Способ и устройство для управления разделением топлива в камере сгорания

Изобретение относится к энергетике. Способ определения установочного значения разделения топлива, используемого для регулировки установочного параметра разделения топлива для камеры сгорания, содержит следующие этапы: вывод первого элемента информации, связанного с теплотворной способностью подаваемого основного топлива; вывод второго элемента информации, связанного с рабочим состоянием камеры сгорания; вывод по меньшей мере одного третьего элемента информации, представляющего стабильность горения в камере сгорания; выбор предварительно определенной пары кривых, минимальной и максимальной граничных кривых для установочного параметра разделения топлива из множества предварительно определенных пар граничных кривых на основе первого элемента информации и второго элемента информации. При этом пары минимальной и максимальной граничных кривых определяют полосу установочных параметров разделения топлива, допустимых для диапазона значений второго элемента информации; определение установочного значения разделения топлива в пределах выбранной пары минимальной и максимальной граничных кривых на основе третьего элемента информации, при этом указанное определенное установочное значение разделения топлива используется для регулировки установочного параметра разделения топлива для камеры сгорания. Способ осуществляется блоком управления. Изобретение позволяет повысить надежность работы газотурбинного двигателя. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для управления разделением топлива в камере сгорания, в частности, газотурбинного двигателя.

Уровень техники

Камеры сгорания, например камеры сгорания газотурбинных двигателей, выполняют задачу, состоящую в том, чтобы обеспечивать горячую текучую среду для механического приведения в действие расположенных дальше по ходу потока компонентов, например, чтобы воздействовать на лопатки турбины газотурбинного двигателя для создания вращательного движения вала, к которому прикреплены лопатки турбины. Одной из первичных целей является функционирование такого двигателя с высокой эффективностью. Кроме того, температура в камере сгорания или во входной области турбинной секции должна оставаться ниже определенного уровня температуры, который является допустимым с учетом характеристик используемых материалов и покрытий. Существует еще дополнительная цель, состоящая в уменьшении выбросов двигателя. Другой целью является возможность иметь надежное и стабильное функционирование устройства. Большинство этих целей находятся в противоречии между собой.

Например, виды топлива со средней теплотворной способностью (MCV fuels) и виды топлива с низкой теплотворной способностью (LCV fuels) могут использоваться для уменьшения выделения оксидов азота NOx. С другой стороны, эти виды топлива могут привести к нестабильному процессу горения. Возможности для выбора топлива с конкретной теплотворной способностью может и не быть, поскольку может существовать цель, состоящая в обеспечении камеры сгорания, которая может надежно работать с различными типами топлива.

Для поддержки стабильного горения и для надежного воспламенения и запуска, камеры сгорания газотурбинных двигателей могут обеспечиваться топливом в различных местах внутри камеры сгорания. Эти различные места также могут обеспечиваться индивидуальной величиной подаваемого топлива. Основное топливо, которого должно быть достаточно для спроектированной стабильной рабочей точки во время режима работы с установившимся состоянием, может обеспечиваться в первом месте. Так называемое пусковое топливо, которое может, в частности, впрыскиваться во время запуска, переходной или нестабильной работы, может обеспечиваться во втором месте или местоположении камеры сгорания.

Во время функционирования камеры сгорания разделение топлива (разделение на основное и пусковое топливо) может регулироваться, в частности, посредством клапанов. Это позволяет иметь оптимизированную конфигурацию в течение времени запуска, переходного режима и/или стабильной работы.

Установочный параметр разделения топлива может определяться заранее, в частности, задаваться по результатам вычислений или выводиться из испытаний двигателя. Во время работы двигателя установочный параметр разделения топлива в дальнейшем контролируется в соответствии с заданными значениями.

В соответствии с документом WO 2011/137110 А1, процессы настройки, реализуемые контроллером с автоматической настройкой, обеспечиваются для измерения и регулирования динамических параметров сгорания и структуры выделений газотурбинного двигателя. Процесс постройки включает в себя отслеживание параметров, таких как динамические параметры сгорания и структура выделений. После определения того, что один или более параметров превысили критическое значение, эти параметры за пределами диапазона настройки ("out-of-tune") сравниваются с таблицей порядка сканирования. Затем первый параметр за пределами диапазона настройки наносится поверх уклонов на соответствующих графиках, которые представляют разделение расхода топлива. Углы наклона для каждого графика рассматриваются вместе, принимая во внимание объединенное воздействие на каждый параметр за пределами диапазона настройки, когда разделение расхода топлива выбирается для настройки.

Документы GB 2434437 А и US 2007/271024 А1 также показывают процедуры, каким образом может выбираться и регулироваться во время работы установочный параметр разделения топлива.

Этот процесс становится даже более сложным в том случае, если химический состав подаваемого топлива изменяется во времени, например, когда выполняется переключение на различные виды топлива, когда смешивается топливо из различных источников, или когда подаваемое топливо изменяет свой химический состав с течением времени. Все это в результате может привести к изменению теплотворной способности топлива. В результате, даже, несмотря на то, что камера сгорания, предположительно, работала в стабильных условиях, изменение теплотворной способности может привести к нестабильностям или динамическим изменениям давления, или перегреву компонентов.

Таким образом, обеспечение способа управления, который позволяет надежно работать во всех упоминавшихся выше режимах работы для всех заданных составов топлива при выполнении требований по выделениям вредных веществ является проблемой.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение стремится уменьшить эти проблемы и недостатки.

Эта задача достигается с помощью независимых пунктов формулы изобретения. Зависимые пункты описывают предпочтительные варианты и модификации изобретения.

В соответствии с изобретением по существу существует два этапа такого подхода: первый состоит в том, что выбирается заданная рабочая полоса установочных значений разделения топлива, чтобы определить допустимый диапазон, в котором должен располагаться график работы. Этот выбор основывается на первом элементе информации, который связан с теплотворной способностью поступающего топлива. Второй этап состоит в том, что как только выбирается рабочий диапазон установочных параметров разделения топлива с помощью этапа 1, на втором этапе выбирается график разделения топлива из множества возможных графиков, которые находятся внутри выбранного диапазона.

