CN101424405A - 用于运行燃气涡轮发动机的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于运行燃气涡轮发动机的方法和系统,具体而言,提供了一种用于燃气涡轮发动机(10)的燃料输送系统(200)。该燃料输送系统包括分组成多个燃烧器组(20)的多个燃烧器(104)以及与多个燃烧器组的各组相关的燃料歧管。该燃料输送系统(500)也包括可操作地联接到各燃料歧管上的控制系统(500)。该控制系统配置成控制流经各燃料歧管的燃料,使得在第一运行模式期间,与第一燃料歧管(220)相关的燃烧器保持有扩散火焰和引燃预混合局部扩散火焰中的至少一种火焰,而与第二燃料歧管(222)相关的燃烧器保持有预混合火焰。

Description

用于运行燃气涡轮发动机的方法和系统
技术领域
本发明一般地涉及燃气涡轮发动机,更具体地是,涉及用于运行燃气涡轮发动机的方法和系统,使发动机在明显较低的负荷条件下运行,同时具有稳定的燃烧和较低的排放。
背景技术
燃气涡轮发动机典型地包括压缩机、一个或多个各具有燃料喷射系统的燃烧器以及涡轮部分。在具有多个燃烧器的发动机中,燃烧器典型地以环形阵列方式配置在发动机的周围,并且大多数燃烧器为了点火而典型地相互连接。压缩机提高进气口空气的压力,然后将空气导向燃烧器,在这里空气被用来冷却燃烧室的壁并为燃烧过程提供空气。在燃烧室内,压缩空气与燃料混合,并且该混合物被点火源点燃以产生高温燃烧气体。
虽然全负荷条件对于用来发电的陆基燃气涡轮机来讲是最普通的工作点,但是,电力需求常常并不需要发电机在全负荷下运行,并且操作者也想在更低的负荷环境下操作发动机,使得仅产生所要求的负荷,从而节省燃料费用。已经知道,现有技术的燃烧系统在较低负荷环境下会变得不稳定,同时也在这些较低负荷环境下产生无法接受的一氧化碳(CO)和氧化氮(NOX)浓度,尤其是在低于50%的负荷时。这主要归因于这种事实:大多数燃烧系统是分级的,以便在高负荷环境下最有效地运行,并因此在较低负荷环境下以较低的效率运行。而且,通过将空气和燃料在燃烧之前进行预混合,而不是通过扩散,也能获得较低的排放,因此,预混合通常使燃烧易于获得最低的NOX排放。然而即便采用不同的燃料分级方法,已知的燃气涡轮发动机仍然在调节(turn down)能力方面受到限制。
潜在地不稳定燃烧和较高排放的组合常常阻止发动机操作人员在较低负荷环境下操作发动机,迫使发动机不是运行在较高负荷环境下从而燃烧额外的燃料,就是关闭发动机并从而损失可由部分负荷要求所产生的宝贵的收入。关闭发动机所带来的深层次问题是发动机硬件所引起的附加循环。通常,将循环定义为发动机通过正常态运行范围,从而将发动机硬件暴露于随时间推移而使发动机磨损的完整压力循环和温度循环之中。发动机制造商典型地根据运转时间或等同的运转周期来设定硬件寿命。因而,引起的附加循环会降低硬件寿命,需要发动机操作人员付费来进行过早的维修或置换。
发明内容
在一个实施例中,一种燃气涡轮发动机中的燃料输送方法包括:将燃料按第一燃料进度表供应给第一燃烧器组,并在第一运行模式期间将燃料按第二燃料进度表供应给第二燃烧器组,其中,第一燃料进度表和第二燃料进度表不同,并在第二运行模式期间,将燃料按第二燃料进度表供应给第一和第二燃烧器组。
在又一个实施例中,一种用于燃气涡轮发动机的燃料输送系统包括:多个燃烧器,其分组为多个燃烧器组;与多个燃烧器组中的各燃烧器组相关的燃料歧管;各所述燃料歧管联接到相应的一个燃烧器组上;各所述燃料歧管配置成将燃料按预定的燃料进度表输送给相应的一个燃烧器组;及可操作地联接到各所述燃料歧管上的控制系统;所述控制系统配置成控制流经各所述燃料歧管的燃料,使得在第一运行模式期间,与第一燃料歧管相关的燃烧器保持有扩散火焰和引燃(piloted)预混合局部扩散火焰中的至少一种火焰,而与第二燃料歧管相关的燃烧器保持有预混合火焰。
