CN1619122A - 用于控制燃气轮机燃烧室的燃料分离的方法 - Google Patents

用于控制燃气轮机燃烧室的燃料分离的方法 Download PDF

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Abstract

一种用于确定燃气轮机(10)的目标排气温度(70)的方法，包括：根据压缩机的压力状况来确定目标排气温度(70)；根据包括有比湿(68)、压缩机的进口压力损失(52)和涡轮机的排气背压(56)的参数组中的至少一个参数来确定对目标排气温度的温度调节量；通过应用该温度调节量来调节目标排气温度。

Description

用于控制燃气轮机燃烧室的燃料分离的方法
技术领域
本发明大体上涉及用于燃气轮机的燃烧系统的控制器。特别是，本发明涉及用于燃料分离(fuel split)和氧化氮/二氧化氮(NOx)调整的燃烧室控制算法。
背景技术
工业和发电用燃气轮机具有可监测和控制其运行的控制系统(“控制器”)。这些控制器可控制燃气轮机的燃烧系统。干燥的低NOx(DLN)燃烧系统设计成可减少NOx从燃气轮机中的排放。控制器执行算法以保证DLN燃烧系统的安全和高效的工作。传统的DLN算法接收涡轮机的实际排气温度的测量值和实际运行的压缩机增压比作为输入。DLN燃烧系统通常依赖所测得的涡轮机排气温度和压缩机增压比来设定燃气轮机的运行状态，例如理想的涡轮机排气温度、燃烧室的总燃料流量、燃料分离的调度(schedule)以及进口排热流量。
传统的用于DLN燃烧系统的调度算法通常没有考虑压缩机的进口压力损失、涡轮机的背压或压缩机的进口湿度方面的偏差。传统的调度算法通常假定环境条件如压缩机的进口湿度、压缩机的进口压力损失和涡轮机的背压保持在一定的稳定状态下，或者这些条件的偏差不会显著地影响燃烧室的目标点火温度。
压缩机的进口压力损失和涡轮机的背压水平与那些用于限定DLN燃烧的参数设定值不同。如果不随着环境条件的变化而调节传统的DLN燃烧系统的话，那么燃气轮机的NOx排放可能会增大到超过预定的限值。湿度的季节性变化或涡轮机进口湿度与各种进口调节装置如蒸发冷却器、成雾系统之间的变化会影响DLN燃烧系统的工作。由于环境条件随季节而产生变化，因此经常要人工地调节DLN燃烧系统的参数设定，以符合环境的季节性变化。
发明内容
本发明可体现为一种用于调度燃气轮机燃烧室的燃料分离的方法，其包括：确定将在基准燃料分离下产生理想的NOx的目标排气温度(根据包括有比湿、压缩机的进口压力损失和涡轮机的排气背压的参数组中的至少一个参数来进行)；根据计划排气温度和将在基准燃料分离下产生理想NOx的排气温度之间的差异来确定排气温度误差；将排气温度误差转化成基准燃料分离下的预期NOx水平误差，并且将预期NOx水平误差转化成对燃料分离水平的调节量。
本发明还可体现为一种用于调度燃气轮机燃烧室的燃料分离的方法，其包括：确定与基准燃料分离下的理想NOx相对应的目标排气温度；根据计划排气温度和目标排气温度之间的比较来确定排气温度误差；将排气温度误差转化成预期NOx调整的燃料分离调节量；采用预期NOx调整的燃料分离调节量来调节基准燃料分离，并应用调节过的燃料分离量来确定供给燃烧室的燃料流量。
本发明还可体现为一种用于调节燃气轮机燃烧室的基本燃料分离调度的方法，其包括：根据压缩机的压力状况来确定涡轮机的校正后的目标排气温度；根据包括有压缩机的进口压力损失和涡轮机的排气背压的参数组中的至少一个参数来确定对校正后的目标排气温度的第一校正温度调节量；根据氧化氮(NOx)的限制要求和基本燃料分离指令来确定对校正后目标排气温度的第二校正温度调节量；根据第一校正温度调节量和第二校正温度调节量来确定调节过的校正后的目标排气温度；根据燃气轮机燃烧室的排放温度和调节过的校正后的目标排气温度来确定反向校正的调节过的目标排气温度；确定该经反向校正的调节过的目标排气温度和从燃烧室温度调整算法中选出的经反向校正的目标排气温度之间的温差，并采用该温差来产生调节过的基本燃料分离调度。
附图说明
附图与本说明书的内容相结合地描述了本发明的一个实施例。
图1是具有燃料控制系统的燃气轮机的示意性图示。
图2是用于选择理想的涡轮机排气温度和燃料分离调度的系统的高级框图。
图3是用于计算将在基准燃料分离下产生理想的NOx的排气温度的示例性算法的图。
