CN103089331A - 用于在延长的停机时段中控制燃气涡轮机转子温度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及并公开一种用于在停机时段中使燃气涡轮机的转子变暖的方法，该方法包括：将环境空气供应至鼓风机；从鼓风机获取压缩空气；将压缩空气的一部分供应至热交换器的一侧，并且供应来自例如燃气涡轮机热回收蒸汽发生器的(通常为饱和的)蒸汽；使所得的加热空气流从热交换器进入并穿过在转子内形成的限定流动通道；连续监测转子内部的空气温度；和使用反馈控制回路控制供应至热交换器的空气和蒸汽的量，反馈控制回路控制供应至热交换器的空气和蒸汽的量和/或调整加热空气流进入转子的流率。

Description

用于在延长的停机时段中控制燃气涡轮机转子温度的方法

技术领域

本发明涉及用于使燃气涡轮发动机转子变暖的方法和装置，具体地涉及在延长的停机时段中控制燃气涡轮机转子温度的方法，该方法使用蒸汽来加热从燃气涡轮机壳体(enclosure)取得的空气，该空气之后被直接送至转子。在可替换的实施例中，该方法在延长的停机时段中利用辅助的锅炉蒸汽来加热被送至经选择的转子通道的空气。

背景技术

燃气涡轮发动机通常包括压缩机部分、燃烧器部分和为产生电力而旋转的至少一个涡轮机。压缩机将进料直接排放到燃烧器部分中，在燃烧器部分中碳氢化合物燃料被注入、混合并燃烧。燃烧气体然后被引导至并穿过涡轮机的一级或多级，涡轮机从燃烧气体获得旋转能量。当燃气涡轮机启动时，燃气涡轮机转子叶片的温度非常快速地升高，因为叶片暴露于非常高温度的排出气体。与内周转子组件相比，由于来自叶片的热传导，涡轮机的外周部分的温度也非常快速地增加。因此，温度增加的速率倾向于在转子的内侧比在外侧更慢。组件的传导性差异也会引起转子组件的内周和外周之间的温度差，从而在启动期间产生附加热应力。由于发动机的旋转，在启动期间还存在单独的离心应力。

因此，当发动机例如在周期性维护期间处于空转时，转子上的热应力和离心应力的组合更高。结果，在延长的停机时段之后的启动期间，转子盘会受到显著的热应力和机械应力，并且由于启动期间特别是在转子盘处或附近产生的振动而易于遭到过早失效。

用于联合循环发电厂的常规转子变暖结构的示例包括中央气体流动通道，气体从压缩机被送入到转子中的中央通道。通常，压缩气体的一部分经过从中央通道分出的分支而被引入到燃气涡轮机叶片中。用于在启动之前使转子变暖的另一已知方法依赖于围绕转子的电加热系统。但是，这种系统会过分昂贵，并且经常不能充分避免在启动期问的温度差。空气和电系统也都不会使用在同一发电厂内可获得的现场蒸汽而利用潜在加热和获得成本节约效益。

发明内容

本发明的首要目的是提供通过使用来自蒸汽涡轮机或可替换地来自外部蒸汽源的一部分流动来加热来源于燃气涡轮机壳体的空气而在延长的停机时段中保持燃气涡轮机转子温暖的方法和装置。更高温度的空气转而作为用于转子腔和叶片的更有效的主热源。

如下所述，一种用于使燃气涡轮发动机的转子变暖的新方法包括如下步骤：将环境空气流供应至鼓风机以增加空气压力；从鼓风机的排出物中获取压缩空气的一部分，并同时将部分空气流供应至(例如，壳式和管式)热交换器的一侧；将(通常为饱和的)蒸汽供应至同一热交换器的另一侧；使所得的加热空气流从热交换器进入并穿过转子内部的限定流动通道；在变暖操作期间连续监测转子内部的空气温度；和使用反馈控制回路根据在转子内部检测的温度来控制供应至热交换器的空气和蒸汽的量。反馈控制数据还可以用于监测和调整加热空气流进入转子中的流率。

本发明还包括一种用于在停机时段中使燃气涡轮机的转子变暖的相关结构，该结构包括：鼓风机；用于使用来自内部蒸汽源的热量来加热来自鼓风机的压缩空气的热交换器，进入和离开转子的多个空气通道，空气通道的尺寸和数量足以运送规定量的加热空气穿过转子以将涡轮机叶片和转子腔加热到均匀温度；进入和离开热交换器的蒸汽流体流动通道；和用于控制供应至热交换器的空气和蒸汽的量的反馈控制回路。

附图说明

图1是示例性燃气涡轮发动机的示意图，该燃气涡轮发动机适合于在延长的停机时段中结合用于转子的基于蒸汽的热交换系统；

图2是燃气涡轮机转子的剖视图，示出与根据本发明的基于蒸汽的热交换系统的名义流动剖面；

图3是示出根据本发明的示例性热交换系统的流动构造的处理流程图；和

图4是处理流程图，为说明根据本发明的基于蒸汽的热交换系统在停机时段中蒸汽的候选来源，该处理流程图示出用于燃气涡轮发动机、HRSG和蒸汽涡轮机的处理设备的主要部件。

