CN104329173B - 一种燃气轮机燃料与空气混合比的控制方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种燃气轮机燃料与空气混合比的控制方法及装置，采用燃料与空气混合比来控制燃气轮机点火以及慢车转速以下实时优化燃料与空气混合比配置，主要包括液态燃料质量流量计、以及空气体积流量计、压力传感器及温度传感器，燃气轮机从带转到燃烧室点火时刻，燃气轮机控制器根据进口空气流量、压力及温度计算出标况下气体质量流量，检测燃气轮机转速，调整燃料供应量，使得燃料与空气混合当量比等于1启动点火程序；点火成功后，燃气轮机控制器通过实时检测和调整燃料与空气当量比，从而实现燃料与空气混合实时最优的目标。
Description
技术领域
本发明属于燃气轮机的控制领域，主要涉及一种燃气轮机燃料与空气混合比的控制方法及装置，用于燃气轮机起动过程中控制燃气轮机点火前以及点火成功后燃烧室中的燃料与空气混合比。
背景技术
燃气轮机起动时燃烧室点火可靠性主要由燃料与空气混合比、空气流速等因素决定的，而目前燃气轮机燃烧室中燃料与空气混合控制装置及方法难以精确配比燃料与空气混合比，更无法根据不同的工况对燃烧室中燃料与空气混合比进行实时检测、调整和匹配，无法实现燃料与空气混合实时最优的目标，导致现有燃气轮机起动时燃烧室点火可靠性差，燃气轮机从起动到慢车过程也存在燃料与空气的配置当量不合理等问题，严重阻碍了燃气轮机的点火可靠性。
发明内容
本发明为解决现有燃气轮机起动时燃烧室点火可靠性差以及起动到慢车过程中燃料与空气混合比配置不合理、不能实时匹配燃料与空气的混合比等问题，提出了一种燃气轮机燃料与空气混合比的控制方法及装置，其技术方案包括燃料与空气混合比的控制方法、燃料与空气混合比的控制装置以及采用该方法和装置的燃气轮机。本发明的方法及装置尤其适用于地面燃气轮机、航空发动机以及其它对燃烧点燃可靠性要求高的动力装置中。
为解决上述技术问题，根据本发明的一方面，提供了一种燃气轮机燃料与空气混合比的控制方法，所述燃气轮机包括燃料计量与控制单元A和燃气发生器单元B，其特征在于：
--所述燃料计量与控制单元A包括通过燃油管路依次连接的油箱(1)、过滤器(10)、燃油泵(11)、稳压阀(13)、主燃油阀(14)，其中，所述燃油泵(11)的出口和稳压阀(13)的进口之间通过燃油管路连通，所述燃油泵(11)的进口和稳压阀(13)的进口之间还设有一带安全阀(12)的燃油管路；所述主燃油阀(14)通过并联的主燃油控制阀(8)和副燃油控制阀(9)与燃烧室的进油口连通；
所述燃料计量与控制单元A还包括燃气轮机控制器(5)、燃气轮机转速传感器(2)、变频器(3)、空气压力传感器(4)、空气温度传感器(6)、空气体积流量计(20)、燃料质量流量计(7)，其中，所述燃气轮机转速传感器(2)、变频器(3)、空气压力传感器(4)、空气温度传感器(6)、空气体积流量计(20)和燃料质量流量计(7)均与所述燃气轮机控制器(5)通信连接；所述空气压力传感器(4)、空气温度传感器(6)、空气体积流量计(20)设置在压气机出口和燃烧室进口之间的供气管路上，分别测量该供气管路中空气的压力、温度和体积流量；所述变频器(3)与所述燃油泵(11)的驱动马达电连接，为所述燃油泵(11)提供驱动电力；所述燃料质量流量计(7)设置在所述稳压阀(13)和主燃油阀(14)之间的燃油管路上或设置在所述油箱(1)和燃油泵(11)之间的燃油管路上；
--所述燃气发生器单元B包括压气机、燃烧室和涡轮；
其中，当所述燃气轮机处于点火前的准备阶段时，按照如下步骤控制燃料与空气的混合比：
SS1.根据燃气轮机转速传感器(2)测得燃气轮机的实际转速，与燃烧室点火要求的点火转速进行对比，当测量的实际转速小于点火转速，则增大燃气轮机转速，当测量的实际转速不小于点火转速时，则进入步骤2；
SS2.当燃气轮机的实际转速大于点火转速时，所述燃气轮机控制器(5)根据燃烧室进口空气的流量、压力及温度计算出对应的标况下气体质量流量，推算出使燃料与空气混合当量比等于1时所需的目标燃料供应量；
