CN101769538A - 用于控制涡轮发动机中的燃烧器的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于控制涡轮发动机中的燃烧器的方法和系统，具体而言，提供了用于控制涡轮发动机(100)的燃烧器(104)的方法和系统的实施例。根据一个示例实施例，系统包括与用于涡轮发动机(100)的燃烧器(104)的至少一个空气路径相关联的空气控制组件(406)。此外，该系统还包括至少一个传感器(402)，其用于感测涡轮发动机(100)的至少一个操作参数。此外，该系统还包括控制器(404)，其可操作以接收由该至少一个传感器(402)所感测的至少一个操作参数，并且还可操作以至少部分地基于由该至少一个传感器(402)所感测的至少一个操作参数而有选择性地控制空气控制组件(406)。

Description

用于控制涡轮发动机中的燃烧器的方法和系统
技术领域
本发明一般地涉及涡轮发动机，并且更具体而言，涉及用于控制涡轮发动机中的燃烧器的方法和系统。
背景技术
传统的涡轮发动机包括三个主要部件：压缩机、燃烧器以及涡轮。燃料与来自压缩机的压缩空气相混合，并在燃烧器中进行燃烧。所得到的出自燃烧器的燃烧产物流接下来驱动涡轮。典型地，在喷射到燃烧器中之前可使燃料和空气在燃料预混合器中进行混合。备选地，可在没有预混合的情况下直接将燃料和空气喷射到燃烧器中。这可导致高温燃烧，引起产生相当大的量的通常称为NOX的NO和NO2。使燃料和空气在燃烧之前预混合以保持贫(lean)燃料-空气比会产生较低的反应区温度和因而较低的NOX排放。
然而，如果燃料-空气混合物过贫，则其可能导致引起一氧化碳(CO)和未燃烧的碳氢化合物(UHC)的过量排放的不完全燃烧。此外，低的燃料-空气比还可能导致火焰熄灭，这需要重新起动发动机。为了将CO和UHC的排放降到最低限度，涡轮发动机的燃烧器中的反应区可具有足够充分以避免熄灭但也足够贫以显著地减少NOX排放的燃料-空气比。为了平衡减少CO、UHC和NOX排放的相冲突的需求，需要对工业涡轮发动机中的燃烧器的反应区中的燃料-空气混合物进行极度精确的控制。
在接近贫熄火极限的低体积燃料/空气比下的操作在减少的负荷下特别难。换句话说，在非高峰时间期间，以满输出操作发电机是不切实际的。所产生超过需求而未以别的方式售出的任何能量是浪费的。因此，在保持排放达标(compliance)的同时平衡利用贫操作的低输出是困难的。为了处理这个问题，涡轮发动机在先导控制的-预混合下进行操作，在其中，约10％至20％的燃料被直接喷射到反应区中，并以高温扩散火焰进行燃烧。这提供了良好的稳定性和燃烧效率，但NOX水平超标。因而，涡轮发动机交替地在超标状态和达标状态下进行操作，以保持平均排放输出达标。
除了上文之外，重新起动切断的涡轮联合循环发电机是超长的过程，在达到满输出之前其可能花费一个小时或更长时间。这种损失时间对于能量生产商而言可为相当高成本的。此外，如果在低需求期间未意料地需要附加的输出，切断的发电机是不可用的。此外，起动和停止发电机影响了电力系统构件的耐用性和寿命。频繁的起动和停止将对发动机的可靠性产生有害的影响，并引起对更频繁的维护周期的需求，因而增加了运行和维护成本。
如果存在与停止燃气或联合循环涡轮发动机相关联的缺陷，能量生产商优选在非高峰时间调低或停止发动机，以使燃烧的燃料降到最低限度，同时保持对意外的负荷增加的响应能力。出于上文略述原因，在容许快速返回到满功率的点上停止涡轮发动机同时还保持排放达标可为困难的。因此，当停止涡轮发动机时，发动机在带有短时间超标运行的特定的部分负荷状态下运行。虽然对于涡轮发动机保持在排放达标内是有效的，但是可达到的部分负荷状态仍然很高(在正常输出的40％的范围内)，并因而可表示实际上运行低效率。
除了上文之外，重要的总体约束(其表示显著的初始障碍和在成功地处理涡轮发动机的所有排放、可靠性和操作灵活性要求方面的坚定的日复一日的努力)是任何“真实世界”的发电厂环境中的内在变化。贫燃预混合燃烧系统的性能可由外部变量的细微变化所影响。单独的燃料回路流量的变化(总数1％的部分)、环境温度和相对湿度的夜晚/白天和季节性的变化、场地位置和海拔、燃料气体成分以及电力系统负荷的增量(几个体积百分数)变化都可影响燃烧系统性能。
此外，在具有多个例如以罐状环形结构的燃烧器的涡轮发动机，重要的是，各罐状环形设计的燃烧器中的燃料-空气比应基本相同或调整成适合系统设计。例如，各个燃烧器中的恒定的燃料-空气混合物允许混合物保持在最大地减少了CO、UHC以及NOX排放的贫比下。此外，在不同的燃烧器之间的一致的燃料-空气比确保了涡轮发动机的燃烧器之间的一致的温度分布。一致的温度和压力分布降低了涡轮发动机的燃烧器、涡轮以及其它热流构件上的热应力和机械应力。这些应力的降低延长了不同的燃烧器和涡轮部件的运行寿命。燃烧器当中的一些中的峰值热气温度增加了热应力，并降低了更热的高燃料-空气比燃烧室中的材料和那些燃烧室临近下游处的涡轮部件的强度。
