CN104421000A - 用于控制燃气涡轮发动机内燃烧器中燃料分配的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种具有多个燃烧器的燃气涡轮发动机系统，其中第一燃烧器包括一个或多个燃料喷嘴和定位在所述燃料喷嘴下游的一个或多个燃料喷射器。所述燃气涡轮发动机还可包括第一阀，所述第一阀沿燃料回路与所述第一燃烧器之间的燃料供给线路设置来调节流向所述第一燃烧器的第一燃料流量。所述燃气涡轮发动机还可包括第二阀，所述第二阀沿所述第一阀与所述一个或多个燃料喷射器中的至少一个之间的燃料供给线路设置来调节流向所述一个或多个燃料喷射器中的至少一个的第二燃料流量。

Description

用于控制燃气涡轮发动机内燃烧器中燃料分配的系统和方法
技术领域
本发明大体上涉及燃气涡轮机，并且更具体来说，涉及用于操作燃气涡轮机的系统和方法。
背景技术
燃气涡轮发动机包括一个或多个燃烧器，所述燃烧器接收并燃烧空气和燃料来产生热燃烧气体。一些燃气涡轮发动机产生不希望的排放物，如氮氧化物(NOx)、未燃尽碳氢化合物(HC)和一氧化碳(CO)。在一些情况下，可能希望在降低的速率或功率水平下操作燃气涡轮发动机。然而，当在降低的速率下操作时，难以维持低排放水平。例如，当燃气涡轮发动机在降低的速率下操作时，燃烧器内的温度可能太低而无法使燃料完全燃烧，并且因此燃气涡轮发动机可能产生不希望的排放物。
发明内容
本发明目的在于提供一种用于控制燃气涡轮发动机内燃烧器中的燃料的分配的系统和方法，以解决现有技术中燃气涡轮发动机所存在的上述技术问题。
下文概述与原始要求保护的发明在范围上相当的某些实施例。这些实施例并不意图限制本发明的范围，而仅意图提供本发明的可能形式的简要概述。实际上，本发明可涵盖可与下述实施例类似或不同的各种形式。
在第一实施例中，燃气涡轮发动机系统包括围绕所述燃气涡轮发动机的旋转轴线周向布置的多个燃烧器。第一燃烧器包括一个或多个燃料喷嘴和大体定位在所述一个或多个燃料喷嘴下游的一个或多个燃料喷射器。所述第一燃烧器还包括沿燃料回路与所述第一燃烧器之间的燃料供给线路设置的第一阀，所述第一阀配置用于调节流向所述第一燃烧器的第一燃料流量。第一燃烧器还包括沿所述第一阀与所述一个或多个燃料喷射器中的至少一个之间的所述燃料供给线路设置的第二阀，所述第二阀配置用于调节流向所述一个或多个燃料喷射器中的至少一个的第二燃料流量。
在第二实施例中，提供一种操作燃气涡轮发动机的方法。所述方法包括以下步骤：使用控制器将燃料引导至多个燃烧器，其中所述多个燃烧器的每一个配置用于通过一个或多个燃料喷嘴和一个或多个燃料喷射器来接收燃料，其中所述一个或多个燃料喷嘴定位在所述多个燃烧器的每一个的第一端附近，并且所述一个或多个燃料喷射器定位在所述多个燃烧器的每一个的第二端附近。所述方法还可包括使用控制器停止流向所述多个燃烧器的子集的第一燃料流量，并且使用所述控制器调节流向所述多个燃烧器中所述子集之外的至少一个的所述一个或多个燃料喷射器的第二燃料流量。
在第三实施例中，一种系统包括设置在非暂时性机器可读介质上的指令，并且所述指令配置用于将燃料引导至多个燃烧器，其中每个燃烧器联接至定位在所述燃烧器的第一端附近的多个燃料喷嘴和定位在所述燃烧器的第二端附近的至少一个燃料喷射器。所述系统还包括用于控制第一阀来停止流向所述多个燃烧器的子集的第一燃料流量的指令，以及用于控制第二阀来调节流向所述多个燃烧器中所述子集部分之外的至少一个的所述至少一个燃料喷射器的第二燃料流量的指令。
附图说明
在参考附图阅读以下详细说明后，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点，在附图中，类似的符号代表所有附图中类似的部分，其中：
图1是燃气涡轮机系统的一个实施例的方块图；
图2是燃气涡轮机系统的一个实施例的部分截面侧视图；
图3是具有用于调节燃气涡轮机系统内的燃料流量的多个控制装置的燃气涡轮机系统的一个实施例的示意图；
图4是具有用于调节多个燃烧器内的燃料流量的多个控制装置的燃气涡轮机系统的一个实施例的示意图；
图5是具有用于调节多个燃烧器内的燃料流量的多个控制装置的燃气涡轮机系统的一个实施例的示意图；
图6是具有布置到多个区段中的多个燃烧器以及用于调节多个燃烧器内的燃料流量的多个控制装置的燃气涡轮机系统的一个实施例的示意图；以及
图7是根据一个实施例的燃气涡轮机系统内燃烧器布置的前透视图。
具体实施方式
