CN109424445A - 用于操作燃气涡轮设备的方法和燃气涡轮设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于操作沿纵轴线（A）延伸且包括压缩机、燃烧器组件和至少一个燃气涡轮的燃气涡轮设备的方法；燃烧器组件包括至少一个燃烧器，其联接至燃气涡轮且设有围绕纵轴线（A）周向地布置的多个喷燃器；燃气涡轮包括围绕纵轴线（A）周向地布置的多个温度传感器；该方法包括：在最小环境负荷下操作燃气涡轮；当燃气涡轮在最小环境负荷下操作时，关闭多个喷燃器中的至少一个喷燃器以便具有最小数量的接通操作的喷燃器；在由多个传感器测量的温度值的基础上计算平均值；在至少计算的平均值的基础上控制燃烧器组件。

Description

用于操作燃气涡轮设备的方法和燃气涡轮设备

相关申请的交叉引用

此申请要求享有在2017年8月25日提交的申请号为17188016.4的欧洲专利申请的优先权，其公开通过引用并入。

技术领域

本发明涉及一种用于操作燃气涡轮设备的方法以及燃气涡轮设备。特别地，本发明的燃气涡轮设备是电功率生产设备。

背景技术

众所周知，当来自网络的功率需求低时(例如在夜晚时间期间)用于生产电能的燃气涡轮设备在最小环境负荷下操作。在所述负荷下，燃气涡轮设备产生在法律限度内的污染物排放（NOx和CO）。然而，进一步减小所述最小环境负荷且同时将污染物排放保持在法律限度内是对所有设备拥有者的要求。进一步减小负荷实际上往往会导致CO排放的增加而超出法律限度。

发明内容

因此，本发明的目标是提供一种用于操作燃气涡轮设备的方法，其使得能够进一步减小燃气涡轮设备的负荷同时将污染物排放保持在法律限度内。

特别地，本发明的目标是提供一种用于操作沿纵轴线延伸且包括压缩机、燃烧器组件和至少一个燃气涡轮的燃气涡轮设备的方法；燃烧器组件包括联接至燃气涡轮且设有围绕纵轴线周向地布置的多个喷燃器的至少一个燃烧器；燃气涡轮包括围绕纵轴线周向地布置的多个温度传感器；

该方法包括：

·在相对低的负荷范围中操作燃气涡轮；

·当燃气涡轮在所述相对低的负荷范围中操作时，关闭多个喷燃器中的至少一个喷燃器以便具有最小数量的接通操作的喷燃器；

·在由多个传感器测量的温度值的基础上计算平均值；

·在至少计算的平均值的基础上控制燃烧器组件。

这样，燃烧器组件的控制更有效。特别地，在计算的平均值的基础上控制燃烧器组件允许获得燃烧器组件中的温度的更精确的控制，以便避免火焰不稳定性和过量的污染物排放。

根据本发明的优选实施例，该方法包括计算平均值，其包括仅考虑由定位成使得检测由接通操作的喷燃器大致加热的流体流的温度的温度传感器检测的值来计算平均。

这样，仅考虑由对应的接通操作的喷燃器加热的流体流的温度的值来计算平均。此解决方案允许获得燃烧器组件中的温度的非常精确且可靠的控制。

根据本发明的优选实施例，控制燃烧器组件包括控制接通操作的喷燃器中的每个的操作和/或控制供应给燃烧器组件的氧化剂的量。

根据本发明的优选实施例，控制燃烧器组件包括计算在燃气涡轮的入口处的温度的当前值和入口处的温度的预设期望值之间的误差，以及在所述误差的基础上控制燃烧器组件；其中在平均值的基础上计算入口处的温度的当前值。

