УСТРОЙСТВО СГОРАНИЯ
COMBUSTION DEVICE

Изобретение относится к устройству сгорания и к устройству сгорания, образованному, в частности, газовой турбиной. Устройство сгорания применяется в различном оборудовании, включая газовые турбины, печи и бойлеры.
Пример типичной газотурбинной системы показан схематично на фиг.1. Газовая турбина содержит вход 10 для воздуха на одном конце, за которым следует ступень 11 компрессора, в которой входящий воздух сжимается для подачи в одну или несколько камер 12 сгорания, которые распределены в окружном направлении вокруг оси 13 турбины. Топливо подается в камеры 12 сгорания в точке 14 и смешивается здесь с частью сжатого воздуха, выходящего из компрессорной ступени 11. Горячие газы, создаваемые при сгорании в камерах 12 сгорания, направляются в ряд турбинных лопаток 15 через ряд турбинных направляющих лопастей 16, в результате чего вращаются турбинные лопатки 15 и вал, образующий ось 13. Турбинные лопатки 15, в свою очередь, вращают лопатки компрессорной ступени 11, так что сжатый газ поставляется во время работы самой газовой турбиной.
Часть типичной камеры сгорания схематично показана на фиг.2А (на фиг.2В показан разрез по линии III-III на фиг.2А). Камера сгорания состоит из четырех частей: передней части 20, горелки, завихрительной части 21, предварительной камеры горелки 22 и объема 23 сгорания. Основное топливо подают в завихрительную часть 21 через переднюю часть 20 по каналу 24, в то время как пусковое топливо входит в пространство горелки через канал 25, имеющий на своем конце форсунку 29 для пускового топлива или через ряд форсунок, или отверстий впрыска. Потоки основного и пускового топлива приходят из клапана 26 разделения топлива, который снабжается из топливоснабжения 27, представляющего все снабжение топливом камеры сгорания. Поток основного топлива входит в завихрительную часть через набор форсунок 28 (или инжекторов) основного топлива, откуда оно направляется вдоль завихрительных лопастей 30, смешиваясь в ходе прохождения с входящим сжатым воздухом. Получающаяся смесь воздуха и топлива поддерживает пламя 30 горелки. Горячий воздух из этого пламени входит в объем 23 сгорания.
Газовая турбина часто содержит несколько таких камер сгорания, так что обычно применяется распределение потока основного и пускового топлива, как показано на фиг.3. Обычную подачу топлива для всех камер сгорания разделяют на подачу основного топлива и подачу пускового топлива для всех камер сгорания.
2
Общим недостатком является то, что за счет высокой температуры, создаваемой внутри таких камер сгорания, различные части камеры сгорания могут перегреваться, что приводит к серьезному повреждению камеры сгорания, или по меньшей мере ухудшает ее характеристики. Также выброс NOx, где NOx означает оксиды азота, такие как химические соединения NO и NO, также является главной проблемой.
Целью изобретения является создание устройства сгорания, которое снижает опасность такого перегрева и обеспечивает лишь низкий уровень выбросов в широком рабочем диапазоне.
Эта цель достигается с помощью независимых пунктов формулы изобретения. В зависимых пунктах формулы изобретения указаны предпочтительные варианты выполнения и модификации изобретения.
Согласно первому аспекту данного изобретения, предлагается устройство сгорания, содержащее:
- трубопровод подачи топлива в устройство сгорания для обеспечения подачи всего топлива в устройство сгорания;
- по меньшей мере одну горелку, включающую множество трубопроводов подачи топлива по меньшей мере в одну горелку, при этом подача топлива в множество трубопроводов подачи топлива по меньшей мере в одну горелку соответствует общей подаче топлива в трубопровод подачи топлива в устройство;
- объем сгорания, связанный по меньшей мере с одной горелкой;
- датчик температуры, расположенный в устройстве с возможностью передачи информации о температуре части устройства, которая подлежит защите от перегрева;
- датчик давления, предназначенный для передачи информации о давлении внутри объема сгорания; и
- систему управления.
Система управления предназначена для изменения подачи топлива в одну или более горелок на основе информации о температуре и информации о давлении и дополнительной информации, при этом дополнительная информация указывает ход изменения во времени сигнала в интервале времени, заданном с помощью информации времени, с целью сохранения температуры указанной подлежащей защите части ниже заданного предела температуры и удерживания изменений давления внутри объема сгорания ниже заданного предела максимального изменения давления, при одновременном сохранении общей подачи топлива в трубопровод подачи топлива в устройство по существу постоянной.
Концепция изобретения имеет то преимущество, что она исключает возможность работы устройства в нестабильном состоянии или в состоянии, которое приводит к слишком сильному воздействию температуры на поверхности внутри объема сгорания или на горелке. За счет учета также информации времени можно изменять подачу топлива в дискретные моменты времени и сохранять неизменной подачу топлива в промежутках. Это позволяет часто изменять подачу топлива так, что рабочая точка находится вблизи, но не в специальном рабочем диапазоне, т.е. вблизи рабочих точек, в которых возникают более высокие динамические характеристики давления (с преимуществом создания меньшего количества NOx) или в которых возникают более высокие температуры (с преимуществом обеспечения стабильного сгорания в устройстве). С другой стороны, оценка дополнительной информации, указывающей ход изменения во времени сигнала, может приводить к тому, что изменения подачи топлива происходят не так часто, что обеспечивает стабильный режим работы без постоянного изменения положения клапана подачи топлива и с исключением колебаний установок клапана.
