專利名稱：用于燃氣渦輪機的非線性燃料轉換的制作方法
技術領域：
本發明大體上涉及一種用于燃氣渦輪機控制的方法，而更具體 地涉及一種方法，其用于控制在以氣體燃料操作和以液體燃料操作之間進行轉換的轉換速率(transfer rate),以減少非所需的操作模式 中的時間，由此防止對燃氣渦輪機燃燒硬件的過度磨損和損壞。
背景技術：
燃料供應系統。燃氣渦輪機一般并不同時燃燒氣體燃料和液體燃料。而且，當燃氣渦輪機燃燒液體燃料時，氣體燃料供應就會關閉。類似地，當燃氣渦輪機燃燒氣體燃料時，液體燃料供應就會關閉。燃料轉換發生在燃氣渦輪機操作期間(當燃料供應從液體燃料切換到 氣體燃料時)，反之亦然。可以燃燒液體燃料和氣體燃料的燃氣渦輪機需要液體燃料吹洗 系統以清潔液體燃料燃燒器內的燃料噴嘴。液體燃料供應系統一般 在燃氣渦輪機以氣體燃料操作時是關閉的。當液體燃料系統關閉時， 吹洗系統運轉，以把任何殘留液體燃料從燃燒器噴嘴沖出，并提供 持續的冷卻氣流給噴嘴。圖1是具有液體燃料系統和氣體燃料系統的示范性燃氣渦輪機 的簡單示意圖。圖1示意性地顯示了具有液體燃料系統102和液體燃 料吹洗系統104的燃氣渦輪機100。燃氣渦輪機還可以用氣體例如自 然氣體來運行，并包括氣體燃料系統106。燃氣渦輪機的其它主要部 件包括主壓縮器108、燃燒器110、渦輪機112和控制器114。燃氣
渦輪機112的功率輸出是旋轉的渦輪機軸桿116,其可以聯接到可以產生電能的發電機130上。在示范性工業燃氣渦輪機中顯示了，燃燒器可以是環形陣列的燃燒室、也即燃燒罐118,其每個都具有液體燃料噴嘴120和氣體燃 料噴嘴122(單個燃燒器可以根據設計而具有一個或多個氣體或液體 燃料噴嘴)。燃燒器可以可選地是環形的室。燃燒在燃燒罐內靠近噴 嘴的噴嘴下游處開始。空氣從壓縮器108環繞流動并經過燃燒罐118 以提供燃燒用氧。而且，注水噴嘴124設置在燃燒器110內以給熱燃 氣體增加能量。液體燃料系統吹洗用的空氣可以由壓縮器108提供，由吹洗空 氣壓縮器(未顯示)推進而由系統其它元件(未顯示)控制。當燃氣渦輪 機100以自然氣體(或其它氣體燃料)操作時，液體燃料吹洗系統104 把已壓縮空氣經過液體燃料102系統的液體燃料噴嘴120吹入液體燃 料系統102中，以吹洗液體燃料，并提供持續的冷卻空氣流給液體燃 料噴嘴120。類似地，當燃氣渦輪機100以液體燃料操作時，氣體燃 料吹洗系統128把已壓縮空氣吹入氣體燃料系統106以吹洗空氣燃料 并冷卻氣體燃料噴嘴122。圖2是帶有現有液體燃料系統的燃氣渦輪機發動機的簡單示意 圖。液體燃料從液體燃料源205提供給液體燃料系統200。液體燃料 系統200包括到分流器230的流動路徑，其經過低壓過濾器210、燃 料泵215、旁^^控制閥220和閉塞閥225。壓力釋放閥235、旁路控 制閥220和閉塞閥225可以使液體燃料流經過循環路線240而循環， 從而到達低壓過濾器210的上游側。分流器230把液體燃料流分到多 個液體燃料流動路徑上，這些^f各徑分別引至單獨的燃燒罐270。分流 器下游的每個液體燃料流動路徑都包括三通(端蓋)閥245和分配閥 260 (在進入燃燒罐270之前)。三通閥245允許從液體燃術牛流動路徑(如上所述)或從液體燃料吹 洗空氣系統280到燃燒罐噴嘴的流。三通閥245設計成可選擇地允許
從液體燃料到燃燒器噴嘴120的流動，從而防止燃料到液體燃料吹洗 空氣系統的回流，或允許吹洗空氣到燃燒器噴嘴120，從而防止吹洗 空氣到三通閥上游的液體燃料系統的回流。通過防止吹洗空氣進入 液體燃料系統，與燃料供應源形成的空氣-燃料界面就得以減小。當氣體燃料供應到渦輪機時，三通閥245定位成禁止液體燃料 流通過而允許吹洗空氣通過，以燃燒器內的冷卻燃料噴嘴。當液體 燃料啟用時，這種吹洗必須停止。三通(端蓋)隔離閥把吹洗空氣與液 體燃料分開。燃料系統不需要該硬件；也可以使用二通止回閥或二 通開關閥。圖3顯示了簡化的氣體燃料系統。氣體燃料系統300包括氣體燃 料源305和吹洗空氣源340。氣體燃料系統還包括氣體閉塞閥310、 氣體排出閥315和氣體控制閥320。氣體控制閥320控制可以進入歧 管325及歧管325下游的相關氣體噴嘴330的氣體燃料的量。