CN101131124B - 用于操作燃气涡轮机的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

提供一种操作燃气涡轮机的方法，其中燃气涡轮机(100)连接到在标准电网频率数值下操作的电网上，并且燃气涡轮机包括与多个独立燃料回路和压缩器流体连通地连接的燃烧器(104)。该方法包括从标准电网频率数值确定电网频率的偏差，并且调节来自于多个燃料回路(110)的一部分的燃料流以有助于控制燃料与压缩器排放压力比，在燃烧器响应电网频率偏差时，使得燃烧器状态在空气流中不滞后变化。

Description

用于操作燃气涡轮机的方法和系统
技术领域
本发明总体涉及一种燃气涡轮机，并且更特别是涉及一种用于操作燃气涡轮机的方法和系统。
背景技术
至少某些公知的燃气涡轮机连接到电网上以有助于保持电网操作的所需电网频率。电网不稳定性造成电网频率改变，这会造成燃气涡轮机增加或降低的功率产生以保持所需的电网频率。例如，电网频率增加会造成燃气涡轮机产生小于电网所需的功率的低频率情况。因此，在这种情况下，去往燃气涡轮机的燃料流必须增加，使得涡轮机满足电网的增加的功率要求。作为选择，电网频率降低会造成燃气涡轮机产生多于电网所需的功率的过频率情况。因此，在这种情况下，去往燃气涡轮机的燃料流必须减少以便防止燃气涡轮机内的不稳定性。当前电网规范要求需要燃料流中快速变化，这是由于不能快速响应过频率或低频率情况会造成电压不足和/或中断的功率输出情况。
至少某些公知的燃气涡轮机进行操作，使得去往燃烧器的燃料流的增加或减少伴随有去往燃烧器的空气流的增加或减少。但是，燃料流和空气流的同时增加或减少会造成燃烧偏差(excursion)，其中燃烧器变得不稳定。为了防止燃烧偏差，在空气流调节之前进行燃料流调节。特别是，在至少某些公知的燃料涡轮机的引擎中，被测量的压缩器压力比(CPR)以及被测量的燃气涡轮机排放温度(TTMX)数值用来有助于控制燃料和空气流以响应电网要求。特别是，燃料流通过燃料阀位置来检测和控制，并且空气流通过压缩器入口导叶位置检测和控制。此外，CPR和TTXM还用来通过控制去往燃烧器喷嘴的燃料分流(fuel split)来限定燃烧系统的状态。燃料分流通过每个燃烧器燃料支路(fuel leg)内定位的阀来检测和控制。因此，燃料流要求和/或空气流要求中的变化将不造成燃烧器燃料分流的变化，直到燃料流/空气流变化在CPR或TTXM中产生变化为止。因此，由于结构，燃烧器状态滞后于燃气涡轮机引擎的状态。
由于燃烧器状态滞后，通常造成燃料流/空气流中快速变化的大幅电网波动会造成燃烧器异常操作。特别是，在燃料流正在减少的操作中，燃烧器会容易出现贫燃料熄火现象。此外，以贫燃料状态操作会改变燃烧器内的动态压力振荡，造成燃烧器不稳定。在燃料流增加的操作中，会产生燃烧器动态压力振荡，这会造成燃烧器不稳定。最终，燃烧器不稳定和/或熄火会造成电网的功率损失。
发明内容
在一个方面，提供一种操作燃气涡轮机的方法，其中燃气涡轮机连接到在标准电网频率数值下操作的电网上，并且燃气涡轮机包括与多个独立燃料回路和压缩器流体连通地连接的燃烧器。该方法包括从标准电网频率数值确定电网频率的偏差，并且调节来自于多个燃料回路的一部分的燃料流以有助于控制燃料与压缩器排放压力比，在燃烧器响应电网频率偏差时，使得燃烧器状态在空气流中不滞后变化。
在另一方面，提供一种燃气涡轮机，其中燃气涡轮机连接到在标准电网频率数值下操作的电网上。燃气涡轮机包括压缩器、多个独立燃料回路以及与多个独立燃料回路和压缩器流体连通地连接的燃烧器。燃气涡轮机还包括确定电网频率与标准电网频率的偏差的感测器以及调节燃料流以响应电网频率偏差的控制器，其中调节去往多个独立燃料回路的一部分的燃料流，同时保持来自于压缩器的大致恒定的空气流，以便控制燃料与压缩器排放压力比，在燃烧器响应电网频率偏差时，使得燃烧器状态在空气流中不滞后变化。
