CN101600904B - 控制燃料分配量的方法 - Google Patents

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Abstract

一种在负载降低的情况下控制燃气轮机的燃烧器中的引燃燃料流和主燃料流的分配量的方法，其特征在于：(1)对燃料需求的变化率进行监控，并且(2)添加附加的引燃燃料流，所述附加的引燃燃料流的量取决于所述燃料流需求中的变化率。

Description

控制燃料分配量的方法
技术领域
本发明涉及一种控制燃料分配量的方法，更具体地是控制燃气轮机的燃烧室中的燃料分配量的方法。
背景技术
燃气轮机基本包括压缩机、燃烧室、涡轮机和排气通道。在压缩机中，压缩空气为燃烧过程做准备。燃料被喷射到燃烧室内，在燃烧室中燃料与来自压缩机的压缩空气混合并燃烧。然后，来自燃烧室的热的加压气体被导向涡轮叶片以驱动涡轮机。在穿过涡轮机之后，燃烧气体通过排气通道排出。
文献WO 02/12795A2公开了一种燃烧室，该燃烧室的操作采用两种不同的燃料流。这些燃料流中的一种被称为引燃燃料流。该引燃燃料流被直接喷射到燃烧室内并且是发动机起动过程中的唯一燃料流。一旦发动机达到其运转速度的某个百分比，那么除了引燃燃料之外，还将预混合燃料流(主燃料流)添加到燃烧室内。该预混合燃料流在进入燃烧室之前与空气混合，因此命名为“预混合”。通过控制引燃流与预混合流的比率，能够调节一氧化碳(CO)和氮氧化合物(NOx)的排放水平。在国际公开No.WO 96/02796(Sjunneson等)中公开了具有引燃燃料流和预混燃料流的燃烧室的示例。文献WO 02/12795A2还公开了一种控制，该控制用于调节预混燃料流与引燃燃料流之间的分配量以控制火焰温度并因此最少化排放物。
在文献www.ecuinternational.com/pti，Mike Stock，SermatecPowersolutions中，公开一种对采用两个燃料流的燃烧室进行操作的方法。该操作方法包括主操作模式、贫-贫(lean-lean)操作模式和预混合操作模式。只有在预混合模式中才能获得低的NOx和CO排放物。
引燃燃烧器包括通过主喷嘴的纯燃料的喷射和燃烧，而主燃烧器包括通过副喷嘴的与空气预先混合的燃料的喷射和燃烧。
某些燃气轮机发动机的快速负载降低会导致火焰中断，原因是引燃流变得过贫，而引燃流变得过贫则是由于用来确定所需燃料分配量的温度测量存在滞后所导致的。对于大的负载降低而言，最小引燃燃料分配量基于燃料需求的阶跃变化而触发的，但是这对快速斜坡式负载变化不起作用，因为在快速斜坡式负载变化中燃料流不存在足够大的阶跃变化。
发明内容
本发明的目的是提供一种有益的方法，该方法用于控制燃气轮机的燃烧室中的燃料分配量，特别是在快速的负载变化情况下用于控制燃气轮机的燃烧室中的燃料分配量。
该目的通过具有权利要求1的特征的控制燃料分配量的方法来实现。从属权利要求记载了本发明的进一步发展。
在负载降低的情况下，对燃气轮机的燃烧室中的引燃燃料流和主燃料流的燃料分配量进行控制的创造性方法包括监控燃料需求的变化率。根据燃料流需求的变化率，添加附加的引燃燃料流。
在快速斜坡式负载降低的过程中，在总燃料流快速减少的同时以这种方式临时性地增大引燃燃料分配量会降低火焰中断的几率。
在本发明的有益实施方式中，在负载降低之后，附加的引燃燃料流将被降低至零，使得在负载斜坡式降低之后引燃燃料流不会比所需量高。过高的引燃燃料流对燃气轮机的排放特性是有害的。
进一步地，当附加引燃燃料流的量降低至零时，对引燃燃料流施加比率极限，以防止在附加燃料流降低至零之后引燃燃料流变得太小。太小的引燃燃料流会对火焰的稳定性造成负面影响。
在该创新性方法中，可例如在燃料需求的变化下冲给定的负值时，添加附加的引燃燃料流。在该方法的更高级的版本中，附加引燃燃料流的量取决于燃料流需求中的变化率，例如，燃料流需求中的变化率负得越多，则附加引燃燃料流的量就越高。
附加引燃燃料流的量必须从主燃料流中扣除，以使总燃料流维持在燃料流需求限定的水平。
通过下面参照附图对实施方式的描述，本发明进一步的特征、特性和优点将变得清楚。
附图说明
图1示出了燃气轮机的燃烧室的燃烧器组件。
具体实施方式
图1示意性地示出了燃气轮机的燃烧室的燃烧器组件23。该燃烧器包括引燃燃烧器21，引燃燃烧器21具有液态燃料通道1、喷嘴2、引燃气体通道3和中央空气通道5。燃烧器组件23还包括主燃烧器22，主燃烧器22具有主气体通道7、外部空气通道9、喷嘴管道11和喷嘴13。
