专利名称：由使用空气抽取在欠频率运行期间运行燃气涡轮机的方法
技术领域：
本发明一般地涉及通过从压缩机抽取空气用于在例如欠频率运行的选择的运行条件期间运行燃气涡轮机的方法。
背景技术：
在配电网上要求的电力消耗的大量增加将趋向于导致电网的电运行频率的降低，从而导致“欠频率”情况。例如，巨大的或突然的电力需求可能导致其额定运行频率为50Hz的特定的配电网暂时地以49Hz运行。在利用一个或多个重型工业燃气涡轮机来为电网提供电力的常规发电系统内，每个提供电力到电网的涡轮机的物理速度与电网的电频率同步。不幸的是，当其他情况相同而燃气涡轮机的物理速度降低时，其动力输出相应地降低。因此，在欠频率情况期间，燃气涡轮机将趋于输出更低的动力。过去，响应于电网欠频率情况(发生)的通用的操作是增加燃气涡轮机的着火温度以产生更多的动力而力图维持预先确定的输出动力水平。不幸的是，这样的燃气涡轮机的过着火可能降低多种在涡轮机内的热燃气通道部件的预期运行寿命。
电网规则典型地要求动力产生设备具有在欠频率偏移期间维持负载的能力。世界各地多个地区具有不同的必须满足的要求，以使动力设备被考虑为适应性的。典型地，燃气涡轮发电机通过升高着火温度以将发电机输出维持在要求之内来满足这些要求。着火温度的升高在给定的压力比下增加了动力输出，这在涡轮机不接近任何运行极限，例如最大压力比能力或最大入口导向轮叶(IGV)位置时充分地起作用。升高着火温度典型地通过增加供给到燃烧器的燃料流来实现。所有其他的情况相同时，燃料流的增加导致更高的涡轮机入口处的压力，这又在压缩机上施加了背压。最终，添加更多的流导致了压缩机压力极限，这典型地通过由压缩机排放空气转向到入口(入口放气加热)，和/或由燃料流的降低(且因此着火温度的降低)而限制了通过涡轮机的流动被观察到。然而，此方法对于冷环境条件和/或低Btu(英制热量单位)燃料(例如合成气)的应用具有有限的满足电网规则要求的能力，原因是燃气涡轮机压缩机所遇到的可运行性极限。
一些常规的用于产生动力的燃气涡轮机合并了可变入口导向轮叶(IGV)。这样的可变定子轮叶提供了通过在压缩机前级内改变入射角(即空气角度和在压缩机叶片前缘的平均线角度之间的差异)调节压缩机空气流的能力。这些可变IGV允许维持可接受的压缩机无喘振运行裕量。典型地，无喘振运行的维持是用于燃气涡轮机的压缩机部件的关键运行标准。
Wickert等(美国专利6,794,766)提供了用于使装配有可变定子轮叶(叶片)的燃气涡轮机过着火的方法，以补偿在欠频率情况中的动力输出。Wickert利用了可变定子轮叶来以预先确定的方式增加由压缩机部件消耗的空气流的量，以排除和/或最小化在电网欠频率情况期间所生成的输出动力水平的降低且维持在这样的情况期间的安全裕量。然而，不是所有的燃气涡轮机都装配有可变定子轮叶以允许使用这样的技术。进一步地，如果达到了最大轮叶位置且同时遇到了压力比极限，当试图增加输出时仅此行动可能不够。在此情形中，必须采取其他的行动以减轻压力极限。
因此，希望的是在欠频率运行期间，利用在选择的运行期间将改进动力输出且导致改进的电网规则适应的运行方法。
发明内容
简要地说，根据本发明的一个方面，在其中燃气涡轮机的旋转速度与电网的电频率同步且燃气涡轮机包括压缩机部件、空气抽取通道和用于控制压缩机空气抽取的量的装置的燃气涡轮发电机中，提供了用于控制由燃气涡轮机产生的输出动力的方法。方法包括初始化压缩机空气抽取且控制压缩机空气抽取的量。
