CN102383941A - 用于确认燃气涡轮机中的点火的系统、方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明的某些实施例可包括用于确认燃气涡轮机(152)中的点火的系统、方法和设备。根据本发明的示例实施例，提供方法用于确认与燃气涡轮机燃烧室(138)关联的点火。该方法可以包括：接收与一个或多个燃气流控制阀(130)关联的一个或多个许可信号(204-210)，接收一个或多个燃料供应压力信号(226)，接收一个或多个燃料点火器信号(230)，以及接收一个或多个压缩机压力排放(CPD)信号(214)。该方法还可包括至少部分基于该一个或多个许可信号(204-210)、该一个或多个燃料供应压力信号(226)、该一个或多个燃料点火器信号(230)和在该一个或多个CPD信号(214)中的符合条件的变化(220)确定与该燃气涡轮机燃烧室(138)关联的点火状态。该方法还可以包括基于该确定的点火状态输出点火状态信号(232)。

Description

用于确认燃气涡轮机中的点火的系统、方法和设备
技术领域
本发明大体上涉及燃气涡轮机，并且具体地涉及用于确认燃气涡轮机中的点火的系统、方法和设备。
背景技术
燃气涡轮机在商业上用于向各种商业应用提供动力。例如利用小型环形涡轮机以向航空器提供推力，并且较大的环管式燃烧室涡轮机可以例如在电力生产设施中使用以发电。
典型的涡轮机由燃烧例如油或燃气等燃料的燃烧器或一组燃烧器供给动力。在商业设施中，可存在在单个燃烧室内操作的多个燃烧器。控制系统可与涡轮机燃烧器和燃料供应系统联合使用以维持安全和最优运转条件。例如，在起动或关闭期间，燃烧器可需要与燃料流协调点火或熄灭以维持安全。根据涡轮机负载选择性地打开或关闭燃烧器以维持使用效率可也是可取的。因此，在任何给定时间知道燃烧器是打开还是关闭的以维持控制系统和燃料供应的适合运转是重要的。
还可以出现某些可靠性问题，例如由于当燃烧系统的一个或多个管未能点火时热燃气路径部件的不均匀热膨胀引起的可靠性问题。燃烧器点火故障还可以导致危险状况和增加的爆炸风险，特别当大量未点火的燃料在燃气涡轮机流动路径内积累时是这样。
发明内容
上文需求中的一些或所有可通过本发明的某些实施例解决。本发明的某些实施例可包括用于确认燃气涡轮机中的点火的系统、方法和设备。
根据本发明的示例实施例，提供方法以用于确认与燃气涡轮机燃烧室关联的点火。该方法可包括：接收与一个或多个燃气流控制阀关联的一个或多个许可信号，接收一个或多个燃料供应压力信号，接收一个或多个点火器信号，以及接收一个或多个压缩机压力排放(CPD)信号。该方法还可包括至少部分基于该一个或多个许可信号、该一个或多个燃料供应压力信号、该一个或多个点火器信号和在该一个或多个CPD信号中的符合条件的变化确定与该燃气涡轮机燃烧室关联的点火状态。该方法可包括基于该确定的点火状态输出点火状态信号。
根据另一个示例实施例，提供系统用于确认与燃气涡轮机关联的点火。该系统包括至少一个燃气涡轮机燃烧室、多个用于检测与该燃气涡轮机燃烧室关联的一个或多个参数的传感器。该一个或多个参数可包括与一个或多个燃气流控制阀关联的一个或多个许可信号、至少一个燃料供应压力信号、至少一个点火器信号，以及至少一个压缩机压力排放(CPD)信号。该系统还可包括至少一个处理器，其配置成从该多个传感器接收该一个或多个参数、至少部分基于该一个或多个许可信号、该至少一个燃料供应压力信号、该至少一个点火器信号和在该至少一个CPD信号中的符合条件的变化确定与该燃气涡轮机燃烧室关联的点火状态。该至少一个处理器进一步配置成基于该确定的点火状态输出点火状态信号。
