用于燃气涡轮机的非线性燃料转换的制作方法

专利名称：用于燃气涡轮机的非线性燃料转换的制作方法
技术领域：
本发明大体上涉及一种用于燃气涡轮机控制的方法，而更具体 地涉及一种方法，其用于控制在以气体燃料操作和以液体燃料操作之间进行转换的转换速率(transfer rate),以减少非所需的操作模式 中的时间，由此防止对燃气涡轮机燃烧硬件的过度磨损和损坏。
背景技术：
燃料供应系统。燃气涡轮机一般并不同时燃烧气体燃料和液体燃料。而且，当燃气涡轮机燃烧液体燃料时，气体燃料供应就会关闭。类似地，当燃气涡轮机燃烧气体燃料时，液体燃料供应就会关闭。燃料转换发生在燃气涡轮机操作期间(当燃料供应从液体燃料切换到 气体燃料时)，反之亦然。可以燃烧液体燃料和气体燃料的燃气涡轮机需要液体燃料吹洗 系统以清洁液体燃料燃烧器内的燃料喷嘴。液体燃料供应系统一般 在燃气涡轮机以气体燃料操作时是关闭的。当液体燃料系统关闭时， 吹洗系统运转，以把任何残留液体燃料从燃烧器喷嘴冲出，并提供 持续的冷却气流给喷嘴。图1是具有液体燃料系统和气体燃料系统的示范性燃气涡轮机 的简单示意图。图1示意性地显示了具有液体燃料系统102和液体燃 料吹洗系统104的燃气涡轮机100。燃气涡轮机还可以用气体例如自 然气体来运行，并包括气体燃料系统106。燃气涡轮机的其它主要部 件包括主压缩器108、燃烧器110、涡轮机112和控制器114。燃气
涡轮机112的功率输出是旋转的涡轮机轴杆116,其可以联接到可以产生电能的发电机130上。在示范性工业燃气涡轮机中显示了，燃烧器可以是环形阵列的燃烧室、也即燃烧罐118,其每个都具有液体燃料喷嘴120和气体燃 料喷嘴122(单个燃烧器可以根据设计而具有一个或多个气体或液体 燃料喷嘴)。燃烧器可以可选地是环形的室。燃烧在燃烧罐内靠近喷 嘴的喷嘴下游处开始。空气从压缩器108环绕流动并经过燃烧罐118 以提供燃烧用氧。而且，注水喷嘴124设置在燃烧器110内以给热燃 气体增加能量。液体燃料系统吹洗用的空气可以由压缩器108提供，由吹洗空 气压缩器(未显示)推进而由系统其它元件(未显示)控制。当燃气涡轮 机100以自然气体(或其它气体燃料)操作时，液体燃料吹洗系统104 把已压缩空气经过液体燃料102系统的液体燃料喷嘴120吹入液体燃 料系统102中，以吹洗液体燃料，并提供持续的冷却空气流给液体燃 料喷嘴120。类似地，当燃气涡轮机100以液体燃料操作时，气体燃 料吹洗系统128把已压缩空气吹入气体燃料系统106以吹洗空气燃料 并冷却气体燃料喷嘴122。图2是带有现有液体燃料系统的燃气涡轮机发动机的简单示意 图。液体燃料从液体燃料源205提供给液体燃料系统200。液体燃料 系统200包括到分流器230的流动路径，其经过低压过滤器210、燃 料泵215、旁^^控制阀220和闭塞阀225。压力释放阀235、旁路控 制阀220和闭塞阀225可以使液体燃料流经过循环路线240而循环， 从而到达低压过滤器210的上游侧。分流器230把液体燃料流分到多 个液体燃料流动路径上，这些^f各径分别引至单独的燃烧罐270。分流 器下游的每个液体燃料流动路径都包括三通(端盖)阀245和分配阀 260 (在进入燃烧罐270之前)。三通阀245允许从液体燃术牛流动路径(如上所述)或从液体燃料吹 洗空气系统280到燃烧罐喷嘴的流。三通阀245设计成可选择地允许
从液体燃料到燃烧器喷嘴120的流动，从而防止燃料到液体燃料吹洗 空气系统的回流，或允许吹洗空气到燃烧器喷嘴120，从而防止吹洗 空气到三通阀上游的液体燃料系统的回流。通过防止吹洗空气进入 液体燃料系统，与燃料供应源形成的空气-燃料界面就得以减小。当气体燃料供应到涡轮机时，三通阀245定位成禁止液体燃料 流通过而允许吹洗空气通过，以燃烧器内的冷却燃料喷嘴。当液体 燃料启用时，这种吹洗必须停止。三通(端盖)隔离阀把吹洗空气与液 体燃料分开。燃料系统不需要该硬件；也可以使用二通止回阀或二 通开关阀。图3显示了简化的气体燃料系统。气体燃料系统300包括气体燃 料源305和吹洗空气源340。气体燃料系统还包括气体闭塞阀310、 气体排出阀315和气体控制阀320。气体控制阀320控制可以进入歧 管325及歧管325下游的相关气体喷嘴330的气体燃料的量。