用于改變?nèi)細鉁u輪系統(tǒng)中的功率輸出的方法和設(shè)備與流程

本發(fā)明涉及燃氣渦輪系統(tǒng)，并且更具體而言涉及用于在柔性負載下優(yōu)化渦輪系統(tǒng)的運行的設(shè)備和方法。

背景技術(shù)：
由于全球人口和收入的不斷增長，電需求在全世界范圍內(nèi)繼續(xù)增加。電網(wǎng)需要調(diào)節(jié)大量有些不可預(yù)測的需求變動以及生產(chǎn)容量的計劃內(nèi)和計劃外的變化。另外，替代源(諸如風(fēng)能和太陽能產(chǎn)生的功率)越來越重要，而且這些源對產(chǎn)生功率來滿足需求的方式有影響。電力需求是無秩序的。需求可隨每天、每月、每季和每年的循環(huán)變化。例如，在熱天的典型民用日常需求分布圖可顯示清晨時間最小，而在傍晚時間最大。在同一天的商用需求可顯示在清晨時間最小，而大概在中午最大。一年中的天氣和季節(jié)也會影響需求。高峰需求在一些情況下可為最小需求的兩倍。因為無法高效地存儲電力公司生產(chǎn)的電，所以電力公共事業(yè)公司在傳統(tǒng)上用不同的生產(chǎn)方法的組合來產(chǎn)生功率。例如，可使用大型核功率或燃煤電站來產(chǎn)生最小量的功率(基本負載)?；矩撦d電站典型地以最大輸出不斷運行。在高峰需求(高峰負載)的時間期間，電力公司可使用簡單循環(huán)燃氣渦輪來產(chǎn)生功率。對于供應(yīng)高峰負載期間所需的額外容量，燃氣渦輪是合乎需要的，因為它們有快速啟動的能力，在10到30分鐘內(nèi)產(chǎn)生電功率。在一天中對功率的需求低時的部分中，可關(guān)閉用來在高峰負載的時期期間產(chǎn)生功率的燃氣渦輪。可根據(jù)需求來改變?nèi)細鉁u輪的運行時期。一些公共事業(yè)公司也運行負載跟蹤式電站，其在一天中在中等需求的時期期間供應(yīng)功率。有時使用聯(lián)合循環(huán)燃氣渦輪系統(tǒng)作為負載跟蹤式電站。聯(lián)合循環(huán)燃氣渦輪系統(tǒng)典型地包括聯(lián)接到燃氣渦輪的排氣口上的熱回收蒸汽發(fā)生器。隨著需求在一整天波動，聯(lián)合循環(huán)燃氣渦輪系統(tǒng)可調(diào)節(jié)它們的功率輸出。在效率、啟動速度和關(guān)閉速度以及容量方面，聯(lián)合循環(huán)燃氣渦輪系統(tǒng)典型地處于基本負載電站和高峰電站(例如用來提供高峰功率的燃氣渦輪)之間。為了滿足增加的需求和解決環(huán)境考量，許多公共事業(yè)公司都在使用可再生的能源(諸如風(fēng)能和太陽能)來滿足中等和高峰負載。這些源對電力需求增加了額外的變化性，因為它們的生產(chǎn)容量斷斷續(xù)續(xù)。例如，太陽能發(fā)電站的功率輸出取決于云量而改變，并且類似地，風(fēng)能功率輸出將取決于風(fēng)速而改變。作為高峰負載的功率源，燃氣渦輪具有許多優(yōu)點。燃氣渦輪高效，具有較低的安裝成本，較迅速地啟動和關(guān)閉，以及具有低的排放。燃氣渦輪的啟動順序始于對啟動器賦能。當(dāng)渦輪的RPM達到點火RPM時，點燃系統(tǒng)被賦能，并且燃料提供給燃燒器。在燃燒之后，燃料流增加，同時使溫度保持低于建立的溫度極限。然后控制燃料流，以實現(xiàn)平穩(wěn)加速，直到達到空轉(zhuǎn)速度為止。燃氣渦輪可以基本負載、高峰負載和低于基本負載的負載運行。燃氣渦輪基本負載是優(yōu)化功率輸出和熱氣路徑部件壽命的負載。ANSIB133.6定額和性能將基本負載限定為每年運行8000小時，啟動800小時。它還將高峰負載限定為每年運行1250小時，啟動五小時。燃氣渦輪的高峰負載是常常在犧牲效率、部件壽命和檢查間隔的情況下最大程度地提高功率輸出的負載。燃氣渦輪可以部分負載或低負載運行，以便在功率需求增加時，能夠快速斜坡增加到較高的輸出。以部分負載運行燃氣渦輪存在優(yōu)點和缺點。一個優(yōu)點是降低在啟動和關(guān)閉期間引起的電站維護成本。但是，以低負載運行會導(dǎo)致較低的運行效率和較高的運行成本。來自燃氣渦輪的功會隨質(zhì)量流量、燃燒氣體中的熱能和跨過渦輪的溫差而改變。這些因素可受到環(huán)境狀況、燃料、入口和排氣損耗、燃料加熱、稀釋劑噴射、空氣抽取、入口冷卻以及蒸汽和水噴射的影響。例如，環(huán)境狀況(壓力、溫度和濕度)的變化會影響壓縮機的空氣進氣的密度和/或質(zhì)量流量，以及因此影響燃氣渦輪性能。質(zhì)量流量又會隨壓縮機空氣流量和燃料流量而變化。符合排放標(biāo)準(zhǔn)也是燃氣渦輪的運行的主要約束。大多數(shù)燃氣渦輪燃燒低硫和低灰燃料。因此，從燃氣渦輪中排出的主要污染物是氮氧化物(NO和NO2，總稱為NOX)、一氧化碳(CO)和揮發(fā)性有機化合物(VOC)。當(dāng)在燃氣渦輪中燃燒天然氣時，NOX和CO被認為是重要的主要排放。來自燃氣渦輪的排放會隨環(huán)境溫度、負載和污染物濃度而顯著地改變。在50%的負載以下，排放濃度可增加。這對于一氧化碳(CO)尤其如此。因此，存在這樣的負載水平極限，即，傳統(tǒng)的燃氣渦輪系統(tǒng)可以該負載水平極限運行，同時仍然符合排放標(biāo)準(zhǔn)?？蓱?yīng)用于燃氣渦輪運行的排放標(biāo)準(zhǔn)在不同的國家可有所不同，而且在美國，除了聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)之外，標(biāo)準(zhǔn)在不同的州可有所不同。管理機構(gòu)可施行各種制度來調(diào)整排放。