CN101539056A - 用于操作燃气涡轮发动机系统的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于操作燃气涡轮发动机系统的方法和设备。具体而言，提供了一种燃气涡轮发动机系统(10)，其包括构造成给负载提供电能的发电机(24)、燃气涡轮发动机以及燃料控制系统(28)。燃料控制系统包括处理器和多个传感器(26)。处理器编程为用以接收来自指示燃料组成的多个传感器中的至少一个传感器的信号，使用流动模型及至少一个信号来确定到流量控制装置的进口(20)处的燃料的物理特性，使用所确定的物理特性确定对气体燃料流量增益的相应的修正，并使用所确定的流量增益自动地控制燃烧器中的燃料喷射点之间的燃料输送及燃料分流，以便允许在用于燃气涡轮发动机的燃料组成方面的相对较大的变化。

Description

用于操作燃气涡轮发动机系统的方法和设备

技术领域

本发明大体涉及燃气涡轮发动机，更详细地讲，涉及用于控制燃气涡轮发动机操作的方法和设备。

背景技术

燃气涡轮发动机通常包括压缩机段、燃烧器段及至少一个涡轮段。压缩机对空气进行压缩，空气与燃料混合并被导向燃烧器。混合物然后被点燃，并产生高温的燃烧气体。燃烧气体被导向涡轮，涡轮从燃烧气体中提取能量，用于给压缩机提供动力，并产生有用功，以便给负载如发电机提供动力或推动飞行中的飞行器。

燃气涡轮发动机可在多种不同的操作条件下操作，且燃烧器的性能便于发动机在宽范围的发动机操作条件下操作。控制燃烧器的性能可用来改善整体燃气涡轮发动机的操作。更具体地讲，允许气体燃料组成如热值和比重有更大的变化，而同时保持NOx排放物及燃烧动态特性水平处于预定的限度之内。配备有干燥的低NOx(DLN)的燃烧系统的燃气轮机通常利用包括多喷嘴、预混合式燃烧器的燃料输送系统。DLN燃烧器结构利用贫化预混合式燃烧在不使用稀释剂如水或蒸汽的情况下获得低NOx的排放物。贫化预混合式燃烧涉及使燃料与空气在燃烧器火焰区上游预先混合，并在接近燃料的贫化可燃性极限的情况下操作，以保持较低的峰值火焰温度及NOx生成。为了应对贫化预混合式燃烧固有的稳定性问题及在整个燃气轮机操作范围内形成的较宽的燃料-空气比范围，DLN燃烧器通常在各燃烧室中具有多个燃料喷嘴，该燃料喷嘴单独地或以分组的方式被供以燃料。燃气轮机的燃料系统具有单独受控的输送回路，以便供应各室中的各组喷嘴。控制系统在整个涡轮的操作范围内改变通向各回路的燃料流(燃料分流)，以便保持火焰的稳定性、低排放及可接受的燃烧器寿命。通向各喷嘴分组的燃料流通过气体控制阀(GCV)进行控制。燃料分流用来在有效的GCV之间分配总的燃料命令(燃料冲程基准)，并将所得到的GCV燃料流量百分比命令转换成阀的位置，以便获得所需的通向喷嘴分组的燃料流量。

为了将GCV流量百分比命令转换成阀的位置，可根据阀的流量系数C_g确定气体燃料系统的流量增益。使用已知的阀流量特性将阀的流量系数转换成阀的位置。这允许使用具有不同流量的多个阀。流量增益(也称作GCV流量标量)基于在最大的燃料流量操作条件期间的最大所需的C_g。

用来计算流量增益的输入与燃料组分有关，并且该流量转换技术的应用限于具有比较恒定的燃料特性的应用场合。使用流量增益的传统的方法假定燃料的特性在整个加载范围内保持恒定，然而情况并非总是如此。因此，在对燃料特性中的变化不进行修正的情况下，流量增益将不能正确地在整个加载范围内使流量命令线性化。当燃料特性发生显著变化时，例如在燃料输送的过程中或在燃料温度发生巨大变化后，这可导致不希望有的偏移非线性，并且可引起负载瞬变。

先前的技术使用了对流量增益的偏置，其中实际的气体温度与设计的气体温度的差值用来使流量增益偏置，然而，这种类型的修正通常要考虑燃料的温度，并且假设燃料组成相对恒定。然而，当使用功率增强系统如燃料增湿系统时，燃料物理特性的变化幅度显著，因而需要一种新技术来精确地计算修正的流量增益。

发明内容

在一个实施例中，燃气涡轮发动机系统包括构造成用以给负载提供电能的发电机、燃气涡轮发动机以及燃料控制系统，其中燃气涡轮发动机包括至少一个燃烧器，该燃烧器又包括多个燃料喷射点，这些燃料喷射点构造成用以接收来自多个相应的流量控制装置的燃料流。燃料控制系统包括处理器和多个传感器，其中传感器定位在燃气涡轮发动机系统周围，并构造成用以测量与传感器相关联的至少一个参数。处理器编程为用以接收来自指示燃料组成的多个传感器中的至少一个传感器的信号，使用流动模型及该至少一个信号来确定在通向流量控制装置的进口处的燃料的物理特性，使用所确定的物理特性来确定对气体燃料流量增益的相应的修正，并使用已调整的流量增益自动地控制燃烧器上的燃料喷射点之间的燃料输送以及燃料分流，以便允许用于燃气涡轮发动机的燃料组成有相对较大的变化。

