CN101377303A - 具有集成控制阀的燃气涡轮发动机的燃烧器组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有集成控制阀的燃气涡轮发动机的燃烧器组件，具体而言，一种用于燃气涡轮发动机的燃烧器组件(8)包括燃烧器端盖(9)，该端盖(9)具有至少一个燃料回路(42)和安装在端盖上的多个预混合器(14－16)以及至少一个控制阀(49)。所述至少一个控制阀(49)流通地连接在所述至少一个燃料回路(42)上，并且可操作地连接在控制器(65)上。控制器(56)有选择地操作至少一个控制阀(49)，以通过至少一个燃料回路(42)而将燃料输送至多个预混合器(14－16)中，从而通过提供单个燃烧器的控制而获得增强的操作灵活性水平。

Description

具有集成控制阀的燃气涡轮发动机的燃烧器组件
技术领域
[0001]本发明涉及燃气涡轮领域，更具体地说，涉及包括多个可选择性操作的集成控制阀的燃气涡轮端盖组件。
背景技术
[0002]通常，燃气涡轮发动机在多个燃烧器中燃烧燃料/空气混合物，以释放热能，该热能被引导至涡轮。中央燃料或燃气供应联接至各个燃烧器。中央供应运转以通过联接在公共歧管上的供应管线而输送适量的燃料，公共歧管为所有燃烧器供应燃料。燃料与空气混合，并点火以形成高温气流。涡轮将来自高温气流的热能转换成使涡轮轴旋转的机械能。涡轮的输出可用于各种应用例如，驱动发电机。
[0003]燃烧的若干副产物，例如氮氧化物(NOX)、一氧化碳(CO)和未燃烧的烃(UHC)会受到联邦和州条例的限制。NOX是和大气一起带入的氮的氧化而产生的，并且按指数规律地依赖于2500℉(1371℃)以上的火焰温度。为了将NOX排放保持在排放要求内，必须将火焰温度保持在3000℉(1649℃)以下。控制NOX排放所采用的一种方法是将惰性物质，例如蒸汽、水、氮气注入到燃烧器中。惰性物质的注入导致了稀混合气和低得多的NOX。然而，这需要大量的非常清洁的蒸汽或水，并且在某些地区，水/蒸汽的成本可能超过燃料成本。水的注入还对排放具有负面影响，时常导致增加CO和UHC的产生。
[0004]在减少的负荷下在低燃料/空气比、接近稀燃熄灭(leanextinction)极限下的运行是特别困难的。也就是说，在非高峰期，以满负荷运行发电机是不切实际的。任何没有出售的超过需求而生产的能量都被浪费掉。因此，在遵守排放要求的同时使低输出和稀燃运行达到平衡是很困难的。为了解决这个问题，涡轮机在先导控制的-预先混合(piloted-premix)状态下运行，其中大约10％至20％的燃料被直接注入到反应区域中，并以高温扩散火焰进行燃烧。这提供了良好的稳定性和燃烧效率，但NOX的水平超标。因而，涡轮机交替地在超标状态和非超标状态下进行操作，以保持平均排放输出符合要求。
[0005]除了上述问题之外，在达到满负荷之前，重新起动被关闭的燃气涡轮复合循环发电机是一个非常长的过程，其可能花费一个小时或更长时间。这种损失的时间对于能量生产商而言可能是相当昂贵的。此外，被关闭的发电机在低需求期间如果出乎意料地需要辅助输出的情况下是不可用的。另外，起动和停止发电机影响了电力***构件的耐用性和寿命。频繁的起动和停止将对发动机的可靠性产生有害的影响，并触发对更频繁的维护循环的需求，因而增加了运行与维护成本。
[0006]由于同停止燃气涡轮或复合循环涡轮相关联的缺陷，能量生产商更喜欢在非峰值时间调慢或停置(park)发动机，以最大限度地减小燃烧的燃料，同时保持对非计划的负荷增加进行响应的能力。出于上述原因，在容许快速返回到全功率，同时还能保持排放要求的点上停置涡轮发动机，这是一项很难的平衡动作。因此，当停置涡轮机时，发动机运行在特定的部分负荷状态下，且有短时间的超标运转。虽然对于将发动机保持在排放要求内是有效的，但是可达到的部分负荷状态仍然很高，在正常输出的40％范围内，并因而可能实质上代表运行效率低下。