然而，传统上已经发现在罐状环形结构中的不同的燃烧器中达到真正一致的温度和压力分布是困难的。这可能是由于在形成罐状环形结构的相似的燃烧器之间存在的内在变化。这些变化起因于与制造、安装、以及各燃烧器与涡轮发动机的其它构件的装配有关的公差。燃烧器的构件及其组件的这些变化可干扰进入到燃烧器中的进入空气流。不同的干扰可对不同的燃烧器中的流造成不同的不一致性。因而，在各燃烧器中以不同的方式影响燃料-空气比。各燃烧器中的空气流的变化可使得在所有燃烧器中保持恒定的燃料-空气比为困难的。因而，为了在不同的燃烧器中保持一致的燃料-空气比，需要控制不同的燃烧器中的空气流。现有文献通过精确控制回路的有效流通面积(例如，要求紧的制造和装配公差)来管理空气流平衡。实际上，所需要的功能测试和制造精度的水平可为高成本的。此外，在涡轮发动机上存在导致变形、蠕变以及尺寸控制的损失的高的热运行负荷和机械运行负荷。
因此，需要用于控制涡轮发动机中的燃烧器的方法和系统。此外还需要控制涡轮发动机中的燃烧器中的空气流。还需要到燃烧器的空气流的动态平衡，其可考虑了随着时间的推移涡轮发动机的构件中的结构和尺寸变化。
发明内容
本发明的实施例可处理上文所述一些或所有需求。根据本发明的一个实施例，其公开了一种用于控制用于涡轮发动机的燃烧器的系统。该系统可包括空气控制组件，其可操作地与用于涡轮发动机的燃烧器的至少一个空气路径相关联。此外，该系统可包括至少一个传感器，其可操作以感测涡轮发动机的至少一个操作参数。此外，该系统可包括控制器，其可操作以至少部分地基于由该至少一个传感器所感测的至少一个操作参数而有选择性地控制空气控制组件。
根据本发明的另一实施例，公开了一种用于控制涡轮发动机的方法。该方法可包括从至少一个与涡轮发动机相关联的传感器中接收至少一个操作参数。此外，该方法可包括至少部分地基于从该至少一个传感器中接收的至少一个操作参数而有选择性地控制与涡轮发动机的燃烧器的空气路径相关联的空气控制组件。
根据本发明的又一实施例，公开了一种用于控制包括多个燃烧器的涡轮发动机的方法。该方法包括从与涡轮发动机的第一燃烧器相关联的第一传感器中接收第一操作参数，并且还从与涡轮发动机的第二燃烧器相关联的第二传感器中接收第二操作参数。该方法还包括至少部分地基于第一操作参数而有选择性地控制与第一燃烧器相关联的第一空气控制组件，并且至少部分地基于第二操作参数而有选择性地控制与第二燃烧器相关联的第二空气控制组件。
从下文详细说明、附图以及所附权利要求中，对于本领域中的技术人员而言，本发明的其它实施例、方面以及特征将变得显而易见。
附图说明
已如此概括地描述了本发明，现在将参看附图(其未必按比例绘制)，并且其中：
图1示出了根据本发明一个实施例的示例涡轮发动机的局部图示。
图2图示了根据本发明一个实施例的示例燃烧器。
图3图示了根据本发明一个实施例的示例燃烧器组件。
图4图示了根据本发明一个实施例的涡轮发动机中的示例控制系统。
图5图示了根据本发明一个实施例的示例燃烧器组件。
图6图示了根据本发明一个实施例的示例燃烧器组件。
图7图示了根据本发明一个实施例的示例燃烧器组件。
图8图示了根据本发明一个实施例的用于改变与涡轮发动机中的燃烧器相关联的空气流的方法示例的流程图。
图9图示了根据本发明一个实施例的用于涡轮发动机中的排放物的室水平控制(chamber level control)的示例方法的流程图。
图10图示了根据本发明一个实施例的用于控制涡轮发动机中的多个燃烧器的示例方法的流程图。
图11是根据本发明一个实施例的示例控制器的示意图。
部件列表：
100涡轮发动机
102压缩机
104燃烧器
106端盖组件
108燃烧室
110燃料预混合器
112燃料预混合器
114燃料预混合器
116燃料进口
118涡轮
120压缩机/涡轮轴
200燃烧器
202燃烧器组件
300环形壳体
302端盖
304，306，308燃料预混合器
310燃烧衬套
312流套管(sleeve)
314环形通道
316流套管端口
318套环(collar)
320盖帽
400控制系统
402传感器
404控制器
406空气控制组件
408流量控制阀
500燃烧器
502旁通压缩空气
504控制阀
600燃烧器
602内部导向叶片
604叶片促动器
700燃烧器
702套管
704齿轮传动齿条
706控制器
800用于改变与涡轮发动机中的燃烧器相关联的空气流的方法
802方框
804方框
900用于涡轮发动机的燃烧器中的排放物的室水平控制的方法
