用于操作针对发电设备的燃气涡轮组件的方法和针对发电设备的燃气涡轮组件与流程

用于操作针对发电设备的燃气涡轮组件的方法和针对发电设备的燃气涡轮组件
1.相关申请的交叉引用
2.本专利申请要求享有2021年12月30日提交的欧洲专利申请第21218286.9号的优先权，该欧洲专利申请的全部公开通过引用并入本文中。
技术领域
3.本发明涉及针对发电设备的燃气涡轮组件的技术领域。具体而言，本发明涉及具有顺序燃烧器的燃气涡轮组件。此外，本发明涉及一种用于操作燃气涡轮组件的方法。


背景技术：

4.众所周知，针对发电设备的燃气涡轮组件包括压缩机、燃烧器组件和涡轮。
5.压缩机构造成用于压缩在其入口处供应的进入空气。
6.众所周知，在入口处，压缩机提供有可变入口导向导叶(vigv)。可变入口导向导叶具有可调整的位置，以便调节进入压缩机中的空气量。在最大打开的位置处，可变入口导向导叶允许最大空气质量流进入压缩机中，而在最小打开的位置处，可变入口导向导叶允许最小量的空气质量流进入压缩机中。
7.离开压缩机组件的压缩空气流入封闭容积(称为“仓室”)中，并且从那里流入燃烧器组件中。
8.燃烧器组件通常包括多个烧嘴，多个烧嘴构造成用于将燃料(至少一种燃料，气态或液态燃料)喷射到压缩空气流中。燃料和压缩空气的混合物进入燃烧室，该混合物在燃烧室处点燃。
9.所得的热气流离开燃烧室并且流动通过涡轮组件，从而在连接到发电机的转子上执行旋转功。通常同一转子也支承压缩机组件。
10.众所周知，涡轮包括由多级定子导叶插置的多级旋转叶片。旋转叶片由转子支承，而定子导叶由围绕转子的壳(通常称为“导叶架”)支承。
11.为了实现高效率，进入涡轮的热气流应具有最高温度。然而，高温度涉及非期望的高nox排放水平。
12.为了在不降低效率的情况下减少nox排放并且增加操作灵活性，使用了所谓的“顺序燃烧器”组件。大体上，顺序燃烧器包括串联布置的两个燃烧级。
13.可通过调节可变入口导向导叶位置以及喷射到顺序燃烧器组件中的燃料流速来调制可由燃气涡轮组件操作获得的燃气涡轮功率。
14.也可控制供应到第一燃烧器和第二燃烧器的燃料量。
15.以上描述的涡轮组件是连接到电网的发电设备的一部分。
16.在过去几年中，电网从可再生能源接收越来越多的贡献。可再生能源不是可编程的，并且通常以一些时段中的电力产生高度集中为特征，并不总是可预测的。
17.这意味着能够以受控方式产生能量的发电设备(如燃气涡轮发电设备)必须以灵
活的方式操作。
18.所述灵活性意味着燃气涡轮组件应适当地对瞬态情况进行反应，在瞬态情况下需要由设备产生的能量的快速并且显著的变化。换句话说，燃气涡轮组件应该能够快速减少和增加所产生的功率量(例如从基本负载传递到最小负载，并且反之亦然)。类似地，燃气涡轮组件的启动阶段也应该快。
19.显然，应在不违反排放极限的情况下达到所有能量产生变化。
20.在启动阶段期间，具体而言，排放量严重限制了燃气涡轮组件的操作，因为co排放在较低的点火温度的情况下迅速增加，较低的点烧温度一般与降低的功率相关联。
21.一种已知的解决方案是在启动时段期间仅操作第一燃烧器，并且在燃气涡轮组件连接到电网之后并且仅在达到限定的入口空气温度之后点燃第二燃烧器。
22.这意味着co排放峰值在燃气涡轮加载阶段(gt加载阶段)克服了极限。


技术实现要素：

23.因此，本发明的一个目的在于提供一种用于操作燃气涡轮组件的方法，该方法尤其是在燃气涡轮加载阶段期间能够获得燃气涡轮组件的快速和可靠启动，同时保持产生的排放量控制在要求的排放极限以下。
