CN103975144A - 贫燃料吸入燃气轮机的控制方法及控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种燃气涡轮发动机的控制方法及控制装置，即使在贫燃料吸入燃气涡轮发动机的燃烧器的催化剂劣化的情况下，也能够防止催化燃烧器的失火及烧坏，稳定地维持运转状态。将相对于吸入贫燃料吸入燃气涡轮发动机(GT)的吸入气体(G1)的甲烷浓度的由测定得到的燃烧器(3)的入口与出口的温度差与基准温度差数据相比较，所述基准温度差数据是成为基准的具备初始状态的催化剂的燃烧器(3)的入口与出口的温度差数据，基于其差分，来控制所述燃烧器(3)的入口温度及出口温度中的至少一个。

Description

贫燃料吸入燃气轮机的控制方法及控制装置
相关申请
本申请要求2011年12月21日申请的日本专利申请2011-279219的优先权，将其全部内容以参照的方式引入作为本申请的一部分。
技术领域
本发明本发明涉及一种控制贫燃料吸入燃气涡轮发动机的方法及装置，该方法及装置将在煤矿所产生的CMM(Coal Mine Methane；煤矿甲烷)、VAM(Ventilation Air Methane；煤矿通风甲烷)等低热量气体用作燃料。
背景技术
有建议一种贫燃料吸入燃气涡轮发动机，其将在煤矿产生的CMM(Coal Mine Methane；煤矿甲烷)与VAM或空气混合等，吸入发动机，使所含有的可燃成分在催化燃烧器燃烧(例如，参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利公开2010-019247号公报
发明内容
(一)要解决的技术问题
在贫燃料吸入燃气涡轮发动机中，因催化剂的劣化，使得在催化燃烧器中的温度上升变少，由于通过热交唤器，催化剂入口温度下降，有可能导致催化燃烧器失火，而不能维持燃气涡轮发动机的运转。另一方面，在贫燃料吸入燃气涡轮发动机中，由于燃料浓度在不断发生变动，当催化燃烧器的入口温度降低时，在进行直接增加燃料流量的控制的情况下，作为燃烧成分的甲烷的供给过剩，有可能发生催化剂的烧坏。
因此，本发明的目的在于提供一种燃气涡轮发动机的控制方法及控制装置，其即使在贫燃料吸入燃气涡轮发动机的燃烧器的催化剂劣化的情况下，也能够防止催化燃烧器的失火及烧坏，稳定地维持运转状态。
(二)技术方案
为了实现上述目的，本发明的燃气涡轮发动机的控制方法或控制装置控制将低浓度甲烷气体所含有的可燃成分用作燃料，并具备催化式燃烧器的贫燃料吸入燃气涡轮发动机；将相对于吸入该发动机的吸入气体甲烷浓度的由测定得到的所述燃烧器的入口与出口的温度差与基准温度差数据相比较，所述基准温度差数据是成为基准的具备初始状态的催化剂的燃烧器的入口与出口的温度差数据，基于其差分，来控制所述燃烧器的入口温度及出口温度中的至少一个。
所述燃烧器的入口温度的控制优选通过如下方法进行，例如，在所述燃气涡轮发动机中设置热交换器和热交换器旁通阀，所述热交换器利用来自涡轮的废气对从压缩机导入燃烧器的压缩气体加热，所述热交换器旁通阀使所述压缩气体从所述热交换器迂回，导入所述燃烧器，通过减小该热交换器旁通阀的开度，使所述燃烧器的入口温度上升。此外，所述燃烧器的出口温度的控制优选通过如下方法进行，例如，使功率转换装置插在由该燃气涡轮发动机驱动的发电机与外部电力之间，通过该功率转换装置降低发电机的转速。根据这些结构，对燃气涡轮发动机运转所必须的结构没有施加大的改变。