902方框
904方框
906方框
1000控制涡轮发动机中的多个燃烧器的方法
1002方框
1004方框
1006方框
1008方框
1010方框
1012方框
1102I/O接口
1104用户接口装置
1106数据总线
1108处理器
1110存储器
1112程序控制逻辑
1114数据
1116操作系统
具体实施方式
现在将在下文中参看附图更全面地描述本发明的说明性的实施例。实际上，本发明可以许多不同的形式来体现，并且不应该被认为局限于本文中所陈述的实施例；相反，提供了这些实施例，以使得本公开将满足可适用的法定要求。整篇文章中，相似的标号表示相似的元件。
公开了用于涡轮发动机(例如，燃气涡轮发动机)中的燃烧器的动态调整和平衡的方法和系统。根据一个示例实施例，该系统包括至少一个可操作以感测至少一个与涡轮发动机相关联的操作参数的传感器。该系统还包括控制器，该控制器可操作以有选择性地控制空气控制组件，其中，这种控制可至少部分地基于来自至少一个传感器的接收的操作参数。此外，可有选择性地控制空气控制组件以调整涡轮发动机中的一个或多个燃烧器的操作。
本文中所述的系统和方法具有这样的技术效果，即，可将具有一个或多个燃烧器的涡轮发动机的一个或多个操作参数传送给控制器，由此控制器可有选择性地控制一个或多个空气控制组件以便持续地调整和/或控制涡轮发动机的一个或多个燃烧器。涡轮发动机中的一个或多个燃烧器中的流量的适应性调整和/或控制可具有进一步的技术效果，即，通过实现更特定的单独的燃烧器控制和动态地修整(tailor)例如空气输送的燃烧输入而提供增强的涡轮操作灵活性。此外，实时补偿与磨损、空气-燃料组分、环境温度以及下游和上游构件的变化相关的任何影响。因此，本文中所述的系统和方法具有附加的技术效果，即，提供涡轮发动机的灵活动态控制、修整给一个或多个燃烧器组件的空气输送，导致改进的操作性能同时还有助于较低排放。
图1是一种示例联合循环电力系统的示意图，其示出成根据一个实施例的例如燃气涡轮发动机的涡轮发动机100。涡轮发动机100可包括压缩机102和燃烧器组件104(在下文中可互换地称为燃烧器)。燃烧器组件104可包括端盖组件106，该端盖组件106密封并至少部分地限定燃烧室108。此外，端盖组件106可支撑多个喷嘴或燃料预混合器(例如，延伸到燃烧室108中的燃料预混合器110，112，114)。此外，多个燃料预混合器110，112，114可操作以接收通过公共燃料进口116的燃料和来自压缩机102的压缩空气。虽然本文中所述的示例实施例通常涉及燃料预混合器，但在其它实施例中，替代燃料预混合器或除了燃料预混合器之外，涡轮发动机可包括一个或多个燃料喷射器。燃料和压缩空气可随之进入到燃烧室108中，并被点燃以形成驱动涡轮118的高温、高压燃烧产物或空气流。涡轮118可通过压缩机/涡轮轴120(例如转子)操作地连接在压缩机102上。在一个示例实施例中，涡轮发动机100可包括多个相似的燃烧器组件，其具有如燃烧器组件104所述的相同或相似的功能。
在涡轮发动机100的一种示例操作期间，可将流入到压缩机102中的空气压缩成高压气体。然后可将加压气体喷射到燃烧器组件104中的多个燃料预混合器110，112，114中。所喷射的加压气体可与例如工艺气体和/或合成气体(其在本文中可称为合成气)的燃料相混合，以形成燃料-空气混合物，该燃料-空气混合物随后供给到燃烧室108。在另一示例实施例中，可将加压气体直接喷射到燃烧室108中。供给到燃烧室108的燃料-空气混合物可被点燃以产生高压、高温的燃烧气体流。在一个示例中，所产生的气体流的温度可在约871摄氏度(℃)至1593℃之间的范围内变化。在其它的实施例中，燃烧器组件104可操作以燃烧包括但不局限于天然气和/或燃料油的燃料。在任何情况下，燃烧器组件104可将燃烧气体流导引到涡轮118，该涡轮118将热能转换成机械转动能。
图2示出了根据本发明一个实施例的示例燃烧器200。在一个示例实施例中，图1中所示的涡轮发动机100可包括环形燃烧器200，其包含了各自与如参看图1所述的燃烧器104相似的多个燃烧器组件202。图2示出了示例罐状-环形燃烧室结构，该结构可包括外壳，带有多个单独的圆柱形衬套，该衬套围绕多个绕着发动机轴线而以环的形式设置的燃烧器组件202。多个燃烧器组件202可操作以将燃料和空气的混合物提供给设置在环形涡轮(例如，如参看图1所述的涡轮118)的进口叶片上游的燃烧器200的反应区。此外，多个燃烧器组件202可由通过各种孔和百叶窗式开口(louver)而进入圆柱形衬套的气流完全围绕。多个燃烧器组件202中的每一个中的进入气流可与在压力下从燃料喷嘴中喷出的燃料相混合，并且因而形成的燃料-空气混合物然后可通过点火塞或火花塞被点燃。随后，当多个燃烧器组件202中的每一个将其相应的可燃混合物排出到燃烧室200的反应区时，多个燃烧器组件202中的每一个的燃烧过程可在燃烧室200的反应区中相互作用。然而，由于形成燃烧器组件202的燃烧器的变化，所以各燃烧器中的空气流可能不是相同的。因此，燃烧器组件202的相应的燃烧器中的燃烧过程和反应可不相同。从而，燃烧器组件202的其中一个燃烧器中的燃烧过程可能影响燃烧器组件202的任何其它燃烧器中的燃烧过程。因而，根据本发明的一个示例，在罐状环形结构中，可动态地调整和/或平衡形成燃烧器组件202的各燃烧器中的空气流，以便将单独的燃烧过程之间的相互作用降到最低程度并因而将排放降到最低限度。