[0007]除了上述问题之外，代表在成功地解决涡轮发动机的所有排放、可靠性和操作灵活性要求方面的重要的固有障碍和规律的日复一日的努力的一个重要的总体约束是在任何“真实世界”的发电厂环境中的内在变化。贫燃预混合燃烧***的性能可能受到外部变量的细微变化的影响。单个的燃料回路流量上的变化(总数的1％)、环境温度和相对湿度在夜晚/白天以及季节上的变化、场地位置和海拔高度、燃料气体组分的增量(百分之几的体积)变化以及电力***负载都将对燃烧***性能产生影响。
[0008]此外，内部变量，例如由于***构件的尺寸差异而引起的室与室之间在空气和燃料流量上的变化，以及涡轮机械上游和下游的变化而引起的二次流量变动，也会对燃烧***性能产生影响。此外，这些内部***变量将随着以小时数和循环数指示的部件年龄和状态以及特定的运行“任务”或从第一次点火至现今的过程而变化。因而，现在，现代燃气发动机需要多燃料回路，以便在广泛的负荷、环境条件和燃料气体组分的范围内同时控制废气排放和可靠的柔性操作。
发明内容
[0009]根据本发明的一个方面，提供了用于燃气涡轮发动机的燃烧器组件。该燃烧器组件包括至少一个流通地连接在多个喷嘴或预混合器上的燃料回路。另外，燃烧器组件包括至少一个由燃烧器端盖携带的控制阀。该至少一个控制阀可操作地与该至少一个燃料回路相关联，并且可操作地连接在控制器上。该控制器有选择地操作该至少一个控制阀，以将燃料通过该至少一个燃料回路输送至多个预混合器中，从而通过提供至少其中一个单独的燃烧器水平和预混合器水平的燃烧性能的监测和控制而取得增强的操作灵活性水平。
[0010]根据本发明的另一方面，提供了一种有选择地对至少一个与燃气涡轮发动机的燃烧器端盖组件集成的控制阀进行操作的方法，且该至少一个控制阀流通地连接在至少一个燃料回路上。该方法包括将燃料供给输送给至少一个与燃烧器端盖组件集成的控制阀，并有选择地操作至少一个控制阀，以将燃料传递到所述至少一个燃料回路中，从而将燃料输送到多个由燃烧器端盖携带的预混合器中。
[0011]应该懂得，通过根据特定的燃烧器对局部燃料、对特殊的燃气涡轮、在特殊的位置、在特定的时刻的操作需求而使得能够对燃烧器进行单独控制并动态地调整燃烧输入，本发明提供了增强的涡***作灵活性。通过这种方式，可实时补偿任何与磨损相关的影响以及在下游和上游构件、环境温度和燃料/气体组分上的变化。因而，消除了对所有变量的所有潜在的操作范围进行预测并提供安全余量的需求。此外，本发明消除了下游截留的大体积燃气，从而使涡轮能够更加快速地响应任何负荷瞬变，或简单地微调燃烧器水平，以取得最佳性能。无论如何，本发明各个方面的其它目的、特征和优势从以下结合附图所示的本发明方面的详细说明将变得更为清晰，附图中相似的标号表示若干视图中相应的部件。
附图说明
[0012]图1是示范性燃气涡轮的截面侧视图，其装配有燃烧器端盖组件，该端盖组件包括根据本发明一个方面而构成的多个可选择性地操作的集成的控制阀；而
[0013]图2是图1的燃烧器端盖组件的示意图。
部件列表
2                燃气涡轮发动机
4                压缩机
8                燃烧器组件
9                端盖组件
12               燃烧器；
14，15，16       喷嘴/预混合器
18               公共燃料入口
30               涡轮
34               压缩机/涡轮轴
37               主体部分
40               燃料增压室
42，43，44，45   燃料输送回路
46               公共歧管
48，49，50，51   控制阀
