燃氣輪機燃料控制系統的製作方法

2023-05-01 19:33:06 1

專利名稱：燃氣輪機燃料控制系統的製作方法
技術領域：
燃氣輪機燃料控制系統技術領域[0001]本實用新型涉及一種燃氣輪機，特別是涉及燃氣輪機的燃料控制方式。
背景技術：
[0002]燃氣輪機的燃料一般是通過多個燃料噴嘴注入燃燒室進行燃燒。在設計時，每個燃料噴嘴都有一個設定的額定流量。這個設定流量是針對發動機最大允許負荷而設計。對於這些燃料噴嘴而言，只有工作在其額定流量才能達到最大設計燃燒效率，並有效控制排放物，例如氮氧化物或者一氧化碳等。但燃氣輪機工作時，總會有一些變工況的情況。如出現變工況，例如，工作在部分負荷下，目前通行的做法是通過比例閥對各燃料噴嘴做節流。 通過節流後，燃料噴嘴的流量變小，使得通過這些燃料噴嘴注入燃燒室的燃料流量總和與實際負荷相匹配。然而，隨著燃料噴嘴的燃料流量降低，其燃燒效率也隨之降低。此時，因為燃燒不完全，氮氧化物或一氧化碳等有害排放物也會增加。實用新型內容[0003]有鑑於此，本文提出一種能夠使燃燒系統的燃燒效率基本上保持其最大設計燃燒效率的燃料控制系統。[0004]本文提出的燃氣輪機燃料控制系統主要包括負載確定單元和燃料控制單元。燃氣輪機包括燃燒室以及與燃燒室連通以向燃燒室注入燃料的多個燃料噴嘴。負載確定單元用於確定燃氣輪機的負載信息，而燃料控制單元用於接收所確定的負載信息並根據所接收到的負載信息控制燃氣輪機的燃料噴嘴選擇性地打開或關閉，使得被打開的燃料噴嘴的額定流量的總和與所確定的負載信息相匹配。[0005]在一個實施例中，所述多個燃料噴嘴可包括一個第一燃料噴嘴和多個第二燃料噴嘴，其中所述第一燃料噴嘴的額定流量與單個第二燃料噴嘴的額定流量不相等。在一個特定實施例中，所述第一燃料噴嘴的額定流量大於單個第二燃料噴嘴的額定流量。[0006]在一個實施例中，所述第一燃料噴嘴的額定流量可對應燃氣輪機的自持轉速。[0007]在一個實施例中，所述多個第二燃料噴嘴環繞所述第一燃料噴嘴設置。[0008]在一個實施例中，每個所述燃料噴嘴的額定流量相同。[0009]在一個實施例中，所述多個燃料噴嘴中的一部分燃料噴嘴設計成被控制同時關閉或打開。在一個特定的實施例中，所述多個燃料噴嘴包括第一圈燃料噴嘴和第二圈燃料噴嘴，每一圈燃料噴嘴包括有多個燃料噴嘴，且每一圈燃料噴嘴的多個燃料噴嘴設計成被控制同時關閉或打開。當然，所述燃料噴嘴也可以包括更多圈的燃料噴嘴。[0010]在一個實施例中，所述負載確定單元包括負載檢測系統，用於檢測所述燃氣輪機的負載信息。在另一個實施例中，所述負載確定單元包括負載信息輸入界面，用於接收操作者的負載信息輸入。[0011]在一個實施例中，所述控制系統包括存儲查找表的存儲器，所述燃料控制單元通過查詢所述查找表來確定打開哪些燃料噴嘴，所述查找表包括各燃料噴嘴的打開和關閉狀態與燃氣輪機負載的對照關係或各燃料噴嘴的打開和關閉狀態與燃氣輪機的燃料流量的對照關係。[0012]綜上所述，本文提出的燃料控制方式通過控制各燃料噴嘴選擇性地打開或關閉， 來實現燃料流量的控制，以匹配不同的燃氣輪機的負載。在這種方式下，無論是在高負荷還是低負荷狀況下，被打開的每個燃料噴嘴的流量都可以始終工作在其額定流量下，因此每個燃料噴嘴的燃燒效率可以保持在最大燃燒效率，從而使得整個燃燒系統基本上保持在最大燃燒效率。


