CN107587944B - 控制燃气涡轮组件的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于控制燃气涡轮组件(1)的方法，该燃气涡轮组件(1)包括：压缩机(2)，外界空气的压缩在其中发生以用于产生压缩空气流；顺序燃烧器，其包括第一燃烧器(4)和第二燃烧器(7)，燃料和从所述压缩机(2)到来的压缩空气的混合物的燃烧在第一燃烧器(4)中发生以用于产生热气体流，且第二燃烧器(7)位于所述第一燃烧器(4)下游且燃料和从所述第一燃烧器(4)到来的热气体的混合物的燃烧在第二燃烧器(7)中发生；中间涡轮(5)，从所述第一燃烧器(4)到来的热气体的局部膨胀在其中发生；以及第二燃烧器(7)，燃料和从所述中间涡轮(5)到来的热气体的混合物的燃烧在其中发生；该方法还包括，在燃气涡轮组件(1)的启动瞬变操作阶段时，基于第一燃烧器(4)内的火焰温度(TFL1)来控制供应至所述第一燃烧器(4)和/或所述第二燃烧器(7)的燃料质量流率的步骤。

Description

控制燃气涡轮组件的方法
技术领域
本发明涉及一种控制燃气涡轮组件的方法。
更具体而言，本发明涉及一种在启动和类似瞬变阶段期间控制具有顺序燃烧的燃气涡轮组件的方法。以下描述将仅通过示例来对使用进行明确参照，而不隐含任何普遍性的损失。
背景技术
如已知的那样，具有顺序燃烧的燃气涡轮组件大体上设有两个燃烧器，且设有高压中间涡轮，其介于两个燃烧器之间，以使从第一燃烧器移动至第二燃烧器的热气体流经历局部膨胀(其降低热气体的温度)。
第二燃烧器的选择性使用允许调制功率输出，以允许燃气涡轮组件在较宽范围的负载条件下以相对较低的污染物排放来有效地操作。
在具有顺序燃烧的现今的燃气涡轮组件中，燃烧器启动顺序通常基于以下而根据映射表来控制：中间涡轮的出口处的气体温度(后文称为TAT1)，以及在测得的温度TAT1下，供应至第一燃烧器的引燃火焰的燃料质量流率与供应至第一燃烧室的总燃料质量流率之间的比率(后文称为S1R)，其为燃气涡轮组件的压缩机的热状态的函数。
换言之，在启动阶段期间，燃料基于固定TAT1值根据预先限定的计划及时地供应至第一燃烧器和/或至第二燃烧器。
TAT1计划通常在现场测试期间限定，且通常需要现场调整，以便匹配燃气涡轮组件的真实操作条件，且改善燃烧器的启动性能。
由于启动是瞬变阶段，故TAT1计划的上调很困难，因为发动机参数(即，空气和燃料质量流率、压力、温度、涡轮旋转速度等)用于连续地改变。另外，发动机的热状态起到重要作用(热或冷发动机)，且其对上调过程增加了另一个变量。
令人遗憾地，基于TAT1不停测量的当前使用的固定TAT1计划并未考虑环境温度变化和发动机的热状态。
换言之，当前使用的TAT1计划并未提供所需的灵活性和准确性来在所有发动机操作条件下优化燃气涡轮组件的启动阶段。
TAT1参数实际上在第一燃烧器下游很远测量，且因此其可能未揭示燃烧器内的火焰温度的突然变化，且燃烧器内的火焰温度的这些突然变化可导致火焰不稳定、贫油熄火现象(大体上称为LBO)和/或压力脉动，及伴有的所有问题。
发明内容
本发明的目的在于避免关于当前使用的固定TAT1计划的缺陷。
遵循这些目的，根据本发明，提供了一种用于控制燃气涡轮组件的方法，该燃气涡轮组件包括：压缩机，外界空气的压缩在其中发生以用于产生压缩空气流；顺序燃烧器，其包括第一燃烧器和第二燃烧器(7)，燃料和从所述压缩机到来的压缩空气的混合物的燃烧在第一燃烧器中发生以用于产生热气体流，且第二燃烧器(7)位于所述第一燃烧器(4)下游且燃料和从所述第一燃烧器(4)到来的热气体的混合物的燃烧在第二燃烧器(7)中发生；该方法特征在于包括，在燃气涡轮组件的启动瞬变操作阶段时，基于所述第一燃烧器内的火焰温度来控制供应至所述第一燃烧器的燃料质量流率的步骤。