图3示出了燃烧器组件104的一个示例实施例。在图3中，燃烧器组件104显示成包括具有端盖302的环形壳体300，该端盖302支撑绕着环形壳体300的中心轴线而以环形阵列形式布置的燃料预混合器304，306，308。此外，环形壳体300还可包括燃烧衬套310，在该燃烧衬套300中可点燃燃料-空气混合物以形成热的燃烧气体。典型地，环形壳体300可由能够承受宽温度范围的材料(例如，碳钢)所制成。为了避免环形壳体300过度暴露于燃烧衬套310的温度下，以及提供足够的空气以用于冷却燃烧衬套310并且用于与燃料相混合，附加的衬套312(其在本文中可互换地称为流套管)可设在环形壳体300内，并与燃烧衬套310和环形壳体300同轴。流套管312用作引导沿着燃烧衬套310的外壁的用于冷却目的、以及用于被喷射以与燃料相混合以用于燃烧的加压空气。此外，流套管312形成环绕燃烧衬套310的环形通道314，以用来将所需量的压缩空气引导至燃烧衬套310以用于冷却并与来自预混合器304，306，308的燃料相混合。根据本发明的实施例，一个或多个空气控制组件可与环形通道314，或与任何其它与燃烧器组件104相关联的空气供应处于可操作连通中。
根据一个实施例，一个或多个空气控制组件可定位在环形通道314内，并可包括多个包含在套环318中的流套管端口316。套环318可操作以有选择性地对多个流套管端口316加压，以用于调节向上游流过环形通道314的空气的数量。
在另一实施例中，一个或多个空气控制组件可由一个或多个定位在套环318上游在通道314中的限制器来体现。例如，体现为限制器的空气控制组件可包括一个或多个有选择性地控制的盖帽320。在一个示例实施例中，盖帽320可为线性密封件，其可操作以限制通过环形通道314的相应部分的流量。因此，盖帽320可操作以进一步调节进入燃料预混合器304，306，308的空气流的数量。盖帽320是燃烧器104的环状部(annulus)内的可操作以调节进入燃料预混合器304，306，308和/或燃烧器104的空气流的数量的限制器的一个示例。
在其它实施例中，体现成限制器的空气控制组件可构造为可操作以限制例如来自压缩机进入到燃烧器组件314中的空气流的外部控制阀门、流套管或叶片组件。在一个示例实施例(在其中，可使用叶片组件作为限制器)中，叶片组件中的一个或多个叶片可操作以绕着轴线被转动，从而有选择性地调节通过叶片并因而通过例如环形通道314的空气流。类似地，在示例实施例(在其中，限制器可为流套管)中，可将齿条可操作地连接在流套管上。齿条可促动流套管的运动，以允许和/或限制到燃料预混合器304，306，308的空气流。
参看图3所述的燃烧器组件可为涡轮发动机中的单个燃烧器组件，或者可表示多个燃烧器组件，例如可以如参看图2所述的罐状-环形构造或以任何其它合适的构造而布置。
图4示出了根据一个实施例的涡轮发动机中的一个示例控制系统400。图4显示了与如参看图1所述的涡轮发动机100的涡轮118处于流连通中的燃烧器组件104的方框图。图4中显示的各燃烧器组件104和涡轮118、或涡轮发动机100的或与之相关联的其它构件可包括多个传感器402。多个传感器402的示例可包括(但不局限于)排气温度传感器、动态压力传感器、涡轮进口空气温度传感器、涡轮质量流量传感器、压缩机出口温度传感器、压缩机出口压力传感器、排放物传感器、火焰检测器、静态空气压力传感器、静态空气温度传感器、火焰光发射物传感器、电离检测器、环境空气温度传感器、功率计、德尔塔(delta)压力传感器、单点流体流量计或紫外线传感器。多个传感器402可操作以感测涡轮发动机100的至少一个操作参数。由多个传感器402中的一个或多个所感测的(多个)操作参数可例如通过用于传送传感器测量结果的电气器件或任何其它适合的器件而传送到控制器404。
