CN101936223A - 用于减轻燃料系统瞬变的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于减轻燃料系统瞬变的系统。具体而言，本发明采用一种形式的系统，其可减小燃料系统的瞬变影响。实质上，本发明的实施例将压力控制单元(PCC)与燃料系统相结合。PCC可视作为附加容积，该附加容积在瞬变事件期间除去保持在燃料系统中的一些燃料。在瞬变事件期间，当燃料回路需要快速减少燃料时，可容许燃料离开燃料系统的歧管且进入PCC。现在，该燃料可储存在PCC内，且对于燃烧管不再可用。本发明的益处可以是减小了转子速度不合需要地增大以及贫燃料熄火事件的可能性。

Description

用于减轻燃料系统瞬变的系统

相关申请

本申请涉及于2009年6月29日提交的共同转让美国专利申请12/493716[GE案号239283]。

技术领域

本申请主要涉及与燃烧过程相关的燃料系统；并且更具体地涉及一种用于减轻燃料系统上的瞬变影响(效应)的系统。

背景技术

燃料系统与种类宽泛的机器燃烧过程相关。燃料系统通常用于将燃料例如但不限于天然气输送给燃烧过程。燃料系统通常包括共同地控制通向燃烧过程的燃料流的歧管和阀。燃料系统还可控制供给阀的燃料的压力。阀可用作对通向燃烧过程的气体流的主控制。

涡轮机为具有燃烧过程的机器的非限制性实例。一些涡轮机，例如但不限于燃气轮机、航改涡轮等，具有多个燃料系统，该燃料系统具有至少一个燃烧管(can)。这些燃料系统将燃料传送到燃烧管中。

对于涡轮机的瞬变要求，包括在瞬变事件之后的继续工作，正变得日益需要。在瞬变事件期间，通向燃烧过程的燃料流可快速地减少。瞬变可包括但不限于抛负载、快速甩负载等。这可增大涡轮机转子不可接受的高速的可能性。高转子速度可能起因于在燃料流快速减少之后保持在阀下游的燃料造成。该燃料由燃烧过程消耗，且可导致转子速度增大。在瞬变事件期间，对通向燃烧过程的燃料流的控制基本上滞后于所期望的响应。

在影响燃料系统的瞬变期间，公知的控制策略通常涉及：a)使火焰锚定在可维持后瞬变状态的燃料回路中；以及b)如果可适用的话，快速减少通向其它燃料回路的燃料流。该策略涉及快速减少总燃料流，同时努力避免燃烧管的贫燃料熄火(blowout)。由于剩余在燃料回路中的气体燃料的体积可压缩，故燃料在快速减少之后，可继续有大量的燃料流通向燃烧过程。在瞬变事件之后，这些剩余的燃料燃烧，可驱动涡轮机朝向超速状态，且还可增加通向燃烧管的空气流，这会导致贫燃料熄火。

在瞬变事件期间使用公知的系统和控制原理存在一些缺点。公知的系统可具有在瞬变事件期间响应相对缓慢的燃料系统。此外，一些公知的系统在瞬变期间会容许太多空气进入涡轮机中，从而增大了贫燃料熄火的风险。

出于上述原因，期望的是可有一种用于减轻燃料系统上的瞬变影响的系统。该系统应当容许在瞬变事件期间较快的燃料系统响应。该系统还应当减小超速状态和贫燃料熄火的风险。

发明内容

根据本发明的实施例，一种用于减轻由燃料系统所经历的瞬变的系统，该系统包括：构造成用于将燃料传送给燃烧过程的主燃料回路，其中，该主燃料回路包括构造成用于控制燃料流动的阀，以及构造成用于将燃料分配给燃烧过程的构件的主歧管，其中，该主歧管定位在阀的下游；以及构造成用于在燃料系统瞬变期间减小主歧管内压力的压力控制单元(PCC)；其中，PCC在燃料系统瞬变期间除去主歧管内的部分燃料，且减轻燃料系统上的燃料系统瞬变影响。

