CN1944985A - 控制对燃气轮机燃烧器的旁路空气分流的方法 - Google Patents

控制对燃气轮机燃烧器的旁路空气分流的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种用于控制对燃气轮机燃烧器(26)的旁路空气分流(67)的方法，该方法包括确定一个目标排气温度(66)，其中该目标排气温度(66)是以一组参数中的至少一个参数为基础的，这组参数包括低压涡轮转速(32)、高压涡轮转速(28)、入口导叶角度(22)和旁路阀空气分流(67)。根据维持最高CO值或最低NOx值利用该目标排气温度(66)来计算所需的旁路空气分流(67)的百分率。而后，利用该所需的旁路空气分流(67)的百分率来控制旁路空气阀的位置。

Description

控制对燃气轮机燃烧器的旁路空气分流的方法
技术领域
本申请总的涉及双轴燃气轮机的燃烧系统控制器，尤其涉及一种用于旁路空气分流、一氧化碳(CO)调平和氮氧化物/二氧化物(NOx)调平的燃烧器控制算法。
发明背景
工业和发电的燃气轮机有监测和控制其运行的控制系统(“控制器”)。这些控制器管理燃气轮机的燃烧系统。已设计了干式低NOx(DLN)燃烧系统来将从燃气轮机排放的NOx减到最小。该控制器执行一种算法来保证DLN燃烧系统的安全而有效的运行。传统的DLN算法接受涡轮的实际排气温度和实际运行的压缩机压力比的测量作为输入。DLN燃烧系统通常依靠该测得的涡轮排气温度和压缩机压力比来调置燃气轮机的运行工况。
DLN燃烧系统的传统的调度算法通常并不考虑压缩机入口压力损失、涡轮背压、压缩机入口湿度、低压涡轮转速、高压涡轮转速和旁路阀空气分流中的变化。传统的调度算法通常假定环境状态如压缩机入口湿度、压缩机入口压力损失和涡轮背压保持在某些限定的恒定状态下或这些状态中的变化不会显著影响目标燃烧器点火温度。
压缩机入口压力损失和涡轮背压值将根据用来限定DLN燃烧设定的那些值发生变化。如果环境状态变化时传统的DLN燃烧系统不调整，那么从燃气轮机排放的NOx和CO可能增大而越过规定的限度。湿度的季节变化或从各种入口调节装置如蒸发冷却器、成雾系统来的涡轮入口湿度的变化可能影响DLN燃气系统的运行。当环境状态随季节而变化时，常常手动调整DLN燃烧系统的设定来适应环境的季节变化。
为用于双轴压缩机驱动、单罐燃烧的燃气轮机，修改了干式低NOx(DLN)燃烧系统。该程序要求该燃烧系统在50％的关闭运行时满足CO和NOx两种排放要求。在该DLN系统中设计一个燃烧旁路阀来改变输入端的燃料/空气比，因而改变火焰温度，以满足低负荷时的CO要求。在现有技术中，没有办法调度旁路阀空气分流来满足排放要求。
利用一种校正的参数控制方法来控制涡轮运行。根据比湿度、压缩机入口压力和压缩机排气压力来进行目标排气温度调整。一双轴系统将更多的若干变数加到排气温度校正的开展上，因为其轴转速是不固定的。高压和低压涡轮转速及第二级喷嘴导叶和燃烧旁路空气的增加增大了进入该算法的输入数目，并使控制变复杂。虽然涡轮排气可以用于控制高压涡轮转速、低压涡轮转速和喷嘴导叶，但没有办法控制旁路空气分流。
发明概要
本文公开的是一种控制燃气轮机燃烧器旁路空气分流的方法，该方法包括确定一目标排气温度，其中该目标排气温度是以一组参数中的至少一个参数为基础的，这组参数包括低压涡轮转速、高压涡轮转速、入口导叶角度和旁路阀空气分流。根据保持最高的CO值或最低的NOx值利用该目标排气温度来计算所需的旁路空气分流的百分率。而后利用该所需的旁路空气分流的百分率来控制该旁路空气阀的位置。
此处还公开一种用于对双轴燃气轮机确定一目标排气温度的方法，该方法包括根据压缩机压力条件而确定一目标排气温度。根据一组参数中的至少一个参数而确定对目标排气温度的温度调整，这组参数包括低压涡轮转速、高压涡轮转速、入口导叶角度和旁路阀空气分流。而后通过进行温度调整而调整该目标排气温度。
