CN1020206C - 燃气轮机燃烧室用的气体燃料分流装置 - Google Patents

Abstract

一个协调的阀门分流组件包括一个具有线性调整特性的主阀以及与之平行的具有等百分比调整特性的阀，以分配燃气轮机燃烧室主喷嘴及副喷嘴之间的燃料气。在一个实施例中，该两阀的协调工作是由两阀轴间的刚性连接来完成的。亦公布了成型凸轮及电子方式以控制操作该两阀的工作。

Description

本发明涉及燃烧室，特别是那些采用气态燃料的燃烧室，在这些燃烧室中气态燃料是在主区及付区与空气预混的，而燃烧只在付区内进行。

法律及环境方面的要求对发电装置的氧化氮（NOx）排放量采取了严格的限制。通常，在燃气轮机中，要求燃烧室有低的燃烧温度以降低氧化氮（NOx）排放量。先有技术采用相当极端的措施来降低氧伦氮的排放。例如，常规办法是给燃气轮机燃烧室内加入水或水蒸气以降低其中的反应温度。虽然这种方法至少在降低燃烧温度方面是部分有效的，但水或水蒸气的使用增添了计量燃烧室合适供给量的复杂性且降低了燃烧效率。

另一种降低燃烧温度的可能方法是选择性催化还原的办法，这种方法是使用一种催化剂以促使燃烧能在比常规可能情况更低的温度下进行。但是总的来说，催化剂是很贵的，并且依靠它们来得到有效的完全反应的技术是很复杂的。

还有一种可能性是这样的方法，亦是这种方法导致了本发明的，它是采用在燃烧之前把气态燃料和空气精确地预混起来，这种方法使得燃烧在较低的温度下进行从而使氧化氮及一氧化碳的排放量不断减少。

为获得低排放，要求气态燃料与空气的比例有极高的精确性。问题归结在那样的燃烧室中，那里的主混合区内供有空气及部分气态燃料，而在付混合区内供有空气及其余的气态燃料，燃烧只在付混合区内进行。在主混合区及付混合区都需要对燃料气进行准确的计量。另外，在主区及付区的燃料气的精确的比例分配对于低排放是很关键的。上述分配比例如有少许的百分误差，就足以使排放量达到不允许的水平。采用常规技术是难以达到这样的精度的。

本发明的一个目的就是要提供一种气态燃料计量系统，能够克服先有技术中的那些缺点。

本发明的进一步的目的是要提供一种气态燃料计量系统，该系统中给主区及付区供应气体燃料的两个阀门具有不同的阀门调节特性，从而这两个阀门的组合连同其上游的恒定流量阀门调节系统以及其下游的主喷嘴及付喷嘴特性一起，能够提供要求的精度。

本发明进一步的目的是要提供一种双联的气体燃料的阀门调节系统，该系统包括了独立的两个阀门以调节到主燃料气喷嘴及付燃料气喷嘴的燃料气，而这两阀是联系在一起靠一个执行机构来操作的。

本发明进而另一个目的是要提供一种双联的气体的阀门调节系统，这个系统能在运行范围内对供给主混合区及付混合区的气体燃料实现基本上为线性的比例分配。

本发明进而另一目的是要将一个线性调节的气体燃料阀与另一个等百分比调节的气体燃料阀组合在一起，通过上述第一个阀将气体燃料从共有的燃料供应源输往一个或多个第一个气体燃料喷嘴，而第二个阀是把燃料输往第二气体燃料喷嘴，且上述 第一个及第二个阀是在机械上或以电的方式联系在一起协调工作。

简言之，本发明提供了一套协调工作的阀门分流系统，该系统由一个线性调节的主阀及另一个与主阀相并联的等百分比调节的阀所组成，对供给燃气轮机燃烧室内的主喷嘴及付喷嘴的气体燃料之间进行分流。在一个实施例中，上述两阀的协调动作是由阀轴间的刚性连接所实现的。另外，本发明亦公布了采用成型凸轮或电子的方法来实现该两阀的协调工作。

按本发明的一个实施例，为燃气轮机燃烧室提供了一个气体燃料分流装置，该燃烧室具有至少一个主喷嘴及至少一个付喷嘴，该分流装置包括有：

截止、速比及控制阀，由它们供给受到调节的气体燃料流;一个协调的阀门分流系统，该系统包括有一个主分流阀以给至少一个主喷嘴供给上述受到调节的气体燃料流的一部分燃料，该系统又包括有一个与主分流阀并联的付分流阀，由该付分流阀给至少为一个的付喷嘴供给上述受调节的气体燃料的剩余部分燃料，主分流阀及付分流阀包含不同的第一及第二阀门调节特性;以及使该主分流阀及付分流阀的协调工作的方法。