图4是用于NOx调整算法的示例性的基本燃料分离调节算法的图。
具体实施方式
已经研制出了燃气轮机的控制系统和算法方法来调度燃气轮机的运行，以便协同地调度涡轮机的排气温度和燃烧室的燃料分离。通过用于确定涡轮机排气温度和燃料分离的链接算法，该燃气轮机的控制系统就可同时地调整燃烧室的温升(在没有其它限制时)和NOx的排放。这一特征在燃气轮机的部分负荷运行期间特别有用。
燃气轮机的部分负荷运行经常涉及到控制系统调节总燃料流量以达到部分负荷水平，以及调节压缩机的进口导流叶片(IGV)以便为理想的部分负荷水平设定燃气轮机的循环匹配点。另外，控制器可调度燃烧室的燃料分离，以保持理想的燃烧模式如部分负荷的总燃料流量，并且在所建立的例如用于燃烧动力学的运行性边界内使燃气轮机运行。而且，在部分负荷运行期间，循环匹配点和燃烧室的燃料分离会显著地影响NOx的排放。为了在部分负荷运行期间优化燃气轮机的操作，控制器同时应用NOx调整算法和其它的算法来控制燃烧室的温升。
图1显示了燃气轮机10，其具有压缩机12、燃烧室14、与压缩机驱动式相连的涡轮机16以及控制系统(控制器)18。通向压缩机的进口管道20为压缩机提供环境空气和可能有的注入水。进口管道可具有管道、过滤器、筛网和吸声装置，它们可能会造成经由进口20流入到压缩机的进口导流叶片21中的环境空气产生压力损失。涡轮机的排气管道22例如通过排放控制和吸声装置来将燃气从涡轮机的出口中引出。排气管道22可包括吸声材料和排放控制装置，它们对涡轮机施加了背压。进口压力损失和背压的总量可能会因管道20，22中的附加部件以及堵塞在进口管道和排气管道中的灰尘和脏物而随时间变化。涡轮机可驱动能够产生电能的发电机24。压缩机的进口损失和涡轮机的排气压力损失趋向于成为流经燃气轮机的校正流量的函数。另外，进口损失和涡轮机背压的总量可随流经燃气轮机的流率而变化。
燃气轮机的运行可由若干传感器26来监测，这些传感器可检测涡轮机、发电机和周围环境的各种状况。例如，温度传感器26可监测燃气轮机周围的环境温度、压缩机的排气温度、涡轮机的排气温度和流经燃气轮机的气流的其它温度测量。压力传感器26可监测环境压力、压缩机的进口和出口处的静态和动态压力水平，以及流经燃气轮机的气流中其它位置处的涡轮机排气压力。湿度传感器26如湿球和干球温度计可测量压缩机的进口管道中的环境湿度。传感器26还可包括流量传感器、速度传感器、火焰检测传感器、阀位置传感器、导流叶片角度传感器，或者用于检测与燃气轮机10的运行有关的各种参数的类似传感器。在这里，“参数”指可用于限定涡轮机的运行状况的项目，例如涡轮机内给定位置处的温度、压力和气流量。这些参数可用于表示给定的涡轮机运行状况。
燃料控制系统28可调整从燃料供应源流到燃烧室14中的燃料、流入到主燃料喷嘴和副燃料喷嘴中的燃料之间的分离，以及与流入到燃烧腔中的二次空气相混合的燃料。燃料控制器还可选择用于燃烧室的燃料类型。燃料控制系统28可以是单独的单元，或者是大型控制器18的一个部分。燃料控制系统还可产生和执行燃料分离指令，其可确定流入到主燃料喷嘴中的燃料份量和流入到副燃料喷嘴中的燃料份量。
控制器18可以是通用电气公司的SPEEDTRONICTM燃气轮机控制系统，例如在由GE Industrial & Power Systems of Schenectady，N.Y.出版的Rowen W.I.的“SPEEDTRONICTM Mark V燃气轮机控制系统”，GE-3658D中所介绍的。控制器18可以是具有一个或多个处理器的计算机系统，这些处理器可执行程序，以利用传感器输入和操作人员的指令来控制燃气轮机的运行。控制器18所执行的程序可包括调度算法，其用于调节流到燃烧室14中的燃料流量。控制器所产生的指令可使燃气轮机上的执行器来调节燃料供应源和燃烧室之间的阀(执行器32)，该阀可调整流到燃烧室中的燃料的流量、燃料分离和类型；并且调节压缩机上的进口导流叶片21(执行器30)，并且激活燃气轮机上的其它设定控制。
