专利名称：燃烧设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃烧设备并且涉及具体地由燃气涡轮机构成的燃烧设备。燃烧设备被用于大量的不同环境，包括燃气涡轮机、熔炉和锅炉。
背景技术：
图1以摘要方式示出了典型燃气涡轮机设置的示例。燃气涡轮机包括位于一端处的空气入口 10，之后是压缩机级11，在该压缩机级11中入流空气被压缩以便用于一个或多个燃烧器12，所述燃烧器12围绕涡轮机轴线13周向分布。燃料在14处被引入到燃烧器内并且在此与离开压缩机级11的一部分压缩空气混合。在燃烧器12中燃烧所产生的热气体在被一组涡轮机引导叶瓣16引导的过程中被引导到一组涡轮机叶片15，因此涡轮机叶片15和形成轴线13的轴转动。涡轮机叶片15继而旋转压缩机级11的叶片，以使得一旦运转则压缩空气就由燃气涡轮机本身供应。图2A中示意性示出典型燃烧器的一部分。(图2B是沿图2A所示的线III-III截取的截面)。燃烧器有四个部分前端部分20 (喷燃器)、旋流器部分21、喷燃器预燃室部分 22以及燃烧容积23。主要燃料借助于前端部分20通过管道M被引入到旋流器21中，而导引燃料通过在其端部具有导引燃料喷嘴四的管道25或者经由一系列喷嘴或孔进入喷燃器空间。主要和导引燃料流来自于燃料分流阀沈，用代表通向燃烧器的总体燃料供应的燃料供应27来供给该燃料分流阀26。主要燃料流通过一组主要燃料喷嘴(或喷射器) 进入旋流器，由此其沿旋流器叶瓣30被引导，在该过程中与入流压缩空气相混合。得到的空气 /燃料混合物维持喷燃器火焰30。来自这个火焰的热空气进入燃烧容积23。燃气涡轮机将通常包括多个这样的燃烧器，在这种情况下主要和导引燃料流分配将通常如图3所示。针对所有燃烧器的公共燃料供应将被划分成针对所有燃烧器的主要燃料供应以及同样针对所有燃烧器的导引燃料供应。
发明内容
常见的问题在于，由于这种燃烧器内产生的高温，所以燃烧器的各组成部分具有过热的风险，这能够严重损坏燃烧器或至少损害其性能。而且，NOx排放(NOx代表如化合物NO和NO2的氮的氧化物)是主要考量。本发明的目标是提供一种燃烧设备，其减小这种过热的风险并且针对于在宽操作范围内仅产生低排放。这个目标是通过独立权利要求实现的。从属权利要求描述了本发明的有利改良和改型。根据本发明的第一方面，提供一种燃烧设备，其包括
-通向燃烧设备以用于向燃烧设备提供总燃料供应的燃料供应管线； -至少一个喷燃器，其包括通向所述至少一个喷燃器的多个燃料供应管线，通向所述至少一个喷燃器的所述多个燃料供应管线中的燃料供应对应于通向所述设备的所述燃料供应管线中的所述总燃料供应；-与所述至少一个喷燃器关联的燃烧容积；
-温度传感器，其位于所述设备内以便能够传输与所述设备中将要被保护以防过热的部分相关的温度信息；
-压力传感器，其能够传输代表所述燃烧容积内的压力的压力信息；以及 -控制设置。控制设置被设置成基于温度信息并基于压力信息并基于其他信息来改变向所述至少一个喷燃器中的一个或更多个喷燃器的燃料供应，所述其他信息指示出针对时间信息所定义的时间跨度的信号随时间的进程，以便保持要被保护的所述部分的温度低于预定最大温度限制，以及以便保持燃烧容积中的压力变化低于预定最大压力变化限制，同时保持通向设备的燃料供应管线内的总燃料供应基本恒定。本发明的构思是特别有利的，这是因为能够避免在不稳定情况下或避免在导致在燃烧容积内的表面上或喷燃器上施加过高温度的情况下运转所述设备。而且通过考虑到时间信息，可以在离散的时间点改变燃料供应并且保持离散时间点之间的燃料供应不变。除此之外，还允许以如下方式频繁地改变燃料供应，即操作点将接近但不处于特定操作范围内，例如接近产生较高压力动力(优点在于将产生较少NOx)或产生高温(优点在于设备将提供稳定燃烧)的操作点。另一方面，指示出信号随时间的进程的其他信息的赋值可以保证燃料供应的变化不会以太频繁的方式发生，从而允许稳定进行的操作模式而不会连续地改变燃料供应的阀设定并且避免了阀设定的振荡。除此之外，通过赋值信号随时间的进程，可以忽略信号中可能存在的尖峰和噪声。在第一实施例中，要被处理的信号可以代表负载信息和压力信息中的一者，其中负载信息指示出燃烧设备的负载。这样，能够监视在所述时间跨度上是否重复发生动态压力波动，并且如果发生的话则能够执行改变燃料供应以便提供具有改良的动态压力波动的操作的步骤。如果至少针对特定带宽，动态压力波动的数量或幅度减小，则能够观察到动态压力波动的“改良”。在又一实施例中且在第一操作模式中，控制设置还可以被设置成以如下方式改变时间信息所限定的时间点处的燃料供应，即使得要被保护的所述部分的温度被调节成使预定最大温度限制和温度信息所代表的所述部分的温度之间的差异不超过预定义温度阈值。 