CN105026733B - 贫燃料吸入燃气轮机的控制方法及控制装置 - Google Patents

贫燃料吸入燃气轮机的控制方法及控制装置 Download PDF

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Abstract

一种控制贫燃料吸入燃气涡轮发动机(GT)的方法，该贫燃料吸入燃气涡轮发动机(GT)具备催化式的燃烧器(3)和热交换器(7)，将低浓度甲烷气体中所含的可燃成分用作燃料，其中，催化式的燃烧器(3)使通过压缩机(1)压缩的压缩气体燃烧，并向涡轮(5)供给，热交换器(7)将来自所述涡轮的废气作为加热介质来加热所述压缩气体；在流入该燃气涡轮发动机(GT)的所述压缩机(1)的吸入气体的温度低于规定值的情况下，根据所述吸入气体的温度使该发动机的转速降低。

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2013年2月22日申请的日本专利申请2013-032828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
本发明涉及一种控制贫燃料吸入燃气涡轮发动机的方法及装置，所述贫燃料吸入燃气涡轮发动机将煤矿中产生的CMM(Coal Mine Methane；煤矿甲烷)、VAM(VentilationAir Methane；煤矿通风甲烷)等低热值气体用作燃料。
背景技术
已提出一种贫燃料吸入燃气涡轮发动机，其将煤矿中产生的CMM与VAM或空气进行混合等，吸入发动机，通过催化式的燃烧器使所含的可燃成分燃烧(例如，参照专利文献1)。在使用催化燃烧器的燃气轮机中，在吸气温度低的情况下，由于催化燃烧器的入口温度降低，导致催化剂陷入非活性状态，有可能导致燃烧器失火而不能维持运行。
作为用于防止这种催化燃烧器入口温度降低的控制，已提出在将规定浓度的燃料与空气混合利用的燃气轮机中，根据催化剂的压力损失来调整供给的空气流量及燃料流量的方法(例如，参照专利文献2)。
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
专利文献2：日本专利公开平成05-203151号公报
发明内容
(一)要解决的技术问题
然而，在根据催化剂的压力损失进行参数校正的控制中，在燃气涡轮发动机启动前以及启动时吸气温度降低的情况下很难进行适当的控制。此外，在将煤矿中产生的CMM用作燃料的贫燃料吸入燃气涡轮发动机中，由于燃料浓度不停变动，因此在催化燃烧器入口温度降低时进行直接增加燃料流量的控制的情况下，有作为燃烧成分的甲烷供给过剩，催化剂烧坏发生的可能性。
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，即使在贫燃料吸入燃气涡轮发动机的吸气温度降低的情况下，也能够防止催化燃烧器的失火，稳定地维持运行状态。
(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以下贫燃料吸入燃气涡轮发动机，该贫燃料吸入燃气涡轮发动机具备催化式的燃烧器和热交换器，将低浓度甲烷气体中所含的可燃成分用作燃料，其中，所述催化式的燃烧器使通过压缩机压缩的压缩气体燃烧，并向涡轮供给，所述热交换器将来自所述涡轮的废气作为加热介质来加热所述压缩气体；在流入该燃气涡轮发动机的压缩机的吸入气体的温度低于规定值的情况下，根据所述吸入气体的温度使该发动机的转速降低。转速的控制具体而言通过以下方式进行，通过介于由该燃气涡轮发动机驱动的发电机与外部电力系统之间的功率转换装置来降低所述发电机的转速。
根据该结构，通过根据吸气温度进行贫燃料吸入涡轮发动机的转速控制，可维持催化剂入口温度。由于基于吸气温度的转速控制，即，转速指令值的校正不仅在燃气涡轮发动机的额定运行中进行，也能够在燃气涡轮发动机启动时或启动前进行，因此能够切实地防止由于催化式燃烧器的吸气温度降低导致的失火，稳定地维持燃气涡轮发动机的运行状态。
在本发明的一个实施方式的燃气涡轮发动机的控制方法或控制装置中，转速的控制具体而言优选通过以下方式进行，通过介于由该燃气涡轮发动机驱动的发电机与外部电力系统之间的功率转换装置来降低所述发电机的转速。在燃料浓度不停变动的贫燃料吸入燃气涡轮发动机中，如果通过调整燃料流量来进行转速控制，则容易引起催化燃烧器的烧坏或失火，但通过借助于功率转换装置进行转速控制，能够实现稳定的控制。
在本发明的一个实施方式的燃气涡轮发动机的控制方法或控制装置中，也可以在所述燃气涡轮发动机中进一步设置抽气路和抽气阀，其中，所述抽气路从所述压缩气体的通路将压缩气体抽向所述废气的通路，所述抽气阀调整通过所述抽气路的抽出气体的流量，通过增大所述抽气阀的开度使所述燃烧器的入口温度上升。根据该结构，在吸气温度降低时，在即使通过上述转速控制也不能维持催化式燃烧器的入口温度的情况下，也能够切实地维持燃烧器的入口温度，使燃气涡轮发动机进一步稳定地运行。
权利要求书及/或说明书及/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中的两项以上的任意组合也包含在本发明中。
附图说明
参照说明书附图对以下优选实施方式进行说明，可更加清楚地理解本发明。但是，实施方式和说明书附图仅用于图示和说明，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。在说明书附图中，多幅图中的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概要结构的块状图。
图2是表示本发明的一个实施方式的控制方法的控制逻辑的块状图。
具体实施方式
下面，根据说明书附图对本发明的优选实施方式进行说明。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GT的概要结构图。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以及热交换器7。发电机9通过该燃气涡轮发动机GT的输出被驱动。
