CN1036414C

CN1036414C - 改进的回热并联复合双流体燃气轮机装置及其操作方法

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Publication number: CN1036414C
Application number: CN 92112444
Authority: CN
Inventors: 程大酉
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-11-03
Filing date: 1992-11-03
Publication date: 1997-11-12
Anticipated expiration: 2007-11-03
Also published as: CN1086581A

Abstract

一种程氏循环双流体燃气轮机装置，包括一台压缩机(10)，以压缩第一工作流体；一个与压缩机出口相连的燃烧室(12)；一台与燃烧室相连的涡轮(13)。还有与涡轮排气口相连的热回收换热器(14，15)，以加热第二工作流体；和将该换热器加热后的第二工作流体引入涡轮的喷射器(3)。有一冷却剂入口管路可使低于压缩机出口的第一工作流体温度的冷却剂引至涡轮的喷嘴和叶片(60)处。该机还包括有选择地控制流入涡轮的第二工作流体流量的节流阀(25)。

Description

改进的回热并联复合双流体燃气轮机装置及其操作方法

本发明是对在程氏双流体循环燃气轮机装置中，使热量有效地转换为输出功率方面的一种改进。

本发明涉及一种燃气轮机装置及其操作方法，特别是对在有关一些现有的美国专利(4128994、3978661、4248039、4297841及4417438)中的并联回热双流体循环或程氏循环机的效率及输出的改善。

为了概括现有专利及出版物的基本情况，程氏循环机是一种仅在热回收蒸汽发生器(HRSG)中利用水蒸汽的回热式燃气轮机，它以独特的方式将蒸汽加热到尽可能高的过热温度(由涡轮排气温度限定)，而且回收的总热量达到最大，而这仅由将水转换为锅炉汽相的热传递物理过程和可利用的燃气蒸汽温度差限定。这在HRSG工业界为公知的颈部温度。在这方面的专利中，程氏双流体循环会达到液态与气态工作流体混合比的峰值效率，称为XMIX峰值。预期效率的提高和操作的简便已在上述专利、文献中通过实际的运转数据而被证明。

程底循环首先在商业上被应用于艾利森型(Allison)501KH燃气轮机上，后来又用在川崎(Kawasaki)MI-ACC上。自1984年以来，已有10台程氏循环的501KH燃气轮机投入使用，两台川崎程氏循环机在日本也投入使用。很多涡***作上的专利及其改进也已实现。

尽管程氏循环***具有所引证的所有优点，但也会出现发明者程大禹(Dah Yu Cheng)博士(改进的程氏循环机〔ACC〕的现发明人)忽略的问题。带有复杂蒸汽涡轮的同样的燃气轮机可以构成组合的循环机。虽然这不能以同样的数量级来改善输出功率，但人们也知道它具有潜在的比程氏循环稍高的效率。这是因为在七十年代设想程底循环时，大多数燃气轮机都是在从治金学上来看为防止应力及锈蚀而许可的涡轮进口温度下工作的。当时在设想程底循环时并没有考虑到叶片的冷却。那时的趋势是试图使用陶瓷涡轮，甚至是用内部水冷式涡轮叶片。通过将压缩机空气引入一冷却通道然后在滞止点及叶片后椽受压一侧使之喷出的冷却方式的改进，已经可以允许燃气蒸汽温度大大提高，而不会使涡轮叶片表面温度超过先前不冷却时的冶金工作温度限。

流出压缩机的空气对燃气轮机***来说当然是一种损失，但是增加涡轮工作温度所得到的好处则大于所产生的损失。这导致压缩机压缩比的增加，也使得燃气轮机简单循环的效率增加。10％以上的排出空气被用在先进的战斗机燃气涡轮上，其涡轮进口温度超过1510℃。在工业上，效率增加1％便可以看作是重大成就。新通用气公司的弗雷姆(Frame)7-F带有一台进口温度为1288℃的涡轮，但是仍设计成较低的压缩比，以使排气温度足够高从而改善组合循环机中的蒸汽循环部分。组合循环机的效率要求高于50％。

很明显，最大限定的过热可以改善改用程氏循环的无冷却的燃气轮机，但是很难在不带程氏循环的蒸汽喷射的燃气轮机进口温度下工作。

在表1的艾利森轮涡轮性能保证书中，其最后两栏示出501KH和带蒸汽喷射的501KH涡轮。501KH显示出涡轮进口温度为1035℃，而带蒸汽喷射的501KH的涡轮进口温度为982℃。产生的35℃的温度损失意味病3.0+％的可能的效率损失和大于1000KW的可能功率输出损失。产生这一问题的根源是当能量在最高热力潜能下回收时，换句话说在最高(极高)蒸汽温度(见现有技术中的各专利)下回收时，须要燃烧附加燃料以使蒸汽达到涡轮进口温度，这时蒸汽的温度才会变得远高于压缩机的空气排放温度。蒸汽与压缩机排出空气的混合导致了高于压缩机排气温度的混合后温度。

当空气排放通道设计成带有较冷的压缩机空气排放温度时，较高的混合温度会导致叶片表面冷却能力的降低。限制叶片表面温度的方法似乎只有降低涡轮的工作温度。这将导致潜在效率及输出功率的损失，并进而使机器成本提高。

本发明的目的在于对程氏循环机作出改进，提出一种改进的程氏循环机(ACC)，以克服上述限制，使原来程氏循环机所遇到的许多困难问题能够通过本发明得到解决，并且在很大程度上其结构继承了以往的阀门位置、控制***、起动和停车程序的设计。

