用於燃氣輪機的熱煙氣溫度的調節手段的製作方法

2023-09-22 12:44:20 5

專利名稱：用於燃氣輪機的熱煙氣溫度的調節手段的製作方法
技術領域：
本發明涉及 一 種用於調節燃氣輪機、尤其是用於發電的固定式燃氣輪 機的熱煙氣溫度的調節手段。
背景技術：
已知，採用固定式燃氣輪機產生機械能，該機械能通常藉助於一發電 機轉變為電能。為此，在燃氣輪機中， 一種化石類燃料與由壓縮機壓縮的 空氣流一起燃燒成一種熱煙氣，該熱煙氣接下來在一透平段內在轉子上膨 脹做功。其中，燃氣輪機這樣工作，即，在轉子軸上輸出足夠能量用於產 生電能，此時，熱煙氣的溫度在透平段入口處不應該超過一最高值。由於該透平段入口溫度非常高，因而一般不能直接測量。因此，檢測 廢氣在透平段出口處所具有的溫度，然後從中通過計算機確定透平段入口 溫度。通過投入到燃燒室內的燃料量可以調整透平段出口溫度以及進而間 接地也調節透平段入口溫度，同時這也取決於壓縮機入口處的空氣溫度。 為了達到更簡便地調節燃氣輪機的目的，藉助於一數學模型計算出 一輔助 參數，在該輔助參數下不再存在透平段出口溫度受壓縮機入口溫度的影響 性。該輔助參數被稱為校正後的透平段出口溫度。它僅取決於已燃燒的燃 料量，因此達到簡單調節燃氣輪機的目的。此外，該調節雖然還與由發電 機產生的電流的電網頻率有關，但是在此不必考慮此影響。為了提高燃氣輪機的功率，可以將水輸送給在壓縮前由壓縮機抽吸的 空氣流，以便於提高通過該燃氣輪機的質量流。通常該運行方式作為溼式 壓縮運4亍方式已4皮7>少、口 。所吸入的空氣溫度與所噴入的液體溫度具有有規律的偏差。由於在壓縮機入口處安裝的用於測量空氣溫度的溫度測量裝置被噴入的液體沾溼， 因此，溫度測量裝置^T測的不是空氣的溫度，而是液體的溫度。如果基於按照測量表面上表現出的更高的壓縮機入口溫度確定出 一 個 比實際溫度更低的透平段出口溫度，則燃氣輪機的調節器就會提高輸送到 燃燒室中的燃料輸送量，以便於抵消假想的差值。然而在此卻使燃氣輪機 過度燃燒，也就是說，實際的透平段入口溫度可能比最大允許的透平段入 口溫度高。反之，如果測量到比實際溫度更低的壓縮機入口溫度，則燃氣 輪機內燃燒不充分。燃氣輪機的過度燃燒可以導致承受熱煙氣的部件過熱以及進而導致降 低它們的壽命，或者還導致損壞。相反，燃氣輪機燃燒不充分則導致功率 損失。發明內容本發明的目的是提供一種用於在溼式壓縮運行過程中調節燃氣輪機的 熱煙氣溫度的調節手段本發明的目的通過一種用於調節一燃氣輪機、尤其是用於發電的固定 式燃氣輪機的熱煙氣溫度的調節手段達到，該燃氣輪機具有 一用於將一液 體噴入到可由 一壓縮機吸入的空氣流中的噴入裝置， 一種燃燒介質藉助於 該空氣流可在一後置的燃燒室內燃燒，形成熱煙氣，該熱煙氣在流過後置 的透平段時膨脹做功，以及該燃氣輪機具有一檢測所述壓縮機之前的空氣 流溫度的溫度測量裝置，其中，所述熱煙氣溫度通過控制所述燃燒介質量 來調節，按照本發明，所述溫度測量裝置設置在所述噴入裝置之前以及借 助於所測量的溫度計算出在所述壓縮機的入口處空氣流的溫度，將所述溫 度確定為一最小可達到的溫度，在此假設會有這樣高程度的汽化，即，在所述壓縮機的入口處有100%的空氣溼度本發明的目的還通過另一種用於調節一燃氣輪機、尤其是用於發電的 