在另一个实施例中，操作燃气涡轮发动机的方法包括接收指示燃料组成的信号，使用流动模型及燃料组成信号来确定通向至少一个流量控制装置的进口处的燃料的物理特性，使用所确定的物理特性来确定对气体燃料流量增益的相应的修正，并使用已调整的流量增益自动地控制燃烧器上的燃料喷射点之间的燃料输送以及燃料分流。

在又一个实施例中，燃料控制系统包括：构造成用以容许燃料流进入燃料控制系统中的燃料进口；经由第一管道构件与燃料进口流动连通地相联接的燃料增湿器；至少一个流量控制装置，其构造成用以调节通向燃料控制系统负载中的一个或多个喷射点的流量；经由第二管道构件与燃料增湿器流动连通地相联接的至少一个流量控制装置；多个传感器，其定位在流量控制系统周围并被构造成用以测量与传感器相关联的至少一个参数；以及处理器。处理器编程为用以接收来自指示燃料组成的多个传感器中的至少一个传感器的信号，使用流动模型及该至少一个信号来确定在通向流量控制装置的进口处的燃料的物理特性，使用所确定的物理特性来确定对气体燃料流量增益的相应的修正，并使用已调整的流量增益自动地控制燃烧器中的燃料喷射点之间的燃料输送以及燃料分流，以便允许在用于燃气涡轮发动机的燃料组成方面的相对较大的变化。

附图说明

图1是基于本发明实施例的燃气涡轮发动机系统的示意图；

图2是可与显示在图1中的系统一起使用的示范性的燃料系统流动网络的示意图；以及

图3是基于本发明实施例的操作燃气涡轮发动机的示范性方法的流程图。

具体实施方式

尽管本文从用于工业环境中的燃气涡轮发动机的角度对方法和设备进行了描述，但是可以想到，本文所描述的方法和设备可在其它燃气涡轮系统的应用场合(包括但不限于安装在飞行器中的涡轮)中得到应用。另外，本文所阐述的原理和教导内容也适用于使用多种可燃性燃料例如但不限于天然气、液化天然气、汽油、柴油、柴油机燃料及喷气燃料的燃气涡轮发动机。因此，本文以下的描述仅以说明性的方式而不是以限制性的方式进行阐述。

图1是燃气涡轮发动机系统10的示意图，燃气涡轮发动机系统10包括压缩机12、燃烧器14、驱动地联接到压缩机12上的涡轮16，以及控制系统18。进口管道20将环境空气导入压缩机。在一个实施例中，喷射的水和/或其它调湿剂也经由进口管道20导入压缩机中。进口管道20可具有管道、过滤件、滤网和吸音装置，这些构件可导致经由进口管道20流入压缩机12的一个或多个进口导叶21中的环境空气产生压力损失。排气管道22引导燃烧气体从涡轮16的出口经过例如排放控制装置及吸音装置。排气管道22可包括对涡轮16施加背压的吸音材料及排放控制装置。由于管道20、22附加构件，以及由于灰尘及污物堵塞进口管道和排气管道，故进口压力损失及背压的大小可随着时间的推移而变化。涡轮16可驱动产生电力的发电机24。至压缩机12的进口损失及涡轮排气压力损失倾向于为经过燃气轮机的修正流量的函数。另外，进口损失及涡轮背压的大小可随着经过燃气轮机的流率而变化。

燃气涡轮发动机系统10的操作可通过若干传感器26进行监控，其中传感器26可检测涡轮16、发电机24及周围环境的各种状态。例如，温度传感器26可监控围绕燃气涡轮发动机系统10的环境温度、压缩机排气温度、涡轮排气温度以及穿过燃气涡轮发动机的气流的其它温度测量值。压力传感器26可监控环境压力、压缩机进口及出口、涡轮排气、穿过燃气轮机的气流中的其它位置处的静压力和动压力水平。湿度传感器26如湿球温度计和干球温度计可测量压缩机进口管道中的环境湿度。传感器26还可包括流量传感器、速度传感器、火焰检测传感器、阀位置传感器、导叶角度传感器以及感测与燃气涡轮发动机系统10的操作相关的各种参数的其它传感器。如本文所用，″参数″是指其值可用来确定燃气涡轮发动机系统10的操作状况的物理特性，例如在限定位置处的温度、压力和气体流量。

燃料控制系统28调节从燃料源流向燃烧器14的燃料，并调节流入位于燃烧器周围的各个燃料喷嘴中的燃料之间的分流。燃料控制系统28还选择用于燃烧器的燃料的类型。燃料控制系统28可以是单独的单元或者是控制系统18的组件。燃料控制系统28还可以产生并执行确定流向燃料喷嘴分组的燃料部分的燃料分流命令。

控制系统18可以是具有处理器的计算机系统，其中处理器使用传感器的输入及来自人工操作员的指令执行程序，以便控制燃气轮机的操作。由控制器18执行的程序可包括用于调节通向压缩机14的燃料流的调度算法。由控制器产生的命令可致使燃气轮机上的执行器对例如位于燃料源和调节流量的燃烧器之间的阀(执行器32)、燃料分流及流向燃烧器的燃料的类型进行调整；对压缩机上的进口导叶21(执行器30)进行调整，并启动燃气轮机上的其它控制设置。

