CN101493230B - 经由喷嘴当量比控制的燃烧贫油熄火保护 - Google Patents

经由喷嘴当量比控制的燃烧贫油熄火保护 Download PDF

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Abstract

本发明涉及经由喷嘴当量比控制的燃烧贫油熄火保护。具体而言，公开了一种用于使用燃料喷嘴当量比来控制燃气涡轮机燃烧器的方法和系统。测量燃烧器的至少一个燃料喷嘴(12)的当量比，该燃烧器具有安放在至少一个燃烧器筒(10)内的至少一个燃料喷嘴(14)。将所测的当量比与用于贫油熄火的阈值相比较。修改来自至少一个喷嘴(12)的燃料流，由此调整当量比以防止贫油熄火。

Description

经由喷嘴当量比控制的燃烧贫油熄火保护
技术领域
本发明涉及燃气涡轮机。更具体而言，本发明涉及燃气涡轮机的燃烧器的控制。
背景技术
典型的燃气涡轮机具有多个燃烧器，并且每个燃烧器均可包括多个筒(can)，这些筒又包括多个单独的喷嘴。根据燃烧器的运行条件，燃料/空气混合物可以不等的数量而被输送到各个喷嘴。这些数量的比俗称为燃料分流。为了控制燃烧动态特性以获得期望的负载和/或燃烧温度，并且为了控制例如NOx和CO2的排放，从而调节通向各个喷燃器管的燃料流动。为了最大限度地减少NOx的排放，常常期望以贫燃料混合物(燃料空气比很低)来运行涡轮机，但由于燃烧器中的燃料混合物为了最大限度地减少NOx的排放而变得越来越少时，增加了贫油熄火(LBO)的风险，尤其是在燃气涡轮机的一定运行条件下。LBO为一种现象，即燃烧室中的燃料相对于该室中的空气量不足，并且燃烧器不能点燃混合物。为了防止LBO，相对于作为燃烧器负载、压力、温度和相对湿度的函数的燃烧器强度(severity)参数来安排燃烧器水平的燃料空气比，该燃烧器水平的燃料空气比针对喷燃器管之间的燃料分流来调整。对于具体的强度参数值，规定燃烧器水平的燃料空气比，以防止LBO。当燃烧器处于运行范围的极端情形，尤其是寒冷天气和/或低负载时，这种防止LBO的方法产生保守的后果。此外，现有的方法是假定所有喷嘴都在运行，这在有些情形例如燃烧器的启动中不是这样。
发明内容
本发明通过提供一种用于利用燃料喷嘴当量比来控制燃气涡轮机燃烧器的方法和系统而解决了上述问题。测量燃烧器的至少一个燃料喷嘴的当量比，该燃烧器具有安放在至少一个燃烧器筒内的至少一个燃料喷嘴。将所测的当量比与用于贫油熄火的阈值相比较。修改来自至少一个喷嘴的燃料流动，由此调整当量比，以防止贫油熄火。
从以下结合附图的说明中将更加清楚这些和其它优点和特征。
附图说明
在说明书结尾部分处的权利要求中具体地指出和清楚地主张了视作本发明的主题。根据以下结合附图描述的说明书可使得本发明的上述和其它目的、特征和优点变得清楚，附图中：
图1是燃烧器筒的示意性截面视图；
图2是当量比对比强度参数的示意性曲线图；以及
图3是喷嘴水平的当量比对比强度参数的示意性曲线图。
所述说明书通过参考附图以示例的方式说明了本发明的实施例以及优点和特征。
具体实施方式
图1中示出了燃气涡轮机燃烧器筒10的截面。燃气涡轮机燃烧器(未示出)可包括一个或多个分布于整个燃烧器的筒10。筒10总体上呈环形形状。在图1中，筒10包括六个单独的喷嘴12，通过这些喷嘴，将燃料/空气混合物喷入到筒10中以便燃烧。本实施例的喷嘴12包括大致安放在筒10中心的PM1喷嘴14。两个PM2喷嘴16和三个PM3喷嘴18包含在筒10中，并且被共同排列成围绕PMI1喷嘴14。认识到的是，其它数量的喷嘴12，例如1个、14个或18个可用在本发明的燃烧器筒10中。图1的实施例采用六个喷嘴12，仅是用于显示目的的示例。
