CN111197537A - 燃气轮机及其抽气量调整方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的燃气轮机抑制调节加热燃料的冷却空气的流量的抽气阀的过于敏感的开度变化。具备：压缩机，其压缩空气；燃烧器，其使燃料和由压缩机压缩后的空气燃烧；涡轮，其被由燃烧器生成的燃烧气体驱动；热交换器，其用从压缩机抽气并向涡轮供给的冷却空气来加热向燃烧器供给的燃料；抽气阀，其调整冷却空气的流量；第一传感器，其测量燃料状态值；第二传感器，其测量冷却空气状态值；控制计算机，其控制抽气阀的开度，控制计算机针对燃料状态值和冷却空气状态值分别存储基准值和含有该基准值的死区的信息，在燃料状态值和冷却空气状态值中的至少一方超出死区而相对于基准值发生了变动的情况下，控制抽气阀使变动了的检测值接近基准值。

Description

燃气轮机及其抽气量调整方法
技术领域
本发明涉及燃气轮机，具体涉及将向燃烧器供给的燃料与从压缩机抽气的冷却空气进行热交换而进行加热的燃气轮机及其抽气量调整方法。
背景技术
燃气轮机构成为使由压缩机压缩后的压缩空气在燃烧器中与燃料一起燃烧，使得产生高温的工作流体即燃烧气体，通过燃烧气体驱动涡轮。对于这种燃气轮机，为了降低为了产生希望温度的燃烧气体而向燃烧器供给的燃料的所需流量而谋求提高系统热效率，将向燃烧器供给的燃料与来自压缩机的压缩空气进行热交换而进行加热(参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2014-047657号公报
发明要解决的问题
例如在将从压缩机抽气的压缩空气用于涡轮的冷却的燃气轮机中，在与供给到涡轮的冷却空气进行热交换而加热燃料的情况下，除了上述的提高系统热效率的效果以外，还能够伴随着冷却空气温度的降低而减少冷却空气流量。在该情况下，构成为能够通过抽气阀调整冷却空气流量，通过根据作为冷却空气的冷却对象的涡轮高温部的温度来控制抽气阀，能够更恰当地提高燃气轮机性能。
但是，燃料的形状并不一定固定，设想该与燃料进行热交换的冷却空气的温度也有很大变动的情况。这样的冷却空气的温度变化与涡轮高温部的温度变化关联，伴随着涡轮高温部的温度变化，抽气阀开度也时刻地变化，冷却空气流量有可能变得不稳定。
发明内容
本发明的目的在于：提供能够抑制调节加热燃料的冷却空气的流量的抽气阀的过于敏感的开度变化的燃气轮机及其抽气量调整方法。
解决方案
为了达到上述目的，本发明具备：压缩机，其对空气进行压缩；燃烧器，其使燃料和由上述压缩机压缩后的空气燃烧；涡轮，其被由上述燃烧器生成的燃烧气体驱动；热交换器，其利用从上述压缩机抽气并向上述涡轮供给的冷却空气来加热向上述燃烧器供给的燃料；抽气阀，其调整上述冷却空气的流量；第一传感器，其测量与上述燃料有关的状态值；第二传感器，其测量与上述冷却空气有关的状态值；以及控制计算机，其控制上述抽气阀的开度，其中，上述控制计算机存储针对上述第一传感器和上述第二传感器的检测值分别设定的基准值和含有上述基准值的死区的信息，在上述第一传感器和上述第二传感器的检测值中的至少一方超出上述死区而相对于上述基准值发生了变动的情况下，控制上述抽气阀使上述变动了的检测值接近上述基准值。
发明效果
根据本发明，能够抑制调节加热燃料的冷却空气的流量的抽气阀的过于敏感的开度变化。
附图说明
图1是本发明的第一实施方式的燃气轮机的一个例子的示意图。
图2是表示本发明的第一实施方式的燃气轮机的抽气阀的控制步骤的流程图。
图3是用于说明本发明的第一实施方式的燃气轮机的抽气阀控制的定时的燃料状态值和冷却空气状态值的时间变化的模型图。
