CN114704387B - 一种燃气轮机燃料控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃气轮机燃料控制方法，包括：当燃料阀初次开启时，在给燃料阀分配流量的同时额外增加预充流量；获取燃料行程基准、燃料分配比例、燃料热值并计算燃料阀分配流量；获取压力机排气绝对压力、燃料温度并计算燃料阀预充流量；将燃料阀分配流量和预充流量相加获取燃料阀的燃料质量流量；获取燃料的摩尔质量、绝热系数比、温度、压缩因子，燃料阀的几何系数、阀门阻塞流压差系数、燃料阀间的绝对压力并结合燃料质量流量计算燃料阀流量系数；根据燃料阀流量系数采用分段线性插值计算获取燃料阀开度；其中，燃料阀包括二级燃料阀和切换燃料阀；本发明能够准确计算燃气轮机在不同工况下燃烧所取燃料量以及合理分配一区、二区燃料量。

Description

一种燃气轮机燃料控制方法

技术领域

本发明涉及一种燃气轮机燃料控制方法，属于燃气轮机技术领域。

背景技术

当燃气轮机中燃料燃烧为扩散燃烧时，燃烧温度可以达到很高的理论燃烧温度，高于热NOx的起始生成温度1650℃，在燃烧过程中极易产生数量较多的热NOx污染物。因此为了实现燃气轮机的低NOx燃烧，则需要改进燃料的燃烧方式。干式低NOx燃烧技术(DLN)采用均相贫预混的湍流火焰传播燃烧方法，通过将燃烧器改为两级串联式，从而将燃料燃烧由最初的扩散燃烧通过模式切换和改变燃料分配的方式逐步过渡至预混燃烧，通过调节燃/空比，可以保证燃烧温度始终低于1 650℃，故能有效抑制热NOx的生成。

如何计算不同工况下燃烧所取燃料量以及合理分配一区、二区燃料量，而不对燃气轮机正常安全稳定运行产生影响，如导致回火、脱火、振荡燃烧、负荷波动、亦或是CO、NOx排量高等问题，燃料控制算法的设计至关重要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种燃气轮机燃料控制方法，能够准确计算燃气轮机在不同工况下燃烧所取燃料量以及合理分配一区、二区燃料量。

为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

第一方面，本发明提供了一种燃气轮机燃料控制方法，包括：

当燃料阀初次开启时，在给燃料阀分配流量的同时额外增加预充流量；

获取燃料行程基准、燃料分配比例、燃料热值并计算燃料阀分配流量；

获取压力机排气绝对压力、燃料温度并计算燃料阀预充流量；

将燃料阀分配流量和预充流量相加获取燃料阀的燃料质量流量；

获取燃料的摩尔质量、绝热系数比、温度、压缩因子，燃料阀的几何系数、阀门阻塞流压差系数、燃料阀间的绝对压力并结合燃料质量流量计算燃料阀流量系数；

根据燃料阀流量系数采用分段线性插值计算获取燃料阀开度；

其中，所述燃料阀包括二级燃料阀和切换燃料阀。

可选的，所述二级燃料阀和切换燃料阀的分配流量W_f为：

式中，F为燃料行程基准，

为燃料分配比例，H_l为燃料热值。

可选的，所述二级燃料阀的预充流量W₀为：

所述切换燃料阀的预充流量W₁为：

式中，P₂为压力机排气绝对压力，T₂为燃料温度。

可选的，所述燃料阀：

当预充开始时，将预充流量按照预设第一速率增加到目标值；

当预充完成后，按照预设时间延迟后，将预充流量按照预设第二速率减小到0。

可选的，所述燃料阀阀门流量系数C为：

式中，W为燃料质量流量，F_P为燃料阀的几何系数，P₂为燃料阀间的绝对压力，M为燃料摩尔质量，F_γ为燃料绝热系数比，X_T为燃料阀的阀门阻塞流压差系数，T₂为燃料温度，Z为燃料压缩因子。