在控制器404中，由一个或多个传感器402所感测的一个或多个操作参数可至少部分地用于确定与燃烧器组件104相关联的有效流通面积。由一个或多个传感器402所感测的用于确定有效流通面积的示例操作参数可包括(但不局限于)压力和压力损失、温度、流量、排放物等。有效流通面积可定义为流可通过的流进口或流出口的净面积。所确定的有效流通面积然后可用于控制一个或多个空气控制组件。例如，所确定的有效流通面积可同包含有效流通面积标准值的查阅表进行比较，其可帮助计算或以另外的方式确定对燃烧器组件中的空气流的适当调整。至少部分地基于这种比较，控制器404可进一步操作以将适当的控制指令发送给多个空气控制组件406。基于从控制器404中接收的控制指令，与燃烧器组件104的至少一个空气路径相关联且与控制器404处于电气连通的多个空气控制组件406可操作以使用流量控制阀408或其它被促动或有选择性地可控制的空气控制组件的构件(例如套环、叶片、盖帽等)而控制燃烧器组件104的空气路径的有效流通面积。术语“空气控制组件”和“控制阀”在本文中可互换使用，并且各自可一般地涉及用于控制通过涡轮发动机的或与之相关联的空气流的组件或系统。控制与燃烧器组件104相关联的空气路径的有效流通面积可有助于燃烧器组件104中的燃料-空气混合物的燃料-空气比的调节/控制。
如下文图5-7所述，上文图3更详细地描述了示例空气控制组件构件。
图5示出了类似于如参看图3所述的燃烧器组件104的、包括一个或多个空气控制组件的燃烧器组件的一个示例实施例。在图5中所示的示例实施例中，燃烧器组件500包括这样的空气控制组件，即，该空气控制组件包括从压缩机(例如，如参看图3所述的压缩机102)到燃烧器组件500的外部的空气旁路502。冷的压缩空气502可从压缩机出口旁通并通过外部空气路径喷射到燃烧器组件500中。压缩空气502可首先喷射到燃烧器组件500中以与燃料混合以用于燃烧。此外，可经由空气控制组件通过可操作地放置在旁通的压缩空气502的外部空气路径中的控制阀504来调节喷射到燃烧器组件500中的压缩空气502的数量。控制阀504可由控制器(例如，如参看图4所述的控制器404)有选择性地加以控制，以调整燃烧器组件500的操作。在一个示例实施例中，燃烧器组件500可包括多个燃烧器组件，各燃烧器组件类似于燃烧器组件500。因而，为了平衡相应的燃烧器组件的操作，各燃烧器组件可具有单独的外部空气旁路回路。
图6示出了类似于如参看图3所述的燃烧器组件104的、包括一个或多个空气控制组件的燃烧器组件的另一示例实施例。在图6中所示的示例实施例中，燃烧器组件600包括这样的空气控制组件，即，该空气控制组件构造为一个或多个放置在燃烧器的环形通路中的空气流限制器(例如，内部导向叶片602)。在该示例实施例中，描述了导向叶片，然而可包括其它限制器件以用于有选择性地控制通过燃烧器500的环形通路的空气。内部导向叶片602可放置在燃烧衬套310上游，并且可由叶片促动器604有选择性地加以控制，以调节进入预混合器304，306，308的空气的数量。叶片促动器604可至少部分地基于由涡轮发动机中的至少一个传感器所感测的一个操作参数而由控制器(例如，如参看图4所述的控制器404)进一步加以控制。在一个示例实施例中，燃烧器组件600可包括多个燃烧器组件，各燃烧器组件类似于燃烧器组件104。因而，为了平衡相应的燃烧器组件的操作，各燃烧器组件可具有带有导向叶片的单独的内部空气旁路回路。
图7示出了类似于如参看图3所述的燃烧器组件104的、包括一个或多个空气控制组件的燃烧器组件的另一示例实施例。在图7中所示的示例实施例中，燃烧器组件700可包括这样的空气控制组件，即，该空气控制组件构造为套管702、操作地连接在齿轮传动齿条704上以调节进入到燃料预混合器304，306，308中的空气流。在该示例中，在进入燃料预混合器304，306，308之前，可利用盖帽320来调节被引导到环形通道314上游的空气流。盖帽320可操作地连接到套管702上，该套管702又可操作地连接到齿轮传动齿条704上。套管702的运动可操作以有选择性地利用盖帽320遮盖空气流动路径或使其露出。由盖帽320遮盖或露出的程度可调节进入燃料预混合器304，306，308的空气数量。齿轮传动齿条704可至少部分地基于由涡轮发动机中的至少一个传感器所感测的一个操作参数而由控制器706(例如或类似于如参看图4所述的控制器404)加以控制。在一个示例实施例中，燃烧器可包括多个燃烧器组件，各燃烧器组件类似于燃烧器组件700。因而，为了平衡相应的燃烧器组件的操作，各燃烧器组件可具有带有套管的单独的内部空气旁路回路。
图8示出了用于改变与涡轮发动机中的燃烧器相关联的空气流的示例方法800的流程图。
该示例方法可在方框802处开始。在方框802处，从至少一个与涡轮发动机相关联的传感器中接收至少一个操作参数。至少一个传感器可定位在压缩机、燃烧器、涡轮中，或以另外的方式与涡轮发动机相关联。传感器可操作以感测涡轮发动机的至少一个操作参数。在一个示例实施例中，传感器可为一个或多个适当地定位的压力传感器以测量燃烧器和涡轮之间的压力损失。在示例实施例中可使用其它传感器以用于感测涡轮发动机的或与之相关联的其它操作参数。