[0013]圖I是一種燃氣輪機燃料控制系統的示意圖。[0014]圖2是一實施例的燃料噴嘴打開和關閉狀態與燃料流量的對照表。[0015]圖3是另一個實施例的燃料噴嘴打開和關閉狀態與燃料流量的對照表。[0016]圖4是一個實施例的燃料噴嘴分布的示意圖。[0017]圖5是圖4的燃料噴嘴打開和關閉狀態與燃料流量的對照表。[0018]圖6是另一個實施例的燃料噴嘴分布的示意圖。[0019]圖7是一種負載信息輸入界面的示意圖。[0020]圖中[0021]100燃料控制系統；102負載確定單元；104燃料控制單元；110輸入界面；112控制杆；114控制杆位置；116存儲單元。
具體實施方式
[0022]在詳細描述實施例之前，應該理解的是，本實用新型不限於本申請中下文或附圖中所描述的詳細結構或元件排布。本實用新型可為其它方式實現的實施例。而且，應當理解，本文所使用的措辭及術語僅僅用作描述用途，不應作限定性解釋。本文所使用的「包括」、「包含」、「具有」等類似措辭意為包含其後所列出之事項、其等同物及其它附加事項。特別是，當描述「一個某元件」時，本實用新型並不限定該元件的數量為一個，也可以包括多個。[0023]圖I是一種燃氣輪機燃料控制系統的示意圖。燃氣輪機包括燃燒室以及與燃燒室連通以向燃燒室注入燃料的多個燃料噴嘴I N1、I N2、I N3……I Nn。燃料控制系統100 用於根據燃氣輪機的負載控制通過這些燃料噴嘴注入燃燒室的燃料的流量，使之與燃氣輪機的負載相匹配。燃料控制系統100主要包括負載確定單元102和燃料控制單元104。負載確定單元102用於確定或獲取所述燃輪機的負載信息，而燃料控制單元104用於接收所確定的負載信息並根據所接收到的負載信息控制這些燃料噴嘴I NI、IN2、IN3、……、INn 選擇性地打開或關閉，使得被打開的燃料噴嘴的額定流量的總和與所確定的負載信息相匹配。[0024]簡言之，當確定一個負載後，根據該負載，燃料噴嘴被控制選擇性地打開或關閉。 如果該負載不是最大設計負載，即燃氣輪機運行在部分負荷下，則僅一部分燃料噴嘴被打開以向燃燒室注入燃料，而其餘部分燃料噴嘴被關閉，而且每個被打開的燃料噴嘴的燃料流量基本上始終保持在其額定流量。如果負荷降低，則相應地再關閉一個或多個燃料噴嘴。相反，如果負荷增加，則多打開一個或多個燃料噴嘴向燃燒室注入燃料。因此，在這種控制方式下，被打開的燃料噴嘴的數量或組合隨著燃氣輪機的負載變化而變化。但是，無論是在高負荷還是低負荷狀況下，被打開的每個燃料噴嘴的流量都可以始終工作在其額定流量下，因此每個燃料噴嘴的燃燒效率可以保持在其最大燃燒效率，從而使得整個燃燒系統保持在最大設計燃燒效率。同時，由於這些被注入的燃料燃燒完全，使得燃燒系統可有效控制氮氧化物或一氧化碳等排放物。[0025]另外，燃料噴嘴的打開或關閉可以通過一個與之連接的開關或閥來實現。該開關或閥只有開和關兩種狀態且其狀態受燃料控制單元104控制。相對於通過使用比例閥來調節各燃料噴嘴的燃料流量的做法而言，本文提出的燃料控制方式也可以大幅降低控制成本。[0026]下面以舉例的方式說明上述控制系統。[0027]這η個燃料噴嘴中，根據不同的設計，單個燃料噴嘴的額定流量可以相同，也可以不相同。當每個燃料噴嘴的額定流量相同時，假設全部燃料噴嘴打開時的燃料流量總和以I 來表示，其為最大設計流量，對應發動機的最大負荷，且單個燃料噴嘴的流量為最大流量的 I/η。[0028]如圖2所示，以8個燃料噴嘴為例，每個燃料噴嘴的設定流量為總流量的1/8。 此時，根據打開和關閉狀態的不同組合，8個燃料噴嘴能夠提供的燃料流量為1/8、2/8、 3/8、……、1 (「I」就表示最大流量)。此時，可提供的燃料流量是以最大燃料流量的1/8逐步變化的。[0029]圖3是以12個燃料噴嘴為例，每個燃料噴嘴的額定流量為總流量的1/12。此時， 根據其打開和關閉狀態的不同組合，這12個燃料噴嘴能夠提供的燃料流量分別為1/12、 2/12、3/12、……、1 (「I」就表示最大流量)。