[发明专利]用于通过管-管燃料温度调节来减少燃气涡轮机的整体温度变化的系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及通过管-管（can-to-can）燃料温度调节来减少燃气涡轮机的整体温度变化的系统和方法。 

背景技术

工业燃气涡轮机中的燃烧器具有围绕涡轮机外壳布置的多个燃烧室。来自压缩机的高压空气流入到这些室中，在这些室中空气与燃料混合。燃料经由喷嘴被喷射到室中。由空气和燃料混合物的燃烧所产生的热气体从燃烧室流动到涡轮机中，涡轮机通常包括用以驱动压缩机的高压涡轮机以及用以提供输出功率的低压涡轮机。 

每个燃烧室限定出大致圆柱形燃烧区域。在燃烧区域的上游，室各自具有多个燃料喷嘴，燃料喷嘴将燃料喷射到该区域中。通过阀来调节到达每个喷嘴（或一组喷嘴）的燃料流。调节阀对流到每个燃烧室中的每个燃料喷嘴的燃料的量提供一定程度的精确控制。阀可以用于调节到达燃气涡轮机的每个燃烧室的燃料流，以使得燃烧器压力振荡、氧化亚氮、一氧化碳、和未燃烧的碳氢化合物减到最少。在公布的美国专利申请公开文本2003/0144787A1中公开了现有燃料阀系统。 

燃料阀通常用于调节进入工业燃气涡轮机的多室燃烧器中的燃烧室的每个喷嘴的燃料。通常，阀用于对进入到每个燃烧室的燃料和燃烧空气的混合进行优化，以使得空气-燃料混合物的燃烧将氧化亚氮（NOx）、一氧化碳（CO）和未燃烧的碳氢化合物（UHC）的产生减至最少。为将CO和UHC减至最少并实现更高的整体效率，期望提 高燃气涡轮机内的燃烧温度。但是，燃气涡轮机中NOx的氧化随着燃烧温度提高而剧烈增加。 

燃料阀对到达各个喷嘴和燃烧室的燃料流提供调节，以补偿到达每个室的燃料-空气比率的变化。设定空气-燃料比率经常涉及下列各项之间的谨慎平衡：（1）通过提高燃烧温度来提高燃气涡轮机效率和/或将未燃烧的碳氢化合物（UHC）和一氧化碳（CO）减至最少；和（2）通过稀释空气-燃料比率来降低燃烧温度以将氧化亚氮（NOx）减至最少。在工业燃气涡轮机的多个燃烧室中实现均匀温度和压力分布是特别困难的。燃烧室之间气流的变化使得在所有燃烧室中保持恒定的空气-燃料比率变得困难。相比于NOx排放，CO排放倾向于相对不同室之间的燃料-空气比率变化更敏感。可以采用对到达各个燃烧室的气流的调节（tune），以在保持符合要求的燃气涡轮机操作的同时降低CO排放的整体水平。 

管-管整体温度变化是燃气涡轮机中常见的，并且会导致管（燃烧器）之间的排放和动力学变化。目前通过使用机械调节阀来调节这种温度变化，机械调节阀昂贵并且会无法激活（activate）。此外，在阀操作期间，阀的驱动联动件（driving linkage）经常会受约束。由于阀的设置，一旦阀被“调节”，阀不易于被驱动。例如，在美国专利7,269,939中公开这样的阀系统。 

由于部分尺寸的变化、组件配合等，燃气涡轮机中的每个管可从压缩机接收不同量的空气。这可能改变燃料的管-管分布，以使得某些管接收更多的燃料，而某些管接收更少的燃料。这可以通过提供接收更多空气更多燃料的管、以及接收更少空气更少燃料的管而用于调节燃气涡轮机中的多个管中的整体温度或者使该整体温度平均化，从而使得各管中的燃料/空气比率平均化。 

发明内容

根据一个示例性实施例，控制到达燃气涡轮机的各个燃烧室的燃料流的方法包括：对燃气涡轮机的多个排出区域的排出气体温度和/ 或排放水平进行测量；将测量的排放气体温度和/或排放水平中的一者与到达各个燃烧室的燃料流相关联；和对到达每个单独燃烧室的燃料流的温度进行调节，以减小每个燃烧室与平均温度水平和/或平均排放水平的温度水平变化和/或排放水平变化。 

进一步的，到达各个燃烧室的燃料流的温度经调节，以使得每个所述燃烧室与平均温度的温度变化为百分之一或更小。 

进一步的，所述排放水平包括CO、未燃烧碳氢化合物、和/或NOx的排放水平。 

根据另一示例性实施例，控制到达燃气涡轮机的各个燃烧室的燃料流的方法包括：确定每个燃烧室的冷调（cold tone）；将每个燃烧室的冷调与到达每个燃烧室的燃料流相关联；和调节到达每个燃烧室的燃料流的温度和量，以减小每个燃烧室与燃气涡轮机的平均冷调的冷调偏差。 

进一步的，所述方法还包括按照从最大至最小的顺序调节所述冷调偏差。 

根据另一示例性实施例，燃气涡轮机包括多个燃烧室、用于每个燃烧室的至少一个燃料喷嘴、用于每个燃烧室中的每个燃料喷嘴的至少一个燃料管线、用于每个燃料管线的至少一个热交换器、以及控制器，热交换器构造成对到达每个燃料喷嘴的燃料流的温度和量进行调节，控制器构造成对每个热交换器进行控制以减少燃烧室之间的温度变化。