CN102713438A - 用于分析燃烧室的轰鸣倾向和控制燃气轮机的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于分析燃烧室在运行状态下的轰鸣倾向的方法，该方法包括以下步骤：使燃烧室在运行状态下运行；在运行状态下检测燃烧室气体容积的热声学量和/或燃烧室结构的振动量并且由热声学量和/或振动量确定特征值；将特征值关于时间的振幅曲线确定为特征值在运行状态中的频谱(1，1′，1″)；借助于频谱(1，1′，1″)识别特征值的第一共振和第二共振；确定第一共振的振幅值(2，2′，2″)和第二共振的振幅值(3，3′，3″)；计算作为第一共振的振幅值(2，2′，2″)和第二共振的振幅值(3，3′，3″)的函数的稳定参数(9，9′)；确定稳定参数(9，9′)在预定的下阈值(16)以上的下间隔值和/或稳定参数(9，9′)在预定的上阈值以下的上间隔值，其中，这样选择阈值(16)，使得当燃烧室在刚好还允许的高轰鸣倾向的运行状态下运行时，稳定参数在该运行状态下位于所述阈值(16)之一，借助于下间隔值和/或上间隔值量化轰鸣倾向。

Description

用于分析燃烧室的轰鸣倾向和控制燃气轮机的方法

技术领域

本发明涉及一种用于分析燃烧室的轰鸣倾向的方法和一种用于控制燃气轮机运行的方法，所述燃气轮机带有具有防止燃烧室轰鸣的措施的燃烧室。

背景技术

在燃烧空气/燃料混合物在燃烧室中、尤其是在燃气轮机的燃烧室中燃烧时，会形成燃烧振动。燃烧振动的出现也已知为“燃烧室轰鸣”。在燃气轮机为了实现高的燃气轮机热效率而以高的透平入口温度运行时，燃气轮机的燃烧室尤其易于出现轰鸣。高的透平入口温度可以通过燃烧室中相应高的燃烧温度实现，因此燃烧室易于出现轰鸣。在燃烧室轰鸣时，燃烧量(Verbrennungsumsatz)和燃烧室中的静压力出现周期性的对应波动，其中，燃烧振动以在燃烧室中流动的燃烧空气/燃料混合物与火焰中瞬间的燃烧量的相互作用为基础。会由于例如通过提高向燃烧室的燃料输送量导致的燃烧量变化而出现压力波动，这种压力波动又导致燃烧量变化并因此导致持续压力波动的形成。燃烧振动导致燃烧室结构及其悬挂装置的机械应力和热应力的增强。燃烧振动可以突然以这样一个强度出现，使得燃烧室结构本身或者燃气轮机的其它部件会被损坏。如果出现这种运行状态，燃气轮机通常以高负载梯度卸载，因此不利地减小了燃气轮机输出功率。

补救办法是使燃气轮机的运行与自励的燃烧振动的极限有足够大的间隔。然而，例如由于改变的环境条件，自励的燃烧振动的极限会不利地移动，因此必须针对最不利的环境条件相对自励的燃烧振动维持足够的间隔。在此不利的是，燃气轮机上部的功率范围因此必须被排除并且不能到达。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是创造一种用于分析燃烧室的轰鸣倾向的方法，一种用于控制带有燃烧室的燃气轮机的运行的方法和一种用于控制燃气轮机的运行的控制装置，其中，通过所述方法可有效地以足够小的轰鸣倾向运行燃烧室。

按照本发明的用于分析燃烧室在运行状态中的轰鸣倾向的方法包括以下步骤：使燃烧室在运行状态下运行；在运行状态下检测燃烧室气体容积的热声学量和/或燃烧室结构的振动量并且由热声学量和/或振动量确定特征值，将特征值对于时间的振幅曲线确定为特征值在运行状态中的频谱；借助于频谱识别特征值的第一共振和第二共振；确定第一共振和第二共振的振幅值；计算第一共振的振幅值和第二共振的振幅值相除得到的比值作为稳定参数；确定稳定参数在预定的下阈值以上的下间隔值和/或稳定参数在预定的上阈值以下的上间隔值，其中，这样选择阈值，使得当燃烧室在刚好还允许的高轰鸣倾向的运行状态下运行时，稳定参数在该运行状态下位于所述阈值之一，借助于下间隔值和/或上间隔值量化轰鸣倾向。

