CN111712618B

CN111712618B - 用于起动联合循环动力装置的燃气涡轮发动机的方法

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Publication number: CN111712618B
Application number: CN201880089913.1A
Authority: CN
Inventors: 谭国汶; C·科伊内; N·B·瓦普勒
Original assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2018-02-20
Filing date: 2018-02-20
Publication date: 2022-07-05
Anticipated expiration: 2038-02-20
Also published as: EP3735520A1; JP7012863B2; US20210062677A1; JP2021514038A; US11255218B2; EP3735520B1; CN111712618A; WO2019164475A1; ES2910837T3

Abstract

一种用于起动联合循环动力装置的燃气涡轮发动机的方法。本发明涉及一种用于起动联合循环动力装置（2）的燃气涡轮发动机（4）的方法。为了能够起动联合循环装置（2）的燃气涡轮发动机，其中在热回收蒸汽发生器[20]部件上的应力受到限制，同时保持符合当地环境法规，所述方法包括以下步骤：步骤1（S₁）：向所述燃气涡轮发动机（4）施加负载并增加所述负载直到达到预定燃烧器燃烧温度（T_F），同时将可调节的入口导向叶片保持在适于减少进入所述压缩机（10）的空气（8）的质量流量的初始位置，其中将预定燃烧器燃烧温度（T_F）选择为符合排放的温度，‑步骤2（S₂）：进一步增加燃气涡轮发动机（4）的负载，同时打开可调节的入口导向叶片并保持预定的燃烧器燃烧温度（T_F）恒定，直到入口导向叶片到达适于增加进入压缩机（10）的空气（8）的质量流量的端部位置，步骤3（S₃）：进一步增加燃气涡轮发动机（4）的负载，同时将可调节的入口导向叶片保持在端部位置中，直到达到燃气涡轮发动机（4）的预定负载。

Description

用于起动联合循环动力装置的燃气涡轮发动机的方法

技术领域

本发明涉及一种用于起动联合循环动力装置的燃气涡轮发动机的方法，所述燃气涡轮发动机包括压缩机、燃烧器和涡轮机，所述压缩机向所述燃烧器提供压缩空气以用于与燃料燃烧以产生工作流体，并且所述涡轮机接收所述工作流体以产生功率；该压缩机包括可调节的入口导向叶片，该可调节的入口导向叶片可在用于使进入压缩机的空气质量流量最小化的完全闭合位置与用于提供进入压缩机的空气的最大质量流量的完全打开位置之间调节。

此外，本发明涉及燃气涡轮发动机和具有这种燃气涡轮发动机的联合循环动力装置。

背景技术

在联合循环动力装置的起动期间，所述装置的燃气涡轮机部分在蒸汽涡轮机部分之前起动。在起动期间，当来自燃气涡轮机的排气加速到操作速度时，存在所述排气的流率的相对快速的增加。此后，除了调节压缩机的可调节入口导向叶片的影响之外，排气流率保持相对恒定。在燃气涡轮机达到操作速度之后，随着燃气涡轮机的燃烧温度升高直到产生期望的功率输出所需的水平，排气的温度逐渐升高。然而，燃气涡轮机排气的负载和温度的增加速率受到蒸汽涡轮机的部件中的热瞬态应力限制和装置（包括暴露于热排气流的热回收蒸汽发生器（HRSG））的平衡的约束。

US 2004/045300A1教导了一种起动联合循环动力装置的方法，该联合循环动力装置具有燃气涡轮机部分、热回收蒸汽发生器和蒸汽涡轮机，燃气涡轮机部分包括用于产生压缩空气的压缩机和用于产生排气的涡轮机，热回收蒸汽发生器用于通过将热量从排气传递到供给水流来产生蒸汽，蒸汽涡轮机用于使蒸汽膨胀。燃气涡轮机部分起动以产生排气流，喷射空气流被产生，并且喷射空气流与排气流结合以产生被引导通过热回收蒸汽发生器的增强的排气流，以产生用于起动蒸汽涡轮机的蒸汽流。在所述装置的起动期间利用空气喷射装置以允许燃气涡轮机部分在足够高的功率水平下操作，以确保符合排放法规，同时不超过用于加热蒸汽发生器的排气温度上限。增加的排气流允许蒸汽发生器更快地产生足够的蒸汽以使蒸汽涡轮机滚动，从而缩短了总体起动序列。

