燃氣透平及其聯合設備與壓力調節方法及電腦程式的製作方法
2023-10-11 02:39:39
專利名稱：燃氣透平及其聯合設備與壓力調節方法及電腦程式的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種燃氣透平，其動態和靜態葉片可被充分冷卻，從而可使其運行故障被減少到最小程度。本發明還涉及燃氣透平聯合設備、冷卻蒸氣壓力調節方法以及可在計算機上實現所述方法的電腦程式。
現有技術採用來自壓縮機的空氣來冷卻透平的動態和靜態葉片。但若採用壓縮空氣作為冷卻介質，則由透平中取出的功將要減少。如果採用蒸氣來取代空氣作為冷卻介質，則可節省用於冷卻動態和靜態葉片的冷卻空氣，同時使透平可利用的功增加相應數量，從而提高產生效率。
圖15為一個採用蒸氣冷卻動態和靜態葉片的燃氣透平的部分剖視圖。圖16框圖表明一個採用蒸氣冷卻高溫部件的燃氣透平聯合設備。在這一燃氣透平聯合發電設備中，燃氣透平排氣中包含的熱能可被熱再生蒸氣發生器(HRSG)370重複利用。由燃氣透平再利用排氣中熱量所產生的高溫高壓蒸氣首先用於驅動高壓蒸氣透平350，從而使與其相連的發電機355進行發電。
使高壓蒸氣透平350運轉的蒸氣通過配置在燃氣透平主軸310中的蒸氣供給管道311引導到動態葉片321。蒸氣還通過配置在燃氣透平室外的蒸氣供給口330供給到靜態葉片325。在動態葉片321和靜態葉片325中分別配置有冷卻介質的相應流通通道，被引導到動態葉片321和靜態葉片325的蒸氣在流過這一冷卻介質通道的同時通過通道的內表面吸收燃氣中的熱量，然後排放到流通通道之外。此後，對動態葉片321進行冷卻的蒸氣通過配置在燃氣透平主軸310中的蒸氣再利用管道312被引導到透平外，對靜態葉片325進行冷卻的蒸氣由蒸氣再利用出口331被引導到透平外。
所述冷卻蒸氣被引導到混合室360並在此與冷卻燃燒室尾管等部件的冷卻蒸氣混合，混合後的蒸氣被用作驅動中壓蒸氣透平351和低壓蒸氣透平352的工作介質。驅動中壓蒸氣透平351和低壓蒸氣透平352的蒸氣被蒸氣冷凝器365冷凝成可循環利用的水，供給到HRSG370，再次重複上述過程。
當燃氣透平的負荷增加時，用於進行燃燒的空氣數量隨負載的增加而增加，從而使室內壓力增高。如果室內壓力高於動態和靜態葉片中的蒸氣壓力，燃氣可能會由配置在動態和靜態葉片上的冷卻空氣孔反流到動態和靜態葉片中的冷卻介質通道，從而使動態和靜態葉片過熱，引起燃氣透平出現故障(運行中止)。因此，需要對其進行控制，使室內壓力一直處於小於動態和靜態葉片冷卻蒸氣壓力的狀態下。
但由於燃氣透平的熱容量小於HRSG的熱容量，室內壓力會隨負載的增加而很快增加。另一方面，HRSG和蒸氣透平等蒸氣系統的熱容量較大，因為它們採用水作為工作介質。因此，在負載發生變化時，蒸氣的供給可能不會立即反應和跟上這種變化。這樣，在應用蒸氣冷卻的現有技術燃氣透平中，冷卻蒸氣的供給不能迅速響應負載的變化，燃氣透平可能會因此而產生故障，特別是當負載急劇增加時。
如果動態和靜態葉片冷卻介質通道的進口和出口之間的差壓較小，則冷卻蒸氣難於流通，動態和靜態葉片的過熱可能會引發故障。例如，在動態和靜態葉片的蒸氣透平下遊或動態和靜態葉片的蒸氣供給系統上遊出現某些異常時，動態和靜態葉片冷卻介質通道進口和出口間的差壓可能變小，從而使流到動態和靜態葉片的冷卻蒸氣數量減少，動態和靜態葉片的過熱可能會引起燃氣透平出現故障。
日本專利NO.2,685,336號公開了一種可克服上述缺點的燃氣透平聯合設備。在這種燃氣透平聯合設備中，在檢測燃氣通道壓力工作參數的壓力檢測器信號上增加一個適當的偏置量，將此信號作為蒸氣壓力置定信號輸出，從而可控制冷卻蒸氣的壓力不會降低到小於燃氣壓力加上偏置量的程度。但在這一燃氣透平聯合設備中，供給動態和靜態葉片的蒸氣流量由一個蒸氣流量控制裝置來進行控制，而所述控制裝置安裝在作為高溫部件的動態和靜態葉片的上遊。因此，對蒸氣壓力的反應較慢，用於冷卻動態和靜態葉片的蒸氣壓力增長可能跟不上室內壓力的增高。結果，由於燃氣的反流，燃氣透平的故障不能被有效減少。
按本發明的一個方面，所提供的燃氣透平包括至少一個處於高溫和需要冷卻的高溫部件；一個向高溫部件供給冷卻蒸氣的蒸氣供給裝置；一個配置在高溫部件下遊、用於調節供給高溫部件的冷卻蒸氣壓力的調節裝置；一個用於測量高溫部件冷卻蒸氣壓力和燃氣透平室內壓力的測量裝置；以及一個控制裝置，所述控制裝置根據冷卻蒸氣壓力和室內壓力控制所述調節裝置，使冷卻蒸氣壓力保持在高於室內壓力的水平。
在所述具有蒸氣冷卻系統的燃氣透平中，為使冷卻動態和靜態葉片等高溫部件的蒸氣壓力大於室內壓力，在動態或靜態葉片的下遊配置了用於調節動態和靜態葉片冷卻蒸氣壓力的調節裝置-例如閥門等。在現有技術中，閥門等裝置配置在動態和靜態葉片的上遊，以控制動態和靜態葉片冷卻蒸氣的壓力並使其高於室內壓力。但是，由於位於動態和靜態葉片上遊的HRSG等冷卻蒸氣供給裝置具有較大的熱容量，對這些裝置供給的蒸氣流量和壓力難於進行調節和變化。這樣，冷卻動態和靜態葉片的蒸氣壓力主要取決於動態和靜態葉片的下遊情況。因此，在現有技術中，即使配置在動態和靜態葉片上遊的調節裝置進行調節，冷卻蒸氣壓力也難於改變。
在本發明的燃氣透平中，由於閥門等調節裝置配置在動態和靜態葉片的下遊，因此可在較大的範圍內對冷卻動態和靜態葉片的蒸氣壓力進行調節和控制。結果，隨著室內壓力的波動，動態和靜態葉片冷卻蒸氣的壓力均可控制在高於室內壓力的水平，從而可減少燃氣透平的故障停機，保證其穩定運行。例如，對冷卻蒸氣壓力的控制方法可以是使冷卻蒸氣壓力與室內壓力之間的比值保持為一個定值，使冷卻動態和靜態葉片的蒸氣壓力總是高於室內壓力。燃氣透平中需要冷卻的高溫部件包括動態葉片、靜態葉片、轉盤、透平主軸等，但本發明特別針對燃氣透平中動態葉片和靜態葉片的冷卻問題。
高溫部件的下遊指的是高溫部件出口和蒸氣冷凝器之間的部分。也就是說，冷卻高溫部件的蒸氣在該處由氣態恢復到液態。蒸氣壓力調節裝置可配置在所述區域內的任何一處，但最好配置在中壓蒸氣透平和低壓蒸氣透平等大量消耗蒸氣的裝置之前。因為，如果有一個大量消耗蒸氣的裝置位於蒸氣壓力調節裝置的下遊，在對蒸氣壓力調節裝置進行調節時，蒸氣將很快流入下遊裝置，使上遊壓力迅速變化。例如，最好採用IP-GV30和IP-TB40作為高溫部件冷卻蒸氣的壓力調節裝置，將它們配置在作為高溫部件的動態和靜態葉片的下遊和中壓蒸氣透平的上遊。在中間還可插入配置一個中間加熱器。即使在這種情況下，當對IP-GV等裝置進行調節時，蒸氣也將很快流入到下遊裝置，從而使上遊蒸氣壓力很快產生變化。
