專利名稱：降低燃氣輪機燃料供給壓力需求值的壓力控制方法和系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及降低燃氣輪機燃料供給壓力需求值的壓力控制方法和系統(tǒng)。
背景技術：
為燃料提供克服由于過濾器、閥門、管道和燃料噴嘴造成的壓力損失的動力，并使其在所有可能的操作條件下進入燃氣輪機燃燒室，需要一個最低氣體燃料供給壓力。
現(xiàn)有的氣體燃料控制系統(tǒng)無論環(huán)境條件如何，都基于從全速無負荷(FSNL)到基本負荷的固定氣體燃料供給壓力需求值(稱為P2壓力需求值)。該固定需求值是基于最壞條件最冷天的基本負荷，也就是在特定地點的最冷環(huán)境設計溫度。如果氣體燃料供給壓力小于控制系統(tǒng)的壓力需求值，燃氣輪機就不能啟動。在運行過程中，如果氣體燃料供給壓力下降至低于控制系統(tǒng)需求值20psi，控制系統(tǒng)啟動快速減負荷(runback)至一預定的低負荷操作模式從而需要操作員動作。
如果源氣體供給壓力預計低于固定的燃氣輪機供給需求值，就需要昂貴的氣體燃料壓縮機以確保燃氣輪機的可運行性。然而，這是一種非常昂貴的解決方案，需要花費電廠所有者數(shù)百萬美元的初始投資并耗費高額的輔助電力負擔。實際上，即使實際壓力需求值可能低得多時，氣體壓縮機也將氣體燃料壓縮至寒冷環(huán)境條件下的供給壓力需求值，從而浪費了數(shù)百千瓦的能量。

發(fā)明內容
按照本發(fā)明的一個實施例，提供一種方法和控制系統(tǒng)以允許燃氣輪機在比最壞條件規(guī)定的壓力低的供給壓力下啟動并運行，同時增加可運行窗口，降低或大致消除對昂貴的氣體燃料壓縮機的需求。
因此，本發(fā)明可以實施為確定在燃氣輪機燃燒器中用于從壓力控制閥向多個燃料噴嘴的氣體控制閥供給燃料的燃料壓力參考值的方法，包括確定燃料噴嘴上游處的第一所需燃料壓力；基于所述第一所需燃料壓力確定氣體控制閥上游處的最低可允許壓力需求值；和基于所述最低可允許壓力需求值確定用于壓力控制閥的控制的燃料壓力參考值。
本發(fā)明也可以實施為一種具有多個燃料噴嘴和用于控制到所述燃料噴嘴的燃料供給壓力的壓力控制系統(tǒng)的燃氣輪機燃燒器，包括限定出氣體燃料從上游燃料入口流至所述燃料噴嘴的路徑的燃料管，包括主燃料管和向所述燃料噴嘴分布燃料的分布燃料管；燃料流量控制閥，用于控制從所述分布燃料管向所述燃料噴嘴流動的燃料流量；和置于所述主燃料管內，在所述燃料流量控制閥上游處的壓力控制閥，其中該控制系統(tǒng)可操作地接合到所述壓力控制閥和所述燃料流量控制閥以控制所述壓力控制閥下游處的壓力和流過所述燃料流量控制閥的流量，所述控制系統(tǒng)基于壓縮機排氣壓力選擇性地設定用于控制壓力控制閥的燃料壓力參考值。


本發(fā)明的這些和其他特征和優(yōu)點將通過仔細研究下述更詳細的有關本發(fā)明目前優(yōu)選實施例的描述并結合附圖而更充分地理解和領會，其中圖1是示意性地示出基本負荷下氣體燃料供給壓力需求值與環(huán)境溫度關系的圖表；圖2是示意性地示出依據(jù)相關技術基于TNR的P2壓力需求值的圖表；圖3示意性地示出了按照本發(fā)明一個實施例采用調整的壓力控制而增加的可運行窗口；圖4是實施本發(fā)明的壓力控制系統(tǒng)的簡圖；圖5是示意性地示出按照本發(fā)明一個實施例的最低可允許的壓力需求值的偏差圖表；和圖6是按照本發(fā)明一個實施例的P2壓力參考值的選擇的示意性說明。
具體實施例方式
如上所述，現(xiàn)有的氣體燃料控制系統(tǒng)是基于由最壞條件確定的固定的氣體燃料供給壓力需求值。然而，實際的燃氣輪機供給壓力需求值是環(huán)境狀況和燃氣輪機壓縮機壓縮比的函數(shù)。因而，隨著環(huán)境溫度從確定該固定需求值的場所最低值增加，預設的固定需求值和實際燃氣輪機的需求值之間的差值不斷增加(圖1)。