Рабочая полоса или диапазон определяет полосу допустимых рабочих точек для пускового установочного параметра разделения топлива в зависимости от нагрузки двигателя или любого рабочего состояния камеры сгорания. В этом случае график является конкретной кривой (в пределах этой полосы) для пускового установочного параметра разделения топлива в зависимости от нагрузки двигателя или любого рабочего состояния камеры сгорания.

Само пусковое разделение топлива в этом случае контролируется или регулируется в соответствии с выбранным графиком, в частности, основываясь на подтверждении другого параметра, например, нагрузки или выделений. Предпочтительно, регулирование может выполняться с помощью дополнительной подпрограммы, которая может быть выбрана из набора возможных подпрограмм для настройки.

Если более подробно, то в соответствии с изобретением, предлагается способ для определения установочного значения разделения топлива, которое может использоваться для настройки установочного параметра разделения топлива для камеры сгорания, при этом установочный параметр разделения топлива определяет соотношение между основным топливом, обеспечиваемом в точках впрыскивания первоначального топлива и пусковым топливом, обеспечиваемом по меньшей мере в одной точке впрыскивания вторичного топлива, при этом оба вида топлива подаются в камеру сгорания для сжигания с образованием потока продуктов сгорания, в частности, оба топлива имеют одинаковый химический состав, в частности, оба топлива являются газообразным топливом, способ содержит следующие этапы:

- извлечение первого элемента информации, который является связанным с теплотворной способностью поступающего основного топлива;

- извлечение второго элемента информации, который является связанным с рабочим состоянием камеры сгорания, когда происходит сгорание основного топлива и пускового топлива, второй элемент информации, в частности, является одним из следующих параметров: температура горения, температура потока продуктов сгорания, выходящего из камеры сгорания, тяга от потока продуктов сгорания, нагрузка двигателя вращающейся машины, расположенной ниже по ходу потока от камеры сгорания и приводящейся в действие в результате прохождения потока сгораемой текучей среды, в частности, газотурбинного двигателя;

- извлечение по меньшей мере одного третьего элемента информации, при этом третий элемент информации представляет стабильность сгорания в камере сгорания, в частности, представляет по меньшей мере один из следующих параметров: динамическое давление в процессе горения, выделение оксидов азота NOx, выделения СО, температура поверхности камеры сгорания, динамическое шумовое излучение при горении, вибрация камеры сгорания и нестабильность пламени;

- выбор предварительно определенной пары минимальной и максимальной граничных кривых для установочного параметра разделения топлива из множества предварительно определенных пар граничных кривых на основе первого элемента информации и второго элемента информации, при этом пары минимальной и максимальной граничных кривых определяют полосу установочных параметров разделения топлива, допустимых для диапазона значений второго элемента информации;

- определение установочного значения разделения топлива внутри выбранной пары минимальной и максимальной граничных кривых на основе третьего элемента информации, в котором указанное определенное установочное значение разделения топлива может использоваться для настройки установочного параметра разделения топлива для камеры сгорания.

Как упоминалось выше, разделение топлива определяет соотношение между основным топливом и пусковым топливом, например, заданное в процентах. Разделение топлива также называется пусковым разделением. Две части топлива по существу с одинаковым химическим составом контролируются с помощью разделения топлива. Разделение топлива представляет соотношение между потоком первичного топлива и потоком вторичного топлива, обеспечиваемое для различных точек впрыскивания топлива.

Приведенный выше способ может использоваться во время работы камеры сгорания в широком диапазоне режимов работы. Он также может использоваться для запуска. Хотя возможно, что в некоторых двигателях может использоваться специфическая процедура запуска.

Основное топливо обеспечивается в точках впрыскивания первичного топлива для хорошего распределения топлива. Расположение точек впрыскивания первичного топлива может позволять обеспечивать хорошо смешанную смесь топлива и воздуха перед тем, как эта смесь зажигается.

Пусковое топливо обеспечивается по меньшей мере в одной точке впрыскивания вторичного топлива в местоположении(ях), в которых пусковое топливо будет менее хорошо смешиваться с воздухом, по сравнению с основным топливом. Вторичная(ые) точка(и) впрыскивания топлива представлены для достаточной подпитки топливом пламени, чтобы гарантировать стабильное горение.

Камера сгорания представлена для обеспечения потока газообразных продуктов сгорания к вращающейся машине, в частности, газотурбинного двигателя. Таким образом, камера сгорания может быть, в частности, газотурбинной камерой сгорания, например, кольцевого или трубчато-кольцевого типа.

Вышеуказанный первый элемент информации в равной степени взаимодействует с теплотворной способностью поступающего основного топлива или пускового топлива. Первый элемент информации может быть теплотворной способностью, производным значением или числом Воббе поступающего топлива. Первым элементом информации также может быть пара нижнего значения теплотворной способности и верхнего значения теплотворной способности.

Второй элемент информации может отражать выходную температуру потока продуктов сгорания, выходящего из камеры сгорания. Это соответствует температуре при входе в турбину, которая поэтому также может определяться как второй элемент информации.

Если второй элемент информации относится к нагрузке двигателя, возможно также может определяться крутящий момент на валу двигателя.

Этапы определения первого и второго элементов информации могут выполняться в одно и то же время.

Третий элемент информации соответствует стабильности горения. Для ранжирования такой стабильности может быть использовано большое количество физических эффектов. Помимо уже упоминавшихся параметров, могут определяться колебания давления и динамическое давление. Для определения нестабильности пламени также может использоваться оптический датчик.

Все значения третьего элемента информации могут определяться непрерывно или периодически в отдельные моменты времени.

Предварительно определенная пара минимальной и максимальной граничных кривых для установочного параметра разделения топлива определяет границы для точек процесса. Приемлемые точки процесса (допустимые рабочие точки) попадают между этими граничными кривыми. Это может называться полосой.

Пары минимальной и максимальной граничных кривых могут устанавливаться предварительно. Они могут быть определены на основе диапазонов числа Воббе.

Выбор пары минимальной и максимальной граничных кривых может непрерывно обновляться под воздействием считывания параметров топлива (как описывалось ранее). Если считывание параметров топлива не изменилось, тогда максимальное/ минимальное установочные значения, т.е. выбор пары минимальной и максимальной граничных кривых, не изменяется.

Множество таких полос допустимой области точек процесса могут потенциально пересекаться между собой по меньшей мере частично. Предполагается, что полосы не являются разъединенными. Предпочтительно, пересечение представлено в этом случае как переключение способа управления от одной полосы на новую полосу, которое может происходить менее часто.

