CN1782344A - 用于主要和辅助燃料回路的调节阀 - Google Patents

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Abstract

一种燃气轮机(10)燃烧系统，它具有：多个燃烧室(14)；多个用于每个燃烧室的燃料喷嘴(16，18，20)；多根用于将燃料供应到每个该燃烧室内的至少一个该喷嘴的歧管(22，24，26)，每个歧管具有用于该燃料喷嘴的燃料微调控制阀(28，30，32)，其中该燃料微调控制阀安装在多根歧管上以便计量到达燃烧室内燃料喷嘴的燃料；以及一个微调阀控制器(50)，它自动驱动一个或更多燃料微调阀以便根据多个燃气轮机工作状态(100，120，140)调节到达该喷嘴的燃料。

Description

用于主要和辅助燃料回路的调节阀
                     技术领域
本发明涉及驱动在一台燃气轮机中适于调节每个燃烧室的微调阀。更具体地说，本发明涉及一种用于自动驱动多个燃烧室的多个燃料微调阀的系统和方法。
                     背景技术
工业燃气轮机中的燃烧器具有许多围绕涡轮机外壳布置的燃烧室。来自压缩机的高压空气流入该室并且在那里与燃料混合。燃料通过多个喷嘴喷入多个室。由该空气和燃料混合物燃烧生成的热气体从多个燃烧室流入多个涡轮，所述涡轮通常包括一个用来驱动压缩机的高压涡轮以及一个用来提供输出功率的低压涡轮。
每个燃烧室限定出一个通常呈圆柱形的燃烧区域。在该燃烧区域的上游，多个室各自具有多个将燃料喷入该区域的燃料喷嘴。到达每个喷嘴(或喷嘴组)的燃料流量由一个微调阀进行调节。调节该微调阀对于流到每个燃烧室内每个燃料喷嘴的燃料量提供一定程度的精确控制。微调阀可用来在燃气轮机内调节到达每个燃烧室的燃料流量，以将燃烧器压力波动、氧化氮、一氧化碳和未燃烧的烃减到最小程度。在已公布的美国专利申请NO.2003/0144787 A1中披露了一种现有技术中的燃料微调系统。
燃料微调阀通常用来调节进入工业燃气轮机多室燃烧器内一个燃烧室的每个喷嘴的燃料。通常，微调阀用来使进入每个燃烧室的燃料和燃烧空气混合物最佳化，以至于该空气-燃料混合物的燃烧使氧化氮(NOX)、一氧化碳(CO)和未燃烃(UHC)的产生减到最小程度。为了使CO和UHC减到最小程度并达到总体的更大效能，所希望的是增高燃气轮机内的燃烧温度。然而，随着燃烧温度增高，在燃气轮机内NOX的氧化也剧增。
燃料微调阀提供一种手段，用以便调节到达多个单独喷嘴和燃烧室的燃料流量，从而补偿到达每个室的燃料对空气比值的变化。设置空气-燃料比涉及以下两者之间的精细平衡：即(1)用增加燃烧温度而增大燃气轮机功率和/或使未燃烃(UHC)和一氧化碳(CO)减至最小程度；以及(2)通过稀释空气-燃料比而降低燃烧温度从而使氧化氮(NOX)减至最小程度。在一台工业燃气轮机的多个燃烧室内达到均匀的温度和压力分布是格外困难的。在多个燃烧室之间的空气流量变化使得在所有燃烧室中保持恒定的空气-燃料比十分困难。CO排出物倾向于比NOX排出物对于从室到室的燃料对空气比值的变化更加敏感。调节到达多个单独燃烧室的空气流能用来在保持燃气轮机良好工作状况的同时减少CO排放的总量。
具有多根歧管的燃料供应系统是已公知的，所述歧管用来给多室燃气轮机每个燃烧室内的多个燃料喷嘴供应燃料。具有一个用来控制每个燃烧室内每个燃料喷嘴的燃料微调阀或者说为每个燃烧室内每个燃料喷嘴装备一个燃料微调阀不是常规的。为每个燃烧室内的每个燃料喷嘴提供燃料微调阀存在多个困难，包括：(1)为了给每个燃料喷嘴装一个燃料微调阀，燃气轮机引擎内的管系空间有限；(2)为了增加效率通常要装多根燃料歧管，以便通过每个燃料微调阀的压降不超出一个小的均匀范围；以及(3)手动调节每个燃烧室内的每个燃料微调阀是一项艰巨的任务。
长期以来一直需要一种控制多室燃气轮机空气-燃料比的系统和方法。还需要多种系统和方法，它们用于控制多室燃气轮机每个燃烧室内的空气-燃料混合物，致使燃烧室压力波动减小，而且对于该燃气轮机的给定能量输出水平而言将燃烧室压力波动的传播、NOX、UHC和CO的排放减至最小程度。还需要多种简单的系统和方法，它们用于自动调节每个燃烧室内的每个燃料阀，致使每个燃烧室内的空气-燃料比能得到优化以便使燃烧室压力波动减至最小程度并减小该燃气轮机的NOX、UHC和CO排放。还需要设计一种微调阀调节策略，所述策略整理燃气轮机动态特性、排出物、排气温度分布以及其它传感器数据，以便获得一种用于每个燃料阀的适当设置，所述燃料阀调节每个燃烧室的流量。
                        发明内容