下文将对本发明的一个或多个具体实施例进行描述。为了提供针对这些实施例的简要描述，可能不会在本说明书中描述实际实现方案的所有特征。应了解，在任何工程或设计项目中开发任何此类实际实现方案时，均应当做出与实现方案特定相关的各种决定，以实现开发人员的特定目标，例如，遵守系统相关和业务相关约束，这些约束可能会因实现方案的不同而有所不同。此外，应了解，此类开发工作可能非常复杂耗时，但无论如何，对受益于本公开的普通技术人员而言，此类开发仍是设计、制作和制造的常规任务。
在介绍本发明的各个实施例的元件时，冠词“一(a)”、“一个(an)”、“该(the)”和“所述(said)”意图表示存在一个或多个元件。术语“包含”、“包括”和“具有”意图表示包括性含义，并且表示除了所列元件外，可能还存在其他元件。
根据本公开的燃气涡轮机系统可配置用于在降低的速率或功率水平(例如，调降)下操作，同时维持适当低的排放。通常由燃气涡轮机系统的燃气涡轮发动机产生的主要排放物包括氮氧化物(NOx)、未燃尽碳氢化合物(HC)和一氧化碳(CO)，这些气体受到联邦和各州的各种法规约束。可通过燃气涡轮机系统内的某些操作条件来减少排放和/或使其维持在法规达标范围之内。例如，在燃气涡轮机系统的燃烧器内的火焰温度维持在某些水平的情况下，NOx和CO排放可保持在达标范围之内。所述燃烧器内的火焰温度高度取决于燃料/空气比，并且因此，温度和排放可通过调节所述燃烧器内的燃料流量来控制。然而，在一些情况下，可能希望在降低的速率或功率水平下操作燃气涡轮机系统。例如，在非高峰时间期间，在全功率下操作燃气涡轮机系统既不切实际又昂贵。此外，完全停止和重新起动燃气涡轮机系统是一个漫长过程并且会影响到系统部件的耐用性。因此，在低需求期期间，通常优选调降燃气涡轮机系统，而非停止燃气涡轮发动机。降低的功率水平可通过减少流向所述燃烧器的燃料流量来实现。然而，当在这类降低的功率水平下操作时，可能会特别难以维持排放达标。例如，所述燃烧器内的温度可能太低而无法使燃料完全燃烧，从而可能导致排放增加。
使得燃气涡轮机系统能够保持排放达标的某些调降方法通常可能会使功率水平下降至正常输出的仅约40％。本公开提供使得燃气涡轮机系统能够在非常低的功率水平下操作，同时维持适当低的排放的系统和方法。例如，根据本公开的系统和方法可使得燃气涡轮机系统能够保持排放达标并且调降至正常输出的约15％、20％、25％或30％。通过提供一个或多个控制装置(例如，阀)，能够以使得燃气涡轮机系统能够实现非常低的功率水平和低排放的方式来引导和调节燃料流量。例如，阀可控制用于以产生维持低排放的降低的速率和燃料/空气比的方式来调节流向燃气涡轮机系统内的某些燃料喷射器和/或某些燃烧器的燃料流量。更具体来说，在本说明书中所论述的一些调降操作中，可减少流向某些下游燃料喷射器(例如，延迟贫油喷射器)的燃料流量，并且可减少或停止流向燃气涡轮机系统中的至少一个燃烧器的燃料流量。这类调降方法还可使得燃气涡轮机系统能够在需求增加时快速返回到全功率。此外，在本公开的一些实施例中，能够以降低沿热气体路径的部件上的热应力(thermal stress)的方式调节燃料流量来终止燃烧器，如下文更详细描述。
回到附图，图1示出燃气涡轮机系统10的一个实施例的方块图，所述燃气涡轮机系统10可配置用于在低功率水平下操作，同时维持适当低的排放。本说明书中所描述的系统和方法可用于任何涡轮机系统，如燃气涡轮机系统，并且不意图受限于任何特定机器或系统。如图所示，系统10包括压缩机12、涡轮机燃烧器14和涡轮机16。系统10可包括一个或多个燃烧器14，所述燃烧器14包括配置用于接收液体燃料和/或气体燃料20(如天然气或合成气)的一个或多个燃料喷嘴18。系统10还可包括一个或多个燃料喷射器22(例如，延迟贫油燃料喷射器或LLI)，所述燃料喷射器大体定位在一个或多个燃料喷嘴18下游并且配置用于将燃料20或燃料20与空气的混合物喷射到燃烧器14中。系统10可包括控制器23，所述控制器通常配置用于控制流向一个或多个燃料喷嘴18和/或一个或多个LLI22的燃料流量。控制器23可为配置用于向燃气涡轮机系统10发送信号和/或从所述燃气涡轮机系统10接收信号并且控制燃气涡轮机系统10内的燃料流量的任何合适发动机控制器。
涡轮机燃烧器14点燃并燃烧燃料-空气混合物，并且然后将加压热燃烧气体24(例如，废气)传递到涡轮机16中。涡轮机叶片联接至轴26，所述轴26还联接至整个涡轮机系统10中的若干其他部件。当燃烧气体24穿过涡轮机16中的涡轮机叶片时，涡轮机16受驱动而旋转，从而使轴26旋转。最终，燃烧气体24通过排气口28离开涡轮机系统10。另外，轴26可联接至负载30，所述负载30通过轴26的旋转来驱动。例如，负载30可为可通过涡轮机系统10的旋转输出来发电的任何合适装置，如发电机或飞机螺旋桨等。
