CN104791107A - 一种燃气轮机燃烧控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃气轮机燃烧控制装置，其测量装置包括设置于发电机上的负荷传感器、设置于气体燃料罐上的燃料测温传感器，以及设置于压气机入口的温度传感器和压力传感器；阀门组包括至少两个并联的控制阀；负荷传感器、燃料测温传感器、温度传感器和压力传感器将测量数据传递至控制模块，控制模块控制阀门组。本发明提供的燃气轮机燃烧装置的控制方法，可以根据燃气轮机运行状态、进气温度、进气压力、控制阀特性、燃料温度等实际情况自动实时调整燃料和空气的掺混程度，保持燃气轮机的NOx排放最低。本发明提供的燃气轮机燃烧控制装置及方法，可以根据燃气轮机的实际情况，自动的实时调整燃料和空气的掺混程度，保持NO_x的排放量最低。

Description

一种燃气轮机燃烧控制装置及方法

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燃烧控制装置及方法，更具体地涉及一种低污染的用于气体燃烧的燃气轮机燃烧控制装置及方法。

背景技术

目前，燃气轮发电机组的排放指标已经成为各国政府新建电厂的严格指标，如何降低燃气轮机的燃烧排放已经成为燃气轮机投放市场的一个重要门槛。

由于在标准型燃烧室中通常采用扩散燃烧，即燃料与空气在扩散作用下彼此相互掺混燃烧，这种燃烧方式会使得燃烧火焰面上温度很高，从而导致NOx的排放量总是很高。为解决这个问题，现有技术中提出了多种方法：其中一种为向燃烧室内喷射化学药剂的方法，来抑制NOx生成的化学过程；另一种采用干式低NOx燃烧方式，通过控制燃料和空气的掺混程度，把燃料与空气预先混合成为均相的再进行燃烧，从而降低火焰面温度，抑制NOx生成。

虽然以上两种方法均能一定程度的解决问题，但是，依然存在如下不足：1、向燃烧室内喷射化学药剂的方法，需要在燃气轮机上加装注入设备，并且运营过程中需要不断添加药剂，使用成本较高，而且化学药剂对热端部件会有一定的腐蚀作用，也增加了维修成本；2、采用干式低NOx燃烧方式仅采用控制的方式，可以实现低污染排放的效果，但干式低NOx燃烧在运行过程中容易熄火，对控制精度要求较高，而燃气轮机的燃烧室在高温高压下，会随着运行时间，性能发生较为明显衰竭，此外燃气轮机的进口温度、进口压力、燃料阀的特性都会影响燃烧控制精度，这使得传统的干式低NOx燃烧控制每过一段时间就需要调整控制参数，这给电厂的运营带来了十分的不便。

因此，针对以上不足，需要提供一种低污染的用于气体燃烧的燃气轮机燃烧控制装置及方法。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是提供一种燃气轮机燃烧控制装置及方法，可以根据燃气轮机的实际情况，自动的实时调整燃料和空气的掺混程度，保持NO_x的排放量最低，解决由于现有技术中无法进行自动调节，每隔一段时间需要人工调整控制参数，致使精度较低、运营不便的问题，以及由于使用化学药剂，导致使用成本高、维修成本高、设备易被腐蚀的问题。

(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燃烧控制装置，包括控制模块、测量装置和阀门组，所述测量装置包括设置于发电机上的负荷传感器、设置于气体燃料罐上的燃料测温传感器，以及设置于压气机入口的温度传感器和压力传感器；所述阀门组包括至少两个并联的控制阀，所述气体燃料罐通过所述阀门组与燃烧室连通；所述负荷传感器、燃料测温传感器、温度传感器、压力传感器和阀门组均与所述控制模块电连接，所述负荷传感器、燃料测温传感器、温度传感器和压力传感器将测量数据传递至所述控制模块，所述控制模块根据所述测量数据计算出各控制阀的开度值并控制所述阀门组。

优选的，前述控制模块包括依次电连接的换算负荷模块、流量分配模块和阀门模块；所述负荷传感器、温度传感器和压力传感器均与所述换算负荷模块连接，所述燃料测温传感器与所述阀门模块连接，所述阀门模块还分别与所述控制阀电连接。