本主题中的燃气轮机具有多个燃烧室，并且每个室内具有多个燃料喷嘴。每个喷嘴具有它自己的燃料微调阀以便控制流到该喷嘴的燃料。为了使通过该燃料控制阀的压降减至最小程度，采用多根歧管。每根歧管将燃料供应到多个燃烧室的每一个内的至少一个燃料喷嘴。多个燃料微调控制阀安装在多根歧管上，以至于该燃料微调控制阀和喷嘴的重量由歧管而不由燃烧室承担。多根歧管紧凑地排列在燃气轮机外壳周围。每根歧管将燃料供应到多个燃烧室的每一个内的至少一个燃料喷嘴。
测量来自所述多个燃烧室的排出气体用的多个热电偶被用来感知气体排气温度。多个燃烧动态传感器测量每个燃烧室内的燃烧器动态特性，例如“冷状态(cold tones)”。位于燃气轮机排气口处的多个排出物传感器用来测量来自多个燃烧室的UHC、NOX和CO排出物。
一个计算机控制器和一系列电子或机械致动器自动调节多个微调阀以便调节燃烧室内的多个喷嘴。该控制器接收多个输入信号，所述信号来自：该排气口处的多个温度传感器，位于气体歧管内每个燃料阀下游的多个燃料压力传感器，在每个燃烧室上的多个动态压力传感器以及在该涡轮机排气口和排气管内的多个排出物传感器。根据这些输入信号，该控制器调节多个微调阀以便调节多个单独燃烧室内的燃烧反应，从而将该涡轮机排出气体内的氧化氮、未燃烃和一氧化碳减至最少。每个燃烧室内的燃烧反应也可相对于其它燃烧室内燃烧反应保持平衡。例如，多个燃烧室中的每一个可被调节，以至于没有一个燃烧室以比其它室的空气-燃料比更高或更低的空气-燃料比进行工作。多个室还可被调节，以至于每个室在一个空气-燃料比值情况下工作，所述空气-燃料比值不超出其余燃烧室该比值的大约百分之一。
在一个实施例中，本发明是一种燃气轮机燃烧系统，它包括：多个燃烧室；多个用于每个所述燃烧室的燃料喷嘴；多根用于将燃料供应到每个所述燃烧室内的至少一个燃料喷嘴的歧管，所述多根歧管的每一根具有用于所述燃料喷嘴的燃料微调控制阀，其中所述燃料微调控制阀安装在所述多根歧管上以便计量到达该燃烧室内多个所述燃料喷嘴的燃料；以及一个微调阀控制器，所述微调阀控制器自动驱动一个或更多燃料微调阀以便根据燃气轮机工作状态调节到达该燃料喷嘴的燃料。该燃气轮机工作状态可包括一个排出气体温度分布，而且该控制器使该排出气体温度分布的某些区域与一个或更多该燃烧室相关联，并且该控制器驱动多个燃料微调阀以便修正该排出气体温度分布。该燃气轮机工作状态可进一步包括在多个该燃烧室内的动态压力波动，并且该控制器驱动多个燃料微调阀从而使穿过多个燃烧室的多个动态压力波动是均匀的。此外，该燃气轮机工作状态可进一步包括一个排放水平分布，而且该控制器使该排放水平分布的某些区域与一个或更多该燃烧室相关联，并且该控制器驱动多个燃料微调阀以便修正该排放水平分布。多根歧管可各自包括一个燃料供应管线的环形章鱼状结构，所述供应管线将歧管连接在该燃料喷嘴之一上，其中多个微调控制阀各自安装在一根相应的燃料供应管线上。
在另一个实施例中，本发明是一种燃气轮机燃烧系统，它包括：多个燃烧室；多个用于每个所述燃烧室的燃料喷嘴；多根用于将燃料供应到每个所述燃烧室内的至少一个燃料喷嘴的歧管，所述多根歧管中的每一根具有在为所述燃料喷嘴供应燃料的燃料回路内的多块孔板或其它多个流量计量装置，而且多块孔板或其它多个流量计量装置具有一定尺寸，以便将该燃气轮机排气口内的压力波动、氧化氮、一氧化碳和未燃烃减至最小程度。
本发明还可具体化为一种燃气轮机燃烧系统，它包括：多个燃烧室；多个用于每个所述燃烧室的燃料喷嘴；多根用于将燃料供应到每个所述燃烧室内的至少一个燃料喷嘴的歧管，其中每根歧管已装在所述燃料喷嘴用的多个燃料微调阀上；多个用来测量来自多个燃烧室的排出气体的传感器；以及一个微调阀控制器，所述控制器自动驱动一个或更多微调阀以便根据从传感器收集的排出气体数据调节到达多个燃料喷嘴的燃料流量。所述传感器可包括布置成一排的多个热电偶以便感知在排出气体不同区域处的排气温度，并且该控制器使被感知排气温度与多个燃烧室的单独室相关联。
本发明可具体化为一种用于调节到达一台燃气轮机内多个单独燃烧室的燃料流量的方法，所述燃气轮机具有多个用于各自燃烧室的燃料喷嘴，以及多根用来将燃料供应到每个燃烧室内至少一个喷嘴的歧管，其中该歧管具有多个用于所述燃料喷嘴的燃料微调阀以及一个用来调节该微调阀的控制器，该方法包括：通过至少一根歧管将燃料供应到多个燃烧室；使该燃料在多个燃烧室内燃烧并产生驱动该燃气轮机的排出气体；感知在排出气体多个不同排出区域处的排出气体状态；使被感知的多个区域之一处的排出气体状态与一个相应燃烧室相关联，并根据被感知的用于与该相应室相关联的排出区域的工作状态调节相应燃烧室的至少一个燃料微调阀。该方法可进一步包括：根据被感知状态确定该相应燃烧室是否正在相对于其它燃烧室在燃料匮乏或燃料充足条件下工作，并且调节相应燃烧室的燃料控制阀以便将该燃料匮乏或燃料充足状态减至最小程度。
