CN104454173A - 燃气涡轮和运行燃气涡轮的方法 - Google Patents

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S.R.谢尔
C.高普
A.黑梅斯
R.克罗普顿
E.A.米勒
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Abstract

本发明提出一种燃气涡轮和运行燃气涡轮的方法。流体借助于流体路径(40，42，44)供应到燃气涡轮。第一流体路径(40)分成第二流体路径和第三流体路径(42，44)。第一控制阀(60)控制第一流体路径(40)中的流体质量流量。第二控制阀(62)控制第二流体路径和第三流体路径(42，44)中的流体质量流量的比率(64)。

Description

燃气涡轮和运行燃气涡轮的方法
技术领域
要求保护的发明涉及燃气涡轮和运行燃气涡轮的方法。
背景技术
已知燃气涡轮系统包括不同的燃料喷射级。各个级包括对应的控制阀。
DE 10 2006 015 529 A1涉及一种具有不同的燃料喷射级的喷燃器系统。若干个阀各自连接到对应的燃料管上。燃料管连接到对应的燃料喷射级上。借助于控制装备来控制阀。
发明内容
考虑到现有技术，解决了提供燃气涡轮系统和在系统中的过渡变化期间以稳定的控制来运行燃气涡轮系统的方法的问题。
根据本公开，通过提供第一控制阀和第二控制阀来解决这个问题，第一控制阀控制第一流体路径中的流体质量流量，第二控制阀控制第二路径和第三路径中的质量流量的比率。特别地，可操作第一流体路径中的总流量的快速变化，同时减小总流量的快速变化对所述比率的影响。特别地，可通过借助于第二控制阀实现的比率控制来减小第一路径中的质量流量和比率的交叉耦合效应。可在应用不那么复杂的控制方法的同时实现较好的精确性。这允许进一步改进减排和/或运行燃气涡轮的稳定性。另一方面，可较好地控制过渡情形。例如，在关于通过第一流体路径的流体质量流量的过渡期间，相应的路径中的第二流量和第三流量的比率可保持恒定，从而改进关于控制第一流体路径中的流体质量流量的精确性。
由于第三流体路径的第三液力直径与第一和第二路径的液力直径(其为可调节的)相比是固定的，所以对第二和第三流体路径中的实际流体质量流量提供较高的精确性。此外，固定的第三液力直径允许提供较少控制阀，尤其是较少具有截止能力的控制阀，因为省略了第三流体路径中的控制阀。此外，控制方法可不那么复杂，因此提供较稳定的控制，同时提供较精确和较好的流体供应。也可减小第二控制阀的阀大小，尤其是有效直径的大小。特别地，阀大小的减小以及提供较少数量的控制阀会降低总的系统成本。可用精确度相同或精确度更低的较小的阀实现较高的总体精确度。
根据实施例，提供布置成与第一控制阀串联的截止阀，并且第一控制阀提供截止能力。有利地，可省略另外的截止阀，因此降低总的系统成本，同时提供高的安全度，特别是符合ISO 21789:2009的条款5.10.5.4。
在有利实施例中，提供第四、第五和第六流体路径。第三和第四控制阀允许控制第四流体路径中的流体质量流量，以及分别控制第五和第六流体路径中的流体质量流量的比率。这个实施例允许借助于第一和第三控制阀，例如通过使相应的比率基本稳定，来控制燃气涡轮的高度过渡的运行。燃气涡轮的高度过渡的运行或过程包括例如燃气涡轮的负载卸载或启动。
根据另一个有利实施例，第一和第四流体路径连接到同一燃料源上。这个实施例中的控制燃气涡轮的优点和好处允许降低成本，因为只需对第一和第四流体路径提供一个燃料供应。
根据另一个有利实施例，第二路径比第三路径连接到更少数量的流体出口上，尤其是连接到更少数量的喷燃器上。这个实施例允许在连接到第二和第三路径上的所有级都以相同量的燃料运行的情况下运行燃气涡轮。
在另一个有利实施例中，第二液力直径的最大值小于第三液力直径。这个实施例允许在比率方面提高精确性。第二液力直径越小，可实现精确性更高的比率。因此，在实践中，必须在用第二流体路径供应的燃料的需求和待实现的比率的精确性之间实现折衷，其中，比率的精确性基本受限定第二液力直径的最大值的第二控制阀影响。
根据有利实施例，根据关于时间间隔的逻辑异或(XOR)的方式，以第一时间间隔调节第一液力直径，并且以第二时间间隔调节第二液力直径。这使得能够以不那么复杂的控制方法较精确地供应燃料，因此对燃料供应提供稳定的控制。