例如，NOX排放極限可表示為每單位輸出的NOX磅數(shù)或每單位熱輸入的NOX磅數(shù)(瞬間極限)。在一些情況下，標(biāo)準(zhǔn)可用公式表示為基于濃度或基于輸出的排放標(biāo)準(zhǔn)?；跐舛鹊臉O限可用每百萬分之一份(體積)(ppmv)的單位表示?；谳敵龅呐欧艠O限可用每單位可用回收能量的排放質(zhì)量或每兆瓦小時的磅數(shù)的單位表示。可基于每年或其它時段(期間極限)排出的NOX噸數(shù)來限制一些電站。當(dāng)在啟動模式中時，一些電站具有排放極限和其它約束。啟動極限的類型包括：(a)磅每小時，(b)lb/事件/CTG以及(c)lb/事件/功率阻斷。管理機構(gòu)可要求最大許可lb/小時極限，因為這是用于評估空氣質(zhì)量影響的最直接的值。關(guān)于燃氣渦輪超越功率范圍運行的問題之一在于，效率、燃料消耗和排放(尤其是NOX和CO排放)可受到不利的影響。例如，當(dāng)電站操作員以低負載運行傳統(tǒng)的燃氣渦輪時，效率會顯著地降低。另一個問題在于，當(dāng)燃氣渦輪在低的環(huán)境溫度狀況下以較低的負載運行時，壓縮機在后面的級中可遭受空氣動力學(xué)應(yīng)力。在氣動穩(wěn)定極限以下出現(xiàn)這些應(yīng)力，因為空氣動力學(xué)模式受到激勵，這由級加載參數(shù)的提高驅(qū)動。這些應(yīng)力明顯時所處的流率系數(shù)值被稱為下調(diào)(turndown)約束區(qū)。關(guān)于燃氣渦輪在較低的環(huán)境溫度下運行的又一個問題于，除了別的之外，CO符合性所需的最小負載隨環(huán)境溫度而變化。例如，在一些燃氣渦輪中，隨著溫度降到35℉(1.7℃)以下，CO符合性的最小負載急劇升高。又一個問題在于，在聯(lián)合循環(huán)燃氣渦輪系統(tǒng)中使用熱回收蒸汽發(fā)生器可對燃氣渦輪以基本負載、部分負載和負載斜坡變化運行模式最優(yōu)地運行施加額外的約束。又一個問題在于，當(dāng)燃氣渦輪以大約10%的負載的極低的冬眠模式運行時，存在燃燒器稀薄(lean)熄火(即，失去火焰)的可能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種用于改變?nèi)細鉁u輪系統(tǒng)中的功率輸出的方法。這方面的方法包括確定現(xiàn)有功率輸出和期望功率輸出。該方法還包括：測量現(xiàn)有壓縮機參數(shù)和燃燒器參數(shù)；計算期望功率輸出的壓縮機流率系數(shù)；以及計算期望功率輸出的排放速率。如果期望功率輸出的流率系數(shù)小于預(yù)定下調(diào)極限，則方法包括計算使流率系數(shù)高于預(yù)定下調(diào)極限的新壓縮機參數(shù)。如果計算的排放速率大于預(yù)定排放極限，則方法包括計算使排放速率低于預(yù)定排放極限的新燃燒器參數(shù)。該方法還包括：將功率輸出改變成期望功率輸出；將壓縮機參數(shù)改變成新壓縮機參數(shù)；以及將燃燒器參數(shù)改變成新燃燒器參數(shù)。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種燃氣渦輪系統(tǒng)。這方面的燃氣渦輪系統(tǒng)包括：壓縮機；燃燒器；渦輪；壓縮機保護子系統(tǒng)；冬眠模式子系統(tǒng)；以及控制壓縮機子系統(tǒng)和冬眠子系統(tǒng)的控制子系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種用于擴展燃氣渦輪系統(tǒng)的下調(diào)范圍的方法。該方法包括：對流過壓縮機的空氣建立最小空氣流參數(shù)；以第一流率將來自渦輪的渦輪排氣傳輸?shù)交旌辖M件；以第二流率將來自壓縮機的壓縮空氣傳輸?shù)交旌辖M件；以及控制第一流率和第二流率，以使壓縮機空氣流保持高于最小空氣流參數(shù)。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種改進聯(lián)合循環(huán)燃氣渦輪在部分負載下的效率的方法。該方法包括：使通過壓縮機的空氣流保持在高于最小流率系數(shù)的部分負載空氣流量系數(shù)下，在最小流率系數(shù)下，在壓縮機中會出現(xiàn)空氣動力學(xué)應(yīng)力；保持燃燒器中的空氣燃料比，在該空氣燃料比下，來自渦輪的排氣排放成分保持低于預(yù)定成分排放水平；以及使熱再循環(huán)蒸汽發(fā)生器的入口處的排氣溫度保持低于預(yù)定最大入口溫度。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種用于改進聯(lián)合循環(huán)燃氣渦輪在部分負載下的效率的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括：下調(diào)子系統(tǒng)；冬眠子系統(tǒng)；聯(lián)合循環(huán)等溫子系統(tǒng)；以及控制子系統(tǒng)，其對下調(diào)子系統(tǒng)提供指令，以使通過壓縮機的空氣流保持在高于最小流率系數(shù)的部分負載內(nèi)部流量系數(shù)下，在最小流率系數(shù)下，在壓縮機中會出現(xiàn)空氣動力學(xué)應(yīng)力。附圖說明當(dāng)參照附圖來閱讀以下詳細描述時，本發(fā)明的這些和其它特征、方面與優(yōu)點將變得更好理解，在附圖中，相同符號在所有圖中表示相同部件，其中：圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的燃氣渦輪系統(tǒng)的實施例的框圖。