CN104458273A - 燃气轮机安全运行贫熄火阈值设定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃气轮机技术领域，具体公开了一种燃气轮机安全运行贫熄火阈值设定方法，包括在燃烧室贫熄火燃烧试验台上做至少三个工况下的贫熄火试验，分别记录各个试验工况下熄火时的燃烧室进口空气负荷参数和燃料负荷参数，分别计算各个试验工况下的贫熄火边界，将各个试验工况下的空气负荷参数和计算得到的贫熄火边界带入贫熄火边界表达式，计算各个试验工况下贫熄火边界表达式中的常数，将各个试验工况下计算得到的常数求取算术平均值，利用贫熄火表达式预估燃气轮机燃烧室在其它全部工况下的贫熄火边界，根据预估的贫熄火边界，设定燃气轮机在全部工况下的贫熄火阈值。本发明能够设定出燃烧室贫熄火阈值，从而保证了燃气轮机的安全运行。

Description

燃气轮机安全运行贫熄火阈值设定方法

技术领域

本发明涉及燃气轮机技术领域，尤其涉及一种燃气轮机安全运行贫熄火阈值设定方法。

背景技术

重型燃气轮机正在向更大的单机功率、更高的循环效率以及更低的排放等方向发展。燃烧室作为重型燃气轮机的三大核心部件之一，肩负着重要的功能。一方面它需要将燃料的化学能有效地释放出来转换为高温高压的燃气，为其在透平中膨胀做功提供条件；另一方面，他还负责控制污染物的生成。随着全世界对环保问题的重视，各国对重型燃气轮机燃烧室的排放要求越来越严格，尤其是对氮氧化物(NOx)排放的要求。因此，在设计与开发新一代重型燃气轮机时，各主要燃气轮机制造商大都采用贫预混低污染燃烧设计技术。

贫预混燃烧意味着燃烧室必须在较低的油气比下工作，也即燃气轮机在贫熄火(或贫燃熄火)边界附近工作，这样就增加了燃烧室贫熄火的风险。为了保证燃气轮机的安全运行，就需要较准确预估燃气轮机燃烧室的贫熄火边界，然后根据贫熄边界设定一定的阈值，从而保证燃机的安全运行。

在现有技术中，专利号为CN101493230A的专利中提到了一种经由喷嘴当量比控制的燃烧贫油熄火保护方法，该方法主要是通过将测量的喷嘴当量比与设定的阈值比较后，然后采取一定的控制策略来避免燃气轮机贫熄火的发生，但没有提出如何设定贫熄火阈值。而在燃机的实际工作过程中，该阈值的设定非常重要，直接关系到燃气轮机的安全运行。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种燃气轮机安全运行贫熄火阈值设定方法，以克服现有技术中无法设定燃烧室的贫熄火阈值的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种燃气轮机安全运行贫熄火阈值设定方法，包括以下步骤：

S1.在燃烧室贫熄火燃烧试验台上做至少三个工况下的贫熄火试验；

S2.分别记录各个试验工况下熄火时的燃烧室进口空气负荷参数和燃料负荷参数；

S3.分别计算各个试验工况下的贫熄火边界；

S4.将各个试验工况下的所述空气负荷参数和计算得到的所述贫熄火边界带入贫熄火边界表达式，计算各个试验工况下贫熄火边界表达式中的常数；

S5.将各个试验工况下计算得到的所述常数求取算术平均值；

S6.利用贫熄火表达式预估燃气轮机燃烧室在其它全部工况下的贫熄火边界；

S7.根据预估的贫熄火边界，设定燃气轮机在全部工况下的贫熄火阈值。

优选地，所述空气负荷参数包括空气流量、空气温度和空气压力，所述燃料负荷参数包括燃料流量、燃料温度和燃料压力。

优选地，步骤S3中各个工况下的贫熄火边界通过如下公式得到，

$q_{\mathrm{lbo}}=\frac{m_f}{m_a}$

其中，q_lbo为贫熄火边界，m_f为燃料流量，m_a为空气流量。

优选地，步骤S4中贫熄火边界表达式如下，

$q_{\mathrm{lbo}}=K\·{\left[\frac{m_a}{P_3^{1.25}\exp (T_3/300)}\right]}^{0.16}$

其中，P₃为空气压力，T₃为空气温度，K为常数。

优选地，步骤S5中所述常数的算术平均值通过如下公式求取，

$\stackrel{\‾}{K}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{K}_i$

其中，为所述常数的算术平均值，N为试验工况的个数。

优选地，步骤S6中贫熄火表达式如下，

$q_{\mathrm{lbo}}^{\′}=\stackrel{\‾}{K}\·{\left[\frac{m_a}{P_3^{1.25}\exp (T_3/300)}\right]}^{0.16}$