根据本发明的另一个方面，在其中燃气涡轮机的旋转速度与电网的电频率同步且燃气涡轮机包括压缩机部件、空气抽取通道和用于控制压缩机空气抽取的量的装置的燃气涡轮发电机中，提供了用于控制由燃气涡轮机产生的输出动力的方法。方法包括在电网欠频率情况期间通过到大气的排放通道、到能量回收设备的排放通道的至少一个初始化压缩机空气抽取和控制压缩机空气抽取量；降低到燃烧器的稀释物流且升高着火温度。
根据本发明的进一步方面，在其中燃气涡轮机的旋转速度与电网的电频率同步的燃气涡轮发电机中，提供了控制系统，控制系统控制了初始化压缩机空气抽取且控制了抽取压缩机空气以增加到压缩机压力比极限的裕量。
当参考附图阅读如下详细描述时将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点，在附图中相同的符号在所有图中代表相同的零件，其中图1图示了合并了标准的空气流、燃料流和燃烧产物流的典型的燃气涡轮发电机组。
图2图示了带有多个在欠频率运行期间通过使用空气抽吸允许燃气涡轮机运行的元件的燃气涡轮发电机组。
具体实施例方式
前述的本发明的方面可以具有优点，包括使用压缩机空气抽吸以提供在欠频率情况期间简单和有效的运行燃气涡轮机的方法。
图1图示了组合循环燃气涡轮机设备5，它包括压缩机50、燃烧器52、燃气涡轮机54、热回收蒸汽发生器(HRSG)56和与之相联合的蒸汽涡轮机58。在环境情条件下的空气在空气进口10处进入轴流压缩机50。已压缩空气12进入燃烧器52，燃料在28处喷射到燃烧器52且在燃烧器52处发生燃烧。燃烧混合物14离开燃烧器且进入燃气涡轮机54。在涡轮机部分，热燃气的能量被转化为功。此转化分两步进行。在燃气涡轮机54的喷嘴部分内热燃气膨胀且部分热能被转化为动能。然后，部分动能传递到燃气涡轮机54的叶斗部分的旋转的叶斗且转化为功。由燃气涡轮机54形成的部分功被用于驱动压缩机50，而剩余部分可用于生成电力。排气16离开燃气涡轮机且流到HRSG 56，从而提供了能量来产生蒸汽以驱动蒸汽涡轮机58。电力由燃气涡轮机驱动的发电机60和蒸汽涡轮机驱动的发电机62生成且供给到电网64。
布雷顿循环是燃气涡轮机运行的热力学循环。每个布雷顿循环的特征为压力比和着火温度。循环的压力比是在12处的压缩机排放压力除以在10处的压缩机入口压力。着火温度限定为在1级喷嘴后缘平面处的质量流平均总温度。已熟知在燃气涡轮机内升高的着火温度是提供更高的每单元质量流输出且因此提供更高的输出动力的关键因素。压缩机在连续运行中可提供的最大压力比通常根据从喘振压力比线的裕量限定。压缩机喘振限定为流的低频振荡，其中流从叶片分离且流方向反向。
图2示出了可单独使用或组合使用的用于组合循环燃气涡轮机设备5上的空气抽取的不同抽取点和排放路径。在本发明的一个方面中，抽取空气将从压缩机50的出口和/或在20处从燃烧器52取得，且通过排放到大气控制阀40而在22处被排出到大气。压缩机空气可以进一步在34处从压缩机出口的压缩机上游抽取。用于从燃气涡轮机抽取空气的特定的位置点取决于特别的装备。例如，从General Electric“E”系列燃气涡轮机抽取空气典型地从压缩机的出口抽取，而从GeneralElectric“F”系列燃气涡轮机抽取空气点典型地从燃烧器处。在本发明的另一个方面中，抽取的空气通过排放到能量回收设备控制阀42可以排放到空气抽取能量回收设备66。空气抽取能量回收设备66可以包括空气分离单元(ASU)68和其他的回收设备76。ASU 68分离空气内的N2和O2。O2然后可以在气化过程中用于产生用于燃气涡轮机的合成气燃料，而N2可以用作稀释物或被排出。本发明的再另一个方面提供了将压缩机50的出口空气通过入口放气控制阀44在26处抽取到压缩机50的入口侧。
