燃氣輪機裝置及操作它的方法
2023-05-23 23:46:36 1
專利名稱：燃氣輪機裝置及操作它的方法
技術領域：
本發明總地涉及一種燃氣輪機裝置，更專門地涉及這樣類型的燃氣輪機裝置該裝置被安裝在一發電設施中，並使用城市煤氣或液化天然氣作為燃料，及還涉及操作這種燃氣輪機裝置的方法。
燃氣輪機裝置具有一種稱為「負載斷開」的工作方式，其中在作為負載的發電機中出現異常的情況下，負載被斷開並由此保護燃氣輪機。在此方式中，燃氣輪機的負載突然從100%變到0%，這種改變至今還是利用突然關閉燃料流控制閥來達到的。在此時，燃氣輪機的轉速由燃氣輪機控制裝置控制在一定的範圍中。
在使用城市煤氣或液化天然氣作燃料的這類燃氣輪機裝置中，使用離心式壓縮機將燃料供給到燃氣輪機裝置的燃燒室中。在上述負載斷開的情況下，離心式壓縮機的轉速瞬間地上開或它的排氣壓力上升。當該排氣壓力超過一個允許的上限值時，則燃料如城市煤氣或液化天然氣過量地流入燃燒室，以使得燃氣輪機可能以異常高的速度旋轉。為了防止這種狀況，迄今使用的方法是對由離心式壓縮機在壓力下輸送的燃料氣體的流速進行測量，並當流速下降時，使一個設在氣流通路中的閥(以下通稱為「旁通閥」)打開。
同時，當被輸送氣體的流速下降時，在離心式壓縮機中突然的流速波動引起了脈動現象，該脈動使壓縮機的振動加大。為了防止這種現象，使用了上述普通公知的方法，即對氣體流速進行測量，如果該流速低於預定值時，使通過離心式壓縮機的流速增大，以防止離心式壓縮機的波動，並也使旁通閥或排氣閥打開，由此控制供給到燃氣輪機的氣流的速度，使其在一預定水準上。這種防止脈動的方法例如已由「JSME機械工程手冊，第6修訂版(1985;第10卷第10-33頁)」中公開了，該手冊由日本機械工程協會編輯。
上述的傳統控制方法，即在其中對被輸送氣流的速度進行測量，並當該流速下降時，打開旁通閥，具有的缺點在於，由於用來控制燃氣輪機燃料流速的旁通閥在瞬間上(約0.1秒)還處於關閉，離心式壓縮機的排氣壓力超過了上限值。
本發明的目的在於提供一種燃氣輪機裝置，在其中甚至當負載斷開(負載突然變化)時，用於將燃料在壓力下供給到燃燒室的離心式壓縮機的排氣壓力可被防止過分增高，由此保護了燃氣輪機裝置，於是提高了它的可靠性。
根據本發明的第一方面，提供了一種燃氣輪機裝置，該裝置包括一燃氣輪機，該燃氣輪機包括一壓縮機級，一渦輪機級及一燃燒室，並用於將可燃燒氣體如城市煤氣或液化天然氣藉助於一離心式壓縮機在壓力下供給到燃燒室，並將該氣體燃燒產生動力，及一燃氣輪機控制裝置，用於控制燃氣輪機;其中該離心式壓縮機包括一氣流管，通過它可燃燒氣體流從離心式壓縮機的出氣口流到該壓縮機的進氣口，及一打開/關閉裝置，用於打開及關閉該氣流管;及燃氣輪機控制裝置包括流速控制裝置，用於控制該可燃燒氣體的流速，及信號發生裝置，用於產生與來自流速控制裝置的信號同步的用於打開/關閉裝置的打開/關斷信號。
根據本發明的第二方面，提供了一種燃氣輪機裝置，該裝置包括一燃氣輪機，該燃氣輪機包括一壓縮機級、一渦輪機級及一燃燒室，並用於將可燃燒氣體如城市煤氣或液化天然氣藉助於一離心式壓縮機在壓力下供給到燃燒室，並將該氣體燃燒產生動力，及一燃氣輪機控制裝置，用於控制該燃氣輪機;其中燃氣輪機裝置包括燃料流速控制裝置，用於控制可燃燒氣體的流速，及離心式壓縮機包括一氣流管，通過它可燃燒氣體流從離心式壓縮機的出氣口流到該壓縮機的進氣口，及一打開/關閉裝置，用於打開及關閉所述氣流管，及其中燃氣輪機控制裝置包括指令裝置，用於提供一指令值，該指令值是由燃氣輪機控制裝置產生的並用於供給到燃料流速控制裝置，當該指令值供給到燃料流速控制裝置時也同時地供給到打開/關閉裝置。