这可以避免各部分的过热。在又一实施例并且在第二操作模式中，控制设置可以进一步被设置成以如下方式改变时间信息所限定的时间点处的燃料供应，即使得压力变化被调节成使预定最大压力变化限制和压力信息所代表的压力变化或波动之间的差不超过预定义压力变化阈值。赋值可以例如经由带宽操作被限制到可以被看作是不利于稳定操作的仅仅特定压力频带，例如不利于稳定操作的原因在于，触及了燃烧值内的共振频率以及/或者压力脉冲负面地影响火焰例如以致会导致熄火的风险。优选地，控制设置可以进一步被设置成通过针对时间信息所限定的时间跨度执行信号的求平均或求和步骤从而赋值信号随时间的进程，具体地用于确定压力或负载值在该时间跨度上的积分或确定压力或负载值在该时间跨度上的平均值。在将要进行求平均或求和步骤之前，信号可以被预处理，例如通过滤波器被预处理。可以相对于阈值处理积分。通过处理积分或平均值，能够识别出燃烧设备的大体操作趋势，并且如果操作进入或处于不希望的区内，则能够通过改变燃料供应来采取对策。显著优点在于，通过这种操作，被赋值信号(例如压力动力或负载)中的信号尖峰或噪声可以被忽略以使得仅在感知到处于不希望的区中的恒定且稳定操作时开始改变燃料供应。在下文中，将更具体地讨论上述第二操作模式，其中提供了接近预定最大压力变化限制的操作。在优选实施例中，控制设置可以进一步被设置成通过基于压力信息和时间信息进行时间积分来确定时间积分值。具体地，可以仅在压力信息代表下落到预定义另一压力变化限制值之下的动态压力值时确定时间积分值。换言之，下落到预定义另一压力变化限制值之下的动态压力值引发了对时间积分的赋值。对于这样的设置而言，控制设置可以进一步被设置成如果时间积分值超过(可能仅比较绝对值)预定义第一时间积分限制值则燃料供应被改变第一变化值。特别地，如果时间积分表现出动态压力值持续地保持在第一时间积分限制值之上，则导引燃料供应可以被增加以获得更可靠的燃烧。除此之外，控制设置可以进一步被设置成在燃料供应的前一变化之后，如果压力信息指示出压力变化达到预定最大压力变化限制，则燃料供应改变第二变化值，以便至少部分地抵消第一变化值的燃料供应变化。这是有利的，因为燃烧设备将不会在最大压力变化限制处直接操作而是在距该限制一预定距离处操作。此外，操作可以被延长，以使得如果压力信息指示出压力变化低于预定最大压力变化限制超过预定义压力变化差，则燃料供应改变第三变化值，有利地是沿与第一变化值相同的“方向”改变并且可能改变的值为第一变化值。这允许产生阶梯型曲线，参见图6A， 对此，操作保持成接近预定最大压力变化限制。在下文中，仍然针对第二操作模式，将通过时间平均操作而不是先前描述的积分来赋值随时间的进程。除了动态压力之外，负载信息也能够被赋值以作为随时间的信号。特别地，燃烧设备可以进一步包括位于设备中的可回转轴和发动机负载指示器以便能够传输代表发动机负载或轴的扭矩或轴的回转速度的负载信息。其他操作参数或这些参数的组合能够被看作指示出发动机负载。这可以取决于实际的燃烧设备。有利地，控制设置可以进一步被设置成针对时间信息所限定的时间跨度保持燃料供应恒定并且收集该时间跨度期间的负载信息。因此，将避免对燃料供应的过快校正。控制设置可以进一步被设置成如果在时间跨度期间收集的负载信息的变化保持小于预定义负载阈值，例如时间跨度内5%的负载变化，则在时间跨度的一段时移之后使得燃料供应改变第一变化值。如果应该接近预定最大压力变化限制来操作燃烧，则燃料供应的变化可导致导引燃料的减少。如上所述，控制设置可以进一步被设置成在燃料供应的前一变化之后，如果压力信息指示出压力变化到达了预定最大压力变化限制，则燃料供应改变第二变化值，从而至少部分抵消第一变化值的燃料供应变化。如上所述，优点在于，将不会在最大压力变化限制处直接操作而是距该限制一预定义距离处操作燃烧设备。而且在不同方案中解释进一步的操作。具体而言，操作可以被延长，使得如果压力信息指示出压力变化低于预定最大压力变化限制超过预定义压力变化差，则燃料供应改变第三变化值，有利地沿与第一变化值相同的“方向”改变并且可能改变的值为第一变化值。这允许产生阶梯型曲线(见图6A)，其中操作被保持成接近预定最大压力变化限制。在下文中，将更加具体地讨论上述第一操作模式，其中提供了接近预定最大温度的操作。对于初始步骤，控制设置可以进一步被设置成如果温度信息指示出温度达到了预定最大温度限制，则燃料供应改变第四变化值以便至少部分抵消第一变化值的燃料供应变化。在这个变化之后，控制设置可以进一步被设置成在时间信息限定的时间跨度上保持燃料供应恒定并且收集该时间跨度期间的负载信息。如上所述，因此将避免对燃料供应的过快校正。