图4是表示本发明的第二实施方式的燃气轮机的抽气阀的控制步骤的流程图。
图5是用于说明本发明的第二实施方式的燃气轮机的抽气阀控制的定时的燃料状态值和冷却空气状态值的时间变化的模型图。
附图标记说明
1：压缩机；2：燃烧器；3：涡轮；5：热交换器；6：抽气阀；7、8：第一传感器；9、10：第二传感器；11：控制计算机；100：燃气轮机；a0、b0：基准值；a1、b1：下限值(死区)；a2、b2：上限值(死区)；A：空气；C：压缩空气；H：燃烧气体。
具体实施方式
以下，使用附图说明本发明的实施方式。
(第一实施方式)
燃气轮机
图1是本发明的第一实施方式的燃气轮机的一个例子的示意图。在本实施方式中，将燃气轮机燃烧器简称为燃烧器。图1所示的燃气轮机100具备压缩机1、燃烧器2、涡轮3、负载设备4、热交换器5、抽气阀6、第一传感器7、8、第二传感器9、10以及控制计算机11。
压缩机1对经由吸气部吸入的空气A进行压缩，生成高压的压缩空气C而喷出。使由压缩机1压缩后的压缩空气C和燃料燃烧而产生高温的燃烧气体H，并将其供给到涡轮3。涡轮3被由燃烧器2生成的燃烧气体H驱动。压缩机1和涡轮3被同轴地连结，另外压缩机1或涡轮3与负载设备4(发电机或泵等)连结。对于由涡轮3得到的旋转电力，一部分被用作压缩机1的动力，一部分被用作负载设备4的动力。驱动涡轮3的燃烧气体H作为废气E从涡轮3排出。
热交换器5被设置在连接燃料供给源(未图示)和燃烧器2的燃料配管(燃料系统)12的中途，使在流过燃料配管12的燃料和流过抽气配管13的抽气空气之间进行热交换。抽气配管13将压缩机1的中间段(也可以是出口)和涡轮3的中间段(也可以是入口)连接起来。从压缩机1抽气并流过抽气配管13的抽气空气如果对流过燃料配管12的燃料进行加热，则反而降低温度，作为冷却空气或密封空气被供给到涡轮3的高温部。相反，流过燃料配管12的燃料因从流过燃料配管12的燃料的吸热而提高温度，从而被供给到燃烧器2。
抽气阀6是调整冷却空气的流量的阀装置，被设置在抽气配管13的热交换器5和涡轮3之间。但是，抽气阀6只要设置在抽气配管13的路径上即可，也可以设置在抽气配管13的热交换器5和压缩机1之间。抽气阀6被来自计算机的信号驱动，抽气阀6的开度被控制计算机11控制，由此来控制抽气流量。
第一传感器7、8是测量与燃料有关的状态值的传感器。与燃料有关的状态值例如是燃料流量Ff、燃料温度Ft，在本实施方式中，第一传感器7是温度计，第一传感器8是流量计。图示出以下的结构，即第一传感器7、8都被设置在燃料配管12中的热交换器5和燃烧器2之间，检测与通过热交换器5与抽气空气进行了热交换后的燃料有关的状态值。但是，也可以构成为将第一传感器7、8设置在燃料配管12的热交换器5的上游侧。此外，在本实施方式中，示例了为了测量燃料流量Ff而使用流量计作为第一传感器8的情况，但例如也可以根据设置在燃料配管12的燃料流量调整阀14的开度来推定燃料流量Ff。对于燃料流量调整阀14的开度，除了能够通过开度计进行测量以外，也能够根据控制计算机11对燃料流量调整阀14的指令值来了解。另外，也可以构成为检测燃料流量Ff、燃料温度Tf、燃料流量调整阀14的开度的全部，但并不一定必须检测它们的全部作为与燃料有关的状态值，只要是检测这些值中的至少一个的结构即可。也可以考虑构成为在燃料配管12设置压力计而测定燃料的压力作为与燃料有关的状态值。
