CN102748137A

CN102748137A - 燃气轮机燃料控制系统

Info

Publication number: CN102748137A
Application number: CN2012102491761A
Authority: CN
Inventors: 王志强
Original assignee: Wisdom Energy Technology Co Ltd
Current assignee: Wisdom Energy Technology Co Ltd
Priority date: 2012-07-18
Filing date: 2012-07-18
Publication date: 2012-10-24
Anticipated expiration: 2032-07-18
Also published as: CN102748137B

Abstract

本文提出一种燃气轮机燃料控制系统，主要包括负载确定单元和燃料控制单元。负载确定单元用于确定燃气轮机的负载信息，而燃料控制单元用于接收所确定的负载信息并根据所接收到的负载信息控制燃气轮机的燃料喷嘴选择性地打开或关闭，使得被打开的燃料喷嘴的额定流量的总和与所确定的负载信息相匹配。无论是在高负荷还是低负荷状况下，被打开的每个燃料喷嘴的流量都可以始终工作在其额定流量下，因此每个燃料喷嘴的燃烧效率可以保持在最大燃烧效率，从而使得整个燃烧系统基本上保持在最大燃烧效率。

Description

燃气轮机燃料控制系统

技术领域

本发明涉及一种燃气轮机，特别是涉及燃气轮机的燃料控制方式。

背景技术

燃气轮机的燃料一般是通过多个燃料喷嘴注入燃烧室进行燃烧。在设计时，每个燃料喷嘴都有一个设定的额定流量。这个设定流量是针对发动机最大允许负荷而设计。对于这些燃料喷嘴而言，只有工作在其额定流量才能达到最大设计燃烧效率，并有效控制排放物，例如氮氧化物或者一氧化碳等。但燃气轮机工作时，总会有一些变工况的情况。如出现变工况，例如，工作在部分负荷下，目前通行的做法是通过比例阀对各燃料喷嘴做节流。通过节流后，燃料喷嘴的流量变小，使得通过这些燃料喷嘴注入燃烧室的燃料流量总和与实际负荷相匹配。然而，随着燃料喷嘴的燃料流量降低，其燃烧效率也随之降低。此时，因为燃烧不完全，氮氧化物或一氧化碳等有害排放物也会增加。

发明内容

有鉴于此，本文提出一种能够使燃烧系统的燃烧效率基本上保持其最大设计燃烧效率的燃料控制系统。

本文提出的燃气轮机燃料控制系统主要包括负载确定单元和燃料控制单元。负载确定单元用于确定燃气轮机的负载信息，而燃料控制单元用于接收所确定的负载信息并根据所接收到的负载信息控制燃气轮机的燃料喷嘴选择性地打开或关闭，使得被打开的燃料喷嘴的额定流量的总和与所确定的负载信息相匹配。

在一个实施例中，所述多个燃料喷嘴可包括一个第一燃料喷嘴和多个第二燃料喷嘴，其中所述第一燃料喷嘴的额定流量与单个第二燃料喷嘴的额定流量不相等。在一个特定实施例中，所述第一燃料喷嘴的额定流量大于单个第二燃料喷嘴的额定流量。

在一个实施例中，所述第一燃料喷嘴的额定流量可对应燃气轮机的自持转速。

在一个实施例中，所述多个第二燃料喷嘴环绕所述第一燃料喷嘴设置。

在一个实施例中，每个所述燃料喷嘴的额定流量相同。

在一个实施例中，所述多个燃料喷嘴中的一部分燃料喷嘴设计成被控制同时关闭或打开。在一个特定的实施例中，所述多个燃料喷嘴包括第一圈燃料喷嘴和第二圈燃料喷嘴，每一圈燃料喷嘴包括有多个燃料喷嘴，且每一圈燃料喷嘴的多个燃料喷嘴设计成被控制同时关闭或打开。当然，所述燃料喷嘴也可以包括更多圈的燃料喷嘴。

在一个实施例中，所述负载确定单元包括负载检测系统，用于检测所述燃气轮机的负载信息。在另一个实施例中，所述负载确定单元包括负载信息输入界面，用于接收操作者的负载信息输入。