优选的，前述气体燃料罐与所述阀门组通过一截止阀连通。

优选的，前述负荷传感器、燃料测温传感器、温度传感器和压力传感器的数量为一个或多个。

本发明还提供了一种燃气轮机燃烧控制装置的控制方法，包括以下步骤：

S1、通过所述负荷传感器、温度传感器和压力传感器测量得到的发电机负荷值、压气机入口的温度值和压力值，并计算出换算负荷值，所述换算负荷值的计算公式为：

${\mathrm{PW}}_r=\mathrm{PW}\×\sqrt{\frac{T0}{288.15}}\×\frac{101.325}{P0}$

其中，PW为发电机负荷值，T0为压气机入口的温度值，P0为压气机入口的压力值，PW_r为换算负荷值；

S2、通过燃气轮机的总燃料流量控制模块获取总燃料流量值，根据总燃料流量值和换算负荷值计算出阀门组中各控制阀的指令流量值和每个控制阀占总燃料流量的百分比；

S3、根据低污染燃烧所需的燃料温度设置燃料温度设定值，通过所述燃料测温传感器测得的燃料温度值、燃料温度设定值和各控制阀的指令流量值计算出修正指令值，所述修正指令值的计算公式为：

${\mathrm{CRFR}}_i={\mathrm{RFR}}_i\×\frac{T_{\mathrm{gas}}}{T_{\mathrm{des}}}$

其中，T_gas为燃料温度值，T_des为燃料温度设定值，RFR_i为每个控制阀占总燃料流量的百分比，CRFR_i为修正指令值；

S4、对所述修正指令值采用插值法计算出各控制阀的开度值，并根据所述开度值控制各控制阀的开度。

优选的，前述步骤S1中，所述发电机负荷值为一个或多个负荷传感器测得的电机负荷测量值的最大值，所述压气机入口的温度值和压力值分别为一个或多个温度传感器和压力传感器测得的压气机入口的温度测量值和压力测量值的中间值。

优选的，前述步骤S2中，所述各控制阀的指令流量值和每个控制阀占总燃料流量的百分比的计算公式为：

FR₁＝PFR₁×FR；RFR₁＝f_Lim(FR₁)；

FR₂＝PFR₂×(FR-RFR₁)；

…

FR_i＝PFR_i×(FR-RFR₁-RFR₂-…-RFR_i-1)；

RFR_i＝f_Lim(FR_i)；

…

FR_N＝FR-RFR₁-RFR₂-RFR₃-…-RFR_N-1；RFR_N＝f_Lim(FR_N)；

其中，FR为总燃料流量值，FR_i为各个控制阀的指令流量值，i＝1,2,…,N，N为控制阀的数量，f_Lim为通用的输出饱和函数，PFR_i是每个控制阀占总燃料流量的百分比；

优选的，前述步骤S3中，所述燃料温度值为一个或多个燃料测温传感器测得的燃料温度测量值的最大值。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

本发明提供的燃气轮机燃烧控制装置，其测量装置包括设置于发电机上的负荷传感器、设置于气体燃料罐上的燃料测温传感器，以及设置于压气机入口的温度传感器和压力传感器；阀门组包括至少两个并联的控制阀；负荷传感器、燃料测温传感器、温度传感器和压力传感器将测量数据传递至所述控制模块，所述控制模块控制所述阀门组。本发明提供的燃气轮机燃烧装置的控制方法，可以根据燃气轮机运行状态、进气温度、进气压力、控制阀特性、燃料温度等实际情况自动实时调整燃料和空气的掺混程度，始终保持燃气轮机的NOx排放最低。

本发明提供的燃气轮机燃烧控制装置及方法，以换算负荷值作为燃烧调整基准，该换算负荷值公式中包含了燃气轮机进口的压力值和温度值，负荷可以直接测量，而且燃气轮机发生任何性能上的衰竭，也会在负荷上间接的反映出来，并且本发明采用基于标准大气下的换算负荷，使得本控制方法对燃机进气条件的适应性更强。

本发明采用燃料温度值修正指令流量值，即考虑了燃料的沃伯指数对燃烧控制的影响；在控制调节过程中考虑了燃气轮机进气温度、进气压力、控制阀的执行能力、燃料温度等实际情况对控制调节的修正作用，能有效的提高控制精度，有效防止燃烧控制过程中燃料预混过度异常熄火。本发明只需要通过调整控制策略就可以实现低污染燃烧，无需增加额外的设备，工程上应用方便，成本较低。

