CN101418724A - 用于从多级压缩机向燃气涡轮输送空气的*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于从多级压缩机向燃气涡轮输送空气的***，具体而言，一种用于从多级压缩机向涡轮提供空气的***包括具有高压输入口(42)和低压输入口(40)的涡轮机(2)。该***也包括具有至少一个高压抽气输出(34)和至少一个低压抽气输出(22)的压缩机(4)。阀(64)流体地连接到该涡轮机的至少一个高压抽气输出、至少一个低压抽气输出和低压输入口上。选择性地操作该阀以在正常的运行条件期间流体地连接至少一个低压抽气输出与低压输入口，而在调节条件或低于设计温度运行的期间流体地连接至少一个高压抽气输出和低压输入口，以增强涡轮发动机的性能。

Description

用于从多级压缩机向燃气涡轮输送空气的***
技术领域
本发明涉及燃气涡轮发动机技术，并且更具体地，涉及用于从多级压缩机向燃气涡轮发动机的涡轮部分输送空气的***，以在低调节(turn down)和/或低于设计温度运行的期间增强涡轮发动机的性能。
背景技术
涡轮发动机设计成在国际标准化组织(ISO)的条件下全速运行。也就是，涡轮发动机设计成利用输入条件例如设计点温度、大气压力、燃料类型等等的规定范围，以在规定速率带(speed band)中运行，从而产生最佳的高输出，在该输出之下的运行都是低效的。然而，输入条件时常超出设计点的范围，和/或希望低于满输出。在ISO运行期间，向燃烧器中注入空气以与燃料混合，从而形成输送给涡轮的高压、高温的燃烧产物。在全速下，为了产生足够的燃烧产物以驱动涡轮，燃烧器需要大量的空气。此外，涡轮的各个构件，比如转子叶片，需要冷却。
涡轮构件的冷却回路使用来自压缩机级的有源空气，该压缩机级在燃气涡轮机的整个运行范围的大部分范围上输送足够的压力。大多数燃气涡轮机使用从整体式压缩机构件的一个或多个压缩机抽取级(extraction stage)抽出的空气来在涡轮构件中提供冷却和密封。可以将为此目的从压缩机抽出的空气在内部引导穿过形成在压缩机-涡轮转子组件等中的通道到达涡轮构件中需要冷却和密封的位置。备选地，可以将空气在外部引导穿过在压缩机构件和涡轮构件之间延伸的管道***。
在最佳的运行条件期间具有足够压力的抽气时常在低于最佳条件期间没有足够的压力，比如当在设计点温度之下运行时和/或当输出降低时在调节期间。为了在低于最佳条件的期间提供充足的压力，用来自高压缩机级的额外的高压抽气来补充初级抽气。不幸的是，尽管向冷却气压加入了来自较高级的空气，但是对整个能量产生过程而言，高压空气的使用是非常低效或有害的。也就是，被输入正在形成的高压空气的功比用来产生低压抽气所需的功多。出于这种原因，补充空气典型地被限制在中间级的压缩机级上。如果从较高的压缩机级获得补充空气，那么为了最小化在抽取级之间的任何压差，仅将高级的空气与中间初级的抽气相结合，使得仅需要高级的抽气的一小部分。以这种方式，在冷天和调节期间，发动机的运行可保持有成本效益。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种用于从多级压缩机抽取空气以对涡轮提供旁通空气的***，从而在低调节和/或低于设计温度运行期间最优化涡轮机的性能。该***包括具有多个抽气输入口的涡轮机，这些抽气输入口包括高压输入口、中压输入口和低压输入口。除了涡轮以外，该***还包括具有多个抽气输出的多级压缩机，这些抽气输出包括至少一个高压抽气输出、至少一个中压抽气输出和至少一个低压抽气输出。阀被流体地连接到涡轮机的至少一个高压抽气输出、至少一个低压抽气输出和低压输入口上。选择性地操作该阀，以在正常的运行条件期间流体地连接至少一个低压抽气输出与低压输入口，而在低调节条件和低于设计温度运行中的一种情形期间流体地连接高压抽气输出和低压输入口。