控制器18可部分地根据存储在控制器的计算机存储器中的算法来调节涡轮机。这些算法可使控制器18将涡轮机排气中的NOx和CO排放保持在一定的预定排放限值内，并且将燃烧室的点火温度保持在预定的温度限值内。这些算法具有用于当前压缩机增压比、环境比湿、进口压力损失和涡轮机的排气背压等参数变量的输入。由于算法使用了这些输入参数，因此控制器18可适应环境温度和湿度的季节性变化，并改变经过燃气轮机的进口20的进口压力损失和出口管道22处的排气背压。将环境状况的输入参数、进口压力损失和排气背压包括在内的一个好处是，NOx、CO和涡轮机点火算法使得控制器能够自动地补偿燃气轮机运行中的季节性变化以及进口损失和背压中的变化。因此就减少了操作人员人工地调节燃气轮机以补偿环境状况的季节性变化以及进口压力损失或涡轮机排气背压中的变化的需要。
燃烧室14可以是DLN燃烧系统。控制系统18可被编程并修正，以控制该DLN燃烧系统。在图2到5中将阐述用于确定燃料分离的DLN燃烧控制算法。
控制器18所执行的调度和算法可适应环境状况(温度、湿度、进口压力损失和排气背压)的变化，这些变化会影响燃气轮机的部分负荷运行状况下的NOx、燃烧室动力学和点火温度的限值。控制系统18可同时调度排气温度和燃烧室的燃料分离。控制系统18应用用于调度燃气轮机、例如设定理想的涡轮机排气温度和燃烧室燃料分离的算法，以便满足性能目标，同时遵循燃气轮机的运行性边界。涡轮控制系统18同时确定在部分负荷运行期间的平均燃烧室温升和NOx，以便将运行裕量增大到燃烧的动力学边界，从而提高燃气轮机的运行性、可靠性和有效性。
燃烧室的燃料分离由控制系统18来调度，以便保持理想的燃烧模式，同时检查其它的运行性边界，例如燃烧动力学的运行性边界。在给定的负荷水平下，循环匹配点和燃烧室的燃料分离会影响所得的NOx排放。在部分负荷运行期间同时调整NOx和燃烧室温升会降低燃烧动力学的水平，并且使燃气轮机的使用状态范围扩大，而不会对排放标准或部件寿命带来负面的影响。
图2是用于选择理想的涡轮机排气温度目标(Tx_req)和调节后的燃料分离(PM1，PM3)39和41的过程34的高级框图。这里公开的过程和相关算法主要针对可确定燃料分离调节量的NOx调整算法74(图4)。NOx调整算法需要用实际的计划涡轮机排气温度目标(Tx_req)38来作为输入。在不脱离用于应用NOx调整算法74来为燃料控制器28确定调节后的燃料分离输入参数(PM1，PM3)39和41的技术的范围或内容的前提下，用于确定理想的涡轮机排气温度目标的方式可以变化。
整个过程34包括选择逻辑36，其通过应用一定的逻辑来从多个推荐温度中选择燃烧排气温度目标(Tx_req)38，例如选择输入温度目标中的最低温度。这些推荐排气温度目标包括：最大排气温度(Iso-Therm)、由点火温度调整算法40所产生的理想排气温度(Tx_Tf)、由燃烧室温升调整算法42所产生的理想排气温度(Tx_Tr)，以及由NOx调整算法44所产生的理想排气温度(Tx_NOx)。控制器18将计划排气温度38与实际的涡轮机排气温度相比较。控制器采用理想的和实际的排气温度之间的差异来调节流到燃烧室中的燃料流量或IGV21的角度(在部分负荷运行时)。
NOx调整算法44将调节后的燃料分离指令(PM1，PM3)39和41输出给燃料控制器28。燃料分离指令一起构成了燃料分离调度。燃料分离指令表示了燃料中的将流到燃料喷射器的各个区域中的份量，这些区域例如是主燃料喷嘴和用于将燃料与进入到燃烧室中的二次空气相混合的副燃料喷射器。NOx调整算法是一种用于减少源于涡轮机的NOx排放和将NOx排放保持在排放限值内的技术。
图3是显示了NOx调整算法44的框图，该算法根据相对简单且容易执行的排气温度与压缩机增压比(Xc)之间的关系46来确定理想的运行状况，例如燃料分离和排气温度。这些关系存储在控制系统18的电子存储器中，并且可包括数据查找表、数学函数(例如一阶或二阶曲线函数)以及以电子学方式表示了参数关系的其它形式。
NOx调整算法44接收关于当前压缩机增压比(Xc或CPR)、NOx排放限值(NOx_req)84(其为NOx排放限值和ΔNOx调整因子(ΔNOx_tune)之和，ΔNOx_tune是为各个特定燃气轮机所确定的稳定NOx调节量)、进入压缩机12的环境空气的当前比湿(SH)68、进口压力损失ΔPin52和涡轮机背压ΔPex56的输入数据。根据这些输入参数，NOx算法44产生排气温度70，它可在基准燃料分离下产生理想的NOx水平。