附图简述
现在参照附图，其中相同的部件在所有各图中有相同的标号。
图1是与本发明的一个实施例一起使用的有一空气旁路阀的示范双轴燃气轮机的示意图。
图2是与本发明的一个实施例一起使用的用于选择一个所要的涡轮排气温度和旁路空气分流温度的系统的示范框图。
图3是与本发明的一个实施例一起使用的一种用于计算一个所要的排气温度的示范算法的图。
图4是与本发明的一个实施例一起使用的一种用于旁路空气分流调度的示范的CO调平算法的图。
图5是与本发明的一个实施例一起使用的示范的旁路空气分流控制的图。
发明详述
图1例示一种双轴燃气轮机系统10的示范构型，该系统有一压缩机24、一燃烧器26、一在第一轴44上驱动地联轴到压缩机24上的高压涡轮机28、一负荷压缩机48、一在第二轴46上驱动地联轴到负荷压缩机48上的低压涡轮32、一负荷控制器36和一燃气轮机控制器38。一根通往压缩机24的入口导管20通过入口导叶(IGV)22的一个级将周围空气送入压缩机24。该空气流道继续经压缩机24而向着燃料喷嘴进入燃烧器26，在那里空气与燃料42混合并燃烧。空气流可由通往该燃料喷嘴被重新引导而通过旁路阀40，在那里空气并不与燃料混合而燃烧。被重新引导而通过旁路阀40的空气向着燃烧器26的出口放气而回到主流通路中。空气继续通过高压涡轮26而通到一级喷嘴导叶(NGV)30。这些喷嘴导叶将高压涡轮28的排放空气引入低压涡轮32。排气导管34将燃烧气体从低压涡轮32的出口引导通过具有(例如)排放控制和声音吸收装置的导管。排气导管34也向低压涡轮32施加一背压。与恒速运转的单轴燃气轮机系统不同，双轴燃气轮机系统在变速下运行。换句话说，比起联接到轴46上的负荷压缩机48和低压涡轮32来，联接到轴44上的压缩机24和高压涡轮28以不同的速度转动。
负荷控制器36向燃气轮机控制器36发送一速度指令。然后燃气轮机控制器38利用燃料流控制低压涡轮32和利用喷嘴导叶30控制高压涡轮28。低压涡轮32和负荷压缩机48上的负荷借助于调节通过燃料系统42而通往燃烧器26的燃料流来调整。
燃气轮机控制器38可以是一个有处理器的计算机系统，该处理器执行程序利用系统参数如压缩机24的压力比和排气背压与从运行人员来的指令而运行燃气轮机的运行。燃气轮机控制器38所执行的程序例如可以包括用于将燃料和空气流调节到燃烧器26的调度算法。控制器38产生的指令导致燃气轮机上的驱动器，例如，调整燃料源和燃烧器26之间的调节燃料流的阀、调整调节通到燃烧器26的空气流或冲程指令的阀、调整入口导叶22以及驱动燃气轮机上的其它控制装置。
燃气轮机控制器38部分地根据储存在燃气轮机控制器38的计算机存储器中的算法而调节燃气轮机。这些算法能够使燃气轮机控制器38将涡轮排气中的NOx和CO排放保持在一定的预定的排气限度内和将燃烧器点火温度保持在预定的温度限度内。该算法具有参数变量的输入，包括压缩机24的压力比、周围环境的比湿度、入口压力损失、涡轮排气的背压、压缩机24的出口温度、低压涡轮32速度、高压涡轮28速度、入口导叶22及旁路阀40的空气分流。由于这些被算法用作输入的参数，燃气轮机控制器38调节环境温度的季节变化、环境湿度、通过燃气轮机的入口导管20的入口压力损失中的变化及排气导管34处的排气背压中的变化。包括环境状态和入口压力损失及排气背压的参数的优点是NOx、CO和涡轮点火算法能够使燃气轮机控制器自动补偿燃气轮机运行中的季节变化。因此，减少了运行人员手动调整燃气轮机来考虑环境状态的季节变化和入口压力损失或涡轮排气背压中的变化的要求。
燃烧器26例如可以是一种DLN燃烧系统。燃气轮机控制器38可以被编制程序和修改而控制该DLN燃烧系统。DLN燃烧控制算法在图2-5中提出。
