構(gòu)造為調(diào)整電力輸出的燃氣渦輪機發(fā)動的制造方法
【專利摘要】一種燃氣渦輪機發(fā)動機和控制燃氣渦輪機發(fā)動機的方法，燃氣渦輪機發(fā)動機可利用在具有多個附加發(fā)電來源的電網(wǎng)中。燃氣渦輪機發(fā)動機構(gòu)造有包含擴大的質(zhì)量流體積的壓縮機。燃氣渦輪機發(fā)動機可在基礎負載下運行，用于以發(fā)動機的部分負載和最佳效率將電力供應給電網(wǎng)，并且可以升高到更高的輸出，以向電網(wǎng)供應峰值負載輸出。
【專利說明】構(gòu)造為調(diào)整電力輸出的燃氣渦輪機發(fā)動機
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求2012年3月5日提交的、題為“構(gòu)造為調(diào)整電力輸出的燃氣渦輪機發(fā)動機(GAS TURBINE ENGINE CONFI⑶RED TO SHAPE POWER OUTPUT) ” 的美國臨時專利申請序列N0.61/606, 537的優(yōu)先權，其全部內(nèi)容通過引用并入本文。

【技術領域】
[0003]本發(fā)明涉及一種燃氣渦輪機發(fā)動機，并且更具體地涉及一種在基礎負載中產(chǎn)生電力以及在電網(wǎng)上峰化(peaking)電力的燃氣渦輪機發(fā)動機。

【背景技術】
[0004]使用燃氣渦輪機進行電力生產(chǎn)已有幾十年。在那個時候，行業(yè)已顯著變化，而這帶動了用于電力生產(chǎn)的燃氣渦輪機的期望屬性和容量的改變。在20世紀80年代和90年代初，燃氣渦輪機初步用于基礎負載運行。自那時起，運行要求發(fā)生了變化，隨后燃氣渦輪機用于加載隨著時間推移經(jīng)常變化的工作負載。這一要求不斷擴大，并在最近引入風與不能完全控制或預測斜坡的其它來源的較大組合的情況下，期望具有能夠很快上升和下降的燃氣渦輪機。為了解決基礎負載、波動負載和峰化負載的要求，采用各種尺寸的燃氣渦輪機使之能夠解決每種需求所需的期望電力量。
[0005]工業(yè)燃氣渦輪機在歷史上用于生產(chǎn)盡可能多的電力，產(chǎn)生了在最大負載時以最大效率運行的發(fā)動機設計。燃氣渦輪機設計的這種途徑很大程度上基于燃氣渦輪機的效率特性。對于給定的燃氣渦輪機設計，效率曲線具有特性形狀。從空氣動力學的角度來看，從最低的運行點到最大的運行點，效率曲線傾斜緩慢直到最大效率。然而，一旦達到最大效率，它將會急劇下降，以進一步提高電力。這種下降是由于有流體超出了一排翼型件的最佳設計因而發(fā)生在渦輪機中的空氣動力損失。由于這種現(xiàn)象，行業(yè)慣例是設計和/或控制發(fā)動機，使得它們在非?？拷怀^其最大效率這一點達到它們的最大功率。
[0006]在過去，燃氣渦輪機作為基礎負載單元運行，或者用于短時間內(nèi)峰化電力供應?；A負載單元以最大功率運行一段延長時間。希望峰化器(peakers)頻繁地循環(huán)，以便當需求增加時供應額外的電力。在美國，區(qū)域電網(wǎng)可能由核能、煤、風、燃氣發(fā)電組合地供應，燃氣在白天按需求進出峰值或升降，包括提供電網(wǎng)的額外電力要求，作為例如太陽能和風能、波動能等可再生能源的輸出。
[0007]由于需要引入更多的運行靈活性，發(fā)動機設計出現(xiàn)了效率曲線的扁平化，而一些工業(yè)設計開始將來自飛機發(fā)動機的一些特征引入到工業(yè)發(fā)動機中。這些特性是引入多排壓縮機可變?nèi)~輪(vanes)。在許多工業(yè)燃氣渦輪機設計中，只有一排葉輪用于調(diào)節(jié)進入壓縮機的空氣的質(zhì)量流。當只使用了一排時，大量質(zhì)量流的減少導致壓縮機效率的大量降低。當使用了多排時，壓縮機質(zhì)量流可以顯著變化，而不會顯著改變壓縮機效率。雖然有所改善，但具有質(zhì)量流的壓縮機的這種較低效率損耗不會改變渦輪機反應到質(zhì)量流的方式，而且燃氣渦輪機目前一般被設計和/或控制成使得最大功率和最大效率非常接近。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種被構(gòu)造用于發(fā)電的燃氣渦輪機發(fā)動機系統(tǒng)。所述燃氣渦輪機發(fā)動機包括壓縮機、燃燒器和渦輪機。所述壓縮機向所述燃燒器提供壓縮空氣，用于與燃料燃燒，以產(chǎn)生熱工作氣體，并且所述渦輪機接收所述熱工作氣體來產(chǎn)生電力。所述壓縮機和潤輪機參照參考發(fā)動機(reference engine)來構(gòu)造,其中所述參考發(fā)動機限定一構(gòu)造，對于預定渦輪機入口溫度所述構(gòu)造具有預定的質(zhì)量流，用以在預定壓縮機入口條件下以所述參考發(fā)動機的最大電力輸出來產(chǎn)生最佳效率。本發(fā)明的渦輪機包括與參考發(fā)動機的渦輪機基本相同的構(gòu)造。然而，壓縮機具有與參考發(fā)動機的壓縮機不同的構(gòu)造，其中本發(fā)明的壓縮機的尺寸大于參考發(fā)動機的壓縮機，以提供壓縮機的大于參考發(fā)動機壓縮機上部流動容量的最大流動容量。另外，入口導向葉輪(inlet guide vanes, IGV)設置在壓縮機的入口處，IGV具有一位置，用于減少進入壓縮機的空氣質(zhì)量流，小于用于在參考發(fā)動機的預定渦輪機入口溫度下以最佳效率運行發(fā)動機的最大流動容量而流動。
[0009]IGV的預定位置限定了進入發(fā)動機壓縮機用于產(chǎn)生基礎負載輸出的空氣質(zhì)量流，并且從預定位置朝向更加打開位置打開IGV可以增加燃氣渦輪機發(fā)動機系統(tǒng)的電力輸出。