US 2018/010526 A1教导了一种用于起动联合循环动力装置的燃气涡轮发动机的方法。该燃气涡轮发动机包括压缩机、燃烧器和涡轮机。压缩机向燃烧器提供压缩空气，用于与燃料燃烧以产生工作流体。涡轮机接收工作流体以产生功率。压缩机包括可调节的入口导向叶片，其可在用于使进入压缩机的空气质量流量最小化的完全闭合位置和用于提供进入压缩机的空气的最大质量流量的完全打开位置之间调节。

从联合循环的角度来看，与在较高的温度下具有低排气流率相比，期望在较低的排气温度下具有较高的燃气涡轮机排气质量流率。不太严格的排气温度曲线可以有助于减小HRSG中的应力。

关于环境合规性，联合循环动力装置的排气排放必须遵守政府当局对所述装置操作的地理位置所特有的法律要求。通常，这需要在燃气涡轮机操作期间维持最小火焰温度。

联合循环动力装置的主要挑战之一是平衡一方面最小起动排放的需要和另一方面HRSG的长寿命的需要。较低的排气温度意味着打开可调节的燃气涡轮机入口导向叶片以增加压缩机入口流，从而降低燃烧温度。这具有增加一氧化碳（CO）排放的效果。否则，入口导向叶片在温度斜升（ramp up）期间尽可能长地保持在闭合位置中，直到达到排气温度极限。这使CO排放最小化，但显著地降低关键HRSG部件的寿命。

发明内容

本发明的目的是使得能够起动联合循环装置的燃气涡轮发动机，在所述联合循环装置中，在热回收蒸汽发生器部件上的应力受到限制，同时保持符合当地环境法规。

本发明的目的通过基本方案来实现。优选方案描述了本发明的有利发展和修改。

根据本发明，提供了一种用于起动联合循环动力装置的燃气涡轮发动机的方法，

所述燃气涡轮发动机包括压缩机、燃烧器和涡轮机，所述压缩机向所述燃烧器提供压缩空气以用于与燃料燃烧以产生工作流体，并且所述涡轮机接收所述工作流体以产生功率；

所述压缩机包括可调节的入口导向叶片，所述可调节的入口导向叶片可在用于使进入所述压缩机的空气的质量流量最小化的完全闭合位置与用于提供进入所述压缩机的空气的最大质量流量的完全打开位置之间调节；

其中所述方法包括以下步骤：

-步骤1：向燃气涡轮发动机施加负载并增加燃气涡轮发动机负载直到达到预定的燃烧器燃烧温度，同时将可调节的入口导向叶片保持在适于减少进入压缩机的空气的质量流量的初始位置中，由此将预定的燃烧器燃烧温度选择为符合排放（emission-compliant）的温度，

-步骤2：在打开所述可调节的入口导向叶片并保持所述预定的燃烧器燃烧温度恒定的同时进一步增加所述燃气涡轮发动机的负载，直到所述入口导向叶片到达适于增加进入所述压缩机的空气的质量流量的端部位置，

-步骤3：进一步增加所述燃气涡轮发动机的负载和预定的燃烧器燃烧温度，同时将所述可调节的入口导向叶片保持在所述端部位置，直到达到所述燃气涡轮发动机的预定负载。

本发明的目的还通过一种联合循环动力装置的燃气涡轮发动机来实现，其包括：

压缩机、燃烧器和涡轮机，所述压缩机向所述燃烧器提供压缩空气以用于与燃料燃烧来产生工作流体，并且所述涡轮机接收所述工作流体来产生功率；

控制单元，所述控制单元被构造成在用于使进入所述压缩机的空气的质量流量最小化的完全闭合位置与用于提供进入所述压缩机的空气的最大质量流量的完全打开位置之间调节所述可调节的入口导向叶片，所述可调节的入口导向叶片的调节取决于燃烧器燃烧温度，其中预定的燃烧器燃烧温度是符合排放的温度。