控制系统18部分地基于存储在控制器的计算机存储器中的算法对燃气轮机进行调节。这些算法使控制系统18能够将涡轮排气中的NOx和CO排放物保持在特定的预定排放限度内，并且能够将燃烧器着火温度保持在预定的温度限度内。算法具有用于参数变量的输入，这些参数变量用于当前的压缩机压力比、环境比湿度、进口压力损失及涡轮排气背压。由于算法所用的输入中的参数的原因，控制系统18适应在环境温度和湿度方面的季节性变化以及在经由燃气轮机的进口20的进口压力损失和排气管道22处的排气背压方面的改变。用于环境状况的输入参数及进口压力损失和排气背压使NOx、CO及在控制系统18中执行的涡轮着火算法能够自动地补偿在燃气轮机操作方面的季节性变化以及在进口损失和背压方面的改变。因此，可减少操作员为了考虑环境状况的季节性变化及进口压力损失或涡轮排气背压的改变而对燃气轮机进行手动调整的需要。

燃烧器14可以是DLN燃烧系统。控制系统18可被编程并修改为用以控制DLN燃烧系统和用于确定燃料分流。

由控制系统18执行的程序和算法可适应环境条件(温度、湿度、进口压力损失和排气背压)的变化，这些环境条件在部分负载的燃气轮机的操作状况下影响NOx、燃烧器的动态特性及着火温度限度。控制系统18同时调度排气温度和燃烧器的燃料分流。控制系统18应用用于调度燃气轮机的算法如设定所需的涡轮排气温度和燃烧器的燃料分流，以便在符合燃气轮机操作界限的同时满足性能目标。控制系统18在部分负载操作的过程中同时确定燃烧器温度上升及NOx的水平，以便提高相对于燃烧动态特性界限的裕度，并由此改善燃气轮机的操作性、可靠性及可用性。

燃烧器的燃料分流由控制系统18进行调度，以便保持所需的燃烧模式，并同时观察其它操作性界限如燃烧的动态特性。在给定的负载水平上，循环匹配点及燃烧器燃料分流影响所产生的NOx排放物。在部分负载操作的过程中同时使NOx和燃烧器的温度升高同等水平可使得燃烧动态特性水平降低到最低程度，并扩展燃气轮机的操作局限性，同时对排放符合性或零件寿命并无不良影响。

燃烧器14包括供应各燃烧器中的两个或多个喷射器组的多个燃料控制阀，以允许相对于机器负载来调节操作模式、排放及燃烧动态特性水平。通过调节若干燃料气体控制阀之间的燃料分流，使排放及动态特性在机器负载范围内得到优化。燃料分流调节取决于称作燃烧基准温度的所计算的基准参数，其是机器排气温度及其它连续地受监控的机器参数的函数。

本文所描述的发明的实施例限定了一种用以操控通向燃烧系统的燃料流的方法和控制系统，其中燃烧系统处于例如燃料组成和热值变化的联合循环电厂中。一种当燃料特性显著变化时允许平滑过渡的控制燃料流的方法用来最大限度地降低对电网的干扰，并使排气管的排放保持在预定的限度内。燃料增湿系统用来改善电厂的总体的联合循环性能。一种补偿由于燃料调湿而引起燃料组成变化的方法用来在增湿系统发生故障的条件下以及在联合电厂正常启动和加载操作期间便于燃烧系统的操作。在燃料组成和/或热值方面较大的变化可产生燃烧器火焰稳定性问题如火焰减弱或温度过高，并可导致发电单元脱扣。

嵌入式流动模型用来确定适当的用于调整燃料系统流量增益的定时，因为用来测量燃料组成及含湿量的装置通常仅在气体控制阀的上游才可很好地利用。

图2是基于本发明实施例的示范性燃料系统流动网络200的示意图。在示范性的实施例中，所关注的控制体202包括第一进口流束204、第二进口流束206以及供给一个或多个气体控制阀210的单股出口流束208。进口燃料集管212包括流量孔口214和温度传感器216。集管212经由第一支管222供应塔进口控制阀218和燃料增湿塔220，并经由第二支管226供应塔旁路控制阀224。第一进口流束204分别包括压力传感器228和温度传感器230。第一进口流束204和第二进口流束206在公共的燃料集管232处相结合。在示范性的实施例中，公共的燃料集管232以顺序流动的关系包括压力传感器234、温度传感器236、性能加热器238、温度传感器240、洗涤器242、过滤器244、压力传感器246及温度传感器248。出口燃料集管250包括辅助截止阀252、安全泄放阀254、压力传感器256和一个或多个气体控制阀210。

为了精确地控制对燃烧系统的燃料输送，应当了解主要燃料控制元件如气体控制阀210处的燃料的物理特性。对于组成变化很小的燃料，可假定燃料组分及物理特性恒定，并且物理参数如压力和温度可用来控制通向燃气轮机的燃料。在一定情况下，燃料的物理特性可显著地变化，因而导致这种假设出错或不精确。

在利用燃料增湿系统的一些燃烧系统中，在正常加载/卸载以及在系统失调之后重新启动期间或在断路状态期间，燃料的物理特性可发生显著的变化。在正常加载和卸载期间，当在底部循环中有足够可被利用的能量并且燃烧系统中的条件有利时，为了有益于联合循环的性能而将湿气加入到燃料气体中。湿气加入到燃料中在很大程度上改变了物理特性，结果燃料控制系统因而或者对燃料命令进行相应的调整，或者对燃料系统的流量增益进行相应的调整。