参阅以下的说明并结合附图，本发明的上述及其它目的、特点及优点就很清楚了。附图中所标明构件的数码与文中所标是一致的。

图1是燃气轮机燃烧室的一个草图，它采用常规的三通分流阀以给主喷嘴及付喷嘴按比例分配气体燃料。

图2是燃气轮机燃烧室的一个草图，它采用并联的阀门及控制系统以对燃烧室的主、付喷嘴按控制的气体燃料比例供给燃料。

图3是按本发明的一个实施例的燃气轮机燃烧室的草图，它采用了一对并联的阀门以给燃烧室的主、付喷嘴供给燃料气。

图4是一条曲线，它表示了两个比例调节性阀门的阀门位置与气体流量的关系。

图5的曲线表示阀门位置与气体流量的关系，其中主分流阀具有线性的调节特性而付流阀具有等百分比调节特性。

图6是按本发明的一个实施例的阀门间及其和执行机构的机械关系。

现参照图1，10是总的表示先有技术的常规燃气轮机（没有另外表示）的一个燃烧室。气体供应管12将燃料气体馈至一套常规的截止、速比及控制阀组14。三通分流阀16将燃料按比例分配给一组主燃料喷嘴18及一个付燃料喷嘴20，18及20分别将燃料气馈至主混合区22及付混合区24。除了已表示的各个构件之外，燃烧室10亦包括了用于向主混合区22及付混合区24供给受控的燃烧用空气流以及使燃料及空气在燃烧之前充分混合（特别是在主混合区22内）的常规装置（图中未画出）。

气体燃料预混系统对上述主、付喷嘴流量分配比的变化是很敏感的，而且只有在很窄的允许的工作区内才能提供最佳性能。

图1的系统的优点是它只用了一套现有的截止、速比及控制阀组14，而这样的阀组的性能是经过充分试验、彻底了解的。但是，如同所有的气体燃料喷嘴一样，主燃料喷嘴18及付燃料喷嘴20实质上是非线性的，所以喷嘴的流量特性就成为该系统的压力/流量特性的主导因素了，这样一来，三通分流阀16就必须对主、付喷嘴所引起的奇特的压力/流量特性作出响应及校正。结果，采用这种方法来控制主燃料喷嘴18及付燃料喷嘴20之间的流量分配并不能达到污染物排放的大量减少。

参见图2，表示控制主燃料喷嘴18及付燃料喷嘴20的燃料气流量的又一种先有技术，气体燃料供应管12把燃料气输送到一套主阀组即截止、速比及控制组26去，从而控制了到主燃料喷嘴18去的燃料气流量，12亦把燃料气送到另一套付的截止、速比及控制阀组28去、以控制到付燃料喷嘴20去的燃料流量。图2的系统为各个控制组提供了基本上是线性的特征。但是对主付喷嘴组之间的流量分配的控制总是依速于对主及付喷嘴的气体燃料量的监测。这样，燃料分流的准确度就取决于该两个控制阀组的控制系统的精度及响应速度。众所周知，控制系统不能即刻响应，且它们的响应会随时而变化。这种速度及响应随时变化的缺点足以阻碍燃气轮机在所需的低排放量水平下运行。除了上述的精度问题之外，这种并行系统的方法还招惹起控制系统的复杂性及费用高的问题。此外，测量用的计量管要求管路长而直，这限制了系统的结构布置且通常费用也大。

参照图3，载止、速比及控制阀组14给一套 协调的阀门分流组件30提供了受控制的气体燃料流，分流组件30自动地为主燃料喷嘴18及付燃料喷嘴20之间提供所要求的气体燃料分流，主分流阀32从Y形管道34的一个出口端接受气体燃料而将气体燃料馈至主燃料喷嘴18。主流量计36用来计量馈至主燃料喷嘴18的气体燃料量。付分流阀38从Y形管道34的第二出口端接受气体燃料而将气体燃料馈至付燃料喷嘴20。通过付分流阀38的气体燃料流量并不必测量，当然，测量其流量也许有用，特别是当发明的研制阶段。付分流阀38的控制轴40是和控制轴42刚性地协调工作的，例如采用刚性的机械连接44。

主分流阀32及付分流阀38的调节特性即阀的位置与流量间的关系对于协调的阀门分流组件30的运行性能好坏是很关键的。计算表明，如果主分流阀32及付分流阀38都选择线性特性，就会得到如图4所示的主气体燃料流量及付气体燃料流量。对于主燃料喷嘴18，在其流量超过百分之七十即最为重要的高流量范围时，两个流量曲线的斜率很陡，亦即阀门移动很少就会引起供给两套喷嘴的流量有急剧的变化，而这就造成可控性能很差。实际上，这种方案的可控性能是如此之差以没致法达到所需的燃料分配精度要求。这里所述的阀门调节特性是指阀轴位置与通过阀的气体流量的关系。

