CN112901352A - 由至少两种不同燃料供给的燃气涡轮组件及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及由至少两种不同燃料供给的燃气涡轮组件及其操作方法。燃气涡轮包括：压缩机；双燃料源，其构造成取决于不同的操作条件选择性地输送气体燃料或油燃料；燃烧器组件，其包括构造成将燃料气体和燃料油供给到主流中的燃料气体喷嘴和燃料油喷嘴；燃料分配系统，其包括用于将燃料油供给到燃料油喷嘴的燃料油管线，以及用于将燃料气体供给到燃料气体喷嘴的燃料气体管线；至少燃料气体管线设有构造成在仅油燃料操作期间关闭的至少一个阀，以及在最后下游阀和燃料气体喷嘴之间的第一管道；涡轮；其中燃气涡轮还包括第二管道，其构造成在燃料油操作期间将冷却的空气供给到第一管道，其中冷却的空气具有的温度低于燃料气体的自燃温度。

Description

由至少两种不同燃料供给的燃气涡轮组件及其操作方法

相关申请的交叉引用

本专利申请请求享有2019年12月4日提交的欧洲专利申请第19213685.1号的优先权，其全部公开通过引用并入本文中。

技术领域

本发明涉及用于工业应用的燃气涡轮组件的技术领域（以下仅GT）。众所周知，GT压缩空气，将压缩空气与燃料混合，并然后在燃烧器中点燃混合物，并然后使涡轮中的热气膨胀，以用于在GT的轴上产生机械功。更准确地说，本发明的技术领域涉及适合于以气体和油两者作为燃料源来操作的特定类型的GT。两种燃料均经由两个分开的燃料分配系统提供至燃气涡轮的烧嘴。取决于操作中的燃料源，该类型的GT可在“燃料-气体模式”或“燃料-油模式”中操作。考虑到上述情况，本发明解决了在切换燃料时以及在燃料-油（FO）模式中操作时如何安全地操作GT的问题。

背景技术

总体上，GT组件包括以下组件：压缩机、燃烧器和涡轮。轴向压缩机对从发动机环境吸入压缩机中的空气进行加压。压缩空气在其出口处离开压缩机而进入固定容积（称为“仓室”），压缩空气从固定容积分配到燃烧器组件。通常，燃烧器组件由多个燃烧器筒和烧嘴组成，以将压缩空气与燃料（气体或油）混合并点燃混合物。然后，产生的热气通过涡轮膨胀。由涡轮叶片上的热气流执行的机械功由于周向组装到GT转子的叶片而转化为旋转能。

为了同时满足效率和排放目标，在满负载期间以及部分和低负载操作时，可采取多种措施。这些措施之一（但不限于此）是申请人在其GT中采用的顺序燃烧技术。该技术遵循GT热力学循环中的再次加热步骤的原理。虽然必须点燃第一级中的燃料空气混合物，但在顺序/第二级中它会自燃。现今，已知利用该技术的至少两种类型的GT。在市场上可买到的申请人的“GT26”具有两个燃烧器，其具有环形布置的烧嘴，在物理上由一个涡轮级（称为高压涡轮）分开。在申请人的“GT36”中体现了第二种类型的顺序燃烧技术。该发动机配备有环形布置的燃烧器筒，每个筒都具有第一级烧嘴和第二级烧嘴。GT组件的那两个示例（GT26和GT36）仅作为非限制性示例引用，其中可应用本发明。实际上，本发明也可应用于具有单个燃烧级的GT中。

众所周知，现今的GT（单燃烧或顺序燃烧类型）可构造为至少与燃料-气体（以下仅FG）和/或燃料-油（仅以下FO）两者一起操作。这些构造允许GT操作者在所谓的“FG模式”或“FO模式”操作中操作发动机。因此，这些GT配备有两个不同的燃料分配系统（以下仅FDS）。一个FG FDS用于对气体喷嘴供给，且一个FO FDS用于对燃烧器的烧嘴的油喷嘴供给。当将燃料从气体切换为油时，以及当GT在FO模式中操作时，燃料气体系统及其对应的FDS被关闭。然而，燃料气体FDS中的残留燃料气体会在其暴露于热表面时存在安全风险，并且有热燃烧气体进入关闭的FDS的机会。此外，由于环形布置的燃烧器之间的小压力差，所以当在FO模式中操作时，可能会发生热的燃烧气体和/或油雾倒流到FG喷嘴中，导致FG FDS损坏。为避免上述问题，FG系统用不可燃气体（例如氮气）吹扫，并然后用来自压缩机出口的空气连续地吹扫。