圖2是示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的下調(diào)子系統(tǒng)的框圖。圖3是示出了根據(jù)本發(fā)明的備選實施例的下調(diào)子系統(tǒng)的框圖。圖4是示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的冬眠模式子系統(tǒng)的框圖。圖5是示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的聯(lián)合循環(huán)等溫子系統(tǒng)的框圖。圖6是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的聯(lián)合循環(huán)等溫子系統(tǒng)的噴霧器構(gòu)件的橫截面圖。圖7是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的聯(lián)合循環(huán)等溫子系統(tǒng)的噴霧器構(gòu)件的縱截面圖。圖8是示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的控制子系統(tǒng)的框圖。圖9是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的控制子系統(tǒng)的輸入和輸出的框圖。圖10是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的、用于下調(diào)燃氣渦輪系統(tǒng)中的功率輸出的方法的流程圖。圖11是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的、用于下調(diào)燃氣渦輪系統(tǒng)中的功率輸出的方法的流程圖。圖12是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的、用于擴展燃氣渦輪系統(tǒng)的下調(diào)范圍的方法的流程圖。部件列表：1燃氣渦輪系統(tǒng)3燃氣渦輪4下調(diào)子系統(tǒng)5壓縮機保護子系統(tǒng)7冬眠模式子系統(tǒng)9聯(lián)合循環(huán)等溫子系統(tǒng)11控制子系統(tǒng)13壓縮機15燃燒器16燃料輸入17渦輪18發(fā)電機19入口導(dǎo)葉(IGV)子系統(tǒng)20環(huán)境空氣進氣21熱回收蒸汽發(fā)生器子系統(tǒng)22聯(lián)合循環(huán)輸入25壓縮機泄放線路27排氣抽取線路28備選EGE線路29上游壓縮機泄放控制閥31下游壓縮機泄放控制閥33壓縮機泄放流量傳感器35摻合組件或噴射器37燃氣渦輪入口系統(tǒng)39排氣抽取流量(EGE)傳感器41排氣抽取(EGE)控制閥43排氣抽取阻斷閥45中間級壓縮機泄放線路46摻合構(gòu)件(歧管、噴射器)47壓縮機空氣跨連(overboard)線路48分流器49跨連阻斷閥51跨連控制閥53跨連流量傳感器54安全阻斷閥55調(diào)溫子系統(tǒng)57噴霧器噴射噴嘴58工作流體輸入59成形擋板組件61擋板62交迭噴射型式63輸入103控制模塊105中央處理單元107存儲器構(gòu)件(閃存盤卡)109輸入構(gòu)件(I/O卡)111輸出構(gòu)件113通信構(gòu)件(通信卡)115功率供應(yīng)117輸入119輸出121人機接口(HMI)PC123渦輪輸入125系統(tǒng)輸入127HMI輸入129程序邏輯133渦輪輸出135系統(tǒng)輸出151操作員確定現(xiàn)有負載Lstart153[…操作員確定…]下調(diào)水平負載(Lend)155控制系統(tǒng)接收來自傳感器的數(shù)據(jù)157確定負載的遞減量159可計算最優(yōu)Cm/U、Ti和θ161確定實現(xiàn)那些狀況所必要的流量Q1、Q2、Q5和Q6，以及用于調(diào)溫子系統(tǒng)55的輸入?yún)?shù)163對EGE控制閥41和下游壓縮機泄放控制閥31的指令165然后使負載減小ΔL167如果未達到Lend，則過程重復(fù)，直到負載達到Lend為止251操作員確定現(xiàn)有負載Lstart253[…操作員確定…]斜坡增加水平負載(Lend)255控制系統(tǒng)接收來自傳感器的數(shù)據(jù)257確定負載的遞增量259可計算最優(yōu)Cm/U、Ti和θ261確定實現(xiàn)那些狀況所必要的流量Q1、Q2、Q5和Q6，以及用于調(diào)溫子系統(tǒng)55的輸入?yún)?shù)263對EGE控制閥41和下游壓縮機泄放控制閥31的指令265然后使負載增大ΔL267如果未達到Lend，則過程重復(fù)，直到負載達到Lend為止271確定當(dāng)前負載273期望最終負載(Lend)275確定負載的遞增變化ΔL277確定新負載水平下的流量系數(shù)(Cm/UL+ΔL)是否將低于約束范圍下的流量系數(shù)279計算使流量系數(shù)保持在高于約束范圍流量系數(shù)的水平下將需要的壓縮機入口溫度的變化ΔT和IGV導(dǎo)葉角θ的任何變化281確定新負載水平下的NOX是否將大于可應(yīng)用的最大NOX排放許可283計算對于燃燒器以許可水平內(nèi)的排放水平運行所必要的燃料空氣比的變化285使負載改變成新水平287確定新負載水平下的流量系數(shù)是否小于約束水平下的流量系數(shù)289對應(yīng)地調(diào)節(jié)入口溫度291確定NOX排放水平是否超過NOX排放極限293調(diào)節(jié)燃燒器處的燃料-空氣比。