在另一方面，提供一种产生电能的系统。该系统包括在标准电网频率数值下操作的电网和燃气涡轮机。燃气涡轮机包括压缩器、多个独立燃料回路以及与多个独立燃料回路和压缩器流体连通地连接的燃烧器。燃气涡轮机还包括确定电网频率与标准电网频率的偏差的感测器以及调节燃料流以响应电网频率偏差的控制器，其中调节去往多个独立燃料回路的一部分的燃料流，同时保持来自于压缩器的大致恒定的空气流，以便控制燃料与压缩器排放压力比，在燃烧器响应电网频率偏差时，使得燃烧器状态在空气流中不滞后变化。
附图说明
图1是示例性燃气涡轮机引擎的截面图；
图2是包括图1所示燃气涡轮机的电力系统的示意图；
图3是用来操作图1所示涡轮机的示例性步骤。
部件列表
燃气涡轮机引擎100、压缩器102、压缩器组件104、涡轮机组件106、转子108、燃料回路110、燃料喷嘴112、电力系统150、入口导管152、入口导叶154、排放导管156、电网158、发电机160、感测器162、燃料控制164、控制器166、流程图190、输出200、要求202、燃气涡轮机排放温度(TTXM)204、压缩器压力比(CPR)206、燃料压力212、燃料分流214。
具体实施方式
图1是示例性燃气涡轮机引擎100的截面图。引擎100包括压缩器组件102、燃烧器组件104、涡轮机组件106以及公共压缩器/涡轮机转子轴108。燃烧器组件104包括与多个燃料喷嘴112流体连通地连接的多个燃料回路110。每个燃料回路110可单独连接到各自燃料喷嘴112上，或者作为选择，每个燃料回路110可独立于其它燃料回路110操作。应该注意到引擎100只是示例性的，并且本发明不局限于引擎100，并且因此本发明可用于如同这里描述那样操作的任何燃气涡轮机引擎中。
在操作中，空气流过压缩器组件102，并且压缩空气排出到燃烧器组件104。压缩器组件104经由燃料回路110和燃料喷嘴112将燃料喷射到空气流内，燃料例如是但不局限于天然气、燃油合成气、生物气和/或能够如这里描述那样操作引擎100的任何其它燃料。燃烧器组件104接着点燃燃料空气混合物，以便经由燃烧膨胀燃料空气混合物，并且产生高温燃烧气流。燃烧器组104与涡轮机组件106流体连通，并且将高温膨胀气流排出到涡轮机组件106。高温膨胀气流将转动能赋予涡轮机组件106，并且由于涡轮机组件106可转动地连接到转子108上，转子108随后将转动能提供给压缩器组件102。
图2是包括燃气涡轮机引擎100的电力系统150的示意图，虽然只表示引擎100的一部分。特别是，为了简化，只表示引擎100的压缩器102、燃烧器组件104、涡轮机106和转子108。入口导管152将空气流引导到连接在引擎100的上游并与其流体连通的入口导叶154。排放导管156连接在引擎100的下游并与其流体连通，并且将排放气体引导离开涡轮机106。电力系统150连接在电网158上，并且更特别是电网158内的发电机160连接在转子108上。多个感测器162定位在电力系统150内，以有助于控制系统150，如下面更加详细描述那样。特别是，在示例性实施例中，感测器162至少连接在导管152、入口导叶154、压缩器102、涡轮机106、导管156内以及燃料控制器164内。感测器162将指示各自测量值的信号传递到电连接在每个感测器162和燃料控制器164上的控制器166。
在操作过程中，导管152经由入口导叶154将空气引入压缩器102。入口导叶154的有选择定位有助于控制引导到压缩器102内的空气量。压缩器102增加进入其中的空气操作压力，并且将下游的压缩空气引导到燃烧器组件104。空气与经由燃料喷嘴112喷射的燃料混合，以便形成可燃烧的空气/燃料混合物。空气/燃料混合物在燃烧器组件104内燃烧并且所得燃烧气体朝着涡轮机106引导。涡轮机106的转动驱动转子108，并且造成发电机160产生传递到电网158的电能。经由电力系统150的操作，感测器162监测电力系统150的多种属性。特别是，通过监测压缩器压力比(CPR)、燃气涡轮机排放稳定(TTXM)、气体歧管燃料压力、压缩器排出压力以及压缩器排出温度，感测器162有助于保持燃烧器内的燃烧率。
