CN110645103B - 燃气轮机值班燃气进气量控制系统 - Google Patents

燃气轮机值班燃气进气量控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种燃气轮机值班燃气进气量控制系统，当燃气轮机透平被启动电机拖动运行到设定点火转速时，控制控制燃料值班阀的开度k为开始点火开度kT0，然后按照固定的步长递加，直到点火成功，但期间燃料值班阀的开度k不能高于透平点火值班阀最大开度限制值kTE。透平点火成功后，燃料值班阀的开度k保持在透平点火成功时开度kproc。该燃气轮机值班燃气进气量控制系统，能在燃机设备应急启动时，使燃料值班阀的开度随环境温度关系自动调整，保证燃机在紧急情况下的快速平稳起机运行，避免燃机的频繁起停，提高燃机的寿命，并节约燃料和人力成本。

Description

燃气轮机值班燃气进气量控制系统
技术领域
本发明涉及燃气轮机控制技术，特别涉及燃气轮机值班燃气进气量控制系统。
背景技术
燃气轮机(Gas Turbine)是一种以连续流动的气体作为工质，把工质热能转换为机械功的旋转式动力机械。以简单循环燃气轮机为例，主要包括压气机、燃烧室和涡轮，工作过程为：压气机从大气中吸入空气并进行压缩，压缩后空气进入燃烧室与喷入的燃料混合后燃烧产生高温燃气，高温燃气流入涡轮进行膨胀做功，推动涡轮旋转将热能转化为旋转的机械能输出，做功后的燃气直接排放至大气中，而排出的燃气温度仍然可达500℃至700℃。为了提高能源利用效率发展了回热型燃气轮机，除了包括压气机、燃烧室和涡轮外，还包括回热器，通过回热器利用排气余热对压缩空气进行加热，从而减少燃烧室燃料的消耗，提高能源的利用效率。
随着社会的发展，燃气轮机的应急发电已经广泛的应用到工业的各个领域。但作为应急备用电源的性质，需要减少人为摸索值班燃料开度与环境温度关系的时间，保证燃机在紧急情况下的快速的平稳起机运行，这决定了它的启动必须及时、平稳、安全，而不是随着燃机所处的环境温度的变化，每次都需要花很多的时间和精力去摸索燃机点火时值班燃料需要多大的开度才能顺利的点火成功。
而在实际应用中，燃机最大的弱点就是，随着外部环境温度的变化，燃机的出功能力也会出现较大幅度的改变。就其本质，随着环境温度的升高，空气的体积容积增大，空气密度下降，使得压气机在同等的转速和压比下，排出的空气质量下降。如果此时，操作人员仍然将燃机的燃气值班阀的开度按照过往的经验的设定在一个固定值上，此时燃机将会出现富气点火燃烧，并且可能伴随爆燃的现象。同理，当环境温度的下降时，空气的体积容积减小，空气密度增加，使得压气机在同等的转速和压比下，排出的空气质量增加，如果此时，操作人员仍然将燃机的燃气值班阀的开度按照过往经验，设定在一个固定值上，燃机将会出现贫气燃烧的现象，燃机可能会一直点火失败。不管是富气方式的点火，还是贫气方式的点火，多次、频繁的启动都会造成对燃机的伤害和寿命的缩短。同时随着季节的变化，特别是夏天与冬天的温差变化较大时，值班燃料的调整尤其显得重要，而燃机的频繁起停，不仅影响燃机的寿命，同时还会浪费一些燃料和人员的测试费用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种燃气轮机值班燃气进气量控制系统，能在燃机设备应急启动时，使燃料值班阀的开度随环境温度关系自动调整，保证燃机在紧急情况下的快速平稳起机运行，避免燃机的频繁起停，提高燃机的寿命，并节约燃料和人力成本。
为解决上述技术问题，本发明提供的燃气轮机值班燃气进气量控制系统，其包括环境气压传感器、环境温度传感器、透平转速传感器、燃料值班阀及控制器；
所述环境气压传感器，用于实时检测燃气轮机压气机进口的环境气压；
所述环境温度传感器，安装在燃气轮机的压气机进口端，用于实时检测燃气轮机的压气机进口端的温度；
所述透平转速传感器，用于检测燃气轮机透平的转速；
所述燃料值班阀，安装在燃气轮机的燃料供应值班管路中；
所述控制器，用于根据启动燃料质量mf控制所述燃料值班阀的开度k,k＝f(mf)，f为透平的空气燃料配比函数；燃料值班阀的开度k随启动燃料质量mf的增大而增大；
控制器发出燃机启动命令后，当透平转速增加到设定点火转速时，控制器控制所述燃料值班阀的开度k为开始点火开度kT0＝f(mfRL)；透平点火成功后，控制器控制所述燃料值班阀的开度k为透平点火成功时开度kpaoe；从透平转速到达设定点火转速，至透平点火成功之前，控制器控制所述燃料值班阀的开度k按照设定步长递加，并且小于透平点火值班阀最大开度限制值kTE；