Кроме того, за счет оценки хода изменения во времени сигнала можно игнорировать возможные пики и шумы внутри сигнала.
Согласно первому варианту выполнения, подлежащий обработке сигнал может представлять информацию о нагрузке или информацию о давлении, при этом информация о нагрузке указывает нагрузку устройства сгорания. С ее помощью можно контролировать повторное возникновение динамических колебаний давления внутри интервала времени и в таком случае принимать меры для изменения подачи топлива с целью обеспечения работы с улучшенными динамическими колебаниями давления. Улучшение динамических колебаний давления можно наблюдать, если по меньшей мере в характерной полосе пропускания уменьшается количество или амплитуда динамических колебаний давления.
В другом варианте выполнения и в первом режиме работы система управления может быть дополнительно выполнена так, чтобы изменять подачу топлива в моменты времени, заданные информацией времени, так, что температура указанной подлежащей защите части регулируется так, что разница между заданным пределом максимальной температуры и температурой указанной части, представляемой информацией о температуре, не превышает заданного порогового значения температуры. Это может исключать перегрев частей.
В другом варианте выполнения и во втором режиме работы система управления может быть дополнительно выполнена так, чтобы изменять подачу топлива в моменты времени, заданные информацией времени, так, что изменения давления регулируются так, что разница между заданным пределом максимального изменения давления и изменениями давления или колебаниями, представленными информацией о давлении, не превышают заданного порогового значения изменений давления. Оценка может быть ограничена, например, посредством работы в полосе пропускания, лишь характерной полосой частот давления, которые рассматриваются как вредные для стабильной работы, например, вследствие совпадения с резонансными частотами внутри камеры сгорания и/или отрицательного воздействия пульсации давления на пламя, так что может возникать опасность срыва пламени.
Предпочтительно, система управления может быть дополнительно выполнена так, чтобы оценивать ход изменения во времени сигнала посредством выполнения стадии усреднения или суммирования сигнала в интервале времени, заданном информацией времени, в частности, для определения интеграла величины давления или нагрузки в интервале времени или для определения среднего значения величины давления или нагрузки в интервале времени. Перед выполнением стадии усреднения или суммирования сигнал можно предварительно обрабатывать, например, с помощью фильтров. Интеграл можно обрабатывать относительно порогового значения. За счет обработки интеграла или среднего значения можно распознавать общую тенденцию работы устройства сгорания, и если работа сдвигается к нежелаемой области или происходит в ней, то можно принимать контрмеры посредством изменения подачи топлива. Предпочтительно, что при такой работе можно исключать отдельные пики или шумы в оцениваемом сигнале, например, в динамических характеристиках давления или нагрузки, так что изменения подачи топлива инициируются лишь при обнаружении постоянной и стабильной работы в нежелательной области.
Ниже приводится более подробное пояснение указанного выше второго режима работы, в котором обеспечивается работа вблизи заданного предела максимального изменения давления.
В одном предпочтительном варианте выполнения система управления может быть дополнительно выполнена так, что величина интеграла во времени определяется посредством интегрирования во времени на основе информации о давлении и информации времени. В частности, величину интеграла во времени можно определять лишь тогда, когда информация о давлении представляет динамическую величину давления, которая лежит ниже заданной дополнительной предельной величины изменения давления. Другими словами, величина динамического давления, которая падает ниже заданной дополнительной предельной величины изменения давления, инициирует оценку интеграла во времени. Для этого система управления может быть дополнительно выполнена так, чтобы изменять подачу топлива на первую величину изменения, если величина интеграла во времени превышает, возможно, при сравнении лишь абсолютных значений, заданную предельную первую величину интеграла во времени. В частности, если интеграл во времени показывает, что величины динамического давления постоянно остаются выше первой предельной величины интеграла во времени, то может быть увеличена подача пускового топлива для обеспечения более надежного сгорания.
Кроме того, система управления может быть дополнительно выполнена так, что после предыдущего изменения подачи топлива, если информация о давлении показывает, что достигнут заданный предел максимального изменения давления, то подача топлива изменяется на вторую величину изменения так, чтобы нейтрализовать по меньшей мере частично изменение подачи топлива на первую величину изменения. Это предпочтительно, поскольку устройство сгорания не работает непосредственно у предела максимального изменения давления, а на заданном удалении от этого предела.
Дополнительно к этому работа может выполняться так, что если информация о давлении показывает, что изменения давления находятся ниже заданного предела максимального изменения давления больше чем на заданную разницу изменения давления, то подача топлива изменяется на третью величину изменения, предпочтительно в том же направлении, что и при первой величине изменения, и, возможно, на величину первой величины изменения. Это позволяет генерировать ступенчатую линию (см. фиг.6А) для обеспечения работы вблизи заданного предела максимального изменения давления.
Ниже приводится пояснение второго режима работы, в котором осуществляется оценка хода изменения во времени сигнала с помощью операции усреднения во времени вместо указанной выше интеграции.
Наряду с динамическим давлением можно оценивать также информацию о нагрузке в качестве сигнала во времени. В частности, устройство сгорания может дополнительно содержать вращаемый вал и индикатор нагрузки машины, расположенный в устройстве, для обеспечения передачи информации о нагрузке, представляющей нагрузку машины или крутящий момент вала или скорость вращения вала. Можно использовать также другие рабочие параметры или комбинации таких параметров для индикации нагрузки машины. Это может зависеть от фактического выполнения устройства сгорания.