具體實施方式圖1示出了燃氣渦輪系統(tǒng)1的實施例的高水平示意圖。燃氣渦輪系統(tǒng)1包括傳統(tǒng)的燃氣渦輪3、下調(diào)子系統(tǒng)4和控制子系統(tǒng)11。下調(diào)子系統(tǒng)4可包括壓縮機保護子系統(tǒng)5、冬眠模式子系統(tǒng)7和聯(lián)合循環(huán)等溫子系統(tǒng)9。燃氣渦輪3可包括壓縮機13、燃燒器15、渦輪17、發(fā)電機18、入口導(dǎo)葉(IGV)子系統(tǒng)19和熱回收蒸汽發(fā)生器(熱回收蒸汽發(fā)生器子系統(tǒng)21)子系統(tǒng)21。在運行中，環(huán)境空氣20通過IGV子系統(tǒng)19被吸入且進入壓縮機13。環(huán)境空氣20的溫度、壓力和相對濕度將明顯地有所改變。出于比較目的，渦輪業(yè)已經(jīng)建立了關(guān)于環(huán)境空氣的標(biāo)準(zhǔn)狀況。標(biāo)準(zhǔn)狀況為59℉/15℃、14.696psia/1.013巴和60%的相對濕度。IGV子系統(tǒng)19用來改變進入到壓縮機13中的體積流。來自壓縮機13的壓縮空氣進入燃燒器15，在燃燒器15中，壓縮空氣與來自燃料輸入16的燃料混合且燃燒。來自燃燒器15的排氣驅(qū)動渦輪17，渦輪17又驅(qū)動連接到發(fā)電機18上的軸。在一些系統(tǒng)中，使排氣流到熱回收蒸汽發(fā)生器子系統(tǒng)21中，熱回收蒸汽發(fā)生器子系統(tǒng)21從排氣中回收熱，并且驅(qū)動蒸汽渦輪(未顯示)，以產(chǎn)生額外的功率，以及/或者對諸如區(qū)域加熱的過程提供蒸汽。燃氣渦輪系統(tǒng)1還包括將燃氣渦輪3聯(lián)接到下調(diào)子系統(tǒng)4上的壓縮機泄放線路25和排氣抽取線路27。在另一個實施例中，可提供排氣抽取線路28來繞過下調(diào)子系統(tǒng)4，并且直接對燃氣渦輪3提供排氣。壓縮機泄放線路25和排氣抽取線路27還可聯(lián)接到聯(lián)合循環(huán)等溫子系統(tǒng)9上，在聯(lián)合循環(huán)等溫子系統(tǒng)9中，氣體可在聯(lián)合循環(huán)輸入22處與調(diào)溫流體摻合。調(diào)溫流體可為環(huán)境空氣、水、蒸汽、它們的任何組合，或者可提供調(diào)整聯(lián)合循環(huán)等溫子系統(tǒng)9中的氣體的溫度的功能的任何其它流體。在圖2中示出了壓縮機保護子系統(tǒng)5的一個實施例(以雙虛線描繪)。用實線示出表示壓縮機保護子系統(tǒng)5的構(gòu)件。燃氣渦輪系統(tǒng)1的其它構(gòu)件被示為虛線。在這個實施例中，壓縮機泄放線路25聯(lián)接到外部管道組件上，外部管道組件包括上游壓縮機泄放控制閥29、下游壓縮機泄放控制閥31和壓縮機泄放流量傳感器33?？刂谱酉到y(tǒng)11控制控制閥31，控制閥31又控制壓縮空氣的流率(Q1)。壓縮空氣被輸送到摻合組件35，諸如歧管或噴射器，其中，壓縮空氣與排氣摻合且被傳輸?shù)絀GV子系統(tǒng)19。排氣由聯(lián)接到排氣抽取線路27上的外部管道組件提供。排氣抽取線路27設(shè)有排氣抽取(EGE)流量傳感器39、EGE控制閥41和EGE阻斷閥43。EGE傳感器39將排氣的流率(Q2)的數(shù)據(jù)提供給控制子系統(tǒng)11。控制子系統(tǒng)11將控制信號提供給上游壓縮機泄放控制閥29、下游壓縮機泄放控制閥31、EGE流量傳感器39、EGE控制閥41和EGE阻斷閥43。A壓縮機和排氣可在燃氣渦輪入口系統(tǒng)37處與環(huán)境空氣摻合。在圖3中示出了壓縮機保護子系統(tǒng)5的備選實施例，其中，中間級壓縮機泄放線路45連接到壓縮機13的中間級上。來自壓縮機泄放線路25和中間級壓縮機泄放線路45的壓縮空氣通過摻合構(gòu)件46(諸如歧管或噴射器)混合而產(chǎn)生第一摻合物。經(jīng)摻合的壓縮機空氣在摻合組件35處與來自排氣抽取線路27的排氣摻合。然后第二摻合物可在燃氣渦輪入口系統(tǒng)37處與環(huán)境空氣20摻合，并且摻合氣體通過IGV19供應(yīng)到壓縮機13。壓縮機保護子系統(tǒng)5為燃氣渦輪3的操作員提供通過持續(xù)地控制壓縮機參數(shù)(諸如級加載參數(shù)和傳送通過壓縮機的空氣的流量系數(shù))來控制系統(tǒng)的性能的能力。級加載參數(shù)是每級抽取的功的無量綱度量，高的級加載是合乎需要的，因為這意味著需要較少級來產(chǎn)生所需功。級加載受到高的級加載會影響效率這一事實的限制。級加載參數(shù)以最小相關(guān)Cm/U(流量系數(shù))為特征。流量系數(shù)是進入的軸向速度與平均轉(zhuǎn)子速度的比。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在無量綱軸向速度(常稱為流量系數(shù))在約束范圍中的情況下，壓縮機和渦輪的功最令人滿意。給定級的流量系數(shù)是通過級的質(zhì)量流行為的特性。對于給定的流量系數(shù)，級加載隨著壓縮機葉片相對于軸向方向的葉片角的增大而提高。對壓縮機參數(shù)的控制使得電站操作員能夠在不同的環(huán)境狀況(諸如低溫)下以較低的負載運行燃氣渦輪，同時避免空氣動力學(xué)應(yīng)力，傳統(tǒng)的燃氣渦輪在較低的溫度處會遭受空氣動力學(xué)應(yīng)力。