[0010]IGV朝向更加打開位置的運動可以在由預定渦輪機入口溫度限定的恒定渦輪機入口溫度下產(chǎn)生電力輸出增加。
[0011]電力輸出增加可以超過IGV朝向更加打開位置移動時的基礎負載輸出增加至少10%。
[0012]IGV可以從預定位置朝向閉合位置移動，減少流向壓縮機的空氣質(zhì)量流，其中IGV可適于減少進入壓縮機的空氣質(zhì)量流，低于基礎負載電力輸出下的空氣質(zhì)量流的至少20%，以提供減少的部分負載電力輸出。
[0013]IGV朝向更加打開位置的運動可適于提供恒定的基礎負載電力輸出，增加壓縮機入口空氣溫度超過預定壓縮機入口條件。
[0014]預定壓縮機入口條件可以是用于燃氣渦輪機發(fā)動機的ISO條件。
[0015]所述壓縮機可以具有多級，每級由一排靜止葉輪和一排旋轉(zhuǎn)葉片限定，并且其中對壓縮機的前三分之一級，其入口端部的尺寸可以具有比參考發(fā)動機的壓縮機的相應級更大的外徑。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種控制發(fā)電廠以在電網(wǎng)上產(chǎn)生電力的方法，所述方法包括:
[0017]提供被構(gòu)造用于發(fā)電的燃氣渦輪機發(fā)動機系統(tǒng)，提供燃氣渦輪機發(fā)動機系統(tǒng)包括:
[0018]提供壓縮機、燃燒器和渦輪機，所述壓縮機向所述燃燒器提供壓縮空氣，用于與燃料燃燒，以產(chǎn)生熱工作氣體，并且所述渦輪機接收所述熱工作氣體來產(chǎn)生電力；
[0019]提供壓縮機、燃燒室和渦輪機的步驟包括參照參考發(fā)動機來構(gòu)造所述壓縮機和渦輪機，其中所述參考發(fā)動機限定一構(gòu)造，對于預定渦輪機入口溫度所述構(gòu)造具有預定的質(zhì)量流，用以在對應于目標入口空氣溫度、目標相對濕度和目標大氣壓力的預定壓縮機入口條件下產(chǎn)生最佳效率，從而產(chǎn)生參考發(fā)動機的最大電力輸出，其中所述渦輪機包括與所述參考發(fā)動機的潤輪機基本相同的構(gòu)造；
[0020]其中所述壓縮機具有與所述參考發(fā)動機的壓縮機不同的構(gòu)造，其中所述壓縮機的尺寸大于所述參考發(fā)動機的壓縮機，以提供所述壓縮機的大于所述參考發(fā)動機的壓縮機的上部流動容量的最大流動容量；
[0021]將入口導向葉輪(IGV)設置在所述壓縮機的入口處，所述IGV具有一位置，用于減少進入所述壓縮機的空氣質(zhì)量流，小于用于在所述參考發(fā)動機的預定渦輪機入口溫度下以最佳效率運行所述發(fā)動機的最大流動容量而流動；以及
[0022]在第一模式下運行燃氣渦輪機發(fā)動機系統(tǒng)，以提供恒定的電力輸出，連續(xù)升高壓縮機入口溫度超過目標入口空氣溫度，運行燃氣渦輪機系統(tǒng)的步驟包括:
[0023]a)移動IGV以增加進入壓縮機的空氣質(zhì)量流；以及
[0024]b)在移動IGV以增加空氣質(zhì)量流期間在預定渦輪機入口溫度下保持渦輪機入口溫度恒定。
[0025]運行燃氣渦輪機發(fā)動機系統(tǒng)的步驟可以進一步包括:
[0026]c)響應于步驟a)和b)使第二模式增加發(fā)電廠的凈電力輸出，燃氣渦輪機發(fā)動機系統(tǒng)的效率相應地降低低于最佳效率。
[0027]當IGV處于預定位置時發(fā)電廠的電力輸出可以是基礎負載輸出。
[0028]步驟c)增加的電力輸出可以至少超過基礎負載輸出的10%。
[0029]所述方法還可以包括:朝向閉合位置移動IGV，以減少進入壓縮機的空氣質(zhì)量流，低于基礎負載電力輸出下的空氣質(zhì)量流的至少15%,從而提供了減少的部分負載電力輸出。
[0030]減少的部分負載電力輸出可以低于基礎負載電力輸出的至少15%。
[0031]所述方法還可以包括:提供具有蒸汽渦輪機的發(fā)電廠，并且提供具有熱回收蒸汽發(fā)生器(heat recovery steam generator, HRSG)的燃氣潤輪機發(fā)動機系統(tǒng)，并且其中:
[0032]步驟c)在第一凈電力成本增加處提供了電力增加，第一凈電力成本增加定義為第一(凈熱耗率的變化)/(凈電力輸出的變化)；以及
[0033]在步驟c)之后，通過向燃氣渦輪機發(fā)動機系統(tǒng)提供管道燃燒來增加發(fā)電廠輸出，以增加HRSG中的蒸汽產(chǎn)生，其中管道燃燒在第二凈電力成本增加處提供了發(fā)電廠的凈電力輸出增加，第二凈電力成本增加定義為第二(凈熱耗率的變化)/(凈電力輸出的變化)，比所述第一凈電力成本增加顯著更大。
[0034]步驟c)在第一凈電力成本增加處的電力增加可提供發(fā)電廠的凈輸出增加，超過基礎負載輸出至少10%，凈熱耗率的相應增加小于2%。
[0035]在第二凈電力成本增加處，發(fā)電廠的凈輸出增加的約10%可以產(chǎn)生于在第一凈電力成本增加處提供的電力增加之后，凈熱耗率的相應增加大于2%。
[0036]所述第二凈電力成本增加可以大于所述第一凈電力成本增加約八倍。
[0037]在所述第一凈電力成本增加處提供的凈電力增加可以至少等于或大于由所述第二凈電力成本增加提供的凈電力增加。
[0038]在所述第一凈電力成本增加處提供的凈電力增加可以發(fā)生，而不會影響到燃氣渦輪機發(fā)動機系統(tǒng)渦輪機內(nèi)熱工作氣體的溫度對服務間隔的影響。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0039]雖然本說明書結(jié)尾的權利要求特別指出并清楚地要求保護本發(fā)明，但應認為，結(jié)合附圖從下面的描述中將更好地理解本發(fā)明，其中相同的附圖標記標識相同的元件，并且其中:
[0040]圖1是包括根據(jù)本發(fā)明一方面的燃氣渦輪機發(fā)動機的電網(wǎng)的示意圖；
[0041]圖2是示出由可再生能源提供到電網(wǎng)的能量變化的曲線圖；
[0042]圖3是根據(jù)本發(fā)明各方面構(gòu)造的燃氣渦輪機發(fā)動機；
[0043]圖4是示出由根據(jù)本發(fā)明各方面的燃氣渦輪機發(fā)動機提供的一系列運行的曲線圖；
[0044]圖5是示出根據(jù)本發(fā)動機各方面構(gòu)造的燃氣渦輪機發(fā)動機相對于公知燃氣渦輪機發(fā)動機的效率比較的曲線圖；和
[0045]圖6是結(jié)合管道燃燒整合有根據(jù)本發(fā)動機各方面構(gòu)造的燃氣渦輪機發(fā)動機的聯(lián)合循環(huán)電廠相對于結(jié)合管道燃燒整合有公知燃氣渦輪機發(fā)動機的聯(lián)合循環(huán)電廠的比較運行的曲線圖。

【具體實施方式】
[0046]在優(yōu)選實施方式的以下詳細說明中，參考了形成其一部分的附圖，并且其中通過舉例的方式而不是通過限制的方式示出了本發(fā)明可以實踐的特定優(yōu)選實施方式。但是應當理解的是，可以利用其它實施方式，并且可以在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下做出改變。
[0047]本發(fā)明涉及一種燃氣渦輪機發(fā)動機以及相對于具有多個附加發(fā)電來源的電網(wǎng)控制燃氣渦輪機發(fā)動機的方法。特別地，電網(wǎng)可以包括一種或多種可再生能源，例如風力電力源和太陽能電力源。此外，可以希望的是，電網(wǎng)包括多種其它貢獻電力源，其可包括，但不一定限于，一種或多種核能、煤和基于燃氣渦輪機的動力源。
[0048]圖1示出了燃氣渦輪機發(fā)動機10，其也可以被稱為燃氣渦輪機發(fā)動機系統(tǒng)，可以位于燃氣發(fā)電廠12中并連接到電網(wǎng)14。發(fā)電廠12可僅包括燃氣渦輪機發(fā)動機10，或者例如可以包括含有底循環(huán)(bottoming cycle)的聯(lián)合循環(huán)電廠(combined cycle plant),例如可以由利用渦輪發(fā)動機10的廢氣熱通過蒸汽供給燃料的蒸汽渦輪機11提供。電網(wǎng)14的需求可以進一步從其它來源供應，對于本例示來說其它來源包括含有風力電力源16和太陽能電力源18的可再生能源15。如圖2所示，提供由線19表示的各種電力源以滿足需求，其可以在任何給定的時間段期間波動，其中可從風力電力源得到的電力由線16a描繪，可從太陽能電力源得到的電力由線18a描繪，而聯(lián)合的風力和太陽能電力由線21描繪。
[0049]可再生能源15通常不表示可調(diào)度發(fā)電。即，可從可再生能源15得到的輸出不能按需“接通”，而來自這些來源的電力通常在它可得到時進行調(diào)度，以便當能源可從這些來源得到時最大限度地進行利用。因此，除了由線19表示的需求變化，來自可再生能源15的電力貢獻可能會波動很大，這取決于白天時間和氣候條件，如時間位置13和17所描繪。例如，從可再生能源15到電網(wǎng)14的聯(lián)合電力輸入可急劇上升，如圖2曲線圖的區(qū)段20和區(qū)段22左部所示。類似地，聯(lián)合電力輸入可急劇降低，如圖2曲線圖的區(qū)段22右部所示。因此，可再生能源15使用的增加已經(jīng)推出了規(guī)定:諸如燃氣發(fā)電廠12等可調(diào)度發(fā)電來源要補償供應到電網(wǎng)14的能源的減少和增加，并且要響應可比擬可再生能源15所引入變化的升降比率和幅度的比率和幅度。
[0050]可以指出的是，雖然可再生能源15用作引入到電網(wǎng)14的變化的來源示例，但需要可調(diào)度能源的響應，除非權利要求另外指出，本發(fā)明并不一定限于電網(wǎng)14上的這個變化電力源。即，本文所描述的本發(fā)明的各方面可具有廣泛的應用范圍，以提供被構(gòu)造為響應于電力輸出升降的大量需求的燃氣渦輪機發(fā)動機10。
[0051]在通常運行中，當增加的電力水平可從可再生能源15中得到時，有可能降低基礎負載發(fā)電廠的電力需求，例如可能發(fā)生在特定時段期間?？商娲?，當來自可再生能源15的可用電力跌落時，需要有額外容量，該額外容量可從諸如燃氣發(fā)電廠12等基礎負載發(fā)電廠容易得到，以及可以由核電廠和燃煤電廠提供。隨著可再生能源15容量的增加，連同電網(wǎng)14與這些可再生能源15的關聯(lián)性依賴，有必要增加燃氣電廠12的靈活性，以對可再生能源15引入的變化做出響應。特別地，在一些地區(qū)，可再生能源提供給電網(wǎng)14的量可以非常大，從燃氣電廠12具有較大斜率的相關要求，以止住可再生能源15產(chǎn)生能量的波動。
[0052]可實施各種途徑以從基礎負載電廠提供額外的電力，以便補償可再生能源的變化量的能量。例如，可以從燃氣渦輪機發(fā)動機提供較低水平的峰化電力，其中在有限的時間周期內(nèi)，相比用于發(fā)動機的額定基礎負載輸出，發(fā)動機以更高的輸出運行。此外，在聯(lián)合循環(huán)電廠的情況下，管道燃燒可以用于增加供應至蒸汽渦輪機的蒸汽能量。當采用峰化電力時，通?？刂迫細鉁u輪機發(fā)動機在比基礎負載溫度更高的溫度下運行。在這種情況下，犧牲了發(fā)動機部件壽命，以獲得額外的電力，但通常發(fā)動機效率得到保持甚至增加。即，通過增大渦輪機入口溫度所獲得的額外燃氣渦輪機發(fā)動機輸出可以不利地影響到暴露于經(jīng)過渦輪機的熱工作氣體的高溫下的渦輪機部件的壽命。