当增湿塔与气体控制阀(GCV)之间既没有可被利用的物理特性测量值且连续地测量也不切实可行时，利用物理流动模型来预测GCV进口处的燃料特性。流动模型表示水蒸气含量及经过系统的流体的物理输送延迟。可假设没有额外的天然气燃料或水加入到在燃料增湿塔下游的流体束中。所计算的在燃料增湿塔出口处的水蒸气摩尔分数输入到流动模型中，然后连续地基于系统中的边界条件在气体控制阀进口处进行计算。当水加入到干燥的天然气进口燃料中时，可测量离开塔的物理特性，随后可基于但并不限于系统中的混合物温度、压力、流速及体积来确定GCV处的物理特性。在GCV处所计算的水蒸气摩尔分数然后用于物理特性的计算，在该物理特性的计算之后适当地调整流量增益使燃料命令重新线性化，并最大限度地减小若不进行调整则会在转变过程中发生的负载瞬变。

控制系统利用流动模型对流量增益调整适当地进行定时，其中流量增益调整使用在气体控制阀进口处的燃料的物理特性来修正预期的因改变物理特性而引起的变化。

离开燃料增湿塔的饱和天然气混合物的水蒸气的摩尔分数可根据Henry定律确定：

$x_w=\frac{P_w}{H}---\left(1\right)$

其中：

H＝在给定的P&T条件下用于气体的Henry定律常数；

P_w＝天然气/水蒸气的混合物中水蒸气的分压；以及

x_w＝天然气/水蒸气的混合物中水蒸气的摩尔分数。

通过利用以经验方式导出的燃料气体饱和曲线也可以得到近似的蒸气压。

X_w＝f(T，P)_Fmexit                                (2)

假设两股进口流束204和206、来自塔旁通阀224的干燥气体及流出燃料增湿塔220的湿(饱和)气体是通向控制体202的仅有的输入流束，则进口流束204和206在控制体202中混合并向下游流动。在控制体202中的混合流束的参数基于进口条件及流动模型的参数化来确定。进入控制体中的干燥气体可假定具有恒定的组成，而湿气流的组成则基于加入到干气流中的水蒸气。

使用Gibb定理，理想气体混合物的物理特性P_mix是混合物中各单独气体种类的特性P_i的总和。这通常可表达为：

$P_{\mathrm{mix}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{P}_i---\left(3\right)$

其中：

P_i＝混合物中各气体种类的物理特性；

x_i＝混合物中各气体种类的摩尔分数；以及

n＝混合物中气体种类的总数目。

给定干燥的天然气进口混合物中各气体种类的摩尔分数，则摩尔质量MW_{f_dry}可表达为：

${\mathrm{MW}}_{f\_\mathrm{dry}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{i\_\mathrm{dry}}{\mathrm{MW}}_{i\_\mathrm{dry}}[{\mathrm{lb}}_m/{\mathrm{lb}}_{\mathrm{mole}}]---\left(4\right)$

其中：

x_{i_dry}＝干燥的天然气混合物中各气体种类的摩尔分数。

MW_{i_dry}＝干燥的天然气混合物中各气体种类的分子量[lb_{m_i}/lb_{mole_i}]。

以同样的方式，干燥的天然气混合物在恒压c^ig _{p_f_dry}下的理想热容可表达为：

其中：

c^ig _{p_i_dry}＝干燥的天然气混合物中各气体种类在恒压下的热容[BTU/lb_mole°R]。

给定干燥的天然气流束的组成x_{i_dry}，并通过计算湿天然气流束中水蒸气的摩尔分数，湿天然气流束的组成x_j＝2于是可表达为：

x_{i_wet}＝(1-x_H2O)x_{i_dry}                        (6)

其中：

x_H2O＝饱和的天然气混合物中水蒸气的摩尔分数。

x_{i_wet}＝饱和的天然气混合物中各气体种类的摩尔分数。

类似地，每摩尔干燥的气体混合物的低热值可按以下进行计算：

${\mathrm{LHV}}_{f\_\mathrm{mix}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{\mathrm{LHV}}_i[\mathrm{BTU}/{\mathrm{lb}}_{\mathrm{mole}}]---\left(7\right)$

其中：

LHV_{f_mix}＝干燥的天然气混合物的低热值。[BTU/lb_{mol_f}]；

LHV_i＝干燥的天然气混合物中成分i的低热值；[BTU/lb_{mole_i}]；以及

x_i＝干燥的天然气混合物中各气体种类的摩尔分数[lb_{m_i}/lb_{mole_f}]。

用于饱和的天然气混合物的摩尔物理特性P于是可根据以下常用等式表达为干燥的天然气混合物及水蒸气的气体特性的总和：

P_f+H2O＝(1-x_H2O)P_{f_dry}+x_H2OP_H2O                (8)

其中：

P_f+H2O＝饱和的天然气混合物的物理特性。[unit/mole_mix]；

P_f＝干燥的天然气混合物的物理特性。[unit/mole_f]；

P_H2O＝水的物理特性。[unit/mole_H2O]；以及

x_H2O＝饱和的天然气混合物中水的摩尔分数。

饱和的天然气混合物的摩尔质量MW_f+H2O可表达为：

${\mathrm{MW}}_{f+H_{2}O}=(1-x_{H_{2}O}){\mathrm{MW}}_{f\_\mathrm{dry}}+x_{H_{2}O}{\mathrm{MW}}_{H_{2}O}[{\mathrm{lb}}_{\mathrm{mf}+H2O}/{\mathrm{lb}}_{\mathrm{molef}+H2O}]---\left(9\right)$

