CN112513442A - 用于运行具有气态燃料的燃气轮机设施的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于运行具有气态燃料的燃气轮机设施的方法，所述气态燃料通过气体管路(6)被运输到所述燃气轮机设施、在燃烧室(4)中燃烧并且紧接着被输送给燃气轮机。在所述气体管路(6)中装入有至少一个阀门(12a，12b)，用于进行至燃烧室(4)的燃料的流量调节，其中对于所述阀门(12a，12b)定义临界打开位置(S_krit)。关于用于运行燃气轮机设施的改进方法，其中在气体管路(6)中的压力不足的情况下燃气轮机设施的功率(P)尽可能长时间地保持最高，提出：当所述阀门(12a，12b)在此要超过临界打开位置(S_krit)时，降低所述气体管路(6)中的燃料的温度(TB)。

Description

用于运行具有气态燃料的燃气轮机设施的方法

技术领域

本发明涉及一种用于运行具有气态燃料的燃气轮机设施的方法，所述气态燃料通过气体管路被运输至燃气轮机设施、在燃烧室中燃烧并且紧接着被输送给燃气轮机。本发明还涉及一种用于执行所述方法的控制设备以及一种具有这种控制设备的燃气轮机设施。

背景技术

通常经由气体管路将天然气作为燃料供给燃气轮机设施。在此，燃气轮机设施的最佳运行与燃料的质量、正确的压力和正确的温度相关。被规定为运行燃气轮机设施的前提条件并且必须保证的最小所需要的压力同样与不同的使用和环境条件相关，例如，涡轮机负载、环境温度、环境压力、气体成分、气体温度等。然而，由于不同的状况，气体管路中的压力可能不足，例如因如下原因引起：本地的气体网中的压力波动；通往燃气轮机设施和在燃气轮机设施中的管路中的故障；气体压缩机的故障，如果存在的话；气体质量的波动；沿着气体管路系统的压力损失；火力的提高等。在此，在燃气轮机燃烧与燃料的质量流量精确分配到两级或更多级(例如主燃烧器和引燃器)上相关的情况下，无法再保证在上述状况中的燃烧稳定性。

从EP 1 730 444 B1中已知，为了确保气体管路中的供给压力高于燃烧室中的压力，降低燃料温度。但是，这总是与用于抑制燃气轮机功率提高的其他措施组合地进行，所述措施与降低燃料温度相比具有更高的优先级。在此，动机是通过稳定燃料供给压力来避免回火，所述回火会危及整个燃料供给的运行安全性并且会使燃气轮机设施在相当长的时间段内发生故障。根据所规定的压力曲线或压力特征曲线启动用于降低输功率和必要时降低气体温度的措施。压力特征曲线必须依靠设计计算和/或其他机器的经验值。如果考虑与功率相关的燃烧室压力，那么气体压力是用于最大可设定的燃油量体积流量的大致量度。由于计算不精确性和由于机器之间的自然波动(例如因制造公差引起)以及在气体系统和燃烧器上的随时间变化的压力损失系数(磨损或污染)，最大可设定的燃料体积流量对于特定的气体压力在此受到一定的分散。

发明内容

因此，本发明基于如下目的，消除现有技术的缺点并且提出一种用于运行燃气轮机设施的改进的方法，其中在气体管路中压力不足的情况下，燃气轮机设施的功率尽可能长时间地保持最高。

根据本发明，所述目的通过一种具有气体燃料的燃气轮机设施的方法来实现，所述气体燃料通过气体管路被运输至燃气轮机设施、在燃烧室中燃烧并且紧接着被供给到燃气轮机，其中在气体管路中装入至少一个阀门，用于进行至燃烧室的燃料的流量调节，其中对于阀门定义临界打开位置，并且当阀门在此要超过临界打开位置时，降低气体管路中的燃料的温度。

此外，根据本发明，所述目的还通过一种控制设备来实现，所述控制设备包括用于执行这种方法的机构。

最后，根据本发明，所述目的通过一种具有这种控制设备的燃气轮机设施来实现。

下面关于方法所解释的优点和优选的设计方案可类似地转用于控制设备和燃气轮机设施。

阀门在这种情况下表示用于控制或调节气体管路中的质量流量的任何设备。阀门尤其能够在关闭状态中完全地截断气体管路，使得中断气流。阀门优选设计为控制或调节阀，但是其也能够以活门、滑动件或龙头的类型形成。

本发明基于如下知识：通过使用流量阀门的状态作为何时需要降低燃料温度的标准，实现燃气轮机的尤其可靠的可控制性。阀门的位置是用于燃烧室上游实际所需要的压力的直接量度，或者是用于作为对气体管路中的压力不足的响应还能够将燃料质量流量提高到何种程度的直接量度。在此，即当确实有必要时才进行干预，因此尽可能长时间地保持燃气轮机的所设定的期望功率不变。与现有技术相反，所述方法的特征尤其在于，所述方法与负载无关，也就是说，与临界打开位置相关联的阀门位置是固定标准并且与运行点无关。

