專(zhuān)利名稱(chēng)：由使用空氣抽取在欠頻率運(yùn)行期間運(yùn)行燃?xì)鉁u輪機(jī)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及通過(guò)從壓縮機(jī)抽取空氣用于在例如欠頻率運(yùn)行的選擇的運(yùn)行條件期間運(yùn)行燃?xì)鉁u輪機(jī)的方法。
背景技術(shù)：
在配電網(wǎng)上要求的電力消耗的大量增加將趨向于導(dǎo)致電網(wǎng)的電運(yùn)行頻率的降低，從而導(dǎo)致“欠頻率”情況。例如，巨大的或突然的電力需求可能導(dǎo)致其額定運(yùn)行頻率為50Hz的特定的配電網(wǎng)暫時(shí)地以49Hz運(yùn)行。在利用一個(gè)或多個(gè)重型工業(yè)燃?xì)鉁u輪機(jī)來(lái)為電網(wǎng)提供電力的常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)，每個(gè)提供電力到電網(wǎng)的渦輪機(jī)的物理速度與電網(wǎng)的電頻率同步。不幸的是，當(dāng)其他情況相同而燃?xì)鉁u輪機(jī)的物理速度降低時(shí)，其動(dòng)力輸出相應(yīng)地降低。因此，在欠頻率情況期間，燃?xì)鉁u輪機(jī)將趨于輸出更低的動(dòng)力。過(guò)去，響應(yīng)于電網(wǎng)欠頻率情況(發(fā)生)的通用的操作是增加燃?xì)鉁u輪機(jī)的著火溫度以產(chǎn)生更多的動(dòng)力而力圖維持預(yù)先確定的輸出動(dòng)力水平。不幸的是，這樣的燃?xì)鉁u輪機(jī)的過(guò)著火可能降低多種在渦輪機(jī)內(nèi)的熱燃?xì)馔ǖ啦考念A(yù)期運(yùn)行壽命。
電網(wǎng)規(guī)則典型地要求動(dòng)力產(chǎn)生設(shè)備具有在欠頻率偏移期間維持負(fù)載的能力。世界各地多個(gè)地區(qū)具有不同的必須滿(mǎn)足的要求，以使動(dòng)力設(shè)備被考慮為適應(yīng)性的。典型地，燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)通過(guò)升高著火溫度以將發(fā)電機(jī)輸出維持在要求之內(nèi)來(lái)滿(mǎn)足這些要求。著火溫度的升高在給定的壓力比下增加了動(dòng)力輸出，這在渦輪機(jī)不接近任何運(yùn)行極限，例如最大壓力比能力或最大入口導(dǎo)向輪葉(IGV)位置時(shí)充分地起作用。升高著火溫度典型地通過(guò)增加供給到燃燒器的燃料流來(lái)實(shí)現(xiàn)。所有其他的情況相同時(shí)，燃料流的增加導(dǎo)致更高的渦輪機(jī)入口處的壓力，這又在壓縮機(jī)上施加了背壓。最終，添加更多的流導(dǎo)致了壓縮機(jī)壓力極限，這典型地通過(guò)由壓縮機(jī)排放空氣轉(zhuǎn)向到入口(入口放氣加熱)，和/或由燃料流的降低(且因此著火溫度的降低)而限制了通過(guò)渦輪機(jī)的流動(dòng)被觀察到。然而，此方法對(duì)于冷環(huán)境條件和/或低Btu(英制熱量單位)燃料(例如合成氣)的應(yīng)用具有有限的滿(mǎn)足電網(wǎng)規(guī)則要求的能力，原因是燃?xì)鉁u輪機(jī)壓縮機(jī)所遇到的可運(yùn)行性極限。
一些常規(guī)的用于產(chǎn)生動(dòng)力的燃?xì)鉁u輪機(jī)合并了可變?nèi)肟趯?dǎo)向輪葉(IGV)。這樣的可變定子輪葉提供了通過(guò)在壓縮機(jī)前級(jí)內(nèi)改變?nèi)肷浣?即空氣角度和在壓縮機(jī)葉片前緣的平均線(xiàn)角度之間的差異)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)空氣流的能力。這些可變IGV允許維持可接受的壓縮機(jī)無(wú)喘振運(yùn)行裕量。典型地，無(wú)喘振運(yùn)行的維持是用于燃?xì)鉁u輪機(jī)的壓縮機(jī)部件的關(guān)鍵運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。