Предпочтительно, система управления может быть дополнительно выполнена так, чтобы сохранять постоянной подачу топлива в интервале времени, заданном информацией времени, и собирать информацию о нагрузке в интервале времени. Таким образом, можно исключать слишком быстрые коррекции подачи топлива. Система управления может быть дополнительно выполнена так, чтобы изменять подачу топлива на первую величину изменения по истечении интервала времени, если изменение собранной информации о нагрузке в интервале времени остается ниже заданного порогового значения нагрузки, например при 5% изменения нагрузки в интервале времени. Изменение подачи топлива может приводить к уменьшению количества пускового топлива, если сгорание должно происходить вблизи заданного предела максимального изменения давления.
Как указывалось выше, система управления может быть дополнительно выполнена так, что после предыдущего изменения подачи топлива, если информация о давлении показывает, что достигнут заданный предел максимального изменения давления, то подача топлива изменяется на вторую величину изменения, так чтобы нейтрализовать по меньшей мере частично изменение подачи топлива на первую величину изменения. Как указывалось выше, это предпочтительно, поскольку устройство сгорания не работает непосредственно у предела максимального изменения давления, а на заданном удалении от этого предела.
Ниже приводится пояснение работы применительно к другому сценарию. В частности, работа может выполняться так, что если информация о давлении показывает, что изменения давления находятся ниже заданного предела максимального изменения давления больше чем на заданную разницу изменения давления, то подача топлива изменяется на третью величину изменения, предпочтительно в том же направлении, что и при первой величине изменения, и, возможно, на величину первой величины изменения. Это позволяет генерировать ступенчатую линию (см. фиг.6А) для обеспечения работы вблизи заданного предела максимального изменения давления.
Ниже приводится более подробное пояснение указанного выше первого режима работы, в котором обеспечивается работа вблизи заданной максимальной температуры.
Для первоначальной стадии система управления может быть дополнительно выполнена так, что если информация о температуре указывает, что достигнут заданный предел максимальной температуры, то подача топлива изменяется на четвертую величину изменения так, чтобы нейтрализовать по меньшей мере частично изменение подачи топлива на первую величину изменения.
После этого изменения система управления может быть дополнительно выполнена так, чтобы удерживать подачу топлива постоянной в интервале времени, заданном информацией времени, и собирать информацию о нагрузке в течение интервала времени. Как и прежде, за счет этого исключаются слишком быстрые коррекции подачи топлива. Система управления может быть дополнительно выполнена так, чтобы изменять подачу топлива на первую величину изменения после истечения интервала времени, если изменение собранной информации о нагрузке в интервале времени остается ниже заданного порогового значения нагрузки, например 5% изменения нагрузки в интервале времени. Изменение подачи топлива может приводить к увеличению пускового топлива, если сгорание должно происходить вблизи заданного предела максимальной температуры.
Дополнительно к этому система управления может быть дополнительно выполнена так, что если информация о температуре показывает, что снова достигнут заданный предел максимальной температуры второй или следующий раз, то подача топлива изменяется на пятую величину изменения, предпочтительно в том же направлении, что и первая величина изменения, и, возможно, на величину первой величины изменения. Применение нескольких указанных выше изменений обеспечивает работу вблизи заданного предела максимальной температуры.
Для всех режимов работы предпочтительно применять следующие структурные конфигурации.
Например, множество трубопроводов подачи топлива может содержать первый трубопровод подачи основного топлива и второй трубопровод подачи пускового топлива по меньшей мере к одной горелке. Кроме того, множество трубопроводов пускового топлива может содержать первый и второй трубопроводы подачи основного топлива по меньшей мере к одной горелке.
Система управления может быть предназначена для изменения отношения подачи топлива в первом и втором трубопроводах подачи топлива по меньшей мере в одну из горелок, при одновременном сохранении общей подачи топлива в эту горелку по существу постоянной. В качестве альтернативного решения устройство может содержать множество горелок, и система управления может быть предназначена для изменения отношения подачи топлива в первом и втором трубопроводах подачи топлива в одну горелку, при одновременном обеспечении изменения общей подачи топлива в эту горелку, при этом изменение общей подачи топлива в эту горелку компенсируется с помощью соответствующего противоположного изменения общей подачи топлива в другую одну или более горелок.
Подлежащая защите часть может быть по меньшей мере одной из следующих частей: передняя поверхность по меньшей мере одной горелки, стенка предварительной камеры по меньшей мере одной горелки, стенка объема сгорания и копье, расположенное внутри завихрительной камеры горелки.
Датчик температуры может быть расположен на подлежащей защите части или в ней, которая может быть любой из частей: передняя поверхность по меньшей мере одной горелки, стенка предварительной камеры по меньшей мере одной горелки, стенка объема сгорания и копье, расположенное внутри завихрительной камеры горелки.
Датчик температуры может быть расположен так, чтобы обеспечивать измерение температуры газов, входящих по меньшей мере в одну горелку. В качестве альтернативного решения, когда устройство сгорания является газовой турбиной, датчик температуры может быть расположен у нижнего по потоку конца объема сгорания так, чтобы обеспечивать измерение температуры лопатки турбины газотурбинного двигателя. В качестве другого альтернативного решения датчик температуры может быть расположен в трубопроводе подачи топлива по меньшей мере в одну горелку.
Устройство сгорания может быть газотурбинным двигателем, и объем сгорания может содержать объем сгорания газотурбинного двигателя. В качестве альтернативного решения устройство сгорания может быть бойлером или печью.
