CN103133143A - 用于在过渡运行期间运行燃烧装置的方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及用于在过渡运行期间运行燃烧装置的方法。对燃烧装置馈送至少燃料。过渡运行包括具有时段长度(T)的时段，在此期间，以小于临界量(Mc)的量馈送燃料。该方法包括限定时段长度(T)的极限值(L)，以及调整燃料馈送，以使时段长度(T)保持小于或等于极限值(L)。

Description

用于在过渡运行期间运行燃烧装置的方法
技术领域
本公开涉及用于在过渡运行期间运行燃烧装置的方法。
背景技术
在以下对为燃气涡轮的一部分的燃烧装置进行特别参照；总之清楚的是，也可在用于不同应用的燃烧装置中实现该方法。
燃气涡轮包括压缩机、燃烧装置和涡轮。
已知燃烧装置包括本体，该本体具有：
- 用于或者液态燃料(例如油)或者气态燃料(例如天然气)的燃料供应，以及
- 氧化剂供应(通常为空气)。
在运行期间，燃料和氧化剂在燃烧装置内反应，并且产生高压和高温烟道气，烟道气在涡轮中膨胀。
在过渡运行期间，诸如例如当燃气涡轮启动、关闭时，在燃料转变期间，或者也在其它过渡运行期间，可能出现问题。
实际上，在这些过渡运行期间，在燃烧装置内可产生波动压力；此波动压力会不利地影响燃料喷射。
图1显示了燃烧装置内的波动压力对燃料喷射的影响。此图1显示了其中燃料质量流量降低的示例；这可为关闭的示例，总之，同样的状况在启动开始或者转变开始和结束时也存在，而且一般来说，每当燃料质量流量供应减少且降到给定的质量流量之下时也存在。
图1显示了通过喷射器喷射的、为时间t的函数的燃料质量流量M。从图1中至少可认出以下阶段：
- 在t=t1之前：以通过喷射器的基本恒定的燃料质量流量稳定运行(曲线1)，
- 在t = t1和t = t2之间(燃料质量流量停留在临界燃料量Mc之上)：喷射燃料量减少，但燃烧装置内的波动压力未明显地影响燃料喷射(曲线2)，
- 在t=t2之后(即，当燃料质量流量降到临界燃料量Mc之下时)：在这些状况中，由于燃料量低，燃烧装置内的波动压力交替地促进和阻碍燃料喷射，从而引起有波动的燃料喷射。具体而言，曲线2显示了降低的燃料质量流量的理论趋势，而曲线3则显示了降低的燃料质量流量的可能实际趋势的示例。
进入燃烧装置中的波动的燃料供应会产生大的燃烧脉动(pulsation)。
燃烧脉动在机械和热方面在很大程度上对燃烧装置及其下游的涡轮施加应力，因此必须减少它们。
发明内容
因而本公开的一方面包括提供一种方法，通过该方法减少在过渡运行期间产生的燃烧脉动。
通过提供根据所附权利要求的方法来实现这个和另外的方面。
附图说明
根据方法的优选但非排他性实施例的描述，另外的特性和优点将更加显而易见，参照附图以非限制性示例的方式示出实施例，其中：
图1示意性地显示了喷射到燃烧装置中的、为时间t的函数的质量流量；
图2显示了当馈送的质量流量在Mc之下时，脉动(压力)和馈送到燃烧装置中的质量流量之间的关系；
图3显示了当馈送的质量流量超过Mc时，脉动(压力)和馈送到燃烧装置中的质量流量之间的关系；
图4和5显示了本公开的不同实施例中的脉动(压力)、时间与馈送到燃烧装置中的质量流量之间的关系；
图6显示了Bo和                                               
Figure 201210481471X100002DEST_PATH_IMAGE001
之间的关系；
图7显示了转变的示例。
部件列表：
1稳定运行时的燃料质量流量
2在Mc之上的燃料质量流量
3在Mc之下的燃料质量流量
15指示Bo=π的曲线
16区
t、t1、t2时间
w燃烧装置中的脉动的平均周期
L  T的极限值
A、B区域
M、M1、M2燃料质量流量
Mc、Mc1、Mc2临界量
T时段长度
Bo参数
PL最大可接受时段长度
PR最大可接受脉动范围
Figure DEST_PATH_IMAGE002
燃料在变化
Figure 305554DEST_PATH_IMAGE003
期间的平均线性增长速率(在时段T中)
Figure DEST_PATH_IMAGE004
是
Figure 285011DEST_PATH_IMAGE005
中的
Figure 376333DEST_PATH_IMAGE005
的差异，其中，
Figure 771542DEST_PATH_IMAGE005
是燃料的当前质量流量除以满负载时的总质量流量。
具体实施方式
可用例如适于产生预混合火焰、扩散火焰、混合火焰等的任何种类的燃烧装置来实现用于在过渡运行期间运行燃烧装置的方法；对燃烧装置馈送一种或多种燃料。
图2显示了当馈送到燃烧装置中的燃料质量流量M提高(从0向前)但其小于临界量Mc时，在燃烧装置中产生的脉动；在这种情况下，脉动具有提高的强度。脉动和极限值燃料量的趋势是各个燃烧装置的特性，并且在运行状况改变时基本无变化。换句话说，临界量Mc是开始出现显著脉动(即，高于用于持续运行的运行极限且可危及发动机的安全运行的脉动)时的量。
如图3中显示的那样，当燃料质量流量M达到临界燃料量Mc时，脉动强度开始降低达最小值。根据燃料馈送状况，可较快或较慢地达到临界量Mc。