根據本發明的第三方面，提供了一種燃氣輪機裝置，該裝置包括一燃氣輪機，該燃氣輪機包括一壓縮機級，一渦輪機級及一燃燒室，並用於將可燃燒氣體如城市煤氣或液化天然氣藉助於一離心式壓縮機在壓力下供給到燃燒室，並將該氣體燃燒產生動力，及一燃氣輪機控制裝置，用於控制燃氣輪機;其中燃氣輪機控制裝置包括起動控制裝置;加速度控制裝置;速度/負載控制裝置;負載限制裝置;廢氣溫度控制裝置;選擇裝置，用於在上述五個控制裝置的各輸出控制信號中選擇最小一個信號並用於輸出該最小信號;及流速控制裝置，用於響應選擇裝置的輸出來控制流過氣流裝置的燃料流速，可燃燒氣體通過該氣流裝置從離心式壓縮的出氣口流到該壓縮機的進氣口，及用於控制流到燃氣輪機的燃料的流速。
根據本發明的第四方面，提供了一種操作燃氣輪機裝置的方法，該裝置使用由離心式壓縮機在壓力下供給的作為燃料的燃化天然氣或城市煤氣，該方法包括下列步驟根據由設在燃氣輪機裝置內的燃氣輪機控制裝置中的起動裝置、加速度控制裝置、速度/負載控制裝置、負載限制裝置及廢氣溫度控制裝置各自輸出的信號中至少一個信號產生燃料控制信號;及對進入燃氣輪機裝置的燃料的流速以及繞過離心式壓縮機的燃料的流速、利用燃氣輪機控制裝置根據燃料控制信號進行控制。
在燃氣輪機工作方式中的100%負載的斷開是一種負載變化最大的工作方式。在該工作方式中，用於控制燃氣輪機燃料流速的信號(FFD燃料流需要量)瞬間地從100%變為0%，以使得流速控制閥從開通狀態轉換到關閉狀態，因此使燃氣輪機從100%負載轉換到零負載狀態。
在這種負載斷開的時刻，燃料流速控制閥在大約0.1-0.2秒中從開通狀態轉換到關閉狀態。因此利用傳統的由旁通閥來控制供燃料氣體的離心式壓縮機的方法，其響應是太遲了，在該傳統方法中，對由離心式壓縮機輸送的氣流的速度進行監測，並當該流速變得小於一下限值時，使旁通閥打開。其結果是，離心式壓縮機的排氣壓力瞬時增高，以致使燃氣輪機的轉速數值超過一上限值。
在燃氣輪機裝置中，甚至在負載斷開時，離心式壓縮機的排氣壓力也需要保持在預定範圍中。為了滿足該需要，提出了兩種方法，一種是在離心式壓縮機與燃氣輪機之間設置具有大容積的罐，以減少壓力波動，另一種是加快對離心式壓縮機控制指令的響應。
本發明是針對後一種方法，燃氣輪機的燃料流需要量(FFD)被較早地輸入到燃料氣體壓縮機的旁通閥控制裝置上，以準備對旁通閥的控制，由此加速響應，以致甚至致在負載斷開時，離心式壓縮機的排氣壓力也會保持在預定範圍中。
圖1是本發明燃氣輪機裝置一個優選實施例的控制流程概圖;
圖2是圖1燃氣輪機裝置主要部分的控制流程圖;
圖3是本發明離心式壓縮機一例的控制框圖;
圖4是說明閥開度與燃料流之間關係的圖;
圖5是在燃氣輪機負載斷開時的時間過程圖;
圖6是說明燃氣輪機裝置一例操作結果的波形圖;
圖7是說明圖6中燃氣輪機裝置另一操作結果的波形圖;
現在將參照附圖來描述本發明的燃氣輪機的一個優選實施例，圖1是一個燃氣輪機的控制流程概圖，圖2則表示圖1中流程圖的基本部分。圖3是用於地壓力下供給燃料的離心式壓縮機的控制原理圖。