压缩机叶片可被包括作为压缩机12的部件。压缩机12内的叶片联接至轴26，并且会在轴26受到涡轮机16驱动而旋转时发生旋转，如上所述。进气口32将空气34给送到压缩机12中，并且压缩机12内叶片的旋转使空气34压缩以产生加压空气36。然后将加压空气36给送到涡轮机燃烧器14的一个或多个燃料喷嘴18和/或LLI22中。一个或多个燃料喷嘴18将加压空气36与燃料20混合以产生适于燃烧(例如，使燃料更完全燃烧的燃烧)的混合比例，从而不至于浪费燃料或引起过量排放。如下文更详细描述，系统10可配置用于在非常低的功率水平下操作，同时维持适当低的排放。
图2是燃气涡轮机系统10的燃烧器14的一个实施例的部分截面侧视图。如图所示，燃气涡轮机系统10可参考纵向轴线或方向38、径向轴线或方向40和周向轴线或方向42来描述。燃气涡轮机系统10包括设置在燃烧器14的头端43内的一个或多个燃料喷嘴18。一个或多个燃料喷嘴18还可大体定位在燃烧器14的第一端44附近(例如，相邻处、邻近处等)。另外，燃烧器14可包括定位在燃烧器的第二端46附近的一个或多个延迟贫油喷射器22(LLI)，第二端46在朝向涡轮机16的热燃烧气体的流动方向上大体位于第一端44下游。
如图2中所示，可提供一个或多个控制装置或阀64以用于控制燃料20的流量。阀64可以任何合适的方式布置。例如，在所描绘的实施例中，至少一个阀64a沿燃料回路60与燃烧器14之间的燃料供给线路62(例如，歧管)设置，并且阀64a定位来使得阀64a可调节燃料20向燃烧器14(例如，向一个或多个燃料喷嘴18和向LLI22)的供给。
此外，可提供一个或多个阀64b以用于实现对流向LLI22的燃料20流量的另一水平的控制或独立的控制。在所示实施例中，阀64b沿阀64a与LLI22之间的燃料供给线路62设置。如图所示，LLI22可由环绕燃烧器14的过渡区48的衬管和/或导流套管47在结构上支撑。LLI22配置用于在沿燃烧器14的纵向轴线38的一个或多个轴向级段或区域处将燃料20提供至燃烧器14。LLI22可配置用于如箭头50所示将燃料20喷射到燃烧器14中，燃料20在大体垂直于燃烧器14内的流向52的方向上喷射。这种配置在燃气涡轮机系统10的操作期间在燃烧器14内形成局部稳定燃烧区。此外，流向LLI22的燃料20流量还可通过阀64a、64b以促进调降同时维持适当低的排放的方式来调节，如下文更详细描述。
如上文所论述，一个或多个LLI22可设置在燃烧器14的一个或多个轴向级段或区域处。在一些实施例中，多个LLI22在沿燃烧器14的纵向轴线38的单个轴向级段处围绕燃烧器14周向42设置。在某些实施例中，多个LLI22在沿燃烧器14的纵向轴线38的多个轴向级段处围绕燃烧器14周向42设置。因此，第一轴向级段可包括一个或多个LLI22，并且第二轴向级段可包括一个或多个LLI22。LLI22可以任何合适的方式布置。例如，第一轴向级段的LLI22和第二轴向级段的LLI22可相对于彼此周向42交错。所述轴向级段还可包括相同数量或不同数量的LLI22。
燃料回路60可将燃料20供应至燃料喷嘴18和/或LLI22。燃料20可通过燃料供给线路62供给至燃料喷嘴18和/或LLI22。应理解，多个燃料回路和/或多个燃料供给线路62可并入到本公开的系统中。如上文所指示，可提供一个或多个阀64b以用于独立地调节流向LLI22的燃料20流量。在图2的实施例中，为每个LLI22提供一个阀64b，但是可构想出任何合适的配置。在一些实施例中，一个阀64b可调节流向一个以上LLI22的燃料20流量。在一些实施例中，一个阀64b可调节流向周向42布置在单个轴向级段中的所有LLI22的燃料20流量。因此，可一起操作一个轴向级段的LLI22。在一些实施例中，一个阀64b可调节流向两个或更多个轴向级段的每个LLI22的燃料20流量。因此，可一起操作多个轴向级段的LLI22。在一些实施例中，一个阀64b可调节流向燃烧器14的所有LLI22或燃气涡轮机系统10的多个燃烧器14的LLI22的燃料20流量。
控制器23可与一个或多个阀64通信。控制器23配置用于向阀64提供信号70以打开、关闭或调整阀64。因此，在所示实施例中，控制器23控制阀64来调节燃料20向整个燃烧器14的流动和供给和/或单独控制流向LLI22的燃料20流量。燃烧器14的各个阀64可以任何合适的布置定位并且可以任何合适的方式来调节以实现低调降，如下文更详细描述。