[0053]根據(jù)本發(fā)明的一方面，燃氣渦輪機發(fā)動機10被構(gòu)造成提供超過基礎負載輸出的附加輸出容量，并且額外提供增加的輸出，而不會影響渦輪機部件的壽命。相對于渦輪發(fā)動機10，應當理解的是，燃氣渦輪機通常設計有壓縮機，以提供用于燃燒的壓縮空氣，壓縮空氣作為熱工作氣體供應至渦輪機，其中壓縮機的尺寸或構(gòu)造做成提供最大的空氣質(zhì)量流，其對應于預定渦輪機入口溫度下的發(fā)動機的最佳效率。此外，燃氣渦輪機發(fā)動機的設計通常參照被稱為ISO條件的某些標準化環(huán)境條件來執(zhí)行。燃氣渦輪機行業(yè)所使用的標準條件(ISO條件)列出在ISO 3977-2中，并包括59F/15C、14.7psia/l.013巴和60%的相對濕度。
[0054]根據(jù)本發(fā)明的總體方面，燃氣渦輪機發(fā)動機10與具有類似或更低額定電力輸出的渦輪發(fā)動機相比被構(gòu)造成在相對較高的上升率下提供增加的輸出電力，并且如此構(gòu)造基本上不會影響熱的部件的壽命或者這些部件的定期維護。即，燃氣渦輪機發(fā)動機10被構(gòu)造成提供超過基礎負載輸出的增加的電力輸出，不會影響發(fā)動機10的部件壽命或者具有可忽略的影響。通過增加通過發(fā)動機10的質(zhì)量流來提供本發(fā)明所描述的方面，以提供增加的發(fā)動機電力輸出，而不需要或不必提供增加的渦輪機入口溫度。特別地，在ISO條件或一些其它確定的或預定的目標環(huán)境條件下，通過增加質(zhì)量流超過在基礎負載點以最大效率運行發(fā)動機所需的質(zhì)量流來提供發(fā)動機10的增加的電力輸出。
[0055]參照圖3，示出了燃氣渦輪機發(fā)動機10，其包括壓縮機32、渦輪機34和燃燒器區(qū)段36，燃燒器區(qū)段36用于接收來自壓縮機32的壓縮空氣，并將壓縮空氣與燃料相結(jié)合以產(chǎn)生供應到渦輪機34的熱工作氣體。本發(fā)動機10的壓縮機32可參考現(xiàn)有技術發(fā)動機構(gòu)造進行描述，在本文中稱為“參考發(fā)動機”。根據(jù)本發(fā)明的上述方面，針對最大或最優(yōu)效率下的最大電力輸出，相比設計成向同一燃燒器區(qū)段36和渦輪機34供應空氣的參考發(fā)動機的壓縮機，壓縮機32被構(gòu)造為向燃燒器區(qū)段36和渦輪機34供應更大體積的空氣，其中發(fā)動機的輸出比較在恒定的條件下執(zhí)行。即，發(fā)動機的輸出比較是在預定的壓縮機入口條件下執(zhí)行，該條件對應于目標入口溫度、目標相對濕度和目標大氣壓，例如是ISO條件或任何其它預定的目標條件。
[0056]根據(jù)本發(fā)明的一方面，壓縮機32的體積增加可以通過提供壓縮機32的擴大正面范圍來實施，以允許較高的質(zhì)量流，如圖3中由圍繞參考發(fā)動機的壓縮機的一部分前部的虛線部分30所示。具體地，相比于參考發(fā)動機的壓縮機，壓縮機32設有較大的壓縮機套管38，其包括較大外徑并包括較大的壓縮機翼型件，S卩(跨度和/或翼長)較大的壓縮機葉片40和葉輪42。因此，葉片40和葉輪42構(gòu)造成移動更大體積的空氣通過壓縮機32。根據(jù)本發(fā)明的再一方面，有關壓縮機的前三分之一級，在其入口端部處，其尺寸具有比參考發(fā)動機的壓縮機的對應級更大的外徑，在圖示的示例中，壓縮機32的第一級至第五級設有較大的外徑和較大的壓縮機翼型件。
[0057]另外，壓縮機32的包括入口歧管46和入口套管48的入口被擴大，以允許更高體積的空氣流進入壓縮機32?？勺円硇图脖粩U大，其用于控制空氣流從入口套管48進入壓縮機的入口，并且包括入口導向葉輪(IGV)44。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，可以提供四排IGV44，用于控制空氣流進入壓縮機32，其中為了增加或限制空氣流進入壓縮機32，當IGV 44旋轉(zhuǎn)到不同的旋轉(zhuǎn)位置時，多排IGV 44便于保持壓縮機的效率。
[0058]發(fā)動機10的重新構(gòu)造的壓縮機32可以參考現(xiàn)有技術發(fā)動機構(gòu)造進行描述。在具體的示例性實施方式中，現(xiàn)有技術發(fā)動機可以是西門子發(fā)動機型號SGT6-5000F。如上所述，現(xiàn)有技術發(fā)動機被稱為“參考發(fā)動機”，其中本發(fā)明的燃氣渦輪機發(fā)動機10的壓縮機32和渦輪機34參考參考發(fā)動機進行構(gòu)造。參考發(fā)動機被定義為這樣的發(fā)動機:對于預定的渦輪機入口溫度其設計的構(gòu)造具有預定的質(zhì)量流，以在參考發(fā)動機的最大電力輸出下產(chǎn)生預定(目標)壓縮機入口條件下的最佳效率。例如，如果這樣設置，則這樣的發(fā)動機可以用IGV以基礎負載最大輸出運行在全開或全流位置。應當指出的是，IGV “全開”位置指的是用于朝向打開位置移動IGV的預限定的極限，該位置可能不對應于IGV的可得到物理運動的全部程度。本發(fā)動機10的渦輪機34包括與參考發(fā)動機的渦輪機基本相同的構(gòu)造。S卩，渦輪機34被構(gòu)造成當設有與參考發(fā)動機相同的質(zhì)量流和渦輪機入口溫度時具有最大功率和最佳效率。另外，本發(fā)動機10的燃燒器區(qū)段36可以與參考發(fā)動機的燃燒器區(qū)段相同。