根据本发明的另一实施例，一种用于减轻由涡轮机所经历的瞬变的系统，该系统包括涡轮机，该涡轮机包括燃烧管和适于将燃料传送到燃烧管中的燃料系统，其中，该燃料系统包括：构造成用于将燃料供给燃烧管的第一燃料回路，其中，该第一燃料回路包括构造成用于控制燃料流动的装置，以及构造成用于将燃料分配给燃烧管的构件的第一歧管，其中，第一歧管定位在该装置的下游；以及压力控制单元(PCC)，其构造成用于在燃料系统瞬变期间减小第一歧管内的压力，其中，PCC在燃料系统瞬变期间除去主歧管内的部分燃料，且减轻燃料系统上的燃料系统瞬变影响。

附图说明

图1为示出本发明实施例的操作环境的简图。

图2为与图1中所示的涡轮机相关的燃料供送系统的实例的简图。

图3A至图3C共同组成图3，为示出在瞬变事件期间图2中所示的燃料供送系统的工作实例的曲线图。

图4为示出根据本发明实施例的与燃料供送系统形成一体的压力控制单元系统的实施例的简图。

图5A至图5C共同组成图5，为示出根据本发明实施例的图4中的压力控制单元系统在瞬变事件期间的工作实例的曲线图。

零件清单

100涡轮机

110压缩机段

120多个燃烧管

125燃料喷嘴

130涡轮段

135流动通路

140过渡段

160燃料供送系统

170负载

180操作数据

190涡轮控制系统

200停止阀

205中间容积

207主回路

210控制阀

215主歧管

217附加回路

220附加歧管

223压力控制单元系统

225第一PCC阀

230第二PCC阀

235第三PCC阀

240压力控制单元(PCC)

245吹洗源

250燃料排放装置(discharge)

300图表

305速度1数据序列

310图表

315RF_1数据序列

320AF_1数据序列

323TF_1数据序列

325图表

330PS_1数据序列

335AS_1数据序列

500图表

505速度_2数据序列

510图表

515RF_2数据序列

520AF_2数据序列

525TF_2数据序列

530图表

535PS_2数据序列

540AS_2数据序列

545PCC_S数据序列

具体实施方式

本文所使用的一些用语仅是为了方便，而并非作为对本发明的限制。例如，用词如″上″、″下″、″左″、″前″、″右″、″水平″、″垂直″、″上游″、″下游″、″前部″、″后部″、″顶部″、″底部″、″上部″和″下部″仅是描述附图中所示的构造。实际上，构件可沿任何方向定向，且因此用语应当理解为包含这些变型，除非另作规定。

如文中所用，以单数形式记载且冠以″一″或″一个″的元件或步骤应当理解为未排除复数个元件或步骤，除非明确地指明此类排除。此外，参看本发明的″实施例″并非意图排除结合所述特征的其它实施例。

本发明所采用的系统形式可减小燃料系统的瞬变影响。以下描述将集中于与涡轮机(例如但不限于具有燃烧管的燃气轮机)的燃料系统形成一体的本发明的实施例。本发明的其它实施例可与需要减轻瞬变事件影响的其它燃料系统形成一体。

实质上，本发明的实施例使压力控制单元(PCC)与燃料系统相结合。PCC可视作为附加容积，其为在瞬变事件期间除去保留在燃料系统中的一些燃料的系统部分。在瞬变事件期间，当燃料回路需要快速减少燃料时，可容许燃料离开燃料系统的歧管且进入PCC中。现在，该燃料可储存在PCC内且对于燃烧管不再可用。本发明的益处可以是减小了不合需要地增大转子速度的可能性，以及免于发生贫燃料熄火事件。

