CN107228017B - 设置有热声不稳定检测的燃气轮机设备和控制其的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃气轮机设备，其包括燃气轮机单元(2)和控制系统(3)。燃气轮机单元(2)包括燃烧室(5)。控制系统(3)包括监测装置(9)以及控制器(10)，监测装置设置有至少一个光学探头(11)，并被构造为通过光学探头(11)检测燃烧室(5)内的光强度的波动，控制器被构造为根据监测装置(9)的响应来控制燃气轮机单元(2)。

Description

设置有热声不稳定检测的燃气轮机设备和控制其的方法
技术领域
本发明涉及一种设置有热声不稳定检测的燃气轮机设备和控制燃气轮机设备的方法。
背景技术
众所周知，控制用于发电的设备的燃气轮机就性能和保护环境方面的法规来说呈现特别复杂的方面，并且参考保存机器及其机器组件处于有效状态的需要，以避免过早劣化，尤其是潜在的灾难性故障。
例如，对燃烧条件的适当控制对于保持高等级效率是至关重要的，同时将污染物排放量保持在法律规定的限度内，这变得日益严格。恶劣的燃烧条件也会严重损坏机器的结构。事实上，某些不稳定性的状态可能会导致在谐振频率附近受到应力的燃烧室的振动(“哼声”)。这种类型的事件可能尤其危害燃烧室的内部绝热涂层，燃烧室通常由相邻的瓷砖组成。燃烧室的振动可以容易地破坏绝热涂层，这需要比期望的更频繁的维护。此外，尽管维护不断，但绝热涂层仍可能会失去效率，并且不再能够为燃烧室的金属外壳提供足够的保护，从而可能发生严重的甚至不可逆的损坏。
例如污染物排放水平过高的其他重大事件可能对机器本身并不危险，但应避免这些事件以便遵守法律约束，并且因为机器的效率显著降低。
热声波动的问题由于能源市场需要的运行灵活性(尤其是在近几年)变得更为关键。事实上，为了跟踪需求的周期性变化并有助于分销网络的稳定性，用于发电的设备必须能够在非常不同的负载条件下运行，并且响应于快速的负载变化，这作为规则主要是交付给燃气轮机。然而，快速负载变化可能导致热声不稳定的状态。
因此，为了能够采取必要的对策，必须具有能够准确、及时地记录热声波动的发生的设备。
目前，使用压电型传感器测量热声波动，该传感器可与燃烧室或管道和压力塞直接耦接，或安装在通风室中。压电传感器基本上记录压力的变化，而不管它们在何处起始。然而，在燃气轮机的正常工作期间，燃烧室是各种压力波动的中心。例如，穿过机器的流体的正常垂直运动引起压力波动，然而不会造成威胁。因此，仅仅压电传感器就不能够识别与温度的波动相耦合的压力波动，换句话说，压力的波动可能是有害的，但是可以使用适当的控制来有效地对照。因此，当压力波动和放热波动密切相关时，也不能准确地、及时地确定热声不稳定的发生。
显然，控制也受到影响并且可能没有希望的那样有效。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种燃气轮机设备，用于燃气轮机的燃烧器组件和控制燃气轮机设备的方法，其允许克服或至少减小上述限制。
根据本发明，提供了一种燃气轮机设备，以及用于燃气轮机的燃烧器组件和控制燃气轮机设备的方法。
根据本发明的燃气轮机设备包括燃气轮机单元和控制系统，其中：所述燃气轮机单元包括燃烧室；并且所述控制系统包括监测装置和控制器，所述监测装置设置有至少一个光学探头，并被构造为利用该光学探头检测燃烧室内的光强度的波动，所述控制器被构造为根据监测装置的响应来控制燃气轮机单元；其中所述监测装置被构造为将光强信号转换成光学监测信号，并且所述控制器被构造为根据由监测装置提供的光学监测信号提供用于燃气轮机单元的控制信号；其中所述控制器包括处理模块，该处理模块被构造为基于光学监测信号来检测燃烧室内部的热声不稳定的状态；所述监测装置包括流体耦合到燃烧室内部的压电传感器，并且该压电传感器被构造为提供指示燃烧室内部的压力的压力监测信号；其中，所述控制器被构造为根据压力监测信号提供控制信号；并且其中所述处理模块被构造为识别由光学探头检测到的光强度的波动与由压电传感器检测到的压力波动之间的相关性，并且根据检测到的光强度的波动和压力波动之间的相关性检测燃烧室内的热声不稳定的状态。
