用于控制燃气涡轮组的方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于控制燃气涡轮组的方法，燃气涡轮组包括第一燃烧室、连接的第一涡轮、第二燃烧室、第二涡轮，以及负载，该方法包括以下步骤：测量第一涡轮的出口处的温度(TAT1)；根据比率(S1R)与温度(TAT1)之间的预定映射表、基于测量温度(TAT1)来确定给送至燃烧室的引燃火焰的燃料质量流与给送至第一燃烧室的总燃料质量流的比率(S1R)；采用预定比率(S1R)与预定增压器比率(S1R)之间的较大一个来用于控制给送至燃气涡轮组的第一燃烧室的燃料流。燃气涡轮组的脉动行为可改善，且燃气涡轮组的快速卸载期间的高脉动大致减小，避免了对燃气涡轮组的部分的潜在破坏。
【专利说明】用于控制燃气涡轮组的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种具有连续燃烧的燃气涡轮组，具体地涉及用于控制燃气涡轮组的方法。
【背景技术】
[0002]在由两个燃烧室构成的具有连续燃烧的燃气涡轮组中，在需要减小功率时，已知借助于燃料控制系统和/或入口导叶来实现燃气涡轮组的部分负载。在此燃气涡轮组中，输出当然可通过闭合压缩机的入口导叶来减小。此外，功率减小可通过控制给送至燃气涡轮组的燃料质量流来调整。
[0003]在某些情况中，当引起燃气涡轮组故障的原因出现时或当需要突然减载时，燃气涡轮组必须尽可能快地卸载以避免任何破坏。同时，应当注意的是，注意减小穿过热气体通路的热应力。大体上，快速卸载(即，比燃气涡轮组的正常操作期间规则负载梯度更快的卸载梯度)可引起燃气涡轮组中的高脉动，这潜在地引起对燃烧室的破坏。
[0004]US5634327中公开了一种操作具有连续燃烧的燃气涡轮组的方法，其中首先在两个涡轮处的入口温度上采取动作以便提供局部负载操作。负载随后减小通过调整压缩机导叶来发生，即，通过将质量流减小至额定负载的50%以下。在此减小期间，第一涡轮处的入口温度保持恒定，而第二涡轮处的另一个入口温度连续减小；第二涡轮的出口温度相反保持恒定。在负载减小通过调整压缩机导叶来完成之后，入口温度直接地或以相位移方式减小。
[0005]US5481865A中公开了用于调节燃气涡轮组件的方法，其中燃气涡轮组件基本上由压缩机单元、HP燃烧室、HP涡轮、LP燃烧室、LP涡轮和发电机组成，HP燃烧室的燃料质量的评估响应于校正温度信号来执行，校正温度信号由LP涡轮的出口处的温度值形成，其由该处可检测到的特定温升减小。该温度信号被记录，其中引入LP燃烧室中的燃料量生成的温升从LP涡轮的出口处的测量温度减去。LP涡轮的出口处的未校正的温度用于评估LP燃烧室的燃料量。
[0006]US5584171中公开了一种燃气涡轮发动机控制方法及设备，其用于优化燃料/空气混合物，尤其是在减小负载状态期间。在用于生成电功率的大容量燃气涡轮发动机系统中，系统设计成在驱动发电机单元的涡轮的相对恒定的转速下操作。涡轮发动机的负载由于电功率需求的变化而整天变化。在正常额定负载条件期间，燃料/空气混合物的控制是通过燃料供应的变化，燃料供应校正成使涡轮排气温度回到期望的额定温度。在该操作模式期间，压缩机入口导叶保持在大致恒定开启位置。为了适应温度下降到额定温度操作以下的预定温度水平以下的减负载状态，系统切换至入口导叶控制操作模式。在操作的导叶控制模式期间，入口导叶以比正常负载操作的情况更精确的温度校正灵敏度控制。在减负载状态期间的这种更精确的入口导叶控制确保了减负载期间的改善的燃料/空气混合物，且随后改善的效率和最小NOx化合物排放，尤其是在变化的环境温度条件期间，其中冷空气以其它方式增加空气供应。
[0007]甚至相关的专利文献如上文提到，需要一种解决或至少缓解伴随燃气涡轮组的快速卸载的高脉动的解决方案。
【发明内容】