54               吹扫空气通道
58               电连接器块
65               控制器
66               存储器
71               第一多个传感器，如排气温度传感器
75               第二多个传感器，如压力传感器
80               点火器
具体实施方式
[0014]图1是示范性复合循环电力***的示意图，其显示为燃气涡轮发动机2。发动机2包括压缩机4和多个燃烧器组件，其中一个燃烧器组件以标号8标示。因为多个燃烧器组件的每一个都是相同的，所以基于剩余燃烧器组件都是同样构造的理解，将相对于燃烧器组件8进行详细说明。如图所示，燃烧器组件8包括端盖组件9，该端盖组件9密封并至少部分地限定了燃烧器12。多个喷嘴或预混合器14-16由端盖组件9支撑，并延伸到燃烧器12中。如以下将更完整地论述，预混合器14-16通过公共燃料入口18接收燃料，并从压缩机4中接收压缩空气。燃料和压缩空气传输到燃烧器12中，并点火以形成用于驱动涡轮30的高温、高压燃烧产物或空气流。涡轮30操作上通过压缩机/涡轮轴34(有时称为转子)而连接在压缩机4上。
[0015]在运行中，空气流入压缩机4，并被压缩成高压气体。高压气体供应给燃烧器组件8，并在燃烧器12中与燃料，例如工业废气和/或合成气体混合。燃料/空气或可燃混合物点火以形成大约871摄氏度(C)至1593℃(1600华氏度(F)至2900℉)的高压、高温的燃烧气流。燃烧器组件8可备选地燃烧燃料，燃料包括但不限于天然气和/或燃料油。无论如何，燃烧器组件8将燃烧气流引导至涡轮30中，其将热能转化成机械旋转能量。
[0016]根据图2中所示的本发明的一个方面，端盖组件9包括主体部分37，该主体部分37至少部分地限定了燃料增压室40和多个燃料输送回路42-45，通过该回路42-45将燃料传递给为喷嘴14-16供应燃料的公共歧管46。端盖组件9还包括多个集成的控制阀48-51，这些控制阀48-51流通地连接在相应的其中一个燃料输送回路42-45上。在所示的实施例中，控制阀48-51是三通阀。通过这种方式，控制阀48-51不仅控制燃料的输送，而且还容许吹扫空气有选择地穿过净化空气通道54而进入到燃料回路42-45中。另外，图中显示端盖组件9包括电连接器块58和具有存储器66的控制器65。如图所示，所示控制器65表示为计算机，例如在Mark VI(六)Speedtronic GT控制***中所发现的计算机。然而，这仅仅是本发明范围内的合适的高功率控制的示例。例如，但非限制本发明，控制器65还可利用合适地编程的通用计算机来实现，例如微处理器或微控制器或其它处理器装置，例如单独的或与一个或多个***数据和信号处理装置协同的CPU或MPU。无论如何，控制器65通过电连接器块58而联接在各个控制阀48-51上，其将在下面进行更完整的论述。更具体地说，控制器65有选择地操作各个控制阀48-51，以计量从燃料增压室40输送到各个燃料输送回路42-45中的燃料数量。
[0017]根据本发明的另一方面，控制器65基于在燃烧器12中所检测的燃烧参数而有选择地操作控制阀48-51。更具体地说，多个传感器定位在发动机2的各个部分中，并设置成检测各种发动机的操作参数。例如，发动机2包括第一多个传感器71，这些传感器71在所示的实施例中是排气温度传感器，它们关于发动机2的热燃气路径(HGP)部分(没有单独标出)设置成特殊的阵列形式。更具体地说，排气温度传感器或热电偶71根据特定的涡轮而以18至36个之间的阵列形式安装在燃气涡轮排气管道中。传感器71测量末级或终级涡轮下游的排气温度。控制器65的存储器66用基准排气温度数据进行编程，所述基准排气温度数据在控制器65中与传感器71所采集的实际的排气温度数据进行比较。实际的排气温度相对基准温度数据的任何变化或偏差指示一个或多个燃烧器组件8正在理想的操作参数之外进行操作，而且需要校正动作。