固定式燃氣輪機的熱煙氣溫度的調節手段達到，該燃氣輪機具有 一用於將 一液體噴入到可由一壓縮機吸入的空氣流中的噴入裝置， 一種燃燒介質借 助於該空氣流可在一後置的燃燒室內燃燒，形成熱煙氣，該熱煙氣在流過 後置的透平段時膨脹做功，以及該燃氣輪機具有 一檢測所述壓縮機之前的 空氣流溫度的溫度測量裝置，其中，所述熱煙氣溫度通過控制所述燃燒介質量來調節，按照本發明，所述溫度測量裝置設置在所述噴入裝置之前以 及藉助於所測量的溫度計算出在所述壓縮機的入口處空氣流的溫度，在考 慮到在所述空氣流中的噴入液體汽化的情況下計算出所述溫度。
本發明的技術解決方案規定，所述溫度測量裝置沿空氣的流向看設置 在所述噴入裝置之前以及藉助於所測量的空氣溫度計算出在所述壓縮機的 入口處空氣流的溫度。因此，加入的液體不會將所述溫度測量裝置沾溼， 使得始終測量所述吸入空氣流的溫度。試圖藉助於防護管筒單地保護所述 溫度測量裝置卻不能解決這個問題，因為該溫度測量裝置對於這種情況可 能測量的是被液體沾溼的防護管的溫度。
在一個有利的擴展設計中，可在所述噴入裝置之前藉助於空氣溼度測 量裝置確定所述空氣流的溼度。通過了解所述吸入空氣流的空氣溼度和空 氣溫度可以確定所加入液體在一直流向壓縮機入口的過程中的汽化情況。 可以通過將空氣溼度考慮在內而特別精確地計算出在壓縮機的入口處的溫 度。
若通過一關於溫度和溼度的分布函數計算在壓縮機入口處空氣流的溫 度，則這一點可以特別簡單地實現。
在另 一有利的擴展設計中，所述溫度和溼度分布可以以圖表或曲線圖 的形式預先規定，因此可以特別簡單地描述在空氣流中噴入液體的汽化變 化情況。這有助於簡化計算。
該技術解決方案規定，所述溫度測量裝置設置在所述噴入裝置之前以 及藉助於所測量的溫度計算出在所述壓縮機的入口處空氣流的溫度。該調 節手段的優點同樣對應於所述燃氣輪機的優點。
在該調節手段的一個有利的擴展設計中，通過100 %的汽化確定一可達 到的最小溫度，並將該最小可達到的溫度用作在壓縮機入口處的溫度的替 代值。在此假設，所述通過噴入裝置加入的液體會達到這樣的汽化程度，
即，在壓縮機入口處達到一 100%的相對空氣溼度。通過這樣的假設並結合
所測量出的空氣溼度和空氣溫度，就可確定出在壓縮機入口處最小可達到 的(亦即儘可能小的)溫度。若現在採用所述最小可達到的溫度作為在壓縮 機入口處的溫度，則在壓縮機入口處的實際溫度始終就比所述最小可達
到的溫度高，因為在沒有外部影響的情況下根本達不到100%的空氣溼度。
在這種情況下，燃氣輪機總是不足燃燒。因此避免了遭受熱煙氣的部件過熱，由此不會降低這些部件的壽命。
如果在考慮到在所述空氣流中的噴入液體實際汽化的情況下計算出所 述在壓縮機入口處空氣流的溫度，則獲得一種更佳的燃氣輪機調節手段。 通過計算和/或實驗確定汽化的效率，從中藉助於所述最小可達到的溫度確 定在壓縮機入口處的空氣溫度。通過這種調節可以勾畫出有關所添加的 液體在直到壓縮機入口的行程中汽化的實際情況，以及因此使燃氣輪機 建立一種可靠且功率增強的運行方式，該運行方式避免了燃氣輪機的過 度燃燒以及不足燃燒。