控制设置可以进一步被设置成如果在该时间跨度期间收集到的负载信息的变化保持低于预定负载阈值，例如时间跨度内5%的负载变化，则在该时间跨度的一段时移之后使燃料供应改变第一变化值。如果应该接近预定最大温度限制处进行燃烧，则燃料供应的变化会导致导引燃料的增加。该过程可以以如下方式继续，即控制设置可以进一步被设置成如果温度信息指示出温度第二次或第更多次地再次达到预定最大温度限制，则燃料供应改变第五变化值，有利地是沿与第一变化值相同的“方向”改变并且可能改变的值为第一变化值。应用多个前述设置将允许提供保持靠近预定最大温度限制的操作。对于所有操作模式而言，下述结构构造是适用的并且会是有利的。例如，多个燃料供应管线可以包括通向所述至少一个喷燃器中的每一个的第一主要燃料供应管线和第二导引燃料供应管线。此外，多个燃料供应管线可以包括通向所述至少一个喷燃器中的每一个的第一和第二主要燃料供应管线。控制设置可以被设置成改变所述至少一个喷燃器中的至少一个中的第一和第二燃料供应管线中的燃料供应比例，同时将去往该喷燃器的总燃料供应保持基本恒定。可替代地，该设备可以包括多个喷燃器，并且控制设置可以被设置成改变一个喷燃器内的第一和第二燃料供应管线中的燃料供应比例，且同时允许去往该喷燃器的总燃料供应变化，去往该喷燃器的总燃料供应的变化由去往另一个或多个喷燃器的总燃料供应的相应相反变化来补偿。要被保护的部分可以是下述中的至少一者至少一个喷燃器的前面、至少一个喷燃器的预燃室壁、燃烧容积的壁以及位于喷燃器的旋流器腔室内的喷管。温度传感器可以位于要被保护部分上或内，所述要被保护部分可以是如下中的任一者至少一个喷燃器的前面、至少一个喷燃器的预燃室壁、燃烧容积的壁以及位于喷燃器的旋流器腔室内的喷管。温度传感器可以定位成能够感测进入至少一个喷燃器的气体的温度。可替代地， 在燃烧设备是燃气涡轮机的情况下，其可以被定位在燃烧容积的下游端，以便能够感测燃气涡轮发动机的涡轮叶瓣的温度。作为另一选择，温度传感器可以定位在通向至少一个喷燃器的燃料供应管线内。燃烧设备可以是燃气涡轮发动机并且燃烧容积可以包括燃气涡轮发动机的燃烧容积。可替代地，燃烧设备可以是锅炉或熔炉。前文中，从结构上限定了控制设置。还可能的是限定这种控制设置所执行的方法步骤并且仅主张这些方法步骤。在此将不就此论述，因为其大部分是重复的。无论如何，权禾Ij要求还可以被限定成赋值如温度信息、压力信息和负载信息的输入信息以及控制燃料供应设定的方法步骤。本领域技术人员将从上文和下述描述中得出，除非另有提示，否则属于一种主题类型的特征的任意组合以及涉及不同主题的特征之间的任意组合，具体是产品权利要求的特征和方法权利要求的特征之间的任意组合，均被认为被本申请所公开。从之后描述的实施例示例可以显而易见到本发明的上述方面和其他方面，并且参考实施例示例解释了各方面。
现在将参考附图仅以示例方式描述本发明的实施例，附图中 图1是典型燃气涡轮机的纵向截面图2A是典型燃烧器的纵向截面图，并且图2B是沿图2A的线III-III截取的截面图； 图3是表示具有多个燃烧器的典型燃气涡轮机内的主要和导引燃料供应的来源的方框图4是表示与本发明相关的用于不同负载值的主要/导引燃料分流的示图； 图5是被放置在根据本发明的燃烧设备内的温度和压力传感器的一种示例； 图6表示了示出控制机构的影响的示例性示图。
具体实施例方式附图中的图示是示意性的。应该注意到在不同附图中类似或相同元件将使用相同附图标记。本发明人已经认识到可以通过改变通向燃烧器的主要/导引燃料供应而不改变通向设备的总燃料供应，从而防止由于燃烧区域内的燃烧过程造成燃烧设备的组成部分的过热。通常希望的是保持通向燃烧器(或一组燃烧器，其中具有一个以上的燃烧器)的恒定总燃料供应，以便与施加在可以是例如燃气涡轮机的设备上的恒定负载匹配。当燃气涡轮机上的负载改变时，则通常必须改变通向燃气涡轮机的总燃料供应(如果不采用其他方法的话)。根据优选实施例，在多个喷射点(主要燃料喷嘴(或喷射器) 和导引燃料喷嘴四， 如图2、图3和图5所示)使用多个燃料供应管线M、25 (见图5)将燃料引入到燃气涡轮机的燃烧室内。燃料将被供给通过不同的燃料供应管线(导引燃料供应管线25和主要燃料供应管25)，并且将由作为本发明控制设置36的所谓的发动机控制单元通过阀门来控制分流比例。通常，经由预定义燃料分流映射在不同负载上设定导引燃料供应管线25和主要燃料供应25之间的燃料喷射比，以便在整个操作范围上实现最佳性能和NOx。根据本发明， 预定义燃料分流映射的使用被限于特定操作范围，这是因为预定义燃料分流映射需要相对于低排放被设定于特别保守的水平以便确保全面的可操作性。在整个操作范围上使用的预定义燃料分流映射的主要缺点在于，预定义燃料分流映射没有考虑到可能由于例如环境温度、制造容差和特定地点需求的改变而产生的发动机特性的变化。此外，在预定义操作映射上有时会经历较窄的操作裕度，例如高的金属温度 (图4上的区A)和大的燃烧器压力波动(图4上的区B)彼此靠近的边界处。
