用于從多級壓縮機向燃氣渦輪輸送空氣的系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于從多級壓縮機向燃氣渦輪輸送空氣的系統(tǒng)。具體而言，本發(fā)明披露了一種供應來自多級壓縮機的抽取空氣以給渦輪提供空氣從而提高渦輪發(fā)動機性能的方法，所述方法包括：在正常的運行條件期間運行渦輪發(fā)動機，包括：將高壓旁通抽氣從高壓壓縮機抽取部輸送到渦輪機上的高壓輸入口；以及將低壓抽氣從低壓壓縮機抽取部輸送到渦輪機上的低壓輸入口；并且在調節(jié)條件和低于設計溫度運行的其中一種情形期間運行渦輪發(fā)動機，包括：將高壓旁通抽氣從高壓壓縮機抽取部輸送到渦輪機上的高壓輸入口和低壓輸入口二者。
【專利說明】用于從多級壓縮機向燃氣渦輪輸送空氣的系統(tǒng)

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及燃氣渦輪發(fā)動機技術，并且更具體地，涉及用于從多級壓縮機向燃氣渦輪發(fā)動機的渦輪部分輸送空氣的系統(tǒng)，以在低調節(jié)(turn down)和/或低于設計溫度運行的期間增強渦輪發(fā)動機的性能。

【背景技術】
[0002]渦輪發(fā)動機設計成在國際標準化組織(ISO)的條件下全速運行。也就是，渦輪發(fā)動機設計成利用輸入條件例如設計點溫度、大氣壓力、燃料類型等等的規(guī)定范圍，以在規(guī)定速率帶(speed band)中運行，從而產生最佳的高輸出，在該輸出之下的運行都是低效的。然而，輸入條件時常超出設計點的范圍，和/或希望低于滿輸出。在ISO運行期間，向燃燒器中注入空氣以與燃料混合，從而形成輸送給渦輪的高壓、高溫的燃燒產物。在全速下，為了產生足夠的燃燒產物以驅動渦輪，燃燒器需要大量的空氣。此外，渦輪的各個構件，比如轉子葉片，需要冷卻。
[0003]渦輪構件的冷卻回路使用來自壓縮機級的有源空氣，該壓縮機級在燃氣渦輪機的整個運行范圍的大部分范圍上輸送足夠的壓力。大多數(shù)燃氣渦輪機使用從整體式壓縮機構件的一個或多個壓縮機抽取級(extract1n stage)抽出的空氣來在潤輪構件中提供冷卻和密封?？梢詫榇四康膹膲嚎s機抽出的空氣在內部引導穿過形成在壓縮機-渦輪轉子組件等中的通道到達渦輪構件中需要冷卻和密封的位置。備選地，可以將空氣在外部引導穿過在壓縮機構件和渦輪構件之間延伸的管道系統(tǒng)。
[0004]在最佳的運行條件期間具有足夠壓力的抽氣時常在低于最佳條件期間沒有足夠的壓力，比如當在設計點溫度之下運行時和/或當輸出降低時在調節(jié)期間。為了在低于最佳條件的期間提供充足的壓力，用來自高壓縮機級的額外的高壓抽氣來補充初級抽氣。不幸的是，盡管向冷卻氣壓加入了來自較高級的空氣，但是對整個能量產生過程而言，高壓空氣的使用是非常低效或有害的。也就是，被輸入正在形成的高壓空氣的功比用來產生低壓抽氣所需的功多。出于這種原因，補充空氣典型地被限制在中間級的壓縮機級上。如果從較高的壓縮機級獲得補充空氣，那么為了最小化在抽取級之間的任何壓差，僅將高級的空氣與中間初級的抽氣相結合，使得僅需要高級的抽氣的一小部分。以這種方式，在冷天和調節(jié)期間，發(fā)動機的運行可保持有成本效益。


【發(fā)明內容】