根据本发明的控制包括燃气轮机单元的燃气轮机设备的方法包括：检测燃烧室内的光强度的波动；和根据检测到的光强度的波动来控制燃气轮机单元；控制包括基于检测到的光强度的波动来检测燃烧室内部的热声不稳定的状态；检测热声不稳定的状态包括检测燃烧室内的压力波动，识别检测到的光强度的波动与检测到的压力波动之间的相关性，以及根据检测到的光强度的波动和压力波动之间的相关性来识别燃烧室内部的热声不稳定的状态。
附图说明
现在将参考附图来描述本发明，附图示出了其非限制性的实施例，其中：
-图1是根据本发明的一个实施例的用于发电的燃气轮机的简化框图；
-图2示出了图1中的设备的一部分的更详细的图；
-图3示出了显示与图1中的设备相关的尺寸的图；
-图4示出了穿过图1中的设备的部件的横截面；
-图5示出了图4中的部件的放大细节；
-图6示出了本发明的不同实施例中的图4中的部件的放大细节。
具体实施方式
参考图1，数字1限定了作为整体的包括燃气轮机单元2和控制系统3的燃气轮机设备。
燃气轮机单元2又包括压缩机4、燃烧室5和膨胀段或涡轮机7。
轴向式压缩机4利用从外部抽出的空气流来供给燃烧室5。
例如环形的燃烧室5设置有多个燃烧器组件8，这些燃烧器组件8使得空气和燃料的混合物在燃烧室5内燃烧。燃料可以是气态的，例如天然气或合成气，或液体，例如汽油。燃气轮机单元2可以被构造成使用不同类型的气体和液体的燃料。
涡轮机7接收并且膨胀来自燃烧室5的燃烧气体流，以提取机械功，该机械功传递给外部使用者，通常为发电机(这里未示出)。
参照图2，控制系统3包括监测装置9和控制器10。
监测装置9用于监测燃烧室5内的热声波动，特别是用于检测燃烧室5 的火焰区域的光强度的波动。
在一个实施例中，监测装置9包括多个光学探头11、光电传感器12、获取单元13、光学滤波器14及和用于将光学探头11光学耦合到相应的光电传感器12的波导器件15。
光学探头11被设置成面对燃烧室5的内部，使得相应的燃烧器组件8的火焰区域是可见的。在一个实施例中，如稍后更详细地描述的，光学探头11 被内置在相应的燃烧器组件8的结构中。
由光学探头11收集的光辐射被相应的波导器件15传送到光电传感器12，在一个实施例中，波导器件15可以是光学纤维。
光电传感器12可以包括在适当的情况下组装到成图像传感器中的光电探测器，如光电二极管、光电晶体管或光电倍增管。每个光电传感器12将由各个波导器件15接收的光强度的信号转换成电信号，这些电信号由获取单元13 收集。然后，获取单元13向控制器10提供从来自光电传感器12的电信号获取的光学监测信号SOM。
在一个实施例中，光学滤波器14沿着光学探头和光电传感器12之间的光路布置，例如在波导器件15和相应的光电传感器12之间。在这种情况下，光学滤波器14和相应的相关联的光电传感器12限定独立的通道，该通道传输与相应的波长带相关的信号(该信号是随后转换为电信号的原本的光信号)。替换地，可以沿着波导器件15布置光学滤波器。在这种情况下，可以使用光学滤波器14的波导器件下游的不同部分来形成不同的通道。此外，可以用特殊的光电传感器12或相同的光电传感器12(例如时分)来转换不同通道的光强信号。在一个实施例中，分束器16可用于将通道中的光束分开，从而将光束的一部分引向相应的光学滤波器14。