在所述調節手段的 一 有利的擴展設計中，根據汽化情況改變所述噴 入到所述空氣流中的液體量。通常燃氣輪機的壓縮機都針對一個預定的在 壓縮期間汽化的液體量來設計尺寸。但是有少量被噴入的液體在壓縮前就 已通過汽化被蒸發，致使壓縮機不在最佳的範圍內運行。通過調節噴入液 體的量可以避開這一缺點。
所述主要取決於液滴特性以及壓縮機部件的空間布局結構的幾何尺寸 的汽化效率可以通過實驗來估算和/或通過計算來確定，這些實驗和/或計算 可隨後以模型或公式的方式存儲在調節器中。由此，通過避免不足燃燒來 提高燃氣輪機的功率收益，同時通過避免燃氣輪機的過度燃燒不損害通流 熱煙氣的部件。
所述調節手段實現的優點對應於所述燃氣輪機的優點。


下面藉助於附圖對本發明予以詳細說明。附圖中
圖1表示一燃氣輪機；
圖2表示圖1所示燃氣輪機的一吸入室。
具體實施例方式
圖1簡略地表示出一藉助於燃氣輪機1和一個與之連接的發電機2將 化石能轉化為電能的燃氣輪機設備。該固定式燃氣輪機1主要具有一壓縮 機3、 一燃燒室5以及一透平段7。壓縮機3通過一個共同的轉子軸10與 所述透平段7和發電機2相連。
在燃氣輪機1運行時，空氣由壓縮機3通過一個吸入室11吸入以及被壓縮。該壓縮空氣在一燃燒器中與一種可通過一截止機構8輸送的燃燒介
質B混合以及被送往燃燒室5。該混合物在燃氣輪機運行時燃燒成一種隨後 流入到所述透平段7中的熱煙氣H。熱煙氣在透平段7中膨脹做功以及同 時驅動轉子軸io。隨後熱煙氣H作為廢氣離開燃氣輪機1進入到一個未詳 細示出的廢氣通道中。轉子軸10驅動壓縮機3和發電機2。
為了對燃氣輪機1的運行進行調節，藉助於一個溫度測量裝置Mw監 視透平段7的出口 6處的熱煙氣H的溫度TAT,因為熱煙氣H在透平段7 的入口 14處的溫度丁t,是不能測量的。通過投入到燃燒室5內的燃料B的 量不僅可以調整透平段出口溫度TAT以及進而間接地也調節透平段入口溫 度T仏提高投入到燃氣輪機1內的燃料B的體積流量導致熱煙氣H具有更 高的溫度以及導致提高燃氣輪機1的功率。為此，所述調節器13調節截止 機構8,該調節器13通過其輸出端控制該截止機構8。
因為透平段入口溫度TTI與在壓縮機3之前的被吸入的空氣流L的溫度 Tv,有關，因此同樣要持續、亦即在整個運行期間循環反覆地檢測或確定該 溫度。
通過糹妄照7>式
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確定一個被校正的透平段出口溫度TATK作為輔助參數，來藉助於所述調節 器13消除空氣溫度Tv,對透平段出口溫度丁at的影響。據此，所述校正的
透平段出口溫度TATK只與燃燒介質投入量B有關，因此可以更簡便地通過
調節所述校正的作為輔助參數的透平段出口溫度T虹k和隨著調整作為調整
參數的燃燒介質B的體積流量來調整燃氣輪機1。所述校正的透平段出口溫 度Tatk也可以藉助於一個二次方程式或藉助於其他函數來測算。
所述調節器13具有一個輸入端，在該輸入端處可調整所述校正的透 平段出口溫度的額定值Ts。 。在調節器13內將該額定值1。 與所述確定的
被校正的透平段出口溫度丁atk進行比較。若實際值是，被校正的透平段出 口溫度TATK比額定值Ts。n小，則調節器13通過截止機構8提高燃燒介質輸 送量，若實際值是，被校正的透平段出口溫度T虹k比額定值Ts。h大，則調
節器13通過截止機構8降低燃燒介質輸送量。