可以根据运行状态和环境状态选择阈值。特征值的振幅值的大小缓和地随着燃烧室的燃烧负荷变化并且单独只能有限制地说明对燃烧室的轰鸣倾向的分析。通常，达到轰鸣极限的特征在于，振幅值突然非常强烈地升高。首先，看不到振幅值缓和的曲线变化，即，危险地接近轰鸣极限。如果振幅在达到轰鸣极限时跳跃性地升高(通常在几分之一秒内)，那么燃气轮机就只能通过突然的、从运营者的角度来看不利的措施(例如立即显著降低负荷)来防止机械损坏。在此本发明规定，可以在一定的情况下发现接近轰鸣极限，即，特征值的频谱的形状发生变化。因此例如可以用两个频带的振幅的比例来量化轰鸣倾向。只要在燃烧负荷上升时振幅比例保持恒定(尽管振幅的绝对值升高)，则不存在危险。但是如果比例发生改变，则接近或远离轰鸣极限。通过量化轰鸣倾向可以发现接近轰鸣极限的趋势并因此及时引入抑制措施，因此避免了达到对运行有不利后果的轰鸣极限。

优选的是，通过第一共振的振幅值和第二共振的振幅值相除得到的比值计算稳定参数。随着燃烧室的燃烧负荷的增加，共振的频率位置发生移动，其中，对于当前的燃烧室例如可以通过实验预先确定燃烧室运行时在其中出现共振的频带。因此，为了简单地识别共振可以尤其检查这些频带，使得不必扫描频谱的所有频率范围。

稳定参数优选被形成为比值的对数。还优选的是，稳定参数在时间上用衰减函数衰减。因此可以有利地限制稳定参数过度不稳定的变化。例如可以这样形成衰减函数，使得在时间点n由时间点n比值和时间点n-1的比值的算术平均值构成稳定参数。

优选在多个位置同时测量特征值，并且为每个位置确定局部频谱，其中，局部频谱具有被用作频谱的包络线。由通过包络线形成的频谱表现了燃烧室特定运行状态下所有可能的空间不均匀性。因此可以有利地评估燃烧室在被空间不均匀地加载的运行状态下的轰鸣倾向。燃烧室优选设计为围绕一根轴线旋转对称地构造的环形燃烧室并且具有多个测量特征值的位置，其中，测量位置的数量通过利用波形对称性而得以减少。所述特征值还优选是燃烧室中的声压和/或燃烧室结构的加速度。

用于控制带有燃烧室的燃气轮机的运行的按本发明的方法包括以下步骤：在燃气轮机运行过程中执行用于分析燃气轮机的燃烧室的轰鸣倾向的前述方法；一旦量化出表示稳定参数达到至少一个阈值的轰鸣倾向，则减少燃气轮机的输出功率。

因此，可以将稳定参数直接用作用于运行燃气轮机的调节量。燃气轮机当前的负载与稳定参数直接关联，因此，利用稳定参数能在对于燃烧室的轰鸣的避免的方面实现燃气轮机的功率调节。

用于控制燃气轮机的运行的方法还具有以下步骤：一旦量化出了表示稳定参数达到了相对于至少一个阈值的预定间隔值的轰鸣倾向，就这样地控制燃气轮机的运行，使得轰鸣倾向被降低。因此可以有利地防止燃气轮机在进入不允许的高轰鸣倾向之前降低转速(herunterfahren)，使得能够实现燃气轮机尽可能连续的运行。优选的是，通过使作为调节量的供向燃烧室中的压气机空气质量流相对其额定值改变来降低透平出口温度和/或使作为调节量的供向燃烧室的燃料的温度相对其额定值改变和/或使作为调节量的输送到燃烧室的燃料的空间分布相对其额定值改变和/或——假如存在多个燃烧级的话——把向各个燃烧级的分配作为调节量相对其额定值的改变作为措施来降低轰鸣倾向。在处理调节量之后并且一旦量化出表示轰鸣倾向进一步减小的轰鸣参数时，则优选将调节量复位到其额定值。