阀门的当前位置始终是已知的，因为气体管路中的质量流量是已知的，其中阀门是所述气体管路的一部分。尤其，阀门的状态根据质量流量来设定。该质量流量被直接测量或者间接地根据不同的参数来确定。如果阀门处于临界打开位置中，但是气体管路中的压力不足，尤其是因为对压力的要求提高或管路中的压力下降，那么首先要采取的措施是降低气体温度，以便保持期望功率。燃料的温度对气体管路中的压力有实质上的影响。通过降低气体温度，提高气体的密度，这引起燃料系统中的更小的压力损失。

优选地，阀门的临界打开位置在最大打开位置的70％以上的范围中。最大打开位置是如下状态，在所述状态中在气体管路中的质量流量最大。因此，阀门的决定性的、临界打开位置不一定是阀门的最大打开位置(但是，临界打开位置也能够由最大打开位置限定)，而是流量略微最小化的状态。在这种情况下优点是，能够通过进一步打开阀门对运行参数的快速的、短期的改变做出反应，所述运行参数例如是燃料的质量波动。此外，通过在运行时改变临界打开位置，能够后续地使其适配于运行条件。

能够经由主动的冷却措施降低燃料的温度。然而，燃气轮机设施优选具有用于燃料的预热系统，并且通过减少在预热系统中输送给燃料的热量来降低气体管路中的燃料的温度。这是用于降低温度的特别简单且有效的方法途径，所述方法途径不需要任何附加的硬件并且不伴随有能量耗费。

根据一个优选的实施方式，在考虑燃气轮机设施的运行参数的情况下确定用于燃料的最低温度的阈值，并且当达到阈值时，停止降低气体管路中的燃料的温度。在燃气轮机设施中可能存在潜在的限制，使得遵循最低气体温度能够是需要的。在低的气体温度下例如会出现关于燃烧稳定性和/或排放的问题。这样的运行参数例如是排气中的NOx值，其是附加的标准，基于所述附加标准来决定是否开始或继续运用根据本发明的方法。在气体具有份额提高的较高碳氢化合物的情况下，能够监控燃料的温度的固定的最小值，因为在气体温度低时发生形成冷凝物的危险。此外，在非常冷的地点，在气体温度低时产生结冰的危险，5℃的固定的最小值在这种情况下被证明是有利的。在这种情况下，用停止降低燃料温度来标准地表示如果过程已经启动那么中断该过程。替选地，如果当已经达到用于排放的阈值时，燃料的冷却还未起作用，那么只要排放值对应于阈值就弃用气体冷却。

符合目的地，在气体管路中装入多个阀门，并且考虑所述阀门中每一个阀门的位置。在多级燃烧器中，在至各个级，例如至主燃烧器和引燃器的管路中，通常各设有一个用于调节流量的阀门。如已经阐述的那样，如果所述阀门中的至少一个处于临界打开位置中并且不再能够对进一步增加的质量流量需求做出反应，那么降低气体管路中的燃料的温度。

在气体质量波动是导致气体管路中压力不足的原因的情况下，降低燃料温度通常就足够了。然而，如果降低燃料温度不能满足压力要求，那么优选补充于此降低涡轮机功率。仅当在达到阀门的临界打开位置的情况下尽管降低温度仍不能满足压力要求时，才以调节的方式降低涡轮机功率，尤其通过预设降低的功率期望值。在紧急情况下，甚至可能进行燃气轮机停机。在此，应将降低气体温度以及降低功率这两种措施彼此组合，使得功率尽可能长时间地保持不变或保持得尽可能高，其中始终需注意的是，阀门不超过临界打开位置。在此，重要的是这两种措施的优先级，即它们在必要时同时启动，然而尽快再次提高涡轮机功率。如果仅降低燃料温度不足以抵消压力梯度，那么启动涡轮机功率的降低尤其作为对特别大的压力梯度的快速反应。

附图说明

根据附图更详细阐述本发明的一个实施例。其中示出：

图1示意性地并且极其简化地示出燃气轮机设施的燃料系统，并且

图2在示意性图表中示出燃气轮机设施的不同参数的时间变化曲线。

在附图中相同的附图标记具有相同的含义。

具体实施方式

在图1中，示意性地示出燃料系统2的构造，所述燃料系统是未详细示出的燃气轮机设施的一部分，其中使用天然气作为燃料。燃气轮机设施通常包括压缩机、燃烧室4以及燃气轮机，在所述燃气轮机上例如耦联有用于产生电流的发电机。

燃料系统2包括气体管路6，经由所述气体管路将气态燃料输送给燃烧室4。在燃烧室4中尤其设置有多个燃烧器，所述燃烧器在所示出的实施例中多级地构成，并且所述燃烧器在附图中通过主燃烧器8以及引燃器10象征性地示出。子管路6a，6b分支到所述燃烧器级8、10中的每一个，在所述子管路中安装有调节阀12a，12b。气体管路6还包含紧急阀14。在紧急阀14的上游，热交换器16也设置在气体管路6上，所述热交换器是用于预热气体管路6中的燃料的预热系统的一部分。

