專利名稱：控制渦輪機的部分負荷性能的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本說明書中所公開的主題涉及渦輪機，例如燃氣渦輪機。
背景技術(shù)：
燃氣渦輪機被設(shè)計成在峰值負荷或基本負荷下操作。渦輪機具有吸入流體并且壓縮流體的壓縮機、燃燒燃料以加熱流體的燃燒部段以及用經(jīng)加熱的流體發(fā)電的渦輪部段。當渦輪機在峰值負荷下操作時，渦輪機在預定燃燒水平下操作以驅(qū)動渦輪部段。然而，當渦輪機在非峰值負荷或部分負荷下操作時，渦輪機的效率減小。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，一種渦輪機包括吸入流體并且壓縮流體的壓縮機、燃燒燃料以通過加熱來自所述壓縮機的流體生成經(jīng)加熱的流體的燃燒部段、將經(jīng)加熱的流體轉(zhuǎn)換為功的渦輪部段、從所述渦輪部段輸出經(jīng)加熱的流體的排出部段、以及旁通回路，旁通回路通過接收來自壓縮機的經(jīng)壓縮的流體生成旁通流，用來自排出部段的經(jīng)加熱的流體加熱旁通流，并且將經(jīng)加熱的旁通流輸出到渦輪部段。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，一種發(fā)電系統(tǒng)包括:渦輪機和渦輪機控制單元，渦輪機具有吸入并且壓縮流體的壓縮機、加熱來自壓縮機的流體的燃燒部段、用來自燃燒部段的經(jīng)加熱的流體驅(qū)動軸的渦輪部段，從渦輪部段噴射經(jīng)加熱的流體的排出部段、以及旁通回路，旁通回路通過接收來自壓縮機的經(jīng)壓縮的流體的一部分生成旁通流并且將旁通流選擇性地引導到渦輪部段和排出部段，渦輪機控制單元在峰值模式和部分負荷模式中確定渦輪機的操作模式、 并且根據(jù)所確定的操作模式控制旁通回路將旁通流輸送到渦輪部段和排出部段中的一個。根據(jù)本發(fā)明的又一個方面，一種控制渦輪機的部分負荷性能的方法包括:通過去除來自渦輪機的壓縮機的經(jīng)壓縮的流體的一部分生成渦輪機中的旁通流；確定渦輪機的操作負荷；將旁通流輸送到渦輪機的渦輪部段；以及根據(jù)所確定的渦輪機的操作負荷選擇性地加熱旁通流。這些和其它優(yōu)點和特征將從結(jié)合附圖進行的以下描述變得更明顯。


在權(quán)利要求中特別地指出并且清楚地要求保護被認為是本發(fā)明的主題。本發(fā)明的前述部分和其它特征及優(yōu)點從結(jié)合附圖進行的以下詳細描述變得明顯，其中:圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一個方面的渦輪機。圖2示出了渦輪機和渦輪機控制單元。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的渦輪部段。圖4是示出渦輪機的控制操作的流程圖。圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的渦輪機。
通過例子并參考附圖，具體實施方式
解釋了本發(fā)明的實施例以及優(yōu)點和特征。
具體實施例方式圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的渦輪機I。渦輪機I包括進氣部段或壓縮機10、燃燒部段20、渦輪部段30和排出部段40。壓縮機10吸入流體并且在將流體輸送到燃燒部段20之前壓縮流體。根據(jù)本實施例，流體是空氣，并且壓縮機10包括多個級，每個級包括圍繞軸旋轉(zhuǎn)的環(huán)形葉片環(huán)和后續(xù)的環(huán)形輪葉環(huán)。燃燒部段20接收經(jīng)壓縮的空氣并且通過在燃燒室21中燃燒燃料F加熱經(jīng)壓縮的空氣。經(jīng)加熱的壓縮空氣輸送到渦輪部段30，在所述渦輪部段它驅(qū)動包括圍繞軸旋轉(zhuǎn)的葉片的轉(zhuǎn)子，并且旋轉(zhuǎn)軸發(fā)電。排出部段40接收來自渦輪部段30的經(jīng)加熱的空氣并且輸出該經(jīng)加熱的空氣。在本發(fā)明的本實施例中，渦輪機I也包括旁通回路50。旁通回路50包括將來自壓縮機10的空氣輸送到閥51的管路52、將空氣從閥51輸送到渦輪的管路53、以及將空氣從閥51輸送到排出部段40的管路54。另外，管路55將來自排出部段40的空氣輸送到渦輪部段30。