现参看附图，其中，各个标号在所有各个视图中表示相似的部分和/或元件，图1为示出本发明实施例的操作环境的简图。在图1中，涡轮机100包括：压缩机段110；燃烧系统的多个燃烧管120，其中，各个管120均包括燃料喷嘴125；涡轮段130；以及通向过渡段140的流动通路135。燃料供送系统160可将燃料(例如但不限于天然气)提供给燃烧系统。

通常，压缩机段110包括多个入口引导导叶(IGV)以及构造成用以压缩流体的多个旋转叶片和静止导叶。多个燃烧管120可联接到燃料供送系统160上。在各燃烧管120内，压缩空气和燃料混合、点燃并在流动通路135内消耗，从而产生工作流体。

工作流体的流动通路135通常始自燃料喷嘴125的后端，向下游穿过过渡段140而进入涡轮段130中。涡轮段130包括多个旋转构件和静止构件(二者均未示出)，这些构件将工作流体转换成机械转矩，该转矩可用于驱动负载170，例如但不限于发电机、机械驱动装置等。负载170的输出可由涡轮控制系统190等用作控制涡轮机100操作的参数。排气温度数据180也可由涡轮控制系统190等用作控制涡轮机100操作的参数。

图2为与图1中所示的涡轮机100相关的燃料供送系统160的实例的简图。燃料供送系统160的实例包括停止阀200，其具有接收燃料的上游端。停止阀200通常调节燃料供送系统160的压力。停止阀200的下游端可直接或间接地连接到中间容积205的上游端上，该中间容积205可称为″P2容积″。中间容积205和停止阀200可操作地用作燃料供送系统160的压力调节器。

燃料回路可视作为在燃料供送系统160内的将燃料传送到燃料喷嘴125的构件和结构。如图2中所示，一些涡轮机100可包括多个燃料回路。本发明并不期望局限于包括多个燃料回路的涡轮机100。本发明的实施例可结合包括单个燃料回路的涡轮机100使用。此外，本发明并不期望局限于在涡轮机100上使用。本发明的实施例可应用到包括单个或多个燃料回路的任何机器上。

图2示出了燃料供送系统160的主回路207的非限制性实例。这里，主回路207可包括控制阀210和主歧管215。控制阀210可接收来自于中间容积205的燃料。控制阀210还可控制进入歧管215的燃料流，主歧管215通常用于将接收到的燃料分配给一些燃料喷嘴125。

附加回路217可具有与主回路207相似的总体构造。这里，附加回路217可包括控制阀210和附加歧管220。如上文所述，控制阀210可控制燃料进入附加歧管220的流动，该附加歧管220通常用于将接收到的燃料分配给燃烧管120的一些燃料喷嘴125。

通常，包括多个燃料回路的涡轮机100可采用燃料分级处理，其中，燃料分级处理实质上将燃料引导到处于特定操作范围的指定回路。例如但不限于，主回路207对于大多数负载范围而言可接收燃料，而(多个)附加回路217仅可在较高负载范围期间接收燃料。此外，可存在两个燃料回路207，217均接收燃料时的操作范围，例如但不限于基本负载操作。

图3A至图3C共同组成图3，为示出在瞬变事件期间图2中所述的燃料供送系统160的操作实例的曲线图。瞬变事件可由涡轮控制系统190检测。主回路207和附加回路217的控制阀190开始闭合，以减少燃料流。当出现此种情况时，主歧管215和附加歧管220内的压力由于燃料流经由与燃料喷嘴125相关的喷嘴有效面积(effective area)离开歧管215，220而减小。燃料流由歧管与燃烧管120之间的压力差驱动。

控制系统190还以减小转子速度不合需要地增大的可能性为目标来控制燃料流。转子速度不合需要地增大趋于驱动更多空气流，导致燃料/空气(F/A)比减小，这会更可能造成燃烧系统的贫燃料熄火。因此，通过减小转子速度的增加量，可显著地减小贫燃料熄火事件的可能性。