可选的，所述绝热系数比F_γ为：

式中，γ为燃料的等熵指数；

所述燃料压缩因子Z为：

Z＝1-(β₁×T₂ ²-β₂×T₂+β₃)×P₂

式中，β₁、β₂、β₃均为拟合系数；

所述燃料阀的几何系数F_P为：

F_P＝1+ε₁×C^′2+ε₂×C^′

式中，C^′为上一周期燃料阀阀门流量系数，ε₁、ε₂为燃料阀阀门特性系数。

可选的，所述燃料阀还包括一级燃料阀，所述一级燃料阀的分配流量与二级燃料阀和切换燃料阀的分配流量计算方法相同，且所述一级燃料阀无预充流量；

将一级燃料阀分配流量作为一级燃料阀的燃料质量流量；

获取燃料的摩尔质量、绝热系数比、温度、压缩因子，燃料阀的几何系数、阀门阻塞流压差系数、燃料阀间的绝对压力并结合一级燃料阀的燃料质量流量计算一级燃料阀流量系数；

根据一级燃料阀流量系数采用分段线性插值计算获取一级燃料阀开度。

第二方面，本发明提供了一种燃气轮机燃料控制装置，所述装置执行时实现上述方法的步骤。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

本发明提供了一种燃气轮机燃料控制方法及装置，能够准确计算燃气轮机在不同工况下燃烧所取燃料量以及合理分配一区、二区燃料量，从而使燃料燃烧由最初的扩散燃烧顺利过渡至预混燃烧，有效抑制热NOx的生成，并保证燃气轮机正常安全经济稳定运行。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种燃气轮机燃料控制方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的一级燃料阀阀门流量系数对比结果一示意图；

图3是本发明实施例提供的一级燃料阀阀门流量系数对比结果二示意图；

图4是本发明实施例提供的二级燃料阀阀门流量系数对比结果一示意图；

图5是本发明实施例提供的二级燃料阀阀门流量系数对比结果二示意图；

图6是本发明实施例提供的切换燃料阀阀门流量系数对比结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例一：

如图1所示，本发明提供了一种燃气轮机燃料控制方法，包括以下步骤：

1、当燃料阀初次开启时，在给燃料阀分配流量的同时额外增加预充流量；

1.1、获取燃料行程基准、燃料分配比例、燃料热值并计算燃料阀分配流量；

1.2、获取压力机排气绝对压力、燃料温度并计算燃料阀预充流量；二级燃料阀和切换燃料阀的分配流量W_f为：

式中，F为燃料行程基准，

为燃料分配比例，H_l为燃料热值。数值2.326为热值换算系数；数值1690为燃烧器单位热负荷；277.7778为单元换算系数；数值0.454为流量换算系数。

二级燃料阀的预充流量W₀为：

切换燃料阀的预充流量W₁为：

式中，P₂为压力机排气绝对压力，T₂为燃料温度；数值6为预充时间常数，即以W₀的流量预充6秒可将管路充满燃料；数值17.0644为燃料相对分子质量；数值6.863、7.35为二级燃料阀和切换燃料阀的燃料管路的体积常数；数值10.72917为换算系数；6.896为压力单位换算系数。

燃料阀当预充开始时，将预充流量按照预设第一速率(0.05％/s)增加到目标值；

燃料阀当预充完成后，按照预设时间(3s)延迟后，将预充流量按照预设第二速率(0.02％/s)减小到0。

2、将燃料阀分配流量和预充流量相加获取燃料阀的燃料质量流量。

3、获取燃料的摩尔质量、绝热系数比、温度、压缩因子，燃料阀的几何系数、阀门阻塞流压差系数、燃料阀间的绝对压力并结合燃料质量流量计算燃料阀流量系数；

燃料阀阀门流量系数C为：

式中，W为燃料质量流量，F_P为燃料阀的几何系数，P₂为燃料阀间的绝对压力，M为燃料摩尔质量，F_γ为燃料绝热系数比，X_T为燃料阀的阀门阻塞流压差系数，T₂为燃料温度，Z为燃料压缩因子。