NOx调整算法44包括调度46，其用于应用压缩机增压比(Xc)来得到用于NOx算法的校正后的涡轮机排气温度目标48(T_corr)。校正后的排气温度与压缩机增压比的调度46(控制曲线)为限定的基准参数条件：NOx目标、燃料分离、湿度、进口压力损失和排气背压而输出校正后的涡轮机排气温度目标48(T_corr)。压缩机增压比与排气温度目标的调度46可以是曲线图、查找表或函数，它们可将压缩机增压比与校正后的排气温度目标48相关联。调度46以传统的方式为一种燃气轮机或燃气轮机的类型和种类而确定下来，这些方式超出了本发明的范围。
对校正后的排气温度48进行调节，以便为偏离基准的进口压力损失(ΔPin)、偏离基准的排气背压(ΔPex)、偏离基准的NOx目标和偏离基准的湿度进行校正。采用进口压力损失函数(f(ΔPin))52来确定因实际的进口压力损失与基本的进口压力损失水平之间的差异(ΔPin)所引起的对校正后的排气温度的调节量。进口压力损失函数可以是通过经验得出的曲线图、查找表或函数，它们可将进口压力损失差异(ΔPin)与对校正后的排气温度目标48的调节量54相关联。该函数52可针对特定种类、模式或类型的燃气轮机和/或进口管道和进口部件的特定布置而得出。或者，压力损失函数可具有进口压力损失差异(ΔPin)和压缩机增压比水平(CPR)的输入变量。压力损失函数52产生了将与校正后的排气温度目标48加在一起的温度目标调节量54。
类似的，涡轮机背压函数(ΔPex)56具有实际涡轮机背压和基本涡轮机背压水平之间的差异(ΔPex)的输入变量。背压函数56可具有作为第二输入变量的CPR。涡轮机背压函数产生了将与校正后的排气温度48相加的温度目标调节量58。另一温度目标调节量(ΔTxTune)60从调节后的目标NOx水平84(NOx_req)中得出，并与校正后的排气温度48相加。校正后的排气温度目标48(在被调节以补偿压缩机进口压力损失、排气背压和目标NOx水平之后)通过施加校正因子64来进行反向校正，校正因子64是压缩机出口温度(TCD)和基准TCD之比的非整数指数。非整数指数的值是针对燃气轮机的种类或模式而凭经验得出的。校正因子64是用于在图4所示燃气轮机的负荷范围内使部分负荷的排气温度相对于TCD数据降低的校正因子的倒数。
将上述反向校正的排气温度目标与由比湿函数(f(SH))68所产生的温度目标校正66相加，比湿函数(f(SH))68是经验得出的函数，其将环境比湿以及可能有的压缩机增压比(CPR)作为输入。结果便得到了排气温度目标(Tx_NOx)70，它是目前运行条件下在基准燃料分离下将产生理想的NOx水平的排气温度。
图4是可产生调节后的燃料分离(PM1，PM3)的燃料分离计划算法74的示意图。对基本燃料分离(PM1_base和PM3_base)的调节量(DPM1和DPM3)反映了对燃料分离的NOx调整调节量。该算法74接收将在基准燃料分离下产生理想NOx水平的排气温度(Tx_NOx)70和实际的计划排气温度(Tx_req)38作为输入。排气温度差异(Tx_err)88是将NOx调整到目标值的温度水平70和实际上计划的温度38之间的差异。温差(Tx_err)88通过最小选择逻辑90而被限制为正值，该逻辑90可选择正差异Tx_err或零中的较大值。通过施加校正因子64来校正该正温差Tx_err，其中校正因子64是压缩机出口温度(TCD)和基准TCD之比的非整数指数。另外，将校正后的温差与由NOx目标调节量所产生的校正后的NOx温度校正(ΔTx_Tune)60相加。通过经验得出的非线性曲线86来将求和所得的校正后的温差92转化为伪NOx目标94，曲线86是与用于将NOx_req84因子转化为NOx温差60相同的曲线。
对伪NOx目标94取倒数并与所要求的NOx水平(NOx_req)84相乘，得到伪NOx目标/NOx_req的Q调节(Q-adj)比(Q-adj)96。采用非线性调度76来将调节后的Q因子(Q-adj)96转化为ΔPM1需求指令(DPM1)，其中该非线性调度76可将所需要的ΔPM1燃料分离调节量(指令DPM1)与Q因子96相关联。该调度76是基于NOx排放的燃料分离效应来开发的。该调度76规划了NOx调整误差，其将导致基本燃料分离将被施加到燃烧室中。在该调度76中构建了PM1和PM3之间的预定关系。通过利用反映了DPM3和DPM1之间的关系的非线性调度98，就可将ΔPM1调节量(DPM1)用来产生ΔPM3需求指令(DPM3)。燃料分离需求(PM1，PM3)分别生成为Δ燃料分离(DPM1和DPM3)与基本负荷的燃料分离水平(PM1_base和PM3_base)之和。燃料分离需求指令(PM1，PM3)由燃料控制器来使用，以控制流向各个燃料喷嘴的燃料份量。
