CN101503977B - 用于燃气轮机的启动的方法 - Google Patents

Abstract

介绍了一种用于燃气轮机的启动的方法，其包括以下阶段：实现涡轮机(20)的排气管道(28)的初步换气循环，确定用于进入燃烧室(14)的气态燃料流的预定最小值(FSR₁)，经过一段时间，其足以实现对点燃的第一次尝试，实现排气管道(28)的中间的换气循环，中断气态燃料到燃烧室(14)的流动，并且逐渐增加进入燃烧室(14)的气态燃料流的值(FSR_n)，实现对点燃的进一步尝试直至空气/气态燃料的混合物已经点燃和随之发生的涡轮机(20)的启动，或直至已经达到气态燃料流的预定最大值(FSR_max)。

Description

用于燃气轮机的启动的方法

技术领域

本发明涉及一种用于燃气轮机(gas turbine)的启动的方法。

背景技术

在许多工业应用中，例如诸如在电能的生产中，燃气轮机的使用是已知的，燃气轮机通常包括多相压缩机，燃烧室，和涡轮机或膨胀器，从外界吸取的空气在多相压缩机内进行压缩，添加到被压缩空气的气态燃料在燃烧室内发生燃烧，来自燃烧室的气体在涡轮机或膨胀器内进行膨胀。涡轮机因此能够产生机械能，机械能能够用来驱动运转的机器或用来对发电机充电。

如所已知的那样，燃气轮机的启动或启用阶段是比较复杂的操作。在燃气轮机能够以全状态(full regime)运转之前，通常需要使压缩机达到足以提供某一压缩比的旋转速度。这种操作一般借助增速发动机(boost engine)实现。

以上面的旋转速度，压缩机必须能够供应用在燃烧室内以最小的状态点燃火焰的足够的空气流速，这种功能条件以专用俗语称为“点火”。实际上，在选择压缩机的旋转速度时对点火条件进行检验，使得在燃烧腔室内确定流动条件，流动条件是这样的以便促进可燃气体的点燃并且稳定所产生的火焰。从而选择可燃气体的流速。

一旦机器达到自立条件或者是达到(换而言之的)涡轮机能够产生足以带动压缩机的动力的条件，增速发动机就能够脱离嵌入(disinserted)并且增加燃料的流速，直至机器已达到其状态速度(regimerate)。

典型地，燃气轮机能够以具有不同的热值的可燃气体的不同的混合物运转。由于涉及所用的不同的气态燃料的沃泊指数(Wobbe index)的变动范围通常比较宽，所以对于依赖所采用的各种燃料的相同涡轮机而言会有不同的点火条件。如所已知的那样，沃泊指数测量在气体的较低的热值(或较高的)和气体的相对密度的平方根之间的比率，气体的相对密度相对于空气进行测量：

I_W＝PC/√T_G·G_S

其中：

I_W＝某一气体的沃泊指数；

PC＝气体的热值(较低的或较高的)；

T_G＝气体的温度；

G_S＝气体的相对密度(或比重)。

应该指出的是，在上面的公式中所显示的内容被称为“修正的沃泊指数”，以便将其与实际的沃泊指数区别，实际的沃泊指数不包括根据可燃气体混合物的温度的校正。

使用具有未被具体地测定的特性和/或具有在估计能够被压缩机供应的空气的流速中的不确定性(即，具有未被完全校准的空气/燃料比)的气态燃料所实现的涡轮机的启动阶段能够造成各种问题，其中能提及的如下：

由于控制燃烧腔室内的空气/燃料混合物的可燃性条件的困难而导致的涡轮机的点燃故障；

由于作为在点燃阶段中产生的热的结果的、在电动机内和/或排气管道的爆炸的可能性(即使很少)而导致的对涡轮机的机械部件的损害和/或对于操作者的安全而言的问题。

至此，实现有效的和安全的涡轮机的启动的唯一可能性涉及使用具有习知特性或在极为有限的范围内在混合物中的空气/燃料比上的变动的降低的燃料的必要性。一种已知的用于燃气轮机的启动的方法在例如美国专利第6,062,016号中有介绍。

发明内容

因此，本发明的总的目的在于提供一种方法，其允许燃气轮机的有效的和安全的启动，其克服了已知技术的上述问题。

尤其是，本发明的一个目的在于提供一种用于燃气轮机的启动的方法，其中总是能够获得有效的点燃，并且是在混合物中的空气/燃料比有变动的情况下。

本发明的另一目的在于提供一种用于燃气轮机的启动的方法，其能够维持混合物中的平均空气/燃料比在燃烧极限以下，促进在安装在机器上的安全装置的部件上的、处于机器自身的排气管道内的火焰熄灭区的可能的小数量的易燃混合物的隔离。

