調整燃氣輪機使其能消耗低熱值燃料的方法

2023-06-12 03:55:26 4

專利名稱：調整燃氣輪機使其能消耗低熱值燃料的方法
技術領域：
本發明涉及一種將第一燃氣輪機改變為第二燃氣輪機的方法，該第一燃 氣輪機適於供給第一氣體，該第二燃氣輪機適於供給第二氣體。
具體而言，本發明涉及一種將第一燃氣輪機改變為第二燃氣輪機的方
法，該第一燃氣輪機適於供給具有第一熱值的第一氣體，該第二燃氣輪機適 於供給具有第二熱值的第二氣體，該第二熱值顯著低於該第一氣體的熱值。
第一燃氣輪機設計且其尺寸形成為以高(第一)熱值(約50MJ/kg)工作， 該第一燃氣輪機沿縱向軸線延伸並包括第一多級軸向壓縮機、第一燃燒室、 以及第一渦輪機。已證實，上述類型的第一燃氣輪機供給高(第一)熱值氣 體時效率極高，同時也證實，上述類型的第一燃氣輪機在供給低(第二)熱 值氣體時效率不是很高。
背景技術：
低熱值氣體最近已經成為特別關注的焦點。實際上，目前貧乏的能量資 源導致傳統燃料，例如天然氣和蒸餾油的成本上升。為此，現在趨於重新考 慮使用更具成本效益的燃料，例如煤、奧裡乳化油(Orimulsion)、重油。 在該情形下，正重新考慮低熱值氣體，例如氣化煤和瀝青而衍生的氣體；或 者煉鋼廠和精煉廠產生的副產物氣體。這些氣體的特徵在於其4至10 MJ/kg 的熱值，這顯著低於第一燃氣輪機，即，傳統的燃氣輪機中通常使用的氣體 的50MJ/kg的熱值。
迄今為止，傳統的燃氣輪機，S卩，設計成供給高熱值氣體的燃氣輪機， 也開始使用熱值為10至15 MJ/kg的氣體。
然而，考慮到市場需求，必需研發出一種技術，使得無論對於氣化系統 還是利用精煉廠或煉鋼廠氣體的系統而言，均可以使用甚至更低熱值(達到 4MJ/kg)的燃料，從而滿足所有可能的要求。
通常地，從操作的角度而言，在燃氣輪機中用低熱值氣體來替代高熱值氣體時，需要提高流入到燃燒室中的氣體的流速，並將成比例地減小由多級
軸向壓縮機(multistage axial compressor)供給的氣體流速，從而保持渦輪機 的流速不變。
目前，主要採用下述兩種技術來減小多級軸向壓縮機的空氣流速。
第一種技術包括，從多級軸向壓縮機的出口處分離出與所引入的燃料流 相同的空氣流速，從而防止渦輪機流速的不平衡。該第一種技術產生的缺點 是，顯著降低了燃氣輪機的效率，即使所分離出的流速再次用於後續的膨脹 器中也仍然會降低效率。
第二種技術包括，通過布置在多級軸向壓縮機入口處的可調節葉片 (VIGV，可調入口引導葉片)來節流該多級軸向壓縮機內的空氣流速。
該第二種技術會導致壓縮機泵送方面的問題，即，實際上，特別是在寒 冷氣候時，泵送極限曲線相對於渦輪機的工作曲線而言具有窄的裕量。該第 二種技術的另一個不期望的效果是，多級軸向壓縮機的效率在封閉VIGV工 作模式下更差。

發明內容
本發明的目的是提供一種將第一燃氣輪機改變為第二燃氣輪機的方法， 該第一燃氣輪機適於供給具有第一熱值的第一氣體，該第二燃氣輪機適於供 給具有第二熱值的第二氣體，該第二熱值顯著地低於第一氣體的熱值，從而
簡單地且成本節約地優化第二燃氣輪機的運作。
根據本發明，提供了一種將第一燃氣輪機改變為第二燃氣輪機的方法， 該第一燃氣輪機適於供給具有第一熱值的第一氣體，該第二燃氣輪機適於供 給具有第二熱值的第二氣體，該第二熱值顯著地低於第一氣體的熱值；該第 一燃氣輪機沿縱向軸線延伸，並包括第一多級軸向壓縮機、第一燃燒室以及 第一渦輪機；該第二燃氣輪機包括該第一燃燒室和該第一渦輪機；該方法的 特徵在於該第一多級軸向壓縮機由第二多級軸向壓縮機來替換，該第二多 級軸向壓縮機的額定流速比該第一多級軸向壓縮機的額定流速低。