虽然已经结合目前认为是最切合实际和最优选的实施例来描述了本发明，然而可以理解，本发明并不限于所公开的实施例，相反，本发明旨在覆盖属于所附权利要求的精神和范围内的各种改进和等同设置。

Claims (10)

1.一种用于调度燃气轮机燃烧室(14)的燃料分离的方法，包括：
a.确定与基准燃料分离下的理想氧化氮(NOx)相对应的目标排气温度(70)；
b.根据计划排气温度(38)和所述目标排气温度(70)之间的比较来确定排气温度误差(88)；
c.将所述排气温度误差转化成预期的NOx调整的燃料分离调节量(96)；
d.采用所述预期NOx调整的燃料分离调节量(DPM1)来调节基准燃料分离(PM1_base)，和
e.应用所述调节后的燃料分离来确定供给燃烧室的燃料流量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标排气温度(70)根据包括有比湿(68)、压缩机的进口压力损失(52)和涡轮机的排气背压(56)的参数组中的至少一个参数来确定。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述燃料分离水平是多个燃料分离水平(PM1，PM3)，各所述燃料分离水平表示了流向所述燃烧室(14)中的燃料喷嘴的多个区域之一的燃料流份量。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤b到d通过氧化氮(NOx)调整算法(44)来执行。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述排气温度误差(88)到预期NOx调整调节量(PM1)的转化还包括：从所述排气温度误差中确定预期NOx水平(94)；确定调节后的Q因子(96)作为NOx水平基本需求(NOx_req)与所述预期NOx水平(94)之比，并且应用所述调节后的Q因子来确定所述预期NOx水平调节量(DPM1)。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括从所述排气温度误差(88)中确定所述调节后的NOx水平(94)。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，从所述排气温度误差中确定所述调节后的NOx水平(94)还包括校正所述排气温度误差以符合燃气轮机压缩机的状况(TCD)，并且将所述校正后的排气温度误差(92)应用到可将校正后的排气温度误差与所述调节后的NOx水平相关的经验得出的曲线(86)中。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述压缩机的状况是从压缩机中排出的压缩空气的温度(TCD)。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，用于确定所述排气温度误差(88)的比较是计划排气温度(38)和目标排气温度(70)之间的差异，所述差异是排气温度误差。
10.一种用于调节燃气轮机燃烧室(14)的基本燃料分离(PM1_base)的调度的方法，包括：
a.根据压缩机的压力状况(Xc)来确定校正后的目标涡轮机排气温度(48)；
b.根据包括有压缩机的进口压力损失(52)和涡轮机的排气背压(56)的参数组中的至少一个参数来确定对所述校正后的目标排气温度的第一校正温度调节量；
c.根据氧化氮(NOx)的限制要求(84)和基本燃料分离指令(76)来确定对所述校正后的目标排气温度的第二校正温度调节量(60)；
d.根据所述第一校正温度调节量和第二校正温度调节量来确定调节过的校正后的目标排气温度；
e.根据所述燃气轮机压缩机的排放温度(TCD)和所述调节过的校正后的目标排气温度来确定反向校正的调节过的目标排气温度(70)；
f.确定所述经反向校正的调节过的目标排气温度(70)和从所述燃烧室温度调整算法中选出的经反向校正的目标排气温度(38)之间的温差(88)，和
g.采用所述温差(88)来产生调节过的燃料分离调度(PM1)。
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