該燃氣輪機113設有一個燃氣輪機控制系統1。該燃氣輪機控制系統1是一種數字控制系統，它在燃氣輪機起動及停止時以及在帶一負載工作時起到最佳控制作用，因此能使燃氣輪機動力發生單元自動工作。為此目的的控制功能包括一種調整控制功能及程序控制功能。這個燃氣輪機控制系統1還包括一個保持裝置，當發生對燃氣輪機工作的不良狀態時，該裝置發出警報並自動地停止燃氣輪機裝置。
調整控制功能與程序控制功能相結合用於根據燃氣輪機的工作狀態來調整其燃料的供給量。為了獲得這種功能，該燃氣輪機控制系統1包括一個起動控制電路22、一個加速度限制控制電路20、一個速度/負載控制電路24、一個負載限制控制電路26、一個廢氣溫度控制電路30、一個燃料氣體控制電路36、一個燃料壓力控制電路38及一個壓縮機進氣口導向翼控制電路。
起動控制電路22用於在燃氣輪機起動時對點火、加熱及加速設定燃料流速指令。加速度限制控制電路20用於監測燃氣輪機起動時的旋轉速度10，並起控制作用，以使得燃氣輪機的加速度不超過一極限值。速度/負載控制電路24用於在獲得額定速度前根據與燃氣輪機系統同步的速度控制調速器的工作，及在負載工作時根據恆定速度偏移控制調速器的工作。調整器調節電路18在同步速度工作時的調整是由燃氣輪機控制系統起作用的。另一方面，調速器調節電路18在負載工作時的輸出是這樣被調整的，即或是在廢氣溫度控制電路30的輸出極限值的範圍中被控制成最大值，或是在一個負載控制裝置16中被自動地控制，以使得被操作者手工調整的負載設定電路14的輸出值為發電機的輸出值12。
負載限制控制電路26用於在負載工作時由負載限制設定來起到恆定輸出工作的作用。廢氣溫度控制電路30用於在起動時及負載工作時對燃氣輪機的廢氣溫度起極限控制的作用。在起動時，該電路30控制燃料，以使得由一熱電偶66檢測到的燃氣輪機的廢氣溫度不超過一允許值，並在負載工作時，該電路30根據由一溫度設定裝置28設定的燃氣輪機廢氣溫度來限定最大輸出值，而溫度設定裝置28是根據代表燃燒室出氣口處壓力的壓力傳感器64的輸出值來設定廢氣溫度的。在溫度限制控制時，不是對燃氣輪機進氣口的溫度，而是對燃氣輪機出氣口的溫度進行測量，並對該控制使用一個被燃氣輪機的壓縮機的排氣壓力校正的閥。
一個最小信號選擇電路32在由上述五個控制電路各個輸出信號中選擇其最小信號作為燃料控制信號。燃料氣體控制電路36根據由最小信號選擇電路32輸出的燃料流需要量信號(FFD)34確定燃料流速控制閥的開度，以便控制待噴射到燃燒室124中的燃料量。另一方面，燃料壓力控制電路38控制分別設在燃料流速控制閥42及48前方的壓力控制閥46及52，以使得壓力傳感器44及50的輸出能為與燃氣輪機轉速相對應的它們各自的預定值。壓縮機進氣口導向翼控制電路用於調整吸入(導入)空氣的量，以使得燃氣輪機廢氣的溫度在允許的限度範圍內為最大值。在起動時，為了防止在燃氣輪機壓縮機中產生的空氣脈動，由該電路來維持其最小開度。
燃氣輪機裝置工作時，這些不同的控制將起作用。在負載斷開時，燃料流速控制閥42及48根據燃料控制電路36的輸出突然地關閉。