根據本發明的優選實施例，該第二多級軸向壓縮機的軸向長度等於該第 一多級軸向壓縮機的軸向長度。
根據本發明的優選實施例，該第二多級軸向壓縮機以額定流速提供的壓縮比近似等於由該第一多級軸向壓縮機以額定流速提供的壓縮比。
根據本發明的另一優選實施例，該第一多級軸向壓縮機包括第一轉子， 該第一轉子包括第一環、末尾環和布置在該第一環和該末尾環之間的一組中 間環，所述中間環通過前齒聯結器而聯結在一起；該方法的特徵在於，通過 除去該第一環，並依次將兩個附加環增加到末尾環，且該附加環的軸向長度 等於該第一環的軸向長度，使得該第一轉子可適合於該第二多級軸向壓縮 機。


為了更好地理解本發明，現僅以非限制性示例的形式並參考附圖描述本 發明的優選實施例，其中
圖l為已知類型的燃氣輪機的示意圖，其中，為清楚起見除去了一些部
件；
圖2為根據本發明製造的燃氣輪機的示意圖，其中，為清楚起見除去了 一些部件；
圖3為圖1中的燃氣輪機(在不同的工作條件下)以及圖2中的燃氣輪 機的工作示意圖4為圖1中的燃氣輪機的多級軸向壓縮機的剖視圖，其中，為清楚起 見除去了一些部件；以及
圖5為圖2中的燃氣輪機的多級軸向壓縮機的剖視圖，其中，為清楚起 見除去了一些部件。
具體實施例方式
參考圖1，已知類型的燃氣輪機整體上由附圖標記1來表示，該燃氣輪 機沿軸線Al延伸並布置成供給高熱值氣體PC1。燃氣輪機1包括順序布置 並相互連接的多級軸向壓縮機2、燃燒室3、以及渦輪機4。在全功率下，壓 縮機2吸入額定空氣流速為QA1的空氣，燃燒室3供給氣體流速為QG1的 氣體，且渦輪機4排放流速為QGA1的已燃燒氣體、空氣和可能的未燃燒氣 體，QGA1等於QA1和QG1之和。
壓縮機2具有軸向長度Ll，且在輸入壓力Pil和輸出壓力Pul之間壓縮額定空氣流速為QA1的空氣，其中的壓縮比為PRl:Pul/Pil，額定空氣流速 為QA1。
參考圖2，燃氣輪機整體上由附圖標記5表示，該燃氣輪機沿軸線Al 延伸並布置成供給低熱值氣體PC2。燃氣輪機5包括順序布置並相互連接的 多級軸向壓縮機6、燃燒室3、以及渦輪機4。在全功率下，壓縮機6吸入額 定空氣流速為QA2的空氣，燃燒室3供給氣體流速為QG2的氣體，且渦輪 機4排放流速為QGA2的已燃燒氣體、空氣和可能的未燃燒氣體，QGA2等 於QA2和QG2之和。
壓縮機6的軸向長度L2與壓縮機2的軸向長度Ll相等，且在輸入壓力 Pi2和輸出壓力Pu2之間壓縮額定空氣流速為QA2的空氣，其中的壓縮比為 PR2=Pu2/Pi2，額定空氣流速為QA2。
換言之，燃氣輪機1和燃氣輪機5之間的差異在於，壓縮機2替換為具 有更低額定流速的壓縮機6，但是軸向長度相同。由於對於燃氣輪機1和5 而言，二者的渦輪機4的最佳流速是預定的，因此優選地，QGA1和QGA2 相等。
燃氣輪機5布置成供給熱值PC2為4 MJ/kg至15 MJ/kg的氣體。結果， 與尺寸相同且適於供給更高熱值氣體PC1的燃氣輪機1相比，燃氣輪機5需 要供給的氣體流速QG2比燃氣輪機1需要供給的氣體流速QG1更高，並且 與尺寸相同且適於供給更高熱值氣體PC1的燃氣輪機1相比，燃氣輪機5所 需的空氣流速QA2比燃氣輪機1所需的空氣流速QA1更低。氣體流速QG2 由渦輪機4的氣體熱值和流速確定
QG1 + QAl = QGA1 = QGA2 = QG2 + QA2
QG2 = QG1 X (PC1/PC2)
