СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТОЯНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ВОСПЛАМЕНИТЕЛЯ ГОРЕЛКИ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ, А ТАКЖЕ УСТРОЙСТВО ЗАЖИГАНИЯ ДЛЯ ГОРЕЛКИ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ Российский патент 2013 года по МПК G05B13/02 

Изобретение относится к способу определения состояния электрического воспламенителя горелки газовой турбины, при котором на первом этапе сравнивают зависимый от времени, характеризующий ток зажигания воспламенителя сигнал с верхним предельным значением и нижним предельным значением. Кроме того, изобретение относится к устройству измерения для определения состояния электрического воспламенителя горелки газовой турбины, содержащему датчик для инициируемого по времени определения тока электрического воспламенителя горелки газовой турбины и связанное с датчиком устройство оценки с по меньшей мере одной памятью и с по меньшей мере одним средством для сравнения предоставленного датчиком сигнала с по меньшей мере одним сохраненным в памяти предельным значением. Кроме того, изобретение относится к устройству зажигания для горелки газовой турбины, содержащему воспламенитель, содержащий два расположенных противоположно друг другу электрода, причем между этими электродами может генерироваться искра зажигания, и трансформатор зажигания для формирования напряжения зажигания, причем трансформатор зажигания на вторичной стороне электрически соединен с электродами.

Относящийся к изобретению воспламенитель горелки газовой турбины известен, например, из EP 1892474 А1. Описанный там воспламенитель содержит контрольную горелку, которая с помощью воспламенителя может зажигаться, как только через контрольную горелку в камеру сгорания газовой турбины втекает горючий газ или горючая смесь веществ. Известный оттуда воспламенитель содержит, по существу, два проходящих параллельно друг другу электрода зажигания, которые в зоне выпуска горючего контрольной горелки изогнуты друг к другу и там имеют минимальное расстояние между собой, чтобы в зоне выпуска горючего иметь возможность образования искры зажигания, с помощью которой может зажигаться горючее или смесь. Обычно для формирования искры зажигания к обоим электродам прикладывается относительно высокое переменное напряжение, которое обеспечивается трансформатором зажигания. Напряжение зажигания может при этом составлять несколько киловольт (кВ).

Повреждения или изгибы одного или обоих размещенных в контрольной горелке электродов зажигания при транспортировке или монтаже могут негативно повлиять на функциональные возможности электродов зажигания. Кроме того, ввиду термически обусловленных растяжений, могут возникать трещины в изоляции электродов зажигания, или электроды зажигания могут в наихудшем случае ломаться, так что, несмотря на приложенное напряжение зажигания, воспламенитель, размещенный у выпуска горючего контрольной горелки, не обеспечивает формирования искры зажигания. Аналогичным образом, возможно, что после так называемой промывки компрессора электроды к тому же смачиваются жидкостью для промывки компрессора, что также препятствует возникновению искры зажигания, несмотря на приложенное напряжение зажигания, ввиду появляющихся токов поверхностной утечки. Эти дефекты могут привести к нежелательным и, возможно, опасным для газовой турбины неудачным запускам.

Для контроля воспламенителя и искры зажигания известно устройство, описанное в US 4760341. Устройство контролирует длительность и амплитуду искры зажигания, а также отрицательную часть волновой формы искрового разряда. Состояние воспламенителя или искра зажигания распознается как соответствующие предписаниям, если длительность искры зажигания не превышает максимальное время, амплитуда искры зажигания имеет минимальную величину, и одновременно отрицательная часть превышает приемлемое минимальное значение. Недостатком является то, что это устройство не пригодно для того, чтобы контролировать процесс зажигания для газовых турбин.

В соответствии с этим задачей изобретения является предложить устройство зажигания для горелки газовой турбины, посредством которого состояние электрического воспламенителя горелки газовой турбины может определяться простым и надежным способом. Другой задачей изобретения является предложить эффективный способ для определения состояния электрического воспламенителя горелки газовой турбины и устройство измерения, чтобы предотвращать неудачные запуски газовых турбин.

Направленная на способ задача решается способом с признаками пункта 1 формулы изобретения. Направленная на устройство измерения задача решается таковым устройством согласно пункту 11 формулы изобретения, и направленная на устройство зажигания задача решается таковым устройством согласно пункту 13 формулы изобретения.

В целом, в основе изобретения лежит знание того, что при зажигании воспламенителя горелки газовой турбины на его острие возникает искра зажигания, подобная электрической дуге, величина тока которой имеет специфическое значение. Так как перед открыванием клапана горючего контрольной горелки или главной горелки газовой турбины должна иметь место минимальная длительность искры зажигания на воспламенителе, контроль протекающего при этом тока зажигания позволяет установить, в каком состоянии находится электрический воспламенитель горелки газовой турбины. Соответствующий изобретению способ предусматривает, что на первом этапе зависимый от времени сигнал, характеризующий ток зажигания воспламенителя, сравнивается с верхним предельным значением и с нижним предельным значением, чтобы установить, является ли воспламенитель неработоспособным или работоспособным. Кроме того, предлагается, что на другом одновременно выполняемом этапе характеристический сигнал сравнивается со средним значением заданного тока. Далее, в основе изобретения лежит знание того, что величина тока зажигания и согласно этому величина сигнала, характеризующего ток зажигания, не только должна лежать внутри предварительно определенного диапазона допусков, но и что протекающий в течение длительности искры зажигания ток зажигания также должен колебаться относительно среднего значения заданного тока, ввиду мерцания электрической дуги или искры. Следовательно, контролируется не только текущее значение тока зажигания на превышение или спадание ниже минимального/максимального значения, но и временная характеристика тока зажигания, чтобы установить, является ли воспламенитель работоспособным или нет. Если не возникает устанавливающийся при работоспособном устройстве зажигания ток зажигания, колеблющийся относительно среднего значения заданного тока, то соответствующее устройство зажигания является неработоспособным.