按照本发明的程氏循环的双流体燃气轮机装置包括：一台压缩第一工作流体的压缩机；一个与压缩机出口流体相连的燃烧室；一台带有与燃烧室流体相连的入口的涡轮，通过工作流体的膨胀进行工作；一个与涡轮排气口相连以进行加热的例如由过热器和蒸发器构成的热回收换热器，用于加热第二工作流体；一个将加热后的第二工作流体从热回收换热器引入涡轮的喷射器；一个将温度低于压缩机出口处的第一工作流体温度的冷却剂引到涡轮中的涡轮喷嘴和叶片之中至少一个上的冷却剂入口管路；以及连接在热回收换热器与喷射器之间的用于有选择地控制进入涡轮的第二工作流体流量的节流阀，它依据下列工作参数工作：(i)第二工作流体的喷入涡轮时的温度，该温度低于或大致等于压缩机出口处的第一工作流体温度；和(ii)对于涡轮中的第二工作流体与第一工作流体的给定峰值效率混合比，使所述热回收换热器收缩温度减为最小时，从涡轮排气中回收的最大热量。

所述燃气轮机装置最好还包括：一台与热回收换热器入口流体相连的热回收锅炉，它具有一个可加压的筒；在燃气轮机装置冷起动时给筒加压的装置，该装置是一个有选择地与筒连接的压力调节器和压缩气源，例如瓶装氮气等基本上不产生氧气的外部气源，或者一台有选择地与所述筒连接的压缩机，并包括一个调整所述筒最初压力的传感器；一套与燃气涡轮和热回收蒸汽发生器相连的用于检测温度和压力的传感器***；以及操纵流体进入燃气涡轮的控制***。

本发明同时提供了对这种程氏循环的双流体燃气轮机装置的操作方法，包括：(a)用控制***预定燃气涡轮和热回收蒸汽发生器的起始状态；(b)为燃气轮机的空转流动状态设定节流阀的位置；(c)用压缩气源将筒中的压力提高到大约为热回收蒸汽发生器所需的工作压力；(d)起动燃气涡轮使之从空转变为由涡轮入口最大允许温度所限定的满负荷；(e)用节流阀控制第二工作流体的流量，并切断压缩气源，在传感器***显示出热回收蒸汽发生器的压力高于压缩机排气压力后，控制作用依据下列工作参数进行：(i)第二工作流体在喷入涡轮时的温度，该温度低于或大致等于压缩机出口处的第一工作流体温度；和(ii)对于涡轮中的第二工作流体与第一工作流体的给定峰值效率混合比，使热回收蒸汽发生器收缩温度减为最小时，从涡轮排气中回收的最大热量。

在其中的加压步骤(c)中，用来升高所述筒的压力的压缩气源最好是一个独立的压缩气源，该独立的压缩气源向筒内传送的压力由压力调节器设定在较热回收蒸汽发生器工作压力低大约5％的压力上，而当筒的压力超过压缩气传送的压力时，压力调节器将使第一工作流体回流到压缩气源中。

另外，加压步骤(c)和起动步骤(d)的顺序可颠倒成如下方式：起动燃气涡轮使之从空转变为由涡轮入口最大允许温度所限定的满负荷；以及，用第一工作流体的压缩机排气将筒中的压力提高到大约为热回收蒸汽发生器所需的工作压力，从而使所述筒被作为压缩气源的燃气涡轮排出的废气加压和加热。

所述操作方法还可包括下列以协同方式操纵所述燃气轮机装置的步骤：(a)关闭节流阀以防止第二工作流体喷入涡轮中；(b)操纵第二阀门，使第二工作流体进入一个与第二阀门和第一阀门相连的混合室；和(c)打开第一阀门，使第二工作流体经过热器充分放出，以防止对过热器可能的氧化，并为协同工作的混合室提供附加热量。

在该燃气轮机装置停止运转期间，本发明的操作方法还包括：(a)卸去燃气涡轮的输出负荷；(b)关闭节流阀，以阻断第二工作流体流入燃气涡轮；(c)用控制***切断流向燃气涡轮的燃料流；和(d)使锅炉冷却下来。