图2是用于选择一个所要输出目标的排气温度66和旁路空气分流调度67的示范过程50的框图。总过程50包括一个选择算法64，该算法通过应用一定的逻辑电路来从多个提出的排气温度中选择一个温度目标，如选择这些输入温度目标的最低温度。这些提出的排气温度目标包括：由一种点火和燃烧器温度调平算法60产生的所要的排气温度，最高排气温度74和由NOx调平算法62产生的所要的排气温度。输出目标排气温度66通过燃气轮机控制器38与实际的涡轮排气温度比较。该所要的和实际的排气温度之间的差别被控制器用于调节通到燃烧器的燃料流和空气流或入口导叶22的角度(当运行部分负荷时)。
输出目标排气温度66也用作进入CO调平算法的输入，用以计算将NOx和CO保持在排放限度以内所需的旁路空气量。
图3是示范算法51的框图，它代表产生目标排气温度参考值80的每种算法60、62、68。点火和燃烧器出口温度调平算法60、NOx调平算法62和CO调平算法68每个有其自身的特有调度和校正因子指数，但在其它方面相同并用算法51代表。这些算法接受输入数据，包括压缩机24的压力比、进入压缩机24的环境空气的比湿度、入口导管压力损失、排气背压、压缩机24的出口温度、低压涡轮32的速度、高压涡轮28的速度、入口导叶22的角度及旁路阀40的空气分流。
代表算法51包括一种输送功能52，用于外加压缩机24的压力比、高压涡轮28的速度和低压涡轮32的速度而得到涡轮排气温度53。输送功能52产生一个校正过的排气温度，该温度将对于一个限定的参考负荷和环境状态形成一个所要的调平目标。
所要的涡轮排气温度受燃气轮机上的负荷、环境湿度、入口导叶22的角度、旁路阀40的空气分流、环境温度等的影响。但是，本身考虑了早先提到的参数的调度很复杂而难以用于控制器中。通过假定负荷、环境温度、入口导叶22的角度、旁路阀40的空气分流和环境湿度每个处于一限定的条件，可以简化校正过的排气温度输送功能52。通过限定某些条件，输送功能52减少到只有三个输入变量，它们是压缩机24的压力比、高压涡轮28的速度和低压涡轮32的速度。低压涡轮32的速度设定点受压缩机负荷控制器36的限定。
为了获得所要的实际排气温度，该校正的排气温度受调整，以便考虑负荷、入口导叶22的角度、旁路阀40的空气分流、环境温度和环境湿度。该校正的排气温度53首先为了考虑燃气轮机系统10的目标中的变化而调整。例如，如果NOx的上边界提高，那么一种新的算法目标将作为进入目标调度81的输入而适时修正。该新的目标将从输送功能52对该校正的排气温度参考值偏压一个增量的校正排气温度。目标调度81可以作为一种对算法51的调谐方法而提供，以便更好地适用于单个的燃气轮机系统。
然后调整该校正的排气温度53，以便考虑实际的入口导叶22的角度和旁路阀40的空气分流。随后进入调整，以便考虑压缩机24的入口压力损失和排气背压。算法51中的下一步骤是将调整的校正的排气温度“解除校正”到一个绝对温度值，如步骤73中的兰金(Rankine)度。该绝对温度乘以(步骤73)校正因子76，后者是校正因子指数(y)和压缩机24的温度比(x)的函数(xy)。校正因子指数(y)可以是经验获得的，对于每种算法60、62、68和每种等级的燃气轮机可以是特有的。压缩机24的温度比(x)是燃气轮机负荷的指示。因子x是由压缩机24的温度比限定的函数，它是当前排气温度减去压缩机24的排放温度的差值而后再除以参考排气温度减去压缩机排放温度(增量Tref)的差值。通过将函数(xy)乘以该校正的目标排气温度，产生一个转换为非绝对温度温标的解除校正的目标排气温度77。
从输送功能52输出的校正的涡轮排气温度53并不考虑压缩机24入口压力损失、排气背压、环境温度变化、高压涡轮28的速度、入口导叶22的角度或旁路阀40的空气分流中的偏压。施加额外的调度58、59、74、78、79、81来对这些状态的变化调整目标涡轮排气温度。