光学滤波器14具有以与作为燃烧反应的中间产物的自由基OH、CH的发射谱的特征相关联的相应的波长为中心的通带，该中间产物分别具有扩散和预混合火焰。具体地说，光学滤波器14的通带B1、B2可以分别以308nm和430nm 的波长为中心。通带B1、B2可以分别具有例如10nm和10nm的宽度，并且在一个实施例中它们是分开的并且不重叠。
在未示出的不同实施例中，不存在光学滤波器，并且在整个光谱上执行强度信号到电信号的转换。在另外的实施例中，可以有选择红外线和/或可见光带的光学滤波器，例如用于高温测量应用或用于识别燃烧器的火焰区域的延伸和对称性的特征。
监测装置9还可以包括用于提供表示燃烧室5内的压力的压力监测信号 SPM的压电传感器17。压电传感器17可以用管(未示出)流体地耦接到燃烧室5的内部，或者它们可以容纳在燃烧室5的增压室(也未示出)中。
控制器10接收来自燃气轮机单元2上的或耦合到其上的传感器的操作值的测量值以及来自监视设备9(分别来自获取单元13和压电传感器17)的光学监测信号SOM和压力监视信号SPM。控制器10用于根据所接收的操作值的测量值和从外部计算或提供的参考值(“设定点”)来确定控制信号SC。具体地说，控制器10用于根据光学监测信号SOM来确定控制信号SC。光学监测信号SOM可以单独使用，或者在适当的情况下与压力监视信号SPM一起使用，这将在下面说明。
控制信号SC用于通过致动器组18确定燃气轮机单元的操作条件，这些在这里未详细示出(例如，控制信号SC可以确定第一压缩机级的入口导向叶片 (Inlet Guide Vanes,IGV)的开口度和供应到燃烧器组件8的燃料流的调节阀)。
在一个实施例中，控制器10包括第一处理模块20、第二处理模块21及控制模块22。
第一处理模块20用于基于从获取单元13接收的光学监测信号SOM来检测燃烧室5内的热声不稳定的状态。在一个实施例中，第一处理模块20还可以使用通过压电传感器17所提供的压力监视信号SPM来识别光强度的波动和压力之间的相关性，目的是改善热声不稳定的状态及其临界性的识别。
第二处理模块21使用光学监测信号SOM来调节用于获取单元13的操作参数(例如增益参数)。
控制模块22用于根据所接收的操作值的测量值，具体地包括光学监测信号SOM和压力监测信号SPM以及参考值，确定用于致动器组18的控制信号SC。
更具体地说，第一处理模块20利用傅里叶变换来计算光学监测信号SOM的波谱，并监测频率中的内容。例如，第一处理模块20识别振幅大于阈值(图 3中的TH)的任何波谱分量，并向控制模块22提供监测信息I。阈值可以根据波长来确定。
振幅大于阈值的波谱分量的存在表示与放热有关的波动，并且因此表示潜在的有害不稳定性的状态。
在一个实施例中，第一处理模块20分别处理与光学滤波器14的通带B1、 B2相关联的通道的光学监测信号SOM。以这种方式，可以确定早期的或显然的不稳定性的起源。
在一个实施例中，第一处理模块20识别光学监测信号SOM的波谱分量与压力监测信号SPM之间的相关性。基本上，第一处理模块20计算压力监视信号SPM的波谱并且识别大于阈值的任何分量。压力监测信号SPM的波谱分量指示燃烧室5内的压力波动。如前所述，压力波动可以与机器的正常工作相关联并且不总是有害的。然而，在光学监测信号SOM和压力监测信号SPM中基本上具有相同频率的波谱分量的存在表明热声不稳定的状态的高概率，其中放热的波动和压力的波动彼此增强。热声不稳定的现象通常应该避免，并且必须与控制模块22用于基于由第一处理模块20提供的监视信息I进行选择的适当控制动作进行对照。
监视信息I可以以电信号或消息的形式定义，其包含例如：
所识别的光学监测信号SOM的波谱分量的频率和振幅；