現在對此參照圖2及3來進行描述。壓縮機101在壓力下將城市煤氣或液化天燃氣供給到燃氣輪機的燃燒室124。壓縮機101包括一個低壓級121及一高壓級122，在這兩級之間設有一中間冷卻器105，在低壓級上溫度升高的燃料被該冷卻器冷卻，然後被送到高壓級。一個測流孔104、一個吸流閥103及一吸流止回閥102相對於低壓級121以該順序布置，並通過管道連接到低壓級121的上遊側。在另一側上，一個出口止回閥106及一排氣罐109相對於高壓級122以該順序布置，並通過管道連接到高壓級122的下遊側。在排氣罐109的下遊側，燃氣輪機113的燃料壓力閥46和52及燃料流速控制閥42及48各自通過相應的燃料管路形成串聯連接。這些燃料管例如是直徑為4英寸(4B)的管子。雖然本發明中優先採用離心式壓縮機作為該壓縮機，但也可使用另外的渦輪壓縮機。在以下的說明中，使用離心式壓縮機作為該壓縮機。
繞過離心式壓縮機101的管(旁通管)被連接在接近離心式壓縮機101的高壓級122的出氣口的點與連接到低壓級121的吸氣止回閥102及測流孔104中間的點之間(這個氣流為簡便起見以下稱為「旁通」)。一個旁通閥107及一個旁通冷卻器108設在該旁通管的中途。當該離心式壓縮機101的氣流速度下降時，該離心式壓縮機101進入到脈動區域，並最後引起振動現象。因此，為了防止離心式壓縮機101的脈動，使通過離心式壓縮機的氣體流速增加，並利用設置旁通能路使由離心式壓縮機排放的部分氣體回到吸氣側。此外，用於檢測壓力的傳感器設置在高壓級122的出氣口附近，該傳感器的輸出經由發送器146傳送到一個壓力指標調節器140。另一方面，由設在低壓級121上遊的測流孔104測到的燃料流速通過流速發送器142被傳送到一個流速指標調節器144。
在這個實施例中，燃氣輪機的燃料流需要量(FFD)及旁通閥107的開度之間的關係是這樣確定的，即當燃料流需要量(FFD)變小時，使旁通閥107自動地打開。可以使用一種組合的控制系統，其中由壓縮機吸氣的氣流速度如同傳統系統中那樣是由測流孔來檢測的，並當流速達到其下限值時，旁通閥107被打開。在此情況下，當燃料流需要量(FFD)及吸流速度控制指令中的一個被輸入時，該旁通閥107被打開。在這些方法的任一個中，使離心式壓縮機脈動保護控制系統70，其中包括壓力發送器146、壓力指標調節器140、流速發送器142及流速指標調節器144，進行工作，作為其結果，是離心式壓縮機旁通閥開度指令74被給定。
順便提一下，在負載突然變化時，用傳統方法打開旁通閥，響應閥的打開是太遲了，因此，離心式壓縮機的排放壓力瞬時地增大，以致使燃氣輪機的轉速超過上限值。為防止這種情況，使用能達到瞬時關閉(約0.1秒)的閥，當燃料管使用4英寸粗的管子時，將涉及到高的成本，此外也使裝置的尺寸增大很多。因而，燃氣輪機燃料流需要量(FFD)34被輸入到離心式壓縮機的旁通閥，當該燃料流需要量(FFD)被輸入到燃料氣體控制電路36時，離心式壓縮機便同時在壓力下提供燃料。這裡在每個單獨的燃氣輪機裝置中，在燃料流需要量34與燃氣旁通閥107的開度之間確立了一個預定的關係。更具體地，例如由圖4中所示，當燃料流需要量不小於70%時，旁通閥107全部打開，而當燃料流需要量減少時，旁通閥107漸漸關閉，當燃料流需要量為0%時，旁通閥的開度減小到40%。這種關係被存儲到有關有燃氣輪機控制系統1的存儲器中，每當燃料控制信號更換時，從存儲器中讀出存儲值，因此負載方面的變化可以被快速處理。