吹洗空气源340提供已压縮空气给燃烧器气体喷嘴，以在有气 体燃料供应时吹洗管道和气体喷嘴，并在气体燃料不再供应燃气涡 轮机时来冷却气体喷嘴。每条到单独歧管325的线路都包括截流阀345 和350(以满足泄露标准并确保空气和燃料并不混合)、排放阀355和 孔口 360,以限制吹洗空气流。在燃气涡轮机中燃料流量(flow)较低时会出现一些问题。当使用 液体燃料并转换成气体燃料时，涡轮机会经历 一定时间的气体燃料低流量，同时气体燃料启用而液体燃料切断。液体燃料低流量出现 在转换的末期，此时此转换结束、单元几乎是100%气体燃料。类似 地，在气体燃料转换到液体燃料时，会出现一段低流量操作期—— 在转换初期、液体开始进入时，以及在转换末期气体几乎关断时。当使用气体燃料而操作在燃料低流量状态时，气体控制阀(一个 或多个)中的错误使得潜在的不正确燃料分割时序安排(fuel split schedulmg)成为可能。这不正确的气体燃料分割能够引起高燃烧动态 (high combustion dynamics),其导致潜在的燃烧硬件损坏和额外磨
损。当气体燃料流下降时，喷嘴压力比也下降。喷嘴设计成最小稳态压力比(典型地为1.025)，而这被实现，以避免燃料系统和燃烧器之间的动态联接。在燃料转换期间，该最小比值被暂时违反。而发 生这种暂时违反的情形相关联于在转换时涡轮机上的负载以及转换 期间工作的气体燃料回路的数量。这就是导致潜在损坏和气体燃料 喷嘴磨损的燃烧动态的原因。相似的设备磨损和潜在损坏可以发生在液体燃料低流量状态下 的液体燃料喷嘴上。典型的燃气涡轮机使用罐式环形系统，其中燃烧罐位于不同的高度(elevation)。当前的机械式分流器(连接有正排量 泵)用于液体燃料系统中以补偿这流头差(head difference),主要补偿 单元启动期间的极低流量状态。液体燃料系统中的单个罐由大量的 储器(喷嘴)构成。由于储器(catridges)之间的高度差以及罐内液体燃料 的流头效应，因此最高的储器首先会失去液体燃料流。图4显示了驱动液体燃料流过燃烧罐内液体燃料喷嘴的流头差 取决于喷嘴的位置。显示了两个简化的燃烧罐410和450的侧视图， 其中燃烧罐410以高度H,高于燃烧罐450。燃烧罐410具有两个喷 嘴415和420，其以高度4分开。燃烧罐450具有两个喷嘴455和460, 其也处于不同高度上。分流器230确保液体燃料流适当分配到每个单 独的罐。然而，单独的罐内的喷嘴位于不同的高度。较低的喷嘴因 此具有基于不同流头(其又基于不同的高度)的流量。没有任何机构用 来把流均匀地分到所有位于不同高度的喷嘴。在燃料后面具有最小 流量流头(flow head)的最高储器接收该最小燃料流量。然后这些最高 储器在液体燃料停止流经它们时会受到额外磨损和潜在损坏，而液 体燃料吹洗启动。吹洗流直到液体燃料停止流动才能打开，因为把 液体燃料《1入吹洗系统会有着巨大的风险。高燃烧动态以及由于液体燃料低流量在吹洗之前启动的潜在损坏/额 外磨损这两个问题都可以由本发明的方法来解决。
以前，气体燃料操作和液体燃料操作之间的转换由恒定的、可选的斜率(ramp rate)来控制，其减少一种燃料而相应地增加另一种。 在液体燃料转换到气体燃料的期间，气体燃料按钮从操作者屏幕中 被选中。 一旦所有燃料转换的条件都满足且气体预填充已经完成， 液体燃料将以恒定速率緩慢地匀变(ramp)减少直到液体燃料流减少到 0%。同时，气体燃料增加，直到100%。转换的中期，涡轮机会以50% 液体燃料而50%气体燃料来运行。燃料转换的基本构成块用来操作"混 合燃料"，其中两种燃料都保持一定的分割，作为稳态操作状态的一 部分。在燃料之间总是存在最小可允许稳态分割，以避免在转换过 渡期间出现本专利讨论过的一些问题。在气体燃料低流量水平上，气体控制岡精度能够根据需要而在 大范围内变化。5。/。行程(stroke)所要求的位置可能希望用来使5%的 阀容量(线性关系)流动，但是代之以阀可以使其容量的5%+/-3%的 范围内流动。这气体燃料流错误的发生原因在于，气体控制阀一般 在低10%行程时并非典型定标的，因为涡轮机并不打算利用在这些 低行程状态下的阀来运行——不管多长时间。