附图说明

图1是本发明燃气轮机燃烧控制装置的结构示意图；

图2是本发明与现有技术的燃烧控制基准效果对比图；

图3是本发明与现有技术的燃烧控制精度效果对比图。。

图中：1：发电机；2：压气机；3：燃烧室；4：透平；5：气体燃料罐；6：负荷传感器；7：温度传感器；8：压力传感器；9：燃料测温传感器；10：控制模块；11：换算负荷模块；12：流量分配模块；13：阀门模块；14：控制阀。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1所示，本发明实施例提供的一种燃气轮机燃烧控制装置，燃气轮机包括发电机1、压气机2、多喷嘴的燃烧室3和透平4，控制装置包括控制模块10、测量装置和阀门组，测量装置包括设置于发电机1上的负荷传感器6、设置于气体燃料罐5上的燃料测温传感器9，以及设置于压气机2入口的温度传感器7和压力传感器8；阀门组包括至少两个并联的控制阀14，本实施例中包括5个控制阀14，气体燃料罐5通过所述阀门组与燃烧室3连通，气体燃料罐5与阀门组通过一截止阀连通。

负荷传感器6、燃料测温传感器9、温度传感器7和压力传感器8的数量为一个或多个，本实施例中装有2个负荷传感器6、3个温度传感器7、3个压力传感器8和2个燃料测温传感器9。负荷传感器6、燃料测温传感器9、温度传感器7、压力传感器8和阀门组均与所述控制模块10电连接，负荷传感器6、燃料测温传感器9、温度传感器7和压力传感器8将测量数据传递至控制模块10，控制模块10根据测量数据计算出各控制阀的开度值并控制阀门组。

其中，控制模块10包括依次电连接的换算负荷模块11、流量分配模块12和阀门模块13；负荷传感器6、温度传感器7和压力传感器8均与换算负荷模块11连接，燃料测温传感器9与所述阀门模块13连接，阀门模块13还分别与控制阀14电连接。

使用时，负荷传感器6、燃料测温传感器9、温度传感器7、压力传感器8和阀门组均与所述控制模块10电连接，阀门组、燃料测温传感器9与阀门模块13连接，具体的负荷传感器6、温度传感器7、压力传感器8与换算负荷模块11连接，将测量得到的发电机1负荷值、压气机2入口的温度值和压力值输送至换算负荷模块11中，换算负荷模块11计算出换算负荷值，并传输至流量分配模块12计算出指令流量值，流量分配模块12将指令流量值传输至阀门模块13，同时燃料测温传感器9测得的燃料温度值也传输至阀门模块13，阀门模块13根据两个值计算出修正指令值，并最终计算出控制阀14开度值，通过阀门模块13控制阀门组中各控制阀14的开度变化。

实施例二

本实施例提供了一种燃气轮机燃烧控制装置的控制方法，包括以下步骤：

S1、通过负荷传感器6、温度传感器7和压力传感器8测量得到的发电机4负荷值、压气机5入口的温度值和压力值，并计算出换算负荷值，换算负荷值的计算公式为：

${\mathrm{PW}}_r=\mathrm{PW}\×\sqrt{\frac{T0}{288.15}}\×\frac{101.325}{P0}$

其中，PW为发电机负荷值，T0为压气机入口的温度值，P0为压气机入口的压力值，PW_r为换算负荷值；

发电机4负荷值为一个或多个负荷传感器测得的电机负荷测量值的最大值，压气机5入口的温度值和压力值分别为一个或多个温度传感器8和压力传感器9测得的压气机入口的温度测量值和压力测量值的中间值，本实施例中，需要取2个负荷传感器6的最大值为燃气轮发电机组发电机负荷值PW、3个温度传感器7的中间值为压气机2入口的温度值T0、3个压力传感器8的中间值为压气机2入口的压力值P0。