本发明还可具体化为一种调节到达一台燃气轮机多个单独燃烧室的燃料流量的方法，它包括：测量在该燃气轮机多个排出区域处的排出气体温度；利用一张使排出区域与相应燃烧室相关的涡流图，使测得的排出气体温度之一与燃烧室之一相关联，根据与被标识室相关联的测得排出气体温度，标识正在以与用于所有室的代表性空气-燃料混合物明显不同的空气-燃料混合物进行工作的燃烧室之一，并调节到达被标识燃烧室的燃料流量从而使被标识燃烧室内的空气-燃料混合物和该代表性空气-燃料混合物之间的差别减至最小。该涡流图可用于该燃气轮机的一个规定燃料负荷。该代表性空气-燃料混合物可用平均排出气体温度表示，被识别室的空气-燃料混合物用与被标识室相关联的测得排气温度表示，而所述差别是在与被标识室相关联的测得排气气体温度和平均排出气体温度之间的差异。该差别可被确定为一个用于被标识燃烧室的温度变化(Tv)，并且Tv等于(Teccx-Tgt)/Tgt，其中Teccx为被标识室的排气温度，而Tgt为该燃气轮机的平均排气温度。该方法可包括比较测得的燃料流量，并进一步包括借助于应用一个公式Fv＝(Fccx-Fgt)/Fgt将燃烧室之间的燃料流量变化(Fv)减至最小，此处Fccx为到达该被标识燃烧室(x)的总燃料流量，而Fgt为到达每个燃烧室的平均燃料流量，并且其中当室(x)的Fv为正值时减少用于该室(x)的燃料流量，当室(x)的Fv为负值时增加用于该室(x)的燃料流量，而且当室(x)的Fv极小时不调节燃料流量。
                        附图说明
下面根据不同附图描述本发明的多种系统和方法，其中：
图1是一台燃气轮机内多个燃烧室的示意侧视图，图中示出了多根歧管以及多个排气口热电偶；
图2是多根气体燃料歧管的一种章鱼状结构的前视图，所述歧管带有多个相关调节阀和电/机械致动器；
图3至5是用来驱动多个燃料歧管的调节阀的示范性方法流程图。
                    具体实施方式
已研发出一种用来调节燃气轮机以便增加其效率的系统和方法。通常，一台效率高的燃气轮机对于规定的能量输出而言具有最少的氧化氮、最少量的未燃烃以及最少量的一氧碳。为了调节燃气轮机，所希望的是到达该燃气轮机每个燃烧室的燃料流量相对于剩余的多个燃烧室而言正好平衡。
该系统和方法调节多个燃烧室中的每一个，以至于没有一个专门的燃烧室具有更高或更低的空气-燃料混合比。优选地，在每个室内的空气-燃料混合比不超出其余燃烧室的百分之一(1％)左右。对多个室被进行调节致使每个室的空气-燃料混合比朝向所有燃烧室的平均空气-燃料混合比移动。
每个喷嘴具有它自己的燃料控制阀以便控制流往该喷嘴的燃料。为使通过该燃料控制阀的压降减至最小程度，采用多根歧管。每根歧管将燃料或多种吹扫气体供应到该燃烧器多个燃烧室中每一个的至少一个燃料喷嘴。燃料控制阀安装在该歧管上，因而燃料控制阀和喷嘴的重量由多根歧管承担，而不是由多个燃烧室承担。
在一种方法中，燃气轮机根据排出气体的温度分布进行调节。在该涡轮机排气口周围不同点处的温度按照涡流图与每个燃烧室相关联，所述涡流图在规定燃料负荷情况下使每个燃烧室与一个排气区域相关。该涡流图和排气温度用来识别每个燃烧室是否正在按高、低或平均混合比工作。燃烧室按下法进行调节：为被识别为低混合比的每个所述燃烧室增加燃料负荷，以及为被识别为高混合比的每个燃烧室减少燃料负荷。每个室的燃料负荷借助于改变每个室的适当微调控制阀位置来进行调节。重复该调节过程直到所有燃烧室的排气温度不超出平均排气温度的例如1％左右为止。这个使排气温度变化最小化的过程将每个燃烧室之间的变化减至最小程度。
图1显示一台燃气轮机10的示意局部剖视图。燃气轮机，尤其是工业燃气轮机，具有多个燃烧室14，并且每个室具有多个燃料喷嘴16、18、20。每个喷嘴具有它自己的燃料控制阀28、30、32以便控制流到该喷嘴的燃料。为了使通过燃料控制阀的压降最小化，通常采用多根燃料歧管22，24，26。每根歧管通常将燃料供应到多个燃烧室的每一个内的至少一个燃料喷嘴。燃料控制阀安装在歧管上以使得该燃料控制阀和喷嘴的重量由歧管而不是由多个燃烧室承担。
图1没有显示空气压缩机或者说关于将燃烧空气供应到该燃气轮机的细节，因为这些细节在该项技术中是已公知和常规的。该燃气轮机的涡轮排气出口12位于燃烧室和相关涡轮的下游。多个燃烧室14被显示为围绕着该燃气轮机外壳的1号燃烧室(CC1)、2号燃烧室(CC2)、3号燃烧室(CC3)、4号燃烧室(CC4)等等，直至燃烧室(CCX)。取决于燃气轮机10所需的能量输出，燃烧室14的数量可变。一台典型工业燃气轮机具有十至十四个围绕涡轮机外壳呈环状布置的燃烧室。
