CN1626783A - 涡轮机械功率计算装置及配备该装置的燃气轮机控制装置 - Google Patents

Abstract

一种涡轮机械输出功率计算装置，通过以下公式计算燃气轮机的机械输出功率P：

；其中Pe表示通过发电机有效功率瓦特计所测得的发电机的有效功率，N表示通过燃气轮机转速计而测得的燃气轮机的转速，J表示燃气轮机的惯性矩，以及g表示重力加速度。燃烧空气量控制器基于燃气轮机机械输出功率P来控制燃烧空气的量。

Description

涡轮机械功率计算装置及配备该装置的燃气轮机控制装置

技术领域

本发明涉及涡轮机械输出功率计算装置，用于计算旋转驱动发电机的涡轮的机械输出功率，本发明还涉及装备有所述涡轮机械输出功率计算装置的燃气轮机控制装置。

背景技术

在控制燃气轮机的低NOx燃烧室的过程中，需要将供至燃烧室的燃烧空气与燃料的量之间的比值，即燃料—空气比，保持在预定范围内。出于该原因，燃料量需要被精确、迅速地检测。

在利用燃气轮机控制装置的燃气轮机的燃料—空气比控制中，燃气轮机的机械输出功率已经被视为燃料量的指示器。为了测量燃气轮机的机械输出功率，已经利用了发电机的输出功率(发电机的有效功率)。即，基于以下所示关系等式，发电机的输出功率被用作表示燃料量的信号。使用发电机输出功率的原因是，与用于测量燃料量的流量计相比，用于测量发电机输出功率的功率变换器(发电机有效功率瓦特计)具有高精度、高检测速度以及高可靠性(多路传输也容易)的特征。

燃料量＝供入燃气轮机的能量＝燃气轮机的机械输出功率＝发电机的输出功率

日本专利出版物No.1995-111148公开了—种加速控制方法，用于使用燃气轮机转速信号的两轴燃气轮机。

当发电机有效功率瓦特计被用于测量燃气轮机机械输出功率时，如上所述，在燃气轮机以恒定转速旋转的正常稳定的操作状态下，燃气轮机的全部机械输出功率被转换成发电机输出功率。这样，以下关系式成立，并且不会出现问题：

燃气轮机机械输出功率＝发电机的输出功率(发电机的有效功率)

然而，一般地，即使供至燃烧室的燃料量几乎恒定，并且发电机以恒定的输出功率运行，也可能有在与发电机连接的电力系统中发生扰动的情况(即，诸如电力传输系统的通断等)。在这种情况下，在电力系统中发生电流波动，导致有效功率、无效功率以及功率因数的改变。即，如果在电力系统或类似系统中产生扰动，电力系统就会陷入不能稳定接收电力的状态，结果上述等式关系式被瞬时破坏。在这种状态下，不是全部的燃气轮机机械输出功率都被转换成发电机输出功率，没有被转换成发电机输出功率的一部分燃气轮机机械输出功率被转换成燃气轮机的转动能。结果，燃气轮机的转速改变。因此，在这种瞬态期，燃料—空气比控制偏离最佳状态，从而产生问题，诸如在燃烧室中发生燃烧振动。发生燃烧振动成为燃烧室不点火或燃烧室损坏的原因。

发明内容

本发明是鉴于上述情况而做出的。本发明的目的是提供一种涡轮机械输出功率计算装置，即使在由于电力系统或类似系统中的扰动使得发电机输出功率波动，从而改变燃气轮机转速的瞬态中，所述装置也能更精确地检测燃气轮机的机械输出功率，因此能将燃烧室的燃料—空气比保持在适当的范围内；本发明还提供了一种装备有所述涡轮机械输出功率计算装置的燃气轮机控制装置。

作为实现上述目标的本发明的第一方面，涡轮机械输出功率计算装置是用于计算旋转地驱动发电机的涡轮的机械输出功率的涡轮机械输出功率计算装置，所述涡轮机械输出功率计算装置适于通过以下公式计算涡轮的机械输出功率：

$P=\mathrm{Pe}+J\×g\×{\left(\frac{2\mathrm{\π}}{60}\right)}^2\×N\×\frac{\mathrm{dN}}{\mathrm{dt}}$

