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操作燃氣渦輪機的燃燒器的方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201380067057.7

申請日:

2013.06.04

公開號:

CN104919250A

公開日:

2015.09.16

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):F23R 3/26申請日:20130604|||公開
IPC分類號: F23R3/26; F23M23/20 主分類號: F23R3/26
申請人: 西門子公司
發明人: A.博納爾多; M.安德森
地址: 德國慕尼黑
優先權: 12199094.9 2012.12.21 EP
專利代理機構: 中國專利代理(香港)有限公司72001 代理人: 崔幼平; 譚祐祥
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201380067057.7

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2018.04.20|||2015.10.14|||2015.09.16

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

一種操作燃氣渦輪機(GT)的燃燒器(CB)的方法,其中,所述燃氣渦輪機(GT)包括壓縮機(CO)、所述燃燒器(CB)和渦輪機(TB)以及在所述燃燒器(CB)下游的至少兩個溫度測量裝置(TN1,…,TNX,…,TNY,…,TNN),以測量相應的燃燒氣體(CG)溫度,其中,所述壓縮機(CO)將含氧氣體(OCG)遞送至所述燃燒器(CB),其中,所述燃燒器(CB)包括至少兩個噴燃器(B1,…,B2)和在所述噴燃器(B1,…,B2)下游的至少一個主燃燒室(MCC),其中,所述噴燃器(B1,…,B2)中的至少兩個共同地接合到所述至少一個主燃燒室(MCC)中,以從燃燒燃料(F)和所述含氧氣體(OCG)生成所述燃燒氣體(CG),其中,提供了一個抽氣裝置(EX),以抽出所述壓縮機(CO)下游和所述燃燒器(CB)上游的含氧氣體(OSG)的至少一部分,其中,所述抽氣裝置(EX)包括閥(BV),以控制將抽出的含氧氣體(OSG)的部分。為了減少排放,提出的是,所述方法包括以下步驟:由在到燃燒氣體(CG)的噴燃器相應等流動距離的不同位置處的所述溫度測量裝置(TN1,…,TNX,…,TNY,…,TNN)監測燃燒氣體溫度;比較所述溫度測量裝置(TN1,…,TNX,…,TNY,…,TNN);當所述比較顯示出在所述溫度測量裝置之間的差值超出溫差閾值ΔT1時,打開所述閥(BV)或增加所述閥(BV)的打開位置。

權利要求書

權利要求書
1.   一種操作燃氣渦輪機(GT)的燃燒器(CB)的方法,其中,所述燃氣渦輪機(GT)包括壓縮機(CO)、所述燃燒器(CB)和所述渦輪機(TB)以及在所述燃燒器(CB)下游的至少兩個溫度測量裝置(TN1, …, TNX, …, TNY, …, TNN),以測量相應的燃燒氣體(CG)溫度,
其中,所述壓縮機(CO)將含氧氣體(OCG)遞送至所述燃燒器(CB),
其中,所述燃燒器(CB)包括至少兩個噴燃器(Bl, …, B2)和所述噴燃器(Bl, …, B2)下游的至少一個主燃燒室(MCC),
其中,所述噴燃器(B1, …, B2)中的至少兩個共同地接合到所述至少一個主燃燒室(MCC)中,以從燃燒燃料(F)和所述含氧氣體(OCG)生成所述燃燒氣體(CG),
其中,提供了一個抽氣裝置(EX),以在所述壓縮機(CO)下游和所述燃燒器(CB)上游抽出所述含氧氣體(OSG)的至少一部分,其中,所述抽氣裝置(EX)包括閥(BV)以控制將抽出的所述含氧氣體(OSG)的所述部分,
所述方法包括以下步驟:
- 由在到所述燃燒氣體(CG)的所述噴燃器相應等流動距離的不同位置處的所述溫度測量裝置(TN1, …, TNX, …, TNY, …, TNN)監測所述燃燒氣體溫度,
- 比較所述溫度測量裝置(TN1, …, TNX, …, TNY, …, TNN),
- 當所述比較顯示出出在所述溫度測量裝置之間的差值超出溫差閾值ΔT1時,打開所述閥(BV)或增加所述閥(BV)的打開位置。