根据另一个有利实施例，第二控制器的响应时间大于第一控制器的响应时间，尤其是过渡状态和稳态之间的状态中，这对于运行燃气涡轮是有利的适应。
在另一个实施例中，通过前馈控制器使第二控制阀在过渡状态中运行，前馈控制器减少或避免可发生在起作用的两个控制环路之间的交叉耦合效应，以及在过渡状态中控制第一和第二控制阀。根据方法的一个实施例，第一控制器的过程变量是第一控制阀前面的压力和第一控制阀后面的压力之间的压差，以及/或者第一路径中的流体的流体温度，以及/或者通过第一路径的总流体质量速率。备选地或以组合的方式，第二控制器的过程变量是第二控制阀前面的压力和第二控制阀后面的压力之间的压差。另外，备选地或以组合的方式，燃气涡轮的排放、尤其是排放中的氮氧化物、一氧化碳或未燃烧的烃的比率以及/或者火焰稳定性标准可用作第一和/或第二控制器的变量。火焰稳定性标准例如可为对燃烧室中的压力波动(例如燃烧器脉冲)或辐射(例如OH游离基)或温度度量的确定。
附图说明
用以下附图和详细描述来举例说明上面描述的特征和其它特征。现在参照附图，附图是示例性实施例，以及其中，以相同方式对相同元件进行编号：
图1显示具有顺序燃烧的燃气涡轮；
图2显示通过燃气涡轮的燃烧器的截面；
图3和4     分别显示流体供应的一部分的示意性框图；
图5至7     分别显示控制方法的示意性框图；
图8显示示意性状态图；以及
图9至15分别显示示意性的阀和流体路径构造。
部件列表
2燃气涡轮
4压缩机
6第一燃烧器
8第一涡轮
10第二燃烧器
12第二涡轮
14发电机
16轴
18燃料供给
20喷燃器
22燃料供给
24喷燃器
26第一级
28第二级
30连接点
32连接点
34框
36连接点
40第一流体路径
42第二流体路径
44第三流体路径
46分离单元
50第一液力直径
52第二液力直径
54第三液力直径
60第一控制阀
62第二控制阀
64比率
66流向
68连接点
70截止阀
72控制单元
74控制信号
76控制信号
78控制信号
80压力传感器
82压力
84压力传感器
86压力
88压力传感器
90压力
92示意图
94控制器
96示意图
98控制器
100示意图
102控制器
104示意图
106稳态
108过渡状态
110流体路径
112连接点
114组。
具体实施方式
图1示意性地显示示例性实施例中的具有顺序燃烧的燃气涡轮2。燃气涡轮2包括压缩机4、第一燃烧器6、第一涡轮8、第二燃烧器10和第二涡轮12。典型地，燃气涡轮2包括发电机14，发电机14布置在燃气涡轮2的冷端处，即布置在压缩机4处，发电机联接到燃气涡轮2的轴16上。燃料、气体或油通过燃料供给18引入到第一燃烧器6的喷燃器20，与在压缩机1中压缩的空气混合且燃烧。热气体在后面的第一涡轮8中部分地膨胀。
燃料供给22将燃烧流体供应到第二燃烧器10的喷燃器24。第一燃烧器6的喷燃器20被称为属于一组。第二燃烧器10的燃烧器24被称为属于第二组。因此以较一般的方式使用参考记号来参照组6和10。当然，可进行不同的分组，并且本公开可应用于图1中显示的燃气涡轮2之外的其它类型的燃气涡轮。当然，本文描述的教导可应用于供应到燃气涡轮的任何流体。流体可为或者包括燃料，例如气体或油、水和/或空气。
图2分别以示例性方式显示通过第一燃烧器6或第二燃烧器10的示意性截面。当然，相应的燃烧器6和10可有不同的体现。图2中显示的燃烧器6、10还显示燃料分配系统，燃料分配系统对喷燃器20、24的子组进行供应。喷燃器20、24的子组也被称为级。对主级或第一级26提供第一燃料环。对第二级28喷燃器提供另一个燃料环。分别通过连接点30和32对相应的级26和28供应燃烧流体、燃料。因此，级26和28可按不同的方式运行以实现分级，并且因此使相应的喷燃器6、10的燃烧稳定。
根据未显示的燃气涡轮的实施例，可存在多个燃料出口，它们附连到喷燃器20、24中的至少一个上。因此，也可对多个喷燃器20、24分配不同的级。例如，级26和28可连接到图2的各个喷燃器20、24上，从而使各个喷燃器20、24包括两个流体出口。因此可对至少一个喷燃器20、24分配一组出口。
