[發明專利]帶冷卻空氣冷卻系統的燃氣渦輪和其低負載運行方法

在審

• 申請號: 201410509112.X
• 申請日: 2014-09-29
• 公開（公告）號: CN104514635A
• 公開（公告）日: 2015-04-15
• 發明（設計）人: K.克納普;K.多伊貝林
• 申請（專利權）人: 阿爾斯通技術有限公司
• 主分類號: F02C7/18
• 分類號: F02C7/18;F02C6/04
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 李強;肖日松

技術領域

本發明涉及一種帶冷卻空氣冷卻系統的燃氣渦輪，并且還涉及一種用于在尤其較低的部分負載下運行這種燃氣渦輪的方法。本發明尤其涉及這樣一種燃氣渦輪，其具有冷卻空氣冷卻系統，冷卻空氣冷卻系統在壓縮機側處在第一放氣管下游的放氣管處抽取空氣，從而抽取不同壓力水平下的冷卻空氣以用于冷卻渦輪部件的目的。

背景技術

與關于這種燃氣渦輪的性能和效率的需求并列的是，這些需求一方面在高應力的機器構件的冷卻以及另一方面在冷卻系統的設計和尺寸方面正在日益增加。從運行安全的觀點來看，需要在燃氣渦輪所有可能的運行條件下保證充分的冷卻。對于在低電力需求時期以較低的部分負載運轉的燃氣渦輪尤其如此。

基本上，燃氣渦輪和燃氣渦輪聯合循環被認為在負載上是非常靈活的。它們在負載跟蹤方面以及在起動的情況下是快速的。然而，如果當前燃氣渦輪尤其在非常低的部分負載下進行運行時，關于環境適應性，并且從渦輪部件的充分冷卻和燃燒器中穩定燃燒的觀點來看存在問題。當這種燃氣渦輪在非常低的部分負載下，在可變入口導葉關閉或幾乎關閉的條件下進行運行時，熱氣體溫度下降，并因此限制了預混合的燃燒穩定性。此外，在這種情形下，用于渦輪冷卻空氣的足夠壓力的供給也將下降，并且從冷卻系統流向渦輪的冷卻空氣流可能下降到可容許的下限之下。在現有技術中，具有冷卻系統的燃氣渦輪是已知的，其在壓縮機處包括不同壓力水平下的不同的放氣管，從而將足夠質量流量的冷卻空氣供給渦輪部件。來自這種冷卻系統的更下游放氣管的冷卻空氣在壓力和溫度方面是較高的，這是為什么必須降低溫度，以便為冷卻系統提供足夠冷卻的原因。出于這個目的，在現有技術中已經提出一種冷卻系統，其中在第一冷卻空氣管線的下游設置了第二冷卻空氣管線，并且從第二冷卻空氣管線得到的空氣在引入到渦輪中之前被冷卻下來。

這種在較低的部分負載范圍內進行運行的燃氣渦輪的又一問題是，當負載在過渡時間快速變化時，壓縮機外殼和導葉支架比壓縮機的轉子葉片收縮得更快。由于壓縮機構件的熱變形方面的這個差異，壓縮機葉片或導葉的末端間隙變得比穩定的部分負載運行時更小，這可能要么導致這些部件的接觸，或者可能需要更高的穩態間隙，這對于壓縮機效率是有害的。

發明內容

考慮到上面的問題，本發明的一個目的是提供一種燃氣渦輪以及一種用于在非常低的負載下以改進的冷卻系統的冷卻效率且以環境相容的方式運行燃氣渦輪的方法。本發明的又一目的是為這種燃氣渦輪提供靈活且大范圍負載運行模式的可能性，從而避免壓縮機的部件或元件在過渡時間的退化。

這個問題通過具有權利要求1的特征的燃氣渦輪，以及通過根據權利要求11的步驟運行燃氣渦輪的方法來解決。在從屬權利要求中限定了本發明的優選實施例和進一步的發展。

根據本發明的燃氣渦輪包括壓縮機、燃燒器、渦輪和冷卻空氣冷卻系統，冷卻空氣冷卻系統具有從壓縮機的第一放氣管通向渦輪的至少第一冷卻空氣管線，以及相對于第一冷卻空氣管線位于壓縮機下游位置的至少第二冷卻空氣管線，其特征在于，在第二冷卻空氣管線中設置了熱交換器，以用于冷卻抽取的較高壓力的空氣，并且熱交換器與壓縮機的空氣入口側相連接，使得傳遞熱量，以便加熱壓縮機的入口空氣。通過這些措施，冷卻空氣的溫度在燃氣渦輪較低的部分負載運行時也變得足夠低，因為通過熱交換器除去了第二冷卻空氣管線中的空氣的熱量。根據本發明從冷卻空氣中除去的熱量還被傳遞給壓縮機的入口側，以便加熱入口空氣或至少入口空氣的一部分，這確保燃燒室中具有足夠高的氣體溫度。根據本發明的燃氣渦輪因此不僅提供了一種更高效的冷卻空氣冷卻系統，而且還減少了有關燃氣渦輪在較低的部分負載狀況下穩定燃燒的問題。因此也能夠使燃氣渦輪在非常低的負載下，尤其在穩定負載的15%的負載或甚至更低負載下運轉，同時具有非常低的NO_X和CO的排放。

第二冷卻空氣管線例如可連接在第一放氣管下游的第二放氣管上，或者例如連接在壓縮機下游的壓縮機穩壓室上。在帶有中間冷卻的壓縮機的情況下，放氣管還可設置在來回中間冷卻器的管線中。