通过冷却调制而实现的燃气涡轮的基本负载控制.pdf

本发明涉及通过冷却调制而实现的燃气涡轮的基本负载控制。本发明提供了一种用于燃气涡轮发动机的基本负载输出的控制系统(100)。该控制系统(100)可包括用于在所需温度下向燃气涡轮发动机(110)提供空气的入口冷却盘管系统(210)、与入口冷却盘管系统(210)相连通的温度控制阀(260)、定位在燃气涡轮发动机(110)的周围的温度传感器(290)以及与温度控制阀(260)和温度传感器(290)相连通的温度控制器(270)。温度控制器(270)调制温度控制阀(260)，直至由入口冷却盘管系统(210)向燃气涡轮发动机(110)提供的空气达到由温度传感器(290)所感测的所需温度。

1.  一种用于燃气涡轮发动机(110)的基本负载输出的控制系统(100)，包括：
入口冷却盘管系统(210)，用于在所需温度下向所述燃气涡轮发动机(110)提供空气；
温度控制阀(260)，与所述入口冷却盘管系统(210)相连通；
温度传感器(290)，定位在所述燃气涡轮发动机(110)的周围；以及
温度控制器(270)，与所述温度控制阀(260)和所述温度传感器(290)相连通；
其中，所述温度控制器(270)调制所述温度控制阀(260)，直至由所述入口冷却盘管系统(210)向所述燃气涡轮发动机(110)提供的空气达到由所述温度传感器(290)所感测的所需温度。

2.  根据权利要求1所述的控制系统(100)，其特征在于，所述入口冷却盘管系统(210)包括与其相连通的冷却水源(250)。

3.  根据权利要求1所述的控制系统(100)，其特征在于，所述入口冷却盘管系统(210)包括过滤器(230)。

4.  根据权利要求1所述的控制系统(100)，其特征在于，还包括入口冷却系统温度传感器(280)，该入口冷却系统温度传感器定位在所述入口冷却盘管系统(210)的上游，并与所述温度控制器(270)相连通。

5.  根据权利要求1所述的控制系统(100)，其特征在于，所述温度传感器(280)包括压缩机温度传感器(280)。

6.  根据权利要求1所述的控制系统(100)，其特征在于，还包括湿度传感器(300)，该湿度传感器定位在所述燃气涡轮发动机(110)的上游，并与所述温度控制器(270)相连通。

7.  根据权利要求1所述的控制系统(100)，其特征在于，还包括与所述燃气涡轮发动机(110)和所述温度控制器(270)相连通的发电机控制器(190)。

8.  一种将具有入口冷却系统(210)的燃气涡轮发动机(110)的输出减少至所需的基本负载的方法，包括：
调制多个入口导向叶片(160)的角度，直至所述角度达到预定角度；
将所述多个入口导向叶片(160)的角度保持在所述预定角度；
调制穿过所述入口冷却系统(210)的水流，直至输出温度达到预定温度；
关闭所述入口冷却系统(210)；以及
调制所述多个入口导向叶片(160)的角度，直至达到所需的基本负载。

9.  根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括在所述入口冷却系统(210)打开时使所述燃气涡轮发动机(110)运转于所需的基本负载。

10.  根据权利要求8所述的方法，其特征在于，调制多个入口导向叶片(160)的角度直至所述角度达到预定角度的所述步骤包括调制所述多个入口导向叶片(160)的角度，直至所述角度大于或等于最佳耗热率角度减去死区入口导向叶片角度。