本发明的技术方案可概括为：

(a)将节流阀设置在热回收换热器与喷射器之间；

(b)依据提供给涡轮的第一工作流体(压缩空气)和第二工作流体(蒸汽)的温度和相对量，节制喷射器的输出，以便从涡轮排气中回收最大热量；

(c)将温度低于第一工作流体(压缩空气)温度的冷却剂引到涡轮喷嘴和/或叶片上。

此外，本发明还利用压缩气体压缩一个筒来实现燃气轮机装置的快速起动。

本发明的优点如下：

(a)在燃气轮机中使用了蒸汽喷射，减轻了涡轮入口温度的下降，使得设计的最高涡轮燃气温度仅可用于程氏循环；

(b)提供了冷却装置的选择，使之能够提高须冷却的燃气涡轮叶片所能耐受的涡轮进口温度；

(c)通过提高涡轮进口温度，保持涡轮叶片表面温度，从而改善了效率，使之能超过原来的程氏循环机的效率；

(d)采用新结构的蒸汽节流阀，以防止过热器中的锈蚀；

(e)减小了过热器的表面积；

(f)通过增加压缩机排气压力增加了输出功率和效率；

(g)为改进的程氏循环机的快速起动，提供了一台装置；

(h)使协同产生的机械能(或电能)和蒸汽独立地随着负载变化。

以下将结合附图对本发明进行更详细的描述。

图1表示出由发明人于七十年代申请的一系列专利所提出的程氏循环；

图2为表示现有技术中程氏循环的蒸汽空气混合比的峰值效率图；

图3表示出现有技术所要求的到达最大热回收和最大过热的传热极限；

图4是现有技术中表明的表示程氏循环的循环效率的温熵曲线图；

图5是用于回热的燃气涡轮和蒸汽涡轮循环机的组合循环的温熵曲线图；

图6表示出新改进的程氏循环机的组成结构，其中包括新的节流阀位置；

图7表示出典型的空气流冷却的涡轮叶片；

图8表示出提高了压缩比的改进的程氏循环；

图9为现有技术(程氏循环)与改进的程氏循环之间效率及峰值效率XMIX的位置的比较曲线；

图10表示出现有技术(程氏循环)与改进的程氏循环之间在热回收锅炉中的传热差异和温度分布；

图11为改进的程氏循环提高了涡轮入口温度并提高了压缩比的最佳状况图；

图12表示出改进的程氏循环通过涡轮匹配及压缩机图而提高燃烧比的能力。

图1表示了根据现有技术专利的程氏循环的实施例，其结构显示出燃气轮机具有一台通过轴与涡轮13相连的压缩机10，其输出端接到负载上。空气通过1进入后被压缩并从2排出。压缩后的空气进入燃烧室12。燃料通过11进入燃烧室，而蒸汽来自热回收蒸汽发生器(HRSG)通到3。燃烧空气和蒸汽的混合物达到预定的涡轮进口温度后从4排出，然后穿过涡轮13而从涡轮的5处排走。废气穿过热回收蒸汽发生器，该发生器分为两部分，即一个过热器14和一个水蒸发器15。炽热的废气进入过热器14，把热量传给从8处进入的蒸汽使之过热，然后从3处排出。一根可以进行燃烧的管道未在此描述，它通常位于6处。余下的热量被蒸发器15回收并在17处排出。废气可选择通过净化装置或冷凝装置20，然后排到大气中。水可由20回收或者可以全部用作补充物输入或者与19混合。水通过泵18增压到很高的压力。泵的出口通向蒸汽发生器9，而蒸发器通过两个阀门16控制流向过热器的蒸汔流，或者控制作为协同工作的装置17的蒸汽用户的蒸汽流。如果仅用于产生能量，17就不再需要。

上述的组件图是现有技术专利中描述过并要求保护的典型程氏循环结构。

图2是效率与称为XMIX的蒸汽空气的关系图，可见对于给定的涡轮入口温度30，其效率会达到峰值，然后随着更多蒸汽的喷入而逐渐减小。这个峰值效率就是在程氏循环机专利及其主要的权利要求中所描述的热回收的本质，这可从图3看出。

图3是废气温度分布图和通过将水变为高温蒸汽而将热传递给HRSG的图形。所示的长度是HRSG中热交换器的部分长度。图1中所示的进入热交换器的废气在此由温度T₅代表。通过将蒸汽由T₈过热至T₃，其温度下降到T₆。废气这边的温度继续从T₆下降到T_7’并进而降到出口的T₇。水在T₉时进入，在T_7’时到达给定压力时的汽化点，从而在图线40处进行蒸发。废气的图线以41表示。由(T_7’-T₈)表示的锅炉中的温度和废气温度间最接近处的温差称为ΔT_收缩或者颈部温度。T₅与T₃之间的温度差称为ΔT_最大。现有技术中的最大焓和最大热回收要求上收缩点的ΔT_最大和T_7’减T₈达到最小。在这个点上就达到峰值XMIX。

图4是工业上以T-S图表示的温熵曲线。S表示熵。方框50称为卡诺循环方框，而方框内表示的区域是由四条边构成的燃气轮机循环曲线。压缩边由伴随从T₁到T₂的熵S增加的温升曲线表示。这时产生燃烧使温度从T₂升至T₄。

对于燃气这边，通过涡轮机的膨胀使温度从T₄降到T₅。在燃气排出发电厂之前，先进入热回收锅炉。通过底部的曲线温度下降而完成循环。方框50表示出由燃气轮机的涡轮进口温度和环境温度限定的温度T₄和温度T₁所确定的区域，该温度是由燃气轮机效率的卡诺循环来决定的。

改善这种循环的效率就是加大卡诺循环中所含的这种循环的面积。卡诺循环的效率通常由1减去T₁/T₄来确定，因而T₄越高，卡诺循环的效率也越高。卡诺循环并不涉及到熵，因此卡诺循环方框的宽度并不参与循环效率的确定。

对于循环水这边，从T₉开始到达温度T₈，而后是过热温度T₃试图充满卡诺循环区域的角部。然后蒸汽被进一步从T₃加热到T₄，再与空气一同膨胀到同一温度T₅。蒸汽中的热量也通过附加的蒸汽回收，它由区域B′的边界表示。B′完成同样的循环并回收附加蒸汽B″。因此，程氏循环的回热是一系列带有最大热量回收从及带有尽可能紧地充满卡诺循环方框以提高其效率的最大熵的以蒸汽回收热量的循环。A加B、B′和B″等等产生的面积增加正是程氏循环输出功率增加的内在原因。正如现有技术专利中所描述的那样，这种要力求达到的循环通常被说成是组合循环，该组合循环不是将蒸汽喷入燃气轮机，而是通过各自的蒸汽循环进行的。