Выше было приведено описание структуры системы управления. Можно привести описание стадий способа, выполняемого с помощью этой системы управления, и претендовать на защиту лишь этих стадий способа. Однако это не делается, чтобы избежать повторов. Однако формулу изобретения можно было бы задать в виде стадий способа, включающих оценку входной информации, такой как информация о температуре, информация о давлении и информация о нагрузке, и управление параметрами подачи топлива. Из указанного выше и последующего описания для специалистов в данной области техники понятно, что если не указано другое, то дополнительно к любой комбинации признаков, относящихся к одному типу предмета изобретения, также любую комбинацию из признаков, относящихся к другому предмету изобретения, в частности признаков, относящихся к устройству, и признаков, относящихся к способу, следует рассматривать как раскрытую в данной заявке.
Указанные выше аспекты и другие аспекты данного изобретения следуют из приведенного ниже описания и пояснения примеров выполнения.
Ниже приводится описание вариантов выполнения изобретения лишь в качестве примера со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
фиг.1 - продольный разрез типичной газовой турбины;
фиг.2А - продольный разрез типичной камеры сгорания;
фиг.2В - разрез камеры сгорания по линии III-III на фиг.2А;
фиг.3 - блок-схема, иллюстрирующая разветвление подачи основного и пускового топлива в типичной газовой турбине с множеством камер сгорания;
фиг.4 - график разделения основного и пускового топлива для различных значений нагрузки согласно данному изобретению;
фиг.5 - пример расположения датчика температуры и датчика давления в устройстве сгорания согласно данному изобретению;
фиг.6 - примеры, иллюстрирующие действие механизма управления.
Иллюстрации на фигурах показаны схематично. Следует отметить, что аналогичные или идентичные элементы на разных фигурах обозначены одинаковыми позициями.
Заявителями было установлено, что можно предотвращать перегрев части компонентов устройства сгорания за счет процесса сгорания в зоне сгорания посредством изменения подачи основного и пускового топлива в камеру сгорания без изменения общей подачи топлива в устройство. Обычно желательно сохранять постоянной общую подачу топлива в камеру сгорания (или ряд камер сгорания с больше, чем одной камерой сгорания) с целью согласования с постоянной нагрузкой устройства, которое может быть, например, газовой турбиной. Когда нагрузка газовой турбины изменяется, то необходимо изменять общую подачу топлива в газовую турбину.
Согласно одному предпочтительному варианту выполнения, топливо вводится внутрь камеры сгорания газовой турбины во множестве точек впрыска - форсунках (или инжекторах) 28 основного топлива и форсунках 29 пускового топлива, как показано на фиг.2, 3 и 5 с использованием множества трубопроводов 24, 25 подачи топлива (см. фиг.5). Топливо подается через различные трубопроводы подачи топлива (трубопровод 25 подачи пускового топлива и трубопровод 24 подачи основного топлива), и управление разделением топлива осуществляется через клапаны с помощью так называемого блока управления двигателем, такого как управляющая система 36, согласно изобретению.
Обычно отношение впрыска топлива между трубопроводом 25 подачи пускового топлива и трубопроводом 24 подачи основного топлива устанавливается для различных нагрузок с помощью предварительно заданных многомерных регулировочных характеристик разделения топлива для обеспечения наилучших рабочих характеристик и выброса NOx во всем рабочем диапазоне. Согласно изобретению, использование предварительно заданных многомерных регулировочных характеристик разделения топлива ограничивается специальными рабочими диапазонами, поскольку предварительно заданные многомерные регулировочные характеристики разделения топлива необходимо устанавливать на довольно консервативных уровнях относительно низкого уровня выбросов с целью обеспечения полной работоспособности.
Основным недостатком предварительно заданных многомерных регулировочных характеристик разделения топлива является то, что предварительно заданные многомерные регулировочные характеристики разделения топлива не учитывают изменения в характеристиках двигателя, которые могут возникать, например, за счет изменений наружной температуры, допусков изготовления и специфических местных требований. Дополнительно к этому, иногда имеется небольшой рабочий запас в предварительно заданных многомерных регулировочных характеристиках разделения топлива, где, например, границы высокой температуры металла (область А на фиг.4) и высоких колебаний давления камеры сгорания (область В на фиг.4) лежат близко друг к другу.
Идея изобретения иллюстрирована на фиг.4, на которой показан график зависимости разделения основного и пускового топлива от нагрузки. Горизонтальная ось представляет низкие нагрузки на левой стороне и высокие нагрузки на правой стороне. Вертикальная ось представляет разделение топлива со значительным количеством топлива через подачу пускового топлива в более высоких диапазонах вертикальной оси. Меньшие количества топлива через подачу пускового топлива представлены в нижних диапазонах вертикальной оси. Вертикальная ось не показывает абсолютные величины подачи топлива, а лишь относительную величину подачи пускового топлива по сравнению с подачей основного топлива.
На графике заштрихованная область, обозначенная позицией А, представляет набор рабочих условий, при которых имеется опасность повреждения части компонента камеры сгорания за счет перегрева. Например, это могут быть условия, в которых специфическое разделение основного и пускового топлива приводит к перегреву поверхности камеры сгорания при заданной нагрузке. Поскольку изобретение имеет целью определения для заданной нагрузки разделения между потоками основного топлива и пускового топлива, то необходимо избегать этой области А.
Одновременно изобретение имеет целью сохранения работы вне области В. В одном специальном случае область В представляет набор рабочих условий, в которых амплитуда колебаний динамического давления в зоне сгорания нежелательно высока. Когда такие колебания динамического давления превышают допустимый уровень, то работа газовой турбины и/или механическая долговечность системы сгорания может значительно ухудшаться.
Поэтому желательно работать как вне области А, так и вне области В. Это реализовано с помощью изобретения.
