具有第一和第二级燃料控制的燃气涡轮发动机及其控制方法与流程

具有第一和第二级燃料控制的燃气涡轮发动机及其控制方法
1.对相关申请的交叉引用本专利申请要求保护来自提交于2020年12月24日的欧洲专利申请no. 20217235.9的优先权，该欧洲专利申请的完整公开内容通过引用而并入于本文中。
技术领域
2.本发明涉及一种具有第一级燃料控制和第二级燃料控制的燃气涡轮发动机，并且涉及一种控制燃气涡轮发动机的方法。


背景技术：

3.如已知的，污染物排放的控制是在任何类型的热机以及特别地用于发电厂的燃气涡轮的设计的方面的首要目标。实际上，对环境风险的认识朝向制定越来越严格的要求的法规推进。另一方面，现代电力(power，或功率)市场的组织和可不断变化的需求不允许在恒定负载条件下运营工厂(plants，或电厂)。相反，满足需求波动(包括突然上升或下降)并且有助于控制电网频率的需要要求相当灵活的操作。然而，由于这样的灵活操作而使得污染物排放的减少变得至关重要。
4.待解决的问题之一例如涉及在非常低的部分负载下操作。喷燃器(burner，或燃烧器、焚烧器)的关断序列被实施，以达到在低负载范围内依然活动的喷燃器的部分负载模式。然而，减少燃烧器组件中的活动喷燃器的数量可能不足以满足市场和低排放要求两者，并且，活动喷燃器往往需要在其功率范围的最低部分中使用。co排放在满负载下通常不是问题，但在低负载下的低温和低压可能阻止碳的完全氧化，并且有利于形成一氧化碳，因而限制燃气涡轮发动机以非常低的功率输出操作的能力。用以(部分地)克服该限制的方法是在低发动机负载下停用个别的喷燃器。因而，剩余的活动喷燃器能够在更高的温度水平下操作，这使得一氧化碳形成的量保持较低。
5.然而，一般期望进一步减小由燃气涡轮发动机递送的最小功率，以便满足越来越灵活的市场需求并且遵守关于排放和电网频率控制的严格法律要求。


技术实现要素：

6.本发明的目标是提供一种燃气涡轮发动机和一种控制燃气涡轮发动机的方法，其允许克服或至少削弱所描述的限制。
7.根据本发明，提供了一种燃气涡轮发动机，包括：具有多个第一喷燃器组件的第一级燃烧器；具有多个第二喷燃器组件的第二级燃烧器，其位于第一级燃烧器的下游；燃料供应系统，其配置成将相应的第一燃料流率供应到每个第一喷燃器组件并且将相应的第二燃料流率供应到每个第二喷燃器组件；控制器，其配置成控制第一燃料流率和第二燃料流率；其中，控制器进一步配置成选择性地启用和停用第二喷燃器组件并且在当至少第
一组第二喷燃器组件不活动时的部分负载操作条件下将第一值的第一燃料流率供应到第一组第一喷燃器组件并且将第二值的第一燃料流率供应到第二组第一喷燃器组件，第一值的第一燃料流率低于第二值的第一燃料流率或为零流率。
8.在一定程度上，可以通过停用第二喷燃器组件来获得负载减小。对第一组第一喷燃器组件的燃料流率的控制以及可能的关断允许进一步减小由燃气涡轮发动机递送的功率。因而可以实现极低负载，而不会对频率控制要求和对排放的合规造成影响。
9.根据本发明的方面，控制器进一步配置成当第二组第二喷燃器组件活动时，给第一组第一喷燃器组件供应部分值的第一燃料流率。
10.活动的第二喷燃器组件可以以完全燃料供应操作，因而保持热气温度高。没有增加有害排放的风险起源于在稳定操作期间保持活动的第二喷燃器组件。降低到非常低的部分负载的减载规程可以得益于活动的第二喷燃器组件的燃烧条件。
11.根据本发明的方面，控制器进一步配置成当所有第二喷燃器组件都不活动时，给第一组第一喷燃器组件供应部分值的第一燃料流率。
12.燃气涡轮发动机的负载因而可以如场合(circumstances，或境况)所要求的那样被驱动得尽可能低。
13.根据本发明的方面，第一组第一喷燃器组件的组成从第一部分负载操作条件到第二部分负载操作条件变化。
14.第一喷燃器组件的不同模式可以被减载或可以被停用以实施灵活控制策略，也在使构件的老化和寿命一致方面并且防止机械完整性的早期失效。