根据另一个示例实施例，提供设备用于确认与燃气涡轮机关联的点火。该设备包括至少一个处理器，其配置成从与该燃气涡轮机燃烧室关联的多个传感器接收一个或多个参数，其中该一个或多个参数可包括与一个或多个燃气流控制阀关联的一个或多个许可信号、至少一个燃料供应压力信号、至少一个点火器信号，以及至少一个压缩机压力排放(CPD)信号。该至少一个处理器进一步配置成至少部分基于该一个或多个许可信号、该至少一个燃料供应压力信号、该至少一个点火器信号和在该至少一个CPD信号中的符合条件的变化确定与该燃气涡轮机燃烧室关联的点火状态。该至少一个处理器还配置成基于该确定的点火状态输出点火状态信号。
本发明的其他实施例和方面在本文中详细描述并且认为是所要求保护的发明的一部分。其他实施例和方面可以参照下列详细说明、附图和权利要求理解。
附图说明
现在将参照附表和图，其不必须按比例绘制，并且其中：
图1是根据本发明的示例实施例的说明性控制系统的框图。
图2是根据本发明的示例实施例的说明性点火检测过程的框图。
图3是根据本发明的示例实施例的示例方法流程图的流程图。
具体实施方式
本发明的实施例将在下文参照其中示出本发明的实施例的附图更充分地描述。然而，本发明可采用许多不同的形式体现并且不应该解释为限制于本文阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本公开将是全面和完整的，并且将充分地传达本发明的范围给本领域内技术人员。相似的号码始终指相似的元件。本发明的某些实施例可实现控制与燃气涡轮机关联的系统。根据本发明的某些示例实施例，可检测和确认燃气涡轮机中的火焰点火。在本发明的某些实施例中，可利用燃烧器火焰的存在和不存在的确认来进一步控制与涡轮机关联的系统，例如燃料控制、安全、起动排序、关闭排序等。
成功的燃烧室起燃(后跟火焰驻定的点火)和适合的交火(在环管式燃烧系统中的燃烧室之间的点火)可基于实时循环压力和温度测量来检测。相反，未能起燃和/或适当地交火可用压力和温度传感器类似地检测。
燃气涡轮机交火环管式燃烧系统的点火可牵涉设置燃料流率和空气流率以在燃烧室的反应区中形成可燃烧的混合物。燃烧室中的燃料可通过激活一个或多个燃烧管中的一个或多个火花点火器来点火。火花点火器可保持活动持续固定的时间段，或直到检测到火焰(包括交火)。
根据本发明的示例实施例，可监测、分析和处理来自现有燃气涡轮机仪表(例如，压缩机排放压力、排气温度热电偶、燃烧室静态或动态压力)的循环压力和温度信号来可靠地确定起燃的成功或失败。在示例实施例中，还可以利用排气温度差距(近似限定为在环形物周围的最大和最小温度测量之间的差别)来检测火焰在一个或多个燃烧管中的不存在。
现在将参照附图描述根据本发明的示例实施例的用于检测和确认燃烧器火焰点火和/或交火的各种传感器、信号和系统。
图1图示与燃气涡轮机系统152和燃料供应管线120关联的控制系统100。根据本发明的示例实施例，控制器102可接收、处理和输出与该燃气涡轮机系统152的运转关联的信号。在图1中示出的示例实施例中，该控制器102可包括存储器104、一个或多个处理器106和一个或多个输入/输出接口108。该控制器102的某些实施例可包括一个或多个网络接口110。根据本发明的示例实施例，该存储器104可包括操作系统112、数据114、点火检测模块116和涡轮机/燃气控制模块118。
根据本发明的示例实施例，并且如在图1中描绘的，控制器102可是能够操作成从与燃气涡轮机系统152关联的部件接收各种信号，该部件包括与燃料供应管线120关联的部件。例如，控制器102可从与燃气压力阀122关联的传感器接收阀指示信号，并且控制器102可是能够操作成用阀控制信号124控制燃气压力阀122。根据本发明的示例实施例，可利用燃料压力传感器126来感测燃料管线120中的压力，并且燃料传感器信号128可由控制器102监测。
