用于调节燃气涡轮机的方法与流程

本发明涉及用于调节燃气涡轮机的方法，其中使用用于校正涡轮机出口温度的目标值来调节供给至燃气涡轮机的燃烧器的燃料量。

背景技术：

燃气涡轮机是其中加压气体膨胀的连续流动的机器。它由涡轮机或膨胀器、连接在上游的压气机和在中间连接的燃烧室组成。动作的原理是基于循环过程(焦耳过程)：后者借助于一个或多个压气机级的叶片将气体压缩、随后将这在燃烧室中与气体或液体推进剂混合，并且将其点火和燃烧。

这造成在下游涡轮机部分中放松的热气体(燃烧气体与空气的混合物)，其中热能量被转换成机械能量并且首先驱动压气机。剩余部分在涡轮轴发动机中被用来驱动发电机、推进器或其他转动消耗器。与此相反，在喷气发动机的情况中，热能使气体的热流加速，这生成推力。

操作期间固定式燃气涡轮机的燃料量的调节通常借助于用于从实际测得输出温度确定的校正涡轮机出口温度的目标值来执行。这里的目的是使涡轮入口温度作为燃气涡轮机的重要设计变量保持很大程度上恒定，即使是在改变的环境条件下。

然而，在相对低的环境温度和因此相对冷的压气机气体的情况中，涡轮机入口温度下降并因此涡轮机出口温度下降。指定的调节过程因此增加燃料量，作为其结果燃烧室中的主区温度/燃烧温度增加。在低的外部温度的情况中，这可能会引起该温度上升到它对燃烧稳定性具有负面影响的程度。作为结果，可能在燃气涡轮机的操作期间发生故障。

在大多数情况中，该问题已凭借特性曲线(冷环境曲线，CAC) 被存储在燃气涡轮机的控制单元中的事实得以解决，所述曲线限制或降低用于在冷环境温度的情况中的校正涡轮机出口温度的目标值，具有使燃烧室中的温度的上升也受限的结果。然而，由于作为其结果涡轮机不再以设计点操作，所以涡轮机的性能和效率被降低。

然而，根据EP2239641A2的教导，也可以有借助于逻辑电路来提供用于校正涡轮机出口温度的目标值的确定，其中为了计算决定性切换准则，将考虑作为燃烧稳定性的参数在内。然而，切换逻辑要求可能的不同目标值的连续重新计算，来自这些不同目标值的只有一个随后被用来控制燃气涡轮机。这在计算技术方面是非常昂贵的，因为特别是在开环控制的情况中，即使在归因于操作条件而根本没有可能发生燃烧不稳定性的燃气涡轮机的操作状态中，燃烧不稳定性的可能性也被连续地考虑在内。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是提供一种在开头提到的类型的方法，其准许燃气涡轮机以高效方式稳定操作，同时具有特别高的效率水平和高性能，而避免在控制技术方面的不必要的开支。

该目的根据本发明来实现，使用作为燃烧器中的燃烧稳定性的特性的值来确定用于校正涡轮机出口温度的目标值，其中附加地使用环境温度来确定用于校正涡轮机出口温度的目标值，并且其中仅在预定环境温度之下使用作为燃烧器的燃烧稳定性的特性的值来确定用于校正涡轮机出口温度的目标值。

本发明在该情况中是基于可以凭借燃气涡轮机尽可能接近设计点操作而不管波动的环境条件如何的事实获得特别高的效率水平和特别高的性能的想法。然而，在这点上，在所有情形下，必须持续确保稳定燃烧。虽然之前存储的用于校正涡轮机出口温度的特性曲线在低的外部环境的情况中确保稳定燃烧，但是特别是在特定操作状态下，校正涡轮机出口温度在这里被进一步降低即使根本没有不稳定燃烧的风险。这造成独立于实际燃烧稳定性调节校正涡轮机出口温度的 事实。为了找到燃烧稳定性与性能以及效率之间的最佳折衷，应该因此形成用于燃烧稳定性的特性值，其用来确定用于校正涡轮机出口温度的目标值。

根据本发明，还附加地使用环境温度来确定用于校正涡轮机出口温度的目标值。换言之：在用于校正涡轮机出口温度的目标值的形成中使用环境温度和用于燃烧稳定性的分别使用的特性值两者。

此外，在该背景下仅在预定环境温度之下使用作为燃烧器中的燃烧稳定性的特性的值来确定用于校正涡轮机出口温度的目标值。只要燃气涡轮机的环境温度比较高，实际上归因于燃气涡轮机的设计没有燃烧室中的温度上升到危及燃烧稳定性的程度的担忧。因此，可以提供用于环境温度的限制值，其中所描述的使用作为燃烧器中的燃烧稳定性的特性的值来调节用于校正涡轮机出口温度的目标值的过程仅在该限制值之下进行干预。

