CN1892001A - 回火检测设备、回火检测方法以及燃气轮机 - Google Patents

回火检测设备、回火检测方法以及燃气轮机 Download PDF

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Abstract

当燃烧器(2－1至2－8)中的一个燃烧器(2－x)的温度测量装置(13)测量到的冷却蒸汽温度被确认为比之前预定时间的温度高预定值，并且当和燃烧器(2－x)相邻的两个燃烧器(2－y和2－x)的温度测量装置(13)测量的冷却温度被确认为比之前预定时间的温度低预定值时，则检测到燃烧器(2－x)内发生了回火。

Description

回火检测设备、回火检测方法以及燃气轮机
技术领域
本发明涉及一种检测在燃烧器燃烧期间所发生的回火的回火检测设备和回火检测方法，并且特别涉及一种检测由冷却流体冷却的燃烧器内的回火的回火检测设备和回火检测方法。
背景技术
近年来，为了降低空气污染，在使用燃气轮机的发电设备中，需要减少废气中所包含的NOX。燃气轮机中的NOX是在燃烧器中产生的，燃烧器用于燃烧以使燃气轮机旋转。因此，传统地，为了减少燃烧器中所产生的NOX采用一种带有通过将燃料与空气混合来进行燃烧(预混燃烧)的主喷嘴的燃烧器。
通过让主喷嘴来进行预混燃烧，可以减少燃烧器所排出的NOX的量。然而，其燃烧状态是不稳定的，并且会发生燃烧振动。因此，为了限制燃烧振动以使燃烧状态更加稳定，采用了另一种配备有导向喷嘴的燃烧器，这种导向喷嘴扩散并燃烧燃料(扩散燃烧)。图5示出了一种具有上述导向喷嘴和主喷嘴的燃烧器的概略图。
导向喷嘴101设有锥形体，用来通过使引燃燃料和助燃空气相互反应而形成扩散火焰，图5中的燃烧器在导向喷嘴101周围设置了多个主喷嘴102，用来产生并喷射由主燃料和助燃空气的预混气体以产生预混火焰。然后，图5所示的燃烧器包括燃烧篮103(combustor basket)，导向喷嘴101和主喷嘴102插入其中，燃烧篮插入在过渡套104中，过渡套104排放燃烧气体。通过这种方式设置主喷嘴102，使预混气体的燃烧来控制燃烧温度，以将从过渡套104排放的燃烧气体加热达到高温。为了应对燃烧气体达到高温所产生的热，本申请人提供了一种配备有冷却结构的燃烧器，该冷却结构用冷蒸汽来冷却过渡套。(参见日本专利申请公布No.2001-263092)
然而，在燃烧气态预混合物的预混燃烧中，稳定燃烧的范围很窄，由于流速的变化以及由于气态预混合物流量的增减而导致的燃料一空气比波动，预混火焰形成的位置处被转换到上游侧，从而产生回火现象。为了检测回火，设有一个回火检测传感器，其通过检测燃烧器出口温度来检测回火。然而，由于排放的燃烧气体被加热到高温，所以能安装回火检测传感器的可用位置就受到了限制。另外，即便用作回火传感器的各传感器被安装到限定位置上，也很难正确地检测回火，因为各检测器不是直接检测回火的。
发明内容
本发明的一个目的就是提供一种回火检测设备，其能够通过检测冷却燃烧器的冷却流体的温度变化来准确地检测回火。
为了实现上述目的，一种根据本发明的回火检测设备检测喷射由燃烧所供给的燃料而获得的燃烧气体的燃烧器内的回火，其中，设置有温度测量装置来测量冷却流体的温度，冷却流体循环流动以冷却构成燃烧器的底板(chassis)，并且设置有回火检测部分，其根据温度测量装置所测量的冷却流体温度来检测燃烧器中是否发生了回火。
根据本发明的回火检测方法是一种检测喷射由燃烧所供给的燃料而获得的燃烧气体的燃烧器内的回火的方法，包括测量冷却流体温度的第一步骤，其中冷却流体循环流动以冷却构成燃烧器的底板，和根据所测量的冷却流体温度来检测燃烧器中是否发生回火的第二步骤。
根据本发明的燃气轮机包括压缩机，用来压缩来自外部的空气；多个燃烧器，燃烧燃料以及来自压缩机的压缩空气；涡轮，由燃烧器的燃烧气体驱动旋转并且与压缩机共用同一根轴；和上述回火检测设备；其中，回火检测设备检测分别冷却多个燃烧器中的每一个的冷却流体的温度，并且根据所检测到的冷却流体温度来检测回火的发生。
