[发明专利]确定燃烧器出口温度的方法及控制燃气涡轮机的方法

说明书

技术领域

本发明涉及确定排出燃气涡轮机燃烧器的气体的出口温度的方法以及控制燃气涡轮机的方法。具体地，本发明涉及通过基于测量和/或计算值对出口温度建模来确定排出燃气涡轮机燃烧器的气体的出口温度的方法。更具体地，本发明涉及控制燃气涡轮机的方法，其中，将被建模的燃烧器出口温度对时间求积分，其中基于积分值进行控制。具体地，本发明涉及在瞬态操作期间控制燃气涡轮机的方法。更具体地，本发明涉及控制燃气涡轮机的方法，以便对组件（尤其是燃气涡轮机的涡轮机部分的组件）进行过热保护。

背景技术

燃气涡轮机发动机包括压缩机段、燃烧器段和涡轮机段，它们按这一顺序布置。压缩机段可以与涡轮机段共享共用的转子或者这两段可包括各自单独的转子。或者，涡轮机段可包括在高压段的转子和在低压段的另一转子。压缩机段适于压缩空气并且将压缩的空气传送到更下游的压缩机段。在压缩机段或简单的压缩机中，向压缩空气中混合燃料并且点火压缩空气，以便产生向下游流到并通过涡轮机段的热燃烧气体。由此，热燃烧气体驱动涡轮机段，从而使涡轮机段的转子转动。由此，燃烧气体中所含的以压力和速度形式存在的能量可以转化为机械能，该机械能可以例如用于驱动发电机产生电能。

在单轴布置结构（具有共用转子）中，高压和低压部分被机械地相连，使得涡轮机段驱动压缩机段。在双轴布置结构（具有两个独立的转子）中，低压涡轮机段在机械上是独立的，即，仅驱动输出动力轴，而由高压涡轮机段驱动压缩机段。

涡轮机段可包括高压涡轮机部和低压涡轮机部，所述高压涡轮机部和低压涡轮机部被布置为彼此相邻，从而使得低压涡轮机部布置在高压涡轮机部的下游。为了转化热燃烧气体的能量，涡轮机段，特别是高压涡轮机段，包括有喷嘴导流片，这些导流片被布置成一行或多行，其中每一行相对于转子布置在特定轴向位置，所述转子的转动轴线沿所述轴向方向延伸。涡轮机段可包括沿轴向方向分隔开的一行或多行喷嘴导流片。所述多行喷嘴导流片属于燃气涡轮机的定子部分且在燃气涡轮机的操作期间不运动。

在一行喷嘴导流片的下游布置有一行转子叶片，这行转子叶片与转子轴连接并且在作用于它们的叶片表面的热燃烧气体的冲击下转动。在该行转子叶片上游的该行喷嘴导流片适于适当地朝向转子叶片导引热燃烧气体，以便优化能量转化。由此，由于热燃烧气体接触喷嘴导流片并且将热能传递到喷嘴导流片，导致喷嘴导流片经受特别高的温度。具体地，喷嘴导流片被认为是对于热应力而言最关键的涡轮机段组件。

热燃烧气体和燃烧器废气可以达到很高的温度（1500℃以上），尤其在瞬态操作情况下。由此，瞬态操作情况可以是燃气涡轮机的如下操作情况，其中燃气涡轮机负荷随时间变化，其中燃料供应随时间变化，和/或其中供应到燃烧器的空气随时间变化，具体地这种变化非常迅速。具体地，瞬态操作情况与稳态情况不同。

热燃烧气体可以加热喷嘴导流片的外表面部分，同时可以通过例如从压缩机传送的空气或从热回收系统传送的蒸汽冷却喷嘴导流片的内部。由此，可以在喷嘴导流片的内部和外部之间得到陡的温度梯度。由此，导流片应变程度大，因而可能成为最可能发生故障的发动机组件，其中此故障主要由低周疲劳导致。

因此，为了避免喷嘴导流片受损，必须限制导流片所经受的燃烧气体的温度。

另一方面，燃气涡轮发动机被固有地设计为在高气体温度下操作，由此提高它们的循环效率。因此，需要在诸如喷嘴导流片的组件能够承受的最大许可温度下操作燃气涡轮机。使组件经受这些极限以上的温度会导致这些组件永久损坏。例如，导流片温度的少量增加会导致使用寿命显著缩短。为了防止由过高的和持续的燃烧器出口气体温度导致涡轮机损坏，可以在比导流片临界寿命周期疲劳温度低几度的涡轮机峰值温度下操作发动机。在常规系统中，可以通过控制发动机操作参数来保护涡轮机组件。由此，可以基于在涡轮机段第一行喷嘴导流片下游的某点处测量的气体温度来进行控制。

在高压涡轮机段入口处的燃烧气体温度可能会过高而无法直接测量，这在适当控制燃气涡轮机方面存在问题。

燃烧器出口温度也可以被称作涡轮机入口温度。常规可以通过例如限制传送到燃烧器的燃料流来控制燃烧器出口温度。可以根据从热气体提取能量之后一个或多个涡轮机段下游热气体的温度和气体温度来推断或估算出所述燃烧器出口温度。更下游的温度会相应地降低到可以实际进行测量的合适水平。

由此，可以通过放置在涡轮机段出口处或高压涡轮机段和低压涡轮机段之间的多个热电偶来测量燃烧气体温度。但无论如何，精确测量排出燃烧器的燃烧气体的温度在目前是不可能的。由此，难以适当保护涡轮机段的组件。