其中：

MW_f+H2O＝饱和的天然气混合物的分子量[mass_f+H2O/mole_f+H2O]；

MW_{f_dry}＝干燥的燃料混合物的分子量[mass_{f_dry}/mole_{f_dry}]；

MW_H2O＝水的摩尔质量[mass_H2O/mole_H2O]；以及

x_H2O＝饱和的天然气混合物中水的摩尔分数。

饱和的天然气混合物的摩尔低热值LHV_f+H2O可表达为：

LHV_f+H2O＝(1-x_H2O)LHV_{f_dry}+x_H2OLHV_H2O[BTU/lb_mole]        (10)

其中：

LHV_{f_dry}＝干燥的气体混合物的低热值[BTU/lb_{molef_dry}]；

LHV_H2O＝水的低热值＝0[BTU/lb_mole H2O]；以及

x_H2O＝燃料水混合物中水的摩尔分数。

用于饱和的天然气混合物的理想气体常数R_xf+H2O可使用以下等式进行计算：

其中：

MW_f+H2O＝饱和的天然气混合物的分子量[mass_f+H2O/mole_f+H2O]

R_univ 1＝1.98588。[BTU/lb_mole°R]

R_univ 2＝1545.32。[BTU/lb_mole°R]

饱和的天然气混合物在恒压下的理想热容c^ig _pf+H2O可表达为：

其中：

c^ig _{p_f+H2Oj}＝饱和的天然气混合物在恒压下的热容[BTU/lb_m°R]

c^ig _{p_f_dry}＝干燥的天然气混合物在恒压下的热容[BTU/lb_mole°R]

c^ig _{p_H2O}＝水在恒压下的热容。[BTU/lb_mole°R]

一旦c_pf+H2O已知，则饱和的天然气混合物在恒定体积下的理想热容c^ig _vf+H2O可表达为：

其中：

c^ig _{v_f+H2O}＝气体/水的混合物在恒定体积下的热容。[BTU/lb_m°R]

c^ig _{p_f+H2O}＝气体/水的混合物在恒压下的热容。[BTU/lb_m°R]

R_{1_f+H2O}＝气体/水的混合物的理想气体常量。[BTU/lb_mole°R]

饱和的天然气混合物的比热比k_f+H2O可计算为：

$k_{f+H_{2}O}=\frac{c_{\mathrm{pf}+H2O}^{\mathrm{ig}}}{c_{\mathrm{vf}+H2O}^{\mathrm{ig}}}---\left(15\right)$

气体混合物j的密度可根据理想气体定律计算：

${\mathrm{\ρ}}_j=\frac{P\·144}{Z_j{R}_{2\_j}\·T_R}[{\mathrm{lb}}_m/\mathrm{SCF}]---\left(16\right)$

其中：

P＝气体压力[psia]

Z_j＝气体可压缩性系数

T_R＝气体温度[°R]

气体混合物j在标准状态下的理想比重或密度比可简化为燃料混合物与空气的摩尔质量比：

${\mathrm{SG}}_J=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{jSTP}}}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{airSTP}}}=\frac{{\mathrm{MW}}_j}{{\mathrm{MW}}_{\mathrm{air}}}=\frac{{\mathrm{MW}}_j}{28.95}---\left(17\right)$

任意点处的气体混合物流束j的温度可根据以下标准转换式转换成兰氏度或开氏度来表示：

T_R，j＝T_F，j+459.67                                (18)

$T_{K,j}=\frac{T_{R,j}}{1.8}---\left(19\right)$

其中：

T_F，j＝气体混合物温度。[°F]

T_R，j＝气体混合物温度。[°R]

T_K，j＝气体混合物温度[°K]

气体混合物j修正的wobbe指数MWI_j可表达为：

${\mathrm{MWI}}_j=\frac{{\mathrm{LHV}}_{v\_j}}{\sqrt{{\mathrm{SG}}_j\·T_R}}---\left(20\right)$

其中：

LHV，_{v_j}＝j的体积低热值。[BTU/SCF]

T_R＝气体温度。[°R]

SG，_j＝与空气的标准密度相比时j的比重

之后，饱和的天然气混合物修正的wobbe指数可通过以下等式确定：

$\mathrm{MW}{I}_{f+H2o}=\frac{{\mathrm{LHV}}_{v\_f+H2O}}{\sqrt{{\mathrm{SG}}_{f\_H2O}\·T_R}}---\left(21\right)$

燃料混合物的体积低热值可根据以下等式确定：

${\mathrm{LHV}}_{v\_f+H2O}=\frac{(1-x_{H2O}){\mathrm{MW}}_f}{{\mathrm{MW}}_{f+H2O}}\frac{{\mathrm{LHV}}_{v\_f}\·{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{STP}\_f+H2o}}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{STP}\_f}}---\left(22\right)$

其中：

LHV，_{v_f+H2O}＝饱和的天然气混合物的体积低热值。[BTU/SCF_f+H2O]

X_H2O＝水的摩尔分数。[lbmole_H2O/lbmole_f+H2O]

ρ，_{STP_f}＝干燥的天然气混合物的标准密度。[lbm_f/SCF_f]