吹洗空氣源340提供已壓縮空氣給燃燒器氣體噴嘴，以在有氣 體燃料供應時吹洗管道和氣體噴嘴，并在氣體燃料不再供應燃氣渦 輪機時來冷卻氣體噴嘴。每條到單獨歧管325的線路都包括截流閥345 和350(以滿足泄露標準并確保空氣和燃料并不混合)、排放閥355和 孔口 360,以限制吹洗空氣流。在燃氣渦輪機中燃料流量(flow)較低時會出現一些問題。當使用 液體燃料并轉換成氣體燃料時，渦輪機會經歷 一定時間的氣體燃料低流量，同時氣體燃料啟用而液體燃料切斷。液體燃料低流量出現 在轉換的末期，此時此轉換結束、單元幾乎是100%氣體燃料。類似 地，在氣體燃料轉換到液體燃料時，會出現一段低流量操作期—— 在轉換初期、液體開始進入時，以及在轉換末期氣體幾乎關斷時。當使用氣體燃料而操作在燃料低流量狀態時，氣體控制閥(一個 或多個)中的錯誤使得潛在的不正確燃料分割時序安排(fuel split schedulmg)成為可能。這不正確的氣體燃料分割能夠引起高燃燒動態 (high combustion dynamics),其導致潛在的燃燒硬件損壞和額外磨
損。當氣體燃料流下降時，噴嘴壓力比也下降。噴嘴設計成最小穩態壓力比(典型地為1.025)，而這被實現，以避免燃料系統和燃燒器之間的動態聯接。在燃料轉換期間，該最小比值被暫時違反。而發 生這種暫時違反的情形相關聯于在轉換時渦輪機上的負載以及轉換 期間工作的氣體燃料回路的數量。這就是導致潛在損壞和氣體燃料 噴嘴磨損的燃燒動態的原因。相似的設備磨損和潛在損壞可以發生在液體燃料低流量狀態下 的液體燃料噴嘴上。典型的燃氣渦輪機使用罐式環形系統，其中燃燒罐位于不同的高度(elevation)。當前的機械式分流器(連接有正排量 泵)用于液體燃料系統中以補償這流頭差(head difference),主要補償 單元啟動期間的極低流量狀態。液體燃料系統中的單個罐由大量的 儲器(噴嘴)構成。由于儲器(catridges)之間的高度差以及罐內液體燃料 的流頭效應，因此最高的儲器首先會失去液體燃料流。圖4顯示了驅動液體燃料流過燃燒罐內液體燃料噴嘴的流頭差 取決于噴嘴的位置。顯示了兩個簡化的燃燒罐410和450的側視圖， 其中燃燒罐410以高度H,高于燃燒罐450。燃燒罐410具有兩個噴 嘴415和420，其以高度4分開。燃燒罐450具有兩個噴嘴455和460, 其也處于不同高度上。分流器230確保液體燃料流適當分配到每個單 獨的罐。然而，單獨的罐內的噴嘴位于不同的高度。較低的噴嘴因 此具有基于不同流頭(其又基于不同的高度)的流量。沒有任何機構用 來把流均勻地分到所有位于不同高度的噴嘴。在燃料后面具有最小 流量流頭(flow head)的最高儲器接收該最小燃料流量。然后這些最高 儲器在液體燃料停止流經它們時會受到額外磨損和潛在損壞，而液 體燃料吹洗啟動。吹洗流直到液體燃料停止流動才能打開，因為把 液體燃料《1入吹洗系統會有著巨大的風險。高燃燒動態以及由于液體燃料低流量在吹洗之前啟動的潛在損壞/額 外磨損這兩個問題都可以由本發明的方法來解決。
以前，氣體燃料操作和液體燃料操作之間的轉換由恒定的、可選的斜率(ramp rate)來控制，其減少一種燃料而相應地增加另一種。 在液體燃料轉換到氣體燃料的期間，氣體燃料按鈕從操作者屏幕中 被選中。 一旦所有燃料轉換的條件都滿足且氣體預填充已經完成， 液體燃料將以恒定速率緩慢地勻變(ramp)減少直到液體燃料流減少到 0%。同時，氣體燃料增加，直到100%。轉換的中期，渦輪機會以50% 液體燃料而50%氣體燃料來運行。燃料轉換的基本構成塊用來操作"混 合燃料"，其中兩種燃料都保持一定的分割，作為穩態操作狀態的一 部分。在燃料之間總是存在最小可允許穩態分割，以避免在轉換過 渡期間出現本專利討論過的一些問題。在氣體燃料低流量水平上，氣體控制岡精度能夠根據需要而在 大范圍內變化。5。/。行程(stroke)所要求的位置可能希望用來使5%的 閥容量(線性關系)流動，但是代之以閥可以使其容量的5%+/-3%的 范圍內流動。這氣體燃料流錯誤的發生原因在于，氣體控制閥一般 在低10%行程時并非典型定標的，因為渦輪機并不打算利用在這些 低行程狀態下的閥來運行——不管多長時間。