[发明专利]用于操作燃气涡轮发动机系统的方法和设备有效

专利信息
申请号: 200910004070.3 申请日: 2009-02-05
公开(公告)号: CN101539056A 公开(公告)日: 2009-09-23
发明(设计)人: S·W·塞佩克;B·E·斯维特;L·J·布查尔特;D·A·斯塔茨;M·J·马里亚尼 申请(专利权)人: 通用电气公司
主分类号: F02C3/14 分类号: F02C3/14;F02C7/22;F01D5/14
代理公司: 中国专利代理(香港)有限公司 代理人: 曾祥夌;刘华联
地址: 美国*** 国省代码: 美国;US
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摘要:
搜索关键词: 用于 操作 燃气 涡轮 发动机 系统 方法 设备
【说明书】:

技术领域

发明大体涉及燃气涡轮发动机,更详细地讲,涉及用于控制燃气涡轮发动机操作的方法和设备。 

背景技术

燃气涡轮发动机通常包括压缩机段、燃烧器段及至少一个涡轮段。压缩机对空气进行压缩,空气与燃料混合并被导向燃烧器。混合物然后被点燃,并产生高温的燃烧气体。燃烧气体被导向涡轮,涡轮从燃烧气体中提取能量,用于给压缩机提供动力,并产生有用功,以便给负载如发电机提供动力或推动飞行中的飞行器。 

燃气涡轮发动机可在多种不同的操作条件下操作,且燃烧器的性能便于发动机在宽范围的发动机操作条件下操作。控制燃烧器的性能可用来改善整体燃气涡轮发动机的操作。更具体地讲,允许气体燃料组成如热值和比重有更大的变化,而同时保持NOx排放物及燃烧动态特性水平处于预定的限度之内。配备有干燥的低NOx(DLN)的燃烧系统的燃气轮机通常利用包括多喷嘴、预混合式燃烧器的燃料输送系统。DLN燃烧器结构利用贫化预混合式燃烧在不使用稀释剂如水或蒸汽的情况下获得低NOx的排放物。贫化预混合式燃烧涉及使燃料与空气在燃烧器火焰区上游预先混合,并在接近燃料的贫化可燃性极限的情况下操作,以保持较低的峰值火焰温度及NOx生成。为了应对贫化预混合式燃烧固有的稳定性问题及在整个燃气轮机操作范围内形成的较宽的燃料-空气比范围,DLN燃烧器通常在各燃烧室中具有多个燃料喷嘴,该燃料喷嘴单独地或以分组的方式被供以燃料。燃气轮机的燃料系统具有单独受控的输送回路,以便供应各室中的各组喷嘴。 控制系统在整个涡轮的操作范围内改变通向各回路的燃料流(燃料分流),以便保持火焰的稳定性、低排放及可接受的燃烧器寿命。通向各喷嘴分组的燃料流通过气体控制阀(GCV)进行控制。燃料分流用来在有效的GCV之间分配总的燃料命令(燃料冲程基准),并将所得到的GCV燃料流量百分比命令转换成阀的位置,以便获得所需的通向喷嘴分组的燃料流量。 

为了将GCV流量百分比命令转换成阀的位置,可根据阀的流量系数Cg确定气体燃料系统的流量增益。使用已知的阀流量特性将阀的流量系数转换成阀的位置。这允许使用具有不同流量的多个阀。流量增益(也称作GCV流量标量)基于在最大的燃料流量操作条件期间的最大所需的Cg。 

用来计算流量增益的输入与燃料组分有关,并且该流量转换技术的应用限于具有比较恒定的燃料特性的应用场合。使用流量增益的传统的方法假定燃料的特性在整个加载范围内保持恒定,然而情况并非总是如此。因此,在对燃料特性中的变化不进行修正的情况下,流量增益将不能正确地在整个加载范围内使流量命令线性化。当燃料特性发生显著变化时,例如在燃料输送的过程中或在燃料温度发生巨大变化后,这可导致不希望有的偏移非线性,并且可引起负载瞬变。 

先前的技术使用了对流量增益的偏置,其中实际的气体温度与设计的气体温度的差值用来使流量增益偏置,然而,这种类型的修正通常要考虑燃料的温度,并且假设燃料组成相对恒定。然而,当使用功率增强系统如燃料增湿系统时,燃料物理特性的变化幅度显著,因而需要一种新技术来精确地计算修正的流量增益。 

发明内容

在一个实施例中,燃气涡轮发动机系统包括构造成用以给负载提供电能的发电机、燃气涡轮发动机以及燃料控制系统,其中燃气涡轮发动机包括至少一个燃烧器,该燃烧器又包括多个燃料喷射点,这些 燃料喷射点构造成用以接收来自多个相应的流量控制装置的燃料流。燃料控制系统包括处理器和多个传感器,其中传感器定位在燃气涡轮发动机系统周围,并构造成用以测量与传感器相关联的至少一个参数。处理器编程为用以接收来自指示燃料组成的多个传感器中的至少一个传感器的信号,使用流动模型及该至少一个信号来确定在通向流量控制装置的进口处的燃料的物理特性,使用所确定的物理特性来确定对气体燃料流量增益的相应的修正,并使用已调整的流量增益自动地控制燃烧器上的燃料喷射点之间的燃料输送以及燃料分流,以便允许用于燃气涡轮发动机的燃料组成有相对较大的变化。 

在另一个实施例中,操作燃气涡轮发动机的方法包括接收指示燃料组成的信号,使用流动模型及燃料组成信号来确定通向至少一个流量控制装置的进口处的燃料的物理特性,使用所确定的物理特性来确定对气体燃料流量增益的相应的修正,并使用已调整的流量增益自动地控制燃烧器上的燃料喷射点之间的燃料输送以及燃料分流。 

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