此時，可提供的燃料流量是以最大燃料流量的 1/12逐步變化的。[0030]應當認識到，隨著燃料噴嘴的數量(η)的增加，可提供的燃料流量能提供更細粒度的變化，因此可以更精確地匹配發動機負載的變化。在具體設計中，燃料噴嘴的數量可根據發動機的預期負載變化情況來確定。因此，只要能實現本實用新型的理念，本實用新型對燃料噴嘴的具體數量不做任何限制。[0031]如前所述，單個燃料噴嘴的額定流量也可以不同。圖4給出了一個具有五個燃料噴嘴的例子。這五個燃料噴嘴包括第一燃料噴嘴INl以及四個第二燃料噴嘴ΙΝ2至ΙΝ5。 這四個第二燃料噴嘴ΙΝ2至ΙΝ5可以環繞燃料噴嘴INl而設置且與燃料噴嘴INl具有不同的流量。在圖4的具體示例中，第一燃料噴嘴INl的設定流量為總流量的1/2，另外第二燃料噴嘴ΙΝ2至ΙΝ5的設定流量相同，均為1/8。[0032]如圖5，根據打開和關閉狀態的不同組合，這五個燃料噴嘴可提供的燃料流量為最大流量的1/8、2/8、3/8、……、1 (「I」就表示最大流量)。同樣，通過設置更多的燃料噴嘴， 也可以提供更細粒度的燃料流量變化。本實用新型並不限制燃料噴嘴的數量。而且，各燃料噴嘴的額定流量也不局限於圖4和圖5的示例給出的具體值。第一燃料噴嘴的額定流量可以大於或小於單個第二燃料噴嘴的額定流量。[0033]在圖4和圖5給出的這種具有不同額定流量的燃料噴嘴設計中，其中一個燃料噴嘴的額定流量可對應發動機的自持轉速或自持功率，而其餘的燃料噴嘴根據燃氣輪機負載的升高或減低選擇性的打開或關閉，以實現燃料流量的總和與燃氣輪機負載相匹配。例如， 第一燃料噴嘴INl的額定流量對應燃氣輪機的自持轉速或自持功率，而第二燃料噴嘴IN2 至IN5根據燃氣輪機負載的變化而選擇性地打開或關閉。[0034]上述例子中，每個燃料噴嘴都是單獨控制，即將單個燃料噴嘴視作一個被控制的單元。但在其它實施例中，也可以是將多個燃料噴嘴作為一個被控制的單元。此時，這多個燃料噴嘴IN1、IN2、IN3……INn中的部分燃料噴嘴設計成被控制同時打開或關閉。例如，圖 6例示了一種這樣的實施例。燃氣輪機設有第一圈燃料噴嘴INRl和第二圈燃料噴嘴INR2。 每一圈燃料噴嘴都包括多個燃料噴嘴。燃料控制單元104可以控制每一圈的燃料噴嘴同時打開或關閉。例如，當控制第二圈燃料噴嘴INR2關閉或打開時，該第二圈燃料噴嘴INR2的所有燃料噴嘴都同時關閉或打開。[0035]在上述實施例中，第一圈燃料噴嘴INRl具有5個噴嘴，第二圈燃料噴嘴INR2具有 8個噴嘴。在其它實施例中，每一圈可具有其它數目的燃料噴嘴。而且，在這種噴嘴設置中， 可以設置更多圈的燃料噴嘴，使得每一圈燃料噴嘴可以同時關閉或打開。也應該理解的是， 將作為一個被控制的單元的多個燃料噴嘴沿環形布置僅僅是一種示例而已，本實用新型並不排斥將設計成同時關閉或打開的這些燃料噴嘴以其它形式布置。[0036]在一個實施例中，負載確定單元102包括負載檢測或追蹤系統，用於檢測或追蹤燃氣輪機的負載信息。燃料控制單元104基於該負載檢測系統檢測到的燃氣輪機的負載信息控制燃料噴嘴選擇性地打開或關閉，使得被打開的燃料噴嘴的額定流量的總和與所確定的負載信息相匹配。負載檢測可以使用已知的方法來實現，比如說利用一個或多個傳感器， 因此負載檢測的細節再次不再詳細討論。在一個實施例中，這種負載檢測是實時進行的，因此燃料控制單元104可以實時地響應燃氣輪機的負載變化而控制燃料噴嘴選擇性地打開或關閉。[0037]在另一個實施例中，負載確定單元102也可以根據操作者輸入的燃氣輪機負載信息來控制燃料噴嘴選擇性的打開或關閉。