圖5、6及7表示在負載斷開時的各種值隨時間的變化。圖5是描繪它們的曲線圖，圖6及7表示測量結果的例子。
在圖5中，當燃料流需要量(FFD)34產生燃料減少需求時，則燃氣輪機燃料流速控制閥42，48的開度根據該需要量FFD來減小。因為燃料減少需要量已給出，燃氣輪機控制系統1便指令離心式壓縮機的控制裝置來減少帶壓力的燃料的供給量，。在此時，如果僅是減小離心式壓縮機的氣流速度，則離心式壓縮機引起脈動，因此通過離心式壓縮機的氣體流速必須高於一個不引起脈動的預定值。因而，離心式壓縮機的控制裝置產生出用於離心式壓縮機旁通閥的閥打開指令。通常這個指令是與燃料流需要量(FFD)的產生同時發生的，因此與傳統系統相比較，離心式壓縮機旁通閥的開度相對於燃料流需要量的延時減小了。該旁通閥的打開及關閉操作是一種機械操作，因此與另外的操作相比較，對於要達到的需要量要花較長的時間。當吸流流速閥103、旁通控制閥107及氣流控制閥42、48如以上所述的受控制，該離心式壓縮機的排氣壓力將不會超過它的上限值，如圖5最下方所示，因此能防止脈動。以下參照圖6及7來描述根據該原理操作燃氣輪機的結果的一個例子。
如圖7中所示，當燃料流速控制閥在2秒鐘內從37%至0%的全關閉時，燃料氣體流速從約6100m3/hr增加到約7100m3/hr。另一方面，在離心式壓縮機進氣口處的燃料氣體壓力僅從約25kg/cm2增大到約27.7kg/cm2，因此可以防止對離心式壓縮機是有害效應的脈動的發生。這個不會產生脈動的事實可以由表示排放氣體壓力的曲線圖來證實。因而就能夠獲得一種高可靠性的燃氣輪機裝置。此外，在實行上述控制時，在離心式壓縮機出氣口處的壓力波動能被減少，則設置用來吸收壓力波動的排氣罐109的容積也可減小。
在本發明中，甚至當在燃氣輪機裝置中遭遇到由負載的斷開產生突然負載變化時，由最小信號選擇電路輸出的信號，即燃料控制信號也被輸出到離心式壓縮機的旁通閥上，並由此使旁通閥能在較早的時間點上被打開，並使離心式壓縮機的排氣壓力能限制在低於其上限值的範圍上。其結果是，燃氣輪機可工作在所需轉速的範圍中，由此使燃氣輪機裝置的可靠性增高。此外，由於離心式壓縮機的排氣壓力波動程度減小，便能使設在離心式壓縮機與燃氣輪機之間的排氣罐的容積下降。
權利要求
1.一種燃氣輪機裝置，其中包括一燃氣輪機，該燃氣輪機包括一壓縮機級，一渦輪機級及一燃燒室，並用於將可燃燒氣體如城市煤氣或液化天然氣藉助於一離心式壓縮機在壓力下供給到所述燃燒室，並將該氣體燃燒產生動力，及一燃氣輪機控制裝置，用於控制所述燃氣輪機；其特徵在於，其中所述離心式壓縮機包括一氣流管，通過它可燃燒氣體流從所述離心式壓縮機的出氣口流到該壓縮機的進氣口，及一打開/關閉裝置，用於打開及關閉所述氣流管；及所述燃氣輪機控制裝置包括流速控制裝置，用於控制該可燃燒氣體的流速，及信號發生裝置，用於產生與來自所述流速控制裝置的信號同步的用於所述打開/關閉裝置的打開/關斷信號。
2.一種燃氣輪機裝置，其中包括一燃氣輪機，該燃氣輪機包括一壓縮機級，一渦輪機級及一燃燒室，並用於將可燃燒氣體如城市煤氣或液化天然氣藉助於一離心式壓縮機在壓力下供給到所述燃燒室，並將該氣體燃燒產生動力，及一燃氣輪機控制裝置，用於控制所述燃氣輪機;其特徵在於，其中所述燃氣輪機裝置包括燃料流速控制裝置，用於控制可燃燒氣體的流速，及所述離心式壓縮機包括一氣流管，通過它可燃燒氣體流從所述離心式壓縮機的出氣口流到該壓縮機的進氣口，及一打開/關閉裝置，用於打開及關閉所述氣流管，及其中所述燃氣輪機控制裝置包括指令裝置，用於提供一指令值，該指令值是由所述燃氣輪機控制裝置產生的並用於供給到所述燃料流速控制裝置，當所述指令值供給到所述燃料流速控制裝置時也同時地供給到所述打開/關閉裝置。