2.   根據權利要求1所述的方法,其中,所述含氧氣體(OCG)為空氣。

3.   根據權利要求1或2所述的方法,其中,所述主燃燒室(MCC)為環形燃燒室(MCC)。

4.   根據前述權利要求中的一項所述的方法,其中,所述噴燃器(B1, …, B2)的數目在4和24之間,優選地在10和20之間。

5.   根據權利要求1所述的方法,其中,所述燃料(F)為氣體。

6.   根據權利要求1所述的方法,其中,所述抽氣裝置(EX)是旁路的一部分,其中,所述旁路繞過所述燃燒器(CB)并且接合到所述燃燒器(CB)下游的熱氣體路徑中。

7.   根據權利要求1所述的方法,其中,所述閥(BV)可以逐漸打開和關閉。

8.   根據前述權利要求中的至少一項所述的方法,其中,所述溫度測量裝置(TN1, …, TNX, …, TNY, …, TNN)位于所述燃氣渦輪機(GT)的一個軸向平面中,其中,基準軸線是所述燃氣渦輪機(GT)的機器軸線X和所述燃氣渦輪機(GT)的至少一個轉子(R)的旋轉軸線。

9.   根據前述權利要求中的一項所述的方法,其中,另一個步驟是在打開所述閥以及增加所述閥(BV)的打開位置預定時間之后減小所述閥(BV)的開度或關閉所述閥(BV)。