在低气体控制阀行程 上的精度会引起送进燃烧器的、且在燃烧系统内导致高动态的不正 确的燃料分割。已知地，高动态会增加燃烧系统磨损而减少零件寿 命。在液体燃料低流量状态下，现场测试显示，没有足够的头部压 力来提供充分的液体流给所有的液体燃料喷嘴储器。当先于吹洗空 气流的启动而使用液体燃料低流量时，会发生额外的燃料喷嘴磨损 和潜在损坏。在从一种燃料源转换到另 一种的期间，希望可以保持涡轮机输 出功率的持续性而减少输出功率和温度的任何不足或过冲。在从以 气体燃料操作到以液体燃料操作的转换中，三通阀245切换到液体燃 料线路，闭塞阀打开，而指挥控制阀以进行一些小的预填充流动。 当液体燃料线路被预填充时，气体燃料保持在用于发电机输出的所
需需求基准上。在液体燃料到达燃烧器喷嘴120之前，液体燃料必须 再次填充其先前充有吹洗空气的管道。控制下的燃料是响应用于给定功率输出的燃料基准需求而提供 给燃烧器的燃料。未控制的燃料是引至燃烧器、但未被涡轮机控制 燃料需求信号识别的燃料。液体燃料预填充不包括在燃料需求计算 之内，以避免负载中不利的下降(如果液体燃料预填充没有按希望 到达燃烧器的话)而因此产生燃料不足的状态。到达燃烧器的未控 制燃料的副作用在于，供应了额外的能量，导致初始负载和温度尖 峰，然后又引起全局的燃料需求随时间而被驱使下降以保持相同的 负载输出。在特定燃气涡轮机(其从管理角度来说可以更换)中，预填充率可 以由操作程序来限定。然而，高预填充率还可以影响初始负载和温 度尖峰(如上所述)。因此，不可能实现较高的预填充流的比率却没有 形式上的危害或者非所需的或不可接受的负载瞬变和温度瞬变。图5显示了用来控燃料类型转换的现有技术算法。示范性地， 燃料类型介绍为燃料"A"和燃料"B"。算法用于从燃料"A"到燃料"B" 的转换。从步骤510开始，负栽所要转换到的燃料类型被选择并指定 为燃料"A"。在步骤520，燃料预填充利用燃料"A"完成。在步骤530 判定，是否负载现在由气体燃料提供动力，这意味着负载正切换到 液体燃料(燃料"A"是液体燃料)。如果燃料"A"是液体燃料，则在步骤 540选择恒定的第一燃料转换斜率。如果负载并不是正在切换到液体 燃料(但也不切换到气体燃料)，则在步骤550选择恒定的第二燃料转 换速率。第一燃料转换斜率可以大于(通常大两倍)第二燃料转换斜率 以区分慢的燃料供应是气体,而到液体燃料的转换可以是突发的变 换，其需要更快的转换以防止损失负载。在步骤560，燃料"A，，的百 分比以燃料转换斜率增加而燃料"B，，的百分比以燃料转换斜率减小。 在步骤570，执行检验以判定是否已经完成利用100。/。燃料"A"的操 作。如果100%燃料"八"操作已经完成，则转换在步骤580结束。如
果100。/。的利用燃料"A"的操作还未完成，则继续步骤560直到满燃 料"A"操作完成。图6显示了现有技术方法下从燃料"A"转换到燃料"B"、及从燃 料"B"转换到燃料"A"的简化的燃料转换速率。竖直轴线代表在两个 燃料转换操作期间所供应的燃料类型的百分比。水平轴线代表未标 刻度的时间轴线，其显示了两个燃料转换操作期间的相对转换时间。 实心曲线代表燃料类型"A"。虛线代表燃料类型"B"。对于从燃料"A" 到燃料"B"的燃料转换，其斜度(转换速率)是从燃料"B"到燃料"A"的 斜度(转换速率)的两倍高。因此，对于从燃幹'B"到燃料"A"的燃料 转换，其转换时间是相反转换的两倍。燃料转换速率是线性的，反 映了整个过程中恒定转换速率。图6还显示了用于转换的预填充过 程。预填充通过供应燃料来执行，其比涡轮机负载控制信号所要求 的更早地来吸收负载，以确保当要求供应涡轮机负载时，用于将用 燃料源的燃料供应线路用空气进行吹洗并填充燃料。导致的高喷嘴温度。左侧竖直轴线标示了以兆瓦计的输出、液体燃 料行程基准、气体燃料行程基准和液体燃料百分比的值。右侧竖直 轴线标示了喷嘴温度在绕涡轮才几的不同位置的值。当燃料从液体燃 料转换到气体燃料时，液体燃料百分比以恒定斜率减少而气体燃料 行程基准匀变上升(反映了到燃烧器的气体燃料流)。当液体燃料百分 比下降到低于约10%时，喷嘴温度开始上升，在液体燃料百分比流 下降到0%的过程中持续增加。由于液体燃料吹洗的发生，喷嘴温度 最终下降。