图3是燃气涡轮机系统10的一个实施例的示意图。如图所示，控制器23配置用于控制一个或多个控制装置或阀64。一个或多个阀64转而影响或调节流向燃气涡轮机系统10的燃烧器14的各个部件(例如，燃料喷嘴18和LLI22)的燃料20流量。例如，在某些调降操作中，一个或多个阀64可首先减少流向一个或多个燃烧器14的LLI22的燃料20流量。当在一个或多个燃烧器14中实现某一阈值燃料流率或温度(例如，如由集成到系统10中的传感器或其他监测装置监测)时，一个或多个阀64随后可停止流向燃气涡轮机系统10的至少一个燃烧器14的燃料20流量。如下文更详细描述，燃气涡轮机系统10的这些部件可以各种配置来布置并且可通过各种方法来操作以实现非常低的调降，同时维持适当低的排放。
控制器23可通过与一个或多个阀64和/或燃气涡轮机系统10的其他流量调节特征电通信来独立地控制燃气涡轮机系统10的操作。控制器23还可与一个或多个传感器电通信，如下文更详细描述。控制器23可包括分布式控制系统(DCS)或全部或部分自动化的基于计算机的任何工作站。例如，控制器23可为采用通用或专用处理器的任何装置，这两类装置通常均可包括用于存储与燃烧参数(如火焰温度和燃料流率)相关的指令的存储器电路。处理器可包括一个或多个处理装置，并且存储器电路可包括集中存储指令的一个或多个有形的非暂时性机器可读介质，所述指令可由处理器执行来进行本说明书中所描述的方法和控制动作。此类机器可读介质可为可由处理器或任何通用或专用计算机或具有处理器的其他机器访问的任何可用介质。举例来说，此类机器可读介质可包括RAM、ROM、EPROM、EEPROM、CD-ROM或其他光盘存储器、磁盘存储器或其他磁存储装置，或可用于携带或存储机器可执行指令或数据结构形式的所需程序代码并且可由处理器或任何通用或专用计算机或具有处理器的其他机器访问的任何其他介质。当通过网络或其他通信连接(硬连线、无线或硬连线或无线的组合)将信息传输到或者提供给机器时，机器将适当地将所述连接视为机器可读介质。因此，任何此类连接均可适当地称为机器可读介质。上述项的组合也包括在机器可读介质的范围内。机器可执行指令包括例如使处理器或任何通用计算机、专用计算机或专用处理机器执行某一功能或功能组的指令和数据。如下文所论述，控制器23可使用通过从一个或多个传感器接收的输入信号提供的信息来执行包含在机器可读或计算机可读存储介质上的指令或代码并且向各个阀64产生一个或多个输出信号70。例如，基于对包含在控制器23的机器可读或计算机可读存储介质上的指令或代码的执行，可使用输出信号70来控制燃气涡轮机系统10内的燃料20流量。
图4是具有配置用于调节多个燃烧器14内的燃料20流量的多个阀64的燃气涡轮机系统10的一个实施例的示意图。在所描绘实施例中，第一燃烧器14a(例如，第一燃烧器罐)包括一个或多个燃料喷嘴18a，所述燃料喷嘴18a可设置在头端43内并且定位在燃烧器14a的第一端44附近。此外，第一燃烧器14a包括定位在燃烧器14a的第二端46附近的一个或多个LLI22a。燃气涡轮机系统10可包括控制器23，所述控制器配置用于控制多个阀64。如图所示，第一阀64a可沿燃料回路60与第一燃烧器14a之间的燃料供给线路62设置。第一阀64a可配置用于调节流向第一燃烧器14a的燃料20流量。此外，第二阀64b可沿第一阀64a与LLI22之间的燃料供给线路62设置。第二阀64b可配置用于提供另一控制水平并且独立地调节流向第一燃烧器14a的LLI22a的燃料20流量。如上文针对图2所论述，例如，可为每个LLI22或每个轴向级段处的LLI22或第一燃烧器14a的所有LLI提供一个阀64b。如图所示，第二燃烧器14b(例如，第二燃烧器罐)可具有与第一燃烧器14a相似的燃料喷嘴18b、LLI22b和阀64布置，但应理解，系统10的各个燃烧器14可具有不同的布置和配置。
如上文所论述，控制器23可控制阀64来调节从燃料回路60供给至燃烧器14的各个部件(例如，燃料喷嘴18和/或LLI22)的燃料20量。在一些实施例中，控制器23可基于燃烧器14中感测到的燃烧参数来选择性地操作阀64。例如，在某些实施例中，一个或多个传感器82可配置用于感测燃料供给线路62内的燃料20流率。由一个或多个传感器82获得的信息可提供给控制器23，并且控制器23可启动各种动作，如打开或关闭某些阀64。如下文更详细描述，控制器23可以减少燃料消耗并且维持排放达标的方式部分地关闭或关断(例如，完全关闭)燃气涡轮机系统10的一个或多个燃烧器14中的一个或多个阀64。