在另一个实施例中,燃气涡轮发动机组件包括第一燃烧器组、第二燃烧器组和燃料输送系统,该燃料输送系统包括联接到相关燃烧器组上的燃料歧管,其中第一燃料歧管联接到第一燃烧器组上,第二燃料歧管联接到第二燃烧器组上。所述燃料输送系统配置成控制流经各燃料歧管的燃料,使得在第一运行模式期间,与第一燃料歧管相关的燃烧器保持有扩散火焰和引燃预混合局部扩散火焰中的至少一种火焰,而与第二燃料歧管相关的燃烧器保持有预混合火焰。
附图说明
图1为根据本发明示例性实施例的燃气涡轮发动机的示意图;
图2为可用于图1所示的燃气涡轮发动机的燃烧器的横断面示意图;
图3为可用于图1所示的燃气涡轮发动机的示例性燃料输送系统的简化方块图;
图4为可用于图1所示的燃气涡轮发动机的另一示例性燃料输送系统的简化图;以及
图5为示例性控制系统,其可用于运行和/或控制图3所示的示例性燃料输送系统。
部件列表:
 
10 燃气涡轮发动机
20 燃烧器部分
22 燃料喷嘴组件
100 冷却发动机或燃气涡轮发动机
102 压缩机组件
104 燃烧器组件
108 涡轮组件
110 压缩机/涡轮轴或转子
112 扩散器
114 压缩机排气增压室
120 端盖
 
122 燃料喷嘴组件
124 燃烧器壳
126 燃烧器衬垫
128 燃烧室
129 燃烧室冷却通道
130 过渡部分或过渡件
132 涡轮喷嘴
134 外壁开口
136 外壁
138 过渡件环形通道
140 内壁
142 过渡件导向腔
144 燃料喷嘴凸缘
200 燃料输送系统
210 燃料泵
220 第一燃料歧管
222 第二燃料歧管
230 燃料吸入管路
231 燃料源
232 排出管路
240 第一分级阀
242 第二分级阀
300 发动机控制系统
426 第三燃料歧管
446 第三分级阀
500 控制系统
502 发动机数据传感器
 
510 控制接口部分
512 计算机
514 键盘
516 相联的监视器
518 设备
520 计算机可读介质
具体实施方式
下面的具体实施方式示例性地而非限制性地说明了本发明的内容。该具体实施方式清楚地使所属技术领域的技术人员能够获得和使用本发明的公开内容,其描述了若干实施例、各种修改、各种变化、备选方案以及对本发明内容的使用,包括目前所认为的实施本发明内容的最佳方式。本发明的内容被描述为应用于优选实施例,即燃气涡轮发动机中输送燃料的方法。然而,可以预期的是,本发明的内容除了可将燃料输送给具有燃烧器的设备之外,还可一般地应用到具有其它燃烧装置的设备,例如但不限于:炉、锅炉、窑以及焚烧炉。
图1为示例性燃气涡轮发动机100的示意图。发动机100包括压缩机102和多个罐状环形燃烧器104。发动机100也包括涡轮108和公用压缩机/涡轮轴110(有时指转子110)。
在运行中,空气流过压缩机102且压缩空气供应到燃烧器104。在燃烧器104内,燃料被引向燃烧区域,其中燃料和空气混合并被点燃。生成燃烧气体并将其引向涡轮108,其中气流热能被转化为机械转动能。涡轮108可旋转地联接到轴110上并驱动轴110。
图2为燃烧器104的横断面示意图。燃烧器组件104与涡轮组件108以及压缩机组件102以流动连通的形式联接。压缩机组件102包括彼此以流动连通的形式联接的扩散器112和压缩机排气增压室114。
在该示例性实施例中,燃烧器组件104包括为多个燃料喷嘴122提供结构性支持的端盖120。端盖120联接到具有保持硬件(retentionhardware)(图2中未示出)的燃烧器壳124。燃烧器衬垫126置于燃烧器壳124之内并联接在燃烧器壳124上,使得衬垫126限定燃烧室128。环形燃烧室冷却通道129在燃烧器壳124和燃烧器衬垫126之间延伸。