绝热系数比F_γ为：

式中，γ为燃料的等熵指数；数值1.40为空气的等熵指数；

燃料压缩因子Z为：

Z＝1-(β₁×T₂ ²-β₂×T₂+β₃)×P₂

式中，β₁、β₂、β₃均为拟合系数，分别取1.0798×10^-11、9.409×10^-9、0.0002；

燃料阀的几何系数F_P为：

F_P＝1+ε₁×C^′2+ε₂×C^′

式中，C^′为上一周期燃料阀阀门流量系数，ε₁、ε₂为燃料阀阀门特性系数，阀门特性系数如表1所示；

表1：

表2各燃料阀的阀门特性系数ε₁和ε₂

燃料阀的膨胀系数Y为：

式中，x为阻塞压差系数，Y一般取2/3；阀门开度与燃料阀的阀门阻塞流压差系数X_T的关系如表2所示；

表2：

4、根据燃料阀流量系数采用分段线性插值计算获取燃料阀开度；

其中，燃料阀包括二级燃料阀和切换燃料阀。

此外，燃料阀还包括一级燃料阀，一级燃料阀的分配流量与二级燃料阀和切换燃料阀的分配流量计算方法相同，且一级燃料阀无预充流量；一级燃料阀开度的获取与上述燃料阀开度获取方法相同：

将一级燃料阀分配流量作为一级燃料阀的燃料质量流量；获取燃料的摩尔质量、绝热系数比、温度、压缩因子，燃料阀的几何系数、阀门阻塞流压差系数、燃料阀间的绝对压力并结合一级燃料阀的燃料质量流量计算一级燃料阀流量系数；根据一级燃料阀流量系数采用分段线性插值计算获取一级燃料阀开度。

燃料阀开度与燃料阀流量系数的关系如表3所示；

表3：

如图2-6所示，为本发明实施例提供的一种燃气轮机燃料控制方法与原系统燃料控制算法的对比结果；

图2和图3分别为燃气轮机从燃气轮机点火到满负荷之间期间以及燃气轮机正常停机惰走期间一级燃料阀阀门流量系数对比结果，由于一级燃料阀在整个燃气轮机启停过程中均发生动作，因而时间跨度较长，故数据采样时间取2s；

图4和图5分别为燃气轮机从贫贫模式(二级燃料阀为初次开启)至满负荷期间以及燃气轮机正常停机惰走期间二级燃料阀阀门流量系数对比结果，由于时间跨度相对较短，故数据采样时间取1s；

图6为切换燃料阀阀门流量系数对比结果，由于切换燃料阀只在从贫贫模式切换至预混模式(切换燃料阀为初次开启)期间动作，其动作时间大概为1min，故采样时间取100ms。通过对比可以看出基于本发明实施例提供的一种燃气轮机燃料控制方法与原系统燃料控制算法计算结果完全吻合。