且因此根據下述方程計算空氣流速
QA2 = QGA1 -QG2 = QG1 X (PC1/PC2)
通過節流，即，通過調整布置在多級軸向壓縮機2的入口處的可調節葉 片，在燃氣輪機1中也可以流速QA2來工作。然而，通過調節可調節葉片 獲得減小的空氣流速會導致壓縮機2的特性曲線的顯著變化，該壓縮機2的 壓縮比的減小量與空氣流速的減小幅度一樣大。
參考圖3，曲線圖在橫坐標示出了空氣流速QA，並在縱坐標示出了壓縮比PR，並示出了空氣流速的三種不同程度的節流時，即，葉片的三種不
同程度的取向時，壓縮機2的特性曲線A、 B和C。在該情形下，特性曲線 A表示在無節流時，S卩，在100X的額定空氣流速QA1時的壓縮機2，曲線 A與線CT2相交，線CT2表示適於使渦輪機4在最佳條件下工作的恆定壓 縮比PR1。特性曲線B表示相對於額定空氣流速QA1的90%的節流；以及 特性曲線C表示相對於額定空氣流速QA1的80。^節流。實際上，壓縮機2 中空氣流速QA的減小決定可壓縮比PR的同步減小，因此，渦輪機4在低 於渦輪機4的額定工作壓力下進行供給。線CT1連接到壓縮機2的曲線A、 B和C的中心，表示壓縮比PR如何隨節流的增加而減小。
壓縮機6的尺寸形成為具有圖3的曲線圖中所示出的特性曲線D:換言 之，壓縮機2的尺寸形成為可獲得低於QA1的額定空氣流速QA2和等於PR1 的壓縮比PR2。如此，空氣流速QA減小，但是壓縮比PR保持恆定。線CT2 與曲線D相交於坐標為QA1和PR2=PR1的坐標點。
現在，參考相應的圖4和圖5更詳細地說明壓縮機2和壓縮機6。
參考圖4，多級軸向壓縮機2沿縱向軸線Al延伸，且軸向長度為L1， 且適於以特定壓縮比PR1壓縮空氣流速QA1的空氣，並沿方向Dl傳送空氣。
壓縮機2包括轉子7、葉片保持殼體8、入口9和出口 10。轉子7包括 由軸承(未示出)可旋轉支撐的頭部ll、沿軸線A1順序布置並相互聯結的 多個環、拉杆12和間隔件13。所述多個環包括毗鄰頭部11的第一環14、 毗鄰間隔件13的末尾環15、以及順序布置在第一環14和末尾環15之間的 一組中間環16。第一環14、中間環16和末尾環15通過拉杆12壓置於頭部 11和間隔件13之間。第一環14、末尾環15和中間環16之間的每個環均支 撐徑向葉片17，所述徑向葉片17圍繞軸線Al均勻地分布以形成圍繞相應 環的冠部。每個中間環16通過Hirth型前齒聯結器而聯結到毗鄰第一環14 或者末尾環15的中間環16上。
葉片保持殼體8包括大致呈錐形的壁18，所述壁18分為三個連續的部 分且由外部殼體(圖4中未示出)支撐。壁18固定到入口 9和出口 10。壓 縮機2包括固定的環形級(stage) 19，每個環形級包括內環20，由轉子7 可轉動地支撐；外環21，容置在形成於壁18內的腔體中；以及多個葉片22， 所述多個葉片圍繞軸線Al均勻地分布，並在內環20和外環21之間徑向延伸。除了鄰近入口9的固定級19之外，每個固定級19夾置於毗鄰轉子7的 兩個環14、 15、 16之間。
葉片17和葉片22的徑向尺寸在入口 9和出口 10之間沿著方向Dl逐漸 減小。
級的定義是指包括固定級19的組件，所述固定級19位於具有葉片17 的冠部的環14或15或16之後。對於圖4中的情形而言，壓縮機2為十六 級軸向壓縮機，並且入口9和出口 10之間的總的軸向長度為L1。