此外，根据未显示的实施例，可存在下者：第一级的第一多个第一燃料出口附连到第一喷燃器的单个燃料出口上，第二级的第二多个第二燃料出口附连到第二喷燃器的第一燃料出口上，并且第三级的第三多个第三燃料出口附连到第二喷燃器的第二燃料出口上。
图3示意性地显示框34的框图，其中，连接点36连接到未显示的流体供应上，并且连接点30和32连接到流体出口组6、10的相应的级26、28上。连接点36作为输入通往第一流体路径40，第一流体路径40借助于分离单元46分成第二流体路径42和第三流体路径44。当然，流体路径42和44可包括另外的元件，例如固定限流器或固定孔口，它们均未显示。
第一流体路径40的特征在于第一液力直径50。第二流体路径42的特征在于第二液力直径52。第三流体路径44的特征在于第三液力直径54。用以下公式1针对相应的路径确定液力直径dh，其中，A是横截面积，以及其中，U是横截面的湿周长。与有效横截面积或流系数相反，可不依赖于流体的体积流量来确定液力直径。
　　　(1)
框34包括第一控制阀60和第二控制阀62。第一控制阀60控制第一流体路径中的流体质量流量，这包括调节第一液力直径50。第二控制阀62控制第二路径42和第三路径44中的流体质量流量的比率64，这可包括通过仅调节第二液力直径52，来调节通过相应的路径的第二流量和第三流量。第一控制阀60和第二控制阀62可分别实现为可变孔口。用语控制阀不必包括以闭环的方式控制相应的阀，而是还可涉及对相应的阀进行开环控制。
图4示意性地显示框34的实施例。沿流体的流向66对连接点36供应流体。在实施例中，第一流体路径40在连接点68处开始，并且在分离单元46上结束。
在连接部68的前面布置有截止阀70，截止阀70布置成与第一控制阀60串联。控制阀60可包括截止功能。未显示的另一个排泄单元布置在阀60和70之间，尤其是对于其中两个阀60和70都截止且因此关闭的双阻挡情形，而且此外对于其中排泄单元在阀60和70之间打开以释放第一流体路径40的泄放设置情形。
诸如阀60和62的控制阀包括打开位置和关闭位置，以及在打开位置和关闭位置之间的另外的位置。诸如截止阀70的截止阀另一方面仅包括打开位置和关闭位置。
此外，在图4中显示控制单元72，它分别对阀70、60和62应用控制信号74、76和78。此外，压力传感器80布置在第一控制阀60前面，以测量供应到控制单元72的压力82。压力传感器84沿流向66布置在第一控制阀60后面，以测量压力86，以及对控制单元72供应压力86。另一个压力传感器88布置在第二控制阀62后面，以对控制单元72供应压力90。当然，也可借助于其它适当的传感器来实现流量测量，或者估计流量。
特别地，可用压力82和86来确定通过第一控制阀60的流体流量。通过第二路径42且尤其是通过第二控制阀62的流体流量可由压力86和90确定。借助于通过第一路径40和第二路径42的流体质量流量，可确定通过第三路径44的流体质量流量，例如通过确定两个流体流量之间的差。
在未显示的实施例中，第二控制阀62布置在分离单元46处，呈3通阀的形式。
图5显示反馈控制环路的示意性框图92。控制器94适于产生信号76，以运行第一控制阀60。
图6显示示意性框图96。控制器98适于产生信号78，以控制第二控制阀62。
根据实施例，控制环路92的带宽大于控制环路96的带宽。这尤其表示第一控制器94的时间常数是第二控制器98的时间常数的至少一半。
图7显示示意性框图100，它具有前馈控制器102，前馈控制器102产生信号78，以控制第二控制阀62。
图8显示示意性状态图104，它具有稳态106和过渡状态108。燃气涡轮2的稳态106的特征在于例如恒定负载或通过第一路径40的恒定流体质量流量，并且由它们确定。容忍被分析以确定稳态106的相应的一个或多个变量的比率在极限内改变达限定时段。另一方面基于超过前面提到的极限达另一个限定时段的相应的一个或多个变量来确定过渡状态108。过渡状态108可涉及燃气涡轮2的加载、减载、功率负载卸载或启动的情形。
在实施例中，调节第一系数50，并且第二系数52在过渡状态108中保持为固定值。在稳态106中，第一液力直径50保持为固定值，并且调节第二液力直径52。
根据实施例，在稳态106中，信号76保持固定，并且根据框图96的控制环路起作用。在过渡状态108中，信号78保持固定，并且根据框图92的控制环路起作用。