根据本发明的另一个方面，提供了一种供应来自多级压缩机的抽取空气以给涡轮提供旁通空气，从而在低调节和/或低于设计温度运行的期间最优化涡轮发动机的性能的方法。该方法包括在最佳运行条件期间运行涡轮发动机，以及在非最佳条件期间运行涡轮发动机。在最佳运行条件期间，把高压抽气从高压压缩机抽取(extraction)输送到涡轮机上的高压输入口，而把低压抽气从低压压缩机抽取输送到涡轮机上的低压输入口。在非最佳运行条件期间，把高压旁通抽气从高压压缩机抽取输送到在涡轮机上的高压输入口和低压输入口二者之上。
在调节和低于设计温度运行期间，高压抽取具有充足的压力以充分地把高压输入供给到涡轮。然而，中压抽取和低压抽取不再具有足够的压力来充分地供给各自的中压涡轮输入和低压涡轮输入。过去，据认为使用高压抽气是非常低效的。高压空气至多被用来补充被输送到中压涡轮输入的中压空气。结合高压空气和低压空气被视为是非常低效的因而没有成本效益。
然而出乎意料的是，已经发现把高压抽取引导到低压涡轮输入上将在低压输入上引起较高的设计压力比。到低压输入的空气的增加导致被传送给涡轮发动机中的燃烧器的空气更少。由于被传送给燃烧器的空气更少，所以在排放达标中维持燃烧器的燃烧温度所需的燃料更少。使用更少的燃料还降低了燃料燃烧率，且因此可以把设备输出(plant output)降低至超过当前可能的级别，也就是，本发明使得发动机可以调节到满输出的15％-20％。以这种方式，在低需求期间，电力设备可以以非常低的调节运行并保持在电网上，而同时以具有成本效益的方式运行发电机。因此，如果另一个***降低，则电力设备可以快速地提升以提供额外的输出。此外，通过保持在电网上，当需求增加时发电机首先并线(in line)以提供动力，并且发电机输出可以增加到基本负载级别。
当结合附图时，从下列详细的描述中本发明示范性实施例的各个方面的另外的目的、特征和优点将变得更易于显而易见，其中在若干视图中相同的标号指代对应的部件。
附图说明
图1是根据本发明的一个方面所构建的涡轮发动机的示意性图解，该涡轮发动机包括用于从多级压缩机向涡轮输送空气的***，以用于在低调节期间和/或在低于设计温度运行的同时最优化性能。
部件列表
2 涡轮发动机
4 压缩机
6 涡轮
8 燃烧器组件
12 燃烧室
17 冷却***
20 第一壳体/气室部分
22 低压抽气出口
26 第二壳体/气室部分
28 中压抽气出口
32 第三壳体/气室部分
34 高压抽气出口
40 低压输入口
41 中压输入口
42 高压输入口
51 低压抽取回路
52 中压抽取回路
53 高压抽取回路
60 低压输出管线
64 低压控制阀
65 低压喷射器
66 低压输出管线部分
70 中压输出管线部分
74 中压控制阀
75 中压喷射器
76 中压输出管线部分
80 直达管线
82 分支管线
85 第一高压馈入管线
86 第二高压馈入管线
87 阀
具体实施方式
首先参考图1，在2处一般地标示了根据本发明的示范性实施例所构建的燃气涡轮发动机。发动机2包括经由轴(未单独标记)可操作地连接到涡轮6上的压缩机4。发动机2还图示成包括燃烧器组件8，该燃烧器组件8包括燃烧室12。如以下将更完整地讨论，燃烧气体在燃烧器组件8中产生并被用来驱动涡轮6。
在运行中，空气流入压缩机4并被压缩成高压气体。把该高压气体供给到燃烧器组件8，并且与燃料例如过程气体(process gas)和/或合成气体(合成气)混合。将燃料/空气或可燃混合物送入燃烧室12并点燃以形成高压、高温的燃烧气流，其温度为从大约871摄氏度(℃)到1621℃(1600华氏度(℉)到2950℉)。备选地，燃烧器组件8可以燃烧燃料，该燃料包括但不限于天然气和/或燃油。在任何情况下，燃烧器组件8都把燃烧气流导向涡轮6，该涡轮6把热能转变成机械转动能。在发动机2中所形成的高温产生了对燃烧器组件8以及涡轮6的其它各个构件进行冷却的需要。为此，发动机2包括冷却***17。