15.根据本发明的方面，第一喷燃器组件中的每个包括相应的主喷燃器和相应的先导喷燃器，并且，燃料供应系统配置成给主喷燃器供应相应的第一燃料流率并且给先导喷燃器供应先导燃料流率。
16.根据本发明的方面，燃料供应系统包括：第一级供应系统，其联接到第一级燃烧器，并且由控制器控制，以将第一燃料流率供应到第一喷燃器组件；和第二级供应系统，其联接到第二级燃烧器，并且由控制器控制，以将第二燃料流率供应到第二燃烧器组件。
17.根据本发明的方面，第一级供应系统包括：主供应管路，其联接到第一组第一喷燃器组件的主喷燃器；和多个第一主阀，其由控制器独立地控制，并且各自具有联接到第一主供应管路的入口和联接到第一组第一喷燃器组件的主喷燃器中的相应的一个的出口。
18.第一主阀的个别且独立的控制允许第一主燃料阀的灵活选择。例如，第一组第一喷燃器组件的主喷燃器可以循序地被停用或接收第一燃料流率的相应的不同的部分值。另外，第一组中的第一喷燃器组件的数量和第一组的组成(即，实际上选择的具体的第一喷燃器组件)可以根据偏好或当前要求而变化。
19.根据本发明的方面，第一级供应系统包括：主供应管路，其联接到第一组第一喷燃器组件的主喷燃器；第一主阀，其由控制器控制，并且具有联接到第一主供应管路的入口和联接到第一组第一喷燃器组件的主喷燃器的出口；以及第二主阀，其由控制器控制，并且具有联接到第一主供应管路的入口和联接到第二组第一喷燃器组件的主喷燃器的出口，第二组第一喷燃器组件与第一组第一喷燃器组件互补。
20.具有分别用于第一组第一喷燃器组件和第二组第一喷燃器组件的第一主阀和第二主阀的第一级供应系统的结构在实现第一级燃烧器中的燃料供应的选择性减少的方面
简单但有效。简单结构涉及相对低的用于制造和维护两者的成本，并且，突然失效的风险也低。
21.根据本发明的方面，第一级供应系统包括：先导供应管路，其配置成将先导燃料流率供应到第一喷燃器组件的先导喷燃器；和先导阀，其由控制器控制，并且具有联接到先导供应管路的入口和联接到第一喷燃器组件的先导喷燃器的出口；并且其中，控制器配置成当部分值的第一燃料流率供应到第一组第一喷燃器组件时，维持先导燃料流率。
22.即使在对主喷燃器的燃料供应被去除时，第一组的第一喷燃器组件也并非完全地被关断。独立于负载条件而维持先导喷燃器活动帮助保持适当的温度水平，并且出于频率响应控制的目的而改进燃气涡轮发动机的响应性。
23.根据本发明的方面，控制器进一步配置成在部分负载操作条件下同时地或循序地将第一组第一喷燃器组件的主喷燃器关断。
24.将主喷燃器关断允许减小由燃气涡轮发动机递送的功率，而不会引发增加污染物排放的风险。循序关断导致燃气涡轮发动机在安全且清洁的条件下逐渐减载。
25.根据本发明的方面，第一级燃烧器包括第一环形燃烧室，并且，第二级燃烧器包括第二环形燃烧室，并且其中，第一喷燃器组件和第二喷燃器组件围绕轴线周向地布置。
26.根据本发明的方面，提供了一种控制燃气涡轮发动机的方法，燃气涡轮发动机包括具有多个第一喷燃器组件的第一级燃烧器和位于第一级燃烧器的下游的具有多个第二喷燃器组件的第二级燃烧器；该方法包括：将相应的第一燃料流率供应到每个第一喷燃器组件，并且将相应的第二燃料流率供应到每个第二喷燃器组件；选择性地启用和停用第二喷燃器组件；以及在当至少第一组第二喷燃器组件不活动时的部分负载操作条件下，将部分值的第一燃料流率供应到至少第一组第一喷燃器组件，部分值的第一燃料流率低于满负载值或为零流率。
附图说明
