回火檢測設備、回火檢測方法以及燃氣輪機的製作方法
2023-11-01 06:15:27 1
專利名稱：回火檢測設備、回火檢測方法以及燃氣輪機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種檢測在燃燒器燃燒期間所發生的回火的回火檢測設備和回火檢測方法，並且特別涉及一種檢測由冷卻流體冷卻的燃燒器內的回火的回火檢測設備和回火檢測方法。
背景技術：
近年來，為了降低空氣汙染，在使用燃氣輪機的發電設備中，需要減少廢氣中所包含的NOX。燃氣輪機中的NOX是在燃燒器中產生的，燃燒器用於燃燒以使燃氣輪機旋轉。因此，傳統地，為了減少燃燒器中所產生的NOX採用一種帶有通過將燃料與空氣混合來進行燃燒(預混燃燒)的主噴嘴的燃燒器。
通過讓主噴嘴來進行預混燃燒，可以減少燃燒器所排出的NOX的量。然而，其燃燒狀態是不穩定的，並且會發生燃燒振動。因此，為了限制燃燒振動以使燃燒狀態更加穩定，採用了另一種配備有導向噴嘴的燃燒器，這種導向噴嘴擴散並燃燒燃料(擴散燃燒)。圖5示出了一種具有上述導向噴嘴和主噴嘴的燃燒器的概略圖。
導向噴嘴101設有錐形體，用來通過使引燃燃料和助燃空氣相互反應而形成擴散火焰，圖5中的燃燒器在導向噴嘴101周圍設置了多個主噴嘴102，用來產生並噴射由主燃料和助燃空氣的預混氣體以產生預混火焰。然後，圖5所示的燃燒器包括燃燒籃103(combustor basket)，導向噴嘴101和主噴嘴102插入其中，燃燒籃插入在過渡套104中，過渡套104排放燃燒氣體。通過這種方式設置主噴嘴102，使預混氣體的燃燒來控制燃燒溫度，以將從過渡套104排放的燃燒氣體加熱達到高溫。為了應對燃燒氣體達到高溫所產生的熱，本申請人提供了一種配備有冷卻結構的燃燒器，該冷卻結構用冷蒸汽來冷卻過渡套。(參見日本專利申請公布No.2001-263092)然而，在燃燒氣態預混合物的預混燃燒中，穩定燃燒的範圍很窄，由於流速的變化以及由於氣態預混合物流量的增減而導致的燃料一空氣比波動，預混火焰形成的位置處被轉換到上遊側，從而產生回火現象。為了檢測回火，設有一個回火檢測傳感器，其通過檢測燃燒器出口溫度來檢測回火。然而，由於排放的燃燒氣體被加熱到高溫，所以能安裝回火檢測傳感器的可用位置就受到了限制。另外，即便用作回火傳感器的各傳感器被安裝到限定位置上，也很難正確地檢測回火，因為各檢測器不是直接檢測回火的。
發明內容
本發明的一個目的就是提供一種回火檢測設備，其能夠通過檢測冷卻燃燒器的冷卻流體的溫度變化來準確地檢測回火。
為了實現上述目的，一種根據本發明的回火檢測設備檢測噴射由燃燒所供給的燃料而獲得的燃燒氣體的燃燒器內的回火，其中，設置有溫度測量裝置來測量冷卻流體的溫度，冷卻流體循環流動以冷卻構成燃燒器的底板(chassis)，並且設置有回火檢測部分，其根據溫度測量裝置所測量的冷卻流體溫度來檢測燃燒器中是否發生了回火。
根據本發明的回火檢測方法是一種檢測噴射由燃燒所供給的燃料而獲得的燃燒氣體的燃燒器內的回火的方法，包括測量冷卻流體溫度的第一步驟，其中冷卻流體循環流動以冷卻構成燃燒器的底板，和根據所測量的冷卻流體溫度來檢測燃燒器中是否發生回火的第二步驟。