优选地，所述方法还特征在于，供应至所述第一燃烧器的燃料质量流率根据预定TFL1计划来控制。
优选地，所述方法还特征在于，所述TFL1计划适于在启动瞬变操作阶段期间保持第一燃烧器内的火焰温度大致恒定。
优选地，所述方法还特征在于，所述TFL1计划基于所述燃气涡轮组件的多个发动机参数的值来确定。
优选地，所述方法还特征在于，所述燃气涡轮组件还包括中间涡轮，其介于所述第一燃烧器和所述第二燃烧器之间，且从所述第一燃烧器到来且引导至所述第二燃烧器的热气体的局部膨胀在其中发生。
优选地，所述方法还特征在于包括以下步骤：测量燃气涡轮组件的所述多个发动机参数；基于所述多个发动机参数的当前值选择/确定适合的TFL1计划；以及基于所述TFL1计划来控制供应至所述第一燃烧器和/或所述第二燃烧器的燃料质量流率。
优选地，所述方法还特征在于，所述TFL1计划包括用于中间涡轮的出口处测得的气体温度的一序列目标值；所述目标值基于所述燃气涡轮组件的所述发动机参数的当前值、且根据描述第一燃烧器内的火焰温度与所述发动机参数之间的关系的数学模型来计算。
优选地，所述方法还特征在于包括：反复地测量所述中间涡轮的出口处的气体温度的步骤；以及控制供应至所述第一燃烧器和/或所述第二燃烧器的燃料质量流率使得中间涡轮的出口处测得的气体温度匹配所述序列目标值的步骤。
优选地，所述方法还特征在于，所述多个发动机参数包括：所述压缩机的入口处的气体温度、和/或所述压缩机的出口处的气体温度、和/或所述中间涡轮的出口处的气体温度、和/或所述压缩机的出口处的气体压力、和/或所述第一燃烧器内的气体压力、和/或所述第二燃烧器内的气体压力、和/或燃气涡轮组件的发动机轴的旋转速度。
附图说明
现在将参照附图来描述本发明，附图示出了其非限制性实施例，在附图中：
-图1是根据本发明的一个实施例的燃气涡轮组件的示意图；
-图2是图1中的燃气涡轮组件的局部截面透视图；
-图3是示出在根据常规固定TAT1计划执行的启动阶段期间的燃气涡轮组件的第一燃烧器内的火焰温度(TFL)对燃气涡轮组件的旋转速度的图表，且其中燃气涡轮组件在两个不同的发动机热状态下；而
-图4是示出在根据本发明执行的启动阶段期间的燃气涡轮组件的第一燃烧器内的火焰温度(TFL)对燃气涡轮组件的旋转速度的图表，且其中燃气涡轮组件在图2中所示的相同的两个不同发动机热状态中；而
-图5是根据本发明的备选实施例操作的燃气涡轮组件的一部分的截面视图。
具体实施方式
参照图1和2，参照标号1整体上指出了具有顺序燃烧的燃气涡轮组件，其优选地特别适于驱动传统发电机100旋转。
燃气涡轮组件1沿主管状壳2按顺序基本上包括：优选地多级压缩机3，外界空气的压缩在其中发生以用于产生压缩空气流；第一燃烧器4，其位于压缩机3下游，且从压缩机3到来的压缩空气和从第一燃料供应管线5到来的燃料的混合物的燃烧在其中发生以用于产生热气体流；高压涡轮6，其位于燃烧器4下游，且从燃烧器4到来的热气体的局部膨胀在其中发生；第二燃烧器7，其位于涡轮6下游，且从涡轮6到来的热气体和从第二燃料供应管线8到来的燃料的混合物的燃烧在其中发生以用于产生第二热气体流；且最终，优选地多级低压涡轮9，其位于燃烧器7下游，且从燃烧器7到来的热气体的完全膨胀在所述热气体离开燃气涡轮组件1之前在其中发生。
第一燃烧器4和第二燃烧器7限定顺序燃烧器。优选地，燃气涡轮组件1的各个燃烧器4、7还包括燃烧室和位于所述燃烧室的入口处的燃料焚烧器。