Wickert等(美國(guó)專(zhuān)利6,794,766)提供了用于使裝配有可變定子輪葉(葉片)的燃?xì)鉁u輪機(jī)過(guò)著火的方法，以補(bǔ)償在欠頻率情況中的動(dòng)力輸出。Wickert利用了可變定子輪葉來(lái)以預(yù)先確定的方式增加由壓縮機(jī)部件消耗的空氣流的量，以排除和/或最小化在電網(wǎng)欠頻率情況期間所生成的輸出動(dòng)力水平的降低且維持在這樣的情況期間的安全裕量。然而，不是所有的燃?xì)鉁u輪機(jī)都裝配有可變定子輪葉以允許使用這樣的技術(shù)。進(jìn)一步地，如果達(dá)到了最大輪葉位置且同時(shí)遇到了壓力比極限，當(dāng)試圖增加輸出時(shí)僅此行動(dòng)可能不夠。在此情形中，必須采取其他的行動(dòng)以減輕壓力極限。
因此，希望的是在欠頻率運(yùn)行期間，利用在選擇的運(yùn)行期間將改進(jìn)動(dòng)力輸出且導(dǎo)致改進(jìn)的電網(wǎng)規(guī)則適應(yīng)的運(yùn)行方法。

發(fā)明內(nèi)容
簡(jiǎn)要地說(shuō)，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，在其中燃?xì)鉁u輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度與電網(wǎng)的電頻率同步且燃?xì)鉁u輪機(jī)包括壓縮機(jī)部件、空氣抽取通道和用于控制壓縮機(jī)空氣抽取的量的裝置的燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)中，提供了用于控制由燃?xì)鉁u輪機(jī)產(chǎn)生的輸出動(dòng)力的方法。方法包括初始化壓縮機(jī)空氣抽取且控制壓縮機(jī)空氣抽取的量。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，在其中燃?xì)鉁u輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度與電網(wǎng)的電頻率同步且燃?xì)鉁u輪機(jī)包括壓縮機(jī)部件、空氣抽取通道和用于控制壓縮機(jī)空氣抽取的量的裝置的燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)中，提供了用于控制由燃?xì)鉁u輪機(jī)產(chǎn)生的輸出動(dòng)力的方法。方法包括在電網(wǎng)欠頻率情況期間通過(guò)到大氣的排放通道、到能量回收設(shè)備的排放通道的至少一個(gè)初始化壓縮機(jī)空氣抽取和控制壓縮機(jī)空氣抽取量；降低到燃燒器的稀釋物流且升高著火溫度。
根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步方面，在其中燃?xì)鉁u輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度與電網(wǎng)的電頻率同步的燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)中，提供了控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)控制了初始化壓縮機(jī)空氣抽取且控制了抽取壓縮機(jī)空氣以增加到壓縮機(jī)壓力比極限的裕量。