第二传感器9、10是测量与冷却空气(抽气空气)有关的状态值的传感器。与冷却空气有关的状态值例如是指冷却空气流量Fa、冷却空气温度Ta，在本实施方式中，第二实施方式9是温度计，第二传感器10是流量计。图示出以下的结构，即第二传感器9、10都被设置在抽气配管13中的热交换器5和涡轮3之间，检测与通过热交换器5与燃料进行了热交换后的冷却空气有关的状态值。但是，也可以构成为将第二传感器9、10设置在抽气配管13的热交换器5的上游侧。此外，在本实施方式中，示例了为了测量冷却空气流量Fa而使用流量计作为第二传感器10的情况，但例如也可以根据设置在抽气配管13的抽气阀6的开度来推定冷却空气流量Fa。对于抽气阀6的开度，除了能够通过开度计进行测量以外，也能够根据控制计算机11对抽气阀6的指令值来了解。另外，也可以构成为冷却空气流量Fa、冷却空气温度Ta、抽气阀6的开度的全部，但并不一定必须检测它们的全部作为与冷却空气有关的状态值，只要是检测这些值中的至少一个的结构即可。也可以考虑构成为在抽气配管13设置压力计而测定冷却空气的压力作为与冷却空气有关的状态值。
控制计算机11是控制抽气阀6的开度的控制装置，并不限于控制抽气阀6，还具有控制燃气轮机100的整体的功能。控制计算机11具备存储器、CPU，在存储器中，针对第一传感器7、8以及第二传感器9、10的检测值，分别存储有基准值(图2的a0、b0)和含有基准值的死区(图2的a1、a2、b1、b2)的信息。假定针对每个运转条件(例如是部分负载运转还是额定运转)设定有基准值a0、b0、死区a1、a2、b1、b2(a1<a0<a2、b1<b0<b2)的值。另外，将存储在存储器中的程序加载到CPU，在第一传感器7、8以及第二传感器9、10的检测值中的至少一方超出死区地相对于基准值发生了变动的情况下，执行控制抽气阀6使得变动了的检测值接近基准值的控制。此外，控制计算机11还兼有以下的普通功能，即根据燃气轮机100的启动调度、负载指令来控制燃料流量调整阀14。
抽气阀控制步骤
图2是表示本发明的第一实施方式的燃气轮机的抽气阀的控制步骤的流程图。图3是用于说明本发明的第一实施方式的燃气轮机的抽气阀控制的定时的燃料状态值和冷却空气状态值的时间变化的模型图。控制计算机11如果将程序加载到CPU，开始图2的控制，则从第一传感器7、8以及第二传感器9、10输入检测信号，首先判定燃料状态值a是否处于死区的范围内(步骤S11)。死区是指包含针对燃料状态值a设定的基准值a0的范围、并且为下限值a1以上且上限值a2以下的范围(a1<a0<a2)。燃料状态值a是第一传感器7、8的检测值。在本实施方式中，例如判定燃料温度Tf和燃料流量Ff的双方是否分别容纳在所设定的死区内，如果至少一方偏离死区，则判定为燃料状态值a从死区偏离。但是，也可以设为只在双方的值偏离死区的情况下，判定为燃料状态值a从死区偏离。
在燃料状态值a是死区的范围内的值的情况下，控制计算机11判定冷却空气状态值b是否处于死区的范围内(步骤S12)。与燃烧状态值a的情况同样地，死区是指包含针对冷却空气状态值b设定的基准值b0的范围、并且为下限值b1以上且上限值b2以下的范围(b1<b0<b2)。冷却空气状态值b是第二传感器9、10的检测值。在本实施方式中，例如判定冷却空气温度Ta和冷却空气流量Fa的双方是否分别容纳在所设定的死区内，如果至少一方偏离死区，则判定为冷却空气状态值b从死区偏离。但是，也可以设为只在双方的值偏离死区的情况下，判定为冷却空气状态值b从死区偏离。步骤S11、S12的顺序也可以相反。