[0059]發(fā)動機10的壓縮機32設有與參考發(fā)動機壓縮機不同的構(gòu)造，其中壓縮機32的尺寸做得比參考發(fā)動機的壓縮機更大，以提供更大體積的空氣，壓縮機32具有大于參考發(fā)動機的壓縮機上部質(zhì)量流動容量的最大流動容量。另外，壓縮機32提供了更高的壓力比，具有比參考發(fā)動機更高的浪涌極限(surge limit)。
[0060]發(fā)動機10的IGV 44旋轉(zhuǎn)到基礎負載位置，該位置對于該發(fā)動機定義為O度的位置，在運行的基礎負載點(針對預定或目標壓縮機入口條件)將空氣的質(zhì)量流約束至發(fā)動機10，以產(chǎn)生電力輸出，其一般等于參考發(fā)動機在其最佳效率下的最大電力輸出。在基礎負載運行時，發(fā)動機10在針對發(fā)動機10的最佳效率下運行。因此,發(fā)動機10的基礎負載運行可被表征為發(fā)動機10在部分負載和最佳效率下的運行，同時產(chǎn)生的電力輸出等于以最佳效率運行并以同一渦輪機入口溫度運行的參考發(fā)動機的最大電力輸出。
[0061]移動IGV 44至減小的角度，以允許更大的空氣質(zhì)量流進入壓縮機32，從而對于給定的負載產(chǎn)生來自發(fā)動機10的增加的電力輸出。例如，根據(jù)本發(fā)明的一方面，IGV 44可從基礎負載位置移動到非約束或充分的質(zhì)量流位置，以提供增加的空氣質(zhì)量流進入壓縮機32，大于基礎負載點質(zhì)量流的5%，輸出電力相應增加了約5%。更優(yōu)選地，并且根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方面，發(fā)動機10提供了增加的空氣質(zhì)量流進入壓縮機32，至少增加約10%，在高環(huán)境溫度條件下輸出電力相應增加了約10%，例如環(huán)境溫度高于與預定或目標壓縮機入口條件相關聯(lián)的溫度。如上所述，針對給定的負載獲得了增加的質(zhì)量流和伴隨增加的電力輸出，同時保持了渦輪機入口溫度恒定，即處于基礎負載渦輪機入口溫度，從而避免對渦輪機部件的壽命產(chǎn)生影響，如果渦輪機入口溫度升高以增加電力，則另外可能會發(fā)生對渦輪機部件壽命的影響。另外，隨著發(fā)動機電力增加超過運行的基礎負載點，發(fā)動機效率降低而接近滿電力。
[0062]除了通過打開IGV 44為發(fā)動機10提供增加電力超過基礎負載運行點的能力，IGV44可從基礎負載位置移動到升高樞轉(zhuǎn)位置，或者從O度位置增加角度，進一步約束空氣質(zhì)量流進入壓縮機32，低于以基礎負載運行設置的質(zhì)量流，用于實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎向下(turn-down)或部分負載運行。用于發(fā)動機10的IGV 44在部分負載下可關閉空氣流的體積或降低到至少約20%的值，其低于提供給以基礎負載運行的參考發(fā)動機的體積。通過壓縮機32提供的減小的流量不會不利地影響轉(zhuǎn)彎向下時的排放，使得轉(zhuǎn)彎向下運行得以實施，同時在可接受的減少水平保持排放如氮氧化物和一氧化碳。
[0063]發(fā)動機10的電力輸出可以在大的可調(diào)節(jié)范圍內(nèi)進行控制，從超過最大功率下基礎負載運行點的約10%到低于基礎負載下轉(zhuǎn)彎向下的約15%。另外，通過控制空氣質(zhì)量流進入壓縮機32來控制電力輸出能夠改進發(fā)動機10迅速地升斜電力的能力，以跟隨電網(wǎng)14的負載要求。
[0064]將發(fā)動機10的最佳性能設計移動到部分負載點對于所有者/經(jīng)營者產(chǎn)生了若干有利方案。此發(fā)動機10的特別有利的方面在于，它使通常與兩種類型的發(fā)電相關聯(lián)的運行構(gòu)建于一個發(fā)動機中。即，可以聯(lián)合使用基礎負載發(fā)電廠和峰化渦輪發(fā)動機或“峰化器”。發(fā)動機10可以在“基礎負載”下以其最佳效率運行。在電網(wǎng)14將通常需要調(diào)度峰化器的方案中，基礎負載的發(fā)動機可升降其剩余的負載，以提供額外的電力。該剩余電力導致基礎負載單元的整體效率降低，但是當對比于運行基部負載單元然后調(diào)度附加高效率峰化單元時，效率損失可以由峰化發(fā)動機不必啟動的事實加以克服。啟動是低效率的行為，并且高負載下的總時間可能是有限的，因此兩種高效率設施的聯(lián)合電力輸出實際上可具有比在超出最佳設計點的點運行的一個發(fā)動機更低的整體效率，即暫時處于較低的效率。
[0065]將兩個單元功能聯(lián)接成一個發(fā)動機10時產(chǎn)生的這一效率優(yōu)勢也延伸到了排放。燃氣渦輪機發(fā)動機的最高排放通常發(fā)生在發(fā)動機起動運行期間。需要避免啟動第二、甚至第三較小單元，即峰化單元，這整體改善了產(chǎn)生所需要輸出時產(chǎn)生的對環(huán)境的影響。
[0066]這種設計容量的另一應用可見于遇到周期性高的環(huán)境條件的單元。燃氣渦輪機發(fā)動機通常通過控制體積流量的改變來控制流向發(fā)動機的質(zhì)量流。在更熱環(huán)境條件期間，進入發(fā)動機的空氣密度較小，使得進入發(fā)動機的相同體積流量的空氣導致較少的質(zhì)量流。設計發(fā)動機，使得能夠在較高環(huán)境條件下提供較高體積的空氣流，因此提供多余的質(zhì)量流，為用戶提供了在熱天增加電力的機會。