在燃气轮机10的排气出口口处具有围绕燃气轮机10周边布置的多个热电偶40。热电偶(TC1，TC2，TC3......TCn)的数量只是设计问题。对于一台具有十至十四个燃烧室的工业燃气轮机来说，呈圆形排列布置有十八至二十七个热电偶(也可能是多个同心圆排列)。燃烧室、歧管、喷嘴和热电偶的数量可根据来自该燃气轮机的所需能量输出而改变。每个燃烧室内的动态压力水平可由动态压力传感器52进行监测。在燃气轮机10的圆周内部还包括多个围绕着排出涡轮气流的周边分布的排出物传感器端口(EP1，EP2，EP3......EPn)54。通常还能具有至少一个用于测量来自整个排出气流的总排放置的排出物传感器端口(EPC)53。
每个燃烧室14具有多个用来向燃料室供应燃料的燃料喷嘴16、18、20。燃料喷嘴的数量和它们在每个燃烧室14内的位置只是设计问题。通常，采用足够多的燃料喷嘴以便获得通过每个燃烧室的均匀的燃料和空气流。多个歧管22、24、26分别为每个燃料喷嘴16、18和20供应燃料。多根歧管被用以使从该歧管到燃料喷嘴的压降最小化。所采用歧管的数量只是设计问题。
每根歧管22、24和26分别支承燃料微调控制阀28、30和32，并与所述阀分别流体连通。可调节的燃料孔可用于替代燃料微调控制阀或与燃料微调控制阀结合使用。具体地说，歧管22支承多个燃料控制阀28，并且每个燃烧室14与直接连接在歧管22上的至少一个燃料控制阀28相联。每个燃料控制阀28计量从歧管22流到其相关燃料喷嘴18的燃料量。同样，燃料歧管24支承多个燃料控制阀30，并且每个燃烧室14与至少一个燃料控制阀30相联。每个燃料阀30计量从歧管24流到其相关的一个或多个燃料喷嘴16的燃料量。此外，歧管26具有多个燃料控制阀32，它们由该歧管支承并与每个燃烧室14流体连通。
控制阀32与歧管26直接连接，并与在每个燃烧室14内的相关燃料喷嘴20相连接。燃料阀32控制从歧管26流到燃料喷嘴20的燃料量。每根歧管可连接到每个相关燃料控制阀上，或者另一种可选方式是，每根歧管可连接到比全部少的相关燃料控制阀上。这是一种设计选择，它取决于在该燃气轮机内部或周围的管道系统空间以及通过燃料控制阀的压降。多根供应管线34将每个燃料喷嘴16连接到燃料控制阀30上。同样，每根供应管线36使每个燃料喷嘴18与它的相应和相关的燃料控制阀28相连。每根供应管线38将每个燃料喷嘴20连接到燃料控制阀32上，而后者与歧管26流体连通。多根歧管的成本可被在燃料从歧管通过燃料控制阀和各自供应管线流到各自燃烧室14内的燃料喷嘴时的过度压降抵消。如果太多的燃料控制阀和相关燃料喷嘴源于一根歧管，那么通过每个燃料控制阀的压降可不与通过其它阀的压降一致。
图2是一幅前视图，它显示燃气轮机10三根燃料歧管22、24、26的一种示范性套装章鱼状结构42。燃气轮机外壳用虚线表示，该套装章鱼状结构形成一个围绕该燃气轮机外壳的一个环形阵列并可贴近每个燃烧室14的燃料喷射端部。一个固定在基座或者地面上的外框架25支承着这些歧管。燃料歧管例如可能是一根主要燃料歧管22，一根转换歧管24以及一根辅助燃料歧管26。三组歧管22、24和26分别支承着燃料控制阀28、30和32并与所述阀流体连通。然而，歧管之一可能提供转换气体以便在从一种燃料变换成另一种期间吹扫多个喷嘴和燃料回路。这些歧管可各自做成与它们携带的燃料或转换气体相应的尺寸。例如，主要歧管22可具有比辅助燃料歧管26更大的尺寸。
主要燃料歧管22支承着多个燃料控制阀28，每个阀28分别与一个相应的燃烧室14的中央燃料喷嘴18相联。每个燃料控制阀28调节从歧管22流到它的相关燃料喷嘴18的燃料量。辅助燃料歧管26具有多个控制阀32，每个阀32分别与相应燃烧室的燃料喷嘴相联并调节到达那些燃料喷嘴20的燃料流量。每根歧管可连接到每个相关燃料控制阀上，或者另一种可选方式是，每根歧管可连接到比全部少的相关燃料控制阀上。歧管及其相应控制阀的该特殊结构和尺寸只是设计问题，它取决于在该燃气轮机内和周围的管道系统空间以及通过燃料控制阀的压降。
歧管22、24、26各自支承着相应列的单独燃料供应管线36、34、38。每根供应管线在其相对端部可包括凸缘46，以便分别用螺栓固定在该燃料器燃料喷嘴的一根柔性导管(未显示)上。该燃料歧管可包括要被连接在供应燃料或转换气体的导管上的端部凸缘44。主要燃料歧管22包括多根主要燃料供应管线36的一个环形阵列，管线36各自朝向燃料器的一个相应主要燃料喷嘴延伸且与后者相连接。同样，辅助燃料歧管26包括多根辅助燃料供应管线38的一个环形阵列，管线38各自朝向燃料器的一个相应辅助燃料喷嘴延伸且与后者相连接。该主要和辅助燃料供应管线各自包括一个相应的微调阀28、32。
在多根较大的主要燃料供应管线36上的多个微调阀28可能比在较小的辅助燃料供应管线38上的多个微调阀32大，前者例如为2英寸阀，而后者例如为1英寸半阀。转换歧管24可能没有微调阀和/或致动器。除非该燃烧作业正在从一种工作模式变换成另一种模式，否则转换歧管通常可用压缩机排出的高温吹扫气体充满。在进行变换期间，来自转换歧管的吹扫气体流过多个燃料喷嘴以便在喷嘴阻塞或变换成另一种燃料之前从喷嘴中吹扫出燃料。