[0008]本发明的一个目的在于提供一种用于控制燃气涡轮组的方法，燃气涡轮组沿工作流体的流动方向包括第一燃烧室、连接在第一燃烧室下游的第一涡轮、通过自动点燃而操作的连接在第一涡轮下游的第二燃烧室、连接在第二燃烧室下游的第二涡轮，以及连接成由第一涡轮和第二涡轮驱动的负载，该方法包括以下步骤:测量第一涡轮的出口处的温度TATl ;根据比率SlR与温度TATl之间的预定映射表、基于测量温度TATl来确定给送至第一燃烧室的导引件的燃料质量流与给送至第一燃烧室的总燃料质量流的比率SlR ;采用预定比率SlR与预定增压器比率SlR之间的较大一个来用于控制给送至燃气涡轮组的第一燃烧室的燃料流。
[0009]根据本发明的一个可能的实施例，该方法还包括以下步骤:测量负载减小时的负载的卸载梯度；确定测量的卸载梯度大于预定卸载梯度，通过该预定卸载梯度，负载经历规则卸载过程。
[0010]根据本发明的一个可能的实施例，预定映射表在试运行程序中确定，其中试运行程序包括以下步骤:确定燃气涡轮中的给定入口导叶处的第一脉动频率和大于第一脉动频率的第二脉动频率；根据在燃气涡轮的试运行程序期间在燃气涡轮中观察到第一或第二脉动频率时的离散地变化的比率SlR来测量离散温度TATl，其中对应于温度TATl的最大值的比率SlR确定为鼻比率(nose rat1) SIR ;将温度TATl和对应比率SIR储存为映射表用于随后使用。
[0011]根据本发明的一个可能的实施例，预定增压器比率SlR等于鼻比率SlR的1.1到1.5 倍。
[0012]根据本发明的一个可能的实施例，预定增压器比率SlR等于鼻比率SlR的1.2到1.4 倍。
[0013]根据本发明的一个可能的实施例，预定增压器比率SlR等于鼻比率SlR的1.3倍。
[0014]利用根据本发明的示例性实施例提出的技术解决方案，燃气涡轮组的脉动行为可改善，且燃气涡轮组的快速卸载期间的高脉动大致减小，避免了对燃气涡轮组的部分的潜在破坏。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]参照附图，基于阅读仅出于例证的目的给出的本发明的优选实施例的以下非限制性描述，本发明的目的、优点及其他特征将变得更加明显，在附图中，类似的参考标号可用于指示类似的元件，并且在附图中:
图1示出了燃气涡轮组的简图；
图2示出了没有根据本发明的方法的正常卸载过程和快速卸载过程期间的比率SlR对温度TATl以及根据本发明的实施例程序的由试运行程序获得的高脉动区域的图解视图；图3为在快速卸载过程期间根据本发明的实施例的方法中的比率SlR对温度TATl的图解视图。
[0016]零件清单
108引入空气 100燃气涡轮组 110压缩机单元 120第一涡轮 122热气体通路 130第二涡轮 140第一燃烧室 150第二燃烧室 160发电机 180总燃料质量流
181给送至第一燃烧室的燃料质量流
182给送至第一燃烧室的引燃火焰的燃料质量流
183给送至第一燃烧室的预混火焰的燃料质量流
184给送至第二燃烧室的燃料质量流
190轴。
【具体实施方式】
[0017]图1示出了本来已知的具有连续燃烧的燃气涡轮组100的示意性简图。燃气涡轮组100包括压缩机单元110，其中发生引入空气108的压缩。压缩空气然后流入第一燃烧室(高压燃烧室)140，其中热气体的第一次生成借助于作为总燃料质量流180的一部分的燃料质量流181发生。第一涡轮(高压涡轮120)在第一燃烧室140下游操作，且热气体经历第一涡轮120中的局部膨胀。该局部膨胀具有的特征在于来自第一涡轮120的排出气体仍具有大约1000°C或更高的相对较高温度。称为TATl的第一涡轮120的出口处的温度可在热气体通路122中借助于本领域的技术人员本来已知的方法测量。第二燃烧室(低压燃烧室)150在第一涡轮120下游作用，且该第二燃烧室150利用给送到其中的燃料质量流184以自燃原理起作用，燃料质量流184为总燃料质量流180的一部分。