本發(fā)明致力于改變這種方式，為此，允許氣體燃料供給壓力需求值作為環(huán)境狀況的函數(shù)而跟蹤變化，而不遵循實施常規(guī)氣體燃料控制基理的常規(guī)固定最壞情況下的需求值。實施本發(fā)明的跟蹤或調整的壓力控制將允許使燃氣輪機能在比按照常規(guī)控制方法所允許的更低的氣體燃料供給壓力下啟動并運行。因此，如上所述，本發(fā)明提供一種壓力控制方法和系統(tǒng)，其允許氣體燃料供給壓力需求值(低于其燃氣輪機不能起動)作為例如環(huán)境溫度、環(huán)境壓力和燃氣輪機負荷的函數(shù)來確定。
在本發(fā)明的一個實施例中，壓力控制系統(tǒng)部分基于壓縮機排氣壓力來確定燃料供給壓力需求值，所述壓縮機排氣壓力體現(xiàn)了環(huán)境溫度、環(huán)境壓力和燃氣輪機負荷。供給壓力需求值對所有可能的運行模式進行計算，并繪制作為壓縮機排氣壓力的函數(shù)(例如參見將在下面討論的圖3、5和6中的示意性說明)。
圖3中，虛線表示目前的供給壓力需求值，其在任何燃氣輪機負荷下都是固定值。實線表示按照本發(fā)明一個實施例的壓力需求值。在這些供給壓力需求值之間的陰影部分用現(xiàn)有的控制基理不能運行，但采用本發(fā)明實施例中調整的壓力控制就變得可以運行?？梢岳斫?，寒冷的環(huán)境中基本負荷壓力需求值是圖表中右上角的點，在該點水平的虛線和代表調整的壓力需求值控制的實線相交。如果在基本負荷下運行時供給壓力下降到該需求值之下，該控制系統(tǒng)沿著實線壓力需求值線減載燃氣輪機負荷。
跟蹤或調整的壓力控制的一種方案已在位于威爾士(Wales)的Baglan Bay的9H型框架燃氣輪機上實現(xiàn)。然而，那個跟蹤壓力控制方案只是當燃料供給壓力(P2壓力)降至低于一預定點時阻止氣體控制閥變成非節(jié)流的一種保護性措施，氣體控制閥非節(jié)流將導致燃料流動失控。因此，在Baglan Bay，跟蹤壓力控制不是一個正常的操作模式并且只在出故障的情況下才被啟用。另外，所需的最低燃料供給壓力是轉速-負載參考值(稱為TNR)的函數(shù)(圖2)。
轉速-負載參考值(TNR)是燃氣輪機負荷的很好的指示值，但它并沒有考慮所有影響燃料壓力需求值計算的燃氣輪機參數(shù)。本發(fā)明提出一種改用壓縮機排氣壓力(CPD)來控制燃料壓力的更有效的方式。采用TNR的缺點包括(1)P2壓力參考值對電網(wǎng)頻率變化沒有響應，(2)基于TNR的控制假定一個特定的加載路徑并因此不得不為環(huán)境狀況而偏離，和(3)TNR增加了控制次序的復雜性，在部分負荷下需要采用環(huán)境溫度傳感器或為入口放氣加熱(IBH)偏離的CTIM。采用CPD的優(yōu)點包括(1)CPD更能代表燃料供給壓力必須克服的壓力降，因此是一個更好的控制參數(shù)，和(2)CPD無需偏離環(huán)境溫度。
參照圖4，示意性地示出了包括在燃氣輪機中的燃料壓力控制系統(tǒng)具有多個限定出燃料從上游入口處到燃料噴嘴的流動路徑的管道，包括主燃料管12和通向噴嘴的分布管14、16、18、20。作為示例，進一步說明了四個燃料歧管用于引導燃料至各自的多個燃料噴嘴22、24、26、28，為了便于說明，對每個燃料歧管只說明其中的一個。控制系統(tǒng)，用10來表示，提供燃料流量控制信號以控制氣體流量控制閥30、32、34、36各自的開度，該控制閥與用于流量控制的各個分布管相關聯(lián)?？刂葡到y(tǒng)進一步提供了壓力控制信號以通過控制截流/速比閥38來控制管12中的壓力，和一個壓力傳感器40被連接到閥38的出口側用于向控制系統(tǒng)反饋。