Таким образом, в соответствии с изобретением фактический ток зажигания исследуется не только относительно верхнего предельного значения и нижнего предельного значения на первом этапе, но и относительно среднего значения, вокруг которого этот ток, как правило, случайным образом колеблется в работоспособном воспламенителе.

Если способность зажигания воспламенителя была ухудшена под влиянием воды, то могут возникать короткие замыкания или даже поверхностные токи утечки, которые имеют следствием постоянное протекание тока, которое, таким образом, не изменяется вокруг среднего значения заданного тока, однако, при обстоятельствах, может находиться внутри диапазона допусков. Ввиду коротких замыканий или поверхностных токов утечки, между остриями электродов не возникает искра зажигания. Также может быть, что искра зажигания возникает не на острие электрода, а где-либо на участке между электродом и корпусом газовой турбины. Однако эта искра зажигания находится в среде, где на нее не может оказываться влияние поток воздушной массы компрессора, так что сигнал, изменяющийся относительно среднего значения заданного тока отсутствует. Также этот дефект также может распознаваться как таковой предложенным способом.

За счет применения соответствующего изобретению способа и соответствующего изобретению устройства готовность к запуску газовых турбин дополнительно улучшается, так как на основе знания о состоянии воспламенителя или воспламенителей предотвращаются неудачные запуски из-за дефектных или неработоспособных воспламенителей. Меры для устранения возможной временной неработоспособности воспламенителя и/или для ремонта дефектных воспламенителей можно тогда проводить своевременно, не приводя из-за них к неудачным запускам газовой турбины.

Верхнее предельное значение и нижнее предельное значение и/или среднее значение заданного тока являются соответственно зависимыми от времени. Следовательно, зависимые от времени верхнее и нижнее предельные значения образуют огибающую кривую заданного тока, а зависимое от времени среднее значение заданного тока - характеристику тренда заданного тока. Это имеет преимущество особенно в том случае, когда во время обеспечения искры зажигания (эквивалентно длительности зажигания) условия окружающей среды искры зажигания изменяются, что также влечет за собой изменение тока зажигания. Это имеет место особенно в том случае, когда искра зажигания должна обеспечиваться во время изменяющегося числа оборотов ротора газовой турбины, так как вследствие изменяющегося числа оборотов ротора также изменяется всасываемый компрессором поток воздушной массы. Изменяющийся проток воздушной массы приводит к изменению протекающего мимо воспламенителей объема воздуха. За счет этого оказывается влияние на искру зажигания, что сказывается на величине тока зажигания. Поэтому является целесообразным, для изменяющихся краевых условий искры зажигания устанавливать переменные и, таким образом, зависимые от времени предельные значения или средние значения в способе, с которыми сравнивается ток зажигания или сигнал, характеризующий ток зажигания.

На основе возрастающего числа оборотов ротора при разгоне газовой турбины, еще перед запуском газовой турбины, то есть еще перед сжиганием горючего - возрастает поток воздушной массы, который направляется к горелкам вдоль горелки, так что на имеющуюся искру зажигания оказывается влияние из-за воздушной тяги, что приводит к снижению тока зажигания.

Предпочтительные варианты осуществления приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.

Согласно предпочтительному выполнению изобретения, состояние воспламенителя определяется как неработоспособное, если характеристический сигнал в течение первой минимальной длительности лежит за пределами интервала, образованного верхним предельным значением и нижним предельным значением. В соответствии с этим превышение верхнего предельного значения или спадание ниже нижнего предельного значения заданным значением тока только тогда должно приводить к индицируемому для оператора сообщению «воспламенитель неработоспособен», когда ток зажигания в течение минимального промежутка времени, предпочтительно трех секунд, лежит вне указанного интервала. Тем самым должны исключаться случайные сообщения о неисправности и ложные индикации. Также можно за счет этого интервал определить более узким, чем в способе, который не контролирует продолжительность спадания ниже или превышения соответствующего предельного значения.