mfRL＝(1-C1)*mfR，mfRH＝(1+C2)*mfR，mfR＝(1000*P*V)/(T*R1*n)；
C1为小于0.05的正数，C2为小于0.05的正数，mfR为理论基准启动燃料质量，P为实际大气压强，T为燃气轮机启动时的压气机进口的绝对温度，R1为空气摩尔质量，n为设定燃料与空气的质量混合比。
较佳的，C1等于C2。
较佳的，C1为0.15到0.35；
C2为0.15到0.35。
较佳的，燃气轮机值班燃气进气量控制系统还包括火焰温度传感器；
所述火焰温度传感器，安装在燃气轮机透平的排气出口端；
所述控制器，当所述火焰温度传感器检测的温度高于设定值时，判定透平点火成功。
较佳的，所述设定步长S为：S＝(kTE-kT0)/d；d为大于40的整数。
较佳的，d为80到100的整数。
较佳的，所述控制器安装在控制柜中。
本发明的燃气轮机值班燃气进气量控制系统，当燃气轮机透平被启动电机拖动运行到设定点火转速时，控制器控制控制燃料值班阀的开度k为开始点火开度kT0，然后按照固定的步长递加，直到点火成功，但期间燃料值班阀的开度k不能高于透平点火最大开度限制值kTE。透平点火成功后，燃料值班阀的开度k保持在透平点火成功时的开度kpaoe。燃机再次启动时，燃料值班阀的开度k根据下次启动时实际的环境温度改变。该燃气轮机值班燃气进气量控制系统，能在燃机设备应急启动时，使燃料值班阀的开度随环境温度关系自动调整，保证燃机在紧急情况下的快速平稳起机运行，减少因环境温度变化过大燃料值班阀的开度不能紧密配合而造成燃机启动不成功或启动成功后产生爆燃的现象，避免燃机的频繁起停，提高燃机的寿命，并节约燃料和人力成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面对本发明所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的燃气轮机值班燃气进气量控制系统示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
如图1所示，燃气轮机值班燃气进气量控制系统包括环境气压传感器、环境温度传感器、透平转速传感器、燃料值班阀及控制器；
所述环境气压传感器，用于实时检测燃气轮机压气机进口的环境气压；
所述环境温度传感器，安装在燃气轮机的压气机进口端，用于实时检测燃气轮机的压气机进口端的温度；
所述透平转速传感器，用于检测燃气轮机透平(透平(turbine)是将流体介质中蕴有的能量转换成机械功的机器，又称涡轮)的转速；
所述燃料值班阀，安装在燃气轮机的燃料供应值班管路中；
所述控制器，用于根据启动燃料质量mf控制所述燃料值班阀的开度k,k＝f(mf)，f为透平的空气燃料配比函数；燃料值班阀的开度k随启动燃料质量mf的增大而增大；
控制器发出燃机启动命令后，当透平转速增加到设定点火转速时，控制器控制所述燃料值班阀的开度k为开始点火开度kT0＝f(mfRL)；透平点火成功后，控制器控制所述燃料值班阀的开度k为透平点火成功时开度kpaoe；从透平转速到达设定点火转速，至透平点火成功之前，控制器控制所述燃料值班阀的开度k按照设定步长递加，并且小于透平点火值班阀最大开度限制值kTE；
mfRL＝(1-C1)*mfR，mfRH＝(1+C2)*mfR，mfR＝(1000*P*V)/(T*R1*n)；
C1为小于0.05的正数，C2为小于0.05的正数，mfR为基准启动燃料质量(kg)，P为实际大气压强(kPa)，T为燃气轮机启动时的压气机进口的绝对温度(K)，R1为空气摩尔质量(g/mol)，n为设定燃料与空气的质量混合比。
较佳的，C1等于C2。
较佳的，C1为0.15到0.35；C2为0.15到0.35。
实施例一的燃气轮机值班燃气进气量控制系统，其工作原理如下：
燃气轮机的压气机进口的空气实际密度ρ根据下式计算所得：
ρ＝Р*1000/T*R1 (1-1)；
空气的质量与空气的体积的关系：
m＝ρV (1-2)；
将(1-1)式与(1-2)式结合起来，再结合空气与燃料的配比得到如下公式：
mfR＝(1000*Р*V)/(T*R1*n) (1-3)；
上式中，ρ为控制器发出燃机启动命令时的实际空气密度(kg/m3)，m为空气的质量(kg)，V为压气机设定吸气体积(m3)。
根据(1-3)式能得到基准启动燃料质量值，通过燃料质量值除以燃料值班阀的全开时的单位时间流过的总质量值，得到燃料值班阀的百分比开度值。