本发明的目的最终通过一种联合循环动力装置来实现，该联合循环动力装置包括：

如上所述的燃气涡轮发动机，该燃气涡轮发动机产生排出流体；

热回收蒸汽发生器，其接收所述排出流体并产生蒸汽；

蒸汽涡轮发动机，其接收所述热回收蒸汽发生器的蒸汽。

与所述方法相关的优点也可以与燃气涡轮发动机和/或联合循环动力装置相关，反之亦然。

当阅读本发明的实施例的以下描述时，应当理解的是，“符合排放”的联合循环系统的概念是指在燃气涡轮机的排气中提供至少CO （一氧化碳）的水平，如果适用的话还提供NOx （一氧化二氮）的水平，所述水平在可以基于地理区域而变化的规章限制内。燃气涡轮发动机排气中产生的污染物的水平可以取决于许多参数，诸如温度、压力比和燃烧时间。CO的浓度在低功率条件下较高，并且随着功率增加而降低。一氧化二氮在低功率下是不显著的，并且在最高温度和压力下获得最大值。

本发明的基本构思是通过在起动燃气涡轮发动机时引入新的加载曲线来同时管理CO排放和HRSG寿命，以便实现这两个联合循环动力装置特性的良好的实际平衡。

在第一步骤中，在向燃气涡轮发动机施加负载并增加燃气涡轮发动机负载的同时，可调节的入口导向叶片保持在适于减少进入压缩机的空气的质量流量并因此减少排气流量的初始位置中。初始位置可以是可调节的入口导向叶片的完全闭合位置或接近完全闭合位置的任何位置，在该位置中，到燃烧器的空气的质量流量减少。在低负载下，CO排放通常非常高。因此，目标是保持高的燃烧温度并使排气流量最小化，使得CO产生较低。

在可调节的入口导向叶片的闭合位置中，加载继续，直到达到预定的燃烧器燃烧温度。因此，选择预定的燃烧器燃烧温度，使得其符合当地的CO排放要求。

当达到预定的燃烧器燃烧温度时，在第二步骤中，燃气涡轮发动机的负载进一步增加，同时可调节的入口导向叶片打开，并且燃烧器燃烧温度保持恒定，直到达到可调节的入口导向叶片的预定的端部位置。端部位置可以是完全打开位置或入口导向叶片的接近完全打开位置的任何位置，使得到燃烧器的空气的质量流量增加。打开可调节的入口导向叶片导致降低排气温度。然而，在该时间段内，对于CO排放而言重要的燃烧器燃烧温度保持恒定。这减轻了HRSG部件，同时燃气涡轮发动机的操作保持符合排放。

在第三步骤中，例如通过增加燃料流量来增加燃气涡轮发动机的负载，同时入口导向叶片保持在端部位置。在该操作区域中，即使在完全打开的可调节入口导向叶片的情况下，也获得CO合规（CO-compliant）温度，因此该操作不会恶化CO排放。

总之，该方法包括在起动时热运行有限的时间段以使CO产生最小化，然后操作燃气涡轮发动机，使其刚好足够热以达到并停留在CO合规区内，直到达到预定负载。

在一个实施例中，预定的燃烧器燃烧温度在1000℃和1850℃之间。该范围对于满足大多数地理场所中的排放要求是最佳的。

在一个进一步的实施例中，在步骤3中，预定负载是燃气涡轮发动机的基本负载，其中基本负载是燃气涡轮机在预定设计排气温度下结合入口导向叶片的设计位置的状况。在这种情况下，燃气涡轮发动机的符合排放的斜坡被提供直至基本负载，在该条件下，在大部分时间操作涡轮机。

在一个实施例中，在步骤1中，可调节的入口导向叶片的初始位置是完全闭合位置。在另一实施例中，在步骤3中，可调节的入口导向叶片的端部位置是完全打开位置。在这些情况下，基于步骤1和步骤3的组合在最佳条件下执行用于起动燃气涡轮发动机的方法。