Согласно особенно предпочтительному способу, состояние воспламенителя определяется как неработоспособное, если характеристический сигнал в течение второй минимальной длительности не колеблется относительно среднего значения заданного тока или характеристики тренда заданного тока. На основе зависимости тока зажигания от случайности искры зажигания и окружающего ее воздушного потока, состояние воспламенителя может распознаваться как неработоспособное, если эта случайность в величине тока зажигания отсутствует в течение второй минимальной длительности, предпочтительно трех секунд. Иными словами: среднее значение заданного тока или характеристика тренда заданного тока, которое(ая), как правило, находится посредине между верхним предельным значением и нижним предельным значением, представляет величину, относительно которой случайным образом колеблется фактически устанавливающийся ток зажигания, если искра зажигания обеспечивается в предусмотренной позиции зажигания обоими электродами воспламенителя. Если, например, напротив, ввиду поломки поджигающего электрода или дефекта изоляции электрода возникает ток короткого замыкания через горелку, то колеблющаяся характеристика тока относительно среднего значения заданного тока или характеристики тренда заданного тока отсутствует, что указывает на неработоспособный воспламенитель. В этом отношении, контроль фактической характеристики тока на наличие случайного изменения тока, колеблющегося относительно среднего значения заданного тока или характеристики тренда заданного тока, обеспечивает, в частности, особенно эффективный контроль наблюдения, посредством которого состояние воспламенителя может определяться особенно надежным и достоверным образом.

Чтобы определять сравнительно малый ток зажигания, предпочтительным является, если ток первичной стороны трансформатора зажигания определяется как ток зажигания, если трансформатор зажигания предусмотрен для формирования напряжения зажигания электродов зажигания. Тем самым обеспечивается возможность использования коммерчески доступных, пространственно компактных датчиков, например преобразователей тока, преобразователей измеряемого тока или датчиков на эффекте Холла.

Вместо или в дополнение к сравнению, действительно ли фактически возникающий ток зажигания варьируется в пределах огибающей кривой заданного тока, может также выполняться эталонное сравнение с характеристиками тока, чтобы установить, является ли контролируемый воспламенитель работоспособным или нет. С этой целью предварительно определяется эталонная характеристика (опорный образец) тока зажигания после отключения газовой турбины, то есть после отключения подачи горючего при еще вращающемся роторе. На этой стадии воспламенители запускаются и в течение заданного интервала времени, например, 10 секунд, характеристика тока воспламенителя измеряется и сохраняется. Опорный образец может затем сравниваться с характеристиками тока зажигания, которые определяются перед запуском газовой турбины.

Предпочтительным образом способ определения состояния воспламенителя выполняется во время вращения ротора газовой турбины или перед запуском газовой турбины. Тем самым возможно снизить продолжительность времени до запуска газовой турбины, так как уже в течение разгона, но еще не в состоянии зажигания газовой турбины осуществляется проверка на работоспособность воспламенителей.

Обычно при разгоне газовой турбины изменяется число оборотов ротора. Как правило, оно постоянно повышается. Чтобы заранее определить краевые условия, оказывающие влияние на искровой промежуток или искру зажигания, предлагается определить характеристику тока работоспособного воспламенителя, из которой определяется характеристика тренда заданного тока. Чтобы гарантировать, что работоспособный воспламенитель контролируется в сухом состоянии, определение характеристики тока, которое лежит в основе характеристики тренда заданного тока, должно выполняться после отключения газовой турбины. Для определенных значений сначала предпочтительно выполняется интерполяция с помощью полинома, из которой может определяться ожидаемое значение для заданного тока в качестве характеристики тренда, относительно которого в реальности колеблется ток зажигания. Поскольку число оборотов ротора остается постоянным, может, таким образом, определяться среднее значение заданного тока.

Согласно другому предпочтительному способу, соответствующему изобретению, каждый воспламенитель газовой турбины проверяется на работоспособность, откуда получается число работоспособных воспламенителей для газовой турбины. Если число работоспособных воспламенителей лежит ниже минимального числа работоспособных воспламенителей, причем это минимальное число меньше, чем число воспламенителей или горелок, то можно отказаться от инициирования запуска газовой турбины, что приводит к тому, что подача горючего к горелкам не отпирается непосредственным образом. Если, например, минимальное число работоспособных воспламенителей после автономной промывки компрессора не достигается, то предлагается выполнить сушку воспламенителей посредством процесса предварительного нагрева. Затем может следовать следующая попытка запуска. Одновременно также возможно, после выполнения фазы предварительного нагрева, выполнить повторную проверку каждого воспламенителя, чтобы установить, имеется ли достаточное число работоспособных воспламенителей. Этот способ предлагается - независимо от используемого способа для определения состояния воспламенителя - особенно для газовых турбин с кольцевыми камерами сгорания, в которых некоторое количество горелок сообщаются с общим пространством горения, за счет чего зажигание не сработавших горелок может быть вызвано также пламенем непосредственно смежных соответствующих горелок.

Другие преимущества и признаки изобретения вытекают из последующего описания со ссылками на чертежи, на которых показано следующее:

Фиг. 1 - схематичный план устройства зажигания с устройством измерения,

Фиг. 2 - временная характеристика тока зажигания во время интервала зажигания воспламенителя горелки газовой турбины при числе оборотов ротора, соответствующем 2 Гц, и

Фиг. 3 - временная характеристика тока зажигания при разгоне газовой турбины.

