不使用附加孔板的确定喷入燃烧室的可燃流体流速的方法

摘要

本发明涉及一种喷入涡轮机(100)的燃烧室(120)中的可燃流体的流速的确定方法，该方法包括：确定所述至少一个喷嘴(112，113，114，115)的孔口的横截面，可燃流体通过所述孔口喷入所述燃烧室(120)；确定喷嘴(112，113，114，115)的孔口上游的可燃流体的压力；确定喷嘴(112，113，114，115)的孔口下游的压力；以及确定流过所述至少一喷嘴(112，113，114，115)的孔口的可燃流体的流速。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于确定喷入涡轮机的可燃流体的流速的方法，该涡轮机具有一个或多个涡轮机燃烧室，特别是燃气轮机。本发明还涉及一种这种确定方法的触发方法。

背景技术

燃气轮机通常包括进气部分、压缩机、一个或多个燃烧室、涡轮机和排气部分。每个燃烧室可以包括可燃流体的一个或多个喷嘴。

可限定通过燃气轮机的流动路径。在正常操作中，空气通过进气部分进入燃气轮机。空气流入压缩机，在压缩机中增加空气的压力。然后，压缩空气流向所有燃烧室，在燃烧室中，压缩空气与燃料(例如气体)混合以形成可燃烧的空气-燃料混合物。空气-燃料混合物被喷射到燃烧室中以便燃烧。这种燃烧产生热气体，该热气体被注入涡轮机中以提取热气体中所含有的能量。此后，废气能够通过排气部分从燃气轮机中排出。

用于高功率燃气涡轮机的调节和保护系统通常包括在启动时和在检测到燃烧或火焰之前的保护或限制。这种保护在于，在燃烧室的点火期间、在检测到火焰之前限制进入涡轮机和位于下游的回收炉的未燃烧可燃气体的量。

通常，需要测量可燃流体的流速，以便在正常操作期间并且也在检测到火焰之前调节涡轮机。大多数已安装的流速测量系统适于在额定负载下测量，即在点火之后和交流发电机已经与网络同步之后进行测量。

然而，与额定负载下的流速相比，点火之前的气体流速相当低，因此用于额定负载的流量计将具有相对较大的误差容限，以至于不能如点火所需的那样对低流速进行适当估计。此外，安装第二流量计来测量点火流速，可能会向可燃流体系统中的可燃气体施加额外的且不期望的压降。

尤其从文献WO99067617中获得的已知实践是，使用基于如下原理操作的流速测量装置：流过限流孔的流体将经历与流速的平方成正比的压降。如果流体和孔的特性完全已知，则测量的孔两侧的压降将能够推导出流体流速。那么这是使用孔板的流速测量。这种测量允许直接推导出瞬时体积流速。位于孔板(或限流孔)处的这种压降没有能量损失(压降)，而是将“压力”能转换成“速度”能。

该测量方法需要使用放置在喷入可燃流体的通道中的附加孔板或限流孔。这导致在可燃流体线路中产生额外的压降。另外，该方法是昂贵的，因为它需要专用于该流速测量的附加构件。

因此，仍然需要一种用于确定喷入燃烧室中的可燃流体的流速的解决方案，该解决方案不存在上述缺点。特别地，仍然需要一种用于确定喷入燃烧室中的可燃流体流速的解决方案，该解决方案不太昂贵并且更容易整合到燃烧室中且更易实施。

文献US20070186557A1定义了有效横截面积(Ae)，作为依靠喷嘴上游和下游的压力、速度和温度的物理校正。具体地说，有效横截面积的大小可以限定喷嘴入口处的压力。该有效横截面积的大小可以确保喷嘴中的压力比不超过最大或最小允许限度，该最大或最小允许限度称为临界压力比CPR(1.78)，超过该临界压力比，流速保持恒定。

发明内容

为此，本发明提出了一种喷入涡轮机的燃烧室中的可燃流体的流速的确定方法，所述可燃流体通过至少一个喷嘴的孔口喷入所述燃烧室中，所述方法包括以下步骤：

确定所述至少一个喷嘴的孔口的横截面，所述可燃流体通过所述孔口喷入所述燃烧室中；

确定所述喷嘴的孔口上游的所述可燃流体的压力；

确定所述喷嘴的孔口下游的压力；

根据所确定的所述至少一个喷嘴的所述孔口的横截面、所确定的所述喷嘴的孔口上游的所述可燃流体的压力以及所确定的所述喷嘴的孔口下游的压力，来确定流过所述至少一个喷嘴的所述孔口的可燃流体的流速；以及