當(dāng)參考附圖閱讀如下詳細(xì)描述時(shí)將更好地理解本發(fā)明的這些和其他特征、方面和優(yōu)點(diǎn)，在附圖中相同的符號(hào)在所有圖中代表相同的零件，其中圖1圖示了合并了標(biāo)準(zhǔn)的空氣流、燃料流和燃燒產(chǎn)物流的典型的燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)組。
圖2圖示了帶有多個(gè)在欠頻率運(yùn)行期間通過(guò)使用空氣抽吸允許燃?xì)鉁u輪機(jī)運(yùn)行的元件的燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)組。
具體實(shí)施例方式
前述的本發(fā)明的方面可以具有優(yōu)點(diǎn)，包括使用壓縮機(jī)空氣抽吸以提供在欠頻率情況期間簡(jiǎn)單和有效的運(yùn)行燃?xì)鉁u輪機(jī)的方法。
圖1圖示了組合循環(huán)燃?xì)鉁u輪機(jī)設(shè)備5，它包括壓縮機(jī)50、燃燒器52、燃?xì)鉁u輪機(jī)54、熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)56和與之相聯(lián)合的蒸汽渦輪機(jī)58。在環(huán)境情條件下的空氣在空氣進(jìn)口10處進(jìn)入軸流壓縮機(jī)50。已壓縮空氣12進(jìn)入燃燒器52，燃料在28處噴射到燃燒器52且在燃燒器52處發(fā)生燃燒。燃燒混合物14離開(kāi)燃燒器且進(jìn)入燃?xì)鉁u輪機(jī)54。在渦輪機(jī)部分，熱燃?xì)獾哪芰勘晦D(zhuǎn)化為功。此轉(zhuǎn)化分兩步進(jìn)行。在燃?xì)鉁u輪機(jī)54的噴嘴部分內(nèi)熱燃?xì)馀蛎浨也糠譄崮鼙晦D(zhuǎn)化為動(dòng)能。然后，部分動(dòng)能傳遞到燃?xì)鉁u輪機(jī)54的葉斗部分的旋轉(zhuǎn)的葉斗且轉(zhuǎn)化為功。由燃?xì)鉁u輪機(jī)54形成的部分功被用于驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)50，而剩余部分可用于生成電力。排氣16離開(kāi)燃?xì)鉁u輪機(jī)且流到HRSG 56，從而提供了能量來(lái)產(chǎn)生蒸汽以驅(qū)動(dòng)蒸汽渦輪機(jī)58。電力由燃?xì)鉁u輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)60和蒸汽渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)62生成且供給到電網(wǎng)64。
布雷頓循環(huán)是燃?xì)鉁u輪機(jī)運(yùn)行的熱力學(xué)循環(huán)。每個(gè)布雷頓循環(huán)的特征為壓力比和著火溫度。循環(huán)的壓力比是在12處的壓縮機(jī)排放壓力除以在10處的壓縮機(jī)入口壓力。著火溫度限定為在1級(jí)噴嘴后緣平面處的質(zhì)量流平均總溫度。已熟知在燃?xì)鉁u輪機(jī)內(nèi)升高的著火溫度是提供更高的每單元質(zhì)量流輸出且因此提供更高的輸出動(dòng)力的關(guān)鍵因素。壓縮機(jī)在連續(xù)運(yùn)行中可提供的最大壓力比通常根據(jù)從喘振壓力比線(xiàn)的裕量限定。壓縮機(jī)喘振限定為流的低頻振蕩，其中流從葉片分離且流方向反向。