3.一種渦輪型流體動力機，用於將城市煤氣或液化天然氣體在壓力下供給到燃氣輪機，它包括一個防止脈動的旁通通路，它延伸在所述流體動力機的出氣口及該動力機的進氣口之間;用於打開及關閉所述旁通通道的裝置;設置在所述流體動力機進氣口側的流速控制裝置;及用於產生信號的裝置，用於彼此同步地驅動所述打開及關閉裝置及所述流速控制裝置。
4.根據權利要求1所述的燃氣輪機裝置，其中所述燃氣輪機控制裝置包括存儲裝置，在其中預先存儲由所述信號發生裝置產生的信號值及所述打開/關閉裝置的開度之間的關係。
5.一種燃氣輪機裝置，其中包括一燃氣輪機，該燃氣輪機包括一壓縮機級，一渦輪機級及一燃燒室，並用於將可燃燒氣體如城市煤氣或液化天然氣藉助助於一離心式壓縮機在壓力下供給到所述燃燒室，並將該氣體燃燒產生動力，及一燃氣輪機控制裝置，用於控制所述燃氣輪機;其特徵在於其中所述燃氣輪機控制裝置包括起動控制裝置;加速度控制裝置;速度/負載控制裝置;負載限制裝置;廢氣溫度控制裝置;選擇裝置，用於在上述五個控制裝置的各輸出控制信號中選擇最小的一個信號並用於輸出所述最小信號;及流速控制裝置，用於響應所述選擇裝置的輸出來控制流過氣流裝置的燃料流速，可燃燒氣體通過該氣流裝置從所述離心式壓縮機的出氣口流到該壓縮機的進出口，及用於控制流到所述燃氣輪機的燃料的流速。
6.根據權利要求5所述的燃氣輪機裝置，其中所述燃氣輪機控制裝置包括存儲裝置，在其中預先存儲所述選擇裝置的輸出信號及通過所述離心式壓縮機的所述氣流裝置的流速之間的關係。
7.一種操作燃氣輪機裝置的方法，該裝置使用由離心式壓縮機在壓力下供給的作為燃料的液化天然氣或城市煤氣，該方法包括下列步驟根據由設在所述燃氣輪機裝置內的燃氣輪機控制裝置中的起動裝置、加速度控制裝置、速度/負載控制裝置、負載限制裝置及廢氣溫度控制裝置各自輸出的信號中至少一個信號產生燃料控制信號;及對進入所述燃氣輪機裝置的燃料的流速以及繞過所述離心式壓縮機的燃料的流速、利用所述燃氣輪機控制裝置根據所述燃料控制信號進行控制。
8.根據權利要求7所述的方法，其中所述燃料控制信號以同步的方式被輸出到所述燃氣輪機裝置的燃料流速控制裝置及所述離心式壓縮機的繞流流速控制裝置。
全文摘要
在包括一渦輪機級及一壓縮機級的燃氣輪機裝置中，當使氣體燃料增壓以輸送燃料的離心式壓縮機中發生突然的負載變化時，燃氣輪機控制裝置實行控制，以使壓縮機排氣壓力保持在預定壓力範圍中。當壓縮機的燃料流要被輸入到燃氣輪機控制裝置中時，將與該燃料控制信號相對應的信號同時輸入到燃氣輪機燃料控制閥和壓縮機的旁通閥上。當負載突然變化時，該旁通閥的開度改變到由預存儲的燃料控制信號和旁通閥開度之間的關係確定的值上。
文檔編號F02C9/28GK1112190SQ9411991
公開日1995年11月22日 申請日期1994年12月27日 優先權日1993年12月28日
發明者山田洋, 根岸忠信, 本田良次 申請人:株式會社日立製作所