这种循环表示在图5中。卡诺循环方框50包括卡诺方框中的燃气轮机部分；而蒸汽循环将占据燃气轮机循环A下面的卡诺循环的空余部分的下角。蒸汽循环由面积D表示。蒸汽循环D通常是高压蒸汽的循环，而与程氏循环相比其压力较低。因此，功率增大的潜力没有程氏循环大。

图6表示的是改进后的程氏循环***。该改进的程氏循环***具有一台压缩机10和一台由轴相连并向负载输出功率的涡轮13。空气仍由1处引入，压缩后从2充入燃烧室12。燃料从11处进入。从热回收发生器来的蒸汽在3处进入，且预混成预定的涡轮入口温度被冶金学所允许的温度限定在T₄处。然后混合气在涡轮13中膨胀并从涡轮的5处排出。排出的废气进入过热器14，然后再进入蒸发器15并在7处排出。过热器与蒸发器之间由6表示的位置处也可以加入附加的燃烧管道，以供在锅炉中产生的蒸汽之用。

在水这边，预处理过的水进入泵18后充入锅炉9中并汽化为饱和蒸汽，它有三条可能的途径。途径一是少量的汽流经锅炉流至动力涡轮，主要用于冷却涡轮叶片和喷嘴。途径二是进入过热器然后被放出。过热器又有两条途径，一条是通过阀23，而另一条是通过节流阀25让蒸汽进入燃烧室3。如前所述，阀25对蒸汽的控制不同于现有技术的专利，其原因是人们发现在协同工作期间，即使使用含有很高成分镍和铬的铬合金，对于在过热器与蒸发器之间仅有一个节流阀的过热器(如图1示出的)来说，有时也会在表面出现锈蚀物质。于是当由于负载要求再次引入蒸汽时，锈蚀物质就会进入涡轮燃烧室并作为赤热的物质流入冷却的叶片通路中，这将引起冷却空气的阻塞并烧坏所有涡轮。通过在15处随意设置一个节流阀(该阀并不单独工作)，则可增加以下步骤：当肯定蒸汽不须用于燃汽轮机而仅须用于通过阀17而协同工作时，则只要极少量的蒸汽通过过热器，使之在节流阀23的控制下，控制在混合室22中与饱和蒸汽的混合，就能提供附加热量而达到协同工作的目的。这使得过热器暴露的壁面面积可减至最小，这时没有蒸汽喷入燃气轮机。在24处可有选择地设置附加阀门，使得可用不会引起生锈的压缩气体(如氮气或其它无腐蚀性气体)来控制锅炉***的压力，这样，在改进的程氏循环开始时，锅炉将在高压下沸腾，而不是象传统装置那样在室温下汽化，然后在锅炉中按通常那样逐渐产生压力。通过这种方式我们就会以五倍的速度快速完成起动过程。这样就不需要把燃气轮机的操作部分与蒸汽发生器的操作部分连系起来，而普通的组合循环机则必须这么做。

这一样选择结构的优点是，它保持了锅炉的高压起动操作以及独立地向燃气轮机提供蒸汽的操作，使得在发电时燃气涡轮机可以通过涡轮的起动操作而达到简单的燃气轮机循环的入口温度限，这通常只需几分钟。T₅处的高废气温度受热回收锅炉的工作限制，因为当沸腾发生在低压时蒸汽汽泡占据了很大的体积。这种现象在锅炉中叫水膨胀。因此当处在高高的水界线时不得不将水放走直到锅炉平静下来。

在这种情况下，高温气体进入锅炉，而锅炉则由例如瓶装氮气加压，由此调整锅炉的工作温度和压力(通常该工作压力为1.069公斤/厘米²左右)。这样，水的沸腾温度将达到193℃左右而不是100℃。因此，锅炉可以很快地达到该温度而不会产生水膨胀。当锅炉最终到达193℃的温度时，它便开始产生蒸汽。筒的耐压要高于允许的氮气加压压力。蒸汽阀25将会打开，先将氮气排出以保持锅炉压力，直到蒸汽产出率高到足以完全排除氮气为止。这时，氮气瓶的调节将随同氮气流而停止，因为筒的压力已高于氮气压力。当这种情况发生时，高温水将不会吸收任何氮气，因而不再需要放气。所有的氮气这时已被排至燃烧室中，然后所产生的附加蒸汽开始喷入燃烧室，直到锅炉达到与设计参数等值的全部蒸汽量为止，这些蒸汽可以通过控制阀25喷入以增加载荷和提高效率。

当蒸汽首先通过通路23引入时，涡轮进口温度将会下降，因此11处的燃料流量将要增加以保持涡轮的进口温度为T₄。因此，输出功率将在不提高涡轮进口温度的情况下持续增加，直到蒸汽充分产生为止。此时涡轮机产生出最高效率下的最大输出。

如果放出的蒸汽不用来冷却涡轮，那么25处的蒸汽温度便被限制在燃气轮机压缩机的排气温度上，这样就会从内部向燃气轮机叶片提供冷却空气，通常是通过燃气轮机内部管路的旁通管路而提供的。旁路空气与进入的蒸汽混合保持着压缩机的排气出口温度；因此，涡轮叶片的冷却剂将不会超过预先设计的压缩机排出温度限，从而维持住对涡轮叶片的冷却。

