专利名称：用于操作燃气涡轮机的系统和方法
技术领域：
本发明涉及燃气涡轮机，更具体地涉及用于确定通过燃气涡轮机供应的冷却介质的冷却流动参数的系统和方法。
背景技术：
现代燃气涡轮机一般在升高的温度下操作持续延长的时段。这些升高的温度会显著地限制燃气涡轮机内的各个组件的寿命，因此对于操作者可能导致代价高的计划的和非计划的运行中断。因此，燃气涡轮机内(特别是燃气涡轮机的热气体路径区域内)的热和机械应力对于燃气涡轮机设计者来说是关键的考虑因素。在燃气涡轮机操作期间，压缩机提供压缩工作流体(例如空气)的稳定来源，压缩工作流体可以被传送至燃气涡轮机的燃烧器，其中压缩工作流体可以用于冷却燃烧器内的各种机械组件。此外，压缩工作流体可以与燃料混合，并且在燃烧器中点燃燃料，因此提供热气体，热气体快速膨胀通过燃烧器并进入燃气涡轮机的涡轮机分段中。热气体流过连接到转子轴的一系列固定导叶和旋转叶片，其中动能从热气体传递到一级或多级旋转叶片，因此使转子轴旋转并做功。结果，涡轮机分段暴露于极端操作温度。用于降低涡轮机分段内的温度的现有方法包括使冷却介质(例如压缩工作流体的一部分)流过定位成贯穿涡轮机分段的多个冷却通路。以此方式，冷却介质一般与热气体混合成混合物从涡轮机分段流到燃气涡轮机的排出口。在现有燃气涡轮机设计中，冷却介质的流率一般是基于设计计算和燃气涡轮机模型的估计。在设计验证测试期间，各种燃气涡轮机操作参数(例如压力和温度)经测量并与设计计算和模型相比较。如果测量结果在一定界限内，则假定冷却介质的估计流率准确。但是，观察到很多燃气涡轮机的实际冷却介质流率远高于假定的情况，因此导致燃气涡轮机效率降低。相应地，确定冷却介质的参数(例如经过燃气涡轮机的涡轮机分段的冷却介质的实际流率)的方法和系统在本领域中将受到欢迎。
发明内容
本发明的各个方面和优点将在下面的描述中阐明，或者根据说明书将变得显而易见，或者可以通过实施本发明而获知。在一个方面，本发明公开用于确定经由燃气涡轮机供应的冷却介质的冷却流动参数的方法。该方法一般可以包括在燃气涡轮机的燃烧区内的位置接收与燃烧产物参数的第一值相关联的信号，在燃烧区下游的位置接收与燃烧产物参数的第二值相关联的信号，对比燃烧产物参数的第一值和第二值，和基于对第一值和第二值的对比确定冷却介质的冷却流动参数。在另一方面，本发明公开用于确定经由燃气涡轮机供应的冷却介质的冷却流动参数的系统。该系统一般可以包括设置在燃气涡轮机的燃烧区处或附近的第一传感器，其中第一传感器可以构造成检测燃气涡轮机的燃烧产物参数的第一值。该系统还可以包括设置在燃烧区下游的第二传感器，其中第二传感器构造成检测燃烧产物参数的第二值。该系统还可以包括与第一传感器和第二传感器通信连接的控制器，其中控制器可以构造成对比燃烧产物参数的第一值和第二值，并基于对第一值和第二值的对比确定经由燃气涡轮机供应的冷却介质的冷却流动参数。参照下列详细描述和所附权利要求书将更好地理解本发明的这些以及其他特征、方面和优点。附图并入本说明书中并组成本说明书的一部分，附图示出本发明的实施例，并且附图连同说明书一起用于说明本发明的原理。
在说明书中阐明本发明针对本领域技术人员的完全和能够实现的公开(包括其最佳实施方式)，说明书包括对附图的参照，其中:图1根据本本发明的一个实施例的燃气涡轮机的示意图；图2是根据本发明的至少一个实施例的燃气涡轮机的放大横截面图；和图3是根据本发明的方法的框图。
