CN102877948A

CN102877948A - 用于通过管-管燃料温度调节来减少燃气涡轮机的整体温度变化的系统和方法

Info

Publication number: CN102877948A
Application number: CN2012102448121A
Authority: CN
Inventors: B.W.罗米格; W.S.齐明斯基; D.W.西蒙斯
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2011-07-14
Filing date: 2012-07-13
Publication date: 2013-01-16
Also published as: EP2546575A2; US20130014514A1

Abstract

本发明涉及用于通过管-管燃料温度调节来减少燃气涡轮机的整体温度变化的系统和方法。燃气涡轮机包括多个燃烧室、用于每个燃烧室的至少一个燃料喷嘴、用于每个燃烧室中的每个燃料喷嘴的至少一个燃料管线、用于每个燃料管线的至少一个热交换器、以及控制器，热交换器构造成对到达每个燃料喷嘴的燃料流的温度进行调节，控制器构造成对每个热交换器进行控制以减少燃烧室之间的温度变化。

Description

用于通过管-管燃料温度调节来减少燃气涡轮机的整体温度变化的系统和方法

技术领域

本发明涉及通过管-管（can-to-can）燃料温度调节来减少燃气涡轮机的整体温度变化的系统和方法。

背景技术

工业燃气涡轮机中的燃烧器具有围绕涡轮机外壳布置的多个燃烧室。来自压缩机的高压空气流入到这些室中，在这些室中空气与燃料混合。燃料经由喷嘴被喷射到室中。由空气和燃料混合物的燃烧所产生的热气体从燃烧室流动到涡轮机中，涡轮机通常包括用以驱动压缩机的高压涡轮机以及用以提供输出功率的低压涡轮机。

每个燃烧室限定出大致圆柱形燃烧区域。在燃烧区域的上游，室各自具有多个燃料喷嘴，燃料喷嘴将燃料喷射到该区域中。通过阀来调节到达每个喷嘴（或一组喷嘴）的燃料流。调节阀对流到每个燃烧室中的每个燃料喷嘴的燃料的量提供一定程度的精确控制。阀可以用于调节到达燃气涡轮机的每个燃烧室的燃料流，以使得燃烧器压力振荡、氧化亚氮、一氧化碳、和未燃烧的碳氢化合物减到最少。在公布的美国专利申请公开文本2003/0144787A1中公开了现有燃料阀系统。

燃料阀通常用于调节进入工业燃气涡轮机的多室燃烧器中的燃烧室的每个喷嘴的燃料。通常，阀用于对进入到每个燃烧室的燃料和燃烧空气的混合进行优化，以使得空气-燃料混合物的燃烧将氧化亚氮（NOx）、一氧化碳（CO）和未燃烧的碳氢化合物（UHC）的产生减至最少。为将CO和UHC减至最少并实现更高的整体效率，期望提高燃气涡轮机内的燃烧温度。但是，燃气涡轮机中NOx的氧化随着燃烧温度提高而剧烈增加。

燃料阀对到达各个喷嘴和燃烧室的燃料流提供调节，以补偿到达每个室的燃料-空气比率的变化。设定空气-燃料比率经常涉及下列各项之间的谨慎平衡：（1）通过提高燃烧温度来提高燃气涡轮机效率和/或将未燃烧的碳氢化合物（UHC）和一氧化碳（CO）减至最少；和（2）通过稀释空气-燃料比率来降低燃烧温度以将氧化亚氮（NOx）减至最少。在工业燃气涡轮机的多个燃烧室中实现均匀温度和压力分布是特别困难的。燃烧室之间气流的变化使得在所有燃烧室中保持恒定的空气-燃料比率变得困难。相比于NOx排放，CO排放倾向于相对不同室之间的燃料-空气比率变化更敏感。可以采用对到达各个燃烧室的气流的调节（tune），以在保持符合要求的燃气涡轮机操作的同时降低CO排放的整体水平。

管-管整体温度变化是燃气涡轮机中常见的，并且会导致管（燃烧器）之间的排放和动力学变化。目前通过使用机械调节阀来调节这种温度变化，机械调节阀昂贵并且会无法激活（activate）。此外，在阀操作期间，阀的驱动联动件（driving linkage）经常会受约束。由于阀的设置，一旦阀被“调节”，阀不易于被驱动。例如，在美国专利7,269,939中公开这样的阀系统。

由于部分尺寸的变化、组件配合等，燃气涡轮机中的每个管可从压缩机接收不同量的空气。这可能改变燃料的管-管分布，以使得某些管接收更多的燃料，而某些管接收更少的燃料。这可以通过提供接收更多空气更多燃料的管、以及接收更少空气更少燃料的管而用于调节燃气涡轮机中的多个管中的整体温度或者使该整体温度平均化，从而使得各管中的燃料/空气比率平均化。