多个微调阀各自由一个相应的致动器48控制，所述致动器48与一个微调阀控制系统50相联。柔性驱动轴(类似于速度计缆绳)已被用于通过控制系统50驱动微调阀。使用将致动器48与控制系统50相连接的柔性驱动轴是考虑到在燃气轮机隔室的限定空间内容易机械地确定路线。控制系统50可为一台计算机或微处理系统，它根据例如为燃料形式、排出体温度环状分布和燃烧室内动态压力等一些输入信号执行阀控制算法。
微调阀控制器50将多个控制信号传送到致动器48以便调节燃料微调阀28和32。该控制系统可根据存储在该计算机控制器内的可执行燃料微调算法进行操作。该控制系统还能接收来自排气口内多个温度传感器热电偶40的排气温度数据、来自多个燃烧室内多个动态压力传感器52的数据、由燃气轮机排气口内多个排出物传感器54(EP1至EPn，以及EPC)收集的排出物数据、来自多根歧管的气体燃料压力数据以及与该燃气轮机工作状态相关的其它数据。
图3至5是用于自动调节多个单独燃料微调阀28、32的三种方法的流程图，所述阀28、32为连接到燃气轮机每个燃烧室内多个喷嘴的主要和辅助燃料回路上的阀。这些示范性的调节算法允许根据燃气轮机工作参数精确地控制多个燃料/流量阀。
在第一种方法100中，由多个热电偶40收集的温度数据提供用于多个排出气体温度的热量环形温度分布图的数据。按照在美国专利申请No.200/0183916 A1中描述的方式，通过调节气体涡流角，在该热量图上的多个角位置可与多个单独燃烧室有关。该热量图例如可能是一张极坐标图，它显示对该燃气轮机涡流角作出修正后的排出气体的排气温度分布。如果该温度极坐标图显示一个相对较圆的温度分布，那么多个燃烧室可假定在均匀燃烧温度情况下工作。而一个非圆温度图可能表示多个室内的燃烧温度存在显著温度变化。
涡流图指示在任何燃烧室和来自该燃烧室的排气通过燃气轮机出口12的位置之间的角度。在典型旋涡图中，燃气轮机功率输出被显示为该涡轮机额定输出功率，例如该涡轮机的标识功率，对应于不同涡流角的度数(1至90°)的一个百分数(0至100％)。在低功率输出情况下，该涡流角大，这是因为从该燃烧器到该涡轮排气口的燃烧气体的滞留时间相对较长，例如为1秒。在燃料/空气容积高的高输出情况下，该角度小，这是因为燃烧气体具有例如0.1秒的相对较短的滞留时间。一张显示在标识功率许多不同百分率情况下的该涡轮机流动涡流度的涡流图可用来使排气状态与燃烧室相关联。这种联系有助于调节在任何规定水平(例如在标识功率的50％至100％之间)。情况下的燃气轮机10，并且有助于调节每个燃烧室致使在多个燃烧室之间的变化减至最小程度。一旦该涡流数据被确定，计算机控制器50被用来在任何标识功率百分比水平情况下有效地操纵该燃气轮机。
该涡流图使一个规定的燃烧室与在各种规定燃料负荷情况下排气温度分布图中的一个位置相联系。为了产生一张涡流图，多个燃料微调阀一开始可设置在中间行程位置。调节单个燃烧器的一个微调阀以便增大或减小燃料流量从而在那一个燃烧器内形成一个“过热点”。该燃烧器内的该过热点应在排气温度分布图内产生一个相应的过热点。来自一个或多个排气热电偶的数据会指示在该排气口内某个区域处出现高温。那个排气口区域将对应于具有该“过热点”并且用于额定负荷百分率(该燃气轮机正在额定负荷百分率情况下工作)的燃烧器。通过增大或减小该燃气轮机的额定负荷百分率，该燃烧器排气过热点区域内的该负荷位置能跟踪该不同的负荷百分率。该涡流图可由与该过热点燃烧器有关的数据和燃气轮机的不同负荷情况下的排气温度数据产生。该涡流图还能通过在该燃气轮机内形成一个“过冷点”来构成，形成过冷点的方法为：使用燃料微调阀控制到达一个(或多个)燃烧室的流量，从而减少到达该室的流量。
控制器调节用来将燃料供应到多个单独室燃料喷嘴的多个微调阀，以便例如使多个室内的燃烧温度变得更加均匀。该调节微调阀的过程由从多个热电偶接收数据的微调阀控制器50自动进行，该过程确定该数据是否表示出多个室内燃烧温度分布的过度变化，从而驱动多个适当的微调阀以调节到达被选定室的燃料流量，并进一步确认新的排出气体温度数据表示出更加均匀的温度分布。
为了确定修正排气温度变化所需的燃料微调量值，可执行随后的计算。在步骤102中，收集多个温度数据值(TX1，TX2，...TXn)，这些值代表着相应于该燃气轮机内每个燃烧室的涡流修正排气温度。在步骤104中，计算多个排气温度的均值(Tmean)。在步骤105中，由用于每个燃烧室的该参考均值确定每个排气温度的偏差(TX1Δ，TX2Δ，...TXnΔ)。在步骤106中，调节从该燃烧器到该排气口的气体流动涡流用的多个温度数据值。按照这种方法，使多个排气温度阈与它们的最影响每个温度传感器处温度(TX1，TX2，...TXn)的燃烧器相对应。