圖2示出了可單獨(dú)使用或組合使用的用于組合循環(huán)燃?xì)鉁u輪機(jī)設(shè)備5上的空氣抽取的不同抽取點(diǎn)和排放路徑。在本發(fā)明的一個(gè)方面中，抽取空氣將從壓縮機(jī)50的出口和/或在20處從燃燒器52取得，且通過(guò)排放到大氣控制閥40而在22處被排出到大氣。壓縮機(jī)空氣可以進(jìn)一步在34處從壓縮機(jī)出口的壓縮機(jī)上游抽取。用于從燃?xì)鉁u輪機(jī)抽取空氣的特定的位置點(diǎn)取決于特別的裝備。例如，從General Electric“E”系列燃?xì)鉁u輪機(jī)抽取空氣典型地從壓縮機(jī)的出口抽取，而從GeneralElectric“F”系列燃?xì)鉁u輪機(jī)抽取空氣點(diǎn)典型地從燃燒器處。在本發(fā)明的另一個(gè)方面中，抽取的空氣通過(guò)排放到能量回收設(shè)備控制閥42可以排放到空氣抽取能量回收設(shè)備66?？諝獬槿∧芰炕厥赵O(shè)備66可以包括空氣分離單元(ASU)68和其他的回收設(shè)備76。ASU 68分離空氣內(nèi)的N2和O2。O2然后可以在氣化過(guò)程中用于產(chǎn)生用于燃?xì)鉁u輪機(jī)的合成氣燃料，而N2可以用作稀釋物或被排出。本發(fā)明的再另一個(gè)方面提供了將壓縮機(jī)50的出口空氣通過(guò)入口放氣控制閥44在26處抽取到壓縮機(jī)50的入口側(cè)。
所有其他因素相同時(shí)，因?yàn)榻档土说馁|(zhì)量流率輸入，單獨(dú)的空氣抽取將典型地導(dǎo)致動(dòng)力輸出的下降。然而，與空氣抽取同時(shí)在28處將附加的燃料供給到燃燒器52。通過(guò)空氣抽取的壓縮機(jī)空氣流的降低提供了對(duì)典型地遇到的壓縮機(jī)壓力比極限的緩解。因?yàn)閴嚎s機(jī)空氣流抽取提供了對(duì)壓縮機(jī)壓力比極限的緩解，增加的燃料流可以適應(yīng)在壓縮機(jī)壓力比極限內(nèi)。作為結(jié)果的燃?xì)鉁u輪機(jī)輸出動(dòng)力增加，同時(shí)維持到壓縮機(jī)壓力比的裕量。在欠頻率條件期間，與增加的著火一起使用空氣抽取將增加燃?xì)鉁u輪機(jī)輸出動(dòng)力以輔助滿(mǎn)足電網(wǎng)規(guī)則要求。
本發(fā)明的再另一個(gè)方面降低了到燃燒器52的稀釋物進(jìn)入流30。到燃燒器的更低的稀釋物流降低了總?cè)剂?空氣流率。因更低的稀釋物流率，到壓縮機(jī)壓力比極限的裕量被升高且更多的燃料可以添加到其位置以增加動(dòng)力。
在本發(fā)明的再進(jìn)一步的方面中，如果初級(jí)燃料是較貧的燃料，例如典型地是合成氣和處理燃料，燃燒器52可以與較富的替代燃料，例如天然氣或蒸餾物或與較富的替代燃料的共混物，在32處共同著火。因?yàn)榕c較富的替代燃料的共同著火在相同的燃料流率時(shí)允許了更高的動(dòng)力輸出，所以更高的輸出動(dòng)力可以以更低的總?cè)剂?空氣流率實(shí)現(xiàn)，因此維持了到壓縮機(jī)壓力比極限的裕量。
以上描述的用于允許來(lái)自燃?xì)鉁u輪機(jī)的更高的動(dòng)力輸出的單個(gè)的元素可以單獨(dú)或組合使用。
燃?xì)鉁u輪機(jī)的有效運(yùn)行要求處理多個(gè)關(guān)鍵渦輪機(jī)運(yùn)行參數(shù)，以確定對(duì)于例如燃料流和進(jìn)氣流的可控參數(shù)的最優(yōu)設(shè)定。這樣的運(yùn)行參數(shù)包括壓縮機(jī)入口和出口溫度和壓力、排放溫度和壓力等。用于控制燃?xì)鉁u輪機(jī)的控制系統(tǒng)或裝置的一個(gè)例子是General Electric Co.的SpeedtronicTMMark V控制系統(tǒng)，它被設(shè)計(jì)為完成所有燃?xì)鉁u輪機(jī)控制，包括速度和負(fù)載控制功能。這樣的控制系統(tǒng)由Andrew等(美國(guó)專(zhuān)利No.6,226,974)描述。Andrew描述了被聯(lián)接以接收輸入的控制器，輸入來(lái)自多個(gè)源，例如運(yùn)行控制器和多個(gè)聯(lián)接到渦輪機(jī)和動(dòng)力輸出裝置上的傳感器。控制器聯(lián)接到渦輪機(jī)執(zhí)行器系統(tǒng)，執(zhí)行器用于維持或建立特定的渦輪機(jī)運(yùn)行模式。執(zhí)行器包括但不限制于空氣流控制執(zhí)行器和燃料流控制執(zhí)行器。