发明内容

根据一个示例性实施例，控制到达燃气涡轮机的各个燃烧室的燃料流的方法包括：对燃气涡轮机的多个排出区域的排出气体温度和/ 或排放水平进行测量；将测量的排放气体温度和/或排放水平中的一者与到达各个燃烧室的燃料流相关联；和对到达每个单独燃烧室的燃料流的温度进行调节，以减小每个燃烧室与平均温度水平和/或平均排放水平的温度水平变化和/或排放水平变化。

进一步的，到达各个燃烧室的燃料流的温度经调节，以使得每个所述燃烧室与平均温度的温度变化为百分之一或更小。

进一步的，所述排放水平包括CO、未燃烧碳氢化合物、和/或NOx的排放水平。

根据另一示例性实施例，控制到达燃气涡轮机的各个燃烧室的燃料流的方法包括：确定每个燃烧室的冷调（cold tone）；将每个燃烧室的冷调与到达每个燃烧室的燃料流相关联；和调节到达每个燃烧室的燃料流的温度和量，以减小每个燃烧室与燃气涡轮机的平均冷调的冷调偏差。

进一步的，所述方法还包括按照从最大至最小的顺序调节所述冷调偏差。

根据另一示例性实施例，燃气涡轮机包括多个燃烧室、用于每个燃烧室的至少一个燃料喷嘴、用于每个燃烧室中的每个燃料喷嘴的至少一个燃料管线、用于每个燃料管线的至少一个热交换器、以及控制器，热交换器构造成对到达每个燃料喷嘴的燃料流的温度和量进行调节，控制器构造成对每个热交换器进行控制以减少燃烧室之间的温度变化。

进一步的，所述燃气涡轮机还包括多个歧管，多个燃料管线从每个所述歧管延伸到每个所述燃烧室中的所述燃料喷嘴。

进一步的，所述多个歧管具有不同的燃料容量。

进一步的，所述多个歧管中的至少一个歧管构造成向每个所述燃烧室的至少一个燃料喷嘴提供净化气体。

进一步的，所述燃气涡轮机还包括多个传感器，所述多个传感器用于测量来自所述多个燃烧室的排出气体的状况。

进一步的，所述多个传感器包括多个温度传感器，所述温度传感器构造成在涡轮机的排气出口的不同区域处检测温度，并且所述控制器将检测的排气温度与到达各个燃烧室的燃料流相关联，并控制所述热交换器以修正排出气体温度的分布。

进一步的，所述控制器控制每个所述热交换器，以使得每个所述燃烧室与由所述多个传感器检测的平均温度的温度变化为约百分之一或更小。

进一步的，所述多个传感器包括用于每个所述燃烧室的至少一个动态压力传感器，所述控制器将动态压力振荡与到达各个燃料室的燃料流相关联，所述控制器控制所述热交换器，以减小各个燃烧室的冷调与涡轮机的平均冷调的偏差。

进一步的，所述控制器构造成按照从最大到最小的顺序对冷调偏差进行调节。

进一步的，所述多个传感器包括用于每个所述燃烧室的至少一个排放传感器，所述排放传感器用于对涡轮机的排气出口的不同区域处的排放水平进行检测，所述控制器将所述排放水平与到达各个燃烧室的燃料流相关联，并控制所述热交换器以对排放水平的分布进行修正。