在冷卻作為高溫部件的動態和靜態葉片的蒸氣被分流並流入蒸氣冷凝器時，動態和靜態葉片出口到蒸氣冷凝器的部分成為高溫部件的下遊。在這種情況下，調節分流到蒸氣冷凝器的冷卻蒸氣流量的閥門等裝置成為高溫部件冷卻蒸氣壓力的調節裝置。在蒸氣冷凝器中，當蒸氣恢復為液態水時產生壓力陡降，因此最好將蒸氣壓力調節裝置配置在高溫部件的下遊和蒸氣冷凝器的上遊，以調節壓力和使上遊壓力產生快速變化。在冷卻蒸氣被分流後，蒸氣不僅被送至蒸氣冷凝器，還被送至中壓蒸氣透平。
按本發明的另一個方面，所提供的燃氣透平包括至少一個處於高溫和需要冷卻的高溫部件；一個向高溫部件供給冷卻蒸氣的蒸氣供給裝置；一個配置在高溫部件下遊、用於分流冷卻蒸氣的分流通道；一個通過改變流入分流通道的冷卻蒸氣數量而調節供給高溫部件的冷卻蒸氣壓力的調節裝置；一個用於測量高溫部件冷卻蒸氣壓力和燃氣透平室內壓力的測量裝置；以及一個控制裝置，所述控制裝置根據冷卻蒸氣壓力和室內壓力控制所述調節裝置，使冷卻蒸氣壓力保持在高於室內壓力的水平。
所述燃氣透平包括一個配置在燃氣透平動態或靜態葉片下遊的冷卻蒸氣分流通道。為控制冷卻動態和靜態葉片的蒸氣壓力，最好在儘可能接近控制對象的處所配置一個閥門等一類的壓力調節裝置，以便對壓力進行控制。在所述燃氣透平中，冷卻蒸氣被引入配置在動態和靜態葉片的下遊和進入混合室和HRSG之前部位的冷卻蒸氣分流通道，藉此可對冷卻動態和靜態葉片的蒸氣壓力進行調節。在這種結構安排下，由於動態和靜態葉片冷卻蒸氣壓力可比上述燃氣透平得到更快的調節，即使在室內空氣壓力突然升高的情況下，也可使冷卻動態和靜態葉片的蒸氣壓力迅速隨之升高。這樣，就可減少燃氣透平的故障停機，使其可穩定的運行。
按本發明的再一個方面，所提供的控制裝置可調節供給燃氣透平中需要冷卻的高溫部件的冷卻蒸氣壓力。所述燃氣透平包括一個向高溫部件供給冷卻蒸氣的蒸氣供給裝置；一個用於調節冷卻蒸氣壓力的調節裝置；一個用於測量高溫部件冷卻蒸氣壓力和燃氣透平室內壓力的測量裝置。控制裝置包括一個處理器，所述處理器可對冷卻蒸氣壓力和室內壓力進行比較並產生和輸出一個使調節裝置運作的信號，使冷卻蒸氣壓力保持在高於室內壓力的水平，即控制裝置根據處理器的輸出信號來控制所述調節裝置。
所述控制裝置控制具有蒸氣冷卻系統的燃氣透平，在所述燃氣透平中，閥門等動態和靜態葉片冷卻蒸氣調節裝置配置在動態或靜態葉片的下遊。控制裝置比較室內壓力與冷卻動態和靜態葉片的蒸氣壓力，並根據比較的結果控制動態和靜態葉片的調節裝置。由於閥門等壓力調節裝置配置在動態和靜態葉片的下遊，控制裝置對調節裝置的控制可使冷卻動態和靜態葉片的蒸氣壓力高於室內壓力，對冷卻蒸氣壓力的控制具有良好的響應性和較寬的調節範圍。這樣，在室內壓力有波動的情況下，冷卻動態和靜態葉片的蒸氣壓力總是被控制在高於室內壓力的水平，從而可減少燃氣透平的故障停機，使其可穩定運行。
按本發明的再一個方面，所提供的控制裝置可調節供給燃氣透平中動態或靜態葉片等需要冷卻部件的冷卻蒸氣壓力。所述燃氣透平包括一個向高溫部件供給蒸氣的蒸氣供給裝置；一個調節冷卻蒸氣壓力的調節裝置；以及一個測量冷卻蒸氣壓力和燃氣透平室內壓力的測量裝置。所述控制裝置包括一個計算器，所述計算器可計算冷卻蒸氣壓力與室內壓力之間的差異，並可根據它們之間壓力差的變化率置定調節裝置的運作速率，即所述控制裝置根據計算器的信號控制所述調節裝置。
所述控制裝置控制具有蒸氣冷卻系統的燃氣透平，在所述燃氣透平中，閥門等動態和靜態葉片調節裝置配置在動態或靜態葉片的下遊。所述控制裝置根據動態和靜態葉片中的壓力與室內壓力之間的壓力差確定調節裝置的調節速度，並按該調節速度控制調節裝置。例如，當控制裝置判定室內壓力突然增加、動態和靜態葉片冷卻蒸氣的壓力與室內壓力之差的變化大於某一置定值時，所述控制裝置控制作為調節裝置的閥門很快開通或關閉。如上所述，在室內壓力急劇升高並接近用於冷卻動態和靜態葉片的蒸氣壓力時，閥門快速開通或關閉，從而使冷卻動態和靜態葉片的蒸氣壓力快速變化。這樣，在室內壓力發生突然變化的情況下，用於冷卻動態和靜態葉片的蒸氣壓力也可保持高於室內壓力的水平，從而可減少出現故障的可能性。不僅對閥門等冷卻蒸氣壓力控制裝置的調節速度可以進行控制，而且還可對閥門開通或關閉的程度進行控制。這樣，對冷卻動態和靜態葉片的蒸氣壓力可進行更快地調節，從而可進一步減少燃氣透平出現故障的可能性。
按本發明的再一個方面，為蒸氣冷卻燃氣透平中的高溫部件提供了一種冷卻蒸氣的壓力調節方法，所述方法可使高溫部件中的冷卻蒸氣壓力保持在高於燃氣透平室內壓力的水平。所述方法包括測量冷卻蒸氣壓力和室內壓力；比較冷卻蒸氣壓力與室內壓力；和根據冷卻蒸氣壓力與室內壓力之間的差異來控制冷卻蒸氣壓力。
這種冷卻蒸氣壓力調節方法適用於具有蒸氣冷卻系統的燃氣透平，在所述燃氣透平中，閥門等用於調節動態和靜態葉片冷卻蒸氣壓力的調節裝置配置在動態或靜態葉片的下遊。在所述方法中，對調節裝置進行控制，使用於冷卻動態和靜態葉片的蒸氣壓力高於室內壓力。由於通過控制配置在動態和靜態葉片下遊的閥門等壓力調節裝置可調節用於冷卻動態和靜態葉片的蒸氣壓力，所以對動態和靜態葉片的冷卻蒸氣壓力的控制具有良好的反應性和較寬的調節範圍。這樣，隨著室內壓力的波動，用於冷卻動態和靜態葉片的蒸氣壓力可被控制在高於室內壓力的水平，從而可減少出現故障的可能性，使其穩定運行。此外，通過一個程序可使計算機執行所述冷卻蒸氣壓力調節方法，即採用計算機來實現所述冷卻蒸氣壓力調節方法。
按本發明的再一個方面，所提供的電腦程式使得可在計算機上實現本發明所述的冷卻蒸氣壓力調節方法。
按本發明的再一個方面，所提供的燃氣透平聯合設備包括一個燃氣透平，所述燃氣透平包括至少一個處於高溫和需要冷卻的部件，所述燃氣透平排放出排氣；一個利用所述排氣產生蒸氣的蒸氣發生器；一個引導蒸氣發生器產生的蒸氣到所述高溫部件的管道；一個配置在所述管道中和位於所述高溫部件下遊的調節裝置，用於調節管道中輸送到高溫部件的蒸氣壓力；一個用於測量高溫部件蒸氣壓力和燃氣透平室內壓力的測量裝置；一個根據蒸氣壓力和室內壓力控制所述調節裝置、使蒸氣壓力高於室內壓力的控制裝置；以及一個由所述蒸氣發生器產生的蒸氣所驅動的蒸氣透平。
所述燃氣透平聯合設備為一個包含蒸氣冷卻系統的燃氣透平聯合設備，在所述設備中，閥門等調節動態和靜態葉片冷卻蒸氣壓力的調節裝置配置在動態或靜態葉片的下遊。所述調節裝置由控制裝置進行控制，從而使用於冷卻動態和靜態葉片的蒸氣壓力高於室內壓力。由於在所述燃氣透平聯合設備中包括一個燃氣透平，而在所包括的燃氣透平中，閥門等配置在動態或靜態葉片下遊的壓力調節裝置受控調節用於冷卻動態和靜態葉片的蒸氣壓力，因此對動態和靜態葉片冷卻蒸氣的壓力控制具有良好的反應性和較寬的調節範圍。這樣，隨著室內壓力的波動，用於冷卻動態和靜態葉片的蒸氣壓力可總被控制在高於室內壓力的水平，從而可減少出現故障的可能性，使設備能夠穩定運行。由於整個設備可穩定運行，所以即使在仲夏季節白天等情況下出現了電力需求的突然增加，燃氣透平也不會出現故障停機，從而可保證電力的穩定供給。