入口导叶22的角度的调度78可以是一个使增量排气温度与压缩机24的实际压力比和入口导叶22的角度发生关系的函数。对于一种首要的用途，入口导叶22的角度只有在该用途的一小部分期间而同时在高压涡轮28的速度固定时才变化。从入口导叶22的角度的调度54输出的增量排气温度值54是一个校正的温度值。因此，增量排气温度值54与从输送功能52得到的校正的目标排气温度53相加。当入口导叶22的角度处于一个预定位置时(该位置例如可以是打开的)，增量排气温度54为零。
同样，旁路阀40的空气分流调度79产生一种与校正的排气温度53相同的校正的增量排气温度调整55。在旁路阀40处于最小位置时，增量排气温度调整55为零。
入口压力损失调度58可以是使增量排气温度与压缩机24的实际压力比和压缩机24的入口压力损失发生关系的函数。该压力损失是通过燃气轮机的校正气流的函数并随燃气轮机上的负荷而变化，因此入口压力损失调度58是压缩机24的压力比的函数。从入口压力损失调度58输出的增量排气温度值71为校正的温度值。因此，增量排气温度值71与从输送功能52得到的校正的目标排气温度53相加。
同样，背压调度59根据压缩机24的压力比和实际的背压而产生一个用于校正的排气温度53的增量值。涡轮背压损失是通过燃气轮机的校正的气流的函数并随燃气轮机上的负荷而变化，因此，背压调度59是压缩机24的压力比的函数。背压增量值72与校正的目标排气温度值53相加。
湿度调度74应用一个相对于增量比湿度的增量排气温度。该增量比湿度是实际环境湿度与预定的湿度值之差。该增量排气温度外加到解除校正的目标排气温度上。调度74被用来测定待用于调整该校正的排气温度的温度差。该温度差可以是正值或负值。
图4是用于旁路空气分流调度的一种示范的CO调平算法68的框图。CO调平算法68几乎与示范的算法51相同，包含像算法60和62一样的输入，但使用选择的目标排气温度66作为输入，并计算一个新的旁路空气分流控制值67，以便提供一个旁路阀40的位置。
在CO调平算法68中，CO上限与最小NOx边界有关。这可以完成，因为CO和NOx排放具有相反的关系。大量的CO量在低温时产生，而NOx在高温时产生。当CO开始占据它的上边界时，NOx运行得极低。虽然利用CO输送功能可以达到同一功效，在某些情况下也必然会达到，但NOx输送功能比CO输送功有更稳定，因而也更是所要的。
图5例示在燃气轮机运行期间响应规定旁路阀40的运行的旁路阀40的空气分流调度79的示范的旁路空气分流控制67。点1表示当由于CO低于其最大可允许值(表示为NOx下限)而完全关闭时的旁路分流控制67。在没有违犯CO限度时，旁路阀40的优选位置处于最小位置。从点1到点2的旁路空气分流控制67代表一种燃气轮机中排气温度参考值降低的过渡运行。这使排放移动到最大可允许的CO排放之上，因此使旁路阀40打开，以便将CO带回到最大可允许限度以下。从点2到点3的旁路空气分流控制67代表一种燃气轮机中排气温度参考值另一次降低的第二瞬时，因此旁路阀40进一步打开，以便将CO保持在最大可允许限度处。因此，当排气温度降低时，旁路阀40将继续打开(直到100％分流)，以保持最小的NOx边界。相反，当排气温度升高时，旁路阀40将继续关闭，以保持最小的NOx边界。
虽然已参考优选实施例而描述了本发明，但该技术的专业人员将理解，可以进行各种变化和可用等效部件代替本发明的部件而并不偏离本发明的范围。此外，可以进行许多修改来使一种特定的情况或材料适应本发明的说明而并不偏离本发明的基本范围。因此，预期本发明不限于作为实施本发明的最好方式而公开的特定实施例，相反，本发明将包括落入权利要求书范围内的所有实施例。
部件清单
10    双轴燃气轮机系统
20    入口导管
22    入口导叶(IGV)
24    压缩机