参照图4，过渡运行包括具有时段长度T的时段，在此期间，以小于临界燃料量Mc的量馈送燃料。
方法包括限定时段长度T的极限值L，以及调整燃料馈送，以使时段长度T保持小于或等于极限值L。
就此而言，图4显示了其中时段长度T等于L的示例，而图5则显示了其中时段长度T小于L的示例。
可基于在燃烧装置中可接受的最大脉动强度和或脉动最大时段长度来限定L。例如：
- 最大可接受脉动强度可限制在脉动范围PR内，并且可相应地限定极限值L(图4)，以及/或者
- 可给定在燃烧装置中产生脉动的最大可接受时段长度PL，并且可相应地限定极限值(图5)。
优选地，提供为时段长度T和馈送的燃料的函数的参数，并且将时段长度T的极限值L限定为这个参数的极限值。在这种情况下，调整燃料馈送包括防止参数超过参数的极限值。
在方法的实施例中，参数由下者限定：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
其中，
Figure 648231DEST_PATH_IMAGE007
是时段长度T中的平均线性增长速率(这取决于燃烧装置的特性、运行状况、燃料、环境状况)，并且可通过下者来计算：
以及因而
Figure 283743DEST_PATH_IMAGE009
例如，在图2处显示
Figure 613093DEST_PATH_IMAGE007
；
T是时段长度；
Figure DEST_PATH_IMAGE010
是燃料(或者燃料中的一种，如果喷射了不止一种燃料的话)的能含量除以总供应燃料(或者多种燃料，如果喷射了不止一种燃料的话)的能含量；燃料的能含量为
燃料的能含量=质量流量·较低的发热值
Figure 117718DEST_PATH_IMAGE011
是T中的
Figure 786597DEST_PATH_IMAGE010
的差异。
在一些情况下，可能难以计算
Figure 842278DEST_PATH_IMAGE007
，为此，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
可由下者近似：
Figure 409656DEST_PATH_IMAGE013
其中
fosc是在时段长度T期间在范围
Figure DEST_PATH_IMAGE014
中的平均振荡频率，
fosc =1/w，
其中：
w是燃烧装置中的脉动的平均周期(图2)。
在以上实施例中，极限值是π。
因而，在
Figure 208985DEST_PATH_IMAGE012
或者是平均线性增长速率，或者由
Figure 732370DEST_PATH_IMAGE015
近似的情况下计算出的Bo必须小于极限值(诸如π)，而且，如果可在两种情况下计算出
Figure 473799DEST_PATH_IMAGE007
，则
Figure 715425DEST_PATH_IMAGE007
的两个值都必须小于极限值(诸如π)。
使用为时段长度T和馈送的燃料两者的函数的参数(诸如Bo)是有利的，因为它允许不仅考虑时段长度T，而且还考虑达到临界质量流量Mc的速度。换句话说，Bo对燃料的馈送速度提供最小极限，使得较高的速度为可接受的，但较慢的速度不可接受。
图6显示了Bo(根据上面提供的任何公式计算出)和
Figure DEST_PATH_IMAGE016
 (其指示燃料的馈送速度)之间的关系。在图6中，曲线15与极限值Bo=π有关；曲线15限定两个区域，即：
- 与可接受的的值(因而燃料的馈送速度的值)有关的区域A，以及
- 与无法接受
Figure 509385DEST_PATH_IMAGE016
的值(因而燃料的馈送速度的值)有关的区域B。
在不同的示例中，过渡运行可为燃烧装置的启动、燃烧装置的关闭，或者燃烧装置从用第一燃料运行转变到用第二燃料运行。在这种情况下，第一燃料可为液态燃料，而第二燃料可为气态燃料，或者反之亦然。
图7显示了其中过渡运行是从用第一燃料运行转变到用第二燃料运行的示例。在此图中，M1表示第一燃料的质量流量，而M2则表示第二燃料的质量流量，并且Mc1和Mc2表示第一燃料和第二燃料的临界量。
从此图中可看到，仅在下者中出现令人困扰的运行：
- 在转变开始时，这时第二燃料的质量流量M2低于其临界量Mc2，以及
- 在转变结束时，这时第一燃料的质量流量M1降到其临界量Mc1之下。
在这种情况下，必须仅在转变开始和结束时提供时段长度T和/或Bo的极限，并且必须因此调整燃料馈送。
相比之下，当第一燃料和第二燃料的质量流量大于临界量Mc1、Mc2时(即，在图7的区16中)，可基于不同的要求(诸如例如负载调整(例如以使其保持恒定))来控制调整。
优选地，燃烧装置是燃气涡轮的一部分。
由于参数Bo的极限的原因：
- 可降低脉动的最大峰值，因为过渡运行时间长度越短，脉动峰值就越小；
- 减少脉动对燃烧装置施加应力的时间。
启动的数值示例
在下面，例如描述了燃气涡轮以气体流启动。
以下数据适用于：
Figure 906869DEST_PATH_IMAGE017
Figure DEST_PATH_IMAGE018
 (在时段T开始时的燃料的能含量除以总供应燃料的能含量)：0
 (在时段T结束时供应的燃料的能含量除以总供应燃料的能含量，假设在时段T结束时，喷射了10%的气体燃料)：0.1