进一步的，所述控制器控制所述热交换器，以减小每个所述燃烧室与平均排放水平的排放水平变化。

进一步的，所述多个传感器包括CO传感器。

进一步的，所述多个传感器包括未燃烧碳氢化合物传感器。

进一步的，所述多个传感器包括NOx传感器。

附图说明

图1是示出包括用于减少整体温度变化的示例性系统的燃气涡轮机中的燃烧室的示意性侧视图；

图2是用于减少整体温度变化的示例性方法的流程图；

图3是用于减少整体温度变化的另一示例性方法的流程图；和

图4是用于减少整体温度变化的又一示例性方法的流程图。

附图标记列表： 15 燃料供应管线 36

热量 q 燃料供应管线 38

燃气涡轮机 10 (多个)热电偶 40

排气出口 12 (多个)热交换器控制器 42

燃烧室/管（can） (多个)热交换器控制器 44

14 20 (多个)热交换器控制器 46

燃料喷嘴 16 控制器 50

燃料喷嘴 18 (多个)动态压力传感器 52

燃料喷嘴 20 排放口(整体) 53

燃料歧管(传输歧管) 22 (多个)排排放传感器口 54

燃料歧管(主燃料歧管) 24 入口热电偶 56

燃料歧管(副燃料歧管) 26 出口热电偶 58

加热器(电)/热交换器 28 入口热电偶 60

加热器(电)/热交换器 30 出口热电偶 62

加热器(电)/热交换器 32 入口热电偶 64

燃料供应管线 34 出口热电偶 66

具体实施方式

已经开发出用于调节燃气涡轮机以提高其效率的系统和方法。通常，对于特定能量输出，有效的燃气涡轮机是具有最少的氧化亚氮、最少量的未燃烧碳氢化合物以及最少量的一氧化碳的燃气涡轮机。为调节燃气涡轮机，期望到达燃气涡轮机中每个燃烧室的燃料流相对于剩余燃烧室得到很好地平衡。

该系统和方法对多个燃烧室中每一者进行调节，以使得没有哪个特定燃烧室具有高或低的空气-燃料混合比率。每个室中的空气-燃料混合比可以在剩余燃烧室的约百分之一（1%）以内。对室进行调节，以使得每个室的空气-燃料混合比朝向所有燃烧室的平均空气-燃料混合比变化。

每个燃烧室的每个喷嘴可以具有其自身的热交换器以控制温度，并因而通过改变燃料的密度来控制流动到喷嘴的燃料的量。为将压降减至最小，可以采用多个歧管（manifold）。每个歧管将燃料或净化气体提供至燃烧器的多个燃烧室中每一者的至少一个燃料喷嘴。

在一种方法中，根据排出气体中的温度分布对燃气涡轮机进行调节。在围绕涡轮机排气的各个点处的温度通过旋流图（swirl chart）与每个燃烧室相关联，旋流图在特定燃料负荷下使得每个燃烧室与排气区域相关联。旋流图和排气温度用于确定每个燃烧室是富燃料运行、贫燃料运行或平均运行。通过对每个被确定为贫燃料的燃烧室提高燃料负荷、并对每个被确定为富燃料的燃烧室降低燃料负荷，来调节室。通过控制每个燃烧室的热交换器来调节每个室的燃料负荷。调节处理重复进行，直至所有燃烧室的排气温度例如在平均排气温度的约1%以内。将排气温度的变化减至最少的这种处理使得每个燃烧室之间的变化减至最少。

图1示出燃气涡轮机10的示意性部分截面示图。燃气涡轮机（特别是工业燃气涡轮机）具有多个燃烧室（或管）14，并且在每个燃烧室内有多个燃料喷嘴16、18、20。每个喷嘴16、18、20具有其自身的热交换器28、30、32以控制温度，并因而控制流动到喷嘴的燃料的量。为将通过热交换器的压降减至最小，可以提供多个燃料歧管22、24、26。每个歧管22、24、26通常将燃料提供至多个燃烧室14中每一者的至少一个燃料喷嘴16、18、20。例如，可以如美国专利7,269,939中所示布置歧管22、24、26。

歧管22、24、26可以具有例如美国专利7,269,939中所公开的构造。燃料供应管线34、36、38可以分别从歧管22、24、26延伸到燃烧室14的相应燃料喷嘴16、18、20。热交换器28、30、32分别从提供至燃料管线34、36、38的燃料增加或去除热量q以调节温度，并因而分别调节提供至燃料喷嘴16、18、20的燃料的量。例如，热交换器28、30、32可以是电加热器。热交换器还可以是加热器和冷却单元的组合。

可以提供入口热电偶56、60、64以分别在热交换器28、30、32之前对燃料的温度进行检测，并且可以设置出口热电偶58、62、66以分别在热交换器28、30、32之后对燃料的温度进行检测。由热电偶检测的温度可以被提供至控制器50，控制器50构造成控制多个热交换器控制器42、44、46。控制器50控制热交换器控制器42、44、46以调节燃料的热输入或输出，以实现期望的燃料输出温度。对燃料管线34、36、38中的燃料进行区别加热/冷却可改变燃料的管-管分布，以使得某些管获得更多燃料而某些管可以获得更少燃料，这会使得燃气涡轮机10中多个管14的整体温度平均化。

图1没有示出空气压缩机或有关将燃烧空气提供至燃气涡轮机的细节，因为这些细节是本领域中众所周知且常规的。燃气涡轮机的涡轮机排气出口12在燃烧室14及相关联的涡轮机的下游。多个燃烧室或管14显示为围绕燃气涡轮机外壳的1号燃烧室（CC1）、2号燃烧室（CC2）、3号燃烧室（CC3）等至第n号燃烧室（CCn）。根据燃气涡轮机10期望的能量输出，燃烧室14的数量可变化。常规工业燃气涡轮机可以具有围绕涡轮机外壳以环形阵列形式布置的十到十四个燃烧室。