图1中的引燃燃烧器21关于中心轴线A对称。引燃燃烧装置21是作为扩散燃烧器实施的。液态燃料通道1居中地定位在该组件内。液态燃料通道1被引燃气体通道3包围，引燃气体通道3与液态燃料通道1同心，因此也与中心轴线A同心。引燃气体通道3又被中央空气通道5包围。两个通道3和5都与液态燃料通道1同心。
图1中的作为预混合燃烧器实施的主燃烧器环绕引燃燃烧器21并且关于中心轴线A基本对称。主燃烧装置22的主气体通道7也绕着中心轴线A同心地设置，并与延伸穿过外部空气通道9的喷嘴管道11相接。在喷嘴管道11中，喷嘴13被设置用于将主燃料排放到流动穿过外部通道的空气流中。旋流器14在燃料空气混合物被引入燃烧火焰之前为燃料和空气充分预先混合提供条件。
在燃气轮机的操作中，燃烧主要是通过主燃烧器22供给，同时引燃燃烧器21用于稳定燃烧火焰，否则燃烧火焰很可能会变得不稳定，因为人们为了保持低排放物，经常试着使用尽可能贫(即，燃料份额尽可能低)的预混合燃料/空气混合物。
在控制燃料分配量的方法中，对燃料需求的变化率进行监控，并且一旦燃料流需求表明将会产生快速负载变化(即，达到或超过负载的预先给定的负梯度的负载变化)，就添加额外量的引燃燃料。
由于燃料需求中的变化先于负载变化，因此这种监控能够早期识别负载将要降低的信息。由于这种早期识别的缘故，与监控晚于负载变化的燃烧(或排放)温度的情形相比，能够更早地启动对燃料分配量的改变。
引燃燃烧器中的燃料供应在点火和低负载时相对较高，在燃气涡轮机的高负载时相对较低。换句话说，对引燃燃烧器和主燃烧器的燃料总量的分配(即，燃料分配量)，对于低负载和高负载来说是不一样的。
当负载降低时，相对于燃料总量中输送给主燃烧器的份额，燃料总量中输送给引燃燃烧器的份额会增大。然而，当负载降低快速进行(其由燃料流需求中的高变化率反映)时，燃料总量中输送给引燃燃烧器的份额也需要快速增大。
由于通常是基于尾随在负载降低开始之后的燃烧温度来控制燃料分配量，因此引燃燃料的增加是在负载降低已经开始之后才开始的。尽管为对负载缓慢降低的情形而言通常不会产生问题，但是当在负载快速变化的情形下，当引燃燃料变化开始时，引燃燃料的份额可能已经太低。因此，根据本发明，当燃料流需求表明负载变化开始时，将附加量的燃料导至引燃燃烧器，以确保总是有足量的引燃燃料被引入火焰中。然后，当基于燃烧温度的常规控制能够提供足够高份额的引燃燃料时，该附加的引燃燃料被再次降为零。
在所描述的实施方式中，燃料流需求中的变化率越高，附加引燃燃料流的量越高。然而，如果燃料流需求中的变化率比给定的负值高(即，负载降低比预先给定的比率慢)，则不给常规控制的燃料分配量增加附加的引燃燃料流。
在主燃烧器的操作过程中，引燃燃料流不应该超过一定值以便保持低排放物。因此，施加阈值，以防止引燃燃料流由于所添加的引燃燃料量而变得比稳定火焰所需的量高。当达到该阈值时，便降低所添加的引燃燃料的量。
仅在快速负载降低的过程中需要附加的引燃燃料，以避免引燃燃烧器中的燃料含量过低。一旦负载已经降低并已通过规则性地增加引燃燃料流而获得了稳定的火焰，便将附加引燃燃料流的量降回到零。
当附加引燃燃料流已经降低为零时，施加一个比率极限，以防止引燃燃料流降低到低负载时稳定燃烧火焰所需的最低水平以下。
当添加附加的引燃燃料流时，相应地减少主燃料流以便维持燃料流的总量是有利的，即引燃燃料流和主燃料流的总和不受附加引燃燃料的影响。

Claims (5)

1.在负载降低的情况下控制燃气轮机的燃烧室中的引燃燃料流和主燃料流的燃料分配量的方法，其特征在于：监控燃料需求的变化率，并添加附加引燃燃料流，所述附加引燃燃料流的量取决于燃料流需求中的变化率。
2.根据权利要求1所述的控制燃料分配量的方法，其特征在于：在负载降低后，将所述附加引燃燃料流的量降低至零。
3.根据权利要求2所述的控制燃料分配量的方法，其特征在于：当所述附加引燃燃料流的量降低至零时，对所述引燃燃料流施加比率极限。
4.根据前述权利要求中任一项所述的控制燃料分配量的方法，其特征在于：当燃料流需求的比率超过给定的负值时，添加所述附加引燃燃料流。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的控制燃料分配量的方法，其特征在于：所述附加引燃燃料流从所述主燃料流中扣除。
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