在一个实施例中，所述控制系统包括存储查找表的存储器，所述燃料控制单元通过查询所述查找表来确定打开哪些燃料喷嘴，所述查找表包括各燃料喷嘴的打开和关闭状态与燃气轮机负载的对照关系或各燃料喷嘴的打开和关闭状态与燃气轮机的燃料流量的对照关系。

综上所述，本文提出的燃料控制方式通过控制各燃料喷嘴选择性地打开或关闭，来实现燃料流量的控制，以匹配不同的燃气轮机的负载。在这种方式下，无论是在高负荷还是低负荷状况下，被打开的每个燃料喷嘴的流量都可以始终工作在其额定流量下，因此每个燃料喷嘴的燃烧效率可以保持在最大燃烧效率，从而使得整个燃烧系统基本上保持在最大燃烧效率。

附图说明

图1是一种燃气轮机燃料控制系统的示意图。

图2是一实施例的燃料喷嘴打开和关闭状态与燃料流量的对照表。

图3是另一个实施例的燃料喷嘴打开和关闭状态与燃料流量的对照表。

图4是一个实施例的燃料喷嘴分布的示意图。

图5是图4的燃料喷嘴打开和关闭状态与燃料流量的对照表。

图6是另一个实施例的燃料喷嘴分布的示意图。

图7是一种负载信息输入界面的示意图。

图中：

100燃料控制系统；102负载确定单元；104燃料控制单元；110输入界面；112控制杆；114控制杆位置；116存储单元。

具体实施方式

在详细描述实施例之前，应该理解的是，本发明不限于本申请中下文或附图中所描述的详细结构或元件排布。本发明可为其它方式实现的实施例。而且，应当理解，本文所使用的措辞及术语仅仅用作描述用途，不应作限定性解释。本文所使用的“包括”、“包含”、“具有”等类似措辞意为包含其后所列出之事项、其等同物及其它附加事项。特别是，当描述“一个某元件”时，本发明并不限定该元件的数量为一个，也可以包括多个。

图1是一种燃气轮机燃料控制系统的示意图。燃气轮机包括燃烧室以及与燃烧室连通以向燃烧室注入燃料的多个燃料喷嘴I N1、IN2、IN3……INn。燃料控制系统100用于根据燃气轮机的负载控制通过这些燃料喷嘴注入燃烧室的燃料的流量，使之与燃气轮机的负载相匹配。燃料控制系统100主要包括负载确定单元102和燃料控制单元104。负载确定单元102用于确定或获取所述燃轮机的负载信息，而燃料控制单元104用于接收所确定的负载信息并根据所接收到的负载信息控制这些燃料喷嘴IN1、IN2、IN3、……、INn选择性地打开或关闭，使得被打开的燃料喷嘴的额定流量的总和与所确定的负载信息相匹配。

简言之，当确定一个负载后，根据该负载，燃料喷嘴被控制选择性地打开或关闭。如果该负载不是最大设计负载，即燃气轮机运行在部分负荷下，则仅一部分燃料喷嘴被打开以向燃烧室注入燃料，而其余部分燃料喷嘴被关闭，而且每个被打开的燃料喷嘴的燃料流量基本上始终保持在其额定流量。如果负荷降低，则相应地再关闭一个或多个燃料喷嘴。相反，如果负荷增加，则多打开一个或多个燃料喷嘴向燃烧室注入燃料。因此，在这种控制方式下，被打开的燃料喷嘴的数量或组合随着燃气轮机的负载变化而变化。但是，无论是在高负荷还是低负荷状况下，被打开的每个燃料喷嘴的流量都可以始终工作在其额定流量下，因此每个燃料喷嘴的燃烧效率可以保持在其最大燃烧效率，从而使得整个燃烧系统保持在最大设计燃烧效率。同时，由于这些被注入的燃料燃烧完全，使得燃烧系统可有效控制氮氧化物或一氧化碳等排放物。

另外，燃料喷嘴的打开或关闭可以通过一个与之连接的开关或阀来实现。该开关或阀只有开和关两种状态且其状态受燃料控制单元104控制。相对于通过使用比例阀来调节各燃料喷嘴的燃料流量的做法而言，本文提出的燃料控制方式也可以大幅降低控制成本。