在燃气涡轮机10的排气出口12处有围绕燃气涡轮机10的周边布置的多个热电偶40。热电偶的数量（Tc1、Tc2、Tc3、…Tcn）可以改变。对于具有十至十四个燃烧室的工业燃气涡轮机，可以以圆形阵列形式（以及可能的同心圆阵列形式）布置十八到二十七个热电偶。燃烧室、歧管、喷嘴和热电偶的数量可以根据燃气涡轮机的期望能量输出而改变。可以通过动态压力传感器52来监测每个燃烧室中的动态压力水平。燃气涡轮机10的周边还包括围绕涡轮机排气流的圆周分布的排放传感器口（EP1、EP2、EP3、…EPn）54。还可以提供对来自全部排气流的整体排放进行测量的至少一个排放传感器口（EPC）53。

每个燃烧室14具有用于将燃料供应至燃烧室的多个燃料喷嘴16、18、20。燃料喷嘴的数量以及它们在每个燃烧室14内的布置可以改变。通常，采用足够的燃料喷嘴以在每个燃烧室内获得燃料和空气的均匀流动。多个歧管22、24、26分别向每个燃料喷嘴16、18、20供应燃料。采用多个歧管以使得从歧管到燃料喷嘴的压降减至最小。所采用的歧管的数量可以改变。还应当理解的是，可以在不使用歧管的情况下将燃料供应至燃烧室14的燃料喷嘴16、18、20。

热交换器28、30、32可以直接联接到歧管22、24、26，并联接到每个燃烧室14中的关联燃料喷嘴16、18、20。热交换器控制从歧管流动到燃料喷嘴的燃料的量。每个歧管可以连接到每个关联热交换器、或者可替换地，每个歧管可以连接到少于全部的关联热交换器。歧管的数量、以及与热交换器连接的数量取决于燃气涡轮机内和周围的管道空间、以及经过热交换器的压降。多个供应管线将每个燃料喷嘴联接到热交换器。类似地，每个供应管线将每个燃料喷嘴联接到其相应关联的热交换器。每个供应管线将每个燃料喷嘴联接到热交换器，热交换器与歧管流体连接。可以对多个歧管的成本与燃料从歧管经由热交换器并经由每个供应管线流动到每个燃烧室中的燃料喷嘴时的过大压降进行平衡。如果太多的热交换器和关联燃料喷嘴从歧管连接出来，则经过每个热交换器的压降可以与经过其他热交换器的压降不一致。

例如，燃料歧管可以是主燃料歧管24、传输歧管22和副燃料歧管26。但是，在从一种燃料转变成另一种燃料的过程中，其中一个歧管可以提供传输气体，以对喷嘴和燃料管路进行净化。歧管各自的尺寸可以与它们传送的燃料或传输气体相对应。例如，主歧管22可以有比副燃料歧管26更大的尺寸。

歧管22、24、26各自支持相应阵列的各个燃料供应管线34、36、38。主燃料歧管24包括环形阵列的主燃料供应管线36，主燃料供应管线36各自朝向燃烧室14的相应主（例如中心）燃料喷嘴18延伸，并联接到该燃料喷嘴18。类似地，副燃料歧管26包括环形阵列的副燃料供应管线38，副燃料供应管线38各自朝向燃烧室14的相应副燃料喷嘴20延伸，并联接到该燃料喷嘴20。除了燃烧操作从一种操作模式转变成另一种操作模式之外，同时传输歧管22通常可以填充有高温下的压缩机排出净化气体。在转变过程中，在喷嘴关闭或转变成另一种燃料之前，来自传输歧管22的净化气体经过燃料喷嘴16以对来自喷嘴的燃料进行净化。

控制系统50可以是计算机或微处理器系统，计算机或微处理器系统基于特定输入（例如燃料模式、排出气体温度环形分布和燃烧室中的动态压力）执行热交换器控制算法。

控制系统50将控制信号传输到热交换器控制器42、44、46，以对热交换器28、30、32进行调节。控制系统可以根据存储在计算机控制器50中的可执行算法来进行操作。控制系统还可以接收来自温度传感器热电偶40的排气中的排气温度数据、来自动态压力传感器52的燃烧室中的排气温度数据，以及从排放传感器54收集的燃气涡轮机排气中的排放数据（EP1至EPn和EPC）、来自歧管的气体燃料压力数据、以及与燃气涡轮机的操作条件有关的其他数据。