若燃氣輪機1在不向空氣流L中添加液體的情況下工作，則可以借 助於所述設置在吸入室11之前的溫度測量裝置直接測量所述空氣流在壓縮才幾入口 12處的溫度Tv卜
在圖2中示出了所示燃氣輪機的一個吸入室11。其中，所述溫度測量
裝置MTu設置在一噴入裝置9之上，因此加入的液體W不沾溼溫度測量裝 置Mtu和空氣溼度測量裝置Mhj。
在以溼式壓縮運行方式工作時，通過所述噴入裝置9向吸入室11內 的吸入空氣流L噴入一種液體W,尤其是水。
在吸入室11的上遊藉助於溫度測量裝置Muj確定吸入空氣的溫度Tu 以及藉助於空氣溼度測量裝置MFU確定空氣溼度Fu。它們的輸出端與所述 調節器13的輸入端相連。
根據所測量的數值以及結合模型在調節器13內確定所述為調節所需的 在壓縮機3的入口 12處的溫度Tv,。因此可以通過採用公式(l)並藉助於調 節所噴入的燃燒介質B量調節透平段出口溫度TATK,並進而調節燃氣輪機 1。
如果燃氣輪機1的工作方式是採用將一種液體W噴入到所述由壓縮機 3吸入的空氣流L中，則可以有兩種不同的調節手段通過一種假設導致 100 %的空氣溼度的理論上的汽化進行調節，以及與可變化的汽化情況相適 配地進行調節。
在通過理論上的汽化進行調節時假設，由噴入的液體達到這樣的汽化 程度，即，在壓縮機入口 12處的抽吸空氣流L達到100%的空氣溼度。在 這種假設的情況下，藉助於所測量出的空氣流L溫度Tu以及空氣溼度Fu 確定一最小可達到的溫度Twelbulb(wetbulb表示溼球溫度計)，該溫度代替在 壓縮機入口 12處的溫度Tv,。如此確定的壓縮機入口溫度TV1可以通過 計算機、也可以從以測量技術以電子形式勾畫出的圖表中或者還藉助於 數學公式導出。用於所述調節器13的用以確定所述校正的透平段出口溫 度Tatk的方程式如下
因為100%的空氣溼度在實際運行中是根本達不到的，所以在壓縮
機3的入口 12處的實際溫度Tv,總是大於假設的最小可達到的溫度。通過 採用該最小可達到的壓縮機入口溫度Twetbulb，總是確定一個過大的被校正 的透平段出口溫度Tatk,致使調節器13總是向燃燒器提供過小量的燃燒介 質B。這樣避免了燃氣輪機1的過度燃燒。據此，燃氣輪機1的遭受熱煙氣的部件、如透平葉片、導向環、葉片平臺以及燃燒室熱屏蔽元件承受規定 的溫度以及避免這些部件過早疲勞受損。
在所述適配地調節燃氣輪機1時，算出在壓縮機3的入口 12處相宜
的空氣溼度，而該空氣溼度小於100。/。並且可根據所測量的空氣溼度Fu、 所測量的空氣流L溫度Tu以及通過所述噴入裝置9加入的液體W量來確 定。對於其計算，為了確定壓縮機3的入口 12處的溫度Tv,要將在抽吸的 空氣流L中的液體W的汽化效率n考慮進去。
帶有液體W的空氣流L的飽和效率可以按照下列方程式算出。
通過求解方程式(3)來計算TV1並將其代入到方程式(l)中獲得 所述取決於噴入水的液滴特性以及壓縮機3各部件的空間布局幾何結構的
汽化效率n可以通過計算機和/或通過一些實驗算出，然後藉助於一個模型 或者一電子形式的圖表儲存在調節器13中。
導致在壓縮機3的入口 12處的空氣溼度小於100%的液體W的汽化更 好地描述了現實狀況，使得可以更好地對燃氣輪機1進行調節。