本实施方式的燃气涡轮发动机GT作为贫燃料吸入燃气涡轮发动机构成，该贫燃料吸入燃气涡轮发动机将煤矿中产生的CMM(Coal Mine Methane；煤矿甲烷)等低热值气体与空气或从煤矿排出的VAM(Ventilation Air Methane；煤矿通风甲烷)混合并吸入发动机，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的燃烧器而构成。
作为该燃气涡轮发动机GT中使用的低热值气体，例如，将煤矿等VAM燃料源Sv所产生的VAM和可燃成分(甲烷)浓度高于VAM的CMM这样的两种燃料浓度不同的燃料气体在混合器11中混合而得的吸入气体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Sc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中混合器11的上游侧的CMM燃料控制阀13来调整。压缩机1的吸气入口上设置有计测吸入气体G1温度的吸气温度计测器T1。
吸入气体G1通过压缩机1被压缩，该压缩而得的高压压缩气体G2被送至主燃烧器3。压缩气体G2通过利用主燃烧器3的铂或钯等催化剂的催化反应而燃烧。通过主燃烧器3中的压缩气体G2的燃烧而产生的高温高压的燃烧气体G3供给至涡轮5，来驱动涡轮5。在主燃烧器3的入口及出口分别设置有入口温度计测器T2及出口温度计测器T3。
涡轮5通过旋转轴15与压缩机1和发电机9连接，压缩机1和发电机9通过涡轮5驱动。在旋转轴15的压缩机1与发电机9之间的部分设置有计测涡轮5的转速的旋转检测器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之间进行双向的电力供给。
热交换器7将来自涡轮5的涡轮废气G4作为加热介质对从压缩机1导入主燃烧器3的压缩气体G2进行加热。来自压缩机1的压缩气体G2通过压缩气体通路21被送至热交换器7，通过热交换器7加热后通过高温压缩气体通路25被送至主燃烧器3。经过主燃烧器3和涡轮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通过未图示的消声器消声后向外部放出。
此外，燃气涡轮发动机GT具有从压缩气体通路21分支设置的抽气路31。抽气路31连接在废气通路29上，根据需要，将通过压缩气体通路21的压缩气体G2的一部分抽向废气通路29。在抽气路31的中途设置有调整通过抽气路31的压缩气体的流量的抽气阀33。
另外，虽未图示，也可以在抽气路31的抽气阀33的下游侧设置辅助燃烧器，该辅助燃烧器从燃气涡轮发动机GT启动时起到主燃烧器3达到规定的工作温度时为止，向热交换器7供给高温燃烧气体对热交换器7进行暖机。在该情况下，从专用的燃料供给路向辅助燃烧器供给燃料，例如CMM。
针对具有这种结构的燃气涡轮发动机GT设置有控制装置41，在流入压缩机1的吸入气体G1的温度低于规定值的情况下，所述控制装置41根据吸入气体G1的温度使燃气涡轮发动机GT的转速降低。
下面对基于该控制装置41的燃气涡轮发动机GT的控制方法进行详细说明。在本实施方式的控制方法中，如图2所示，设置于控制装置41的转速校正部43根据吸气温度计测器T1的计测结果来校正转速。具体而言，如果由吸气温度计测器T1计测的吸入气体G1的温度为规定值以上，则转速校正部43对转速指令值不进行校正而保持额定转速，如果由吸气温度计测器T1计测的吸入气体G1的温度低于规定值，则根据吸入气体G1的温度测定值使转速指令值降低。
另一方面，控制装置41的转速控制部45接受来自转速校正部43的指令值，通过功率转换装置17控制发电机9的转速，由此控制燃气涡轮发动机GT的转速。具体而言，通过降低转速控制部45的转速指令值，使燃气涡轮发动机GT的转速降低，由此防止主燃烧器3的入口温度降低。如果使燃气涡轮发动机GT的转速降低，则吸入气体G1的吸气量减少，主燃烧器3内的燃空比上升。由此，主燃烧器3的出口温度及涡轮废气G4的温度得到维持，通过热交换器7加热的主燃烧器3的入口温度也得到维持。
控制装置41在燃气涡轮发动机GT启动时及额定运行时的整个运行期间工作，根据吸入气体G1的测定温度进行上述转速校正。进而，也可以在燃气涡轮发动机GT启动前(停止期间)使控制装置41工作，根据吸气温度进行转速指令值的校正。
进而，在即使通过上述转速控制也不能抑制由入口温度计测器T2计测的主燃烧器3的入口温度降低的情况下，控制装置41的催化剂入口温度控制部47通过校正抽气阀33的开度指令值来增大抽气阀33的开度，由此使主燃烧器3的入口温度上升。通过增大抽气阀33的开度，降低流入主燃烧器3的压缩气体G2的流量，主燃烧器3的燃空比进一步上升。其结果，主燃烧器3的出口温度以及涡轮废气G4的温度得到维持，通过热交换器7加热的主燃烧器3的入口温度得到维持。
通过催化剂入口温度控制部47控制抽气阀33的开度，由此在吸气温度降低时，在即使通过上述转速控制也不能维持催化式的主燃烧器3的入口温度的情况下，也能够切实地维持主燃烧器3的入口温度。
这样，在本实施方式的燃气涡轮发动机的控制方法中，通过根据吸气温度进行贫燃料吸入燃气涡轮发动机GT的转速控制来维持催化剂入口温度，因此不仅额定运行中，在启动时也能够切实地防止催化式的主燃烧器3的吸气温度降低导致的失火，且稳定地维持燃气涡轮发动机GT的运行状态。
如上所述，虽然参照说明书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可以进行各种添加、变更和删减。因此，这些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
9 发电机
17 功率转换装置
31 抽气路
33 抽气阀
41 控制装置
43 转速校正部
45 转速控制部
47 催化剂入口温度控制部
G1 吸入气体
GT 燃气涡轮发动机
T1 吸气温度计测器