根据横跨所述至少一个喷嘴两侧的压力差来确定喷入所述燃烧室中的可燃流体的流速。根据所述确定方法的一个实施例，喷入所述燃烧室中的可燃流体的流速确定为流过所述多个喷嘴的可燃流体的流速的总和。

根据所述确定方法的一个实施例，所述喷嘴的孔口下游的所述可燃流体的压力是所述燃烧室内部的压力。

根据所述确定方法的一个实施例，所述可燃流体是气体混合物。

根据所述确定方法的一个实施例，通过测量燃料管线与离开压缩机的压缩空气的压力之间的压力差，来间接地确定所述喷嘴的孔口上游的所述可燃流体的压力。

根据所述确定方法的一个实施例，在所述燃烧室中点火之前，确定喷入所述燃烧室中的所述可燃流体的流速。

根据所述确定方法的一个实施例，当与所述至少一个喷嘴相通的空间的上游压力严格高于所述空间内的压力时，确定可燃流体的流速。

根据所述确定方法的一个实施例，所述涡轮机包括多个燃烧室，每个燃烧室包括可燃流体的至少一个喷嘴，确定喷入每个燃烧室中的可燃流体的流速，直到达到所有所述燃烧室的点火时刻为止。

根据所述确定方法的一个实施例，所述涡轮机包括向所述至少一个燃烧室供应可燃流体的至少一条可燃流体供应线路，所述至少一条可燃流体供应线路与至少一个分配装置相连接，以向所述至少一个喷嘴提供供应，其中，根据在单个分配装置处测量的压力来确定喷入燃烧室中的可燃流体的流速。

本发明还涉及一种确定喷入燃烧室的可燃流体的流速的触发方法，所述可燃流体通过至少一个喷嘴的孔口喷入所述燃烧室，该方法包括以下步骤：

确定所述喷嘴的孔口上游的所述可燃流体的压力与所述喷嘴的孔口下游的所述可燃流体的压力之间的差；以及

在所述喷嘴的孔口上游的所述可燃流体的压力高于所述喷嘴的孔口下游的压力的情况下，执行如上文所述的确定方法。

附图说明

附图示出了本发明：

图1示意性地示出了燃气轮机的局部装配图。

图2示出了图1所示的燃气轮机的操作图。

具体实施方式

参照图1，用于燃气轮机100的辅助可燃流体供应系统10与压力为P1的可燃流体源相连接。辅助系统10可包括过滤器70、梭阀80和压力调节阀90，该压力调节阀的下游保持压力P2。

如上文所述，燃气轮机100包括进气部分102、压缩机104、一个或多个燃烧室120、涡轮机106和排气部分108。每个燃烧室120可包括一种或多种类型的喷嘴112、113、114、115。

可限定通过燃气轮机100的流动路径。在正常操作中，空气通过进气部分102进入燃气轮机100。空气流入压缩机104，压缩机104将空气压缩成压缩空气。压缩空气经由140进入整个燃烧室，与例如气体的燃料混合，从而在空间111中形成可燃烧的空气-燃料混合物。一个或多个喷嘴112、113、114、115通向该空间111。

在燃烧室120中燃烧的空气-燃料混合物产生沿着管道130流向涡轮机部分106的热气体流，在涡轮机部分的热气体的动能在经由排气部分108排出之前转换成机械能。

在进入燃烧室之前所需的压缩等级通常由与压力传感器160测量的压缩机输送压力(PCD)有关的压力比来表示。该压力比通常在1.1×PCD和1.5×PCD之间。为此，压力传感器150用于持续地监测可燃流体管线与压缩机104出口处的压力PCD之间的压力差。

燃烧系统可包括至少一个燃烧室120，该燃烧室具有至少一个类型的喷嘴，每种类型的喷嘴各自具有特定流速。优选地通过专用的分配线路获得每种类型的喷嘴中的可燃流体的均匀分布线路。图1示出了用于至少一个燃烧室120的可燃流体分配系统，每个燃烧室配备有至少一种类型的喷嘴(例如，四种)，但是每个燃烧室仅示出了每种类型112、113、114、115中的一种。每种类型的喷嘴由四个可燃流体供应线路C1、C2、C3、C4供应，每个线路分别连接至分配装置D1、D2、D3、D4，从而分别向喷嘴112、113、114、115提供供应。每个分配线路可以具有特定的流速特性。另外，喷嘴112、113、114、115可以布置在同一个燃烧室120中，例如如图2所示，围绕燃烧室120纵向轴线的圆形构造。这样，燃烧系统中喷嘴的总数是每个燃烧室喷嘴类型的数量乘以燃烧室的数量。因此，可以以简化的方式推导出与燃烧有关的总流速，即：估计通过每种类型112、113、114、115的至少一个喷嘴的流速，然后将该流速乘以燃烧室120的数量。当然，在部分流速测量的情况下，或者出于测试燃烧系统的目的，可以对分配装置进行单个测量。