参考图4，在调降操作期间，控制器23可控制阀64来减少流向燃气涡轮机系统10的某些部分的燃料20流量。在一些实施例中，控制器23可控制一个或多个阀64b来减少流向一个或多个燃烧器14的一个或多个LLI22的燃料20流量。例如，可使流向LLI22的燃料20流量减少至某一流率(例如，阈值流率)，或者可减少流向LLI22的燃料流量直至在燃烧器14内实现某一火焰温度(例如，阈值火焰温度)。如上文所论述，在一些实施例中，可提供一个或多个传感器82以用于检测燃烧器14内的燃料流率和/或温度。由一个或多个传感器82收集的信息可用于确定或触发调降过程中的后续步骤。例如，当流向一个或多个燃烧器14的LLI22的燃料20流量通过阀64b达到某一阈值流率(例如，较低阈值流率)时，那么控制器23随后可控制阀64a来减少或停止流向燃气涡轮机系统10的至少一个燃烧器14的燃料20流量。此外，在一些实施例中，可通过传感器82或其他合适监测装置来监测系统10的排放。因此，在调降过程期间，控制器23可配置用于动态地调节流向LLI22和/或燃料喷嘴18的燃料流量，和/或停止流向至少一个燃烧器14的燃料流量来维持排放达标(例如，低于排放阈值)。
在图4的实施例中，可使流向一个或多个燃烧器14的LLI22的燃料20流量减少至零(或接近零)，并且随后可控制第一燃烧器14a的阀64a。在某些实施例中，控制器23可控制第一燃烧器14a的阀64a来减少或停止流向燃气涡轮机系统10的至少第一燃烧器14a的燃料20流量。因此，可将燃料20引导至邻近的燃烧器14，如第二燃烧器14b，从而可增大第二燃烧器14b中的燃料/空气比。这类方法可通过有效地终止第一燃烧器14a并且迫使燃料20流向第二燃烧器14b来降低操作功率，从而使得第二燃烧器14b具有较高的火焰温度并且实现低排放。虽然图2中仅示出两个燃烧器14，但应理解，在某些实施例中，控制器23可控制一个或多个阀64a来停止流向燃气涡轮机系统10的四分之一、二分之一或任何合适分数的燃烧器14的燃料20流量。
此外，可通过控制阀64a来增加流向系统10的至少调降的燃烧器14的燃料20流量以使得燃气涡轮机系统10返回到全功率。可另外控制阀64b以调节流向LLI22的燃料20流量，从而使燃气涡轮机系统10的功率水平增大。由于可通过当前方法使燃气涡轮机系统10在非常低的调降速率下操作，因此在低需求期期间或在非高峰时间期间可不必完全终止燃气涡轮发动机。因此，燃气涡轮机系统10不必经历漫长的起动过程来增加功率水平。
图5是具有多个燃烧器14和配置用于调节多个燃烧器14内的燃料20流量的多个阀64的燃气涡轮机系统10的另一个实施例的示意图。在所描绘实施例中，第一阀64a定位成使得可调节流向燃料喷嘴18的燃料20流量而不影响流向LLI22的燃料20流量。因此，可提供第一阀64a以独立地控制流向燃料喷嘴18的燃料20流量，同时可提供第二阀64b以独立地控制流向LLI22的燃料20流量。在某些实施例中，此类控制可通过沿燃料回路60与燃料喷嘴18之间的燃料供给线路62定位第一阀64a并且通过沿燃料回路60与LLI22之间的燃料供给线路62定位第二阀64b来实现。参考图5，在调降操作中，流向第一燃烧器14a的LLI22的燃料20流量可通过第二阀64b来调节。当达到某一阈值(例如，流率、火焰温度等)时，流向燃料喷嘴18的燃料流量可单独通过第一阀64a来调节。然而，在示出的实施例中，第一阀64a不影响流向LLI22的燃料20流量。因此，所描绘的系统10提供另外的操作灵活性。例如，可同时操作第一阀64a和第二阀64b或者可基于系统条件精细调整流向燃料喷嘴18和LLI22的燃料20流量。此外，这种配置可用于高效地调降和完全终止燃气涡轮机系统10。在某些实施例中，可控制第一阀64a来调节流向一个或多个燃料喷嘴18的燃料20流量，而不影响流向LLI22的燃料20流量。一旦流向一个或多个燃料喷嘴18的燃料20流量达到某一阈值(例如，流率、火焰温度等)，随后就可控制第二阀64b来减少流向LLI22的燃料20流量。这种技术可用于停止流向燃气涡轮机系统10内一个或多个燃烧器14的燃料20流量。另外，这种技术可允许改进燃气涡轮机系统10的终止程序，因为可降低沿热气体路径的部件的热应力。
此外，虽然图5中未示出，但在某些实施例中，可在第一阀64a上游提供另一个阀64来调节流向至少一个燃烧器14(例如，燃烧器14的燃料喷嘴18和LLI22两者)的燃料20流量，如图4中所示。这种配置将为调节燃气涡轮机系统10内燃料20流量提供另外的操作灵活性和控制。图5中所示的燃气涡轮机系统10还可在需求增加时实现相对快速的功率增加。阀64可调节流向燃料喷嘴18和/或LLI22的燃料20流量来增加功率，而不需经历漫长的起动过程。