过渡部分或过渡件130联接到燃烧器壳124上以便于将在燃烧室128内产生的燃烧气体引向涡轮喷嘴132。在示例性实施例中,过渡件130包括形成在外壁136中的多个开口134。过渡件130也包括限定在内壁140和外壁136之间的环形通道138。内壁140限定导向腔142。
在运行中,涡轮组件108通过轴110(图1所示)驱动压缩机组件102。当压缩机组件102旋转时,压缩空气被排入扩散器112,如相关的箭头所示。在示例性实施例中,自压缩机组件102所排出的大部分空气通过压缩机排气增压室被引向燃烧器组件104,并且小部分压缩空气可被引导以用来冷却发动机100的构件。更具体地是,增压室114内的增压压缩空气通过外壁开口134引入过渡件130并进入通道138。然后,空气自过渡件环形通道138引入燃烧室冷却通道129。空气自通道129排出并引入燃料喷嘴122。
燃料和空气在燃烧室128内混合并点燃。壳124使燃烧室128及其相关的燃烧过程与外部环境(例如,周围的涡轮部件)的隔离更加容易。所产生的燃烧气体从燃烧室128通过过渡件导向腔142被引向涡轮喷嘴132。在示例性实施例中,燃料喷嘴组件122通过燃料喷嘴凸缘144联接到端盖120上。
图3是示例性燃料输送系统200的简化方块图,该燃料输送系统200可用于图1和2所示的燃气涡轮发动机。图4为可用于图1和2所示的燃气涡轮发动机的另一示例性燃料输送系统200的简化方块图。在图3所示的示例性实施例中,燃气涡轮发动机10包括十八个燃烧器部分20,该十八个燃烧器部分20在实施例中形成环形环。在别的实施例中,使用其它数目的燃烧部分20,例如十四个。在示例性实施例中,各燃烧器部分20包括至少一个燃料喷嘴组件22。
燃料喷嘴组件22周向地定位于接近燃烧器部分20的发动机10的外围附近。具体地是,燃烧器部分20围绕燃气涡轮发动机的内周边形成环形环,并且同样地,燃料喷嘴组件以及燃料歧管也周向地环绕燃气涡轮发动机10形成环形环。
尽管示例性实施例图示了包括十八个燃烧器部分20和十八个燃料喷嘴组件22的燃气涡轮发动机10,但应意识到,燃料系统200可用于包括n个燃烧器部分和n*x个燃料喷嘴22的燃气涡轮发动机,其中n≥2且x≥1。例如,燃气涡轮发动机可包括n=18个燃烧器,而且,如果x=1,发动机10包括18个燃料喷嘴,即每个燃烧器一个燃料喷嘴。可选择地是,如果x=2,发动机10包括36个燃料喷嘴,即每个燃烧器两个燃料喷嘴,如此等等。另外,在燃烧室级别上,燃烧室内的喷嘴可进一步通过内部歧管或外部歧管分成亚群(sub-group),并且在阵列级别上具有外部歧管,使得给定的喷嘴亚群在阵列级别或阵列子集级别上具有共同的供应。
燃料输送系统200包括燃料泵210,该燃料泵210配置成接收来自燃料供给(未示出)的燃料。燃料泵210用来将燃料输送给至少第一燃料歧管220和第二燃料歧管222。第一和第二燃料歧管220和222都被进行测量和尺寸设置,以在燃料输送系统内200获得适合输送给燃气涡轮发动机的燃料量的压力比。第一和第二歧管220和222自身可为多个子歧管的集合体,其中第一和第二布置都包括歧管,以在燃烧室级别上独立地供给和控制喷嘴亚群。如图4所示,燃料输送系统200的备选实施例包括第三燃料歧管426,该歧管426配置成将燃料供应到第三组燃烧器部分20。
具体地是,燃料输送系统200包括燃料吸入管路230和排出管路232,该燃料吸入管路230自燃料源231向燃料泵210的入口延伸,而排出管路232自燃料泵210的排出侧向第一和第二燃料歧管220和222中的每一个延伸。在示例性实施例中,第一分级阀240置于泵210和第一歧管220之间的排出管路232上,而第二分级阀242置于泵210和第二歧管222之间的排出管路232上。在图4所示的实施例中,第三分级阀446置于泵210和第三歧管426之间的排出管路232上。