在步骤S11、S12的判定的结果是无论燃料状态值a还是冷却空气状态值b都是各死区的范围内的值的情况下，控制计算机11将抽气阀6的开度维持为现状，使步骤返回到步骤S11。相反，在燃料状态值a和冷却空气状态值b中的至少一方超出对应的死区而相对于基准值发生变动的情况下，控制计算机11变更抽气阀6的开度，使步骤返回到步骤S11(步骤S13)。在步骤S13中，变更抽气阀6的开度，使得燃料状态值a和冷却空气状态值b中的超出死区而变动了的值接近对应的基准值。例如在燃料温度Tf超出死区地上升的情况下，减小抽气阀6的开度，减少冷却空气流量Fa，降低燃料温度Tf。例如在冷却空气温度Ta超出死区而降低了的情况下，增大抽气阀6的开度，增多冷却空气流量Fa，使冷却空气温度Ta上升。
在图3的例子的情况下，在时刻t1～t2的期间，燃料状态值a超出死区而发生变动。另外，在时刻t3～t4的期间，冷却空气状态值b超出死区而发生变动，在时刻t4～t5的期间，燃料状态值a和冷却空气状态值b的双方超出死区而发生变动。然后，在时刻t5，冷却空气状态值b返回到死区，在时刻t5～t6的期间，为只有燃料状态值a超出死区的状态。在时刻t1以前、时刻t2～t3、时刻t6以后，燃料状态值a和冷却空气状态值b的双方容纳在死区的范围内。在该情况下，在时刻t1以前、时刻t2～t3、时刻t6以后，维持抽气阀6的开度，在时刻t1～t2、时刻t3～t6，对抽气阀6的开度进行修正控制。
效果
根据本实施方式，通过与从压缩机1抽气并向涡轮3供给的冷却空气进行热交换而加热燃料，能够得到提高系统热效率的效果。另外通过与燃料的热交换，涡轮冷却用的冷却空气温度降低，因此还能够减少冷却空气流量，通过根据作为冷却对象的涡轮高温部的温度来控制抽气阀6的开度，能够恰当地提高燃气轮机性能。
特别在本实施方式的情况下，在以燃料状态值a、冷却空气状态值b为基础控制抽气阀6时，对燃料状态值a和冷却空气状态值b设置死区。由此，即使由于不稳定的燃料的性状而涡轮高温部的温度变化产生振荡，抽气阀6的开度也不过于敏感地变化。这样能够抑制抽气阀6的过于敏感的开度变化，因此能够抑制冷却空气流量的变动。
抽气流量调整方法
预先针对燃料状态值和冷却空气状态值分别确定基准值和含有该基准值的死区的信息，在燃料状态值和冷却空气状态值中的至少一方超出死区而相对于基准值发生了变动的情况下，操作抽气阀使得变动了的状态值接近基准值。通过采用该方法，能够如上述那样抑制调节加热燃料的冷却空气的流量的抽气阀的过于敏感的变化。在第一实施方式(后述的第二实施方式也同样)中，构成为通过控制计算机11来执行它，但如果甚至能够监视燃料状态值、冷却空气状态值，则通过在控制室内由操作者对抽气阀6进行手动操作，也能够得到同样的效果。在该情况下，并不一定必须具有图2所示的控制计算机11的抽气阀控制功能。
(第二实施方式)
图4是表示本反的第二实施方式的燃气轮机的抽气阀的控制步骤的流程图。图5是用于说明本发明的第二实施方式的燃气轮机的抽气阀控制的定时的燃料状态值和冷却空气状态值的时间变化的模型图。图4和图5对应于图2和图3。本实施方式与第一实施方式的不同点在于：只在燃料状态值a和冷却空气状态值b的双方从死区偏离的情况下，执行变更抽气阀6的开度的控制，硬件结构与第一实施方式相同。
控制计算机11如果将程序加载到CPU，开始图4的控制，则从第一传感器7、8以及第二传感器9、10输入检测信号，首先判定燃料状态值a是否处于死区的范围内(步骤S21)。在燃料状态值a是死区的范围内的值的情况下，控制计算机11判定冷却空气状态值b是否处于死区的范围内(步骤S22)。在步骤S21、S22的判定的结果是燃料状态值a和冷却空气状态值b中的至少一方是各死区的范围内的值的情况下，控制计算机11将抽气阀6的开度维持为现状，使步骤返回到步骤S21。相反，在燃料状态值a和冷却空气状态值b的双方超出对应的死区而相对于基准值发生变动的情况下，控制计算机11变更抽气阀6的开度，使步骤返回到步骤S21(步骤S23)。步骤S21、S22、S23的各个处理内容与图2的步骤S11、S12、S13的处理内容相同。