通過控制進入壓縮機的空氣的入口溫度和IGV子系統(tǒng)19中的導(dǎo)葉的導(dǎo)葉角來實現(xiàn)這一點。使用抽出的排氣來控制壓縮機入口溫度。通過控制通過IGV19供應(yīng)到壓縮機13的摻合氣體的溫度，燃氣渦輪3能夠在低的環(huán)境溫度(超過標(biāo)稱Cm/U水平)下在下調(diào)約束區(qū)以上運行，從而在燃氣渦輪3以低負載運行時保護壓縮機13。另外，冬眠模式子系統(tǒng)甚至使得燃氣渦輪3的操作員又能夠在標(biāo)稱CO排放極限以上運行低負載。具有擴展的下調(diào)的客戶益處為年生產(chǎn)小時數(shù)(可用性、容量因數(shù))增加，啟動、關(guān)閉周期減少(降低維護成本)，以及在低的環(huán)境溫度下相對于標(biāo)稱狀況在這些較低的下調(diào)下運行的效率顯著提高。本文描述的壓縮機保護子系統(tǒng)5的優(yōu)點在于，可通過降低用來加熱供應(yīng)給壓縮機13的空氣的系統(tǒng)的整體復(fù)雜性來減少資金和維護成本。本文描述的壓縮機保護子系統(tǒng)5的另一個優(yōu)點在于，其允許燃氣渦輪3的操作員在諸如整體氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)運行中使用低BTU燃料氣體時改進運行效率。在圖4中示出了冬眠模式子系統(tǒng)7的實施例。在雙虛線輪廓內(nèi)示出了冬眠模式子系統(tǒng)7，并且冬眠模式子系統(tǒng)7的構(gòu)件被示為實線。燃氣渦輪系統(tǒng)1的其它構(gòu)件被示為虛線。在這個實施例中，來自壓縮機13的壓縮空氣在分流器48處分成待通過上游壓縮機泄放控制閥29、下游壓縮機泄放控制閥31和壓縮機泄放流量傳感器33泄放到壓縮機13中的部分。待泄放到壓縮機中的部分被傳輸?shù)絀GV子系統(tǒng)19。來自壓縮機13的壓縮空氣也分成待通過壓縮機空氣跨連線路47跨連到排氣口的第二部分。待跨連到排氣口的空氣流由跨連阻斷閥49和跨連控制閥51與跨連流量傳感器53控制?？邕B流量傳感器53對控制子系統(tǒng)11提供流率數(shù)據(jù)。控制子系統(tǒng)11燃燒器對跨連阻斷閥49和跨連控制閥51提供控制信號。冬眠模式子系統(tǒng)7通過使壓縮機排出空氣跨連到壓縮機入口和渦輪排氣口來啟用冬眠模式，從而保持期望的燃料空氣比(FAR)，該燃料空氣比支持在低于最大極限的水平下進行排放。冬眠模式子系統(tǒng)7可與前面描述的壓縮機保護子系統(tǒng)5結(jié)合。本發(fā)明還以非常低的小時數(shù)/啟動次數(shù)比來減少客戶的運行成本和與運行相關(guān)聯(lián)的維護成本。冬眠模式子系統(tǒng)7使得燃氣渦輪3的操作員能夠以大約10%的負載的極低的“冬眠模式”水平運行，且能夠使負載迅速斜坡增加至基本負載水平以提供需要的旋轉(zhuǎn)能力。冬眠模式子系統(tǒng)7也可以非常低的小時數(shù)/啟動次數(shù)比來減少運行成本以及與燃氣渦輪3的運行相關(guān)聯(lián)的成本。冬眠模式子系統(tǒng)7也使得燃氣渦輪3的操作員能夠以極低的冬眠模式運行，同時仍然符合排放規(guī)定。在這個實施例中示出的冬眠模式子系統(tǒng)7將不需要在設(shè)計上改變?nèi)細鉁u輪3中心線或燃燒系統(tǒng)，并且可用最少的額外資金組成來實現(xiàn)該冬眠模式子系統(tǒng)7。冬眠模式子系統(tǒng)7使得可選擇的燃氣渦輪3能夠下調(diào)超過標(biāo)稱CO&NOX排放極限。另外，冬眠模式子系統(tǒng)7建立用以調(diào)整空氣-燃料比和緩解燃燒器稀薄熄火的方案。在圖5中示出了聯(lián)合循環(huán)等溫子系統(tǒng)9，其可實現(xiàn)為聯(lián)合循環(huán)實施例中的下調(diào)子系統(tǒng)4的一部分。在聯(lián)合循環(huán)實施例中，來自燃氣渦輪3的高溫度排氣傳送通過熱回收蒸汽發(fā)生器21，以產(chǎn)生蒸汽，蒸汽驅(qū)動蒸汽渦輪。往往合乎需要的是，提升燃氣渦輪3，以增大輸出和減小耗熱率，但是，熱回收蒸汽發(fā)生器21的設(shè)計極限可對基本負載、部分負載和負載斜坡變化運行模式下的最優(yōu)燃氣渦輪運行施加額外的約束。在雙虛線輪廓內(nèi)示出了聯(lián)合循環(huán)等溫子系統(tǒng)9，并且聯(lián)合循環(huán)等溫子系統(tǒng)9的構(gòu)件被示為實線。燃氣渦輪系統(tǒng)1的其它構(gòu)件被示為虛線。在這個實施例中，來自壓縮機13的壓縮空氣流過壓縮機泄放線路25。如前面描述的那樣，上游壓縮機泄放控制閥29可設(shè)置在壓縮機泄放線路25上。另外，跨連阻斷閥49、跨連控制閥51和跨連流量傳感器53可設(shè)置在壓縮機空氣跨連線路47上。另外，安全閥54可設(shè)置在壓縮機空氣跨連線路47上。壓縮空氣可與來自渦輪17的排氣且與調(diào)溫流體在聯(lián)合循環(huán)輸入22處摻合。聯(lián)合的壓縮機空氣、排氣和調(diào)溫流體可流過調(diào)溫子系統(tǒng)55，其中，可控制聯(lián)合氣體的溫度。使聯(lián)合的調(diào)溫氣體流到熱回收蒸汽發(fā)生器子系統(tǒng)21中，其中，可抽取額外的功。聯(lián)合循環(huán)運行要求離開燃氣渦輪發(fā)動機的排氣在特定的溫度范圍內(nèi)。那是不能太高的排氣溫度，以避免使燃氣渦輪排氣管道和熱回收蒸汽發(fā)生器21硬件退化。