发明内容

因此，本发明的主要目的在于提供一种新颖的和有创造性的解决方案，以克服在FO操作期间或从FG切换到FO期间发生的上述问题，即如何避免用氮气对FG系统进行必要吹扫，以及如何避免以后用来自压缩机出口的热空气连续地吹扫其。因此，本发明的主要目的在于提供一种如何以更安全的方式在燃料切换期间或在FO操作期间防止在FDS和/或FDS中的热气再循环中的残留燃料点燃的上述问题的新颖的且有创造性的解决方案。因此，具体而言，本发明的主要目的在于提供一种由双燃料源（FG和FO）供给的用于发电设备应用的GT组件以及用于操作该GT组件的方法。

作为前序部分，可通过本发明改进的GT组件是用于发电设备的GT组件，其包括：

-压缩机，其构造成压缩空气；

-双燃料源，其构造成选择性地输送FG或FO；

-燃烧器组件，其包括FG喷嘴和FO喷嘴，构造成分别将FG和FO供给到主流中并产生热气流；燃烧器组件可包括单个燃烧级或串联的第一燃烧级和第二燃烧级；

-涡轮，其构造成由热气驱动以在转子上执行机械功；

-将燃料供给到烧嘴的喷嘴的燃料系统，其包括用于FG区段和FO区段两者的FDS。

参考燃烧器组件，该燃烧器组件可为包括多个筒形燃烧器的顺序燃烧器，其中每个筒形燃烧器包括串联的第一燃烧级和第二燃烧级。备选地，燃烧器组件可为顺序燃烧器，其包括由高压涡轮分开的第一燃烧级和第二燃烧级。

如前所述，在FO模式中操作时，GT的FG系统关闭。然而，仍然留下热气和/或油雾进入FG FDS（请求保护的第一管道）并在其中再循环的风险。此外，当将燃料从FG切换为FO时，必须吹扫出关闭的FG控制阀（请求保护的第一管道）下游的FG管路中的残留FG，以避免管路和/或FDS中残留气体点燃的风险。

根据本发明，GT还包括管道（请求保护的第二管道），该管道构造成将冷却的空气从GT的冷却空气系统供给到第一管道，以在燃料切换期间吹扫出残留FG，并在FO操作期间以连续的空气流“阻挡”烧嘴的FG喷嘴。具体而言，本发明指出，供应到第二管道的空气的温度（340℃）低于FG的自燃温度。

众所周知，燃气涡轮还包括控制单元，该控制单元配置成在FG或FO操作模式中选择性地操作燃气涡轮。在最后一种情况下，一旦关闭FG阀，控制单元将打开第一管道以将冷却的空气输送到第二管道。

请注意的是，词语“第一管道和第二管道”不一定意味着单个管道，而是也意味着包括多于一个管道的分配管线。

优选地，GT包括热交换器（例如，直流冷却器“ OTC”），该热交换器构造成出于GT构件的冷却目的而冷却来自压缩机端的空气。在此情况下，第一管道连接到OTC的下游，并抽取所述的冷却空气的一部分，然后进一步将其输送到第二管道。如果不是这种情况，则不能使用未冷却的空气吹扫出残留FG，因为它高于FG的自燃温度。因此，在燃料切换期间，必须用氮气吹扫FG管路和FDS，这导致将额外的氮气供应单元连接到GT的FG系统。