该方法在下文中结合涡轮机(例如图1和2中所示的燃气轮机100)进行描述。或者，该用于确定的方法可在包括至少一个燃烧室的任何涡轮机中实施，该燃烧室配备有至少一个用于将可燃流体喷入到燃烧室中的喷嘴，并且在正常操作时，每个燃烧室的喷嘴网的上游压力可超过下游压力。

该方法使用测量通过孔口的流速的原理，并且为此，考虑在燃烧室120中使用的至少每种类型的喷嘴112、113、114、115的特性，例如有效横截面积(Ae)和每个喷嘴的上游压力和下游压力。

因此，下游压力和上游压力以及这些压力的比率能够估算通过每种类型的喷嘴的质量流速，然后确定喷入到所有燃烧室120中的可燃流体的总流速。换句话说，喷入到燃烧室120中的可燃流体的流速确定为可燃流流过每种类型喷嘴112、113、114、115的估计体流速的总和乘以室120的数量。

该方法考虑使用燃烧室120中的至少每种类型喷嘴112、113、114、115的有效横截面面积。每个喷嘴的特性在于具有有效横截面积，以使可燃流体在110处的盖和喷嘴之后的111处之间通过，根据操作模式，有效横截面积的尺寸是已知的。有效通道的横截面面积可以比作孔。因此，针对每个设计点对110处的盖的压力进行计算，该计算可以基于：质量流速、燃烧室内在111处的压力和可燃气体的性质。

此外，本领域技术人员已知与线路的质量流速、喷嘴的压力比率、燃料性质、燃烧室中的压力(PCC)和有效横截面积相关的方程。

因此，如果已知每种喷嘴的类型112、113、114、115的有效横截面面积以及110处的上游压力和111处的下游压力，则可以计算每种类型的喷嘴的质量流速。

就本说明书而言，术语“压力上游”或“上游压力”定义为可燃流体在上游的点110处或任一个喷嘴112、113、114、115入口处的静态压力。为了估计在喷嘴上游110处的可燃气体压力(Pc)，可以使用在160处测量的压缩机的空气输送压力或PCD，以及可燃流体管线与压缩机输送压力PCD之间压力差的测量值150。为此，可以使用以下公式：

Pc＝PCD+ΔP(可燃流体管路和PCD)

喷嘴的下游压力或燃烧室内部111处的压力是室内空气/可燃气体混合物的压力。该压力不能被直接测量，但是可以测量相对类似的压力，即PCD 160。具体地，燃烧室中的压力(Pcc)等于压缩机排出压力(CPD)减去压缩空气离开压缩机流过燃烧室所经历的压降(该压降已知或估计为百分比)。

因此，如果喷嘴的有效横截面面积和110处的上游压力和111处的下游压力是已知的，则也可以计算每种喷嘴类型112、113、114、115的质量流速。

结果，可以根据流经上述至少一个喷嘴的孔口的可燃流体的流速，来确定喷入到燃烧室中的可燃流体的流速。该孔口如图1所示的位于燃烧室内部。多个喷嘴112、113、114、115的每个孔口设置在相应的燃烧室内部。因此，该确定过程不需要增加额外的限流孔或孔板来测量流速。因此，用于确定的方法被简化并且更便宜。此外，由于没有附加的孔板或限流孔，因此可以避免在可燃流体线路中产生额外压降。

优选地，在燃烧室点火之前，当喷嘴112、113、114、115的孔口上游的可燃流体P2的压力高于远至空间111的下游压力时，执行确定喷入到燃烧室120的可燃流体流速的方法。具体而言，该确定方法可以在检测到火焰之前，确定在点火期间喷入到燃烧室120的未点燃可燃气体的量，该气体进入涡轮机100及位于下游的回收锅炉。这使得燃气轮机被调节且由此受到保护。

为了能够改进保护，执行对喷入到每个燃烧室120中的可燃流体的流速进行确定的操作，直到所有燃烧室的点火时刻为止。

该方法相当于一种间接测量可燃流体流速的方法，适于测量点火前的流速。该方法特别易于实施，因为它不使用附加的孔板来估计流速并且不产生额外的的压降。此外，与通常在可燃流体供应管线上游进行的流量计测量不同，上述测量尽可能接近喷入到燃烧室的流速可以具有最正确的可能值(忽略测量误差)。具体地，在该流量计和燃烧室之间的供应管线中可能存在许多泄漏，如气体端口的情况，这可能会使测量失真。因此，在管线上游的流量计测量，由于过度泄漏的端口，会导致机器的可操作性的损失。