光学监测信号SOM的波谱分量的频率和相互相关的压力监测信号的频率；
在适当的情况下，所检测到的指示波动的危险性的参数(指示性参数可以根据案例研究凭经验确定并根据检测到的波动振幅以及放热波动与压力波动之间的耦合进行校正)。
控制模块22用于基于所识别的设备尺寸或间接通过未示出的传感器，并且基于由第一处理模块20提供的监测信息I来确定控制信号SC。控制模块22 使用控制信号SC来确定燃气轮机单元2的运行状态。此外，控制模块22使用监视信息I进行旨在修改运行状态的检查，以避免引起热声波动的状态。控制动作可以间接地影响例如负载参考值或废气的温度或致动器组18(特别是第一压缩机级的IGV的开口度和通过调节阀供应到燃烧器组件8的燃料流)的选择。
例如，控制模块22可以被配置为基于从光学监视信号SOM确定的自由基 OH、CH的比率来确定控制动作。在一个实施例中，一旦检测到热声振荡，仅基于光学监测信号SOM自身或者基于在光学监测信号SOM和压力监测信号SPM之间的相关性，控制模块22确定用于在由光学探头11的视角覆盖的空间中燃烧的供给到燃烧室5的混合物的预混合度和空气-燃料比。如果控制模块22确定游离基OH、CH的比例，在这样的空间中，混合物太贫乏(例如空气-燃料比高于阈值)，通过第一组控制信号SC，控制模块22请求修改引燃(扩散或部分预混合)火焰和预混合火焰(参见下文)的平衡而不影响总的动力输送(即，与预混合火焰相关联的动力降低，与引燃火焰相关联的动力增加)。反之亦然，如果混合物太浓，控制模块22请求与预混合火焰相关联的动力增加，并且与引燃火焰相关联的功率降低。相反，如果空气-燃料比在可接受的范围内，则控制模块22通过第二组控制信号SC，控制模块22导致整体负荷和动力输送减小，而不一定影响引燃(扩散或部分预混合)火焰和预混合火焰的平衡。
与火焰波动相关的光强度的变化的光学检测使得有利地可以准确和及时地检测热声不稳定的状态。利用压电传感器无法获得这一结果，压电传感器不能区分由热声不稳定(潜在有害)引起的振动与机器正常工作相关的压力变化。光学监测和压电传感器的组合使用可以更好地识别热声不稳定的状态，从而将光强度的波动和压力波动相关联。
此外，监测与基团OH、CH的发射光谱的线特征相关联的波长带也可以识别热声波动是否由扩散火焰(导频)或预混合火焰引起。
参考图4，根据一个实施例，至少一个燃烧器组件8配备有光学探头11。更具体地，燃烧器组件8沿轴线A延伸，主燃烧器25围绕着轴A布置在外部，并且引燃燃烧器26居中。光学探头11再次沿轴线A插入在引燃燃烧器26内。
预混合型燃烧器25布置在引燃燃烧器26的周围，并设置有由数字28表示的旋流器。
旋流器28径向地限定在第一锥形体30和基本上锥形的环形壁31之间。第一锥形体30呈圆柱形的轴向空腔，并且其也朝向外部逐渐变细。旋流器28 还包括多个叶片32，其限定相应的流动通道33以朝向燃烧室5与轴线A成对角线地引导燃烧空气流。
旋流器28混合在流动通道33中形成的燃料和空气流以及与理论化学计量比相关的大量空气，以产生空气过量的预混合火焰。
引燃燃烧器26包括第二锥形体40和第三锥形体41，并且在它们之间限定轴向旋流器43。第二锥形体40围绕轴线A延伸并且呈现贯通轴向空腔，光学探头11被容纳在其中。中空的第三锥形体41围绕第二锥形体40布置，并与第二锥形体40同轴并与第一锥形体30的外锥面连接。
旋流器43包括多个叶片45，其布置在第二锥形体40和第三锥形体41之间的空间中。流动通道44限定在成对的相邻叶片45之间。