图2至4是用于对在主和副燃料管线中到达燃气涡轮机中的每个燃烧室中的喷嘴的燃料温度进行自动调节的三种方法的流程图。这些示例性调节算法能够根据燃气涡轮机操作参数来精确控制热交换器。

在第一方法100中，从热电偶40收集的温度数据为排气气体温度的热环形温度分布图提供数据。通过调节气体的旋流角，按照美国专利6,460,346中描述的方式，在热图上的角位置可以与相应燃烧室相关联。例如，热图可以是极坐标图，该极坐标图示出针对燃气涡轮机中的旋流角修正的排出气体的排气温度分布。如果温度的极坐标图示出相对圆形的温度分布，则可以假设燃烧室在均匀的燃烧温度下操作。非圆形温度图可以表示室的燃烧温度的显著温度变化。

旋流角表示任意燃烧室与来自燃烧室的排气穿过燃气涡轮机10的出口12的点之间的夹角。在典型旋流图中，燃气涡轮机功率输出显示为涡轮机的额定功率输出容量（例如，涡轮机铭牌容量）的相对于以度（1°至90°）表示的各种旋流角的百分比（0至100%）。在低功率输出时，旋流角大，因为从燃烧器到涡轮机排气的燃烧气体的停留时间相对长（例如，一秒）。在燃料/空气体积为高的高输出时，角度小，因为燃烧气体具有例如0.1秒的相对短停留时间。旋流图显示出在铭牌容量的很多不同百分比下涡轮机流的旋转，该旋流图可以用于将排气条件与燃烧室相关联。这种关联有助于在任意特定水平下（例如，在铭牌容量的50%至100%之间）调节燃气涡轮机10，并有助于调节每个燃烧室，以使得将燃烧室之间的变化减至最小。一旦确定旋流数据，采用控制器50来在铭牌容量的任意百分比水平下有效地运行燃气涡轮机。

旋流图使得特定燃烧室与在各种特定燃料负荷下排气温度分布中的位置相关联。为产生旋流图，热交换器可以初始设置为初始设定，例如以将燃料的温度提高预定量。单一燃烧室的热交换器经调节以增大或减小燃料流，以在该燃烧室中产生“热点（hot spot）”。燃烧室中的热点应该在排气温度分布中产生相应热点。来自（多个）排气热电偶40的数据将表示出在排气中的某些区域为高温。对于燃气涡轮机运行的一定百分比的额定负荷，该排气区域将与具有“热点”的燃烧室相对应。通过提高和降低燃气涡轮机的额定负荷的百分比，对不同的负荷百分比跟踪燃烧室热点的排气区域中的进料位置（charging position）。可以从与热点燃烧室有关的数据以及在燃气涡轮机的各种负荷下的排气温度数据生成旋流图。还可以通过使用热交换器控制到燃烧室的流动来减少到该燃烧室的流动以在燃气涡轮机中产生“冷点”，来构造旋流图。

控制器50在到达各个室上的燃料喷嘴16、18、20的燃料供应方面对热交换器28、30、32的控制器42、44、46进行控制，以例如使得燃烧室中的燃烧温度变得更均匀。通过控制器50使得调节热交换器的这种处理自动化，控制器50从热电偶40接收数据、判定该数据是否表示燃烧室中的燃烧温度分布的过大变化、控制适当的热交换器以调节到达所选燃烧室的燃料流、并确认新的排出气体温度数据表示更均匀的温度分布。

为确定校正排气温度变化所需要的燃料温度调节的幅度，可以执行下列计算。在步骤102中，收集温度数据值（TX1、TX2、…TXn），这些温度数据值表示与燃气涡轮机中的每个燃烧室相对应的旋流校正排气温度。在步骤104中，计算排气温度的平均值（Tmean）。在步骤105中，确定每个燃烧室的每个排气温度与参考平均值的偏差（TX1Δ,TX2Δ,...TXnΔ）。在步骤106中，对于从燃烧室到排气的气体流动的旋流，调节温度数据值。以此方式，使得排气温度值与每个传感器处(TX1,TX2，...TXn)最影响该温度的燃烧室相匹配。

在步骤107中，根据燃气涡轮机的操作的热动力学模型，确定传递函数(“FTC”)，传递函数使得燃烧室中的燃料流率与其相应排气温度相关联。如下是用于使排气温度与燃料流相关联的示例性数学公式：TX（排气）=FTC（每个燃烧室的燃料流率、空气流率、…其他机器操作参数）。