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图4中示出了本发明内在的构思，图4是负载相对于主要/导引燃料分流的示图。 水平轴线在左手侧代表低负载并且在右手侧代表高负载。竖直轴线代表燃料分流，其中在竖直轴线的较高范围处，经由导引燃料供应的燃料量较大。在竖直轴线的较小范围处将标示出经由导引燃料供应的燃料的量较小。竖直轴线没有示出燃料供应的绝对值而是与主要燃料供应相比的导引燃料供应的相对值。在附图中，A表示的阴影区域代表一组工况，其中燃烧器的组成部分由于过热而处于损坏的危险。例如，可存在如下情况，其中特定主要-导引燃料分流将导致给定负载时燃烧器表面的过热。因此，本发明针对给定负载试图在主要和导引燃料流之间产生分离(分流)以便避开区域A。同时，本发明试图保持操作远离区域B。对于一种特定情况来讲，区域B代表一组工况，其中燃烧区域内的动态压力振荡的幅度是不希望地高。当这种动态压力振荡超过可接受水平时，燃气涡轮机的操作和/或燃烧系统的机械寿命能够受到严重损害。因此，还希望能够保持远离区域B和区域A。这根据本发明来实现。动态压力振荡的频率取决于燃烧器的几何构造以及作为一部分的声学系统的特性，并且可以从100 Hz以下到高达几kHz的范围。为了实现主要/导引燃料流分流的适当变化，与燃烧器相关的适当点的温度和压力振荡借助于传感器被监测。现在参考与图2A相对应的图5，在此燃烧器设置中的温度和压力振荡通过如下方式测量即首先将温度传感器32放置在燃烧器的关键部分上，之后将压力传感器33放置在燃烧容积23内。在此示例中，关键部分是限定燃烧容积23的周向壁。来自两个传感器的输出34和35被传输到作为控制设置的控制单元36。负载信息作为另一输入38提供给控制单元36。负载信息可以代表可以连接到燃气涡轮机的轴并由该轴驱动的被驱动发电机的速度或功率输出、该被驱动发电机生成的功率、燃气涡轮机的轴的旋转速度或者该轴所提供的扭矩。负载信息还可以代表离开燃烧室的质量流量。其可以来自于传感器(图5中未示出)或者可以源自于其他操作参数。负载信息还可以是上述定义的组合。基于经由输入/输出34、35、38提供的信息，控制单元36通过经由控制单元36的输出37提供控制信号来控制通过阀沈的主要和导引燃料的比例。控制单元36包含处理设备来执行适于将燃气涡轮机的操作保持在图4中的区域 A和B之间的安全区域内的处理步骤。这种处理的示例将在下文中给出。在第一实施例中，将通过靠近代表具有大压力波动的操作点的区B运行从而在 NOx大幅减少的情况下操作燃气涡轮机。通过参考图6A来解释这种实施例。根据图6，供应给导引燃料喷嘴四的导引燃料和供应给主要燃料喷嘴观的主要燃料之间的分流遵循曲线60。曲线60针对低负载在区域61内遵循预定义燃料分流映射并且针对高负载在区域63内遵循预定义燃料分流映射。在中度负载的区域62内，图6示出了一个区域，其中如果将遵循预定义燃料分流映射则曲线60将遵循虚线。相比之下，由本发明构思所得到的实际曲线在区域61、62、63中被示为实线并且“校正”燃料分流以便区A或 B均不是永久操作点。对于非常低的负载而言，向喷燃器提供高的导引燃料值。这种燃料分流将保持未被修改直到负载达到阈值C。阈值C定义了“启动负载”，其对应于一发动机负载，认为在该发动机负载之上必须运行本发明处理过程的控制部分。如果负载超过阈值C，则预定义燃料分流映射限定了以如下方式改变主要/导引燃料分流，即使得导引燃料供应减少并且主要燃料供应增加。所述过程之后基本连续地重复以便遵循预定义燃料分流映射。如果负载超过阈值C或者可替代地在整个负载范围内，控制设置36被设置成读取提供压力信息的压力传感器33以及提供温度信息的温度传感器32以及提供负载信息的发动机负载指示器的输出。在之后的时间段，温度信息被收集并且与预定最大温度限制进行比较。除此之外， 压力信息被收集并且与预定最大压力变化限制进行比较。如果这些条件中的任一为真，则启动根据本发明的主动导引控制处理过程。如果不是这样，则针对来自离默认设定的任意变化来检查主要/导引流动分流映射。作为图6A所示的第一示例，现在假定燃料供应遵循主要/导引流动分流映射并且在某一点处负载增大从而开始侵入区域A。这在图6A中示为点72。在这些情况下，温度信息参数将超过许用最大值，即预定最大温度限制。因此，开始特定的主动导引控制，并且分流被递减至假定点73。