如前所述，光学探头11沿轴线A容纳在第二锥形体40的内部，并且包括管状体50。管状体50的第一端部50a面向燃烧室5，邻近引燃燃烧器26的出口，并且可以设置有由具有平行平面(图5中的细节)的片材或聚焦透镜(图 6中的细节，光学窗口用51'表示)限定的光学窗口51。聚焦透镜可以是平凸透镜，其扩大了光学探头11在燃烧室5内部的视角。光学窗口51至少在光学滤波器14的带B1、B2中是透明的，并且在一个实施例中，在从红外范围到紫外线范围的波长带中是透明的。光学窗口51提供对主燃烧器25和引燃燃烧器 26的火焰区域的光学通路，并且同时保护光学探头11的内部，从而限制暴露于高温并防止任何热气体的返回。在一个实施例中，光学窗口51由蓝宝石或石英制成。
在管状体50的与第一端部50a相对的第二端部50b上形成的进气口52用于在管状体50内部供给冷却空气流。进气口52可以与空气供应系统55(仅在此示意地示出)连通，其将燃烧空气供给到燃气轮机单元的燃烧器组件8。可以使冷却空气在筒体30的内部和外部流动。
光学探头11还包括波导器件15中的一个的一部分，其通过第二端容纳在管状体50的内部并延伸到光学窗口51。因此，波导器件15光学地面对主燃烧器25和引燃燃烧器26的火焰区域。
容纳在管状体50内的波导器件15的至少部分是耐高温(例如高达500℃) 的类型。
由于多种原因，将光学探头11集成在燃烧器组件8中是有利的。首先，光学探头11靠近火焰区域，因此在燃烧期间发射的光辐射(包括带B1、B2 以及通常从红外范围到紫外范围的光谱)被有效地收集并且具有提高的信号/ 噪声比。此外，在燃烧室5的情况下，不需要特殊的开口，这有利于组装和维护以及燃烧室5本身的结构阻力。
最后，在不超出如所附的权利要求所限定的本发明的范围的情况下，显然可以对装置、设备、燃烧器组件和所描述的方法进行变化和修改。

Claims (16)

1.一种燃气轮机设备，包括燃气轮机单元(2)和控制系统(3)，其中：
所述燃气轮机单元(2)包括燃烧室(5)；并且
所述控制系统(3)包括监测装置(9)和控制器(10)，所述监测装置(9)设置有至少一个光学探头(11)，并被构造为利用该光学探头(11)检测燃烧室(5)内的光强度的波动，所述控制器被构造为根据监测装置(9)的响应来控制燃气轮机单元(2)；
所述监测装置(9)还包括光电传感器(12)和获取单元(13)，其中，光学探头(11)收集的光强度信号被传送到光电传感器(12)，光电传感器(12)将接收到的光强度的信号转换成电信号，获取单元(13)收集这些电信号，并向控制器(10)提供从来自光电传感器(12)的电信号获取的光学监测信号(SOM)；
所述控制器包括第一处理模块(20)、第二处理模块(21)及控制模块(22)，其中，第一处理模块(20)用于基于从获取单元(13)接收的光学监测信号(SOM)来检测燃烧室(5)内的热声不稳定的状态，第二处理模块(21)使用光学监测信号(SOM)来调节用于获取单元(13)的操作参数，控制模块(22)根据光学监测信号(SOM)提供用于燃气轮机单元(2)的控制信号(SC)；
其特征在于，所述监测装置(9)包括流体耦合到燃烧室(5)内部的压电传感器(17)，并且该压电传感器被构造为提供指示燃烧室(5)内部的压力的压力监测信号(SPM)；
其中，所述控制器(10)被构造为根据压力监测信号(SPM)提供控制信号(SC)；
并且其中所述第一处理模块(20)被构造为识别由光学探头(11)检测到的光强度的波动与由压电传感器(17)检测到的压力波动之间的相关性，并且根据检测到的光强度的波动和压力波动之间的相关性检测燃烧室(5)内的热声不稳定的状态。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述监测装置(9)被构造为在包括波长308nm的第一波带(B1)中以及在包括波长430nm的第二波带(B2)中选择性地检测光强度的波动。