根据所示的示范性实施例，冷却***17包括第一壳体或气室部分20，该第一壳体或气室部分20包括低压抽气出口22，该低压抽气出口22与低压级比如压缩机4的第九级流体地连接。冷却***17还包括第二壳体或气室部分26和第三壳体或气室部分32，该第二壳体或气室部分26具有中压抽气出口28，该中压抽气出口28与中压级比如压缩机4的第十三级流体地连接，该第三壳体或气室部分32具有高压抽气出口34，该高压抽气出口34与高压级比如压缩机4的第十八级流体地连接。如下面将更完整地详细描述的，把第一气室部分20流体地连接到被提供在涡轮6上的低压输入口40上。相似地，把第二气室部分26流体地连接到中压输入口41上，以及把第三气室部分32流体地连接到被提供在涡轮6上的高压输入口42上。
如图所示，冷却***17包括低压抽取回路51、中压抽取回路52和高压抽取回路53。低压抽取回路51包括通向到低压控制阀64的低压输出管线部分60。在终止于低压输入口40之前，低压抽取回路51从低压控制阀64接着通到低压喷射器65，并且通到低压输出管线部分66上。中压抽取回路52包括延伸到中压控制阀74上的中压输出管线部分70。在终止于涡轮6上的中压输入口41之前，中压抽取回路52从中压控制阀74延伸到中压喷射器75，并且延伸到中压输出管线部分76上。最后，高压抽取回路53包括连接到在涡轮6上的高压输入口42上的直达管线80。高压抽取回路53还包括具有第一高压馈入管线85和第二高压馈入管线86的分支管线82。各高压馈入管线85和高压馈入管线86都包括对应的阀87和阀88。高压馈入管线85和高压馈入管线86从阀87和阀88分别连接到低压喷射器65和中压喷射器75上。
通过这种构造，在标准的ISO运行条件下，涡轮6的各个部分比如翼型件和轮叶被供有来自低压抽气出口22和中压抽气出口28的冷却气流。例如，来自高压抽气出口34的高压空气供给燃烧器组件8和涡轮6上的高压输入口42。然而，在低调节条件和/或当低于设计温度运行时，例如59℉(15℃)，在低压抽取回路51和中压抽取回路52中的压力不足以以充足的冷却空气的质量流率来供给低压输入口40和中压输入口41中各自的一个输入口。当然，可以理解的是，59℉(15℃)仅仅是设计点温度的一个实例，取决于运行场所、周围条件、海拔等等，可以设立各种其它的设计温度。在任何情况下，没有充足的压力，或者必须用额外的空气来补充低压抽取和中压抽取，或者必须把输出增加到确保对于涡轮6有充分冷却并确保发动机2保持符合排放标准的级别上。形成高压抽气需要由压缩机4做相当大的功。所以，在较低压的抽取输入中使用高压抽气过去被认为是不利的。然而出乎意料的是，已经发现的是当运行典型地小于有效级别时，即使在低于设计参数运行时，在保持符合排放标准的同时也可以有利地使用高压空气来允许发动机2获得较低的输出级别。
根据本发明的一个方面，为了在非最佳运行条件期间，比如在低调节期间和/或当低于设计温度运行时，给低压输入口40和中压输入口41提供充足的空气供给，关闭低压控制阀64和中压控制阀74，而打开高压控制阀87和高压控制阀88。以这种方式，把来自压缩机4的高压空气被引向低压输入口40和中压输入口41。高压空气引起在翼型件和相关的涡轮6的冷却和清洗回路部分中的溢出，并且在较低的输出级别上提供充分的冷却。同时，高压抽气继续流向高压输入口42以向涡轮6供给高压空气。通过这种布置，大量空气绕过产生稀燃条件(lean condition)的燃烧器组件8，该稀燃条件导致燃烧温度保持在有符合排放标准。此外，由于较低的输出级别，所以涡轮6内的温度更低，从而对于冷却的需求实际更低。在这些条件下，尤其在当输出级别低于40％时的非常低的调节水平上，利用在到涡轮6的低压输入和中压输入上的高压抽取确保在较低的调节级别上在符合排放标准级别上运行发动机2的同时充足地供给冷却空气。