压力动态信号被进一步监控并且作为压力信息被提供给控制设置 36。如果压力信息代表在特定预定义值之下的压力动态值，则在时间信息限定的时间上计算压力动态值上的时间积分。这个时间积分对应于本发明的其他信息，其指示出信号随时间的进程，该信号是压力动态值。如果这个时间积分值超过预定义第一时间积分限制值，则本发明的燃料分流控制将以设定比例减小导引燃料直到触及区B (点74)。如果触及到区 B，则导引燃料将稍微增加(75)从而是在区A和区B之间的目标区域内、但靠近区B的操作点ο可以在曲线和给定动态压力限制之间进行积分。对于最小限制而言，如果要计算的积分将产生负值的话(在这种情况下计算区域在曲线和限制之间并且曲线低于限制)，则还会使用积分的求逆。对于动态压力值而言，还可关注于特定频带。在构建积分之前，可以例如通过施加带宽算符从而仅考虑特定频带。这样，例如可关注于会导致熄火的压力频率。在已经进行了这些步骤之后，只要负载保持恒定，则不再进行进一步的主要/导引燃料分流改变。从这点开始，作为一种可能的实施例，不再进行燃料分流调整，直到触及区A、区B 或默认燃料分流映射。可替代地，进一步的燃料分流调整可以是可能的并且是有利的。可以监控负载变化，这能够经由提供给控制设置36的负载信息被分析出。一旦负载已经增加了预定义值， 或者与负载无关只是简单地等待了预定义时间，则将再次执行针对点72开始的上述处理过程。这将多次迭代地被执行并且燃料分流可以被更新以便燃气涡轮机的操作点保持靠近区B。这能够通过图6A在区域62内的左手侧上的阶梯状曲线看出。可使用后续多个迭代来继续这种操作模式。如果到达上负载限制或最小导引燃料供应设定(点70)则可以结束这种处理过程。之后，主要/导引燃料分流可以保持不变(参见区域62的右手侧上的曲线)直到可以再次在区域63遵循默认燃料分流(从点71开始)。在第一示例中，构建时间积分。现在在第二示例中，示出不同的实施方式。再次参考图6A。
根据这种第二示例，再次假定燃料供应遵循主要/导引流动分流映射并且在某一点处负载增加从而开始侵入区域A (点72)。在这些情况下，温度信息参数将超过许用最大值，即预定最大温度限制。因此，开始特定的主动导引控制，并且分流被递减至假定点73。 从这个时间点开始，将针对时间信息所限定的时间跨度(例如15至30分钟)监控工况。根据本发明，在这个时间跨度上，将监控操作负载并且在负载上建立时间平均，负载上的时间平均可以是指示出随时间进程的进一步信息。如果时间平均值保持相对恒定，例如具有最高达5%的变化，则控制处理过程将以设定比例减小导引分流并且将重启前面的监控时间跨度上的负载和建立时间平均的时间值的步骤。这个处理过程将迭代地持续并且本发明的燃料分流控制将以设定比例减小导弓丨燃料直到触及区B (点74)。如果触及了区B，则导引燃料将稍微增加(75)从而是在区A和区B之间的目标区域内、但靠近区B的操作点。在已经进行了这些步骤之后，只要负载保持恒定，则不再执行进一步的主要/导引燃料分流改变。从这点开始，也不执行燃料分流调整，直到触及区A、区B或默认燃料分流映射。可替代地，进一步的燃料分流调整可以是可能的。可以监控负载变化，这能够经由提供给控制设置36的负载信息被分析出。一旦负载已经增加了预定义值，或者与负载无关只是简单地等待了预定义时间，则将再次执行针对点72开始的上述处理过程。这被多次迭代地执行以便燃气涡轮机的操作点保持靠近区B。这能够通过图6A在区域62内的左手侧上的阶梯状曲线看出。可使用后续多个迭代来继续这种操作模式。如果到达上负载限制或最小导引燃料供应设定(点70)则可以结束这种处理过程。之后，主要/导引燃料分流可以保持不变(参见区域62的右手侧上的曲线)直到可以再次在区域63内遵循默认燃料分流(从点71开始)。第一和第二示例示出了只要触及点72就开始的处理过程。作为进一步的改型，这个处理过程可以在启动负载点C处就已经开始，以便在整个负载范围上燃气涡轮发动机都将靠近区B并且因此关于NOx排气被优化。作为又一改型，处理过程可以开始于曲线60上的任意给定点处，甚至曲线60不与区A相交。在第三实施例中，将通过靠近区A运行从而在发动机可靠性增加的情况下操作燃气涡轮机，其中区A代表喷燃器20和燃烧室的特定表面上存在高温时的操作点。特别是如果压力传感器或换能器信号失效以及/或者燃气涡轮发动机在主要具有燃烧动态问题的给定部位运行，则靠近区A运行可以是使得燃气涡轮发动机最可靠运转的一种选择。参考图6B解释了这种实施例。根据这种第二示例，假定燃料供应遵循主要/导引流动分流映射并且在某一点处负载增加从而开始侵入区域A (点72)。在这些情况下，温度信息参数将超过许用最大值， 即预定最大温度限制。因此，开始特定的主动导引控制，并且分流被递减至假定点73。