在本發(fā)明的方面中，可以使用與Andrew等的系統(tǒng)類(lèi)似的控制系統(tǒng)，帶有或不帶有IGV控制?？刂葡到y(tǒng)也可以使用對(duì)控制閥的一個(gè)或組合的控制。參考圖2，控制系統(tǒng)80可以控制附加的執(zhí)行控制，例如向大氣控制閥40的排放、向能量回收設(shè)備控制閥42的排放和入口放氣控制閥44，它們抽取從壓縮機(jī)的排放流動(dòng)來(lái)的空氣的部分用于改進(jìn)到壓縮機(jī)壓力比極限的裕量，因此允許了用于動(dòng)力控制的增加的著火?？刂葡到y(tǒng)80初始化壓縮機(jī)空氣抽取且控制了從到大氣控制閥40的排放、到能量回收設(shè)備控制閥42的排放和入口放氣閥44的壓縮機(jī)空氣抽取的量。此外，控制系統(tǒng)80將進(jìn)一步控制到燃燒器70、稀釋物控制器72和替代燃料控制器74的燃料輸入。因?yàn)檫@樣的感測(cè)和執(zhí)行控制在本領(lǐng)域中以熟知，在此不需要參考用于空氣抽取運(yùn)行的執(zhí)行器控制來(lái)描述它們。
雖然在此僅圖示和描述了本發(fā)明的某些特征，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將想到許多修改和改變。因此，需理解的是附帶的權(quán)利要求書(shū)意圖于覆蓋所有這樣的如落入本發(fā)明的實(shí)際精神內(nèi)的修改和改變。
術(shù)語(yǔ)列表5 燃?xì)鉁u輪機(jī)設(shè)備10空氣進(jìn)口12壓縮空氣進(jìn)入燃燒器14燃燒混合物進(jìn)入渦輪機(jī)16排氣離開(kāi)渦輪機(jī)20從壓縮機(jī)出口/燃燒器的壓縮空氣抽取通道22到大氣的壓縮空氣抽取通道24到能量回收設(shè)備的壓縮空氣抽取通道26到入口空氣進(jìn)口的入口放氣通道28到燃燒器的燃料入口通道30到燃燒器的稀釋物入口通道32替代燃料源40排放到大氣控制閥42排放到能量回收設(shè)備控制閥44入口放氣控制閥50壓縮機(jī)52燃燒器54燃?xì)鉁u輪機(jī)56熱回收蒸汽發(fā)電機(jī)58蒸汽渦輪機(jī)60燃?xì)鉁u輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)62蒸汽渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)64電網(wǎng)66空氣抽取能量回收設(shè)備68空氣分離單元70燃料控制器72稀釋物控制器74替代燃料控制器
76回收設(shè)備80控制系統(tǒng)
權(quán)利要求
1.在其中發(fā)電機(jī)(60)的旋轉(zhuǎn)速度與電網(wǎng)(64)的電頻率同步的燃?xì)鉁u輪機(jī)設(shè)備(5)中，燃?xì)鉁u輪機(jī)設(shè)備(5)包括渦輪機(jī)(54)、壓縮機(jī)(50)、燃燒器(52)、空氣抽取通道(20)和用于控制空氣抽取(20)的量的裝置(80)，一種用于控制由燃?xì)鉁u輪機(jī)設(shè)備(5)產(chǎn)生的輸出動(dòng)力的方法，其包括在電網(wǎng)(64)上的欠頻率情況期間初始化空氣抽取(20)和控制空氣抽取(20)的量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在電網(wǎng)(64)上的欠頻率情況期間控制燃?xì)鉁u輪機(jī)設(shè)備(5)的輸出動(dòng)力的方法，進(jìn)一步包括通過(guò)空氣抽取(20)來(lái)增加到壓縮機(jī)比極限的裕量和增加燃?xì)鉁u輪機(jī)(54)的著火。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的在電網(wǎng)(64)上的欠頻率情況期間控制燃?xì)鉁u輪機(jī)設(shè)備(5)的輸出動(dòng)力的方法，進(jìn)一步包括從壓縮機(jī)(50)抽取空氣(20)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的在電網(wǎng)(64)上的欠頻率情況期間控制燃?xì)鉁u輪機(jī)設(shè)備(5)的輸出動(dòng)力的方法，進(jìn)一步包括從燃燒器(52)抽取空氣。