所有其他因素相同时，因为降低了的质量流率输入，单独的空气抽取将典型地导致动力输出的下降。然而，与空气抽取同时在28处将附加的燃料供给到燃烧器52。通过空气抽取的压缩机空气流的降低提供了对典型地遇到的压缩机压力比极限的缓解。因为压缩机空气流抽取提供了对压缩机压力比极限的缓解，增加的燃料流可以适应在压缩机压力比极限内。作为结果的燃气涡轮机输出动力增加，同时维持到压缩机压力比的裕量。在欠频率条件期间，与增加的着火一起使用空气抽取将增加燃气涡轮机输出动力以辅助满足电网规则要求。
本发明的再另一个方面降低了到燃烧器52的稀释物进入流30。到燃烧器的更低的稀释物流降低了总燃料/空气流率。因更低的稀释物流率，到压缩机压力比极限的裕量被升高且更多的燃料可以添加到其位置以增加动力。
在本发明的再进一步的方面中，如果初级燃料是较贫的燃料，例如典型地是合成气和处理燃料，燃烧器52可以与较富的替代燃料，例如天然气或蒸馏物或与较富的替代燃料的共混物，在32处共同着火。因为与较富的替代燃料的共同着火在相同的燃料流率时允许了更高的动力输出，所以更高的输出动力可以以更低的总燃料/空气流率实现，因此维持了到压缩机压力比极限的裕量。
以上描述的用于允许来自燃气涡轮机的更高的动力输出的单个的元素可以单独或组合使用。
燃气涡轮机的有效运行要求处理多个关键涡轮机运行参数，以确定对于例如燃料流和进气流的可控参数的最优设定。这样的运行参数包括压缩机入口和出口温度和压力、排放温度和压力等。用于控制燃气涡轮机的控制系统或装置的一个例子是General Electric Co.的SpeedtronicTMMark V控制系统，它被设计为完成所有燃气涡轮机控制，包括速度和负载控制功能。这样的控制系统由Andrew等(美国专利No.6,226,974)描述。Andrew描述了被联接以接收输入的控制器，输入来自多个源，例如运行控制器和多个联接到涡轮机和动力输出装置上的传感器。控制器联接到涡轮机执行器系统，执行器用于维持或建立特定的涡轮机运行模式。执行器包括但不限制于空气流控制执行器和燃料流控制执行器。
在本发明的方面中，可以使用与Andrew等的系统类似的控制系统，带有或不带有IGV控制。控制系统也可以使用对控制阀的一个或组合的控制。参考图2，控制系统80可以控制附加的执行控制，例如向大气控制阀40的排放、向能量回收设备控制阀42的排放和入口放气控制阀44，它们抽取从压缩机的排放流动来的空气的部分用于改进到压缩机压力比极限的裕量，因此允许了用于动力控制的增加的着火。控制系统80初始化压缩机空气抽取且控制了从到大气控制阀40的排放、到能量回收设备控制阀42的排放和入口放气阀44的压缩机空气抽取的量。此外，控制系统80将进一步控制到燃烧器70、稀释物控制器72和替代燃料控制器74的燃料输入。因为这样的感测和执行控制在本领域中以熟知，在此不需要参考用于空气抽取运行的执行器控制来描述它们。
虽然在此仅图示和描述了本发明的某些特征，但本领域技术人员将想到许多修改和改变。因此，需理解的是附带的权利要求书意图于覆盖所有这样的如落入本发明的实际精神内的修改和改变。