因此，需要以这样的方式来控制燃料转换，即增加可靠性并减 少潜在的硬件损坏和磨损，由此延长设备的使用寿命。并且，还需 要完成这种改进的转换却不改变硬件，并且这种改进不会耗费费用 和时间。 本发明涉及一种方法，通过这种方法，可以控制在用于燃气涡轮机的原用(offgoing)燃料源和将用(oncoming)燃料源之间的转换，以 降低可能导致损坏燃气涡轮机设备的不利操作状态下的耗时。简要地说，根据本发明的一个方面，提供了一种方法，用于在 燃气涡轮机内执行从原用燃料类型到将用燃料类型的转换。该方法 包括通过燃料系统完成将用燃料类型的燃料预填充，并判定对将用 燃料类型的总燃料需求是否大于将用燃料类型的预定流率。该方法换到将用燃料类型。进一步地说，该方法还包括判定原用燃料流率 是否降低到原用燃料类型的预定流率以下，选择最终燃料转换速率， 并以所选最终燃料转换速率完成从原用燃料类型到将用燃料类型的 转换。根据本发明的笫二方面，提供了一种方法，用于降低在燃气涡 轮机功率瞬态上预填充的未控制的液体燃料的影响。该方法包括执 行用于将用燃料类型燃料线路的预填充；并启用用于原用燃料类型 的快速燃料转换速率。根据本发明的另一方面，提供了一种方法，以在燃气涡轮机内 执行从原用燃料类型到将用燃料类型的转换。该方法包括在开始时 以快速燃料转换速率从原用燃料类型降低燃料流率并从将用燃料类 型提高燃料流率——当要避免不利燃烧状态在将用燃料类型的燃烧 系统内出现、且对将用燃料类型的总燃料需求没有超出快速燃料转 换极限时。然后，该方法还包括，以用于原用燃料类型的慢速燃料 转换速率从原用燃料类型降低燃料流率和从将用燃料类型提高燃料 流率——当由于低流率不再存在而对将用燃料类型的总燃料需求超 出快速燃料转换极限，使得至少一个不利燃烧状态存在于原用燃料 类型的燃烧系统中时。进一步地说，该方法还包括，以快速燃料转 换速率降低来自原用燃料类型的燃料流率，以及增加来自将用燃料 类型的流量 一 一当不利燃烧状态由于低流量而出现在将用燃料类型 的燃烧系统中，且对将用燃料类型的总燃料需求未超过快速燃料转 换极限时。


参考下文的详细说明及附图，本发明的这些特征、方面和优点 及其它的特征、方面和优点将会被更好的理解，在附图中相似的标号代表相似的部件，其中图1是具有液体燃料系统和气体燃料系统的示范性燃气涡轮机 的简单示意图；图2是带有现有液体燃料系统的燃气涡轮机发动机的简单示意图；图3是带有现有气体燃料系统的燃气涡轮机发动机的简单示意图；图4显示了依据阀位置的流经燃烧罐内的液体燃料喷嘴的液体燃料所需的流头差；图5显示了用于控制燃料类型之间的转换的现有技术算法；图6显示了现有技术方法下，对于从燃料"A，，到燃料"B"的燃料 转换、和从燃料"B"到燃料"A"的燃料转换的简化的燃料转换速率；图7显示了现有技术方法下，在燃料转换期间由液体燃料低流 量导致的高喷嘴温度的响应；图8显示了用于燃料转换的本发明的算法的流程图，其在转换 期间结合有排定时序安排的高流率；图9显示了在本发明的方法下，对于从燃料"A"到燃料"B"的燃 料转换、及从燃料"B，，到燃料"A"的燃料转换的简化的燃料转换速率；的燃料预填充的比较；而
图11显示了在本发明的方法下，在燃料转换期间由非线性燃料 转换速率导致的较低的燃料喷嘴温度。
具体实施方式
本发明的下列实施例具有许多优点，包括提供了用于从液体燃 料转换到气体燃料以及从气体燃料转换到液体燃料的方法，使得由 液体燃料低流量和气体燃料低流量而导致的使燃烧器和喷嘴处于不 利操作状态下的可能性降低。上述的两个问题都由硬件限制导致，并且在转换开始及结束时 都需要快速度过燃料的低流量状态。快速经过这些操作区域，可以 消除额外磨损或潜在损坏，而系统其余部分和整个涡轮机操作中的 副作用最小。根据本发明的 一个方面，燃料之间的转换速率不再是线性函数， 而代之以多段曲线，其用于快速经过燃料转换的问题区域。根据本 发明，所谓转换的问题区域是指转换期的两端——当燃料转换向着 任一方向或着说向着任一燃料时。以前，双重燃料的燃气涡轮机在从气体燃料转换到液体燃料期 间会遇到问题。本发明修正了其中一个主要的可靠性问题，这是完 全使用基于软件的解决方案来实现的。该软件可应用于所有双重燃 料的燃气涡轮机发动机，并增加了从气体燃料转换到液体燃料及从 液体燃料转换到气体燃料的可靠程度。因此，给紧急后备转换和操作灵活性都带来了改进的功能。增加液体燃料系统的可靠性(说大一 点，顾客的信心就在于此)是使液体燃料变得更可行且因此使双重燃 料控制变得更可行的重要步骤。本发明的目的在于，在燃料转换期间的燃料低流量操作时期， 降低燃气涡轮机硬件上的潜在损坏或磨损的风险，延长硬件寿命。 每次燃料转换开始时，两个燃料低流量点都会出现。其中第一个是