由于燃气涡轮的入口处或燃烧器中的温度不能可靠地检测（除非承受非常高的成本），可在较易于测量且较可靠的数据的基础上计算在燃气涡轮的入口处的温度。

根据本发明的优选实施例，多个温度传感器布置在燃气涡轮的出口处。这样，可在非常简单的方式下测量温度而不承担高成本。

根据本发明的优选实施例，控制供应给燃烧器组件的氧化剂的量包括以下步骤中的至少一个：

·调节布置在压缩机的入口处的多个入口导叶的位置；

·调节沿抽出线路布置的至少一个排出阀的开启，抽出线路从压缩机引出空气且将它供应给燃气涡轮；

·开启旁路线路，旁路线路将压缩机连接至布置在燃烧器组件下游的设备的任何元件；

·调节沿再循环线路布置的至少一个再循环阀的开启，再循环线路将压缩机的中间级连接至压缩机的入口。

这样，燃料氧化剂的量可在一种以上的方式下调节，以便以较灵活且快速的方式达到燃烧器中的氧化剂的期望水平。

特别地，由于上文列出的方式，供应给燃烧器的来自压缩机的空气可在简单且快速的方式下合适地减少。

本发明的另一目标是提供可在低于已知燃气涡轮设备中的那些的负荷下操作的燃气涡轮设备同时将污染物排放保持在法律限度内。

根据此目标，本发明涉及根据权利要求8的燃气涡轮设备。

附图说明

现在将参考附图描述本发明，附图示出一些非限制性实施例，在附图中：

-图1是根据本发明的第一实施例的燃气涡轮设备的示意性图示。

-图2是示意性地图示关于图1的燃气涡轮设备的设备细节的框图。

-图3是根据本发明的第二实施例的燃气涡轮设备的示意性图示。

具体实施方式

在图1中，参考标号1指示用于电能生产的燃气涡轮设备，燃气涡轮设备沿纵轴线A延伸且包括压缩机3、燃烧器组件4、涡轮5和发电机7，发电机将由涡轮5供应的机械功率转换成将供应给电网8的电功率，电网8经由开关9连接至发电机7。

未示出的变型规定设备1为联合循环类型且除燃气涡轮5以外还包括蒸汽涡轮。

燃气涡轮5沿纵轴线A延伸且设有轴10（也沿轴线A延伸），压缩机3和发电机7也连接至轴10。

燃烧器组件4包括设有多个喷燃器12（它们中仅一些在图1中示意性示出）的至少一个燃烧器11，喷燃器12大致围绕纵轴线A周向地布置且分别独立地供应有至少一种燃料。

燃烧器组件4且特别是燃烧器11还供应有至少一种氧化剂。在这里公开和示出的非限制性示例中，氧化剂是来自压缩机3的压缩空气。

压缩机3包括布置在压缩机3的入口处的多个可变入口导叶14（通常以术语VIGV指示且在附图中示意性地图示）。

此外，设备1包括至少一个抽出线路15、至少一个旁路线路18以及再循环线路21，抽出线路15设有至少一个排出阀16且构造成从压缩机3引出空气且将它供应给燃气涡轮5，旁路线路18设有至少一个旁路阀19且构造成从压缩机3引出空气且将它供应到燃烧器4的下游（在这里公开和示出的非限制性示例中，旁路线路18排出到燃气涡轮5的两个点中），再循环线路21设有至少一个再循环阀22且构造成将压缩机3的中间级连接至压缩机3的入口。

设备1还包括控制装置25，控制装置构造成控制燃烧器组件4。

特别地，控制装置25构造成控制燃烧器11的每个喷燃器12的操作且调节供应给燃烧器11的氧化剂的量。

如下文将更详细描述的那样，控制装置25在燃气涡轮5的实际负荷的基础上并且在设备1的其他参数的基础上控制燃烧器组件4，燃气涡轮5的入口处的温度TIT在其中具有重要的角色。

