CN109812299B - 一种燃气轮机透平转子冷却调节方法及冷却气体系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种燃气轮机透平转子冷却方法，燃气轮机包括压气机、燃烧室、透平，所述压气机、透平之间连接有抽气管路(5)，抽气管路(5)上设有抽气调节阀(4)，抽气管路上在压气机与抽气调节阀(4)之间设有冷却气体的换热器(2)，进入换热器(2)的给水管路设有给水调节阀(8)，该给水调节阀(8)由控制系统控制，控制系统控制抽气调节阀(4)和给水调节阀(8)以满足冷却燃气轮机透平叶片和轮盘气体所需的温度、流量。本发明可以对压气机排气(抽气)的温度和流量分别进行控制，并通过控制进水流量将换热器排出的气体温度控制在一定范围之内，以最少的冷却气体量达到最好的冷却效果，从而提高机组的运行功率和效率。

Description

一种燃气轮机透平转子冷却调节方法及冷却气体系统

技术领域

本发明涉及燃气轮机领域，具体涉及一种燃气轮机透平转子冷却调节方法及冷却气体系统。

背景技术

燃气轮机热通道中的透平静叶、动叶以及轮盘处于高温环境，由于材料的限制，需要利用冷却气体进行冷却以使其能可靠运行并保证必要的寿命。通常情况是将压气机排气(抽气)直接引入透平进行冷却。在燃气轮机全负荷工况下，压气机排气(抽气)温度较高，直接用于冷却透平热通道部件，所需流量也相对较大，抽气流量过大会影响机组效率。

另外由于燃气轮机冷热态变化过程中，轮盘间隙并不是线性变化，可能出现部分负荷工况下间隙变大泄漏量增大，冷却气体需求量增多的情况，所以燃气轮机不同工况下所需要的冷却气体量也是不一样的。对于热电联产系统中的燃气轮机，通常通过“以热定电”的方式来决定机组的发电量，在热用户建设初期，供热量较小达不到预期的规模，燃气轮机往往处于部分负荷运行工况，特别是功率等级较大的机组影响尤为显著。所以对于不能调节冷却气体量的透平转子冷却气体系统，通常按照所需最大冷却气体量的工况来设计管路系统，这样在其它工况下会出现冷却气体量过剩的情况，过多的冷却气体量会导致燃气轮机性能下降。

发明内容

本发明针对上述问题，为解决现有透平转子冷却系统对能量没有充分利用且冷却气体量不可调节的不足之处，本发明提供了一种新的燃气轮机透平转子冷却调节方法及冷却气体系统，该方法不仅可以对压气机排气(抽气)进行冷却，充分利用压气机排气(抽气)放出的热量，并且对抽气量进行调节，根据燃气轮机运行工况控制进入透平的冷却气体量，此外还能充分利用压气机排气的热量，提高燃气-蒸汽联合循环性能。

本发明首先提供一种：一种燃气轮机透平转子冷却调节方法，燃气轮机包括压气机、燃烧室、透平，所述压气机、透平之间连接有抽气管路，抽气管路上发有抽气调节阀，燃气轮机不同点位设有测温装置、测压装置，抽气调节阀、测温装置、测压装置通过信号线路连接控制系统，测温装置、测压装置将检测信号通过信号线路传送到控制系统，所述控制系统控制抽气调节阀和给水调节阀，以满足冷却燃气轮机透平叶片和轮盘所需气体的温度、流量，其特征在于：抽气管路上在压气机与抽气调节阀之间设有冷却气体的换热器，进入换热器的给水管路设有给水调节阀，该给水调节阀由控制系统控制，根据冷却燃气轮机透平叶片和轮盘所需的气体温度确定换热器排出并进入透平的冷却气体温度T₂，并通过调节进水流量m₁控制换热器排出的冷却气体温度T₂。