在转换开始时将用燃料进如涡轮机时；第二个是在转换结束、原用 燃料匀变关闭直到完全关闭时的燃料低流量。在燃料低流量状态下增加燃料转换斜率减少了或消除了在该短 暂的瞬态期间的涡轮机硬件上的额外磨损或潜在损坏。由于系统其 它部分的阀门的计时，整个燃料转换时间需要保持与以前的时间相 似。在非线性燃料转换过程中，在燃料转换已经启动之后，将用燃 料类型的预填充是已经完成的。需要判断对将用燃料类型的填充流 率是否足够高，以防止上述的关于燃料低流量的任何不利燃烧状态 的发生。如果用于将用燃料类型的预填充流率不大于用于将用燃料类型 的燃料流率(这会防止不利燃烧状态)，则判断预填充流率是否高于对 快速燃料转换速率的最大可允许极限。在快速燃料转换期间对燃料 需求的最大可允许极限，就可确保快速燃料转换速率在燃料转换的 中间期间会切断关闭，从而为从一种燃料到另 一种燃料的成功转换 提供时间。在转换中间期以混合燃料运行时，若转换进行得太快， 则会导致一个或多个燃烧罐中的熄火及/或不稳定的单元操作(输出)。选择快速燃料转换斜率，并且增加所需求的目标燃料的燃料百 分比，直到符合上文所述的两个状态之一。最快的燃料转换速率必 须不能快于任一燃料系统所能够满足的燃料转换速率，以确保能够 保持对涡轮机的适当控制。一旦超出防止潜在的硬件损坏的极限或超出在转换初期用于快 速燃料转换的最大允许极限，慢速燃料转换速率会被选择，而单元 继续转换到将用燃料类型。'ft速速率保持使用直到转换末期。类似于转换初期，存在两个必要条件以判定在燃料转换末期何 时切换回快速转换速率。第一，原用燃料类型的燃料流降低成低流 量，并可能造成如上所述的额外硬件磨损及/或潜在硬件损坏。第二 必要条件是防止转换快速经过转换中间期并引起燃烧罐的熄火。一
旦两必要条件都符合，快速燃岸斗转换速率再次被选择，而所需求的 目标燃料流百分比一直增加，直到燃料转换完成。因为液体燃料喷嘴硬件温度数据可以用于测试，燃料转换曲线 的断点可以由液体燃料流率判断。避免不利燃烧状态的液体燃料流 率必要条件(需要提供充分的、到流动液体的头部给所有喷嘴)大于最 小气体燃料流率必要条件。因此，对于避免不利燃烧状态来说，使 用液体燃料硬件温度和相应的液体燃料流率需求以判定燃料转换曲 线的所有点相对于最小气体燃料类型流率而言是比较保守的。图8显示了用于控制燃料类型之间的转换的本发明的算法。出于示范性目的，燃料类型介绍为燃料"A"和燃料"B"。算法用于从燃 料"A"到燃料"B"(燃料"A"是原用燃料类型而燃料"B"是将用燃料类型) 的转换。从步骤810开始，负载将要转换到的燃料类型(将用燃料源) 被选择并指定为燃料"A"。在步骤820，燃料预填充利用燃料"A"而 完成。在步骤830，判定燃料"A"的总燃料需求是否大于最小流量以 防止用于燃料"A"的燃烧器喷嘴上发生不利操作状态。如果在步骤830 中燃料"A，，的总燃料需求在(防止用于燃料"A"的燃烧器喷嘴上发生不 利操作状态的)最小流量之上，则在步骤840中，慢速燃料转换速率 被选择——既然不需要快速地增加燃料"A"流。如果总燃料需求不高于防止不利操作状态的最小流量之上，则 在步骤850中判定燃料"A"百分比是否大于在转换初期的快速燃料转 换速率极限。快速燃料转换极限是对燃料"A"的最大燃料需求，其确 保快速燃料转换速率能够成功地进行。如果燃料"A"百分比在快速燃 料转换速率极限之上，则快速燃料转换速率不被选择，而在步骤840 中选择慢速燃料转换速率。该转换极限确保快速燃料转换速率在燃 料转换中期切断关闭，以提供时间来成功地从一种燃料转变到另一 种燃料。在转换中间期以混合燃料运行时，若更换进行得太快，则 会导致一个或多个燃烧罐中的熄火及/或不稳定的单元操作(输出)。