27.现在将参考附图而描述本发明，附图示出本发明的一些非限制性实施例，其中：-图1是燃气涡轮发动机的简化框图；-图2是并入于图1的燃气涡轮发动机中并且根据本发明的一个实施例而制作的第一燃料供应系统的部分和第一燃烧器组件的示意图；-图3是并入于图1的燃气涡轮发动机中并且根据本发明的一个实施例而制作的第二燃料供应系统的部分和第二燃烧器组件的示意图；-图4-11示意性地示出处于不同操作条件下的第一燃烧器组件和第二燃烧器组件；-图12是并入于图1的燃气涡轮发动机中并且根据本发明的另一实施例而制作的第一燃料供应系统的部分和第一燃烧器组件的示意图；-图13是并入于图1的燃气涡轮发动机中并且根据本发明的另外的实施例而制作的第一燃料供应系统的部分和第一燃烧器组件的示意图；以及-图14是并入于图1的燃气涡轮发动机中并且根据本发明的另外的另一实施例而制作的第一燃料供应系统的部分和第一燃烧器组件的示意图。
具体实施方式
28.图1示出作为整体以数字1指定的燃气涡轮发动机的简化视图。燃气涡轮发动机1包括压缩机2、第一级燃烧器3、任选地高压涡轮5、第二级燃烧器7(也被称为循序燃烧器)以及低压涡轮8。
29.燃气涡轮发动机进一步包括燃料供应系统9和控制器10。
30.为了第一级燃烧器3和第二级燃烧器7的操作而递送燃料流率的燃料供应系统9包括联接到第一级燃烧器3的第一级供应系统11和联接到第二级燃烧器7的第二级供应系统12。第一级供应系统11和第二级供应系统12两者都由控制器10控制。
31.控制器10从系统传感器13接收状态信号，并且通过致动器操作燃气涡轮，以提供受控功率输出。如在接下来中详细示出的，致动器包括压缩机2的可取向的入口引导导叶14以及第一级供应系统11和第二级供应系统12的阀。
32.由压缩机2供应的经压缩空气流被添加以燃料，并且，因而获得的空气/燃料混合物在第一级燃烧器3中焚烧。第一级燃烧器3的排放气体在高压涡轮5中膨胀，然后，在可能添加稀释空气流之后，额外的燃料在第二级燃烧器7中混合并且焚烧。排放气体最终在低压涡轮8中膨胀，并且排出到要么外部要么例如到热回收蒸汽发生器。由第一级供应系统11和第二级供应系统12递送的燃料的量由控制器10控制。
33.图2示意性地示出第一级供应系统11的部分和第一级燃烧器3。
34.第一级燃烧器3包括围绕燃气涡轮发动机1的纵向轴线a延伸的环形燃烧室15和环绕纵向轴线a周向地分布的多个第一喷燃器组件17。每个第一喷燃器组件17包括相应的先导喷燃器18和相应的主喷燃器20。
35.第一级供应系统11配置成将先导燃料流率fp供应到每个先导喷燃器18并且将相应的第一主燃料流率fm1供应到主喷燃器20。
36.第一级供应系统11的先导分支包括先导供应管路21、先导阀22以及呈分配环的形式的先导气室23。先导阀22(例如，控制阀或截止阀)由控制器10控制，并且具有联接到先导供应管路21的入口和通过先导气室23和导管24联接到第一喷燃器组件17的先导喷燃器18中的每一个的出口。
37.第一级供应系统11的主分支包括主供应管路25、主阀27以及同样地呈分配环的形式的主气室28。主阀27(例如，控制阀)在一个实施例中由控制器10个别地并且独立地控制，并且具有：入口，其联接到主气室28，主气室28进而通过导管26联接到主供应管路25；和出口，其各自联接到第一喷燃器组件17的主喷燃器20中的相应的一个。控制器10因而处于个别地控制供应到主喷燃器20中的每一个的第一主燃料流率fm1的条件下。
38.参考图3，其示意性地示出第二级供应系统12和第二级燃烧器7，第二级燃烧器7包括围绕纵向轴线a延伸的环形燃烧室29和围绕机器轴线a周向地布置的多个第二喷燃器组件30。第二级供应系统12包括第二级供应管路32、第二级燃料阀33以及燃料气室35。第二级燃料阀33具有联接到第二级供应管路32的入口和通过燃料气室35和导管36联接到第二喷燃器组件30中的每个的出口。由控制器10控制的相应的第二主燃料流率fm2因而可以供应
到每个第二喷燃器组件30。沿着供应导管36布置截止阀37，相应一个用于每个第二喷燃器组件30。因而，截止阀37布置于第二级燃料阀33与相应的第二喷燃器组件30的燃料入口之间。截止阀37由控制器10独立地控制，以致于控制器10可以独立于其它第二喷燃器组件30而启用和停用每个第二喷燃器组件30。