SS3.根据燃料质量流量计(7)测得实际燃料供应量，与所述目标燃料供应量进行对比，当所述实际燃料供应量小于目标燃料供应量时，则增大燃料供应量，当实际燃料供应量等于目标燃料供应量时，则启动点火程序。
进一步地，当所述燃气轮机起动点火后，按照如下步骤控制燃料与空气的混合比：
SS4.根据燃气轮机转速传感器(2)测得燃气轮机的实际转速，所述燃气轮机控制器(5)根据燃烧室进口空气的流量、压力及温度计算出对应的标况下气体质量流量，推算出使燃料与空气混合当量比等于1时所需的目标燃料供应量；
SS5.根据燃料质量流量计(7)测得实际燃料供应量，与所述目标燃料供应量进行对比，当所述实际燃料供应量小于目标燃料供应量时，则增大燃料供应量，当实际燃料供应量大于目标燃料供应量时，则降低燃料供应量，使得燃料与空气混合当量比实时保持为1。
进一步地，所述燃气轮机控制器(5)通过所述空气压力传感器(4)、空气温度传感器(6)和空气体积流量计(20)采集燃烧室进口空气的压力、温度及流量，并根据燃烧室进口空气的压力、温度及流量计算出对应的标况下气体质量流量。
进一步地，所述燃气轮机控制器(5)通过所述变频器(3)调节燃烧室的实际燃料供应量。
优选地，所述压气机和涡轮通过传动轴连接。
优选地，所述压气机包括低压压气机(15)和高压压气机(16)，所述涡轮包括高压涡轮(18)及低压涡轮(19)。
优选地，所述燃气轮机燃料适用于不同热值的液体燃料，如重油和航空煤油等。
进一步地，实际燃料与空气混合比为根据该公式调整实际的燃料供应量，使燃料与空气混合当量比保持为1。
进一步地，所述燃料为航空煤油，实际燃料与空气混合比为根据该公式调整实际的航空煤油供应量，使航空煤油与空气混合当量比保持为1。
根据本发明的另一方面，提供了一种利用上述控制方法来控制燃气轮机燃料与空气混合比的装置，包括燃料计量与控制单元A和燃气发生器单元B，其特征在于：
--所述燃料计量与控制单元A包括通过燃油管路依次连接的油箱(1)、过滤器(10)、燃油泵(11)、稳压阀(13)、主燃油阀(14)，其中，所述燃油泵(11)的出口和稳压阀(13)的进口之间通过燃油管路连通，所述燃油泵(11)的进口和稳压阀(13)的进口之间还设有一带安全阀(12)的燃油管路；所述主燃油阀(14)通过并联的主燃油控制阀(8)和副燃油控制阀(9)与燃烧室的进油口连通；
所述燃料计量与控制单元A还包括燃气轮机控制器(5)、燃气轮机转速传感器(2)、变频器(3)、空气压力传感器(4)、空气温度传感器(6)、空气体积流量计(20)、燃料质量流量计(7)，其中，所述燃气轮机转速传感器(2)、变频器(3)、空气压力传感器(4)、空气温度传感器(6)、空气体积流量计(20)和燃料质量流量计(7)均与所述燃气轮机控制器(5)通信连接；所述空气压力传感器(4)、空气温度传感器(6)、空气体积流量计(20)设置在压气机出口和燃烧室进口之间的供气管路上，分别测量该供气管路中空气的压力、温度和体积流量；所述变频器(3)与所述燃油泵(11)的驱动马达电连接，为所述燃油泵(11)提供驱动电力；所述燃料质量流量计(7)设置在所述稳压阀(13)和主燃油阀(14)之间的燃油管路上或设置在所述油箱(1)和燃油泵(11)之间的燃油管路上；
--所述燃气发生器单元B包括压气机、燃烧室和涡轮；
所述燃料计量与控制单元A和燃气发生器单元B通过信号线依次相连。
本发明的燃气轮机燃料与空气混合比的控制方法及装置相对于现有技术的显著优点是：克服了现有燃气轮机起动时燃烧室点火可靠性差以及起动到慢车过程中燃料与空气混合比配置不合理、不能实时匹配燃料与空气的混合比等问题，利用控制方法实时配比燃料与空气量，可以保证燃料与空气混合当量比实时保持为1，大大提高了燃料与空气配置合理性。本发明的方法及装置尤其适用于地面燃气轮机、航空发动机以及其它对燃烧点燃可靠性要求高的动力装置中。
附图说明
图1为本发明的燃气轮机燃料与空气混合比的控制装置示意图；
图2为点火前燃料与空气混合比控制逻辑流程图；
图3为点火后燃料与空气混合比控制逻辑流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，本发明的燃气轮机燃料与空气混合比的控制装置，包括燃料计量与控制单元A和燃气发生器单元B。