24.因此，本发明涉及一种用于操作针对发电设备的燃气涡轮组件的方法，其包括以下步骤：
[0025]-提供包括压缩机、燃烧器组件、涡轮和发电机的燃气涡轮组件；压缩机、涡轮和发电机连接到围绕轴线旋转的公共转子；燃烧器组件包括至少一个第一燃烧器和沿气流方向布置在第一燃烧器下游的至少一个第二燃烧器；
[0026]-启动燃气涡轮组件；
[0027]
其中启动燃气涡轮组件的步骤包括：
[0028]-由外部启动系统旋转转子而没有任何燃料供给；
[0029]-供应燃料到第一燃烧器并且点燃燃料；
[0030]-增加供应到第一燃烧器的燃料量以获得转子的加速，直到转子达到目标速度；
[0031]-以空转操作转子，直到接收到允许与公共电网同步的信号；
[0032]-使燃气涡轮组件与公共电网要求同步；
[0033]-将燃气涡轮组件连接到公共电网；
[0034]-增加由燃气涡轮组件产生的负载，直到达到最小负载目标值；
[0035]
该方法的特征在于包括在达到最小负载目标值之前和在第一燃烧器的点燃之后点燃第二燃烧器的步骤。
[0036]
有利地，根据以上方法，一旦达到最小负载目标值，则燃气涡轮组件就可以快速方式启动，并且具有受控的一氧化碳(co)排放量。
[0037]
此外，本发明的一个目的在于提供一种燃气涡轮组件，其能够以快速方式启动和达到基本负载，同时保持产生的排放量受控。
[0038]
根据所述目的，本发明涉及如权利要求12中所述的燃气涡轮组件。
附图说明
[0039]
在适当参考附图仔细阅读详细描述之后，本发明的其它好处和优点将变得明显，附图示出了一些非限制性实施例，在附图中：
[0040]-图1是根据本发明的燃气涡轮组件的示意图；
[0041]-图2是示出在根据本发明的燃气涡轮组件的启动和gt加载阶段期间转子速度和负载的趋势的图表；
[0042]-图3是示出作为根据本发明的燃气涡轮组件中负载的函数的排放趋势的图表。
具体实施方式
[0043]
在图1中，参考标记1指示示意性表示的燃气涡轮组件。
[0044]
燃气涡轮组件1包括压缩机2、仓室3、燃烧器组件4、涡轮5、发电机(未示出)、燃料供应组件6和控制装置8。压缩机2和涡轮5沿主轴线a延伸。
[0045]
压缩机2、涡轮5和发电机连接到围绕轴线a旋转的公共转子12。
[0046]
压缩机2包括供应有空气的入口9和由压缩机2压缩的空气流动通过的出口10；压缩机2的出口10出来而进入与燃烧器组件4流体连通的仓室3中。
[0047]
燃料供应组件6供应至少一种燃料到燃烧器组件4。在燃烧器组件4中，来自仓室3的压缩空气与燃料混合并且燃烧。
[0048]
燃烧的混合物然后在涡轮5中膨胀，并且通过连接到发电机(未示出)的公共转子12转换为机械功率。
[0049]
燃烧器组件4为顺序燃烧器组件，其包括沿气流方向d顺序布置的第一燃烧器14和第二燃烧器15。换句话说，第二燃烧器15沿气流方向d布置在第一燃烧器14的下游。
[0050]
优选地，混合器16布置在第一燃烧器14和第二燃烧器15之间。
[0051]
根据本发明的未示出的变型，顺序燃烧器组件可包括高压涡轮来替代第一燃烧器与第二燃烧器之间的混合器。
[0052]
第一燃烧器14和第二燃烧器15分别包括多个烧嘴(其在图1中不可见)。在此处公开和示出的非限制性示例中，第一燃烧器14和第二燃烧器15是环形燃烧器。
[0053]
根据本发明的未示出的变型，燃烧器组件可由多个罐形布置限定，其中每个罐布置包括一个直接布置在另一个下游的第一燃烧器和第二燃烧器。
[0054]
