本公開大體涉及燃氣渦輪發(fā)電站，諸如聯(lián)合循環(huán)或聯(lián)合生產(chǎn)發(fā)電站。更特別地，本公開涉及用于通過排氣風門和壓縮氣體供應來控制燃氣渦輪排氣能量的系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

諸如聯(lián)合循環(huán)或聯(lián)合生產(chǎn)發(fā)電站的燃氣渦輪發(fā)電站一般包括燃氣渦輪，燃氣渦輪具有壓縮機、燃燒器、渦輪、在渦輪下游的熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)和可操作地連接到HRSG上的蒸汽渦輪。在運行期間，空氣通過入口系統(tǒng)進入壓縮機，并且在進入燃燒器之前，隨著其朝壓縮機排氣殼發(fā)送，空氣逐步被壓縮。一部分壓縮氣體與燃料混合且在限定在燃燒器內(nèi)的燃燒室內(nèi)燃燒，從而產(chǎn)生高溫和高壓燃燒氣體。

燃燒氣體沿著熱氣路徑從燃燒器發(fā)送通過渦輪，在渦輪中，隨著燃燒氣體流經(jīng)成交替級的固定導葉和聯(lián)接到轉(zhuǎn)子軸上的可旋轉(zhuǎn)渦輪葉片，燃燒氣體逐步膨脹。動能從燃燒氣體傳遞到渦輪葉片，因而使轉(zhuǎn)子軸旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子軸的旋轉(zhuǎn)能可通過發(fā)電機轉(zhuǎn)換成電能。燃燒氣體通過渦輪的出口作為排氣離開，并且排氣發(fā)送到HRSG。來自排氣的熱能可傳遞到流過HRSG的一個或多個熱交換器的水，從而產(chǎn)生過熱蒸汽。然后過熱蒸汽可發(fā)送到蒸汽渦輪中，以產(chǎn)生額外的電，并且/或者可發(fā)送過熱蒸汽來支持發(fā)電站或聯(lián)合生產(chǎn)地點處的各種輔助運行，因而提高整體發(fā)電站或聯(lián)合生產(chǎn)能力。

燃氣渦輪的輸出在某些環(huán)境和負載條件下可受到限制，以便避免定位在渦輪出口處或其附近的渦輪轉(zhuǎn)子葉片的機械/振動極限。這個輸出限制與排氣離開渦輪出口時的軸向出口速度有關(guān)。一旦達到最大軸向出口速度或馬赫數(shù)，就用控制方法降低或減小燃氣渦輪的輸出，以便不超過允許機械極限。因此，聯(lián)合或聯(lián)合生產(chǎn)循環(huán)運行的發(fā)電機/功率輸出和/或熱能輸出就降低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

下面在以下描述中闡述本公開的各方面和優(yōu)點，或者根據(jù)該描述，本公開的各方面和優(yōu)點是明顯的，或者可通過實踐本公開來實習本公開的各方面和優(yōu)點。

本公開的一個實施例涉及發(fā)電站。發(fā)電站包括燃氣渦輪，其具有在壓縮機下游的燃燒器、設(shè)置在燃燒器下游的渦輪和在渦輪的出口下游的排氣導管，其中，排氣導管接收來自渦輪出口的排氣。排氣風門可操作地連接到排氣導管的下游端上，并且與排氣導管處于流體連通的壓縮氣體供應設(shè)置在渦輪出口的下游且在排氣風門的上游。排氣風門(當至少部分地關(guān)閉時)和壓縮氣體供應(當接合時)提高渦輪出口處的背壓，并且限制離開渦輪出口的排氣的軸向出口速度。

本公開的一個實施例涉及一種用于控制發(fā)電站輸出的方法。方法包括通過控制器的輸入來選擇發(fā)電站的燃氣渦輪的運行模式，通過設(shè)置在渦輪出口下游的排氣風門來限制離開渦輪的出口的排氣流，以及通過在渦輪出口的下游且在排氣風門的上游的壓縮氣體供應，將壓縮氣體噴射到排氣導管中，其中限制排氣流和噴射壓縮氣體會提高渦輪出口處的排氣背壓。

技術(shù)方案1. 一種發(fā)電站，包括：

燃氣渦輪，其包括在壓縮機下游的燃燒器、設(shè)置在所述燃燒器下游的渦輪和在所述渦輪的出口下游的排氣導管，其中，所述排氣導管接收來自所述渦輪出口的排氣；

排氣風門，其可操作地連接到所述排氣導管的下游端上；以及

壓縮氣體供應，其在所述渦輪出口下游且在所述排氣風門上游與所述排氣導管處于流體連通，其中，所述排氣風門和所述壓縮氣體供應提高所述渦輪出口處的背壓，并且限制離開所述渦輪出口的所述排氣的軸向出口速度。

技術(shù)方案2. 根據(jù)技術(shù)方案1所述的發(fā)電站，其特征在于，所述排氣風門是閘刀式風門。

技術(shù)方案3. 根據(jù)技術(shù)方案1所述的發(fā)電站，其特征在于，所述排氣風門是百葉窗風門。

技術(shù)方案4. 根據(jù)技術(shù)方案1所述的發(fā)電站，其特征在于，所述壓縮氣體供應包括所述燃氣渦輪的壓縮機。

技術(shù)方案5. 根據(jù)技術(shù)方案1所述的發(fā)電站，其特征在于，所述壓縮氣體供應包括輔助送風機或風扇。

技術(shù)方案6. 根據(jù)技術(shù)方案1所述的發(fā)電站，其特征在于，所述壓縮氣體供應包括排氣再循環(huán)系統(tǒng)。

技術(shù)方案7. 根據(jù)技術(shù)方案6所述的發(fā)電站，其特征在于，所述排氣再循環(huán)系統(tǒng)與設(shè)置在所述排氣風門下游的排氣抽取端口處于流體連通。