此時，負載確定單元102可包括負載信息輸入界面，用於接收操作者輸入的負載信息。圖7例示了一種這樣的負載信息輸入界面110。該輸入界面110包括控制杆112和多個控制杆位置114。結合圖7的輸入界面110，我們假設燃氣輪機是用於帶動發電機發電(即，發電機作為燃氣輪機的負載)且其最大發電能力為 IOOKffo這些控制杆位置114分別對應不同的發電功率，例如100KW、90KW、80KW、70KW、60KW、 50KW等。當需要發出50KW的電力時，操作者可輸入對應50KW發電功率的負載信息，例如， 操作者可將控制杆112移動至對應50KW的位置，而該燃料控制單元104根據該操作者輸入的信息控制一部分燃料噴嘴打開，而關閉其餘燃料噴嘴。當要求發出80KW的電力時，操作者可將控制杆112移動至對應80KW的位置以輸入對應80KW發電量的負載信息，而該燃料控制單元104根據該操作者輸入的信息控制更多的燃料噴嘴打開，以實現80KW的輸出電力。同樣，當需要發出100KW的電力時，操作者可移動控制杆112至100KW的位置，此時燃料控制單元104會控制所有的燃料噴嘴都打開。應該理解的是，上述包含控制杆112的負載信息輸入界面110僅僅是一種示例而已，操作者也可以通過其它輸入界面來輸入燃氣輪機的負載信息，例如，語音輸入、按鈕選擇或直接數字輸入等等。同樣，發電也僅僅是燃氣輪機應用的一種範例。[0038]在確定發動機負載後，燃料控制單元104可以先確定對應該負載所需要的燃料流量，然後基於該確定的燃料流量確定哪些燃料噴嘴打開，哪些燃料噴嘴關閉。確定燃料噴嘴的打開或關閉可以通過查詢查找表來進行。例如，該控制系統可包括與燃料控制單元104 連接的存儲單元116，用於存儲查找表，該查找表包括預先設定的燃料噴嘴打開和關閉狀態與燃料流量的對照關係(類似於圖2和圖3的對照表)。例如，如果查找表類似於圖2的對照表，當確定對應燃氣輪機負載所需要的燃料流量為最大流量的5/8，則通過查詢表2可以知道，燃料噴嘴INl至IN5應該打開，而其餘燃料噴嘴IN6至IN8應當關閉。則燃料控制單元104控制燃料噴嘴INl至IN5打開，而控制燃料噴嘴IN6至IN8關閉。在其它實施例中， 該存儲單元116也可以作為燃料控制單元104的一部分。而且，存儲單元116也可以存儲燃料控制單元104在控制過程中需要存儲的一些數據。[0039]隨後，負載確定單元102繼續檢測燃氣輪機的負載信息或接收操作者輸入的負載信息。如果負載沒有變化，則燃料控制單元104不需要改變燃料噴嘴的打開或關閉狀態。如果負載發生變化，則負載確定單元102將變化的負載信息傳送至燃料控制單元104，使得燃料控制單元104根據發生變化的負載信息控制各燃料噴嘴選擇性地打開或關閉，使得被打開的燃料噴嘴的額定流量的總和與發生變化的燃氣輪機負載相匹配。[0040]在另一個實施例中，在確定燃氣輪機負載後，可以直接通過查詢查找表的方式來確定符合所確定的負載的燃料噴嘴打開和關閉狀態。例如，此時，存儲單元116中存儲的查找表包括預先設定的燃料噴嘴打開和關閉狀態與燃氣輪機負載的對照關係。[0041]雖然在以上的實施例中，確定燃料噴嘴的打開和關閉狀態是通過查詢查找表的方式來進行。但應當理解的是，也可以通過計算的方式來確定燃料噴嘴的打開和關閉狀態。 無論是通過查詢還是計算，本領域技術人員在閱讀本文理解本實用新型的實質後無需付出創造性的努力就能實現，因此在此不再詳細討論。[0042]總之，本文提出了一種可提高燃燒系統燃燒效率的燃料控制系統。通過控制各燃料噴嘴的打開或關閉狀態，來實現燃料流量的控制，以匹配不同的燃氣負載。