进一步的，所述冷却气体温度T₂由等式T₂＝f₁(Δ_t，m₁，T₁，Q₁)来确定，其中f₁是T₂，的函数，T_2，meas是流经换热器排出冷却气体温度T₂的测量值，Δ_t是换热器给水管路中进口、出口温差，m₁是换热器进水流量，T₁是压气机排气(抽气)温度，Q₁是由抽气调节阀控制的进入透平的冷却气体量。

进一步的，在控制系统中设置一个调节死区，确定T₂最大值和最小值，T_2，meas限定范围由等式T_2，min＜T_2，meas＝f₁(Δ_t，m₁，T₁，Q₁)＜T_2，max确定，T_2，min是进入透平的冷却气体温度的下限值，T_2，max是进入透平的冷却气体温度T₂的上限值，通过调节进水流量m₁将T_2，meas控制在所述等式限定范围内。

进一步的，抽气调节阀控制的进入透平的冷却气体量Q₁由等式Q₁＝f₂(P₁，P₂)确定，其中f₂是Q₁的函数，P₁是压气机排气气体压力，P₂是进入透平的冷却气体压力。

本发明第二个目的在提供一种用于执行燃气轮机透平转子冷却调节方法的冷却系统，燃气轮机包括压气机、燃烧室、透平，所述压气机、透平之间连接有抽气管路，抽气管路上设有用于调节排入透平内冷却气体量的抽气调节阀，燃气轮机不同点位设有测温装置、测压装置，抽气调节阀、测温装置、测压装置通过信号线路连接控制系统，测温装置、测压装置将检测信号通过信号线路传送到控制系统，所述控制系统控制抽气调节阀开闭以调节进入透平的气体流量大小，以满足冷却燃气轮机透平叶片和轮盘所需气体的温度、流量，所述压气机与抽气调节阀之间的抽气管路上还设有换热器，该换热器连接有给水管路，给水管路上设有测温装置，进入换热器的给水管路入口依次设有给水调节阀、流量检测装置。

本发明的优点：

1、本发明可以对压气机排气(抽气)进行冷却，并通过控制进水流量将换热器排出的气体温度控制在一定范围之内，以最少的冷却气体量达到最好的冷却效果，以满足冷却燃气轮机透平叶片和轮盘所需要的气体温度。

2、通过抽气调节阀对抽气量进行调节，可以根据机组的运行工况、对冷却气体量的不同需求精准调节压气机抽气量，调控进入透平中的冷却气体量Q₁，进一步地优化机组性能。在燃气轮机起动至升转速过程中，抽气调节阀开度开可以根据压气机特性曲线来确定，兼具防喘功能；当检测到压气机有失速团产生(接近喘振)时可以快速开大抽气阀，迅速增加压气机抽气，使机组远离喘振边界，兼具退喘功能。