具体实施例方式现在将详细参考本发明的实施例，实施例的一个或多个示例在附图中示出。详细的说明书使用数字和字母标记来表示附图中的特征。附图和说明书中相同或类似的标记用于表示本发明的相同或类似的部件。如本文所使用的，术语“第一”、“第二”和“第三”可以可交换地使用以区分一个组件与另一组件，并且并不是表示各个组件的位置或重要性。此夕卜，术语“上游”和“下游”表示流体流路中组件的相对位置。例如，如果流体从组件A流动到组件B,则组件A在组件B的上游。相反,如果组件B接收来自组件A的流体流动,则组件B在组件A的下游。每个示例提供用以解释本发明，而不是作为对本发明的限制。实际上，对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可以在本发明中进行各种修改和变化。例如，作为一个实施例的一部分所不出或描述的特征可以与另一实施例一起使用，以获得又一实施例。因此，本发明意欲覆盖在所附权利要求书及其等价的范围内的这些修改和变化。本发明的各种实施例包括确定冷却介质的一个或多个流动参数(例如经过燃气涡轮机的涡轮机分段供应的冷却介质的实际流率)的方法。一般地，燃料和空气混合物在燃气涡轮机燃烧器的燃烧区中被点燃，因此产生包含不同浓度的氧、氮、一氧化碳、二氧化碳、氩、二氧化硫和/或燃烧处理的其他副产物的热气体。燃气涡轮机控制器从设置在燃烧器的燃烧区内的传感器接收与燃烧器产物参数的第一值(例如氧的浓度)相关联的第一信号。控制器从设置在燃烧区下游的第二传感器接收与燃烧产物参数的第二值相关联的第二信号。控制器对比燃烧产物参数的第一值和第二值，并基于燃烧产物参数的第一值和燃烧产物参数的第二值中的变化来确定冷却介质的冷却流动参数(例如冷却流率)。尽管为解释说明而将以工业燃气涡轮机为背景来一般地描述本发明的示例性实施例，但是本领域技术人员很容易理解本发明的实施例可以应用于任意燃气涡轮机，除非在权利要求书中具体说明，否则不限于工业燃气涡轮机。图1是燃气涡轮机10的示意图，图2是根据本发明的一个实施例的燃气涡轮机10的放大横截面图。如图1所示，燃气涡轮机10可以包括压缩机12、与压缩机12流体连通的燃烧器14、涡轮机分段16、涡轮机轴18和控制器20，涡轮机分段16在压缩机12和/或燃烧器14下游并与压缩机12和/或燃烧器14流体连通。涡轮机分段一般终止于排出管22处。此外，燃气涡轮机可以包括联接至涡轮机分段16和/或压缩机12的一个或多个发电机24。尽管示出单一燃烧器14，燃气涡轮机10可以包括与涡轮机分段16流体连通的多个燃烧器14。例如，如在再热燃气涡轮机中可发现的，燃气涡轮机可以包括沿着涡轮机分段16设置的至少一个燃烧器14。如图2所示，每个燃烧器14可以包括端盖30、燃烧器壳体32和从端盖30的下游延伸的一个或多个燃料喷嘴34。燃烧衬套36可以从端盖30的下游延伸并可以连接到从燃烧衬套36的下游延伸的一般圆形的过渡件38。燃烧衬套36 —般可以围绕一个或多个燃料喷嘴34。过渡件38包括下游端部40，下游端部40 —般在与涡轮机分段16的上游端部相邻处终止。燃烧衬套36和过渡件38 —般提供流动路径50，以使热气体从燃烧器14流动到涡轮机分段16。设置在燃烧衬套36和过渡件38内的燃烧区60 —般可以从一个或多个燃料喷嘴34下游的点延伸经过流动路径50，并终止于涡轮机分段16的上游端部。涡轮机分段16 —般包括交替级的固定导叶62和旋转叶片64，固定导叶62和旋转叶片64 —般与涡轮机轴18同心并开始于第一级固定导叶62。交替固定导叶级的每个固定导叶62可以包括一般设置在固定导叶62的上游点处的前缘66。旋转叶片64可以联接至一个或多个盘68，盘68可以联接至如图1所示的涡轮机轴18。涡轮机分段16可以包括多个通道，这些通道提供压缩机和涡轮机之间的流体连通以向涡轮机分段16提供冷却流动。一般地，交替级的固定导叶62和旋转叶片64限定穿过涡轮机分段的用于从燃烧器14流动的热气体的热气体路径70。如图2所示，在特定实施例中，涡轮机分段16的上游端部可以限定为第一级固定导叶62的一个或多个固定导叶62的前缘66下游的点。在可替换的实施例中，涡轮机分段16的上游端部可以限定为过渡件38的下游端部的下游的点。控制器20可以一般为使燃气涡轮机10能如本文所述受控制和/或操作的本领域中已知的任意涡轮机控制系统。例如，控制器20可以包括General Electric SPEEDTRONIC燃气润轮机控制系统，如由位于Schenectady, N.Y的GE Industrial&Power Systems公布的 Rowen，W.1.