根据本发明的这些目的通过提供一种用于燃气轮机的启动的方法而实现。这种类型的燃气轮机包括将通过引入管引入其内的空气进行压缩的至少一个压缩机，被压缩的空气在其中与来自输送管的气态燃料混合并且燃烧的至少一个燃烧室，和将来自所述燃烧室的燃烧气体的能量转换成工作能量的至少一个涡轮机，所述方法包括以下阶段：a)确定进入所述燃烧室的燃料流的预定最小值并且实现对点燃的第一次尝试；和，b)逐渐增加进入所述燃烧室的燃料流的值并且实现对点燃的进一步尝试，直至空气/燃料混合物的完全点燃和随之发生的所述涡轮机的启动，或者直至达到所述燃料流的预定最大值。

本发明的另外的特征在从属权利要求中指出，它们是本说明书的构成整体的部分。

附图说明

通过以下阐述性和非限制性的说明并且参照示意性的附图，根据本发明实现的用于燃气轮机的启动的方法的特性和优点将变得更加明显，在附图中：

图1是燃气轮机的示意图，根据本发明的用于启动的方法能够应用在其上；

图2是图表，其显示了相对于时间的、在用于图1的涡轮机的某一气态燃料的假设的较低的热值中的变动；

图3是图表，其显示了相对于时间的、在用于图1的涡轮机的某一气态燃料的假设的比重中的变动；

图4是图表，其显示了在根据本发明的启动方法的各种应用阶段中的图1的涡轮机的利用指数；

图5是图表，其显示了在根据本发明的涡轮机的启动方法的各种应用阶段中的、在点火条件下的耗热量；并且

图6至图10指出了相对于时间测量的一些实验参数，它们显示了用于根据本发明的涡轮机的启动的方法的有效性。

具体实施方式

尤其参照图1，其示意性地显示了一般的燃气轮机，该燃气轮机包括能够压缩通过引入管12引入的空气的压缩机10。被压缩空气然后发送到燃烧室14，以与选自具有不同沃泊指数的一系列的气态燃料的、来自输送管16的气态燃料混合。燃烧增加了气体的温度、速度和流动量并且因此增加了其内包含的能量。燃烧气体的所述流动通过管18朝着涡轮机20引导，涡轮机20将能量转换为能够用来起动运转的机器的工作能量，例如诸如自身借助轴杆24连接到涡轮机20的发电机22。涡轮机20还供应用来通过相关轴杆26起动压缩机10的必要能量，而废气通过排气管28从涡轮机20排出。

根据本发明，用于燃气轮机的启动的方法首先包括排气管道28的初步换气循环(purging cycle)，其待在涡轮机20以换气速度转动时实现。如所已知的那样，“换气”指的是在相关燃烧器线(burner line)没有使用时气态燃料的输送管的定期的清洁操作。根据一般的燃气轮机中的已知程序，在换气阶段的结尾，实现点火阶段，并且在燃烧室14的入口的气态燃料流设定在第一预定最小值FSR₁，其足以点燃在能够以不同的气态燃料获得的那些中的最富的(richest)空气/燃料混合物，经过一段时间，其足以填充输送管16并且实现对点燃的第一次尝试。

这里，如果混合物的点燃并未发生，那么实现排气管道28的中间的换气循环，中断燃料到燃烧室14的流动。进入燃烧室14的气态燃料流然后设定在第二预定值FSR₂，其高于第一预定最小值FSR₁并且维持足够的时间以便实现进一步的点燃空气/燃料混合物的简短尝试。在点燃故障的情况下，将实现排气管道28的进一步的换气循环。

重复以上指出的顺序，并且连续增加气态燃料流的FSR_n值，直至已经实现空气/燃料混合物的点燃，或直至已经达到所述燃料流动的预定最大值FSR_max。如果证实了这个最后的假设，即如果同时没能起动涡轮机20，那么必须实现最后的换气循环，其是在涡轮机20已经产生尤其减少的预定义的转动状态(在专用俗语上定义为“曲柄速度(crank speed)”)之后，在停止机器并且可能重新开始点燃阶段的顺序之前。

更具体地说，参考图2至图5，这些图显示了使用根据本发明的方法的涡轮机的说明性的点燃顺序。在图2的图表中，LHV表示用于涡轮机的某一气态燃料的较低的热值。较低的热值LHV从最大值LHV_max改变到最小值LHV_min，其中LHV_max对应在所使用的那些中的最富的气态燃料的较低的热值。另一方面，最小值LHV_min计算为在由涡轮机的检测仪表(例如借助热量计)测量的较低的热值和被认为在涡轮机的启动期间是安全的最贫的(poorest)气态燃料的较低的热值的最小值之间的最大值。如果没有可用来测量或估计气体的热值的装置，那么LHV_热量计值能够看作是零。实际上：

LHV_min＝Max(LHV_热量计，LHV_贫气)

在图3的图表中，SG表示用于涡轮机的某一气态燃料的比重。类似于以上所详细说明的那样，比重值SG从最大值SG_max改变到最小值SG_min，其中SG_min对应在所使用的那些中的最富的气态燃料的比重。另一方面，最大值SG_max计算为被认为在涡轮机的启动的期间是安全的气态燃料的比重的最小值，并且等于：