Частота колебаний динамического давления зависит от геометрии камеры сгорания и характеристик акустической системы, частью которой она является, и может составлять от менее 100 Гц до нескольких кГц. Для достижения подходящего изменения разделения потока на основное топливо и пусковое топливо с помощью датчиков осуществляется мониторинг как температуры подходящей точки, связанной с камерой сгорания, так и колебаний давления.
Как показано на фиг.5, которая соответствует фиг.2А, температура и колебания давления в этой системе камеры сгорания измеряются посредством расположения, во-первых, температурного датчика 32 на критичной для камеры сгорания части и, во-вторых, датчика 33 давления внутри объема 23 сгорания. В этом примере критической частью является окружная стенка, задающая объем 23 сгорания. Выходные сигналы 34 и 35 двух датчиков подаются в управляющий блок 36 в качестве системы управления.
В качестве дополнительного входного сигнала 38 для управляющего блока 36 подается информация о нагрузке. Информация о нагрузке может представлять скорость или выходную мощность генератора, который может быть соединен с валом и  может приводиться в действие валом газовой турбины, мощность, генерируемую соединенным генератором, скорость вращения вала газовой турбины или крутящий момент, создаваемый валом. Информация о нагрузке может также представлять массовый поток, выходящий из камеры сгорания. Ее можно получать от датчика (не изображен на фиг.5) или выводить из другого рабочего параметра. Информация о нагрузке может быть также комбинацией из указанных выше показателей.
На основании информации, предоставляемой входными и выходными сигналами 34, 35, 38, управляющий блок 36 управляет отношением основного топлива и пускового топлива через клапан 26 с помощью управляющего сигнала с выхода 37 управляющего блока 36.
Управляющий блок 36 содержит обрабатывающее устройство для выполнения стадий обработки, пригодных для удерживания работы газовой турбины внутри безопасной области между областями А и В на фиг.4. Пример такой обработки будет приведен ниже.
В первом варианте выполнения газовая турбина работает с сильным уменьшением выброса NOx посредством работы вблизи области В, которая представляет рабочие точки с высокими колебаниями давления. Этот вариант выполнения поясняется со ссылками на фиг.6А.
Как показано на фиг.6А, разделение между пусковым топливом, подаваемым в форсунку 29 пускового топлива, и основным топливом, подаваемым в форсунки 28 основного топлива, происходит вдоль кривой 60. Кривая 60 проходит в соответствии с предварительно заданными многомерными регулировочными характеристиками разделения топлива внутри области 61 для низкой нагрузки и области 63 высоких нагрузок. Внутри области 62 средних нагрузок на фиг.6 показана область, в которой кривая 60 проходила бы по штриховой линии при прохождении в соответствии с предварительно заданными многомерными регулировочными характеристиками разделения топлива. В противоположность этому фактическая кривая, которая является результатом концепции изобретения, показана сплошной линией в областях 61, 62, 63 и исправляет разделение топлива, так что ни одна из рабочих точек не лежит постоянно в области А или В.
Для очень низких нагрузок высокая величина пускового топлива подается в горелку. Это разделение топлива остается неизменным, пока нагрузка не достигнет порогового значения С. Пороговое значение С задает нагрузку активации, которая соответствует нагрузке двигателя, выше которой необходимо выполнять управление согласно изобретению. Если нагрузка превышает пороговое значение С, то согласно предварительно заданным многомерным регулировочным характеристикам разделения топлива изменяется разделение основного топлива и пускового топлива так, что подача пускового топлива уменьшается, а подача основного топлива увеличивается. Этот процесс непрерывно продолжается в соответствии с предварительно заданными многомерными регулировочными характеристиками разделения топлива.
Если нагрузка преодолевает пороговое значение С или же в качестве альтернативного решения во всем диапазоне нагрузки управляющая система 36 выполнена с возможностью считывания выходных сигналов датчика 33 давления, поставляющего информацию о давлении, и датчика 32 температуры, поставляющего информацию о температуре, и индикатора нагрузки двигателя, поставляющего информацию о нагрузке.
В следующие периоды времени собирается информация о температуре и сравнивается с заданным пределом максимальной температуры. Кроме того, собирается информация о давлении и сравнивается с заданным пределом максимального изменения давления.
Если выполняется одно из этих условий, то активируется активное управление пусковым топливом согласно изобретению. Если нет, то проверяются предварительно заданные многомерные регулировочные характеристики разделения топлива на предмет любых изменений относительно установки по умолчанию.
В качестве первого примера, показанного на фиг.6А, принимается, что подача топлива осуществляется в соответствии с предварительно заданными многомерными регулировочными характеристиками разделения потока топлива на основное и пусковое, и в некоторой точке нагрузка возрастает так, что она входит в область А. Это показано в точке 72 на фиг.6А. В этих условиях информация о температуре превысит допустимый максимум, а именно заданный предел максимальной температуры. В результате запускается активное управление пусковым топливом и разделение уменьшается до точки 74. Дополнительно контролируется динамический сигнал давления и подается в качестве информации о давлении в управляющую систему 36. Если информация о давлении представляет динамическую величину давления ниже определенной заданной величины, то вычисляется интеграл динамической величины в интервале времени, заданном информацией времени. Этот интеграл во времени соответствует дополнительной информации согласно изобретению, которая указывает ход изменения во времени сигнала динамической величины давления. Если величина этого интеграла во времени превышает первую предельную величину интеграла во времени, то управление разделением топлива согласно изобретению уменьшает пусковое топливо в заданном отношении, пока не будет достигнута область В (точка 74). При достижении области В слегка увеличивается пусковое топливо (75) и достигается рабочая точка в целевой области между областью А и областью В, но вблизи области В.