，" SPEEDTRONIC Mark V Gas Turbine Control System"，GE_3658D 中所述。一般地，控制器20可以包括任意计算机系统，该计算机系统具有执行程序(例如存储在控制器的存储器中的计算机可读指令)的处理器，以使用传感器输入和来自人类操作者的指令而控制燃气涡轮机10的操作。由控制器20产生的命令可以操作联接到燃气涡轮机并构造成调节经过燃气涡轮机10的流体流动的致动器和/或其他机械或机电装置，以满足性能目标并同时符合燃气涡轮机10的操作界限。在操作中，工作流体(例如空气)流过压缩机12以向燃烧器14提供压缩工作流体。压缩工作流体的最大部分(在下文中称作“主流”)被引导至燃烧器14以冷却各种组件(例如燃烧衬套36和过渡件38)，并且与燃料混合以产生可燃烧混合物。压缩工作流体的剩余部分(在下文中称作“副流”)可以被引导至燃气涡轮机10的各种分段。例如，副流可以从燃气涡轮机10被取出以支持辅助处理和/或被引导至涡轮机以提供冷却流。可燃烧混合物在燃烧区60内被点燃，从而产生快速膨胀的热气体。热气体一般可以包括各种浓度的燃烧产物，包括但不限于氧、一氧化碳、二氧化碳、氮、水和/或氩。热气体沿着流动路径50流过燃烧区60，在过渡件38的下游端部40处离开燃烧器并流入热气体路径70中。被引导至涡轮机以进行冷却的副流的一部分可以通过多个通道进入热气体路径70，与流过涡轮机分段16的热气体混合，并通过设置在涡轮机分段16下游的排出管24离开涡轮机分段16。在热气体流过热气体路径70时，热气体将来自热气体的动能传送到旋转叶片64，因此引起涡轮机轴18旋转并产生机械功。产生的机械功可以驱动压缩机12或其他外部负载(例如图1所示的一个或多个发电机24)以产生电力。在一个或多个实施例中，如图2所示，燃气涡轮机10可以包括系统80，以用于确定供应燃气涡轮机10的冷却介质的冷却流动参数。应当理解，如本文中所使用的，术语“参数”表示可以用于限定燃气涡轮机10的操作条件的项目，例如，温度、压力、流体流率、气体浓度和/或水含量。具体地，冷却流动参数可以包括但不限于副流和/或冷却流率、气体浓度、温度、压力、水含量和/或冷却流动的任意其他流体参数。某些参数可以使用传感器来测量并因此可以直接获知。其他参数可以使用设计计算和/或燃气涡轮机10模型进行估计。测量和/或估计的参数一般可以用于表示给定的燃气涡轮机10操作状态。如图2所述，系统80 —般可以至少包括第一传感器82和第二传感器84，第一传感器82和第二传感器84通信连接至控制器20并构造成测量燃气涡轮机10的燃烧产物参数。每个传感器可以构造成经由耦合装置将与感测的燃烧产物参数有关的信号传送至控制器。如本文中所使用的，术语“燃烧产物参数”表示作为燃烧处理的结果而存在于燃气涡轮机10的燃烧器14、燃烧器60、热气体路径70和/或排出管22内的一个或多个元素和/或化合物。例如，在特定实施例中，“燃烧产物参数”可以对应于氧、二氧化碳、氩、一氧化碳、氮、水等的浓度。如此，第一传感器82和第二传感器84可以分别包括但不限于氧传感器、二氧化碳传感器、一氧化碳传感器、氮传感器、氩传感器或水传感器中的至少一者。在各种实施例中，第一传感器82可以设置在燃烧区60处或附近，并且构造成检测燃烧产物参数的第一值。如上所述，燃烧区一般可以从一个或多个燃料喷嘴34下游的点延伸经过流动路径50并终止于涡轮机分段16的上游端部处。在可替换的实施例中，燃烧区可以延伸到第一级固定导叶62的固定导叶62的前缘66。在特定实施例中，第一传感器82可以设置在燃烧衬套36内的一个或多个燃料喷嘴34下游的点、设置在过渡件38内、设置在过渡件38的下游端部40处和/或设置成沿着第一固定导叶级的一个或多个固定导叶62的前缘66。在其他实施例中，第一传感器82可以一般地从燃烧衬套36和/或过渡件38径向向内延伸进入燃烧区60。在特定实施例中，系统80还可以包括设置在如上所述遍布燃烧区的多种位置处的多个第一传感器82。