根据本发明，基于冷却流体的温度来检测回火。因此，与直接检测燃烧气体温度相比，可以降低安装温度检测装置位置处的温度环境。因此，可以相应于燃烧器燃烧气体的加热来准确地检测回火。另外，通过确认目标燃烧器以及相邻燃烧器冷却流体温度的变化，可以更准确地检测回火。除此之外，当确认回火发生的状态变化被持续确认一定时间时认定检测到回火的发生，因而回火检测过程可以更精准。
附图说明
图1是表示燃气轮机结构的框图。
图2是表示根据本发明实施例的回火检测设备和燃烧器冷却结构之间的关系的示意图。
图3是表示图2的回火检测设备的结构的示意图。
图4是表示图2的回火检测设备的操作的流程图。
图5是表示燃烧器结构的示意图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的实施例。图1是表示燃气轮机结构的框图。图2是表示图1中燃气轮机的回火检测设备和燃烧器冷却结构之间的关系的示意图。
图1的燃气轮机包括压缩机1，其用来压缩从外部供给的空气；燃烧器2，用来燃烧燃料和来自压缩机1的压缩空气并喷射燃烧气体；涡轮3，被来自燃烧器的燃烧气体带动旋转。在上述这种燃气轮机中，压缩机1和涡轮3通过同一根轴连接，压缩机1由涡轮3的转动来带动旋转并压缩空气。另外，通过用同一根轴将发电机4连接到涡轮3上，使发电机4通过涡轮3的旋转而完成发电功能。
在以上述方式构造的燃气轮机中，图1只示出了一个单元的燃烧器2，但实际上多个单元的燃烧器设置为在连接压缩机1和涡轮4的轴的圆周方向等间距隔开。然后，如图5所示的燃烧器2进行由导向喷嘴101和主喷嘴102分别进行的扩散燃烧和预混燃烧，其中导向喷嘴101和主喷嘴102所插入的燃烧篮103插入在过渡套104中。另外，燃烧器2的过渡套104通过让作为冷却流体的水蒸汽(冷却蒸汽)流动以在壁面上循环流动来冷却。
回火可以通过在冷却燃烧器2的冷却结构上安装一个温度检测装置例如热电偶或类似物来进行检测，冷却结构通过让冷却蒸汽流过过渡套104的壁面来进行冷却。此时，如图2所示，冷却蒸汽从冷却蒸汽供应通道11来供给燃烧器2，循环流过燃烧器2的过渡套4的壁面来冷却燃烧器，并随后由冷却蒸汽回收通道12进行回收。然后，测量从冷却蒸汽回收通道12所回收的冷却蒸汽温度的温度测量装置13安装在冷却蒸汽回收通道12上。温度测量装置13所测得的表示各燃烧器2冷却蒸汽温度的测量信号供给回火检测部分14，其中回火检测部分14确认各燃烧器2冷却蒸汽的温度变化，从而检测出发生回火的燃烧器2。
如图3所示，当构造成图2形式时，回火检测设备由温度测量装置13和回火检测部分14组成，温度检测装置13分别设置在多个燃烧器2-1至2-8上。另外，在图3的实施例中，在一个燃气轮机中设置了八个燃烧器单元2-1至2-8。除此之外，回火检测设备中的回火检测部分14被提供有表示涡轮3转速的信号和表示发电机4输出的信号。
回火检测部分14包括控制部分141，控制部分141被提供有来自燃烧器2-1至2-8的各温度检测部分13的信号以及表示燃气轮机3转速和发电机4的输出的信号并检测回火；计时器142测量从燃烧器2-1至2-8的各温度检测部分13获得信号的时间；计时器143测量各燃烧器2-1至2-8的状态在预定条件下的持续时间；存储器144存储燃烧器2-1至2-8的各温度检测部分13的测量值。下面参考附图来详细介绍上文所述的回火检测设备的这种操作。图4是示出了回火检测设备性能的流程图。
当燃气轮机的涡轮3被旋转驱动时，在回火检测部分14的控制部分141中，确认涡轮3的转速，以判断涡轮3的转速是否超过预定转速“f”。(步骤1)具体而言，通过确认涡轮3的转速是否处在转速增加的范围内，其可以确定是否达到额定转速范围。然后，当执行了步骤1的确认功能直到超过预定转速“f”，且达到预定转速“f”时(“是”)，温度测量装置13测量燃烧器2-1至2-8的各冷却蒸汽回收通道12所回收的冷却蒸汽的温度。(步骤2)此时，测量值“tx”由燃烧器2-1至2-8的各温度测量装置13获得，并提供给回火检测部分14的控制部分141，储存在回火检测部分14的存储器144中作为记录值。