Claims (6)

1.一种贫燃料吸入燃气涡轮发动机的控制方法，其控制以下贫燃料吸入燃气涡轮发动机，该贫燃料吸入燃气涡轮发动机具备催化式的燃烧器和热交换器，将低浓度甲烷气体中所含的可燃成分用作燃料，其中，所述催化式的燃烧器使通过压缩机压缩的压缩气体燃烧，并向涡轮供给，所述热交换器将来自所述涡轮的废气作为加热介质来加热所述压缩气体；
在流入该贫燃料吸入燃气涡轮发动机的所述压缩机的吸入气体的温度低于规定值的情况下，根据所述吸入气体的温度使该发动机的转速降低。
2.根据权利要求1所述的贫燃料吸入燃气涡轮发动机的控制方法，其特征在于，使功率转换装置介于由该贫燃料吸入燃气涡轮发动机驱动的发电机与外部电力系统之间，通过所述功率转换装置来降低所述发电机的转速，由此使该发动机的转速降低。
3.根据权利要求1或2所述的贫燃料吸入燃气涡轮发动机的控制方法，其特征在于，在所述贫燃料吸入燃气涡轮发动机中进一步设置抽气路和抽气阀，其中，所述抽气路从所述压缩气体的通路将压缩气体抽向所述废气的通路，所述抽气阀调整通过所述抽气路的抽出气体的流量，通过增大所述抽气阀的开度使所述催化式的燃烧器的入口温度上升。
4.一种贫燃料吸入燃气涡轮发动机的控制装置，其控制以下贫燃料吸入燃气涡轮发动机，该贫燃料吸入燃气涡轮发动机具备催化式的燃烧器和热交换器，将低浓度甲烷气体中所含的可燃成分用作燃料，其中，所述催化式的燃烧器使通过压缩机压缩的压缩气体燃烧，并向涡轮供给，所述热交换器将来自所述涡轮的废气作为加热介质来加热所述压缩气体；
具备转速校正部，在流入该贫燃料吸入燃气涡轮发动机的压缩机的吸入气体的温度低于规定值的情况下，根据所述吸入气体的温度使该发动机的转速指令值降低。
5.根据权利要求4所述的贫燃料吸入燃气涡轮发动机的控制装置，其特征在于，进一步具备转速控制部，根据来自所述转速校正部的转速指令值，通过介于由该贫燃料吸入燃气涡轮发动机驱动的发电机与外部电力系统之间的功率转换装置来控制所述发电机的转速。
6.根据权利要求4或5所述的贫燃料吸入燃气涡轮发动机的控制装置，其特征在于，所述贫燃料吸入燃气涡轮发动机具备抽气路和抽气阀，其中，所述抽气路从所述压缩气体的通路将压缩气体抽向所述废气的通路，所述抽气阀调整通过所述抽气路的抽出气体的流量；所述控制装置进一步具备催化剂入口温度控制部，其通过增大所述抽气阀的开度使所述催化式的燃烧器的入口温度上升。
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