Интеграл можно брать между кривой и заданным пределом динамического давления. Для минимального предела можно также образовывать инверсию интеграла, если подлежащий вычислению интеграл приводит к отрицательной величине в случаях, когда вычисляемая область находится между кривой и пределом и кривая проходит ниже предела.
Для величин динамического давления можно также выделять специфические полосы частот. Перед образованием интеграла можно рассматривать лишь одну специфическую полосу частот, например, посредством применения полосового оператора. За счет этого можно выделять, например, частоты давления, которые могут приводить к срыву пламени.
После выполнения этих стадий больше не выполняются изменения разделения топлива на основное и пусковое, пока нагрузка остается постоянной.
Также, начиная с этой точки, в качестве одного возможного варианта выполнения не выполняется регулирование разделения топлива, пока не будет достигнута область А, область В или используемое по умолчанию разделение потока топлива в соответствии с предварительно заданными многомерными регулировочными характеристиками.
В качестве альтернативного решения, дополнительное регулирование разделения топлива может быть возможным и предпочтительным. Можно осуществлять мониторинг изменений нагрузки, которые можно выявлять на основании информации о нагрузке, выдаваемой в управляющую систему 36. При увеличении нагрузки на заданную величину или же независимо от нагрузки после заданного времени можно повторять еще раз указанный выше процесс, начинающийся с точки 72. Это можно повторять несколько раз и обновлять разделение потока, так что рабочая точка газовой турбины удерживается вблизи области В. Это показано на фиг.6А ступенчатой линией на левой стороне в диапазоне 62.
Этот режим работы можно продолжать с множеством последовательных повторов. Этот процесс может заканчиваться, если достигается верхний предел нагрузки или минимальное положение подачи пускового топлива (точка 70). Затем разделение на основное и пусковое топливо может оставаться неизменным (кривая на правой стороне диапазона 62), пока не будет достигнуто снова используемое по умолчанию разделение потока топлива в соответствии с предварительно заданными многомерными регулировочными характеристиками в диапазоне 63, начиная с точки 71.
В первом примере образовывался интеграл во времени. Ниже приводится описание второго примера снова со ссылками на фиг.6А.
Согласно этому второму примеру снова предполагается, что подача топлива происходит в соответствии с предварительно заданными многомерными регулировочными характеристиками разделения потока топлива, и в некоторой точке нагрузка увеличивается так, что достигается область А (точка 72). В этих условиях параметр информации температуры превысит допустимый максимум, а именно заданный предел максимальной температуры. В результате начинается специфическое активное управление пусковым топливом, и разделение уменьшается до предполагаемой точки 73. Начиная с этого момента времени, начинается мониторинг рабочих условий в интервале времени, например 15-30 минут, заданном информацией времени. В этом интервале времени осуществляется мониторинг рабочей нагрузки и образуется среднее во времени значение нагрузки, при этом усредненная во времени нагрузка указывает ход изменения во времени согласно изобретению. Если средняя во времени величина остается относительно постоянной, например в пределах 5% изменения, то управляющая система уменьшает пусковое топливо в заданном соотношении, и снова запускаются предыдущие стадии мониторинга нагрузки в интервале времени и образования усредненного во времени значения.
Этот процесс повторяется, и управляющая система разделения топлива согласно изобретению уменьшает пусковое топливо в заданном соотношении, пока не будет достигнута зона В (точка 74). При достижении области В пусковое топливо слегка увеличивается (75) с перемещением рабочей точки в целевую зону между областью А и областью В, но вблизи области В.
После выполнения этих стадий больше не выполняются изменения разделения топлива на основное и пусковое, пока нагрузка остается постоянной.
Также, начиная с этой точки, не выполняется регулирование разделения топлива, пока не будет достигнута область А, область В или используемое по умолчанию разделение потока топлива в соответствии с предварительно заданными многомерными регулировочными характеристиками.
В качестве альтернативного решения дополнительное регулирование разделения топлива может быть возможным. Можно осуществлять мониторинг изменений нагрузки, которые можно выявлять на основании информации о нагрузке, выдаваемой в управляющую систему 36. При увеличении нагрузки на заданную величину или же независимо от нагрузки после заданного времени можно повторять еще раз указанный выше процесс, начинающийся с точки 72. Это можно повторять несколько раз, так что рабочая точка газовой турбины удерживается вблизи области В. Это показано на фиг.6А ступенчатой линией на левой стороне в диапазоне 62.
Этот режим работы можно продолжать с множеством последовательных повторов. Этот процесс может заканчиваться, если достигается верхний предел нагрузки или минимальное положение подачи пускового топлива (точка 70). Затем разделение на основное и пусковое топливо может оставаться неизменным (кривая на правой стороне диапазона 62), пока не будет достигнуто снова используемое по умолчанию разделение потока топлива в соответствии с предварительно заданными многомерными регулировочными характеристиками в диапазоне 63, начиная с точки 71.
Первый и второй примеры показывают процесс, который начинается при достижении точки 72. В качестве другой модификации этот процесс может начинаться уже в точке С активации нагрузки, так что во всем диапазоне нагрузки рабочая точка газовой турбины остается вблизи области В и поэтому оптимальной относительно выбросов NOx. В качестве другой модификации процесс может начинаться в любой заданной точке на кривой 60, даже если кривая 60 не пересекает область А.