其中Pe表示通过发电机输出功率测量装置而测得的发电机的输出功率，N表示通过涡轮转速测量装置而测得的涡轮的转速，J表示涡轮的惯性矩，以及g表示重力加速度。

根据如本发明第一方面所述的涡轮机械输出功率计算装置，不仅使用发电机输出功率，而且还实施对上述公式的计算；即，基于涡轮转速的波动进行校正。在这些条件下，涡轮机械输出功率被确定。这样，即使在由于电力系统或类似系统中的扰动使得发电机输出功率波动，从而燃气轮机的转速变化的瞬态下，也能更精确地获得涡轮机械输出功率。

本发明的另一方面是燃气轮机控制装置，包括：如本发明第一方面的涡轮机械输出功率计算装置；燃料量控制装置，所述燃料量控制装置基于设定的负载值以及通过发电机输出测量装置所测量的发电机输出功率对供至燃烧室的燃料量进行控制；以及燃烧空气量控制装置，所述燃烧空气量控制装置基于涡轮机械输出功率计算装置所计算的燃气轮机机械输出功率对供至燃烧室的燃烧空气量进行控制。

根据如本发明第二方面的燃气轮机控制装置，即使在由于电力系统或类似系统中的扰动使得电力变换器所测量的发电机有效功率波动，从而燃气轮机的转速变化的瞬态下，也能基于燃气轮机机械输出功率计算装置所确定的校正燃气轮机机械输出功率来控制燃烧空气的量。结果，燃烧室的燃料—空气比能够保持在适当的范围内。因而，能减小燃烧室中燃烧振动等问题的发生，并且燃烧变得稳定，从而能提高燃气轮机的操作性能，并且能限制燃气轮机寿命的缩短。

附图简述

通过以下的详细描述以及附图，本发明将变得更易于理解，其中所述附图只是以示例的方式给出，而不是对本发明的限制，其中：

图1是装备有根据本发明实施例的所述涡轮机械输出功率计算装置的燃气轮机控制装置的构造方框图。

具体实施方式

下面参考附图详细描述本发明的实施例，但其不是对本发明的限制。

如图1所示，燃气轮机系统1具有燃气轮机2、燃烧室3、压缩机4、发电机5以及用于控制这些部件的燃气轮机控制装置20。

燃烧室3置于燃气轮机2的上游，并且插入在燃气轮机2与压缩机4之间。燃气轮机2的转轴、压缩机4的转轴以及发电机5的转轴10连接在一起，从而压缩机4和发电机5能被燃气轮机2驱动转动。

燃料控制阀6连接至燃烧室3，对燃料控制阀6的打开程度的调整引起对从燃料供应装备(未示出)供至燃烧室3的燃料量的调整。压缩机4装备有入口引导叶片(可变叶片)7，通过对入口引导叶片7的打开程度的调整来调整压缩机4的进气量，从而可以调整从压缩机4供至燃烧室3的被压缩空气的量。燃烧室旁路阀9设置在燃烧室旁路管8上，其中燃烧室旁路管8从燃烧室3的上游侧(压缩机侧)通向下游侧(燃气轮机侧)，也可以通过调整燃烧室旁路阀9的打开程度来调整从压缩机4供至燃烧室3的压缩空气的量。

在燃烧室3中，从燃料供给设备供给的燃料与从压缩机4供给的压缩空气混合，并且燃烧以形成燃烧气体，从而驱动燃气轮机2旋转。结果，压缩机4被燃气轮机2驱动转动以形成压缩空气，同时发电机5被燃气轮机2驱动转动以产生电流。所得电流的电力被传送至与发电机5连接的电力系统(未示出)。

通过作为涡轮转速测量装置的燃气轮机转速计11来测量燃气轮机2的转速。通过作为发电机输出功率测量装置的发电机有效功率瓦特计12来测量发电机5的输出功率(即，发电机有效功率)。

燃气轮机控制装置20具有作为燃料量控制装置的燃料量控制器23以及燃烧空气量控制单元21。燃烧空气量控制单元21设有燃气轮机机械输出功率计算装置22以及作为燃烧空气量控制装置的燃烧空气量控制器26。构成燃气轮机控制装置20的每个装置可以包括计算机软件或者硬件。

