CN111594875B - 一种燃烧室头部多点燃油喷射智能控制系统及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃烧室头部多点燃油喷射智能控制系统及工作方法，属于燃气轮机领域；本发明的控制系统主要是将中心分级燃烧室头部主级燃油喷嘴中喷射夹角为120度的三个喷嘴分为同一组。小工况时只有燃烧室头部值班级喷嘴供油；当逐渐向大工况切换时，先打开第一组主油路喷嘴，随着工况的继续增加再开启第二组主油路喷嘴，依次类推，直到所有的主油路喷嘴全部打开；在上一组主油路喷嘴还未达到最大供油压力状态时下一组主油路喷嘴不开启，避免了传统燃烧室所有主油路喷嘴全部打开带来的雾化效果差，燃烧效率低，燃油结焦积碳等弊端。

Description

一种燃烧室头部多点燃油喷射智能控制系统及工作方法

技术领域

本发明属于燃气轮机领域，具体是一种根据燃烧室进口总压对燃烧室主级喷嘴燃油喷射方式进行控制的一套智能控制系统及其工作方法。

背景技术

由于燃气轮机性能要求越来越高，对燃烧室的燃烧性能提出了较高要求，而燃气轮机从小状态切换到大状态对燃烧室有着较高要求，需保证燃烧室从小工况的小油量到大工况的大油量变化时，燃烧室主燃区依然处于良好的燃烧状态。目前，为了实现燃烧室在不同工况不同燃油流量下的稳定燃烧工作，一般采用技术是空气分级和燃油分级策略，小工况时仅值班级喷油，这时只需要少量的空气参与燃烧，而在最大工况时，在值班级喷嘴外围的一圈主级喷嘴开始工作，此时喷油量较大，需要提供更多的空气来参与燃烧。然而喷嘴的油压（燃油流量）对喷嘴雾化性能的影响较大，从小工况增加到大工况时全部主级喷嘴的燃油流量也是逐步增大的，同时工作的多个主级喷嘴难免会出现在主级喷嘴刚开始工作，此时燃油流量介于燃烧室最小燃油流量和最大燃油流量之间时，由于油压相对较小，雾化效果较差的情况，此时的雾化粒径和雾化扩张角均达不到理想设计状态，导致燃烧效率较差、碳黑等污染排放较高，无法满足燃烧室涉及要求。

发明内容

本发明针对上述问题，提出了一种新型的燃烧室头部多点燃油喷射智能控制系统及工作方法，本发明的智能控制系统主要是将中心分级燃烧室头部主级喷嘴中喷射夹角互为120度的三个喷嘴分为同一组，根据工况需求，依次打开不同组喷嘴，避免了传统燃烧室所有主油路喷嘴全部打开带来的雾化效果差，燃烧效率低，燃油结焦积碳等弊端。

本发明是这样实现的：

一种燃烧室头部多点燃油喷射智能控制系统，包括机匣，机匣内部设置的火焰筒，所述的火焰筒的中心为值班级喷嘴，值班级喷嘴的外围周向均匀设置若干主级燃油喷嘴，主级燃油喷嘴外围设置中心分级旋流器；所述的主级燃油喷嘴的数量为3n个。本发明的燃烧室头部主级喷嘴的喷射点按照3的倍数进行设置，可以保证主级燃油喷嘴在燃烧室头部圆周方向供油均匀性和提高雾化效果。

所述的3n个主级燃油喷嘴中，将夹角互为120度的3个喷嘴分为一组，共计n组主油路喷嘴，燃烧室头部主级喷嘴按照夹角互为120度进行分组，其目的是保证燃烧室头部油雾场圆周方向的均匀性；通过油管连接n组主油路，将同一组的3个主级燃油喷嘴连接到同一组的主油路中；则所述的控制系统总共分为 n条油路，且布置在机匣外，每条油路均接连一根主油管，总共有n根主油管。