根据本发明的某些实施例，控制器102还可提供燃气流阀控制信号132或设置和/或调节燃气流阀130。该燃气流阀控制信号132可基于如将在下文进一步详细描述的许多输入和其他控制许可信号(包括火焰点火的检测)得出。根据本发明的示例实施例，控制器102还可监测来自与燃气涡轮机系统152的相应部件关联的其他温度、空气流和压力传感器(136、140、144、148)的信号，这些传感器包括在压缩机134、燃烧室138、涡轮机142和排气系统146中的传感器。根据示例实施例，另外的传感器154和/或控制信号可由控制器102在燃气涡轮机系统152的运转中利用。
图2描绘根据本发明的示例实施例的示例点火检测过程200。根据本发明的示例实施例，燃烧器点火和/或燃烧器交火的检测和确认可以是继续进行与涡轮机的运转关联的起动序列的先决条件。根据示例实施例，涡轮机的运转还可依赖燃烧器火焰状况的继续确认。
根据本发明的示例实施例，涡轮机起动程序可包括接收一个或多个主阀许可信号(204-210)。示例主阀许可信号(204-210)可包括指示与涡轮机、燃料管线、控制系统和/或传感器关联的状态参数的逻辑信号。例如，当与燃气涡轮机关联的一个或多个部件已经达到预定阈值或在将指示对于起动涡轮机安全的状况的预定范围内操作时，一个主阀许可信号204可是逻辑真。另一个示例主阀许可信号206可与例如在压缩机134中测量的空气流关联，并且当空气流已经达到预定范围或阈值时可是逻辑真。根据本发明的示例实施例，可接收任何数目的许可信号。在本发明的某些实施例，主阀许可信号(204-210)中的所有必须是真的以便处理和逻辑继续执行起动程序中的随后步骤。
图2指示可在燃烧器点火的检测和涡轮机起动程序中利用的另外的信号。例如，燃料供应压力信号226、阀位置信号228和/或点火器信号230可在起动程序中接收和评估。另外，一个或多个燃料供应阀位置信号(如在图1的124中)可用于确定与燃气涡轮机燃烧室关联的状态。根据示例实施例，主阀许可信号(204-210)、燃料供应压力信号226、阀位置信号228和点火器信号230可都由启用逻辑框236评估，并且如果这些信号中的每个都是逻辑真，那么可启用与起动和/或燃烧器点火检测关联的另外的处理框(212、216)。例如，如果进入启用逻辑AND框236的所有信号都是逻辑真，压缩机排放压力(CPD)评估框212和/或排气温度评估框可分别接收CPD评估启用信号238和排气评估启用信号240。
根据本发明的示例实施例，当启用时，压缩机排放压力(CPD)评估框212可接收和评估一个或多个CPD信号214来确定压缩机排放压力是否已经改变。在示例实施例中，CPD信号214可被评估以用于检测指示燃烧器火焰的点火或熄灭的变化。在示例实施例中，CPD信号214可由评估框212监测和评估，并且当评估的CPD信号已经经历符合条件的变化时可输出CPD点火指示信号220。在示例实施例中，该符合条件的变化可限定为CPD信号214的绝对值的高于预定阈值的变化。
在示例实施例中，CPD信号214可在一段时间上取样来确定与该信号214关联的噪声特性。在示例实施例中，用于触发符合条件的变化的预定阈值可包括大于与CPD信号214关联的噪声标准偏差的大约4倍的CPD信号变化。在某些实施例中，这样的预定阈值可指示燃烧器点火或熄灭。根据本发明的示例实施例，CPD评估框212可提供用于输入到控制AND框224的CPD点火指示信号220。
根据本发明的示例实施例，排气温度评估框216可接收和评估一个或多个排气温度信号218来确定排气温度是否已经经历指示燃烧器点火或熄灭的变化。在示例实施例中，并且如上文参考CPD信号124描述的，排气温度信号218也可被监测和评估以用于检测符合条件的变化。在示例实施例中，指示成功点火的符合条件的变化可包括在从大约5秒至大约20秒的范围中的时间段上大于大约华氏200度(大约摄氏93度)的温度上升。根据本发明的示例实施例，排气温度评估框216可提供用于输入到控制AND框224的逻辑排气温度指示信号220。