另外，溫度應(yīng)當(dāng)不降低到某個溫度值以下，以避免被稱為強制冷卻的狀況，在這時，蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子和外殼中的熱瞬態(tài)可使渦輪轉(zhuǎn)子退化。上面論述的兩個溫度極限分別稱為上閾限等溫線和下閾限等溫線。調(diào)溫子系統(tǒng)55是對水噴霧器提供后冷卻以進行調(diào)溫的組件。調(diào)溫子系統(tǒng)55在燃氣渦輪3的排氣管道中提供優(yōu)化噴霧器布置，其中，一個或多個噴霧器噴射噴嘴57位于管道中。對各個噴霧器噴射噴嘴57提供來自工作流體輸入58的冷凝物或其它工作流體，并且使其在上游被成形擋板組件59遮擋。在圖6和7中示出了成形擋板組件59。戰(zhàn)略地放置擋板61，以優(yōu)化交迭的噴射型式62，以實現(xiàn)氣體溫度均勻性。調(diào)溫子系統(tǒng)55接收來自熱回收蒸汽發(fā)生器子系統(tǒng)21中的任何壓力區(qū)的冷凝物或從外部供應(yīng)的軟化水，作為工作流體。噴霧器流率和冷凝物源可由控制子系統(tǒng)10控制。聯(lián)合循環(huán)等溫子系統(tǒng)9提供用以借助對調(diào)溫水噴霧器的后冷卻來在外部管理和優(yōu)化進入熱回收蒸汽發(fā)生器21的排氣溫度的能力。聯(lián)合循環(huán)等溫子系統(tǒng)9部分地克服入口氣體溫度極限所施加的關(guān)于在部分負載下運行的效率和能力的一些約束。這些約束可限制所有負載點下的燃氣渦輪3的輸出和整體電站效率。因此，燃氣渦輪3可在所有運行模式期間以高于HRSG21的入口溫度極限的排氣溫度運行，從而改進負載斜坡變化速率和對熱回收蒸汽發(fā)生器子系統(tǒng)21的排氣熱傳遞。聯(lián)合循環(huán)等溫子系統(tǒng)9提供方法來借助用于調(diào)溫的水/蒸汽噴霧器的后冷卻來在外部管理和優(yōu)化來自燃氣渦輪3的、進入熱回收蒸汽發(fā)生器子系統(tǒng)21的排氣的溫度。另外，聯(lián)合循環(huán)等溫子系統(tǒng)9提供用于下游溫度均勻性的噴霧器噴嘴和擋板組件，并且使得燃氣渦輪客戶能夠在任何運行模式期間以高于熱回收蒸汽發(fā)生器子系統(tǒng)21的入口溫度極限的排氣溫度運行燃氣渦輪3。使用聯(lián)合循環(huán)等溫子系統(tǒng)9還改進聯(lián)合循環(huán)燃氣渦輪電站負載斜坡變化速率，并且在燃氣渦輪3提升時防止燃氣渦輪3和熱回收蒸汽發(fā)生器子系統(tǒng)21之間有失配。聯(lián)合循環(huán)等溫子系統(tǒng)9的另一個優(yōu)點在于其提供用于調(diào)節(jié)燃氣渦輪3和聯(lián)合循環(huán)電站之間的負載平衡的手段，其中在不需要功率輸出時有最大蒸汽生產(chǎn)。這進而在其中期望有額外的蒸汽的一些應(yīng)用(諸如區(qū)域加熱，以及在諸如煉油廠的設(shè)施中的現(xiàn)場熱電聯(lián)合)中為電站操作員提供柔性。其它優(yōu)點為在其中燃氣渦輪3受等溫約束的部分負載狀況下，改進對熱回收蒸汽發(fā)生器子系統(tǒng)21的排氣熱傳遞和聯(lián)合循環(huán)燃氣渦輪耗熱率。最后，聯(lián)合循環(huán)等溫子系統(tǒng)9在擴展的下調(diào)下改進排放輪廓，以及改進提高舊式電站的能力。額外的益處包括增加年生產(chǎn)小時數(shù)(可用性、容量因數(shù))；減少聯(lián)合循環(huán)燃氣渦輪啟動-關(guān)閉周期(降低維護成本)，并且在聯(lián)合循環(huán)燃氣渦輪提升的情況下，有負載平衡柔性和改進部分負載運行效率。在圖8中示出了用來控制渦輪系統(tǒng)1的多種構(gòu)件和過程的控制子系統(tǒng)100。控制子系統(tǒng)100可包括控制模塊103，典型地為使機電過程(諸如對渦輪系統(tǒng)10的構(gòu)件的控制)自動化的數(shù)字計算機。這些構(gòu)件可包括入口導(dǎo)葉子系統(tǒng)19、壓縮機13和燃燒器15。例如，控制模塊103可為通用電氣SPEEDTRONICGEIndustrial&PowerSystems(GE工業(yè)&功率系統(tǒng))出版的Rowen、W.I的GE-3658D“SPEEDTRONICMarkVGasTurbineControlsubsystem(SPEEDTRONICV燃氣渦輪控制子系統(tǒng))”中描述的那樣。例如，諸如RexAllenMorgan等人的名稱為“MethodandSystemforControllingGasTurbinebyAdjustingTargetExhaustTemperature(用于通過調(diào)節(jié)目標(biāo)排氣溫度來控制燃氣渦輪的方法和系統(tǒng))”的美國專利號No.6,912,856中描述的控制子系統(tǒng)，該專利通過引用而結(jié)合在本文中。控制模塊103包括中央處理單元105。與中央處理單元105相關(guān)聯(lián)的可為存儲器構(gòu)件107、輸入構(gòu)件109和輸出構(gòu)件111。存儲器構(gòu)件107可包括閃存盤卡、隨機存取存儲器卡(RAM)、只讀存儲器(ROM)、動態(tài)隨機存取存儲器(DRAM)；異步動態(tài)隨機存取存儲器(SDRAM)或者任何其它期望類型的存儲器裝置，并且可為控制模塊103的一部分或與控制模塊103分開。輸入構(gòu)件109和輸出構(gòu)件111可結(jié)合為與控制模塊13相關(guān)聯(lián)的單輸入輸出卡。