На фиг. 1 схематично представлено устройство 10 зажигания, а также устройство 12 измерения для определения состояния электрического воспламенителя 14 горелки газовой турбины. Устройство 10 зажигания содержит воспламенитель 14, имеющий два расположенных напротив друг друга электрода 16, причем между остриями 20 электродов может формироваться искра 22 зажигания за счет прикладываемого к электродам 16 напряжения зажигания. Оба электрода 16 электрически связаны с вторичной обмоткой трансформатора 24 зажигания. Первичная обмотка трансформатора 24 зажигания связана с переключаемым источником 26 переменного напряжения, причем последовательно с трансформатором 24 зажигания включен преобразователь 28 измеряемого тока в качестве датчика, посредством которого может определяться сигнал, характеризующий ток зажигания первичной стороны, для дальнейшей обработки. При этом вывод первичной стороны трансформатора зажигания может через переключатель электрически соединяться с фазой L, другой вывод первичной стороны трансформатора 24 зажигания через преобразователь 28 измеряемого тока соединен с нейтралью N. При этом электроды 16 могут, например, быть электродами воспламенителя контрольной горелки или главной горелки газовой турбины, с помощью которой горючий газ, горючая смесь горючего газа с воздухом или масляно-воздушная смесь может воспламеняться при обеспечении искры 22 зажигания. При этом, в частности, как горелка, так и электроды 16, могут быть выполнены согласно Европейской патентной заявке № 06017534.6 (опубликована как ЕР 1892474 А1). Сигнал, характеризующий ток зажигания, выдается на выходе 30 преобразователя 28 измеряемого тока, как только переключатель источника 26 переменного напряжения замыкается. Этот характеристический сигнал может затем подаваться на блок 29 оценки, который содержит, главным образом, три датчика 34, 38, 42 предельных значений, три схемы И 50, 57, 53, четыре блока 48, 60, 72, 80 временных функций и схему ИЛИ 54.

Более конкретно, выход 30 преобразователя 28 измеряемого тока соединен с входом первого датчика 34 предельных значений. Кроме того, выход 30 соединен с входом 36 второго датчика 38 предельных значений и с входом 40 третьего датчика 42 предельных значений. Выход 44 первого датчика 34 предельных значений соединен с входом 45 первой схемы И 50, выход 59 которой через вход 46 блока 48 временных функций и его выход 50 соединен с входом 52 схемы ИЛИ 54. Выход 47 второго датчика 38 предельных значений соединен с входом 67 второй схемы И 57, выход 69 которой через вход 58 второго блока 60 временных функций и его выход 62 соединен с входом 64 схемы ИЛИ 54. Выход 49 третьего датчика 42 предельных значений через третью схему И 53 и ее выход 66 через вход инвертора 68 соединен с входом 70 третьего блока 72 временных функций, выход 74 которого соединен с входом 76 схемы ИЛИ 54. Кроме того, выход 66 третьей схемы или 53 соединен с входом 78 четвертого блока 80 временных функций, выход 82 которого соединен с четвертым входом 84 схемы ИЛИ 54. Три схемы И 50, 57, 53 обеспечивают в качестве блокирования отпирания то, что контролируемый ток зажигания может сравниваться с сохраненными в памяти предельными значениями опорного тока (среднее значение заданного тока) при одинаковых условиях окружающей среды и запускаться в сопоставимые моменты времени. На входы 39, 55 схем И 50, 57, 53 с этой целью включаются соответствующие сигналы для состояний «число оборотов более 5,5 Гц» и «зажигание включено». С помощью условия, что число оборотов ротора больше предельного числа оборотов 5,5 Гц (=5,5 Гц×60 сек=330 мин^-1), может проверяться, находится ли газовая турбина в процессе разгона (число оборотов ротора менее 5,5 Гц) или нет. Сигнал с выхода 93 схемы ИЛИ 54 индицируется оператору газовой турбины. Если имеется сигнал логической «1», то состояние соответствующего воспламенителя 14 индицируется оператору как не работоспособное. Если непосредственно перед проверкой не проводилась автономная промывка компрессора, то это указывает на дефектный воспламенитель 14.

При числе оборотов 6,2 Гц подключением напряжения зажигания («зажигание включено») с помощью переключаемого источника 26 переменного напряжения на трансформатор 24 зажигания запускается способ определения состояния воспламенителя 14, при этом с данного момента времени в каждом датчике 34, 38, 42 предельных значений выполняются сравнения. Сигнал, который обеспечен преобразователем 28 измеряемого тока на его выходе и который представляет ток зажигания первичной стороны, контролируется первым датчиком 34 предельных значений в соединении с блокированием отпирания посредством схемы И 50, а также первым блоком 48 временных функций. В первом датчике 34 предельных значений сохранено по меньшей мере верхнее предельное значение, которое сравнивается с имеющимся на его входе 32 сигналом. Первое предельное значение представляет максимально допустимую величину тока для тока зажигания. Если существующий сигнал выше первого предельного значения, то на выходе 44 первого датчика 34 предельных значений имеется сигнал логической «1», который через схему И 50 от первого блока 48 временных функций передается на его выход 50, если сигнал логической «1» непрерывно приложен в течение минимальной длительности, например, трех секунд на входе первого блока 48 временных функций.

Второй датчик 38 предельных значений, вторая схема И 57 и второй блок 60 временных функций работают аналогичным образом, причем, однако, характеризующий ток зажигания сигнал, приложенный на входе 36 второго датчика 38 предельных значений, сравнивается с сохраненным во втором датчике 38 предельных значений вторым предельным значением, причем второй датчик 38 предельных значений обеспечивает сигнал логической «1» на своем выходе 47, если характеристический сигнал лежит ниже второго предельного значения. Второе предельное значение представляет минимально допустимую величину тока зажигания.