技術(shù)方案8. 根據(jù)技術(shù)方案1所述的發(fā)電站，其特征在于，所述發(fā)電站進一步包括熱回收蒸汽發(fā)生器，其具有可操作地連接到所述排氣風門的下游端上的入口部分，其中，所述入口部分接收來自所述排氣風門的所述排氣。

技術(shù)方案9. 根據(jù)技術(shù)方案1所述的發(fā)電站，其特征在于，所述發(fā)電站進一步包括控制器，其電子地聯(lián)接到所述排氣風門和所述壓縮氣體供應上，其中，所述控制器基于由壓力傳感器提供的排氣背壓數(shù)據(jù)信號產(chǎn)生第一信號和第二信號，所述第一信號使所述排氣風門至少部分地打開或至少部分地關(guān)閉，所述第二信號使所述壓縮氣體供應將壓縮氣體噴射到所述排氣導管中，所述壓力傳感器電子地連接到所述控制器上，并且設(shè)置在所述排氣風門上游且在所述渦輪出口附近。

技術(shù)方案10. 根據(jù)技術(shù)方案1所述的發(fā)電站，其特征在于，所述發(fā)電站進一步包括控制器，其電子地聯(lián)接到所述排氣風門和所述壓縮氣體供應上，其中，所述控制器基于由流速傳感器提供的軸向出口速度數(shù)據(jù)信號產(chǎn)生第一信號和第二信號，所述第一信號使所述排氣風門至少部分地打開或至少部分地關(guān)閉，所述第二信號使所述壓縮氣體供應將壓縮氣體噴射到所述排氣導管中，所述流速傳感器電子地連接到所述控制器上，并且設(shè)置在所述風門的上游，在所述渦輪出口附近。

技術(shù)方案11. 根據(jù)技術(shù)方案1所述的發(fā)電站，其特征在于，所述發(fā)電站進一步包括控制器，其電子地聯(lián)接到所述排氣風門和所述壓縮氣體供應上，其中，所述控制器至少部分地基于由溫度傳感器提供的排氣溫度數(shù)據(jù)信號產(chǎn)生第一信號和第二信號，所述第一信號使所述排氣風門至少部分地打開或至少部分地關(guān)閉，所述第二信號使所述壓縮氣體供應將壓縮氣體噴射到所述排氣導管中，所述溫度傳感器電子地連接到所述控制器上，并且設(shè)置在所述風門的上游，在所述渦輪出口附近。

技術(shù)方案12. 根據(jù)技術(shù)方案1所述的發(fā)電站，其特征在于，所述發(fā)電站進一步包括控制器，其電子地聯(lián)接到所述排氣風門和所述壓縮氣體供應上，其中，所述控制器至少部分地基于由功率監(jiān)測器產(chǎn)生的功率輸出信號產(chǎn)生第一信號和第二信號，所述第一信號使所述排氣風門至少部分地打開或至少部分地關(guān)閉，所述第二信號使所述壓縮氣體供應將壓縮氣體噴射到所述排氣導管中，所述功率監(jiān)測器電子地連接到所述控制器和發(fā)電機上，所述發(fā)電機聯(lián)接到所述蒸汽渦輪上。

技術(shù)方案13. 根據(jù)技術(shù)方案1所述的發(fā)電站，其特征在于，所述發(fā)電站進一步包括設(shè)置在所述排氣風門下游的蒸汽渦輪。

技術(shù)方案14. 根據(jù)技術(shù)方案1所述的發(fā)電站，其特征在于，所述發(fā)電站進一步包括控制器，其電子地聯(lián)接到所述排氣風門和所述壓縮氣體供應上，其中，所述控制器至少部分地基于由蒸汽流量傳感器產(chǎn)生的蒸汽流率信號產(chǎn)生第一信號和第二信號，所述第一信號使所述排氣風門至少部分地打開或至少部分地關(guān)閉，所述第二信號使所述壓縮氣體供應將壓縮氣體噴射到所述排氣導管中，所述蒸汽流量傳感器定位在所述蒸汽渦輪的下游，并且電子地連接到所述控制器上。

技術(shù)方案15. 一種用于控制發(fā)電站輸出的方法，包括：

選擇發(fā)電站的燃氣渦輪的運行模式；

通過設(shè)置在所述渦輪出口下游的排氣風門來限制離開所述渦輪的出口的排氣流；以及

通過在所述渦輪出口下游且在所述排氣風門上游的壓縮氣體供應，將壓縮氣體噴射到所述排氣導管中；

其中，限制排氣流和噴射壓縮氣體會提高所述渦輪出口處的排氣背壓和排氣能量。

技術(shù)方案16. 根據(jù)技術(shù)方案15所述的方法，其特征在于，所述方法進一步包括完全打開設(shè)置在所述燃氣渦輪的壓縮機的入口處的入口導葉。