雖然輸出構(gòu)件111的輸入構(gòu)件109被示為內(nèi)嵌到控制模塊103中，但它們可提供為附連到接通到控制模塊103中的計算機網(wǎng)絡(luò)上的外部輸入輸出模塊。另外控制模塊103包括通信構(gòu)件113和功率供應(yīng)115?？刂颇K103處理多個輸入117，并且提供多個輸出119?？刂颇K103還可聯(lián)接到人機接口(HMI)121上，諸如數(shù)字計算機。HMI(其也稱為人控機接口(MMI)和圖形用戶接口(GUI))可包括使用按鈕和燈，以與用戶、文本顯示器和圖形觸摸屏交互?？蓪⒕幊毯捅O(jiān)測軟件安裝在通過通信接口連接到控制模塊103上的計算機中。實施用以控制各種過程的算法的程序?qū)⒌湫偷卮鎯υ诖鎯ζ鳂?gòu)件107中。數(shù)據(jù)庫可存儲在存儲器構(gòu)件107中。存儲在存儲器構(gòu)件107中的數(shù)據(jù)庫可包括對于各個燃氣渦輪3使壓縮機加載極限與在壓縮機入口處的不同溫度Ti、燃燒器處的燃料空氣比(FAR)和導(dǎo)葉角θ相關(guān)聯(lián)的壓縮機加載極限數(shù)據(jù)庫。存儲在存儲器構(gòu)件107中的數(shù)據(jù)庫可包括使排放極限與各個燃氣渦輪3的不同的Ti、θ和FAR相關(guān)聯(lián)的排放極限數(shù)據(jù)庫。存儲在存儲器構(gòu)件107中的數(shù)據(jù)庫可包括對于各個燃氣渦輪3使多種流率(Q1、Q2、Q3等)與不同的Ta(環(huán)境溫度)、Ti、FAR和θ相關(guān)聯(lián)的流率數(shù)據(jù)庫。對于處于不同的環(huán)境溫度和不同的IGV角的燃氣渦輪3，數(shù)據(jù)庫中的其它信息可包括壓縮機流量-排放計劃、壓縮機排放模型、指示在壓縮機的后面的級處出現(xiàn)空氣動力學(xué)應(yīng)力時所處的流率系數(shù)的數(shù)據(jù)。參照圖9，控制模塊103可接收來自渦輪系統(tǒng)的各種輸入，包括與渦輪的控制有關(guān)的輸入(渦輪輸入)123，以及與系統(tǒng)的其余部分的控制有關(guān)的輸入(系統(tǒng)輸入)125。另外，控制模塊103可接收來自HMI121的輸入(HMI輸入127)?？刂颇K103將基于程序邏輯129來執(zhí)行程序，并且提供用以控制渦輪的輸出(渦輪輸出133)和用以控制系統(tǒng)的其余部分的輸出(系統(tǒng)輸出135)。渦輪輸入123可包括：渦輪入口溫度；渦輪排氣溫度；以及單元特定的入口溫度計劃。除了別的之外，系統(tǒng)輸入125可包括：擴展的下調(diào)單元特定的壓縮機入口溫度計劃；抽取流率；抽取溫度；入口溫度計劃；控制閥位置；安全/阻斷閥位置。HMI輸入127可包括：選擇“正?！蹦Ｊ?(輸出-控制閥關(guān)閉，安全閥關(guān)閉)，或者“下調(diào)”模式-(輸出-控制閥打開許可，阻斷閥打開許可)。在高水平上，程序邏輯129可表示為以下：HMI設(shè)置排氣抽取阻斷閥43的位置下游壓縮機泄放控制閥31的位置正常關(guān)閉關(guān)閉下調(diào)許可逐漸打開許可逐漸打開系統(tǒng)輸出135可包括用以打開和關(guān)閉排氣抽取阻斷閥43、跨連阻斷閥49和安全阻斷閥54的指令。另外，系統(tǒng)輸出135可包括用以設(shè)定上游壓縮機泄放控制閥29、下游壓縮機泄放控制閥31、排氣抽取(EGE)控制閥41和跨連控制閥51的位置的指令。圖10是可由壓縮機保護子系統(tǒng)5執(zhí)行來減小燃氣渦輪3上的負載從起始負載(Lstart)減小到下調(diào)水平負載(Lend)的示例性方法的流程圖。操作員確定現(xiàn)有負載Lstart(方法元素151)和期望負載Lend(方法元素153)。控制子系統(tǒng)11接收來自傳感器的數(shù)據(jù)，其包括環(huán)境溫度(Ta)、壓縮機入口處的溫度(Ti)、IGV導(dǎo)葉角(θ)、壓縮機放出流率Q1，以及排氣抽取流率Q2(方法元素155)。操作員可確定負載降低速率ΔL/t，以使負載從Lstart到達Lend?？纱_定負載的遞減量ΔL(方法元素157)，并且可基于關(guān)于特定的燃氣渦輪的Cm/U約束和排放極限來計算或確定最優(yōu)Cm/U、Ti和θ(方法元素159)?；谀切┲担刂谱酉到y(tǒng)可確定實現(xiàn)那些狀況所必要的流量Q1、Q2、Q5和Q6，以及用于調(diào)溫子系統(tǒng)55的輸入?yún)?shù)(方法元素161)?？刂谱酉到y(tǒng)11對EGE控制閥41和下游壓縮機泄放控制閥31提供指令以實現(xiàn)減小的負載所期望狀況(方法元素163)。然后使負載減小ΔL(方法元素165)。如果未達到Lend，則過程重復(fù)，直到負載達到Lend為止(方法元素167)。圖11是可由壓縮機保護子系統(tǒng)5執(zhí)行來使燃氣渦輪3上的負載從起始負載(Lstart)增大(斜坡增加)到斜坡增加水平負載(Lend)的示例性方法的流程圖。操作員確定現(xiàn)有負載Lstart(方法元素251)和期望負載Lend(方法元素253)?？刂谱酉到y(tǒng)11接收來自傳感器的數(shù)據(jù)，其包括環(huán)境溫度(Ta)、壓縮機入口處的溫度(Ti)、IGV導(dǎo)葉角(θ)、壓縮機放出流率Q1和排氣抽取流率Q2(方法元素255)。操作員可確定負載增大速率ΔL/t，以使負載從Lstart到達Lend?？纱_定負載的遞增量ΔL(方法元素257)，并且可基于關(guān)于特定的燃氣渦輪的Cm/U約束和排放極限來計算或確定最優(yōu)Cm/U、Ti和θ(方法元素259)?