另外，用于控制燃气轮机的运行的方法还具有以下步骤：一旦量化出表示稳定参数相对至少一个阈值达到预定的并限定小轰鸣倾向的间隔值，就这样地控制燃气轮机的运行，使得燃气轮机的运行尤其在输出功率、排放量和/或燃料消耗方面被优化。

用于控制燃气轮机运行的、按本发明的控制装置被设计用于实施前述的方法。

附图说明

以下参照附图说明用于分析燃烧室的轰鸣倾向的、按本发明的方法和用于控制燃气轮机运行的方法的优选实施形式。在附图中示出：

图1是燃烧室的特征值在不同运行状态下的频谱的曲线图；

图2是稳定参数在透平出口温度上升时随时间变化的曲线图；

图3是燃气轮机在环境条件不利地变化时的控制曲线图；

图4是燃气轮机在功率提升时的控制曲线图。

具体实施方式

在图1中示出了一个坐标系统，其中绘制了频谱1，1′和1″。坐标系的横轴4表示频率，单位为Hz，其中，坐标系统的纵坐标5表示作为无量纲量的振幅。频谱1，1′，1″是特征值关于频率的振幅变化曲线。该特征值是燃烧室中的、在燃烧室运行时出现的声压。燃烧室中的声压例如可以通过燃烧室中的一个或多个麦克风测量。

如果燃烧室的轰鸣倾向低，则获得了频谱1。如果燃烧室的运行状态这样地变化，使得轰鸣倾向提高，则频谱1变化到频谱1′。如果燃烧室的运行状态继续改变，即，轰鸣倾向提高并且达到刚好还允许的极限范围，则频谱1′变为频谱1″。频谱1，1′，1″具有第一振幅极值2，2′，2″作为第一共振，并且具有第二振幅极值3，3′，3″作为第二共振。

采用第一振幅极值2，2′，2″和第二振幅极值3，3′，3″形成的比值的自然对数作为用于量化燃烧室的轰鸣倾向的稳定参数。

在图2中示出了一个坐标系，通过其横轴8表示从0至2分钟的时间。左边的纵轴6表示稳定参数，而右边的坐标7表示透平出口温度。在时间点0分钟处，透平出口温度的曲线10位于579℃。由此获得了燃烧室的运行状态，在燃烧室中存在声压，其频谱1在图1中示出。如在图2所示的图表中用时间点0的变化曲线9所示，通过第一振幅极值2和第二振幅极值3获得了稳定参数6的频谱1的值0.6。现在，如果为运行燃气轮机提高透平出口温度，如在图2中的变化曲线10所示，则在0.75分钟之后燃烧室处于运行状态，在燃烧室中存在按图1中的频谱1′的声压。如在图2中在时间点0.75分的曲线9所示，从频谱1′获得了与第一振幅极值1′和第二振幅极值3′对于的稳定参数0.3。最后，透平出口温度10的曲线一直升高到第一水平11。如图2所示，稳定参数6的曲线9随时间下降，这是燃烧室的轰鸣倾向随时间上升的标志。

在图2中还示出了燃烧室结构的加速度14的变化曲线，为提高透平出口温度10，加速度基本上在第一水平11保持恒定。如果透平出口温度10提高到第二水平12，则稳定参数6的变化曲线9继续下降，并且最终在燃烧室中出现轰鸣。轰鸣导致，通过因此自励的燃烧振动，燃烧室结构被强烈地激励振动，因此加速度14突然上升到加速度峰值15。加速度峰值15是如此高，使得可能损坏燃烧室结构。因此，为避免损坏燃烧室结构而关闭燃气轮机，这在图2中体现为透平出口温度的变化曲线10迅速下降。