排出部段40包括加熱來自管路54的空氣的熱交換器41。經(jīng)加熱的空氣然后經(jīng)由管路55輸送到渦輪部段30。在峰值操作或基本負荷操作期間，閥51關(guān)閉到管路54的空氣流，并且允許從管路52到管路53的空氣流。因此，較冷空氣提供給渦輪部段30以冷卻渦輪部段的部件，例如軸、葉片和噴嘴。然而，當冷空氣在部分負荷操作期間提供給渦輪部段30時，渦輪機I的效率減小。因此，在部分負荷操作期間，閥51關(guān)閉到管路53的空氣流，并且允許通過管路54到排出部段40的空氣流。空氣流動通過排出部段40的熱交換器41并且通過管路55從排出部段40到渦輪部段30。因此，從熱交換器41通過管路55流動到渦輪部段30的空氣被加熱，由此通過減小從燃燒部段20到渦輪部段30的空氣的熱損失而增加渦輪部段的效率。換句話說，根據(jù)本發(fā)明的本實施例，渦輪部段30的部件在峰值負荷操作期間由旁通回路50被冷卻以防止部件的過熱，同時較高溫度從燃燒部段20輸出到渦輪部段30。然而，在部分負荷操作期間，其中從燃燒部段20輸出到渦輪部段30的溫度相對于峰值操作較低，旁通回路50將經(jīng)加熱的空氣提供給渦輪部段30以減小從燃燒部段20提供的空氣的熱損失。因此，滿足峰值負荷操作期間冷卻部件和部分負荷操作期間增加效率的雙重目的。圖2示出了渦輪機控制系統(tǒng)。渦輪機控制系統(tǒng)包括渦輪機I和渦輪機控制單元60。渦輪機控制單元60例如包括處理單元61、存儲器62和接口單元63。渦輪機控制單元60經(jīng)由端子68接收輸入數(shù)據(jù)I，并且經(jīng)由端子64、65、66和67輸出控制信號A、B、C和D。在操作期間，渦輪機控制單元60接收指令或命令以在部分負荷下操作渦輪機I。指令輸入到接口單元63，所述接口單元包括有線端口和無線端口或天線中的至少一種。接口單元63將指令I(lǐng)發(fā)送到處理單元61。處理單元61確定指令I(lǐng)是否對應(yīng)于部分負荷操作并且相應(yīng)地控制控制信號A-D。根據(jù)一個實施例，處理單元61比較指令I(lǐng)中的負荷的水平和存儲在存儲器62中的預定水平以確定指令I(lǐng)是否對應(yīng)于部分負荷操作。例如，控制信號A通過調(diào)節(jié)進氣控制裝置12的特性調(diào)節(jié)壓縮機10的進氣。在本實施例中，進氣控制裝置12是在相鄰輪葉之間具有可調(diào)節(jié)開口的輪葉和風扇中的一種?？刂菩盘朆控制燃燒室21的入口 22以在部分負荷操作中減小到燃燒室21的燃料輸入?？刂菩盘朇調(diào)節(jié)經(jīng)由管路24從燃料供給23供應(yīng)到燃燒室21燃料。控制信號D控制閥51以在部分負荷操作中閉合出口 57并且打開出口 58。在峰值負荷操作期間，旁通回路50經(jīng)由出口 11吸入來自壓縮機10的空氣。該空氣經(jīng)由入口 56進入閥51并且經(jīng)由出口 57離開閥51。較冷空氣穿過管路53并且經(jīng)由入口31進入渦輪部段30。在非峰值或部分負荷操作期間，較冷空氣經(jīng)由出口 58離開閥51，穿過管路54，并且經(jīng)由入口 42進入排出部段40的熱交換器41。經(jīng)加熱的空氣經(jīng)由出口 43離開排出部段40，穿過管路55，并且經(jīng)由入口 32進入渦輪部段30。為了清楚并且為了圖示目的，圖2示出了連接到渦輪部段30的相對側(cè)的管路53和55。然而，根據(jù)一些實施例，管路53和55均在圍繞渦輪部段的多個位置處將空氣引入到渦輪部段30中。盡管圖2示出了連接到獨立入口 31和32的獨立管路53和55，但是根據(jù)一些實施例，管路53和55彼此連接。圖3示出了彼此連接以將空氣引入到相同入口中的管路53和55的例子。如圖3中所示，管路53和55的每一個連接到連接管路71，所述連接管路給送到渦輪部段30的殼體76中的入口 72。入口 72對應(yīng)于圖2的入口 31和32。渦輪部段30包括軸73 (所述軸具有 圍繞軸73旋轉(zhuǎn)的葉片74)，以及包括輪葉75的噴嘴，在所述輪葉75之間具有開口以從燃燒部段20的方向?qū)⒖諝庖龑У饺~片74上以驅(qū)動軸73。在本實施例中，入口 72位于對應(yīng)于輪葉75的位置。由箭頭表示的從旁通回路50進入渦輪部段30中的空氣流動到入口 72中，在位于輪葉75內(nèi)的管中沿著輪葉75的長度向下，在軸73的附近離開輪葉75，并且進入輪葉75和葉片74之間的空間中。盡管圖3示出了連接到連接管路71的管路53和55，但是根據(jù)備選實施例，管路53和55連接到對應(yīng)于每個輪葉75的獨立入口。在其它實施例中，管路53和55連接到交替輪葉75。圖4是示出渦輪機I的控制操作的流程圖。在操作301中，檢測操作模式。