电网158在涡轮机109上形成要求，以响应与标准电网频率的差别。特别是，公知为低频率偏差的电网158的功率消耗的增加增加了涡轮机功率输出的较高要求。相反，公知为过频率偏差的电网158的功率消耗降低产生涡轮机功率输出的较低要求。特别是，增加的功率要求造成去往燃烧器组件104的增加燃料流，并且降低的功率要求造成去往燃烧器组件104的减少燃料流。感测器162监测电力系统150，以有助于减少针对电网要求的过响应。另外，感测器162提供信息到控制器166，使得控制器166独立操作燃料回路110，以有助于防止燃烧器“滞后”，其中燃料流和空气流中的快速变化会造成高涡轮机动态或贫燃料熄火中的一种情况。
图3是由控制器166使用以便操作涡轮机100的通过工艺流程图190表示的示例性步骤。控制器166控制涡轮机100的操作，从而提供输出200，以响应来自于电网158的要求。特别是，控制器166通过指示用于涡轮机操作过程中实现的压缩器压力比(CPR)的特定范围的所需燃气涡轮机排放温度(TTXM)的数据来预先编程。为了有助于控制对于要求203的响应，控制器166采用从感测器162接收的信息。特别是，控制器166开启或闭合入口导叶154，以有助于调节来自于压缩器102的空气流，使得TTXM在204处降低或升高到对于测量CPR206来说所需的大小，如预先编程的数据所示。对于给定TTXM204，针对每个喷嘴组来调节燃料流。
在燃料流之前调节空气流时，增加贫燃料熄火和/或动态压力振荡的位势。由于只有在空气和燃料经过涡轮机100之后可以测量的TTXM204和CPR206，此位势还由于燃烧器滞后而复杂化。为了有助于防止燃烧器滞后以及更特别是防止贫燃料熄火或动态压力振荡，控制器166还利用感测器162来测量喷射到燃烧器组件104内的燃料的燃料压力212和作为CPR206函数的压缩器排出压力。通过控制去往喷嘴112的燃料分流214，这些测量用来有助于控制燃烧器组件104的状态。特别是，控制器166通过控制燃料分流的操作的一组规则来预先编程。特别是，该规则限定用于涡轮机100操作过程中可以实现的燃料压力范围的所需压缩器排出压力。此外，该规则控制去往燃料分流214的燃料流中的变化，从而调节压缩器排出压力，以便使用燃料压力，如该规则指示那样。特别是，燃料分流214独立控制，从而增加燃料流，同时最小程度地影响燃烧器104内的火焰稳定性。例如，在具有多个燃料回路110的涡轮机100中，控制器166只调节多个燃料回路110的一部分。在另一实例中，在具有多个燃料回路组的涡轮机100中，控制器166只调节该组的一部分。在又一实例中，在具有围绕中央燃料回路配置的多个燃料回路110的涡轮机100中，控制器166只控制多个燃料回路110之一或中央燃料回路。在其它可选择实施例中，燃料回路110和/或中央燃料回路的任何组合可以独立操作。
燃料回路110的独立调节对于燃烧器内局部滞留燃料与空气比的影响最小，从而可以避免贫燃料熄火和/或动态压力振荡。因此，本发明提供燃料流的前端控制，以有助于调节燃料流，同时将来自于压缩器的空气流大致保持恒定。在燃料和空气经过涡轮机100时，TTXM与CPR的比可以用来提供空气流的后端控制，以便调节转子108的加速，以响应电网频率偏差。结果是，燃料与压缩器排出压力比受到控制，使得在压缩器响应电网频率波动时，燃烧器状态在空气流中不滞后变化。因此，改善了涡轮机效率和耐用性，同时减小熄火和/或中断的可能性。
在一个实施例中，提供操作燃气涡轮机的方法，其中燃气涡轮机连接在以标准电网频率数值操作的电网上，并且燃气涡轮机包括与多个独立燃料回路和压缩器流体连通地连接的燃烧器。该方法包括从标准电网频率数值确定电网频率的偏差，并且调节来自于多个燃料回路的一部分的燃料流以有助于控制燃料与压缩器排放压力比，在燃烧器响应电网频率偏差时，使得燃烧器状态在空气流中不滞后变化。