在20处示意性示出的歧管使燃料和空气相混合，并且调节通过喷嘴12的燃料空气混合物的流动。歧管20将燃料/空气混合物流分成单独的回路，使得燃料/空气混合物的体积不同，并且可向各组喷嘴即PM1喷嘴14、PM2喷嘴16和PM3喷嘴18提供不同的燃料/空气混合比。
用于燃烧器的当量比或phi(Φ)定义为实际燃料空气比(W燃料/W空气)与化学计量的燃料空气比(WS燃料/WS空气)的比。总体上，对于给定的燃烧条件如负载、压力、温度和相关湿度，Φ值越小，则燃料空气比越小，并且贫油熄火(LBO)的可能性越大。由于强度参数是负载、压力、温度和相对湿度的函数，故Φ可相对于强度参数来表示，如图2所示。得到的LBO线22允许相对于强度参数来安排Φ，以便对于燃烧器10得以运行的给定强度参数，规定最小的Φ以防止LBO。
当PM1喷嘴14、PM2喷嘴16和PM3喷嘴18的喷嘴组中不是所有都在运行时，为了在运行状态例如启动中防止LBO，针对特定的喷嘴组来确定LBO线22。在一个实施例中，通过安排PM1喷嘴14相对于强度参数的Φ(ΦPM1)和PM3相对于强度参数的Φ(ΦPM3)来提供对LBO的防止。对于PM1喷嘴14，ΦPM1是实际PM1燃料空气比(W燃料/W空气)PM1与化学计量的PM1燃料空气(WS燃料/WS空气)PM1的比。图3中示出了最小的ΦPM1相对于强度参数的示意性的PM1 LBO线24。类似地，相对于强度参数绘制最小的ΦPM3而建立了示意性的PM3 LBO线26。在此实施例中，控制ΦPM1和ΦPM3是控制足以使主火焰稳定并防止LBO的最少量的喷嘴12。在此实施例中，ΦPM1和ΦPM3的控制仅仅是一个示范性的示例，并且可认识到，对于为防止LBO而必须控制Φ的最少量的喷嘴12可变化并且取决于燃烧器构造，例如喷嘴12的数量或每个筒10的燃料回路的数量或运行条件。使用如所述那样防止LBO的喷嘴水平Φ在扩大的运行条件尤其是那些在低强度参数值的范围内，提供了精确的LBO防止方法，并且喷嘴水平Φ的计算是实时的，如果Φ达到阈值水平，则允许修正燃料流以防止LBO。
在运行中，在相应于机器运行条件的具体强度参数处，测定期望数量的喷嘴12的当量并且将其与阈值相比。该阈值相应于例如对于给定的强度参数而在用于PM1的线24上的Φ值。如果Φ降到阈值之下或附近，则可通过调整从歧管20通向其中的一个或多个喷嘴12的燃料流和/或燃料/空气混合物来实现对Φ的调节。
在某些实施例中，可期望修改PM1 LBO线24，以体现对燃烧器的性能例如不期望的动态特征(dynamic signature)具有其它有害影响的最小的ΦPM1。这在图3中被示为ΦPM1SIG。将PM1 LBO线24和ΦPM1SIG相结合，产生示为线28的最小的ΦPM1，该线28建立了用来防止LBO和不期望的动态特征的ΦPM1。在某些实施例中，可利用以下所述的调谐程序基于燃烧器与燃烧器来建立ΦPM1SIG，从而建立用于ΦPM1的精确的最小阈值。例如，燃烧器被加载到100％负载。然后，将通向PM3喷嘴18的燃料流调整成用以获得筒的动态特征，该动态特征在一些情形中可大约为2psi。之后PM1喷嘴14流在观察到动态特征中的变化之前减小至大约3-4psi。用于PM1喷嘴14的phi在出现变化的点处为ΦPM1SIG。通过示例示出了用以防止不期望的动态特征的喷嘴水平Φ的使用，并且可认识到，在已知的喷嘴水平Φ或喷嘴水平Φ范围处出现的其它有害影响可通过监控喷嘴水平Φ来预防，以防止有害的影响。
尽管仅结合有限数量的实施例详细地描述了本发明，但应易于理解的是，本发明不限于这种公开的实施例。相反而言，本发明可被更改以并入上面没有描述的、但与本发明的精神和范围相匹配的任何数量的变型、备选方案、替代或等效的装置。此外，尽管已描述了本发明的不同的实施例，但理解的是，本发明的各方面可仅包括所述实施例中的一些。因此，本发明不视作为由上述说明书限制，而是仅由附属权利要求的范围所限制。