ρ，_{STP_f+H2O}＝饱和的天然气混合物的标准密度。[lbm_f+H2O/SCF_f+H2O]

对于标准密度比可进行以下简化：

$\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{STP}\_f+H2o}}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{STP}\_f}}=\frac{{\mathrm{MW}}_{f+H2O}}{{\mathrm{MW}}_f}---\left(23\right)$

其中：

MW_f+H2O＝饱和的天然气混合物的分子量。[lbm_f+H2O/lbmole_f+H2O]

MW_f＝干燥的天然气混合物的分子量。[lbm_f/lbmole_f]

X_H2O＝水的摩尔分数。[Moles_f/Moles_f+H2O]

ρ，_{STP_f}＝干燥的天然气混合物标准密度。[lbm/SCF]

ρ，_{STP_f+H2O}＝饱和的天然气混合物标准密度。[lbm/SCF]

将等式23代入等式22中，给出了以下用于饱和的天然气混合物热值的简化等式。

LHV_{v_f+H2O}＝(1-x_H2O)·LHV_{v_f}                (24)

其中：

LHV，_{v_f}＝干燥的天然气混合物的体积低热值。[BTU/SCF]

LHV，_{v_f+H2O}＝饱和的天然气混合物的体积低热值。[BTU/SCF]

x_H2O＝饱和的天然气混合物中水的摩尔分数。[moles_H2O/moles_f+H2O]

将等式24代入等式21中并对比重进行简化，给出了以下用于饱和的天然气混合物修正的wobbe指数的表达式：

${\mathrm{MWI}}_{F+h2o}=\frac{(1-x_{H2O})\·{\mathrm{LHV}}_{v\_f}}{\sqrt{\frac{(1-x_{H2O}){\mathrm{MW}}_f+x_{H2O}{\mathrm{MW}}_{H2O}}{28.95}\·T_R}}---\left(25\right)$

其中：

LHV，_{v_f}＝干燥的天然气混合物的体积低热值。[BTU/SCF]

MW_f+H2O＝饱和的天然气混合物的分子量。[lbm_f+H2O/lbmole_f+H2O]

MW_f＝干燥的天然气的分子量。[lbm_f/lbmole_f]

x_H2O＝水的摩尔分数。

在燃气轮机的燃烧系统中保持正确的燃料控制尤其重要。配备有干燥的低NOx(DLN)的燃烧系统的燃气轮机通常利用包括多喷嘴、预混合式燃烧器的燃料输送系统。DLN燃烧器结构利用贫化预混合式燃烧在不使用稀释剂如水或蒸汽的情况下获得低NOx的排放物。贫化预混合式燃烧涉及使燃料与空气在燃烧器火焰区上游预先混合，并在接近燃料的贫化可燃性极限的情况下操作，以保持较低的峰值火焰温度及NOx生成。为了应对贫化预混合式燃烧固有的稳定性问题及在整个燃气轮机操作范围内形成的较宽的燃料-空气比范围，DLN燃烧器通常在各燃烧室中具有多个燃料喷嘴，这些燃料喷嘴单独地或以分组的方式被供以燃料。燃气轮机的燃料系统具有单独受控的输送回路，以便供应各室中的各组喷嘴。控制系统在整个涡轮的操作范围内改变通向各回路的燃料流量(燃料分流)，以便保持火焰的稳定性、低排放及可接受的燃烧器寿命。通向各喷嘴分组的燃料流量通过气体控制阀(GCV)进行控制。燃料分流起到在有效的GCV之间分配总的燃料命令(燃料冲程基准)的作用，并必须将所得到的GCV燃料流量百分比命令转换成阀的位置，以便获得所需的通向喷嘴分组的燃料流量。

用来将GCV流量百分比命令转换成阀位置的技术为根据阀流量系数C_g来确定气体燃料系统的流量增益。使用已知的阀流量特性将阀流量系数转换成阀的位置。这允许使用具有不同流量的多个阀。流量增益(也称作GCV流量标量)是基于在最大的燃料流操作条件期间的最大所需的C_g。以下限定了流量增益的计算方法，并在最大的流量条件下提供了足够的裕度。

$\mathrm{DesignFlowScalar}=\frac{C_{\mathrm{gBaseColdDay}}}{83.3}---\left(26\right)$

为了确定在基本负载冷天气时所需的C_g，可使用通用的阀流量等式：

$Q=\sqrt{\frac{520}{\mathrm{SG}\·T\·Z}}{C}_g{C}_2{F}_p{P}_{\mathrm{in}}\sin {\left[\frac{3417}{C_1{C}_2}\sqrt{\frac{\mathrm{\ΔP}}{P_{\mathrm{in}}}}\right]}_{\mathrm{deg}}$

$C_2=\left(\frac{1}{0.4839}\right)\sqrt{\left(\frac{k}{k+1}\right)}{\left(\frac{2}{k+1}\right)}^{\left(\frac{2}{k-1}\right)}---\left(27\right)$

其中：

Q＝气体体积流率[scfh]

F_p＝管道几何形状系数(假定为1.0)

P_in＝上游气体燃料静压力[PSIA]

ΔP＝阀压差[PSID]

SG＝气体燃料比重[]

K＝比热比[]

T＝阀进口气体温度[°R]