渦輪機控制單元60接收輸入指令或命令I(lǐng)以在預定負荷下操作渦輪機I。如果在操作302中確定渦輪機I正在峰值負荷下操作，則旁通回路50中的來自壓縮機10的空氣或旁通流直接輸送到渦輪部段30，繞過排出部段40。在這樣的情況下，渦輪機控制單元60輸出控制信號B-D以將燃料的峰值負荷水平提供給燃燒室21，閉合從旁通閥51到排出部段40的出口58，并且打開從旁通閥51到渦輪部段30的出口 57。另外，根據(jù)一些實施例，渦輪機控制單元60通過用控制信號A控制進氣控制裝置12來控制達到峰值負荷水平的進氣水平。如果在操作302中確定渦輪機I正在部分負荷下操作，則來自壓縮機10的旁通流轉(zhuǎn)向通過排出部段40的熱交換器41以加熱旁通流。渦輪機控制部段60檢測到指令I(lǐng)將在部分負荷下操作渦輪機I，并且調(diào)節(jié)控制信號B-D以減小提供給燃燒室21的燃料，閉合來自旁通閥51的出口 57，并且打開來自旁通閥51的出口 58。來自旁通閥51的旁通流通過管路54流動到熱交換器41，并且經(jīng)加熱的旁通流經(jīng)由管路55返回到渦輪部段30。因此，在峰值負荷操作期間，冷卻旁通流施加到渦輪部段30以將渦輪部段30的部件的溫度保持在預定范圍內(nèi)，并且在部分負荷操作期間，冷卻旁通流被加熱并且供應(yīng)到渦輪部段30以改善渦輪機I的操作效率。
盡管以上實施例將旁通流描述為由排出部段40加熱，但是根據(jù)備選實施例，任何加熱源可以用于該加熱。圖5示出了渦輪機1，其中旁通回路50將旁通流選擇性地通過加熱單元80輸送。加熱單元80例如包括排出部段40、蒸汽源、熱交換器和燃料燃燒單元中的任何一種。盡管僅僅結(jié)合有限數(shù)量的實施例詳細地描述了本發(fā)明，但是應(yīng)當容易理解本發(fā)明不限于這樣的公開實施例。相反地，本發(fā)明可以進行修改以包含到目前為止未描述、但是與本發(fā)明的精神和范圍一致的任何數(shù)量的變型、更改、替代或等效布置。另外，盡管已描述了本發(fā)明的各實施例，但是應(yīng)當理解本發(fā)明的方面可以僅僅包括所述實施例中的一些。因此，本發(fā)明不應(yīng)當被認為由前面的描 述限制，而是僅僅由所附的權(quán)利要求的范圍限制。
權(quán)利要求
1.一種渦輪機，其包括: 壓縮機，所述壓縮機吸入流體并且壓縮流體； 燃燒部段，所述燃燒部段燃燒燃料以通過加熱來自所述壓縮機的流體生成經(jīng)加熱的流體； 渦輪部段，所述渦輪部段將經(jīng)加熱的流體轉(zhuǎn)換為功；以及 旁通回路，所述旁通回路通過接收來自所述壓縮機的經(jīng)壓縮的流體生成旁通流，根據(jù)所述渦輪機的操作模式選擇性地加熱所述旁通流，并且將所述旁通流輸出到所述渦輪部段。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機，其特征在于，當所述渦輪機在部分負荷模式下操作時所述旁通回路加熱所述旁通流，并且當所述渦輪機在峰值負荷模式下操作時所述旁通回路不加熱所述旁通流。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機，其特征在于，所述渦輪機還包括: 排出部段，所述排出部段輸出經(jīng)加熱的來自所述渦輪部段的流體， 其中所述旁通回路通過使所述旁通流穿過所述排出部段而加熱所述旁通流。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的渦輪機，其特征在于，所述旁通回路包括閥以將來自所述壓縮機的所述旁通流選擇性地輸出到所述排出部段和所述渦輪部段中的一個。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的渦輪機，其特征在于，當所述渦輪機在部分負荷模式下操作時所述閥將所述旁通流輸出到所述排出部段，并且當所述渦輪機在峰值負荷模式下操作時所述閥將所述旁通流輸出到所述渦輪部段。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的渦輪機，其特征在于，所述旁通回路還包括: 第一管路，所述第一管路將來自所述壓縮機的所述旁通流輸送到所述閥； 第二管路，所述第二管路將來自所述閥的所述旁通流輸送到所述渦輪部段； 第三管路，所述第三管路將來自所述閥的所述旁通流輸送到所述排出部段；以及 第四管路，所述第四管路將來自所述排出部段的所述旁通流輸送到所述渦輪部段。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的渦輪機，其特征在于，所述第二管路和所述第四管路彼此連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的渦輪機，其特征在于，所述排出部段包括熱交換器、將來自所述閥的所述旁通流輸送到所述熱交換器的入口、以及將來自所述熱交換器的所述旁通流輸送到所述渦輪部段的出口。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機，其特征在于，所述渦輪部段包括多個輪葉，所述多個輪葉將經(jīng)加熱的流體引導到葉片的多個環(huán)形級，并且 所述旁通回路將所述旁通流輸出到所述渦輪部段的所述多個輪葉。