因此，本发明的解决方案也不同于现有技术的根本不检测作为燃烧不稳定性的发生的原因的环境温度。

在本发明中，在作为燃烧器中的燃烧稳定性的特性的值的确定期间有利地使用热声学变量。在这里，利用了在连贯流动结构中表现出的并且影响空气与燃料之间的混合过程的燃烧器流动的流动不稳定性生成热声学振动的事实。因此，燃烧的稳定性可以使用这些热声学振动的测量来推断。

在方法的特别有利的细化中，在作为燃烧器中的燃烧稳定性的特性的值的确定期间使用加速度和/或交变压力幅值。在燃烧器产生的流体不稳定性波实际上导致强烈影响整个燃烧过程的涡流的形成并导致燃烧室内的热的与压力上的强烈波动相关联的不期望的周期性释放。高的振动幅值与压力上的强烈波动有关系并且因此可以被用作燃烧稳定性的直接指标。高的交变压力幅值和加速度指示燃烧的高水平的不稳定性。

调节过程也有利地以如下方式发生：使得预定用于作为燃烧器中的燃烧稳定性的特性的值的限制值，并且当下冲(undershot)限制值 时降低用于校正涡轮机出口温度的目标值。这确保不会下冲用于燃烧稳定性的预定限值。

在方法的进一步有利的细分中，在部分负载模式中使用作为燃烧器中的燃烧稳定性的特性的值来确定用于校正涡轮机出口温度的目标值。之前使用的用于校正涡轮机出口温度的目标值的固定特性曲线作为环境温度的函数应用，具体地在基本负载的情况以及在部分负载的情况两者中。然而，绝对燃烧温度并因此是燃烧不稳定性的风险比在基本负载的情况中低。使用作为燃烧稳定性的特性的值的调节过程因此特别有效，特别是在部分负载模式中，因为在这里之前使用的调节过程进行干预，即使根本没有用于相对于燃烧稳定性的在涡轮机出口温度上的降低的需要。

一种用于燃气涡轮机的控制单元有利地被配置成执行所描述的方法。因此它包括用于各个必要的传感器、即压力传感器和加速度传感器的相应的输入和可以实施发明特征所借助的相应的调节电子系统或调节软件。

一种燃气涡轮机有利地包括这样的控制单元。

一种发电站有利地包括这样的燃气涡轮机。

利用本发明获得的优点特别包括如下事实：通过直接使用作为燃烧稳定性的特性的限制值、诸如例如热声学变量来确定或修改用于校正涡轮机出口温度的目标值，即使在部分负载模式中、即使在低环境温度的情况中，也总是获得燃气涡轮机的最佳性能和最佳效率。性能和效率可以在每一个操作状态中被保持处于其最大可能值，并且仅绝对必要的不利效果必须接收以便维持燃烧稳定性。

附图说明

参照附图详细地说明本发明的示例性实施例，其中：

图1示出穿过燃气涡轮机的局部纵向截面，和

图2示出用于调节燃气涡轮机的方法的示意图。

同样的部分在所有附图中设置有相同的附图标记。

具体实施方式

图1在纵向局部截面中示出燃气涡轮机1。局部截面仅示出燃气涡轮机1的上半部。燃气轮机1在其内部具有被安装成可围绕转动轴线2(轴向方向)转动并且也称作涡轮机转子的转子4。沿着转子4一个接一个顺次首先布置的是进气壳体6和压气机8。空气被从压气机8的出口引导到两个筒仓式燃烧室(silo combustion chamber)10，它们仅被大体图示在图1中并且在下面没有更详细地呈现。筒仓式燃烧室10后接着设置涡轮机12和未进一步说明的排气壳体。

虽然下面说明的方法是参照具有筒仓式燃烧室10的燃气涡轮机1进行说明的，但它可以同样很好地应用在具有不同地配置的燃烧室的燃气涡轮机1中。以下陈述因此也适用于具有例如环形、管状或环形/管状燃烧室的燃气涡轮机1。

筒仓式燃烧室10与涡轮机12中的环形热气体管道14连通。在那里，一个接着一个连接的例如四个涡轮机级16形成涡轮机12。各涡轮机级16由两个叶片环形成。在工作介质的流动的方向上观察，由引导翼片24形成的引导翼片系列18在热气体管道14中接着设置由转子叶片20形成的转子叶片系列22。引导翼片系列18的引导翼片24和转子叶片20具有类似于航空器翼的略微弯曲的轮廓。

引导翼片24在这里被附接至定子26。各引导翼片24除实际叶片叶子之外还具有引导翼片脚部、也称作平台，和处于与引导翼片脚部相反位置的引导翼片头部。引导翼片头部面对转子4并且被附接至内环30。各内环30在这里包围转子4的轴。各转子叶片20也具有这样的转子叶片脚部但是它结束于转子叶片顶端。

