专利名称：燃气轮机装置及操作它的方法
技术领域：
本发明总地涉及一种燃气轮机装置，更专门地涉及这样类型的燃气轮机装置该装置被安装在一发电设施中，并使用城市煤气或液化天然气作为燃料，及还涉及操作这种燃气轮机装置的方法。
燃气轮机装置具有一种称为“负载断开”的工作方式，其中在作为负载的发电机中出现异常的情况下，负载被断开并由此保护燃气轮机。在此方式中，燃气轮机的负载突然从100%变到0%，这种改变至今还是利用突然关闭燃料流控制阀来达到的。在此时，燃气轮机的转速由燃气轮机控制装置控制在一定的范围中。
在使用城市煤气或液化天然气作燃料的这类燃气轮机装置中，使用离心式压缩机将燃料供给到燃气轮机装置的燃烧室中。在上述负载断开的情况下，离心式压缩机的转速瞬间地上开或它的排气压力上升。当该排气压力超过一个允许的上限值时，则燃料如城市煤气或液化天然气过量地流入燃烧室，以使得燃气轮机可能以异常高的速度旋转。为了防止这种状况，迄今使用的方法是对由离心式压缩机在压力下输送的燃料气体的流速进行测量，并当流速下降时，使一个设在气流通路中的阀(以下通称为“旁通阀”)打开。
同时，当被输送气体的流速下降时，在离心式压缩机中突然的流速波动引起了脉动现象，该脉动使压缩机的振动加大。为了防止这种现象，使用了上述普通公知的方法，即对气体流速进行测量，如果该流速低于预定值时，使通过离心式压缩机的流速增大，以防止离心式压缩机的波动，并也使旁通阀或排气阀打开，由此控制供给到燃气轮机的气流的速度，使其在一预定水准上。这种防止脉动的方法例如已由“JSME机械工程手册，第6修订版(1985;第10卷第10-33页)”中公开了，该手册由日本机械工程协会编辑。
上述的传统控制方法，即在其中对被输送气流的速度进行测量，并当该流速下降时，打开旁通阀，具有的缺点在于，由于用来控制燃气轮机燃料流速的旁通阀在瞬间上(约0.1秒)还处于关闭，离心式压缩机的排气压力超过了上限值。
本发明的目的在于提供一种燃气轮机装置，在其中甚至当负载断开(负载突然变化)时，用于将燃料在压力下供给到燃烧室的离心式压缩机的排气压力可被防止过分增高，由此保护了燃气轮机装置，于是提高了它的可靠性。
根据本发明的第一方面，提供了一种燃气轮机装置，该装置包括一燃气轮机，该燃气轮机包括一压缩机级，一涡轮机级及一燃烧室，并用于将可燃烧气体如城市煤气或液化天然气借助于一离心式压缩机在压力下供给到燃烧室，并将该气体燃烧产生动力，及一燃气轮机控制装置，用于控制燃气轮机;其中该离心式压缩机包括一气流管，通过它可燃烧气体流从离心式压缩机的出气口流到该压缩机的进气口，及一打开/关闭装置，用于打开及关闭该气流管;及燃气轮机控制装置包括流速控制装置，用于控制该可燃烧气体的流速，及信号发生装置，用于产生与来自流速控制装置的信号同步的用于打开/关闭装置的打开/关断信号。
根据本发明的第二方面，提供了一种燃气轮机装置，该装置包括一燃气轮机，该燃气轮机包括一压缩机级、一涡轮机级及一燃烧室，并用于将可燃烧气体如城市煤气或液化天然气借助于一离心式压缩机在压力下供给到燃烧室，并将该气体燃烧产生动力，及一燃气轮机控制装置，用于控制该燃气轮机;其中燃气轮机装置包括燃料流速控制装置，用于控制可燃烧气体的流速，及离心式压缩机包括一气流管，通过它可燃烧气体流从离心式压缩机的出气口流到该压缩机的进气口，及一打开/关闭装置，用于打开及关闭所述气流管，及其中燃气轮机控制装置包括指令装置，用于提供一指令值，该指令值是由燃气轮机控制装置产生的并用于供给到燃料流速控制装置，当该指令值供给到燃料流速控制装置时也同时地供给到打开/关闭装置。
根据本发明的第三方面，提供了一种燃气轮机装置，该装置包括一燃气轮机，该燃气轮机包括一压缩机级，一涡轮机级及一燃烧室，并用于将可燃烧气体如城市煤气或液化天然气借助于一离心式压缩机在压力下供给到燃烧室，并将该气体燃烧产生动力，及一燃气轮机控制装置，用于控制燃气轮机;其中燃气轮机控制装置包括起动控制装置;加速度控制装置;速度/负载控制装置;负载限制装置;废气温度控制装置;选择装置，用于在上述五个控制装置的各输出控制信号中选择最小一个信号并用于输出该最小信号;及流速控制装置，用于响应选择装置的输出来控制流过气流装置的燃料流速，可燃烧气体通过该气流装置从离心式压缩的出气口流到该压缩机的进气口，及用于控制流到燃气轮机的燃料的流速。