10.   根據權利要求9所述的方法,其中,所述打開時間在5秒和180秒之間,優選地在10秒和60秒之間。

說明書

說明書操作燃氣渦輪機的燃燒器的方法
技術領域
本發明涉及一種操作燃氣渦輪機的燃燒器的方法,其中,燃氣渦輪機包括壓縮機、所述燃燒器、生成的燃燒氣體和渦輪機以及在所述燃燒器下游的至少兩個溫度測量裝置,以測量相應的燃燒氣體溫度,其中,所述壓縮機將含氧氣體遞送至燃燒器,其中,所述燃燒器包括至少兩個噴燃器和在所述至少兩個噴燃器下游的至少一個燃燒室,其中,所述至少兩個噴燃器中的至少兩個共同地接合到所述至少一個燃燒室中以從燃燒燃料和所述含氧氣體生成所述燃燒氣體,其中,提供了一個抽氣裝置,以抽出所述壓縮機下游和所述燃燒器上游的含氧氣體的至少一部分,其中,所述抽氣裝置包括閥,以控制將抽出的含氧氣體的部分,其中,所述方法包括由所述至少兩個溫度測量裝置監測燃燒氣體溫度的步驟。
背景技術
在尤其是具有環形燃燒器的燃氣渦輪機上,可能發生的是,由于燃燒器中存在的多個噴燃器中的一個噴燃器熄火,如一氧化碳的不期望的排放物臨時增加至高于可接受的水平(通常持續若干分鐘或小時)。這樣的熄火可以在穩定負載操作期間保持幾小時。這種排放物(尤其是一氧化碳排放物)的臨時增加可導致關于排放保證的合同協議的違背。
該問題到目前為止通過改變將氣體燃料遞送至相應的噴燃器的聯接件的孔口直徑來解決。與噴燃器熄火相關聯的孔口的直徑通常改變至具有較大直徑的孔口,以便將更多氣體燃料遞送至該噴燃器。該解決方案需要將燃氣渦輪機停機至少30分鐘。多數情況下,這樣的停機是不可接受的。此外,增加一個噴燃器的孔口直徑日后將熄火問題轉移到另一個噴燃器,并且因此沒有徹底解決問題。
另一個常規解決方案是在每個噴燃器聯接件上游的燃料供應管線中安裝手動閥,并且在燃氣渦輪機在操作的同時改變閥的打開位置。該解決方案不需要關閉燃氣渦輪機來解決問題,但需要有專業人員在現場操作手動氣體閥。
發明內容
本發明提出一種根據權利要求1的控制燃燒器的方法,以解決上述問題。各個從屬權利要求涉及本發明的優選實施例。
根據本發明的燃氣渦輪機通常包括:壓縮機,其用于壓縮優選地空氣的含氧氣體;另外的下游燃燒器,其從待燃燒的燃料和壓縮的含氧氣體(如空氣)生成燃燒氣體;以及下游的渦輪機,其通過熱燃燒氣體通常向環境壓力的膨脹來驅動。
這樣的燃氣渦輪機在DE 102008044442 Al中有所描述。
通常,這樣的燃氣渦輪機包括在燃燒器下游的熱氣體路徑中的至少兩個溫度測量裝置,以測量在兩個不同位置的燃燒氣體溫度。通常,這兩個不同的位置在燃氣渦輪機的所述熱氣體路徑的一個軸向平面中,其中,軸向平面是指由渦輪機的燃氣渦輪機轉子限定的燃氣渦輪機的渦輪機軸線,該轉子通過熱氣體的膨脹來推動。兩個熱電偶類溫度測量裝置的位置設置在由燃燒器生成的燃燒氣體流的兩個不同的支路上。
本發明認識到,當若干噴燃器噴射氣體或氣體混合物以燃燒成普通燃燒室的火焰前鋒時,增加的排放物(尤其是一氧化碳排放物)常常由至少一個噴燃器的至少一個火焰前鋒的移置造成。如果火焰前鋒(如一個火焰區)向下游移置得過遠,那么由于其在空氣源中的聯接和在火焰前鋒位置的壓降趨勢,相鄰噴燃器的其它火焰前鋒也移置。
本發明還認識到,這樣的不對稱在下游燃燒氣體路徑中的至少兩個溫度測量裝置之間造成溫差。
此外,本發明認識到,為了克服火焰移置的問題,有利的是增加包括具有移置的火焰的噴燃器在內的所有噴燃器的火焰溫度。這種溫度增加對于將移置的火焰區的火焰前鋒再次置于正確位置具有有益的影響。該效應能夠實現是因為,火焰越熱,燃燒得越快,并且因此更靈活,以移動到局部流速較高的區域中。
基本上,本發明認識到,由于燃燒器中的溫度增加,由下游排氣的溫差引發的空氣供應減少通過移置的火焰前鋒來移除單個噴燃器的阻塞。換句話講,當在燃燒器下游的不同的燃燒氣體支路之間檢測到溫差時,通過打開旁路閥來重置火焰前鋒位置。