如果反过来，燃料"A"百分比低于对快速燃料转换速率的可允许极限，则在步骤855选择快速燃料转换速率。燃料以快速燃料转换速 率从燃料"A"到燃料"B"进行转换，直到判定，燃料"A"上的总燃料需 求在(在步骤830中防止在用于燃料"A"的燃烧器喷嘴上发生不利操作 状态的)最小流量之上，或者燃申卜"A"百分比在快速燃料转换速率极限 之上。则在步骤840中，选择慢速燃料转换速率，且燃料"A，，以慢速燃 料转换速率增加而燃料"B"以慢速燃料转换速率减少，而在步骤865 中检验以判定燃料"B"的总燃料需求是否小于防止与燃料"B"系统相 关的不利操作状态的最小流量。如果在步骤865中的总燃料需求不是 低于防止与燃料"B"系统相关的不利操作状态的最小流量，则燃料转 换以低燃料转换速率在步骤840中继续。如果燃料"B"的总燃料需求 小于防止不利操作状态的最小流量，在步骤840中检验燃料"A"百分 比，以判定其是否在快速燃料转换速率极限之上。如果燃料"A"百分 比在快速燃料转换速率极限之上，在步骤840中燃料转换速率被换档 到慢速燃料转换速率以避免上文所述的熄火或操作不稳定性。然而， 如果燃料"A"百分比小于或等于快速燃料转换速率极限，则在步骤875 选择快速燃料转换速率。燃料转换以快速燃料转换速率在步骤880持 续，直到以100。/。燃料"A"操作^"当转换在步骤890完成时。图9显示了在本发明的方法下，对于从燃料"A"到燃料"B"的燃 料转换、和从燃料"B"到燃料"A"的燃料转换的简化的燃料转换速率。水平轴线代表未标刻度的时间轴线，其显示了在两个燃料转换操作 期间的相对转换时间。实心曲线代表燃料类型"A"。虚线代表燃料类从燃料"A"到燃料"B"(在转换初期的初始斜度(slope)和转换末期 的最终斜度)的快速燃料转换速率与从燃料"B"到燃料"A"的转换的两 个端部上的快速转换速率具有相同的值。200710305366.X说明书第14/16页再参见图9，从燃料"A"到燃料"B"的慢速燃料转换速率被选择以 保持固定的总体转换时间，显示为Y(在计算了在快速转换部分期间 所用去的时间之后)。从燃料"B"到燃料"A"的慢速燃料转换速率被选 择以保持固定的总体转换时间，显示为2Y(在计算了在快速转换部分 期间所用去的时间之后)。快速燃料转换速率和慢速燃料转换速率之 间的断点固定在快速燃料转换^J艮上。其是从燃料"B"到燃料"A"的 斜度(转换速率)的两倍。从燃料"B"到燃料"的燃料转换的总体转换时 间是该反向转换的两倍。在从原用气体燃料类型到将用液体燃料类型的燃料转换的优选 的实施例中，转换持续约33秒。在从原用液体燃料到将用气体燃料 的转换中，转换持续约66秒。进一步地说，在用于燃料转换的优选 实施例中，对于原用燃料类型和将用燃料类型两者，快速转换斜率 设定在约10%燃料负载每秒。10%燃料负载每秒的快速转换速率还优 选地应用于液体燃料类型和气体燃料类型两者。用于燃料转换的剩 余(慢速转换速率)部分的慢速斜率通过计算所需的慢速斜率来判定， 以在约33秒内完成气体燃料到液体燃料的转换而在约66秒内完成液 体燃料到气体燃料的转换。慢速转换速率可以从约0.9。/。每秒变化到 约3%每秒。另一个优选实施例的快速转换燃料极限是约25%。本发明的另外的方面可以包括在燃烧罐内在气体燃料低流量到 非线性转换曲线的其它优化断点期间的动态测量。气体喷嘴还可以 以相似的方式来配置，以判定精确的燃料分割函数关系，而燃料转 换的速率作为负载或其它因素的函数而排定，以进一步优化非线性 转换曲线。上文所介绍的可以在燃料分割的整个范围和负载范围内 以及任何转换方向上带来更精细的燃料转换曲线。本发明的方法不限于液体到气体的转换，还可以包括自然气体 燃料到合成气体系统及从合成气体系统的转换(双重气体)。18 图IOA和图10B显示了在现有技术下的燃料预填充和本发明的 非线性燃料转换方法的比较。新的非线性转换的另一优点在于，总 的燃料系统扰动由于未控制的预填充燃料而减少。预填充建立了将用燃料源的低的初始固定流率，以确保在涡轮 机负载控制的信号要求燃料之前，燃料线路由吹洗空气清空并填充 有将用燃料。预填充通过定位燃料控制岡以产生所希望的预填充流 率而建立。