技術(shù)方案17. 根據(jù)技術(shù)方案15所述的方法，其特征在于，所述方法進一步包括通過設(shè)置在所述排氣風門內(nèi)的傳感器來在上游監(jiān)測所述排氣的軸向出口速度，以及通過電子地聯(lián)接到一個或多個控制閥上的控制器，基于所述軸向出口速度，控制所述壓縮氣體的流率。

技術(shù)方案18. 根據(jù)技術(shù)方案15所述的方法，其特征在于，所述壓縮氣體供應包括所述燃氣渦輪的壓縮機、輔助送風機或風扇中的至少一個。

技術(shù)方案19. 根據(jù)技術(shù)方案15所述的方法，其特征在于，所述壓縮氣體供應包括排氣再循環(huán)系統(tǒng)。

本發(fā)明還涉及以下實施例：

實施例1. 一種發(fā)電站(10)，包括：

燃氣渦輪(12)，其包括在壓縮機(14)下游的燃燒器(16)、設(shè)置在所述燃燒器(16)下游的渦輪(18)和在所述渦輪(18)的出口下游的排氣導管(44)，其中，所述排氣導管(44)接收來自所述渦輪出口的排氣(42)；

排氣風門(64)，其可操作地連接到所述排氣導管(44)的下游端(66)上；以及

壓縮氣體供應(68)，其在所述渦輪出口的下游且在所述排氣風門(64)的上游與所述排氣導管(44)處于流體連通，其中，所述排氣風門(64)和所述壓縮氣體供應(68)提高所述渦輪出口處的背壓，并且限制離開所述渦輪出口的所述排氣(42)的軸向出口速度。

實施例2. 根據(jù)實施例1所述的發(fā)電站(10)，其特征在于，所述排氣風門(64)是閘刀式風門(64)。

實施例3. 根據(jù)實施例1所述的發(fā)電站(10)，其特征在于，所述排氣風門(64)是百葉窗風門(64)。

實施例4. 根據(jù)實施例1所述的發(fā)電站(10)，其特征在于，所述壓縮氣體供應(68)包括所述燃氣渦輪(12)的壓縮機(14)。

實施例5. 根據(jù)實施例1所述的發(fā)電站(10)，其特征在于，所述壓縮氣體供應(68)包括輔助送風機(86)。

實施例6. 根據(jù)實施例1所述的發(fā)電站(10)，其特征在于，所述壓縮氣體供應(68)包括排氣再循環(huán)系統(tǒng)(82)。

實施例7. 根據(jù)實施例6所述的發(fā)電站(10)，其特征在于，所述排氣再循環(huán)系統(tǒng)(82)與設(shè)置在所述排氣風門(64)下游的排氣抽取端口(78)處于流體連通。

實施例8. 根據(jù)實施例1所述的發(fā)電站(10)，其特征在于，所述發(fā)電站(10)進一步包括熱回收蒸汽發(fā)生器(48)，其具有可操作地連接到所述排氣風門(64)的下游端(72)上的入口部分(70)，其中，所述入口部分(70)接收來自所述排氣風門(64)的所述排氣(42)。

實施例9. 根據(jù)實施例1所述的發(fā)電站(10)，其特征在于，所述發(fā)電站(10)進一步包括控制器(100)，其電子地聯(lián)接到所述排氣風門(64)和所述壓縮氣體供應(68)上，其中，所述控制器(100)基于由壓力傳感器提供的排氣(42)背壓數(shù)據(jù)信號產(chǎn)生第一信號和第二信號，所述第一信號使所述排氣風門(64)至少部分地打開或至少部分地關(guān)閉，所述第二信號使所述壓縮氣體供應(68)將壓縮氣體(76)噴射到所述排氣導管(44)中，所述壓力傳感器電子地連接到所述控制器(100)上，并且設(shè)置在所述排氣風門(64)上游且在所述渦輪出口附近。

實施例10. 根據(jù)實施例1所述的發(fā)電站(10)，其特征在于，所述發(fā)電站(10)進一步包括控制器(100)，其電子地聯(lián)接到所述排氣風門(64)和所述壓縮氣體供應(68)上，其中，所述控制器(100)基于由流速傳感器提供的軸向出口速度數(shù)據(jù)信號產(chǎn)生第一信號和第二信號，所述第一信號使所述排氣風門(64)至少部分地打開或至少部分地關(guān)閉，所述第二信號使所述壓縮氣體供應(68)將壓縮氣體(76)噴射到所述排氣導管(44)中，所述流速傳感器電子地連接到所述控制器(100)上，并且設(shè)置在所述風門(64)的上游，在所述渦輪出口附近。

實施例11. 根據(jù)實施例1所述的發(fā)電站(10)，其特征在于，所述發(fā)電站(10)進一步包括控制器(100)，其電子地聯(lián)接到所述排氣風門(64)和所述壓縮氣體供應(68)上，其中，所述控制器(100)至少部分地基于由溫度傳感器提供的排氣(42)溫度數(shù)據(jù)信號產(chǎn)生第一信號和第二信號，所述第一信號使所述排氣風門(64)至少部分地打開或至少部分地關(guān)閉，所述第二信號使所述壓縮氣體供應(68)將壓縮氣體(76)噴射到所述排氣導管(44)中，所述溫度傳感器電子地連接到所述控制器(100)上，并且設(shè)置在所述風門(64)上游，在所述渦輪出口附近。