在低氣體控制閥行程 上的精度會引起送進燃燒器的、且在燃燒系統內導致高動態的不正 確的燃料分割。已知地，高動態會增加燃燒系統磨損而減少零件壽 命。在液體燃料低流量狀態下，現場測試顯示，沒有足夠的頭部壓 力來提供充分的液體流給所有的液體燃料噴嘴儲器。當先于吹洗空 氣流的啟動而使用液體燃料低流量時，會發生額外的燃料噴嘴磨損 和潛在損壞。在從一種燃料源轉換到另 一種的期間，希望可以保持渦輪機輸 出功率的持續性而減少輸出功率和溫度的任何不足或過沖。在從以 氣體燃料操作到以液體燃料操作的轉換中，三通閥245切換到液體燃 料線路，閉塞閥打開，而指揮控制閥以進行一些小的預填充流動。 當液體燃料線路被預填充時，氣體燃料保持在用于發電機輸出的所
需需求基準上。在液體燃料到達燃燒器噴嘴120之前，液體燃料必須 再次填充其先前充有吹洗空氣的管道。控制下的燃料是響應用于給定功率輸出的燃料基準需求而提供 給燃燒器的燃料。未控制的燃料是引至燃燒器、但未被渦輪機控制 燃料需求信號識別的燃料。液體燃料預填充不包括在燃料需求計算 之內，以避免負載中不利的下降(如果液體燃料預填充沒有按希望 到達燃燒器的話)而因此產生燃料不足的狀態。到達燃燒器的未控 制燃料的副作用在于，供應了額外的能量，導致初始負載和溫度尖 峰，然后又引起全局的燃料需求隨時間而被驅使下降以保持相同的 負載輸出。在特定燃氣渦輪機(其從管理角度來說可以更換)中，預填充率可 以由操作程序來限定。然而，高預填充率還可以影響初始負載和溫 度尖峰(如上所述)。因此，不可能實現較高的預填充流的比率卻沒有 形式上的危害或者非所需的或不可接受的負載瞬變和溫度瞬變。圖5顯示了用來控燃料類型轉換的現有技術算法。示范性地， 燃料類型介紹為燃料"A"和燃料"B"。算法用于從燃料"A"到燃料"B" 的轉換。從步驟510開始，負栽所要轉換到的燃料類型被選擇并指定 為燃料"A"。在步驟520，燃料預填充利用燃料"A"完成。在步驟530 判定，是否負載現在由氣體燃料提供動力，這意味著負載正切換到 液體燃料(燃料"A"是液體燃料)。如果燃料"A"是液體燃料，則在步驟 540選擇恒定的第一燃料轉換斜率。如果負載并不是正在切換到液體 燃料(但也不切換到氣體燃料)，則在步驟550選擇恒定的第二燃料轉 換速率。第一燃料轉換斜率可以大于(通常大兩倍)第二燃料轉換斜率 以區分慢的燃料供應是氣體,而到液體燃料的轉換可以是突發的變 換，其需要更快的轉換以防止損失負載。在步驟560，燃料"A，，的百 分比以燃料轉換斜率增加而燃料"B，，的百分比以燃料轉換斜率減小。 在步驟570，執行檢驗以判定是否已經完成利用100。/。燃料"A"的操 作。如果100%燃料"八"操作已經完成，則轉換在步驟580結束。如
果100。/。的利用燃料"A"的操作還未完成，則繼續步驟560直到滿燃 料"A"操作完成。圖6顯示了現有技術方法下從燃料"A"轉換到燃料"B"、及從燃 料"B"轉換到燃料"A"的簡化的燃料轉換速率。豎直軸線代表在兩個 燃料轉換操作期間所供應的燃料類型的百分比。水平軸線代表未標 刻度的時間軸線，其顯示了兩個燃料轉換操作期間的相對轉換時間。 實心曲線代表燃料類型"A"。虛線代表燃料類型"B"。對于從燃料"A" 到燃料"B"的燃料轉換，其斜度(轉換速率)是從燃料"B"到燃料"A"的 斜度(轉換速率)的兩倍高。因此，對于從燃幹'B"到燃料"A"的燃料 轉換，其轉換時間是相反轉換的兩倍。燃料轉換速率是線性的，反 映了整個過程中恒定轉換速率。圖6還顯示了用于轉換的預填充過 程。預填充通過供應燃料來執行，其比渦輪機負載控制信號所要求 的更早地來吸收負載，以確保當要求供應渦輪機負載時，用于將用 燃料源的燃料供應線路用空氣進行吹洗并填充燃料。導致的高噴嘴溫度。左側豎直軸線標示了以兆瓦計的輸出、液體燃 料行程基準、氣體燃料行程基準和液體燃料百分比的值。右側豎直 軸線標示了噴嘴溫度在繞渦輪才幾的不同位置的值。當燃料從液體燃 料轉換到氣體燃料時，液體燃料百分比以恒定斜率減少而氣體燃料 行程基準勻變上升(反映了到燃燒器的氣體燃料流)。當液體燃料百分 比下降到低于約10%時，噴嘴溫度開始上升，在液體燃料百分比流 下降到0%的過程中持續增加。由于液體燃料吹洗的發生，噴嘴溫度 最終下降。