本发明设计的系统针对的是先进的民用低污染/高温升燃烧室，为了达到民用排放标准，该类燃烧室的燃油供给通常采用分级供油，小工况时仅值班级喷嘴供油，燃油雾化效果由值班级喷嘴雾化性能决定。大工况通常将主级燃油分成多个喷嘴喷射，且均匀布置在值班级外围，本发明的技术核心将一圈主级燃油喷射点按照120度夹角分组，当燃烧室由小工况向大工况切换时，逐渐增加参与主级喷嘴的喷射组数，先启动第一组主级喷嘴，再启动第二组主级喷嘴，依次类推，这样的方式可避免工况切换过程中，由于主级燃油流量比较小时，如果主级所有的喷嘴一起供油，由于主级喷嘴出口较多，出口面积之和较大，从而导致工况切换过程中的燃油雾化较差，从而导致燃烧效率较低，污染排放较高的问题。

进一步，所述的机匣之外的n根主油管分别设置阀门，通过控制阀门的开合，达到某一组主油路喷嘴的开合。阀门的开合由控制终端进行控制。

进一步，每相邻两个主级燃油喷嘴之间的夹角相等。

进一步，在所有的工况中燃烧室头部值班级一直处于工作状态，单独设置一组油值班路。所述的n组主油路喷嘴中，在上一组主油路喷嘴还未达到最大供油压力状态时下一组主油路喷嘴不开启，当燃烧室头部需要切换到主油路供给时，控制终端根据当前工况的燃烧室进口参数，计算出当前工况所需的主级燃油流量，控制多少个主级燃油喷嘴分组供油，如此可保证到油压从小工况切换到大工况过程时，第一组、第二组、…主级喷嘴工作处于较大油压状态，从而保证第一组、第二组、…主级燃油的雾化效果，对燃烧室工况切换时的燃烧稳定性、燃烧效率以及污染物排放等有较大的改善，避免了传统燃烧室所有主油路喷嘴全部打开带来的雾化效果差，燃烧效率低，燃油结焦积碳等弊端。

本发明还公开了一种燃烧室头部多点燃油喷射智能控制系统的工作方法，其特征在于，所述的方法为：

标定所有工况下燃烧室进口压力与燃油流量对应关系，在控制终端建立一套燃烧室进口空气压力与主级喷嘴供油顺序的经验模型；使用前提前标定燃烧室头部的进口压力与主油路燃油流量的对应关系，用于转化成每组主油路的阀门调节信号控制阀门的开合。

小工况下，由于供给燃油流量较小，此时只有燃烧室头部值班级喷嘴供油；当由小工况逐渐向大工况切换时，燃油流量增加，此时控制终端根据燃烧室进口压力参数与主油路喷嘴供油顺序的对应关系，计算出当前工况下第一组主油路喷嘴应该提供的燃油流量，并转化成阀门调节信号控制机匣外的每一路油管上的阀门开合程度；

首先控制第一组主油路喷嘴供油大小，其他主油路喷嘴保持关闭状态，由于只有三个喷射点供油，喷口面积相对较小，即使主级燃油流量较小，也能获得良好的雾化性能，同时避免了传统燃烧室所有主级喷嘴同时打开带来的一系列问题；若继续增大工况，继续开启第二组主油路喷嘴、第三组主油路喷嘴，依次类推，直到n组主油路喷嘴全部打开。

本发明与现有技术的有益效果在于：

1）某小工况时，由于燃烧室头部燃油流量较少，可将值班级喷嘴和第一组主级喷嘴打开供油，避免燃烧室头部把值班级和主级燃油喷嘴均打开，造成主级雾化不好，燃烧效率低的问题；

2）当由小工况向大工况逐渐转变时，需要的燃油流量时逐渐增加的，控制终端控制主级喷嘴按照先后顺序逐渐打开，在上一组主级燃油喷嘴油压达不到最大油压时，下一组主级燃油喷嘴不工作，可保证每一组主级燃油喷嘴工作时雾化效果均能得到保证，从而保证工况转换过程中燃烧效率相差不大，降低污染物排放的目的；