虽然图3所示的实施例将燃料输送系统200示出为包括两个歧管220和222,但是应该认识到,燃料输送系统200可具有三个或更多个燃料歧管。例如,图3示出了第一歧管220将燃料输送给九个燃烧器部分20,而第二歧管222也将燃油输送给九个燃烧器部分20。然而,燃料输送系统可包括三个歧管,其中,各歧管将燃料输送到六个燃烧器部分,如图4所示。在示例性实施例中,燃烧器阵列可包括多个燃烧器罐子集,其中,各子集可包括多个喷嘴亚群。另外,各歧管所提供的间隔和罐的数目可根据空气动力学和别的系统考虑而变化。
图5为可用来运行和/或控制图3所示的示例性燃料输送系统200的示例性控制系统500。控制系统500可包括电子控制单元(ECU)或者发动机监测单元(EMU),例如全权限数字发动机控制(FADEC),或者现代数字发动机控制(MDEC)。在备选实施例中,发动机控制系统300包括配置用于发送和/或接收来自燃气涡轮发动机10的信号以便于控制和/或监测燃料输送系统200的任何发动机控制器。具体地是,如此处所使用的,ECU可以是任何驻留在发动机上面或周围的电子装置,并包括处理器、软件和固件中的至少一个和/或编程以控制和/或监测燃料输送系统200的硬件。
提供了多个发动机数据传感器502来检测与燃气涡轮发动机10运行相关的所选择的数据参数。这种数据参数可包括但不限于,周围空气温度以及发动机参数,该发动机参数例如是排气温度、油温、发动机燃料流、燃气涡轮发动机转速、压缩机排出压力、涡轮排气压力,和/或多个自燃气涡轮发动机10接收的其它信号。
控制系统500包括控制接口部分510,该接口部分510对自上述发动机传感器所接收的数据进行取样,并在所选的发动机运行条件期间,将控制信号输出到第一和第二分级阀240、242中的每一个分级阀上。在使用了多于两个的分级阀的实施例中,例如图4,接口部分510也控制各自的阀,例如阀446。
更具体地是,控制接口部分510将自发动机传感器所接收的数据转换成数字信号用于后续的处理。计算机512自控制接口部分510接收取样和数字化的传感器数据,并执行高速数据分析。计算机512也可接收操作者通过键盘514发出的命令。相联的监视器516,例如但不限于,液晶显示(LCD)和/或阴极射线管,允许操作者观察自计算机512所接收的数据。计算机512使用操作者所提供的命令和参数来提供控制信号和信息,从而控制接口部分510。
在一个实施例中,计算机512包括装置518,例如软盘驱动器、CD-ROM驱动器、DVD驱动器、磁光盘(MOD)驱动器,和/或包括网络连接装置的任何其它数字装置,该网络连接装置例如是用来自计算机可读介质520—例如是软盘、CD-ROM、DVD或别的例如是网络或因特网的其它数字源—读取指令和/或数据的以太网设备,以及仍在研制的数字设备。在另一实施例中,计算机512执行存储在固件(未示出)中的指令。计算机512被编程以执行此处所描述的功能,并如此处所使用的,用语计算机并不正好限于那些通常已知为计算机的集成电路,而广泛地指计算机、处理器、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器、应用特定集成电路以及其它可编程电路,并且这些用语在这里可互换地使用。