虽然图5中示出单个燃料回路60，但应理解，可提供多个燃料回路60。在一些实施例中，燃料20可从燃料回路60供给至位于燃烧器的第一端44处的一个或多个燃料喷嘴18，并且另外的燃料20或第二不同燃料(例如，LLI燃料)可从第二不同燃料回路供给至一个或多个LLI22。例如，LLI燃料可包括任何合适的燃料组分或替代气体，例如像炼厂气或反应性高于甲烷的气体。这种布置可在可利用燃料类型方面提供提高的灵活性，并且可在可控制燃料20流量以使得系统10能够在降低的速率下运行并且维持低排放的方式方面提供另外的灵活性。图5中所示的阀64、燃料喷嘴18和LLI22的布置可实现对流向燃烧器14内燃料喷嘴18和/或LLI22的不同类型燃料的独立控制。
图6是具有用于调节多个燃烧器14内的燃料20流量的多个阀64的燃气涡轮机系统10的一个实施例的示意图。在所描绘实施例中，多个燃烧器14(例如，燃烧器14的子集)布置到区段90中。例如，第一燃烧器14a和第二燃烧器14b布置到第一区段90a中，并且第三燃烧器14c和第四燃烧器14d布置到第二区段90b中。应理解，可提供任何合适数量的区段90(例如，2、3、4、5、6、7、8、9、10或更多)，并且每个区段90可包括任何合适数量的燃烧器14(例如，2、3、4、5、6、7、8、9、10或更多)。区段90可包括邻近燃烧器14或非邻近(例如，交替的)燃烧器14。在一些实施例中，流向每个区段90的燃料20流量可通过第一阀64a来控制。参考图6，在调降操作中，可通过一个或多个第二阀64b来使流向一个或多个燃烧器14的LLI22的燃料20流量减少至某一阈值。如图所示，可为每个燃烧器14提供一个第二阀64b，但如上文所论述，例如，可为每个LLI22、每个区段90的LLI22或整个燃气涡轮机系统10的LLI22提供一个第二阀64b。一旦通过阀64b达到阈值，就可控制一个或多个第一阀64a以调节流向一个或多个区段90的燃料20流量。在一些实施例中，可控制一个或多个第一阀64a来使得燃料20仅供应至区段90中的一些。例如，可控制一个或多个第一阀64a来使得燃料20仅供应至一半区段90和/或一半燃烧器14。如所属领域技术人员将理解，系统10内的各个燃烧器14和各个区段90可具有不同的布置和配置。例如，图4和图5中所示的任何前述配置可用于每个区段90，并且燃气涡轮机系统10的区段90可具有彼此不同的配置。
图7是具有围绕燃气涡轮机系统10的纵向轴线38周向42布置的多个燃烧器14(例如，14个燃烧器)的燃气涡轮机系统10的前透视图。燃烧器14可布置到任何合适数量的区段90中，并且每个区段90可包括任何数量的燃烧器14。例如，如图所示，燃烧器14布置到四个区段90a、90b、90c、90d中，每个区段90具有四个燃烧器14。如上文所论述，每个区段90可包括一系列邻近燃烧器14，或者区段90可包括非临近燃烧器14(例如，交替燃烧器14或每隔两个、每隔三个或每隔四个燃烧器14等)。可控制流向某些燃烧器14和/或某些区段90的燃料20流量。例如，可通过调节一个或多个阀64来减少或停止流向一个区段90或燃烧器14的任何子集的燃料20流量。在一些实施例中，流向每个区段90的燃烧器14的燃料20流量可通过一个阀64来控制。例如，一个阀64可调节流向一个区段90内所有燃烧器14的燃料20流量。这种配置可用更少硬件(例如，更少的阀)来实现高效调降，并且例如减少处理步骤。
上文描述的实施例提供用于在降低的速率或功率水平下操作燃气涡轮机系统10，同时维持排放达标的技术的实例。应理解，控制器23可配置用于以任何合适的次序或顺序逐渐调降或改变流向燃气涡轮机系统10的各个部分的燃料流量。因此，控制器23可通过以任何顺序或次序顺序地或逐渐地减少流向一个或多个LLI22的燃料流量，减少流向一个或多个燃料喷嘴18的燃料流量，和/或切断(例如，停止)流向一个或多个燃烧器14或燃烧器14的区段90的燃料流量来控制调降过程。例如，控制器23可首先减少流向一个或多个LLI22的燃料流量，并且之后停止流向燃烧器14的子集(例如，一个或多个，但非全部)的燃料流量。在一些实施例中，控制器23可首先停止流向燃烧器14的子集(例如，一个或多个，但非全部)的燃料流量，并且之后减少流向联接至燃气涡轮机系统10的其他燃烧器14(例如，活动燃烧器，所述子集部分之外的燃烧器)的一个或多个LLI22的燃料流量。