Если рабочая точка попадает в область, в которой две полосы пересекаются, потенциально обе полосы могут быть выбраны способом управления. Также возможно, что исторические данные, в частности, исторические данные первого, и/или второго, и/или третьего элемента информации, могут использоваться, чтобы решить, какой из них должен быть выбран способом управления на пересекающихся полосах.

Как упоминалось выше, минимальная и максимальная граничные кривые определяют полосу установочных параметров разделения топлива, допустимых для диапазона значений второго элемента информации, например, полосы установочных параметров разделения топлива для диапазона нагрузок двигателя. Это означает, что это определяется для множества или диапазона потенциальных нагрузок двигателя, множества или диапазона допустимых установочных параметров разделения топлива.

Способ, в соответствии с изобретением, позволяет определять предпочтительное установочное значение разделения топлива. Окончательное определение, в котором должно быть выбрано определенное установочное значение разделения топлива, может быть снова выполнены с помощью другой встроенной процедуры.

Изобретенный способ, в частности, является выгодным, поскольку нет необходимости в частом обновлении выбранной полосы. Это позволяет заранее выбрать наилучшую полосу, таким образом, подробный контроль может оптимизироваться внутри этой полосы.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения способ может содержать этап установки контрольного параметра, чтобы контролировать количество подаваемого основного топлива, обеспечиваемого для точек впрыскивания первичного топлива, и/или количество пускового топлива, обеспечиваемого по меньшей мере для одной точки впрыскивания вторичного топлива, основываясь на уже определенном установочном значении разделения топлива. В частности, может контролироваться топливный клапан.

В другом варианте осуществления изобретения по меньшей мере два выбранных элемента из первого элемента информации и второго элемента информации, и по меньшей мере один третий элемент информации могут извлекаться синхронно. В частности, первый элемент информации и второй элемент информации могут извлекаться синхронно, в частности, только в отдельные моменты времени.

Альтернативно, первый элемент информации может быть извлечен один раз в первом временном интервале. Второй элемент информации и по меньшей мере один третий элемент информации могут быть извлечены один раз во втором временном интервале. Первый временной интервал может быть длиннее, чем второй временной интервал, в частности, первый временной интервал может быть длиннее, чем множество вторых временных интервалов. Это может быть предпочтительным в том случае, если не ожидается быстрого изменения во времени состава топлива.

В другом варианте осуществления изобретения первый элемент информации может быть извлечен в ответ на изменение состава топлива для подаваемого основного топлива, и/или для подаваемого пускового топлива. Предпочтительно, первый элемент информации может извлекаться только в случае изменения состава топлива, или в случае переключения на другой источник топлива. Это означает, что первый элемент информации может быть извлечен в ответ на переключение на другой источник для подаваемого основного топлива, и/или для подаваемого пускового топлива.

Если состав топлива из одного и того же источника значительно изменяется во времени (смещается), может применяться уже упоминавшийся способ, например, когда топливо смешивается. Если изменение преднамеренное, тогда оно может рассматриваться как переключение в первом примере между двумя видами топлива того же самого типа, т.е. топливо может оставаться как газ или жидкость.

В альтернативном варианте такое переключение или смешивание также могут производиться для первого топлива, которое является газом и второго топлива, которое является жидкостью, или наоборот.

Этап определения установочного значения разделения топлива, предпочтительно, может выполняться непрерывно или в ответ на изменение второго элемента информации, и/или изменение по меньшей мере одного третьего элемента информации.

Способ управления может использовать сигналы датчика для извлечения первого, второго, и/или третьего элементов информации. В двигателе могут быть представлены различные типы датчиков. Способ управления также может использовать сигналы и данные, которые уже были извлечены через другие представленные управляющие алгоритмы.

В частности, для этапа извлечения первого элемента информации, теплотворная способность подаваемого основного топлива, и/или теплотворная способность подаваемого пускового топлива может определяться с помощью сигнала датчика внутри потока подачи топлива или линии подачи топлива.

Для извлечения второго элемента информации также могут выводиться специфические сигналы датчиков, в частности, для определения температуры горения, выходной температуры потока продуктов сгорания, выходящего из камеры сгорания, тяга от потока продуктов сгорания, температуры на входе в турбину, т.е. секции турбины вращающейся машины, например, газотурбинного двигателя. Нагрузка на двигатель вращающейся машины может определяться с помощью индикатора нагрузки посредством оценки крутящего момента вала, и/или скорости вращения вала приводимой во вращение вращающейся машины в ответ на процесс горения в камере сгорания.

Для извлечения по меньшей мере одного третьего элемента информации может оцениваться по меньшей мере один сигнал датчика, при этом сигнал датчика представляет по меньшей мере один из следующих параметров: динамическое давление в процессе горения, выделение оксидов азота NOx, выделения СО, температура поверхности камеры сгорания, шумовое излучение, вибрация камеры сгорания и отсутствие пламени.

Как ранее уже упоминалось, предварительно определенная пара минимальной и максимальной граничных кривых для установочного параметра разделения топлива может определяться по меньшей мере с помощью предварительно определенного максимального уровня разделения топлива (верхнее пороговое значение) и предварительно определенного минимального уровня разделения топлива (нижнее пороговое значение), обеспечиваемых в диапазоне значений второго элемента информации. Указанный диапазон, возможно, может охватывать все возможные рабочие условия или определенную область, начиная от запуска, переходных состояний и заканчивая стабильными состояниями полной нагрузки.

Максимальный уровень разделения топлива может представлять соотношение между пусковым топливом и основным топливом с самым высоким допускаемым процентным соотношением пускового топлива к основному топливу. Минимальный уровень разделения топлива может представлять соотношение между пусковым топливом и основным топливом с самым низким допускаемым процентным соотношением пускового топлива к основному топливу. Когда термин «пусковое топливо» или «основное топливо» используется в этом разделе, он представляет количество топлива или уровень топлива, обеспечиваемого для камеры сгорания в отдельный момент времени.

В немного измененной формулировке разделение топлива также может определяться как количество пускового топлива, разделенное на суммарное количество основного топлива и пускового топлива.

