CN105927392B - 用于控制具有顺序燃烧的燃气涡轮的操作的方法 - Google Patents

用于控制具有顺序燃烧的燃气涡轮的操作的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于控制具有顺序燃烧的燃气涡轮(10)的操作的方法，燃气涡轮(10)包括具有可变入口导叶(VIGV)的压缩机(12)、第一燃烧器(13)、在所述第一燃烧器(13)下游的高压涡轮(14)、在所述高压涡轮(14)下游的第二燃烧器(16)，以及在所述第二燃烧器(16)下游的低压涡轮(17)。如果至少一个局部TAT1测量值在基础负载操作期间增大超过预定阈值，则通过调节平均TAT1温度(TAT1 AVG)，来防止超过目标NOx排放极限，以及防止构件应力提高。

Description

用于控制具有顺序燃烧的燃气涡轮的操作的方法
技术领域
本发明涉及燃气涡轮的技术。本发明涉及用于控制具有顺序燃烧的燃气涡轮的操作的方法。
背景技术
控制具有顺序燃烧的燃气涡轮一直是以往各种文献的目标。
例如，文献US 8,434,312教导了一种用于具有顺序燃烧的燃气涡轮的低CO排放部分负载操作的方法，其中第二燃烧器的操作的喷燃器的空气比(λ)保持低于部分负载下的最大空气比(λmax)。为了减小最大空气比(λ)，单独或组合地对燃气涡轮的操作概念进行一系列修改。一种修改是在接合第二燃烧器之前打开成排的可变压缩机入口导叶(VIGV)。为了接合第二燃烧器，成的可变压缩机入口导叶快速关闭，并且同步地将燃料引入到第二燃烧器的喷燃器中。另一种修改是在部分负载下停用单独的喷燃器。
文献EP 2 600 063 A2公开了一种操作具有分级燃烧和/或顺序燃烧的燃气涡轮的方法，其中第二级或第二燃烧器的喷燃器在加载期间按顺序打开，并且在减载期间按顺序关闭，由此同时调节总燃料质量流和压缩机入口导叶，以允许针对所需CO排放目标来控制燃气涡轮操作温度和发动机功率。
在图1是显示具有顺序燃烧(GT26等)的燃气涡轮的基本控制方案：燃气涡轮10包括转子11，转子11被同心壳包围。压缩机12压缩空气，空气通过气室进入具有第一所谓的EV喷燃器22的第一燃烧器13。产生的热气驱动第一或高压涡轮14。在高压涡轮14的下游，第二所谓的EV喷燃器15将燃料喷射到气体中(气体仍然包含空气)，从而在第二燃烧器16中使气体再加热。再加热的气体驱动第二或低压涡轮17，并且最终离开燃气涡轮10。
控制燃气涡轮10的操作的控制器20接收TAT1测量值21，其中在高压涡轮14的出口处的多个(例如24个)点处测量高压涡轮14的涡轮出口温度TAT1。此外，控制器20接收TAT2测量值18，其中在低压涡轮17的出口的多个点处测量低压涡轮17的涡轮出口温度TAT2。最后，控制器20接收来自置于燃气涡轮10的排气流中的NOx CEMS测量器件19的NOx排放数据。使用测量数据，控制器20借助于EV喷燃器控制23来控制第一燃烧器13的操作。
对于具有图1中显示的类型的顺序燃烧的燃气涡轮，泄漏会影响TAT1测量值21，即，(第一)高压涡轮14的涡轮出口温度TAT的测量值。
这些泄漏对于新的干净发动机(或在停机之后重新组装的发动机)较小，但在操作期间增加。
这些泄漏会影响被取平均数以提供平均TAT1温度TAT1 AVG的一些单个TAT1测量值，因为相应的温度传感器受冷泄漏流影响，从而产生测量误差，即，发送较低的温度。
然后控制器增加燃料流，以使TAT1(即高压涡轮14的涡轮入口温度TIT1)保持处于设计温度。由于测量误差，实际TAT1和实际TIT1值增大会导致较高的NOx排放(并且增加机器的寿命消耗)。
在已经发现NOx排放显著增加之后再次调节发动机可解决问题。但是，这个解决方案较麻烦，对于机器操作者来说不满意，而且会影响构件寿命。
较好的办法是使用具有连续排放和可行的脉动反馈环的高级闭环控制。
发明内容