传递函数（FTC）为排气温度（TX（排气））与燃烧室中的燃料流动的依赖性建立模型。从传递函数（FTC），可以得出表示影响排气温度（TX（排气））的期望改变所需的燃料流率调节的量的关系。在步骤108中，根据流动特性的知识和歧管中的气体燃料流动的计算模型，确定燃料温度传递函数(g)，其中（每个燃料管线中的）燃料温度=g(FV1,FV2,...FVn)。FV1,FV2,...FVn描述输入到或去除每个燃烧器CC1,CC2,...CCn的燃料的热量q，其中“n”是燃烧器的总数。

在步骤110中，根据排气温度传递函数（“FTC”）和燃料温度调节传递函数(g)，控制器50确定燃料温度变化的幅度，以调节任意燃烧室的排气温度与平均值的偏差，由入口热电偶56、60、64和出口热电偶58、62、66来确定燃料温度。一个燃烧室的排气温度的偏差可以由该室的温度变化（Tv）表示。Tv等于(Teccx-Tgt)/Tgt，其中Teccx是特定室的排气的温度，Tgt是燃气涡轮机的排气温度的平均值或中间值。如果Tv为正，则燃烧室被认为以相对高的空气-燃料混合比操作，并且该室的热交换器应当经调节以降低燃料流率。如果Tv为负，则燃烧室被认为以相对低的空气-燃料混合比运行，并且该室的热交换器应当经调节以提高燃料流率。Tv的标称值（例如，百分之一或更小）表示燃烧室在等于或或非常接近所有燃烧室的中间或平均空气-燃料混合比下操作。控制器50通过调节与Tv相对应的燃烧室的热交换器来将Tv减至最小。控制器50将控制信号发送至适当的热交换器控制器42、44、46，以根据在步骤110中确定的燃料温度的变化幅度来调节热交换器。控制器可以按照迭代和顺序方式将所有燃烧室的Tv减至最小，例如通过识别出具有最大Tv的燃烧室并首先调节这些燃烧室的热交换器的方式。

当燃气涡轮机例如从100%额定负荷容量缓慢卸载到50%的额定负荷容量时，通过对排气热电偶数据进行监测可以促进将一个或多个燃烧室14的空气-燃料混合比分类成富（rich）或贫（lean）的处理。使用在燃气涡轮机操作负荷范围内的排气温度数据，可以识别出相对富燃料或贫燃料操作的燃烧室。可以通过经由热交换器降低燃料负荷、并从而使得排气温度中（多个）热点的温度朝向平均排气温度降低，来调节富燃料操作的燃烧室（在负荷范围内在排气温度分布中从与这些室相对应的热点可明显看出）。通过增大室的燃料负荷来类似地调节贫燃料燃烧室（其在排气温度分布中具有相应“冷点”）。可以递增地和迭代地执行这种调节处理（即，收集燃气涡轮机在一个或多个负荷设定下的温度数据、在排气温度分布中识别出冷点和热点、并对与排气分布中的冷点和热点相对应的这些燃烧室的热交换器进行调节），以将排气温度分布中的过大变化减至最小。

图3是第二方法120的流程图，其中从每个燃烧器的动态压力传感器52获得燃烧器动态冷调。动态调节是燃料流动和燃料分流的室-室变化的指示。燃料流动和分流变化对整体CO排放的影响可以从对燃烧器“冷调”的幅度的测量检测到。“冷调”指的是燃烧室振荡频率，其幅度随着燃烧室燃烧温度降低而提高。

在步骤122中，从每个压力传感器收集数据。CT1,CT2,...CTn表示由燃气涡轮机中的每个燃烧室中的每个压力传感器54所测量的冷调例如在5分钟内的时间平均幅度。冷调是与在比其他室更冷的条件下操作的燃烧室相对应的频率。示例性冷调在70赫兹（Hz）至120Hz的频率范围内。在步骤123中，确定平均冷调幅度值（CTmean），并确定每个燃烧室中的平均冷调和测量冷调之间的差。

在步骤124中，从燃气涡轮机和燃烧室的操作的热动力学模型，确定传递函数（“FDYN”），该传递函数以指数形式将燃烧室中的燃料流率与其相应的冷调幅度相关联。可以通过下列传递函数对冷调（CT（幅度））建立模型：FDYN（燃料流率、空气流率和其他机器操作参数）。FDYN典型地具有FDYN=A exp(-k*燃料流率)的形式，其中A和k是正的常数。可以从FDYN传递函数得出用于期望冷调幅度（CT（幅度））的燃料流率。在步骤126中，通过使用FDYN传递函数、燃料流动特性的知识、以及歧管中的气体燃料流动的计算模型，得出燃料温度传递函数“g”。例如，燃料温度（FV1,FV2，...FVn），其中FV1,FV2,...FVn描述输入到每个燃烧室CC1,CC2,...CCn的燃料的热量q、或者从每个燃烧室CC1,CC2，...CCn的燃料去除的热量q，n是燃烧室的总数。

