[发明专利]操作带有单轴燃气涡轮的功率设备的方法及功率设备

说明书

技术领域

本发明涉及用于燃气涡轮功率设备的操作方法和构造成执行这种方法的燃气涡轮。

背景技术

在基本负载和高负载下，现代燃气涡轮通常利用贫预混火焰操作以满足排放要求。为了对所有操作条件确保稳定的燃烧，已设计出例如从EP0718470获知的复杂操作方法。

燃气涡轮和燃气涡轮联合循环被认为是非常灵活的。它们可在快速起动后以高速率加载。根据设计和操作方法，在不到10分钟内加载至基本负载是可行的。需要这些特征来平衡消费者的快速变化负载要求以及来自其它功率生成源(例如风能)的变化供应，使得电力生成始终等于电力消耗。

为了以低排放操作，燃气涡轮的燃烧器必须以预混模式操作。用于功率生成的单燃烧器燃气涡轮通常对于高于约40%相对负载(相对于燃气涡轮的基本负载功率输出的功率输出)的负载点可以带有低排放的预混操作模式操作。带有顺序燃烧的燃气涡轮对于低至10%相对燃气涡轮负载左右的负载点可以带有低排放的预混操作模式操作。对于低于上述相对负载点的稳定操作，燃烧器可利用扩散火焰操作。然而，扩散火焰可引起高排放，并且在这些条件下的操作可能受当地法律条例约束。

在与低电价结合的低电力需求时段期间使燃气涡轮或燃气涡轮联合循环功率设备以最低可能负载操作具有以下优点：可以以高加载梯度(50MW/min或更大)在任何时间完成快速加载。在这些条件下，燃气涡轮和蒸汽涡轮的构件保持在材料温度水平，这允许与以前未点燃的燃气涡轮和冷蒸汽涡轮通过点火的起动相比带有大幅减少寿命消耗的快速加载。这对于联合循环操作尤其真实，其中蒸汽循环构件在它们由于快速加载梯度而暴露于满载温度的情况下承受热-机械应力。另外，避免了燃气涡轮起动失败的风险，这是一个显著益处。

然而，以低负载操作可由于所消耗燃料而引起显著成本。在40%相对负载下，燃料消耗可由于远低于基本负载效率的部分负载效率而介于基本负载燃料消耗的约50%和70%之间。这些燃料成本可通过进一步减载而降低。此外，在低需求时，电网可能无法接受由功率设备产生的功率。

用于满足低负载操作(以低于40%的相对负载操作)的一个先决条件是燃烧稳定性。然而，对于干式NO_x排放减少而言为优选技术的贫预混燃烧通常具有相对较窄的可燃性范围。贫预混火焰的可燃性极限例如远窄于扩散火焰的那些；通常它们小大约一个数量级。可燃性极限描述火焰的稳定性。

为了控制氮氧化物(“NO_x”)的形成并将火焰保持在稳定范围内，已提出使来自压缩机区段的压缩空气的一部分绕开燃烧器周围，尤其是在部分负载操作期间。这种绕开例如从US5557920获知。然而，进入涡轮的空气由于旁通空气的掺和而具有低温度，且因此涡轮的排气与基本负载或高负载条件相比具有低温度。因此，当一旦电网需要功率输出而加载设备时，在后续锅炉或热回收蒸汽发生器中产生的蒸汽比在基本负载下更冷，这可引起由锅炉供给的蒸汽涡轮中的高热应力或者例如减少的负载梯度或保持点等限制。

发明内容

本公开的一个方面是提出一种通过清洁稳定燃烧在低负载或无负载下操作燃气涡轮设备的方法。该燃气涡轮设备包括单轴燃气涡轮，该单轴燃气涡轮带有：压缩机，其对入口空气加压，该入口空气在燃烧器中与燃料混合并点燃以生成燃烧气体；涡轮，其从离开燃烧器的热气体提取能量；一个轴，其连接压缩机和涡轮；以及第一发电机，其以固定传动比机械地联接至燃气涡轮的轴。该燃气涡轮设计成以当第一发电机与电网同步时燃气涡轮转动的速度操作。该燃气涡轮至少对于高部分负载和基本负载以该设计速度操作。

提出了一种用于以备用(stand-by)模式操作这种带有单轴燃气涡轮的功率设备的方法。根据所提出的方法，燃气涡轮以恒定速度操作，该恒定速度低于当第一发电机与电网同步时燃气涡轮转动的速度。

通过以降低的速度(即低于当第一发电机同步时燃气涡轮转动的速度的速度)操作，压缩机入口质量流可相对于在同步速度下的压缩机入口质量流减小。由于减小的入口空气质量流，燃烧器中的燃料空气比可增加，从而实现带有低排放和低燃料消耗的稳定燃烧。此外，燃烧压力由于减小的入口空气质量流而降低。带有很低燃烧压力的燃气涡轮的备用操作引起NO_x排放的减少。

所提出的方法允许带有低排放和高涡轮排气温度的良好稳定燃烧。由于减小的质量流，压缩机的功率消耗减小。因此，涡轮不需要产生与用以在同步速度下驱动压缩机的功率一样多的功率来驱动压缩机。因此，减小的质量流实现了带有低燃料消耗的操作。高排气温度可提高后续蒸汽循环的效率并因此帮助进一步使燃料消耗最小化。