转子叶片系列22的转子叶片20在各情况中借助于一个涡轮机盘28被附接至转子4。转子叶片20因此形成转子4的组成部件。发电机或机器(未图示)被联接至转子4。

在燃气涡轮机1的操作期间，空气通过进气壳体6由压气机8吸入并压缩。可在压气机8的涡轮机侧端部处获得的压缩空气被引导到 筒仓式燃烧室10内并且在那里与燃烧介质混合。混合物接着在筒仓式燃烧室10中燃烧以形成热气体。热气体从筒仓式燃烧室10沿着热气体管道14流动经过引导翼片24和转子叶片20。

流体流动的内部能量的一部分通过围绕涡轮机叶片20、24的尽可能无涡流的层流流动被提取并且被传递到涡轮机12的转子叶片20上。转子4接着通过所述能量而转动，作为其结果首先压气机8被驱动。可用的动力被输出至机器(未图示)。

图2现在以示意性形式示出在控制单元32中发生的调节燃气涡轮机的过程的功能。这里的设计目的是使涡轮机入口温度或ISO混合物温度TT1iso保持恒定。在理想状态下在到涡轮机12的进口处盛行的热气体的该温度TT1iso不能直接被测量。它近似对应于燃烧室出口温度减去作为冷却空气与泄漏空气的混合的结果的温度损失，其中理论上假定完全混合。

为了调节燃气涡轮机1的操作，因此借助于温度测量装置34来监测在涡轮机12的出口处的热气体的涡轮机出口温度TAT。可以借助于进入筒仓式燃烧室10内的引入的燃料的量来调节燃气涡轮机1的性能和燃气涡轮机出口温度TAT两者并因此间接地调节涡轮机入口温度TT1iso。进入燃气涡轮机1内的燃烧介质的体积流量上的增加带来热气体的较高温度和在燃气涡轮机1的性能上的增加。为此目的，控制装置32调节燃料供给阀36。

由于涡轮机入口温度TT1还依赖于在压气机8的上游的吸入空气流动的环境温度TV1，所以后者也被连续地、即在整个操作周期期间借助于温度测量装置38以循环重复的方式检测或确定。

涡轮机出口温度TAT对空气温度TV1的依赖性很大程度上借助于控制装置32被消除，其中校正涡轮机出口温度TATK根据TATK＝TAT-k·TV1被确定作为辅助变量。校正涡轮机出口温度TATK相应地很大程度上依赖于燃烧介质的使用，其结果是燃气涡轮机1可以更容易通过调节校正涡轮机出口温度TATK作为调节变量并利用燃烧介质的体积流量的设定作为操控变量来调节。校正涡轮机出口温度 TATK也可以使用二次方程或使用其他函数来确定。

取决于环境温度，可以在控制单元32中设定和确定校正涡轮机出口温度TATK的目标值Tsoll。然而，确定在这里仅在预定环境温度之下使用作为燃烧器中的燃烧稳定性的特性的值来执行。在这样的情况中，执行目标值Tsoll与确定出的校正涡轮机出口温度TATK的比较。如果实际值、校正涡轮机出口温度TATK低于-高于-目标值Tsoll，则控制单元32增加-降低-燃烧介质经由燃料供给阀36至筒仓式燃烧室10的供给。

当环境温度TV1降下时，涡轮机入口温度TT1iso下降，因为压气机空气较冷并因此热气体被供给有较冷的冷却空气和泄漏空气。然而，涡轮机出口温度TAT和校正涡轮机出口温度TATK(尽管做出校正)因此也下降，其结果是所描述的调节过程增加燃料的供给。这增加了筒仓式燃烧室10中的燃烧温度，其结果是在一定情形下燃烧可能作为振荡的结果而变得不稳定。因此在低外部温度TV1的情况下必须降低用于校正涡轮机出口温度TATK的目标值。

除以上说明的关系之外，用于TATK的公式还包括诸如例如燃气涡轮机1的转速和空气中的湿度等的进一步的输入变量。

燃气涡轮机于是在筒仓式燃烧室10中另外具有压力传感器40和加速度传感器42。这些也可以呈现在由申请人引入的“先进稳定性余度控制器(aSMC)”的范围内，并且在各情况中它们测量加速度a和交变压力幅值p的热声学测量变量。这些用于确定用于燃烧稳定性的特性值W。

接着在确定出的特性值W的基础上或者直接使用算法从用于加速度a和交变压力幅值p的测得值在低环境温度TV1(特定限制值在这里可以预定)的情况中执行校正涡轮机出口温度TATK的目标值Tsoll的确定。本质上，在该背景下，燃烧稳定性一下冲特定限制值，就降低目标值Tsoll。目标值Tsoll因此总是保持尽可能高，但是必要的低，以便避免燃烧的不稳定性。目标值Tsoll因此使用确定出的燃烧稳定性来调节。

作为结果，燃气涡轮机1的性能和效率被优化，特别是在部分负载模式和低外部温度的情况中。