为了确保空气向前流向第二管道，在热交换器下游抽取的冷却空气需要具有的压力高于FG喷嘴出口压力。

当然，本发明还可限定为一种用于操作由双燃料源（FG和FO）供给的用于发电设备应用的GT组件的方法。该方法可包括以下步骤：

a）提供如前所述的带有顺序燃烧技术的GT组件；

b）GT将在FO模式中操作，其中FG系统关闭；

c）以低于FG自燃温度的温度（优选在320℃至360℃之间，更优选在340℃）将冷却的空气供应（优选地在FO操作期间连续地）至第二管道。

优选地，步骤c）在燃料切换模式期间在燃料-油操作之前执行。因此，相同的冷却的空气用作吹扫空气。

优选地，步骤c）通过使用来自压缩机的压缩空气来执行，该压缩空气由热交换器冷却。

必须理解的是，以上总体描述和以下详细描述两者都是示例性的，且旨在提供如请求保护的本发明的进一步阐释。本发明的其它优点和特征将从以下描述、附图和权利要求书清楚。

附图说明

在适当参考附图来仔细阅读详细描述之后，本发明的其它利益和优点将变得清楚。

然而，可通过参考本发明的以下详细描述来最佳地理解本发明本身，以下详细描述连同附图描述了本发明的示例性实施例，在附图中：

-图1是适用于根据本发明的改进的用于发电设备应用的GT组件的第一示例的示意性截面视图；

-图2是适用于根据本发明进行改进的用于发电设备的燃气涡轮组件的第二示例的示意性截面视图；

-图3是GT组件的示例的象征示意图，该GT组件需要最小的修改以由本发明改进；

-图4是根据本发明的简化的管路图，其可（不仅）并入图1-3的GT中。

具体实施方式

与附图结合，本发明的技术内容和详细描述在下文根据优选实施例描述，而不用于限制其执行范围。根据所附权利要求书制作出的任何等同的变型和改型所有都由本发明请求保护的权利要求书覆盖。

现在将参考附图来详细描述本发明。

现在参考图1，图1是可用本发明改进的燃气涡轮1的第一示例的示意图。具体而言，图1公开了一种具有顺序燃烧器技术的GT，其中燃烧器级由高压涡轮分开。沿着主流2，图1的GT 1包括压缩机3、第一燃烧级4、高压涡轮5、第二燃烧级6和低压涡轮7。压缩机3和两个涡轮5、7连接到共同的转子8，该共同的转子绕轴线9旋转并且由同心壳10包围。压缩机3供应有空气，并配备有构造成压缩进入压缩机3的空气的旋转叶片18和定子导叶19。离开压缩机的压缩空气流入仓室11，并从仓室流入多个第一烧嘴12，在此该压缩空气与由第一燃料供应13供应的燃料混合。燃料/压缩空气混合物流入第一燃烧室4，在该燃烧室中该混合物点燃并燃烧。产生的热气离开第一燃烧器室4，并驱动高压涡轮5以对转子8执行功。在高压涡轮机5的下游，部分膨胀的热气流入多个第二烧嘴，在第二烧嘴处，由第二燃料源14供应额外的燃料。第一燃料源和第二燃料源可为相同的燃料源。部分膨胀的热气处于高温并且包含足够的氧用于进一步燃烧，该燃烧基于自燃，自燃在布置在第二烧嘴下游的第二燃烧室6中进行。再次加热的热气离开第二燃烧室6并在低压涡轮7中流动以在转子8上执行旋转功。低压涡轮7包括沿主流动方向串联布置的多级或多排转子叶片15。叶片15的这些级由定子导叶16的级插入。转子叶片15连接到转子8，而定子导叶16连接到导叶载体17，该导叶载体是围绕低压涡轮7的同心壳。此示例中的每个烧嘴都构造成喷射不同类型的燃料，即FG或FO，即每个烧嘴包括构造成喷射GF并连接到FG源的多个喷嘴，以及构造成喷射FO并连接到FO源的多个喷嘴。实际上，取决于发电设备的条件，优选使用FG或FO。为了利用FG或FO执行GT操作，GT组件包括GT控制单元，其配置成在FG操作和FO操作之间选择性地切换。

现在参考图2，图2是可用本发明改进的GT 1的第二示例的示意图。具体而言，图2公开了一种GT 20，其设有压缩机29、涡轮21和顺序燃烧器布置22。图2的顺序燃烧器装置22包括多个筒形燃烧器，其中每个筒形燃烧器包括第一烧嘴24、第一燃烧室25、第二烧嘴26和第二燃烧室27。第一烧嘴24、第一燃烧室25、第二烧嘴26和第二烧嘴27顺序地以流体流动连接布置。顺序燃烧器容纳在燃烧器筒形壳28中，并且多个筒布置成围绕涡轮轴线的环。燃料经由第一燃料喷射器（未示出）引入第一烧嘴24中，在该第一烧嘴处，燃料与由压缩机29供应的压缩空气混合。第二燃料经由第二燃料喷射器（未示出）引入第二烧嘴26，并且与离开第一燃烧室25的热气混合。离开第二燃烧室27的热气驱动涡轮21在转子30上执行功。同样在该示例中，每个烧嘴构造成喷射FG或FO，即，每个烧嘴包括构造成喷射FG并连接到FG源的多个喷嘴和构造成喷射FO并且连接到FO源的多个喷嘴。如先前的示例，GT 20包括构造成在FG或FO操作之间选择性切换的控制单元。