Z＝气体燃料可压缩性系数

C1＝阀压力恢复系数

C2＝用于气体燃料比热比的修正系数

C_g表示阀流量系数

*注意：正弦项不超过90度。如果阀的ΔP足够高，以致临界流动或使流动堵塞，则正弦项等于1。

为了确定在基本的冷天气下的C_g，气体燃料质量流率、标准密度、比热比、可压缩性、温度、热值、比重及供应压力必须全部已知。

最大的C_g可按以下进行计算：

$C_g=\frac{Q_{\mathrm{BaseColdDay}}}{C_2{P}_{\mathrm{in}}\sqrt{\frac{520}{\mathrm{SG}\·T\·Z}}}\frac{{\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{BaseColdDay}}\·3600/{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{std}}}{C_2{P}_{\mathrm{in}}\sqrt{\frac{520}{\mathrm{SG}\·T\·Z}}}---\left(28\right)$

假定GCV堵塞并且管道的摩擦系数为1：

$C_2=\left(\frac{1}{0.4839}\right)\sqrt{\left(\frac{k}{k+1}\right)}{\left(\frac{2}{k+1}\right)}^{\left(\frac{2}{k-1}\right)}---\left(29\right)$

用来计算流量增益的输入取决于燃料组分，而该流量转换技术的应用局限于具有比较恒定的燃料特性的应用场合。使用流量增益的传统方法假定燃料特性在整个加载范围内是恒定的，但情况并非总是如此。因此，在不对燃料特性方面的变化进行修正的情况下，流量增益将不能在整个加载范围内正确地使流量命令线性化。这可导致不希望有的稳态偏移非线性，并可引起燃料特性显著变化的负载瞬变，例如从干燃料到湿燃料的转变期间或在燃料温度发生较大变化之后。

为了修正燃料特性中因改变燃料温度或含湿量而可能引起的预期的变化，实际的C_g与设计的C_g之比可用来偏置流量增益。

C_g的修正比可表达为：

$\frac{C_{\mathrm{gactual}}}{C_{\mathrm{gdesign}}}=\frac{{\left[\frac{Q}{C_2{P}_{\mathrm{in}}\sqrt{\frac{520}{\mathrm{SG}\·T\·Z}}}\right]}_{\mathrm{actual}}}{{\left[\frac{Q}{C_2{P}_{\mathrm{in}}\sqrt{\frac{520}{\mathrm{SG}\·T\·Z}}}\right]}_{\mathrm{design}}}---\left(30\right)$

$\frac{C_{\mathrm{gactual}}}{C_{\mathrm{gdesign}}}=\frac{{\left[\frac{\mathrm{HC}\·{10}^6/{\mathrm{LHV}}_{\mathrm{mixv}}}{C_2{P}_{\mathrm{in}}\sqrt{\frac{520}{\mathrm{SG}\·T\·Z}}}\right]}_{\mathrm{actual}}}{{\left[\frac{\mathrm{HC}\·{10}^6/{\mathrm{LHV}}_{\mathrm{mixv}}}{C_2{P}_{\mathrm{in}}\sqrt{\frac{520}{\mathrm{SG}\·T\·Z}}}\right]}_{\mathrm{design}}}---\left(31\right)$

其中：

HC表示在给定的负载条件下燃气轮机的热耗[MBTU/hr]。

在关系式中代入MWI_v可给出以下表达式：

$\frac{C_{\mathrm{gactual}}}{C_{\mathrm{gdesign}}}=\frac{{\left[\frac{\mathrm{HC}\sqrt{Z}}{C_2{P}_{\mathrm{in}}\mathrm{MWI}}\right]}_{\mathrm{actual}}}{{\left[\frac{\mathrm{HC}\sqrt{Z}}{C_2{P}_{\mathrm{in}}\mathrm{MWI}}\right]}_{\mathrm{design}}}---\left(32\right)$

通过将所有的可变项表示为实际值/设计值之比，可得到以下关系式：

$C_{\mathrm{gratio}}=\frac{{\mathrm{HC}}_{\mathrm{ratio}}\·\sqrt{Z_{\mathrm{ratio}}}}{P_{\mathrm{inratio}}\·C_{2\mathrm{ratio}}\·{\mathrm{MWI}}_{\mathrm{ratio}}}---\left(33\right)$

P_in ratio可表达为以下形式：

$P_{\mathrm{inratio}}=\frac{P_{2\mathrm{actual}}}{P_{2\mathrm{design}}}---\left(34\right)$

其中：

P_2 actual表示测量的压力P₂[PSIA]

P_2 design表示用于设计燃料增益计算中的设计压力P₂[PSIA]。

HC_ratio可表达为以下形式：

${\mathrm{HC}}_{\mathrm{ratio}}=\frac{x_{H2\mathrm{Oactual}}}{x_{H2\mathrm{Odesign}}}\·K_{\mathrm{HC}}---\left(35\right)$

其中：

K_HC表示热耗标量系数

X_H2O design表示用于设计燃料增益计算中的设计H2O摩尔分数。

为了得到C₂比，需要用于比热比k的表达式。比热比可使用等式10、14和15进行计算。

使用所计算的比热比，C₂可使用以下等式进行计算：

$C_2=\left(\frac{1}{0.4839}\right)\sqrt{\left(\frac{k}{k+1}\right)}{\left(\frac{2}{k+1}\right)}^{\left(\frac{2}{k-1}\right)}---\left(36\right)$