下面以举例的方式说明上述控制系统。

这n个燃料喷嘴中，根据不同的设计，单个燃料喷嘴的额定流量可以相同，也可以不相同。当每个燃料喷嘴的额定流量相同时，假设全部燃料喷嘴打开时的燃料流量总和以1来表示，其为最大设计流量，对应发动机的最大负荷，且单个燃料喷嘴的流量为最大流量的1/n。

如图2所示，以8个燃料喷嘴为例，每个燃料喷嘴的设定流量为总流量的1/8。此时，根据打开和关闭状态的不同组合，8个燃料喷嘴能够提供的燃料流量为1/8、2/8、3/8、……、1（“1”就表示最大流量）。此时，可提供的燃料流量是以最大燃料流量的1/8逐步变化的。

图3是以12个燃料喷嘴为例，每个燃料喷嘴的额定流量为总流量的1/12。此时，根据其打开和关闭状态的不同组合，这12个燃料喷嘴能够提供的燃料流量分别为1/12、2/12、3/12、……、1（“1”就表示最大流量）。此时，可提供的燃料流量是以最大燃料流量的1/12逐步变化的。

应当认识到，随着燃料喷嘴的数量（n）的增加，可提供的燃料流量能提供更细粒度的变化，因此可以更精确地匹配发动机负载的变化。在具体设计中，燃料喷嘴的数量可根据发动机的预期负载变化情况来确定。因此，只要能实现本发明的理念，本发明对燃料喷嘴的具体数量不做任何限制。

如前所述，单个燃料喷嘴的额定流量也可以不同。图4给出了一个具有五个燃料喷嘴的例子。这五个燃料喷嘴包括第一燃料喷嘴IN1以及四个第二燃料喷嘴IN2至IN5。这四个第二燃料喷嘴IN2至IN5可以环绕燃料喷嘴IN1而设置且与燃料喷嘴IN1具有不同的流量。在图4的具体示例中，第一燃料喷嘴IN1的设定流量为总流量的1/2，另外第二燃料喷嘴IN2至IN5的设定流量相同，均为1/8。

如图5，根据打开和关闭状态的不同组合，这五个燃料喷嘴可提供的燃料流量为最大流量的1/8、2/8、3/8、……、1（“1”就表示最大流量）。同样，通过设置更多的燃料喷嘴，也可以提供更细粒度的燃料流量变化。本发明并不限制燃料喷嘴的数量。而且，各燃料喷嘴的额定流量也不局限于图4和图5的示例给出的具体值。第一燃料喷嘴的额定流量可以大于或小于单个第二燃料喷嘴的额定流量。

在图4和图5给出的这种具有不同额定流量的燃料喷嘴设计中，其中一个燃料喷嘴的额定流量可对应发动机的自持转速或自持功率，而其余的燃料喷嘴根据燃气轮机负载的升高或减低选择性的打开或关闭，以实现燃料流量的总和与燃气轮机负载相匹配。例如，第一燃料喷嘴IN1的额定流量对应燃气轮机的自持转速或自持功率，而第二燃料喷嘴IN2至IN5根据燃气轮机负载的变化而选择性地打开或关闭。

上述例子中，每个燃料喷嘴都是单独控制，即将单个燃料喷嘴视作一个被控制的单元。但在其它实施例中，也可以是将多个燃料喷嘴作为一个被控制的单元。此时，这多个燃料喷嘴IN1、IN2、IN3……INn中的部分燃料喷嘴设计成被控制同时打开或关闭。例如，图6例示了一种这样的实施例。燃气轮机设有第一圈燃料喷嘴INR1和第二圈燃料喷嘴INR2。每一圈燃料喷嘴都包括多个燃料喷嘴。燃料控制单元104可以控制每一圈的燃料喷嘴同时打开或关闭。例如，当控制第二圈燃料喷嘴INR2关闭或打开时，该第二圈燃料喷嘴INR2的所有燃料喷嘴都同时关闭或打开。

在上述实施例中，第一圈燃料喷嘴INR1具有5个喷嘴，第二圈燃料喷嘴INR2具有8个喷嘴。在其它实施例中，每一圈可具有其它数目的燃料喷嘴。而且，在这种喷嘴设置中，可以设置更多圈的燃料喷嘴，使得每一圈燃料喷嘴可以同时关闭或打开。也应该理解的是，将作为一个被控制的单元的多个燃料喷嘴沿环形布置仅仅是一种示例而已，本发明并不排斥将设计成同时关闭或打开的这些燃料喷嘴以其它形式布置。