在所示的示例中，燃气涡轮组件1的燃烧器4和7是罐型燃烧器。然而，在不同实施例中，燃烧器5和/或7可为管型燃烧器或环型燃烧器。
燃气涡轮组件1的总体结构广泛公知，因此不需要进一步论述。
燃气涡轮组件1的大体操作类似于具有顺序燃烧的任何其他燃气涡轮组件的操作。
在稳定的完全或部分负载操作期间，燃料通常以已知方式供应至一个或多个燃烧器4和/或7，使得当前功率输出连续地匹配发电机功率需求。
替代地，在燃气涡轮组件1启动时，一个或多个燃料供应管线5和/或8中的燃料流率根据燃烧器4的燃烧室11内的火焰温度(下文称为TFL1)及时地控制，而非根据预定固定TAT1计划(即，基于涡轮6的出口处的气体温度的给定恒定值的预定计划)来控制一个或多个燃料供应管线5和/或8中的燃料流率。
更详细而言，一个或多个燃料供应管线5和/或8中的燃料流率优选地根据预定TFL1计划来控制，该计划优选地选择成以便保持TFL1值(即，燃烧器4的燃烧室11内的火焰温度)在启动阶段期间大致恒定。
然而，由于TFL1的直接测量(即，燃烧器4的燃烧室11内的火焰温度)通常不可获得，故TFL1参数的估计基于燃气涡轮组件1的若干发动机参数的实时测量来计算。
优选地，这些发动机参数是：压缩机3的入口处的气体温度(后文称为Tk1)；压缩机3的出口处的气体温度(后文称为Tk2)；涡轮6的出口处的气体温度或TAT1；压缩机3的出口处的气体压力(后文称为Pk2)；燃烧器4内的气体压力(后文称为PEV)；燃烧器7内的气体压力(后文称为PSEV)；以及燃气涡轮组件1的发动机轴10的旋转速度。
因此，前述TFL1计划优选地基于多个测得的发动机参数(Tk1、Tk2、TAT1、Pk2、PEV、PSEV等)的当前值来选择/确定。
优选地，TFL1计划还包括用于涡轮6的出口处的气体温度的一序列目标值(后文称为TAT1cmd)，其基于所述多个发动机参数(Tk1、Tk2、TAT1、Pk2、PEV、PSEV等)的当前值、且根据描述TFL1(即，燃烧器4的燃烧室11内的火焰温度)与所述发动机参数之间的关系的数学模型来计算。
更详细而言，在燃气涡轮组件1的启动期间，一个或多个燃料供应管线5和/或8中的燃料流率优选及时地控制，使得测得的TAT1参数(即，涡轮6的出口处测得的气体温度)匹配由以下方程得出的一序列目标值TAT1cmd：
(1)
Figure DEST_PATH_IMAGE001
(2)
Figure 877148DEST_PATH_IMAGE002
(3)
Figure DEST_PATH_IMAGE003
(4)
Figure 918922DEST_PATH_IMAGE004
其中nnominal是标称多变指数；nmech是真实多变指数；nPR(n*)是取决于涡轮机械特征和n*的涡轮膨胀指数；TFL1schedule(n*)是n*的预定设置点线函数；且最终Tk1,avg是Tk1的平均值(即，压缩机3的入口处的气体温度的平均值)。
对于上文所述，启动期间控制燃气涡轮组件1的方法优选地基本上包括基于预定TFL1计划来控制供应至燃烧器4和/或燃烧器7的燃料质量流率的步骤，预定TFL1计划优选地适于保持燃烧器4的燃烧室11内的火焰温度(即，TFL1参数)在启动期间大致恒定。
更详细而言，控制燃气涡轮组件1的方法优选地包括以下步骤：
-测量燃气涡轮组件1的多个发动机参数(Tk1、Tk2、TAT1、Pk2、PEV、PSEV等)；
-基于所述多个发动机参数(Tk1、Tk2、TAT1、Pk2、PEV、PSEV等)的当前值来选择/确定适合的TFL1计划；以及