实施例二：

本发明实施例提供了一种燃气轮机燃料控制装置，所述装置执行时实现实施例一中方法的步骤。所述方法步骤为：

1、当燃料阀初次开启时，在给燃料阀分配流量的同时额外增加预充流量；

1.1、获取燃料行程基准、燃料分配比例、燃料热值并计算燃料阀分配流量；

1.2、获取压力机排气绝对压力、燃料温度并计算燃料阀预充流量；

燃料阀当预充开始时，将预充流量按照预设第一速率(0.05％/s)增加到目标值；

燃料阀当预充完成后，按照预设时间(3s)延迟后，将预充流量按照预设第二速率(0.02％/s)减小到0。

2、将燃料阀分配流量和预充流量相加获取燃料阀的燃料质量流量；

3、获取燃料的摩尔质量、绝热系数比、温度、压缩因子，燃料阀的几何系数、阀门阻塞流压差系数、燃料阀间的绝对压力并结合燃料质量流量计算燃料阀流量系数；

4、根据燃料阀流量系数采用分段线性插值计算获取燃料阀开度；

其中，燃料阀包括二级燃料阀和切换燃料阀。

此外，燃料阀还包括一级燃料阀，一级燃料阀的分配流量与二级燃料阀和切换燃料阀的分配流量相同，且一级燃料阀无预充流量；一级燃料阀开度的获取与上述燃料阀开度获取相同：

将一级燃料阀分配流量作为一级燃料阀的燃料质量流量；获取燃料的摩尔质量、绝热系数比、温度、压缩因子，燃料阀的几何系数、阀门阻塞流压差系数、燃料阀间的绝对压力并结合一级燃料阀的燃料质量流量计算一级燃料阀流量系数；根据一级燃料阀流量系数采用分段线性插值计算获取一级燃料阀开度。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种燃气轮机燃料控制方法，其特征在于，包括：

当燃料阀初次开启时，在给燃料阀分配流量的同时额外增加预充流量；

获取燃料行程基准、燃料分配比例、燃料热值并计算燃料阀分配流量；

获取压力机排气绝对压力、燃料温度并计算燃料阀预充流量；

将燃料阀分配流量和预充流量相加获取燃料阀的燃料质量流量；

获取燃料的摩尔质量、绝热系数比、温度、压缩因子，燃料阀的几何系数、阀门阻塞流压差系数、燃料阀间的绝对压力并结合燃料质量流量计算燃料阀流量系数；

根据燃料阀流量系数采用分段线性插值计算获取燃料阀开度；

其中，所述燃料阀包括二级燃料阀和切换燃料阀。

2.根据权利要求1所述的一种燃气轮机燃料控制方法，其特征在于，所述二级燃料阀和切换燃料阀的分配流量W_f为：

式中，F为燃料行程基准，

为燃料分配比例，H_l为燃料热值。

3.根据权利要求1所述的一种燃气轮机燃料控制方法，其特征在于，所述二级燃料阀的预充流量W₀为：

所述切换燃料阀的预充流量W₁为：

式中，P₂为压力机排气绝对压力，T₂为燃料温度。

4.根据权利要求1所述的一种燃气轮机燃料控制方法，其特征在于，所述燃料阀：

当预充开始时，将预充流量按照预设第一速率增加到目标值；

当预充完成后，按照预设时间延迟后，将预充流量按照预设第二速率减小到0。

5.根据权利要求1所述的一种燃气轮机燃料控制方法，其特征在于，所述燃料阀阀门流量系数C为：

式中，W为燃料质量流量，F_P为燃料阀的几何系数，P₂为燃料阀间的绝对压力，M为燃料摩尔质量，F_γ为燃料绝热系数比，X_T为燃料阀的阀门阻塞流压差系数，T₂为燃料温度，Z为燃料压缩因子。

6.根据权利要求5所述的一种燃气轮机燃料控制方法，其特征在于，所述绝热系数比F_γ为：

式中，γ为燃料的等熵指数；

所述燃料压缩因子Z为：

Z＝1-(β₁×T₂ ²-β₂×T₂+β₃)×P₂

式中，β₁、β₂、β₃均为拟合系数；

所述燃料阀的几何系数F_P为：

F_P＝1+ε₁×C^′2+ε₂×C^′

式中，C^′为上一周期燃料阀阀门流量系数，ε₁、ε₂为燃料阀阀门特性系数。

7.根据权利要求1所述的一种燃气轮机燃料控制方法，其特征在于，所述燃料阀还包括一级燃料阀，所述一级燃料阀的分配流量与二级燃料阀和切换燃料阀的分配流量计算方法相同，且所述一级燃料阀无预充流量；

将一级燃料阀分配流量作为一级燃料阀的燃料质量流量；

获取燃料的摩尔质量、绝热系数比、温度、压缩因子，燃料阀的几何系数、阀门阻塞流压差系数、燃料阀间的绝对压力并结合一级燃料阀的燃料质量流量计算一级燃料阀流量系数；

根据一级燃料阀流量系数采用分段线性插值计算获取一级燃料阀开度。

8.一种燃气轮机燃料控制装置，其特征在于，所述装置执行时实现权利要求1-7任一项所述方法的步骤。

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