其中，q′_lbo为预估的贫熄火边界。

优选地，步骤S7中燃气轮机在全部工况下的贫熄火阈值通过如下公式设定，

q_set＝C·q′_lbo

其中，q_set为贫熄火阈值，C为阈值系数，所述阈值系数的取值范围为1.5～3.0。

优选地，其特征在于，所述燃烧室贫熄火燃烧试验台包括空气供给系统、燃料供给系统、空气负荷参数测量仪表、燃料负荷参数测量仪表、全尺寸燃烧室、排气温度测量仪表和排气系统。

优选地，所述空气负荷参数测量仪表和燃料负荷参数测量仪表均包括流量计、热电偶和压力变送器。

(三)有益效果

本发明的燃气轮机安全运行贫熄火阈值设定方法能够通过对燃烧室至少三个试验工况进行相应的测量和计算等，设定出燃烧室贫熄火阈值，从而保证了燃气轮机的安全运行。

附图说明

图1为本发明实施例的燃气轮机安全运行贫熄火阈值设定方法的流程图；

图2为本发明实施例的燃烧室贫熄火燃烧试验台的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

本发明的燃气轮机安全运行贫熄火阈值设定方法的原理如下：首先确定燃气轮机燃烧室的贫熄火边界，然后在贫熄火边界的基础上乘以一个阈值系数就完成了对贫熄火阈值的设定。

燃气轮机燃烧室的贫熄火边界的确定主要有两种方法可以获得：(1)Lefebvre半经验关系式法；(2)数值模拟与Lefebvre半经验关系式相结合法。第一种方法由于其方便、快捷，广泛应用于燃烧室概念设计阶段；第二种方法有时会应用于燃烧室的优化设计中，但该方法的预测精度对半经验关系式的依赖程度较高，而且由于数值计算本身难以对过渡态问题进行较准确模拟，所以该方法几乎还不具有普适性。对于某定型燃烧室来说，当采用Lefebvre半经验关系式法式法预估贫熄火边界时，只需确定该关系式中的通用常数即可对该燃烧室在其它工况下的贫熄火边界进行较准确预测，精度一般能达到±30％。所以，要保证对燃气轮机燃烧室其他试验工况下贫熄火边界的准确预估，需要多进行几个不同工况下的燃烧贫熄火试验，以获取较高精度Lefebvre关系式通用常数；为了保证燃气轮机在实际运行中的安全运行，另外需要将预测的贫熄火边界乘以一个阈值安全系数，从而完成贫熄火阈值的设定。

如图1所示，本实施例的燃气轮机安全运行贫熄火阈值设定方法包括如下步骤：

S1.在燃烧室贫熄火燃烧试验台上做至少三个工况下的贫熄火试验。

S2.分别记录各个试验工况下熄火时的燃烧室进口空气负荷参数和燃料负荷参数；

所述空气负荷参数包括空气流量、空气温度和空气压力，所述燃料负荷参数包括燃料流量、燃料温度和燃料压力。

S3.分别计算各个试验工况下的贫熄火边界；

各个工况下的贫熄火边界通过如下公式得到，

$q_{\mathrm{lbo}}=\frac{m_f}{m_a}$

其中，q_lbo为贫熄火边界，m_f为燃料流量，m_a为空气流量。

S4.将各个试验工况下的所述空气负荷参数和计算得到的所述贫熄火边界带入贫熄火边界表达式，计算各个试验工况下贫熄火边界表达式中的常数；

贫熄火边界表达式如下，

$q_{\mathrm{lbo}}=K\·{\left[\frac{m_a}{P_3^{1.25}\exp (T_3/300)}\right]}^{0.16}$

其中，P₃为空气压力，T₃为空气温度，K为常数。

S5.将各个试验工况下计算得到的所述常数求取算术平均值；

所述常数的算术平均值通过如下公式求取，

$\stackrel{\‾}{K}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{K}_i$

其中，为所述常数的算术平均值，N为试验工况的个数。

S6.利用贫熄火表达式预估燃气轮机燃烧室在其它全部工况下的贫熄火边界；

贫熄火表达式如下，

$q_{\mathrm{lbo}}^{\′}=\stackrel{\‾}{K}\·{\left[\frac{m_a}{P_3^{1.25}\exp (T_3/300)}\right]}^{0.16}$