39.控制器10配置成至少控制分别供应到第一喷燃器组件17的主喷燃器20和第二喷燃器组件30的第一主燃料流率fm1和第二主燃料流率fm2。具体地，在所有第二喷燃器组件都活动并且接收相应的第二主燃料流率fm2时，控制器操作第一级供应系统11和第二级供应系统12，以在满负载操作条件下将满负载值的第一主燃料流率fm1供应到每个主喷燃器20(参见图4)。
40.在例如由于来自电网的负载请求在夜间减少而要求减少负载时，控制器10循序地停用第一组第二喷燃器组件30，直到仅第二组编程数量的(例如，八个)第二喷燃器组件30依然活动并且达到第一部分负载操作条件和负载阈值为止(图5；第一级燃烧器3和第二级燃烧器7两者的完全活动喷燃器以深灰色表示，并且，非活动喷燃器以白色表示，参见放大的细节)。在该步骤中，控制器10仍然将第一主燃料流率fm1发送到所有主喷燃器20。
41.如果请求进一步将负载减少到低于负载阈值(图6)，则在第二部分负载操作条件下，在第一组第二喷燃器组件30不活动并且第二组第二喷燃器组件30活动时，控制器10将部分第一值的第一主燃料流率fm1供应到第一组第一喷燃器组件17(图6中的浅灰色，参见放大的细节)。换而言之，针对第一组的第一喷燃器组件17而减少燃料供应，而互补的第二组的第一喷燃器组件17接收可以与满负载值或部分负载对应的第二值的第一主燃料流率fm1。在任何情况下，供应到第一组第一喷燃器组件17的第一值的第一主燃料流率fm1低于供应到第二组第一喷燃器组件17的第二值的第一主燃料流率fm1。具体地，在所描述的实施例中，针对第一组第一喷燃器组件17的主喷燃器20而减少燃料供应，而燃料供应针对所有先导喷燃器18都不变。在第一组的所有第二喷燃器组件30都已停用时，控制器10开始对于第一组第一喷燃器组件17的第一主燃料流率fm1的减小。对于第一组第一喷燃器组件17的第一主燃料流率fm1能够减小到零，即，第一组第一喷燃器组件17的主喷燃器20被关断(图7，参见放大的细节)。
42.在所描述的实施例中，此外，主阀27以及截止阀37可由控制器10独立地控制。因而，第一组的组成(即，形成第一组的个别的第一喷燃器组件17)并非严格地固定，并且可以根据场合而选择，并且从第一部分负载操作条件到第二部分负载操作条件变化。同样地，可以由控制器10选择活动的第二喷燃器组件30。例如(图8和图9)，第二级燃烧器7的一侧(例如，下侧)上的四个第二喷燃器组件30被启用。同时，主阀27可以被控制成使得第一级燃烧器组件3的同一(下)侧上的相同或更多数量的(例如，八个)第一喷燃器组件17接收第二值的第一主燃料流率fm1(第二组)；并且，所有其它第一喷燃器组件17(第一组)都接收第一值的第一主燃料流率fm1(图8)或零流率(图9)。上文的配置(其中大部分的第一喷燃器组件17被控制或截止)对燃气涡轮发动机调低(turndown，或下调)具有有益影响。
43.在另一示例中，如图10和图11中所图示的，第一组第一喷燃器组件17定义交替模式。在此情况下，该交替模式可以包括：第一配置，例如，其中，位于第一级供应系统11的一侧上的四个第一喷燃器组件17接收第一主燃料流率fm1(图10)；以及第二配置，例如，其中，位于第一级燃烧器3的相反侧上的四个第一喷燃器组件17接收第一主燃料流率fm1(图11)。
44.第二级燃烧器7的第二喷燃器组件30也可以根据交替模式而被启用和停用。例如，该交替模式可以包括：第一配置，例如，其中，仅四个下部第二喷燃器组件30被启用(图10)；以及第二配置，例如，其中，仅四个上部第二喷燃器组件17被启用(图11)。
45.在一个实施例(未示出)中，在开始对第一喷燃器组件17的主喷燃器20燃料减少之前，所有第二喷燃器组件30都可以被停用，即，第一组第二喷燃器组件30是空闲的(void，或空的)。