根據本發明的燃氣輪機包括壓縮機，用來壓縮來自外部的空氣；多個燃燒器，燃燒燃料以及來自壓縮機的壓縮空氣；渦輪，由燃燒器的燃燒氣體驅動旋轉並且與壓縮機共用同一根軸；和上述回火檢測設備；其中，回火檢測設備檢測分別冷卻多個燃燒器中的每一個的冷卻流體的溫度，並且根據所檢測到的冷卻流體溫度來檢測回火的發生。
根據本發明，基於冷卻流體的溫度來檢測回火。因此，與直接檢測燃燒氣體溫度相比，可以降低安裝溫度檢測裝置位置處的溫度環境。因此，可以相應於燃燒器燃燒氣體的加熱來準確地檢測回火。另外，通過確認目標燃燒器以及相鄰燃燒器冷卻流體溫度的變化，可以更準確地檢測回火。除此之外，當確認回火發生的狀態變化被持續確認一定時間時認定檢測到回火的發生，因而回火檢測過程可以更精準。
圖1是表示燃氣輪機結構的框圖。
圖2是表示根據本發明實施例的回火檢測設備和燃燒器冷卻結構之間的關係的示意圖。
圖3是表示圖2的回火檢測設備的結構的示意圖。
圖4是表示圖2的回火檢測設備的操作的流程圖。
圖5是表示燃燒器結構的示意圖。
具體實施例方式
現在參考附圖介紹本發明的實施例。圖1是表示燃氣輪機結構的框圖。圖2是表示圖1中燃氣輪機的回火檢測設備和燃燒器冷卻結構之間的關係的示意圖。
圖1的燃氣輪機包括壓縮機1，其用來壓縮從外部供給的空氣；燃燒器2，用來燃燒燃料和來自壓縮機1的壓縮空氣並噴射燃燒氣體；渦輪3，被來自燃燒器的燃燒氣體帶動旋轉。在上述這種燃氣輪機中，壓縮機1和渦輪3通過同一根軸連接，壓縮機1由渦輪3的轉動來帶動旋轉並壓縮空氣。另外，通過用同一根軸將發電機4連接到渦輪3上，使發電機4通過渦輪3的旋轉而完成發電功能。
在以上述方式構造的燃氣輪機中，圖1隻示出了一個單元的燃燒器2，但實際上多個單元的燃燒器設置為在連接壓縮機1和渦輪4的軸的圓周方向等間距隔開。然後，如圖5所示的燃燒器2進行由導向噴嘴101和主噴嘴102分別進行的擴散燃燒和預混燃燒，其中導向噴嘴101和主噴嘴102所插入的燃燒籃103插入在過渡套104中。另外，燃燒器2的過渡套104通過讓作為冷卻流體的水蒸汽(冷卻蒸汽)流動以在壁面上循環流動來冷卻。
回火可以通過在冷卻燃燒器2的冷卻結構上安裝一個溫度檢測裝置例如熱電偶或類似物來進行檢測，冷卻結構通過讓冷卻蒸汽流過過渡套104的壁面來進行冷卻。此時，如圖2所示，冷卻蒸汽從冷卻蒸汽供應通道11來供給燃燒器2，循環流過燃燒器2的過渡套4的壁面來冷卻燃燒器，並隨後由冷卻蒸汽回收通道12進行回收。然後，測量從冷卻蒸汽回收通道12所回收的冷卻蒸汽溫度的溫度測量裝置13安裝在冷卻蒸汽回收通道12上。溫度測量裝置13所測得的表示各燃燒器2冷卻蒸汽溫度的測量信號供給回火檢測部分14，其中回火檢測部分14確認各燃燒器2冷卻蒸汽的溫度變化，從而檢測出發生回火的燃燒器2。
如圖3所示，當構造成圖2形式時，回火檢測設備由溫度測量裝置13和回火檢測部分14組成，溫度檢測裝置13分別設置在多個燃燒器2-1至2-8上。另外，在圖3的實施例中，在一個燃氣輪機中設置了八個燃燒器單元2-1至2-8。除此之外，回火檢測設備中的回火檢測部分14被提供有表示渦輪3轉速的信號和表示發電機4輸出的信號。