[0067]對于給定的環(huán)境條件以及給定的運行溫度，通過增加體積流量和/或質(zhì)量流，而不是通過增加運行溫度，本文所描述的發(fā)動機10在發(fā)動機的最大效率點以上提供電力。從基礎負載運行點的最大效率點，控制發(fā)動機，使得質(zhì)量流沿著運行曲線增加，運行曲線在非常類似于或低于最大效率點處水平的水平保持發(fā)動機的最大溫度。該系統(tǒng)允許若干電力設定位于給定的環(huán)境點，允許針對此環(huán)境條件將發(fā)動機的設定轉(zhuǎn)移到理論的、憑經(jīng)驗計算的或測得的最大效率點，并通過增加質(zhì)量流達到高于該點的電力水平。
[0068]使壓縮機32設有額外體積流動容量以滿足變化的電力需求并保持期望的電力水平的有利方面示于圖4中。線52示出的是，隨著壓縮機32環(huán)境溫度或入口溫度的增加，可能發(fā)生燃氣渦輪機發(fā)動機10的輸出，無需補償隨著溫度升高而相應減少的質(zhì)量流。線54示出了針對不同溫度發(fā)動機10的最大電力輸出，該線54表示發(fā)動機10的最大電力輸出超過發(fā)動機10通常所要求的基礎負載運行電力。通過打開IGV 44可提供進入發(fā)動機32的附加空氣質(zhì)量流，以允許附加空氣體積流補償隨著溫度升高而降低的空氣密度，如水平線56所描繪，水平線56在線52、54之間延伸并示出了第一運行模式，在第一運行模式下，發(fā)動機可以隨著環(huán)境溫度的增加在平坦或恒定的電力輸出下運行。在圖4中還描繪了在固定的環(huán)境溫度或壓縮機入口溫度下線52和54之間可得到的電力增加，如豎直線58所描繪，還示出了第二運行模式。燃氣渦輪機發(fā)動機10可在線52、54之間的不同運行點下運行，示出為圖4的陰影調(diào)整電力區(qū)域74，并特別由線56、58加以例舉，不會影響發(fā)動機的服務間隔。即，發(fā)動機10運行點的額外范圍設置在發(fā)動機10的正常工作溫度范圍內(nèi)，使得影響發(fā)動機部件服務間隔的方面一如部件的溫度上升一不會受到影響。
[0069]根據(jù)本發(fā)明的一方面，線52對應于參考發(fā)動機在最佳效率下運行時的電力輸出，一般會在預定或目標壓縮機入口條件下提供具有最佳效率的基礎負載輸出。設置到針對參考或常規(guī)發(fā)動機而定義的運行線52右側(cè)的運行區(qū)域被稱為“調(diào)整電力(shaping power) ",原因在于該電力容易在本發(fā)動機10中得到來滿足短時間周期內(nèi)增加的電力需求，并能夠在發(fā)動機10的正常工作溫度參數(shù)內(nèi)這樣做而不會不利地影響到發(fā)動機10渦輪機中部件的部分壽命。因此，增加的電力輸出可以選擇性地施加(調(diào)整)，以大致滿足或填補電網(wǎng)要求的電力變化，這可能由例如風力和/或太陽能電力等可再生電力源供應的電力的波動導致，以及應對環(huán)境條件的差異，如提供給壓縮機的環(huán)境空氣的溫度升高。
[0070]圖5示出了如由線60描繪的具有變化入口溫度的本燃氣渦輪機發(fā)動機10的效率變化，其相比于如由線62描繪的具有變化入口溫度的上述“參考發(fā)動機”的效率變化。應當理解的是，隨著溫度升高，具有變化入口溫度的本發(fā)動機10的效率降低率可以通過打開IGV 44抵消或減少，這對應于沿著線56到圖4右側(cè)的運動。另外，可以看出，相比于“參考發(fā)動機”，對于本發(fā)明的發(fā)動機，隨著溫度升高發(fā)動機效率的降低率得以減小。
[0071]在第一運行模式的特定示例中，發(fā)動機10可具有“基礎負載”運行點，S卩，在低于發(fā)動機10最大電力的部分負載處的正常運行點，在圖4中由點70指出。隨著環(huán)境溫度的升高，IGV 44被打開，以在相同的功率和增加的入口溫度下運行，這由70右側(cè)的示例性點72指出。因此，IGV可移動，以保持相同的功率，或者隨著溫度的升高使IGV相應地朝向更加打開位置運動，或者隨著溫度的減小使IGV相應地朝向更加閉合位置運動。
[0072]在第二運行模式的特定示例中，發(fā)動機10可具有與上述示例相同的基礎負載運行點，在圖4中由70指出。然而，IGV在固定的環(huán)境溫度下移向打開位置，以在增加的功率下運行，這由70上面的示例性點76指出。示例性點76表示響應于電網(wǎng)14上電力的增加需求可以由發(fā)動機10提供的運行點。如由運行點72、74例舉的替代的運行點可以位于大致由線56和54界定的任何電力輸出水平，不會影響到發(fā)動機10渦輪機內(nèi)熱工作氣體的溫度對服務間隔的影響。
[0073]根據(jù)本發(fā)明的再一方面，燃氣發(fā)電廠12可包括聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠，其包括在底循環(huán)中使用的燃氣渦輪機發(fā)動機10和蒸汽渦輪機11(圖1)兩者。底循環(huán)取得來自燃氣渦輪機發(fā)動機10的未使用能量，諸如來自燃氣渦輪機發(fā)動機10的廢氣熱能，并將能量轉(zhuǎn)換成用于電廠12的可用輸出電力。為了增加電力輸出，如為滿足電網(wǎng)14的峰化要求，可以實施管道燃燒，以增加提供給熱交換器一諸如產(chǎn)生用于蒸汽渦輪機11的蒸汽的熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG) 8-的渦輪機廢氣的溫度。例如，額外的燃料可以添加到剩余氧氣并與剩余氧氣一起燃燒，剩余氧氣位于排出的渦輪機廢氣中，以增加提供到HRSG 8的氣體溫度，從而產(chǎn)生額外的蒸汽。