在步骤128中，从冷调幅度传递函数“FDYN”和燃料温度传递函数“g”，控制器50可以确定热量q的改变幅度，以调节任意燃烧室的冷调幅度与平均或中间冷调的偏差。控制器50向热交换器控制器42、44、46发出信号，以对热交换器设定作出适当改变以减少冷调与平均冷调的偏差。在步骤130中，根据测量的冷调，在冷调方面与时间平均冷调具有最大偏差的燃烧室（即，边远燃烧室）可以首先受到调节。然后，在步骤132中，每个边远燃烧室的热交换器经调节，以将每个边远燃烧室的燃烧室压力振荡减至最小。

图4是使用排出烟气（exhaust stack）CO排放来调节燃气涡轮机的方法140的流程图。在步骤142中，通过围绕排气周边布置的周边排放传感器口EP₁,EP₂,...EP_n处的排放传感器来测量涡轮机排气中的一氧化碳（CO）排放。以与从排气中的温度传感器获得的室中温度分布类似的方式，这些排放传感器提供燃烧室中CO排放分布的数据。在步骤144中，排出气流中的排出烟气平均排放传感器口EPC提供有关平均排放水平的数据。可替换地，平均排放水平可以是由所有排放传感器口（EP₁至EP_n）测量的算术平均或中间排放水平。由每个单独的周边传感器口测量的排放水平与排放平均值之间的差提供对燃气涡轮机中室-室燃料流动变化的测量。

在步骤146中，热交换器可以设置成初始设定。在步骤148中，从传感器EP₁至EP_n收集CO排放数据，其中n是排出气流中周边排放传感器的数量。使得CO1(ref),CO2(ref)...COn(ref)作为从排放传感器EP₁至EP_n获得的测量结果。Co_Stack（ref）是表示从烟气-平均CO（由EPC测量）的、使用初始设定的热交换器的、CO排放的测量值。

在步骤150中，通过激活适当的热交换器控制器以操作相应供应管线中的燃烧室CC1的热交换器来将已知幅度的燃料温度变化引入到单一燃烧室（例如CC1）。在步骤152中，测量排气中的相应CO排放：CO1(trim_1),CO2(trim_1),...COn(trim_1),以及CO_Stack(trim_1)，其中trim_1表示对燃烧器CC1上的热交换器的调节（例如，燃料突增（spike））。步骤150中的燃料温度幅度变化可以提供在向燃烧室整体燃料流的1至2%级别的变化，并且应当不干涉正常的燃烧操作。在步骤154中，使燃烧室CC1中的热交换器返回到初始设定，并且调节燃烧器CC2的热交换器。对于燃烧室CC2、CC3、...CCn中每一者重复步骤150至154，其中n是燃烧室的总数。此外，可以在燃气涡轮机的不同燃料负荷下重复步骤150至154。

在步骤156中，形成对从单一燃烧室CO排放生成的预测的热动力学模型。模型可以是例如下列关系：CO_single_chamber=B exp(-m*fuel_flow_rate)，其中CO_single_chamber是单一燃烧室的CO生成率，B和m是正的常数。可以从热动力学模型得出作为单一室的CO排放的函数的燃料流率。此外，可以由每个燃烧室的CO产生的知识来计算在排出烟气下游所测量的CO。相应地，由涡轮机排气中的传感器检测的CO排放水平可以与到达各个燃烧室的燃料流率相关联。

从燃料流动特性的知识和歧管中的气体燃料流动的计算模型，确定燃料温度传递函数“g”，例如（每个燃料管线中的）燃料温度=g(FV1,FV2,...FVn)。FV1,FV2,...FVn描述输入到燃烧室CC1,CC2,CC3...CCn的燃料的热量或从燃烧室CC1,CC2,CC3...CCn的燃料去除的热量q。从对参照CO排放的测量结果CO1(ref),CO2(ref),...,COn(ref),CO_stack(ref)，以及根据每个燃烧室中引入已知燃料修整（trim）后测量的CO排放CO1(trim),CO2(trim)...,COn(trim),CO_stack(trim)，热动力学传递函数CO_single_chamber，以及燃料温度传递函数“g”，控制器50可以确定热交换器设定中变化的幅度以调节任一燃烧室的燃料流动与平均值的偏差。

