[发明专利]用于在延长的停机时段中控制燃气涡轮机转子温度的方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于使燃气涡轮发动机转子变暖的方法和装置，具体地涉及在延长的停机时段中控制燃气涡轮机转子温度的方法，该方法使用蒸汽来加热从燃气涡轮机壳体(enclosure)取得的空气，该空气之后被直接送至转子。在可替换的实施例中，该方法在延长的停机时段中利用辅助的锅炉蒸汽来加热被送至经选择的转子通道的空气。

背景技术

燃气涡轮发动机通常包括压缩机部分、燃烧器部分和为产生电力而旋转的至少一个涡轮机。压缩机将进料直接排放到燃烧器部分中，在燃烧器部分中碳氢化合物燃料被注入、混合并燃烧。燃烧气体然后被引导至并穿过涡轮机的一级或多级，涡轮机从燃烧气体获得旋转能量。当燃气涡轮机启动时，燃气涡轮机转子叶片的温度非常快速地升高，因为叶片暴露于非常高温度的排出气体。与内周转子组件相比，由于来自叶片的热传导，涡轮机的外周部分的温度也非常快速地增加。因此，温度增加的速率倾向于在转子的内侧比在外侧更慢。组件的传导性差异也会引起转子组件的内周和外周之间的温度差，从而在启动期间产生附加热应力。由于发动机的旋转，在启动期间还存在单独的离心应力。

因此，当发动机例如在周期性维护期间处于空转时，转子上的热应力和离心应力的组合更高。结果，在延长的停机时段之后的启动期间，转子盘会受到显著的热应力和机械应力，并且由于启动期间特别是在转子盘处或附近产生的振动而易于遭到过早失效。

用于联合循环发电厂的常规转子变暖结构的示例包括中央气体流动通道，气体从压缩机被送入到转子中的中央通道。通常，压缩气体的一部分经过从中央通道分出的分支而被引入到燃气涡轮机叶片中。用于在启动之前使转子变暖的另一已知方法依赖于围绕转子的电加热系统。但是，这种系统会过分昂贵，并且经常不能充分避免在启动期问的温度差。空气和电系统也都不会使用在同一发电厂内可获得的现场蒸汽而利用潜在加热和获得成本节约效益。

发明内容

本发明的首要目的是提供通过使用来自蒸汽涡轮机或可替换地来自外部蒸汽源的一部分流动来加热来源于燃气涡轮机壳体的空气而在延长的停机时段中保持燃气涡轮机转子温暖的方法和装置。更高温度的空气转而作为用于转子腔和叶片的更有效的主热源。

如下所述，一种用于使燃气涡轮发动机的转子变暖的新方法包括如下步骤：将环境空气流供应至鼓风机以增加空气压力；从鼓风机的排出物中获取压缩空气的一部分，并同时将部分空气流供应至(例如，壳式和管式)热交换器的一侧；将(通常为饱和的)蒸汽供应至同一热交换器的另一侧；使所得的加热空气流从热交换器进入并穿过转子内部的限定流动通道；在变暖操作期间连续监测转子内部的空气温度；和使用反馈控制回路根据在转子内部检测的温度来控制供应至热交换器的空气和蒸汽的量。反馈控制数据还可以用于监测和调整加热空气流进入转子中的流率。

本发明还包括一种用于在停机时段中使燃气涡轮机的转子变暖的相关结构，该结构包括：鼓风机；用于使用来自内部蒸汽源的热量来加热来自鼓风机的压缩空气的热交换器，进入和离开转子的多个空气通道，空气通道的尺寸和数量足以运送规定量的加热空气穿过转子以将涡轮机叶片和转子腔加热到均匀温度；进入和离开热交换器的蒸汽流体流动通道；和用于控制供应至热交换器的空气和蒸汽的量的反馈控制回路。

附图说明

图1是示例性燃气涡轮发动机的示意图，该燃气涡轮发动机适合于在延长的停机时段中结合用于转子的基于蒸汽的热交换系统；

图2是燃气涡轮机转子的剖视图，示出与根据本发明的基于蒸汽的热交换系统的名义流动剖面；

图3是示出根据本发明的示例性热交换系统的流动构造的处理流程图；和

图4是处理流程图，为说明根据本发明的基于蒸汽的热交换系统在停机时段中蒸汽的候选来源，该处理流程图示出用于燃气涡轮发动机、HRSG和蒸汽涡轮机的处理设备的主要部件。

具体实施方式

这里描述的变暖结构在冷天气条件下特别有用，并且特别意图代替用于在延长的停机时段中使燃气涡轮机转子变暖的常规电加热器。在示例性实施例中，来自电厂的另一部分的蒸汽被用作主要加热介质，并在不使用常规电加热器的情况下产生更成本有效且可靠的加热系统。使用组合的热交换器和鼓风机，使来自蒸汽涡轮机的密封流或填料函(gland)泄露蒸汽的一部分将热量传送到供气入口。可替换的实施例使用类似构造，但是利用辅助的锅炉蒸汽作为主要热量源。