實施例12. 根據(jù)實施例1所述的發(fā)電站(10)，其特征在于，所述發(fā)電站(10)進一步包括控制器(100)，其電子地聯(lián)接到所述排氣風門(64)和所述壓縮氣體供應(68)上，其中，所述控制器(100)至少部分地基于由功率監(jiān)測器產(chǎn)生的功率輸出信號產(chǎn)生第一信號和第二信號，所述第一信號使所述排氣風門(64)至少部分地打開或至少部分地關(guān)閉，所述第二信號使所述壓縮氣體供應(68)將壓縮氣體(76)噴射到所述排氣導管(44)中，所述功率監(jiān)測器電子地連接到所述控制器(100)和發(fā)電機上，所述發(fā)電機聯(lián)接到所述蒸汽渦輪(18)上。

實施例13. 根據(jù)實施例1所述的發(fā)電站(10)，其特征在于，所述發(fā)電站(10)進一步包括設(shè)置在所述排氣風門(64)下游的蒸汽渦輪(18)。

實施例14. 根據(jù)實施例13所述的發(fā)電站(10)，其特征在于，所述發(fā)電站(10)進一步包括控制器(100)，其電子地聯(lián)接到所述排氣風門(64)和所述壓縮氣體供應(68)上，其中，所述控制器(100)至少部分地基于由蒸汽流量傳感器產(chǎn)生的蒸汽流率信號產(chǎn)生第一信號和第二信號，所述第一信號使所述排氣風門(64)至少部分地打開或至少部分地關(guān)閉，所述第二信號使所述壓縮氣體供應(68)將壓縮氣體(76)噴射到所述排氣導管(44)中，所述蒸汽流量傳感器定位在所述蒸汽渦輪(18)下游，并且電子地連接到所述控制器(100)上。

在審閱說明書之后，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將更好地理解這樣的實施例的特征和方面。

附圖說明

在說明書的其余部分中更具體地對本領(lǐng)域技術(shù)人員闡述完整和能夠?qū)嵤┑墓_，包括其最佳模式，說明書參照了附圖，其中：

圖1是根據(jù)本公開的一個實施例的示例性的基于燃氣渦輪的循環(huán)/聯(lián)合生產(chǎn)發(fā)電站的示意圖；以及

圖2是用于控制發(fā)電站和/或燃氣渦輪輸出的方法的流程圖。

部件列表

10發(fā)電站

12燃氣渦輪

14壓縮機

16燃燒器

18渦輪

20入口導葉

22空氣

24壓縮空氣

26燃料

28燃料供應

30燃燒氣體

32渦輪轉(zhuǎn)子葉片

34轉(zhuǎn)子軸

36最后排

38下游端

40發(fā)電機

42排氣

44排氣導管

46熱交換器/鍋爐

48HRSG

50蒸汽

52蒸汽渦輪

54發(fā)電機

56軸

58設(shè)施

60流量/溫度傳感器/監(jiān)測器

62流量/溫度傳感器/監(jiān)測器

64排氣風門

66下游端-排氣導管

68壓縮氣體供應

70入口部分

72下游端-排氣風門

74百葉窗

76壓縮氣體

78抽取端口

80輔助壓縮機

82排氣再循環(huán)系統(tǒng)

84抽取端口

86送風機/風扇

88壓力傳感器

90流速傳感器

92溫度傳感器

94功率傳感器

96控制閥

100控制器

102輸入信號-出口背壓

104輸入信號-軸向出口速度

106輸入信號-排氣溫度

108輸入信號-功率輸出

110輸入信號-蒸汽流率

112輸入信號-蒸汽流率

114輸入信號-蒸汽溫度

116輸入信號-蒸汽溫度

118控制信號-通往排氣風門

120控制信號-通往壓縮氣體供應

122控制信號-通往入口導葉

200方法

202步驟

204步驟

206步驟。

具體實施方式

現(xiàn)在將詳細參照本公開的實施例，在附圖中示出實施例的一個或多個示例。詳細描述使用數(shù)字和字母名稱來引用圖中的特征。在圖和描述中使用相同或相似名稱來引用本公開內(nèi)的相同或相似部件。如本文所用，用語“第一”、“第二”和“第三”可互換地用來區(qū)分一個構(gòu)件與另一個構(gòu)件，并且不意于表示單獨的構(gòu)件的位置或重要性。用語“上游”和“下游”指的是相對于流體路徑中的流體流的相對方向。例如，“上游”指的是流體流出的方向，而“下游”指的是流體流去的方向。

本文使用的用語僅僅是為了描述特定實施例且不意于為限制性的。如本文所用，單數(shù)形式“一種”、“一”和“該”意于也包括復數(shù)形式，除非上下文另有指示。將進一步理解的是，當在本說明書中使用時，用語“包括”和/或“包含”規(guī)定存在所附述的特征、整數(shù)、步驟、操作、元件和/或構(gòu)件，但不排除存在或添加一個或多個其它特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、構(gòu)件和/或它們的組合。

以說明本公開而非限制本公開的方式提供各個示例。實際上，對本領(lǐng)域技術(shù)人員將明顯的是，可對本公開作出修改和改變，而不偏離本公開的范圍或精神。例如，被示為或描述成一個實施例的一部分的特征可用于另一個實施例，以產(chǎn)生又一個實施例。因而，意于的是本公開覆蓋落在所權(quán)利要求及其等效方案的范圍內(nèi)的這樣的修改和變型。