Альтернативно, минимальный и максимальный уровень разделения топлива может определяться противоположным образом, т.е. максимальный уровень разделения топлива альтернативно может представлять соотношение между основным топливом и пусковым топливом с самым высоким допускаемым процентным соотношением основного топлива по отношению к пусковому топливу. Минимальный уровень разделения топлива может в этом случае представлять соотношение между основным топливом и пусковым топливом с самым низким допускаемым процентным соотношением основного топлива по отношению к пусковому топливу.

Допускаемый означает допустимый в отношении выхлопа или в отношении нестабильности.

В одном варианте осуществления изобретения способ управления может содержать этап выбора заданного способа управляющей логики из множества заданных способов управляющей логики, основанных на первом элементе информации, и/или втором элементе информации, и/или третьем элементе информации, при этом этап определения установочного значения разделения топлива совершается с помощью выполнения выбранного способа управляющей логики.

Изобретение также относится к блоку управления камерой сгорания, выполняющему упоминавшиеся ранее этапы способа. Блок управления камерой сгорания, в частности, содержит:

- первый компонент извлечения данных для извлечения первого элемента информации, связанного с теплотворной способностью подаваемого первичного топлива основного топлива;

- второй компонент извлечения данных для извлечения второго элемента информации, связанного с рабочим состоянием камеры сгорания, в процессе сгорания основного топлива и пускового топлива, при этом второй элемент информации является, в частности по меньшей мере одним из следующих параметров: температура зажигания, выходная температура сгоревшей текучей среды, выходящей из камеры сгорания, тяга от сгоревшей текучей среды, нагрузка на двигатель вращающейся машины ниже по ходу потока от камеры сгорания, которая приводится во вращение в результате прохождения потока сгоревшей текучей среды, в частности, нагрузка на газотурбинный двигатель;

- третий компонент извлечения данных для извлечения по меньшей мере одного третьего элемента информации, при этом третий элемент информации представляет стабильность процесса сгорания в камере сгорания, в частности, представляет по меньшей мере один из параметров: динамические свойства давления при сгорании, выделение оксидов азота NOx, выделения СО, температура поверхности камеры сгорания, динамические свойства шумового излучения при сгорании, вибрация камеры сгорания и нестабильность пламени;

- компонент выбора для отбора предварительно определенной пары минимальной и максимальной граничных кривых для установочного параметра разделения топлива из множества предварительно определенных пар граничных кривых на основе первого элемента информации и второго элемента информации, при этом минимальная и максимальная граничные кривые определяют полосу установочных параметров разделения топлива, допустимых для диапазона значений второго элемента информации;

- модуль определения для определения установочного значения разделения топлива внутри выбранной пары минимальной и максимальной граничных кривых на основе третьего элемента информации, при этом уже определенное установочное значение разделения топлива может использоваться для настройки установочного параметра разделения топлива для камеры сгорания.

Блок управления камерой сгорания, предпочтительно, может содержать управляющий выходной интерфейс для установки управляющего параметра в блоке управления, в частности, с помощью одного или нескольких клапанов, количества основного топлива, и/или, количества пускового топлива, подаваемого в камеру сгорания, на основе уже определенного установочного значения разделения топлива.

Кроме того, изобретение также относится к вращающейся машине, в частности, газотурбинному двигателю, содержащей:

- камеру сгорания,

- блок управления камерой сгорания, как определяется выше, чтобы контролировать установочное значение разделения топлива для камеры сгорания, в соответствии с этапами способа, как определялось выше,

- вал, и

- турбинную секцию, расположенную ниже по ходу потока от камеры сгорания для приведения во вращение вала в ответ на поток продуктов сгорания, обеспечиваемый камерой сгорания к турбинной секции в процессе ее работы.

Ранее изобретение разъяснялось в отношении основного и пускового топлива. Тем не менее, также может быть представлено множество групп отдельно контролируемых точек впрыскивания топлива. В этом случае разделение топлива будет определять соотношение топлива, обеспечиваемого для различных групп точек впрыскивания топлива.

Следует отметить, что варианты осуществления изобретения были описаны в отношении различных предметов обсуждения. В частности, некоторые варианты осуществления изобретения были описаны по отношению к пунктам формулы изобретения по типу устройства, в то время как другие варианты осуществления изобретения были описаны по отношению к пунктам формулы изобретения, касающихся типа способа. Однако специалисты в данной области техники сделают вывод из приведенного выше и последующего описания, до тех пор, пока не отмечается противоположное, что в дополнение к любой комбинации признаков, принадлежащих к одному типу предмета обсуждения, также любая комбинация между признаками, относящимися к различным предметам обсуждения, в частности, между признаками пунктов формулы изобретения по типу устройства и признаками пунктов формулы изобретения, касающихся типа способа, рассматривается как раскрываемые этой заявкой на изобретение.

Аспекты, определяемые выше, и дополнительные аспекты настоящего изобретения являются очевидными из примеров варианта осуществления изобретения, которые будут описываться в дальнейшем и разъясняться со ссылками на примеры варианта осуществления изобретения.

Краткое описание чертежей

Теперь будут описаны варианты осуществления изобретения только в качестве примера, со ссылкой на сопроводительные схематические чертежи, на которых:

фиг. 1 показывает продольное сечение типичной газовой турбины;

фиг. 2А показывает продольное сечение типичной камеры сгорания;

фиг. 2В показывает сечение по линии III-III на фиг. 2А.

Фиг. 3 показывает блок-схему, иллюстрирующую дифференцирование при подаче основного и пускового топлива в типичной газовой турбине с множеством камер сгорания.

Фиг. 4 показывает фигуру, аналогичную фиг. 2А, на которой иллюстрируются блок управления, датчики и линии управления.

Фиг. 5 показывает множество полос рабочих диапазонов для различных видов топлива.

Фиг. 6 показывает диаграмму, которая иллюстрирует контур управления.

Иллюстрация на чертежах является схематической. Следует отметить, что для аналогичных или идентичных элементов на различных фигурах будут использоваться идентичные ссылочные обозначения.

Некоторые из признаков и, особенно преимущества, будут разъясняться для газовой турбины в сборе, однако очевидно, что эти признаки также могут применяться к единичным компонентам газовой турбины, но могут показывать преимущества только после сборки и во время работы турбины. Но когда были произведены разъяснения с помощью газовой турбины во время ее работы, никакую из подробностей не следует ограничивать газовой турбиной, хотя она рассматривается во время ее работы. Поскольку изобретение относится к стабильному процессу сгорания, признаки также могут применяться к различным типам машин, которые содержат камеру сгорания и которые могут снабжаться различными типами топлива.