在第二燃烧室150中生成的热气体在连接到第二燃烧室150下游的第二涡轮130 (低压涡轮)中经历进一步膨胀。大体上，燃气涡轮组100通过第一涡轮120和第二涡轮130驱动负载如发电机。作为用于图示的一个示例，发电机160作为负载的一个示例连接在第二涡轮130的下游，例如，其与第一涡轮120和第二涡轮130设置在轴190上，且由第一涡轮120和第二涡轮130驱动。本领域的技术人员应当注意的是，如图1中所示的发电机仅作为示例阐释了本发明的原理，且燃气涡轮组的负载可根据不同应用变化，且负载不总是直接地连接到燃气涡轮组的轴上，如，多轴构造，且负载不一定设置在低压涡轮的下游，如，负载可设置在高压涡轮的上游。
[0018]当发电机160的负载减小时，燃料质量流控制和入口导叶控制被引入来影响燃气涡轮组100的控制。大体上，给送至第一燃烧室140的燃料质量流181可分成两部分，第一部分182给送至第一燃烧室140的引燃火焰，而第二部分183给送至第一燃烧室的预混火焰。在本发明中，给送至第一燃烧室140的引燃火焰的燃料质量流182与给送至第一燃烧室140的总燃料质量流181的比率SlR引入到燃气涡轮组100的控制中。根据本发明人的发现，比率SlR越高，在所谓的〃引燃火焰〃中燃烧的燃料质量流就越高。高比率SlR允许更稳定的火焰，但同时较高的NOx排放。另一方面，低比率SlR允许低NOx排放，但导致更不稳定的火焰，即，更高的脉动水平。
[0019]如本文使用的第一涡轮120的出口处的温度TATl被测量来指出发电机160的负载状态。大体上，比率SlR将映射成与燃气涡轮组100的试运行期间的测量温度TATl对应，由此映射表生成且储存来用于随后使用，如，用于在发电机160卸载时控制燃气涡轮组100。
[0020]大体上，在燃气涡轮组100卸载期间的一个常用控制可通过调整入口导叶来实现。燃料质量流控制可在入口导叶设置在空转位置之前与入口导叶的调整一起采用。常用手段为首先调整入口导叶，直到其达到空转位置。此后，燃料质量流控制将有助于卸载过程。应当注意的是，如根据本发明的实施例提出的方法不但适用于燃料质量流和入口导叶两者都调整的应用，而且适用于入口导叶设置到空转位置且采用燃料质量流控制的应用。
[0021]当需要快速卸载时，不管故障的原因或具体控制应用，根据响应于测量温度TATl的映射表确定的比率SlR将由于通过各种因素引入温度TATl的测量中的测量延迟而偏离期望值，如，用于测量温度TATl的传感器的响应延迟。大体上，由测量延迟引起的根据明显高温TATl的确定比率SlR小于根据实际温度TATl确定的规则比率S1R，当燃气涡轮组100有规则地卸载时，实际温度TATl由于快速卸载而相对较低。此偏差可导致燃气涡轮组100的快速卸载过程期间的某些区中的燃气涡轮组100中的高脉动，此后，有害的高脉动可随着比率SlR增大而减小。
[0022]鉴于此情况，提供了一种用于控制燃气涡轮组100的方法以便消除此缺陷，其中该方法包括以下步骤:在第一涡轮120的出口处测量温度TATl ;根据比率SlR与温度TATl之间的预定映射表、基于测量温度TATl来确定给送至第一燃烧室140的引燃火焰的燃料质量流182与给送至第一燃烧室140的总质量流181的比率SlR ;采用预定比率SlR与预定增压器比率SlR之间的较大一个来用于控制给送至燃气涡轮组100的燃料质量流180。根据一个示例性实施例，其中有害高脉动减小的比率SlR可选择为预定增压器比率SIR。
[0023]根据本发明的一个示例性实施例，卸载梯度可测量为识别应当采用根据本发明的以上实施例的方法的情况。为此，该方法还包括在采用步骤之前的以下步骤:在发电机160的负载减小时测量发电机160的卸载梯度；确定测量的卸载梯度大于预定卸载梯度，发电机通过预定卸载梯度经历规则卸载过程。如本领域的技术人员已知的那样，对于典型的燃气涡轮组，正常卸载梯度接近16MW/分钟。根据一个示例性实施例，例如，预定卸载梯度可为16MW/分钟。将卸载梯度大约正常梯度的两倍即32MW/分钟时，其可认作是快速卸载。应当注意的是，如本文使用的用语"规则卸载过程"是指燃气涡轮组一般关闭的过程，这是本领域的技术人员一般理解的。