[0074]在整合具有蒸汽底循環(huán)的常規(guī)燃氣渦輪機的發(fā)電廠中，用于供應峰化電力的基本上所有的額外電力輸出通過管道燃燒來提供，以用于聯(lián)合循環(huán)的凈熱耗率(net heatrate)的相對急劇增加為代價，如圖5中由線64所示。與此相反，根據(jù)本發(fā)明的一方面，整合燃氣渦輪機10的聯(lián)合循環(huán)燃氣發(fā)電廠12提供了初始的額外電力輸出，以用于聯(lián)合循環(huán)的凈熱耗率的相對較小增加為代價，由圖5中線66的區(qū)段66a指出，此時燃氣渦輪機發(fā)動機10的輸出增大到它的最大功率。接著，燃氣發(fā)電廠12的輸出可使用常規(guī)管道燃燒進一步增大，由圖5中線66的區(qū)段66b指出。
[0075]換句話說，通過移動IGV來提供發(fā)電廠12初始增加的凈電力輸出，以增加通過發(fā)動機10的空氣質(zhì)量流，同時保持恒定的渦輪機入口溫度，并且可以在第一“凈電力成本增力口”處完成，第一 “凈電力成本增加”由沿著線66區(qū)段66a的[(凈熱耗率的變化)/(凈電力輸出的變化)的斜率表示。接著，通過提供管道燃燒進一步增加凈電廠輸出，以增加HRSG中的蒸汽產(chǎn)生。管道燃燒在第二“凈電力成本增加”處提供了發(fā)電廠12的凈電力輸出的增力口，第二“凈電力成本增加”由沿著線66區(qū)段66b的[(凈熱耗率的變化)/(凈電力輸出的變化)的斜率表示，這比區(qū)段66a的第一凈電力成本增加顯著更大。特別地，第二凈電力成本增加(線66b的斜率)大于第一凈電力成本增加(線66a的斜率)約八倍。
[0076]在第一凈電力成本增加處，發(fā)電廠12的凈電力輸出超過基礎負載輸出增加至少10%，凈熱耗率的相應增加小于2%，更具體地，凈熱耗率增加約0.5 %。在第二凈電力成本增加處，發(fā)電廠12的凈電力輸出增加約10%，隨后在第一凈電力成本增加處提供的電力增力口，凈熱耗率的相應增加大于2 %，更具體地，凈熱耗率增加約3.5 %。因此，與管道燃燒相關聯(lián)的第二凈電力成本增加大于與提供通過發(fā)動機的增加質(zhì)量流相關聯(lián)的第一凈電力成本增加約八倍。另外，與下部第一凈電力成本增加相關聯(lián)的凈電力增加至少等于或大于與第二凈電力成本增加相關聯(lián)的凈電力增加。因此，將燃氣渦輪機發(fā)動機10整合在聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠12中可提供額外的節(jié)能，因此節(jié)約了成本，相對于利用具有常規(guī)構(gòu)造的燃氣渦輪機發(fā)動機一即常規(guī)發(fā)動機，構(gòu)造為當在基礎負載下運行時提供用于發(fā)動機的最大設計電力輸出一的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠。
[0077]雖然已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的具體實施例，但對本領域技術人員將顯而易見的是，各種其它變化和修改可以做出，而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。因此，意在將落入本發(fā)明范圍內(nèi)的所有這些變化和修改涵蓋在所附的權利要求中。
【權利要求】
1.一種被構(gòu)造用于發(fā)電的燃氣渦輪機發(fā)動機系統(tǒng)，所述燃氣渦輪機發(fā)動機系統(tǒng)包括: 壓縮機、燃燒器和渦輪機，所述壓縮機向所述燃燒器提供壓縮空氣，用于與燃料燃燒，以產(chǎn)生熱工作氣體，并且所述渦輪機接收所述熱工作氣體來產(chǎn)生電力； 所述壓縮機和渦輪機參照參考發(fā)動機來構(gòu)造，所述參考發(fā)動機限定一構(gòu)造，對于預定渦輪機入口溫度所述構(gòu)造具有預定的質(zhì)量流，用以在預定壓縮機入口條件下以所述參考發(fā)動機的最大電力輸出來產(chǎn)生最佳效率； 所述渦輪機包括與所述參考發(fā)動機的渦輪機基本相同的構(gòu)造； 所述壓縮機具有與所述參考發(fā)動機的壓縮機不同的構(gòu)造，其中所述壓縮機的尺寸大于所述參考發(fā)動機的壓縮機，以提供所述壓縮機的大于所述參考發(fā)動機的壓縮機的上部流動容量的最大流動容量； 在所述壓縮機的入口處包括入口導向葉輪(IGV)，所述IGV具有一預定位置，用于減少進入所述壓縮機的空氣質(zhì)量流，小于用于在所述參考發(fā)動機的預定渦輪機入口溫度下以最佳效率運行所述發(fā)動機的最大流動容量而流動。
2.如權利要求1所述的燃氣渦輪機發(fā)動機系統(tǒng)，其中，所述IGV的預定位置限定了進入發(fā)動機壓縮機用于產(chǎn)生基礎負載輸出的空氣質(zhì)量流，并且從所述預定位置朝向更加打開位置打開所述IGV增加了所述燃氣渦輪機發(fā)動機系統(tǒng)的電力輸出。
3.如權利要求2所述的燃氣渦輪機發(fā)動機系統(tǒng)，其中，所述IGV朝向更加打開位置的運動在由預定渦輪機入口溫度限定的恒定渦輪機入口溫度下產(chǎn)生電力輸出增加。
4.如權利要求3所述的燃氣渦輪機發(fā)動機系統(tǒng)，其中，電力輸出增加超過IGV朝向更加打開位置移動時的基礎負載輸出增加至少10%。
5.如權利要求4所述的燃氣渦輪機發(fā)動機系統(tǒng)，其中，所述IGV可從所述預定位置朝向閉合位置移動，減少流向所述壓縮機的空氣質(zhì)量流，其中所述IGV適于減少進入所述壓縮機的空氣質(zhì)量流，低于基礎負載電力輸出下的空氣質(zhì)量流的至少20%，以提供減少的部分負載電力輸出。