Через вторую схему И 57, а также с помощью второго блока 60 временных функций сигнал логической «1», обеспеченный на выходе 47, подается на схему ИЛИ 54, если он непрерывно существует в течение минимальной длительности, например, трех секунд на входе 58 второго блока 60 временных функций.

Третий датчик 42 предельных значений работает в соединении с третьей схемой И 53, инвертором 68 и третьим и четвертым блоками 72, 80 временных функций также аналогичным способом. Выход 74 третьего блока 72 временных функций и выход 82 четвертого блока 80 временных функций проводят, соответственно, сигнал логического «0», если характеристический сигнал на входе 40 третьего датчика 42 предельных значений не дольше, чем минимальная длительность, например, три секунды, непрерывно существует выше или ниже третьего предельного значения, сохраненного в третьем датчике 42 предельных значений. Третье предельное значение соответствует среднему значению заданного тока, которое лежит посредине между верхним и нижним предельными значениями. Существующий на входе 40 сигнал должен, таким образом, колебаться вокруг третьего предельного значения, чтобы выходы 74, 82 третьего и четвертого блоков 72, 80 временных функций постоянно проводили сигнал логического «0». Если колеблющаяся вокруг третьего предельного значения характеристика тока отсутствует дольше, чем три секунды, то один из обоих блоков 72, 80 временных функций выдает сигнал логической «1».

На выходе 93 схемы ИЛИ 54 может тогда распознаваться состояние воспламенителя 14, причем при выдаче сигнала логической «1» состояние воспламенителя 14 определяется как не работоспособное, а при выдаче сигнала логического «0» - как работоспособное состояние.

При этом предельные значения, сохраненные в трех датчиках 34, 38, 42 предельных значений, могут быть зависимыми от времени, причем предельное значение, сохраненное в первом датчике 34 предельных значений, образует верхнее предельное значение огибающей кривой заданного тока, предельное значение, сохраненное во втором датчике 38 предельных значений, образует нижнее предельное значение огибающей кривой заданного тока, и предельное значение, сохраненное в третьем датчике 42 предельных значений, представляет среднее значение заданного тока, относительно которого обычно колеблется ток зажигания, если имеется работоспособный воспламенитель 14, и напряжение зажигания на остриях 20 электродов генерирует искру 22 зажигания. В этом отношении первый и второй датчики 34, 38 предельных значений выполнены как компараторы предельного значения, а третий датчик 42 предельных значений - как компаратор, который на своем входе 40 контролирует существующий и характеризующий характеристику изменения тока зажигания сигнал на наличие у него колеблющейся характеристики.

На фиг. 2 показана примерная характеристика тока через работоспособный воспламенитель 14 горелки газовой турбины. В соответствии с этим по оси абсцисс нанесено время, а по оси ординат - ток зажигания или величина характеризующего его сигнала.

На фиг. 2 определенная преобразователем 28 измеряемого тока фактическая характеристика тока представлена линией 43. представленная характеристика 43 тока отражает при этом пример характеристики тока, которая имеет место при работоспособных воспламенителях 14.

Характеристика тока была определена при особенно малом числе оборотов ротора, например, 2 Гц, которое возникает перед запуском. Значение 2 Гц соответствует значению 120 оборотов в минуту для числа оборотов ротора. Ввиду сравнительно низкого числа оборотов ротора газовой турбины, относящийся к газовой турбине компрессор засасывает сравнительно малое количество воздуха, из-за чего воздух, прокачиваемый через горелку и через турбину, не оказывает заметного влияния на искру 22 зажигания на острие 20 электродов 16. Если соответствующий изобретению способ выполняется с подобным низким числом оборотов ротора, можно работать с постоянными во времени предельными значениями.

Способ предусматривает применение трех предельных значений. При этом первое предельное значение, которое также может обозначаться как верхнее предельное значение, представляет максимально допустимый ток зажигания воспламенителя 14. Верхняя характеристика предельного значения на фиг. 2 представлена штрих-пунктирной линией и снабжена ссылочной позицией 31. Верхняя характеристика 31 предельного значения, согласно фиг. 2, показывает постоянное во времени предельное значение, которое может быть сохранено в первом датчике 34 предельных значений.

Второе предельное значение, которое также может обозначаться как нижнее предельное значение, представлено штриховой линией. Постоянное во времени предельное значение согласно фиг. 2 представлено посредством нижней характеристики 41 предельного значения. Верхнее предельное значение 31 и нижнее предельное значение 41 образуют при этом огибающую кривую заданного тока или интервал, в котором действительно возникающий ток зажигания при работоспособном воспламенителе 14 должен находиться при низком числе оборотов ротора. Третье, также постоянное во времени предельное значение, которое представляет среднее значение заданного тока, показано на фиг. 2 пунктирной линией 51.

Ввиду сравнительно низкого числа оборотов ротора влияние протекающего мимо концов электродов 16 воздуха на искру 22 зажигания сравнительно мало, так что в датчиках 34, 38, 42 предельных значений можно контролировать работоспособность соответствующего воспламенителя при постоянных предельных значениях 31, 41, 51.

