CN1228507A - 用于调节燃气轮机机组的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于控制顺序燃烧的燃气轮机机组的方法,首先,按照与压缩机(1)出口控制压力(P₃)成一定函数关系的方式给第一燃烧室(4)供应所必需的燃料量(F_H),其中,燃料量(F_H)与压力(P₃)之间的关系是通过一个反映第一涡轮机(6)入口温度(T₇)与其额定温度(T_{7soll(额定)})差值的系数(K₁)来调节。向第二燃烧室(9)供应燃料量(F_L)也是按照与第二涡轮机(12)入口压力(P₁₁)成一定关系的方式进行。燃料量(F_L)与压力(P₁₁)之间的关系是通过一个反映第二涡轮(12)入口温度(T₁₁)与其额定温度(T_{11soll(额定)})差值的系数(K₂)来调节。通过这种用压力数值控制的方法可以克服系统热惰性的影响。

Description

用于调节燃气轮机机组的方法

本发明涉及的是用于调节燃气轮机机组的方法，该燃气轮机机组主要包括一个压缩机、一个与该压缩机相连的第一燃烧室、一个与所述第一燃烧室相连的第一涡轮机、一个自点火燃烧的第二燃烧室，由第二燃烧室出来的热燃气驱动的第二涡轮以及至少一个发电机。

EP-0 646 704 A1公开了一种用于调节燃气轮机机组的方法。该燃气轮机机组主要由一个压缩机、一个高压燃烧室、一个高压涡轮机、一个低压燃烧室、一个低压涡轮机及一个发电机构成。对高压燃烧室内的燃料量的测定是借助于一个修正的温度信号确定的。该温度信号包括在低压涡轮机出口时温度减少量及在各处可调节的温度升高量。在向低压燃烧室供应燃料后引起温度升高时，从低压涡轮机出口处测得温度升高量，从而获得温度信号。将在低压涡轮机出口处获得的未经修正的温度信号用于测定低压燃烧室的燃料量。

采用该方法，测量调节所必需的温度值必需在技术上能够可靠地实现并可再现的位置上进行。采用该调节方式的前提是，在低压涡轮机出口因在低压燃烧室内燃烧而产生的温度升高是可重复地测量的。所以，从这点出发，对燃料量的调节方式可在两个燃烧室内进行。

虽然这种控制方法可以很好地实现对燃料的测量，但是，实践表明，在出现未预见的突发扰动的情况下，该扰动会直接或间接影响到工作温度。由于这种系统所固有的热惰性，使得调节技术难于准确掌握。

为此，本发明提出了如权利要求所述的方案，其目的在于：在采用如前所述的方法过程中，排除测量控制所需温度值时系统热惰性的影响。

根据本发明的技术方案，按照根据压力数值控制的预定压力供应相应的燃料量，由此排除了没有预先计算到的系统的热惰性的影响。

首先，按照与压缩机出口控制压力成一定函数关系的方式给高压燃烧室供应燃料。其中，燃料量与压缩机出口压力之间的关系是通过一个反映高压涡轮机入口温度与其额定温度差值的系数来调节。向低压燃烧室供应燃料也是按照与低压涡轮机入口压力成一定关系的方式进行。燃料量与低压涡轮机入口压力之间的关系是通过一个反映低压涡轮机入口温度与其额定温度差值的系数来连续更新。

本发明的主要优点在于，测量到的或计算出的温度不再直接作为控制燃料量的控制参数，而是被代入到与压力数值相关的控制公式中，这样可以准确地对压力与燃料量之间的关系作出反应。由于压力可以立刻对流量的变化作出反应，由此可以获得这种关联性。