在步骤107中，根据该燃气轮机作业的热力学模型，确定一个转换函数(“FTC”)，所述函数将一个燃烧室内的燃料流速与其相应的排气温度相关联。一个用于使排气温度与燃料流量相关联的示范性数学等式如下：
TX(排气)＝FTC(每个燃烧室的燃料流速，空气流速，...其它机械操作参数)。
该转换函数(FTC)模拟排气温度[TX(排气)]对于一个燃烧室内燃料流量的依赖关系。根据转换函数(FTC)能导出一种关系，所述关系表示出影响一个符合需要的排气温度[TX(排气)]变化所需的燃料流速调节量。在步骤108中，根据阀流动特性和气体燃料在歧管内流动的计算模型方面的知识，确定微调转换函数(g)，其中燃料微调量(在每根燃料回路中)＝g(FV1，FV2，...FVn)。FV1，FV2，...FVn描述该燃料阀的位置，例如对于每个燃烧器1，2，...n的开启、关闭或其间某一位置，此处“n”为燃烧器总个数。
在步骤110中，根据排气温度转换函数(“FTC”)和燃料微调转换函数(g)，控制器50确定燃料阀变化的量值，所述燃料阀被设置来调节任何一个燃烧室的排气温度与平均值的偏差。一个燃烧室的排气温度偏差可由一个该室的温度变量(Tv)来表示。Tv等于(Teccx-Tgt)/Tgt，其中Teccx是一个特定室的排气温度，而Tgt是该燃气轮机的一个平均或者说中间排气温度。如果Tv为正值，该燃烧室被视为正在以一种较高的空气一燃料混合比进行工作，于是应调节该室的微调阀以便减小该燃料流速。如果Tv为负值，该燃烧室被视为正在以一种较低的空气一燃料混合比进行工作，于是应调节该室的微调阀以便增大该燃料流速。一个Tv极小值，例如百分之一或更少，表示该燃烧室正在或十分接近对于所有燃烧室的中间或者说平均空气-燃料混合比情况下进行工作。该控制器借助于调节对应于Tv的室的多个燃料微调阀使Tv减至最小程度。该控制器把控制信号发送到适当的致动器48，以便根据在步骤110中确定的燃料阀设定改变量值调节该燃料微调阀。该控制器可按照一种反复和顺序的方式，例如借助于识别具有最大Tv的室并首先调节这些室的微调阀，将所有燃烧室的Tv减至最小程度。
把一个或更多燃烧室14内的空气-燃料混合物划分成富或贫的过程可通过下述方法得到简化：在该燃气轮机例如从100％额定负载容量缓慢地卸载到50％额定负载容量的同时，监控排气口热电偶数据。使用超过一个燃气轮机工作负荷范围的排气温度数据可识别正在较高或较低条件下工作的多个燃烧室。在较高条件下工作的多个燃烧室(它明显地来自一个过热点，该过热点相应于在排气温度分布图中超过负荷范围的那些室)可用下述方法进行调整：即通过微调阀减少燃料负荷并借此朝着平均排气温度降低排气温度中一个或更多过热点的温度。多个在较低条件下的燃烧室(在排气温度分布图中具有多个相应的“过冷点”)同样借助于增加它们的燃料负荷进行调节。在该燃气轮机的一个或更多负荷设定值情况下收集温度数据，识别排气温度分布图内的多个过冷和过热点并调节与该排气温度分布图内的过冷和过热点相应的那些燃烧室用的燃料微调阀，这种调节过程可递增和反复地执行，以便将排气温度分布图内的过度改变减至最小程度。
图4是第二种方法120的流程图，其中从每个燃烧器的动态压力传感器52获得燃烧器动态冷状态。该动态冷状态是在燃料流量和燃料裂解方面室到室变化用的指示器。燃料流量和裂解变化的影响对于CO总排放的影响可从燃烧器“冷状态”幅值的测量结果来感知。该“冷状态”指的是燃烧器的波动频率，其幅值随着该燃烧器点火温度降低而增大。
在步骤122中，从每个压力传感器收集数据。CT1，CT2，...CTn表示从燃气轮机每个燃烧室内的每个压力传感器52测量时冷状态的例如超过5分钟的时间平均幅值。该冷状态是一种对应于比其它多个燃烧室更冷地工作的燃烧室的频率。典型的冷状态处于70赫兹(Hz)至120Hz的频率范围。在步骤123中，确定均值冷状态幅值(CTmean)以及在该均值和每个燃烧室内测得冷状态之间的差值。
在步骤124中，根据燃气轮机和燃烧器工作的热力学模型，确定一个转换函数(“FDYN”)，它使一个燃烧室内的燃料流速与其相应的冷状态幅值按指数规律相联系。冷状态[CT(幅值)]可由下述转换函数进行模拟：FDYN(燃料流速，空气流速和其它机械操作参数)。FDYN通常具有下述形式：FDYN＝Aexp(-k*燃料流速)，其中A和k为正的常数。所需的冷状态幅值[CT(幅值)]的燃烧流速能从该FDYN转换函数得出。在步骤126中，通过利用该FDYN转换函数，以及关于阀流动特性、歧管内气体燃料流量计算模型的知识，得到微调阀转换函数“g”。例如，燃料微调量＝g(FV1，FV2，...FVn)，其中FV1，FV2...FVn描述在燃烧器1，2，...n上的燃料阀位置，而n为燃烧器总数。