；谀切┲?，控制子系統(tǒng)可確定實現(xiàn)那些狀況所必要的流量Q1、Q2、Q5和Q6，以及用于調(diào)溫子系統(tǒng)55的輸入?yún)?shù)(方法元素263)?？刂谱酉到y(tǒng)11對EGE控制閥41和下游壓縮機泄放控制閥31提供指令以實現(xiàn)增大的負載的所期望的狀況(方法元素265)。如果未達到Lend，則過程重復(fù)，直到負載達到Lend為止。利用圖10和11中示出的方法會為操作員提供柔性，以不僅控制起始負載和最終負載，而且還控制負載改變的速率，同時避免在壓縮機13上有空氣動力學(xué)應(yīng)力。圖12示出了用于在將燃氣渦輪3下調(diào)到下調(diào)負載的同時仍然符合可由冬眠模式子系統(tǒng)7執(zhí)行的排放標(biāo)準(zhǔn)的方法的實施例。操作員確定當(dāng)前負載(L)(方法元素271)和期望最終負載(Lend)(方法元素273)。然后操作員可確定負載的遞增變化ΔL(方法元素275)。控制子系統(tǒng)11可確定新負載水平下的流量系數(shù)(Cm/UL+ΔL)是否將低于約束范圍下的流量系數(shù)(Cm/UR)(方法元素277)。如果新負載水平下的流量系數(shù)將小于約束范圍流量系數(shù)，則控制子系統(tǒng)11計算使流量系數(shù)保持在高于約束范圍流量系數(shù)的水平下所需要的壓縮機入口溫度的變化ΔT和IGV導(dǎo)葉角θ的任何變化(方法元素279)。然后控制子系統(tǒng)11確定新負載水平下的NOX是否將大于可應(yīng)用的最大NOX排放許可。另外，控制子系統(tǒng)11還可確定新負載水平下的CO排放是否將大于可應(yīng)用的最大CO排放許可(方法元素281)。如果針對新負載所計算出的排放水平超過許可水平，控制子系統(tǒng)則將計算對于燃燒器在許可水平內(nèi)的排放水平下運行所必要的燃料空氣比的變化(方法元素283)。然后控制子系統(tǒng)11可將負載改變成新水平(方法元素285)?？刂谱酉到y(tǒng)11可確定新負載水平下的流量系數(shù)是否小于約束水平下的流量系數(shù)(方法元素287)。如果新負載水平下的流量系數(shù)小于約束水平下的流量系數(shù)，控制子系統(tǒng)11則對應(yīng)地將指示冬眠模式子系統(tǒng)7調(diào)節(jié)入口溫度(方法元素289)?？刂谱酉到y(tǒng)11可確定NOX排放水平是否超過施加在系統(tǒng)上的NOX排放極限。控制子系統(tǒng)11還可確定CO排放水平是否超過施加在系統(tǒng)上的CO排放極限(方法元素291)。如果新負載水平下的排放超過可應(yīng)用的排放水平，控制子系統(tǒng)11將指示冬眠模式子系統(tǒng)7調(diào)節(jié)燃燒器15處的燃料空氣比，使得排放在許可水平內(nèi)(方法元素293)。在聯(lián)合循環(huán)燃氣渦輪系統(tǒng)中，方法另外可包括方法元素來用于對于新負載確定熱回收蒸汽發(fā)生器子系統(tǒng)21的入口溫度，而且如果其超過許可溫度極限，控制子系統(tǒng)11可指示聯(lián)合循環(huán)等溫子系統(tǒng)9對進入熱回收蒸汽發(fā)生器子系統(tǒng)21的氣體溫度調(diào)溫，使得溫度落在可接受的極限內(nèi)。利用圖12中示出的方法會為操作員提供柔性，以不僅控制起始負載和最終負載，而且還控制負載改變的速率，同時避免違反排放標(biāo)準(zhǔn)所施加的極限。壓縮機保護子系統(tǒng)5、冬眠模式子系統(tǒng)7以及(在聯(lián)合循環(huán)燃氣渦輪系統(tǒng)的情況下)聯(lián)合循環(huán)等溫子系統(tǒng)9的組合為計劃操作員提供柔性，以在非常低的負載水平下以高于傳統(tǒng)系統(tǒng)的效率運行燃氣渦輪。另外，子系統(tǒng)的組合為操作員提供多個途徑來改變?nèi)細鉁u輪系統(tǒng)1的功率輸出。通過控制壓縮機入口溫度、燃燒器15處的燃料空氣比以及在熱回收蒸汽發(fā)生器子系統(tǒng)21的入口處的氣體的溫度的組合，操作員能夠在給定的部分負載下以及針對給定的環(huán)境溫度來改進燃氣渦輪3和/或聯(lián)合循環(huán)的效率。燃氣渦輪系統(tǒng)1的多種實施例對燃氣渦輪3提供顯著的運行優(yōu)點。例如，關(guān)于代表性燃氣渦輪3的計算指示下調(diào)極限可從大約45%至60%的負載之間的范圍降低到大約10%至36%之間的范圍，同時仍然保持NOX和CO符合性。可保持這些負載水平，而對以特定的負載水平運行所需的BTU/KWh有可測量的影響。本書面描述使用示例來公開本發(fā)明，包括最優(yōu)模式，并且還使本領(lǐng)域任何技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明，包括制造和使用任何裝置或系統(tǒng)，以及實行任何結(jié)合的方法。本發(fā)明的可取得專利的范圍由權(quán)利要求限定，并且可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其它示例。如果這樣的其它示例具有不異于權(quán)利要求的字面語言的結(jié)構(gòu)元素，或者如果它們包括與權(quán)利要求的字面語言無實質(zhì)性差異的等效結(jié)構(gòu)元素，則它們意于處在權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。