本发明方案所能获得的优点和实施方案如下：

在压力处至少采用一个对应于燃气轮机机组质量流量的压力。

所述温度是通过在第二涡轮机出口处的温度和一个在第二燃烧室连接加热导管后所产生的温度差及压力比P₃/P₁₃来确定。

所述温度差是根据燃料的绝对量或相对量导出的。

所述温度差是根据压力值P₁₁、P₁₃、温度T₁₃以及计算的最佳热动力温度T₁₁来确定。

以下将借助于附图进一步描述本发明的实施例。对于从本发明可直接理解到的内容在此不再赘述。介质的流动方向和所示实施例中的控制脉冲用箭头表示。

附图表示了一组燃气轮机及与之一体的调节线路。

附图中所示的燃气轮机机组是作为以下描述调节方法的基础。该燃气轮机机组中有一个用于压缩吸入空气2的压缩机1。经过压缩的空气3流入第一燃烧室、即高压燃烧室4(高压燃烧室)。通过向该燃烧室供应燃料5对热燃气7进行第一阶段的准备工作。从高压燃烧受4流出的燃气驱动第一涡轮机6、即高压涡轮机(高压涡轮机)。在高压燃烧室4中产生的热燃气7在流动的过程中部分膨胀。该部分膨胀的特征在于，从高压涡轮机6中流出的、经过部分膨胀的热燃气8仍具有相当高的温度，大约在1000摄氏度以上。与此相适应地，所述高压涡轮机6具有较少的级、最好是1-3级。从高压涡轮机6流出的燃气流经第二燃烧室9、即低压燃烧室(低压燃烧室)并在其中按照自点火规律工作。在EP-0620362 A1中已经公开了这种关系。该文件所公开的内容构成了一个本发明的组成部分。低压燃烧室9基本上呈环形流道的形状。燃气状燃料10最好被喷入到该流道中。由于从高压涡轮机流出的废气具有前述的高温，从而使喷入的燃料10可在低压燃烧室9中自点火。在低压燃烧室9中设置有未详细描述的助流结构，该结构在火焰前锋区产生一个稳定的后流区，以保证稳定的燃烧过程。部分膨胀热燃气8在低压燃烧室9中经再次处理成为完整的热燃气11。该热燃气的温度等于低压燃烧室的温度。热燃气7、11的温度基本上没有直接的热动力界限；该热动力界限是由待驱动的涡轮及其机械元件来确定。该热燃气11驱动第二涡轮机12、即低压涡轮机(低压涡轮机)，此后，燃气获得最终膨胀。废气13中的残余热量可用于在后续的蒸汽循环中产生蒸汽等。发电机14的作用在于通过两涡轮机6、12的工作产生电流。图中所示的燃气轮机的重要特征是所有产生电流的机器1、6、12都共同支撑在一根纵轴15上，最好通过两个轴承(图中未示)来制成。两燃烧室4、9占据了位于两涡轮6、12之间的空间。其中，高压燃烧室4最好采用环形燃烧室结构，并与压缩机1相互重叠，由此可使燃气轮机机组获得紧凑的结构。这种可能性仅通过低压燃烧室尚不能完全实现。也就是说，只有将上述燃烧室做得非常短，才可能实现使燃气轮机机组体积小的目标。

在从启动到半负荷的过程中，燃气轮机机组是依靠高压燃烧室内的燃烧而被驱动工作的。起初，部分密闭的压缩机管路被逐渐打开。对高压燃烧室4内的燃料的控制是按照传统的方式用借助于低压涡轮机12出口处的温度T₁₃与压缩机终端压力P₃或压缩机压力系数π之间的函数关系来调整的，该关系式为：

T₇=A(T₁₃-ΔT₁₃)+(B·π)+C    (1)

其中，A、B及C为以通常方式匹配的修正系数；T₇为高压涡轮机入口处的温度，T₁₃为低压涡轮机出口处的温度，其中ΔT₁₃的当前值为零。

为给机组进一步加载，需要向低压燃烧室9中供应燃料10。该燃料供应的控制根据如下公式进行：

T₁₁=(A’·T₁₃)+(B’-π’)+C’    (2)

其中π’=P₁₁/P₁₃

将低压燃烧室9中保持恒定的燃料5的工况下在低压涡轮机12出口处获得的温度升高量ΔT₁₃引入到公式(1)中，以便调整高压燃烧室4，使其达到如同低压燃烧室9不工作时的状态。

值ΔT₁₃的准确度取决于各个启动阶段和终止阶段状态的真实性。当然，不难理解，任何时候也可以对低压燃烧室9中的燃料量10进行微小的修正，即修正量ΔM_FL(所有流量与燃料量之差)。上述过程的前提是至少对低压燃烧室9中的燃料量10进行相对测定。当然，ΔT₁₃也可以通过计算进行模拟。

为获得更好的调节关系，对高压与低压燃烧室内燃料最好通过至少一个压力变化来控制。其方式如下：

首先，将供应给高压燃烧室4的燃料量F_H代入到控制压缩机1出口处压力P₃的公式中。其中，燃料量F_H与压缩机出口压力P₃之间的关系是通过表示高压涡轮机入口温度T₇与其额定值偏差量的修正系数K₁来实现的。将供应给低压燃烧室9的燃料量F_L代入到控制低压涡轮机12入口处压力P₁₁的公式中。其中，燃料量F_L与低压涡轮机12入口压力P₁₁之间的关系是通过表示低压涡轮机12入口温度T₁₁与其额定值偏差量的修正系数K₂来实现的。