本发明的目标是提供一种用于控制具有顺序燃烧的燃气涡轮的操作的方法，它避免以前的方法的缺点，并且允许防止超过目标NOx排放极限和构件应力提高。
此目标和其它目标由本发明的方法实现。
根据本发明的方法用来控制具有顺序燃烧的燃气涡轮的操作，燃气涡轮包括具有可变入口导叶的压缩机、第一燃烧器、在所述第一燃烧器下游的高压涡轮、在所述高压涡轮下游的第二燃烧器，以及在所述第二燃烧器下游的低压涡轮。
根据本发明的方法包括以下步骤：
核实燃气涡轮在基础负载状况下操作；
在多个点处连续地局部地测量高压涡轮的涡轮出口温度TAT1；
对多个局部TAT1测量值取平均数，以获得平均TAT1温度(TAT1 AVG)；
依靠所述平均TAT1温度(TAT1 AVG)来控制第一燃烧器的操作；
检查大于所述平均TAT1温度(TAT1 AVG)的至少一个局部TAT1测量值是否正在增大；
如果所述至少一个局部TAT1测量值增大超过预定阈值，则调节所述平均TAT1温度(TAT1 AVG)。
根据有创造性的方法的实施例，所述基础负载状况包括所述可变入口导叶打开，所述第一燃烧器的涡轮入口温度处于基础负载值，以及所述第二燃烧器的涡轮入口温度处于基础负载值。
根据有创造性的方法的另一个实施例，检查大于所述平均TAT1温度(TAT1 AVG)的多个局部TAT1测量值的移动平均数，并且如果所述移动平均数增大超过预定阈值，则调节所述平均TAT1温度(TAT1 AVG)，。
特别地，根据一个实施例，可忽略所述移动平均数的最大局部TAT1测量值。根据另一个实施例，忽略大于TAT1 AVG的多个TAT1测量值。
特别地，可在例如10分钟或更长的时间量程上评价所述移动平均数。
更特别地，可在20分钟的时间量程上评价所述移动平均数。
根据有创造性的方法的又一个实施例，所述预定阈值比局部TAT1基准值高至少5K。局部TAT1基准值例如可为当调节燃气涡轮时的操作时期开始时的至少一个局部TAT1测量值的平均数。备选地，局部TAT1基准值可为相对值，它由至少一个局部TAT1测量值与在基础负载操作期间在操作时期开始时的TAT1 AVG的差确定。所以不是在达到至少一个局部TAT1测量值的绝对温度时触发TAT1调节，而是在至少一个局部TAT1测量值和TAT1 AVG之间的差超过基准值(即，温差)时，触发TAT1调节。通过使用温差，TAT1 AVG的目标值由于操作概念改变而可能作出的改变对TAT1调节没有影响。可例如改变目标TAT1(相应地，目标涡轮入口温度TIT1)，以将燃料类型的燃料消耗变化考虑在内，例如燃料气体或燃料油的使用量。
特别地，所述预定阈值例如可比局部TAT1基准值高10 K。
根据有创造性的方法的又一个实施例，通过使所述平均TAT1温度(TAT1 AVG)逐步降低预定量，来实现对平均TAT1温度(TAT1 AVG)的调节。例如可通过在控制器中对测量值添加偏移，来降低实际TAT1温度(TAT1 AVG)。因而控制器使用TAT1 AVG的提高值来控制第一燃烧器的操作。由于目标控制值不变，所以控制器将减少燃料流，以使偏移之后的温度降低到目标值。
根据有创造性的方法的另一个实施例，燃气涡轮的排气的NOx含量由NOx CEMS测量器件测量，并且如果另外NOx CEMS排放测量值的移动平均数超过预定阈值，则仅调节所述平均TAT1温度(TAT1 AVG)。
特别地，例如可在20分钟的时间量程上评价NOx CEMS排放测量值的所述移动平均数，并且所述阈值例如可为保证NOx排放水平的80%。
特别地，根据另一个实施例，在所述第一燃烧器中测量压力脉动，并且如果另外所述测量的压力脉动的特别是在100 Hz和150 Hz之间的频带中的低频部分低于预定阈值，特别是30毫巴，则仅调节所述平均TAT1温度(TAT1 AVG)。
更特别地，如果对于预定数量的单独的基础负载循环和预定操作时间，所有所述调节标准都满足，则仅可调节所述平均TAT1温度(TAT1 AVG)。
特别地，单独的基础负载循环的所述预定数量例如可为至少5个，并且所述预定操作时间可为例如至少120分钟。
附图说明