从这个时间点开始，将针对时间信息所限定的时间跨度(例如15至30分钟)监控工况。在这个时间跨度上，将监控操作负载并且在负载上建立时间平均。如果时间平均值保持相对恒定，例如具有最高达5%的变化，则控制处理过程将以设定比例再次增加导引分流并且将重启前面的监控时间跨度上的负载和建立时间平均的时间值的步骤。监控负载和递增导引分流的处理过程将迭代地持续并且本发明的燃料分流控制因此将以设定比例增加导引燃料直到触及区A (点74)。如果触及了区A，则导引燃料将稍微减小(75)从而是在区A和区B之间的目标区域内、但靠近区A的操作点。在已经进行了这些步骤之后，只要负载保持恒定，则不再执行进一步的主要/导引燃料分流改变。从这点开始，也可以不进行燃料分流调整，直到触及区A、区B或默认燃料分流映射。可替代地，进一步的燃料分流调整可以是可能的。可以监控负载变化，这能够经由提供给控制设置36的负载信息被分析出。一旦负载已经增加了预定义值，或者与负载无关只是简单地等待了预定义时间或触及区A时，则将再次执行针对点72开始的所公开的上述处理过程。这将多次迭代地被执行以便燃气涡轮机的操作点保持靠近区A。这能够通过图 6B在区域62内的左手侧上的阶梯状曲线看出。可使用后续多个迭代来继续这种操作模式。如果到达上负载限制或最小导引燃料供应设定(点70)则可以结束这种处理过程。之后，主要/导引燃料分流可以保持不变(参见区域62的右手侧上的曲线)直到可以再次在区域63内遵循默认燃料分流(从点71开始)。给定示例是特别有利的，因为在一种操作模式下，将在最小可实现的NOx的情况下且同时运行可靠地来运行发动机。除此之外，如果在预定义时间段上发动机稳定运行则所解释的操作模式中的一种将试图减小NOx。可替代地，在热电偶信号失效的情况下，能够临时地在接近区B处运行发动机。在燃烧动态探头信号失效的情况下，能够临时地在接近区A处运行发动机。这允许稳定操作直到燃气涡轮机的下一次例行检验，即使在监控设备失效的情况下亦可。作为另一优点，本发明还能够用于发动机的改良测试期间以便定义发动机特定燃料调度和最低NOx。已经在图5中示出了放置温度和压力传感器的一种示例。可以预见多种其他位置。可能的是，温度传感器32可以被嵌置在喷燃器的前面39之后。因此，在这种情况下被保护以防过热的部件是喷燃器的前面。可替代地，温度传感器32可以被嵌置在预燃室22 的壁内或燃烧容积23的壁段内。因此，在这两种情况下，要被保护以防过热的部件分别是预燃室壁和燃烧容积的前壁。作为又一种可能位置，对于温度传感器32而言，其可以被提供在位于旋流器腔室内的喷燃器喷管的端部处。温度传感器优选地位于喷管尖端，因为这是喷管最容易过热的部分。在所有上述示例中，温度传感器已经被安装在针对过热被监控的部件内或上。不过，可替代地，可能的是将温度传感器与部件本身分开安装，但是处于其能够无论如何形成对于部件温度的等同测量的位置。例如，温度传感器32位于燃烧器外侧以便能够测量压缩机排气区域内空气的温度。温度传感器可以是用于控制燃气涡轮机的标准仪器的一部分。 这种设置允许例如喷燃器和燃烧器的其他部分或燃烧器附近的部件得到保护而不过热。这种设置的一个优点在于传感器容易被接近并且信号已经可用。在这种情况下，控制被用来防止发生高动态压力振荡，在一些系统中高动态压力振荡对于火焰的位置具有影响。这继而能够提供关于部件内的金属温度的信息。作为另一可替代方案，温度传感器可以位于燃烧器的罩内并且在冷却空气出口的下游，而压力传感器还可以位于罩空间内。当流动以特定频率改变方向时发生动态压力振荡。因此，根据系统的声学特性，可以在(通过喷燃器)连接到振荡源(即火焰释放的热)的容积内的燃烧容积外部记录振荡。动态压力传感器可以位于燃气涡轮发动机的壳体内的其他位置，即使是在燃烧室之外亦可，只要该位置提供与燃烧室内的压力特性对应的压力特性即可。作为另一构造，温度传感器可以位于燃烧容积的非常下游端，以便形成与第一涡轮叶瓣的温度对应的测量，在这种情况下该第一涡轮叶瓣是要被保护的部件。该涡轮叶瓣处的温度曲线受燃料分配且因而受导引和主要燃料供应之间的分流影响。因此可以在叶瓣的表面上的金属温度和燃料分流阀的设定之间看到直接的关联。在又一可能设置中，温度传感器可以被定位成测量向燃料分流阀提供的燃料供应的温度。压力传感器可以位于燃烧容积的上游部分内。在这种燃烧系统中，通过具体工况， 更具体地通过例如压缩机下游的空气温度或燃料温度的参数，来触发压力振荡。在开始脉冲时，这指示出火焰已经运动到燃烧器内的某个位置。在某些系统中的这个位置对应于增加的热传递，这会增加要被保护的部件的金属温度。因此，通过监测燃料温度，算法作用于将火焰移回到更安全的区。