通过冷却调制而实现的燃气涡轮的基本负载控制
技术领域
本申请大致涉及燃气涡轮系统，更具体地说，涉及通过借助于空气入口冷却系统来调节燃气涡轮入口温度而实现增强的燃气涡轮的基本负载控制。
背景技术
冷却系统与燃气涡轮系统一起使用可以将基本负载输出增加显著的百分比。具体地说，燃气涡轮的功率输出与入口空气温度几乎成反比例。例如，已知的燃气涡轮在大约华氏83°(大约摄氏28.3°)下只能产生大约154兆瓦的功率，但在大约华氏50°(大约摄氏10°)下可产生大约171.2兆瓦的功率。然而，当前的冷却系统通常将燃气涡轮入口温度保持在固定的温度。结果，在没有冷却系统时的功率输出和接合冷却系统时的增加的功率输出之间存在着死区。
已经试图手动地调整燃气涡轮入口空气温度，以获得所需的功率输出。然而，这些手动努力导致了一种试错过程，并通常无法使用。此外，这种手动努力不能在自动发电控制(Automatic GenerationControl：“AGC”)系统下工作。在运转中，AGC系统确定满足实际的电负载要求所需要的发电，并将这种发电局部地或在广泛的地理范围中分配到所调节的单元上。类似地，死区可能干扰AGC系统的正确执行。
因而，对于燃气涡轮入口空气温度的基本负载控制存在着要求，以使一旦燃气涡轮在特定的环境温度下达到其基本负载能力时，就满足所需的功率输出。可优选以自动化方式来实现这种基本负载控制。
发明内容
本申请因而提供了一种用于燃气涡轮发动机的基本负载输出的控制系统。该控制系统可包括用于在所需温度下向燃气涡轮发动机提供空气的入口冷却盘管系统、与入口冷却盘管系统相连通的温度控制阀、定位在燃气涡轮发动机的周围的温度传感器以及与温度控制阀和温度传感器相连通的温度控制器。温度控制器调制温度控制阀，直至由入口冷却盘管系统向燃气涡轮发动机提供的空气达到由温度传感器所感测的所需温度。
本申请提供了一种将具有入口冷却系统的燃气涡轮发动机的输出减少至所需的基本负载的方法。该方法可包括调制多个入口导向叶片的角度，直至该角度达到预定角度，将入口导向叶片的角度保持在该角度，调制穿过入口冷却系统的水流，直至输出温度达到预定温度，关闭入口冷却系统，以及调制入口导向叶片的角度，直至达到所需的基本负载的步骤。
本申请还提供了一种燃气涡轮系统。该燃气涡轮系统可包括压缩机、用于调制基本负载并具有定位在压缩机周围的温度传感器的控制系统以及用于在所需温度下向压缩机提供空气的入口冷却盘管系统。入口冷却盘管系统可包括与控制系统相连通的温度控制阀，使得控制系统调制温度控制阀，直至由入口冷却盘管系统向压缩机提供的空气达到由温度传感器所感测的所需温度。
本领域中的普通技术人员通过回顾以下结合附图和所附的权利要求所做的详细描述，将清楚本申请的这些特征以及其它特征。
附图说明
图1是本文所述的燃气涡轮的增强的基本负载控制系统的示意图。
图2显示了在部分负载和基本负载条件下，在带有和没有冷却系统的情况下的IGV位置和入口空气冷却对典型的燃气涡轮的简单循环的耗热率的影响。
部件列表
100燃气涡轮的基本负载控制系统
110燃气涡轮发动机
120压缩机
130燃烧器
140燃气涡轮
150发电机
160入口导向叶片
170致动器
180传感器
190发电机控制器
200变换器
210入口冷却系统
220防护罩
230入口空气过滤器
240入口冷却盘管系统
250冷却水源
260温度控制阀
270温度控制器
280进气系统温度传感器
290压缩机入口温度传感器
300湿度传感器
具体实施方式
现在参看附图，其中，相似的标号在所有这些视图中表示相似的元件。图1显示了带有本文所述的增强的基本负载控制系统100的燃气涡轮的示意图。控制系统100包括燃气涡轮发动机110。众所周知，燃气涡轮发动机110包括压缩机120。压缩机120压缩进入的空气流。燃气涡轮发动机110还包括许多燃烧器130。燃烧器130使进入的压缩空气流与进入的燃料流相混合，并点燃该混合物以产生热的燃烧气体。燃气涡轮发动机110还包括燃气涡轮140。涡轮140将热的燃烧气体转化成机械能，从而驱动压缩机120和外部负载，例如发电机150等。燃气涡轮发动机110可以是由纽约州斯卡奈塔第市的通用电气公司提供的7F涡轮。这里可使用其它配置和类型的燃气涡轮发动机。可共同使用多个燃气涡轮发动机以及其它类型的涡轮。
用于现有的燃气涡轮发动机110的基本负载控制可通过使用定位在压缩机120的入口周围的许多入口导向叶片160而变得可能。通过致动器170可操纵入口导向叶片160。传感器180可监视入口导向叶片(inlet guide vanes：“IGV”)160的位置。这里可使用任何类型的致动器170或传感器180。因而通过改变入口导向叶片160的位置以改变进入压缩机120中的空气量，从而可调制燃气涡轮发动机110的输出。
具体地说，可将功率输出调制到特定的设定点。例如，通过与功率传感器200相连通的发电机控制器190可监视发电机150的功率输出，该功率传感器200与发电机150或其它类型的负载相关联。发电机控制器190可以是基于传统的微处理器的装置或相似类型的装置。基于所需的负载设定点，发电机控制器190可指示致动器170改变入口导向叶片160的位置，直至达到所需的设定点。这里可使用其它类型的控制系统和模式。