在T₃处的蒸汽温度低于压缩机排放温度的情况下，这当然是一种具有小的效率损失的工作灵活性的选择，但是却增大了输出功率。其特征与现有技术(程氏循环)所描述的相近，除了这里的到达峰值效率的选择参数不同且由本发明控制之外。

图7表示出涡轮叶片的典型空气流冷却形式，其冷却剂从叶片底部进入穿过叶片60。内部通路61用来冷却整个叶片，但有一部分空气通过前缘孔63溢出。在冷却剂带走热量后，使其从后缘处排走，以防止后缘处进一步的热传递。冷却空气由孔62排出。

图8表示出一种不同于现有技术(程氏循环)的、在改进的程氏循环中改变各参数的方法，该方法使得即使具有给定不变的涡轮进口温度(T.I.T)，压缩机的流动空气温度通常也不会改变。但是从工作图上可看出，压缩机会产生背压(back pressure)。从卡诺循环方框中的上部燃气轮机循环回收的能量不能被预先估计。由于增加压缩比而带来的增大了的面积对于给定的涡轮进口温度用A′表示，其熵增量减小了；因此，卡诺循环方框的收缩及方框被进一步占满均得以实现，而且是由于增加了压缩比的缘故。但是正如所指出的那样，就效率而言熵重来不起多大作用。改进的程式循环通过限制波动幅度(surgemargin)的压缩机背压来提高压缩比，以在卡诺方框中该循环图的上部回收能量。

图9表示的是XMIX状态与效率的关系。图中30是与图2中所示相似的现有技术的蒸汽喷射流率的效率曲线。31假定涡轮进口温度相同。如现有技术的实例所表明的那样，蒸汽回收的上限温度被限制在压缩机空气排放温度上，这使我们在其达到峰值效率前能回收更多的蒸汽而仅使效率下降少许。现在，由于经蒸汽喷射使得30恶化，而改进后的程氏循环的实际工作则应在涡轮进口温度32下进行，其峰值效率甚至高于30的峰值效率。甚至过热蒸汽的温度也低于现有技术中过热温度的最高值。因此，通过恢复由蒸汽喷射而引起的涡轮进口温度限的能力使效率得以恢复或增加。

通过由饱和蒸汽(饱和蒸汽温度通常低于压缩机排放温度)对冷却叶片进行的良好的蒸汽冷却，这种增加涡轮进口温度的能力可再次使蒸汽温度获得最大值。

图10表示出在我们选择要限定的蒸汽温度为压缩机出口温度42时的传热温度的曲线图。通常恶化的涡轮进口温度应为排气温度41。但是由于涡轮叶片温度能保持一定，如果没有任何蒸汽喷入时，它就可以在更高的进口温度43下工作。这表明由44产生了蒸汽回收且更多的蒸汽能量还会被回收，除非上限温度被压缩机空气排出温度限制在这种情况下从而使涡轮进口温度限被移到一较低值。

图11表示所有改进的程氏循环的特征的总和，即改变了现有技术(程氏循环)的温熵曲线图(TS图)。首先可以看到，卡诺循环方框有一较高温度50′，这意味着固有卡诺循环的效率被改善了。而通过由附加面积A′表示的更高的压缩比会对其进一步改善。而且它还会通过由蒸汽循环如C、C′、C″等的蒸汽所产生的附加面积再得到改善。

图12表示压缩机波动幅度和压缩比增加的界限。流量由W乘θ的平方根除以δ表示，这是对涡轮进口温度和周围压力状态的补偿。纵轴是压缩机排气的压缩比，而线N₁，N₂和N₃则是一定的压缩机转数(转/分)线(RPM线)。虚线表示压缩机失速线，它永远不能超过压缩比线。普通燃气轮机的起动是通过达到高压时的起动线来匹配的，它通常通过提高涡轮进口温度和增加转数/分来获得。但是当用于发电时，涡轮须以一定的转数/分旋转。

在这种情况下的转数/分是N₃。输出功率的增加并不是由于转数/分的增加而得到。因此，涡轮进口温度的增加将导致须流经涡轮叶片区域的进口流量更多，这就需要更高的压缩比。因此，对于一台简单循环的单轴发电机的运转而言，压缩机图线的波动幅度通常大到能容纳从涡轮进口温度状态的空转状态到满负荷运转状态的全程。

在现有技术(程氏循环)中要考虑展开涡轮区域以使波动幅度不致于超过压缩机的波动。但是，改进的程氏循环的蒸汽调节及高温将不仅有助于封闭涡轮气流区域以提高压缩比，而且也会导致更高的效率和更高的输出功。这正是改进的程氏循环适合于高涡轮压缩比的原因。

对图1的操作说明，即现有技术的操作说明是针对燃料流量和效率而言的(如艾利森目录的表1中)，作为基于程氏循环参数的一个实例，其蒸汽温度为10℃，低于涡轮排气温度。由于燃气轮机的压缩比为9.3且压缩机排气温度较低，故给出一个改进的程氏循环操作的例子，其蒸汽回收温度将由燃气轮机压缩机的排气温度限定。能量平衡且效率和输出均得以改善的一个实例是与982℃的程氏循环操作的一个对照例，该循环是在由列出的艾利森保证书所给出的仅选择燃气轮机时的1035℃温度限下运行的(见表1中501KH栏)，而改进的程氏循环涡轮叶片温度这时则由蒸汽过热温度控制在所选择的较低温度上(见表2)，这与给定的燃气轮机压缩机的排气温度有关。例如仅作为现有技术(程氏循环)与改进的程氏循环的对照，其蒸汽温度设为371℃。