方框802之后为方框804，在该方框804中，至少部分地基于该至少一个操作参数而有选择性地控制与燃烧器的空气路径相关联的空气控制组件。在方框802处从该至少一个传感器中接收的至少一个参数可提供给与该至少一个传感器连通的控制器。至少部分地基于所提供的该至少一个参数，控制器有选择性地控制空气控制组件以改变涡轮发动机中的空气流。在本发明的一个示例实施例中，控制器可使用该至少一个参数来计算与燃烧器相关联的有效流通面积，该有效流通面积可帮助确定用于有选择性地控制(多个)空气控制组件的适当的控制动作。在其它实施例中，可至少部分地使用可包括或不同于有效流通面积的其它操作参数，以确定(多个)空气控制组件的适当控制。
方法800可在方框804之后结束。
图9示出了用于涡轮发动机的燃烧器中的排放物的室水平控制的一个示例方法900的流程图。该示例方法900示出了闭环过程，该闭环过程可被执行以适合地改变燃烧器中的空气流，和/或调整涡轮发动机的燃烧器的操作以优化排放物。
该典型方法可在方框902处开始。在方框902处，从至少一个与涡轮发动机相关联的传感器中接收至少一个操作参数。定位在压缩机、燃烧器和/或涡轮中的、或以另外的方式与涡轮发动机相关联的至少一个传感器可感测涡轮发动机的至少一个操作参数或与之相关联的至少一个操作参数。在一个实施例中，示例传感器可包括(但不局限于)排气温度传感器、动态压力传感器、涡轮进口空气温度传感器、涡轮质量流量传感器、压缩机出口温度传感器、压缩机出口压力传感器、排放物传感器、火焰检测器、静态空气压力传感器、静态空气温度传感器、火焰光发射物传感器、电离检测器、环境空气温度传感器、功率计、德尔塔压力传感器、单点流体流量计以及紫外线传感器。
方框902之后为方框904，在该方框904中，可确定与燃烧器相关联的有效流通面积。在方框902处从该至少一个传感器中接收的至少一个参数可提供给与该至少一个传感器连通的控制器。控制器可操作以至少部分地基于由该至少一个传感器提供的至少一个参数而确定与燃烧器相关联的有效流通面积。在其它实施例中，可至少部分地使用可包括或不同于有效流通面积的其它操作参数，以确定(多个)空气控制组件的适当控制。
方框906接着方框904，在该方框906中，可至少部分地基于所确定的有效流通面积(和/或其它操作参数)调整燃烧器的操作。至少部分地基于在方框904处所确定的有效流通面积，控制器可操作以调整涡轮发动机的燃烧器的操作。在一个示例实施例中，可至少部分地基于所确定的有效流通面积由控制器有选择性地控制可操作地与涡轮发动机的燃烧器的空气路径相关联的空气控制组件。在一个示例中，在涡轮发动机的操作循环中由控制器所确定的有效流通面积可与包含有效流通面积的标准值的查阅表进行比较。至少部分地基于这种比较，控制器可有选择性地控制与控制器相连通的或以另外的方式与之相关联的一个或多个空气控制组件，以改变燃烧器的有效流通面积。这可能造成与燃烧器相关联的操作状态的变化，并且因此由涡轮发动机中的该至少一个传感器所感测的至少一个参数也改变，从该至少一个参数中进一步确定有效流通面积。因此，方框902接着方框906，并且该过程形成闭环，由此可反复或连续地感测涡轮发动机的操作参数，可重新确定有效流通面积和/或其它状态，并且例如可至少部分地基于重复的测量结果和空气控制组件的更改而连续和/或动态地调整涡轮发动机。
方法900可在方框906之后结束。
图10示出了根据一个实施例的控制涡轮发动机中的多个燃烧器的一个示例方法1000的流程图。在所示的实施例中，可执行该示例方法1000，以实现涡轮发动机的多个燃烧器中的空气流的动态调整和平衡。
该示例方法可在方框1002处开始。在方框1002处，从与涡轮发动机的第一燃烧器相关联的第一传感器中接收第一操作参数。第一燃烧器可包括至少一个第一传感器以感测第一燃烧器的操作状态。第一传感器的示例可包括(但不局限于)本文中所述的任何传感器。在操作循环的开始时，第一传感器可感测来自第一燃烧器的操作状态的至少一个第一参数。
方框1002之后为方框1004，在该方框1004中，从与涡轮发动机的第二燃烧器相关联的第二传感器中接收第二操作参数。第二燃烧器还可包括至少一个第二传感器，其可包括(但不局限于)本文中所述的任何传感器。在操作循环的开始时，第二传感器可操作以感测来自第二燃烧器的操作状态的至少一个第二参数。