图3共同地示出了在瞬变事件期间涡轮机100的操作参数对时间的关系曲线。这些操作参数通常可视作为操作数据180。图3的水平时间轴线包括三个特定时段，其相继次序为：T(0)、T(1)和T(2)。T(0)可视作为发生瞬变事件时的时间。T(1)可视作为涡轮控制系统190响应瞬变事件时的时间。T(2)可视作为涡轮机100达到几乎稳定状态操作时的时间。

图3A为示出涡轮机100的转子速度对时间的图表300。这里，转子速度由速度_1数据序列305表示。图3B为示出涡轮机100的燃料流对时间的图表310。这里，主歧管215的燃料流由PF_1数据序列315表示；附加歧管220的燃料流由AF_1数据序列320表示；以及总燃料流由TF_1数据序列323表示。图3C为示出涡轮机100的控制阀行程对时间的图表325。这里，主回路207和附加回路217的控制阀210的位置分别由PS_1数据序列330表示；而附加歧管220的燃料流由AS_1数据序列335表示。如整个图3所示，转子速度刚好在涡轮控制系统190开始响应瞬变事件之后极大地增大。在时间T(1)，转子继续加速，但燃料流和控制阀行程减小。如本文所述，转子这样继续加速可能是由于保持在燃料供送系统160的(多个)歧管中的燃料造成的，该燃料然后在燃烧管120中燃烧。

图4为示出根据本发明实施例的与燃料供送系统160形成一体的压力控制单元系统223的实施例的简图。压力控制单元系统223的实施例可与多种燃料供送系统160形成一体，包括未在图2和图4中示出的那些。以下描述集中在与图2和图4中所述的燃料供送系统160形成一体的压力控制单元系统223的非限制性实施例上。

实质上，本发明的实施例将独立的容积、主控制单元(PCC)240与燃料供送系统160形成一体。进入和离开PCC 240的燃料流可由至少一个阀控制。PCC 240可首先填充流体，例如但不限于惰性气体、空气或它们的组合；处于接近外界环境的压力。在瞬变事件期间，本发明的实施例可容许燃料从燃料歧管流到PCC 240。

本发明的实施例可提供控制进入PCC 240中的流动的阀，该阀的有效面积相比于燃料喷嘴125的大得多。该特征可容许相应的歧管压力比其它公知的系统降低得相对更快。该特征还可容许PCC 240中的压力增大，而燃料歧管的压力减小。现在处于PCC 240内的燃料体积可视作为不再可用于加速转子的能量。本发明的附加益处在于，减小转子加速度还可使最大空气流减小，从而降低贫燃料熄火事件的可能性。在已经达到涡轮机100的稳态条件之后，来自于附加容积的燃料可经由燃料排放装置250缓慢地排放。

回头参看图4，压力控制单元系统223的实施例可包括：第一PCC阀225、第二PCC阀230、第三PCC阀235、主控制单元(PCC)240、吹洗源245，以及燃料排放装置250。第一PCC阀225通常用于使压力控制单元系统223与燃料供送系统160隔离开。具体而言，在本发明的实施例中，第一PCC阀225可控制燃料离开附加歧管220并进入PCC 240的流动。第二PCC阀230通常用于将PCC 240与吹洗源245隔离开。具体而言，在本发明的实施例中，第二PCC阀230可控制吹洗流体离开吹洗源245并进入PCC 240的流动。第三PCC阀235通常用于将PCC 240与燃料排放装置250隔离开。具体而言，在本发明的实施例中，第三PCC阀235可控制燃料离开PCC 240并进入燃料排放装置250的流动。

PCC 240基本上用作收容歧管内的过多燃料的临时容积，该歧管例如但不限于燃料供送系统160的主歧管215或附加歧管220。如本文所述，该种过多的燃料可为瞬变事件的结果。PCC 240的尺寸可定制成用以支持特定的燃烧系统。例如但不限于，特定燃烧系统可要求具有包括范围从大约5立方英尺至大约25立方英尺的容积的PCC240。