按本發明的再一個方面，所提供的燃氣透平聯合設備包括一個燃氣透平，所述燃氣透平包括至少一個處於高溫和需要冷卻的部件，所述燃氣透平排放出排氣；一個利用所述排氣產生蒸氣的蒸氣發生器；一個引導蒸氣發生器產生的蒸氣到所述高溫部件的管道；一個配置在所述管道中且位於所述高溫部件下遊的用於對蒸氣進行分流的分流通道；一個配置在所述管道中和位於所述高溫部件下遊的調節裝置，用於調節分流到所述分流通道中的蒸氣數量；一個用於測量高溫部件蒸氣壓力和燃氣透平室內壓力的測量裝置；一個根據蒸氣壓力和室內壓力控制所述調節裝置、使蒸氣壓力高於室內壓力的控制裝置；以及一個由所述蒸氣發生器產生的蒸氣所驅動的蒸氣透平。
所述燃氣透平聯合設備為一個包含蒸氣冷卻系統的燃氣透平聯合設備，在所述設備中，閥門等調節動態和靜態葉片冷卻蒸氣壓力的調節裝置配置在動態或靜態葉片的下遊。所述調節裝置的調節速度由動態和靜態葉片中的壓力與室內壓力之間的差值確定，並按所確定的調節速度對所述調節裝置進行控制。例如，當室內壓力突然增加時，室內壓力將很快接近用於冷卻動態和靜態葉片的蒸氣壓力，這時應使閥門很快地開啟或關閉，從而使動態和靜態葉片的冷卻蒸氣壓力很快產生相應的變化。這樣，在室內壓力出現陡然變化時，用於冷卻動態和靜態葉片的蒸氣壓力也可保持高於室內壓力的水平。從而可減少燃氣透平產生故障停機的可能性，使整個設備可以穩定運行。特別是在電力需求突然增加和燃氣透平負載突然加大的情況下，也能保證電力的穩定供應。
圖2為按本發明第一實施例燃氣透平的部分剖視圖。
圖3流程圖表明按本發明第一實施例的燃氣透平控制方法。
圖4框圖表明適用於本發明控制方法的控制裝置。
圖5A和圖5B曲線圖表明用於冷卻動態和靜態葉片的蒸氣壓力與室內壓力之間的相互關係。
圖6A和圖6B曲線為裕度壓力α函數的示例。
圖7流程圖表明按本發明第一實施例第一變型的燃氣透平控制方法。
圖8框圖表明可實現圖7所示控制方法的控制裝置。
圖9流程圖表明按本發明第一實施例第二變型的燃氣透平控制方法。
圖10框圖表明可實現圖9所示控制方法的控制裝置。
圖11A和圖11B流程圖表明控制方法。
圖12框圖表明按本發明第一實施例燃氣透平控制方法的一個示例。
圖13框圖表明按本發明第二實施例的採用蒸氣冷卻動態和靜態葉片的燃氣透平冷卻系統。
圖14框圖表明本發明燃氣透平應用於燃氣透平聯合發電設備中的一個例子。
圖15為採用蒸氣冷卻動態和靜態葉片的燃氣透平的部分剖視圖。
圖16框圖表明一個採用蒸氣冷卻高溫部件的燃氣透平聯合設備。
圖1為一個原理框圖，表明按本發明第一實施例採用蒸氣冷卻動態和靜態葉片的一個燃氣透平。圖2為按本發明第一實施例燃氣透平的部分剖視圖。所述燃氣透平的特點在於，動態和靜態葉片入口處的冷卻蒸氣壓力保持在高於室內壓力的水平。除動態和靜態葉片外，所述燃氣透平的高溫部件還包括燃燒室尾管、透平主軸或轉盤，但將本發明應用於冷卻動態葉片、靜態葉片和燃燒室尾管時，則更為有效。
在所述燃氣透平中，由來自HRSG的高壓蒸氣所驅動的高壓蒸氣透平(未畫出)的排氣被用作動態和靜態葉片的冷卻介質。但用作冷卻介質的蒸氣並不局限於高壓蒸氣透平的排氣。例如，由配置在HRSG中的HP-SH(高壓過熱加熱器)所提供的高壓蒸氣也可作為冷卻介質使用。在燃氣透平啟動時，缺乏用於驅動高壓蒸氣透平的足夠蒸氣。在這種情況下，可應用安裝在設備或工廠中的輔助蒸氣發生器所產生的輔助蒸氣。這種措施適用於下述各實施例。
高壓蒸氣透平(未畫出)所排放的蒸氣可通過動態葉片蒸氣流量調節閥10和靜態葉片蒸氣流量調節閥20進行流量調節。如圖2所示，供給動態葉片1的蒸氣通過配置在透平主軸75中的蒸氣供給通道71被供給到葉片內的冷卻蒸氣通道，供給靜態葉片2的蒸氣通過蒸氣供給口73被供給到葉片內的冷卻蒸氣通道。
供給到動態葉片1和靜態葉片2的蒸氣與動態葉片1和靜態葉片2內的冷卻蒸氣通道的壁面產生熱交換，然後排放到動態葉片1和靜態葉片2的外面。此時，冷卻動態葉片1和靜態葉片2之後的蒸氣分別通過配置在透平主軸75中的蒸氣再利用通道72和蒸氣再利用口74由燃氣透平90引入混合室5。也可將冷卻後蒸氣引入到一個復熱器(未畫出)而不引入混合室5，使其增加燃氣透平排氣中所含的熱能，然後將其送入中壓蒸氣透平。
被引入到混合室5的冷卻蒸氣與冷卻燃燒室尾管(未畫出)的蒸氣及高壓蒸氣透平所排放的蒸氣相互混合。混合蒸氣的壓力至少可由一個IP-GV30(中壓調壓器)或IP-TB40(中壓透平旁路)等蒸氣壓力調節裝置進行調節，然後供給到中壓蒸氣透平4(參見圖1)並對其進行驅動。也可用其驅動低壓透平(未畫出)，而不用於驅動中壓透平。
應當考慮燃氣透平的負載由某一固定值增加到更高值的情況。如果燃氣透平的負載增加，為產生與所增負載相應的輸出，需要燃燒更多的燃料以產生更多的熱能，以與輸出的增加相適應。在這種情況下，需要向燃燒室供給更多的燃料，同時也需增加向燃燒室供給的空氣數量(參見圖1)，空氣供給增加的數量應與燃料增加的數量相應，從而使作為燃燒室3內空氣壓力的室內壓力P3也相應增加。
與燃氣透平的熱容量相比，向高壓蒸氣透平供給蒸氣的HRSG和向動態葉片1和靜態葉片2供給冷卻蒸氣的高壓蒸氣透平蒸氣供給系統的熱容量較大。因此，即使燃氣透平的輸出增加和使輸入到HRSG的排氣熱能也相應增加，由HRSG供給的蒸氣流量也不會立即得到增加。也就是說，在燃氣透平的負載增加之後，HRSG供給的蒸氣數量要滯後一段時間才開始增加。這樣，在燃氣透平聯合設備中，供給動態葉片1和靜態葉片2的蒸氣流量增加的時間比室內壓力開始增加的時間要滯後一段時間。結果，在燃氣透平的負載增加時，會出現室內壓力P3大於動態葉片1中蒸氣壓力P1和靜態葉片2中蒸氣壓力P2的情況。在這種情況下，燃氣會由配置在動態葉片1和靜態葉片2薄壁上的冷卻口反流到其內部冷卻介質通道，從而使動態和靜態葉片的溫度升高，造成燃氣透平的故障停機。
在向動態葉片1等部件供給蒸氣的蒸氣供給管道50(參見圖1)破裂或出現蒸氣洩漏時，供給動態葉片1的蒸氣數量將減少，使動態葉片的蒸氣壓力P1降低。如果P1降低到低於室內壓力P3時，燃氣將會反流到動態葉片1和靜態葉片2的冷卻蒸氣通道，從而引起動態和靜態葉片的過熱，造成燃氣透平的故障停機。