与图3的例子同样地，在图5的例子中，在时刻t1～t2的期间，燃料状态值a超出死区而发生变动。另外，在时刻t3～t4的期间，冷却空气状态值b超出死区而发生变动，在时刻t4～t5的期间，燃料状态值a和冷却空气状态值b的双方超出死区而发生变动。然后，在时刻t5，冷却空气状态值b返回到死区，在时刻t5～t6的期间，为只有燃料状态值a超出死区的状态。在时刻t1以前、时刻t2～t3、时刻t6以后，燃料状态值a和冷却空气状态值b的双方容纳在死区的范围内。在该情况下，在时刻t4以前、时刻t5以后，维持抽气阀6的开度，在时刻t4～t5，对抽气阀6的开度进行修正控制。
在本实施方式中，能够得到与第一实施方式相同的效果。另外，只在燃料状态值a还是冷却空气状态值b的双方超出死区的情况下，变更抽气阀6的开度，因此与第一实施方式相比，也能够抑制抽气阀的开度变化。可以适当选择地采用第一实施方式和第二实施方式。
(变形例)
在图1中，示例了单轴的燃气轮机作为本发明的应用对象，但在将本发明应用于其他类型的燃气轮机的情况下，也能够得到同样的效果。例如，也能够将本发明应用于具备与压缩机联结的高压涡轮、以及与高压涡轮分离地与负载设备联结的低压涡轮的二轴燃气轮机，能够得到同样的效果。另外，例如能够将第一实施方式的控制形式和第二实施方式的控制形式分别作为第一模式和第二模式，例如通过开关操作手动地切换抽气阀6的控制模式。

Claims (4)

1.一种燃气轮机，其特征在于，
上述燃气轮机具备：
压缩机，其对空气进行压缩；
燃烧器，其使燃料和由上述压缩机压缩后的空气燃烧；
涡轮，其被由上述燃烧器生成的燃烧气体驱动；
热交换器，其利用从上述压缩机抽气并向上述涡轮供给的冷却空气来加热向上述燃烧器供给的燃料；
抽气阀，其调整上述冷却空气的流量；
第一传感器，其测量与上述燃料有关的状态值；
第二传感器，其测量与上述冷却空气有关的状态值；以及
控制计算机，其控制上述抽气阀的开度，
上述控制计算机存储针对上述第一传感器和上述第二传感器的检测值分别设定的基准值和含有上述基准值的死区的信息，在上述第一传感器和上述第二传感器的检测值中的至少一方超出上述死区而相对于上述基准值发生了变动的情况下，控制上述抽气阀使上述变动了的检测值接近上述基准值。
2.根据权利要求1所述的燃气轮机，其特征在于，
上述与燃料有关的状态值是燃料流量、燃料温度、以及调整上述燃料流量的流量调整阀的开度中的至少一个。
3.根据权利要求1所述的燃气轮机，其特征在于，
上述与冷却空气有关的状态值是冷却空气流量、冷却空气温度、以及上述抽气阀的开度中的至少一个。
4.一种燃气轮机的抽气量调整方法，该燃气轮机具备：
压缩机，其对空气进行压缩；
燃烧器，其使燃料和由上述压缩机压缩后的空气燃烧；
涡轮，其被由上述燃烧器生成的燃烧气体驱动；
热交换器，其使向上述燃烧器供给的燃料与从上述压缩机抽气的冷却空气进行热交换，从而加热向上述燃烧器供给的燃料；以及
抽气阀，其调整上述冷却空气的流量，
其特征在于，
预先针对上述与燃料有关的状态值和上述与冷却空气有关的状态值分别确定基准值和含有上述基准值的死区的信息，在上述与燃料有关的状态值和上述与冷却空气有关的状态值中的至少一方超出死区而相对于基准值发生了变动的情况下，操作抽气阀使上述变动了的状态值接近上述基准值。
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