更详细地，控制装置25构造成当涡轮5在相对低的负荷范围中操作时关闭多个喷燃器12中的至少一个喷燃器12。

相对低的负荷范围是包括小于或等于最小环境负荷（MEL）的负荷值的负荷范围。

当涡轮5在所述相对低的负荷范围中操作时关闭喷燃器12中的至少一个允许获得由燃气涡轮5操作的负荷的进一步减小而不超过环境限度，如下文详细描述的那样。换句话说，当涡轮5在所述相对低的负荷范围中操作时关闭喷燃器12中的至少一个允许获得最小环境负荷的减小而不超过环境限度。

优选地，根据预定的喷燃器开关计划执行喷燃器12的关闭。例如，喷燃器开关计划可规定喷燃器12的逐渐关闭或备选地规定突然关闭或可规定关闭的喷燃器的特定模式或备选地规定相邻喷燃器的关闭，等等。

然而，为了仍满足对于氮氧化物（NOx）和一氧化碳（CO）排放的环境限度，控制装置25还应控制仍接通操作的喷燃器12的操作且调节供应给燃烧器组件4的氧化剂的量。

优选地，控制装置25构造成控制仍接通操作的喷燃器12的操作且构造成在至少燃气涡轮5的入口处的温度TIT的基础上调节氧化剂的量。

参考图2，特别地，控制装置25包括比较模块30，比较模块构造成将入口处的温度TIT的当前值与入口处的温度的预设期望值TITREF比较，以便限定误差e（e=TITREF-TIT）。

在所述误差e的基础上，控制模块31计算一个或多个控制信号（UB1… UBn，UIGV，UBO，UBYP，UREC），以便控制燃烧器组件4。

特别地，控制模块31构造成计算将发送至每个仍接通操作的喷燃器12的燃料控制信号UB1… UBn，和/或构造成计算将发送至VIGV 14以用于调节布置在压缩机3的入口处的多个可变的入口导叶14的位置的控制信号UIGV，和/或构造成计算将发送至排出阀16以用于调节从压缩机3引出且供应给燃气涡轮5的压缩空气的量的控制信号UBO，和/或构造成计算将发送至旁路阀19以用于控制旁路线路18的开启的控制信号UBYP，和/或构造成计算将发送至再循环阀22以用于调节将从压缩机中间级再循环至压缩机3的入口的压缩空气的量的控制信号UREC。

优选地，间接检测燃气涡轮5的入口处的温度TIT。

实际上，燃气涡轮5的入口处的条件不允许有效且成本效益合算的温度测量。燃气涡轮5的入口处的局部温度太高且可导致检测的高失败率。

优选地，控制装置25包括TIT计算模块34，TIT计算模块构造成至少在燃气涡轮5的出口处检测的至少一个温度TAT的基础上计算燃气涡轮5的入口处的温度TIT。另外的参数（以标注其他参数示意性地图示）可用于计算燃气涡轮5的入口处的温度TIT，诸如，例如涡轮出口温度增量(temperature delta)、涡轮出口温度差距(temperature spread)、压缩机参数、喷燃器开关计划、燃料质量流或涡轮压力比。

优选地，TIT计算模块34至少在燃气涡轮5的出口处检测的平均温度TATAV的基础上计算燃气涡轮5的入口处的温度TIT。

特别地，控制装置25包括平均计算模块35，平均计算模块构造成在由多个传感器38检测的温度值的基础上计算平均温度TATAV，该多个传感器在燃气涡轮5的出口处围绕纵轴线A周向地布置。

更优选地，平均计算模块35构造成在仅由温度传感器38检测的值的基础上计算平均温度TATAV，温度传感器定位在由接通操作的喷燃器12大致加热的热区中。

换句话说，由操作的喷燃器12加热的流体流从燃烧器11离开且流入燃气涡轮5中。在燃气涡轮5中，所述流体流没有完全混合在一起。这样，当喷燃器中的仅一些接通时，在燃气涡轮5中存在“热”区和“冷”区。