為防止燃氣透平出現這種故障，需要對室內壓力P3進行控制，使其低於動態葉片的蒸氣壓力P1和靜態葉片的蒸氣壓力P2。在現有技術中，通過開關配置在動態和靜態葉片上遊的動態葉片蒸氣流量調節閥10和靜態葉片蒸氣流量調節閥20來實現這種控制，使室內壓力P3小於動態和靜態葉片的蒸氣壓力。但由於動態葉片的蒸氣壓力P1和靜態葉片的蒸氣壓力P2更多地取決於它們下遊的蒸氣壓力，上述方法不能有效地控制蒸氣壓力。此外，在被燃氣透平排氣加熱的數量增加之後，需要有一段時間才能使HRSG產生的蒸氣流量增加。因此，在室內壓力P3增高時，不能保證有足夠的蒸氣流量來增加動態葉片的蒸氣壓力P1和靜態葉片的蒸氣壓力P2。
在按本發明第一實施例的燃氣透平中，在室內壓力P3因負載的增加而增加時，作為蒸氣壓力調節裝置而配置在動態和靜態葉片下遊的IP-GV30或IP-TB40關閉，從而使動態葉片1的蒸氣壓力P1和靜態葉片2的蒸氣壓力P2增加。如上所述，由於動態和靜態葉片的蒸氣壓力入口受到動態和靜態葉片下遊的控制，用於冷卻動態和靜態葉片的蒸氣壓力可很快地得到控制，而不會受到HRSG等具有較大熱容量和配置在動態和靜態葉片及高壓蒸氣透平上遊的蒸氣供給系統反應速度的影響。這樣，可減少動態和靜態葉片出現過熱和燃氣透平故障停機的可能性，提高了運行的穩定性和可靠性。
以下將說明燃氣透平冷卻蒸氣壓力的控制方法。為使說明簡明，以下將只祥述控制動態葉片1的冷卻蒸氣壓力P1的方法，對靜態葉片2的冷卻蒸氣壓力P2的控制方法與此相同。圖3流程圖表明按本發明第一實施例的燃氣透平控制方法，圖4框圖表明適用於該控制方法的控制裝置。
從理論上說，如果能夠控制動態葉片1的冷卻蒸氣壓力P1大於室內壓力P3，則燃氣將不會出現反流。然而在本發明所述燃氣透平中，動態葉片1的冷卻蒸氣壓力P1的控制值大於室內壓力P3與裕度壓力α之和，其理由將在以下予以說明。由於控制是以這種方式進行的，所以在控制裝置100的處理器110中配置了一個第一運算器111，用於進行裕度壓力α與室內壓力的相加運算。
動態葉片1的冷卻蒸氣壓力P1和室內壓力P3分別由測量儀器201和203進行測量(步驟S1)，測量值被分別送到測量儀器211和212並被轉換成電信號，然後將信號送至控制裝置100中的處理器110。處理器110中的第一運算器111將裕度壓力α加到室內壓力P3上(步驟S2)。然後，比較器112對動態葉片1的冷卻蒸氣壓力P1與室內壓力P3(及裕度壓力α)進行比較(步驟S3)。
當比較器11 2的比較結果為P1≤P3+α時，第二運算器113向控制器120發送一個與此相應的控制信號，根據這一信號，作為控制裝置的控制器120使作為壓力調節裝置的IP-GV30關閉。流入中壓蒸氣透平4的冷卻蒸氣流量減少，從而使動態葉片冷卻蒸氣壓力P1增加。這樣，動態葉片冷卻蒸氣壓力P1將大於P3+α，從而可防止燃氣反流到動態葉片。
在某些情況下，當室內壓力P3出現波動時，雖然平均說來P1＞P3+α，但在某一瞬間可能出現P1＜P3+α，在後一瞬間變成P1＞P3+α。在這種情況下，如果控制是通過開關IP-GV30來實現的，而令其開關的信號又幾乎無延時地立即輸入，則可能使IP-GV30產生振蕩。為防止出現這種情況，例如，可在連續三次出現P1≤P3+α時再實施關閉IP-GV30的控制。按這種方式進行控制，可排除室內壓力P3波動的影響，減少IP-GV30的振蕩和實施穩定的控制。
現說明為什麼要在室內壓力P3上增加裕度壓力α。圖5A和5B中曲線表明動態葉片冷卻蒸氣壓力與室內壓力之間的相互關係。由於動態葉片1和IP-GV30通過一個長管相連，所以即使在IP-GV30關閉時，動態葉片1中的冷卻蒸氣壓力P1也不會立即增高。也就是說，即使響應室內壓力P3的增加而立即關閉IP-GV30，也需要一定的時間才能使冷卻蒸氣壓力P1開始增加。因此，如圖5A所示，室內壓力P3可能超過動態葉片1的冷卻蒸氣壓力P1，從而引發燃氣透平的故障。為防止出現這種情況，事先在室內壓力P3上加上一個裕度壓力α，以提高安全係數。以這種方式實施控制，如圖5B所示，即使需要一定的時間才能使動態葉片1中的冷卻蒸氣壓力P1開始增加，但當P1接近等於P3+α時，P1就將開始增加。也就是說，以這種方式實施控制，P1在室內壓力P3超過動態葉片1冷卻蒸氣壓力P1之前就開始增加，從而可使動態葉片1冷卻蒸氣壓力P1總是保持高於室內壓力P3。但若裕度壓力α較小，則室內壓力P3還有可能超過動態葉片1的冷卻蒸氣壓力P1。因此，需要根據燃氣透平的具體結構對裕度壓力α的取值進行優化。
裕度壓力α可取定值，也可採用某一函數f(x)。當採用定值時，例如，可使α＝0.15-0.30Mpa。或者，使α作為燃氣透平負載的一個函數。圖6A和6B曲線表明將裕度壓力α取為函數的示例。例如，如圖6A所示，可採用的函數為α＝aL+b(a與b為兩個常數)，即α隨負載L的增加而增加。採用這一函數，在負載較小和室內壓力P3不突然增加時，IP-GV30可開啟儘可能長的時間。這樣，可使更多的蒸氣供給中壓蒸氣透平4(參見圖1)，從而相應地可由中壓蒸氣透平4中取出更多的功。
在燃氣透平的負載和室內壓力P3突然增加時，裕度壓力α取較大的值。從而可使IP-GV30較早關閉以增加動態葉片的冷卻蒸氣壓力P1，防止燃氣反流到動態葉片1。如圖6B所示，也可將裕度壓力α取為負載L的非線形函數α＝f(L)，使α值在某一負載下突然增加。此外，裕度壓力α並不僅僅局限於作為負載L的函數，它還可取作為動態葉片1的溫度或燃料進給速度的函數。在負載不能直接進行測量的情況下，採用這種函數形式是相當有效的。在燃料進給與負載增加之間存在延時，但若將燃料進給速度作為一個控制參數，則這種延時可以忽略。這樣做的好處在於，可使用於冷卻動態葉片的蒸氣壓力得到更快的調節。此外，對冷卻蒸氣壓力P1的控制還可按下述方式進行，即使冷卻蒸氣壓力P1和室內壓力P3之間的壓力比保持不變，從而使動態葉片1的冷卻蒸氣壓力P1高於室內壓力P3。為實現穩定控制，所述壓力比最好為1。1-2。0。
圖7流程圖表明按本發明第一實施例第一變型的控制方法。圖8框圖表明適用於圖7所示控制方法的控制裝置。在所述控制方法中，動態葉片1的冷卻蒸氣壓力P1由安裝在動態葉片1入口處的測量裝置201進行測量(參見圖3)。然而，控制參數的測量最好應與實施控制的控制裝置接近，以便可實現快反應和精確的控制。由於測量裝置201安裝在動態葉片1的上遊，離調節冷卻蒸氣壓力的IP-GV30較遠，如果採用測量裝置201的測量閥進行測量，則將會使控制精度有所降低。因此，在進行所述控制中，希望採用測量裝置204測量的IP-GV30入口壓力P4作為控制參數，而不採用測量裝置201所測量的P1。為提高控制精度，最好將測量裝置204配置在IP-GV30的上遊並儘可能地靠近IP-GV30。