如圖4中所標注的，P1壓力是過濾器42下游處以及輔助截流閥44和截流/速比閥38上游處的壓力，而P2壓力是截流/速比閥38下游處的壓力，也即提供給氣體控制閥30、32、34、36的壓力。因此，閥38調整燃料壓力至一預定的壓力P2。(最初)在P2壓力的燃料于是流經(jīng)管12進入各自的氣體流量控制閥30、32、34、36中，這些氣體流量控制閥調整燃料量至一預定流量且燃料按該預定流量通過分布管被提供給各自的燃料歧管，并進入每個噴嘴從而在燃氣輪機燃燒器中燃燒。這樣，截流/速比閥38的開度基于控制系統(tǒng)提供的壓力控制信號進行調節(jié)。相似地，控制閥的開度基于控制系統(tǒng)提供的流量控制信號進行調節(jié)。
在此引用的燃料壓力參考值，P2參考值，P2供給需求值和類似的技術術語都是具有相同含義的術語。術語“參考值”是一個通用工業(yè)標準控制術語，其描述了用于閉環(huán)控制的設定點。從而，P2參考值是截流/速比閥38(SRV)的設定點，該閥用于基于給定控制曲線來控制燃料氣壓力。換句話說，P2參考值是從控制器對SRV的需求值?，F(xiàn)有系統(tǒng)具有固定的P2燃料壓力參考值，而本發(fā)明跟蹤或調整的壓力控制引入了變化的P2參考值，這也是在此公開的重點。
參考圖6，在本發(fā)明的一個實施例中，P2參考值是三個控制曲線的中間值最低可允許的壓力需求值(節(jié)流壓力需求值)、可得到的供給壓力和基本負荷需求值。最低壓力需求值曲線是為維持節(jié)流氣體控制閥30、32、34、36所需的最低氣體燃料中間壓力(P2)，以下參照圖5詳細說明。供給壓力曲線是截流/速比閥38(SRV)上游處的測量壓力P1與經(jīng)過SRV的固定壓降之差。基本負荷壓力需求值是圖3所示的現(xiàn)有壓力與同一圖表中的環(huán)境偏差的最小者?；矩摵尚枨笾当举|上是基本負荷運行下所需的氣體燃料壓力需求值，其將跟隨壓縮機入口溫度(CTIM)增加或減小。
因為除寒冷環(huán)境天氣基本負荷外，在其他任何條件下P2壓力參考值將很有可能降低，因而P2修正因子已經(jīng)應用到用于開環(huán)控制閥位置控制的“氣體控制閥”比例增益。比例增益偏差有助于修正新的跟蹤或調整P2參考值的總燃料需求值。這就避免了會導致燃氣輪機能量輸出減少的總燃料流量的減少。該修正因子是初始P2參考值和調整的P2參考值的比率 啟動許可已經(jīng)修改成當供給壓力等于或高于在旋轉備用運行所需的壓力時允許啟動燃氣輪機。另外，在一個實施例中，如果操作者在供給壓力低于預混模式所需的壓力時按下主控制啟動按紐，就會在HMI顯示屏上跳出一個對話框，例如“氣體燃料壓力對于預混操作太低。繼續(xù)啟動？”這種特征使得操作者可以在了解存在降低的供給壓力條件情況下決定是否啟動裝置。
這種保護性動作已被修改為包括在高于最低所需P2的閾值時禁止負荷升高，這將允許裝置只能加載至可用壓力極限點。按照圖6，如果燃氣輪機在該點被允許增加負荷，那么供給壓力最低需求值將增加。當任何氣體控制閥30、32、34、36或SRV38達到最大可允許的位置時，該裝置將自動減少能量輸出。這種自動減載是用來保護燃氣輪機不會在非節(jié)流的閥工況下運行，這種運行由于在開環(huán)氣體控制閥分布控制中引入的誤差可能形成燃燒器不穩(wěn)定或高動態(tài)導致的設備損壞。如果供給壓力超過最大衰變率，燃氣輪機將自動進入旋轉備用；由此，燃氣輪機不能以足夠快以致超過壓力衰減的速度減載。另外，作為一個選擇還可以采用自動轉換至第二燃料來取代燃氣輪機跳閘。這種轉換在供給壓力小于f1的水平部分時發(fā)生(參考圖6)。
計算式燃料壓力＝f(CPD、燃料流量、燃料溫度、噴嘴面積Ae)，其中CPD＝壓縮機排氣壓力，噴嘴面積Ae＝噴嘴有效面積(“修正的”物理面積，依賴于壓力、流速和上游及下游的溫度)。該修正的面積采用稱作“排放系數(shù)”(Cd)的乘法因子。