在這種方式下，被打開的每個燃料噴嘴的流量都可以始終工作在其額定流量下，因此可以將燃燒系統的燃燒效率基本上始終保持在其設計的最大燃燒效率。同時，由於這些被注入的燃料燃燒完全，則燃燒系統可有效控制氮氧化物或一氧化碳等排放物。另外，由於不需要採用成本高昂的比例閥，可以降低燃氣輪機的材料成本。而且，由於只是控制各燃料噴嘴的打開或關閉兩種狀態，相較於比例閥的比例控制，本文所提出的控制方式大為簡化，因此控制成本進一步降低，可靠性也會提高。[0043]本文所描述的概念在不偏離其精神和特性的情況下可以實施成其它形式。所公開的具體實施例應被視為例示性而不是限制性的。因此，本實用新型的範圍是由所附的權利要求，而不是根據之前的這些描述進行確定。在權利要求的字面意義及等同範圍內的任何改變都應屬於這些權利要求的範圍。
權利要求1.一種燃氣輪機燃料控制系統，所述燃氣輪機包括燃燒室以及與所述燃燒室連通以向所述燃燒室注入燃料的多個燃料噴嘴，其特徵在於，所述燃料控制系統包括負載確定單元和燃料控制單元，所述負載確定單元用於確定所述燃氣輪機的負載信息，所述燃料控制單元用於接收所確定的負載信息並根據所接收到的負載信息控制這些燃料噴嘴選擇性地打開或關閉，使得被打開的燃料噴嘴的額定流量的總和與所確定的負載信息相匹配。
2.如權利要求I所述的燃氣輪機燃料控制系統，其特徵在於，所述多個燃料噴嘴包括一個第一燃料噴嘴和多個第二燃料噴嘴，其中所述第一燃料噴嘴的額定流量與單個第二燃料噴嘴的額定流量不相等。
3.如權利要求2所述的燃氣輪機燃料控制系統，其特徵在於，所述第一燃料噴嘴的額定流量對應所述燃氣輪機的自持轉速。
4.如權利要求2所述的燃氣輪機燃料控制系統，其特徵在於，所述第一燃料噴嘴的額定流量大於單個第二燃料噴嘴的額定流量。
5.如權利要求I所述的燃氣輪機燃料控制系統，其特徵在於，每個所述燃料噴嘴的額定流量相同。
6.如權利要求I所述的燃氣輪機燃料控制系統，其特徵在於，所述多個燃料噴嘴中的一部分燃料噴嘴設計成被控制同時關閉或打開。
7.如權利要求6所述的燃氣輪機燃料控制系統，其特徵在於，所述多個燃料噴嘴包括第一圈燃料噴嘴和第二圈燃料噴嘴，每一圈燃料噴嘴包括有多個燃料噴嘴，且每一圈燃料噴嘴的多個燃料噴嘴設計成被控制同時關閉或打開。
8.如權利要求I所述的燃氣輪機燃料控制系統，其特徵在於，所述負載確定單元包括負載檢測系統，用於檢測所述燃氣輪機的負載信息。
9.如權利要求I所述的燃氣輪機燃料控制系統，其特徵在於，所述負載確定單元包括負載信息輸入界面，用於接收操作者的負載信息輸入。
10.如權利要求I所述的燃氣輪機燃料控制系統，其特徵在於，所述控制系統包括存儲查找表的存儲單元，所述燃料控制單元通過查詢所述查找表來確定打開哪些燃料噴嘴，所述查找表包括各燃料噴嘴的打開和關閉狀態與燃氣輪機負載的對照關係或各燃料噴嘴的打開和關閉狀態與燃氣輪機的燃料流量的對照關係。
專利摘要本文提出一種燃氣輪機燃料控制系統，主要包括負載確定單元和燃料控制單元。負載確定單元用於確定燃氣輪機的負載信息，而燃料控制單元用於接收所確定的負載信息並根據所接收到的負載信息控制燃氣輪機的燃料噴嘴選擇性地打開或關閉，使得被打開的燃料噴嘴的額定流量的總和與所確定的負載信息相匹配。無論是在高負荷還是低負荷狀況下，被打開的每個燃料噴嘴的流量都可以始終工作在其額定流量下，因此每個燃料噴嘴的燃燒效率可以保持在最大燃燒效率，從而使得整個燃燒系統基本上保持在最大燃燒效率。
文檔編號F02C9/56GK202746019SQ20122034877
公開日2013年2月20日 申請日期2012年7月18日 優先權日2012年7月18日
發明者王志強 申請人:深圳智慧能源技術有限公司