[0018]除了多个排气温度传感器71之外，发动机2还包括第二多个传感器75，根据本发明的一个方面，这些传感器75是设于各个燃烧器中的动态压力传感器。压力传感器75以声波标记的形式动态地检测压力。按照类似上述的方式，存储器66用与各个燃烧器中的理想的燃烧参数相关联的振幅和频率数据或预期的声波标记进行编程。压力传感器75实时地对各个燃烧器中的实际的声波标记进行采样。实际的声波信号同预期的声波信号进行比较，以确定是否存在任何偏差。如果发现有偏离预期的声波信号的偏差，则控制器65有选择地操作同检测到偏差的燃烧器相关联的一个或多个阀门48-51，以采取校正动作。对排气温度和/或燃烧声波的连续的实时采样建立了闭环反馈***，控制器65采用该***来运行发动机2，以获得精确的控制水平，并产生迄今未能获得的运行效率，这将在下面进行更完整的论述。
[0019]在理想的操作状态下，来自各个燃烧器组件8的输出是相同的。通过这种方式，涡轮30暴露于均匀的燃烧产物或气流下。气流的各种参数上的偏差可能造成发动机2的操作效率低下。也就是说，很少达到理想的操作参数。燃料类型的变化、周围的空气状态、发动机的寿命和各个燃烧器中的最小差异都会引起将非均匀的气体流引导至涡轮30。通过利用来自传感器71和75的闭环反馈检测和了解各个燃烧器中的燃烧参数上的差异，控制器65可有选择地操作特定的燃烧器组件中的各个控制阀48-51，以便实时地调整燃烧参数。通过提供对各个控制阀48-51的实时的单独控制，控制器65修正各个燃烧器中的燃烧参数，以尽可能地接近理想状态。
[0020]本发明不仅为发动机2提供了对阀门48-51的实时控制，以考虑输入参数、燃料、空气、高度等方面的差异，而且还提供了可实现非常低的调低操作的控制水平。也就是说，在调低期间，控制器65有选择地操作各个燃烧器组件中的控制阀48-51，以确保点火温度保持在排放要求以内，同时减少燃料消耗量。控制器65将调低或甚至关闭其中一个或多个燃烧器组件中的一个或多个阀门48-51。通过提供对阀门46-49的实时控制，可将发动机2调低或停置于全ISO运行输出的15-25％。通过这种方式，可在相对较短的时间周期内使发动机2回到满负荷，该较短的时间周期是与完整的***重新起动所需要的一小时或几小时形成对比的例如几分钟。因而，能量供应商现在能够更长时间地停留在电网上，并且当需求增加时准备好或首先投入使用以提供满负荷。另外，如果意外的需求增加，则本发明提供的快速返回全功率容许能量供应商一直处于准备就绪的状态来在需要时提供功率。另外，本发明可使发动机2更好地响应负荷瞬变。
[0021]例如，当相关联的控制断路器断开时，发电机可以光速降低600,000马力。为了避免转子的超速，压缩机质量流量和燃烧器燃料流量必须在几秒钟内减少几倍。没有时间来逐步变化。在当前布置中，在外部控制阀和相关的燃烧器之间延伸的管道中截留的任何燃料必须在实现任何能量转变之前燃烧完。通过将控制阀48-51结合到各个端盖组件9中，显著地减少了截留的燃料体积，因而极大地增强了***的响应性。部分甩负荷(load rejection)、甩负荷和处理电网瞬变(由于局部或外部作用而引起的负荷摆动)是这种大规模功率瞬变的其它示例。
[0022]在另一个示例中，当风速超过风力涡轮机限制时，使涡轮机叶片调至顺桨(feather)以防止损伤。当一长段海岸线上的风速提高，并且有数百个风力涡轮机顺桨且离线时，使燃气涡轮机在线工作，以补偿任何负荷损失。在世界上风能占总能量生产的大比重的区域，曾经历过接近4000MW/h的电网梯度。此外，在自感应的瞬变中，例如单个燃烧器中的火焰丧失的情况下，本发明允许单个燃烧器以先导模式快速重新起动，之后转变回与相邻燃烧器独立的预先混合模式，这将在下面进行更充分的论述。