此外，在一些实施例中，调降过程的某些步骤可同时执行。例如，由于流向燃烧器14的子集的燃料流量减少，流向一些或全部LLI22的燃料流量可能会减少。另外，如上所述，燃气涡轮机系统可包括配置用于监测燃气涡轮机系统10的各种特征的传感器82或其他监测和处理装置，所述特征包括流率、一个或多个燃烧器14内的温度和/或燃气涡轮机系统10产生的排放。因此，所述燃气涡轮机系统可配置用于响应于监测到的温度和/或排放水平来逐步地和动态地改变流向LLI22和燃料喷嘴18的燃料流和/或停止流向燃烧器14的子集的燃料流量，从而促进调降，同时维持排放达标(例如，温度阈值或排放阈值)。例如，如果监测到的温度和/或排放水平超过预编程阈值，那么控制器23可增加流向一个或多个LLI22的燃料流量。
如上文所指示，在一些情况下，可能希望在降低的速率或功率水平下操作燃气涡轮机系统10。例如，在非高峰时间期间，在全功率下操作燃气涡轮机系统10既不切实际又昂贵。此外，完全停止和重新起动燃气涡轮机系统10是一个漫长的过程并且会影响系统部件的耐用性。然而，当在这类降低的功率水平下操作时，可能会特别难以维持排放达标。因此，本公开提供使得燃气涡轮机系统10能够在非常低的功率水平下操作，同时维持适当低的排放的系统和方法。例如，根据本公开的系统和方法可使得燃气涡轮机系统能够保持排放达标并且调降至正常输出的约15％(例如，15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％或90％，或其间的任何范围)。通过提供一个或多个控制装置(例如，阀)，能够以使得燃气涡轮机系统10实现非常低的功率水平和低排放的方式来引导和调节燃料流量。例如，阀可控制用于以产生维持低排放的降低的速率和燃料/空气比的方式调节流向燃气涡轮机系统10内的某些燃料喷射器和/或某些燃烧器的燃料流量。以上实施例作为实例提供并且不意图是限制性的。因此，可根据本公开利用用于调节流向各个部件(例如，燃料喷嘴和/或LLI)的燃料流量的任何合适数量的阀和任何合适的阀布置。这类调降方法还可使得燃气涡轮机系统10能够在需求增加时快速返回到全功率。此外，在一些实施例中，可以降低沿热气体路径的部件上的热应力的方式调节燃料流量来终止燃烧器。当前公开的实施例的技术效果包括燃气涡轮机系统10在低功率水平下操作，同时维持排放达标的能力。
本说明书使用各个实例来公开本发明，包括最佳模式，同时也让所属领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造并使用任何装置或系统，以及实施所涵盖的任何方法。本发明的保护范围由权利要求书界定，并且可包括所属领域的技术人员想出的其他实例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或如果此类实例包括的等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，则此类实例也应在权利要求书的范围内。

Claims (20)

1.一种燃气涡轮发动机系统，所述燃气涡轮发动机系统包括：
围绕所述燃气涡轮发动机的旋转轴线周向布置的多个燃烧器，所述多个燃烧器的第一燃烧器包括：
一个或多个燃料喷嘴；
大体定位在所述一个或多个燃料喷嘴下游的一个或多个燃料喷射器；
沿燃料回路与所述第一燃烧器之间的燃料供给线路设置的第一阀，所述第一阀配置用于调节流向所述第一燃烧器的第一燃料流量；以及
沿所述第一阀与所述一个或多个燃料喷射器中的至少一个之间的所述燃料供给线路设置的第二阀，所述第二阀配置用于调节流向所述一个或多个燃料喷射器中的至少一个的第二燃料流量。
2.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机系统，其特征在于，该系统包括所述多个燃烧器的第二燃烧器，其中所述第一阀配置用于调节流向所述第二燃烧器的第三燃料流量。
3.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机系统，其特征在于，该系统包括配置用于控制所述第一阀和所述第二阀的控制器。
4.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机系统，其特征在于，其中所述多个燃烧器布置在多个区段中，并且其中所述第一阀配置用于调节流向所述多个区段的第一区段的第三燃料流量。