在图2中所示的图表中，稳定参数6的阈值16为0.1。稳定参数6的曲线9(在图2中用17表示)在第一时间点18低于阈值16，该时间点是1.55分钟。第一时间点18比出现加速度峰值15的第二时间点19提前15秒。如果在燃气轮机运行时，阈值16低于稳定参数6，则按图2有15秒的反应时间，在该反应时间中应当这样地针对于轰鸣倾向的削弱来改变燃气轮机的运行，使得能避免燃烧室的轰鸣并因此能够避免由此带来的燃气轮机的快速关闭。

图3和图4中的图表类似于图2中的图表，并且示出了燃气轮机在防止燃烧室轰鸣的措施下的运行。燃烧室的轰鸣倾向例如可以由此提高，即，在燃气轮机的压气机中由于磨损或脏污而降低了压缩比。还可以通过在燃气轮机运行时提高环境温度并因此提高压气机入口温度而提高燃烧室的轰鸣倾向。例如燃气轮机在透平出口温度水平运行，如图3中横轴原点处的变化曲线10所示。如果例如由于前述一个影响因素导致燃烧室的轰鸣倾向提高，则稳定参数6的变化曲线9下降。如果不介入燃气轮机的运行而任由该过程继续，则燃烧室最后出现轰鸣。在图3中示出了为0.2的第二阈值16′，该第二阈值在第一阈值16(阈值16为0.1)之上。一旦稳定参数6的变化曲线9达到阈值16′，则在第三时间点20借助用于燃气轮机的调节装置例如这样地减少向燃烧室内的燃料输送，使得透平出口温度7的变化曲线10在距第四时间点21三秒内下降1开尔文。因此制止和逆转了稳定参数6的曲线9的下降，使得稳定参数6的曲线9最后再次在第五时间点22高于阈值16′。例如透平出口温度7下降1开尔文不足以截止(Abfangen)燃烧室的轰鸣，为了实现到燃烧室轰鸣足够大的间隔，稳定参数6的曲线9在第五时间点22之后再次下降并且低于阈值16′。现在，以与第三时间点20时类似的措施使透平出口温度7的变化曲线10再次下降1开尔文，因此，稳定参数6的变化曲线9再次被制止和逆转，直至稳定参数6的曲线9最终高于阈值16′。

现在，稳定参数6的变化曲线9上升到直至达到为0.4的阈值16″。在该运行状态下，认为燃烧室的轰鸣倾向较小，因此透平出口温度7的水平可以阶梯式地沿着其变化曲线10再次升高到原有水平。通过这样介入燃气轮机的运行控制，在防止了燃烧室的轰鸣之外还实现了燃气轮机的高功率输出。

在图4的图表中示出了燃气轮机这样的运行，其中，燃气轮机的输出功率的垂直部(Seigerung)应通过提高透平出口温度10实现。由于透平出口温度的变化曲线10的升高，稳定参数6的变化曲线9下降，直至达到阈值16′。通过透平出口温度7斜坡状的变化曲线10的1开尔文的回移，防止稳定参数6达到阈值16。如果不使透平出口温度7下降1开尔文，则稳定参数6的变化曲线9′是这样的，即，该曲线到达0.1的阈值16，因此在低于阈值17时要迅速关闭燃气轮机。通过使透平出口温度7的变化曲线10下降1开尔文，制止并逆转了稳定参数6的变化曲线9的下降，使得稳定参数6的变化曲线9最后高于0.2的阈值16′并接着同样高于0.4的阈值16″。在这种运行状态下认为燃烧室的轰鸣倾向较小，因此透平出口温度7可以在图4所述的变化曲线10中符合相应要求的水平10′，其中，燃烧室的轰鸣倾向始终保持这样小，使得不需要迅速关闭燃气轮机。

Claims (16)