现在参考图3，图3是适用于设有本发明的用于发电设备的GT组件（以下仅燃气涡轮）的实施例的示意图。图3公开了通用GT 1'，其可为图1的类型（具有高压涡轮和低压涡轮）或图2的类型（筒形燃烧器结构）。根据该示例，GT 1'具有限定轴线2'的转子6'，并包括沿主流M串联的：

-压缩机区段3'，

-燃烧器区段4'，其中压缩空气与燃料混合，并且该混合物燃烧以产生热气流，

-涡轮区段5'，其中热气流膨胀，以在转子6'上执行旋转功。

根据图3，在涡轮5'的下游，转子6'驱动发电机7'的旋转部分。此外，图3的燃气涡轮1'是由燃料源13'（即，构造成选择性地供给FG和FO的燃料源）供给的GT。如示意性地公开的，双燃料源13'连接到燃料分配系统，该燃料分配系统包括构造成供给燃烧器4'的FO喷嘴9'的FO分配管线11'和构造成供给燃烧器4'的FG喷嘴10'的FG分配管线12'。这些喷嘴可为第一燃烧级或第二燃烧级的喷嘴。在图3中，参考标记8'指的是热交换器，优选地是直流冷却器（OTC）装置，其由从压缩机溢出的压缩空气供给，并且构造成冷却该空气并将该冷却空气供应到涡轮5'以用于冷却目的。如在图3中所公开的类型的GT 1'针对与所述本发明一起实施是特别有用的，即，由于热交换器8'的存在，在此组件中待添加的新构件最少。现在参考图4，该图是由本发明改进的图3的燃料分配系统的示意图。如前所述，燃料源13'构造成将FO分配管线11'中的FO朝FO喷嘴9'输送，并将FG分配管线12'中的FG朝FG喷嘴10'输送。燃料系统的每个管线11'、12'设有至少一个阀24'。在FG操作中，驱动FO分配管线11'的阀24'关闭。相反，在FO操作中，驱动FG分配管线12'的阀24'、25'关闭。然而，如先前在现有技术章节中所描述的，在FO操作期间，一些FO可进入FG喷嘴。此外，在FG阀24'和25'关闭之后，在FG分配管线12'的同一末端部分中可能还会留下一些残留FG，从而产生不期望的点燃的潜在风险。FG分配管线12'的该末端部分在图4中用参考标记26'表示，即在FG喷嘴10'和最后下游阀25'之间。根据本发明的总体限定，在该管道26'中供给冷却的空气（即，具有的温度低于气体燃料的自燃温度，例如不高于340℃的空气）。根据图4的实施例，供给到管道26'中的冷却空气C是从热交换器8'离开的冷却空气的一部分，该冷却空气继而又由压缩空气供给，并且构造成产生待供应到涡轮5'的冷却空气。由于该热交换器8'已经存在于涡轮组件中，因此为了执行本发明，仅需要提供将热交换器8'的出口连接至管道26'（即，气体喷嘴10'下游的FG管线12'的末端部分）的管道27'（优选地具有至少一个阀28'）。优选地，在FO操作期间，可连续地执行管道27'内的冷却的空气的这种供给。以此方式，在FO操作期间，避免了在FG分配管线12'中的任何不期望的FO摄取，并且还吹扫出最终的残留FG。此外，由于冷却的空气的低温，空气-燃料混合物具有的温度低于FG的可燃极限，使得也避免了任何不期望的点燃。

即使仅参考图3的GT来表示新管道27'，但该管道27'和热交换器8'也可容易地并入如图1或图2中所公开的GT组件中。

作为非限制性示例，本发明可应用于包括多个分开的流线形指状部的双燃料喷射器，其中这些指状部的每个后缘设有由FG或FO选择性地供给的双燃料同心喷嘴。尽管关于如上文提到的其优选实施例阐释了本发明，但将理解的是，可制作出许多其它可能的改型和变型，而不脱离本发明的范围。因此，构想出的是，所附一项或多项权利要求将覆盖落入本发明的真正范围内的此类改型和变型。

Claims (13)