其计算结果如图2所示，其中，纵坐标表示控制基准，横坐标表示时间，曲线a表示温度基准的方法的换算负荷值计算结果，曲线b表示本方法的换算负荷值计算结果，曲线c表示发电机负荷值，并与基于温度基准的传统方法进行了对比，从图中可以看出，换算负荷值比温度基准相对于燃气轮机运行状态的变化反应更加灵敏，时滞性少。而与发电机负荷值相比，换算负荷值的波动幅度更少，抗进气条件的干扰更强。

S2、该燃气轮机控制系统中本身包含有计算总燃料流量的控制模块，因此首先根据现有控制逻辑根据燃气轮机运行状态实时计算得到总的燃料流量；通过燃气轮机的总燃料流量控制模块获取总燃料流量值，根据总燃料流量值和换算负荷值计算出阀门组中各控制阀14的指令流量值和每个控制阀14占总燃料流量的百分比；

换算负荷值与各个控制阀14对应的插值表由该燃烧室的设计人员给出，在满负荷下，该燃气轮机的流量分配如下：

FR₁＝10％×FR；FR₂＝16％×FR；FR₃＝FR₄＝FR₅＝28％×FR；

考虑指令流量值受输出幅值和速率饱和限制，各控制阀14的指令流量值和每个控制阀14占总燃料流量的百分比的计算公式为：

FR₁＝PFR₁×FR；RFR₁＝f_Lim(FR₁)；

FR₂＝PFR₂×(FR-RFR₁)；

…

FR_i＝PFR_i×(FR-RFR₁-RFR₂-…-RFR_i-1)；

RFR_i＝f_Lim(FR_i)；

…

FR_N＝FR-RFR₁-RFR₂-RFR₃-…-RFR_N-1；RFR_N＝f_Lim(FR_N)；

其中，FR为总燃料流量值，FR_i为各个控制阀4的指令流量值，i＝1,2,…,N，N为控制阀14的数量，f_Lim为通用的输出饱和函数，PFR_i是每个控制阀14占总燃料流量的百分比；

本实施例中，控制阀14指令流量考虑各个控制阀14允许的最大最小流量和调节速率，从而防止到达燃烧室的实际燃料低于指令流量值，导致低污染燃烧调整过程中熄火。

从上面逻辑可以看出，即使FR₁受输出幅值和速率饱和限制后，即RFR₁<FR₁，被限制住的燃料会参与到后续的控制阀分配中，只有FR₅受的输出幅值和速率饱和限制会损失。但与传统的每一个控制阀收到的损失相比，本发明中真实到达燃气轮机燃烧室的RFR₁+RFR₂+RFR₃+RFR₄+RFR₅更接近控制要求总燃料流量FR。

假定每个控制阀14收到输出幅值和速率饱和限制后损失1％的燃料量，与传统方法进行对比，得到效果如图3所示，其中纵坐标为燃料量，横坐标为时间，曲线d为总燃料量指令值，曲线e为本发明中各控制阀14通过燃料流量的总和，曲线f为现有技术中通入燃烧室的燃料量总和。从图中可以看出，相比传统方法，基于本发明的最终输出总燃料量最接近总燃料指令值，因此控制精度也更好，更能防止因为燃料损失带来的熄火问题。

S3、根据低污染燃烧所需的燃料温度设置燃料温度设定值，通过燃料测温传感器测得的燃料温度值、燃料温度设定值和各控制阀14的指令流量值计算出修正指令值，修正指令值的计算公式为：

${\mathrm{CRFR}}_i={\mathrm{RFR}}_i\&times;\frac{T_{\mathrm{gas}}}{T_{\mathrm{des}}}$

其中，T_gas为燃料温度值，T_des为燃料温度设定值，RFR_i为每个控制阀占总燃料流量的百分比，CRFR_i为修正指令值；

燃料温度值为一个或多个燃料测温传感器9测得的燃料温度测量值的最大值。本实施例中，取2个燃料测温传感器9的最大值为燃料温度测量值。该燃气轮机的天然气燃料，低污染燃烧的燃料温度设定值T_des＝80摄氏度，根据燃料温度修正指令流量得到CRFR₁，CRFR₂，CRFR₃，CRFR₄和CRFR_5。