附图说明

本发明的这些和其它优点将从以下结合附图的描述中变得更加明显，附图示出了：

图1是联合循环动力装置的示意图；

图2是根据本发明的燃气涡轮发动机的新的起动曲线，其在示出了燃气涡轮发动机的功率与排气温度的关系的图表中；

图3在图表中示出了根据本发明的两个新的起动曲线，其在示出了排气温度与燃气涡轮发动机的燃气涡轮机功率的关系的图表中；以及

图4在图表中示出了针对根据本发明的两个新的起动曲线的燃烧器燃烧温度与燃气涡轮发动机的功率的关系的发展。

具体实施方式

参考图1，示出了联合循环动力装置2的抽象示意图。在图中，示出了燃气涡轮发动机4和蒸汽涡轮发动机6。

燃气涡轮发动机1包括入口8、压缩机10、燃烧器12和涡轮机14。燃料16如箭头所示地供应到燃烧器12。由涡轮机14排出的流体被标识为排出流体18。

将排出流体18提供给热交换器20，特别是热回收蒸汽发生器（HRSG）。在HRSG 20中，从排出流体18回收的所有热量被转换成高压蒸汽22，该蒸汽22用于驱动蒸汽涡轮发动机6，该蒸汽涡轮发动机将蒸汽的能量转换成机械能，机械能又被转换成电力。

燃气涡轮发动机4驱动第一发电机24，使得燃气涡轮发动机4上的机械负载在第一发电机24中转换为电力。蒸汽涡轮发动机6驱动第二发电机26。替代地，可以驱动机械部件。

作为图1中所示的动力装置设计的替代方案，联合循环动力装置2可以设计为单轴联合循环，其在一个轴线上具有燃气涡轮发动机4和蒸汽涡轮发动机6，两者都驱动公共发电机。

蒸汽排气28穿过冷凝器30，并且来自冷凝器28的水32被供给到HRSG 20中。

蒸汽涡轮发动机6包括例如图1中未示出的低、中和高蒸汽涡轮机部分。

控制单元34简单地由矩形表示。可以存在单个或几个控制单元。控制单元34可以控制所有示出的部件或仅控制子集。

在图2中，用于起动联合循环动力装置2的燃气涡轮发动机4的方法借助于以下图表来可视化，所述图表示出了作为由燃气涡轮发动机4产生的基本负载的百分比的负载P[%]与涡轮机14的排气温度T_EXH [℃]的关系。

在第一步骤S₁中以最小负载开始，曲线遵循传统路径，其中位于压缩机10中的可调节入口导向叶片保持在完全闭合位置中。在低负载下，CO排放非常高，这就是为什么优选的是保持燃烧温度高并且通过保持可调节的入口导向叶片闭合来使排气流18最小化。在这种情况下，可调节的入口导向叶片的初始位置对应于完全闭合的位置，在该位置中，到压缩机10的空气8的质量流量被最小化。

当在基本负载的10%至20%之间的涡轮机负载下达到大约1200℃的燃烧温度T_F时，在第二步骤S₂中，燃烧温度T_F保持恒定，并且燃气涡轮发动机4上的负载增加到基本负载的大约40%，同时可调节的入口导向叶片打开。这导致排气温度T_EXH从大约500℃降低到大约375℃。因此，HRSG 20部件上的热应力减轻，并且同时，燃烧温度T_F在大约1200℃的水平下保持是CO合规的。

一旦在燃烧温度=1200℃时达到可调节的入口导向叶片的端部位置，其中在图2中所示的示例中，端部位置对应于用于提供进入压缩机10的空气8的最大质量流量的完全打开位置，在第三步骤S₃中，燃气涡轮发动机4的负载增加。在第三步骤S₃中，燃气涡轮发动机4达到其基本负载。燃气涡轮发动机4的功率增加到100%负载，燃烧温度T_F达到大约1850℃并且排气温度T_EXH为大约680℃。

如图2中所示的方法的温度发展曲线的特征在于，在基本负载的约15%和40%之间的范围内沿着恒定的燃烧温度T_F“向后滑动”，这导致排气温度T_EXH随着功率的增加而降低，同时燃烧温度T_F保持是CO合规的。