3）每一组主级燃油喷嘴是按照120度圆周排列，可保证燃烧室头部在任意工况下圆周方向油雾场的均匀性，从而获得均匀分布的温度场。

附图说明

图1是本发明一种燃烧室头部多点燃油喷射智能控制系统中燃烧室结构示意图；

图2是本发明一种燃烧室头部多点燃油喷射智能控制系统中主级喷嘴空间分布示意图；

图3是本发明一种燃烧室头部多点燃油喷射智能控制系统的示意图；

其中， 1-扩压器，2-帽罩，3-火焰筒，4-中心分级旋流器，5-主级燃油喷嘴，6-机匣。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下列举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，是本发明的对应的燃烧室结构示意图，主要包括扩压器1、帽罩2、火焰筒3、中心分级旋流器4等，燃烧室所有的燃油供给均是从燃烧室的中心分级旋流器4中流出，一般中心分级燃烧室的旋流器与喷嘴按照一体化设计，旋流器套着燃油喷嘴，值班级喷嘴在中心旋流的正中心，值班级喷嘴的外围布置一圈360度周向均匀布置主级燃油喷嘴5，传统的中心分级燃烧室所有的主级喷嘴完全连通，且同时供油，势必会导致的主级喷嘴5在刚启动的一段时间内，由于燃油流量比较小时，由于所有主级喷嘴均打开，主级喷嘴出口面积之和较大，从而导致主级喷嘴雾化效果较差；另一个弊端在于，当某些工况（如30%推力状态）需要主级喷嘴和值班级喷嘴同时供油，但是由于燃油流量较小，由于主级燃油喷嘴全部打开，导致主级燃油喷嘴在较低燃油压差下工作，从而导致主级喷嘴的雾化效果较差，从而影响主级燃烧效率以及污染物排放量。而采用本发明提出的主级喷嘴分组供油的燃油控制方法，可以保证任何工况下主级燃油喷嘴均在设计油压范围内工作，从而保证主级喷嘴雾化效果，保证燃烧效率，降低污染排放。

首先，主级燃油喷嘴5的喷射点数量按照3的倍数进行设计，本实施例中共设置了12个主级燃油喷嘴，为了更好地表述将主级喷嘴5按照圆周方向顺时针编号为501-512，如图2所示，将夹角互为120度的3个主级喷嘴分为一组，所以第一组主级喷射嘴为501、505、509，第二组主级喷嘴为502、506、510，第三组主级喷嘴为503、507、511，第四组主级喷嘴为504、508、512。在与主级喷嘴相连的主喷油杆中，每一组主级喷嘴单独使用一条主油路，在机匣6外部每一条主油路均对应一根油管，每根油管上均安装有阀门。当启用主级燃油喷嘴5时，控制终端根据燃烧室进口压力，计算出所需的燃油流量后，当主级燃油流量比较小时，此时先打开第一组主油路喷嘴，即使主级燃油流量比较小，由于只有三个主级喷射点，喷口面积之和比较小，也能较好的保证第一组主级燃油喷嘴的雾化效果，从而保证主级燃烧性能；若工况继续增大，第一组主级喷嘴无法满足要求，则第二组主级喷嘴启动供油，依次类推；在上一组主级喷嘴未达到最大供油压力之前，下一组主级喷嘴不参与工作，从而保证不同工况下参与工作的主级喷嘴均在设计油压范围内工作，达到拓宽稳定燃烧边界、改善燃烧效率、降低污染物排放的目的。

本发明的工作方法，具体如图3所示：

为保证主级喷嘴在任意工况下均处于最佳雾化状态（最佳油压状态），将主级喷嘴分为多组。同时标定所有工况下燃烧室进口压力与燃油流量对应关系，在控制终端建立一套燃烧室进口空气压力与主级喷嘴供油顺序的经验模型，实现燃油控制系统的智能调节。