回火檢測部分14包括控制部分141，控制部分141被提供有來自燃燒器2-1至2-8的各溫度檢測部分13的信號以及表示燃氣輪機3轉速和發電機4的輸出的信號並檢測回火；計時器142測量從燃燒器2-1至2-8的各溫度檢測部分13獲得信號的時間；計時器143測量各燃燒器2-1至2-8的狀態在預定條件下的持續時間；存儲器144存儲燃燒器2-1至2-8的各溫度檢測部分13的測量值。下面參考附圖來詳細介紹上文所述的回火檢測設備的這種操作。圖4是示出了回火檢測設備性能的流程圖。
當燃氣輪機的渦輪3被旋轉驅動時，在回火檢測部分14的控制部分141中，確認渦輪3的轉速，以判斷渦輪3的轉速是否超過預定轉速「f」。(步驟1)具體而言，通過確認渦輪3的轉速是否處在轉速增加的範圍內，其可以確定是否達到額定轉速範圍。然後，當執行了步驟1的確認功能直到超過預定轉速「f」，且達到預定轉速「f」時(「是」)，溫度測量裝置13測量燃燒器2-1至2-8的各冷卻蒸汽回收通道12所回收的冷卻蒸汽的溫度。(步驟2)此時，測量值「tx」由燃燒器2-1至2-8的各溫度測量裝置13獲得，並提供給回火檢測部分14的控制部分141，儲存在回火檢測部分14的存儲器144中作為記錄值。
接下來，在回火檢測部分14中，在初始化測量時間的計時器142以獲得燃燒器2-1至2-8的各溫度測量裝置13的測量值之後(步驟3)，控制部分141確認發電機4的輸出是否超過預定輸出「X」(例如，70MW)。(步驟4)另外，預定輸出「X」被設為一個可能發生回火的最小輸出。然後，當發電機4的輸出被確認為超過預定輸出「X」(「是」)，再確定存儲器144是否有記錄值「ty」，其是由溫度測量裝置13在時間「T1」(例如，30秒)之前測到的並且為燃燒器2-1至2-8分別存儲的值。(步驟5)當燃燒器2-1至2-8的各個測量記錄值「ty」存儲在存儲器144中(「是」)，則從存儲器144中得出測量記錄值「ty」之間的差(「tx」-「ty」)，且由溫度測量裝置13在步驟2測到的目前所得測量值「tx」由各燃燒器2-1至2-8的控制部分141獲得。(步驟6)然後，控制部分141確認所得到的燃燒器2-1至2-8的測量值的差(「tx」-「ty」)是否超過預定值「th1」(例如4℃)。這裡，當這種燃燒器2-x(表示燃燒器2-1至2-8中的任意一個)被確認測量值的差(「tx」-「ty」)超過了「th1」，控制部分141判斷與燃燒器2-x相鄰的、在燃氣輪機軸圓周方向兩側的兩個燃燒器2-y(表示燃燒器2-1至2-8中除了燃燒器2-x之外的任意一個)和2-z(表示燃燒器2-1至2-8中除了燃燒器2-x和2-y之外的任意一個)測量值的差(「tx」-「ty」)是否小於等於「th2」(例如-1℃)。(步驟8)此外，當與燃燒器2-x相鄰的燃燒器2-y和2-z的測量值的差(「tx」-「ty」)在步驟8中被確認為「th2」或者更小，控制部分141確認測量狀態持續時間的計時器143是否開始了計時功能，該狀態是指燃燒器2-x的溫度測量部分13測量的溫度比三十秒之前的溫度高「th1」，以及燃燒器2-y和2-z的溫度測量部分13測量的溫度比三十秒之前的溫度低「th2」。(步驟9)這裡，當確認計時器143沒測量時間(「否」)時，計時器143開始測量時間(步驟10)然後，當在步驟9中確認計時器143已測量時間(「是」)，或者當步驟10中計時器143開始測量時間，控制部分141確認計時器142所測量的時間是否經過了預定時間「T2」(例如8秒)。(步驟11)具體來說，控制部分141確認這種狀態是否持續了預定時間「T2」，這種狀態是指燃燒器2-x的溫度測量部分13測量的溫度比預定時間「T1」之前的溫度高「th1」，以及燃燒器2-y和2-z的溫度測量部分13測量的溫度比預定時間「T1」之前的溫度低「th2」。