在此处公开和示出的非限制性示例中，燃料供应组件6供应至少一种燃料到第一燃烧器14且到第二燃烧器15，并且优选地包括配置成调节在控制装置8的控制下供应到第一燃烧器14且到第二燃烧器15的燃料量的致动器组件19(示意性表示)。
[0055]
优选地，致动器组件19配置成调节到第一燃烧器14和第二燃烧器15的多个烧嘴中的每个烧嘴的燃料供应。例如，致动器组件19可包括两个燃料环(每个燃烧器各一个)、用于控制供应到每个燃料环的总燃料质量流的控制阀，以及将每个烧嘴与相应燃料环连接的管线上的多个开/关阀。
[0056]
以此方式，烧嘴的选择性供应可如稍后详述的那样执行。
[0057]
供应到第一燃烧器14且到第二燃烧器15的空气来自仓室3。
[0058]
仓室3中的空气量取决于进入压缩机2中的空气质量的量。然而，进入仓室3的空气的一部分用于冷却燃气涡轮组件的部分，如涡轮导叶/叶片等。
[0059]
进入压缩机2中的空气质量的量可通过修改压缩机2的入口9处的入口导向导叶17(示意性示出)的位置来改变。
[0060]
燃气涡轮组件1还包括旁通管线22，旁通管线22构造成将燃气涡轮5与压缩机2连接并且提供有泄放阀23。
[0061]
泄放阀23构造成调整离开压缩机2并且绕过燃烧器组件4的空气流速。
[0062]
调节绕过燃烧器组件4的空气质量流意味着调节仓室3中的空气量，并且因此调节供应到燃烧器组件4的空气。
[0063]
控制装置8配置成控制燃烧器组件4、燃料供应组件6(即致动器组件19)、入口导向导叶17的位置和泄放阀23的位置。
[0064]
在使用中，启动燃气涡轮组件1使转子12旋转，从而在发电机中产生电能。
[0065]
由燃气涡轮组件产生的电能通过高压开关(未示出)供应到公共电网。
[0066]
然而，只有在转子速度、电压、燃烧条件等方面满足某些条件时，才可进行与公共电网的连接。
[0067]
这意味着在燃气涡轮组件1连接到公共电网之前存在时段，在该时段期间燃气涡轮组件1达到连接到公共电网所要求的条件。
[0068]
参考图2，在连接到公共电网之后，燃气涡轮组件1迅速达到最小负载产生条件。从最小负载开始，涡轮组件1开始其加载阶段，将负载从最小负载增加到基本负载，并且然后取决于功率需求改变负载。
[0069]
包括从转子加速开始直到达到最小负载的时段在这里认为是“启动”时段。
[0070]
具体而言，启动时段包括以下步骤：
[0071]-干式起动：在该步骤中，转子12由外部启动系统旋转而没有任何燃料供给；
[0072]-吹扫(可选)：在该步骤中，来自先前操作或失败的启动尝试的残余燃料吹扫出燃气涡轮组件1；
[0073]-第一次点燃：在该步骤中，燃料供给到第一燃烧器14并且点燃器通电以点燃第一燃烧器14；
[0074]-转子加速：在该步骤中，增加到第一燃烧器14的燃料质量流速，并且转子12的旋转速度朝着目标速度值(例如3000rpm)增加；
[0075]-空转：以空转操作转子(12)，直到接收到允许与公共电网同步的信号；该情况也称为fsnl(全速无负载)；
[0076]-同步：在该步骤中，发电机的相位与电网的适当相位同步；
[0077]-连接：将燃气涡轮组件(1)连接到公共电网的高压开关闭合；
[0078]-最小负载达到：增加由燃气涡轮产生的负载，直到达到为每个燃气涡轮组件预先限定的最小负载目标值；最小负载目标值是当连接到公共电网时确保燃气涡轮组件1的连续操作的最小负载。
[0079]
根据本发明，启动时段进一步还包括点燃第二燃烧器15的步骤(也称为第二次点燃)。
[0080]
第二燃烧器的点燃是在第一次点燃阶段与最小负载达到阶段之间进行的。
[0081]
换句话说，点燃第二燃烧器15的步骤是在达到最小负载之前和在第一燃烧器14的点燃之后进行的。