因此，需要以這樣的方式來控制燃料轉換，即增加可靠性并減 少潛在的硬件損壞和磨損，由此延長設備的使用壽命。并且，還需 要完成這種改進的轉換卻不改變硬件，并且這種改進不會耗費費用 和時間。 本發明涉及一種方法，通過這種方法，可以控制在用于燃氣渦輪機的原用(offgoing)燃料源和將用(oncoming)燃料源之間的轉換，以 降低可能導致損壞燃氣渦輪機設備的不利操作狀態下的耗時。簡要地說，根據本發明的一個方面，提供了一種方法，用于在 燃氣渦輪機內執行從原用燃料類型到將用燃料類型的轉換。該方法 包括通過燃料系統完成將用燃料類型的燃料預填充，并判定對將用 燃料類型的總燃料需求是否大于將用燃料類型的預定流率。該方法換到將用燃料類型。進一步地說，該方法還包括判定原用燃料流率 是否降低到原用燃料類型的預定流率以下，選擇最終燃料轉換速率， 并以所選最終燃料轉換速率完成從原用燃料類型到將用燃料類型的 轉換。根據本發明的笫二方面，提供了一種方法，用于降低在燃氣渦 輪機功率瞬態上預填充的未控制的液體燃料的影響。該方法包括執 行用于將用燃料類型燃料線路的預填充；并啟用用于原用燃料類型 的快速燃料轉換速率。根據本發明的另一方面，提供了一種方法，以在燃氣渦輪機內 執行從原用燃料類型到將用燃料類型的轉換。該方法包括在開始時 以快速燃料轉換速率從原用燃料類型降低燃料流率并從將用燃料類 型提高燃料流率——當要避免不利燃燒狀態在將用燃料類型的燃燒 系統內出現、且對將用燃料類型的總燃料需求沒有超出快速燃料轉 換極限時。然后，該方法還包括，以用于原用燃料類型的慢速燃料 轉換速率從原用燃料類型降低燃料流率和從將用燃料類型提高燃料 流率——當由于低流率不再存在而對將用燃料類型的總燃料需求超 出快速燃料轉換極限，使得至少一個不利燃燒狀態存在于原用燃料 類型的燃燒系統中時。進一步地說，該方法還包括，以快速燃料轉 換速率降低來自原用燃料類型的燃料流率，以及增加來自將用燃料 類型的流量 一 一當不利燃燒狀態由于低流量而出現在將用燃料類型 的燃燒系統中，且對將用燃料類型的總燃料需求未超過快速燃料轉 換極限時。
參考下文的詳細說明及附圖，本發明的這些特征、方面和優點 及其它的特征、方面和優點將會被更好的理解，在附圖中相似的標號代表相似的部件，其中圖1是具有液體燃料系統和氣體燃料系統的示范性燃氣渦輪機 的簡單示意圖；圖2是帶有現有液體燃料系統的燃氣渦輪機發動機的簡單示意圖；圖3是帶有現有氣體燃料系統的燃氣渦輪機發動機的簡單示意圖；圖4顯示了依據閥位置的流經燃燒罐內的液體燃料噴嘴的液體燃料所需的流頭差；圖5顯示了用于控制燃料類型之間的轉換的現有技術算法；圖6顯示了現有技術方法下，對于從燃料"A，，到燃料"B"的燃料 轉換、和從燃料"B"到燃料"A"的燃料轉換的簡化的燃料轉換速率；圖7顯示了現有技術方法下，在燃料轉換期間由液體燃料低流 量導致的高噴嘴溫度的響應；圖8顯示了用于燃料轉換的本發明的算法的流程圖，其在轉換 期間結合有排定時序安排的高流率；圖9顯示了在本發明的方法下，對于從燃料"A"到燃料"B"的燃 料轉換、及從燃料"B，，到燃料"A"的燃料轉換的簡化的燃料轉換速率；的燃料預填充的比較；而
圖11顯示了在本發明的方法下，在燃料轉換期間由非線性燃料 轉換速率導致的較低的燃料噴嘴溫度。
具體實施方式
本發明的下列實施例具有許多優點，包括提供了用于從液體燃 料轉換到氣體燃料以及從氣體燃料轉換到液體燃料的方法，使得由 液體燃料低流量和氣體燃料低流量而導致的使燃燒器和噴嘴處于不 利操作狀態下的可能性降低。上述的兩個問題都由硬件限制導致，并且在轉換開始及結束時 都需要快速度過燃料的低流量狀態。快速經過這些操作區域，可以 消除額外磨損或潛在損壞，而系統其余部分和整個渦輪機操作中的 副作用最小。根據本發明的 一個方面，燃料之間的轉換速率不再是線性函數， 而代之以多段曲線，其用于快速經過燃料轉換的問題區域。根據本 發明，所謂轉換的問題區域是指轉換期的兩端——當燃料轉換向著 任一方向或著說向著任一燃料時。以前，雙重燃料的燃氣渦輪機在從氣體燃料轉換到液體燃料期 間會遇到問題。本發明修正了其中一個主要的可靠性問題，這是完 全使用基于軟件的解決方案來實現的。該軟件可應用于所有雙重燃 料的燃氣渦輪機發動機，并增加了從氣體燃料轉換到液體燃料及從 液體燃料轉換到氣體燃料的可靠程度。因此，給緊急后備轉換和操作靈活性都帶來了改進的功能。增加液體燃料系統的可靠性(說大一 點，顧客的信心就在于此)是使液體燃料變得更可行且因此使雙重燃 料控制變得更可行的重要步驟。本發明的目的在于，在燃料轉換期間的燃料低流量操作時期， 降低燃氣渦輪機硬件上的潛在損壞或磨損的風險，延長硬件壽命。 每次燃料轉換開始時，兩個燃料低流量點都會出現。其中第一個是