至今已经假定，控制在单个喷燃器内的主要和导引燃料之间的燃料分流。不过，还可以具有通往燃烧器的多于一个的主要供应，在这种情况下，可以显著地限制导引的使用， 或者甚至没有导引。在这种情况下，本发明将控制通往燃烧器的两个或更多个主要燃料供应之间的分流，同时保持通往燃烧器的总供应恒定，如前面所述那样。在燃气涡轮机内存在多于一个的燃烧器时出现另一种可能情况。在这种情况下，可以想到在一个燃烧器内主要和导引(或两个或更多个主要供应)之间的分流可包括供应给该燃烧器的燃料总量的变化 (即总量不保持恒定)，只要供应到一个或更多个其他燃烧器的燃料总量被调节以便补偿即可。因此，这还意味着对于特定负载而言，通往整个燃烧设备的总燃料供应保持恒定。虽然已经主要结合燃气涡轮机来描述了本发明，不过本发明还可以用于其他与燃烧相关的环境，例如熔炉或锅炉。已经提到，被监控的两个主要参数是温度和压力。不过还可以监控其他“竞争”参数并且在算法中将其用作参数X和Y。“竞争”指的是参数对于工况具有“推-拉”作用，一方面使其更加靠近区域A并且另一方面使其更加靠近区域B。可以被监控的一种这样的参数是排放物，例如NOx。为了总结不同实施例，提供处理过程来基于例如喷燃器的金属温度和燃烧动态读数来调节燃料调度(导引分流)。要被赋值的参数是金属温度、燃烧动态读数、发动机时钟时间和发动机负载或发电机速度。为了控制主要/导引燃料分流，使用逆积分技术或时间平均技术来接近距图6上的区A或B的一个边界，从而得到理想操作点。如果NOx是主要兴趣，则燃气涡轮发动机能够靠近区B可靠运行。然而，如果发动机在具有已知燃烧动态问题的特定地点运行，则这种技术能够被用于驱使发动机以便靠近区A运行。逆积分应用到代表金属温度或压力的信号之一。其将计算时间积分(在预定义限制之下)并且如果积分值被满足，则将改变(增加或减小)导引分流以便接近区A或B中的一者。上述方法将总是试图保持被连续监控的信号之一(喷燃器金属温度或压力动态)在两个限制之内，即针对压力或温度预定义的最大值和针对积分预定义的最小值之间。时间平均将应用到例如负载或发动机转速(对于双轴构造而言)的参数以便识别出燃气涡轮发动机是否在平均阶段稳定运转。如果是，则将改变(增加或减小)导引分流以便接近区A或B中的一者。 对于所有实施例而言并且根据本发明，有利的是能够找到一种操作模式，其中用于燃料供应的阀门改变次数能够被保持成最小，以便不会连续发生燃料分流的更新。这允许燃烧的稳定进行的操作。
权利要求
1.一种燃烧设备，具体是燃气涡轮发动机，包括-通往所述燃烧设备以便向该燃烧设备提供总燃料供应的燃料供应管线(27);-至少一个喷燃器(20)，其包括通往所述至少一个喷燃器(20)的多个燃料供应管线 (24、25)，通往所述至少一个喷燃器(20)的所述多个燃料供应管线(24、25)中的燃料供应对应于通往所述设备的所述燃料供应管线(27)中的所述总燃料供应；-与所述至少一个喷燃器(20)关联的燃烧容积(23)；-温度传感器(32)，位于所述设备内以便能够传输与该设备的要被保护以防过热的部分(31)相关的温度信息；-压力传感器(33)，以便能够传输代表所述燃烧容积(23)内的压力的压力信息；以及-控制设置(36)，被设置成基于所述温度信息和所述压力信息和其他信息来改变通往所述至少一个喷燃器(20)中的一个或更多个的燃料供应，所述其他信息指示出针对时间信息限定的时间跨度的信号随时间的进程，以便保持要被保护的所述部分(31)的温度低于预定最大温度限制，以便保持所述燃烧容积(23)内的压力变化低于预定最大压力变化限制，同时保持通往所述设备的所述燃料供应管线(27)中的所述总燃料供应基本恒定。
2.如权利要求1所述的燃烧设备，其中所述控制设置(36)进一步被设置成使得要被处理的信号代表负载信息和所述压力信息中的一者，所述负载信息指示出所述燃烧设备的负载。
3.如权利要求1至2中任一权利要求所述的燃烧设备，其中在第一操作模式中，所述控制设置(36)进一步被设置成使得以如下方式改变由所述时间信息限定的时间点处的燃料供应，即使得要被保护的所述部分(31)的温度被调节成使得所述预定最大温度限制和所述温度信息代表的所述部分(31)的温度之间的差不超过预定义温度阈值。
4.如权利要求1至2中任一权利要求所述的燃烧设备，其中在第二操作模式中，所述控制设置(36)进一步被设置成使得以如下方式改变由所述时间信息限定的时间点处的燃料供应，即使得所述压力变化被调节成使得所述预定最大压力变化限制和所述压力信息代表的压力变化之间的差不超过预定义压力变化阈值。
5.如权利要求1至4中任一权利要求所述的燃烧设备，其中所述控制设置(36)进一步被设置成使得通过执行针对所述时间信息限定的时间跨度对信号的求平均或求和步骤，具体地以便确定在该时间跨度上压力或负载值的积分或者以便确定在该时间跨度上的压力或负载值的平均值，从而赋值该信号随时间的进程。