[0005]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種用于從多級壓縮機抽取空氣以對渦輪提供旁通空氣的系統(tǒng)，從而在低調節(jié)和/或低于設計溫度運行期間最優(yōu)化渦輪機的性能。該系統(tǒng)包括具有多個抽氣輸入口的渦輪機，這些抽氣輸入口包括高壓輸入口、中壓輸入口和低壓輸入口。除了渦輪以外，該系統(tǒng)還包括具有多個抽氣輸出的多級壓縮機，這些抽氣輸出包括至少一個高壓抽氣輸出、至少一個中壓抽氣輸出和至少一個低壓抽氣輸出。閥被流體地連接到渦輪機的至少一個高壓抽氣輸出、至少一個低壓抽氣輸出和低壓輸入口上。選擇性地操作該閥，以在正常的運行條件期間流體地連接至少一個低壓抽氣輸出與低壓輸入口，而在低調節(jié)條件和低于設計溫度運行中的一種情形期間流體地連接高壓抽氣輸出和低壓輸入口。
[0006]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種供應來自多級壓縮機的抽取空氣以給渦輪提供旁通空氣，從而在低調節(jié)和/或低于設計溫度運行的期間最優(yōu)化渦輪發(fā)動機的性能的方法。該方法包括在最佳運行條件期間運行渦輪發(fā)動機，以及在非最佳條件期間運行渦輪發(fā)動機。在最佳運行條件期間，把高壓抽氣從高壓壓縮機抽取(extract1n)輸送到渦輪機上的高壓輸入口，而把低壓抽氣從低壓壓縮機抽取輸送到渦輪機上的低壓輸入口。在非最佳運行條件期間，把高壓旁通抽氣從高壓壓縮機抽取輸送到在渦輪機上的高壓輸入口和低壓輸入口二者之上。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種供應來自多級壓縮機的空氣以給渦輪提供空氣從而提高渦輪發(fā)動機性能的方法，所述方法包括:在正常的運行條件期間運行渦輪發(fā)動機，包括:將高壓旁通抽氣從高壓壓縮機抽取部輸送到渦輪機上的高壓輸入口 ；以及將低壓旁通抽氣從低壓壓縮機抽取部輸送到渦輪機上的低壓輸入口 ；并且在調節(jié)條件和低于設計溫度運行的其中一種情形期間運行渦輪發(fā)動機，包括:將高壓旁通抽氣從高壓壓縮機抽取部輸送到渦輪機上的高壓輸入口和低壓輸入口二者。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的一實施例，在調節(jié)條件和低于設計溫度運行的其中一種情形期間，僅有高壓旁通抽氣被輸送到低壓輸入口。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，還包括:在調節(jié)條件和低于設計溫度運行的其中一種情形期間，將高壓旁通抽氣和低壓抽氣的組合輸送到低壓輸入口。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，在調節(jié)條件和低于設計溫度運行的其中一種情形期間，將高壓旁通抽氣從高壓壓縮機抽取部輸送到渦輪機上的高壓輸入口和中壓輸入口二者。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，在調節(jié)條件和低于設計溫度運行的其中一種情形期間，僅有高壓旁通抽氣被輸送到中壓輸入口。
[0012]在調節(jié)和低于設計溫度運行期間，高壓抽取具有充足的壓力以充分地把高壓輸入供給到渦輪。然而，中壓抽取和低壓抽取不再具有足夠的壓力來充分地供給各自的中壓渦輪輸入和低壓渦輪輸入。過去，據(jù)認為使用高壓抽氣是非常低效的。高壓空氣至多被用來補充被輸送到中壓渦輪輸入的中壓空氣。結合高壓空氣和低壓空氣被視為是非常低效的因而沒有成本效益。