根据本发明的第四方面，提供了一种操作燃气轮机装置的方法，该装置使用由离心式压缩机在压力下供给的作为燃料的燃化天然气或城市煤气，该方法包括下列步骤根据由设在燃气轮机装置内的燃气轮机控制装置中的起动装置、加速度控制装置、速度/负载控制装置、负载限制装置及废气温度控制装置各自输出的信号中至少一个信号产生燃料控制信号;及对进入燃气轮机装置的燃料的流速以及绕过离心式压缩机的燃料的流速、利用燃气轮机控制装置根据燃料控制信号进行控制。
在燃气轮机工作方式中的100%负载的断开是一种负载变化最大的工作方式。在该工作方式中，用于控制燃气轮机燃料流速的信号(FFD燃料流需要量)瞬间地从100%变为0%，以使得流速控制阀从开通状态转换到关闭状态，因此使燃气轮机从100%负载转换到零负载状态。
在这种负载断开的时刻，燃料流速控制阀在大约0.1-0.2秒中从开通状态转换到关闭状态。因此利用传统的由旁通阀来控制供燃料气体的离心式压缩机的方法，其响应是太迟了，在该传统方法中，对由离心式压缩机输送的气流的速度进行监测，并当该流速变得小于一下限值时，使旁通阀打开。其结果是，离心式压缩机的排气压力瞬时增高，以致使燃气轮机的转速数值超过一上限值。
在燃气轮机装置中，甚至在负载断开时，离心式压缩机的排气压力也需要保持在预定范围中。为了满足该需要，提出了两种方法，一种是在离心式压缩机与燃气轮机之间设置具有大容积的罐，以减少压力波动，另一种是加快对离心式压缩机控制指令的响应。
本发明是针对后一种方法，燃气轮机的燃料流需要量(FFD)被较早地输入到燃料气体压缩机的旁通阀控制装置上，以准备对旁通阀的控制，由此加速响应，以致甚至致在负载断开时，离心式压缩机的排气压力也会保持在预定范围中。
图1是本发明燃气轮机装置一个优选实施例的控制流程概图;
图2是图1燃气轮机装置主要部分的控制流程图;
图3是本发明离心式压缩机一例的控制框图;
图4是说明阀开度与燃料流之间关系的图;
图5是在燃气轮机负载断开时的时间过程图;
图6是说明燃气轮机装置一例操作结果的波形图;
图7是说明图6中燃气轮机装置另一操作结果的波形图;
现在将参照附图来描述本发明的燃气轮机的一个优选实施例，图1是一个燃气轮机的控制流程概图，图2则表示图1中流程图的基本部分。图3是用于地压力下供给燃料的离心式压缩机的控制原理图。
该燃气轮机113设有一个燃气轮机控制系统1。该燃气轮机控制系统1是一种数字控制系统，它在燃气轮机起动及停止时以及在带一负载工作时起到最佳控制作用，因此能使燃气轮机动力发生单元自动工作。为此目的的控制功能包括一种调整控制功能及程序控制功能。这个燃气轮机控制系统1还包括一个保持装置，当发生对燃气轮机工作的不良状态时，该装置发出警报并自动地停止燃气轮机装置。
调整控制功能与程序控制功能相结合用于根据燃气轮机的工作状态来调整其燃料的供给量。为了获得这种功能，该燃气轮机控制系统1包括一个起动控制电路22、一个加速度限制控制电路20、一个速度/负载控制电路24、一个负载限制控制电路26、一个废气温度控制电路30、一个燃料气体控制电路36、一个燃料压力控制电路38及一个压缩机进气口导向翼控制电路。
起动控制电路22用于在燃气轮机起动时对点火、加热及加速设定燃料流速指令。加速度限制控制电路20用于监测燃气轮机起动时的旋转速度10，并起控制作用，以使得燃气轮机的加速度不超过一极限值。速度/负载控制电路24用于在获得额定速度前根据与燃气轮机系统同步的速度控制调速器的工作，及在负载工作时根据恒定速度偏移控制调速器的工作。调整器调节电路18在同步速度工作时的调整是由燃气轮机控制系统起作用的。另一方面，调速器调节电路18在负载工作时的输出是这样被调整的，即或是在废气温度控制电路30的输出极限值的范围中被控制成最大值，或是在一个负载控制装置16中被自动地控制，以使得被操作者手工调整的负载设定电路14的输出值为发电机的输出值12。