Claims (20)

1.一种用于控制燃气涡轮机的燃烧器的方法，包括：
测量所述燃烧器的至少一个燃料喷嘴(12)的当量比，所述燃烧器包括安放在至少一个燃烧器筒(10)中的至少一个燃料喷嘴(12)；
将所述当量比与用于贫油熄火的阈值相比较；以及
修改来自所述至少一个燃料喷嘴(12)的燃料流，由此调整所述当量比以防止贫油熄火。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一个燃料喷嘴(12)包括大致安放在至少一个燃烧器筒(10)的中心处的至少一个中心燃料喷嘴(14)。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述至少一个燃料喷嘴(12)还包括围绕大致安放在至少一个燃烧器筒(10)的中心处的所述至少一个中心燃料喷嘴(14)的多个外部燃料喷嘴(16)。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，用于所述中心燃料喷嘴(14)的第一阈值不同于用于所述多个外部燃料喷嘴(16)的第二阈值。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过改变提供给所述至少一个燃料喷嘴(12)的燃料的燃料空气比来修改所述燃料流。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过歧管来改变所述燃料空气比。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括：
对于所述至少一个燃料喷嘴(12)建立为避免不期望的动态特征而必需的最小当量比；
将所述当量比与所述最小当量比相比较；以及
修改来自所述至少一个燃料喷嘴(12)的燃料流，由此调整所述当量比以防止所述不期望的动态特征。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述至少一个燃料喷嘴包括大致安放在至少一个燃烧器筒的中心处的至少一个中心燃料喷嘴。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述最小当量比是基于燃烧器与燃烧器来确定的。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，建立所述最小当量比包括：
将所述燃烧器加载到期望的负载水平；
调整来自所述至少一个燃料喷嘴(12)的燃料流，以产生所述动态特征的第一水平；
进一步调整来自所述至少一个燃料喷嘴(12)的所述燃料流，直到所述动态特征变化到不期望的水平；以及
在所述动态特征变化的点处测量所述当量比。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第一水平为大约2psi。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述不期望的水平为3-4psi。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述期望的水平为100％的负载。
14.一种用于控制燃气涡轮机的燃烧器的系统，包括：
用于测量所述燃烧器的至少一个燃料喷嘴(12)的当量比的装置，所述燃烧器包括安放在至少一个燃烧器筒(10)内的至少一个燃料喷嘴(12)；
用于将所述当量比与用于贫油熄火的阈值相比较的装置；以及
用于修改通向所述至少一个燃料喷嘴(12)的燃料流的歧管(20)，其调整所述当量比以防止贫油熄火。
15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述歧管通过改变提供给所述至少一个燃料喷嘴的燃料的燃料空气比来调节所述当量比。
16.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述系统包括：
对于所述至少一个燃料喷嘴(12)建立为避免不期望的动态特征而必需的最小当量比的装置；
其中，所述用于比较的装置将所述当量比与所述最小当量比相比较；以及
其中，所述歧管(20)调整所述当量比，以防止所述不期望的动态特征。
17.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，所述用于建立所述最小当量比的装置：
将所述燃烧器加载到期望的负载水平；
调整来自所述至少一个燃料喷嘴(12)的燃料流，以产生所述动态特征的第一水平；
进一步调节来自所述至少一个燃料喷嘴(12)的所述燃料流，直到所述动态特征变化到不期望的水平；以及
在所述动态特征变化的点处测量所述当量比。
18.根据权利要求17所述的系统，其特征在于，所述第一水平为大约2psi。
19.根据权利要求18所述的系统，其特征在于，所述不期望的水平为3-4psi。
20.根据权利要求17所述的系统，其特征在于，所述燃烧器被加载到100％的负载。
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