1.一种用于分析燃烧室在运行状态下的轰鸣倾向的方法，该方法包括以下步骤：

使燃烧室在运行状态下运行；

在运行状态下检测燃烧室气体容积的热声学量和/或燃烧室结构的振动量并且由热声学量和/或振动量确定特征值，

将特征值关于时间的振幅曲线确定为特征值在运行状态中的频谱(1，1′，1″)；

借助于频谱(1，1′，1″)识别特征值的第一共振和第二共振；

确定第一共振的振幅值(2，2′，2″)和第二共振的振幅值(3，3′，3″)；

计算作为第一共振的振幅值(2，2′，2″)和第二共振的振幅值(3，3′，3″)的函数的稳定参数(9，9′)；

确定稳定参数(9，9′)在预定的下阈值(16)以上的下间隔值和/或稳定参数(9，9′)在预定的上阈值以下的上间隔值，其中，这样选择阈值(16)，使得当燃烧室在刚好还允许的高轰鸣倾向的运行状态下运行时，稳定参数在该运行状态下位于所述阈值(16)之一，

借助于下间隔值和/或上间隔值量化轰鸣倾向。

2.如权利要求1所述的方法，其中，稳定参数(9，9′)通过第一共振的振幅值(2，2′，2″)和第二共振的振幅值(3，3′，3″)相除得到的比值计算出。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述稳定参数(9，9′)形成为所述比值的对数。

4.如权利要求1至3之一所述的方法，其中，所述稳定参数(9，9′)在时间上用衰减函数衰减。

5.如权利要求1至4之一所述的方法，其中，在多个位置同时测量特征值，并且为每个位置确定局部频谱，其中，局部频谱具有被用作频谱(1，1′，1″)的包络线。

6.如权利要求5所述的方法，其中，所述燃烧室设计为围绕一根轴线旋转对称地构造的环形燃烧室并且具有多个测量特征值的位置，其中，测量位置的数量通过利用波形对称性而得以减少。

7.如权利要求1至6之一所述的方法，其中，所述特征值是燃烧室中的声压和/或燃烧室结构的加速度。

8.一种用于控制带有燃烧室的燃气轮机的运行的方法，该方法包括以下步骤：在燃气轮机运行过程中执行按权利要求1至7之一所述的、用于分析燃气轮机的燃烧室的轰鸣倾向的方法；

一旦量化出表示稳定参数(9，9′)达到至少一个阈值(16)的轰鸣倾向，则减少燃气轮机的输出功率。

9.如权利要求8所述的方法，其中，将稳定参数直接用作用于运行燃气轮机的调节量。

10.如权利要求9所述的方法，其中，燃气轮机当前的负载与稳定参数直接关联，因此，通过稳定参数在对于燃烧室轰鸣的避免方面实现燃气轮机的功率调节。

11.如权利要求8至10之一所述的方法，其中，一旦量化出稳定参数(9，9′)达到了相对至少一个阈值(16)的预定间隔值(16′)的轰鸣倾向，就这样地控制燃气轮机的运行，使得轰鸣倾向被降低。

12.如权利要求11所述的方法，其中，通过使作为调节量的供向燃烧室中的压气机空气质量流相对与它的额定值(10′)改变而降低透平出口温度(10)和/或使作为调节量的供向燃烧室的燃料的温度相对它的额定值改变和/或使作为调节量的输送到燃烧室的燃料的空间分布相对其额定值改变来作为措施降低轰鸣倾向。

13.如权利要求12所述的方法，其中，存在多个燃烧级，把向各个燃烧级的分配作为调节量相对于它的额定值改变。

14.如权利要求13所述的方法，其中，在处理调节量(10)之后并且在量化出轰鸣倾向进一步减小的轰鸣参数时，则将调节量(10)复位到其额定值(10′)。

15.如权利要求8至14之一所述的方法，其中，一旦量化出表示稳定参数(9，9′)相对至少一个阈值(16)达到预定的并限定小轰鸣倾向的间隔值(16″)的轰鸣倾向，就这样地控制燃气轮机的运行，使得燃气轮机的运行尤其在输出功率、排放量和/或燃料消耗方面被优化。

16.一种用于控制燃气轮机运行的控制装置，其中，所述控制装置被设计用于实施如权利要求8至12之一的方法。

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