在步骤128中，根据该冷状态幅值转换函数“FDYN”以及燃料微调转换函数“g”，控制器50能确定该燃料阀设定值的变化量值，以便调节任何一个燃烧室的冷状态幅值与平均或者说中间冷状态的偏差。该控制器发信号给多个致动器，从而对燃料微调阀设定值作出适当改变以便减少该冷状态与均值冷状态的偏差。在步骤130中，按照测得的冷状态，在来自时间平均冷状态的多个冷状态中具有最大偏差的多个燃烧室即远离均值的室可首先进行调节。然后，在步骤132中，调节每个远离均值的燃烧室上的燃料微调阀以便将对于每个远离均值室的燃烧器压力波动减至最小程度。
图5为方法140的流程图，该方法利用排气管CO排出物来调节燃气轮机。在步骤142中，该涡轮机排气口内的一氧化碳(CO)排出物由多个排出物传感器进行测量，所述多个排出物传感器位于围绕着排气口周边排列的多个环绕的排出物传感器端口EP1，EP2，...EPn处。这些排出物传感器以类似于从该排气口内的多个温度传感器获得室内温度分布的方式提供关于在多个燃烧室内CO排出物分布的数据。在步骤144中，在排出气流内的排气管平均排出物传感器端口EPC提供关于平均排出物水平的数据。另一种可选方式是，在用所有排出物传感器端口(EP1至EPn)进行测量时，该平均排放水平可为一个数学平均或者说均值排放水平。由每个单独的环绕传感器端口测得的排放水平和该排放平均值之间的差提供在燃气轮机内室到室的燃料流量变化量。
在步骤146中，多个燃料微调阀一开始可设置在某个中间行程位置。在步骤148中，从传感器EP1至EPn收集CO排放数据，此处n是在排气口气流内的环绕排出物传感器的数量。使CO1(ref)，CO2(ref)，...COn(ref)为由排出物传感器EP1至EPn获得的测量结果。CO-Stack(ref)为一个值，它表示在多个阀处于中间行程位置情况下来自排气管平均CO(用EPC量测)的CO排放物的测得值。
在步骤150中，将一个已知量值的燃料微调变化引入一个单独燃烧室例如CC1，其方法为驱动适当的致动器48以便操纵在相应供应管线中用于CC1的燃料阀28。在步骤152中，测量该排气口内相应的CO排出物：CO1(trim-1)，CO2(trim-1)，...COn(trim-1)和CO-stack(trim-1)，其中trim-1表示对于在燃烧器CC1上的微调阀的例如为燃料峰值的调节。在步骤150中，该燃料微调量值变化可具有到达该燃烧室的总燃料流量的1-2％等级，并应是这样以至于它不干扰正常的燃烧作业。在步骤154中，将CC1的微调阀恢复到中间行程位置并调节燃烧器CC2的微调阀。对于每个燃烧室CC2，CC3，...CCn重复步骤150至154，其中n为燃烧室的总数。此外，可在该燃气轮机的不同燃料负荷情况下进行重复步骤150至154。
在步骤156中，形成一种预示来自一个单独燃烧室的CO排出物产量的热力学模型。该模型可为一个关系式，例如：
CO-single-chamber＝Bexp(-m*fule-flow-rate)
其中，CO-single-chamber为来自一个单独燃烧室的CO生产率，而B和m为正的常数。作为一个单独室CO排出物函数的燃料流速可由该热动态模型得出。此外，在排气管下游处测得的CO可根据一种在每个燃烧室处的CO产生的知识算出。因此，由该涡轮机排气口内多个传感器感知的CO排出物水平能与到达多个单独燃烧室的燃料流速相关。
根据阀流动特性和歧管内气体燃料流量计算模型的知识，确定该微调转换函数“g“，例如燃料微调量(在每根燃料回路中)＝g(FV1，FV2，...FVn)。FV1，FV2，...FVn描述在燃烧室CC1，CC2，...CCn上的燃料阀位置。根据该基准CO排出物即CO1(ref)，CO2(ref)，...COn(ref)，CO-stack(ref)以及在每个燃烧室中引入一个已知燃料微调时测得的CO排出物测量结果即CO1(trim)，CO2(trim)，...COn(trim)，CO-stack(trim)，热力学转换函数CO-single-chamber，以及燃料微调转换函数“g”，控制器50能确定在该燃料阀设定值的改变量值，从而调节任何一个燃烧室的燃料流量与平均值的偏差。
本发明的各种实施例已在满足本发明遇到的各种需要情况下得到描述。应该认识到，这些实施例只是对本发明各实施例的原理的描述。它的种种变型和修正对于熟悉本项技术的人员来说是显而易见的，这些变型和修正均不越出本发明的精神和范围。因此，本发明旨在覆盖落入所附权利要求和它们的等价方式范围内的所有适当变型和变化。
                    零件表
  附图标记   说明
  10   燃气轮机
  12   排气出口
  14   燃烧室