-根据所述TFL1计划来控制供应至燃烧器4和/或至燃烧器7的燃料质量流率。
此外，所述TFL1计划优选地包括一序列TAT1cmd值(即，用于涡轮6的出口处测得的气体温度的一序列目标值)，且控制燃气涡轮组件1的方法包括以下步骤：
-反复地测量TAT1值(即，涡轮6的出口处的气体温度)；以及
-控制供应至燃烧器4和/或燃烧器7的燃料质量流率，使得当前TAT1值及时地匹配所述序列TAT1cmd值。
控制燃气涡轮组件1的前述方法所得的优点数量很大。
首先，该方法在燃气涡轮组件1的启动期间使燃烧器4的燃烧室11内的火焰不稳定性尽可能小，因此显著地减少了贫油熄火现象和/或压力脉动。
此外，参照图2和3，TFL1计划考虑了发动机的当前热状态，因此在所有发动机操作条件下优化了燃气涡轮组件1的启动阶段。
最后但并非最不重要的是，前述方法允许了显著减少燃气涡轮组件1的启动阶段期间的污染物排放。
显然，可对燃气涡轮组件1和/或控制燃气涡轮组件1的方法进行改变，然而不脱离本发明的范围。
例如，根据图5中所示的备选实施例，燃气涡轮组件1没有高压涡轮6，且出自燃烧器4的热气体流穿过中间热气体通道12直接地流入燃烧器7中。
优选地，稀释空气还借助于空气供应管线13喷射到热气体通道12中。
另外，在该实施例中，一个或多个燃料供应管线5和/或8中的燃料流率根据燃烧器4的燃烧室11内的火焰温度或TFL1及时地控制。
更详细而言，一个或多个燃料供应管线5和/或8中的燃料流率优选地根据预定TFL1计划来控制，该计划优选地选择成以便保持TFL1值(即，燃烧器4的燃烧室11内的火焰温度)在启动阶段期间大致恒定。
另外，在该实施例中，由于TFL1的直接测量(即，燃烧器4的燃烧室11内的火焰温度)实际上不可能，故TFL1参数的估计基于燃气涡轮组件1的若干发动机参数的实时测量来计算。
优选地，这些发动机参数是：压缩机3的入口处的气体温度(后文称为Tk1)；压缩机3的出口和燃烧器4的入口处的气体温度(后文称为Tk2或TEV1)；燃烧器7的入口处的气体温度(后文称为TSEV1)；压缩机3的出口处的气体压力或Pk2(也对应于燃烧器4的入口处的气体压力)；燃烧器4内的气体压力或PEV；燃烧器7内的气体压力或PSEV；以及燃气涡轮组件1的发动机轴10的旋转速度。
因此，也在该情况下，TFL1计划优选地基于多个测得的发动机参数(Tk1、Tk2、TSEV1、Pk2、PEV、PSEV等)的当前值来选择/确定。
优选地，TFL1计划还包括用于燃烧器7的入口处的气体温度的一序列目标值(即，沿热气体通道12)，其基于所述多个发动机参数(Tk1、Tk2、TSEV1、Pk2、PEV、PSEV等)的当前值、且根据描述TFL1(即，燃烧器4的燃烧室11内的火焰温度)与所述发动机参数之间的关系的数学模型来计算。
根据第二未示出的备选实施例，燃气涡轮组件1可具有多于两个燃烧器。
换言之，燃气涡轮组件1可选地还可包括第三燃烧器，其位于涡轮9下游，且从涡轮9到来的热气体和从第三燃料供应管线到来的燃料的混合物的燃烧在其中发生以用于产生另一热气体流；以及优选地多级第二低压涡轮，其位于第三燃烧器下游，且从第三燃烧器到来的热气体的完全膨胀在所述热气体离开燃气涡轮组件1之前在其中发生。
最终，根据未示出的不太复杂的实施例，燃气涡轮组件1缺少高压涡轮6和第二燃烧器7两者。
在该实施例中，燃料供应管线5中的燃料流率再次根据燃烧器4的燃烧室11内的火焰温度或TFL1及时地控制，而非根据预定固定TEV2计划(即，基于燃烧器4的出口处的气体温度的给定恒定值的预定计划)来控制一个或多个燃料供应管线5和/或8中的燃料流率。