压力控制单元系统223可容许第一PCC阀225多次开启至有效面积大于燃料喷嘴125的有效面积。该特征可容许可导致超速事件的大部分过多燃料传递到PCC 240的容积中。

吹洗源245可将吹洗流体提供给PCC 240，其中，吹洗流体例如但不限于惰性气体、空气或它们的组合。这可提供具有多种益处的压力控制单元系统223。当第二PCC阀230开启时，吹洗源245可容许吹洗流体驱使燃料离开PCC 240。另外，吹洗流体可用于在吹洗燃料之后清洁或吹扫PCC 240。这可有助于使压力控制单元系统223备于将来使用。

燃料排放装置250通常容许PCC 240内的大多数流体离开压力控制单元系统223。当第三PCC阀235开启时，PCC 240内的燃料和/或吹洗流体将流出。燃料排放装置250可为类似于通风系统的形式。在本发明的实施例中，燃料排放装置250可包括涡轮机100系统的构件。这里，燃料排放装置250可包括但不限于涡轮机100的排气系统和/或压缩机入口系统。

在使用中，压力控制单元系统223可首先利用吹洗流体来冲洗PCC 240。然后，PCC阀225，230和235可处于闭合位置，而涡轮机100可在正常模式下操作。

如本文所述，由涡轮控制系统190对瞬变事件的响应可略微延迟，直到接收到关于瞬变事件的操作数据180和/或直到涡轮控制系统190可检测转子加速度和转子速度的增大。在检测瞬变事件之后，涡轮控制系统190可调整主回路207和附加回路217的各控制阀210的位置。例如但不限于，主回路207的控制阀210可开启，以便以降低贫燃料熄火事件的机率为目标来锚定火焰。几乎与此同时，(多个)附加回路217的(多个)控制阀210可采用以减小燃料流和控制转子速度为目标而闭合。

接下来，在主回路207锚定火焰之后，压力控制单元系统223可开启第一PCC阀225。如本文所述，第一PCC阀225的实施例可为有效面积相比于燃料喷嘴125有效面积大很多的阀。这可容许保持在附加歧管220中的过多燃料流入PCC 240中。如本文所述，这可防止过多燃料在附加歧管220中燃烧。

接下来，当涡轮机100达到相对稳定的状态条件时，对于PCC 240和附加歧管220的压力可大致等于压缩机的排放压力。然后，第一PCC阀225可闭合，而第三PCC阀235可开启，以容许PCC 240内的燃料朝向燃料排放装置250流动。然后，第二PCC阀230可开启，而第一PCC阀225可闭合。这可容许吹洗源245的吹洗流体在PCC 240内朝向燃料排放装置250冲洗燃料。

接下来，当PCC 240内的压力已减小到所期望的量时，第二PCC阀230和第三PCC阀235然后可闭合。这可将压力控制单元系统223构造/重置为正常状态。

图5A至图5C共同组成图5，为示出根据本发明实施例的图4中的压力控制单元系统223在瞬变事件期间的操作实例的曲线图。图5共同示出了在瞬变事件期间涡轮机100的操作数据180对时间的关系曲线，该瞬变事件发生在配备有本发明的压力控制单元系统223的实施例的涡轮机100上。图5中的水平时间轴线包括三个特定时段，其相继次序为：T(0)、T(1)和T(2)。T(0)可视作为发生瞬变事件时的时间。T(1)可视作为涡轮控制系统190响应瞬变事件时的时间。T(2)可视作为涡轮机100达到几乎稳定状态的操作时的时间。