燃料噴嘴上游的燃料壓力(P4)由下式給出對于非節(jié)流的噴嘴壓力比率P4=Pcc[1+1+4(MAePcc)2RT(k-1)2gk2](kk-1)]]>和對于節(jié)流的噴嘴壓力比率P4=MAegkRT(2k+1)(k+1)(k-1)]]>其中M＝燃料流量，lb/secP∝＝CPD-燃燒器壓降g＝重力加速度，ft/sec2k＝比熱比，Cp/CvR＝通用氣體常數(shù)，lbf.ft/lbm.RT＝燃料溫度，蘭氏(Rankine)度通過孔口、噴嘴或閥門的流量是上游和下游壓力狀況的函數(shù)。這些壓力的比率決定出流量的大小。當該比率高于稱為“臨界壓力比率”的固定值時，閥門(或孔口或噴嘴)被視為節(jié)流。在該壓力比率之上的任何點，通過閥門的質量流量是固定的。典型的氣體燃料噴嘴被設計為在低于該臨界壓力比率時進行操作。氣體燃料噴嘴的臨界壓力比率(CPR)是其k(Cp/Cv比率)的函數(shù)，且典型的CPR是1.78。因此對于通常的操作，燃料噴嘴總是在非節(jié)流狀態(tài)操作而氣體控制閥總是在節(jié)流狀態(tài)操作。然而，近來燃燒系統(tǒng)沿每個回路具有更大的燃料分流變化，且節(jié)流噴嘴壓力比率已在具有非常高的燃料分流和相對小尺寸的噴嘴的幾個例子中被觀察到。為在我們的燃料系統(tǒng)中計算P4，可采用一種迭代的方法來計算流量和噴嘴壓力比率(NPR)。在該方法中，我們基于在先前的迭代中計算出的NPR來選擇P4計算式。
最低可允許需求值的燃料氣體供給壓力f1和f2可按下式計算燃料供給壓力(fx)＝P4+管路壓降+氣體控制閥壓降其中的“管路壓降”是由從氣體控制閥向燃料噴嘴輸送燃料的管路中的曲線和彎折而產生。這種壓降被假定為固定值即便它是根據(jù)周圍狀況而輕微的變化。該固定值是基于以往的工程經(jīng)驗來確定。
該“氣體控制閥壓降”也假定為固定的壓降。這個數(shù)值是來自閥門生產廠商的乘法因子。
按上式計算出的最低可允許需求值的燃料供給壓力需求值fx的一個例子由圖5示出。波峰和波谷代表燃燒系統(tǒng)模式轉換。曲線f1和f2構成最低可允許的壓力需求值，允許足夠的壓力越過波峰但忽略了波谷。因此，由圖3和圖6示出的f1/f2曲線的平臺段是以圖5中最大中間壓力的峰值為基礎。
因此，和常規(guī)的控制基理和上面提到的Baglan Bay的壓力控制相反，按照本發(fā)明的實施例，氣體控制閥上游的燃料壓力參考值(P2參考值或P2供給需求值)現(xiàn)在是環(huán)境溫度的函數(shù)，從而在較暖日子里能夠采用較低的壓力需求值。
本發(fā)明的主要的優(yōu)點是能夠在降低的氣體燃料供給壓力下啟動燃氣輪機并運行燃氣輪機，降低的氣體燃料供給壓力是基于實際的客觀需求而不是基于固定的最壞情況下的需求值。調整的壓力控制策略在供給壓力降至供給壓力需求值以下時盡量降低燃氣輪機的負荷，而一旦供給壓力恢復將允許燃氣輪機加載。
另外，降低的供給壓力需求值作為壓縮機排氣壓力的函數(shù)將很可能在夏季當環(huán)境溫度較高時允許電廠的氣體壓縮機關閉。在多數(shù)情況下，將不再需要氣體壓縮機。
盡管本發(fā)明用目前被認為是最實用和最優(yōu)選的實施例被描述，可以理解的是本發(fā)明并不局限于該公開的實施例，而是相反的，本發(fā)明覆蓋包括在附加權利要求的范圍和意旨中的各種修改和等同裝置。
部件表燃料壓力控制系統(tǒng)10主燃料管12分布管14、16、18、20燃料噴嘴22、24、26、28氣體流量控制閥30、32、34、36截流/速比閥38壓力傳感器40過濾器42輔助截流閥44。
權利要求
1.一種確定在燃氣輪機燃燒器中用于從壓力控制閥供給到多個燃料噴嘴的氣體控制閥的燃料壓力參考值的方法，包括確定燃料噴嘴上游處的第一所需燃料壓力；基于所述第一所需燃料壓力確定氣體控制閥上游處的最低可允許壓力需求值；和基于所述最低可允許壓力需求值確定用于壓力控制閥的控制的燃料壓力參考值。
2.如權利要求1所述的方法，其中所述最低可允許壓力需求值是維持所述氣體控制閥的節(jié)流運行的最低可允許燃料壓力。