以下公式适用于根据压力变化的控制：

F_H～K₁·P₃    (3)

F_L～K₂·P₁₁    (4)

上述的温度调节模式也可以用功率调节模式或转速调节模式来取代。其中，用两个T_max信号来限制燃料量5、10。

在转速调节模式下(ω=ω_soll(额定))，在正常情况下只是在停止低压燃烧室9的状态下调节高压燃烧室的燃料量5。因此，由于机器实际上从不处于停止状态，因而只有在同步的情况下才需要进行转速调整。不过，在达到T₇=T_{7soll (额定)}之后，ω信号可以继续控制低压燃烧室的燃料量10。

相反，功率调节模式P=P_soll(额定)只影响低压燃料量10，因为机器很少在半负载的工况下运行。不过，在低压燃烧室9停机的情况下，也可以用功率信号控制高压燃烧室燃料量5。

在负荷较重的情形下压力P₃和P₁₁下降，此时可用对应于燃气轮机机组中的物料的相对压力替代压力控制，其中，必需保证物料流量与压力之间的关系压力的下降时仍保持不变。

在一定的过渡负载区域内，可通过温度T₁₃-ΔT₁₃及压力关系P₃/P₁₃来确定高压涡轮机6出口温度T₇。其中，温度差ΔT₁₃表示的是在附加低压燃烧室9的热功率时温度T₁₃的增加量。也就是说，该温度差是从所述低压燃烧室9中的绝对燃料量或相对燃料量F_L按照一定的方式导出的。所以，该温度差ΔT₁₃由压力P₁₁与P₁₃及温度T₁₃确定。这在预定的稳定温度T₁₁下可以实现或者可通过能再现的经验方法获得。

图中的零件表：1压缩机2被吸入的空气3被压缩的空气4高压燃烧室5高压燃烧室燃料量6高压涡轮机7热燃气8废气9低压燃烧室10低压燃烧室燃料量11热燃气12低压涡轮机13废气14发电机15轴ω转速ω_max最大转速F_H高压燃烧室的燃料量F_L低压燃烧室9的燃料量ΔP_F压力差P₃压缩机出口压力P₁₁低压涡轮机入口压力P₁₃低压涡轮机出口压力T₇高压涡轮机入口温度T₁₁低压涡轮机入口温度T₁₃低压涡轮机出口温度M燃料量K₁修正系数K₂修正系数Δ_T温度差(温升)

Claims (5)

1、用于调节燃气轮机机组的方法，该燃气轮机机组主要包括一个压缩机、一个与该压缩机相连的第一燃烧室、一个与所述第一燃烧室相连的第一涡轮机、一个自点火燃烧的第二燃烧室，由第二燃烧室出来的热燃气驱动的第二涡轮以及至少一个发电机，其特征在于，首先，按照与压缩机(1)出口控制压力(P₃)成一定函数关系的方式给第一燃烧室(4)供应所必需的燃料量(F_H)，其中，燃料量(F_H)与压力(P₃)之间的关系是通过一个反映第一涡轮机(6)入口温度(T₇)与其额定温度(T_{7soll(额定)})差值的系数(K₁)来调节。向第二燃烧室(9)供应燃料量(F_L)也是按照与第二涡轮机(12)入口压力(P₁₁)成一定关系的方式进行。燃料量(F_L)与压力(P₁₁)之间的关系是通过一个反映第二涡轮机(12)入口温度(T₁₁)与其额定温度(T_{11soll(额定)})差值的系数(K₂)来调节。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，在压力(P₃、P₁₁)处至少采用一个对应于燃气轮机机组质量流量的压力。

3、如权利要求1和2所述的方法，其特征在于，温度(T₇)是通过在第二涡轮机(12)出口处的温度(T₁₃)和一个在第二燃烧室(9)连接加热导管后所产生的温度差(ΔT₁₃)及压力比P₃/P₁₃来确定。

4、如权利要求1至3所述的方法，其特征在于，温度差(ΔT₁₃)是根据燃料的绝对量或相对量(F_L)导出的。

5、如权利要求1至3所述的方法，其特征在于，温度差(ΔT₁₃)是根据压力值P₁₁、P₁₃、温度T₁₃以及计算的最佳热动力温度T₁₁来确定。