Подробное описание изобретения

Камеры сгорания используются в большом количестве различного оборудования, включая газовые турбины, печи и паровые котлы.

Пример типичной газотурбинной системы 1, как один пример вращающейся машины показан на фиг. 1. Газовая турбина (сокращенно для газотурбинной системы 1) содержит воздушный впуск 10 на одном конце, за которым следует компрессорная ступень 11, в которой входящий воздух сжимается для его применения в одной или более камер 12 сгорания, которые распределены по окружности вокруг оси 13 турбины. Топливо вводится в камеры сгорания, например, через питающий трубопровод 14, и смешивается с главной частью сжатого воздуха, выходящего из компрессорной ступени 11. Горячие газы, создаваемые посредством сгорания в камерах 12 сгорания, направляются к набору лопаток 15 турбины внутри секции 3 турбины, причем они направляются в процессе работы с помощью набора направляющих лопаток 16, а лопатки 15 турбины и вал (лопатки 15 турбины прикрепляются к валу 2), образующие ротор, в результате вращаются вокруг оси 13. Вращающийся ротор, в свою очередь, вращает лопатки ступени 11 компрессора, в результате чего сжатый воздух подается с помощью самой газовой турбины, как только она начинает работать.

Часть типичной камеры сгорания (combustor), также называемой в этом описании "combustion device", показана на фиг. 2А. (фиг. 2В является сечением вдоль линии III-III, показанной на фиг. 2А). Камера сгорания содержит по меньшей мере следующие части: передняя входная часть 20, завихритель 21, часть 22 предварительной камеры воспламенителя и пространство 23 сгорания. Основное топливо, также называемое первичным топливом в этом документе, вводится в завихритель 21 посредством передней входной части 20 через трубопровод 24, в то время как пусковое топливо, также называемое вторичным топливом в этом документе, входит в пространство воспламенителя через трубопровод 25, имеющий на конце сопло 29 для пускового топлива, т.е. точку впрыскивания вторичного топлива. Сопло для пускового топлива также может располагаться на передней поверхности центрального воспламенителя 31.

Потоки основного и пускового топлива выходят из клапана 26 разделения топлива, которое подается с помощью топливного питающего трубопровода 27, представляющего общую подачу топлива к камере сгорания. Поток основного топлива входит в завихритель (21) через набор сопел основного топлива (или инжектор) 28, в качестве точек впрыскивания первичного топлива, откуда оно направляется вдоль направляющих лопаток 21А завихрителя, смешиваясь с приходящим сжатым воздухом в процессе работы. Полученная в результате смесь воздуха и топлива поддерживает пламя 30 воспламенителя. Горячая смесь воздуха и топлива от этого горения входит в объем 23 камеры сгорания.

Фиг. 2В показывает завихритель 21 с множеством направляющих лопаток 21А завихрителя и множеством точек впрыскивания топлива. Сопла 28 основного топлива показаны в каждом проходе завихрителя между направляющими лопатками 21А. Также возможны несколько других расположений. Сопло 29 пускового топлива (здесь показано только одно сопло пускового топлива, однако может быть представлено более чем одно), располагается в центральной области, в которой, как предполагается, основное топливо и воздух должны быть в достаточной степени смешаны. Следовательно, сопло 29 пускового топлива может обеспечить дополнительное количество топлива - пускового топлива по меньшей мере в некоторых режимах работы, чтобы стабилизировать процесс горения.

Газовая турбина часто будет содержать ряд таких камер сгорания, в этом случае распределение потока основного и пускового топлива обычно будет таким, как показано на фиг. 3.

Обеспечиваемое топливо может быть газообразным топливом. В другом варианте осуществления изобретения топливо может быть жидким топливом.

В соответствии с фиг. 3, подача 27 топлива, которая является общей для всех камер сгорания и общей для основного и пускового топлива, обеспечивается для клапана 26 разделения топлива. Клапан 26 разделения топлива управляется блоком управления и разделяет топливо в линию 50 основного топлива и линию 51 пускового топлива. В этом случае основное топливо, предпочтительно, в равных долях, обеспечивается для указанного ряда имеющихся камер сгорания. На фигуре, например, - для камеры 121 сгорания (также обозначенной как камера "#1" сгорания), камеры 122 сгорания (также обозначенной как камера "#1" сгорания) и камеры 123 сгорания (также обозначенной как камера "#n" сгорания, поскольку это должно отражать любое возможное число «n» камер сгорания).

Способ по изобретению также может использоваться в Дополнительном варианте, в котором первичное топливо может быть газообразным топливом одного типа, а вторичное топливо может быть газообразным топливом второго типа. То же самое также возможно для двух различных источников жидкого топлива.

Тем не менее, в дальнейшем будет подробно рассматриваться подача газообразного топлива, обеспечиваемого для подачи первичного топлива и вторичного топлива.

Обычно желательно поддерживать постоянную общую подачу топлива в камеру сгорания (или набор камер сгорания, когда имеется более одной камеры), для того чтобы соответствовать постоянной нагрузке, прикладываемой к устройству, которое, например, может быть газовой турбиной. Когда нагрузка на газовую турбину изменяется, тогда необходимо будет изменить общую подачу топлива в газовую турбину, и обычно не по-другому.

Теперь кратко остановимся на фиг. 4, которая соответствует фиг. 2А. Колебания температуры и давления в этой схеме камеры сгорания измеряются, например, путем размещения, во-первых, температурного датчика 32, и, во-вторых, датчика 33 давления внутри объема 23 камеры сгорания. Выходные сигналы 34 и 35 двух датчиков 32, 33 принимаются блоком 36 управления, а выход 37 блока управления управляет соотношение основного и пускового топлива с помощью клапана 26 разделения топлива.

Блок 36 управления содержит устройство обработки данных для выполнения алгоритма, подходящего для поддержания работы газовой турбины внутри желаемой области, которая будет дополнительно разъясняться со ссылкой на следующие фигуры.

На фиг. 5 показаны несколько рабочих полос, каждая полоса определена для конкретного типа топлива.