根据实施例，在稳态106中，根据框图92和96的控制环路起作用。在过渡状态108中，根据框图92的控制环路起作用，并且信号78保持为固定值。
根据实施例，在稳态106中，根据框图92的控制环路起作用，并且根据框图96的控制环路起作用。在过渡状态108中，根据框图92的控制环路起作用，并且根据框图100的控制起作用。
在图9中显示两个组6、10喷燃器的阀/路径构造。参照图1和2，不是喷燃器20和24，而是可用较一般的方式参照两个入口。
各个组6和10包括根据图3和4中的框34的连接点68和32和30之间的构造的构造。因此可参照第一控制阀60a和第二控制阀62b。第四路径40b包括第三控制阀60b。第四路径40b分成第五路径42b(它包括第四控制阀62b)和第六路径44b。
第一流体路径40a和第四流体路径40b通过另一个流体路径110(它包括截止阀70)而连接到同一流体源和/或同一流体路径上。
在图10中显示两个组6和10的另一个阀/路径构造。与图9中显示的构造相比，图10包括两个不同的连接点36a和36b，以使它们与不同的流体源连接。截止阀70a和70b分别连接到第一阀60a和第三阀60b上。
图11显示不同的组6和10的阀/路径构造的另一个实施例。对于组6，提供根据框34的布置。对于组10，提供连接点112和另一个控制阀60b。
图12示意性地显示组6和10的阀/路径构造。与图11不同，图12的构造通过连接点36提供公共流体源。
图13示意性地显示组6、10和114的阀/路径构造。与图9不同的是根据图4中的框34的连接点68，30和32之间的构造，对路径和控制阀提供另一个构造，其中，这个构造附连到截止阀上。
图14示意性地显示组6、10和114的阀/路径构造的另一个实施例。与图9不同，在图9的分离连接点30上对组114提供另一个路径。
图15显示组6和10的另一个阀/路径构造。与图9不同，图15的构造对两个不同的级提供连接点301和302，其中，连接点301a和302b的对应的路径包括相应的控制阀。

Claims (15)

1.一种燃气涡轮(2)，其中，流体借助于流体路径(40，42，44)而供应到所述燃气涡轮(2)，其中，第一流体路径(40)在所述流体的流向(66)上分成第二流体路径和第三流体路径(42，44)，其中，第一控制阀(60)控制所述第一流体路径(40)中的流体质量流量，以及其中，第二控制阀(62)控制所述第二流体路径和所述第三流体路径(42，44)中的流体质量流量的比率(64)。
2.根据权利要求1所述的燃气涡轮(2)，其特征在于，可借助于所述第一控制阀(60)来调节所述第一流体路径(40)的第一液力直径(50)，其中，可借助于所述第二控制阀(62)来调节所述第二流体路径(42)的第二液力直径(52)，以及其中，所述第三流体路径(44)的第三液力直径(54)是固定的。
3.根据权利要求1或2所述的燃气涡轮(2)，其特征在于，截止阀(70)布置成与所述第一控制阀(60)串联，以及其中，所述第一控制阀(60)提供截止能力。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的燃气涡轮(2)，其特征在于，第四流体路径(40b)在所述流体的流向(66)上分成第五流体路径和第六流体路径(42b，44b)，其中，第三控制阀(60b)控制所述第四流体路径(40b)中的流体质量流量，其中，第四控制阀(62b)控制所述第五和第六路径(42b，44b)中的质量流量的比率(64)，其中，可借助于所述第三控制阀(60b)来调节所述第四流体路径(40b)的第四液力直径(50b)，其中，可借助于所述第四控制阀(62b)来调节所述第五流体路径(42b)的第五液力直径(52b)，以及其中，所述第六流体路径(44b)的第六液力直径(54b)是固定的。
5.根据权利要求4所述的燃气涡轮(2)，其特征在于，所述第一流体路径和所述第四流体路径(40a，40b)连接到同一流体源上。