权利要求书和/或说明书和/或说明书附图所公开的至少两种结构的任意组合，均包含在本发明中。特别是权利要求书的各权利要求的两项以上的任意组合，也包含在本发明中。
附图说明
通过参照附图对以下适宜的实施方式进行说明，可更加清楚地理解本发明。但是，实施方式及附图仅用于图示及说明，不应用于确定本发明的范围。本发明的范围由权利要求书确定。在附图中，多个附图上相同附图标记表示相同或与其相当的部分。
图1是表示作为本发明的一个实施方式的控制方法的控制对象的燃气涡轮发动机的简略结构的方框图。
图2是表示本发明的一个实施方式的控制方法的流程图。
图3是表示图2的控制方法的控制逻辑的方框图。
图4是示意性地表示图2的控制方法中使用的温度差数据的图。
具体实施方式
下面参照附图说明本发明的优选实施方式。图1是表示成为本发明的一个实施方式的控制方法的控制对象的燃气涡轮发动机GT的简略结构图。该燃气涡轮发动机GT具备压缩机1、单罐式主燃烧器3、涡轮5及热交换器7。通过该燃气涡轮发动机GT的输出来驱动发电机9。
本实施方式中的燃气涡轮发动机GT作为如下所述的贫燃料吸入燃气涡轮发动机而构成，其将在煤矿产生的CMM(Coal MineMethane；煤矿甲烷)等低热量气体与空气或从煤矿排出的VAM(Ventilation Air Methane；煤矿通风甲烷)混合，吸入发动机，将所含的可燃成分用作燃料；主燃烧器3作为含有铂或钯等催化剂的催化式燃烧器而构成。
作为所述燃气涡轮发动机GT所使用的低热量气体，例如，将在煤矿产生的VAM与可燃成分(甲烷)浓度高于VAM的CMM这样的两种不同燃料浓度的燃料气体在混合器11中混合，将得到的吸入气体G1从压缩机1的吸气入口导入燃气涡轮发动机GT内。混合器11设置在将来自CMM燃料源的CMM导入压缩机1的燃料导入路12的中途。此外，CMM燃料的流量通过设置在燃料导入路12上的混合器11的上游侧的CMM燃料控制阀13来调整。在压缩机1的吸气入口设置测量吸入气体G1中的甲烷浓度的甲烷浓度计14。
吸入气体G1在压缩机1被压缩，该高压的压缩气体G2输送至主燃烧器3。压缩气体G2通过主燃烧器3的铂或钯等催化剂进行的催化反应而燃烧，将由此生成的高温/高压的燃烧气体G3供给涡轮5，来驱动涡轮5。在主燃烧器3的入口及出口，分别设置入口温度传感器T1及出口温度传感器T2。
涡轮5通过旋转轴15与压缩机1及发电机9连接，通过涡轮5来驱动压缩机1及发电机9。在旋转轴15的压缩机1与发电机9之间的部分上，设置测量涡轮5转速的旋转检测器18。发电机9通过功率转换装置17与外部的电力系统19连接。功率转换装置17内置有将直流电与交流电相互转换的电路，在发电机9与电力系统19之间进行向双向的供电。
热交换器7将来自涡轮5的涡轮废气G4作为加热介质，加热从压缩机1导入主燃烧器3的压缩气体G2。来自压缩机1的压缩气体G2通过压缩气体通路21输送至热交换器7，在这里加热后，通过高温压缩气体通路25输送至主燃烧器3。经过主燃烧器3及涡轮5的涡轮废气G4通过涡轮废气通路29流入热交换器7。从热交换器7流出的废气G5通过没有图示的消声器消声后，排放至外部。
进而，压缩气体通路21与高温压缩气体通路25通过在中途具备热交换器旁通阀31的热交换分流路35相连通。为了防止由于在热交换器7加热的压缩气体G2使主燃烧器3过度加热而发生烧坏，根据需要打开热交换器旁通阀31，使压缩气体G2从热交换器7迂回。