负载限制控制电路26用于在负载工作时由负载限制设定来起到恒定输出工作的作用。废气温度控制电路30用于在起动时及负载工作时对燃气轮机的废气温度起极限控制的作用。在起动时，该电路30控制燃料，以使得由一热电偶66检测到的燃气轮机的废气温度不超过一允许值，并在负载工作时，该电路30根据由一温度设定装置28设定的燃气轮机废气温度来限定最大输出值，而温度设定装置28是根据代表燃烧室出气口处压力的压力传感器64的输出值来设定废气温度的。在温度限制控制时，不是对燃气轮机进气口的温度，而是对燃气轮机出气口的温度进行测量，并对该控制使用一个被燃气轮机的压缩机的排气压力校正的阀。
一个最小信号选择电路32在由上述五个控制电路各个输出信号中选择其最小信号作为燃料控制信号。燃料气体控制电路36根据由最小信号选择电路32输出的燃料流需要量信号(FFD)34确定燃料流速控制阀的开度，以便控制待喷射到燃烧室124中的燃料量。另一方面，燃料压力控制电路38控制分别设在燃料流速控制阀42及48前方的压力控制阀46及52，以使得压力传感器44及50的输出能为与燃气轮机转速相对应的它们各自的预定值。压缩机进气口导向翼控制电路用于调整吸入(导入)空气的量，以使得燃气轮机废气的温度在允许的限度范围内为最大值。在起动时，为了防止在燃气轮机压缩机中产生的空气脉动，由该电路来维持其最小开度。
燃气轮机装置工作时，这些不同的控制将起作用。在负载断开时，燃料流速控制阀42及48根据燃料控制电路36的输出突然地关闭。
现在对此参照图2及3来进行描述。压缩机101在压力下将城市煤气或液化天燃气供给到燃气轮机的燃烧室124。压缩机101包括一个低压级121及一高压级122，在这两级之间设有一中间冷却器105，在低压级上温度升高的燃料被该冷却器冷却，然后被送到高压级。一个测流孔104、一个吸流阀103及一吸流止回阀102相对于低压级121以该顺序布置，并通过管道连接到低压级121的上游侧。在另一侧上，一个出口止回阀106及一排气罐109相对于高压级122以该顺序布置，并通过管道连接到高压级122的下游侧。在排气罐109的下游侧，燃气轮机113的燃料压力阀46和52及燃料流速控制阀42及48各自通过相应的燃料管路形成串联连接。这些燃料管例如是直径为4英寸(4B)的管子。虽然本发明中优先采用离心式压缩机作为该压缩机，但也可使用另外的涡轮压缩机。在以下的说明中，使用离心式压缩机作为该压缩机。
绕过离心式压缩机101的管(旁通管)被连接在接近离心式压缩机101的高压级122的出气口的点与连接到低压级121的吸气止回阀102及测流孔104中间的点之间(这个气流为简便起见以下称为“旁通”)。一个旁通阀107及一个旁通冷却器108设在该旁通管的中途。当该离心式压缩机101的气流速度下降时，该离心式压缩机101进入到脉动区域，并最后引起振动现象。因此，为了防止离心式压缩机101的脉动，使通过离心式压缩机的气体流速增加，并利用设置旁通能路使由离心式压缩机排放的部分气体回到吸气侧。此外，用于检测压力的传感器设置在高压级122的出气口附近，该传感器的输出经由发送器146传送到一个压力指标调节器140。另一方面，由设在低压级121上游的测流孔104测到的燃料流速通过流速发送器142被传送到一个流速指标调节器144。
在这个实施例中，燃气轮机的燃料流需要量(FFD)及旁通阀107的开度之间的关系是这样确定的，即当燃料流需要量(FFD)变小时，使旁通阀107自动地打开。可以使用一种组合的控制系统，其中由压缩机吸气的气流速度如同传统系统中那样是由测流孔来检测的，并当流速达到其下限值时，旁通阀107被打开。在此情况下，当燃料流需要量(FFD)及吸流速度控制指令中的一个被输入时，该旁通阀107被打开。在这些方法的任一个中，使离心式压缩机脉动保护控制系统70，其中包括压力发送器146、压力指标调节器140、流速发送器142及流速指标调节器144，进行工作，作为其结果，是离心式压缩机旁通阀开度指令74被给定。