在本发明的示例实施例中，燃烧室138内的多个燃烧器的未完成的交火也可通过监测排气扩散信号229确定。在示例实施例中，当该排气扩散信号229在点火后近似60秒内没有固定在近似华氏60度的阈值以下时，该排气扩散信号229可指示一个或多个燃烧器的熄灭或缺少点火。根据示例实施例，交火检测过程可基于点火状态信号232启用。例如，可选的交火检测框231可在已经确定点火后启动。根据另一个示例实施例，该可选的交火检测框231可在排气温度达到或超过预定阈值时启动。在示例实施例中，该可选的交火检测框231可利用点火状态信号232作为对通过查看排气扩散如何随时间降低来检查交火的许可。
根据本发明的示例实施例，如果到控制AND框224的所有输入都是逻辑真，检测系统可得出结论是火焰已经建立。在该情况下，点火状态信号232可直接发送到燃气涡轮机控制器234以允许涡轮机起动序列继续。根据备选示例实施例，点火状态信号232可由可选的交火检测框231利用而作为对启用检查交火是否已经发生并且被维持的许可。根据本发明的示例实施例，如果火焰没有在限定时间建立，或如果没有检测到并且维持交火，燃气涡轮机控制器234可关闭燃气阀，或另外开始涡轮机关闭程序。
根据本发明的示例实施例，点火状态信号232可在涡轮机运转期间经由CPD信号214、排气温度信号218和/或排气扩散信号的连续监测进一步控制来证实燃烧器的点火和交火使得关闭或其他保护行动可在某些检测到的燃烧器熄灭状况下启动。另外，根据本发明的示例实施例，可改变许可信号(204-210)使得上文描述的过程或算法可允许燃烧器在涡轮机运转序列中的不同点的点燃。例如，序列可允许在涡轮机全速时点火。
根据本发明的某些示例实施例，点火检测过程200可配置成感测何时已经失去或得到仅部分火焰或火焰的部分。根据示例实施例，可监测涡轮机功率输出信号中的导数和大小变化来确定在一个或多个燃烧腔中是否已经存在点火或重新点火的损失。
现在将参照图3的流程图描述根据本发明的实施例的用于确认与燃气涡轮机燃烧室关联的点火的示例方法300。该方法300在框302开始，并且包括接收与一个或多个燃气流控制阀关联的一个或多个许可信号。在框304中，该方法300包括接收一个或多个燃料供应压力信号。在框306中，该方法300包括接收一个或多个点火器信号。在框308中，该方法300包括接收一个或压缩机压力排放(CPD)信号。在框310，该方法300包括至少部分基于该一个或多个许可信号、该一个或多个燃料供应压力信号、该一个或多个点火器信号和在该一个或多个CPD信号中的符合条件的变化确定与燃气涡轮机燃烧室关联的点火状态。在框312中，该方法300包括基于该确定的点火状态输出点火状态信号。该方法300在框312后结束。
因此，本发明的示例实施例可以提供形成某些提供健全的起燃/交火检测的系统、方法和设备的技术效果。该检测可基于现有循环压力和温度传感器的实时信号处理。本发明的示例实施例可以提供另外的技术效果，即提供可便于燃气涡轮机中的基于光学和/或水冷火焰检测系统的消除的系统、方法和设备，引起减少的资本和维护成本，以及增加的可靠性。本发明的示例实施例可提供另外的技术效果，即是提供可减少与运转燃气涡轮机关联的某些风险的系统、方法和设备。
在本发明的示例实施例中，控制系统100和点火检测过程200可包括任何数目的软件和/或硬件应用，其被执行以便于任何操作。
