[发明专利]带冷却空气冷却系统的燃气涡轮和其低负载运行方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种带冷却空气冷却系统的燃气涡轮，并且还涉及一种用于在尤其较低的部分负载下运行这种燃气涡轮的方法。本发明尤其涉及这样一种燃气涡轮，其具有冷却空气冷却系统，冷却空气冷却系统在压缩机侧处在第一放气管下游的放气管处抽取空气，从而抽取不同压力水平下的冷却空气以用于冷却涡轮部件的目的。

背景技术

与关于这种燃气涡轮的性能和效率的需求并列的是，这些需求一方面在高应力的机器构件的冷却以及另一方面在冷却系统的设计和尺寸方面正在日益增加。从运行安全的观点来看，需要在燃气涡轮所有可能的运行条件下保证充分的冷却。对于在低电力需求时期以较低的部分负载运转的燃气涡轮尤其如此。

基本上，燃气涡轮和燃气涡轮联合循环被认为在负载上是非常灵活的。它们在负载跟踪方面以及在起动的情况下是快速的。然而，如果当前燃气涡轮尤其在非常低的部分负载下进行运行时，关于环境适应性，并且从涡轮部件的充分冷却和燃烧器中稳定燃烧的观点来看存在问题。当这种燃气涡轮在非常低的部分负载下，在可变入口导叶关闭或几乎关闭的条件下进行运行时，热气体温度下降，并因此限制了预混合的燃烧稳定性。此外，在这种情形下，用于涡轮冷却空气的足够压力的供给也将下降，并且从冷却系统流向涡轮的冷却空气流可能下降到可容许的下限之下。在现有技术中，具有冷却系统的燃气涡轮是已知的，其在压缩机处包括不同压力水平下的不同的放气管，从而将足够质量流量的冷却空气供给涡轮部件。来自这种冷却系统的更下游放气管的冷却空气在压力和温度方面是较高的，这是为什么必须降低温度，以便为冷却系统提供足够冷却的原因。出于这个目的，在现有技术中已经提出一种冷却系统，其中在第一冷却空气管线的下游设置了第二冷却空气管线，并且从第二冷却空气管线得到的空气在引入到涡轮中之前被冷却下来。

这种在较低的部分负载范围内进行运行的燃气涡轮的又一问题是，当负载在过渡时间快速变化时，压缩机外壳和导叶支架比压缩机的转子叶片收缩得更快。由于压缩机构件的热变形方面的这个差异，压缩机叶片或导叶的末端间隙变得比稳定的部分负载运行时更小，这可能要么导致这些部件的接触，或者可能需要更高的稳态间隙，这对于压缩机效率是有害的。

发明内容

考虑到上面的问题，本发明的一个目的是提供一种燃气涡轮以及一种用于在非常低的负载下以改进的冷却系统的冷却效率且以环境相容的方式运行燃气涡轮的方法。本发明的又一目的是为这种燃气涡轮提供灵活且大范围负载运行模式的可能性，从而避免压缩机的部件或元件在过渡时间的退化。

这个问题通过具有权利要求1的特征的燃气涡轮，以及通过根据权利要求11的步骤运行燃气涡轮的方法来解决。在从属权利要求中限定了本发明的优选实施例和进一步的发展。

根据本发明的燃气涡轮包括压缩机、燃烧器、涡轮和冷却空气冷却系统，冷却空气冷却系统具有从压缩机的第一放气管通向涡轮的至少第一冷却空气管线，以及相对于第一冷却空气管线位于压缩机下游位置的至少第二冷却空气管线，其特征在于，在第二冷却空气管线中设置了热交换器，以用于冷却抽取的较高压力的空气，并且热交换器与压缩机的空气入口侧相连接，使得传递热量，以便加热压缩机的入口空气。通过这些措施，冷却空气的温度在燃气涡轮较低的部分负载运行时也变得足够低，因为通过热交换器除去了第二冷却空气管线中的空气的热量。根据本发明从冷却空气中除去的热量还被传递给压缩机的入口侧，以便加热入口空气或至少入口空气的一部分，这确保燃烧室中具有足够高的气体温度。根据本发明的燃气涡轮因此不仅提供了一种更高效的冷却空气冷却系统，而且还减少了有关燃气涡轮在较低的部分负载状况下稳定燃烧的问题。因此也能够使燃气涡轮在非常低的负载下，尤其在稳定负载的15%的负载或甚至更低负载下运转，同时具有非常低的NO_X和CO的排放。

第二冷却空气管线例如可连接在第一放气管下游的第二放气管上，或者例如连接在压缩机下游的压缩机稳压室上。在带有中间冷却的压缩机的情况下，放气管还可设置在来回中间冷却器的管线中。