[0013]然而出乎意料的是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)把高壓抽取引導到低壓渦輪輸入上將在低壓輸入上引起較高的設計壓力比。到低壓輸入的空氣的增加導致被傳送給渦輪發(fā)動機中的燃燒器的空氣更少。由于被傳送給燃燒器的空氣更少，所以在排放達標中維持燃燒器的燃燒溫度所需的燃料更少。使用更少的燃料還降低了燃料燃燒率，且因此可以把設備輸出(Plantoutput)降低至超過當前可能的級別，也就是，本發(fā)明使得發(fā)動機可以調節(jié)到滿輸出的15%-20%。以這種方式，在低需求期間，電力設備可以以非常低的調節(jié)運行并保持在電網(wǎng)上，而同時以具有成本效益的方式運行發(fā)電機。因此，如果另一個系統(tǒng)降低，則電力設備可以快速地提升以提供額外的輸出。此外，通過保持在電網(wǎng)上，當需求增加時發(fā)電機首先并線(inline)以提供動力，并且發(fā)電機輸出可以增加到基本負載級別。
[0014]當結合附圖時，從下列詳細的描述中本發(fā)明示范性實施例的各個方面的另外的目的、特征和優(yōu)點將變得更易于顯而易見，其中在若干視圖中相同的標號指代對應的部件。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個方面所構建的渦輪發(fā)動機的示意性圖解，該渦輪發(fā)動機包括用于從多級壓縮機向渦輪輸送空氣的系統(tǒng)，以用于在低調節(jié)期間和/或在低于設計溫度運行的同時最優(yōu)化性能。
[0016]部件列表 2渦輪發(fā)動機 4壓縮機
6渦輪
8燃燒器組件 12燃燒室 17冷卻系統(tǒng) 20第一殼體/氣室部分 22低壓抽氣出口 26第二殼體/氣室部分 28中壓抽氣出口 32第三殼體/氣室部分 34高壓抽氣出口 40低壓輸入口 41中壓輸入口 42高壓輸入口 51低壓抽取回路 52中壓抽取回路 53高壓抽取回路 60低壓輸出管線 64低壓控制閥 65低壓噴射器 66低壓輸出管線部分 70中壓輸出管線部分 74中壓控制閥 75中壓噴射器 76中壓輸出管線部分 80直達管線 82分支管線 85第一高壓饋入管線 86第二高壓饋入管線 87閥。

【具體實施方式】
[0017]首先參考圖1，在2處一般地標示了根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例所構建的燃氣渦輪發(fā)動機。發(fā)動機2包括經(jīng)由軸(未單獨標記)可操作地連接到渦輪6上的壓縮機4。發(fā)動機2還圖示成包括燃燒器組件8，該燃燒器組件8包括燃燒室12。如以下將更完整地討論，燃燒氣體在燃燒器組件8中產生并被用來驅動渦輪6。
[0018]在運行中，空氣流入壓縮機4并被壓縮成高壓氣體。把該高壓氣體供給到燃燒器組件8,并且與燃料例如過程氣體(process gas)和/或合成氣體(合成氣)混合。將燃料/空氣或可燃混合物送入燃燒室12并點燃以形成高壓、高溫的燃燒氣流，其溫度為從大約871攝氏度(V )到1621°C (1600華氏度(°F )到2950 0F )。備選地，燃燒器組件8可以燃燒燃料，該燃料包括但不限于天然氣和/或燃油。在任何情況下，燃燒器組件8都把燃燒氣流導向渦輪6，該渦輪6把熱能轉變成機械轉動能。在發(fā)動機2中所形成的高溫產生了對燃燒器組件8以及渦輪6的其它各個構件進行冷卻的需要。為此，發(fā)動機2包括冷卻系統(tǒng)17。
[0019]根據(jù)所示的示范性實施例，冷卻系統(tǒng)17包括第一殼體或氣室部分20，該第一殼體或氣室部分20包括低壓抽氣出口 22，該低壓抽氣出口 22與低壓級比如壓縮機4的第九級流體地連接。冷卻系統(tǒng)17還包括第二殼體或氣室部分26和第三殼體或氣室部分32，該第二殼體或氣室部分26具有中壓抽氣出口 28，該中壓抽氣出口 28與中壓級比如壓縮機4的第十三級流體地連接，該第三殼體或氣室部分32具有高壓抽氣出口 34，該高壓抽氣出口 34與高壓級比如壓縮機4的第十八級流體地連接。如下面將更完整地詳細描述的，把第一氣室部分20流體地連接到被提供在渦輪6上的低壓輸入口 40上。相似地，把第二氣室部分26流體地連接到中壓輸入口 41上，以及把第三氣室部分32流體地連接到被提供在渦輪6上的高壓輸入口 42上。