在傳統(tǒng)聯(lián)合生產(chǎn)發(fā)電站中，燃料和空氣供應到燃氣渦輪?？諝馔ㄟ^燃氣渦輪的入口傳送到燃氣渦輪中的燃燒器上游的壓縮機區(qū)段中。在空氣被燃燒器加熱之后，加熱空氣和過程中產(chǎn)生的其它氣體(即，燃燒氣體)傳送通過渦輪區(qū)段。來自燃氣渦輪的排氣從渦輪區(qū)段傳送到燃氣渦輪的排氣區(qū)段，并且流到熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)，HRSG通過一個或多個熱交換器從排氣中抽取熱，以產(chǎn)生蒸汽。

在某些情況下，可為合乎需要的是，將燃氣渦輪發(fā)電機輸出和/或排氣熱能提高到可超過正常燃氣渦輪運行極限的水平，極限與渦輪轉(zhuǎn)子葉片(尤其是定位在渦輪出口處或其附近的那些)的機械/振動設(shè)計極限有關(guān)。本文描述的實施例提供一種用于控制燃氣渦輪和/或發(fā)電站熱和/或功率輸出的系統(tǒng)和方法。通過提高渦輪出口處的背壓和/或渦輪壓力比，系統(tǒng)和方法降低來自渦輪出口的排氣的軸向出口速度，從而降低和/或防止渦輪轉(zhuǎn)子葉片顫振，特別是在定位在渦輪出口處或其附近的最后一級渦輪轉(zhuǎn)子葉片處的顫振，因而允許燃氣渦輪高于正常設(shè)計極限運行，并且因而提高整體燃氣渦輪或發(fā)電站功率和/或熱輸出。

調(diào)節(jié)渦輪排氣背壓和排氣能量的能力會增加運行靈活性，使得在額定燃氣渦輪運行條件下可產(chǎn)生更多過程蒸汽，而無需HRSG補充燃燒的協(xié)助，從而對運營商提供產(chǎn)生較多燃氣渦輪功率或較多輸出過程蒸汽的選擇。作為間接好處，燃氣渦輪可在較低的功率輸出下運行，同時遵守排放，因為用不那么高效的燃氣渦輪循環(huán)提高排氣壓力結(jié)果，同時使燃燒系統(tǒng)保持處于恒定的運行狀況。

本文提供的實施例提供優(yōu)于現(xiàn)有基于燃氣渦輪的簡單循環(huán)、聯(lián)合生產(chǎn)或聯(lián)合循環(huán)發(fā)電站的各種技術(shù)優(yōu)點。例如，本文提供的系統(tǒng)和對應的方法可允許應用較小的燃氣渦輪來在不允許有HRSG補充燃燒時滿足顧客規(guī)定的過程蒸汽需求要求。即使包括HRSG補充燃燒，這個系統(tǒng)和方法也可降低所需的HRSG燃燒量，這典型地改進排氣煙囪NOx排放，而且也許會提高整個聯(lián)合熱和功率循環(huán)效率。這個系統(tǒng)還可改進最大可用燃氣渦輪功率輸出和最大可用過程蒸汽之間的運行靈活性。這個系統(tǒng)和方法可與構(gòu)造有排氣再循環(huán)系統(tǒng)的燃氣渦輪結(jié)合，而且可提高其運行。系統(tǒng)和方法可允許在高峰電力需求時期期間產(chǎn)生額外的電功率，而且/或者可對HRSG生產(chǎn)額外的排氣能量，以便在聯(lián)合生產(chǎn)運行的高峰需要時期期間提高蒸汽生產(chǎn)。

現(xiàn)在參照附圖，其中相同標號在圖中指示相同元件，圖1提供具有蒸汽生產(chǎn)能力的示例性燃氣渦輪發(fā)電站10的功能框或流程圖。發(fā)電站10包括可結(jié)合本公開的各種實施例的燃氣渦輪12。燃氣渦輪12大體包括成連續(xù)流順序的壓縮機14、具有一個或多個燃燒器16的燃燒區(qū)段和渦輪18。燃氣渦輪12還可包括入口導葉20，其設(shè)置在壓縮機14的入口或上游端處。在運行中，空氣22流經(jīng)入口導葉20且流到壓縮機14中。壓縮機14對空氣22施加動能來產(chǎn)生壓縮氣體，如箭頭24示意性地指示的那樣。入口導葉20可在完全打開位置和部分關(guān)閉位置之間調(diào)節(jié)，以控制進入壓縮機14的空氣22的流率。

壓縮空氣24與燃料26混合，諸如來自燃料供應系統(tǒng)28的天然氣，以在燃燒器(一個或多個)16內(nèi)形成可燃混合物?？扇蓟旌衔锶紵a(chǎn)生燃燒氣體，如箭頭30示意性地指示的那樣，燃燒氣體具有高溫、高壓和高速度。隨著燃燒氣體30流過渦輪18，動能從燃燒氣體30傳遞到聯(lián)接到轉(zhuǎn)子軸34上的各排渦輪轉(zhuǎn)子葉片32，從而使轉(zhuǎn)子軸34旋轉(zhuǎn)和產(chǎn)生功。渦輪轉(zhuǎn)子葉片32布置成沿著轉(zhuǎn)子軸34的多個沿軸向間隔開的排或級。最后一級36渦輪轉(zhuǎn)子葉片32定位在渦輪18的出口或下游端38處或其附近。