SG_max＝Min(SG_热量计，SG_贫气)

当在较低的热值LHV的情况下时，如果没有可用来测量或估计比重SG的装置，那么SG_热量计值能够看作是零。

图5显示了与图4的利用指数MDCSW关联的、在点火条件下的参考耗热量。在该图中，在MDCSW＝1时起动点燃系统，而在MDCSW＝0时停用点燃系统。

考虑到这个，相对于时间t_i并且参考图2至图5，燃气轮机的典型启动阶段能够总结如下：

时间t₀：

完成排气管道28的初步换气阶段。涡轮机产生点火旋转速度。在这个阶段中：

MDSCW＝0

LHV＝LHV_max

SG＝SG_min

时间t₁：

涡轮机处于点火旋转速度，点燃系统起动并且安全孔打开。在这个阶段中：

MDSCW＝1

LHV＝LHV_max

SG＝SG_min

时间t₂：

点燃没有发生。实现排气管道28的中间的换气阶段。点燃系统停用并且安全孔关闭。在这个阶段中：

MDSCW＝0

LHV＝LHV减少

SG＝SG增加

时间t₃：

停止排气管道28的中间的换气阶段。重新开始气态燃料的输送，点燃系统起动并且安全孔打开。在这个阶段中：

MDSCW＝1

LHV＝LHV减少

SG＝SG增加

时间t₄：

点燃失败。实现排气管道28的新的中间的换气阶段。点燃系统停用并且安全孔关闭。在这个阶段中：

MDSCW＝0

LHV＝LHV减少

SG＝SG增加

在任何给定的时间t₈，如果涡轮机的启动没有发生，那么点火顺序终止。机器的完全换气阶段因此在其完全停止之前实现。

另一方面，假如在某一时间t_i，空气/燃料混合物被点燃，涡轮机的加热阶段能够开始。通过控制机器的逻辑作为用于启动顺序的值，确定气体的当前较低的热值LHV和比重值SG。点火顺序终止并且机器准备加热和随后的加速，直至达到处于全状态的功能速度。

图6至图10显示了相对于时间测量的、在运转中的燃气轮机的“空白(blank)”启动测试的期间获得的各种实验参数。使用尤其是富的气态燃料，所观察到的是，点燃在点火顺序的初始阶段中被检验，而贫的燃料点燃仅发生在最后的阶段中，但始终完全尊重了所希望的安全条件。

因此，所能够看到的是，根据本发明的用于燃气轮机的启动的方法达到了前面说明的目的，获得了以下的有益效果：

以气态燃料的不同组合物起动涡轮机的可能性；

有效的和安全的启动顺序；

较少的必要条件，相对于已知的类型的应用，其是气态燃料的组合物为实现涡轮机的启动所必需具备的。

这样构思出的本发明的用于燃气轮机的启动的方法在任何情况下都能够进行各种更改和变型，它们都包括在相同的发明概念中。因此，本发明的保护范围由权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种用于燃气轮机的启动的方法，这种类型的燃气轮机包括将通过引入管(12)引入其内的空气进行压缩的至少一个压缩机(10)，被压缩的空气在其中与来自输送管(16)的气态燃料混合并且燃烧的至少一个燃烧室(14)，和将来自所述燃烧室(14)的燃烧气体的能量转换成工作能量的至少一个涡轮机(20)，所述方法包括以下阶段：

a)确定进入所述燃烧室(14)的燃料流的预定最小值(FSR₁)并且实现对点燃的第一次尝试；其中，所述预定最小值通过被设定在足以点燃在预定的气态燃料的组中的最富的空气/燃料混合物的值而被确定；和

b)逐渐增加进入所述燃烧室(14)的燃料流的值(FSR_n)并且实现对点燃的进一步尝试，直至空气/燃料混合物的完全点燃和随之发生的所述涡轮机(20)的启动，或者直至达到所述燃料流的预定最大值(FSR_max)；其中，在所述阶段b)中，实现排气管道(28)的中间的换气循环，在燃料流的所述值(FSR_n)的一个或每个增加之前中断气态燃料到所述燃烧室(14)的流动。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述阶段a)之前实现所述涡轮机(20)的排气管道(28)的初步换气循环。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述涡轮机(20)以换气速度或以点火速度转动时实现所述初步换气循环。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在阶段b)之后，在当已经达到燃料流的所述预定最大值(FSR_max)时的空气/燃料混合物的点燃故障的情况下，实现所述涡轮机(20)的最后的换气循环，其待在所述涡轮机(20)已经产生预定义的转动状态之后并且在停止所述涡轮机(20)以便重新开始点燃阶段的顺序之前实现。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括转动中的所述涡轮机(20)的换气循环。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气态燃料选自具有不同的沃泊指数的多种气态燃料。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，进入所述燃烧室(14)的气态燃料流的所述预定最小值(FSR₁)足以点燃在能够以具有不同的沃泊指数的所述多种气态燃料获得的那些中的最富的空气/燃料混合物。