操作方式方面，从图1和6中看出，装置的过热器会较小，并且由于传递到蒸发器的热量因具有很大的温差，因此因产生附加蒸汽所需的表面积增加不必很大，因而锅炉的总成本就会降低。另一方面，效率和功率均会增加，使得改进的程氏循环机的产品具有更高的效率及更低的制造成本，因此预示出有市场竞争中的商业优势。

改进的程氏循环的起动过程可以从图6中看出。阀门25是关闭的，直到须要喷入蒸汽时才打开。锅炉既可以借助保持在锅炉中的热量加压到设计压力，也可以通过控制调节阀24借助氮气瓶加压。在起动过程中，燃气轮机将以无蒸汽喷入的形式起动并首先达到其气体简单循环工作的预定涡轮进口温度。极高的排气温度T₅将很快通过蒸汽发生装置14和15产生蒸汽，而与锅炉中的水位无关，这与我们现在使用的任何锅炉工作完全不同。

当锅炉压力超过给定压力时，蒸汽阀门25就逐渐开启以保持吸气压力，于是蒸汽便喷到燃气轮机中。当蒸汽完全产生时，筒中的压力8应高于由阀门24设定的调节器的压力。蒸汽流量将通过控制***而与涡轮燃料流量同步。在负载波动期间，因为在筒内确有高压并且必须一直等待要产生的蒸汽，因此蒸汽将按照预计状况的流量喷入。燃料流与蒸汽流间的协调将与等效的内燃机化油器的作用一样，因而涡轮进口温度T₄便总是处于控制之下。在只有部分负载状态时，T₄将降低并由热回收发生器回收最大热量。在夜间协同工作时，须要由热回收发生器产生最大量的蒸汽。在夜间协同工作时需要最大量的蒸汽，但电力载荷又要最小，于是使蒸汽全部通过协同工作的阀门17，而阀门25关闭，且阀门23稍微打开，以放出少量的饱和蒸汽，通过过热器在混合室22混合而协同工作。这在即使没有蒸汽喷入燃气轮机时，也保护了过热器的表面。由于低的蒸汽温度会使效率降低，因此即使将蒸汽温度限制为压缩机排放温度，对于一给定的蒸汽空气比，其峰值效率点仍是准确的。改进的程氏循环不是由燃气轮机的排气温度限定最高温度，而是由压缩机的排放温度来限定最高温度，它将允许以附加蒸汽的形式来产生附加热量。产生更多蒸气的更多蒸汽的串联效应是该循环的独特方式，这将使整个改进的程氏循环完成得比现有技术(程氏循环)好得多，而不会象现有技术那样对涡轮叶片的冶金学温度有所限制。

概括上面所述的发明，改变涡轮的范围使之与以往压缩机的特性相适应的能力，通过展开涡轮流动区域以接受附加蒸汽，已使其能够与原先压缩机的排气压缩比相匹配。在改进的程氏循环中则完全不是这样，其压缩机的排气与附加蒸汽的匹配将使其可以增加压缩比，而这仅受压缩机给定的涡轮进口温度时的合适波动幅度余量限制。因此，在这种情况发生时，压缩机空气排放温度实际上将高于只有原来的燃气轮机工作的温度。因而，低于实际压缩机排放温度的温度则被用来与原来的排放温度匹配更好地作为冷却涡轮之用。由于这一原因，涡轮区域展开的匹配要尽可能的小，以便让受背压的压缩机有较高的压缩比。因此，用压缩比、涡轮进口温度及过热温度表示的限制蒸汽量的循环参数，以与现有技术(程氏循环)相似的方式联系起来，但是是在由蒸汽空气比表示的不同范围内工作，以达到高的效率及高的输出。

在带有蒸汽喷射而从501KB变为KH的例子中，压缩比将从9.3∶1升至11.5∶1。这将会提高其效率，即使涡轮进口温度这时也调整在简单循环的燃气轮机温度下工作。该循环不再受单一点工作的限制，正如我们从现有技术程氏循环的工作中看到的那样，在协同运转时，蒸汽可以在协同工作的需要和喷射以产生功率的需要之间变换。附加的燃烧管道可在无须计入涡轮热量损失的情况下产生蒸汽，从而使电力或机械能输出与蒸汽的需求可完全独立开。表1艾利森工业燃气轮机技术规格501-K的规格

501·KH设计型号 501·KB5 501·KF 501·KC5 501·KH 蒸汽喷射 ③工作条件国际标准白天-海平面-无损耗59°F/15℃-额定蒸汽喷射 ③持续功率 HP(kW)① 5263(3925) 4330(3229) 5278(3936) 5263(3925) 7966(5943)燃料消耗 MBTU/HR 44.356 40.075 46.716 44.356 51.3585FC1b/HP.HR(kg/kW·11R) .458(.277) .503(.305) .481(.292) .458(.277) .356(.192)重量(kg) 1270(576) 2.500②(1131) 11.30(512) 1270(576) 1270(576)长度(mm) 90(2286) 105②(2667) 72(1828) 90(2286) 90(2286)宽度(mm) 32.2(843) 55.190②(1401) 33.0(838) 32.2(843) 32.2(843)高度(mm) 36.1(917) 54.25②(1378) 41.0(1041) 36.10(917) 36.10(917)预测的TITF°(C°) 1895(1035) 1800(982) 1895(1035) 1895(1035) 1800(982)排气温度 F°(C°) 991(533) 994(534) ④ 991(513) 977(525)排气流量 1b/sccc(kg/scc) 34.57(15.7) 33.86(15.4) 34.42(15.6) 34.57(15.7) 39.5(17.9)RPM M200 13820 13820 142(X) 142(X)①基于气态燃料②包括动力涡轮③基于51b/见90°F的蒸汽喷射④取决于动力涡轮的选择