在轉換開始時將用燃料進如渦輪機時；第二個是在轉換結束、原用 燃料勻變關閉直到完全關閉時的燃料低流量。在燃料低流量狀態下增加燃料轉換斜率減少了或消除了在該短 暫的瞬態期間的渦輪機硬件上的額外磨損或潛在損壞。由于系統其 它部分的閥門的計時，整個燃料轉換時間需要保持與以前的時間相 似。在非線性燃料轉換過程中，在燃料轉換已經啟動之后，將用燃 料類型的預填充是已經完成的。需要判斷對將用燃料類型的填充流 率是否足夠高，以防止上述的關于燃料低流量的任何不利燃燒狀態 的發生。如果用于將用燃料類型的預填充流率不大于用于將用燃料類型 的燃料流率(這會防止不利燃燒狀態)，則判斷預填充流率是否高于對 快速燃料轉換速率的最大可允許極限。在快速燃料轉換期間對燃料 需求的最大可允許極限，就可確保快速燃料轉換速率在燃料轉換的 中間期間會切斷關閉，從而為從一種燃料到另 一種燃料的成功轉換 提供時間。在轉換中間期以混合燃料運行時，若轉換進行得太快， 則會導致一個或多個燃燒罐中的熄火及/或不穩定的單元操作(輸出)。選擇快速燃料轉換斜率，并且增加所需求的目標燃料的燃料百 分比，直到符合上文所述的兩個狀態之一。最快的燃料轉換速率必 須不能快于任一燃料系統所能夠滿足的燃料轉換速率，以確保能夠 保持對渦輪機的適當控制。一旦超出防止潛在的硬件損壞的極限或超出在轉換初期用于快 速燃料轉換的最大允許極限，慢速燃料轉換速率會被選擇，而單元 繼續轉換到將用燃料類型。'ft速速率保持使用直到轉換末期。類似于轉換初期，存在兩個必要條件以判定在燃料轉換末期何 時切換回快速轉換速率。第一，原用燃料類型的燃料流降低成低流 量，并可能造成如上所述的額外硬件磨損及/或潛在硬件損壞。第二 必要條件是防止轉換快速經過轉換中間期并引起燃燒罐的熄火。一
旦兩必要條件都符合，快速燃岸斗轉換速率再次被選擇，而所需求的 目標燃料流百分比一直增加，直到燃料轉換完成。因為液體燃料噴嘴硬件溫度數據可以用于測試，燃料轉換曲線 的斷點可以由液體燃料流率判斷。避免不利燃燒狀態的液體燃料流 率必要條件(需要提供充分的、到流動液體的頭部給所有噴嘴)大于最 小氣體燃料流率必要條件。因此，對于避免不利燃燒狀態來說，使 用液體燃料硬件溫度和相應的液體燃料流率需求以判定燃料轉換曲 線的所有點相對于最小氣體燃料類型流率而言是比較保守的。圖8顯示了用于控制燃料類型之間的轉換的本發明的算法。出于示范性目的，燃料類型介紹為燃料"A"和燃料"B"。算法用于從燃 料"A"到燃料"B"(燃料"A"是原用燃料類型而燃料"B"是將用燃料類型) 的轉換。從步驟810開始，負載將要轉換到的燃料類型(將用燃料源) 被選擇并指定為燃料"A"。在步驟820，燃料預填充利用燃料"A"而 完成。在步驟830，判定燃料"A"的總燃料需求是否大于最小流量以 防止用于燃料"A"的燃燒器噴嘴上發生不利操作狀態。如果在步驟830 中燃料"A，，的總燃料需求在(防止用于燃料"A"的燃燒器噴嘴上發生不 利操作狀態的)最小流量之上，則在步驟840中，慢速燃料轉換速率 被選擇——既然不需要快速地增加燃料"A"流。如果總燃料需求不高于防止不利操作狀態的最小流量之上，則 在步驟850中判定燃料"A"百分比是否大于在轉換初期的快速燃料轉 換速率極限。快速燃料轉換極限是對燃料"A"的最大燃料需求，其確 保快速燃料轉換速率能夠成功地進行。如果燃料"A"百分比在快速燃 料轉換速率極限之上，則快速燃料轉換速率不被選擇，而在步驟840 中選擇慢速燃料轉換速率。該轉換極限確保快速燃料轉換速率在燃 料轉換中期切斷關閉，以提供時間來成功地從一種燃料轉變到另一 種燃料。在轉換中間期以混合燃料運行時，若更換進行得太快，則 會導致一個或多個燃燒罐中的熄火及/或不穩定的單元操作(輸出)。