此時，當計時器143確認已經經過了預定時間「T2」(「是」)，回火檢測部分14檢測出燃燒器2-x已經發生了回火。(步驟12)當按照上述方式檢測到發生回火時，回火檢測部分14或者發出表示發生回火的警報，或者自動降低渦輪3的負載或者通過改變燃燒器2的燃料供應來切斷渦輪3。
另外，當在步驟4中發電機4的輸出沒達到預定輸出「X」(「否」)，或者當步驟5回火檢測部分14沒有儲存時間「T1」之前的測量記錄值「ty」，或者當步驟7中這種燃燒器2-x沒有確認出測量值的差(「tx」-「ty」)超過了預定值「th1」(「否」)，或者當步驟8中與燃燒器2-x相鄰的燃燒器2-y和2-z的測量值的差(「tx」-「ty」)大於預定值「th2」(「否」)，則初始化計時器142。(步驟13)然後，當計時器143測量的時間在步驟11中未達到預定時間「T2」時(「否」)，或者當計時器142在步驟13中被初始化，控制部分141確認計時器142測量的時間是否經過了一個預定時間「t(t＜「T2」)」。(步驟14)然後，確認步驟10中計時器142測量的時間直到經過了時間「t」，且當確認經過了時間「t」時(「是」)，切換到步驟2並且重複步驟2之後的操作。
通過上述方式的操作，當燃燒器2-x的冷卻蒸汽溫度比時間「T1」之前的冷卻蒸汽溫度高「th1」，且與燃燒器2-x相鄰的各燃燒器2-y和2-z的冷卻蒸汽溫度比時間「T1」之前的冷卻蒸汽溫度低「th2」時並且燃燒器2-x至2-z的狀態持續了時間「T2」，則回火檢測設備確認在燃燒器2-x中發生了回火。此時，由於已確認在燃燒器2-x中發生了回火，同時燃燒器2-x至2-z的狀態持續了時間「T2」，因此可以更準確地確認發生了回火，而不會受到高頻組分例如疊加在溫度測量部分13信號上的噪音的影響。
權利要求
1.一種回火檢測設備，包括溫度測量裝置，其測量冷卻流體的溫度，冷卻流體循環流動以冷卻構成燃燒器的底板，其中燃燒器噴射由燃燒所供給的燃料而獲得的燃燒氣體；以及回火檢測部分，其根據由溫度測量裝置所測量的冷卻流體溫度來檢測燃燒器中回火的發生。
2.如權利要求1的回火檢測設備，其特徵在於當回火檢測部分確認溫度測量裝置所測得的冷卻流體溫度高出第一預定值時，則檢測到回火的發生。
3.如權利要求2的回火檢測設備，其特徵在於多個燃燒器沿圓周方向等間距布置，且該多個燃燒器中的每一個都具有溫度測量裝置；以及當第一燃燒器的冷卻流體溫度高出多於第一預定值，且當回火檢測部分從第二燃燒器的溫度測量部分的測量結果確認安裝在第一燃燒器兩側上的第二燃燒器內的冷卻流體溫度降低了多於第二預定值時，則檢測到第一燃燒器發生了回火。
4.如權利要求2的回火檢測設備，其特徵在於通過比較當前時刻溫度測量裝置測量的冷卻流體第一溫度與溫度測量裝置在當前時刻之前第一預定時間測量的冷卻流體第二溫度，回火檢測部分檢測回火的發生。
5.如權利要求4的回火檢測設備，其特徵在於當回火檢測部分在長達第二預定時間內連續確認冷卻流體的第一溫度和第二溫度處於導致回火發生條件的關係時，則檢測到回火的發生。