现在借助于不同的实施例且参照附图来更仔细地阐明本发明。
图1显示具有顺序燃烧的燃气涡轮和用于其操作的闭环控制回路。
部件列表
10燃气涡轮
11转子
12压缩机
13燃烧器
14高压涡轮(TAT1)
15 SEV喷燃器
16燃烧器
17低压涡轮(TAT2)
18TAT2测量值(一个或多个)
19 NOx CEMS测量器件
20控制器
21 TAT1测量值(一个或多个)
22 EV喷燃器
23 EV喷燃器控制。
具体实施方式
本发明涉及主动TAT1控制(ATC)，它是适合改进具有顺序燃烧的燃气涡轮(例如已经提到的GT26)的第一(EV)燃烧器的闭环控制的半自动控制逻辑。最终目标是阻止NOx排放达到保证上限。
通过采用(第一)高压涡轮14的平均涡轮出口温度(即，TAT1 AVG)作为过程控制温度来实现这一点。实际GT26涡轮的线性回归分析显示实际24个 TAT1测量值中的最热的8个测量值的平均数能够表明在基础负载上在测量NOx排放和受控TAT1 AVG之间有失配。
根据本发明的实施例，在20分钟内取平均数的最热的8个TAT1测量值用作修正第一(EV)燃烧器闭环控制干扰(作为例如EV热气温度偏差)的指示器，并且从而使NOx排放保持处于保证水平。
在按顺序满足5个不同的标准之后，控制器20内的最终控制逻辑设计在这个特殊情况下半自动地使基础负载下的EV过程控制温度TAT1 AVG逐步降低10 K：
1. 提供GT基础负载状况；
2. 最热的8个TAT1测量值的20分钟移动平均数相对于基准测量值提高10 K；
3. NOx排放测量值的20分钟移动平均数超过保证值的80%；
4. 第一燃烧器13的100 Hz-150 Hz脉动带低于30毫巴的压力；
5. 实现状况1、2、3、4达单独的5次基础负载操作和120分钟。
如果实现了最后的第5个标准，则释放ATC，并且操作者可启动ATC释放。
将在下面更详细地阐明上面列出的标准1-5的含义：
参考标准1：
如果可变入口导叶(VIGV)打开(相对于基础负载开度在1°内)，第一燃烧器处的涡轮入口温度TIT1处于基础负载TIT1，并且第二燃烧器处的涡轮入口温度TIT2处于基础负载TIT2，提供基础负载状况。
参考标准2：
大体上，如果大于TAT1 AVG(在GT26中通常有24个局部TAT1测量值)的至少一个局部TAT1测量值正在增大，则必须检查。如果它增大超过阈值(例如10 K，也可为5 K)，则调节TAT1 AVG值。
仅调节TAT1 AVG。不调节在低压涡轮17的下游测量的TAT2 AVG(在低压涡轮17下游的排气管中没有冷却，并且因而没有冷却空气泄漏引起的潜在变化)。
当然周期可短于20分钟，例如仅10分钟或更长的时间。
可使用一个或所有TAT1测量值(例如可使用大于平均数的任何数量的TAT1的移动平均数；另外，例如可忽略最热的局部TAT1测量值)。
参考标准3：
20分钟的周期是一个示例。周期可更短或更长。对于80%值的NOx排放也是这样。
参考标准4：
第一燃烧器13的100 Hz-150 Hz脉动带也称为“低频脉动”或“稀薄喷出脉动”。
参考标准5：
“单独的5次基础负载操作”表示燃气涡轮应当在连续的基础负载操作之间减载到低于基础负载的负载–当然仅在这个实施例中。
此外，也可自动地进行调节，即，不必由操作者进行调节。
有创造性的方法的优点：
尤其是在具有启动许多次的发动机上，可观察到TAT1变化的快速传播。目前的解决方案仅在发动机操作者担忧时起作用，因为超过了保证NOx排放极限或环境NOx排放极限。本发明的优点是防止超过目标NOx排放极限，以及防止构件应力提高。

Claims (14)

1.一种用于控制具有顺序燃烧的燃气涡轮(10)的操作的方法，所述燃气涡轮(10)包括具有可变入口导叶(VIGV)的压缩机(12)、第一燃烧器(13)、在所述第一燃烧器(13)下游的高压涡轮(14)、在所述高压涡轮(14)下游的第二燃烧器(16)，以及在所述第二燃烧器(16)下游的低压涡轮(17)，所述方法包括以下步骤：