如果反過來，燃料"A"百分比低于對快速燃料轉換速率的可允許極限，則在步驟855選擇快速燃料轉換速率。燃料以快速燃料轉換速 率從燃料"A"到燃料"B"進行轉換，直到判定，燃料"A"上的總燃料需 求在(在步驟830中防止在用于燃料"A"的燃燒器噴嘴上發生不利操作 狀態的)最小流量之上，或者燃申卜"A"百分比在快速燃料轉換速率極限 之上。則在步驟840中，選擇慢速燃料轉換速率，且燃料"A，，以慢速燃 料轉換速率增加而燃料"B"以慢速燃料轉換速率減少，而在步驟865 中檢驗以判定燃料"B"的總燃料需求是否小于防止與燃料"B"系統相 關的不利操作狀態的最小流量。如果在步驟865中的總燃料需求不是 低于防止與燃料"B"系統相關的不利操作狀態的最小流量，則燃料轉 換以低燃料轉換速率在步驟840中繼續。如果燃料"B"的總燃料需求 小于防止不利操作狀態的最小流量，在步驟840中檢驗燃料"A"百分 比，以判定其是否在快速燃料轉換速率極限之上。如果燃料"A"百分 比在快速燃料轉換速率極限之上，在步驟840中燃料轉換速率被換檔 到慢速燃料轉換速率以避免上文所述的熄火或操作不穩定性。然而， 如果燃料"A"百分比小于或等于快速燃料轉換速率極限，則在步驟875 選擇快速燃料轉換速率。燃料轉換以快速燃料轉換速率在步驟880持 續，直到以100。/。燃料"A"操作^"當轉換在步驟890完成時。圖9顯示了在本發明的方法下，對于從燃料"A"到燃料"B"的燃 料轉換、和從燃料"B"到燃料"A"的燃料轉換的簡化的燃料轉換速率。水平軸線代表未標刻度的時間軸線，其顯示了在兩個燃料轉換操作 期間的相對轉換時間。實心曲線代表燃料類型"A"。虛線代表燃料類從燃料"A"到燃料"B"(在轉換初期的初始斜度(slope)和轉換末期 的最終斜度)的快速燃料轉換速率與從燃料"B"到燃料"A"的轉換的兩 個端部上的快速轉換速率具有相同的值。200710305366.X說明書第14/16頁再參見圖9，從燃料"A"到燃料"B"的慢速燃料轉換速率被選擇以 保持固定的總體轉換時間，顯示為Y(在計算了在快速轉換部分期間 所用去的時間之后)。從燃料"B"到燃料"A"的慢速燃料轉換速率被選 擇以保持固定的總體轉換時間，顯示為2Y(在計算了在快速轉換部分 期間所用去的時間之后)。快速燃料轉換速率和慢速燃料轉換速率之 間的斷點固定在快速燃料轉換^J艮上。其是從燃料"B"到燃料"A"的 斜度(轉換速率)的兩倍。從燃料"B"到燃料"的燃料轉換的總體轉換時 間是該反向轉換的兩倍。在從原用氣體燃料類型到將用液體燃料類型的燃料轉換的優選 的實施例中，轉換持續約33秒。在從原用液體燃料到將用氣體燃料 的轉換中，轉換持續約66秒。進一步地說，在用于燃料轉換的優選 實施例中，對于原用燃料類型和將用燃料類型兩者，快速轉換斜率 設定在約10%燃料負載每秒。10%燃料負載每秒的快速轉換速率還優 選地應用于液體燃料類型和氣體燃料類型兩者。用于燃料轉換的剩 余(慢速轉換速率)部分的慢速斜率通過計算所需的慢速斜率來判定， 以在約33秒內完成氣體燃料到液體燃料的轉換而在約66秒內完成液 體燃料到氣體燃料的轉換。慢速轉換速率可以從約0.9。/。每秒變化到 約3%每秒。另一個優選實施例的快速轉換燃料極限是約25%。本發明的另外的方面可以包括在燃燒罐內在氣體燃料低流量到 非線性轉換曲線的其它優化斷點期間的動態測量。氣體噴嘴還可以 以相似的方式來配置，以判定精確的燃料分割函數關系，而燃料轉 換的速率作為負載或其它因素的函數而排定，以進一步優化非線性 轉換曲線。上文所介紹的可以在燃料分割的整個范圍和負載范圍內 以及任何轉換方向上帶來更精細的燃料轉換曲線。本發明的方法不限于液體到氣體的轉換，還可以包括自然氣體 燃料到合成氣體系統及從合成氣體系統的轉換(雙重氣體)。18 圖IOA和圖10B顯示了在現有技術下的燃料預填充和本發明的 非線性燃料轉換方法的比較。新的非線性轉換的另一優點在于，總 的燃料系統擾動由于未控制的預填充燃料而減少。預填充建立了將用燃料源的低的初始固定流率，以確保在渦輪 機負載控制的信號要求燃料之前，燃料線路由吹洗空氣清空并填充 有將用燃料。預填充通過定位燃料控制岡以產生所希望的預填充流 率而建立。