6.根据权利要求2至5中的任一项所述的燃气涡轮(2)，其特征在于，所述第二液力直径(52)的最大值小于所述第三液力直径(54)。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的燃气涡轮(2)，其特征在于，所述第二流体路径(42)对第一级(26)流体出口进行供应，以及其中，所述第三流体路径(44)对第二级(28)流体出口进行供应，以及其中，所述第一级和所述第二级(26，28)附连到所述喷燃器(20，24)中的至少一个上，或者所述第一级和所述第二级(26，28)分别附连到至少两个不同的喷燃器(20，24)上；以及/或者其中，所述第五流体路径(42b)对第三级(26b)流体出口进行供应，以及其中，所述第六流体路径(44b)对第四级(28b)流体出口进行供应，以及其中，所述第三级和所述第四级(26b，28b)附连到所述喷燃器(20，24)中的至少一个上，或者所述第三级和所述第四级(26b，28b)分别附连到至少两个不同的喷燃器(20，24)上。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的燃气涡轮(2)，其特征在于，所述第二路径和/或所述第四路径(42；42a；42b)比所述第三路径和/或所述第六路径(44；44a；44b)连接到更少数量的流体出口上。
9.一种运行燃气涡轮(2)的方法，其特征在于，流体借助于流体路径(40，42，44)供应到所述燃气涡轮(2)，其中，第一流体路径(40)在所述流体的流向(66)上分成第二流体路径和第三流体路径(42，44)，其中，第一控制阀(60)控制所述第一流体路径(40)中的流体质量流量，以及其中，第二控制阀(62)控制所述第二流体路径和所述第三流体路径(42，44)中的流体质量流量的比率(64)。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，可借助于所述第一控制阀(60)来调节所述第一流体路径(40)的第一液力直径(50)，其中，可借助于所述第二控制阀(62)来调节所述第二流体路径(42)的第二液力直径(52)，以及其中，所述第三流体路径(44)的第三液力直径(54)是固定的。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，以尤其对应于所述燃气涡轮(2)的过渡状态(108)的第一时间间隔调节所述第一液力直径(50)，同时使所述第二液力直径(52)保持为固定值，以及其中，以尤其对应于所述燃气涡轮的稳态(106)的第二时间间隔调节所述第二液力直径(52)，同时使所述第一液力直径(50)保持为固定值。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，借助于由第一闭环控制器(94)控制的所述第一控制阀(60)来影响所述第一液力直径(50)，其中，借助于由第二闭环控制器(98)控制的所述第二控制阀(62)来影响所述第二液力直径(52)，以及其中，包括所述第一闭环控制器(94)的第一控制环路(92)的带宽大于包括所述第二闭环控制器(98)的第二控制环路(96)的带宽。
13.根据权利要求10或12所述的方法，其特征在于，借助于由第二闭环控制器(98)控制的所述第二控制阀(62)，在所述燃气涡轮(2)的稳态(106)中影响所述第二液力直径(52)，以及其中，借助于由前馈控制器(102)控制的所述第二控制阀(62)，在所述燃气涡轮(2)的过渡状态(108)中影响所述第二液力直径(52)。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于，所述第一闭环控制器(94)的过程变量是所述第一控制阀(60)前面的压力和所述第一控制阀(60)后面的压力之间的压差，以及/或者所述第一路径(40)中的流体的流体温度，以及/或者通过所述第一路径(40)的总流体质量速率，以及/或者其中，所述第二闭环控制器(98)的过程变量是所述第二控制阀(62)前面的压力和所述第二控制阀(62)后面的压力之间的压差，以及/或者所述燃气涡轮(2)的排放、尤其是所述排放中的氮氧化物、一氧化碳或未燃烧的烃的比率，以及/或者火焰稳定性标准。
15.一种用于运行燃气涡轮(2)的控制单元(72)，其具有用于执行计算机程序的数字计算单元，所述计算机程序适于执行根据权利要求9至14中的任一项所述的方法。
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