如这里使用那样，应该理解的是以单数形式提出并且跟在冠词“一个”或“一”之后的元件或步骤不排除多个所述元件或步骤，除非明显指出了这种排除情况。另外，对于本发明的“一个实施例”的参考不局限于解释为排除同样结合所述特征的其它实施例的存在。
虽然这里描述的设备和方法在控制电力系统的燃气涡轮机引擎的文章中描述，应该理解到该设备和方法不局限于燃气涡轮机或电流系统。同样，这里描述的燃气涡轮机或电力系统部件不局限于这里描述的特定实施例，燃气涡轮机和电力系统的部件可独立使用，以及与这里描述的其它部件分开使用。
虽然针对多种特定实施例描述了本发明，本领域普通技术人员将理解到本发明可通过权利要求的精神和范围内的变型来实施。

Claims (10)

1.一种连接到在标准电网频率数值下操作的电网上的燃气涡轮机，所述燃气涡轮机包括：
压缩器(102)；
多个独立燃料回路；
与所述多个独立燃料回路和所述压缩器流体连通地连接的燃烧器；
确定电网频率与标准电网频率数值的偏差的感测器(162)；
调节燃料流以响应电网频率偏差的控制器(166)，其中调节去往所述多个独立燃料回路的燃料流，同时保持来自于压缩器的大致恒定的空气流，以便控制燃料与压缩器排放压力比，在燃烧器响应电网频率偏差时，使得燃烧器状态在空气流中不滞后变化。
2.如权利要求1所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述燃烧器(104)具有通过测量所述燃气涡轮机的操作参数来保持的燃烧率，其中操作参数包括气体歧管燃料压力(212)、压缩器排出压力、压缩器排出温度及其组合中的至少一个。
3.如权利要求1所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述控制器(166)通过一组规则预先编程，以便调节燃料流。
4.如权利要求1所述的燃气涡轮机，其特征在于，燃烧器响应的范围受到限制，以便防止贫燃料熄火和动态压力振荡中的至少一种情况。
5.如权利要求1所述的燃气涡轮机，其特征在于，来自于所述多个燃料回路(110)的燃料流增加，以响应电网内低频率电网频率偏差，以及来自于所述多个燃料回路的燃料流减小，以响应电网内过频率电网频率偏差。
6.如权利要求1所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述多个燃料回路(110)包括中央燃料回路，并且来自于所述中央燃料回路的燃料流独立调节。
7.如权利要求1所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述多个燃料回路(110)包括至少两个燃料回路组，并且来自于所述至少两个燃料回路组中的各个燃料回路组的燃料流独立调节。
8.一种用于产生电力的系统，所述系统包括：
在标准电网频率下操作的电网；以及
燃气涡轮机，包括：
压缩器(102)；
多个独立燃料回路；
与所述多个独立燃料回路和所述压缩器流体连通地连接的燃烧器(104)；
确定电网频率与标准电网频率数值的偏差的感测器(162)；
调节燃料流以响应电网频率偏差的控制器(166)，其中调节去往所述多个独立燃料回路的燃料流，同时保持来自于压缩器的大致恒定的空气流，以便控制燃料与压缩器排放压力比，在燃烧器响应电网频率偏差时，使得燃烧器状态在空气流中不滞后变化。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述燃烧器(104)具有通过测量所述燃气涡轮机的操作参数来保持的燃烧率，其中操作参数包括气体歧管燃料压力(212)、压缩器排出压力、压缩器排出温度及其组合中的至少一个。
10.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述控制器(166)通过一组规则预先编程，以便调节燃料流。
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