环境温度传感器实时检测燃气轮机的压气机进口端的温度，环境气压传感器实时检测燃气轮机的环境气压，当燃机准备启动时，控制器发出燃机启动命令，调取当前的环境温度值T及环境气压P，根据公式(1-1)算出当前的实际空气密度ρ，再将实际空气密度ρ带入公式(1-2)算出当前需要进入压气机的空气质量，再根据设定的燃烧室燃烧时燃料与空气的质量混合比，得到当前燃机启动需要的基准启动燃料质量值，通过燃料质量值除以燃值班料阀的全开时的单位时间流过总质量值，得到燃料值班阀的百分比开度值，根据燃料值班阀的百分比开度值即可调整值班阀的流量开度。
由于进气量分布在燃烧室内的分配并不是按照一个均匀的模式分配的，具有一定的随机性和可变性，但又在一个可控的变化范围内。因此，在依据燃机的进气环境温度进行基准启动燃料质量mfR的理论运算后，在此值的基础上可以给予一个±(2-3)％的偏差值，用于纠正实际情况与理论计算的偏差。
实施例一的燃气轮机值班燃气进气量控制系统，当燃气轮机透平被启动电机拖动运行到设定点火转速时，控制器控制控制燃料值班阀的开度k为开始点火开度kT0，然后按照固定的步长递加，直到点火成功，但期间燃料值班阀的开度k不能高于透平点火最大开度限制值kTE。透平点火成功后，燃料值班阀的开度k保持在透平点火成功时的开度kpaoe。燃机再次启动时，燃料值班阀的开度k根据下次启动时实际的环境温度改变。该燃气轮机值班燃气进气量控制系统，能在燃机设备应急启动时，使燃料值班阀的开度随环境温度关系自动调整，保证燃机在紧急情况下的快速平稳起机运行，减少因环境温度变化过大燃料值班阀的开度不能紧密配合而造成燃机启动不成功或启动成功后产生爆燃的现象，避免燃机的频繁起停，提高燃机的寿命，并节约燃料和人力成本。
实施例二
基于实施例一，燃气轮机值班燃气进气量控制系统还包括火焰温度传感器；
所述火焰温度传感器，安装在燃气轮机透平的排气出口端；
所述控制器，当所述火焰温度传感器检测的温度高于设定值时，判定透平点火成功。
较佳的，所述设定步长S为：S＝(kTE-kT0)/d；d为大于40的整数(例如，d为80到100的整数)。
较佳的，所述控制器安装在控制柜中。
以上仅为本申请的优选实施例，并不用于限定本申请。对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种燃气轮机值班燃气进气量控制系统，其特征在于，其包括环境气压传感器、环境温度传感器、透平转速传感器、燃料值班阀及控制器；
所述环境气压传感器，用于实时检测燃气轮机压气机进口的环境气压；
所述环境温度传感器，安装在燃气轮机的压气机进口端，用于实时检测燃气轮机的压气机进口端的温度；
所述透平转速传感器，用于检测燃气轮机透平的转速；
所述燃料值班阀，安装在燃气轮机的燃料供应值班管路中；
所述控制器，用于根据启动燃料质量mf控制所述燃料值班阀的开度k,k＝f(mf)，f为透平的空气燃料配比函数；燃料值班阀的开度k随启动燃料质量mf的增大而增大；
控制器发出燃机启动命令后，当透平转速增加到设定点火转速时，控制器控制所述燃料值班阀的开度k为开始点火开度kT0＝f(mfRL)；透平点火成功后，控制器控制所述燃料值班阀的开度k为透平点火成功时开度kpaoe；从透平转速到达设定点火转速，至透平点火成功之前，控制器控制所述燃料值班阀的开度k按照设定步长递加，并且小于透平点火值班阀最大开度限制值kTE；
mfRL＝(1-C1)*mfR，mfRH＝(1+C2)*mfR，mfR＝(1000*P*V)/(T*R1*n)；
C1为小于0.05的正数，C2为小于0.05的正数，mfR为理论基准启动燃料质量，P为实际大气压强，T为燃气轮机启动时的压气机进口的绝对温度，R1为空气摩尔质量，n为设定燃料与空气的质量混合比。
2.根据权利要求1所述的燃气轮机值班燃气进气量控制系统，其特征在于，
C1等于C2。
3.根据权利要求1所述的燃气轮机值班燃气进气量控制系统，其特征在于，
C1为0.15到0.35；
C2为0.15到0.35。
4.根据权利要求1所述的燃气轮机值班燃气进气量控制系统，其特征在于，
燃气轮机值班燃气进气量控制系统还包括火焰温度传感器；
所述火焰温度传感器，安装在燃气轮机透平的排气出口端；
所述控制器，当所述火焰温度传感器检测的温度高于设定值时，判定透平点火成功。
5.根据权利要求1所述的燃气轮机值班燃气进气量控制系统，其特征在于，
所述设定步长S为：S＝(kTE-kT0)/d；
d为大于40的整数。
6.根据权利要求5所述的燃气轮机值班燃气进气量控制系统，其特征在于，
d为80到100的整数。
7.根据权利要求1所述的燃气轮机值班燃气进气量控制系统，其特征在于，
所述控制器安装在控制柜中。
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