一個按照方程式(4)確定的校正的透平段出口溫度TATK比一個按照方程 式(2)確定的校正的透平段出口溫度Tatk小，則避免了由於過低的假設透平 段入口溫度TT1而造成的功率損失。
另外，可以確定在壓縮機3入口 12前蒸發的液體W量，然後將該數量 的液體附加地通過噴入裝置9噴入。這導致燃氣輪機1進一步提高效率， 因為僅僅所述液體W在壓縮時(即在壓縮機3內)汽化的部分有助於通過溼 式壓縮提高燃氣輪機1的功率。
權利要求
1.一種用於調節一燃氣輪機(1)、尤其是用於發電的固定式燃氣輪機的熱煙氣溫度的調節手段，該燃氣輪機具有一用於將一液體(W)噴入到可由一壓縮機(3)吸入的空氣流(L)中的噴入裝置(9)，一種燃燒介質(B)藉助於該空氣流可在一後置的燃燒室(5)內燃燒，形成熱煙氣(H)，該熱煙氣在流過後置的透平段(7)時膨脹做功，以及該燃氣輪機具有一檢測所述壓縮機(3)之前的空氣流(L)溫度的溫度測量裝置(MTU)，其中，所述熱煙氣溫度通過控制所述燃燒介質量來調節，其特徵在於，所述溫度測量裝置(MTU)設置在所述噴入裝置(9)之前以及藉助於所測量的溫度(TU)計算出在所述壓縮機(3)的入口(12)處空氣流(L)的溫度(TV1)，將所述溫度(TV1)確定為一最小可達到的溫度(Twetbulb)，在此假設會有這樣高程度的汽化，即，在所述壓縮機(3)的入口(12)處有100％的空氣溼度(FU)。
2. 如權利要求1所述的調節手段，其特徵在於，檢測在所述透平段(7) 出口(6)處的熱煙氣溫度。
3. 如權利要求1或2所述的調節手段，其特徵在於，可在所述噴入裝 置(9)之前藉助於空氣溼度測量裝置(MFu)確定所述空氣流(L)的溼度(Fu)。
4. 如權利要求1或2所述的調節手段，其特徵在於，根據汽化情況改 變所述噴入到空氣流(L)中的液體(W)量。
5. 如權利要求1或2所述的調節手段，其特徵在於，所述液體(W)是 水，尤其是蒸餾水。
6. 如權利要求1或2所述的調節手段，其特徵在於，通過一藉助於溫 度和溼度分布的函數計算出所述溫度(Tv,)。
7. 如權利要求1或2所述的調節手段，其特徵在於，所述函數可以以 圖表的形式預先規定。
全文摘要
本發明涉及一種用於調節一燃氣輪機(1)、尤其是用於發電的固定式燃氣輪機的熱煙氣溫度的調節手段，該燃氣輪機具有一用於將一液體(W)噴入到可由一壓縮機(3)吸入的空氣流(L)中的噴入裝置(9)，一種燃燒介質(B)藉助於該空氣流可在一後置的燃燒室(5)內燃燒，形成熱煙氣(H)，該熱煙氣在流過後置的透平段(7)時膨脹做功，以及該燃氣輪機具有一檢測在所述壓縮機(3)之前的空氣流(L)溫度的溫度測量裝置(MTU)，其中，所述熱煙氣溫度通過所述燃燒介質量來調節，為了提供一種在溼式壓縮運行時提高遭受熱煙氣的部件的壽命的調節手段，本發明建議，所述溫度測量裝置(MTU)設置在所述噴入裝置(9)之前以及藉助於所測量的溫度(TU)計算出在所述壓縮機(3)的入口(12)處空氣流(L)的溫度(TV1)。
文檔編號F02C9/28GK101230801SQ20081007424
公開日2008年7月30日 申請日期2004年3月25日 優先權日2003年3月28日
發明者喬基姆-勒內·紐丁, 克里斯多福·佩爾斯勒斯登, 馬科·塔彭 申請人:西門子公司