Так как искра 22 зажигания воспламенителя 14 создается как электрическая дуга, ток зажигания и характеризующий его сигнал колеблются относительно третьего предельного значения 51, которое находится посредине между верхним и нижним предельными значениями 31, 41. Если не устанавливается случайным образом колеблющаяся относительно третьего предельного значения 51 характеристика 43 тока для тока зажигания, то это указывает на неработоспособный воспламенитель 14.

Фиг. 3 показывает диаграмму, аналогичную фиг. 2, на которой по оси абсцисс нанесено время, а по оси ординат - ток зажигания. На диаграмме представлено первое, теперь зависимое от времени предельное значение 31. Ссылочной позицией 41 обозначено второе, также зависимое от времени предельное значение, которое представляет нижнюю допустимую границу для тока зажигания в зависимости от времени. При этом зависимое от времени верхнее предельное значение 31 и зависимое от времени нижнее предельное значение 41 образуют огибающую кривую для заданного тока, в которой может изменяться фактически возникающий, но случайный по своей величине ток зажигания, когда воспламенитель 14 является работоспособным. Посредине между верхним предельным значением 31 и нижним предельным значением 41 проходит параллельно к ним характеристика 51 тренда заданного тока, которая также по своей величине является зависимой от времени.

Если соответствующий изобретению способ для определения состояния электрического воспламенителя 14 горелки газовой турбины выполняется во время процесса разгона газовой турбины, при котором число оборотов ротора постоянно повышается, то с помощью теперь зависимых от времени предельных значений можно предложить дополнительно усовершенствованный способ для контроля воспламенителя 14. Ввиду постоянного повышения числа оборотов ротора, который приводится от внешнего вращающего устройства, объем воздуха, всасываемого во время этого компрессором, постоянно увеличивается. При этом всасываемый компрессором воздух также частично направляется мимо воспламенителей 14 горелки газовой турбины, так что условия окружающей среды для искры зажигания при возрастающем направляемом объеме воздуха также постоянно изменяются. Ввиду изменения условий окружающей среды для искры 22 зажигания, также изменяется и ее ток зажигания. Для того чтобы, несмотря на разгон газовой турбины от низкого числа оборотов ротора, например, 2 Гц, до более высокого числа оборотов ротора, например, 7,2 Гц, за десять секунд, иметь возможность проверки воспламенителя 14 на работоспособность, лежащие в основе способа предельные значения 31, 41, 51 в форме зависимых от времени величин сохранены в датчиках 34, 38, 42 предельных значений и положены в основу непрерывно выполняемого в них сравнения. И здесь сравнения выполняются с того момента времени, когда с помощью переключателя переключаемого источника 26 переменного напряжения к трансформатору 24 зажигания прикладывается напряжение зажигания.

Определение предельных значений 31, 41, 51 может осуществляться, например, после отключения газовой турбины, при соответствующем числе оборотов ротора. Для этого однократно или многократно выполняется тестовое зажигание во время пуска газовой турбины, когда все клапаны подачи горючего закрыты и из выпускных отверстий для горючего не поступает горючая смесь или горючее. Для длительности тестового зажигания определяется характеристика тока зажигания, из которой с помощью интерполяции с применением полинома третьей степени может определяться характеристика тренда заданного тока. За счет определения нескольких таких характеристик тренда заданного тока и за счет их усреднения могут исключаться другие случайные влияния. Верхнее предельное значение или верхняя характеристика 31 предельного значения и нижнее предельное значение или нижняя характеристика 41 предельного значения могут тогда определяться путем простого параллельного сдвига, то есть путем суммирования или вычитания допустимого отклонения тока для тока зажигания.

Вместо сравнения, лежит ли фактический ток зажигания внутри огибающей кривой и варьируется ли относительно значения тренда, можно также выполнять сравнение с образцом (эталоном) характеристик тока, чтобы установить, является ли контролируемый с помощью устройства 12 измерения воспламенитель 14 работоспособным или нет.

В соответствии с этим устройство 12 измерения, альтернативно блоку 29 оценки или дополнительно к нему, может содержать устройство 13 для эталонного контроля. Сигнал преобразователя 30 измеряемого тока, характеризующий ток зажигания, может подаваться на вход 61 перезаписываемой памяти 63 значений. С помощью элементов 65 умножения значения тока, сохраненные в памяти 63 значений, или значения, представляющие определенную характеристику тока, умножаются на коэффициент F, если должно осуществляться последующее сравнение сохраненных значений с фактической характеристикой тока, которая определялась при другом числе оборотов ротора, чем то, при котором определялись значения, сохраненные в памяти значений.

С целью определения эталонной характеристики (опорного образца) ток зажигания определяется после отключения газовой турбины (режим постепенной остановки). Трансформатор 24 зажигания затем при постоянном числе оборотов ротора 2 Гц, как только оно достигнуто, включается на десять секунд. В течение этого интервала непрерывно определяется ток зажигания, и его характеристика как зависящие от времени значения сохраняется в памяти 63 значений. Чтобы сохранить имеющиеся на входе Х1 значения, в это время на входе I1 памяти 63 значений прикладывается сигнал логической «1». Условия для выполнения условия наличия сигнала логической «1» на входе I1 связаны через схему И 81: на вход Х подается результат условия «температура выпуска еще больше, чем 100°С?», на вход Z подается результат условия «зажигание включено?», и на вход W - результат условия «промывка перед этим не проводилась?». С помощью этого определения получают характеристику тока зажигания работоспособного воспламенителя 14 при так называемом числе оборотов вращения, равном 2 Гц, ротора при гарантированно сухих условиях, так как засасываемый и подготавливаемый компрессором воздух имеет температуру еще выше 100°С.