26    燃烧器
28    高压涡轮
30    喷嘴引导叶轮
32    低压涡轮
34    排气导管
36    负荷控制器
38    燃气轮机控制器
40    旁路阀
42    燃料系统
44    第一轴
46    第二轴
48    负荷压缩机
50    示范过程
51    示范算法
52    输送功能
53    校正的涡轮排气温度
54    增量排气温度值
55    增量排气温度调整
58    入口压力损失调度
59    背压调度
60    点火和燃烧器温度调平算法
62   NOx调平算法
64    选择算法
66    目标排气温度
67    旁路空气分流
68   CO调平算法
71    增量排气温度值
72    背压增量值
74    湿度调度
78    IGV角度调度
76    校正因子
79    旁路阀空气分流调度
81    目标调度

Claims (10)

1.一种控制燃气轮机燃烧器(26)的旁路空气分流(67)的方法，包括：
确定一个目标排气温度(66)，其中该目标排气温度(66)是以一组参数中的至少一个参数为基础的，这组参数包括低压涡轮转速(32)、高压涡轮转速(28)、入口导叶角度(22)和旁路阀空气分流(67)；
利用目标排气温度(66)根据保持最大CO值或最小NOx值来计算所需的旁路空气分流(67)的百分率；以及
应用该所需的旁路空气分流(67)的百分率来控制该旁路空气阀的位置。
2.一种如权利要求1中的方法，其特征在于，该目标排气温度(66)还以一组参数中的至少一个参数为基础，这组参数包括压缩机压力比、比湿度(74)、压缩机入口压力损失(58)、涡轮排气背压(59)和压缩机出口温度。
3.一种如权利要求2中的方法，其特征在于，该压缩机压力比根据多条曲线提供对目标排气温度(66)的校正。
4.一种如权利要求1中的方法，其特征在于，这些CO值与至少一组参数相关，这组参数包括压缩机排气温度、燃烧器出口温度、涡轮入口温度、压缩机排气压力和NOx。
5.一种确定双轴燃气轮机(10)的目标排气温度(66)的方法，包括：
根据压缩机压力状况来确定目标排气温度(66)；
根据一组参数中的至少一个参数来确定对目标排气温度(66)的温度调整，这组参数包括低压涡轮转速(32)、高压涡轮转速(28)、入口导叶角度(22)和旁路阀空气分流(67)；以及
利用该温度调整来调整该目标排气温度(66)。
6.一种如权利要求5中的方法，其特征在于，目标排气温度(66)还以一组参数中的至少一个参数为基础，这组参数包括压缩机压力比、比湿度(74)、压缩机入口压力损失(58)、涡轮排气背压(59)和压缩机出口温度。
7.一种如权利要求5中的方法，其特征在于，还包括重复每个要素来产生多个目标排气温度(66)和选择待应用的多个目标排气温度(66)之一来控制该双轴燃气轮机(10)。
8.一种用于为燃气轮机(10)调度一旁路空气分流(67)的方法，包括如下步骤：
从多个推荐的排气温度中选择一个目标温度(66)；
计算所需的旁路空气量，以满足CO排放限度；以及
对燃气轮机控制器(38)施加一旁路空气分流(67)或动作指令，在CO排放限度内调节通到燃烧器(26)的空气流量。
9.一种如权利要求8中的方法，其特征在于，该旁路空气分流(67)是以一组参数中的至少一个参数为基础的，这组参数包括压缩机压力比、比湿度(74)、入口压力损失(58)、排气背压(59)和压缩机出口温度。
10.一种如权利要求8中的方法，其特征在于，旁路空气分流(67)是以一组参数中的至少一个参数为基础的，这组参数包括低压涡轮转速(32)、高压涡轮转速(28)和旁路阀空气分流(67)。
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