46.根据在图12中与第一级燃烧器3的环形燃烧室15一起图示的另一实施例，在此由111指示的第一供应系统包括先导分支和主分支。先导分支包括先导供应管路121、先导阀122以及先导气室123。先导阀122由控制器10控制，并且具有联接到先导供应管路121的入口和通过先导气室123和导管124联接到第一喷燃器组件17的先导喷燃器18中的每一个的出口。
47.第一级供应系统111的主分支包括主供应管路125、第一主阀127、第二主阀128、第一主气室129以及第二主气室130。由控制器10控制的第一主阀127具有联接到主供应管路125的入口和联接到第一主气室129的出口，第一主气室129进而通过导管126联接到第一组第一喷燃器组件17的主喷燃器20。由控制器10控制的第二主阀128具有联接到主供应管路125的入口和联接到第二主气室130的出口，第二主气室130进而联接到与第一组互补的第二组第一喷燃器组件17的主喷燃器20。第一组和第二组中的每个包括相对于纵向轴线a相对布置的两组相邻的第一喷燃器组件17。
48.一旦第一组第二喷燃器组件30已被停用，控制器就操作第一主阀127，以将比满负载流率值更低并且比第二值的第一主燃料流率fm1更低的第一值的第一主燃料流率fm1供应到第一组第一喷燃器组件17的主喷燃器20。第二组第一喷燃器组件17的主喷燃器20持续地接收第二值的第一主燃料流率fm1。因而能够实现负载减小到非常低的水平，而不会影响频率响应和排放合规。
49.在图13中所图示的另一实施例中，在此由211指示的第一级供应系统的主分支配置成实施图10和图11中的静止模式控制或如图8和图9中的交替模式控制并且额外地实施上部和下部第一喷燃器组件17的交替模式。第一级供应系统211包括主供应管路225、两个第一主阀227、两个第二主阀228、两个第一主气室229以及两个第二主气室230。每个第一主气室229例如在第一级燃烧器3的相应侧上给图8和图9的构造中的相应的一个的第一喷燃器组件17供料。第一主阀227由控制器10独立地控制，并且使主供应管路225各自连接到第一主气室229中的相应的一个。同样地，两个第二主气室230分别在第一级燃烧器3的上部部分和下部部分中给第一喷燃器组件17供料。第二主阀228由控制器10独立地控制，并且使主供应管路225各自连接到第二主气室230中的相应的一个。图13还示出先导供应管路221、先导阀222、先导气室223以及导管224。
50.因此，有可能根据四重交替模式驱动第一级燃烧器3，在四重交替模式中，第一主燃料流率fm1循序地供应到在第一级燃烧器3的一侧上、相反侧上、上部部分中和下部部分中的组中的第一喷燃器组件17。
51.在图14中所图示的实施例中，第一级供应系统311的主分支包括主供应管路325、第一主阀327、第二主阀328、第一主气室329以及第二主气室330。由控制器10控制的第一主阀327具有联接到主供应管路325的入口和联接到第一主气室329的出口，第一主气室329进
而通过导管326联接到第一组第一喷燃器组件17的主喷燃器20。第一组包括位于第一级燃烧器3的下侧上的八个第一喷燃器组件17。由控制器10控制的第二主阀328具有联接到主供应管路325的入口和联接到第二主气室330的出口，第二主气室330进而联接到与第一组互补的第二组第一喷燃器组件17的主喷燃器20。图14还示出先导供应管路321、先导阀322、先导气室323以及导管324。图14的实施例以在结构上简单、但有效的方式实施图8和图9的模式。
52.最终，显然，在不脱离如所附权利要求中所定义的本发明的范围的情况下，所描述的燃气涡轮发动机和控制燃气涡轮发动机的方法可以经受修改和变型。
53.特别地，形成第一组的第一喷燃器组件的数量和分布可以根据设计偏好而选择，或在第一喷燃器组件能够个别地被控制的情况下，甚至根据场合而选择。例如，第一组的第一喷燃器组件的数量可以基于当前负载请求而变化。
54.而且，可以根据设计偏好而选择第一喷燃器组件17接收第一主燃料流率的任何静止或可变模式，包括旋转模式。