在示例实施例中，一个或多个I/O接口可便于控制系统100与点火检测过程200和一个或多个输入/输出装置之间的通信。例如，通用串行总线端口、串行端口、盘驱动器、CD-ROM驱动器和/或一个或多个用户界面装置(例如显示器、键盘、小键盘、鼠标、控制面板、触摸屏显示器、麦克风等)可便于与控制系统100和点火检测过程200的用户交互。该一个或多个I/O接口可用于从许多种输入装置接收或收集数据和/或用户指令。接收的数据可由如在本发明的各种实施例中期望的一个或多个计算机处理器处理和/或存储在一个或多个存储器装置中。
一个或多个网络接口可便于控制系统100和点火检测过程200输入和输出与一个或多个适合的网络的连接和/或多个连接，例如，便于与系统关联的任何数量的传感器通信的连接。该一个或多个网络接口可进一步便于与一个或多个适合的网络的连接以用于与外部装置和/或系统通信；适合的网络例如，局域网、广域网、互联网、蜂窝网络、射频网络、支持BluetoothTM的网络、支持Wi-FiTM的网络、基于卫星的网络、任何有线网络、任何无线网络等。
如期望的，本发明的实施例可包括控制系统100和点火检测过程200，其具有在图1和2中图示的更多或更少的部件。
本发明在上文中参照根据本发明的示例实施例的系统、方法、设备和/或计算机程序产品的框图和流程图描述。将理解框图和流程图中的一个或多个框以及在框图和流程图中的框的组合分别可以由计算机可执行程序指令实现。同样，根据本发明的一些实施例，框图和流程图的一些框可能不必定必须采用提供的顺序进行，或可能根本不必定必须进行。
这些计算机可执行程序指令可装载到通用计算机、专用计算机、处理器或其他可编程数据处理设备上以产生特别的机器使得在计算机、处理器或其他可编程的数据处理设备上执行的指令形成用于实现在流程图框或多个框中规定的一个或多个功能的工具。这些计算机程序指令还可存储在计算机可读存储器中，其可以指导计算机或其他可编程数据处理设备采用特别的方式起作用，使得存储在计算机可读存储器中的指令产生包括实现流程图框或多个框中规定的一个或多个功能的指令工具的制品。作为示例，本发明的实施例可提供计算机程序产品，其包括具有包含于其中的计算机可读程序代码或程序指令的计算机可用介质，所述计算机可读程序代码适应于被执行以实现流程图框或多个框中规定的一个或多个功能。计算机程序指令还可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上以使要在计算机或其他可编程设备上进行的一系列运算元素或步骤产生计算机实现的过程使得在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现流程图框或多个框中规定的功能的元素或步骤。
因此，框图和流程图的框支持用于进行规定功能的工具的组合、用于进行规定功能的元素或步骤和用于执行规定功能的程序指令工具的组合。还将理解框图和流程图的每个框以及在框图和流程图中的框的组合可以由进行规定功能、元素或步骤或专用硬件和计算机指令的组合的专用、基于硬件的计算机系统实现。
尽管本发明已经连同目前认为是最实用的和各种的实施例描述，要理解本发明不限于公开的实施例，而相反，本发明意在涵盖包括在附上的权利要求的范围内的各种修改和等同设置。尽管本文采用特定术语，它们仅在一般和说明意义上使用并且不是为了限制的目的。
该书面说明使用示例以公开本发明，其包括最佳模式，并且还使本领域内技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统和进行任何包含的方法。本发明的专利范围在权利要求中限定，并且可包括本领域内技术人员想到的其他示例。这样的其他示例如果它们具有不与权利要求的书面语言不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的书面语言无实质区别的等同结构元件则规定在权利要求的范围内。
部件列表
Figure BSA00000538313700111

Claims (10)

1.一种用于确认与燃气涡轮机燃烧室(138)关联的点火的方法包括：