在燃料量控制器23中，基于作为发电机输出功率(发电机有效功率)的目标值的设定负载值来控制供至燃烧室3的燃料量，并且通过发电机有效功率瓦特计12测量发电机输出功率(发电机有效功率)。

具体而言，燃料量控制器23具有偏差计算装置24以及负载控制器25。在偏差计算装置24中，通过计算来确定设定负载值与由发电机有效功率瓦特计12测量的发电机输出功率(发电机有效功率)之间的偏差。负载控制器25例如实施PID(比例—积分—微分)控制以将对应于偏差计算装置24确定的偏差的燃料量控制信号发送至燃料控制阀6。基于该燃料量控制信号，燃料控制阀6的打开程度被控制以控制从燃料供应设备供至燃烧室3的燃料量。这样，供至燃烧室3的燃料量变为与设定负载值对应的量，并且发电机输出功率等于设定负载值。J

在燃气轮机机械输出功率计算装置22中，基于燃气轮机2的由发电机有效功率瓦特计12测量的发电机输出功率(发电机有效功率)Pe、由燃气轮机转速计11测量的燃气轮机转速N、燃气轮机2的惯性矩J以及重力加速度g，并根据以下公式(1)计算燃气轮机2的机械输出功率P：

$P=\mathrm{Pe}+J\×g\×{\left(\frac{2\mathrm{\π}}{60}\right)}^2\×N\×\frac{\mathrm{dN}}{\mathrm{dt}}---\left(1\right)$

公式(1)基于转子运动公式。即，以下所示转子运动的公式(2)给出以下所示燃气轮机机械输出功率P的公式(3)。公式(3)中燃气轮机2的角速度ω由以下所示公式(4)给出。这样，将公式(4)代入公式(3)中得出上述公式(1)。

$J\×\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}=\frac{P-\mathrm{Pe}}{g\×\mathrm{\ω}}---\left(2\right)$

$P=\mathrm{Pe}+J\×g\×\mathrm{\ω}\×\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}---\left(3\right)$

$\mathrm{\ω}=2\×\mathrm{\π}\×\frac{N}{60}---\left(4\right)$

J：涡轮的惯性矩[kg·m²]

ω：涡轮角速度[rad/sec]

P：涡轮机械输出功率[W]

Pe：发电机有效功率[W]

N：涡轮转速[rpm]

g：重力加速度[m/sec²]

基于图1结合具体情况描述本发明。燃气轮机机械输出功率计算装置22具有转速校正计算装置27以及加法装置28。在转速校正计算装置27中，进行以下所示表达式(5)的计算。表达式(5)是与公式(1)中右侧第二项对应的表达式，表达式(5)中的K是由以下所示公式(6)给定的常数。在加法装置28中，在转速校正计算装置27中计算的表达式(5)的计算结果和发电机有效功率瓦特计12所测得的发电机输出功率(发电机有效功率)Pe被加到一起(即，公式(1)的计算被实施)，以得出燃气轮机机械输出功率P，所得燃气轮机机械输出功率P被输出至燃烧空气量控制器26。

$K\×N\×\frac{\mathrm{dN}}{\mathrm{dt}}---\left(5\right)$

$K=J\×g\×{\left(\frac{2\mathrm{\π}}{60}\right)}^2---\left(6\right)$

燃烧空气量控制器26基于燃气轮机机械输出功率计算装置22所计算的燃气轮机机械输出功率来控制被供至燃烧室3的燃烧空气量。

具体而言，燃烧空气量控制器26具有第一阀打开程度表29以及第二阀打开程度表30。第一阀打开程度表29是示出燃气轮机机械输出功率P(图中的横坐标)与入口引导叶片7的打开程度(图中的纵坐标)之间的关系的表。预先通过计算和测试建立该表。第二阀打开程度表30是示出燃气轮机机械输出功率P(图中的横坐标)与燃烧室旁路阀9的打开程度(图中的纵坐标)之间的关系的表。预先通过计算和测试建立该表。这里，燃气轮机机械输出功率P用作供至燃烧室3的燃料量的指示器。这样，第一阀打开程度表29用作示出燃料量与入口引导叶片的打开程度(即，燃烧空气量)之间的关系的表，而第二阀打开程度表30用作示出燃料量与燃烧室旁路阀的打开程度(即，燃烧空气量)之间的关系的表。