雖然噴燃器操作和甚至可能地燃氣渦輪機的關閉的常規的手動調整是必要的,但本發明使得能夠通過自動控制抽氣閥位置來避免特別地一氧化碳的高排放。
這導致可用性的急劇增加和調試時間的減少,其中,燃氣渦輪機的操作變得更容易,并且也減少了排放。
根據本發明的控制方法尤其可用于由多個噴燃器點火的環形燃燒室,所述噴燃器優選地具有在4和32之間(尤其優選地在10和20之間)的數目。在這樣的環形燃燒器中,相鄰噴燃器之間的影響是顯著的。
優選地,將在燃燒器中燃燒的燃氣渦輪機的燃料為氣體,但也可以是液體燃料。
抽氣裝置優選地是旁路系統的一部分,其在含氧氣體進入燃燒器之前從壓縮機的出口抽出壓縮的含氧氣體。這種抽氣裝置或旁路系統包括至少一個閥,以打開、部分地打開、節流或關閉所述旁路系統,這對部分負載操作尤其有用。如果將抽氣裝置變為旁路系統,則將抽出的壓縮空氣重新噴入燃燒器下游的燃燒氣體路徑中,尤其是噴入燃氣渦輪機的渦輪機中。這樣,一定量的壓縮的含氧氣體被旁通至燃燒器并在渦輪機中膨脹。
溫度測量裝置優選地位于渦輪機的排放裝置中,并且控制單元永久性地比較溫度測量裝置以檢測顯著的差值。這些溫度測量裝置位于熱氣體路徑的一個公共軸向平面中,以在相當的位置處測量熱氣體的不同支路,從而識別燃燒過程中的任何不對稱(在環形燃燒器的優選應用的情況中,在周向方向上的不對稱)。如果至少一個溫度測量裝置顯著偏離相同的軸向測量平面中的其它測量裝置,那么高于某個閾值的偏差將導致根據本發明的控制措施。
另一優選實施例提供了根據本發明的控制方法,其中,旁路或抽氣閥的開度的增加時間在5秒和180秒之間。優選地,該時間在10秒和60秒之間,以克服在噴燃器中的至少一個下游的不期望的火焰前鋒移置。
附圖說明
在結合附圖考慮本發明的優選實施例的以下描述的情況下,上述屬性、特征和優點將變得更加明顯,并且將更好地理解本發明,在附圖中:
圖1示意性地示出了將被控制的燃氣渦輪機的相關部分的二維描繪;
圖2示出了顯示根據本發明的控制方法的步驟的流程圖;
圖3至6示出了若干相鄰的噴燃器的火焰前鋒位置的相關性的圖示。
具體實施方式
圖1示意性地示出了將通過根據本發明的方法控制的燃氣渦輪機GT的二維描繪。燃氣渦輪機GT的基本元件包括壓縮機CO、燃燒器CB和渦輪機TB。所述壓縮機CO壓縮優選空氣的含氧氣體OCG,并將其向下游遞送至所述燃燒器CB,以與氣體燃料F混合并由多個噴燃器B1、B2、…、Bn燃燒。所述噴燃器B1、…、Bn分別通過未描繪的燃料管線接收燃料F,并且將所述燃料F沿著所述相應的噴燃器B1、B2、…、Bn的中心軸線CX噴入到所述相應的噴燃器B1、B2、…、Bn的第一腔體CV中。噴燃器B1、B2、…、Bn還包括旋流器SW。所述旋流器SW周向地定位在所述中心軸線CX周圍,并且將可選地與傾斜于所述中心軸線CX的燃料F混合的含氧氣體OSG噴入所述腔體CV中。
在所述含氧氣體OCG和燃料F的混合物流的下游,所述腔體CV進一步向主燃燒室MCC內張開。該主燃燒室MCC具有圍繞機器軸線X周向延伸的環形形狀。所述機器軸線X是燃氣渦輪機GT的渦輪機TB的燃氣渦輪機轉子R的旋轉軸線,其僅由圖2中的對稱性示出。壓縮機CO的轉子也圍繞該軸線X旋轉。
所述噴燃器B1、…、Bn在若干等距的周向位置處接合所述主燃燒室MCC。在正常操作期間,在離腔體CV進入更寬的主燃燒室MCC的出口一定距離處建立具有在每個腔體CV的每個噴燃器出口處向所述主燃燒室MCC的集中點的火焰前鋒FF。從從所述腔體CV進入所述主燃燒室MCC的燃料F和含氧氣體OCG的所述混合物主要在所述火焰前鋒FF進入將在所述燃氣渦輪機GT的所述渦輪機TB中膨脹的燃燒氣體CG的位置處燃燒。
尤其是在所述燃氣渦輪機GT的部分負載操作期間,含氧氣體OCG被所述燃燒器CB(如所述噴燃器B1、…、Bn)上游的抽氣裝置EX抽出。所述抽氣裝置EX設計為旁路BY,并且在旁路流BF進入所述主燃燒室MCC下游的所述燃燒氣體CG的流以在所述渦輪機TB中膨脹之前,所述旁路流BF經過旁路閥BV。所述渦輪機TB包括排放裝置EXH,其配有若干溫度測量裝置TN1、…、TNX、…、TNY、…、TNN,所述溫度測量裝置位于涉及機器軸線X的某個軸向平面中。