Если более точно, то заданные полосы 100, 100', 100'' и 100''' разделения 101 топлива (т.е. различные установочные значения разделения топлива) являются заранее заданными и показаны на фигуре во взаимосвязи с нагрузкой 102 двигателя. Каждая из полос 100, 100', 100'' и 100''' заранее устанавливается для заданного диапазона числа Воббе. Диапазон числа Воббе определяет диапазон допустимых значений нагревания для подаваемого топлива.

Ось Y показанного на фиг. 5 графика отображает разделение топлива, которое также может определяться как количество пускового топлива, поделенное на сумму основного топлива и пускового топлива. Ось X может отображать диапазон нагрузок двигателя. Показанные полосы будут в общем определять более высокую подачу пускового топлива для низких нагрузок двигателя и уменьшенную подачу пускового топлива для высоких нагрузок двигателя.

Следует отметить, что полосы 100, 100', 100'' и 100''' частично перекрываются, в результате чего две соседние полосы имеют области, в которых для заданной нагрузки и заданного числа Воббе и заданного разделения топлива способ может выбрать одну из двух полос в качестве полосы, которую следует использовать для управления.

Каждая полоса определяется допустимыми значениями, которые находятся между парой минимальной и максимальной граничных кривых. Для первой полосы 100 определяется минимальная/максимальная граничная кривая 100 В и максимальная граничная кривая 100А. Аналогичным образом, для второй полосы 100' определяется минимальная/максимальная граничная кривая 100 В' и максимальная граничная кривая 100А', для третьей полосы 100'' определяется минимальная/максимальная граничная кривая 100 В'' и максимальная граничная кривая 100А'', и для четвертой полосы 100''' определяется минимальная/максимальная граничная кривая 100 В''' и максимальная граничная кривая 100А'''. Между этими пороговыми значениями лежит диапазон допустимых, удовлетворительных и/или желательных рабочих точек. На показательной фиг. 5 можно увидеть, что для более низких нагрузок полосы 100, 100', 100'' и 100''' имеют явное пересечение, т.е. минимальная/максимальная граничная кривая 100В находится ниже максимальной граничной кривой 100А'. При более высоких нагрузках это перекрытие уменьшается, так что при высоких нагрузках минимальная/максимальная граничная кривая 100 В может сходиться с максимальной граничной кривой 100А'.

Каждая максимальная граничная кривая 100А, 100А', … определяет максимальный уровень разделения топлива для конкретной нагрузки двигателя, а каждая минимальная граничная кривая 100 В, 100 В', … определяет заданный минимальный уровень разделения топлива для каждой полосы.

Во время работы, как показано на фиг. 5, и обработки данных, как показано на фиг. 6, способ начинается на этапе 200 процесса. В качестве первой проверки на этапе 201 тестируется, обеспечивается ли постоянная теплота, подводимая с топливом.

Если имеется не постоянная теплота, подводимая с топливом, на этапе 202 извлекается информация о теплотворной способности топлива. Извлеченная информация называется первым элементом информации, в соответствии с формулой изобретения. Любой параметр, который коррелирует с теплотворной способностью обеспечиваемого топлива, может использоваться в качестве первого элемента информации.

На основе данных о теплотворной способности топлива и на основе нагрузки 102 двигателя (нагрузка 102 двигателя соответствует второму элементу информации, как определяется в формуле изобретения), на этапе 203 выбирается одна из полос 100, 100', 100'' и 100'''. Таким образом, выбирается и/или устанавливается пара из минимальной и максимальной граничных кривых для установочного параметра разделения топлива, при этом указанная пара берется из множества предварительно определенных пар граничных кривых.

Если рабочая точка попадает в область перекрывания на фиг. 5, две полосы являются кандидатами для выбора в качестве релевантной полосы, в соответствии с которой выполняется управление. Чтобы выбрать более подходящую полосу из обеих потенциальных полос, возможно могут быть оценены исторические данные или экстраполированные будущие данные.

Возможной целью для выбора является такой выбор полосы, который позволит сделать наименьшее количество переключений между полосами во время будущего функционирования газотурбинного двигателя.

Таким образом, считается, что после этапа 203 выбрана наиболее подходящая или выгодная предварительно определенная пара из минимальной и максимальной граничных кривых для установочного параметра разделения топлива, при этом пара выбрана из множества предварительно определенных пар граничных кривых. Выбор выполняется на основе первого элемента информации и второго элемента информации. Очевидно, что минимальная и максимальная граничные кривые определяют полосу установочных параметров разделения топлива, допустимую для диапазона значений второго элемента информации, т.е. в данном примере для диапазона значений нагрузки двигателя.

Важно акцентировать внимание, что на этом этапе выбирается только полоса, а не единственный график или отдельные значения для установочного параметра разделения топлива.

Предшествующий анализ не всегда требует постоянного и непрерывного отслеживания теплотворной способности топлива в режиме реального времени. Теплотворная способность топлива также может быть сконфигурирована или установлена оператором. Альтернативно, значение будет непрерывно отслеживаться или считываться.

На этапе 204, который следует за этапом 203, оцениваются динамическое давление при горении, выделение оксидов азота NOx, выделения СО, температура поверхности камеры сгорания, динамическое шумовое излучение при горении, вибрация камеры сгорания и/или нестабильность пламени. Это соответствует третьему элементу информации, в соответствии с формулой изобретения.

Для выбранной полосы и для извлеченного третьего элемента информации выполняется управление установочным значением разделения топлива, при этом установочное значение разделения топлива используется для управления клапаном, например, клапаном 26 разделения топлива на фиг. 3 или 4. Установочное значение разделения топлива регулируется в соответствии с этапом 220.

Для достижения идеального установочного значения разделения топлива могут выполняться по меньшей мере одна из нескольких подпрограмм (или подмоделей). В частности, может быть инициирована подпрограмма 210, чтобы надлежащим образом отвечать динамической характеристике горения или динамической характеристике давления. Если это не требует подстройки установочного значения разделения топлива, может быть инициирован дополнительный субмодуль 211, чтобы надлежащим образом реагировать на температуру камеры сгорания. И опять, если при этом не требуется подстройка установочного значения разделения топлива, может быть инициирован дополнительный субмодуль 212, который выполняет действие в ответ на выделения, для того чтобы минимизировать выделение. И в качестве окончательного этапа в этом примере, если опять не требуется подстраивать установочное значение разделения топлива, может быть инициирован дополнительный субмодуль 213, чтобы выбрать новую полосу, как показано на фиг. 5, т.е. выбрать топливный график.