在一个实施例中，负载确定单元102包括负载检测或追踪系统，用于检测或追踪燃气轮机的负载信息。燃料控制单元104基于该负载检测系统检测到的燃气轮机的负载信息控制燃料喷嘴选择性地打开或关闭，使得被打开的燃料喷嘴的额定流量的总和与所确定的负载信息相匹配。负载检测可以使用已知的方法来实现，比如说利用一个或多个传感器，因此负载检测的细节再次不再详细讨论。在一个实施例中，这种负载检测是实时进行的，因此燃料控制单元104可以实时地响应燃气轮机的负载变化而控制燃料喷嘴选择性地打开或关闭。

在另一个实施例中，负载确定单元102也可以根据操作者输入的燃气轮机负载信息来控制燃料喷嘴选择性的打开或关闭。此时，负载确定单元102可包括负载信息输入界面，用于接收操作者输入的负载信息。图7例示了一种这样的负载信息输入界面110。该输入界面110包括控制杆112和多个控制杆位置114。结合图7的输入界面110，我们假设燃气轮机是用于带动发电机发电（即，发电机作为燃气轮机的负载）且其最大发电能力为100KW。这些控制杆位置114分别对应不同的发电功率，例如100KW、90KW、80KW、70KW、60KW、50KW等。当需要发出50KW的电力时，操作者可输入对应50KW发电功率的负载信息，例如，操作者可将控制杆112移动至对应50KW的位置，而该燃料控制单元104根据该操作者输入的信息控制一部分燃料喷嘴打开，而关闭其余燃料喷嘴。当要求发出80KW的电力时，操作者可将控制杆112移动至对应80KW的位置以输入对应80KW发电量的负载信息，而该燃料控制单元104根据该操作者输入的信息控制更多的燃料喷嘴打开，以实现80KW的输出电力。同样，当需要发出100KW的电力时，操作者可移动控制杆112至100KW的位置，此时燃料控制单元104会控制所有的燃料喷嘴都打开。应该理解的是，上述包含控制杆112的负载信息输入界面110仅仅是一种示例而已，操作者也可以通过其它输入界面来输入燃气轮机的负载信息，例如，语音输入、按钮选择或直接数字输入等等。同样，发电也仅仅是燃气轮机应用的一种范例。

在确定发动机负载后，燃料控制单元104可以先确定对应该负载所需要的燃料流量，然后基于该确定的燃料流量确定哪些燃料喷嘴打开，哪些燃料喷嘴关闭。确定燃料喷嘴的打开或关闭可以通过查询查找表来进行。例如，该控制系统可包括与燃料控制单元104连接的存储单元116，用于存储查找表，该查找表包括预先设定的燃料喷嘴打开和关闭状态与燃料流量的对照关系（类似于图2和图3的对照表）。例如，如果查找表类似于图2的对照表，当确定对应燃气轮机负载所需要的燃料流量为最大流量的5/8，则通过查询表2可以知道，燃料喷嘴IN1至IN5应该打开，而其余燃料喷嘴IN6至IN8应当关闭。则燃料控制单元104控制燃料喷嘴IN1至IN5打开，而控制燃料喷嘴IN6至IN8关闭。在其它实施例中，该存储单元116也可以作为燃料控制单元104的一部分。而且，存储单元116也可以存储燃料控制单元104在控制过程中需要存储的一些数据。

随后，负载确定单元102继续检测燃气轮机的负载信息或接收操作者输入的负载信息。如果负载没有变化，则燃料控制单元104不需要改变燃料喷嘴的打开或关闭状态。如果负载发生变化，则负载确定单元102将变化的负载信息传送至燃料控制单元104，使得燃料控制单元104根据发生变化的负载信息控制各燃料喷嘴选择性地打开或关闭，使得被打开的燃料喷嘴的额定流量的总和与发生变化的燃气轮机负载相匹配。

在另一个实施例中，在确定燃气轮机负载后，可以直接通过查询查找表的方式来确定符合所确定的负载的燃料喷嘴打开和关闭状态。例如，此时，存储单元116中存储的查找表包括预先设定的燃料喷嘴打开和关闭状态与燃气轮机负载的对照关系。