更详细而言，燃料供应管线5中的燃料流率优选地根据预定TFL1计划来控制，该计划优选地选择成以便保持TFL1值(即，燃烧器4的燃烧室11内的火焰温度)在启动阶段期间大致恒定。

Claims (7)

1.一种用于控制燃气涡轮组件(1)的方法，所述燃气涡轮组件(1)包括：压缩机(2)，外界空气的压缩在其中发生以用于产生压缩空气流；顺序燃烧器，其包括第一燃烧器(4)和第二燃烧器(7)，燃料和从所述压缩机(2)到来的压缩空气的混合物的燃烧在所述第一燃烧器(4)中发生以产生热气体流，且所述第二燃烧器(7)位于所述第一燃烧器(4)下游且燃料和从所述第一燃烧器(4)到来的热气体的混合物的燃烧在所述第二燃烧器(7)中发生；
所述方法的特征在于包括，在所述燃气涡轮组件(1)的启动瞬变操作阶段时，基于所述第一燃烧器(4)内的火焰温度(TFL1)的预定第一燃烧器内火焰温度计划来控制供应至所述第一燃烧器(4)的燃料质量流率的步骤；所述第一燃烧器内火焰温度计划适于在所述启动瞬变操作阶段期间保持所述第一燃烧器(4)内的火焰温度(TFL1)大致恒定。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一燃烧器内火焰温度计划基于所述燃气涡轮组件(1)的多个发动机参数的值来确定。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述燃气涡轮组件(1)还包括中间涡轮(5)，其介于所述第一燃烧器(4)和所述第二燃烧器(7)之间，且从所述第一燃烧器(4)到来且引导至所述第二燃烧器(7)的热气体的局部膨胀在其中发生。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：测量所述燃气涡轮组件(1)的所述多个发动机参数；基于所述多个发动机参数的当前值来选择/确定适合的第一燃烧器内火焰温度计划；以及基于所述第一燃烧器内火焰温度计划来控制供应至所述第一燃烧器(4)和/或至所述第二燃烧器(7)的燃料质量流率。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一燃烧器内火焰温度计划包括用于所述中间涡轮(5)的出口处测得的气体温度的一序列目标值(TAT1cmd)；所述目标值(TAT1cmd)基于所述燃气涡轮组件(1)的所述发动机参数的当前值、且根据描述所述第一燃烧器(4)内的火焰温度(TFL1)与所述发动机参数之间的关系的数学模型来计算。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法包括：反复地测量所述中间涡轮(5)的出口处的气体温度(TAT1)的步骤；以及控制供应至所述第一燃烧器(4)和/或所述第二燃烧器(7)的燃烧质量流率使得所述中间涡轮(5)的出口处测得的气体温度(TAT1)匹配所述序列目标值(TAT1cmd)的步骤。
7.根据权利要求3或5所述的方法，其特征在于，所述多个发动机参数包括：所述压缩机的入口处的气体温度(Tk1)、和/或所述压缩机的出口处的气体温度(Tk2)、和/或所述中间涡轮的出口处的气体温度(TAT1)、和/或所述第二燃烧器的入口处的气体温度(TSEV1)、和/或所述压缩机的出口处的气体压力(Pk2)、和/或所述第一燃烧器内的气体压力(PEV)、和/或所述第二燃烧器内的气体压力(PSEV)、和/或燃气涡轮组件(1)的发动机轴(9)的旋转速度。
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