在這一控制方法中，由於動態葉片1到測量裝置204之間的管線較長，由於存在壓力損失，P4將小於P1。因此，在用測量裝置204測量的P4替代動態葉片1的冷卻蒸氣壓力P1時，需要對測量值P4進行修正，應在P4上加上所述壓力損失。首先，對冷卻蒸氣壓力P1和室內壓力P3進行測量(步驟S10)，由測量裝置214將壓力測量裝置204的測量值轉化為電信號，然後考慮到壓力損失由第一運算器111B將壓力β增加上去(步驟S20)。用動態葉片1的冷卻整齊壓力P代替P4+β，並由控制裝置102處理器130中的比較器112對其與室內壓力P3進行比較(步驟S30)。當比較的結果為P1＝P4+β≤P3+α時，控制信號由第二運算器113發送給控制器120，控制器120控制IP-GV30關閉(步驟S40)。通過上述控制方法，可對動態葉片1的冷卻蒸氣壓力P1進行控制，採用鄰近壓力調節裝置IP-GV30的壓力P4作為控制參數，從而提高了控制精度。
處理器130等裝置可採用包括存儲器和CPU(中央處理單元)的專用硬體，用於實現處理器功能的程序可存儲在存儲器中，執行所述程序即可實現相應的功能。所述程序可用於實現部分的上述功能，或者說上述全部功能由所述程序和先已存儲在計算機系統中的程序聯合予以實現。
燃氣透平的控制裝置102在實現其功能時可能需要輸入和顯示裝置(圖中均未畫出)等外圍設備和執行裝置。在這種情況下，輸入和顯示裝置作為外圍設備與控制裝置102相連。在此，輸入設備可以是鍵盤或滑鼠，顯示裝置可以是CRT(陰極射線管)或液晶顯示器等。
以下將說明按本發明第一實施例第二變型的控制方法。在按第一實施例的燃氣透平中，由於是在動態和靜態葉片的下遊對冷卻蒸氣壓力進行控制，與在動態和靜態葉片的上遊對冷卻蒸氣壓力進行控制相比，冷卻蒸氣壓力的響應速度較快。但燃氣透平本身體量較大，為便於配置各有關裝置，控制動態和靜態葉片冷卻蒸氣壓力的IP-GV30被配置在離動態和靜態葉片較遠的位置。因此，即使是在動態和靜態葉片的下遊對冷卻蒸氣壓力進行控制，也不能完全排除在IP-GV30的開/關與動態和靜態葉片冷卻蒸氣壓力實際產生改變之間出現響應滯後。
結果，在按第一實施例的燃氣透平中，當在較短時間內出現室內壓力超過裕度壓力α的變化時，冷卻蒸氣的壓力調節可能跟不上室內壓力的這種變化。室內壓力可能在短期內超過動態和靜態葉片的冷卻蒸氣壓力，從而引發燃氣透平的故障。為解決這一問題，應將裕度壓力α的值加大。但由於受到室內壓力與冷卻蒸氣壓力之間相互關係的限制，α值也不能增加得過大。
按第二變型的燃氣透平可以解決這一問題。所述燃氣透平的特點在於，採用室內壓力P3和動態和靜態葉片的冷卻蒸氣壓力P1的變化率作為控制IP-GV30開關的參數。圖9流程圖表明按第一實施例第二變型的控制方法。圖10框圖表明適用於圖9所示控制方法的控制裝置。控制裝置103包括運算器131和控制它的控制器121。在此將通過一個示例，說明採用壓力變化率ΔP為參數對IP-GV30進行控制的情況，ΔP為冷卻蒸氣壓力P1與室內壓力P3之間的差分壓力。
在第二變型中，鄰近IP-GV30上遊的壓力P4按上述方法進行測量，為精確控制冷卻蒸氣壓力，測量值加上修正值β後作為動態葉片1的冷卻蒸氣壓力P1。室內壓力P3和鄰近IP-GV30上遊的壓力P4分別由圖1所示測量裝置203和204進行測量(步驟S100)。測量值分別由測量裝置213和214轉化為電信號，然後輸入到控制器103。根據設備的結構尺寸確定取樣周期，在本例中，P3和P4的測量間隔周期為100毫秒。
送入控制器103的P3和P4分別由第一運算器111A和111B加上裕度壓力α和修正值β，並取P4+β＝P1(步驟S200)。然後，由比較器112對P1和P3+α進行比較(步驟S300)。當比較的結果為P1＞P3+α時，則繼續進行下一步控制。若比較的結果為上式不成立，則表示動態葉片的冷卻蒸氣壓力P1小於室內壓力P3。在這種情況下，控制信號由第二運算器113發送給控制器121，由控制器121控制IP-GV30關閉，以增加動態葉片的冷卻蒸氣壓力(步驟S6)。
當比較器112的比較結果為P1＞P3+α時，由減法器140計算差分壓力ΔP＝P1-P3(步驟S400)。根據所計算的ΔP，由第二運算器113對此時的ΔP(n)與前一個ΔP(n-1)進行比較。如果ΔP(n)＞ΔP(n-1)，則可判斷差分壓力ΔP具有減少的趨勢(步驟S500)。
考慮到測量時可能存在幹擾，不僅與前一次測量值的比較而且對差分壓力ΔP的判斷都應與以前的測量值聯繫起來進行比較判斷。例如，與前兩次和前三次的測量值ΔP(n-2)和ΔP(n-3)進行比較，若ΔP(n)＞ΔP(n-1)、ΔP(n-1)＞ΔP(n-2)和ΔP(n-3)＞ΔP(n-3)同時成立，則可斷定差分壓力ΔP(n)呈遞減趨勢。這樣，與僅同前一個測量值進行比較而言，比較結果和所做的判斷很少受到幹擾和燥聲的影響，從而可減少IP-GV30的振蕩和提高控制的穩定性。
當判斷差分壓力ΔP呈減少趨勢時，第二運算器113向控制器121發送一個控制信號；響應這一信號，控制器控制IP-GV30關閉(步驟S600)。由於IP-GV30的關閉，結果將使動態葉片的冷卻蒸氣壓力開始上升。這樣，當差分壓力ΔP出現減少趨勢時，IP-GV關閉，動態葉片的冷卻蒸氣壓力P1在室內壓力P3還沒有超過動態葉片冷卻蒸氣壓力P1之前就開始增加，從而可減少燃氣透平的故障，使其運行穩定。此外，即使在裕度壓力設定不大的情況下，也可實現快速控制。由於可減少動態和靜態葉片等高溫部件出現過熱的可能性，因此可減少這些部件的損壞程度，從而可延長工作壽命。
運算器131可採用專用硬體予以實現，運算器131可包括一個存儲器和一個CPU(中央處理單元)，實現處理器功能的程序可安裝進所述存儲器中，執行該程序即可實現所述功能。所述程序也可只實現上述的部分功能，或者說由上述程序與先已存儲在計算機系統中的程序聯合使用而共同完成上述的全部功能。
燃氣透平的控制裝置103在實現其功能時可能需要輸入和顯示裝置(圖中均未畫出)等外圍設備和執行裝置。在這種情況下，輸入和顯示裝置作為外圍設備與控制裝置103相連。在此，輸入設備可以是鍵盤或滑鼠，顯示裝置可以是CRT(陰極射線管)或液晶顯示器等。