燃料计量与控制单元A包括通过燃油管路依次连接的油箱1、过滤器10、燃油泵11、稳压阀13、主燃油阀14，其中，燃油泵11的出口和稳压阀13的进口之间通过燃油管路连通，燃油泵11的进口和稳压阀13的进口之间还设有一带安全阀12的燃油管路；主燃油阀14通过并联的主燃油控制阀8和副燃油控制阀9与燃烧室的进油口连通；燃料计量与控制单元A还包括燃气轮机控制器5、燃气轮机转速传感器2、变频器3、空气压力传感器4、空气温度传感器6、空气体积流量计20、燃料质量流量计7，其中，燃气轮机转速传感器2、变频器3、空气压力传感器4、空气温度传感器6、空气体积流量计20和燃料质量流量计7均与燃气轮机控制器5通信连接；空气压力传感器4、空气温度传感器6、空气体积流量计20设置在压气机出口和燃烧室进口之间的供气管路上，分别测量该供气管路中空气的压力、温度和体积流量；变频器3与燃油泵11的驱动马达电连接，为燃油泵11提供驱动电力；燃料质量流量计7设置在稳压阀13和主燃油阀14之间的燃油管路上或设置在油箱1和燃油泵11之间的燃油管路上。
燃气发生器单元B包括低压压气机15、高压压气机16、燃烧室17、高压涡轮18和低压涡轮19。
如图2所示，当燃气轮机处于点火前的准备阶段时，按照如下步骤控制燃料与空气的混合比：
SS1.根据燃气轮机转速传感器2测得燃气轮机的实际转速，与燃烧室点火要求的点火转速进行对比，当测量的实际转速小于点火转速，则增大燃气轮机转速，当测量的实际转速不小于点火转速时，则进入步骤2；
SS2.当燃气轮机的实际转速大于点火转速时，燃气轮机控制器5根据燃烧室进口空气的流量、压力及温度计算出对应的标况下气体质量流量，推算出使燃料与空气混合当量比等于1时所需的目标燃料供应量；
SS3.根据燃料质量流量计7测得实际燃料供应量，与目标燃料供应量进行对比，当实际燃料供应量小于目标燃料供应量时，则增大燃料供应量，当实际燃料供应量等于目标燃料供应量时，则启动点火程序。
如图3所示，当所述燃气轮机起动点火后，按照如下步骤控制燃料与空气的混合比：
SS4.根据燃气轮机转速传感器2测得燃气轮机的实际转速，燃气轮机控制器5根据燃烧室进口空气的流量、压力及温度计算出对应的标况下气体质量流量，推算出使燃料与空气混合当量比等于1时所需的目标燃料供应量；
SS5.根据燃料质量流量计7测得实际燃料供应量，与目标燃料供应量进行对比，当实际燃料供应量小于目标燃料供应量时，则增大燃料供应量，当实际燃料供应量大于目标燃料供应量时，则降低燃料供应量，使得燃料与空气混合当量比实时保持为1。
本发明的上述控制装置和方法，克服了现有燃气轮机起动时燃烧室点火可靠性差以及起动到慢车过程中燃料与空气混合比配置不合理、不能实时匹配燃料与空气的混合比等问题，利用控制方法实时配比燃料与空气量，可以保证燃料与空气混合当量比实时保持为1，大大提高了燃料与空气配置合理性。本发明的方法及装置尤其适用于地面燃气轮机、航空发动机以及其它对燃烧点燃可靠性要求高的动力装置中。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。
Claims (10)
1.一种燃气轮机燃料与空气混合比的控制方法，所述燃气轮机包括燃料计量与控制单元A和燃气发生器单元B，其特征在于：
--所述燃料计量与控制单元A包括通过燃油管路依次连接的油箱(1)、过滤器(10)、燃油泵(11)、稳压阀(13)、主燃油阀(14)，其中，所述燃油泵(11)的进口和稳压阀(13)的进口之间还设有一带安全阀(12)的燃油管路；所述主燃油阀(14)通过并联的主燃油控制阀(8)和副燃油控制阀(9)与燃烧室的进油口连通；