渦輪18可具有兩個或更多個級，例如，低壓區(qū)段和高壓區(qū)段。在一個實施例中，渦輪18可為雙軸渦輪，雙軸渦輪包括低壓區(qū)段和高壓區(qū)段。在特定構(gòu)造中，渦輪18可具有3級或更多級渦輪轉(zhuǎn)子葉片32。轉(zhuǎn)子軸34可聯(lián)接到壓縮機14上且驅(qū)動它產(chǎn)生壓縮空氣24。備選地或另外，轉(zhuǎn)子軸34可將渦輪18連接到發(fā)電機40上來產(chǎn)生電。燃燒氣體30在流過渦輪18時失去熱和動能，并且在排氣42通過可操作地聯(lián)接到渦輪出口38上的排氣導管或擴散器44時，燃燒氣體30離開渦輪18的出口38。

在特定實施例中，排氣導管44可通過各種管子、導管、閥等來在流體方面聯(lián)接到熱交換器或鍋爐46上。熱交換器46可為獨立構(gòu)件，或者可為熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)48的構(gòu)件。在各種實施例中，熱交換器46可用來從排氣42中抽取熱能來產(chǎn)生蒸汽50。在特定實施例中，蒸汽50然后可通過各種管子、閥或管道等發(fā)送到蒸汽渦輪52，以通過聯(lián)接到蒸汽渦輪52的軸56上的發(fā)電機54產(chǎn)生額外的功率或電。

在特定實施例中，蒸汽50的至少一部分可從熱交換器46和/或蒸汽渦輪52輸送到現(xiàn)場或非現(xiàn)場設(shè)施58，該設(shè)施將蒸汽50分配給用戶，以及/或者利用蒸汽來進行輔助運行，諸如產(chǎn)生熱或者其它工業(yè)運行或過程。可通過一個或多個傳感器或流量監(jiān)測器來監(jiān)測來自熱交換器46的蒸汽溫度和/或蒸汽流率或輸出。例如，在一個實施例中，可分別在熱交換器46的下游和/或蒸汽渦輪52的下游提供一個或多個溫度傳感器或流量監(jiān)測器60、62。

在各種實施例中，發(fā)電站10包括排氣風門或排氣風門系統(tǒng)64，其可操作地連接到渦輪18的下游端38和/或排氣導管44的下游端66，并且定位在熱交換器46和/或HRSG 48的上游。發(fā)電站10進一步包括壓縮氣體供應或壓縮氣體供應系統(tǒng)68，其在排氣風門64的上游與排氣導管44處于流體連通。在一個實施例中，HRSG48的入口部分或?qū)Ч?0可操作地連接到排氣風門64的下游端72上，使得入口部分70接收來自排氣風門64的排氣42。

排氣風門64可為適合其預期使用的任何類型的流風門或流限制器。例如，在特定實施例中，排氣風門64可構(gòu)造有單個阻擋門，它可在打開位置和關(guān)閉位置之間旋轉(zhuǎn)90度。在一個實施例中，排氣風門64可包括成圓形布置的多個阻擋門，它們通過機械連桿同時促動。在一個實施例中，排氣風門64可包括雙重阻擋門，它們在關(guān)閉期間夾在一起，因而提供偽噴嘴作用，特別是在排氣導管44為正方形/長方形時。

在一個實施例中，排氣風門64可為百葉窗風門，其具有一個或多個百葉窗74，它們可通過機械、電力、氣動或液壓促動器等在完全打開位置或至少部分地關(guān)閉位置之間促動，以便提高或降低渦輪出口38處或其附近的排氣背壓BP，從而控制離開渦輪出口38的排氣42的軸向出口速度。在一個實施例中，排氣風門64可為閘刀式風門。閘刀式風門可包括一個或多個門，它們可通過機械、電力、氣動或液壓促動器在完全打開位置或至少部分地關(guān)閉位置之間促動，以便提高或降低渦輪出口38處的背壓BP，從而控制離開渦輪出口38的排氣42的軸向出口速度。

在各種實施例中，壓縮氣體供應68可接合或啟動，以便將諸如空氣或排氣的壓縮或加壓氣體76噴射到排氣風門64上游的排氣導管44中，從而提高渦輪出口38處的背壓BP，以及控制或修改離開渦輪出口38的排氣42的軸向出口速度。壓縮氣體76可處于至少等于或大于渦輪出口38附近的排氣導管內(nèi)部的壓力的壓力，或者在該壓力下噴射。因此，與傳統(tǒng)燃氣渦輪運行相比，發(fā)電站10可在高需求或高峰需求時期期間產(chǎn)生更多電，并且/或者產(chǎn)生更多熱能來生產(chǎn)蒸汽，而不損害渦輪轉(zhuǎn)子葉片壽命。