使用机械调节阀来使得温度变化平均化是昂贵的并且有时会具有激活问题，并且在阀操作期间驱动联动件经常会不灵便。通过使用热交换器调节燃料温度，可以使得复杂的燃料调节简化，并减少花费。此外，燃料调节可以主动地而不是如现有机械系统那样被动的受到控制。这允许实现自主调节和更强的可控制性。控制燃料温度还有助于比现有机械系统更好地控制系统的排放和动态。温度受控的管-管调节不仅可以与机械阀类似地提供减少变化，并且还提供燃料加热，这降低了较重分子从燃气气流中凝结出来的可能性。

尽管结合目前认为的最优实用优选实施例来描述本发明，但是应当理解，本发明不限于公开的实施例，与此相反，本发明旨在覆盖权利要求书的精神和范围内所包括的各种修改和等效布置。

Claims

1.一种燃气涡轮机（10），其包括：

多个燃烧室（14）；

用于每个所述燃烧室的至少一个燃料喷嘴（16、18、20）；

用于每个所述燃烧室中的每个所述燃料喷嘴的至少一个燃料管线（34、36、38）；

用于每个燃料管线的至少一个热交换器（28、30、32），所述热交换器构造成对到达每个燃料喷嘴的燃料流的温度和量进行调节；和

控制器（50），所述控制器（50）构造成对每个所述热交换器进行控制，以减少所述燃烧室之间的温度变化。

2.根据权利要求1所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述燃气涡轮机还包括多个歧管（22、24、26），多个燃料管线从每个所述歧管延伸到每个所述燃烧室中的所述燃料喷嘴。

3.根据权利要求2所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述多个歧管中的至少一个歧管构造成向每个所述燃烧室的至少一个燃料喷嘴提供净化气体。

4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述燃气涡轮机还包括多个传感器（40、52、53、54），所述传感器用于测量来自所述多个燃烧室的排出气体的状况。

5.根据权利要求4所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述多个传感器包括多个温度传感器（40），所述温度传感器构造成在涡轮机的排气出口的不同区域处检测温度，并且所述控制器（50）将检测的排气温度与到达各个燃烧室的燃料流相关联，并控制所述热交换器以修正排出气体温度的分布。

6.根据权利要求5所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述控制器控制每个所述热交换器，以使得每个所述燃烧室与由所述多个传感器检测的平均温度的温度变化为约百分之一或更小。

7.根据权利要求4至6中任一权利要求所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述多个传感器包括用于每个所述燃烧室的至少一个动态压力传感器（52），所述控制器将动态压力振荡与到达各个燃料室的燃料流相关联，所述控制器控制所述热交换器，以减小各个燃烧室的冷调与涡轮机的平均冷调的偏差。

8.根据权利要求7所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述控制器构造成按照从最大到最小的顺序对冷调偏差进行调节。

9.根据权利要求4至8中任一权利要求所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述多个传感器包括用于每个所述燃烧室的至少一个排放传感器，所述排放传感器用于对涡轮机的排气出口的不同区域处的排放水平进行检测，所述控制器将所述排放水平与到达各个燃烧室的燃料流相关联，并控制所述热交换器以对排放水平的分布进行修正。

10.根据权利要求9所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述控制器控制所述热交换器，以减小每个所述燃烧室与平均排放水平的排放水平变化。

11.根据权利要求5至10中任一权利要求所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述多个传感器包括CO传感器、未燃烧碳氢化合物传感器、和/或NOx传感器。

12.一种控制到达燃气涡轮机的各个燃烧室的燃料流的方法，所述方法包括：

对所述燃气涡轮机的多个排出区域处的排出气体温度和/或排放水平进行测量，所述排放水平包括CO、未燃烧碳氢化合物、和/或NOx的排放水平；

将测量的排放气体温度和/或排放水平中的一者与到达各个燃烧室的燃料流相关联；和

对到达每个单独燃烧室的燃料流的温度和量进行调节，以减小每个所述燃烧室与平均温度水平和/或平均排放水平的温度水平变化和/或排放水平变化。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，到达各个燃烧室的燃料流的温度经调节，以使得每个所述燃烧室与平均温度的温度变化为百分之一或更小。

14.一种控制到达燃气涡轮机的各个燃烧室的燃料流的方法，所述方法包括：

确定每个所述燃烧室的冷调；

将每个所述燃烧室的冷调与到达每个所述燃烧室的燃料流相关联；和

调节到达每个所述燃烧室的燃料流的温度和量，以减小每个所述燃烧室与所述燃气涡轮机的平均冷调的冷调偏差。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述方法还包括按照从最大至最小的顺序调节所述冷调偏差。