[0024]根据本发明的另一个方面，提出了试运行程序，以便改善如本发明的实施例中描述的方法的效率。将参照图2来详细描述试运行程序。
[0025]如本领域的技术人员已知那样，两个类型的脉动，即，贫吹熄(LBO)脉动和冷调脉动，更有助于对所谓"鼻区"中的燃烧稳定性的负面影响，其中LBO火焰熄灭脉动大致存在于1Hz到30Hz的频率范围，而冷调脉动大致存在于10Hz到130Hz的频率范围中。应当注意的是，本发明并非意在燃烧脉动仅由以上两个类型的脉动构成。
[0026]在根据本发明的试运行程序期间，LBO火焰熄灭脉动和冷调脉动在燃气涡轮组100中的给定入口导叶处确定，如，入口导叶的空转位置。
[0027]然后，当燃气涡轮组加载和卸载时，如图2中由阴影区域示出的高脉动区域(所谓的〃鼻区〃)在由比率SlR和温度TATl限定的坐标系空间中生成。具体而言，根据在燃气涡轮的试运行程序期间在燃气涡轮组100中观察到LBO火焰熄灭或冷调脉动频率时的离散地变化的比率SlR来测量离散温度TATl，其中对应于温度TATl的最大值的比率SlR确定为鼻比率SlR ;将温度TATl和对应比率SlR储存为映射表来随后使用。
[0028]容易理解的是，落入高脉动区域中的比率SlR和温度TATl的值将引起高脉动，高脉动可能潜在地导致对燃气涡轮组的严重破坏，这在燃气涡轮组的正常操作期间应当被防止。作为由比率SlR和温度TATl使用的离散点，本领域的技术人员将知道如何界定高脉动区域的细节，包括用于增大/减小比率SlR的步骤、温度TATl的测量和燃气涡轮组100中的脉动的观察。
[0029]如图2所不，限定的是，与闻压脉动区域相关，对应于由图1中的最大TATl所不的温度TATl的最大值的比率SlR确定为由图2中的鼻SlR所示的鼻比率SIR。换言之，由温度TATl和比率SlR限定的坐标系上的点R(最大TATl，鼻SIR)代表鼻点。
[0030]根据本发明的实施例，来自界定高脉动区域的试运行程序的成对的TATl和比率SlR的值可储存为映射表来用于随后使用。
[0031]如上文提到的且如图2中所示，曲线Cl代表燃气涡轮组的正常操作，由此我们可发现曲线Cl不会横穿高脉动区域，从而遵循曲线Cl的操作将不会在燃气涡轮组100中引起高脉动。相反，图2中的曲线C2代表没有包含如上文提到的本发明的典型快速卸载过程，由此我们可发现，曲线C2在点A和B处由于温度检测延迟而横穿高脉动区域，从而出现潜在地破坏燃气涡轮组的严重脉动。
[0032]利用根据本发明的实施例提出的试运行程序，其可有助于明确地限定在根据本发明的实施例的方法中采用的增压器比率SlR的范围，以便改善控制效率和响应可靠性。例如，增压器比率SlR可等于鼻比率SlR的1.1到1.5倍，或可等于鼻比率SlR的1.2到1.4倍，或更具体而言，可等于鼻比率SlR的1.3倍。
[0033]如图3中所示，对应于如图2中由曲线C2示出的卸载过程的曲线C3可代表根据本发明的一个示例性实施例实施的方法，在此情况下，该方法包括:在发电机160的负载减小时测量发电机160的卸载梯度；确定测量的卸载梯度大于预定卸载梯度，发电机160通过该预定卸载梯度经历规则卸载过程；测量第一涡轮120的出口处的温度TATl ;基于测量温度TATl根据在上文提到的试运行程序中获得的比率SlR与温度TATl之间的映射表来确定给送至第一燃烧室140的引燃火焰的燃料质量流182与给送至第一燃烧室140的总质量流181的比率SIR;采用确定的比率SlR与上文提到的试运行程序中获得的鼻比率SlR的1.3倍之间的较大一个来用于控制给送至燃气涡轮组100的第一燃烧室140的燃料质量流181。