在特定實施例中，壓縮氣體供應68可包括燃氣渦輪12的壓縮機14。例如，在一個實施例中，至少一個壓縮機抽取端口78和各種流體管道和聯(lián)接件可提供流徑，以從壓縮機14中抽取一部分壓縮空氣24，以及將壓縮空氣24作為壓縮氣體76發(fā)送到排氣風門64上游的排氣導管44，從而提高渦輪出口38處的背壓BP。在特定實施例中，壓縮氣體供應68包括輔助送風機或風扇80。輔助送風機80可包括軸向壓縮機。各種流體管道和/或聯(lián)接件可提供流徑，以將來自輔助送風機80的壓縮氣體76發(fā)送到排氣風門64上游的排氣導管44中，從而提高渦輪出口38處的背壓BP。壓縮氣體供應68可包括軸向壓縮機或類似裝置，以對排氣導管44上游的壓縮氣體76加壓。

在特定實施例中，壓縮氣體供應68包括排氣再循環(huán)系統(tǒng)82上，或者在流體方面聯(lián)接到其上。排氣抽取端口84設(shè)置在排氣風門下游且與各種流體管道和/或聯(lián)接件處于流體連通，排氣抽取端口84可提供流徑，以將來自排氣風門64下游的點的一部分排氣42發(fā)送回到排氣風門64上游的位置處的排氣導管44，從而進一步提高渦輪出口38處的背壓BP。在特定實施例中，排氣再循環(huán)系統(tǒng)82包括送風機或壓縮機86，其使噴射點上游的排氣42的壓力提高到等于或大于排氣導管44內(nèi)的排氣42壓力的壓力。

在運行中，排氣風門64與壓縮氣體供應68一起可接合來通過至少部分地關(guān)閉排氣風門64(從而在排氣42離開渦輪出口38時限制/降低排氣42的軸向出口速度)以及通過增加排氣導管44內(nèi)的氣體/空氣的體積來提高在排氣風門64上游的渦輪出口38處的排氣背壓BP。渦輪出口38處或其附近的排氣背壓BP像這樣提高可允許提高燃氣渦輪或發(fā)電站輸出能力，因為燃氣渦輪不減載來避免渦輪軸向出口速度極限。例如，通過至少部分地關(guān)閉排氣風門64以及通過壓縮氣體供應68提高排氣背壓BP，從而降低軸向出口速度，運營商可提高燃氣渦輪和/或發(fā)電站功率和/或熱能輸出，而不超過渦輪轉(zhuǎn)子葉片32的機械或振動設(shè)計極限，特別是最后的渦輪級36的渦輪轉(zhuǎn)子葉片32。因此，與傳統(tǒng)燃氣渦輪運行相比，發(fā)電站10可在高需求或高峰需求時期期間產(chǎn)生更多電，以及/或者產(chǎn)生更多熱能來生產(chǎn)蒸汽，而不損害渦輪轉(zhuǎn)子葉片。

在各種實施例中，發(fā)電站10包括電子地聯(lián)接到排氣風門64上的控制器100?？刂破?00可為基于微處理器的處理器，它包括非暫時性內(nèi)存，而且具有計算算法的能力。例如，控制器100可結(jié)合通用電氣SPEEDTRONIC?燃氣渦輪控制系統(tǒng)，諸如(但不限于)紐約斯克內(nèi)克塔迪的GE電&水系統(tǒng)公司的制造或用于GE電&水系統(tǒng)公司的SPEEDTRONIC?Mark VI或Mark VIe燃氣渦輪控制系統(tǒng)?？刂破?00還可結(jié)合計算機系統(tǒng)，它具有處理器(一個或多個)，處理器執(zhí)行存儲在內(nèi)存中的程序，以使用傳感器輸入和來自人類操作者的指令，來控制燃氣渦輪的運行。

在特定實施例中，控制器100編程成促動排氣風門64和/或接合壓縮氣體供應68，以控制渦輪18的渦輪出口38處或其附近的排氣背壓BP，諸如在排氣風門64上游的排氣導管44中?？刂破?00還可編程成促動入口導葉20，從而增加或減小進入壓縮機14的空氣22的體積。

控制器100可編程有軸向出口速度極限或值，其對應于從渦輪出口38流出的排氣42的預先限定的軸向流速度極限。軸向出口速度極限可存儲在控制器100的內(nèi)存中，或者可由操作者實時地輸入到控制器中。軸向出口速度極限可至少部分地基于渦輪18的各種軟件構(gòu)件的特定設(shè)計極限，諸如(但不限于)渦輪轉(zhuǎn)子葉片32的振動/機械設(shè)計極限，特別是最后一排36渦輪轉(zhuǎn)子葉片32。

在運行中，控制器100可接收一個或多個輸入數(shù)據(jù)信號，它們對應于來自設(shè)置在渦輪出口38處或其附近和/或設(shè)置在排氣導管44內(nèi)的壓力傳感器88的一個或多個排氣背壓102，以及/或者來自設(shè)置在渦輪出口38處或其附近和/或設(shè)置在排氣導管44內(nèi)的流速傳感器90的軸向出口速度104?？刂破?00可接收一個或多個數(shù)據(jù)輸入信號，它們對應于來自設(shè)置在渦輪出口38處或其附近和/或設(shè)置在排氣導管44內(nèi)的溫度傳感器92的排氣溫度106?？刂破?00可接收一個或多個數(shù)據(jù)輸入信號，它們對應于來自聯(lián)接到燃氣渦輪發(fā)電機40上的功率傳感器94的功率輸出108。控制器100可接收一個或多個數(shù)據(jù)輸入信號，它們對應于通過傳感器60、62中的一個或它們兩者得到的蒸汽流率110、112和/或蒸汽溫度114、116。