表2

程氏循环的501KH与改进的程氏循环的

501KH之间的性能改善的比较

C.C.501KH A.C.C.501KH大流量#/SECM₁ 33 33周围温度，℃ 15 15周围压力，kg/m² 1.034 1.034压缩比 11.2 11.6压缩机

出口温度，℃，T₂ 404 (396)(1) 411

出口压力，kg/cm²，P₂ 11.575 11.989

放出空气，％×M₁ 4 4

放出空气回收，％×M₁ 2 2燃烧器

压力损失，％P₂ 5 5

涡轮进口温度，℃ 982 1035

燃料进入，MBtu/HR 39.17 42.42蒸汽比率，X_MIX 15.5 18.6

温度，℃ 482 (396)(1) 371(2)

压力，kg/cm² 17.58 17.58涡轮效率，％ 88 88

出口温度，℃ 512 542

出口压力，kg/cm² 1.069 1.069轴的净输出，HP 8576 10203传动效率，％ 42 45HRSG

上限，℃ 11.7 153

颈部，℃ 25.6 47.2(1)不增加出口压力情况下的空气压缩机出口温度。(2)由于热蒸汽导热率增加，推荐用稍冷的蒸汽的HRSG温度来保持

叶片表面的温度。

上述表2中，ISO标准的最大输出压缩机排放温度处的蒸汽温度为冷于93.3℃和冷于7.2℃。在炎热的夏季和寒冷的冬季，温度平均应为371℃。顶点(或颈部)温度为37.8℃左右。效率高于3％且输出多于1627HP。

Claims

1.一种程氏循环的双流体燃气轮机装置，包括：

(a)一台压缩第一工作流体的压缩机(10)，具有一压缩机出口(2)；

(b)一个与压缩机出口流体相连的燃烧室(12)；

(c)一台带有与燃烧室流体相连的入口的涡轮(13)，通过工作流体的膨胀进行工作，具有一涡轮排气口(5)；

(d)一个与涡轮排气口相连以进行加热的热回收换热器(14，15)，具有一热回收换热器的入口和出口，用于加热第二工作流体；

(e)一个将加热后的第二工作流体从热回收换热器引入涡轮的喷射器(3)；

其特征在于，该燃气轮机装置还包括：

(f)一个将温度低于压缩机出口处的第一工作流体温度的冷却剂引到涡轮中的涡轮喷嘴和叶片之中至少一个上的冷却剂入口管路；

(g)连接在热回收换热器与喷射器之间的用于控制进入涡轮的第二工作流体流量的节流阀(25)，它依据下列工作参数工作：

(i)第二工作流体的喷入涡轮时的温度，该温度低于或等于压缩机出口处的第一工作流体温度；和

(ii)对于涡轮中的第二工作流体与第一工作流体的给定峰值效率混合比，使所述热回收换热器收缩温度减为最小时，从涡轮排气中回收的最大热量。

2.如权利要求1所述的燃气轮机装置，其特征在于，它还包括一个与所述热回收换热器出口相接的第一阀门(17)，以向协同工作的装置送出第二工作流体。

3.如权利要求1所述的燃气轮机装置，其特征在于，它还包括：

(a)一台与所述热回收换热器入口流体相连的热回收锅炉(9)，具有一个可加压的筒；

(b)在所述燃气轮机装置冷起动时给所述筒加压的装置。

4.如权利要求3所述的燃气轮机装置，其特征在于，所述给筒加压的装置是一个与所述筒连接的外部压缩气源，并包括一个调整所述筒最初压力的传感器。

5.如权利要求4所述的燃气轮机装置，其特征在于，所述压缩气源是不产生氧气的气源。

6.如权利要求4所述的燃气轮机装置，其特征在于，所述的外部压缩气源是瓶装氮气。

7.如权利要求3所述的燃气轮机装置，其特征在于，所述给筒加压的装置是一台与所述筒连接的压缩机。

8.如权利要求1所述的燃气轮机装置，其特征在于，所述冷却剂入口管路是与所述热回收换热器流体相连的，用于接纳第二工作流体的气体和蒸汽混合气。

9.如权利要求1所述的燃气轮机装置，其特征在于，所述冷却剂入口管路是与所述热回收换热器流体相连的，用于接纳第二工作流体的饱和蒸汽。

10.如权利要求1所述的燃气轮机装置，其特征在于，所述热回收换热器还包括：

(i)一个过热器(14)，该过热器具有一个与所述热回收换热器出口相连的出口以及一个入口；

(ii)一个蒸发器(15)，该蒸发器具有一个与所述过热器入口相连的出口和一个与所述热回收换热器入口相连的入口；

(iii)一台位于所述蒸发器入口和出口之间的热回收锅炉(9)。

11.如权利要求10所述的燃气轮机装置，其特征在于，所述冷却剂入口管路是与所述蒸发器出口流体相连的，用于接纳第二工作流体，以冷却涡轮中的涡轮喷嘴和叶片之中的至少一个。