第二传感器84可以一般地设置在燃烧区60下游并构造成检测由第一传感器82提供的燃烧产物参数的第二值。在特定实施例中，第二传感器84可以设置在排出管22内、设置成与最后一级旋转叶片64相邻、设置到一个或多个固定导叶62的表面、设置成与一个或多个固定导叶62相邻和/或设置在涡轮机分段16的热气体路径74内的任意点处。在可替换的实施例中，系统还可以包括在如上所述的一个或多个位置处设置在燃烧区60下游的多个第二传感器84。例如，多个第二传感器84中的至少一者可以设置成与每个旋转叶片级64相邻、设置在每个固定导叶级62处和/或设置在排出管22内。
控制器20可以构造成对分别由第一传感器82和第二传感器84提供的燃烧产物参数的第一值和第二值进行对比，以确定经过燃气涡轮机10供应的冷却介质的一个或多个冷却流动参数。在某些实施例中，冷却介质的一个或多个参数可以包括经过涡轮机分段16的冷却介质的流率。在具体实施例中，控制器20可以构造成通过计算第一燃烧产物参数值和第二燃烧产物参数值之间的差值来确定冷却介质的一个或多个冷却流动参数。附加地或可替换地，控制器可以构造成产生输出信号，以用于控制冷却介质的冷却流动参数，例如通过燃气涡轮机10的冷却介质的流率。如图3所示，参照图1和图2示出并描述的各种实施例还可以提供用于确定经过燃气涡轮机10供应的冷却介质的冷却流动参数的方法100。如图3所示，方法100可以一般地包括步骤102在燃烧区内的位置接收一个或多个燃烧产物参数的第一值相关联的信号，步骤104从燃烧区下游的位置接收与一个或多个燃烧产物参数的第二值相关联的信号，步骤106对比燃烧产物参数的第一值和第二值，和步骤108基于对第一值和第二值的对比确定冷却介质的冷却流动参数。因此，公开的方法可以实现测量而不是估计冷却介质的冷却流动参数(例如冷却介质流率)，因此能够验证设计假设的有效性并改进燃气涡轮机效率。如图3所述，在102中，在燃烧区60内的位置处接收与一个或多个燃烧产物参数的第一值相关联的信号。例如，如上所述，一个或多个第一传感器82可以设置在燃烧区60内，并构造成检测燃烧产物参数的第一值(例如氧浓度)。第一传感器然后可以将感测到的第一值发送至控制器以进行后续处理和/或分析。在某些实施例中，该方法还可以包括从设置在燃烧区60内的多个第一传感器82接收与燃烧产物参数的第一值相关联的多个信号。其中，多个信号由控制器20接收，控制器20可以基于多个信号产生平均第一值、计算中间/平均第一值、和/或提供任意统计或分析结果，以产生第一值。在特定实施例中，与第一值相关联的燃烧产物参数可以包括氧浓度、二氧化碳浓度、氮浓度或水浓度中的至少一者O如图3所示，在104中，在燃烧区60下游的位置处接收与一个燃烧产物参数的第二值相关联的信号。例如，如上所述，一个或多个第二传感器84可以设置在排出管22内、设置成与最后一级旋转叶片64相邻、设置到一个或多个固定导叶62的表面、设置成与一个或多个固定导叶62相邻和/或设置在涡轮机分段16的热气体路径74内的任意点处。第二传感器84可以构造成检测由第一传感器82提供的燃烧产物参数的第二值。第二传感器84然后可以将感测到的第二值发送至控制器20以用于后续处理和/或分析。在某些实施例中，该方法还可以包括从安装在燃烧区60下游的多个第二传感器84接收与燃烧产物参数的第二值相关联的多个信号。其中，多个信号由控制器20接收，控制器20可以基于多个信号产生平均第二值、计算中间/平均第二值、和/或提供任意统计或分析结果，以产生第二值。在特定实施例中，与第二值相关联的燃烧产物参数可以包括氧浓度、二氧化碳浓度、氮浓度或水浓度中的至少一者。如图3所示，在106中，可以通过计算燃烧产物参数的第一值和第二值之间的差值来对比来自步骤102和104的第一燃烧产物参数值和第二燃烧产物参数值。该步骤也可以由控制器20执行。例如，在特定实施例中，控制器20可以分别从第一传感器82和第二传感器84接收与燃烧产物参数(例如氧浓度)的第一值和第二值相关联的信号。