在特定實施例中，至少部分地基于信號102、104、106、108、110、114和/或116中的一個或多個，控制器100可通過下者來調(diào)整燃氣渦輪輸出和/或發(fā)電站輸出(即功率輸出和/或熱輸出)：產(chǎn)生和/或感測使得排氣風門64在完全打開位置和至少部分地關(guān)閉位置之間移動的合適的控制信號118和接合或啟動壓縮氣體供應68以便將壓縮氣體76噴射到排氣風門64上游的排氣導管44中的一個或多個控制信號(一個或多個)120，從而控制渦輪出口38處的排氣背壓BP，因而通過控制渦輪出口38處或其附近的排氣42的軸向出口速度，來提高燃氣渦輪12和/或發(fā)電站10的功率和/或熱輸出。

在特定實施例中，控制器100基于壓力傳感器88提供的排氣背壓數(shù)據(jù)信號102來產(chǎn)生和/或發(fā)送使排氣風門64至少部分地打開或至少部分地關(guān)閉的控制信號118，并且產(chǎn)生和/或發(fā)送使壓縮氣體供應68將壓縮氣體76噴射到排氣導管44中的控制信號120。在特定實施例中，控制器100基于流速傳感器90提供的軸向出口速度數(shù)據(jù)信號104來產(chǎn)生和/或發(fā)送使排氣風門64至少部分地打開或至少部分地關(guān)閉的控制信號118，并且產(chǎn)生和/或發(fā)送使壓縮氣體供應68將壓縮氣體76噴射到排氣導管44中的控制信號120。

在特定實施例中，控制器100至少部分地基于溫度傳感器92提供的排氣溫度數(shù)據(jù)信號106來產(chǎn)生和/或發(fā)送使排氣風門64至少部分地打開或至少部分地關(guān)閉的控制信號118，并且產(chǎn)生和/或發(fā)送使壓縮氣體供應68將壓縮氣體76噴射到排氣導管44中的控制信號120。在特定實施例中，控制器100至少部分地基于功率監(jiān)測器或傳感器94產(chǎn)生的功率輸出信號108來產(chǎn)生和/或發(fā)送使排氣風門64至少部分地打開或至少部分地關(guān)閉的控制信號118，并且產(chǎn)生和/或發(fā)送使壓縮氣體供應68將壓縮氣體76噴射到排氣導管44中的控制信號120。在特定實施例中，控制器100至少部分地基于蒸汽流量/蒸汽溫度傳感器60、62產(chǎn)生的蒸汽流率信號110、112和/或蒸汽溫度信號114、116來產(chǎn)生和/或發(fā)送使排氣風門64至少部分地打開或至少部分地關(guān)閉的控制信號118，并且產(chǎn)生和/或發(fā)送使壓縮氣體供應68將壓縮氣體76噴射到排氣導管44中的控制信號120。

在特定實施例中，控制器100可對入口導葉20產(chǎn)生和/或發(fā)送使入口導葉22朝完全打開位置促動或偏置的控制信號122，從而提高進入到壓縮機14中的空氣流體積，并且提高燃氣渦輪10的熱輸出。在特定實施例中，控制器100可對入口導葉20產(chǎn)生和/或發(fā)送使入口導葉22朝部分地關(guān)閉位置促動或偏置的控制信號122，從而減小進入到壓縮機14中的空氣流體積，并且減少燃氣渦輪10的熱輸出。控制信號122基于信號102、104、106、108、110、112、114、116中的一個或多個使導葉20在打開位置或關(guān)閉位置之間偏置。

本文描述的各種實施例提供用于控制燃氣渦輪和/或發(fā)電站輸出的方法200。在一個實施例中，在步驟202處，方法200包括選擇發(fā)電站的燃氣渦輪的運行模式，例如，通過通往控制器100的輸入。運行模式可對應于在發(fā)電站熱速率方面優(yōu)化發(fā)電站或燃氣渦輪輸出的運行模式。運行模式可對應于諸如在高峰功率需求期間想要提高或最大化功率輸出和/或用于蒸汽生產(chǎn)的其它熱輸出的運行模式。在步驟204處，方法200包括限制通過排氣風門64離開渦輪18的出口38的排氣42的流量。步驟206，方法200包括在渦輪出口38下游且在排氣風門64上游的位置處通過壓縮氣體供應68將壓縮氣體76噴射到排氣導管44中，使得限制排氣42的流量和噴射壓縮氣體76會提高排氣渦輪出口處的背壓BP，從而提高燃氣渦輪12和/或發(fā)電站10的功率輸出和/或熱輸出。

方法200還可包括完全打開入口導葉22，從而提高進入到壓縮機中的空氣流量和提高燃氣渦輪功率輸出。方法200還可包括通過傳感器88監(jiān)測在排氣風門64上游的排氣42的軸向出口速度，以及通過電子地聯(lián)接到控制器100上的壓縮氣體供應68的控制器100和一個或多個流量控制閥94和/或送風機86，基于軸向出口速度信號104來控制壓縮氣體76的流率。

雖然已經(jīng)在本文示出和描述了特定實施例，但應當理解的是，計劃實現(xiàn)相同目的的任何布置可代替所顯示的特定實施例，而且本公開可在其它環(huán)境中應用。本申請意于覆蓋本公開的任何修改或變型。所附權(quán)利要求決不意于將本公開的范圍局限于本文描述的特定實施例。