因此，第一阀打开程度表29响应于燃气轮机机械输出功率P(燃料量)输出入口引导叶片打开程度信号，基于入口引导叶片打开程度信号调整入口引导叶片4的打开程度。第二阀打开程度表30响应于燃气轮机机械输出功率P(燃料量)输出燃烧室旁路阀打开程度信号，并且基于燃烧室旁路阀打开程度信号调整燃烧室旁路阀9的打开程度。这样，将要被供至燃烧室3的燃烧空气量(压缩空气量)变成将要被供至燃烧室3的燃料量的最佳量。这样，燃料量与燃烧空气量的比值(燃料—空气比)被保持在预定范围内。在所示实施例中，当负载(燃气轮机机械输出功率)高时，主要通过调整入口引导阀7的打开程度来调整燃烧空气量。当负载(燃气轮机机械输出功率)已经降低时，燃烧室旁路阀9的打开程度也被调整以调整燃烧空气的量。

根据本实施例的燃气轮机机械输出功率计算装置22，如上所述，不仅发电机有效功率Pe被使用，而且实施公式(1)的计算；即，基于燃气轮机的转速N的波动(见前述表达式(5))进行校正。在这些条件下，燃气轮机机械输出功率P被确定。这样，即使在由于电力系统或类似系统中的扰动使发电机有效功率发生波动，于是燃气轮机转速N发生变化的瞬态中，也能更精确地获得燃气轮机机械输出功率P。

本实施例的燃气轮机控制装置20装备有：上述燃气轮机机械输出功率计算装置22；燃料量控制器23，用于基于发电机有效功率瓦特计12测得的发电机输出功率(发电机有效功率)和设定负载值控制供至燃烧室3的燃料量；以及燃烧空气量控制器26，用于基于燃气轮机机械输出功率计算装置22所计算的燃气轮机机械输出功率P对供至燃烧室3的燃烧空气量进行控制。这样，即使在由于电力系统或类似系统中的扰动使发电机有效功率瓦特计12所测量的发电机有效功率发生波动，因而燃气轮机转速N发生变化的瞬态中，也能基于燃气轮机机械输出功率计算装置22所确定的校正燃气轮机机械输出功率P控制燃烧空气的量。结果，燃烧室3的燃料—空气比能保持在适当的范围内。因而，能减少在燃烧室3中的燃烧振动等问题的发生，并且燃烧变得稳定，从而燃气轮机2的操作性能被提高，并能限制燃气轮机寿命的缩短。

尽管已经通过前述实施例描述了本发明，然而应该理解，本发明不限于此，而是可以以多种方式进行变更实施。这种变更实施方式不视为脱离本发明的实质和范围，并且对于本领域普通技术人员来说将是显而易见的所有这种变更实施方式都将包括在所附权利要求的范围内。

Claims (2)

1.一种涡轮机械输出功率计算装置，用于计算转动地驱动发电机的涡轮的机械输出功率，

所述涡轮机械输出功率计算装置适于通过以下公式计算所述涡轮的机械输出功率：

$P=\mathrm{Pe}+J\×g\×{\left(\frac{2\mathrm{\π}}{60}\right)}^2\×N\×\frac{\mathrm{dN}}{\mathrm{dt}}$

其中Pe表示通过发电机输出功率测量装置而测得的所述发电机的输出功率，N表示通过涡轮转速测量装置而测得的所述涡轮的转速，J表示所述涡轮的惯性矩，以及g表示重力加速度。

2.一种燃气轮机控制装置，包括：

如权利要求1所述的涡轮机械输出功率计算装置；

燃料量控制装置，所述燃料量控制装置基于设定的负载值以及通过所述发电机输出功能测量装置所测量的所述发电机的输出功率，对供至燃烧室的燃料量进行控制；以及

燃烧空气量控制装置，所述燃烧空气量控制装置基于所述涡轮机械输出功率计算装置所计算的燃气轮机机械输出功率，对供至所述燃烧室的燃烧空气量进行控制。

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