方框1004之后为方框1006，在该方框1006中，可至少部分地基于第一操作参数而有选择性地控制与第一燃烧器相关联的第一空气控制组件。至少部分地基于由与第一燃烧器相关联的第一传感器所感测的第一操作参数，通过第一空气控制组件可启动控制动作以调整涡轮发动机的第一燃烧器的操作。在一个示例实施例中，在涡轮发动机的操作循环期间，控制器可使用第一传感器所感测的第一参数以确定与第一燃烧器相关联的有效流通面积。控制器还可操作以控制与第一燃烧器相关联的第一空气控制组件以调整和/或调节进入与第一燃烧器相关联的燃料预混合器中的空气流的数量。
方框1006之后为方框1008，在该方框1008中，至少部分地基于第二操作参数而有选择性地控制与第二燃烧器相关联的第二空气控制组件。在一个示例实施例中，至少部分地基于由第二传感器所感测的第二参数，控制器可在操作循环期间确定与第二燃烧器相关联的有效流通面积。控制器还可操作以通过有选择性地控制与第二燃烧器相关联的第二空气控制组件而控制和/或调整第二燃烧器的操作状态。
方框1008之后为可选的方框1010，在该方框1010中，至少部分地基于第一操作参数而调整第一燃烧器的操作特征(operating profile)。在方框1006处与第一燃烧器相关联的第一空气控制组件的有选择性的控制可改变涡轮发动机的第一燃烧器的操作状态，因而可调整第一燃烧器的操作特征以相对于该燃烧器和其它燃烧器中的空气流变化而平衡第一燃烧器中的空气流。
方框1010之后为可选的方框1012，在该方框1012中，至少部分地基于第二操作参数，以类似于参看方框1010所述的方式调整第二燃烧器的操作特征。
方法1000可在方框1012之后结束。
图11是与如参看图4所述的至少一个传感器402处于电气连通的示例控制器(例如，控制器404)的示意图。在本发明的一个实施例中，控制器404可为可编程序逻辑控制器(PLC)。控制器404包括用于从该至少一个传感器402中接收信号的输入—输出接口1102，例如传感器、网络端口等。此外，用户还可通过(多个)用户接口装置1104(例如，键盘、鼠标、控制面板或能够与控制器404来回传送数据的任何其它装置)与控制器404交互。进入控制器404的信号自输入—输出接口1102或用户接口装置1104起流过数据总线1106，并进入到控制器404的不同构件中。控制器404还包括执行高速操作的处理器1108。在本发明的一个实施例中，处理器1108可为高速处理器，以用于满足实时计算多个燃烧器组件的有效流通面积时的高速要求。控制器404还可包括存储器1110，该存储器1110例如储存程序控制逻辑1112(例如，软件)并可储存数据1114(例如，有效流通面积的值)。存储器1110还可包括操作系统1116，嵌入在控制器404中的程序可在该操作系统1116上运行。在本发明的一个实施例中，操作系统1116可为实时操作系统。处理器1108可利用该操作系统1116以执行程序控制逻辑1112，并且这样做时还可利用数据1114。此外，控制器404和由其所执行的程序控制逻辑1112可包括软件、硬件、固件或其任何组合。
燃料-空气平衡对于低排放燃烧系统而言是特别重要的。即使当燃烧器的结构上和尺寸特性随着时间的推移发生变化时，动态空气平衡允许燃烧器中的空气流的连续调整。进一步平衡供应给带有多个燃烧器的涡轮发动机中的多个燃烧器中的每一个的空气可降低峰值反应区温度并因此减少排放物。多个燃烧器中的每一个中的一致的或可调整的燃料-空气比可在不同的燃烧器上形成一致或期望的压力和温度分布，从而降低机械应力和热应力。
在这一点上，应该懂得的是，本文中所述的实施例可提供单独的室水平的燃烧监测和闭环控制，其允许对各单独的燃烧器组件中的空气流逐时地加以修整，以使外部和内部燃气涡轮系统变量专门适用于那种特定的燃气涡轮、场地以及负荷状态。通过容许非常低负荷调低并且发动机保持排放达标，独立的燃烧器控制可提供独特的益处。在各室中，燃烧器出口温度和操作模式可独立地变化，允许平均涡轮进口温度降低至运转备用水平(spinning reserve level)，同时一些燃烧器组件保持在对于符合排放水平而言所需的相对高的出口温度下。备选的燃烧器可在更稳定的模式中独立地操作，或者完全切断。
虽然已经结合目前被认为是最实用的各种实施例描述了本发明，但是应该理解的是，本发明并不局限于所公开的实施例，相反地，意在涵盖包括在附属权利要求的范围内的各种变型和等同布置。
该书面的描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还可使人们能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统并执行任何结合的方法。本发明可取得专利的范围限定在权利要求中，并且可包括其它示例。如果这些其它示例具有并非不同于权利要求的字面语言的结构元件，或者如果这些其它示例包括带有与权利要求的字面语言无实质差异的等同结构元件，则其意在权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种用于控制用于涡轮发动机(100)的燃烧器(104)的系统，包括：