术语列表5 燃气涡轮机设备10空气进口12压缩空气进入燃烧器14燃烧混合物进入涡轮机16排气离开涡轮机20从压缩机出口/燃烧器的压缩空气抽取通道22到大气的压缩空气抽取通道24到能量回收设备的压缩空气抽取通道26到入口空气进口的入口放气通道28到燃烧器的燃料入口通道30到燃烧器的稀释物入口通道32替代燃料源40排放到大气控制阀42排放到能量回收设备控制阀44入口放气控制阀50压缩机52燃烧器54燃气涡轮机56热回收蒸汽发电机58蒸汽涡轮机60燃气涡轮机驱动的发电机62蒸汽涡轮机驱动的发电机64电网66空气抽取能量回收设备68空气分离单元70燃料控制器72稀释物控制器74替代燃料控制器
76回收设备80控制系统
权利要求
1.在其中发电机(60)的旋转速度与电网(64)的电频率同步的燃气涡轮机设备(5)中，燃气涡轮机设备(5)包括涡轮机(54)、压缩机(50)、燃烧器(52)、空气抽取通道(20)和用于控制空气抽取(20)的量的装置(80)，一种用于控制由燃气涡轮机设备(5)产生的输出动力的方法，其包括在电网(64)上的欠频率情况期间初始化空气抽取(20)和控制空气抽取(20)的量。
2.根据权利要求1所述的在电网(64)上的欠频率情况期间控制燃气涡轮机设备(5)的输出动力的方法，进一步包括通过空气抽取(20)来增加到压缩机比极限的裕量和增加燃气涡轮机(54)的着火。
3.根据权利要求2所述的在电网(64)上的欠频率情况期间控制燃气涡轮机设备(5)的输出动力的方法，进一步包括从压缩机(50)抽取空气(20)。
4.根据权利要求2所述的在电网(64)上的欠频率情况期间控制燃气涡轮机设备(5)的输出动力的方法，进一步包括从燃烧器(52)抽取空气。
5.根据权利要求3和4所述的在电网(64)上的欠频率情况期间遵照电网规则要求控制燃气涡轮机设备(5)的输出动力的方法，进一步包括将抽取的空气(20)排放到大气(22)。
6.根据权利要求3和4所述的在电网(64)上的欠频率情况期间控制燃气涡轮机设备(5)的输出动力的方法，进一步包括将抽取的空气(20)排放到空气抽取能量回收设备(66)。
7.根据权利要求1所述的在电网(64)上的欠频率情况期间控制燃气涡轮机设备(5)的输出动力的方法，进一步包括降低添加到压缩机(50)的稀释物；和增加着火温度以提高动力。
8.根据权利要求1所述的在电网(64)上的欠频率情况期间控制燃气涡轮机设备(5)的输出动力的方法，进一步包括通过入口放气(44)增加到压缩机比极限的裕量；和增加着火温度以提高动力。
9.根据权利要求1所述的在电网(64)上的欠频率情况期间控制燃气涡轮机设备(5)的输出动力的方法，进一步包括如果初级燃料(70)是例如合成气和处理燃料的较贫的燃料，则与较富的替代燃料(74)一起着火，较富的替代燃料包括天然气、蒸馏物和与较富的燃料的共混物。
10.根据权利要求1所述的在电网(64)上的欠频率情况期间控制燃气涡轮机设备(5)的输出动力的方法，进一步包括在欠频率情况后的运行期间继续空气抽取(20)且控制(80)空气抽取(20)的量。
全文摘要
本发明涉及由使用空气抽取在欠频率运行期间运行燃气涡轮机的方法。在其中发电机(60)的旋转速度与电网(64)的电频率同步且燃气涡轮机设备(5)包括涡轮机(54)、压缩机(50)、燃烧器(52)、空气抽取通道(20)和用于控制空气抽取(20)的量的装置(80)的燃气涡轮机设备(5)中，提供了用于控制由燃气涡轮机设备(5)产生的输出动力的方法。方法包括在电网(64)上的欠频率情况期间初始化空气抽取(20)且控制空气抽取(20)的量。
文档编号F02C9/28GK101078368SQ20071010455
公开日2007年11月28日 申请日期2007年5月25日 优先权日2006年5月26日
发明者J·贝里 申请人:通用电气公司