接下来，在回火检测部分14中，在初始化测量时间的计时器142以获得燃烧器2-1至2-8的各温度测量装置13的测量值之后(步骤3)，控制部分141确认发电机4的输出是否超过预定输出“X”(例如，70MW)。(步骤4)另外，预定输出“X”被设为一个可能发生回火的最小输出。然后，当发电机4的输出被确认为超过预定输出“X”(“是”)，再确定存储器144是否有记录值“ty”，其是由温度测量装置13在时间“T1”(例如，30秒)之前测到的并且为燃烧器2-1至2-8分别存储的值。(步骤5)当燃烧器2-1至2-8的各个测量记录值“ty”存储在存储器144中(“是”)，则从存储器144中得出测量记录值“ty”之间的差(“tx”-“ty”)，且由温度测量装置13在步骤2测到的目前所得测量值“tx”由各燃烧器2-1至2-8的控制部分141获得。(步骤6)
然后，控制部分141确认所得到的燃烧器2-1至2-8的测量值的差(“tx”-“ty”)是否超过预定值“th1”(例如4℃)。这里，当这种燃烧器2-x(表示燃烧器2-1至2-8中的任意一个)被确认测量值的差(“tx”-“ty”)超过了“th1”，控制部分141判断与燃烧器2-x相邻的、在燃气轮机轴圆周方向两侧的两个燃烧器2-y(表示燃烧器2-1至2-8中除了燃烧器2-x之外的任意一个)和2-z(表示燃烧器2-1至2-8中除了燃烧器2-x和2-y之外的任意一个)测量值的差(“tx”-“ty”)是否小于等于“th2”(例如-1℃)。(步骤8)
此外，当与燃烧器2-x相邻的燃烧器2-y和2-z的测量值的差(“tx”-“ty”)在步骤8中被确认为“th2”或者更小，控制部分141确认测量状态持续时间的计时器143是否开始了计时功能，该状态是指燃烧器2-x的温度测量部分13测量的温度比三十秒之前的温度高“th1”，以及燃烧器2-y和2-z的温度测量部分13测量的温度比三十秒之前的温度低“th2”。(步骤9)这里，当确认计时器143没测量时间(“否”)时，计时器143开始测量时间(步骤10)
然后，当在步骤9中确认计时器143已测量时间(“是”)，或者当步骤10中计时器143开始测量时间，控制部分141确认计时器142所测量的时间是否经过了预定时间“T2”(例如8秒)。(步骤11)具体来说，控制部分141确认这种状态是否持续了预定时间“T2”，这种状态是指燃烧器2-x的温度测量部分13测量的温度比预定时间“T1”之前的温度高“th1”，以及燃烧器2-y和2-z的温度测量部分13测量的温度比预定时间“T1”之前的温度低“th2”。
此时，当计时器143确认已经经过了预定时间“T2”(“是”)，回火检测部分14检测出燃烧器2-x已经发生了回火。(步骤12)当按照上述方式检测到发生回火时，回火检测部分14或者发出表示发生回火的警报，或者自动降低涡轮3的负载或者通过改变燃烧器2的燃料供应来切断涡轮3。
另外，当在步骤4中发电机4的输出没达到预定输出“X”(“否”)，或者当步骤5回火检测部分14没有储存时间“T1”之前的测量记录值“ty”，或者当步骤7中这种燃烧器2-x没有确认出测量值的差(“tx”-“ty”)超过了预定值“th1”(“否”)，或者当步骤8中与燃烧器2-x相邻的燃烧器2-y和2-z的测量值的差(“tx”-“ty”)大于预定值“th2”(“否”)，则初始化计时器142。(步骤13)
然后，当计时器143测量的时间在步骤11中未达到预定时间“T2”时(“否”)，或者当计时器142在步骤13中被初始化，控制部分141确认计时器142测量的时间是否经过了一个预定时间“t(t＜“T2”)”。(步骤14)然后，确认步骤10中计时器142测量的时间直到经过了时间“t”，且当确认经过了时间“t”时(“是”)，切换到步骤2并且重复步骤2之后的操作。
通过上述方式的操作，当燃烧器2-x的冷却蒸汽温度比时间“T1”之前的冷却蒸汽温度高“th1”，且与燃烧器2-x相邻的各燃烧器2-y和2-z的冷却蒸汽温度比时间“T1”之前的冷却蒸汽温度低“th2”时并且燃烧器2-x至2-z的状态持续了时间“T2”，则回火检测设备确认在燃烧器2-x中发生了回火。此时，由于已确认在燃烧器2-x中发生了回火，同时燃烧器2-x至2-z的状态持续了时间“T2”，因此可以更准确地确认发生了回火，而不会受到高频组分例如叠加在温度测量部分13信号上的噪音的影响。