S4、对所述修正指令值采用插值法计算出各控制阀的开度值，并根据所述开度值控制各控制阀的开度。

具体的，本步骤为，根据修正指令值，即CRFR₁，CRFR₂，CRFR₃，CRFR₄和CRFR_5，和各个控制阀14的流量特性表，流量特性表为每个控制阀出厂时自带的特性指标表，将修正指令值插值成控制阀14开度值CV₁，CV₂，CV₃，CV₄和CV₅，并根据各控制阀14开度值控制控制阀14的开度。各个控制阀14的流量特性表由控制阀14生产厂提供。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种燃气轮机燃烧控制装置，其特征在于：包括控制模块、测量装置和阀门组，所述测量装置包括设置于发电机上的负荷传感器、设置于气体燃料罐上的燃料测温传感器，以及设置于压气机入口的温度传感器和压力传感器；所述阀门组包括至少两个并联的控制阀，所述气体燃料罐通过所述阀门组与燃烧室连通；所述负荷传感器、燃料测温传感器、温度传感器、压力传感器和阀门组均与所述控制模块电连接，所述负荷传感器、燃料测温传感器、温度传感器和压力传感器将测量数据传递至所述控制模块，所述控制模块根据所述测量数据计算出各控制阀的开度值并控制所述阀门组。

2.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧控制装置，其特征在于：所述控制模块包括依次电连接的换算负荷模块、流量分配模块和阀门模块；所述负荷传感器、温度传感器和压力传感器均与所述换算负荷模块连接，所述燃料测温传感器与所述阀门模块连接，所述阀门模块还分别与所述控制阀电连接。

3.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧控制装置，其特征在于：所述气体燃料罐与所述阀门组通过一截止阀连通。

4.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧控制装置，其特征在于：所述负荷传感器、燃料测温传感器、温度传感器和压力传感器的数量为一个或多个。

5.一种燃气轮机的燃烧控制装置的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、通过所述负荷传感器、温度传感器和压力传感器测量得到的发电机负荷值、压气机入口的温度值和压力值，并计算出换算负荷值，所述换算负荷值的计算公式为：

其中，PW为发电机负荷值，T0为压气机入口的温度值，P0为压气机入口的压力值，PW_r为换算负荷值；

S2、通过燃气轮机的总燃料流量控制模块获取总燃料流量值，根据总燃料流量值和换算负荷值计算出阀门组中各控制阀的指令流量值和每个控制阀占总燃料流量的百分比；

S3、根据低污染燃烧所需的燃料温度设置燃料温度设定值，通过所述燃料测温传感器测得的燃料温度值、燃料温度设定值和各控制阀的指令流量值计算出修正指令值，所述修正指令值的计算公式为：

其中，T_gas为燃料温度值，T_des为燃料温度设定值，RFR_i为每个控制阀占总燃料流量的百分比，CRFR_i为修正指令值；

S4、对所述修正指令值采用插值法计算出各控制阀的开度值，并根据所述开度值控制各控制阀的开度。

6.根据权利要求5所述的燃气轮机燃烧控制装置的控制方法，其特征在于：所述步骤S1中，所述发电机负荷值为一个或多个负荷传感器测得的电机负荷测量值的最大值，所述压气机入口的温度值和压力值分别为一个或多个温度传感器和压力传感器测得的压气机入口的温度测量值和压力测量值的中间值。

7.根据权利要求5所述的燃气轮机燃烧控制装置的控制方法，其特征在于：所述步骤S2中，所述各控制阀的指令流量值和每个控制阀占总燃料流量的百分比的计算公式为：

FR₁＝PFR₁×FR；RFR₁＝f_Lim(FR₁)；

FR₂＝PFR₂×(FR-RFR₁)；

…

FR_i＝PFR_i×(FR-RFR₁-RFR₂-…-RFR_i-1)；

RFR_i＝f_Lim(FR_i)；

…

FR_N＝FR-RFR₁-RFR₂-RFR₃-…-RFR_N-1；RFR_N＝f_Lim(FR_N)；

其中，FR为总燃料流量值，FR_i为各个控制阀的指令流量值，i＝1,2,…,N，N为控制阀的数量，f_Lim为通用的输出饱和函数，PFR_i是每个控制阀占总燃料流量的百分比。

8.根据权利要求5所述的燃气轮机燃烧控制装置的控制方法，其特征在于：所述步骤S3中，所述燃料温度值为一个或多个燃料测温传感器测得的燃料温度测量值的最大值。