接收与一个或多个燃气流控制阀(130)关联的一个或多个许可信号(204-210)；
接收一个或多个燃料供应压力信号(226)；
接收一个或多个点火器信号(230)；
接收一个或多个压缩机压力排放(CPD)信号(214)；
至少部分基于所述一个或多个许可信号(204-210)、所述一个或多个燃料供应压力信号(226)、所述一个或多个点火器信号(230)和在所述一个或多个CPD信号(214)中的符合条件的变化(220)确定与所述燃气涡轮机燃烧室(138)关联的点火状态；以及
基于所述确定的点火状态输出点火状态信号(232)。
2.如权利要求1所述的方法，其中在所述一个或多个CPD信号中的符合条件的变化(220)包括高于预定阈值的变化，并且其中所述符合条件的变化(220)进一步包括CPD启用信号(238)，其中所述CPD启用信号(238)至少部分基于所述一个或多个许可信号(204-210)。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述预定阈值包括大于与所述一个或多个CPD信号关联的噪声标准偏差的大约4倍的信号变化。
4.如权利要求1所述的方法，进一步包括接收一个或多个排气温度信号(218)并且至少部分基于在所述一个或多个排气温度信号(218)中的符合条件的变化(222)确定与所述燃气涡轮机燃烧室关联的点火。
5.如权利要求4所述的方法，其中在所述一个或多个排气温度信号(218)中的符合条件的变化(222)包括高于相应预定阈值的变化，并且其中所述符合条件的变化(222)进一步包括排气启用信号(240)，其中所述排气启用信号(240)至少部分基于所述一个或多个许可信号(204-210)。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述相应预定阈值包括在从大约5秒至大约20秒的范围中的时间段上大于大约华氏200度的温度上升。
7.如权利要求1所述的方法，进一步包括接收一个或多个燃料供应阀位置信号(228)并且至少部分基于所述一个或多个燃料供应阀位置信号(228)确定与所述燃气涡轮机燃烧室(138)关联的点火状态。
8.如权利要求1所述的方法，其中接收所述一个或多个许可信号(204-210)包括接收与关联于所述燃气涡轮机燃烧室(138)的阀(122、130)或传感器(126)中的一个或多个有关的信息。
9.如权利要求1所述的方法，进一步包括当确认点火时继续进行与所述燃气涡轮机燃烧室(138)关联的预定起动序列，并且当点火没有在预定时间内确认时关闭一个或多个燃气流控制阀(130)。
10.一种用于确认与燃气涡轮机(152)关联的点火的系统，包括：
至少一个燃气涡轮机燃烧室(138)；
多个用于检测与所述燃气涡轮机燃烧室(138)关联的一个或多个参数的传感器(126、136、140、144、148)，所述一个或多个参数包括：
与一个或多个燃气流控制阀(130)关联的一个或多个许可信号(204-210)；
至少一个燃料供应压力信号(226)；
至少一个点火器信号(230)；
至少一个压缩机压力排放(CPD)信号(214)；以及
至少一个处理器(106)，其配置成：
从所述多个传感器(126、136、140、144、148)接收所述一个或多个参数；
至少部分基于所述一个或多个许可信号(204-210)、所述至少一个燃料供应压力信号(226)、所述至少一个点火器信号(230)和在所述至少一个CPD信号(214)中的符合条件的变化(220)确定与所述燃气涡轮机燃烧室(138)关联的点火状态；以及
基于所述确定的点火状态输出点火状态信号(232)。
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