我们发现，协调的阀门分流组件30如采用混合的阀门特性，则能使协调的阀门分流组件30给出近于最佳的控制燃料分配的特性。参照图5，它给出了这样的协调的阀门分流组件30的主燃料流量与付燃料流量间的分配关系，这个组件30的主分流阀32是线性特性的而付分流阀38是等百分比特性的。如这里所采用的等百分比的阀是这样的，对应于阀门行程的相等增量，流量发生等百分比的变化，从而使任何情况下差压都是相等的。那也就是，在低流量情况下，所给的阀门位置改变量只引起流量的少量改变，而反之在大流量情况下，同样的阀门位置改变量将会引起流量的较大的变化。

在图5中可以看到，在流量大于百分之七十的重要流量范围中的流量变化与在协调的阀门分流组件30中两个分流阀都采用线性特性时的流量变化相比是平滑、浅平且基本上为线性的。

协调的阀门的分流组件30按其概念所带来的主要优点之一是其简单性。参照图6，所得的硬件的简单性是清楚明了的。在这实施例中，刚性机械连接器44是这样的相向连接器，它将控制轴40及42与一个双端液压缸体连接起来。该双端液压缸体可由常规的加压流体源来驱动以使与之相连接的控制轴40及42产生位移。控制轴40及42的位置由普通的位置反馈装置46，例如线性变量微分变压器来检测。位置反馈装置46的输出被馈至普通的控制系统以将控制轴40及42的实际位置与要求位置作比较。将比较所得的误差放大用于使加压流体作用于刚性机械连接器44内的双端液压缸体，以减少该误差（在某种意义上）。

对于熟悉本专业的技术人员来讲以下是明显的，为了得到靠上述实施例的装置所达到的一样的结果，也可以采用其它的构件。例如，用于付分流阀38的等百分比特性可以是模拟的而不是靠其阀本身型面建立的，完成这种模拟的方法之一是采用成型凸轮，该凸轮操纵主分流阀32及付分流阀38的工作，靠凸轮的形状以及各阀本身的调节特性一起来产生一套符合要求的系统阀门调节特性，主分流阀32及付分流阀38都可以是具有线性的调节特性，而凸轮的形状可以维持主分流阀32的线性特性而使付分流阀38模拟成一个等百分比的调节特性。

进一步的可能性还包括给控制轴40及42分别单独采用液压执行机构（未表示）且采用电子控制系统，该系统能有效地给出该液压执行机构的控制特性以得到与上述的两个阀门调整特性等效的特性。从概念上讲，通过刚性机械连接44直接连接控制轴40及42，是和采用成型凸轮来协调的方法以及采用外部的电子控制线路来协调的方法等价的。

有关的专业技术人员都知道，液压执行机构只是为使控制轴40及42工作的各种等效的动力驱动执行机构的一种，其它的动力源诸如电动马达或气动执行机构都应该是属于本发明的精神与范围之内的。

参照附图说明了本发明的最佳实施例之后，应该理解到，本发明并不限于那些具体的实施例，并且在不背离如权利要求中明确了的本发明的精神与范围的条件下熟练的专业技术人员可以作出种种改变及修改。

Claims (2)

1、一种燃气轮机燃烧室用的气体燃料分流装置，所述燃烧室至少包括一个主喷嘴(18)和至少一个副喷嘴(20)，其特征在于，包括：

一套截止、速比及控制阀组(14)，以供给受控的所述气体燃料流；

一个协调的阀门分流组件(30)，以接受所述受控的气体燃料流；

所述协调的阀门分流组件(30)包括有一个主分流阀(32)，以将上述受控的燃料流的一部分馈给所述的至少一个主喷嘴(18)；

所述协调的阀门分流组件(30)还包括一个与上述分流阀(32)并联的副分流阀(38)，以将上述受控的燃料流的剩余部分馈至至少一个副喷嘴(20)；

所述主分流阀(32)及副分流阀(38)包括不同的第一及第二阀门调整特性；

所述第一及第二阀门调整特性之一是线性的；

所述第一及第二阀门另一调整特性是等百分比的；

协调所述主分流阀及副分流阀工作的装置(44)。

2、根据权利要求1所述的气体燃料分流装置，其特征是：

所述协调工作的装置（44）包括在上述主分流阀及副分流的控制轴（40，42）之间的一种机械式连接。

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