控制器20然后例如通过将X+1百分比氧浓度的第二值加上或减去X百分比浓度的第一值来计算差值，因此反映出热气体在经过涡轮机分段16时氧浓度的增加。控制器然后可以将计算的差值与测量、预测或已知的冷却介质在涡轮机分段16中与热气体混合前的氧浓度水平相对比，以确定一个或多个冷却流动参数，例如冷却介质的测量流率。该方法还可以包括基于燃烧产物参数的第一值与第二值的对比来改变冷却流动参数、和/或对比测量的流率与设计基准冷却介质流率、计算流率参数差值和相应地调节一个或多个燃气涡轮机操作参数。例如，控制器20可以基于第一值和第二值的对比、流率参数差值和/或冷却流动参数的结果值来产生输出信号。在特定实施例中，控制器20可以通信连接至一个或多个流体流动控制装置，例如与燃烧器14、涡轮机分段16和/或燃气涡轮机的会影响冷却流动参数的任意部分流体连通的致动器和/或流动调节器。以此方式，一个或多个流体控制装置可以从控制器20接收输出信号，从而启动和/或操作流体控制装置以改变冷却流动参数。本发明的技术效果是改进燃气涡轮机的性能和/或操作。具体地，通过基于对比测量的燃烧产物参数来确定冷却介质的参数(例如流率)，可以验证燃气涡轮机设计，并且可以增强燃气涡轮机的性能和/或操作。例如，当冷却介质流率超过或达不到设计估计值时，燃气涡轮机可以经操作以调节冷却介质流率，因此降低通常暴露于极端热应力的燃气涡轮机内的各种组件过热的风险。此外，验证可操作的燃气涡轮机上的冷却介质流率可以使得工程师和/或设计者能够预测由于燃气涡轮机内的热应力引起的与硬件寿命有关的可能问题。本书面说明书使用示例来公开本发明(包括最佳实施方式)，还使得任意本领域技术人员可实现本发明(包括制造和使用任意装置或系统和执行任意结合的方法)。本发明的专利范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这样的其他示例具有与权利要求书的文字语言并非不同的结构元件、或者如果这样的其他示例包括与权利要求书的文字语言具有非实质性区别的等价结构元件，则这样的其他示例意欲落入权利要求书的范围。
权利要求
1.一种用于确定燃气涡轮机的冷却介质的冷却流动参数的方法，所述方法包括: 接收来自所述燃气涡轮机的燃烧区内的与燃烧产物参数的第一值相关联的信号； 接收来自所述燃烧区下游的与所述燃烧产物参数的第二值相关联的信号； 对比所述燃烧产物参数的所述第一值和所述第二值；和 基于对所述第一值和所述第二值的对比确定冷却流动参数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对比所述燃烧产物参数的所述第一值和所述第二值包括计算所述燃烧产物参数的所述第一值和所述第二值之间的差值。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括基于对所述燃烧产物参数的所述第一值和所述第二值的对比来改变所述冷却流动参数。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于对所述第一值和所述第二值的对比确定所述冷却流动参数包括确定经过所述燃气涡轮机的涡轮机分段的所述冷却介质的测量流率。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括对比所述测量流率和设计基准流率、计算流率差值并调节所述冷却流动参数。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述燃烧产物参数包括氧浓度、二氧化碳浓度、氮浓度或水浓度中的至少一者。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述冷却流动参数包括流率、温度或水含量中的至少一者。