Эталонное сравнение может, в частности, выполняться после автономной промывки компрессора. Определенный затем в текущий момент ток зажигания подается через преобразователь 30 измеряемого тока на блок 94 вычитания, чтобы определенный в текущий момент ток зажигания сравнить со значениями, сохраненными в памяти 63 значений, как только приложено напряжение зажигания (Z=сигнал логической «1»), промывка завершена (W=сигнал логической «1»), и вновь достигнуто число оборотов вращения (Y=сигнал логической «1») 2 Гц. Тогда на выходе 95 блока 94 вычитания обеспечивается разностная величина, которая колеблется относительно нулевой точки, если характеристика фактического тока зажигания и характеристика сохраненного тока зажигания сходны, что указывает на работоспособный воспламенитель 14. С помощью четвертого датчика 96 предельных значений, инвертора 97, пятого блока 98 временных функций и шестого блока 99 временных функций могут определяться отклонения от нулевой линии. Если отклонения с одной стороны существуют дольше, чем предопределенный интервал времени, то схемой или 100 посредством выдачи сигнала логической «1» состояние воспламенителя 14 квалифицируется как неработоспособное.

Если способность зажигания соответствующего воспламенителя 14 за счет воды, проникшей при автономной промывке компрессора, подвергается негативному воздействию, то могут возникать короткие замыкания, которые обуславливают постоянное протекание тока, который не колеблется относительно линии тренда, а также, при обстоятельствах, может оказаться намного ниже или выше нижнего предельного значения или верхнего предельного значения. За счет коротких замыканий отсутствует напряжение зажигания, создаваемое на остриях 20 электродов, из-за чего искра зажигания также отсутствует. К тому же отсутствует влияние, оказываемое потоком воздушной массы, из-за чего отсутствует чередующаяся (знакопеременная) характеристика сигнала.

Если, например, газовая турбина оснащена несколькими горелками, причем каждая горелка имеет соответствующий ей воспламенитель 14, и при этом горелки сообщаются с общим пространством камеры сгорания в форме кольцевой камеры сгорания, то запуск газовой турбины, который отождествляется с открытием клапанов горючего, можно отменить, если после программы промывки установлено, что так много воспламенителей 14 из-за влажности испытывают негативное воздействие, что вероятным является неудачный запуск газовой турбины. Если этот случай неисправности может быть установлен с помощью устройств 10 зажигания, то запуск газовой турбины можно отложить. Затем электроды 16 зажигания за счет предварительного нагрева можно высушить. Предварительный нагрев может быть реализован, например, путем включения трансформатора 24 зажигания на интервал, например, 30 секунд. В качестве альтернативы или дополнительно к этому, за счет увеличения потока воздушной массы (продувка котла) может вводиться сушка, вероятно, еще влажных воспламенителей. Если при последующем повторном тестовом зажигании или тестовом измерении распознается достаточное количество работоспособных воспламенителей, например 76% от числа воспламенителей, то газовая турбина может запускаться без риска неудачного запуска ввиду проблем с воспламенителями.

В целом, изобретением предлагается способ для определения состояния электрического воспламенителя 14 горелки газовой турбины, а также устройство 12 измерения и устройство 10 зажигания для горелки газовой турбины, посредством которого можно предотвратить неудачный запуск газовой турбины ввиду неработоспособных воспламенителей. Способ предусматривает, что зависимый от времени сигнал, характеризующий ток зажигания воспламенителя 14, сравнивается с верхним предельным значением и с нижним предельным значением, и одновременно характеристический сигнал сопоставляется со средним значением заданного тока, относительно которого ток зажигания при работоспособном воспламенителе 14 должен колебаться случайным образом.

Изобретение относится к способу определения состояния электрического воспламенителя (14) горелки газовой турбины, а также к устройству (12) измерения и устройству (10) зажигания, посредством которых можно предотвратить неудачный старт газовой турбины из-за неработоспособных воспламенителей. Технический результат - контроль процесса зажигания газовой турбины, тем самым предотвращение неудачного запуска газовой турбины. Способ предусматривает, что зависимый от времени, характеризующий ток зажигания воспламенителя (14) сигнал сравнивается с верхним предельным значением и нижним предельным значением, и одновременно характеристический сигнал сравнивается со средним значением заданного тока, относительно которого должен случайным образом колебаться ток зажигания при работоспособном воспламенителе (14). 3 н. и 21 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ определения состояния электрического воспламенителя (14) горелки газовой турбины, при котором на первом этапе сравнивают зависимый от времени, характеризующий ток зажигания воспламенителя (14) сигнал с верхним предельным значением и нижним предельным значением, отличающийся тем, что
характеристический сигнал описывает величину тока зажигания, и на следующем этапе характеристический сигнал сравнивают со средним значением заданного тока,
причем верхнее предельное значение и нижнее предельные значение, с образованием огибающей кривой заданного тока, и/или среднее значение заданного тока, с образованием характеристики (51) тренда заданного тока, являются, соответственно, зависимыми от времени.