3.如權利要求1所述的方法，其中該燃料壓力參考值基于所述最低可允許壓力需求值、可得到的供給壓力和基本負荷燃料壓力需求值來確定。
4.如權利要求3所述的方法，其中所述基本負荷壓力需求值是基于寒冷環(huán)境天氣基本負荷壓力需求值。
5.如權利要求3所述的方法，其中最低可允許壓力需求值基于所述第一所需燃料壓力、氣體控制閥和燃料噴嘴之間的管路壓降和氣體控制閥壓降來確定。
6.如權利要求1所述的方法，其中所述第一所需燃料壓力基于壓縮機排氣壓力可選擇地確定。
7.如權利要求6所述的方法，其中所述第一所需燃料壓力P4由下式確定對于非節(jié)流的噴嘴壓力比率P4=Pcc[1+1+4(MAePee)2RT(k-1)2gk2](kk-1)]]>和對于節(jié)流的噴嘴壓力比率P4=MAegkRT(2k+1)(k+1)(k-1)]]>其中M＝燃料流量，1b/secPcc＝CPD-燃燒器壓降Ae＝噴嘴有效面積g＝重力加速度，ft/sec2k＝比熱比，Cp/CvR＝通用氣體常數(shù)，1bf.ft/1bm.RT＝燃料溫度，蘭氏度。
8.一種具有多個燃料噴嘴(22、24、26、28)和用于控制到所述燃料噴嘴的燃料供給壓力的壓力控制系統(tǒng)(10)的燃氣輪機燃燒器，包括限定出氣體燃料從上游燃料入口流至所述燃料噴嘴的路徑的燃料管，包括主燃料管(12)和到所述燃料噴嘴(22、24、26、28)的分布燃料管(14、16、18、20)燃料流量控制閥，用于控制所述分布燃料管(14、16、18、20)中到所述燃料噴嘴(22、24、26、28)的燃料流量；和置于所述主燃料管(12)內，在所述燃料流量控制閥(30、32、34、36)上游處的壓力控制閥(38)，其中該控制系統(tǒng)(10)可操作地接合到所述壓力控制閥(38)和所述燃料流量控制閥(30、32、34、36)以控制所述壓力控制閥下游處的壓力和流過所述燃料流量控制閥的流量，所述控制系統(tǒng)基于壓縮機排氣壓力選擇性地設定用于控制壓力控制閥的燃料壓力參考值。
9.如權利要求8所述的燃氣輪機燃燒器，其中所述控制系統(tǒng)(10)基于維持所述氣體控制閥(30、32、34、36)節(jié)流運行的最低所需燃料壓力選擇性地設定用于控制壓力控制閥(38)的燃料壓力參考值。
10.如權利要求9所述的燃氣輪機燃燒器，其中所述控制系統(tǒng)基于所述最低壓力需求值選擇性地設定燃料壓力參考值，其中所述最低壓力需求值基于燃料噴嘴上游處的第一所需燃料壓力P4來確定，且其中控制系統(tǒng)按下式計算所述第一所需燃料壓力P4對于非節(jié)流的噴嘴壓力比率P4=Pcc[1+1+4(MAePcc)2RT(k-1)2gk2](kk-1)]]>和對于節(jié)流的噴嘴壓力比率P4=MAegkRT(2k+1)(k+1)(k-1)]]>其中M＝燃料流量，1b/secPcc＝CPD-燃燒器壓降Ae＝噴嘴有效面積g＝重力加速度，ft/sec2k＝比熱比，Cp/CvR＝通用氣體常數(shù)，1bf.ft/1bm.RT＝燃料溫度，蘭氏度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于降低燃氣輪機氣體燃料供給壓力需求值的系統(tǒng)和方法，這將增加可運行范圍并降低燃氣輪機跳閘可能性。按照該方法，允許燃氣輪機在供給壓力作為環(huán)境狀況和燃氣輪機壓縮機壓縮比的函數(shù)的情況下啟動并運行。這增加了可運行范圍，并降低或取消了對氣體燃料壓縮機的需求。
文檔編號F02C9/26GK101021182SQ20071008793
公開日2007年8月22日 申請日期2007年2月15日 優(yōu)先權日2006年2月15日
發(fā)明者B·加拉赫爾, R·P·S·埃盧里帕蒂, J·C·塔徹爾, P·蔡爾德斯, B·E·斯維特 申請人:通用電氣公司