6.如權利要求2所述的燃氣渦輪機發(fā)動機系統(tǒng)，其中，所述IGV朝向所述更加打開位置的運動適于提供恒定的基礎負載電力輸出，增加壓縮機入口空氣溫度超過所述預定壓縮機入口條件。
7.如權利要求1所述的燃氣渦輪機發(fā)動機系統(tǒng)，其中，所述預定壓縮機入口條件可以是用于燃氣渦輪機發(fā)動機的ISO條件。
8.如權利要求1所述的燃氣渦輪機發(fā)動機系統(tǒng)，其中，所述壓縮機具有多級，每級由一排靜止葉輪和一排旋轉(zhuǎn)葉片限定，并且其中對所述壓縮機的前三分之一級，其入口端部的尺寸具有比所述參考發(fā)動機的壓縮機的相應級更大的外徑。
9.一種控制發(fā)電廠以在電網(wǎng)上產(chǎn)生電力的方法，包括: 提供被構(gòu)造用于發(fā)電的燃氣渦輪機發(fā)動機系統(tǒng)，提供燃氣渦輪機發(fā)動機系統(tǒng)包括:提供壓縮機、燃燒器和渦輪機，所述壓縮機向所述燃燒器提供壓縮空氣，用于與燃料燃燒，以產(chǎn)生熱工作氣體，并且所述渦輪機接收所述熱工作氣體來產(chǎn)生電力； 提供壓縮機、燃燒室和渦輪機的步驟包括參照參考發(fā)動機來構(gòu)造所述壓縮機和渦輪機，其中所述參考發(fā)動機限定一構(gòu)造，對于預定渦輪機入口溫度所述構(gòu)造具有預定的質(zhì)量流，用以在對應于目標入口空氣溫度、目標相對濕度和目標大氣壓力的預定壓縮機入口條件下產(chǎn)生最佳效率，從而產(chǎn)生所述參考發(fā)動機的最大電力輸出，其中所述渦輪機包括與所述參考發(fā)動機的渦輪機基本相同的構(gòu)造； 其中所述壓縮機具有與所述參考發(fā)動機的壓縮機不同的構(gòu)造，其中所述壓縮機的尺寸大于所述參考發(fā)動機的壓縮機，以提供所述壓縮機的大于所述參考發(fā)動機的壓縮機的上部流動容量的最大流動容量； 將入口導向葉輪(IGV)設置在所述壓縮機的入口處，所述IGV具有一位置，用于減少進入所述壓縮機的空氣質(zhì)量流，小于用于在所述參考發(fā)動機的預定渦輪機入口溫度下以最佳效率運行所述發(fā)動機的最大流動容量而流動；以及 在第一模式下運行燃氣渦輪機發(fā)動機系統(tǒng)，以提供恒定的電力輸出，連續(xù)升高壓縮機入口溫度超過所述目標入口空氣溫度，運行燃氣渦輪機系統(tǒng)的步驟包括: a)移動IGV以增加進入壓縮機的空氣質(zhì)量流；以及 b)在移動IGV以增加空氣質(zhì)量流期間在預定渦輪機入口溫度下保持渦輪機入口溫度恒定。
10.如權利要求9所述的控制發(fā)電廠的方法，其中，運行燃氣渦輪機發(fā)動機系統(tǒng)的步驟進一步包括: c)響應于步驟a)和b)使第二模式增加發(fā)電廠的凈電力輸出，燃氣渦輪機發(fā)動機系統(tǒng)的效率相應地降低低于所述最佳效率。
11.如權利要求10所述的控制發(fā)電廠的方法，其中，當所述IGV處于所述預定位置時發(fā)電廠的電力輸出是基礎負載輸出。
12.如權利要求11所述的控制發(fā)電廠的方法，其中，步驟c)增加的電力輸出至少超過所述基礎負載輸出的10%。
13.如權利要求11所述的控制發(fā)電廠的方法，包括:朝向閉合位置移動IGV，以減少進入壓縮機的空氣質(zhì)量流，低于基礎負載電力輸出下的空氣質(zhì)量流的至少15%，從而提供了減少的部分負載電力輸出。
14.如權利要求13所述的控制發(fā)電廠的方法，其中，所述減少的部分負載電力輸出低于所述基礎負載電力輸出的至少15%。
15.如權利要求10所述的控制發(fā)電廠的方法，包括:提供具有蒸汽渦輪機的發(fā)電廠，并且提供具有熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)的燃氣渦輪機發(fā)動機系統(tǒng)，并且其中: 步驟c)在第一凈電力成本增加處提供了電力增加，第一凈電力成本增加定義為第一(凈熱耗率的變化)/ (凈電力輸出的變化)；以及 在步驟c)之后，通過向燃氣渦輪機發(fā)動機系統(tǒng)提供管道燃燒來增加發(fā)電廠輸出，以增加HRSG中的蒸汽產(chǎn)生，其中管道燃燒在第二凈電力成本增加處提供了發(fā)電廠的凈電力輸出增加，第二凈電力成本增加定義為第二(凈熱耗率的變化)/(凈電力輸出的變化)，比所述第一凈電力成本增加顯著更大。
16.如權利要求15所述的控制發(fā)電廠的方法，其中，步驟c)在所述第一凈電力成本增加處的電力增加提供了發(fā)電廠的凈輸出增加，超過所述基礎負載輸出至少10%，凈熱耗率的相應增加小于2%。
17.如權利要求16所述的控制發(fā)電廠的方法，其中，在所述第二凈電力成本增加處，發(fā)電廠的凈輸出增加的約10%產(chǎn)生于在所述第一凈電力成本增加處提供的電力增加之后，凈熱耗率的相應增加大于2%。
18.如權利要求16所述的控制發(fā)電廠的方法，其中，所述第二凈電力成本增加大于所述第一凈電力成本增加約八倍。
19.如權利要求18所述的控制發(fā)電廠的方法，其中，在所述第一凈電力成本增加處提供的凈電力增加至少等于或大于由所述第二凈電力成本增加提供的凈電力增加。
20.如權利要求18所述的控制發(fā)電廠的方法，其中，在所述第一凈電力成本增加處提供的凈電力增加得以發(fā)生，而不會影響到所述燃氣渦輪機發(fā)動機系統(tǒng)的渦輪機內(nèi)的熱工作氣體的溫度對服務間隔的影響。
【文檔編號】F02C9/28GK104160131SQ201380012710
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2013年2月27日 優(yōu)先權日:2012年3月5日
【發(fā)明者】B.D.馬里尼, B.J.博欣斯基 申請人:西門子公司