燃气轮机设施还包括控制或调节设备18，所述控制或调节设备尤其对调节阀12a，12b的位置进行调节。在此，在调节设备18中保存有用于调节阀12a，12b的临界打开位置，所述临界打开位置例如为调节阀12a，12b的最大打开位置的80％。临界打开位置在此例如也能够是调节阀12a，12b的最大打开位置的70％，75％，85％，90％，95％或者对应于最大打开位置。

从图2中可看到根据本发明的方法的进程。通常适用的是，经由控制或调节设备18中的调节回路总是将相应的调节阀12a，12b的位置设定为，使得燃气轮机根据预设的功率或燃烧温度运行。因此，所述燃气轮机间接地自动对以下变量中的波动做出反应：天然气供给压力、天然气温度、天然气质量、环境条件、经由天然气供给系统和燃烧器的压力损失(污染/磨损)和/或燃气轮机的效率(磨损)。所有这些参数都是可能的干扰因素，基于所述干扰因素对调节阀12a，12b的位置进行调节，以便由此尤其设定涡轮机功率P。

在图2中考虑下降的燃料供给压力BD，在此即天然气供给压力，作为干扰变量。代替下降的天然气压力，替选地能够使用变差的气体质量、下降的环境温度、提高的环境空气湿度、提高的环境压力、燃烧器或天然气系统部件的污染、降低的燃气轮机效率等。

根据图2，燃料供给压力BD从时间点t₀至时间点t₁是恒定的，调节阀状态RV在临界打开位置S_krit以下。燃料温度T_B和涡轮机功率P在其期望值(涡轮机功率Ps)上保持稳定。

从t₁到t₂，气体管路6中的燃料供给压力BD下降。为了保持涡轮机功率P(或燃料质量流量)恒定，相应的调节阀或两个调节阀12a，12b进一步打开，直到达到临界打开位置S_krit。

在从t₂到t₃的时间段中，燃料供给压力BD进一步下降。调节阀12a，12b到达其预定的临界打开位置S_krit，因此所述调节阀自t₃起不再进一步打开而是保持在S_krit中。为了保持功率P(或燃料质量流量)恒定，降低气体温度T_B。

自t₃起，燃料供给压力BD以更陡的梯度继续下降。梯度过大，以至于不能通过燃料温度T_B的迟缓的变化来进行补偿。燃料温度T_B继续以其最大梯度下降，附加地，燃气轮机功率P也略微降低，以便使调节阀12a，12b继续保持在临界打开位置S_krit中。

在t₄和t₅之间，燃料供给压力BD稳定在比初始更低的水平上。调节阀12a，12b继续处于临界打开位置S_krit中。从t₃起，涡轮机功率P一直低于功率期望值Ps，然而，与燃料温度T_B的逐步降低并行地，燃气轮机功率P再次缓慢升至期望值Ps。在此需注意的是，燃料温度T_B保持在最小阈值T_min以上，其中阈值T_min例如与燃气轮机设施的NOx排放或其他运行参数相关联。

自t₅起，重新达到稳定的运行。燃气轮机功率P再次达到其期望值Ps，并且燃气轮机以下降的燃料温度T_B继续运行。仅当调节阀12a，12b占据位于临界打开位置S_krit以下的状态RV时，才再次升高燃料温度T_B(这种情况未绘出)。

Claims (8)

1.一种用于运行具有气态燃料的燃气轮机设施的方法，所述气态燃料通过气体管路(6)被运输到所述燃气轮机设施、在燃烧室(4)中燃烧并且紧接着被输送给燃气轮机，

其特征在于，在所述气体管路(6)中装入有至少一个阀门(12a，12b)，用于进行至所述燃烧室(4)的燃料的流量调节，其中对于所述阀门(12a，12b)定义临界打开位置(S_krit)，并且在此当所述阀门(12a，12b)要超过所述临界打开位置(S_krit)时，降低所述气体管路(6)中的燃料的温度(T_B)。

2.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于，所述阀门(12a，12b)的临界打开位置(S_krit)大于最大打开位置的70％。

3.根据上述权利要求中任一项所述的方法，

其特征在于，所述燃气轮机设施具有用于所述燃料的预热系统，并且通过减少在所述预热系统中输送给所述燃料的热量来降低所述气体管路(6)中的燃料的温度(T_B)。

4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，

其特征在于，在考虑用于所述燃气轮机设施的运行参数的当前值的条件下确定所述燃料的最低的温度(T_B)的阈值(T_min)，并且当达到所述阈值时，停止所述气体管路(6)中的燃料的温度(T_B)的降低。

5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，

其特征在于，在所述气体管路(6)中装入有多个阀门(12a，12b)，并且考虑所述阀门(12a，12b)中每个阀门的位置。

6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，

其特征在于，补充地降低涡轮机功率(P)。

7.一种控制设备(18)，所述控制设备包括用于执行根据上述权利要求中任一项所述的方法的机构。

8.一种燃气轮机设施，所述燃气轮机设施具有根据权利要求7所述的控制设备(18)。

Images