參考圖5，多級軸向壓縮機6具有十七級，且適於壓縮空氣流速為QA2 的空氣，所述壓縮比PR2等於PR1，且空氣流速QA2低於QA1，並且其軸 向長度L2等於壓縮機2的軸向長度L1。此外，壓縮機6是通過對壓縮機2 進行一些改變而形成的，但是，壓縮機2的多個結構形構件基本保持不變。 壓縮機6相對於壓縮機2進行的改變如下
一入口 23替換入口 9，入口 23的通道截面小於入口 9的通道截面；
一頭部24替換頭部11，在與毗鄰環16的接觸點處，頭部24的半徑大 於頭部11的半徑；
一葉片保持殼體25替換葉片保持殼體8;
一轉子7的改變為除去第一環13並增加兩個附加環26和27;
一除去第一固定級19;
一在出口 10處增加兩個附加的固定級28和29。
這些改變旨在保持壓縮機2的大多數的結構性構件。在該情形下，壓縮 機6包括出口 10、拉杆12、間隔件13、具有相應葉片17的末尾環15、以 及具有相應葉片17的中間環16、除了壓縮機2中的末尾固定級19之外的固 定級19。所述改變還包括將中間環26朝頭部24移動，並緊鄰末尾環15的 上遊增加附加環26和27。
同樣地，被除去的、毗鄰入口9的固定級19之外的固定級19，重新置 為朝向新的頭部24，且在相應的附加環26和27處增加兩個附加的固定級 28和29。
附加環26和附加的固定級28形成附加級；以及類似地，附加環27和 附加的固定級29形成附加級。理論上不需要這兩個附加級來確定壓縮機2 的工作特徵，但是這兩個附加級仍被插入以使得壓縮機6的軸向長度L2等於壓縮機2的軸向長度U 。具體地，兩個附加環26和27的總的軸向長度等 於第一環14的軸向長度。這樣，改變後的轉子7的長度等於原轉子7的長 度。
再者，附加環26和27彼此相同且大致上與末尾環15相同。此外，額 外的末尾固定級28和29彼此相同且大致上與毗鄰的末尾環15的固定級19 相同。
保持軸向長度L2與軸向長度L1相等是極為有利的，因為這樣可以利用 壓縮機2的相同的基底結構(未示出)，以及壓縮機2的相同的外殼結構(未 示出)；對於將已安裝的燃氣輪機l改變成適於以低熱值氣體工作的燃氣輪 機5而言，以及對於製造適於以低熱值氣體工作的新的燃氣輪機5而言，這 將會產生巨大的成本效益。
此外，插入彼此相同且與環15相同的附加環26和27，以及彼此相同且 與毗鄰末尾環15的固定級19相同的附加的固定級28和29，使得可以實現 大規模的經濟效益。
權利要求
1. 一種將第一燃氣輪機(1)改變為第二燃氣輪機(5)的方法，該第一燃氣輪機適於供給具有第一熱值(PC1)的第一氣體，該第二燃氣輪機適於供給具有第二熱值(PC2)的第二氣體，且該第二熱值顯著地低於該第一熱值(PC1)；該第一燃氣輪機(1)沿縱向軸線(A1)延伸並包括第一多級軸向壓縮機(2)、第一燃燒室(3)以及第一渦輪機(4)；該第二燃氣輪機(5)包括該第一燃燒室(3)和該第一渦輪機(4)；該方法的特徵在於該第一多級軸向壓縮機(2)能由第二多級軸向壓縮機(6)替換，該第二多級軸向壓縮機的額定流速(QA2)比該第一多級軸向壓縮機(2)的額定流速(QA1)低。
2. 如權利要求l所述的方法，其特徵在於，該第二多級軸向壓縮機(6) 的軸向長度(L2)近似等於該第一多級軸向壓縮機(2)的軸向長度(Ll)。
3. 如權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，該第二多級軸向壓縮 機(6)以額定流速(QA2)提供的壓縮比(PR2)近似等於該第一多級軸向 壓縮機(2)以額定流速(QA1)提供的壓縮比(PR1)。