Claims (18)

1.一种回火检测设备，包括：
温度测量装置，其测量冷却流体的温度，冷却流体循环流动以冷却构成燃烧器的底板，其中燃烧器喷射由燃烧所供给的燃料而获得的燃烧气体；以及
回火检测部分，其根据由温度测量装置所测量的冷却流体温度来检测燃烧器中回火的发生。
2.如权利要求1的回火检测设备，其特征在于：
当回火检测部分确认温度测量装置所测得的冷却流体温度高出第一预定值时，则检测到回火的发生。
3.如权利要求2的回火检测设备，其特征在于：
多个燃烧器沿圆周方向等间距布置，且该多个燃烧器中的每一个都具有温度测量装置；以及
当第一燃烧器的冷却流体温度高出多于第一预定值，且当回火检测部分从第二燃烧器的温度测量部分的测量结果确认安装在第一燃烧器两侧上的第二燃烧器内的冷却流体温度降低了多于第二预定值时，则检测到第一燃烧器发生了回火。
4.如权利要求2的回火检测设备，其特征在于：
通过比较当前时刻温度测量装置测量的冷却流体第一温度与温度测量装置在当前时刻之前第一预定时间测量的冷却流体第二温度，回火检测部分检测回火的发生。
5.如权利要求4的回火检测设备，其特征在于：
当回火检测部分在长达第二预定时间内连续确认冷却流体的第一温度和第二温度处于导致回火发生条件的关系时，则检测到回火的发生。
6.如权利要求3的回火检测设备，其特征在于：
通过比较当前时刻温度测量装置测量的冷却流体第一温度与温度测量装置在当前时刻之前第一预定时间测量的冷却流体第二温度，回火检测部分检测回火的发生。
7.如权利要求6的回火检测设备，其特征在于：
当回火检测部分在长达第二预定时间内连续确认冷却流体的第一温度和第二温度处于导致回火发生条件的关系时，则检测到回火的发生。
8.如权利要求1的回火检测设备，其特征在于：
温度测量装置测量在燃烧器完成冷却过程之后排放的冷却流体的温度。
9.如权利要求1的回火检测设备，其特征在于：
冷却蒸汽用作冷却流体。
10.如权利要求1的回火检测设备，其特征在于：
燃烧器包括：
进行扩散燃烧的导向喷嘴；和
设置在导向喷嘴周围进行预混燃烧的主喷嘴。
11.一种回火检测方法，包括：
测量冷却流体的温度的第一步骤，冷却流体循环流动以冷却构成燃烧器的底板，其中燃烧器喷射由燃烧所供给的燃料而获得的燃烧气体；和
根据所测量的冷却流体温度检测燃烧器中回火的发生的第二步骤。
12.根据权利要求11的回火检测方法，其特征在于：
当确认第一步骤中测量的冷却流体温度高出第一预定值时则在第二步骤中检测到回火的发生。
13.根据权利要求12的回火检测方法，其特征在于：
多个燃烧器沿圆周方向等间距布置；和
当第一燃烧器的冷却流体温度高出多于第一预定值，且在第二步骤中确认安装在第一燃烧器两侧上的第二燃烧器的冷却流体温度降低了多于第二预定值时，则检测到第一燃烧器发生了回火。
14.根据权利要求12的回火检测方法，其特征在于：
在第二步骤中通过比较当前时刻测量的冷却流体第一温度与当前时刻之前第一预定时间测量的冷却流体第二温度来检测回火的发生。
15.根据权利要求14的回火检测方法，其特征在于：
当在第二步骤中在长达第二预定时间内连续确认冷却流体的第一温度和第二温度处于导致回火发生条件的关系时，则检测到了回火的发生。
16.根据权利要求13的回火检测方法，其特征在于：
在第二步骤中通过比较当前时刻测量的冷却流体第一温度与当前时刻之前第一预定时间测量的冷却流体第二温度来检测回火的发生。
17.根据权利要求16的回火检测方法，其特征在于：
当在第二步骤中在长达第二预定时间内连续确认冷却流体的第一温度和第二温度处于导致回火发生条件的关系时，则检测到了回火的发生。
18.一种燃气轮机，包括：
压缩机，压缩来自外部的空气；
多个燃烧器，燃烧燃料以及来自压缩机的压缩空气；
涡轮，由燃烧器的燃烧气体驱动旋转并且与压缩机共用同一根轴；和
如权利要求1所述的回火检测设备：
其中，在回火检测设备中，检测用来分别冷却多个燃烧器的冷却流体的温度，并且根据所检测到的冷却流体温度来检测回火的发生。
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