在預填充時段t,的末期，建立了用于將用燃料源的勻變轉 換速率(ramp transfer rate)，顯示為燃料"A"。而勻變控制轉換速率在 開始時要求燃料"A"的0%流量，控制閥的位置保持在預填充位置(保 持預填充流量)直到t2，此時燃料要求更高而控制閥進一步打開。在 時段t,和^之間，陰影區域代表未控制的燃料的質量，也即在用于渦 輪機控制的燃料需求之上而引入燃燒器的燃料質量。這未控制的燃 料導致了燃氣渦輪機用來瞬間升到需求水平之上的以兆瓦計的功率 以及溫度。圖10B顯示了用于燃料"A"的較高斜率(斜度)。由于燃料"A"的 較高斜率，所控制的、由渦輪機控制所要求的燃料需求很快地從13上 升到預填充水平之上，導致較少的未控制的燃料到達燃燒器，由此 顯著地限制與引入未控制燃料相關的擾動。圖11顯示了在本發明的方法下，在燃料轉換期間由較低的燃料 噴嘴溫度導致的非線性燃料轉換速率，其中燃料轉換速率在臨界點 換檔以迅速經過非所需的操作模式。圖中顯示了根據本發明的算法 而從GE9FA渦輪機站測試到的現場數據。左側豎直軸線標示以兆瓦計的輸出、液體燃料行程基準、氣體 燃料行程基準和液體燃料百分比的值。右側豎直軸線標示噴嘴溫度 在圍繞渦輪機的不同位置的值。因為燃料轉換從液體燃料到氣體燃 料而開始，液體燃料百分比在開始時以高斜率減少而氣體燃料在開 始時以高斜率增加，使得氣體燃料是迅速增加到約6%基準流。液體
燃料則以下降的恒定斜率減少而氣體燃料行程基準反映著到燃燒器 的氣體燃料流量而勻變上升。當液體燃料百分比下降到約27%時，液體燃料再次以較高的斜 率而減少，直到液體燃料被切斷而使得液體燃料百分比為零。在液體燃料以較高速率減少的同時，氣體燃料以較高速率增加，直到100% 流(約10%燃料需求/秒的速率)。噴嘴溫度在液體燃料百分比下降到 低于約27%時開始上升，并在液體燃料百分比流下降到0%的時候繼 續增加。使用現有技術轉換方法，液體燃料低流量在氣體轉換到液體的 初期和液體轉換到氣體的末期，液體燃料噴嘴溫度會超過2000華氏 溫度。長時間地，這樣的高溫會損壞硬件并使得液體燃料操作困難， 而不會發生液體燃料的用于燃燒的恰當霧化。對氣體燃料噴嘴也會 產生相似的損壞(典型地在暴露于火焰前端的擴散噴嘴上)。而在燃料轉換過程的初期和末期使用加速斜率，液體燃料噴嘴 溫度尖峰限制在約300華氏溫度。分析顯示300華氏溫度在設計參數 之內是良好的，且在長期內不會導致任何硬件損壞或額外磨損。噴 嘴溫度由于液體燃料系統的空氣吹洗的啟動在液體燃料噴嘴上產生 的冷卻效果而隨即下降。還知道，低氣體燃料能夠引起不正確的燃料分割和高燃燒動態， 盡管沒有可用的現場數據。然而，硬件損壞已經在合成氣體單元中 看出。又知道，燃燒動態能夠由不正確的燃料分割時序安排引起， 且因此詳細的分割時序安排表^f皮提供給控制機構以確保高燃燒動態 不會實現，并減少低氣體燃料壓力比操作的可能性。也知道，分割 時序安排表在氣體燃料低流量下由于閥在低氣體控制閥行程的不精 確而不能精確地保持。雖然本文僅僅舉例說明并介紹了本發明的 一些特征，但是本領 域技術人員可以領會到許多的4奮改和改變。因此應當理解，所附的 權利要求旨在覆蓋落在本發明精神內的所有這些修改和改變。
權利要求
1、一種用于在燃氣渦輪機內執行從原用燃料類型到將用燃料類型的轉換的方法，所述方法包括通過燃料系統完成用于所述將用燃料類型的燃料預填充(820)；判定對所述將用燃料類型的總燃料需求是否大于用于所述將用燃料類型的預定流率(830)；選擇燃料轉換速率(840、850)；以所選的燃料轉換速率進行從所述原用燃料類型到所述將用燃料類型的轉換(845、860)；判定所述原用燃料流率是否減少到用于所述原用燃料類型的預定流率之下(870)；選擇最終燃料轉換速率(875)；以所選的最終燃料轉換速率完成從原用燃料類型到將用燃料類 型的轉換(880)。
2、 根據權利要求1所述的用于在燃氣渦輪機內執行從原用燃料 類型到將用燃料類型的轉換的方法，其特征在于，判定對所述將用 燃料類型的總燃料需求是否大于用于所述將用燃料類型的預定流率 的所述步驟還包括設定所述預定流率以避免所述將用燃料類型的不利操作燃燒狀 態(830),所述不利操作燃燒狀態包括燃燒硬件損壞和燃燒動態中的 至少一種。