[0082]
查看图3中的图表，在第一次点燃阶段与最小负载达到阶段之间执行第二次点燃意味着co排放峰值发生在燃气涡轮负载达到最小负载之前。这意味着在燃气涡轮加载(即从最小负载到基本负载，见图2中的gt加载阶段)的后续阶段期间，co排放稳定并且始终保持在极限以下。
[0083]
第二次点燃可基本上是在第一次点燃阶段与最小负载达到阶段之间的若干时刻进行时。
[0084]
优选地，当第二燃烧器15的入口处的温度大于足以在第二燃烧器15中获得自点燃燃烧的阈值时，通过供应燃料到第二燃烧器15来获得第二次点燃。
[0085]
以此方式避免了点燃装置，并且利用了可用于第二燃烧器15的自点燃过程。
[0086]
第一种选择(用箭头a指示)是以空转(空转阶段)操作转子12的步骤期间点燃第二燃烧器15，同时等待准许同步。
[0087]
有利地，在该步骤中，第一燃烧器14的点火温度高并且足以使一氧化碳(co)能够燃尽。这意味着用于第二燃烧器15的点燃延迟时间的减少，并且因此第二燃烧器15中的停留时间的增加(由于再热火焰向上游移动)。
[0088]
随后，获得氧化延迟时间的减少，从而保持co排放在排放极限以下。
[0089]
第二种选择(用箭头b指示)是在电网连接与最小负载达到(全速最小负载)之间的任何时间点燃第二燃烧器15。优选地，同步和电网连接包括在以上区间内。
[0090]
在所述时间区间期间，燃气涡轮组件1正在加载以便快速达到最小负载。
[0091]
该解决方案具有以上描述的针对以空转点燃的优点，并且具有另一个优点：避免在具有不可控的长度并且取决于公共电网管理的阶段(即空转阶段)中产生排放。
[0092]
第三种选择(用箭头c指示)是在第一次点燃之后的转子加速阶段期间点燃第二燃烧器15。这意味着第二燃烧器15可在第一次点燃和空转达到(全速无负载状态)之间的任何时间点燃。
[0093]
该解决方案具有加速启动时段的优点，因为可更快地达到转子12的目标速度。
[0094]
如果需要，则在第二次点燃阶段期间到第二燃烧器15的燃料供应可部分化。
[0095]
在此处公开和示出的非限制性示例中，这意味着在启动期间供应燃料到第二燃烧器15的步骤包括选择性地供应燃料到第二燃烧器15的多个烧嘴中的一组烧嘴。
[0096]
换言之，致动器组件19在控制装置8的控制下调节到第二燃烧器15的多个烧嘴中的每个烧嘴的燃料供应，以便仅供应燃料到一组烧嘴(即通过仅打开将每个烧嘴与相应燃料环连接的管线上的多个开/关阀中的一组)。
[0097]
以此方式，可执行和调整烧嘴的选择性供应，以便在与公共电网的连接处具有最小并且符合排放的负载。
[0098]
根据未示出的变型，如果燃烧器组件包括多个罐形布置；则燃料供应到第二燃烧器15的部分分配可通过选择性地供应燃料到多个罐形布置中的一组罐形布置的第二燃烧器来获得。
[0099]
也可通过仅停止燃料供应到第一燃烧器14的一组烧嘴(即通过仅关闭将每个烧嘴与相应的燃料环连接的管线上的多个开/关阀中的一组)来在第一燃烧器14上进行燃料供应的部分分配。换句话说，可进行第一烧嘴14的一些烧嘴的关闭。以此方式，可执行和调整烧嘴的选择性供应，以便在与公共电网的连接处具有最小并且符合排放的负载。
[0100]
优选地，第一燃烧器14的一些烧嘴的关闭是在第二燃烧器15的点燃之前进行的。
[0101]
实际上，通过关闭单独的开/关阀，到一些烧嘴的燃料供给停止，并且分配到其余操作的烧嘴。结果，操作中的烧嘴的空气-燃料当量比λ降低，并且热气温度升高，加速达到足以获得第二燃烧器15中的自点燃的第二燃烧器15的入口处温度的阈值。