[0034]应当注意地是，上文提到的方法可代表根据本发明的实施例的一个可能的实施方式。许多其它实施方式将在本发明的教导下可能。例如，采用上文提到的方法中的步骤，t匕率SlR中较大的一个可为确定比率SlR与上文提到的试运行程序获得的鼻比率SlR的1.2、1.4或1.5倍之间的较大一个。可以发现的是，防止了由点A和B之间的区段在图2中示出的潜在介入区在快速卸载过程期间出现，从而保护燃气涡轮组免受由高脉动引起的任何潜在破坏。
[0035]利用根据本发明的示例性实施例提出的技术解决方案，燃气涡轮组的脉动行为可改善，且燃气涡轮组的快速卸载期间的高脉动大致减小，避免了对燃气涡轮组的部分的潜在破坏。本领域的技术人员在阅读描述时可清楚许多其它技术优点。
[0036]尽管已经仅结合有限数目的实施例描述了本发明，但将容易理解的是，本发明不限于此类公开的实施例。相反，本发明可改变来结合迄今未描述的任何数目的改型、变化、置换或等同布置，但这与本发明的精神和范围相当。此外，尽管已经描述了本发明的各种实施例，但将理解的是本发明的方面可仅包括所述的实施例中的一些。因此，本发明不应被看作是由前述描述限制，而是仅由所附权利要求的范围限制。
【权利要求】
1.一种用于控制燃气涡轮组的方法，所述燃气涡轮组沿工作流体的流动方向包括第一燃烧室、连接在所述第一燃烧室下游的第一涡轮、通过自动点燃而操作的连接在所述第一涡轮下游的第二燃烧室、连接在所述第二燃烧室下游的第二涡轮、以及连接成由所述第一涡轮和所述第二涡轮驱动的负载，所述方法包括以下步骤: 测量所述第一涡轮的出口处的温度(TATl)； 根据比率(SIR)与温度(TATl)之间的预定映射表、基于测量温度(TATl)来确定给送至所述第一燃烧室的引燃火焰的燃料质量流与给送至所述第一燃烧室的总燃料质量流的比率(SIR)； 采用预定比率(SIR)与预定增压器比率(SIR)之间的较大一个来用于控制给送至所述燃气涡轮组的所述第一燃烧室的燃料质量流。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤: 测量所述负载减小时的所述负载的卸载梯度； 确定所述测量的卸载梯度大于预定卸载梯度，所述负载通过该预定卸载梯度经历规则卸载过程。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于，所述预定映射表在试运行程序中确定，其中所述试运行程序包括以下步骤: 确定所述燃气涡轮组中的给定入口导叶处的第一脉动频率和大于所述第一脉动频率的第二脉动频率； 根据在所述燃气涡轮的试运行程序期间在所述燃气涡轮中观察到所述第一脉动频率或所述第二脉动频率时的离散地变化的比率(SIR)来测量离散温度(TATl)，其中对应于所述温度(TATl)的最大值的比率(SIR)确定为所述鼻比率(SIR)； 将所述温度(TATl)和对应比率(SIR)储存为所述映射表用于随后使用。
4.根据权利要求1至权利要求3中任一项所述的方法，其特征在于，所述预定增压器比率(SIR)等于所述鼻比率(SIR)的1.1到1.5倍。
5.根据权利要求1或权利要求4中任一项所述的方法，其特征在于，所述预定增压器比率(SIR)等于所述鼻比率(SIR)的1.2到1.4倍。
6.根据权利要求1或权利要求4中任一项所述的方法，其特征在于，所述预定增压器比率(SIR)等于所述鼻比率(SIR)的1.3倍。
【文档编号】F02C9/28GK104421002SQ201410411080
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2014年8月20日 优先权日:2013年8月20日
【发明者】S.里帕里, G.辛格拉, T.米尤维斯森, T.弗雷拉-普罗维达基斯 申请人:阿尔斯通技术有限公司