顺便提一下，在负载突然变化时，用传统方法打开旁通阀，响应阀的打开是太迟了，因此，离心式压缩机的排放压力瞬时地增大，以致使燃气轮机的转速超过上限值。为防止这种情况，使用能达到瞬时关闭(约0.1秒)的阀，当燃料管使用4英寸粗的管子时，将涉及到高的成本，此外也使装置的尺寸增大很多。因而，燃气轮机燃料流需要量(FFD)34被输入到离心式压缩机的旁通阀，当该燃料流需要量(FFD)被输入到燃料气体控制电路36时，离心式压缩机便同时在压力下提供燃料。这里在每个单独的燃气轮机装置中，在燃料流需要量34与燃气旁通阀107的开度之间确立了一个预定的关系。更具体地，例如由图4中所示，当燃料流需要量不小于70%时，旁通阀107全部打开，而当燃料流需要量减少时，旁通阀107渐渐关闭，当燃料流需要量为0%时，旁通阀的开度减小到40%。这种关系被存储到有关有燃气轮机控制系统1的存储器中，每当燃料控制信号更换时，从存储器中读出存储值，因此负载方面的变化可以被快速处理。
图5、6及7表示在负载断开时的各种值随时间的变化。图5是描绘它们的曲线图，图6及7表示测量结果的例子。
在图5中，当燃料流需要量(FFD)34产生燃料减少需求时，则燃气轮机燃料流速控制阀42，48的开度根据该需要量FFD来减小。因为燃料减少需要量已给出，燃气轮机控制系统1便指令离心式压缩机的控制装置来减少带压力的燃料的供给量，。在此时，如果仅是减小离心式压缩机的气流速度，则离心式压缩机引起脉动，因此通过离心式压缩机的气体流速必须高于一个不引起脉动的预定值。因而，离心式压缩机的控制装置产生出用于离心式压缩机旁通阀的阀打开指令。通常这个指令是与燃料流需要量(FFD)的产生同时发生的，因此与传统系统相比较，离心式压缩机旁通阀的开度相对于燃料流需要量的延时减小了。该旁通阀的打开及关闭操作是一种机械操作，因此与另外的操作相比较，对于要达到的需要量要花较长的时间。当吸流流速阀103、旁通控制阀107及气流控制阀42、48如以上所述的受控制，该离心式压缩机的排气压力将不会超过它的上限值，如图5最下方所示，因此能防止脉动。以下参照图6及7来描述根据该原理操作燃气轮机的结果的一个例子。
如图7中所示，当燃料流速控制阀在2秒钟内从37%至0%的全关闭时，燃料气体流速从约6100m3/hr增加到约7100m3/hr。另一方面，在离心式压缩机进气口处的燃料气体压力仅从约25kg/cm2增大到约27.7kg/cm2，因此可以防止对离心式压缩机是有害效应的脉动的发生。这个不会产生脉动的事实可以由表示排放气体压力的曲线图来证实。因而就能够获得一种高可靠性的燃气轮机装置。此外，在实行上述控制时，在离心式压缩机出气口处的压力波动能被减少，则设置用来吸收压力波动的排气罐109的容积也可减小。
在本发明中，甚至当在燃气轮机装置中遭遇到由负载的断开产生突然负载变化时，由最小信号选择电路输出的信号，即燃料控制信号也被输出到离心式压缩机的旁通阀上，并由此使旁通阀能在较早的时间点上被打开，并使离心式压缩机的排气压力能限制在低于其上限值的范围上。其结果是，燃气轮机可工作在所需转速的范围中，由此使燃气轮机装置的可靠性增高。此外，由于离心式压缩机的排气压力波动程度减小，便能使设在离心式压缩机与燃气轮机之间的排气罐的容积下降。
权利要求
1.一种燃气轮机装置，其中包括一燃气轮机，该燃气轮机包括一压缩机级，一涡轮机级及一燃烧室，并用于将可燃烧气体如城市煤气或液化天然气借助于一离心式压缩机在压力下供给到所述燃烧室，并将该气体燃烧产生动力，及一燃气轮机控制装置，用于控制所述燃气轮机；其特征在于，其中所述离心式压缩机包括一气流管，通过它可燃烧气体流从所述离心式压缩机的出气口流到该压缩机的进气口，及一打开/关闭装置，用于打开及关闭所述气流管；及所述燃气轮机控制装置包括流速控制装置，用于控制该可燃烧气体的流速，及信号发生装置，用于产生与来自所述流速控制装置的信号同步的用于所述打开/关闭装置的打开/关断信号。