Если один из субмодулей дает результаты, согласно которым регулировка установочного значения разделения топлива является желательной, тогда будет выполняться этап 220 регулировки.

Если один из субмодулей дает результаты, согласно которым регулировка установочного значения разделения топлива является желательной или необходимой, тогда предыдущая установка остается активной - этап 221. Используется сохраненная установка.

И в заключение, способ управления может завершиться - этап 222, или может «перепрыгнуть» назад к начальному положению 200.

Как упоминалось ранее, см. этап 201, в качестве первой проверки устанавливается, обеспечивается ли постоянное подводимое тепло с топливом.

Если имеется постоянное подводимое тепло с топливом, то этот улучшенный способ управления может быть пропущен, и могут выполняться другие способы управления, этап 223.

Выполнение способа, как объяснялось в соответствии с фиг. 6, является только одним примером для иллюстрации изобретения. Другие варианты осуществления изобретения также возможны.

Следует отметить, что на фиг. 6 знак «+» означает ответвление, предпринимаемое в случае положительного результата проверки, а «-» - в случае отрицательного результата проверки.

1. Способ определения установочного значения (101) разделения топлива, используемого для регулировки установочного параметра разделения топлива для камеры (12) сгорания, при этом установочный параметр разделения топлива определяет соотношение между основным топливом (50), обеспечиваемым в точках (28) впрыскивания первичного топлива, и пусковым топливом (51), обеспечиваемым по меньшей мере в одной точке (29) впрыскивания вторичного топлива, при этом оба вида топлива подаются в камеру (12) сгорания для сжигания с образованием потока продуктов сгорания, в частности оба топлива имеют одинаковый химический состав, в частности оба топлива являются газообразным топливом, характеризующийся тем, что

- выводят первый элемент информации, связанный с теплотворной способностью подаваемого основного топлива (50);

- выводят второй элемент информации, связанный с рабочим состоянием камеры сгорания при сжигании основного топлива (50) и пускового топлива (51), при этом второй элемент информации, в частности, является одним из следующих параметров: температура горения, выходная температура потока продуктов сгорания, выходящего из камеры (12) сгорания, тяга от потока продуктов сгорания, нагрузка двигателя вращающейся машины (1), расположенной ниже по ходу потока от камеры сгорания и приводящейся в движение под действием прохождения потока продуктов сгорания, в частности, газотурбинного двигателя;

- выводят по меньшей мере один третий элемент информации, при этом третий элемент информации представляет стабильность горения в камере (12) сгорания, в частности, представляет по меньшей мере один из следующих параметров: динамическое давление в процессе горения, выделение оксидов азота NOx, выделение СО, температура поверхности камеры (12) сгорания, динамическое излучение шума при горении, вибрация камеры (12) сгорания и нестабильность пламени;

- выбирают предварительно определенную пару граничных кривых, минимальную и максимальную граничные кривые (100A, 100B; 100A', 100B'; …), для установочного параметра разделения топлива из множества предварительно определенных пар граничных кривых (100A, 100B; 100A', 100B'; …) на основе первого элемента информации и второго элемента информации, при этом минимальная и максимальная граничные кривые (100A, 100B; 100A', 100B'; …) определяют полосу установочных параметров разделения топлива, допустимых для диапазона значений второго элемента информации;

- определяют установочное значение (101) разделения топлива в пределах выбранной пары минимальной и максимальной граничных кривых (100A, 100B; 100A', 100B'; …) на основе третьего элемента информации, при этом указанное определенное установочное значение (101) разделения топлива предназначено для использования для регулировки установочного параметра разделения топлива для камеры (12) сгорания.

2. Способ по п. 1, дополнительно содержащий этап (220) установки управляющего параметра для управления количеством основного топлива, подаваемого в точки (28) впрыскивания первичного топлива, и/или количеством пускового топлива (51), подаваемого по меньшей мере в одну из точек (29) впрыскивания вторичного топлива, на основе указанного определенного установочного значения (101) разделения топлива.

3. Способ по п. 1 или 2, в котором по меньшей мере два выбранных элемента из первого элемента информации и второго элемента информации, а также по меньшей мере один третий элемент информации выводят синхронно.

4. Способ по п. 1 или 2, в котором

первый элемент информации выводят один раз в первый временной интервал;

второй элемент информации и указанный по меньшей мере один третий элемент информации выводят один раз во второй временной интервал;

первый временной интервал является более длинным, чем второй временной интервал, в частности первый временной интервал длиннее, чем множество вторых временных интервалов.

5. Способ по одному из пп. 1-4, в котором

первый элемент информации выводят в ответ на изменение состава подаваемого основного топлива (50) и/или подаваемого пускового топлива (51), и/или

первый элемент информации выводят в ответ на переключение на другой источник подаваемого основного топлива (50) и/или подаваемого пускового топлива (51).

6. Способ по одному из пп. 1-5, в котором

этап (220) определения установочного значения (101) разделения топлива выполняют непрерывно или в ответ на изменение второго элемента информации и/или в ответ на изменение указанного по меньшей мере одного третьего элемента информации.

7. Способ по одному из пп. 1-6, в котором

для вывода первого элемента информации с помощью сигнала датчика определяют теплотворную способность подаваемого основного топлива (50) и/или теплотворную способность подаваемого пускового топлива (51).

8. Способ по одному из пп. 1-7, в котором

- определяют с помощью сигнала датчика или вычисляют на основе по меньшей мере одного сигнала датчика температуру горения, выходную температуру потока продуктов сгорания, выходящего из камеры (12) сгорания, тягу от потока продуктов сгорания, температуру на входе в турбинную секцию вращающейся машины (1), или

- определяют нагрузку (102) двигателя вращающейся машины (1) с помощью индикатора нагрузки посредством оценки крутящего момента вала (2) и/или скорости вращения вала (2) вращающейся машины (1), приводимой во вращение вследствие процесса горения в камере (12) сгорания.