此外，燃气涡轮发动机GT除了具备主燃烧器3以外，还具备辅助燃烧器39。辅助燃烧器39从燃气涡轮发动机GT启动时开始直至主燃烧器3达到规定的工作温度，向热交换器7供给高温的燃烧气体，对热交换器7进行暖机。在对辅助燃烧器39从专用的燃料供给路41供给燃料(本实施方式中为CMM)的同时，由从压缩气体通路21分支设置的启动用抽气路45供给压缩气体G2的一部分。在启动用抽气路45的中途设置启动用抽气阀47。
设置控制装置51，该控制装置51基于主燃烧器3的入口与出口的温度差，对具有上述结构的燃气涡轮发动机GT进行控制。下面说明由该控制装置51进行的燃气涡轮发动机GT的控制方法。在本实施方式的控制方法中，如图2所示，将相对于吸入压缩机1的吸入气体G1的甲烷浓度的由测定得到的作为催化燃烧器的主燃烧器3的入口与出口的温度差，与成为基准的具备初始状态的催化剂的主燃烧器3的入口与出口的温度差数据(以下称为“基准温度差数据”)相比较，基于其差分，来控制燃气涡轮发动机GT的转速及主燃烧器3的入口温度中的至少一个。
如图3所示，在控制装置51中，设置数据存储存储器61，该数据存储存储器61作为用于预先存储基准温度差数据的数据存储部。基准温度差数据通过例如使用初始状态的催化剂，预先测定如图4所示的相对于甲烷浓度的入口与出口的温度差而取得。
接着，根据图3的入口温度传感器T1及出口温度传感器T2的测定值，通过温度差运算部65计算出温度差数据，在修正控制部69，将该温度差数据(以下称为“测定温度差数据”)与相对于通过甲烷浓度计14测定的甲烷浓度的基准温度差数据相比较。若催化剂的劣化加重，则测定温度差变小，因此测定温度差数据与基准温度差数据的差分成为表示催化剂劣化程度的指标。即，能够判断该差分越大，催化剂的劣化越加重。
修正控制部69基于上述差分，控制燃烧器3的入口温度及出口温度。具体地，在本实施方式中，修正控制指令部69对热交换器旁通阀控制部77的开度指令值及转速控制部73的转速指令值进行修正。通过修正热交换器旁通阀控制部77的开度指令值，降低热交换器旁通阀31的开度，使通过图1的热交换器7的压缩气体G2的流量增加，从而使主燃烧器3的入口温度上升。
另一方面，图3的转速控制部73接收来自修正控制部69的指令，通过功率转换装置17控制发电机9的转速，由此来控制燃气涡轮发动机GT的转速。具体地，通过降低转速控制部73的转速指令值，使燃气涡轮发动机GT的转速下降，减少流入主燃烧器3的气体流量，来防止燃烧器3的出口温度的下降。
另外，修正控制部69也可以构成为成业主燃烧器3的入口温度及出口温度中的至少一个。此外，也可以取代通过转速控制部73控制燃气涡轮发动机GT的转速，或者与转速控制一并通过调整图1的启动用抽气路45的启动用抽气阀47的开度，来调整流入主燃烧器3的气体流量，控制燃烧器3的出口温度。
这样，根据本实施方式的燃气涡轮发动机的控制方法，即使在贫燃料吸入燃气涡轮发动机GT的主燃烧器3的催化剂劣化的情况下，也能够防止主燃烧器3的失火及烧坏，稳定地维持运转状态。
另外，本实施方式的控制方法对于防止负荷下降时的主燃烧器3的失火，以及防止负荷提高时的主燃烧器3的烧坏也有效。即，由于作为催化燃烧器的主燃烧器3对于供给燃料发生燃烧响应延迟，因此在负荷下降时，催化剂的温度上升不充分，有可能形成失火状态，相反地，在负荷提高时，催化剂的温度上升过度，有可能发生催化剂烧坏，但在将催化剂劣化修正控制应用于负荷下降时的情况下，通过使催化剂入口温度上升，并降低转速的修正操作，能够保持稳定的催化剂燃烧状态。另一方面，在将催化剂劣化修正控制应用于负荷提高时的情况下，通过与劣化对应相反的操作，即降低催化剂入口温度，提高转速，或者维持额定转速，能够避免催化剂的烧坏，保持稳定的催化燃烧状态。