[0102]
如已提到，在启动时段期间，也可通过调整压缩机2的入口处的可变入口导向导叶(vigv)的位置和/或通过调整将压缩机2与燃气涡轮5连接的旁路管线22的泄放阀23的位置来控制供应到燃烧器组件4的空气流速。
[0103]
有利地，在最小负载达到之前而不是在燃气涡轮加载阶段期间点燃再热燃烧系统还允许仅使用燃料气体供应的可靠并且快速的电网停电恢复。
[0104]
当发生电网停电时，电网不再可用。在此情况下，燃气涡轮组件迅速进入厂用负载(house-load)状态(即，发电机仅可向燃气涡轮组件的辅助设备提供电力)。
[0105]
当停电之后电网要求电网恢复(通常称为“电网停电恢复”)时，燃气涡轮组件必须加载以确保电网的频率保持在目标频段(50hz
±
xhz)内(每当另一个消费者切换到电网时)。
[0106]
根据本发明，由于第二燃烧器15已经以厂用负载点燃，因此根据本发明的燃气涡轮组件1可提供厂用负载与基本负载之间的每种负载跳跃。
[0107]
这意味着燃气涡轮组件也可在电网停电恢复期间应用标准操作观念来操作。这意味着，当触发电网停电恢复时，仅增加燃料，并且vigv根据标准操作观念开始打开。
[0108]
相反，如果第二燃烧器在最小负载达到时不点燃，则将存在一定的负载范围，其中燃气涡轮不可保持稳定操作达较长时段(即，第二燃烧器应点燃期间的时段)。这意味着在电网停电修复期间应该采用专门的操作观念，带有清楚并且明显的复杂性和成本。类似地，在最小负载达到之前点燃第二燃烧器有利于频率响应(fr)操作。频率响应依从性通常在其中第二燃烧器已经操作的负载范围内给出。根据所要求保护的发明，由于第二燃烧器已经以最小负载操作，因此可涵盖从最小负载到基本负载的整个燃气涡轮负载范围的频率依从性。
[0109]
尽管关于如以上提到的其优选实施例阐释了本发明，但将理解，可制作出许多其它可能的改型和变型，而不脱离所附权利要求的范围。

技术特征：
1.一种用于操作针对发电设备的燃气涡轮组件的方法；所述方法包括以下步骤：-提供包括压缩机(2)、燃烧器组件(4)、涡轮(5)和发电机的燃气涡轮组件(1)；所述压缩机(2)、所述涡轮(5)和所述发电机连接到围绕轴线(a)旋转的公共转子(12)；所述燃烧器组件(4)包括至少一个第一燃烧器(14)和沿气流方向(d)布置在所述第一燃烧器(14)下游的至少一个第二燃烧器(15)；-启动所述燃气涡轮组件(1)；其中启动所述燃气涡轮组件(1)的步骤包括：-由外部启动系统旋转所述转子(12)而没有任何燃料供给；-供应燃料到所述第一燃烧器(14)并且点燃所述燃料；-增加供应到所述第一燃烧器(14)的燃料量以获得所述转子(12)的加速，直到所述转子(12)达到目标速度；-以空转操作所述转子(12)，直到接收到允许与公共电网同步的信号；-使所述燃气涡轮组件(1)与公共电网要求同步；-将所述燃气涡轮组件(1)连接到所述公共电网；-增加由所述燃气涡轮组件(1)产生的负载，直到达到最小负载目标值；所述方法的特征在于包括在达到所述最小负载目标值之前和在所述第一燃烧器(14)的点燃之后点燃所述第二燃烧器(15)的步骤。2.根据权利要求1所述的方法，其中，点燃所述第二燃烧器(15)的步骤是在以空转操作所述转子(12)的步骤期间进行的。3.根据权利要求1所述的方法，其中，点燃所述第二燃烧器(15)的步骤是在使所述燃气涡轮组件(1)与公共电网要求同步的步骤期间或在将所述燃气涡轮组件(1)连接到所述公共电网的步骤期间进行的。4.根据权利要求1所述的方法，其中，点燃所述第二燃烧器(15)的步骤是在电网连接与最小负载达到之间的任何时间进行的。