其中，q′_lbo为预估的贫熄火边界。

S7.根据预估的贫熄火边界，设定燃气轮机在全部工况下的贫熄火阈值。

燃气轮机在全部工况下的贫熄火阈值通过如下公式设定，

q_set＝C·q′_lbo

其中，q_set为贫熄火阈值，C为阈值系数，所述阈值系数的取值范围为1.5～3.0。

如图2所示，所述燃烧室贫熄火燃烧试验台包括：空气供给系统、燃料供给系统、空气负荷参数测量仪表、燃料负荷参数测量仪表、全尺寸燃烧室、排气温度测量仪表和排气系统。

所述空气负荷参数测量仪表和燃料负荷参数测量仪表均包括：流量计、热电偶和压力变送器。

本实施例中，在所述燃烧室贫熄火燃烧试验台上完成上述步骤S1和步骤S2，熄火根据燃烧室排气温度的突变点来确定。

本发明的燃气轮机安全运行贫熄火阈值设定方法能够通过对燃烧室至少三个试验工况进行相应的测量和计算等，设定出燃烧室贫熄火阈值，从而保证了燃气轮机的安全运行。

本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (9)

1.一种燃气轮机安全运行贫熄火阈值设定方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.在燃烧室贫熄火燃烧试验台上做至少三个工况下的贫熄火试验；

S2.分别记录各个试验工况下熄火时的燃烧室进口空气负荷参数和燃料负荷参数；

S3.分别计算各个试验工况下的贫熄火边界；

S4.将各个试验工况下的所述空气负荷参数和计算得到的所述贫熄火边界带入贫熄火边界表达式，计算各个试验工况下贫熄火边界表达式中的常数；

S5.将各个试验工况下计算得到的所述常数求取算术平均值；

S6.利用贫熄火表达式预估燃气轮机燃烧室在其它全部工况下的贫熄火边界；

S7.根据预估的贫熄火边界，设定燃气轮机在全部工况下的贫熄火阈值。

2.根据权利要求1所述的燃气轮机安全运行贫熄火阈值设定方法，其特征在于，所述空气负荷参数包括空气流量、空气温度和空气压力，所述燃料负荷参数包括燃料流量、燃料温度和燃料压力。

3.根据权利要求2所述的燃气轮机安全运行贫熄火阈值设定方法，其特征在于，步骤S3中各个工况下的贫熄火边界通过如下公式得到，

$q_{\mathrm{lbo}}=\frac{m_f}{m_a}$

其中，q_lbo为贫熄火边界，m_f为燃料流量，m_a为空气流量。

4.根据权利要求3所述的燃气轮机安全运行贫熄火阈值设定方法，其特征在于，步骤S4中贫熄火边界表达式如下，

$q_{\mathrm{lbo}}=K\·{\left[\frac{m_a}{P_3^{1.25}\exp (T_3/300)}\right]}^{0.16}$

其中，P₃为空气压力，T₃为空气温度，K为常数。

5.根据权利要求4所述的燃气轮机安全运行贫熄火阈值设定方法，其特征在于，步骤S5中所述常数的算术平均值通过如下公式求取，

$\stackrel{\‾}{K}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{K}_i$

其中，为所述常数的算术平均值，N为试验工况的个数。

6.根据权利要求5所述的燃气轮机安全运行贫熄火阈值设定方法，其特征在于，步骤S6中贫熄火表达式如下，

$q_{\mathrm{lbo}}^{\′}=\stackrel{\‾}{K}\·{\left[\frac{m_a}{P_3^{1.25}\exp (T_3/300)}\right]}^{0.16}$

其中，q′_lbo为预估的贫熄火边界。

7.根据权利要求6所述的燃气轮机安全运行贫熄火阈值设定方法，其特征在于，步骤S7中燃气轮机在全部工况下的贫熄火阈值通过如下公式设定，

q_set＝C·q′_lbo

其中，q_set为贫熄火阈值，C为阈值系数，所述阈值系数的取值范围为1.5～3.0。

8.根据权利要求1-7中任何一项所述的燃气轮机安全运行贫熄火阈值设定方法，其特征在于，所述燃烧室贫熄火燃烧试验台包括空气供给系统、燃料供给系统、空气负荷参数测量仪表、燃料负荷参数测量仪表、全尺寸燃烧室、排气温度测量仪表和排气系统。

9.根据权利要求8所述的燃气轮机安全运行贫熄火阈值设定方法，其特征在于，所述空气负荷参数测量仪表和燃料负荷参数测量仪表均包括流量计、热电偶和压力变送器。