虽然在以上的实施例中，确定燃料喷嘴的打开和关闭状态是通过查询查找表的方式来进行。但应当理解的是，也可以通过计算的方式来确定燃料喷嘴的打开和关闭状态。无论是通过查询还是计算，本领域技术人员在阅读本文理解本发明的实质后无需付出创造性的努力就能实现，因此在此不再详细讨论。

总之，本文提出了一种可提高燃烧系统燃烧效率的燃料控制系统。通过控制各燃料喷嘴的打开或关闭状态，来实现燃料流量的控制，以匹配不同的燃气负载。在这种方式下，被打开的每个燃料喷嘴的流量都可以始终工作在其额定流量下，因此可以将燃烧系统的燃烧效率基本上始终保持在其设计的最大燃烧效率。同时，由于这些被注入的燃料燃烧完全，则燃烧系统可有效控制氮氧化物或一氧化碳等排放物。另外，由于不需要采用成本高昂的比例阀，可以降低燃气轮机的材料成本。而且，由于只是控制各燃料喷嘴的打开或关闭两种状态，相较于比例阀的比例控制，本文所提出的控制方式大为简化，因此控制成本进一步降低，可靠性也会提高。

本文所描述的概念在不偏离其精神和特性的情况下可以实施成其它形式。所公开的具体实施例应被视为例示性而不是限制性的。因此，本发明的范围是由所附的权利要求，而不是根据之前的这些描述进行确定。在权利要求的字面意义及等同范围内的任何改变都应属于这些权利要求的范围。

Claims

1.一种燃气轮机燃料控制系统，所述燃气轮机包括燃烧室以及与所述燃烧室连通以向所述燃烧室注入燃料的多个燃料喷嘴，其特征在于，所述燃料控制系统包括负载确定单元和燃料控制单元，所述负载确定单元用于确定所述燃气轮机的负载信息，所述燃料控制单元用于接收所确定的负载信息并根据所接收到的负载信息控制这些燃料喷嘴选择性地打开或关闭，使得被打开的燃料喷嘴的额定流量的总和与所确定的负载信息相匹配。

2.如权利要求1所述的燃气轮机燃料控制系统，其特征在于，所述多个燃料喷嘴包括一个第一燃料喷嘴和多个第二燃料喷嘴，其中所述第一燃料喷嘴的额定流量与单个第二燃料喷嘴的额定流量不相等。

3.如权利要求2所述的燃气轮机燃料控制系统，其特征在于，所述第一燃料喷嘴的额定流量对应所述燃气轮机的自持转速。

4.如权利要求2所述的燃气轮机燃料控制系统，其特征在于，所述第一燃料喷嘴的额定流量大于单个第二燃料喷嘴的额定流量。

5.如权利要求1所述的燃气轮机燃料控制系统，其特征在于，每个所述燃料喷嘴的额定流量相同。

6.如权利要求1所述的燃气轮机燃料控制系统，其特征在于，所述多个燃料喷嘴中的一部分燃料喷嘴设计成被控制同时关闭或打开。

7.如权利要求6所述的燃气轮机燃料控制系统，其特征在于，所述多个燃料喷嘴包括第一圈燃料喷嘴和第二圈燃料喷嘴，每一圈燃料喷嘴包括有多个燃料喷嘴，且每一圈燃料喷嘴的多个燃料喷嘴设计成被控制同时关闭或打开。

8.如权利要求1所述的燃气轮机燃料控制系统，其特征在于，所述负载确定单元包括负载检测系统，用于检测所述燃气轮机的负载信息。

9.如权利要求1所述的燃气轮机燃料控制系统，其特征在于，所述负载确定单元包括负载信息输入界面，用于接收操作者的负载信息输入。

10.如权利要求1所述的燃气轮机燃料控制系统，其特征在于，所述控制系统包括存储查找表的存储单元，所述燃料控制单元通过查询所述查找表来确定打开哪些燃料喷嘴，所述查找表包括各燃料喷嘴的打开和关闭状态与燃气轮机负载的对照关系或各燃料喷嘴的打开和关闭状态与燃气轮机的燃料流量的对照关系。