热区和冷区可通过由多个传感器38执行的排气温度测量来识别。排气温度传感器38在燃气涡轮的出口处周向地和径向地分布。

换句话说，仅考虑由检测大于阈值的温度（识别“热区”）的传感器38检测的数据来计算平均温度TATAV。

这样，平均温度TATAV数据较可靠且控制装置25也较可靠且有效。

图3示出燃气涡轮设备100，其与设备1的不同之处主要在于，存在其中提供连续燃烧的燃烧器组件104。在图3中，图1中使用的相同的参考标号被用于指示相似或同样的元件。

特别地，燃烧器组件104包括第一燃烧器105和布置在第一燃烧器105的下游的第二燃烧器106。第二燃烧器106联接至上文描述的燃气涡轮5。中间元件107（诸如混合器或高压涡轮）可布置在第一燃烧器105和第二燃烧器106之间。

燃料可引入第一燃烧器105中和第二燃烧器106中。特别地，第二燃烧器106包括多个喷燃器112。

除了关闭的且由控制装置125控制的喷燃器是联接至燃气涡轮5的第二燃烧器106的喷燃器112的事实之外，控制装置125类似于控制装置25所做的那样控制燃烧器组件104。

更详细地，控制装置125构造成当涡轮5在相对低的负荷范围中操作时关闭多个喷燃器112中的至少一个喷燃器112。

为了仍满足对于氮氧化物（NOx）和一氧化碳（CO）排放的环境限度，控制装置125还应控制仍接通操作的喷燃器112的操作且调节供应给燃烧器组件104的氧化剂的量。

最后，清楚的是，可对本文描述的设备和方法作出修改和变型，而不脱离如所附权利要求中限定的本发明的范围的情况。

Claims (15)

1.用于操作燃气涡轮设备（1；100）的方法，所述燃气涡轮设备（1；100）沿纵轴线（A）延伸且包括压缩机（3）、燃烧器组件（4；104）和至少一个燃气涡轮（5）；所述燃烧器组件（4；104）包括至少一个燃烧器（11；106），所述燃烧器（11；106）联接至所述燃气涡轮（5）且设有围绕所述纵轴线（A）周向地布置的多个喷燃器（12；112）；所述燃气涡轮（5）包括围绕所述纵轴线（A）周向地布置的多个温度传感器（38）；

所述方法包括：

·在相对低的负荷范围中操作所述燃气涡轮（5）；

·当所述燃气涡轮（5）在所述相对低的负荷范围中操作时，关闭所述多个喷燃器（12；112）中的至少一个喷燃器以便具有最小数量的接通操作的喷燃器；

·在由所述多个传感器（38）测量的温度值的基础上计算平均值（TATAV）；

·在至少所述计算的平均值（TATAV）的基础上控制所述燃烧器组件（4；104）。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，计算所述平均值（TATAV）包括仅考虑由定位成使得检测由所述接通操作的喷燃器（12；112）大致加热的流体流的温度的温度传感器（38）检测的值来计算所述平均。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于，控制所述燃烧器组件（4；104）包括控制所述接通操作的喷燃器（12；112）中的每个的操作和/或控制供应给所述燃烧器组件（4；104）的氧化剂的量。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，控制所述燃烧器组件（4；104）包括计算在所述燃气涡轮（5）的入口处的温度（TIT）的当前值和所述入口处的温度的预设期望值（TITREF）之间的误差（e），以及在所述误差（e）的基础上控制所述燃烧器组件（4；104）。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，控制所述燃烧器组件（4；104）包括在所述平均值（TATAV）的基础上计算所述入口处的温度（TIT）的当前值。