所述溫度測量裝置TNX、TNY的位置選擇成使得燃料氣體CG流的不同支路在就離噴燃器B1、B2、…、Bn的距離而言相當的位置處測量。如果在一個噴燃器Bl、…、Bn處發生故障,該情況可能會體現在特定的溫度測量裝置TNX處,使得在該特定的溫度測量裝置TNX和其它溫度測量裝置TN1、…、TNN之間的差值可能超出某個閾值ΔT1。
本發明因此提出了根據圖2的流程圖并根據權利要求1所述的方法,其中,在第一步驟中,在所述燃氣渦輪機的操作期間,所述溫度測量裝置TN1、…、TNY、…、TNX、…、TNN被連續地監測和比較。在第二步驟中,這種比較的結果,如兩個溫度測量裝置之間的差值超出第一溫差閾值ΔT1,可能被識別。
如果超出該閾值,則打開所述旁路閥BV,或者增加所述旁路閥BV的打開位置。如果未超出該閾值,則繼續在步驟一中的監測。在60秒的預定的打開時間(Topen)之后,所述旁路閥BV被關閉,或者再次減小打開位置,如在圖2的步驟4中所示。
打開所述旁路閥使較少的含氧氣體OCG被供應至分別到每個單獨的噴燃器B1、…、Bn的所述主燃燒室MCC。這種變化導致溫度增加,并且主燃燒區MCC中的火焰前鋒FF被重新定位。這種重新定位效應基于由溫度增加導致的主燃燒室MCC中的火焰前鋒FF的更高速度。通過在噴燃器B1、…、Bn前方的相同位置中移動火焰前鋒FF,火焰前鋒FF壓降被再次均衡。這樣,消除了燃燒中的潛在的不對稱,并且所有噴燃器B1、…、Bn都協調地操作。
在圖3中,示出了具有一個噴燃器和渦輪機入口引導靜葉GV的燃燒室的示意圖。在噴燃器腔體出口中定位有中心點O,該點也是軸線X的原點。在右手側的圖中,沿著軸線X示出了局部流速v。該圖顯示,局部流速v沿著軸線X減小,其具有初始陡峭、然后減小的斜率。字母A、B、C和D是指在圖4、5和6中使用的不同的火焰前鋒位置。位置C在這里被看作用于正常操作的穩定火焰位置,并且在圖4中示出了其中所有噴燃器具有在位置C的火焰前鋒FF的燃燒室的方案。
當一個噴燃器火焰前鋒在位置D移置時,如圖5中所示,所有其它噴燃器都經受向B的火焰前鋒位置移動。這是由于以下事實:流過具有火焰前鋒D的噴燃器的空氣流遇到較低的壓降,并且因此發生更多的空氣流通過該噴燃器。因此,空氣在所有其它噴燃器中減少,并且其火焰溫度增加,結果,其火焰速度增加,并且其可將火焰前鋒FF移動至位置B。當發生圖5中所示情況時,觀測到排氣溫度測量值中的差值。該增加的差值將用來觸發燃燒旁路閥的臨時打開。
當打開燃燒旁路閥時,在所有噴燃器上的所有火焰都會變得更熱,并且其火焰溫度增加也會增加其火焰速度。所有噴燃器火焰前鋒將能夠移動至位置A,如圖6所示。當火焰前鋒FF在位置A時,局部來流速度迅速增加,并伴有距離X的小的減少,如圖3所示。在區域A中的局部流速中的急劇變化允許經歷火焰前鋒FF移置的噴燃器將其火焰前鋒返回至位置A。在此過渡期間,所有其它噴燃器都不能實現到CV出口O的更近的火焰前鋒FF位置,因為局部流速正迅速地變得過高,以至于不能被其火焰速度補償(圖3)。考慮到火焰前鋒FF將在位置A附近的區域X中火焰速度達到來流速度的位置處穩定,可以使較大范圍的火焰速度穩定,并且因此所有噴燃器都將容易由相同的火焰位置表征。
在燃燒旁路閥具有大開度的情況下的操作的特征在于燃燒器出口溫度分布的不可取修改,其風險是損壞渦輪機部件(葉片)。因此,不可以將所有火焰前鋒FF長時間保持在位置A。因此,在確定的時間之后,燃燒旁路閥將被選擇至其標準操作位置,并且所有火焰前鋒FF都將移動至位置C,如圖4所示。

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操作 燃氣 渦輪機 燃燒 方法
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