧端部提供的压缩空气被引导至所述燃烧器107并在此与燃料混合。所述混合物然后在所述燃烧室110中燃烧，形成所述工作介质113。从所述腔，所述工作介质113沿着所述热气管道111流出经过所述导叶130和所述转子叶片120。所述工作介质113在所述转子叶片120上膨胀，传递动量，使得所述转子叶片120驱动所述转子103并且后者驱动与其耦接的工作机械。

暴露于所述热工作介质113的部件在所述燃气轮机100的运行期间承受热载荷。

从工作介质113的流动方向看，除用作环形燃烧室110的衬里的热屏蔽元件外，所述第一涡轮级112的导叶130和转子叶片120被最热地承载。

导叶130具有面向所述涡轮108的内壳138的导叶根部(此处未示出)，和与导叶根部相反的导叶头部。所述导叶头部面向所述转子103并且被固定到所述定子143的固定环140。

图3示出了第一曲线图，其解释例如从现有技术已知的来自燃气轮机的功率作为温度的函数。在此，燃气轮机电厂的电输出被绘制为实线，并且所述燃气轮机的涡轮功率被绘制为相对于环境温度T的虚线，其中上述两种功率被标准化成其各自的功率极限值。

燃气轮机电厂在图3的实例中根据常规程序运行。可以看到，对于高温度，因为环境空气的密度和所述燃气轮机的压气机的质量流(其因此被降低)降低，来自燃气轮机电厂的电输出保持低于设定的极限并随环境温度升高而进一步降低。来自所述燃气轮机的涡轮功率(它决定了所述燃气轮机的涡轮段的实际载荷)显示出相应的行为。随着环境温度下降，由压气机吸入的空气变得更密，使得所述燃气轮机可以由所述压气机提供有更大的质量流，这使得涡轮功率还有电输出相应上升成为必要。如果所述电输出达到预先确定的最大值，在所示的例子中发生在周转温度为T₀处，所述电输出被限制并可能地保持接近所述最大值，这可以通过对所述压气机控制动作来完成。在环境温度为T₀处，来自所述燃气轮机的涡轮功率也达到其最大容许值。如果所述环境温度进一步下降，电输出被保持恒定，但是所述燃气轮机能够使用来自所述燃气轮机的越来越小的涡轮功率来达到该电输出。这由以下事实解释，由涡轮段从燃烧燃料的热气流获取的旋转能量再次部分地输出到压缩所述燃烧空气的所述压气机。因为归因于温度下降和压气机质量流下降花费的压缩工作较少，所以所述旋转能量的相应更大部分可在所述发电机中被转换成电能。但是，由于所述发电机的电输出然后保持恒定，所述燃气轮机能够随着环境温度下降而使用减少的涡轮功率提供该电输出。因此，所述燃气轮机的载荷在低温下也落到最大容许量之下。

图4示出了另一曲线图，它解释来自所述燃气轮机的功率作为温度的函数。在此，来自所述燃气轮机电厂的电输出再一次被绘制为实线，并且来自所述燃气轮机的涡轮机功率被绘制为相对于环境温度T的虚线。在环境温度T₀之上的行为对应于图3中的，从而对于上述解释的重复可以省略。但是在环境温度T₀之下，所述燃气轮机然后被以这样的方式控制，使得所述功率极限值被确定为主要运行条件的函数。这里的目的是为了保持所述涡轮功率作为受控变量在其最大容许值处。然而，随着环境温度下降和压气机功率减少，可以提供所述压气机空气的期望的质量流，从而使所述涡轮功率的相应较高的比例可被输出到所述发电机。这样做的结果是来自所述燃气轮机电厂的电输出相应增大。本发明的经济潜力可以从图4的阴影区域A中读出。尽管图3和4指的是环境温度，但是在本发明的意义上相应的陈述可以是关于空气压力，虽然空气压力的上升的动作必须与该减小的环境温度的进行比较，并且空气压力的下降必须与该环境温度的增大进行比较。

尽管已经通过优选的示例性实施例更详细地图示和描述了本发明，但是本发明不受所公开的示例的限制。在不脱离由所附的专利权利要求所限定的本发明的保护范围的情况下，本领域技术人员可以获得由此衍生的变型。

Claims (9)

1.一种用于运行燃气轮机电厂(1)的方法，所述燃气轮机电厂(1)具有燃气轮机(100)和由所述燃气轮机(1)驱动的发电机(200)，所述方法具有至少以下步骤：

-检测所述燃气轮机电厂(1)的瞬时功率；

-将所检测到的瞬时功率与功率极限值比较；以及

-当所比较的结果是所检测到的瞬时功率等于或大于所述功率极限值时，限制所述瞬时功率，

其特征在于以下步骤，检测所述燃气轮机电厂(1)的至少一个运行参数，以及确定作为检测的所述至少一个运行参数的函数的功率极限值，

其特征在于，

所述燃气轮机电厂(1)的所述至少一个运行参数包括环境压力，并且当所述环境压力增大时，增大所述功率极限值。

2.根据前述权利要求所述的方法，其中所述燃气轮机电厂(1)的所述至少一个运行参数还包括从环境温度、所述燃气轮机(100)的总运行时间或来自所述燃气轮机电厂(1)的总能量输出中选择的运行参数。

3.根据前述权利要求2所述的方法，其中当所述环境温度降低时，增大所述功率极限值。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其中当所述燃气轮机(100)的总运行时间超过预先确定的阈值时，减小所述功率极限值。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述燃气轮机电厂(1)的瞬时功率由正被确定的燃气轮机电厂(1)的发电机(200)的电输出确定。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述燃气轮机电厂(1)的所述瞬时功率由正被确定的所述燃气轮机电厂(1)的所述燃气轮机(100)的瞬时涡轮功率来确定。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述瞬时功率由正被限制的所述燃气轮机(100)的压气机(105)的压气机质量流来限制。

8.一种燃气轮机电厂(1)，具有燃气轮机(100)、连接到所述燃气轮机(100)的发电机(200)和连接到所述燃气轮机(100)和所述发电机(200)并被设计为实现根据前述权利要求中任一项所述的方法的控制单元。

9.一种计算机可读数据载体，具有计算机可执行程序代码，所述计算机可执行程序代码由根据前述权利要求所述的燃气轮机电厂(1)的控制单元执行，实现根据权利要求1至7中任一项所述的方法。