3、 根據權利要求1所述的用于在燃氣渦輪機內執行從原用燃料 類型到將用燃料類型的轉換的方法，其特征在于，選擇燃料轉換速 率的所述步驟包括如果對所迷原用燃料類型的總燃料需求大于用于所述將用燃料 類型的預定流率，則選擇用于所述將用燃料類型的慢速燃料轉換速 率(840)。
4、 根據權利要求1所述的用于在燃氣渦輪機內執行從原用燃料 類型到將用燃料類型的轉換的方法，其特征在于，選擇燃料轉換速率的所述步驟包括如果對所述原用燃料類型的總燃料需求不大于用于所述將用燃 料類型的預定流率，則選擇用于所述將用燃料類型的慢速燃料轉換 速率(830);并在所述轉換初期選擇超過快速燃料轉換速率極限的用 于所述原用燃料類型的流率(850)。
5、 根據權利要求1所述的用于在燃氣渦輪機內執行從原用燃料 類型到將用燃料類型的轉換的方法，其特征在于，選擇燃料轉換速 率的所述步驟還包括選擇慢速轉換速率，使得氣體燃料作為所述原用燃料類型的燃的大約一半(840)。'
6、 根據權利要求1所述的用于在燃氣渦輪機內執行從原用燃料 類型到將用燃料類型的轉換的方法，其特征在于，選擇燃料轉換速 率的所述步驟包括如果對所述將用燃料類型的總燃料需求不大于用于所述將用燃 料類型的第 一預定流率(830)，則選擇用于所述原用燃料類型的快速 燃料轉換速率(855);并在所述轉換的初期選擇不超過快速燃料轉換 速率極限的用于所述原用燃料類型的流率(850)。
7、 根據權利要求1所述的用于在燃氣渦輪機內執行從原用燃料 類型到將用燃料類型的轉換的方法，其特征在于，選擇快速燃料轉 換速率的所述步驟還包括選擇所述快速燃料轉換速率，使得氣體燃料作為所述原用燃料 類型的燃料轉換總時間約為液體燃料作為所述原用燃料類型的燃料 轉換總時間的一半(855)。
8、 根據權利要求1所述的用于在燃氣渦輪機內執行從原用燃料 類型到將用燃料類型的轉換的方法，其特征在于，判定對所述原用燃料類型的總燃料需求是否大于用于所述原用燃料類型的預定流率 的所述步驟還包括設定所述預定流率以避免所述將用燃料類型的不利操作燃燒狀至少一種。
9、 根據權利要求8所述的用于在燃氣渦輪機內執行從原用燃料 類型到將用燃料類型的轉換的方法，其特征在于，選擇最終燃料轉 換速率的所述步驟包括除非對所述將用燃料類型的總燃料需求低于用于所述將用燃料 類型的所述預定流率，否則就選擇用于所述原用燃料類型的慢速燃 料轉換速率，以避免不利燃燒狀態；并在所述轉換末期選擇不超過 快速燃料轉換速率極限的用于所述原用燃料類型的流率(870)。
10、 根據權利要求9所述的用于在燃氣渦輪機內執行從原用燃 料類型到將用燃料類型的轉換的方法，其特征在于，選擇最終燃料 轉換速率的所述步驟包括當對所述將用燃料類型的總燃料需求低于用于所述將用燃料類 型的所迷預定流率時，選擇用于所述原用燃料類型的最終快速燃料 轉換速率，以避免不利燃燒狀態；并在所述轉換的末期選擇不超過 快速燃料轉換速率極限的用于所述原用燃料類型的流率(875);并且進行以下步驟中的至少一個步驟選擇與初始快速燃料轉換速 率相等同的最終快速燃料轉換速率；選擇最終快速燃料轉換速率， 使得氣體燃料作為所述原用燃料類型的燃料轉換總時間為液體燃料 作為所述原用燃料類型的燃料轉換總時間的大約 一半。
全文摘要
一種控制方法，其控制在以氣體燃料類型和以液體燃料類型來操作之間進行轉換的轉換速率，以降低處于非所需操作模式中的時間，由此防止對燃氣渦輪機硬件的過度磨損和損壞。該方法包括通過燃料系統完成對將用燃料類型的燃料預填充(820)，以及判定對將用燃料類型的總燃料需求是否大于用于將用燃料類型的預定流率(865)。該方法還包括選擇燃料轉換速率并以所選燃料轉換速率進行從原用燃料類型到將用燃料類型的轉換(840，855)。此外，該方法還包括判定原用燃料流率是否降低到用于原用燃料類型的預定流率之下(875)，選擇最終燃料轉換速率(875)以及以所選最終燃料轉換速率完成從原用燃料類型到將用燃料類型的轉換(880)。
文檔編號F02C9/40GK101210519SQ20071030536
公開日2008年7月2日 申請日期2007年12月21日 優先權日2006年12月26日
發明者J·D·富勒, R·J·亞西洛, S·W·巴克曼, S·厄恩斯特-福廷 申請人:通用電氣公司