[0020]如圖所示，冷卻系統(tǒng)17包括低壓抽取回路51、中壓抽取回路52和高壓抽取回路53。低壓抽取回路51包括通向到低壓控制閥64的低壓輸出管線部分60。在終止于低壓輸入口 40之前，低壓抽取回路51從低壓控制閥64接著通到低壓噴射器65，并且通到低壓輸出管線部分66上。中壓抽取回路52包括延伸到中壓控制閥74上的中壓輸出管線部分70。在終止于渦輪6上的中壓輸入口 41之前，中壓抽取回路52從中壓控制閥74延伸到中壓噴射器75，并且延伸到中壓輸出管線部分76上。最后，高壓抽取回路53包括連接到在渦輪6上的高壓輸入口 42上的直達管線80。高壓抽取回路53還包括具有第一高壓饋入管線85和第二高壓饋入管線86的分支管線82。各高壓饋入管線85和高壓饋入管線86都包括對應的閥87和閥88。高壓饋入管線85和高壓饋入管線86從閥87和閥88分別連接到低壓噴射器65和中壓噴射器75上。
[0021]通過這種構造，在標準的ISO運行條件下，渦輪6的各個部分比如翼型件和輪葉被供有來自低壓抽氣出口 22和中壓抽氣出口 28的冷卻氣流。例如，來自高壓抽氣出口 34的高壓空氣供給燃燒器組件8和渦輪6上的高壓輸入口 42。然而，在低調節(jié)條件和/或當?shù)陀谠O計溫度運行時，例如59 T (15°C )，在低壓抽取回路51和中壓抽取回路52中的壓力不足以以充足的冷卻空氣的質量流率來供給低壓輸入口 40和中壓輸入口 41中各自的一個輸入口。當然，可以理解的是，59°F (15°C)僅僅是設計點溫度的一個實例，取決于運行場所、周圍條件、海拔等等，可以設立各種其它的設計溫度。在任何情況下，沒有充足的壓力，或者必須用額外的空氣來補充低壓抽取和中壓抽取，或者必須把輸出增加到確保對于渦輪6有充分冷卻并確保發(fā)動機2保持符合排放標準的級別上。形成高壓抽氣需要由壓縮機4做相當大的功。所以，在較低壓的抽取輸入中使用高壓抽氣過去被認為是不利的。然而出乎意料的是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的是當運行典型地小于有效級別時，即使在低于設計參數(shù)運行時，在保持符合排放標準的同時也可以有利地使用高壓空氣來允許發(fā)動機2獲得較低的輸出級別。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，為了在非最佳運行條件期間，比如在低調節(jié)期間和/或當?shù)陀谠O計溫度運行時，給低壓輸入口 40和中壓輸入口 41提供充足的空氣供給，關閉低壓控制閥64和中壓控制閥74，而打開高壓控制閥87和高壓控制閥88。以這種方式，把來自壓縮機4的高壓空氣被引向低壓輸入口 40和中壓輸入口 41。高壓空氣引起在翼型件和相關的渦輪6的冷卻和清洗回路部分中的溢出，并且在較低的輸出級別上提供充分的冷卻。同時，高壓抽氣繼續(xù)流向高壓輸入口 42以向渦輪6供給高壓空氣。通過這種布置，大量空氣繞過產生稀燃條件(lean condit1n)的燃燒器組件8，該稀燃條件導致燃燒溫度保持在有符合排放標準。此外，由于較低的輸出級別，所以渦輪6內的溫度更低，從而對于冷卻的需求實際更低。在這些條件下，尤其在當輸出級別低于40%時的非常低的調節(jié)水平上，利用在到渦輪6的低壓輸入和中壓輸入上的高壓抽取確保在較低的調節(jié)級別上在符合排放標準級別上運行發(fā)動機2的同時充足地供給冷卻空氣。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，在非最佳運行條件期間，低壓控制閥64和中壓控制閥74保持打開，并且高壓控制閥87和高壓控制閥88也打開，以允許受控量的高壓抽氣分別與低壓抽氣和中壓抽氣混合。以相似于上述方式，結合氣流溢出渦輪6的翼型件部分并且提供充足的冷卻。因此，在產生大的冷卻回路壓力比的同時在低壓輸入口 40和中壓輸入口41處維持充足的氣流，以確保燃燒溫度保持排放標準，該大的冷卻回路壓力比確定燃燒器組件8中的稀燃條件。