12.如权利要求10所述的燃气轮机装置，其特征在于，其中热回收蒸汽发生器还包括一个管道燃烧设备(6)，用以从所述过热器和蒸发器之间的第一工作流体中提取附加的热量，并将该热量传送给所述热回收锅炉中的第二工作流体。

13.如权利要求10所述的燃气轮机装置，其特征在于，它还包括用作热源的协同工作的装置，该装置通过协同工作阀门(17)从所述锅炉与所述过热器之间抽取第二工作流体，并且还通过一个第二阀门(23)从所述过热器出口抽取第二工作流体。

14.如权利要求3所述的燃气轮机装置，其特征在于，所述锅炉的筒具有足够大的容积，使之：(1)将因为所述节流阀反映能量需求的降低而关闭所造成的压力升幅程度减至最低；和(2)起到能量储存装置的作用，以作为所述热回收锅炉因能量需求而放出热能时的辅助热能能源。

15.一种程氏循环的双流体燃气轮机装置的操作方法，该燃气轮机装置具有以下类型的装置：

(i)一台燃气涡轮，包含一台压缩第一工作流体的压缩机(10)，具有一压缩机出口(2)；一个与该压缩机出口流体相连的燃烧室(12)；一台设有与该燃烧室流体相连的入口的涡轮装置(13)，通过工作流体的膨胀进行工作；以及一涡轮排气口(5)；

(ii)一个与所述涡轮排气口相连的用于加热第二工作流体的热回收蒸汽发生器(14，15)，具有一台带出口和入口的过热器(14)；一台设有与该过热器入口相连的出口和一入口的蒸发器(15)；一台位于蒸发器入口和出口之间带有一个筒的热回收锅炉(9)；

(iii)一个将来自所述热回收蒸汽发生器的加热后的第二工作流体引入所述燃气涡轮的喷射器(3)；

(iv)一个将冷却剂引至燃气涡轮中的喷嘴和叶片之中至少一个的冷却剂入口管路；

(v)控制流入连接在喷射器上游的燃气涡轮的第二工作流体流量的节流阀(25)；

(vi)与所述筒相连的压缩气源和压力调节器；

(vii)一套与所述燃气涡轮和热回收蒸汽发生器相连的用于检测温度和压力的传感器***；以及

(viii)操纵流体进入燃气涡轮的控制***；

所述燃气轮机装置的操作方法包括：

(a)用所述控制***预定所述燃气涡轮和热回收蒸汽发生器的起始状态；

(b)为所述燃气轮机的空转流动状态设定节流阀的位置；

(c)用所述压缩气源将所述筒中的压力提高到所述热回收蒸汽发生器所需的工作压力；

(d)起动燃气涡轮使之从空转变为由涡轮入口最大允许温度所限定的满负荷；

(e)用所述节流阀控制第二工作流体的流量，并切断压缩气源，在所述传感器***显示出所述热回收蒸汽发生器的压力高于压缩机排气压力后，控制作用就依据下列工作参数进行：

(i)第二工作流体在喷入涡轮时的温度，该温度低于或等于压缩机出口处的第一工作流体温度；和

(ii)对于涡轮中的第二工作流体与第一工作流体的给定峰值效率混合比，使所述热回收蒸汽发生器收缩温度减为最小时，从涡轮排气中回收的最大热量。

16.如权利要求15所述的程氏循环燃气轮机装置的操作方法，其特征在于，在该燃气轮机装置停止运转期间还包括：

(a)卸去所述燃气涡轮的输出负荷；

(b)关闭所述节流阀，以阻断第二工作流体流入所述燃气涡轮；

(c)用所述控制***切断流向所述燃气涡轮的燃料流；

(d)使锅炉冷却下来。

17.如权利要求15所述的程氏循环燃气轮机装置的操作方法，其特征在于，在加压步骤中，用来升高所述筒的压力的压缩气源是一个独立的压缩气源，该独立的压缩气源向所述筒内传送的压力由所述压力调节器设定在较所述热回收蒸汽发生器工作压力低5％的压力上，而当所述筒的压力超过压缩气传送的压力时，所述压力调节器将使第一工作流体回流到压缩气源中。

18.如权利要求15所述的程氏循环燃气轮机装置的操作方法，其特征在于，其中加压步骤(c)和起动步骤(d)的顺序颠倒成如下方式：

起动燃气涡轮使之从空转变为由涡轮入口最大允许温度所限定的满负荷；

用第一工作流体的压缩机排气将所述筒中的压力提高到所述热回收蒸汽发生器所需的工作压力，从而使所述筒被作为压缩气源的所述燃气涡轮排出的废气加压和加热。

19.如权利要求15所述的程氏循环燃气轮机装置的操作方法，其特征在于，该燃气轮装置机具有一个连接在所述热回收蒸汽发生器与所述节流阀(25)之间的燃气轮机装置上的第一阀门(17)；一个与所述热回收蒸汽发生器相连的第二阀门(23)；一个与第二阀门和第一阀门相连的混合室(22)，以及一台与第一和第二阀门下游的混合室相连的协同工作设备；该方法还包括下列以协同方式操纵所述燃气轮机装置的步骤：

(a)关闭所述节流阀以防止第二工作流体喷入涡轮中；

(b)操纵第二阀门，使第二工作流体进入所述混合室；

(c)打开第一阀门，使第二工作流体经所述过热器放出，以防止过热器的氧化，并为协同工作的混合室提供附加热量。