用于在柔性负载下优化涡轮系统的运行的方法和设备技术方案

本发明专利技术涉及用于在柔性负载下优化涡轮系统的运行的方法和设备。一种燃气涡轮系统包括压缩机保护子系统、冬眠模式子系统，以及控制压缩机子系统和冬眠子系统的控制子系统。在涡轮系统上的部分负载下，压缩机保护子系统使通过压缩机的空气流保持在高于最小流率系数的部分负载空气流量系数下，在最小流率系数下，在压缩机中会出现空气动力学应力。在以部分负载运行时，保持燃烧器中的空气燃料比，在该空气燃料比下，来自涡轮的排气排放成分保持低于预定成分排放水平。

【技术实现步骤摘要】
用于改变燃气涡轮系统中的功率输出的方法和设备
本专利技术涉及燃气涡轮系统，并且更具体而言涉及用于在柔性负载下优化涡轮系统的运行的设备和方法。
技术介绍
由于全球人口和收入的不断增长，电需求在全世界范围内继续增加。电网需要调节大量有些不可预测的需求变动以及生产容量的计划内和计划外的变化。另外，替代源(诸如风能和太阳能产生的功率)越来越重要，而且这些源对产生功率来满足需求的方式有影响。电力需求是无秩序的。需求可随每天、每月、每季和每年的循环变化。例如，在热天的典型民用日常需求分布图可显示清晨时间最小，而在傍晚时间最大。在同一天的商用需求可显示在清晨时间最小，而大概在中午最大。一年中的天气和季节也会影响需求。高峰需求在一些情况下可为最小需求的两倍。因为无法高效地存储电力公司生产的电，所以电力公共事业公司在传统上用不同的生产方法的组合来产生功率。例如，可使用大型核功率或燃煤电站来产生最小量的功率(基本负载)。基本负载电站典型地以最大输出不断运行。在高峰需求(高峰负载)的时间期间，电力公司可使用简单循环燃气涡轮来产生功率。对于供应高峰负载期间所需的额外容量，燃气涡轮是合乎需要的，因为它们有快速启动的能力，在10到30分钟内产生电功率。在一天中对功率的需求低时的部分中，可关闭用来在高峰负载的时期期间产生功率的燃气涡轮。可根据需求来改变燃气涡轮的运行时期。一些公共事业公司也运行负载跟踪式电站，其在一天中在中等需求的时期期间供应功率。有时使用联合循环燃气涡轮系统作为负载跟踪式电站。联合循环燃气涡轮系统典型地包括联接到燃气涡轮的排气口上的热回收蒸汽发生器。随着需求在一整天波动，联合循环燃气涡轮系统可调节它们的功率输出。在效率、启动速度和关闭速度以及容量方面，联合循环燃气涡轮系统典型地处于基本负载电站和高峰电站(例如用来提供高峰功率的燃气涡轮)之间。为了满足增加的需求和解决环境考量，许多公共事业公司都在使用可再生的能源(诸如风能和太阳能)来满足中等和高峰负载。这些源对电力需求增加了额外的变化性，因为它们的生产容量断断续续。例如，太阳能发电站的功率输出取决于云量而改变，并且类似地，风能功率输出将取决于风速而改变。作为高峰负载的功率源，燃气涡轮具有许多优点。燃气涡轮高效，具有较低的安装成本，较迅速地启动和关闭，以及具有低的排放。燃气涡轮的启动顺序始于对启动器赋能。当涡轮的RPM达到点火RPM时，点燃系统被赋能，并且燃料提供给燃烧器。在燃烧之后，燃料流增加，同时使温度保持低于建立的温度极限。然后控制燃料流，以实现平稳加速，直到达到空转速度为止。燃气涡轮可以基本负载、高峰负载和低于基本负载的负载运行。燃气涡轮基本负载是优化功率输出和热气路径部件寿命的负载。ANSIB133.6定额和性能将基本负载限定为每年运行8000小时，启动800小时。它还将高峰负载限定为每年运行1250小时，启动五小时。燃气涡轮的高峰负载是常常在牺牲效率、部件寿命和检查间隔的情况下最大程度地提高功率输出的负载。燃气涡轮可以部分负载或低负载运行，以便在功率需求增加时，能够快速斜坡增加到较高的输出。以部分负载运行燃气涡轮存在优点和缺点。一个优点是降低在启动和关闭期间引起的电站维护成本。但是，以低负载运行会导致较低的运行效率和较高的运行成本。来自燃气涡轮的功会随质量流量、燃烧气体中的热能和跨过涡轮的温差而改变。这些因素可受到环境状况、燃料、入口和排气损耗、燃料加热、稀释剂喷射、空气抽取、入口冷却以及蒸汽和水喷射的影响。例如，环境状况(压力、温度和湿度)的变化会影响压缩机的空气进气的密度和/或质量流量，以及因此影响燃气涡轮性能。质量流量又会随压缩机空气流量和燃料流量而变化。符合排放标准也是燃气涡轮的运行的主要约束。大多数燃气涡轮燃烧低硫和低灰燃料。因此，从燃气涡轮中排出的主要污染物是氮氧化物(NO和NO2，总称为NOX)、一氧化碳(CO)和挥发性有机化合物(VOC)。当在燃气涡轮中燃烧天然气时，NOX和CO被认为是重要的主要排放。来自燃气涡轮的排放会随环境温度、负载和污染物浓度而显著地改变。在50%的负载以下，排放浓度可增加。这对于一氧化碳(CO)尤其如此。因此，存在这样的负载水平极限，即，传统的燃气涡轮系统可以该负载水平极限运行，同时仍然符合排放标准。可应用于燃气涡轮运行的排放标准在不同的国家可有所不同，而且在美国，除了联邦标准之外，标准在不同的州可有所不同。管理机构可施行各种制度来调整排放。例如，NOX排放极限可表示为每单位输出的NOX磅数或每单位热输入的NOX磅数(瞬间极限)。在一些情况下，标准可用公式表示为基于浓度或基于输出的排放标准。基于浓度的极限可用每百万分之一份(体积)(ppmv)的单位表示。基于输出的排放极限可用每单位可用回收能量的排放质量或每兆瓦小时的磅数的单位表示。可基于每年或其它时段(期间极限)排出的NOX吨数来限制一些电站。当在启动模式中时，一些电站具有排放极限和其它约束。启动极限的类型包括：(a)磅每小时，(b)lb/事件/CTG以及(c)lb/事件/功率阻断。管理机构可要求最大许可lb/小时极限，因为这是用于评估空气质量影响的最直接的值。关于燃气涡轮超越功率范围运行的问题之一在于，效率、燃料消耗和排放(尤其是NOX和CO排放)可受到不利的影响。例如，当电站操作员以低负载运行传统的燃气涡轮时，效率会显著地降低。另一个问题在于，当燃气涡轮在低的环境温度状况下以较低的负载运行时，压缩机在后面的级中可遭受空气动力学应力。在气动稳定极限以下出现这些应力，因为空气动力学模式受到激励，这由级加载参数的提高驱动。这些应力明显时所处的流率系数值被称为下调(turndown)约束区。关于燃气涡轮在较低的环境温度下运行的又一个问题于，除了别的之外，CO符合性所需的最小负载随环境温度而变化。例如，在一些燃气涡轮中，随着温度降到35℉(1.7℃)以下，CO符合性的最小负载急剧升高。又一个问题在于，在联合循环燃气涡轮系统中使用热回收蒸汽发生器可对燃气涡轮以基本负载、部分负载和负载斜坡变化运行模式最优地运行施加额外的约束。又一个问题在于，当燃气涡轮以大约10%的负载的极低的冬眠模式运行时，存在燃烧器稀薄(lean)熄火(即，失去火焰)的可能。
技术实现思路
根据本专利技术的一方面，提供一种用于改变燃气涡轮系统中的功率输出的方法。这方面的方法包括确定现有功率输出和期望功率输出。该方法还包括：测量现有压缩机参数和燃烧器参数；计算期望功率输出的压缩机流率系数；以及计算期望功率输出的排放速率。如果期望功率输出的流率系数小于预定下调极限，则方法包括计算使流率系数高于预定下调极限的新压缩机参数。如果计算的排放速率大于预定排放极限，则方法包括计算使排放速率低于预定排放极限的新燃烧器参数。该方法还包括：将功率输出改变成期望功率输出；将压缩机参数改变成新压缩机参数；以及将燃烧器参数改变成新燃烧器参数。根据本专利技术的另一方面，提供一种燃气涡轮系统。这方面的燃气涡轮系统包括：压缩机；燃烧器；涡轮；压缩机保护子系统；冬眠模式子系统；以及控制压缩机子系统和冬眠子系统的控制子系统。根据本专利技术的另一方面，提供一种用于扩展燃气涡轮系统的下调范围的方法。该方法包括：对流过压缩机的空气建立最小空气流参数本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于改变燃气涡轮系统中的功率输出的方法，所述燃气涡轮系统具有压缩机、燃烧器和涡轮，所述方法包括：确定现有功率输出；确定期望功率输出；测量现有压缩机参数和燃烧器参数；计算所述期望功率输出的压缩机流率系数；计算所述期望功率输出的排放速率；如果所述期望功率输出的流率系数小于预定下调极限，则计算使流率系数高于所述预定下调极限的新压缩机参数；如果计算的排放速率大于预定排放极限，则计算使排放速率低于所述预定排放极限的新燃烧器参数；将功率输出改变成所述期望功率输出；将压缩机参数改变成所述新压缩机参数；以及将燃烧器参数改变成所述新燃烧器参数。