核实所述燃气涡轮(10)在基础负载状况下操作；
在多个点处连续地局部地测量所述高压涡轮(14)的涡轮出口温度(TAT1)；
对多个局部涡轮出口温度测量值取平均数，以获得平均涡轮出口温度(TAT1 AVG)；
依靠所述平均涡轮出口温度(TAT1 AVG)，来控制所述第一燃烧器(13)的操作；
检查大于所述平均涡轮出口温度(TAT1 AVG)的至少一个局部涡轮出口温度测量值是否正在增大；
通过NOx CEMS测量器件(19)测量所述燃气涡轮(10)的排气的NOx含量；
如果所述至少一个局部涡轮出口温度测量值增大超过预定阈值，并且如果另外NOxCEMS排放测量值的移动平均数大于预定阈值，则仅调节所述平均涡轮出口温度(TAT1AVG)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基础负载状况包括所述可变入口导叶(VIGV)打开，所述第一燃烧器(13)的涡轮入口温度(TIT1)处于基础负载值，以及所述第二燃烧器(16)的涡轮入口温度(TIT2)处于基础负载值。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，检查大于所述平均涡轮出口温度(TAT1AVG)的多个局部涡轮出口温度测量值的移动平均数，并且如果所述移动平均数增大超过预定阈值，则调节所述平均涡轮出口温度(TAT1 AVG)。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，忽略所述移动平均数的最大局部涡轮出口温度测量值。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在10分钟或更长的时间量程上评价所述移动平均数。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在20分钟的时间量程上评价所述移动平均数。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预定阈值比局部涡轮出口温度基准值高至少5 K。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述预定阈值比局部涡轮出口温度基准值高10 K。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过使所述平均涡轮出口温度(TAT1 AVG)逐步降低预定量，来实现对所述平均涡轮出口温度(TAT1 AVG)的所述调节。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在20分钟的时间量程上评价所述NOxCEMS排放测量值的所述移动平均数，并且所述阈值为保证NOx排放水平的80%。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述第一燃烧器(13)中测量压力脉动，并且如果另外所述测量的压力脉动的在100 Hz和150 Hz之间的频带中的低频部分低于预定阈值，则仅调节所述平均涡轮出口温度(TAT1 AVG)。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述低频部分的预定阈值为30毫巴。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，如果对于预定数量的单独的基础负载循环和预定操作时间，所有调节标准都满足，则仅调节所述平均涡轮出口温度(TAT1AVG)。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，单独的基础负载循环的所述预定数量为至少5，并且所述预定操作时间为至少120分钟。
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