Figure DEST_PATH_IMAGE020
时段T：1.5秒
在这些值的情况下，
Figure 88506DEST_PATH_IMAGE021
由于Bo =2.39<π，所以启动时的燃料喷射速度是可接受的。
转变的数值示例
在下面，例如描述了燃气涡轮从气体运行转变到油运行。
以下数据适用于：
在转变开始时：
Figure 399533DEST_PATH_IMAGE018
 (在时段T开始时的燃料(气体)的能含量除以总供应燃料的能含量)：1
Figure 171180DEST_PATH_IMAGE023
 (在时段T结束时供应的燃料(气体)的能含量除以总供应燃料的能含量，假设在时段T结束时，喷射5%的油类燃料和95%的气体燃料)：0.095(假定对于油和气体有相同的发热值)
Figure 184135DEST_PATH_IMAGE024
时段T：0.2秒
在这些值的情况下，
Figure DEST_PATH_IMAGE025
由于Bo=2.55<π，所以这个燃料喷射速度是可接受的；
以及
在转变结束时：
Figure 378225DEST_PATH_IMAGE026
 (在时段T开始时的燃料(气体)的能含量除以总供应燃料(即，油和气体燃料)的能含量，假定在时段T开始时95%是油类燃料和5%是气体燃料)：0.05
Figure DEST_PATH_IMAGE027
 (在时段T结束时供应的燃料(气体)的能含量除以供应的总供应燃料的能含量，假定在时段T结束时100%是油类燃料和0%是气体燃料)：0
Figure 548623DEST_PATH_IMAGE028
时段T：0.25秒
在这些值的情况下，Bo=(8 · 0.25)/(2π· 0.05)=6.37
由于Bo =6.37>π，这个燃料喷射速度是不可接受的；因而，必须因此提高燃料喷射速度。
如果例如T减小(即，燃料喷射速度提高，或者换句话说，以更高的流率喷射燃料)到0.1秒
Bo=(8 · 0.1)/(2π· 0.05)=2.55
由于Bo =2.55<π，这个燃料喷射速度是可接受的。
当然，可独立于彼此来提供所描述的特征。
在实践中，所使用的材料和尺寸可根据要求和现有技术按需要选择。

Claims (9)

1.一种用于在过渡运行期间运行燃烧装置的方法，其中：
对所述燃烧装置馈送至少燃料；
所述过渡运行包括具有时段长度(T)的时段，在此期间，以小于临界量(Mc)的量馈送所述至少燃料；
其特征在于：
限定所述时段长度(T)的极限值(L)；以及
调整燃料馈送，以使所述时段长度(T)保持小于或等于所述极限值(L)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
提供参数(Bo)，所述参数(Bo)是所述时段长度(T)和馈送的燃料(                                               
Figure DEST_PATH_IMAGE001
)的函数；以及
将所述时段长度(T)的极限值(L)限定为所述参数的极限值。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，调整所述时段长度(T)包括防止所述参数(Bo)超过所述参数的极限值。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述参数(Bo)由下者限定：
Figure 520687DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
是所述燃料在变化
Figure 500145DEST_PATH_IMAGE001
期间的平均线性增长速率；
T是燃料转变
Figure 597326DEST_PATH_IMAGE001
的时段长度；
是一种燃料的能含量除以总供应燃料的能含量；
Figure DEST_PATH_IMAGE005
是T中的的差异。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
Figure 504736DEST_PATH_IMAGE006
由下者近似：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
其中，
fosc是在所述时段期间在范围
Figure 145670DEST_PATH_IMAGE001
中的平均振荡频率。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述极限值为π。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述过渡运行是从用第一燃料的运行转变至用第二燃料的运行。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一燃料是液态燃料，而所述第二燃料是气态燃料，或者反之亦然。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述燃烧装置是燃气涡轮的一部分。
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