3、利用余热锅炉连接换热器，充分利用压气机排气(抽气)放出的热量，在提高对热通道部件冷却效果的同时，还可以增加锅炉给水温度，提高燃气-蒸汽联合循环性能。

4、本发明加设了过滤器，在过滤器中对冷却了的气体进行过滤，避免进入机组热通道的冷却气体中含有杂质，堵塞密封间隙。

5、本发明在压气机气缸抽气口处设有增大抽气压力的扩压装置，补偿抽气经过管路、换热器、过滤器的阻力损失。

附图说明

图1是本发明的一种燃气轮机透平转子冷却系统的示意图。

图2是本发明的一种燃气轮机透平转子冷却系统的扩压装置的局部示意图。

图3是图2的B-B剖视图。

图4是本发明的一种燃气轮机透平转子冷却系统的热平衡图。

附图标记：

1-扩压装置；2-换热器；3-过滤器；4-抽气调节阀；5-抽气管路；6-测温装置；7-测压装置；8-给水调节阀；9-流量计；10-信号线路。

21-扩压装置；22-法兰；23-抽气管路。

41-扩压装置；42-换热器；43-过滤器；44-抽气调节阀；45-给水调节阀；46-给水旁通阀。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参考图1所示，一种燃气轮机透平转子冷却设计，主要由扩压装置1、换热器2、过滤器3、抽气调节阀4、抽气管路5、测温装置6、测压装置7、给水调节阀8、流量计9、信号线路10构成；所述扩压装置1集成在压气机气缸上，位于压气机抽气口；所述换热器2位于抽气管路中；所述过滤器3位于换热器下游；所述抽气调节阀4位于过滤器下游；所述测温装置6分别位于过换热器2前后的抽气管路上，以及锅炉给水的出入口处和排气缸上；所述测压装置7分别位于压气机气缸的抽气腔室中和透平转子冷却气体管路入口处；所述给水调节阀8位于进入换热器2的锅炉给水管路上游。所述流量计9位于给水调节阀8和换热器2之间。

燃气轮机不同点位设有测温装置6、测压装置，抽气调节阀4、测温装置6、测压装置7通过信号线路10连接控制系统，测温装置6、测压装置7将检测信号通过信号线路10传送到控制系统，所述控制系统控制抽气调节阀4以调节进入透平的气体流量大小，以满足冷却燃气轮机透平叶片和轮盘所需要温度、流量的气体。测温装置T1、T2分别位于换热器2前和换热器2后的抽气管路5上，所述测温装置T4、T5分别位于给水管路的入口、出口处，所述测温装置T3位于排气缸上；所述测压装置P1、P2分别位于压气机气缸的抽气腔室中和透平转子冷却气体管路入口处。

所述的燃气轮机透平转子冷却系统中部件的作用：

如图2、3所示，扩压装置21集成在压气机气缸上，位于压气机抽气口，通过法兰与抽气管路连接，该扩压装置可增大压气机排气(抽气)压力，补偿抽气管路、换热器、过滤器和抽气调节阀引起的压力损失。

换热器2：在换热器中利用锅炉给水冷却压气机排气(抽气)，同时也加热了锅炉给水，提高整个联合循环效率。

过滤器3：对压气机抽气进行过滤，避免进入机组热通道的冷却气体中含有杂质，堵塞密封间隙。

抽气调节阀4：根据燃气轮机不同工况下对冷却气体量的不同需求，利用抽气调节阀对压气机抽气量进行精确控制，优化冷却气体量提高机组性能。

测温装置6：测温装置分别位于换热器的上游和下游，用于检测换热器前后的压气机抽气温度是否处于设定范围内，温度信号传入控制系统。

测压装置7：测压装置分别位于压气机气缸抽气腔室处和透平转子冷却气体管路入口处，用于检测压气机抽气管路上下游的压力，如果出现压差过小或极端条件时下游压力大于上游压力的情况，应及时采取措施避免压气机抽气气流滞留或回流的情况出现。

给水调节阀8：给水调节阀位于进入换热器的锅炉给水管路上游，如果测温装置检测到换热器后的压气机抽气温度偏离了设定值，则控制系统控制给水调节阀，相应地增大或减小给水流量，将冷却后的压气机抽气温度控制在发定范围内。

流量计9：流量计给水调节阀8和换热器2之间，用于测量锅炉给水中进入换热器2的冷却水流量。

优选的是，换热器采用管壳换热器，压气机抽气走管程减少阻力损失，锅炉给水走壳程增大换热效率。由于压气机抽气压力比锅炉给水大，也不必担心水漏入气侧污染压气机抽气；

优选的是，过滤器采用叶片式过滤器，利用叶片使气体进行回转运动从而过滤掉其中的杂质，相比网目式过滤器不用安装滤芯，故可避免由于滤芯堵塞未及时发现导致抽气管路阻力过大。