小工况下，供给燃油流量较小，此时只有值班级供油；当由小工况逐渐向大工况切换时，需要增加燃油流量，此时控制终端根据燃烧室进口压力参数与主级喷嘴供油顺序的对应关系，计算出当前工况下第一组主级喷嘴所需的燃油流量，并转化成阀门调节信号，控制机匣6外的第一路主油管上的阀门开合程度，此时第一组主级喷嘴供油，其他组主级喷嘴保持关闭状态，由于只有三个主级喷嘴喷射点供油，保证主级燃油良好雾化同时避免了传统燃烧室所有喷嘴同时打开带来的一系列问题；若此时需要继续增大工况，可继续开启第二组主级喷嘴、第三组主级喷嘴以及第四组主级喷嘴等，保证不同工况下参与工作的不同组主级喷嘴均在设计油压下工作，达到拓宽稳定燃烧边界、改善燃烧效率、降低污染物排放的目的。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种燃烧室头部多点燃油喷射智能控制系统，包括机匣（6），机匣（6）内部设置的火焰筒（3），其特征在于，所述的火焰筒（3）的中心为值班级喷嘴，值班级喷嘴的外围周向均匀设置若干主级燃油喷嘴（5），主级燃油喷嘴（5）外围设置中心分级旋流器（4）；

所述的主级燃油喷嘴（5）的数量为3n个，所述的3n个主级燃油喷嘴（5）中，将夹角互为120度的3个喷嘴分为一组，共计n组主油路喷嘴；通过油管连接n组主油路，将同一组的3个主级燃油喷嘴连接到同一组的主油路中；则所述的控制系统总共分为 n条主油路，且布置在机匣（6）外，每条主油路均接连一根主油管，总共有n根主油管；

小工况时仅值班级喷嘴供油，燃油雾化效果由值班级喷嘴雾化性能决定；大工况；将主级燃油分成多个喷嘴喷射，且均匀布置在值班级外围；将一圈主级燃油喷射点按照120度夹角分组，当燃烧室由小工况向大工况切换时，逐渐增加参与主级喷嘴的喷射组数，先启动第一组主级喷嘴，再启动第二组主级喷嘴，依次类推；

所述的n组主油路喷嘴中，在上一组主油路喷嘴还未达到最大供油压力状态时下一组主油路喷嘴不开启，当燃烧室头部需要切换到主油路供给时，控制终端根据当前工况的燃烧室进口参数，计算出当前工况所需的主级燃油流量，控制多少个主级燃油喷嘴分组供油，保证到油压从小工况切换到大工况过程时，所有的主级喷嘴工作处于较大油压状态，从而保证所有的主级燃油的雾化效果，对燃烧室工况切换时的燃烧稳定性、燃烧效率以及污染物排放有较大的改善，避免了传统燃烧室所有主油路喷嘴全部打开带来的雾化效果差，燃烧效率低，燃油结焦积碳的弊端。

2.根据权利要求1所述的一种燃烧室头部多点燃油喷射智能控制系统，其特征在于，所述的机匣之外的n根主油管分别设置阀门，通过控制阀门的开合，达到某一组主油路喷嘴的开合。

3.根据权利要求1所述的一种燃烧室头部多点燃油喷射智能控制系统，其特征在于，每相邻两个主级燃油喷嘴（5）之间的夹角相等。

4.根据权利要求1所述的一种燃烧室头部多点燃油喷射智能控制系统，其特征在于，在所有的工况中燃烧室头部值班级一直处于工作状态，单独设置一组值班油路；所述的n组主油路喷嘴中，在上一组主油路喷嘴还未达到最大供油压力状态时下一组主油路喷嘴不开启。

5.根据权利要求1~4任一所述的一种燃烧室头部多点燃油喷射智能控制系统的工作方法，其特征在于，所述的方法为：

标定所有工况下燃烧室进口压力与燃油流量对应关系，在控制终端建立一套燃烧室进口空气压力与主级喷嘴供油顺序的经验模型；

小工况下，由于供给燃油流量较小，此时只有燃烧室头部值班级喷嘴供油；当由小工况逐渐向大工况切换时，燃油流量增加，此时控制终端根据燃烧室进口压力参数与主油路喷嘴供油顺序的对应关系，计算出当前工况下第一组主油路喷嘴应该提供的燃油流量，并转化成阀门调节信号控制每一路油管上的阀门开合程度；

首先控制第一组主油路喷嘴供油大小，其他主油路喷嘴保持关闭状态，若继续增大工况，继续开启第二组主油路喷嘴、第三组主油路喷嘴，依次类推，直到n组主油路喷嘴全部打开。

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