10.一種發(fā)電系統(tǒng),其包括: 渦輪機，所述渦輪機具有吸入并且壓縮流體的壓縮機、加熱來自所述壓縮機的流體的燃燒部段、用由所述燃燒部段加熱的流體驅(qū)動軸的渦輪部段、從所述渦輪部段噴射流體的排出部段、以及旁通回路，所述旁通回路通過接收由所述壓縮機壓縮的流體的一部分生成旁通流并且將所述旁通流選擇性地引導到所述渦輪部段和所述排出部段；以及 渦輪機控制單元，所述渦輪機控制單元確定所述渦輪機的操作模式，并且根據(jù)所確定的操作模式控制所述旁通回路，以將所述旁通流輸送到所述渦輪部段和所述排出部段中的一個。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述渦輪機控制單元控制所述渦輪機的所述旁通回路以當所述渦輪機在峰值負荷操作模式下操作時將所述旁通流直接輸送到所述渦輪部段，并且當所述渦輪機在部分負荷操作模式下操作時將所述旁通流輸送到所述排出部段。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述渦輪機控制單元接收輸入指令以在預定操作模式下操作所述渦輪機，分析所述輸入指令以確定所述渦輪機的操作模式，以及輸出控制信號以控制所述燃燒部段中的燃燒的水平、并且當所述渦輪機在峰值負荷操作模式下操作時將所述旁通流直接輸送到所述渦輪部段、并且當所述渦輪機在部分負荷操作模式下操作時將所述旁通流輸送到所述排出部段。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述渦輪機的旁通回路包括從所述排出部段到所述渦輪部段的管路，以將來自所述排出部段的所述旁通流引導到所述渦輪部段。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述渦輪機的所述排出部段包括熱交換器，并且 所述旁通回路將所述旁通流從所述旁通回路輸送到所述熱交換器并且從所述熱交換器輸送到所述渦輪部段。
15.一種控制渦輪機的部分負荷性能的方法，所述方法包括: 通過去除來自渦輪機的壓縮機的經(jīng)壓縮的流體的一部分生成渦輪機中的旁通流； 確定所述渦輪機的操作負荷； 將所述旁通流輸送到所述渦輪機的渦輪部段；以及 根據(jù)所確定的所述渦輪機的操作負荷選擇性地加熱所述旁通流。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，當確定所述渦輪機在峰值負荷下操作時，所述旁通流被直接輸送到所述渦輪部段，并且 當確定所述渦輪機在部分負荷下操作時，所述旁通流在被輸送到所述渦輪部段之前被加熱。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，當確定所述渦輪機在部分負荷下操作時所述渦輪機的排出部段加熱所述旁通流。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，選擇性地加熱所述旁通流包括控制閥，從而當未加熱所述旁通流時閉合到所述渦輪機的排出部段的管路，并且當加熱所述旁通流時閉合到所述渦輪部段的管路。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，確定所述渦輪機的操作負荷包括: 接收指令以在預定操作負荷下操作所述渦輪機；以及 分析所述指令以確定所述渦輪機的所述操作負荷。
全文摘要
本發(fā)明提供一種控制渦輪機的部分負荷性能的方法和裝置，該方法包括通過去除來自渦輪機的壓縮機的經(jīng)壓縮的流體的一部分生成渦輪機中的旁通流；確定渦輪機的操作負荷；將旁通流輸送到渦輪機的渦輪部段；以及根據(jù)所確定的渦輪機的操作負荷選擇性地加熱旁通流。
文檔編號F02C9/00GK103244273SQ20131004741
公開日2013年8月14日 申請日期2013年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月6日
發(fā)明者R.J.里德 申請人:通用電氣公司