5.根据权利要求1所述的方法，其中，点燃所述第二燃烧器(15)的步骤是在转子加速期间直到所述转子(12)达到目标速度的任何时间进行的。6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括点燃所述第二燃烧器(15)的步骤，所述步骤包括当所述第二燃烧器(15)的入口处的温度大于足以在所述第二燃烧器(15)中获得自点燃燃烧的阈值时，供应燃料到所述第二燃烧器(15)。7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述第二燃烧器(15)包括多个烧嘴；在点燃期间供应燃料到所述第二燃烧器(15)的步骤包括选择性地供应燃料到所述第二燃烧器(15)的多个烧嘴中的一组烧嘴。8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述燃烧器组件包括多个罐形布置；每个罐布置包括所述第一燃烧器和所述第二燃烧器；在点燃期间供应燃料到所述第二燃烧器的步骤包括选择性地供应燃料到所述多个罐形布置中的一组罐形布置的第二燃烧器。9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，启动所述燃气涡轮组件(1)的步骤包括通过调整所述压缩机(2)的入口处的可变入口导向导叶(vigv)的位置来控制供应到所述燃烧器组件(4)的空气流速的步骤。10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，启动所述燃气涡轮组件(1)的步骤
包括通过调整将所述压缩机(2)与所述燃气涡轮(5)连接的旁通管线(22)的泄放阀(23)的位置来控制供应到所述燃烧器组件(4)的空气流速的步骤。11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括在所述公共电网的停电之后的公共电网恢复的步骤；公共电网恢复的所述步骤包括增加所述负载和调整所述压缩机(2)的入口处的可变入口导向导叶(vigv)的位置。12.针对发电设备的燃气涡轮组件，包括压缩机(2)、燃烧器组件(4)、涡轮(5)、发电机和控制装置(8)；所述压缩机(2)、所述涡轮(5)和所述发电机连接到围绕轴线(a)旋转的公共转子(12)；所述燃烧器组件(4)包括至少一个第一燃烧器(14)和沿气流方向(d)布置在所述至少一个第一燃烧器(14)下游的至少一个第二燃烧器(15)；所述控制装置(8)配置成执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。

技术总结
本发明涉及用于操作针对发电设备的燃气涡轮组件的方法和针对发电设备的燃气涡轮组件。具体而言，一种用于操作针对发电设备的燃气涡轮组件的方法包括以下步骤：-提供包括压缩机(2)、燃烧器组件(4)、涡轮(5)和发电机的燃气涡轮组件(1)；压缩机(2)、涡轮(5)和发电机连接到围绕轴线(A)旋转的公共转子(12)；燃烧器组件(4)包括至少一个第一燃烧器(14)和沿气流方向(D)布置在第一燃烧器(14)下游的至少一个第二燃烧器(15)；-启动燃气涡轮组件(1)；其中启动燃气涡轮组件(1)的步骤包括在达到最小负载目标值之前和在第一燃烧器(14)的点燃之后点燃第二燃烧器(15)。点燃第二燃烧器(15)。点燃第二燃烧器(15)。


技术研发人员：G
受保护的技术使用者：安萨尔多能源瑞士股份公司
技术研发日：2022.12.30
技术公布日：2023/7/6