В третьем варианте выполнения газовая турбина работает с увеличенной надежностью двигателя за счет работы вблизи области А, которая представляет рабочие точки с высокой температурой на специальных поверхностях горелки 20 или камеры сгорания. В частности, если сигнал датчика давления или преобразователя отсутствует и/или газотурбинный двигатель работает на заданном участке с преобладающими динамическими проблемами сгорания, то работа вблизи области А может быть возможностью наиболее надежной работы газотурбинного двигателя. Этот вариант выполнения поясняется ниже со ссылками на фиг.6В.
Согласно этому второму примеру, предполагается, что разделение топлива осуществляется в соответствии с предварительно заданными многомерными регулировочными характеристиками разделения потока топлива, и в некоторой точке нагрузка повышается так, что достигается зона А (точка 72). В этих условиях параметр информации о температуре превышает допустимый максимум, а именно заданный предел максимальной температуры. В результате начинается специфическое активное управление пусковым топливом, и разделение уменьшается до предполагаемой точки 73. Начиная с этого момента времени, начинается мониторинг рабочих условий в интервале времени, например 15-30 минут, заданном информацией времени. В этом интервале времени осуществляется мониторинг рабочей нагрузки и образуется среднее во времени значение нагрузки. Если средняя во времени величина остается относительно постоянной, например в пределах 5% изменения, то управляющая система увеличивает пусковое топливо в заданном соотношении, и снова запускаются предыдущие стадии мониторинга нагрузки в интервале времени и образования усредненного во времени значения.
Процесс мониторинга нагрузки и увеличения пускового топлива повторяется, и управляющая система разделения топлива, согласно изобретению, увеличивает пусковое топливо в заданном соотношении, пока не будет достигнута зона А (точка 74). При достижении области А пусковое топливо слегка уменьшается (75) с перемещением рабочей точки в целевую зону между областью А и областью В, но вблизи области А.
После выполнения этих стадий больше не выполняются изменения разделения топлива на основное и пусковое, пока нагрузка остается постоянной.
Также, начиная с этой точки, не выполняется регулирование разделения топлива, пока не будет достигнута область А, область В или используемое по умолчанию разделение потока топлива в соответствии с предварительно заданными многомерными регулировочными характеристиками.
В качестве альтернативного решения дополнительное регулирование разделения топлива может быть возможным. Можно осуществлять мониторинг изменений нагрузки, которые можно выявлять на основании информации о нагрузке, выдаваемой в управляющую систему 36. При увеличении нагрузки на заданную величину или же независимо от нагрузки после заданного времени можно повторять еще раз указанный выше процесс, начинающийся с точки 72. Это можно повторять несколько раз, так что рабочая точка газовой турбины удерживается вблизи области А. Это показано на фиг.6В ступенчатой линией на левой стороне в диапазоне 62.
Этот режим работы можно продолжать с множеством последовательных повторов. Этот процесс может заканчиваться, если достигается верхний предел нагрузки или минимальное положение подачи пускового топлива (точка 70). Затем разделение на основное и пусковое топливо может оставаться неизменным (кривая на правой стороне диапазона 62), пока не будет достигнуто снова используемое по умолчанию разделение потока топлива в соответствии с предварительно заданными многомерными регулировочными характеристиками в диапазоне 63, начиная с точки 71.
Указанные примеры являются особенно предпочтительными, поскольку в одном режиме работы двигатель работает с наименьшим достижимым выбросом NOx при одновременно надежной работе. Кроме того, один из поясненных режимов работы направлен на уменьшение выбросов NOx, если двигатель работает стабильно в заданный период времени.
В качестве альтернативного решения, в случае отсутствия сигнала термопары двигатель работает временно вблизи области А. Это обеспечивает стабильную работу до следующей плановой проверки газовой турбины в случае неисправности оборудования мониторинга.
В качестве дополнительного преимущества, изобретение можно использовать также в испытаниях при разработке двигателя для задания конкретного разделения топлива и наименьшего выброса NOx.
Пример расположения датчиков температуры и давления уже был показан на фиг.5. Может быть предусмотрено несколько других расположений. Например, датчик 32 температуры может быть заделан за передней поверхностью 39 горелки, поскольку предназначенным для защиты от перегрева компонентом в этом случае является передняя поверхность горелки. В качестве альтернативного решения датчик 32 температуры может быть заделан в стенку предварительной камеры 22 или в стенную секцию объема 23 сгорания. Поэтому в этом случае подлежащими защите от перегрева компонентами являются, соответственно, стенка предварительной камеры и передняя стенка объема сгорания. Еще одним возможным местом расположения датчика 32 температуры является конец копья горелки, расположенный внутри завихрительной камеры. Датчик температуры предпочтительно расположен на вершине копья, поскольку она является наиболее вероятной для перегрева.
Во всех указанных выше примерах датчик температуры был установлен внутри или на компоненте, контролируемым относительно перегрева. Однако в качестве альтернативного решения можно устанавливать датчик температуры отдельно от самого компонента, но в месте, которое может, тем не менее, обеспечивать измерение температуры компонента. Например, датчик 32 температуры может быть расположен снаружи камеры сгорания с возможностью измерения температуры воздуха в зоне выхода компрессора. Датчик температуры может быть частью стандартного набора инструментов для управления газовой турбиной. Это расположение позволяет защищать от перегрева такие компоненты, как горелка и другие части камеры сгорания. Преимущество такого расположения состоит в том, что датчик является легкодоступным, а сигнал уже присутствующим. В этом случае управление используется для предотвращения больших колебаний динамического давления, которые в некоторых системах имеют воздействие на расположение пламени. Это, в свою очередь, может обеспечивать информацию о температуре металла в компоненте. В качестве другой альтернативы датчик температуры может быть расположен внутри кожуха камеры сгорания и по потоку ниже выхода охлаждающего воздуха, в то время как датчик давления может быть также расположен внутри пространства кожуха. Колебания динамического давления проявляются в виде потока, изменяющего направление с определенной частотой. Поэтому в зависимости от акустических характеристик системы колебания можно регистрировать снаружи объема сгорания в объеме, соединенном (через горелку) с источником колебаний, а именно теплом, выделяемым пламенем. Датчик динамического давления может быть расположен где-нибудь внутри кожуха газотурбинного двигателя, даже снаружи камеры сгорания, если положение обеспечивает возможность измерения характеристик давления, соответствующих характеристикам давления внутри камеры сгорания.
