[发明专利]改装联合循环发电装备的设备和方法

说明书

用于改装使用两个60赫兹大框架重型工业燃气涡轮发动机以驱动发电机并发电的发电装备的方法，其中，两个工业发动机中的每一个可产生多达350MW的输出功率。该方法用能够产生至少700MW的输出功率的一个双转子工业燃气涡轮发动机替换两个350MW工业发动机。由此，现有技术的两个工业发动机可用能够产生等于现有技术的两个工业发动机的电力的一个工业发动机替换。

技术领域

本发明总地涉及工业燃气涡轮发动机，并且更具体地涉及通过用具有更大的功率输出和大致相同的涡轮机废气温度的新的一个燃气涡轮发动机来替换较旧的两个燃气涡轮发动机的用于改装联合循环发电装备的设备和方法。

背景技术

在燃气涡轮发动机中，诸如大框架重型工业燃气涡轮(IGT)发动机之类的，在燃烧室中产生的热气流经过涡轮机以产生机械功。涡轮机包括一个或多个排或级的定子导叶(vane)和转子叶片(blade)，其在逐步降低的温度中与热气流反应。涡轮机并且进而是发动机的效率可以通过将更高温度的气流通入涡轮机来提高。然而，涡轮机入口温度受限于涡轮机特别是第一级导叶和叶片的材料性能，以及用于这些第一级翼型的冷却容量的大小。

在用于发电的工业燃气涡轮发动机中，在用电需求低的时期，发动机的功率减小。在用电需求低的时期，现有技术的发电装备具有峰值载荷的40％至50％的低功率模式。在这些低功率模式下，发动机效率非常低，并且由此发电的成本比当发动机以较高的效率全速运转的时候高。

在图12-15中示出目前使用的工业和船用燃气涡轮发动机。这些设计遭遇若干主要问题，包括：高循环压力比下的低的部件(压气机和涡轮机)性能、或低的部分负载组件效率、或当装备了限制它们允许运行的低功率界限(称为调节比)的低NOx燃烧室时，部分负载下高CO(一氧化碳)排放。

图12示出单轴IGT发动机，其具有连接到涡轮机2的压气机1，在压气机端部上具有直接驱动发电机3。图13示出双轴IGT发动机，其具有高转子(spool)轴和直接地驱动发电机3的分离的动力涡轮机4。图14示出具有同心转子的双轴航机改型(aero derivative)燃气涡轮发动机，其中，高压转子绕着低压转子转动，并且其中，分离的低压轴直接地驱动发电机3。图15示出三轴IGT发动机，其具有在高压转子内转动的低压转子和直接地驱动发电机3的分离的动力涡轮机4。

图12的IGT发动机的构造是最常用于发电的，并且其受限于用于获得在高压比下的高部件效率的非最优的轴速。质量流入口和出口容量结构上受限于AN²(最末级叶片应力)和尖端速度，由于高尖端速度引起的在流动中的马赫数损失限制了入口和出口直径。因此，对于给定的转子速度，在压气机和涡轮机部件效率由于高马赫数损失开始下降之前，存在最大入口直径和对应的对于压气机的流容量以及出口直径和对于涡轮机的流容量。

由于在高压比下在单个轴上有固定的最大入口流，转子叶片开始在压气机流路的高压区域中变得非常小。在相对高的半径处的小叶片高度会由于间隙和泄漏效应导致高的损失。高压比的航空发动机通过引入分离的高压和低压轴来克服该限制。高压轴以较快的速度转动允许了较小的半径，同时还完成每级的合理的功。这样的例子在图14中示出，其是用于发电的典型的航机改型燃气涡轮发动机。高压转子5的速度仍受到在高压轴5的内直径(ID)以内的低速轴6的限制。这驱使高压轴5流路到相对于其它可行的而言更高的直径，由此减小了高压转子的速度，导致较小半径的叶片减低了高压转子的效率。图13的配置类似地受限于如图12的在高压比下获得高部件效率，因为整个压气机在一根轴上。