在运行中,燃料输送系统200能够在所有的运行状况期间将燃料输送给燃气涡轮发动机10。具体地是,控制系统500配置成在第一运行模式下开启和调节阀240和242。在备选实施例中,控制系统500被配置成在第一运行模式期间控制和调节分级阀240和242,并且对与分级阀240和242相关的燃烧器的调节和控制被控制在下游,比如在与分级阀240和242相关的各燃烧器或各燃烧器组的控制歧管(未示出)处。例如,在发动机初始启动模式或低功率运转模式期间,计算机512可编程以开启第一分级阀240和调节第二分级阀242,使得与第一分级阀240相关的燃烧器组在第一火焰模式下运行,例如预混合模式,并且与第二分级阀242相关的燃烧器组在第二火焰模式下运行,例如扩散火焰和/或引燃预混合局部扩散火焰。在第一运行模式下,燃料经由泵210供应,通过第一分级阀240、第一歧管220并进入多个燃烧器部分20。如图3和4所示,在此运行模式下,用于预混合运行的燃料仅供给燃烧器部分20的一部分,而用于扩散运行或引燃预混合局部扩散运行的燃料供给剩余的燃烧器部分。就是说,在预混合模式下运行的燃烧器部分插入在运行在扩散火焰或引燃预混合局部扩散火焰模式下的燃烧器部分之间。更具体地是,在第一运行模式下,接收用于预混合运行的燃料的各燃烧器部分布置成与接收用于扩散火焰或引燃预混合局部扩散火焰的燃料的燃烧器部分邻接。阵列子集的给定间隔和布置由所期望的功率级别和对涡轮部分的空气动力学考虑所决定。在混合火焰模式下的运行,例如是预混合火焰模式和扩散火焰或引燃预混合局部扩散火焰模式,同时地允许发动机10以相对较低的功率输出水平和较低的排放水平运转,该功率输出水平低于在预混合运行模式下使用所有燃烧器可能会具有的输出功率,而该排放水平低于在扩散模式下运行所有燃烧器可能会具有的排放。另外,即便是运行在分散火焰或引燃预混合局部扩散火焰模式下的单个燃烧器可排放出比运行在预混合模式下的燃烧器相对更高的NOx,但排气烟囱内来自所有燃烧器的混合排气也保持在许可的极限内,而且允许在较低的负荷和燃料使用水平下运行。
在第二运行模式下,控制系统500配置成开启或调节第二分级阀242,使得燃料经由泵210供应,通过第二分级阀242、第二歧管222,并进入剩余燃烧器部分。在备选实施例中,控制系统500配置成在第二运行模式期间开启第二分级阀,并且对与第二分级阀242相关的燃烧器的调节和控制被控制在下游,例如,在与第二分级阀242相关的各燃烧器或燃烧器组的控制歧管(未示出)处。例如,在第二运行模式期间,燃料输送系统200允许额外的燃料流向剩余燃烧器部分20,从而过渡到预混合火焰下运行,以增加燃气涡轮发动机10的输出功率。因此,在第二运行模式中,第一和第二歧管都将燃料供应到所有的燃烧部分,并且所有的燃烧器都运行在预混合火焰模式下。在这种运行模式中,燃料输送系统200建立了到燃烧系统的两个独立受控的、并行的燃料供给。更具体地是,在基本负荷或高水平的部分负荷期间,基于现有的控制曲线或燃料进度表完全一致地对两个系统进行控制。
在第三运行模式下,此处指功率“调节”模式,当希望燃气涡轮发动机的输出功率减少时,适当的燃料通路过渡到扩散火焰,或者引燃预混合局部扩散火焰燃料流过渡到所选的燃烧器罐组。在此实施例中,调节第一分级阀240或第二分级阀242,使得仅在一半燃烧器部分20中使用预混合火焰运行。
这里所描述的为示例性燃料输送系统,该燃料输送系统配置成为可选的燃烧器组选择扩散火焰运行模式或引燃预混合局部扩散火焰运行模式,并在所选运行状态期间调节燃料流以减少排放。该示例性燃料输送系统也配置成对燃气涡轮发动机的功率调节操作进行优化,允许终端用户有更有利的操作,同时也减少排放。另外,该燃料输送系统改善了燃气涡轮机在最大负荷或负荷跟踪应用中的鲁棒性,例如,运行在最小的调节条件下,而不是引起有破坏性的停机/启动循环。
对于以罐状定位的燃烧系统,在燃气涡轮发动机的全运行工况下,包括低部分负荷状况,该系统具有火焰稳定性和低排放的好处。系统能够在较低负荷条件下有效地运转,从而消除当不需要高负荷运转时的燃料浪费,或者消除停机时在发动机硬件上所引发的附加周期。该示例性燃料输送系统也使得与当前可能的功率调节水平相比显著地更低的功率调节水平成为可能。