在所述控制中，如果差分壓力ΔP的變化率超過某一置定值，IP-GV30的開關速度將會增加，其開起和關閉程度也應增加。為提高IP-GV30的開關速度和擴大其開關幅度，當採用PID控制器作為控制器121時，只需增加其比例增益即可達到這一目的。這樣，當室內壓力P3因負載的突然變化而突然增加時，由於IP-GV30可較快和大幅度關閉，動態葉片1的冷卻蒸氣壓力P1可以很快增加，結果，動態葉片1中的冷卻蒸氣壓力P1可比室內壓力P3更快地增加，從而可減少燃氣透平在負載突然變化時出現故障的可能性。當室內壓力逐漸變化時，IP-GV30的開關速度和開關幅度被控制於較小的水平，從而可減少IP-GV30出現振蕩的可能性和提高控制的穩定性。
特別是，當動態葉片冷卻介質通道在負載增加的過程中被穿通時，動態葉片1的冷卻蒸氣壓力P1減小，而在另一方面，室內壓力P3又隨負載的增加而增加，P3可能會很快超過P1，從而引發燃氣透平的故障。按上述控制邏輯，即使在這種情況下，燃氣透平的故障也能受到抑制以提高其運行的穩定性。因此，上述控制方法是非常有效的。由於對動態葉片1的冷卻蒸氣壓力P1的控制是基於差分壓力ΔP的變化趨勢，因此通過適當置定P1和P3的取樣周期或聯繫過去的測量值來判斷變化趨勢可排除室內壓力P3脈動的影響，從而可減少IP-GV30的振蕩和使燃氣透平穩定運行。
在上述說明中，對室內壓力P3與動態葉片1的冷卻蒸氣壓力P1進行了比較，採用同樣的方法也可控制靜態葉片2的冷卻蒸氣壓力P2。可對動態葉片1的冷卻蒸氣壓力P1和室內壓力P3之間的差壓ΔP1變化與靜態葉片2的冷卻蒸氣壓力P2和室內壓力P3之間的差壓ΔP2的變化進行比較，當ΔP1和ΔP2二者之間有一個呈減小趨勢時使IP-GV30關閉。圖11A和11B中流程圖表明這種控制方法。在所述控制方法中，對冷卻蒸氣壓力的控制可針對動態葉片1的冷卻蒸氣壓力或靜態葉片2的冷卻蒸氣壓力進行，看哪一個更快地接近室內壓力P3。從而可更有效地減少燃氣透平的故障。
除上述控制方法外，當差壓ΔP1或ΔP2的變化率中有一個超過設定值時，使IP-GV30快速和大幅度地開開啟或關閉。圖11B流程圖表明了這種控制方法。差壓ΔP的變化率可應用下式獲得(ΔP(n)-ΔP(n-1))/Δt式中，Δt為採樣周期，具有時間量綱。這樣，即使當動態葉片1和靜態葉片2的冷卻蒸氣壓力中有一個突然接近室內壓力時，都可按具有較大變化率的一個對冷卻蒸氣壓力進行控制，從而可更可靠地減少燃氣透平的故障。
在圖1所示冷卻系統框圖中，動態葉片1的冷卻蒸氣壓力P1和靜態葉片的冷卻蒸氣壓力P2是通過IP-GV30進行控制的。然而，動態葉片1和靜態葉片2具有不同的管道，因此可對它們分別進行控制。在這種結構安排下，可對P1和P2分別進行控制，從而可進一步提高控制精度。結果可減少冷卻蒸氣的損耗，使更多的蒸氣供給中壓蒸氣透平4。
圖12框圖表明按第一實施例的燃氣透平控制方法的一個示例。所述燃氣透平具有流入動態和靜態葉片的冷卻蒸氣流量保持不變的特點，在進行控制時應使室內壓力不超過動態和靜態葉片的冷卻蒸氣壓力。在上述控制中，用於冷卻動態和靜態葉片的冷卻蒸氣壓力始終保持高於室內壓力的水平，從而可防止燃氣反流到動態和靜態葉片中的冷卻介質通道，減少燃氣透平出現故障的可能性。
然而，如果用於冷卻動態和靜態葉片的冷卻蒸氣流量不能充分保障，則動態和靜態葉片的熱量就不能有效地散放到動態和靜態葉片之外。結果可能造成動態和靜態葉片的過熱，引發燃氣透平的故障。因此在變型實施例中，在所進行的控制中保障了蒸氣具有進行冷卻所需的流量，同時使動態和靜態葉片冷卻蒸氣壓力保持在高於室內壓力的水平。
在按這一變型實施例的冷卻蒸氣供給通道中，用於調節動態和靜態葉片冷卻蒸氣流量的閥門10和20配置在動態葉片1和靜態葉片2的上遊。此外，還分別配置了用於測量動態葉片1和靜態葉片2上下遊之間差壓的差壓測量裝置221和222。在所述變型實施例中，冷卻蒸氣流量由差壓獲得，並採用溫度測量裝置251和252來測量轉換所需的蒸氣溫度參數。差壓ΔP1x和ΔP2x分別由P1-P1out和P2-P2out獲得。流量Q1為Q1＝B*((2*g*ΔPnx)/ρ)1/2式中g代表重力加速度；ρ為蒸氣密度；B代表流動係數，它取決於冷卻蒸氣的黏度和動態和靜態葉片中的冷卻介質通道的形狀。
在這一燃氣透平中，在進行控制使P1＞P3+α和P2＞P3+α時，流過動態葉片1和靜態葉片2的流量Qn被動態和靜態葉片蒸氣流量調節閥10和20控制為一個預定的流量值。例如，在室內壓力P3隨負載的增加而增加時，IP-GV30關閉，以增加動態葉片1的冷卻蒸氣壓力P1和靜態葉片2的冷卻蒸氣壓力P2。此時，由於動態葉片和靜態葉片出口的壓力P1out和P2out也要增加，因此使差壓ΔPnx減小，結果使流過動態葉片1和靜態葉片2的蒸氣流量Q1和Q2減少。這樣，所實施的控制使動態和靜態葉片的蒸氣流量調節閥門10和20開啟，以保證預定的冷卻蒸氣流量Qn。在按本變型實施例控制邏輯進行控制的燃氣透平中，在控制動態和靜態葉片的冷卻蒸氣壓力高於室內壓力時，用於冷卻動態和靜態葉片所需的蒸氣流量可得到保障。從而即使在負載變化時，也能減少燃氣透平的故障和使其穩定運行。
圖13框圖表明按本發明第二實施例採用蒸氣冷卻動態和靜態葉片的一個燃氣透平冷卻系統。所述透平的特點是，具有配置在動態和靜態葉片與蒸氣壓力調節裝置IP-GV30之間的冷卻蒸氣分流通道，通過使蒸氣流入所述分流通道對動態和靜態葉片冷卻蒸氣的壓力進行控制。如圖12所示，分流通道55配置在動態葉片1和靜態葉片2的下遊，可使冷卻動態葉片1和靜態葉片2的冷卻蒸氣流入蒸氣冷凝器7。所述分流通道55配置有作為蒸氣壓力調節裝置的壓力調節閥60，通過壓力調節閥60的開或關對動態和靜態葉片冷卻蒸氣的壓力進行控制。流入分流通道55中的蒸氣被引入到蒸氣冷凝器7液化為水而可再次進行利用，被輸送到HRSG並再次汽化為蒸氣。
在按本發明第二實施例的燃氣透平中，由於冷卻蒸氣的壓力可在接近動態和靜態葉片處進行調節，對冷卻蒸氣壓力控制的響應速度高於第一實施例中的控制方法。因此，可對室內空氣壓力的變化作出更快地反應，從而可更有效地減少燃氣透平的事故和使其穩定運行。特別是當這種燃氣透平用於燃氣透平聯合設備或燃氣透平發電設備中時，由於燃氣透平事故的減少可使電力穩定供應。對壓力調節閥60的控制可採用在第一實施例及其變型中所述的控制方法。
圖14框圖表明本發明燃氣透平用於燃氣透平聯合發電設備之中。所述燃氣透平聯合發電設備包括一個具有蒸氣冷卻系統的燃氣透平，在所述燃氣透平中，應用蒸氣來冷卻動態和靜態葉片等高溫部件，並使燃氣透平的室內壓力控制在低於動態和靜態葉片冷卻蒸氣壓力的水平。
所述燃氣透平500包括一個壓縮機510、一個燃燒室520和一個透平530，由壓縮機510壓縮的高溫高壓空氣被引入燃燒室520。燃燒室520向所述高溫高壓空氣噴射天然氣等氣體燃料或輕油/重油等液體燃料並使燃料燃燒，從而產生高溫燃氣。所產生的高溫燃氣通過燃燒室尾管540噴入透平530，由透平530將包含在高溫高壓燃氣中的熱能轉換為轉動動能。壓縮機510由所產生的轉動動能驅動，驅動壓縮機510後剩餘的動能用於驅動發電機發電。在這一燃氣透平500中，燃燒室尾管540也由驅動高壓蒸氣透平800後的蒸氣進行冷卻。