5.根據(jù)權(quán)利要求3和4所述的在電網(wǎng)(64)上的欠頻率情況期間遵照電網(wǎng)規(guī)則要求控制燃?xì)鉁u輪機(jī)設(shè)備(5)的輸出動(dòng)力的方法，進(jìn)一步包括將抽取的空氣(20)排放到大氣(22)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3和4所述的在電網(wǎng)(64)上的欠頻率情況期間控制燃?xì)鉁u輪機(jī)設(shè)備(5)的輸出動(dòng)力的方法，進(jìn)一步包括將抽取的空氣(20)排放到空氣抽取能量回收設(shè)備(66)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在電網(wǎng)(64)上的欠頻率情況期間控制燃?xì)鉁u輪機(jī)設(shè)備(5)的輸出動(dòng)力的方法，進(jìn)一步包括降低添加到壓縮機(jī)(50)的稀釋物；和增加著火溫度以提高動(dòng)力。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在電網(wǎng)(64)上的欠頻率情況期間控制燃?xì)鉁u輪機(jī)設(shè)備(5)的輸出動(dòng)力的方法，進(jìn)一步包括通過(guò)入口放氣(44)增加到壓縮機(jī)比極限的裕量；和增加著火溫度以提高動(dòng)力。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在電網(wǎng)(64)上的欠頻率情況期間控制燃?xì)鉁u輪機(jī)設(shè)備(5)的輸出動(dòng)力的方法，進(jìn)一步包括如果初級(jí)燃料(70)是例如合成氣和處理燃料的較貧的燃料，則與較富的替代燃料(74)一起著火，較富的替代燃料包括天然氣、蒸餾物和與較富的燃料的共混物。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在電網(wǎng)(64)上的欠頻率情況期間控制燃?xì)鉁u輪機(jī)設(shè)備(5)的輸出動(dòng)力的方法，進(jìn)一步包括在欠頻率情況后的運(yùn)行期間繼續(xù)空氣抽取(20)且控制(80)空氣抽取(20)的量。
全文摘要
本發(fā)明涉及由使用空氣抽取在欠頻率運(yùn)行期間運(yùn)行燃?xì)鉁u輪機(jī)的方法。在其中發(fā)電機(jī)(60)的旋轉(zhuǎn)速度與電網(wǎng)(64)的電頻率同步且燃?xì)鉁u輪機(jī)設(shè)備(5)包括渦輪機(jī)(54)、壓縮機(jī)(50)、燃燒器(52)、空氣抽取通道(20)和用于控制空氣抽取(20)的量的裝置(80)的燃?xì)鉁u輪機(jī)設(shè)備(5)中，提供了用于控制由燃?xì)鉁u輪機(jī)設(shè)備(5)產(chǎn)生的輸出動(dòng)力的方法。方法包括在電網(wǎng)(64)上的欠頻率情況期間初始化空氣抽取(20)且控制空氣抽取(20)的量。
文檔編號(hào)F02C9/28GK101078368SQ20071010455
公開(kāi)日2007年11月28日 申請(qǐng)日期2007年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月26日
發(fā)明者J·貝里 申請(qǐng)人:通用電氣公司