9. Способ по одному из пп. 1-8, в котором для вывода указанного по меньшей мере одного третьего элемента информации оценивают по меньшей мере один сигнал датчика, при этом сигнал датчика представляет по меньшей мере один из следующих параметров: динамическое давления в процессе горения, выделение оксидов азота NOx, выделение СО, температура поверхности камеры сгорания, шумовое излучение, вибрация камеры (12) сгорания, температура газообразных продуктов сгорания и отсутствие пламени.

10. Способ по одному из пп. 1-9, в котором

указанную предварительно определенную пару граничных кривых, минимальную и максимальную граничные кривые (100A, 100B; 100A', 100B'; …), для установочного параметра разделения топлива определяют по меньшей мере с помощью предварительно определенного максимального уровня разделения топлива и предварительно определенного минимального уровня разделения топлива, обеспечиваемых в диапазоне значений второго элемента информации, и

указанный максимальный уровень разделения топлива представляет соотношение между пусковым топливом (51) и основным топливом (50) с наиболее высоким допустимым процентным содержанием пускового топлива (51) по отношению к основному топливу (50), а

указанный минимальный уровень разделения топлива представляет соотношение между пусковым топливом (51) и основным топливом (50) с наиболее низким допустимым процентным содержанием пускового топлива (51) по отношению к основному топливу (50).

11. Способ по одному из пп. 1-10, дополнительно содержащий этап, на котором выбирают предварительно определенный алгоритм (201, 211, 212, 213) управляющей логики из множества предварительно определенных алгоритмов (201, 211, 212, 213) управляющей логики на основе указанного первого элемента информации, и/или второго элемента информации, и/или третьего элемента информации, при этом этап определения установочного значения (101) разделения топлива выполняют посредством выполнения указанного выбранного алгоритма (201, 211, 212, 213) управляющей логики.

12. Блок (36) управления камерой сгорания для определения установочного значения (101) разделения топлива, используемого для регулировки установочного параметра разделения топлива камеры (12) сгорания, при этом установочный параметр разделения топлива определяет разделение подачи основного топлива, обеспечиваемого в точках (28) впрыскивания первичного топлива, и подачи пускового топлива, обеспечиваемого по меньшей мере в одной точке (29) впрыскивания вторичного топлива, при этом оба топлива предназначены для подачи в камеру (12) сгорания для сжигания с образованием потока продуктов сгорания, указанный блок (36) управления камеры сгорания, в частности, выполнен таким образом, чтобы основное топливо (50) и пусковое топливо (51) имели одинаковый химический состав, и/или оба топлива были газообразным топливом, при этом блок управления камерой сгорания содержит

- первый компонент вывода данных, предназначенный для вывода первого элемента информации, связанного с теплотворной способностью подаваемого первичного топлива указанного основного топлива (50);

- второй компонент вывода данных, предназначенный для вывода второго элемента информации, связанного с рабочим состоянием камеры сгорания при сжигании основного топлива (50) и пускового топлива (51), при этом вторым элементом информации, в частности, является по меньшей мере один из следующих параметров: температура горения, выходная температура указанного потока продуктов сгорания, выходящего из камеры (12) сгорания, тяга от потока продуктов сгорания, нагрузка двигателя вращающейся машины (1), расположенной ниже по ходу потока от камеры сгорания и приводимой в движение вследствие прохождения потока продуктов сгорания, в частности, газотурбинного двигателя;

- третий компонент вывода данных, предназначенный для вывода по меньшей мере одного третьего элемента информации, при этом третий элемент информации представляет стабильность горения в камере (12) сгорания, в частности представляет по меньшей мере один из следующих параметров: динамическое давление в процессе горения, выделение оксидов азота NOx, выделение СО, температура поверхности камеры сгорания, динамическое излучение шума при горении, вибрация камеры (12) сгорания и нестабильность пламени;

- компонент выбора, предназначенный для выбора предварительно определенной пары граничных кривых, минимальной и максимальной (100A, 100B; 100A', 100B'; …) граничных кривых, для установочного параметра разделения топлива из множества предварительно определенных пар граничных кривых (100A, 100B; 100A', 100B'; …) на основе первого элемента информации и второго элемента информации, при этом указанные минимальная и максимальная граничные кривые (100A, 100B; 100A', 100B'; …) определяют полосу установочных параметров разделения топлива, допустимых для диапазона значений второго элемента информации;

- модуль определения, предназначенный для определения установочного значения (101) разделения топлива в пределах выбранной пары минимальной и максимальной граничных кривых (100A, 100B; 100A', 100B'; …) на основе третьего элемента информации, причем указанное определенное установочное значение (101) предназначено для регулировки установочного параметра разделения топлива для камеры (12) сгорания.

13. Блок (36) управления камерой сгорания по п. 12, который

содержит компонент входных данных датчика, предназначенный для сбора информации от датчиков, при этом датчики обеспечивают информацию, относящуюся к следующим параметрам:

- теплотворная способность подаваемого основного топлива (50), и/или теплотворная способность подаваемого пускового топлива (51), и/или

- рабочее состояние камеры сгорания, в частности температура горения, выходная температура потока продуктов сгорания, выходящего из камеры (12) сгорания, тяга от потока продуктов сгорания, нагрузка двигателя вращающейся машины (1), приводимой в движение вследствие прохождения потока продуктов сгорания, и/или

- динамическое давление в процессе горения, и/или выделение оксидов азота NOx, и/или выделение СО, и/или температура поверхности камеры сгорания, и/или излучение шума, и/или вибрация камеры (12) сгорания, и/или отсутствие пламени.

14. Блок (36) управления камерой сгорания по п. 12 или 13, который

содержит выходной управляющий интерфейс, предназначенный для установки управляющего параметра, с тем, чтобы управлять, в частности, с помощью одного или нескольких клапанов (26) количеством основного топлива (50) и/или количеством пускового топлива (51), подаваемого в камеру (12) сгорания, на основе указанного определенного установочного значения (101) разделения топлива.

15. Вращающаяся машина (1), в частности газотурбинный двигатель, содержащая:

- камеру (12) сгорания,

- блок (36) управления камерой сгорания по одному из пп. 12-14 для управления установочным значением (101) разделения топлива для камеры (12) сгорания,

- вал (2) и

- турбинную секцию (3), расположенную ниже по ходу потока от камеры (12) сгорания, для приведения во вращение вала (2) вследствие прохождения потока продуктов сгорания, поступающего из камеры (12) сгорания в турбинную секцию (3) в процессе работы.