2.一种燃气轮机装置，其中包括一燃气轮机，该燃气轮机包括一压缩机级，一涡轮机级及一燃烧室，并用于将可燃烧气体如城市煤气或液化天然气借助于一离心式压缩机在压力下供给到所述燃烧室，并将该气体燃烧产生动力，及一燃气轮机控制装置，用于控制所述燃气轮机;其特征在于，其中所述燃气轮机装置包括燃料流速控制装置，用于控制可燃烧气体的流速，及所述离心式压缩机包括一气流管，通过它可燃烧气体流从所述离心式压缩机的出气口流到该压缩机的进气口，及一打开/关闭装置，用于打开及关闭所述气流管，及其中所述燃气轮机控制装置包括指令装置，用于提供一指令值，该指令值是由所述燃气轮机控制装置产生的并用于供给到所述燃料流速控制装置，当所述指令值供给到所述燃料流速控制装置时也同时地供给到所述打开/关闭装置。
3.一种涡轮型流体动力机，用于将城市煤气或液化天然气体在压力下供给到燃气轮机，它包括一个防止脉动的旁通通路，它延伸在所述流体动力机的出气口及该动力机的进气口之间;用于打开及关闭所述旁通通道的装置;设置在所述流体动力机进气口侧的流速控制装置;及用于产生信号的装置，用于彼此同步地驱动所述打开及关闭装置及所述流速控制装置。
4.根据权利要求1所述的燃气轮机装置，其中所述燃气轮机控制装置包括存储装置，在其中预先存储由所述信号发生装置产生的信号值及所述打开/关闭装置的开度之间的关系。
5.一种燃气轮机装置，其中包括一燃气轮机，该燃气轮机包括一压缩机级，一涡轮机级及一燃烧室，并用于将可燃烧气体如城市煤气或液化天然气借助助于一离心式压缩机在压力下供给到所述燃烧室，并将该气体燃烧产生动力，及一燃气轮机控制装置，用于控制所述燃气轮机;其特征在于其中所述燃气轮机控制装置包括起动控制装置;加速度控制装置;速度/负载控制装置;负载限制装置;废气温度控制装置;选择装置，用于在上述五个控制装置的各输出控制信号中选择最小的一个信号并用于输出所述最小信号;及流速控制装置，用于响应所述选择装置的输出来控制流过气流装置的燃料流速，可燃烧气体通过该气流装置从所述离心式压缩机的出气口流到该压缩机的进出口，及用于控制流到所述燃气轮机的燃料的流速。
6.根据权利要求5所述的燃气轮机装置，其中所述燃气轮机控制装置包括存储装置，在其中预先存储所述选择装置的输出信号及通过所述离心式压缩机的所述气流装置的流速之间的关系。
7.一种操作燃气轮机装置的方法，该装置使用由离心式压缩机在压力下供给的作为燃料的液化天然气或城市煤气，该方法包括下列步骤根据由设在所述燃气轮机装置内的燃气轮机控制装置中的起动装置、加速度控制装置、速度/负载控制装置、负载限制装置及废气温度控制装置各自输出的信号中至少一个信号产生燃料控制信号;及对进入所述燃气轮机装置的燃料的流速以及绕过所述离心式压缩机的燃料的流速、利用所述燃气轮机控制装置根据所述燃料控制信号进行控制。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述燃料控制信号以同步的方式被输出到所述燃气轮机装置的燃料流速控制装置及所述离心式压缩机的绕流流速控制装置。
全文摘要
在包括一涡轮机级及一压缩机级的燃气轮机装置中，当使气体燃料增压以输送燃料的离心式压缩机中发生突然的负载变化时，燃气轮机控制装置实行控制，以使压缩机排气压力保持在预定压力范围中。当压缩机的燃料流要被输入到燃气轮机控制装置中时，将与该燃料控制信号相对应的信号同时输入到燃气轮机燃料控制阀和压缩机的旁通阀上。当负载突然变化时，该旁通阀的开度改变到由预存储的燃料控制信号和旁通阀开度之间的关系确定的值上。
文档编号F02C9/28GK1112190SQ9411991
公开日1995年11月22日 申请日期1994年12月27日 优先权日1993年12月28日
发明者山田洋, 根岸忠信, 本田良次 申请人:株式会社日立制作所