具体实施方式

这里描述的变暖结构在冷天气条件下特别有用，并且特别意图代替用于在延长的停机时段中使燃气涡轮机转子变暖的常规电加热器。在示例性实施例中，来自电厂的另一部分的蒸汽被用作主要加热介质，并在不使用常规电加热器的情况下产生更成本有效且可靠的加热系统。使用组合的热交换器和鼓风机，使来自蒸汽涡轮机的密封流或填料函(gland)泄露蒸汽的一部分将热量传送到供气入口。可替换的实施例使用类似构造，但是利用辅助的锅炉蒸汽作为主要热量源。

本发明为多燃气涡轮机电厂构造带来特殊优势，其中饱和蒸汽易于得到，以在停机时段中加热一个或多个燃气涡轮机转子。作为主要热源，蒸汽可以从辅助的锅炉/填料函蒸汽/密封源获取。壳式和管式热交换器将来自蒸汽的热量传送至从燃气涡轮机壳体取得的空气，已经使用鼓风机来压缩该空气。加热的空气然后被传送经过控制阀和管路网络到达燃气涡轮机进气室，用过的蒸汽被送回到燃气涡轮发动机底循环中。如此，本发明提供用于在系统停止运行时保持燃气涡轮机转子温暖的更加成本有效的方法。

回到附图，图1是示例性燃气涡轮发动机的示意图，该燃气涡轮发动机适合于在停机时段中结合用于转子的基于蒸汽的热交换系统。燃气涡轮发动机10联接到发电机16，并且包括利用单一单体轴18布置的压缩机12、涡轮机14和发电机16。压缩机12将压缩空气供应至燃烧器20，在燃烧器20中空气与经由燃料流22供应的燃料混合。在操作中，空气流过压缩机12，并且压缩空气被供应至燃烧器20。来自燃烧器20的燃烧气体28推动涡轮机14，涡轮机14转而使旋转轴18、压缩机12和发电机16围绕纵向轴线30旋转。低压涡轮机20使第一轴26和低压压缩机12围绕纵向轴线旋转。

图2是燃气涡轮机转子的剖视图，示出与本发明的基于蒸汽的热交换系统一起使用的名义流动剖面。例如，参见过期美国专利4,880,354。通常，转子包括连接到涡轮机转子的多个周向间隔开的转子叶片，其中每个转子叶片包括柄部、具有联接到柄部的上表面和下表面的平台、以及联接到平台下表面和柄部的第一组件。在第一组件、柄部和平台下表面之间限定基本空心的室。翼型也联接到平台。

通常的燃气涡轮机转子(例如图2所示且被标识为10的燃气涡轮机转子)包括第一级盘20、位于第一级和第二级之间的间隔件21、第二级盘22、位于第二级和第三级之间的间隔件24、第三级盘25、以及如图所示连接在一起的前侧轴26和后侧轴27。第一级叶片30、第二级叶片31和第三级叶片32安装到相应的盘的外周。一旦被安装，这些盘分别限定一系列中央流体通道33、34、35，这些通道的尺寸足以容纳穿过管状构件40的空气流，管状构件40是所有的盘共有的并且在盘之间延伸以限定公共流体流动通道。管状构件40包括多个更小的流体通路50，这些流体通路50如图所示开在面向用于盘的中央开口的相应内壁的位置处。

一般地在上文所述且更详细地在图3中描述的来自热交换器系统的加热空气穿过多个小流体通道，并碰撞每个盘的侧面上的内壁。以这种方式吹动热空气的效果使得盘在燃气涡轮发动机冷启动期间被均匀地加热而没有显著的温度梯度。在来自热交换器的压缩的加热空气被吹动而碰撞盘中的中央开口的内壁之后，空气以所示的方式穿过在管状构件40和中央开口的内壁之间形成的通道，而进入到第一级盘和第二级盘之间的空间。

图3是示出在延长的停机时段中对加热转子有效的热交换系统的示例性流动构造的处理流程图。环境温度下的供气穿过入口空气线路101经由空气过滤器102而进入鼓风机103，在鼓风机103中压力增加导致空气流足以使用热交换器105确保加热空气的恒定流动，以供应给转子。来自鼓风机的压缩空气流104进入并穿过热交换器，热交换器使用饱和蒸汽作为加热介质(参见下文在表1中的示例性热交换器设计细节)。所得的加热空气流穿过空气过滤器106并如图所示出去穿过出口阻尼器107，作为如上结合图2所述的向转子的主供气。填料函泄露蒸汽、密封蒸汽和/或锅炉蒸汽经由蒸汽进入线路120穿过热交换器105，而用过的排出蒸汽113返回到燃气涡轮机底循环121。