所述的燃气轮机透平转子系统在燃气轮机运行过程中，压气机排气(抽气)通过扩压装置1进行增压，之后经过换热器2进行冷却，随后经过过滤器3对抽气进行过滤，再通过抽气调节阀4控制压气机抽气量，最后压气机抽气经过了冷却、过滤和调节进入透平转子，对透平转子、动叶和轮盘进行冷却。

冷却气体温度T₂由等式T₂＝f₁(Δ_t，m₁，T₁，Q₁)来确定，其中f₁是T₂的函数，T_2，meas是流经换热器排出冷却气体温度T₂的测量值，Δ_t是温度调节装置换热器给水管路中进口、出口温差，m₁是换热器进水流量，T₁是压气机排气(抽气)温度，Q₁是由抽气调节阀控制的进入透平的冷却气体量。然后根据透平叶片和轮盘的冷却需求确定冷却温度T₂，并设置一个调节死区，从而确定了T₂的最大限制值T_2，max和最小限制值T_2，min。温度区间的必要性在于如果冷却气体温度过高，则透平叶片和轮盘得不到充分冷却，导致超出材料允许温度；如果冷却气体温度过低，会直接降低燃机的功率和效率，此外最低冷却温度也不能超出换热器的冷却能力。冷却气体T2最大值和最小值应在设计阶段根据极限工况进行校核后确定，并留有安全余量，即为控制系统中对温度T₂调节的上下限值。

T_2，meas范围受到下面公式影响。

T_2，min＜T_2，meas＝f₁(Δ_t，m₁，T₁，Q₁)＜T_2，max

其中f₁是T₂的函数，T_2，meas是流经温度调节装置换热器排出冷却气体温度T₂的测量值，T_2，min是排气(抽气)冷却温度T₂的下限值，T_2，max是排气(抽气)冷却温度T₂的上限值，Δ_t是温度调节装置换热器给水管路中进口、出口温差，m₁是换热器进水流量，T₁是压气机排气(抽气)温度，Q₁是由抽气调节阀4控制的进入透平的冷却气体量。

再根据机组运行特性，避开预混燃烧的负荷切换点，将负荷分成几个阶段，确定各个负荷阶段中对应的压气机排气(抽气)冷却气体量Q₁。

在机组的运行过程中，如果冷却后的压气机排气(抽气)温度T_2，meas高于设定的上限值T_2，max，则通过控制给水调节阀8，增大给水流量m₁直到T_2，meas降低并小于T_2，max；如果T_2，meas低于设定的下限制值T_2，min，则给水调节阀8关小，直到T_2，meas升高并大于T_2，min。通过调节给水调节阀8就可将压气机排气(抽气)冷却温度T_2，meas控制在限定范围内。

在机组起动至升转速过程中，根据压气机特性曲线设定抽气调节阀开度，兼做防喘振用；在机组升负荷过程或部分负荷运行时，根据不同负荷阶段对压气机排气(抽气)冷却气体量Q₁的要求，通过抽气调节阀4对冷却气体量Q₁进行精确调节。抽气调节阀4应具备最小机械限位功能，防止系统故障或误操作关闭抽气调节阀4导致透平热通道超温。

根据机组运行特性，避开预混燃烧的负荷切换点，将负荷分成几个阶段，确定各个负荷阶段中对应的压气机排气(抽气)冷却气体量Q₁。机组在部分负荷下运行时，通过测量压气机抽气管路上、下游的压力P₁和P₂计算管路冷却气体流量Q₁。

Q₁＝f₂(P₁，P₂)

其中f₂是Q₁的函数，P₁是压气机排气气体压力，P₂是进入透平的冷却气体压力。

在机组部分负荷工况下，根据测量的压差P₁-P₂计算出此时的冷却气体量Q₁，如果Q₁大于该负荷阶段对应的冷却气体量，则将抽气调节阀4关小，如果Q₁小于该负荷阶段对应的冷却气体量，则相应地将抽气调节阀4开大，实现对冷却气体量Q₁进行精准控制，优化冷却气体量。