3.根据权利要求2所述的设备，其中所述第一波带(B1)和所述第二波带(B2)是分开的。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述监测装置(9)被构造为检测从红外线范围延伸到紫外线范围的波长谱中的光强度的波动。
5.根据权利要求2所述的设备，其中所述监测装置(9)包括光电传感器(12)以及波导器件(15)，该波导器件用于将光学探头(11)光学耦合到光电传感器(12)。
6.根据权利要求5所述的设备，其中所述监测装置(9)包括沿着光路布置在光学探头(11)和光电传感器(12)之间的光学滤波器(14)，并且该光学滤波器具有与第一波带(B1)和第二波带(B2)一致的各个通带。
7.根据权利要求6所述的设备，其中所述光学滤波器(14)和相应的相关联的光电传感器(12)限定传输与相应的波长带相关的信号的单独的通道。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的设备，其中所述第一处理模块(20)被构造为计算光学监测信号(SOM)的波谱并且检测大于阈值(TH)的振幅的波谱分量。
9.根据权利要求1所述的设备，其中所述燃气轮机单元(2)包括至少一个燃烧器组件(8)，并且光学探头(11)容纳在该燃烧器组件(8)内。
10.根据权利要求9所述的设备，其中所述燃烧器组件(8)沿轴线(A)延伸，并且光学探头(11)沿着轴线(A)设置。
11.根据权利要求9或10所述的设备，其中所述燃烧器组件(8)包括主燃烧器(25)和布置在主燃烧器(25)内部的与其同轴的引燃燃烧器(26)，并且其中光学探头(11)被容纳在引燃燃烧器(26)内并且与主燃烧器(25)和引燃燃烧器(26)同轴。
12.根据权利要求1-7中任意一项所述的设备，其中所述光学探头(11)包括在第一端(50a)处具有光学窗口(51)的管状体(50)，和容纳在所述管状体(50)的第二端(50b)和所述光学窗口(51)之间的管状体(50)内的波导器件(15)的一部分。
13.根据权利要求12所述的设备，其中所述光学窗口面向燃烧室(5)内部。
14.根据权利要求12所述的设备，其中所述管状体(50)包括与燃烧器组件(8)的空气供应系统(55)连通的进气口(52)。
15.一种控制包括燃气轮机单元(2)的燃气轮机设备的方法，所述方法包括：
检测燃烧室(5)内的光强度的波动，包括：使用光学探头(11)收集光强度信号；将收集到的光强度信号传送到光电传感器(12)；使用光电传感器(12)将接收到的光强度的信号转换成电信号；以及使用获取单元(13)收集这些电信号，并向控制器(10)提供从来自光电传感器(12)的电信号获取的光学监测信号(SOM)，
使用第一处理模块(20)基于从获取单元(13)接收的光学监测信号(SOM)来检测燃烧室(5)内的热声不稳定的状态；使用第二处理模块(21)使用光学监测信号(SOM)来调节用于获取单元(13)的操作参数；以及使用控制模块(22)根据光学监测信号(SOM)来提供用于燃气轮机单元(2)的控制信号(SC)，
基于控制信号(SC)来控制燃气轮机单元；
其特征在于，检测热声不稳定的状态包括检测燃烧室(5)内的压力波动，识别检测到的光强度的波动与检测到的压力波动之间的相关性，以及根据检测到的光强度的波动和压力波动之间的相关性来识别燃烧室(5)内部的热声不稳定的状态。
16.根据权利要求15所述的方法，其中在包括波长308nm的第一波带(B1)中以及包括430nm波长的第二波带(B2)中选择性地检测光强度的波动。
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