2. Способ по п.1, при котором состояние воспламенителя (14) определяют как неработоспособное, если характеристический сигнал в течение первой минимальной длительности лежит за пределами интервала, образованного верхним предельным значением и нижним предельным значением.

3. Способ по п.1 или 2, при котором состояние воспламенителя (14) определяют как неработоспособное, если характеристический сигнал в течение второй минимальной длительности не колеблется относительно среднего значения заданного тока или характеристики (51) тренда заданного тока.

4. Способ по п.1 или 2, при котором для формирования напряжения зажигания электродов (16) зажигания предусмотрен трансформатор (24) зажигания, при этом ток первичной стороны трансформатора (24) зажигания определяется как ток зажигания.

5. Способ по п.3, при котором для формирования напряжения зажигания электродов (16) зажигания предусмотрен трансформатор (24) зажигания, при этом ток первичной стороны трансформатора (24) зажигания определяется как ток зажигания.

6. Способ по любому из пп.1, 2, 5, при котором сравнения выполняют посредством нескольких эталонных сравнений характеристик тока.

7. Способ по п.3, при котором сравнения выполняют посредством нескольких эталонных сравнений характеристик тока.

8. Способ по п.4, при котором сравнения выполняют посредством нескольких эталонных сравнений характеристик тока.

9. Способ по любому из пп.1, 2, 5, 7, 8, который выполняется во время вращения ротора газовой турбины или перед запуском газовой турбины.

10. Способ по п.3, который выполняется во время вращения ротора газовой турбины или перед запуском газовой турбины.

11. Способ по п.4, который выполняется во время вращения ротора газовой турбины или перед запуском газовой турбины.

12. Способ по п.6, который выполняется во время вращения ротора газовой турбины или перед запуском газовой турбины.

13. Способ по любому из пп.1, 2, 5, 7, 8, 10-12, при котором число оборотов ротора изменяется.

14. Способ по п.3, при котором число оборотов ротора изменяется.

15. Способ по п.4, при котором число оборотов ротора изменяется.

16. Способ по п.6, при котором число оборотов ротора изменяется.

17. Способ по п.9, при котором число оборотов ротора изменяется.

18. Способ по любому из пп.1, 2, 5, 7, 8, 10-12, 14-17, при котором заранее определяют характеристику тока работоспособного воспламенителя (14), из которой определяют характеристику (51) тренда заданного тока.

19. Способ по п.18, при котором характеристику тока работоспособного воспламенителя (14) определяют после отключения газовой турбины.

20. Способ по любому из пп.1, 2, 5, 7, 8, 10-12, 14-17, при котором на дополнительном этапе определяют число работоспособных воспламенителей горелок газовой турбины, и это число сравнивают с заданным минимальным числом работоспособных воспламенителей,
причем если минимальное число воспламенителей, которое меньше, чем число воспламенителей или горелок, распознаются как работоспособные, то на следующем по времени этапе подача горючего к этому числу горелок газовой турбины отпирается.

21. Устройство (12) измерения для определения состояния электрического воспламенителя (14) горелки газовой турбины, содержащее
датчик (28) для инициируемого по времени определения тока электрического воспламенителя (14) горелки газовой турбины и связанное с датчиком (28) устройство (29) оценки с по меньшей мере одной памятью и с по меньшей мере одним средством для сравнения предоставленного датчиком (28) сигнала с по меньшей мере одним сохраненным в памяти предельным значением, причем в устройстве (29) оценки сохранены три различные по своей величине значения, и предусмотрены три средства для сравнения сигнала с соответствующим одним из трех значений,
отличающееся тем, что
два из трех зависимых от времени предельных значений образуют огибающую кривую (31, 41), и два из трех средств выполнены как компараторы предельных значений, и
причем одно из трех значений выполнено как зависимая от времени характеристика (51) тренда заданного тока, и одно из трех средств выполнено как компаратор, который контролирует сигнал на наличие характеристики, колеблющейся относительно характеристики тренда заданного тока.

22. Устройство (12) измерения по п.21, в котором огибающая кривая (31, 41) и/или характеристика (51) тренда заданного тока сохранена(ы) в форме характеристики или в табличной форме.

23. Устройство (10) зажигания для горелки газовой турбины, содержащее
воспламенитель (14), содержащий два расположенных противоположно друг другу электрода (16), причем между их остриями (20) электродов может генерироваться искра (22) зажигания посредством напряжения зажигания, и
трансформатор (24) зажигания для формирования напряжения зажигания, причем трансформатор (24) зажигания на вторичной стороне электрически соединен с электродами (16),
отличающееся тем, что
устройство (10) зажигания содержит устройство (12) измерения для определения состояния электрического воспламенителя (14) горелки газовой турбины по любому из пп.21 и 22.

24. Устройство (10) зажигания по п.23, в котором датчик (28) устройства (12) измерения размещен на первичной стороне трансформатора (24) зажигания.