所述燃料计量与控制单元A还包括燃气轮机控制器(5)、燃气轮机转速传感器(2)、变频器(3)、空气压力传感器(4)、空气温度传感器(6)、空气体积流量计(20)、燃料质量流量计(7)，其中，所述燃气轮机转速传感器(2)、变频器(3)、空气压力传感器(4)、空气温度传感器(6)、空气体积流量计(20)和燃料质量流量计(7)均与所述燃气轮机控制器(5)通信连接；所述空气压力传感器(4)、空气温度传感器(6)、空气体积流量计(20)设置在压气机出口和燃烧室进口之间的供气管路上，分别测量该供气管路中空气的压力、温度和体积流量；所述变频器(3)与所述燃油泵(11)的驱动马达电连接，为所述燃油泵(11)提供驱动电力；所述燃料质量流量计(7)设置在所述稳压阀(13)和主燃油阀(14)之间的燃油管路上或设置在所述油箱(1)和燃油泵(11)之间的燃油管路上；
--所述燃气发生器单元B包括压气机、燃烧室和涡轮；
其中，当所述燃气轮机处于点火前的准备阶段时，按照如下步骤控制燃料与空气的混合比：
SS1.根据燃气轮机转速传感器(2)测得燃气轮机的实际转速，与燃烧室点火要求的点火转速进行对比，当测量的实际转速小于点火转速，则增大燃气轮机转速，当测量的实际转速不小于点火转速时，则进入步骤2；
SS2.当燃气轮机的实际转速大于点火转速时，所述燃气轮机控制器(5)根据燃烧室进口空气的流量、压力及温度计算出对应的标况下气体质量流量，推算出使燃料与空气混合当量比等于1时所需的目标燃料供应量；
SS3.根据燃料质量流量计(7)测得实际燃料供应量，与所述目标燃料供应量进行对比，当所述实际燃料供应量小于目标燃料供应量时，则增大燃料供应量，当实际燃料供应量等于目标燃料供应量时，则启动点火程序。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，当所述燃气轮机起动点火后，按照如下步骤控制燃料与空气的混合比：
SS4.根据燃气轮机转速传感器(2)测得燃气轮机的实际转速，所述燃气轮机控制器(5)根据燃烧室进口空气的流量、压力及温度计算出对应的标况下气体质量流量，推算出使燃料与空气混合当量比等于1时所需的目标燃料供应量；
SS5.根据燃料质量流量计(7)测得实际燃料供应量，与所述目标燃料供应量进行对比，当所述实际燃料供应量小于目标燃料供应量时，则增大燃料供应量，当实际燃料供应量大于目标燃料供应量时，则降低燃料供应量，使得燃料与空气混合当量比实时保持为1。
3.根据权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于，所述燃气轮机控制器(5)通过所述空气压力传感器(4)、空气温度传感器(6)和空气体积流量计(20)采集燃烧室进口空气的压力、温度及流量，并根据燃烧室进口空气的压力、温度及流量计算出对应的标况下气体质量流量。
4.根据权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于，所述燃气轮机控制器(5)通过所述变频器(3)调节燃烧室的实际燃料供应量。
5.根据权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于，所述压气机和涡轮通过传动轴连接。
6.根据权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于，所述压气机包括低压压气机(15)和高压压气机(16)，所述涡轮包括高压涡轮(18)及低压涡轮(19)。
7.根据权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于，所述燃气轮机燃料适用于不同热值的液体燃料。
8.根据权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于，实际燃料与空气混合当量比为根据该公式调整实际的燃料供应量，使燃料与空气混合当量比保持为1。
9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述燃料为航空煤油，实际燃料与空气混合当量比为根据该公式调整实际的航空煤油供应量，使航空煤油与空气混合当量比保持为1。
10.一种利用上述任一项权利要求所述的控制方法来控制燃气轮机燃料与空气混合比的装置，其特征在于：所述燃料计量与控制单元A和燃气发生器单元B通过信号线依次相连。
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