在预填充时段t,的末期，建立了用于将用燃料源的匀变转 换速率(ramp transfer rate)，显示为燃料"A"。而匀变控制转换速率在 开始时要求燃料"A"的0%流量，控制阀的位置保持在预填充位置(保 持预填充流量)直到t2，此时燃料要求更高而控制阀进一步打开。在 时段t,和^之间，阴影区域代表未控制的燃料的质量，也即在用于涡 轮机控制的燃料需求之上而引入燃烧器的燃料质量。这未控制的燃 料导致了燃气涡轮机用来瞬间升到需求水平之上的以兆瓦计的功率 以及温度。图10B显示了用于燃料"A"的较高斜率(斜度)。由于燃料"A"的 较高斜率，所控制的、由涡轮机控制所要求的燃料需求很快地从13上 升到预填充水平之上，导致较少的未控制的燃料到达燃烧器，由此 显著地限制与引入未控制燃料相关的扰动。图11显示了在本发明的方法下，在燃料转换期间由较低的燃料 喷嘴温度导致的非线性燃料转换速率，其中燃料转换速率在临界点 换档以迅速经过非所需的操作模式。图中显示了根据本发明的算法 而从GE9FA涡轮机站测试到的现场数据。左侧竖直轴线标示以兆瓦计的输出、液体燃料行程基准、气体 燃料行程基准和液体燃料百分比的值。右侧竖直轴线标示喷嘴温度 在围绕涡轮机的不同位置的值。因为燃料转换从液体燃料到气体燃 料而开始，液体燃料百分比在开始时以高斜率减少而气体燃料在开 始时以高斜率增加，使得气体燃料是迅速增加到约6%基准流。液体
燃料则以下降的恒定斜率减少而气体燃料行程基准反映着到燃烧器 的气体燃料流量而匀变上升。当液体燃料百分比下降到约27%时，液体燃料再次以较高的斜 率而减少，直到液体燃料被切断而使得液体燃料百分比为零。在液体燃料以较高速率减少的同时，气体燃料以较高速率增加，直到100% 流(约10%燃料需求/秒的速率)。喷嘴温度在液体燃料百分比下降到 低于约27%时开始上升，并在液体燃料百分比流下降到0%的时候继 续增加。使用现有技术转换方法，液体燃料低流量在气体转换到液体的 初期和液体转换到气体的末期，液体燃料喷嘴温度会超过2000华氏 温度。长时间地，这样的高温会损坏硬件并使得液体燃料操作困难， 而不会发生液体燃料的用于燃烧的恰当雾化。对气体燃料喷嘴也会 产生相似的损坏(典型地在暴露于火焰前端的扩散喷嘴上)。而在燃料转换过程的初期和末期使用加速斜率，液体燃料喷嘴 温度尖峰限制在约300华氏温度。分析显示300华氏温度在设计参数 之内是良好的，且在长期内不会导致任何硬件损坏或额外磨损。喷 嘴温度由于液体燃料系统的空气吹洗的启动在液体燃料喷嘴上产生 的冷却效果而随即下降。还知道，低气体燃料能够引起不正确的燃料分割和高燃烧动态， 尽管没有可用的现场数据。然而，硬件损坏已经在合成气体单元中 看出。又知道，燃烧动态能够由不正确的燃料分割时序安排引起， 且因此详细的分割时序安排表^f皮提供给控制机构以确保高燃烧动态 不会实现，并减少低气体燃料压力比操作的可能性。也知道，分割 时序安排表在气体燃料低流量下由于阀在低气体控制阀行程的不精 确而不能精确地保持。虽然本文仅仅举例说明并介绍了本发明的 一些特征，但是本领 域技术人员可以领会到许多的4奮改和改变。因此应当理解，所附的 权利要求旨在覆盖落在本发明精神内的所有这些修改和改变。
权利要求
1、一种用于在燃气涡轮机内执行从原用燃料类型到将用燃料类型的转换的方法，所述方法包括通过燃料系统完成用于所述将用燃料类型的燃料预填充(820)；判定对所述将用燃料类型的总燃料需求是否大于用于所述将用燃料类型的预定流率(830)；选择燃料转换速率(840、850)；以所选的燃料转换速率进行从所述原用燃料类型到所述将用燃料类型的转换(845、860)；判定所述原用燃料流率是否减少到用于所述原用燃料类型的预定流率之下(870)；选择最终燃料转换速率(875)；以所选的最终燃料转换速率完成从原用燃料类型到将用燃料类 型的转换(880)。
2、 根据权利要求1所述的用于在燃气涡轮机内执行从原用燃料 类型到将用燃料类型的转换的方法，其特征在于，判定对所述将用 燃料类型的总燃料需求是否大于用于所述将用燃料类型的预定流率 的所述步骤还包括设定所述预定流率以避免所述将用燃料类型的不利操作燃烧状 态(830),所述不利操作燃烧状态包括燃烧硬件损坏和燃烧动态中的 至少一种。