驅動透平後的燃氣仍然具有高達600攝式度的高溫，因此將其引入HRSG700使熱能再次得到利用。由配置在HRSG700中的高壓蒸發器產生的高壓蒸氣被第一高壓過熱器和第二高壓過熱器進行過熱加熱後通過管道730供給高壓蒸氣透平800並對其進行驅動。當高壓蒸氣透平800被驅動時，與其相連的發電機610將產生電力。因熱能被高壓過熱器和高壓蒸發器所吸收，所以驅動透平的燃氣溫度將下降。包含在燃氣中的熱能進一步被中壓過熱器、低壓過熱器、中壓蒸發器和低壓蒸發器所吸收。熱能被HRSG700所吸收的燃氣經過具有脫硫裝置的淨化器750淨化後排放到大氣中。
在驅動高壓高壓蒸氣透平800以後，蒸氣被管道731引入到作為燃氣透平500高溫部件的動態葉片531和靜態葉片632中，以便對它們進行冷卻。此時，作為蒸氣壓力調節裝置的IP-GV840被具有運算器和控制器的控制裝置105所控制，使用於冷卻動態葉片531和靜態葉片532的冷卻蒸氣壓力高於室內空氣壓力。控制裝置105包括有一個處理器和一個控制器，並可實現上述控制。因IP-GV840配置在動態葉片531和靜態葉片532的下遊，IP-GV840的開或關可使動態葉片531和靜態葉片532中的蒸氣壓力快速變化。
在冷卻動態和靜態葉片之後，蒸氣被引入混合室740，與冷卻燃燒室尾管540的蒸氣混合，然後用於驅動中壓蒸氣透平810。蒸氣在驅動中壓蒸氣透平810後用於驅動低壓蒸氣透平820，然後被引入蒸氣冷凝器760冷凝為水，再次輸送給HRSG700。由於中壓蒸氣透平810和低壓蒸氣透平820同高壓蒸氣透平800一起都與發電機610相連，對這些透平的驅動將使發電機610產生電力。
如上所述，在燃氣透平聯合發電設備900中，燃氣透平排氣中的熱量可被HRSG再次利用，從而使包含在燃氣中的熱能可被再次有效地利用。由於HRSG和高壓蒸氣透平800等可產生具有不同溫度的蒸氣，因此可選擇具有適當溫度的蒸氣作為冷卻燃氣透平高溫部件的介質。因此，可簡化對冷卻蒸氣的溫度調節，從而可減少用於溫度調節的額外能量損耗，整個設備的熱能效率可進一步得到提高。
在按本發明的燃氣透平聯合設備900中，由於用於冷卻作為燃氣透平高溫部件的動態和靜態葉片的冷卻蒸氣壓力可被控制在高於燃氣透平室內壓力的水平，動態和靜態葉片由於燃氣反流的過熱現象可被有效抑制。從而可減少燃氣透平出現故障的風險，提高整個設備工作的可靠性，使電力可穩定供應。
如上所述，在按本發明一個方面的燃氣透平中，為使具有蒸氣冷卻系統的燃氣透平中動態和靜態葉片的冷卻蒸氣壓力保持在高於室內壓力的水平，閥門等用於調節動態和靜態葉片冷卻蒸氣壓力的裝置配置在動態或靜態葉片的下遊。這樣，在冷卻蒸氣壓力控制裝置的控制下，可以良好的響應性和在較寬的範圍內對冷卻動態和靜態葉片的蒸氣壓力進行調節和控制。在室內壓力有所波動的情況下，由於動態和靜態葉片冷卻蒸氣壓力可被始終控制在高於室內壓力的水平，因此可減少燃氣透平的故障和使其穩定運行。
在按本發明另外一個實施例的燃氣透平中，冷卻蒸氣在流到混合室和HRSG前可流入配置在動態或靜態葉片下遊的冷卻蒸氣分流通道之中，從而可對冷卻動態和靜態葉片的蒸氣壓力進行調節。因此，在所述蒸氣壓力調節裝置的控制下，對冷卻動態和靜態葉片的蒸氣壓力調節與上述燃氣透平相比具有更快的響應速度。例如，即使在因負載的突然增加而使室內空氣壓力突然增加時，動態和靜態葉片冷卻蒸氣壓力也可隨之立即增加。結果，可減少燃氣透平的故障和使其穩定運行。
此外，在所述燃氣透平中，冷卻高溫部件的蒸氣壓力通過計算室內壓力和某一預定的壓力值而被保持在一個定值。因此，可減少控制系統可能出現的響應延遲，即使在室內壓力因負載的突然增加而突然增加時，冷卻動態和靜態葉片的蒸氣壓力也可保持在高於室內壓力的水平。
還有，在所述燃氣透平中，冷卻蒸氣壓力在閥門等冷卻蒸氣控制裝置的上遊進行測量而且測量點儘可能地靠近所述蒸氣壓力控制裝置，並根據測量結果對動態和靜態葉片冷卻蒸氣的壓力進行控制。與前面所述燃氣透平比較起來，可進一步提高控制精度，同時可避免動態和靜態葉片冷卻蒸氣的無用損耗。此外，由於提高了控制的響應速度，所以即使在室內壓力突然變化時，也可對動態和靜態葉片的冷卻蒸氣壓力實施無延時的控制。
再有，在所述燃氣透平中，所配置的控制裝置可根據動態葉片或靜態葉片中的壓力與室內壓力之間的差異來確定調節裝置的調節速度，並根據確定的調節速度來控制調節裝置。因此，在因負載突然增加而使室內壓力與動態和靜態葉片的冷卻蒸氣壓力相互接近時，閥門等壓力調節裝置可快速地開啟或關閉，從而使冷卻動態和靜態葉片的蒸氣壓力產生快速變化。結果，在室內壓力突然變化時，用於冷卻動態和靜態葉片的蒸氣壓力也可保持在高於室內壓力的水平，從而可減少燃氣透平的故障和使其穩定運行。
按本發明再一個方面的控制裝置對閥門等配置在動態和靜態葉片下遊的壓力調節裝置進行控制，使動態和靜態葉片的冷卻蒸氣壓力保持在高於室內壓力的水平。同時，對動態和靜態葉片的冷卻蒸氣壓力的控制具有良好的響應性和較寬的調節範圍。從而，在室內壓力有所脈動的情況下，也能使動態和靜態葉片的冷卻蒸氣壓力始終控制在高於室內壓力的水平，從而可減少燃氣透平的故障和使其能夠穩定運行。
在按本發明再一個方面的控制裝置中，調節裝置的調節速度根據動態和靜態葉片中的壓力與室內壓力之間的差異確定，並按所確定的速度對所述調節裝置進行控制。在室內壓力迅速接近動態和靜態葉片的冷卻蒸氣壓力時，閥門等調節裝置快速開啟或關閉，從而使動態和靜態葉片的冷卻蒸氣壓力產生快速變化。這樣，在室內壓力產生突然變化時，動態和靜態葉片的冷卻蒸氣壓力也可隨之快速變化並被保持在高於室內壓力的水平，從而可減少燃氣透平出現故障的可能性。
在按本發明另一個方面的冷卻蒸氣壓力調節方法中，閥門等壓力調節裝置配置在動態和靜態葉片的下遊，在控制所述調節裝置調節動態和靜態葉片的冷卻蒸氣壓力時具有良好的響應性和較寬的調節範圍。因此，在室內壓力波動時，動態和靜態葉片的冷卻蒸氣壓力可被始終控制在高於室內壓力的水平，從而可減少燃氣透平的故障和使其穩定運行。
按本發明再一個方面的電腦程式可藉助計算機來實現本發明的冷卻蒸氣壓力調節方法。
在按本發明又一個方面的燃氣透平聯合設備中包括一個燃氣透平，在所包括的燃氣透平中，閥門等調節裝置配置在動態和靜態葉片的下遊，對所述調節裝置進行控制以調節動態和靜態葉片的冷卻蒸氣壓力。在室內壓力波動的情況下，對動態和靜態葉片冷卻蒸氣壓力的控制具有良好的響應性和較寬的調節範圍。因此，可減少燃氣透平的故障，使整個聯合設備可穩定運行。即使是在仲夏白天電力需求突然增加的情況下，也可防止燃氣透平出現故障，從而保障電力的穩定供應。