图5A为示出涡轮机100的转子速度对时间的图表500。这里，转子速度由速度_2数据序列505表示。图5B为示出涡轮机100的燃料流对时间的图表510。这里，主歧管215的燃料流由PF_2数据序列515表示；附加歧管220的燃料流由AF_2数据序列520表示；以及总燃料流由TF_2数据序列525表示。图5C为示出涡轮机100的控制阀行程对时间的图表530。这里，主回路207和附加回路217的控制阀210的位置分别由PS_2数据序列535表示；而附加歧管220的燃料流由AS_2数据序列540表示。图5C还示出了表示为PCC_S数据序列545的第一PCC阀225的位置。

本发明实施例的益处通过图3和图5的相似比较而简单地示出。如整个图5中所示，在比较图3A和图5A时，转子速度增大在T(1)处明显较小。这可表示由附加回路217所燃烧的燃料减少。另外，如通过比较图3B和图5B所示，总燃料流几乎等于在压力控制单元系统223的实施例下显著较快的主回路207的燃料流。

尽本发明已经仅关于其一些示例性实施例而非常详细地进行了显示和描述，但本领域普通技术人员应当理解的是，申请人并非意图使本发明限于这些实施例，因为在实质上不脱离本发明的新颖教导内容和优点的情况下，尤其是鉴于以上教导内容，可作出各种修改、省略和添加。

因此，申请人意图涵盖可包括在如所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有这些修改、省略、添加，以及等同方式。例如但不限于，图2和图4仅示出一个附加回路217。本发明的其它实施例可结合包括更多附加回路217的燃料供送系统160。作为另一个实例，但不限于，图2和图4示出了结合附加回路217的压力控制单元系统223。本发明的其它实施例可将压力控制单元系统223与主回路207相结合。此外，本发明的其它实施例可使一个PCC 240与燃料供送系统160的多个歧管相结合。作为备选，本发明的其它实施例具有构造成每个歧管都含有一个PCC 240的燃料供送系统160。

Claims (10)

1.一种用于减轻由燃料系统(160)所经历的瞬变的系统，所述系统包括：

主燃料回路(207)，其构造成用于将燃料传送给燃烧过程(110，120)，其中，所述主燃料回路(207)包括：

构造成用于控制所述燃料流动的阀(210)；以及

构造成用于将所述燃料分配给所述燃烧过程(110，120)的构件的主歧管(215)；其中，所述主歧管(215)定位在所述阀(210)的下游；以及

压力控制单元(PCC)(240)，其构造成用于在燃料系统瞬变期间减小所述主歧管(215)内的压力；

其中，所述PCC(240)在所述燃料系统瞬变期间除去所述主歧管(215)内的部分所述燃料并减轻所述燃料系统瞬变对所述燃料系统(160)的影响。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在所述主歧管(215)的上游，所述主燃料回路(207)还包括：停止阀(200)；控制阀(210)；以及定位在所述停止阀(200)与所述控制阀(210)之间的中间燃料容积(205)。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述PCC(240)与所述主歧管(215)形成一体。

4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述系统还包括副回路(217)，其中，所述副回路(217)包括：副歧管(220)，其构造成用于接收指定为用于所述副回路(217)的部分所述燃料；以及副阀(230)，其构造成用于控制所述燃料流动且定位在所述副歧管(220)上游。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述PCC(240)与所述副歧管(220)形成一体。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述PCC(240)与吹洗源(245)形成一体，该吹洗源(245)构造成用于移除来自所述PCC(240)的大多数所述燃料。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述吹洗源(245)包括含有流体的储器(245)。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统还包括燃料排放装置(250)，所述燃料排放装置(250)构造成用于排放从所述PCC(240)吹洗的燃料。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述系统还包括PCC回路(223)，所述PCC回路(223)包括：PCC；定位在所述主歧管(215)与所述PCC(240)之间的第一PCC阀(225)；定位在所述吹洗源(245)与所述PCC(240)之间的第二PCC阀(230)；以及定位在所述燃料排放装置(250)与所述PCC(240)之间的第三PCC阀(235)。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括构造成用于控制所述PCC(240)的操作的涡轮控制系统(190)。

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