此外，也可以构成为，在通过基于催化剂的劣化程度的修正控制所进行的操作，吸入气体G1的甲烷浓度上升的情况下，通过转换开关71，将对CMM燃料控制阀13的控制转换至基于吸入气体G1的甲烷浓度的控制，限制吸入气体G1的甲烷浓度不会达到规定值以上，防止压缩机内的爆炸。
如上所述，参照附图对本发明的优选实施方式进行了说明，但在不脱离本发明的主旨的范围内，能够进行各种补充、改变或删除。因此，这样的补充、改变及删除也包含在本发明的范围内。
附图标记说明
1 压缩机
3 主燃烧器(催化式燃烧器)
5 涡轮
7 热交换器
17 功率转换装置
31 热交换器旁通阀
51 控制装置
61 数据存储部(数据存储存储器)
G1 吸入气体
GT 燃气涡轮发动机
T1 入口温度传感器
T2 出口温度传感器

Claims (6)

1.一种贫燃料吸入燃气涡轮发动机的控制方法，其控制将低浓度甲烷气体所含有的可燃成分用作燃料，并具备催化式燃烧器的贫燃料吸入燃气涡轮发动机，
将相对于吸入该发动机的吸入气体甲烷浓度的由测定得到的所述燃烧器的入口与出口的温度差与基准温度差数据相比较，所述基准温度差数据是成为基准的具备初始状态的催化剂的燃烧器的入口与出口的温度差数据，基于其差分，来控制所述燃烧器的入口温度及出口温度中的至少一个。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，在所述燃气涡轮发动机中设置热交换器和热交换器旁通阀，所述热交换器利用来自涡轮的废气对从压缩机导入燃烧器的压缩气体加热，所述热交换器旁通阀使所述压缩气体从所述热交换器迂回，导入所述燃烧器，通过减小该热交换器旁通阀的开度，使所述燃烧器的入口温度上升。
3.根据权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于，使功率转换装置插在由所述燃气涡轮发动机驱动的发电机与外部电力之间，通过该功率转换装置降低发电机的转速，由此控制所述燃烧器的出口温度。
4.一种贫燃料吸入燃气涡轮发动机的控制装置，其控制将低浓度甲烷气体所含有的可燃成分用作燃料，并具备催化式燃烧器的贫燃料吸入燃气涡轮发动机，
其具备数据存储部及修正控制部，
所述数据存储部存储基准温度差数据，所述基准温度差数据是相对于吸入该发动机的吸入气体甲烷浓度的由测定得到的所述燃烧器的入口与出口的温度差、成为基准的具备初始状态的催化剂的燃烧器的入口与出口的温度差数据，
所述修正控制部将相对于吸入该发动机的吸入气体甲烷浓度的由测定得到的所述燃烧器的入口与出口的温度差与基准温度差数据相比较，基于其差分，来控制所述燃烧器的入口温度及出口温度中的至少一个。
5.根据权利要求4所述的控制装置，其特征在于，所述燃气涡轮发动机具备热交换器和热交换器旁通阀，所述热交换器利用来自涡轮的废气对从压缩机导入燃烧器的压缩气体加热，所述热交换器旁通阀使所述压缩气体从所述热交换器迂回，导入所述燃烧器，所述修正控制部通过减小所述热交换器旁通阀的开度，使所述燃烧器的入口温度上升。
6.根据权利要求4或5所述的控制装置，其特征在于，所述修正控制部通过插在由所述燃气涡轮发动机驱动的发电机与外部电力之间的功率转换装置，降低发电机的转速，由此控制所述燃烧器的出口温度。
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