1.一种由双燃料源供给的用于发电设备的燃气涡轮；所述燃气涡轮（1、1'、20）包括：

-压缩机（3、3'、29），其构造成压缩进入的空气；

-双燃料源（13'），其构造成取决于不同的操作条件选择性地输送气体燃料或油燃料；

-燃烧器组件（4'、22），其包括构造成将燃料气体和燃料油供给到主流中的燃料气体喷嘴（10'）和燃料油喷嘴（9'）；

-燃料分配系统，其包括用于将燃料油供给到所述燃料油喷嘴（9'）的燃料油管线（11'）和用于将燃料气体供给到所述燃料气体喷嘴（10'）的燃料气体管线（12'）；至少所述燃料气体管线（12'）设有构造成在仅油燃料操作期间关闭的至少一个阀（24'），以及在最后下游阀（24'）和所述燃料气体喷嘴（10'）之间的第一管道（26'）；

-涡轮（5、5'、21），其构造成由热气驱动以在转子（6）上执行功；

其特征在于，所述燃气涡轮（1）还包括第二管道（27'），所述第二管道构造成在燃料油操作期间将冷却的空气供给到所述第一管道（26'）中，其中所述冷却的空气具有的温度低于所述燃料气体的自燃温度。

2.根据权利要求1所述的燃气涡轮，其特征在于，所述燃气涡轮（1）还包括：

-控制单元，其配置成在燃料油操作中操作所述燃气涡轮（1、1'、20）；在燃料油操作期间，所述控制单元配置成驱动所述气体燃料管线（12'）的阀（24'、25'）关闭，并将所述冷却的空气供给到所述第二管道（27'）中。

3.根据权利要求2所述的燃气涡轮，其特征在于，所述控制单元配置成在仅燃料油操作期间将所述冷却的空气连续地供给到所述第二管道（27'）中。

4.根据前述权利要求中任一项所述的燃气涡轮，其特征在于，所述燃气涡轮（1'）还包括：

-热交换器（8'），其构造成冷却从所述压缩机（3'）溢出的压缩空气并且将所述冷却的空气供给到所述涡轮（5'）以用于冷却目的；所述第二管道（27'）在下游连接到所述热交换器（8'）的出口，使得所述第二管道（27'）中供给的冷却的空气是从所述热交换器（8'）离开的冷却空气的一部分。

5.根据权利要求4所述的燃气涡轮，其特征在于，所述热交换器（8'）构造成在320℃至360℃之间，优选在340℃的温度下冷却所述压缩空气。

6.根据权利要求4或权利要求5所述的燃气涡轮，其特征在于，所述热交换器（8'）构造成以高于第二燃烧器级（10）中的压力的压力来输送所述冷却的空气，使得所述冷却的空气还用作吹扫空气。

7.根据前述权利要求中任一项所述的燃气涡轮，其特征在于，所述燃烧器组件是顺序燃烧器组件。

8.根据权利要求7所述的燃气涡轮，其特征在于，所述燃烧器组件包括多个筒形燃烧器；每个筒形燃烧器包括串联的第一燃烧级和第二燃烧级。

9.根据权利要求7所述的燃气涡轮，其特征在于，所述燃烧器组件包括由高压涡轮分开的第一燃烧级和第二燃烧级；在所述第二燃烧级的下游存在低压涡轮。

10.一种用于操作由双燃料源供给的用于发电设备的燃气涡轮组件的方法；所述方法包括以下步骤：

a）提供根据权利要求1所述的燃气涡轮组件（1、1'、20）；

b）控制所述燃气涡轮（1、1'、20）在燃料油操作中操作，其中驱动所述燃料气体管线（12'）的阀（24'、25）关闭；

c）在低于所述燃料气体的自燃温度的温度下将冷却的空气供给到所述第一管道（26'）中。

11.根据前述权利要求10中的任一项所述的方法，其特征在于：

-执行所述步骤c），使得所述冷却的空气是由所述压缩机（3'）溢出的压缩空气，并由热交换器（8'）在320℃至360℃之间，优选在340℃的温度下冷却。

12.根据前述权利要求10至权利要求11中的任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤c）在所述燃料油操作期间连续地执行。

13.根据前述权利要求10至权利要求12中的任一项所述的方法，其特征在于，执行所述步骤c），使得所述冷却的空气还用作吹扫空气，所述吹扫空气具有的压力高于所述第二燃烧器级（10）的压力。

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