4. 如權利要求1至3中任一項所述的方法，其中該第一渦輪機(4)具 有一流速(QGA1)，該方法的特徵在於，該第二多級軸向壓縮機(6)的流 速(QA2)大致上由等式QA2 = QGA1 —QG1X(PC1/PC2)確定出， 其中QA2為該第二多級軸向壓縮機(6)的額定流速； QGA1為該第一渦輪機(4)的額定流速； QG1為該第一燃氣輪機(1)的氣體流速；PC1為該第一氣體的第一熱值；以及PC2為該第二氣體的第二熱值。
5. 如前述權利要求中任一項所述的方法，其中該第一多級軸向壓縮機 (2)包括第一入口 (9)和第一出口 (10)，該方法的特徵在於，該第一入口 (9)能由第二入口 (23)替換，該第二入口的通道截面小於該第一入口 (9)的通道截面，且該第二入口的軸向長度與該第一入口的軸向長度相同。
6. 如前述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，該第一多級軸向壓縮機(2)的第一出口 (10)保留在該第二多級軸向壓縮機(6)中。
7. 如前述權利要求中任一項所述的方法，其中該第一多級軸向壓縮機 (2)包括第一轉子(7)，該第一轉子(7)包括第一環(14)、末尾環(15)和布置在該第一環(14)和該末尾環(15)之間的一組中間環(16)，所述 中間環通過前齒聯結器而聯結在一起；該方法的特徵在於，通過用頭部(24) 替換頭部(11)，除去該第一環(14)，並在末尾環(15)處增加兩個附加 環(26、 27)，且該附加環(26、 27)的軸向長度等於該第一環(14)的軸 向長度，而使得該第一轉子(7)能適合於該第二多級軸向壓縮機(6)。
8. 如權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述附加環(26、 27)彼 此相同且與該末尾環(15)近似相同。
9. 如權利要求7或8所述的方法，其中該第一多級軸向壓縮機(2)包 括多個固定級(19)，該方法的特徵在於，除去毗鄰入口 (19)的該固定級(19)，並增加兩個附加的固定級(28、 29)。
10. 如權利要求9所述的方法，其特徵在於，所述附加的固定級(28、 29)彼此相同且與毗鄰所述末尾環(15)的所述固定級(19)近似相同。
11. 如前述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，該第一多級軸 向壓縮機(2)為具有軸向長度(Ll)的十六級軸向壓縮機，以及該第二多 級軸向壓縮機(6)為具有軸向長度(L2)的十七級軸向壓縮機，且軸向長 度(L2)等於該第一多級軸向壓縮機(2)的軸向長度(Ll)。
全文摘要
一種用於將第一燃氣輪機(1)改變為第二燃氣輪機(5)的方法，該第一燃氣輪機設有第一多級軸向壓縮機、燃燒室(3)和渦輪機(4)，且適於供給具有第一熱值(PC1)的第一氣體，該第二燃氣輪機適於供給具有第二熱值(PC2)的第二氣體，該第二熱值低於該第一熱值(PC1)，該方法包括用第二多級軸向壓縮機(6)來替換第一多級軸向壓縮機(2)，該第一多級軸向壓縮機具有額定流速(QA1)，該第二多級軸向壓縮機具有額定流速(QA2)，該額定流速(QA2)比該第一多級軸向壓縮機(2)的額定流速(QA1)低；以及保持與第一燃氣輪機(1)相同的燃燒室(3)和相同的渦輪機(4)。
文檔編號F02C3/22GK101490387SQ200780026395
公開日2009年7月22日 申請日期2007年5月29日 優先權日2006年5月30日
發明者佛朗哥·羅卡, 安德烈亞·西林加爾迪, 斯特凡諾·塞奇 申請人:安薩爾多能源公司