3、 根据权利要求1所述的用于在燃气涡轮机内执行从原用燃料 类型到将用燃料类型的转换的方法，其特征在于，选择燃料转换速 率的所述步骤包括如果对所迷原用燃料类型的总燃料需求大于用于所述将用燃料 类型的预定流率，则选择用于所述将用燃料类型的慢速燃料转换速 率(840)。
4、 根据权利要求1所述的用于在燃气涡轮机内执行从原用燃料 类型到将用燃料类型的转换的方法，其特征在于，选择燃料转换速率的所述步骤包括如果对所述原用燃料类型的总燃料需求不大于用于所述将用燃 料类型的预定流率，则选择用于所述将用燃料类型的慢速燃料转换 速率(830);并在所述转换初期选择超过快速燃料转换速率极限的用 于所述原用燃料类型的流率(850)。
5、 根据权利要求1所述的用于在燃气涡轮机内执行从原用燃料 类型到将用燃料类型的转换的方法，其特征在于，选择燃料转换速 率的所述步骤还包括选择慢速转换速率，使得气体燃料作为所述原用燃料类型的燃的大约一半(840)。'
6、 根据权利要求1所述的用于在燃气涡轮机内执行从原用燃料 类型到将用燃料类型的转换的方法，其特征在于，选择燃料转换速 率的所述步骤包括如果对所述将用燃料类型的总燃料需求不大于用于所述将用燃 料类型的第 一预定流率(830)，则选择用于所述原用燃料类型的快速 燃料转换速率(855);并在所述转换的初期选择不超过快速燃料转换 速率极限的用于所述原用燃料类型的流率(850)。
7、 根据权利要求1所述的用于在燃气涡轮机内执行从原用燃料 类型到将用燃料类型的转换的方法，其特征在于，选择快速燃料转 换速率的所述步骤还包括选择所述快速燃料转换速率，使得气体燃料作为所述原用燃料 类型的燃料转换总时间约为液体燃料作为所述原用燃料类型的燃料 转换总时间的一半(855)。
8、 根据权利要求1所述的用于在燃气涡轮机内执行从原用燃料 类型到将用燃料类型的转换的方法，其特征在于，判定对所述原用燃料类型的总燃料需求是否大于用于所述原用燃料类型的预定流率 的所述步骤还包括设定所述预定流率以避免所述将用燃料类型的不利操作燃烧状至少一种。
9、 根据权利要求8所述的用于在燃气涡轮机内执行从原用燃料 类型到将用燃料类型的转换的方法，其特征在于，选择最终燃料转 换速率的所述步骤包括除非对所述将用燃料类型的总燃料需求低于用于所述将用燃料 类型的所述预定流率，否则就选择用于所述原用燃料类型的慢速燃 料转换速率，以避免不利燃烧状态；并在所述转换末期选择不超过 快速燃料转换速率极限的用于所述原用燃料类型的流率(870)。
10、 根据权利要求9所述的用于在燃气涡轮机内执行从原用燃 料类型到将用燃料类型的转换的方法，其特征在于，选择最终燃料 转换速率的所述步骤包括当对所述将用燃料类型的总燃料需求低于用于所述将用燃料类 型的所迷预定流率时，选择用于所述原用燃料类型的最终快速燃料 转换速率，以避免不利燃烧状态；并在所述转换的末期选择不超过 快速燃料转换速率极限的用于所述原用燃料类型的流率(875);并且进行以下步骤中的至少一个步骤选择与初始快速燃料转换速 率相等同的最终快速燃料转换速率；选择最终快速燃料转换速率， 使得气体燃料作为所述原用燃料类型的燃料转换总时间为液体燃料 作为所述原用燃料类型的燃料转换总时间的大约 一半。
全文摘要
一种控制方法，其控制在以气体燃料类型和以液体燃料类型来操作之间进行转换的转换速率，以降低处于非所需操作模式中的时间，由此防止对燃气涡轮机硬件的过度磨损和损坏。该方法包括通过燃料系统完成对将用燃料类型的燃料预填充(820)，以及判定对将用燃料类型的总燃料需求是否大于用于将用燃料类型的预定流率(865)。该方法还包括选择燃料转换速率并以所选燃料转换速率进行从原用燃料类型到将用燃料类型的转换(840，855)。此外，该方法还包括判定原用燃料流率是否降低到用于原用燃料类型的预定流率之下(875)，选择最终燃料转换速率(875)以及以所选最终燃料转换速率完成从原用燃料类型到将用燃料类型的转换(880)。
文档编号F02C9/40GK101210519SQ20071030536
公开日2008年7月2日 申请日期2007年12月21日 优先权日2006年12月26日
发明者J·D·富勒, R·J·亚西洛, S·W·巴克曼, S·厄恩斯特-福廷 申请人:通用电气公司