6.根据前述的权利要求中任一项的方法，其特征在于，所述多个温度传感器（38）布置在所述燃气涡轮（5）的出口处。

7.根据权利要求3至权利要求6中任一项所述的方法，其特征在于，控制供应给所述燃烧器组件（4；104）的氧化剂的所述量包括以下步骤中的至少一个：

·调节布置在所述压缩机（3）的入口处的多个入口导叶（14）的位置；

·调节沿抽出线路（15）布置的至少一个排出阀（16）的开启，所述抽出线路（15）从所述压缩机（3）引出空气且将它供应给所述燃气涡轮（5）；

·开启旁路线路（18），所述旁路线路（18）将所述压缩机（3）连接至布置在所述燃烧器组件（4；100）下游的所述设备（1；100）的任何元件；

·调节沿再循环线路（21）布置的至少一个再循环阀（22）的开启，所述再循环线路（21）将所述压缩机（3）的中间级连接至所述压缩机（3）的入口。

8.燃气涡轮设备（1；100），其沿纵轴线（A）延伸且包括压缩机（3）、燃烧器组件（4；104）和至少一个燃气涡轮（5）以及控制装置（25；125）；所述燃烧器组件（4；104）包括至少一个燃烧器（11；106），所述燃烧器（11；106）联接至所述燃气涡轮（5）且设有围绕所述纵轴线（A）周向地布置的多个喷燃器（12；112）；所述燃气涡轮（5）包括围绕所述纵轴线（A）周向地布置的多个温度传感器（38）；所述控制装置（25；125）构造成：

当所述燃气涡轮（5）在最小环境负荷下操作时，关闭所述多个喷燃器（12；112）中的至少一个喷燃器以便具有最小数量的接通操作的喷燃器；

在由所述多个传感器（38）测量的温度值的基础上计算（35）平均值（TATAV）；

在至少所述计算的平均值（TATAV）的基础上控制所述燃烧器组件（4；104）。

9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述控制装置（25；125）构造成通过仅考虑由定位成使得检测由所述接通操作的喷燃器（12；112）大致加热的流体流的温度的温度传感器（38）检测的值计算平均来计算所述平均值（TATAV）。

10.根据权利要求8或权利要求9所述的设备，其特征在于，所述控制装置（25；125）构造成控制所述接通操作的喷燃器（12；112）中的每个的操作和/或构造成控制供应给所述燃烧器组件（4；104）的氧化剂的量。

11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，所述控制装置（25；125）构造成计算（30）在所述燃气涡轮（5）的入口处的温度（TIT）的当前值和所述入口处的温度的预设期望值（TITREF）之间的误差（e）且在所述误差（e）的基础上控制所述燃烧器组件（4；104）。

12.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述控制装置（25；125）构造成在所述平均值（TATAV）的基础上计算（34）所述入口处的温度（TIT）的当前值。

13.根据所述权利要求8至权利要求12中任一项所述的设备，其特征在于，所述多个温度传感器（38）布置在所述燃气涡轮（5）的出口处。

14.根据权利要求10至权利要求13中任一项的设备，其特征在于，所述控制装置（25；125）构造成执行以下步骤中的至少一个：

·计算用于调节布置在所述压缩机（3）的入口处的多个入口导叶（14）的位置的第一控制信号（UIGV）；

·计算用于调节沿抽出线路（15）布置的至少一个排出阀（16）的开启的第二控制信号（UBO），所述抽出线路（15）从所述压缩机（3）引出空气且将它供应给所述燃气涡轮（5）；

·计算用于控制旁路线路（18）的开启的第三控制信号（UBYP），所述旁路线路（18）将所述压缩机（3）连接至布置在所述燃烧器组件（4；100）下游的所述设备（1；100）的任何元件；

·计算用于调节沿再循环线路（21）布置的至少一个再循环阀（22）的开启的第四控制信号（UREC），所述再循环线路（21）将所述压缩机（3）的中间级连接至所述压缩机（3）的入口。

15.根据权利要求8至权利要求14中任一项所述的设备，其特征在于，所述燃烧器组件（104）是连续燃烧器组件且包括第一燃烧器（105）和布置在所述第一燃烧器（105）下游的第二燃烧器（106）；所述第二燃烧器（106）包括所述多个喷燃器（112）且联接至所述燃气涡轮（5）。