【技术特征摘要】
2011.11.23 US 13/303,8521.一种用于改变燃气涡轮系统中的功率输出的方法，所述燃气涡轮系统具有压缩机、燃烧器和涡轮，所述方法包括：确定现有功率输出；确定期望功率输出；测量现有压缩机参数和燃烧器参数；计算所述期望功率输出的压缩机流率系数；计算所述期望功率输出的排放速率；如果所述期望功率输出的压缩机流率系数小于预定下调极限，则计算使压缩机流率系数高于所述预定下调极限的新压缩机参数；如果计算的排放速率大于预定排放极限，则计算使排放速率低于所述预定排放极限的新燃烧器参数；将功率输出改变成所述期望功率输出；将压缩机参数改变成所述新压缩机参数；以及将燃烧器参数改变成所述新燃烧器参数；所述预定下调极限包括在所述压缩机中出现空气动力学应力时所处的最小压缩机流率系数值。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述压缩机参数包括压缩机流率系数。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述压缩机参数包括入口空气温度。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述压缩机参数包括导叶角。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述燃烧器参数包括燃料空气比。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预定排放极限包括瞬间排放极限。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预定排放极限包括期间排放极限。8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将压缩机参数改变成所述新压缩机参数包括将排气口跨连到所述压缩机。9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述压缩机具有入口和出口，并且改变燃烧器参数包括通过将来自所述压缩机出口的压缩空气泄放到所述压缩机入口来改变空气燃料比。10.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：TJ弗里曼，RE奥本霍夫，J克罗辛斯基，MA科卡，AI西皮奥，M亚诺，S埃卡纳亚克，DC瓦维克，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：