根据本发明的另一个方面，在非最佳运行条件期间，低压控制阀64和中压控制阀74保持打开，并且高压控制阀87和高压控制阀88也打开，以允许受控量的高压抽气分别与低压抽气和中压抽气混合。以相似于上述方式，结合气流溢出涡轮6的翼型件部分并且提供充足的冷却。因此，在产生大的冷却回路压力比的同时在低压输入口40和中压输入口41处维持充足的气流，以确保燃烧温度保持排放标准，该大的冷却回路压力比确定燃烧器组件8中的稀燃条件。
在这点上应该理解，在以有成本效益的方式运行的同时，通过增加冷却回路压力比和使涡轮的翼型件溢出，本发明得到特别的益处，从而使得电力设备能够在低需求期间保持在电网上。因此，电力设备可以快速地提升至满输出，时常在15分钟内或更少。此外，通过在非常低的调节水平上产生有效的运行条件，当需求增加时发动机2首先并线以提供动力，并且发电机的输出可以增加到基本负载级别。如果发生突然的、意外的需求增长，则快速的响应时间使得能量供应器能够快速提升输出。也就是，在不牺牲基本负载、ISO日性能的同时，本发明在中压涡轮输入和低压涡轮输入上产生高于设计压力比的压力比，这出乎意料地使涡轮能够在非常低的调节水平和/或低于设计温度运行。
在任何情况下，本书面描述都使用实例来公开本发明，包括最佳模式，而且还使得本领域中的任何技术人员都能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或***以及执行任何所结合的方法。本发明的可授权范围由权利要求限定，并且可以包括本领域中的那些技术人员想到的其它实例。如果这种其它的实例具有无异于权利要求的字面语言的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质区别的等同结构元件，则这种其它的实例意在属于权利要求的范围。

Claims (7)

1.一种用于从多级压缩机向燃气涡轮提供空气的***，包括：
涡轮机(2)，其包括多个抽气输入口(40)到(42)，所述抽气输入口(40)到(42)包括高压输入口(42)、中压输入口(41)和低压输入口(40)；
多级压缩机(4)，其包括多个抽气输出，所述多个抽气输出包括高压抽气输出(34)、中压抽气输出(28)和低压抽气输出(22)；
至少一个阀(64)，其流体地连接所述涡轮机的所述低压抽气输出、高压抽气输出和低压输入口，所述至少一个阀被可选择地操作以在正常的运行条件期间流体地连接所述低压抽气输出与所述低压输入口，而在调节条件和低于设计温度运行中的一种情形期间流体地连接所述高压抽气输出和所述低压输入口。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，至少一个控制阀包括第一控制阀(64)和第二控制阀(87)，所述第一控制阀提供在所述低压抽气出口和低压输入口之间，而所述第二控制阀提供在所述高压抽气出口和所述低压输入口之间，其中，在所述调节条件和低于设计温度运行中的所述一种情形期间，所述第一控制阀关闭，而所述第二控制阀打开。
3.根据权利要求2所述的***，其特征在于，在所述调节条件和低于设计温度运行中的所述一种情形期间，打开所述第一控制阀和第二控制阀中的每个控制阀。
4.根据权利要求3所述的***，其特征在于，所述***还包括：定位在所述第二控制阀和所述低压输入口之间的喷射器(65)。
5.根据权利要求2所述的***，其特征在于，所述至少一个阀还包括第三控制阀(74)和第四控制阀(88)，所述第三控制阀定位在中压抽气出口和所述中压输入口之间，而所述第四控制阀提供在高压抽气出口和所述中压输入口之间，其中，在所述调节条件和低于设计温度运行中的所述一种情形期间，关闭所述第三控制阀，而打开所述第四控制阀。
6.根据权利要求5所述的***，其特征在于，在所述调节条件和低于设计温度运行中的所述一种情形期间，打开所述第三控制阀和第四控制阀中的每个控制阀。
7.根据权利要求6所述的***，其特征在于，所述***还包括：定位在所述第四控制阀和所述中压输入口之间的喷射器(75)。
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