C₂比然后可使用以下等式进行计算：

$C_{2\mathrm{ratio}}=\frac{C_{2\mathrm{actual}}}{C_{2\mathrm{design}}}---\left(37\right)$

MWI比然后可使用以下等式进行计算：

${\mathrm{MWI}}_{\mathrm{ratio}}=\frac{{\mathrm{MWI}}_{\mathrm{actual}}}{{\mathrm{MWI}}_{\mathrm{design}}}---\left(38\right)$

可压缩性之比然后可使用以下等式进行计算：

$Z_{\mathrm{ratio}}=\frac{Z_{\mathrm{actual}}}{Z_{\mathrm{design}}}---\left(39\right)$

用于控制系统中的动态流量增益于是可表达为：

AdjustedFlowGain＝DesignFlowGain·C_gratio            (40)

图3是基于本发明实施例的操作燃气涡轮发动机的示范性的方法300的流程图。在示范性的实施例中，方法300包括步骤302，即接收来自多个传感器(指示用于燃气涡轮发动机的燃料的组成)中的至少一个传感器的信号。步骤304即使用流动模型与该至少一个信号一起来确定通向燃料流量控制装置的进口处的燃料的物理特性。方法300还包括步骤306，即使用所确定的物理特性来确定对气体燃料流量增益的相应的修正，以及步骤308，即使用所调整的流量增益自动地控制燃烧器上的燃料喷射点之间的燃料输送以及燃料分流，以便允许在用于燃气涡轮发动机中的燃料组成有相对较大的变化。

上述方法和设备提供了经济并且可靠的方式，用于通过使用流动模型来自动并且连续地确定气体控制阀进口处的燃料气体的物理特性，并根据这些物理特性确定对气体燃料流量增益的相应的修正。因此，本文所描述的方法和设备便于以经济可靠的方式操作燃气涡轮发动机。

以上详细地描述了示范性的方法和设备，用于使用流动模型来自动并且连续地确定气体控制阀进口处的燃料气体的物理特性，并确定对气体燃料流量增益的相应的修正。所显示的设备并不限于本文所描述的具体实施例，而是各构件可独立于本文所描述的其它构件之外单独地加以利用。各系统构件还可以与其它系统构件结合使用。

本方法和设备的技术效果在于提供了一种系统，该系统使用流动模型来自动并且连续地确定气体控制阀进口处的燃料气体的物理特性，并根据这些物理特性确定对气体燃料流量增益的相应的调整，以便允许用于燃气涡轮发动机中的燃料组成有相对较大的变化。

尽管本发明就许多具体的实施例进行了描述，但是，本领域的技术人员可以认识到，本发明可在在权利要求的精神和范围内进行修改。

Claims (10)

1.一种燃气涡轮发动机系统(10)，包括：

构造成用以对负载提供电能的发电机(24)；

包括至少一个燃烧器(14)的燃气涡轮发动机，所述燃烧器(14)包括构造成用以接收来自多个相应的流量控制装置的燃料流的多个燃料喷射点；以及

燃料控制系统(28)，其包括：

多个传感器(26)，其定位在所述燃气涡轮发动机系统周围并被构造成用以测量与所述传感器相关联的至少一个参数；

处理器，其编程为用以：

接收来自指示所述燃料的组成的所述多个传感器中的至少一个传感器的信号；

使用流动模型和至少一个信号，确定通向所述流量控制装置的进口(20)处的燃料的物理特性；

使用所述确定的物理特性来确定对气体燃料流量增益的相应的修正；以及

使用所述确定的流量增益来自动地控制在所述燃烧器上的燃料喷射点之间的燃料输送和燃料分流，以便允许在用于所述燃气涡轮发动机的燃料组成方面的相对较大的变化。

2.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机系统(10)，其特征在于，所述至少一个燃烧器(14)包括构造成用以在多个不同的位置处将燃料喷射到所述燃烧器中的多个燃料喷射点。

3.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机系统(10)，其特征在于，所述处理器还编程为用以自动并连续地确定所述燃料的物理特性。

4.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机系统(10)，其特征在于，所述处理器还编程为用以当确定所述燃料组成大致恒定时仅使用所述燃料温度和压力来确定所述燃料的物理特性。

5.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机系统(10)，其特征在于，所述燃料的物理特性包括所述燃料的含湿量。

6.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机系统(10)，其特征在于，所述处理器还编程为用以响应所述燃料的含湿量方面的变化和所述燃料的热值方面的变化中的至少一项来调整燃料命令和燃料系统流量增益中的至少一项。

7.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机系统(10)，其特征在于，所述处理器还编程为用以响应所述燃料的含湿量方面的变化和所述燃料的热值方面的变化中的至少一项来调整燃料系统流量增益，使得所述燃料命令与发电机负载保持大致线性地相关。

8.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机系统(10)，其特征在于，所述处理器还编程为用以对流量增益调整定时，以便使燃料命令重新线性化并便于最大限度地减小负载瞬变。

9.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机系统(10)，其特征在于，所述燃料控制系统(28)包括燃料增湿塔(220)，所述处理器还编程为用以：

确定所述燃料增湿塔出口处的水蒸汽摩尔分数；以及

基于所述系统中的边界条件连续地确定所述流量控制装置处的水蒸汽摩尔分数。

10.根据权利要求9所述的燃气涡轮发动机系统(10)，其特征在于，所述系统中的边界条件包括所述系统中的温度、压力、流速和体积中的至少一项。

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