В качестве другой альтернативы датчик температуры может быть расположен на нижнем по потоку конце объема сгорания, для выполнения измерения, соответствующего температуре первой турбинной лопасти, которая в этом случае является подлежащим защите компонентом. Температурный профиль на турбинной лопасти обуславливается распределением топлива и тем самым разделением на основное топливо и пусковое топливо. Поэтому имеется прямая связь между температурой металла на поверхности лопасти и установкой клапана разделения топлива.
При еще одном возможном расположении датчик температуры может быть расположен с возможностью измерения температуры источника топлива, подаваемого в клапан разделения топлива. Датчик давления может быть расположен в верхней по потоку части объема сгорания. В этой системе сгорания колебания давления вызываются особым условием работы, в частности параметром, таким как температура воздуха по потоку после компрессора или температура топлива. Когда начинаются пульсации, то это указывает на то, что пламя переместилось в определенное место в камере сгорания. Это место в определенных системах соответствует увеличенному переносу тепла, которое увеличивает температуру металла компонента, подлежащего защите. Поэтому алгоритм управления, основанный на мониторинге температуры топлива, возвращает пламя обратно в более безопасную зону.
Выше предполагалось, что управляемое разделение топлива является разделением между основным топливом и пусковым топливом в отдельной горелке. Однако можно иметь более одной подачи основного топлива в камеру сгорания, при этом в этом случае можно значительно ограничивать использование пускового топлива или даже отказаться от него. В этом случае с помощью данного изобретения можно управлять разделением между двумя или больше подачами основного топлива в камеру сгорания, при одновременном сохранении общей подачи в камеру сгорания постоянной, как указывалось выше. Другой возможный сценарий возможен, когда имеется больше одной камеры сгорания в газовой турбине. В этом случае возможно, что разделение основного топлива и пускового топлива (или разделение между двумя или больше подачами основного топлива) в одной камере сгорания может приводить к изменению общего количества топлива, подаваемого в эту камеру сгорания, т.е. общее количество не сохраняется постоянным, при условии, что общее количество топлива, подаваемого в одну или несколько других камер сгорания, регулируется с целью компенсации. Это означает, что общая подача топлива во все устройство сгорания сохраняется постоянной для конкретной нагрузки.
Хотя описание изобретения дано преимущественно в связи с газовой турбиной, его можно использовать также в других связанных со сгоранием системах, таких как печи и бойлеры.
Как указывалось выше, двумя основными параметрами, подвергаемыми мониторингу, являются температура и давление. Вместо этого можно осуществлять мониторинг «конкурирующих» параметров и использовать в алгоритме в качестве параметров Х и Y. «Конкурирующие» означает, что параметры оказывают противоположное действие на рабочие условия, сдвигая их ближе к области А, с одной стороны, или ближе к области В - с другой стороны. Одним из таких параметров, который можно подвергать мониторингу, является выброс, например, NOx.
Суммируя различные варианты выполнения, предлагается способ регулирования подачи топлива (выделения пускового топлива) на основании температуры металла, например горелки, и измерения динамических характеристик сгорания. Параметрами, подлежащими оценке, являются температура металла, динамические характеристики сгорания, машинное время и нагрузка двигателя или скорость генератора. Для управления разделением основного топлива и пускового топлива используется либо способ инверсного интеграла, либо способ усреднения во времени для приближения к одной из границ областей А или В на фиг.6, с целью достижения желаемой рабочей точки. Если первичный интерес представляет выброс NOx, то газотурбинный двигатель может надежно работать вблизи области В. Однако если двигатель работает на специальном участке с известными проблемами динамики сгорания, то можно применять этот способ для обеспечения работы двигателя вблизи области А.
Инверсный интеграл применяется для одного из сигналов, представляющих температуру металла или давление. Вычисляется интеграл во времени (при заданном пределе), и если величина интеграла выполняется, то происходит модификация (увеличение или уменьшение) пускового топлива для приближения к одной из областей А или В. Указанный способ имеет целью удерживание одного из подвергаемых мониторингу сигналов, т.е. температуры металла или динамического давления, внутри двух пределов, а именно максимальной заданной величины давления или температуры и минимальной заданной величины интеграла.
Усреднение во времени применяется для таких параметров, как нагрузка или скорость двигателя (для конфигурации с двойным валом), для определения, работает ли газотурбинный двигатель стабильно в период усреднения. Если это так, что разделение пускового топлива подвергается модификации (увеличению или уменьшению) для приближения к одной из областей А или В.
Во всех вариантах выполнения, согласно изобретению, предпочтительно может быть найден режим работы, в котором количество изменений клапана подачи топлива можно сохранять минимальным, так что обновление разделения топлива не происходит постоянно. Это обеспечивает стабильную работу горелок.