空气控制组件(406)，所述空气控制组件(406)可操作地与用于涡轮发动机(100)的燃烧器(104)的至少一个空气路径相关联；
至少一个传感器(402)，所述至少一个传感器(402)可操作以感测所述涡轮发动机(100)的至少一个操作参数；和
控制器(404)，所述控制器(404)可操作以至少部分地基于由所述至少一个传感器(402)所感测的至少一个操作参数而有选择性地控制所述空气控制组件(406)。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述至少一个传感器(402)包括多个传感器(402)，并且其中，所述控制器(404)可操作以至少部分地基于由所述多个传感器(402)中的至少一个所感测的至少一个操作参数而有选择性地控制所述空气控制组件(406)。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述至少一个传感器(402)包括下者中的至少一个：排气温度传感器、动态压力传感器、涡轮进口空气温度传感器、涡轮质量流量传感器、压缩机出口温度传感器、压缩机出口压力传感器、排放物传感器、火焰检测器、静态空气压力传感器、静态空气温度传感器、火焰光发射物传感器、电离检测器、环境空气温度传感器、功率计、德尔塔压力传感器、单点流体流量计或紫外线传感器。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器(404)还可操作以至少部分地基于所述至少一个操作参数而确定与所述燃烧器(104)相关联的有效流通面积，并且还可操作以至少部分地基于由所述控制器(404)确定的有效流通面积而有选择性地控制所述空气控制组件(406)。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器(404)还可操作以在所述涡轮发动机(100)的操作期间确定与所述燃烧器(104)相关联的有效流通面积并至少部分地基于由所述控制器(404)确定的有效流通面积而调整所述燃烧器(104)的操作。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述控制器(404)可操作以至少部分地基于由所述控制器(404)确定的有效流通面积而有选择性地控制所述空气控制组件(406)从而调整所述燃烧器(104)的操作。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述燃烧器(104)包括第一燃烧器(104)，并且所述空气控制组件(406)包括可操作地与所述第一燃烧器(104)的空气路径相关联的第一空气控制组件(406)，所述系统还包括：
所述涡轮发动机(100)的第二燃烧器(104)；和
可操作地与所述第二燃烧器(104)的空气路径相关联的第二空气控制组件(406)；
其中，所述控制器(404)可操作以至少部分地基于由所述至少一个传感器(402)所感测的至少一个操作参数而独立于所述第二空气控制组件(406)而有选择性地控制所述第一空气控制组件(406)。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述空气控制组件(406)包括至少一个布置成接近所述燃烧器(104)的流套管(3 12)的套环(318)，并且其中，所述控制器(404)可操作以有选择性地调整所述至少一个套环(318)，从而通过改变与所述流套管(312)相关联的有效流通面积来改变通过所述流套管(312)的空气流。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述空气控制组件(406)包括定位在所述燃烧器(104)的环状部内的限制器，通过所述限制器空气可流动到至少一个燃料预混合器(304)或燃烧室(108)中，并且其中，所述控制器(404)可操作以有选择性地调整所述限制器，从而改变通过所述环状部的空气流。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述空气控制组件(406)包括至少一个布置成接近至少一个燃料预混合器(304)或燃料喷射器(116)的空气进口的罩盖，并且其中，所述控制器(404)可操作以有选择性地调整所述至少一个罩盖，从而改变通过所述至少一个燃料预混合器(304)或燃料喷射器的空气流。
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