5.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机系统，其特征在于，其中所述第二阀配置用于在所述第一阀减少流向所述燃烧器的所述第一燃料流量之前减少流向所述一个或多个燃料喷射器的所述第二燃料流量。
6.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机系统，其特征在于，该系统包括配置用于检测燃烧过程的特征的传感器。
7.如权利要求6所述的燃气涡轮发动机系统，其特征在于，其中控制器配置用于在所述传感器检测到所述第二燃料流向所述一个或多个燃料喷射器的流率达到阈值流率时关闭所述第一阀。
8.如权利要求6所述的燃气涡轮发动机系统，其特征在于，其中所述传感器配置用于监测所述燃气涡轮机系统产生的排放，并且其中所述燃气涡轮机系统配置用于调节所述第一燃料流量或所述第二燃料流量来维持产生的所述排放低于阈值。
9.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机系统，其特征在于，该系统包括配置用于调节流向所述一个或多个燃料喷嘴的第三燃料流量而不影响流向所述一个或多个燃料喷射器的所述第二燃料流量的第三阀。
10.如权利要求9所述的燃气涡轮发动机系统，其特征在于，其中所述第二阀配置用于在所述第三阀减少流向所述一个或多个燃料喷嘴的所述第三燃料流量之前减少流向所述一个或多个燃料喷射器的所述第二燃料流量。
11.一种操作燃气涡轮发动机的方法，所述方法包括：
使用控制器将燃料引导至多个燃烧器，其中所述多个燃烧器的每个燃烧器通过一个或多个燃料喷嘴和一个或多个燃料喷射器来接收燃料，其中所述一个或多个燃料喷嘴定位在所述多个燃烧器的每一个的第一端附近，并且所述一个或多个燃料喷射器定位在所述多个燃烧器的每一个的第二端附近；
使用所述控制器来停止流向所述多个燃烧器的子集的第一燃料流量；以及
使用所述控制器来调节流向所述多个燃烧器中所述子集之外的至少一个的所述一个或多个燃料喷射器的第二燃料流量。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，该方法包括在使用所述控制器控制第二阀来减少流向所述多个燃烧器中所述子集之外的至少一个的所述一个或多个燃料喷射器的所述第二燃料流量之前，关闭第一阀来停止流向所述多个燃烧器的所述子集的所述第一燃料流量。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，该方法包括在使用所述控制器来停止流向所述子集的所述第一燃料流量之前，调节流向所述多个燃烧器中所述子集之中的至少一个的所述一个或多个燃料喷射器的所述第二燃料流量。
14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，该方法包括监测由所述燃气涡轮发动机产生的排放，并且调节所述第一燃料流量或所述第二燃料流量来维持产生的所述排放低于阈值。
15.一种系统，所述系统包括：
设置在非暂时性机器可读介质上的指令，其中所述指令配置用于：
将燃料引导至多个燃烧器，其中每个燃烧器联接至定位在所述燃烧器的第一端附近的多个燃料喷嘴和定位在所述燃烧器的第二端附近的至少一个燃料喷射器，所述第二端位于所述第一端下游；
控制第一阀来停止流向所述多个燃烧器的子集的第一燃料流量；以及
控制第二阀来调节流向所述多个燃烧器中所述子集部分之外的至少一个的所述至少一个燃料喷射器的所述第二燃料流量。
16.如权利要求15所述的系统，其特征在于，该系统包括具有所述指令的控制器。
17.如权利要求15所述的系统，其特征在于，该系统包括配置用于检测燃烧过程的特征的一个或多个传感器。
18.如权利要求17所述的系统，其特征在于，其中所述指令配置用于控制所述第一阀来停止流向所述子集的所述第一燃料流量，并且在所述一个或多个传感器检测到流向所述子集的所述第一燃料流量的流率减少至零之后调节所述第二阀。
19.如权利要求18所述的系统，其特征在于，其中所述指令配置用于停止流向所述多个燃烧器中所述子集部分之外的至少一个的至少一个燃料喷射器的所述第二燃料流量。
20.如权利要求15所述的系统，其特征在于，其中所述指令配置用于在控制所述第一阀来停止流向所述多个燃烧器的所述子集的所述第一燃料流量之后，控制所述第二阀来减少流向所述多个燃烧器中所述子集之外的至少一个的所述至少一个燃料喷射器的所述第二燃料流量。
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