  16   燃料喷嘴
  18   燃料喷嘴
  20   燃料喷嘴
  22   歧管
  24   歧管
  25   框架
  26   歧管
  28   燃料控制阀(主要)
  30   燃料控制阀(转换)
  32   燃料控制阀(辅助)
  34   供应管线
  36   供应管线
  38   供应管线
  40   热电偶
  42   燃料歧管的章鱼状结构
  44   供应管线凸缘
  46   供应管线凸缘
  48   阀致动器
  50   阀控制器
  52   动态压力传感器
  53   中央排出物传感器
  54   排出物传感器
  100   根据排气温度分布调节燃料阀
  102   测量整圈布置排气口周围的温度
  104   确定均值温度
  105   确定每个温度测量结果与均值的偏差
  106   用于在燃料器和排气口之间产生气体涡流流动
  107   使排气温度与燃料流量相关联
  108   微调转换函数使微调阀位置与到达各自燃烧器的燃料流量相关联
  110   调节微调阀使得与均值温度的差别最小化
  120   根据动态音调调节多个微调阀
  122   由燃烧器内的压力传感器收集冷状态数据
  123   确定单独燃烧器的冷状态和平均冷状态之间的差值
  124   确定转换函数以便使压力信号音调与燃料流量相关联
  126   使燃料微调阀设定值与燃料流量相关联
  128   确定所需的微调阀调节量以便减少冷状态差别
  130   调节具有最大冷状态差异的室用的微调阀
  132   依次调节具有下一个最大冷状态差异的室用的微调阀
  140   根据排放量调节微调阀
  142   感知围绕涡轮机排出口周边的废气排放水平
  144   确定平均排放水平
  146   将多个微调阀设置在中间行程位置
  148   使排放水平与燃烧器相关联
  150   调节一个被选定燃烧器的微调阀
  152   测量围绕排气口周边的排放值
  154   将微调阀恢复到中间行程位置并调节下一个阀
  156   热力学模型预示来自一个用于给定燃料流量的单独室的排放量
  158   确定用于多个单独室的排放量变动
  160   确定所需的燃料流量改变以便使排放量变动减至最小程度

Claims (10)

1.一种燃气轮机(10)燃烧系统，它包括：
多个燃烧室(14)；
多个用于每个所述燃烧室的燃料喷嘴(16，18，20)；
多根用于将燃料供应到每个所述燃烧室内的至少一个所述燃料喷嘴的歧管(22，24，26)；
所述歧管具有用于所述燃料喷嘴的流量调节装置(28，30，32)，其中所述流量调节装置安装在所述歧管上以便调节到达所述燃烧室内所述喷嘴的燃料；以及
一个流量调节控制器(50)，它自动驱动一个或更多所述燃料微调阀以便根据燃气轮机工作状态(100，120，140)调节到达所述燃料喷嘴的燃料量。
2.根据权利要求1的燃气轮机，其特征为，所述燃气轮机是一台工业燃气轮机(10)并适于驱动一发电机。
3.根据权利要求1的燃气轮机，其特征为，所述流量调节装置(28，30，32)是燃料微调控制阀。
4.根据权利要求1的燃气轮机，其特征为，所述流量调节装置(28，30，32)是可调的燃料孔板。
5.根据权利要求1的燃气轮机，其特征为，所述燃气轮机工作状态进一步包括一个排出气体温度(102)分布，而且所述控制器使所述排出气体温度分布的某些区域与一个或更多所述燃烧室相关联，并且所述控制器驱动所述燃料微调阀(110)以便修正所述排出气体温度分布。
6.根据权利要求1的燃气轮机，其特征为，所述燃气轮机工作状态进一步包括在所述燃烧室内的动态压力波动(120)。
7.根据权利要求6的燃气轮机，其特征为，所述控制器驱动所述流量调节装置以便减少在多个所述燃烧室内的动态压力波动(128，130，132)。
8.根据权利要求1的燃气轮机，其特征为，所述多个燃气轮机工作状态进一步包括一个排出物水平分布(140)，而且所述控制器使所述排出物水平分布的某些区域与一个或更多所述燃烧室相关联，并且所述控制器驱动所述流量调节装置以便修改所述排出物水平分布(150，152，154)。
9.根据权利要求1的燃气轮机，其特征为，所述多个燃料喷嘴中的每一个包括一根将所述喷嘴连接在所述流量调节装置上的供应管线(34，36，38)。
10.根据权利要求1的燃气轮机燃烧系统，其特征为，所述歧管(22，24，26)各自包括一个燃料供应管线环形章鱼状结构，所述供应管线将所述歧管连接在所述燃料喷嘴之一上，而且多个所述流量调节装置各自安装在一根相应的燃料供应管线上。
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