6.如权利要求1或权利要求5所述的燃烧设备，其中所述控制设置(36)进一步被设置成使得通过基于所述压力信息和所述时间信息来执行时间积分从而确定时间积分值。
7.如权利要求6所述的燃烧设备，其中所述控制设置(36)进一步被设置成使得如果所述压力信息代表低于另一预定义压力变化限制值的动态压力值则确定所述时间积分值。
8.如权利要求6或权利要求7所述的燃烧设备，其中所述控制设置(36)进一步被设置成使得如果所述时间积分值超过预定义第一时间积分限制值则使得所述燃料供应改变第一变化值。
9.如权利要求1至5中任一权利要求所述的燃烧设备，还包括 -可回转轴；-发动机负载指示器，其位于所述设备内以便能够传输代表发动机负载或所述轴的扭矩或所述轴的回转速度的负载信息。
10.如权利要求9所述的燃烧设备，其中所述控制设置(36)进一步被设置成使得针对所述时间信息限定的时间跨度保持所述燃料供应恒定并且收集在该时间跨度期间的负载 fn息ο
11.如权利要求10所述的燃烧设备，其中所述控制设置(36)进一步被设置成使得如果在所述时间跨度期间收集的负载信息的变化保持低于预定义负载阈值，则在该时间跨度的一段时移之后使得所述燃料供应改变第一变化值。
12.如权利要求8或权利要求11所述的燃烧设备，其中所述控制设置(36)进一步被设置成使得如果所述压力信息指示出压力变化已经达到所述预定最大压力变化限制，则燃料供应改变第二变化值以便至少部分地抵消所述第一变化值的燃料供应变化。
13.如权利要求1至12中任一权利要求所述的燃烧设备，其中所述控制设置(36)进一步被设置成使得如果所述压力信息指示出压力变化低于所述预定最大压力变化限制超过预定义压力变化差，则所述燃料供应改变第三变化值。
14.如权利要求11所述的燃料设备，其中所述控制设置(36)进一步被设置成使得如果所述温度信息指示出温度达到所述预定最大温度限制，则燃料供应改变第四变化值以便至少部分地抵消所述第一变化值的燃料供应变化。
15.如权利要求1至14中任一权利要求所述的燃烧设备，其中所述控制设置(36)进一步被设置成使得如果所述温度信息指示出温度第二次或第更多次地达到所述预定最大温度限制，则燃料供应改变第五变化值。
16.如权利要求1至15中任一权利要求所述的燃烧设备，其中所述多个燃料供应管线 (M、25)包括通往所述至少一个喷燃器(20)中的每一个的第一主要燃料供应管线(24)和第二导引燃料供应管线(25)。
17.如权利要求1至15中任一权利要求所述的燃烧设备，其中所述多个燃料供应管线 (24,25)包括通往所述至少一个喷燃器(20)中的每一个的第一和第二主要燃料供应管线 (24)。
18.如权利要求16或权利要求17所述的燃烧设备，其中所述设备包括多个喷燃器 (20 )并且所述控制设置(36 )被设置成改变一个喷燃器(20 )内所述第一和第二燃料供应管线(24、25)中的燃料供应的比例且同时允许通往这个喷燃器(20)的总燃料供应改变，通往这个喷燃器(20)的总燃料供应的变化由通往另一个或更多个喷燃器(20)的总燃料供应中的相应相反变化来补偿。
全文摘要
本发明涉及燃烧设备，具体是燃气涡轮发动机，其包括通往所述燃烧设备以便向该燃烧设备提供总燃料供应的燃料供应管线(27)；至少一个喷燃器(20)，其包括通往所述至少一个喷燃器(20)的多个燃料供应管线(24、25)，通往所述至少一个喷燃器(20)的所述多个燃料供应管线(24、25)中的燃料供应对应于通往所述设备的所述燃料供应管线(27)中的所述总燃料供应；与所述至少一个喷燃器(20)关联的燃烧容积(23)；温度传感器(32)，位于所述设备内以便能够传输与该设备的要被保护以防过热的部分(31)相关的温度信息；压力传感器(33)，以便能够传输代表所述燃烧容积(23)内的压力的压力信息；以及控制设置(36)。该控制设置(36)被设置成基于所述温度信息和所述压力信息和其他信息来改变通往所述至少一个喷燃器(20)中的一个或更多个的燃料供应，所述其他信息指示出针对时间信息限定的时间跨度的信号随时间的进程，以便维持将要被保护的所述部分(31)的温度低于预定最大温度限制，并且保持燃烧容积(23)内的压力变化低于预定最大压力变化限制，同时保持通往所述设备的燃料供应管线(27)内的总燃料供应基本恒定。
文档编号F23N5/10GK102549342SQ200980161869
公开日2012年7月4日 申请日期2009年10月9日 优先权日2009年10月9日
发明者G.布拉特, R.麦克米兰 申请人:西门子公司