为了确保以规定的速率进行加热燃气涡轮发动机转子而不产生对转子盘的可能损坏，图3还示出使用反馈控制回路，该反馈控制回路包括初始温度控制信号109、以及输入信号线107、反馈控制线111和热交换器蒸汽供应114，初始温度控制信号109来自燃气涡轮发动机控制面板并且用于控制经由控制阀112供应至热交换器105的蒸汽的量。反馈控制回路113还包括用于控制在热交换器105下游的阻尼器107的装置，并因此进行操作以控制供应至燃气涡轮机转子的加热空气流108的量。

图4是处理流程图，为说明根据本发明的基于蒸汽的热交换系统在停机时段中蒸汽的候选来源，该处理流程图示出用于燃气涡轮发动机、HRSG和蒸汽涡轮机的处理设备的主要部件。如上所述，用于在停机时段中向转子提供受控热量的示例性热交换器的一侧依赖于从图4所示的三个不同来源中的一者，即，从辅助锅炉(从锅炉供应线S1获得)、或从可获得的填料函蒸汽和密封泄露蒸汽线(S2)、或从热回收蒸汽发生器(S3))获得的蒸汽。如图2和图3所示，在热交换器的一侧的一个或多个候选蒸汽供应将用作用于转子的主要加热介质，在另一侧为受控空气供应。如同样在上文所述的，处于限定的升高温度下的所得的加热空气在停机时段中供应至并经过转子。来自热交换器的用过的蒸汽然后返回到底循环。

下面在表1中总结用于实现本发明的目的的示例性热交换器设计。用于转子的壳式和管式热交换器使用两个可替换流中的一者(即，来自蒸汽涡轮机的密封流的一部分、或可替换的来自外部来源的辅助锅炉蒸汽的一部分)。在表1的示例中，在管中将被加热且与蒸汽流动需求相对应的空气的量要针对具有所示的特定管尺寸、维度和间距构造的交换器来确定。表1还包括示例性管束设计标准、以及在空气和蒸汽进入和离开交换器时用于空气和蒸汽的入口和出口设计温度。所得的加热空气与上述控制系统一起使用，以使得转子盘达到期望的最小温度，之后在发动机启动期间维持相同的内部温度。

尽管结合目前被认为是最实用的优选实施例已描述本发明，但是应理解本发明不限于公开的实施例，相反，本发明意欲覆盖在所附权利要求书的精神和范围内包括的各种修改和等效布置。

表1

Claims (15)

1.一种用于在停机时段中使燃气涡轮机的转子变暖的方法，其包括：

将环境空气流供应至鼓风机；

增加所述环境空气流的压力；

从所述鼓风机的排出物中获取压缩空气的一部分；

将所述压缩空气的一部分供应至热交换器的一侧；

将蒸汽供应至所述热交换器的另一侧；

使所得的加热空气流从所述热交换器进入并穿过所述转子；

监测所述转子内部的空气温度；和

根据监测的所述空气温度来控制供应至所述热交换器的空气和蒸汽的量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在所述转子内部提供多个空气流动通道的步骤。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述空气流动通道的尺寸和数量足以实现所述加热空气流连续流动到所述转子的内壁和盘。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将蒸汽供应至所述热交换器的所述步骤还包括从辅助锅炉获得所述蒸汽的步骤。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将蒸汽供应至所述热交换器的所述步骤还包括从热回收蒸汽发生器获得饱和蒸汽以供应至所述热交换器的步骤。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括使所述加热空气流穿过位于所述转子上游的空气过滤器的步骤。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括使来自所述热交换器的用过的蒸汽返回到所述燃气涡轮机的底循环的步骤。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，控制供应至所述热交换器的空气和蒸汽的量的所述步骤是基于由反馈控制回路提供的数据。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，由所述反馈控制回路提供的所述数据包括所述转子内部的温度以及进入并穿过所述转子的加热空气的量。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将蒸汽供应至所述热交换器的所述步骤使用来自所述燃气涡轮机的填料函蒸汽的一部分。

11.一种用于在停机时段中使燃气涡轮机的转子变暖的结构，其包括：

鼓风机；

用于加热来自所述鼓风机的压缩空气的热交换器，所述热交换器将来自于外部蒸汽源的热量传递至所述压缩空气；

进入和离开所述转子的空气通道，所述空气通道的尺寸足以运送规定量的加热空气穿过所述转子以加热所述转子中的涡轮机叶片；

进入和离开所述热交换器的蒸汽流体流动通道；和

反馈控制回路，其用于控制供应至所述热交换器的空气和蒸汽的量。

12.根据权利要求11所述的结构，其特征在于，所述结构还包括用于所述加热空气的空气过滤器。

13.根据权利要求11所述的结构，其特征在于，所述反馈控制回路包括用于监测所述转子内部的空气温度的温度传感器。

14.根据权利要求11所述的结构，其特征在于，所述反馈控制回路包括信号发生器，所述信号发生器用于传送与供应至所述转子的所述加热空气的量相关的数据。

15.根据权利要求11所述的结构，其特征在于，所述结构还包括用于控制供应至所述热交换器的空气的量的空气阻尼。

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