此外应设定一个最小压差P₁-P₂，当压差过小时能及时采取措，比如报警、跳机、调节抽气调节阀等，避免压气机排气(抽气)滞留或回流的情况出现。

参考图4所示，一种燃气轮机透平转子冷却系统的热平衡图。扩压装置1设在压气机抽气口，抽气管路上设有换热器42、过滤器43、抽气调节阀44，给水调节阀45经过换热器42加热后再进入余热锅炉。通过给水旁通阀46调节进入换热器的给水流量，适应联合循环的不同工况。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围内。虽然本发明已以实施例公开如上，但其并非用以限定本发明的保护范围，任何熟悉该项技术的技术人员，在不脱离本发明的构思和范围内所作的变动与润饰，均应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种燃气轮机透平转子冷却调节方法，燃气轮机包括压气机、燃烧室、透平，所述压气机、透平之间连接有抽气管路(5)，抽气管路(5)上设有抽气调节阀(4)，燃气轮机不同点位设有测温装置(6)、测压装置，抽气调节阀(4)、测温装置(6)、测压装置(7)通过信号线路(10)连接控制系统，测温装置(6)、测压装置(7)将检测信号通过信号线路(10)传送到控制系统，所述控制系统控制抽气调节阀(4)，以满足冷却燃气轮机透平叶片和轮盘所需气体的温度、流量，其特征在于：抽气管路上在压气机与抽气调节阀(4)之间设有冷却气体的换热器(2)，进入换热器(2)的给水管路设有给水调节阀(8)，该给水调节阀(8)由控制系统控制，根据冷却燃气轮机透平叶片和轮盘所需的气体温度确定换热器排出并进入透平的冷却气体温度T₂，通过调节给水调节阀(8)进水流量m₁控制换热器排出的冷却气体温度T₂，并通过抽气调节阀(4)控制透平的冷却气体流量，抽气调节阀(4)控制的进入透平的冷却气体量Q₁由等式

Q₁＝f₂(P₁，P₂)

确定，其中f₂是Q₁的函数，P₁是压气机排气气体压力，P₂是进入透平的冷却气体压力。

2.权利要求1所述的冷却调节方法，其特征在于：所述冷却气体温度T₂由等式

T₂＝f₁(Δ_t,m₁，T₁，Q₁)

来确定，其中f₁是T₂的函数，Δ_t是换热器(2)给水管路中进口、出口温差，T₁是压气机抽气温度。

3.权利要求2所述的冷却调节方法，其特征在于：在控制系统中设置一个调节死区，确定T₂最大值和最小值，T_2,meas是流经换热器(2)排出冷却气体温度T₂的测量值，T_2,meas的限定范围由不等式

T_2,min<T_2,meas<T_2,max

确定，T_2,min是进入透平的冷却气体温度T₂的下限值，T_2,max是进入透平的冷却气体温度T₂的上限值，通过调节进水流量m₁将T_2,meas控制在所述不等式限定的范围内。

4.权利要求1所述的冷却调节方法，其特征在于：设定最小报警压差值，其取值为P₁-P₂。

5.一种用于执行权利要求1-4任意一项所述方法的冷却系统，其特征在于：该换热器(2)连接有给水管路，给水管路上设有测温装置(6)，以及依次设有给水调节阀(8)、流量检测装置；所述测温装置分别位于换热器(2)前和换热器(2)后的抽气管路(5)上，所述测温装置还位于给水管路的出口处；所述测压装置分别位于压气机气缸的抽气腔室中和透平转子冷却气体管路入口处。

6.如权利要求5所述的冷却系统，其特征在于：所述换热器(2)与抽气调节阀(4)之间的抽气管路上还设有过滤器(3)。

7.如权利要求5所述的冷却系统，其特征在于：燃气轮机压气机气缸抽气口处设有增大抽气压力的扩压装置(1)。

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