[0023]根据本发明的另一方面，燃烧器组件8装备有可操作地连接到控制器65上的点火器80。点火器80可以是喷枪、火花塞、等离子发生器或其它合适的装置，并且定位成将燃烧器12中的燃料/空气混合物点火。通过为各个燃烧组件提供集成点火器，发动机2中的各个燃烧器的独立操作成为可能。也就是说，如果在特定的燃烧器，例如燃烧器12中发生火焰丧失(LOF)，控制器65激励点火器80重新点燃火焰并恢复输出，而无需完全的发动机停机。单个的集成点火器的使用消除了对交叉火管的任何需求，否则需要交叉火管将热的燃烧产物从装备有点火***的燃烧器中携带至相邻的燃烧器，这通常在带有罐式环状燃烧***架构的工业燃气涡轮中实行。集成点火***的使用和由本发明促进的闭环、燃烧器水平的燃烧控制容许依据独立的燃料调度计划而重新起动和操作单个燃烧器，替代完全的***停机和重新起动。
[0024]在这一点上，应该懂得本发明提供了单个燃烧器水平的燃烧监测和闭环控制，这允许在各个单个燃烧器中对燃料分流进行逐时逐刻的调整，以便外部和内部燃气涡轮***变量单独适合于具体的燃气涡轮、位置和负荷状态。借助于增加集成点火***和消除交叉火管，各个燃烧器可进行独立操作。在发动机遵循排放要求的情况下，通过容许非常低的负荷调低，独立的燃烧器操作提供了独特的好处。在各个燃烧器中，燃烧器出口温度和操作模式可独立地变化，容许平均涡轮入口温度降低至运转备用水平，同时某些燃烧器保持在适应排放水平所需要的相对较高的出口温度。交替的燃烧器可独立地以更稳定的先导预先混合模式运行，或者完全关闭。通过燃料调度计划使休眠的燃烧器恢复并提升状态，以匹配被点火的燃烧器的操作模式，使得***能够快速重载。
[0025]控制器还可改变以降低温度模式运行的燃烧器，以使热循环均匀地分布在整个热燃气路径上。此外，如上所述，通过在各个燃烧器安装控制阀，本发明消除了否则将在下游存在的大体积的气体。通过消除大体积的气体，涡轮机可快速地响应任何负荷瞬变或简单的燃烧器水平修正。这种主要的电力***瞬变将包括甩全负荷、甩部分负荷到厂负荷的转换、支撑局部功率需求的“孤岛效应”对电网输出的转换以及电网频率瞬变，并响应于其它外部需求变化。此外，设于控制器65中的存储器66储存了各个燃烧器的详细的运行历史记录，以容许将维修计划从周期性的计划基础转换成按需基础。
[0026]总地说来，在以燃烧器水平监测和控制燃烧过程的条件下，本发明容许优化各个燃烧器，以响应所有变化源，包括燃料气体成分；环境温度；大气压力和湿度；由于制造误差而在涡轮机械的构件和结构以及燃烧***构件的上游和下游引起的尺寸变化；局部的涡轮机内部几何形状的变化(例如内部滑润剂或空气抽吸管道/冷却剂喷射管道，其影响相邻的燃烧器的空气供给，但不影响其它燃烧器)；由于污染或磨损而引起的燃料回路、燃料喷射器和阀门有效面积上的变化；以及由于寿命、热机械变形、蠕变或磨损而引起的内部二次空气流量上的变化。
[0027]除了上述好处以外，本发明由于对各个端盖的单独供气而减少了被燃料浸湿的螺栓结合法兰连接的数量；消除了用于吹扫的上游压缩机排气，并且消除了对吹扫控制阀和双隔断阀/放气阀的需求。而且本发明提供了当检测到火焰丧失情况时识别并使单个燃烧器重新点火的能力，避免由于火焰丧失事件而引起的事故停机，并且由于单个燃烧器的监测和控制而实际上减少了LOF事件的可能性，并减少了在模式转换期间集成点火器的可能的点火。此外，本发明提供了如果检测到燃气混合器“逆燃”或火焰稳定情况，就通过切断到受影响的回路的燃料而快速执行对策的能力，并使得能够进行潜在的燃烧器水平的回路-回路连通，以进行柔性排放和可操作性优化(“调节”)。