6.如權利要求3的回火檢測設備，其特徵在於通過比較當前時刻溫度測量裝置測量的冷卻流體第一溫度與溫度測量裝置在當前時刻之前第一預定時間測量的冷卻流體第二溫度，回火檢測部分檢測回火的發生。
7.如權利要求6的回火檢測設備，其特徵在於當回火檢測部分在長達第二預定時間內連續確認冷卻流體的第一溫度和第二溫度處於導致回火發生條件的關係時，則檢測到回火的發生。
8.如權利要求1的回火檢測設備，其特徵在於溫度測量裝置測量在燃燒器完成冷卻過程之後排放的冷卻流體的溫度。
9.如權利要求1的回火檢測設備，其特徵在於冷卻蒸汽用作冷卻流體。
10.如權利要求1的回火檢測設備，其特徵在於燃燒器包括進行擴散燃燒的導向噴嘴；和設置在導向噴嘴周圍進行預混燃燒的主噴嘴。
11.一種回火檢測方法，包括測量冷卻流體的溫度的第一步驟，冷卻流體循環流動以冷卻構成燃燒器的底板，其中燃燒器噴射由燃燒所供給的燃料而獲得的燃燒氣體；和根據所測量的冷卻流體溫度檢測燃燒器中回火的發生的第二步驟。
12.根據權利要求11的回火檢測方法，其特徵在於當確認第一步驟中測量的冷卻流體溫度高出第一預定值時則在第二步驟中檢測到回火的發生。
13.根據權利要求12的回火檢測方法，其特徵在於多個燃燒器沿圓周方向等間距布置；和當第一燃燒器的冷卻流體溫度高出多於第一預定值，且在第二步驟中確認安裝在第一燃燒器兩側上的第二燃燒器的冷卻流體溫度降低了多於第二預定值時，則檢測到第一燃燒器發生了回火。
14.根據權利要求12的回火檢測方法，其特徵在於在第二步驟中通過比較當前時刻測量的冷卻流體第一溫度與當前時刻之前第一預定時間測量的冷卻流體第二溫度來檢測回火的發生。
15.根據權利要求14的回火檢測方法，其特徵在於當在第二步驟中在長達第二預定時間內連續確認冷卻流體的第一溫度和第二溫度處於導致回火發生條件的關係時，則檢測到了回火的發生。
16.根據權利要求13的回火檢測方法，其特徵在於在第二步驟中通過比較當前時刻測量的冷卻流體第一溫度與當前時刻之前第一預定時間測量的冷卻流體第二溫度來檢測回火的發生。
17.根據權利要求16的回火檢測方法，其特徵在於當在第二步驟中在長達第二預定時間內連續確認冷卻流體的第一溫度和第二溫度處於導致回火發生條件的關係時，則檢測到了回火的發生。
18.一種燃氣輪機，包括壓縮機，壓縮來自外部的空氣；多個燃燒器，燃燒燃料以及來自壓縮機的壓縮空氣；渦輪，由燃燒器的燃燒氣體驅動旋轉並且與壓縮機共用同一根軸；和如權利要求1所述的回火檢測設備其中，在回火檢測設備中，檢測用來分別冷卻多個燃燒器的冷卻流體的溫度，並且根據所檢測到的冷卻流體溫度來檢測回火的發生。
全文摘要
當燃燒器(2－1至2－8)中的一個燃燒器(2－x)的溫度測量裝置(13)測量到的冷卻蒸汽溫度被確認為比之前預定時間的溫度高預定值，並且當和燃燒器(2－x)相鄰的兩個燃燒器(2－y和2－x)的溫度測量裝置(13)測量的冷卻溫度被確認為比之前預定時間的溫度低預定值時，則檢測到燃燒器(2－x)內發生了回火。
文檔編號F23R3/30GK1892001SQ20061010580
公開日2007年1月10日 申請日期2006年7月7日 優先權日2005年7月8日
發明者藤井健太郎 申請人:三菱重工業株式會社