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，接收来自所述燃气涡轮机的所述燃烧区内的与所述燃烧产物参数的所述第一值相关联的信号包括从安装在所述燃气涡轮机内所述燃烧区处或附近的第一传感器接收信号。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，接收来自所述燃气涡轮机的所述燃烧区内的与所述燃烧产物参数的所述第一值相关联的信号包括从安装在所述燃气涡轮机的所述燃烧区内的多个传感器接收多个信号。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括由所述多个信号产生平均第一值。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，接收来自所述燃烧区下游的与所述燃烧产物参数的所述第二值相关联的信号包括从安装在所述燃气涡轮机的涡轮机内或所述涡轮机下游的位置处的第二传感器接收信号。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，接收来自所述燃烧区下游的与所述燃烧产物参数的所述第二值相关联的信号包括从安装在所述燃气涡轮机的涡轮机内或所述涡轮机下游的位置处的多个传感器接收多个信号。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法还包括由所述多个信号产生平均第二值。
14.一种用于确定燃气涡轮机的冷却介质的冷却流动参数的系统，所述系统包括: 设置在所述燃气涡轮机的燃烧区处或附近的第一传感器，所述第一传感器构造成检测所述燃气涡轮机的燃烧产物参数的第一值； 设置在所述燃烧区下游的第二传感器，所述第二传感器构造成检测所述燃烧产物参数的第二值；和与所述第一传感器和所述第二传感器通信连接的控制器，所述控制器构造成对比所述燃烧产物参数的所述第一值和所述第二值，并基于对所述第一值和所述第二值的对比确定经由所述燃气涡轮机供应的所述冷却介质的所述冷却流动参数。
15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述第一传感器和所述第二传感器包括氧传感器、二氧化碳传感器、一氧化碳传感器、氮传感器或水传感器中的至少一者。
16.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述系统还包括与所述燃烧区相邻或位于所述燃烧区内的多个第一传感器。
17.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述系统还包括位于所述燃烧区下游的多个第二传感器。
18.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述冷却流动参数包括进入所述燃气涡轮机的热气体路径中的所述冷却介质的流率。
19.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述控制器构造成计算所述燃烧产物参数的所述第一值和所述第二值之间的差值，并基于所述差值确定一个或多个所述冷却流动参数。
20.根据权利要求19所述的系统，其特征在于，所述控制器还构造成基于所述差值产生输 出信号，以控制经过所述燃气涡轮机的涡轮机的所述冷却介质的流率。
全文摘要
本发明涉及并公开一种用于操作燃气涡轮机的系统和方法。公开用于确定经由燃气涡轮机供应的冷却介质的冷却流动参数的方法。该方法一般可以包括在燃气涡轮机的燃烧区内的位置接收与燃烧产物参数的第一值相关联的信号，在燃烧区下游的位置接收与燃烧产物参数的第二值相关联的信号，对比燃烧产物参数的第一值和第二值，和基于对第一值和第二值的对比确定冷却介质的冷却流动参数。
文档编号F02C7/16GK103195578SQ20131000211
公开日2013年7月10日 申请日期2013年1月4日 优先权日2012年1月6日
发明者R.A.摩根 申请人:通用电气公司