燃气涡轮的基本负载控制系统100还可包括入口冷却系统210。入口冷却系统210可包括防护罩220。防护罩220可防止诸如雨、雪等天气因素进入压缩机120中。入口冷却系统210还可包括入口过滤器230。入口空气过滤器230还可防止进入的空气流中的外来物和碎屑进入压缩机120中。
进入的空气流然后可穿过入口冷却盘管系统240。入口冷却盘管系统240可通过温度控制阀(temperature control valve：TCV)260而与冷水源250相连通。通过调整TCV 260的位置，可调节穿过入口冷却盘管系统240的水的流速。改变穿过入口盘管系统240的水的流速将改变穿过入口盘管系统240的空气流的温度。具体地说，进入的空气穿过入口冷却盘管系统240，并在进入压缩机120之前被冷却至所需的进气温度。入口冷却盘管系统240可包括其中的任何类型的热交换装置。
入口冷却系统210还可包括温度控制器270。温度控制器270可以是传统的微处理器等。温度控制器270可与进气系统温度传感器280相连通。进气系统温度传感器280可定位在入口冷却盘管系统240的上游，从而确定进入的空气流的温度。温度控制器270还可与压缩机入口温度传感器290相连通。压缩机入口温度传感器290可定位在压缩机120的上游。压缩机入口温度传感器290可确定当空气流离开入口冷却盘管系统240而进入压缩机120时的空气流的温度。类似地，温度控制器270可与湿度传感器300相连通。湿度传感器300还感测离开入口冷却盘管系统240而进入压缩机120的空气流的湿度。
温度控制器270还可与发电机控制器190相连通，从而大体上确定燃气涡轮发动机110上的负载，并详细地确定发电机150上的负载。温度控制器270因而可基于所感测的温度、湿度、负载以及其它类型的数据并基于以下所述的温度/负载指令而调制温度控制阀260。
在使用中，燃气涡轮的基本负载控制器系统100可开始于基本负载，即满负载，并且入口冷却系统210进行运转，以将压缩机入口空气温度保持在固定温度，通常大约为华氏50°(大约摄氏10°)。如此，压缩机120处的入口温度最初可由温度控制器270设定为最低温度(MinT)。类似地，可将入口导向叶片160设定在基本负载位置。
为了减少燃气涡轮发动机110的输出，温度控制器270可首先减小入口导向叶片160的角度，直至该角度大于或等于“最佳耗热率”的入口导向叶片角度(“best heat rate”inlet guide vane angle：BHIGV)减去入口导向叶片角度死区(inlet guide vane angle dead band：DBA)。BHIGV是压缩机入口导向叶片角度位置，在该位置，当达到基本负载条件时，压缩机120的耗热率处于最小值。为了避免循环，需要“死区”入口导向叶片角度(DBA)偏移(通常大约为2-3°)。
一旦入口导向叶片160定位在BHIGV-DB处时，温度控制器270通过逐渐地关闭TCV 260以减少穿过入口冷却盘管系统240的冷却的水流，从而可开始提高压缩机入口温度，直至发电机的功率输出等于AGC指明的要求设定点。类似地，通过温度控制器270经由TCV 260的调制而降低压缩机入口空气温度，从而可满足所需要的任何升高。
一旦调节后的压缩机入口温度开始接近满足AGC要求设定点所需要的环境温度时，可关闭入口冷却系统210。然后，如果需要进一步减少负载，可执行入口导向叶片160的进一步调制。
燃气涡轮的基本负载控制系统100因而容许在通常“死区的”基本负载范围内通过入口冷却系统210来自动地调制燃气涡轮发动机110的输出。输出可被设定为高于没有入口冷却系统210时的基本负载，低于带有入口冷却系统210时的基本负载，压缩机120处的入口空气处于通常为大约华氏50°(大约摄氏10°)的最小值。
图2显示了IGV位置和入口空气冷却在各种负载下对于燃气涡轮110的简单循环的耗热率的影响。X轴310代表相对于没有冷却系统210时的基本负载能力而规格化的净发电机功率输出。Y轴320代表运转于简单循环的燃气涡轮的耗热率。
数据系列330描绘了当将压缩机IGV 160的位置调整成满足功率需要时的X轴310上的发电机150的规格化的功率输出相对于Y轴320上的燃气涡轮的耗热率的曲线。如图所示，随着IGV 160打开以进一步满足所要求的提升，燃气涡轮效率(耗热率)改善。
数据系列340描绘了当冷却系统210进行运转以将压缩机120的入口空气温度保持在通常的大约华氏50度(大约摄氏10度)的恒定值，同时调节IGV 160的位置以满足发电机150上的负载要求时的X轴310上的发电机150的规格化的功率输出相对于Y轴320上的燃气涡轮的耗热率的曲线。
数据系列350描绘了当IGV 160的位置在BHIGV-DB处保持恒定且通过基本负载控制系统100自动地调整压缩机120的入口空气温度以满足发电机150上的负载要求时的X轴310上的发电机150的规格化的功率输出相对于Y轴320上的燃气涡轮的耗热率的曲线。如其所示，燃气涡轮的耗热率在整个“死区”持续且稳定地减少，与入口温度保持恒定的数据系列340的耗热率变化相反。
应该清楚，上述只涉及本申请的某些实施例，并且本领域中的普通技术人员在不脱离由所附的权利要求及其等效物所限定的本发明的要旨和范围的情况下，在此可做出许多变化和修改。