例如,在基准负荷或高水平的部分负荷期间,基于现有控制曲线和/或燃料进度表,对第一歧管和第二歧管进行完全一致地控制。当命令最小的功率调节时,将通往所选燃烧罐组的适当的燃料线路过渡到扩散火焰模式或部分扩散火焰模式,例如,引燃预混合模式。同样,功率的减少并不需要一个燃烧器组内的燃烧温度也减少,然而,对于运行在扩散火焰模式或引燃模式下的每一个燃烧器,所预期的增加排放,结合来自仍运行在预混合模式下的燃烧器的排放,使得总排放保持在许可的范围内。因此,对系统的排放输出不具有负面影响,而且,明显低得多的调节水平将是便于管理的。
尽管已经按照各种特定的实施例描述了本发明,但应意识到,在权利要求的精神和范围内可以通过改变来实施本公开。

Claims (10)

1.一种用于燃气涡轮发动机(10)的燃料输送系统(200),所述燃料输送系统包括:
多个燃烧器(104),其分组成多个燃烧器组(20);
燃料歧管(220,222,426),其与多个燃烧器组的各组相关,各所述燃料歧管被连接到燃烧器组的相应一组之上,各所述燃料歧管配置成将燃料以预定燃料进度表输送给燃烧器组中的相应一个燃烧器组;以及
控制系统(500),其可操作地联接到各所述燃料歧管之上,所述控制系统配置成控制流经各所述燃料歧管的燃料,使得在第一运行模式期间,与第一燃料歧管(220)相关的燃烧器保持有扩散火焰和引燃预混合局部扩散火焰中的至少一种火焰,而与第二燃料歧管(222)相关的燃烧器保持有预混合火焰。
2.根据权利要求1所述的系统(200),其特征在于,所述控制系统(500)还配置成控制流经所有所述燃料歧管(220,222,426)的燃料,使得所述多个燃烧器(104)在第二运行模式期间保持有预混合火焰。
3.根据权利要求1所述的系统(200),其特征在于,所述控制系统(500)还配置成在第一运行模式期间使用第一燃料进度表调节第一燃料歧管(220),并使用第二燃料进度表调节第二燃料歧管(222)。
4.根据权利要求1所述的系统(200),其特征在于,所述控制系统(500)还配置成在第二运行模式期间使用第二燃料进度表调节与多个燃烧器组(20)的各组相关的燃料歧管(220,222,426)。
5.根据权利要求1所述的系统(200),其特征在于,所述控制系统(500)还配置成在相对高的燃气涡轮发动机负荷条件期间使用预混合火焰运行所有的燃烧器(20)。
6.根据权利要求1所述的系统(200),其特征在于,所述控制系统(500)还配置成在相对低的燃气涡轮发动机负荷条件期间使用扩散火焰和引燃预混合局部扩散火焰中的至少一种火焰运行至少一个燃烧器组(20)。
7.根据权利要求1所述的系统(200),其特征在于,所述多个燃烧器(104)绕燃气涡轮发动机(10)的纵向轴线环状地隔开。
8.根据权利要求1所述的系统(200),其特征在于,来自多个燃烧器组(20)中的一个燃烧器组的燃烧器(104)被插入来自多个燃烧器组中的另一个燃烧器组的燃烧器之间。
9.一种燃气涡轮发动机组件(10),包括:
第一燃烧器组(20);
第二燃烧器组;和
包括联接到相关燃烧器组上的燃料歧管的燃料输送系统(200),其特征在于,第一燃料歧管(220)联接到所述第一燃烧器组上,而第二燃料歧管(222)联接到所述第二燃烧器组上,所述燃料输送系统配置成控制流经各所述燃料歧管的燃料,使得在第一运行模式期间,与第一燃料歧管相关的燃烧器保持有扩散火焰和引燃预混合局部扩散火焰中的至少一种火焰,而与第二燃料歧管相关的燃烧器保持有预混合火焰。
10.根据权利要求9所述的燃气涡轮发动机组件(10),其特征在于,所述燃料输送系统(200)配置成控制流经各所述燃料歧管的燃料,使得在第二运行模式期间,与第一燃料歧管(220)相关的燃烧器(20)以及与第二燃料歧管(222)相关的燃烧器保持有预混合火焰。
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