在按本發明再一個方面的燃氣透平聯合設備中包括一個具有蒸氣冷卻系統的燃氣透平，在所述燃氣透平中，閥門等用於調節動態和靜態葉片冷卻蒸氣壓力的調節裝置配置在動態和靜態葉片的下遊。所述調節裝置的調節速度根據動態和靜態葉片中的壓力與室內壓力之間的差異確定並按所確定的速度對調節裝置進行控制，使動態和靜態葉片的冷卻蒸氣壓力保持在高於室內壓力的水平。這樣，動態和靜態葉片的冷卻蒸氣壓力從開始實施控制可快速變化。從而，在室內壓力發生突然變化時也可減少燃氣透平出現故障的可能性，使整個聯合設備穩定運行，特別是當電力需求突然增加時，在燃氣透平的負載突然增加的情況下也能保障電力的穩定供應。
雖然為說明起見祥述了本發明的幾個特定實施例，但本發明的權利要求並不局限於所述實施例，而應包括熟悉本門技術的人們在不超出本文件所述範圍和要義下所可能作出的一切增減、修改和變型。
權利要求
1.一種燃氣透平，包括至少一個處於高溫工況、需要進行冷卻的高溫部件；一個向高溫部件供給冷卻蒸氣的蒸氣供給裝置；一個配置在高溫部件下遊、用於調節供給高溫部件的冷卻蒸氣壓力的閥門或其它調節裝置；一個用於測量高溫部件冷卻蒸氣壓力和燃氣透平室內壓力的測量裝置；以及一個控制所述調節裝置運行速度的控制裝置，所述控制裝置根據冷卻蒸氣壓力和室內壓力控制所述調節裝置，使冷卻蒸氣壓力保持在高於室內壓力的水平。
2.如權利要求1所述燃氣透平，其中所述冷卻蒸氣壓力保持在根據室內壓力和一個特定壓力確定的一個定值上。
3.如權利要求1所述燃氣透平，其中所述冷卻蒸氣壓力在接近所述調節裝置的上遊處測量，所述高溫部件中冷卻蒸氣壓力根據冷卻蒸氣壓力和一個特定壓力值確定。
4.如權利要求1所述燃氣透平，其中所述控制裝置包括一個根據所述高溫部件冷卻蒸氣壓力與所述室內壓力之間差壓變化率產生和輸出信號的信號發生器；和一個接受所述信號發生器所輸出的信號並根據所述信號控制所述調節裝置運行速度的控制器。
5.一種燃氣透平，包括至少一個處於高溫工況、需要進行冷卻的高溫部件；一個向所述高溫部件供給冷卻蒸氣的蒸氣供給裝置；一個配置在所述高溫部件下遊用於分流所述冷卻蒸氣的分流通道；一個通過變化分流到所述分流通道的冷卻蒸氣數量調節供給所述高溫部件的冷卻蒸氣壓力的閥門或其它調節裝置；一個用於測量高溫部件冷卻蒸氣壓力和燃氣透平室內壓力的測量裝置；以及一個控制裝置，所述控制裝置根據冷卻蒸氣壓力和室內壓力控制所述調節裝置，使冷卻蒸氣壓力保持在高於室內壓力的水平。
6.如權利要求5所述燃氣透平，其中所述冷卻蒸氣壓力保持在根據室內壓力和一個特定壓力值所確定的一個壓力值上。
7.如權利要求5所述燃氣透平，其中所述冷卻蒸氣壓力在接近所述調節裝置的上遊處測量，所述高溫部件中冷卻蒸氣壓力根據冷卻蒸氣壓力和一個特定壓力值確定。
8.如權利要求5所述燃氣透平，其中所述控制裝置包括一個根據所述高溫部件冷卻蒸氣壓力與所述室內壓力之間差壓變化率產生和輸出信號的信號發生器；和一個接受所述信號發生器所輸出的信號並根據所述信號控制所述調節裝置運行速度的控制器。
9.一種用於調節供給燃氣透平中需要冷卻的高溫部件的冷卻蒸氣壓力的控制裝置，所述燃氣透平包括一個向所述高溫部件供給冷卻蒸氣的蒸氣供給裝置，一個調節所述冷卻蒸氣壓力的閥門或其它調節裝置和一個用於測量高溫部件冷卻蒸氣壓力和燃氣透平室內壓力的測量裝置；所述控制裝置包括一個處理器，所述處理器可對冷卻蒸氣壓力和室內壓力進行比較並產生和輸出一個驅動所述調節裝置的信號，使冷卻蒸氣壓力保持在高於室內壓力的水平；以及一個根據所述處理器的輸出信號控制所述調節裝置的控制器。
10.一種用於調節供給燃氣透平中需要冷卻的動態或靜態葉片的冷卻蒸氣壓力的控制裝置，所述燃氣透平包括一個向所述動態或靜態葉片供給冷卻蒸氣的蒸氣供給裝置，一個調節所述冷卻蒸氣壓力的調節裝置和一個用於測量冷卻蒸氣壓力和燃氣透平室內壓力的測量裝置；所述控制裝置包括一個計算器，所述計算器計算冷卻蒸氣壓力和室內壓力之間的差壓並根據所述壓力間差壓的變化率置定所述調節裝置的運行速度；以及一個根據所述計算器輸出信號控制所述調節裝置的控制器。
11.一種燃氣透平冷卻蒸氣壓力的調節方法，在所述燃氣透平中採用冷卻蒸氣來冷卻高溫部件，使所述冷卻蒸氣壓力保持在高於燃氣透平室內壓力的水平，所述方法包括測量冷卻蒸氣壓力和室內壓力；比較冷卻蒸氣壓力與室內壓力；以及根據所述冷卻蒸氣壓力和室內壓力之間的差異控制冷卻蒸氣壓力。
12.一種在計算機上實現燃氣透平冷卻蒸氣壓力調節方法的電腦程式，在所述燃氣透平中採用冷卻蒸氣來冷卻高溫部件，使所述高溫部件的冷卻蒸氣壓力保持在高於燃氣透平室內壓力的水平，所述方法包括測量冷卻蒸氣壓力和室內壓力；比較冷卻蒸氣壓力與室內壓力；以及根據所述冷卻蒸氣壓力和室內壓力之間的差異控制冷卻蒸氣壓力。
13.一種燃氣透平聯合設備，包括一個具有至少一個處於高溫和需要採用蒸氣進行冷卻的高溫部件的燃氣透平，所述燃氣透平產生排氣；一個利用所述排氣產生蒸氣的蒸氣發生器；一個將所述蒸氣發生器產生的蒸氣引向所述高溫部件的管道；一個配置在所述管道和高溫部件下遊、用於調節供給所述高溫部件管道中蒸氣壓力的閥門或其它調節裝置；一個用於測量高溫部件冷卻蒸氣壓力和燃氣透平室內壓力的測量裝置；一個根據蒸氣壓力和室內壓力控制所述調節裝置、使蒸氣壓力高於室內壓力的控制裝置；以及一個由所述蒸氣發生器所產生蒸氣驅動的蒸氣透平。
14.一種燃氣透平聯合設備，包括一個具有至少一個處於高溫和需要採用蒸氣進行冷卻的高溫部件的燃氣透平，所述燃氣透平產生排氣；一個利用所述排氣產生蒸氣的蒸氣發生器；一個將所述蒸氣發生器產生的蒸氣引向所述高溫部件的管道；一個配置在所述高溫部件下遊和所述管道中的冷卻蒸氣分流通道；一個配置在高溫部件下遊和所述管道中、用於調節流入所述分流通道冷卻蒸氣數量的閥門或其它調節裝置；一個用於測量高溫部件冷卻蒸氣壓力和燃氣透平室內壓力的測量裝置；一個根據蒸氣壓力和室內壓力控制所述調節裝置、使蒸氣壓力高於室內壓力的控制裝置；以及一個由所述蒸氣發生器所產生蒸氣驅動的蒸氣透平。
全文摘要
一個用於調節冷卻蒸氣壓力的閥門配置在動態和靜態葉片的下遊。對所述閥門進行控制，使動態和靜態葉片的冷卻蒸氣壓力高於燃氣透平的室內壓力與一個裕度壓力之和。
文檔編號F02C7/18GK1408994SQ0214574
公開日2003年4月9日 申請日期2002年10月8日 優先權日2001年10月1日
發明者百武慎德, 藤田泰弘 申請人:三菱重工業株式會社