图3中示出了根据本发明的方法的温度发展的曲线，其中x轴表示作为燃气涡轮发动机4的基本负载的百分比的发动机负载P [%]，并且y轴表示排气温度T_EXH [℃]。新的加载策略的灵活性通过步骤S₂中的两个不同的燃烧温度T_F（1200℃和1400℃）来示出。根据CO排放法规，可以应用这些燃烧温度T_F中的一个（或不同的CO合规燃烧温度T_F），从而导致在起动时排气温度曲线的偏移。

燃烧温度T_F [℃]和作为基本负载的百分比的燃气涡轮机负载P [%]的对应关系在图4中示出，其中水平线示出了加载策略的步骤S₂-维持恒定的燃烧温度T_F。

Claims

1.一种用于起动联合循环动力装置（2）的燃气涡轮发动机（4）的方法，其特征在于，

所述燃气涡轮发动机（4）包括压缩机（10）、燃烧器（12）和涡轮机（14），所述压缩机（10）向所述燃烧器（12）提供压缩空气（8）以用于与燃料（16）燃烧以产生工作流体，并且所述涡轮机（14）接收所述工作流体以产生功率；

所述压缩机（10）包括可调节的入口导向叶片，所述可调节的入口导向叶片能够在用于使进入所述压缩机（10）中的空气（8）的质量流量最小化的完全闭合位置与用于提供进入所述压缩机（10）的空气（8）的最大质量流量的完全打开位置之间调节；

其中所述方法包括以下步骤：

步骤1（S₁）：向所述燃气涡轮发动机（4）施加负载并增加所述负载直到燃烧器燃烧温度（T_F）达到预定燃烧器燃烧温度，同时将所述可调节的入口导向叶片保持在适于减少进入所述压缩机（10）的空气（8）的质量流量的初始位置，其中将所述预定燃烧器燃烧温度选择为符合排放的温度，

步骤2（S₂）：进一步增加所述燃气涡轮发动机（4）的负载，同时打开所述可调节的入口导向叶片并保持所述燃烧器燃烧温度（T_F）恒定，直到所述入口导向叶片到达适于增加进入所述压缩机（10）的空气（8）的质量流量的端部位置，

步骤3（S₃）：进一步增加所述燃气涡轮发动机（4）的负载以及所述燃烧器燃烧温度（T_F），同时将所述可调节的入口导向叶片保持在所述端部位置中，直到达到所述燃气涡轮发动机（4）的预定负载。

2.根据权利要求1所述的方法，

其中，所述预定燃烧器燃烧温度在1000℃和1850℃之间。

3.根据权利要求1或2所述的方法，

其中，在步骤3（S₃）中，所述预定负载是所述燃气涡轮发动机（4）的基本负载。

4.根据权利要求1或2所述的方法，

其中在步骤1（S₁）中，所述可调节的入口导向叶片的初始位置是完全闭合位置。

5.根据权利要求1或2所述的方法，

其中在步骤3（S₃）中，所述可调节的入口导向叶片的所述端部位置是所述完全打开位置。

6.一种联合循环动力装置的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述燃气涡轮发动机包括：

压缩机（10）、燃烧器（12）和涡轮机（14），所述压缩机（10）向所述燃烧器（12）提供压缩空气（8）以用于与燃料（16）燃烧以产生工作流体，并且所述涡轮机（14）接收所述工作流体以产生功率；

控制单元（34），其被构造成根据权利要求1中所述的方法在用于使进入所述压缩机（10）中的空气（8）的质量流量最小化的完全闭合位置与用于提供进入所述压缩机（10）的空气（8）的最大质量流量的完全打开位置之间调节所述可调节的入口导向叶片，所述可调节的入口导向叶片的调节取决于燃烧器燃烧温度（T_F），其中预定燃烧器燃烧温度为符合排放的温度。

7.一种联合循环动力装置（2），其特征在于，包括：

根据权利要求6所述的燃气涡轮发动机（4），其产生排出流体（18）；

热回收蒸汽发生器（20），其接收所述排出流体（18）并产生蒸汽（22）；

蒸汽涡轮发动机（6），其接收所述热回收蒸汽发生器（20）的蒸汽（22）。