[0028]本发明还确保了来自燃料歧管和燃料管道的最小的热损耗，燃料预节流(pre-orifice)功能和燃料计量功能的潜在组合，容许用单组燃料喷嘴组件硬件处理更宽范围的燃料气体组分，通过操纵单个燃烧器的点火并监测对排气扩散的影响来识别故障。最后，本发明将容许热“频率摆动”，即基于正弦曲线形式而持续地改变相邻燃烧器的燃料供给，从而在没有燃烧器保持在低温或高温的同时作为时间的函数降低平均点火温度，并减少在速度比阀门和端盖之间的管道网络中的压力损失。在燃气控制阀重新定位在燃烧器上，且消除了大部分集管、环形歧管和软管供给网络的条件下，可降低高于压缩机排气压力以上的燃料供给压力的“净空高度”。本发明还容许使用简单的环形歧管，而非当前***中所需要的更为复杂的渐缩歧管，该渐缩歧管用来平衡供给各个单独的燃料支路的静压力。
[0029]虽然已经参照所示方面描述了本发明，但是应该懂得在不脱离本发明精神的情况下可对本发明做出各种变化和/或修改。例如，虽然控制阀的位置显示为安装在燃烧器的端盖上，但是它是可以改变的，并且包括将控制阀安装在预混合器中或其它合适的位置。此外，结合本发明还可采用另外的传感器，例如环境空气传感器、千瓦计、UV传感器、检测由火焰附近的电场所产生的离子电流的光学火焰传感器、电磁辐射传感器、可见热和紫外光传感器、静压力传感器、声波测量排放的外表面温度传感器等等。总的说来，本发明仅意图由所附权利要求的范围限制。

Claims (10)

1.一种用于燃气涡轮发动机(2)的燃烧器组件(8)，包括:
燃烧器端盖(9)；
至少一个设置在所述燃烧器端盖(9)内的燃料回路(42)；
多个安装在所述燃烧器端盖(9)上的预混合器(14-16)；
至少一个由所述燃烧器端盖(9)携带的控制阀(48)，所述至少一个控制阀(48)可操作地与所述至少一个燃料回路(42)相关联；和
控制器(65)，其有选择地操作所述至少一个控制阀(48)，以将燃料传递给所述至少一个燃料回路(42)，从而将燃料输送给所述多个预混合器(14-16)。
2.根据权利要求1所述的燃烧器组件，其特征在于，所述燃烧器组件还包括:至少一个传感器(71)，其联接在所述控制器上，并设置成检测所述燃气涡轮发动机(2)的运行参数，所述控制器(65)基于由所述至少一个传感器(71)所检测的运行参数而有选择地操作所述至少一个控制阀(48)。
3.根据权利要求2所述的燃烧器组件，其特征在于，所述至少一个传感器(71)是多个传感器，所述控制器(65)基于由所述多个传感器(71)的其中一个特定的传感器所检测的运行参数而有选择地控制所述至少一个控制阀(48)。
4.根据权利要求2所述的燃烧器组件，其特征在于，所述至少一个传感器(71)是排气温度传感器、动态压力传感器、环境气温传感器、千瓦计和紫外传感器中的至少一个传感器，或包括至少一个前述传感器的传感器组合。
5.根据权利要求1所述的燃烧器组件，其特征在于，所述控制器(65)基于所述燃气涡轮发动机(2)的运行参数而有选择地操作所述至少一个控制阀(48)。
6.根据权利要求1所述的燃烧器组件，其特征在于，所述至少一个控制阀(48)是三通阀。
7.根据权利要求1所述的燃烧器组件，其特征在于，所述燃烧器端盖(9)包括单个燃气入口(18)，所述燃气入口(18)有选择地流通地连接在所述至少一个燃料回路(42)上。
8.根据权利要求1所述的燃烧器组件，其特征在于，所述燃烧器组件还包括:点火器(80)，其定位在所述多个预混合器(14-16)的附近，并可操作地连接在所述控制器(65)上。
9.根据权利要求1所述的燃烧器组件，其特征在于，所述至少一个燃料回路(42)是多个燃料回路(42-45)。
10.根据权利要求9所述的燃烧器组件，其特征在于，所述至少一个控制阀(48)是多个控制阀(48-51)，所述多个控制阀(48-51)可操作地与所述多个燃料回路(42-45)的其中一个相应的燃料回路相关联。
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