[0024]在這點上應該理解，在以有成本效益的方式運行的同時，通過增加冷卻回路壓力比和使渦輪的翼型件溢出，本發(fā)明得到特別的益處，從而使得電力設備能夠在低需求期間保持在電網(wǎng)上。因此，電力設備可以快速地提升至滿輸出，時常在15分鐘內或更少。此外，通過在非常低的調節(jié)水平上產生有效的運行條件，當需求增加時發(fā)動機2首先并線以提供動力，并且發(fā)電機的輸出可以增加到基本負載級別。如果發(fā)生突然的、意外的需求增長，則快速的響應時間使得能量供應器能夠快速提升輸出。也就是，在不犧牲基本負載、ISO日性能的同時，本發(fā)明在中壓渦輪輸入和低壓渦輪輸入上產生高于設計壓力比的壓力比，這出乎意料地使渦輪能夠在非常低的調節(jié)水平和/或低于設計溫度運行。
[0025]在任何情況下，本書面描述都使用實例來公開本發(fā)明，包括最佳模式，而且還使得本領域中的任何技術人員都能夠實踐本發(fā)明，包括制造和使用任何裝置或系統(tǒng)以及執(zhí)行任何所結合的方法。本發(fā)明的可授權范圍由權利要求限定，并且可以包括本領域中的那些技術人員想到的其它實例。如果這種其它的實例具有無異于權利要求的字面語言的結構元件，或者如果它們包括與權利要求的字面語言無實質區(qū)別的等同結構元件，則這種其它的實例意在屬于權利要求的范圍。
【權利要求】
1.一種供應來自多級壓縮機的空氣以給渦輪提供空氣從而提高渦輪發(fā)動機性能的方法，所述方法包括: 在正常的運行條件期間運行渦輪發(fā)動機，包括:將高壓旁通抽氣從高壓壓縮機抽取部輸送到渦輪機上的高壓輸入口 ；以及將低壓旁通抽氣從低壓壓縮機抽取部輸送到渦輪機上的低壓輸入口 ；并且 在調節(jié)條件和低于設計溫度運行的其中一種情形期間運行渦輪發(fā)動機，包括:將高壓旁通抽氣從高壓壓縮機抽取部輸送到渦輪機上的高壓輸入口和低壓輸入口二者。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，在調節(jié)條件和低于設計溫度運行的其中一種情形期間，僅有高壓旁通抽氣被輸送到低壓輸入口。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，還包括:在調節(jié)條件和低于設計溫度運行的其中一種情形期間，將高壓旁通抽氣和低壓抽氣的組合輸送到低壓輸入口。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，在調節(jié)條件和低于設計溫度運行的其中一種情形期間，將高壓旁通抽氣從高壓壓縮機抽取部輸送到渦輪機上的高壓輸入口和中壓輸入口二者。
5.根據(jù)權利要求4所述的方法，其特征在于，在調節(jié)條件和低于設計溫度運行的其中一種情形期間，僅有高壓旁通抽氣被輸送到中壓輸入口。
【文檔編號】F02C9/18GK104265461SQ201410501300
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2008年10月21日 優(yōu)先權日:2007年10月22日
【發(fā)明者】E.D.羅什, W.A.帕克 申請人:通用電氣公司