СПОСОБ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ СКЛОННОСТИ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ К ГУДЕНИЮ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОВОЙ ТУРБИНОЙ Российский патент 2015 года по МПК F23R3/00 F23N5/24 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к способу диагностирования склонности камеры сгорания к гудению и к способу управления газовой турбиной с камерой сгорания для предотвращения ее гудения.

Уровень техники

При сгорании топливно-воздушной смеси в камере сгорания, в частности в камере сгорания газовой турбины, могут возникать колебания при горении. Возникновение колебаний при горении известно и как «гудение камеры сгорания». В частности, камера сгорания газовой турбины склонна к гудению, когда газовая турбина эксплуатируется с высокой температурой на ее входе, чтобы достичь ее высокого термического кпд. Высокая температура на входе газовой турбины может достигаться за счет соответственно высокой температуры горения в камере сгорания, из-за чего последняя склонна к гудению. При гудении камеры сгорания периодически возникают коррелированные флуктуации превращений при горении и статического давления в камере сгорания, причем скорости горения основаны на взаимодействии протекающей в камере сгорания топливно-воздушной смеси с превращением в пламени в данный момент. За счет изменения превращения, вызванного, например, увеличением подачи топлива в камеру сгорания, могут возникать колебания давления, которые, в свою очередь, могут приводить к изменению превращения и, тем самым, к образованию стабильного колебания давления. Колебания при горении вызывают повышенные механическую и термическую нагрузки на конструкцию камеры сгорания и ее подвеску. Колебания при горении могут возникать внезапно такой интенсивности, что сама конструкция камеры сгорания или другие компоненты газовой турбины могут быть повреждены. При возникновении таких рабочих состояний газовая турбина обычно разгружается с высоким нагрузочным градиентом, в результате чего, как недостаток, уменьшается ее выходная мощность.

В этом случае помощь может оказать эксплуатация газовой турбины с достаточным расстоянием от границы самовозбужденных колебаний при горении. Например, из-за изменяющихся окружающих условий граница самовозбужденных колебаний при горении может, однако, неблагоприятно смещаться, так что для максимально неблагоприятных окружающих условий приходится соблюдать достаточное расстояние от границы самовозбужденных колебаний при горении. При этом недостаток в том, что тем самым приходится ограничивать верхний диапазон мощности газовой турбины, в котором ее нельзя эксплуатировать.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является создание способа диагностирования склонности камеры сгорания к гудению, способа управления работой газовой турбины с камерой сгорания и устройства управления работой газовой турбины, причем этим способом камера сгорания может эксплуатироваться с достаточно низкой склонностью к гудению.

Способ диагностирования склонности камеры сгорания к гудению в рабочем состоянии включает в себя следующие этапы:

- эксплуатацию камеры сгорания в рабочем состоянии;

- регистрацию термоакустической величины газового объема камеры сгорания и/или величины, колебаний конструкции камеры сгорания в рабочем состоянии и определение параметрической величины по термоакустической величине и/или по величине колебаний;

- определение спектра параметрической величины в рабочем состоянии в виде ее амплитудной характеристики в зависимости от времени;

- идентификацию первого и второго резонансов параметрической величины с помощью спектра;

- определение амплитудных значений первого и второго резонансов;

- расчет значения соотношения от деления амплитудных значений первого и второго резонансов в качестве параметра стабильности;

- определение нижнего и/или верхнего значения расстояния, на которое параметр стабильности лежит выше нижнего заданного порогового значения и/или ниже верхнего заданного порогового значения, причем пороговые значения выбраны таким образом, что в случае эксплуатации камеры сгорания в рабочем состоянии еще с допустимо высокой склонностью к гудению параметр стабильности в этом рабочем состоянии имеет одно из пороговых значений;

- квалификацию склонности к гудению посредством нижнего и/или верхнего значения расстояния.

Пороговые значения могут выбираться в зависимости от рабочего состояния или окружающих условий. Величина амплитудных значений параметрической величины умеренно изменяется с нагрузкой на камеру сгорания и является лишь условно информативной для диагностирования склонности камеры сгорания к гудению. Достижение границы гудения часто характеризуется тем, что амплитудные значения внезапно очень резко возрастают. Следовательно, по умеренной сначала характеристике амплитудных значений нельзя обнаружить, что камера сгорания опасно приближается к границе гудения. Если затем после достижения границы гудения амплитуды резко возрастают (как правило, в доли секунды), то газовая турбина может быть защищена от повреждений только за счет принятия жестких, с точки зрения эксплуатационника невыгодных мер, т.е., например, мгновенного заметного снижения нагрузки. Здесь помощь может оказать изобретение: приближение к границе гудения в определенных случаях обнаруживается по изменению формы спектра параметрической величины. Так, например, для квалификации склонности к гудению можно было бы привлечь соотношение амплитуд двух частотных полос. Если при возрастании нагрузки соотношение амплитуд остается постоянным (несмотря на возрастание абсолютных амплитудных значений), то опасности нет. Если же соотношение изменяется, то камера сгорания приближается к границе гудения или удаляется от нее. За счет квантификации склонности к гудению можно обнаружить тенденцию приближения к границе гудения и тем самым своевременно принять ответные меры, что препятствует достижению границы гудения с его негативными последствиями для эксплуатации.

Предпочтительно, что параметр стабильности рассчитывается с помощью значения соотношения от деления амплитудных значений первого и второго резонансов. По мере возрастания нагрузки на камеру сгорания смещаются частотные положения резонансов, причем для данной камеры сгорания, например, экспериментальным путем могут быть заданы полосы частот, в которых при работе камеры сгорания возникают резонансы. Для простой идентификации резонансов можно, тем самым, исследовать, в частности, эти полосы частот, так что не требуется сканировать весь частотный диапазон спектра.

Предпочтительно параметр стабильности образуют в виде логарифма значения соотношения. Далее предпочтительно, что параметр стабильности демпфируется по времени с помощью демпфирующей функции. Таким образом, можно предпочтительно ограничить чрезмерные неустановившиеся изменения параметра стабильности. Например, демпфирующая функция может быть образована так, что в момент n параметр стабильности образуют из среднеарифметического значения соотношения в момент n и значения соотношения в момент n-1.

Предпочтительно, что параметрическая величина измеряется в нескольких местах и для каждого места определяется локальный спектр, причем локальные спектры имеют огибающую, используемую в качестве спектра. Образованный огибающей спектр представляет все определяемое пространственными неоднородностями рабочее состояние камеры сгорания. За счет этого можно предпочтительно оценить склонность камеры сгорания к гудению в рабочем состоянии, в котором камера сгорания нагружена пространственно однородно. Камера сгорания выполнена предпочтительно в виде кольцевой камеры сгорания вращательно-симметрично вокруг оси и имеет несколько мест, в которых измеряются параметрические величины, причем число мест измерений уменьшено с использованием симметрии форм колебаний. Далее предпочтительно, что параметрической величиной является звуковое давление в камере сгорания и/или ускорение ее конструкции.

Предложенный способ управления работой газовой турбины с камерой сгорания включает в себя следующие этапы:

- осуществление описанного способа диагностирования склонности камеры сгорания газовой турбины к гудению во время ее работы;

- уменьшение выходной мощности газовой турбины, как только квалификация склонности к гудению покажет, что параметр стабильности достиг, по меньшей мере, одного из пороговых значений.

Таким образом, параметр стабильности может использоваться для эксплуатации газовой турбины непосредственно в качестве регулируемой величины. Нагрузка на газовую турбину в данный момент находится в непосредственной корреляции с параметром стабильности, так что с его помощью можно регулировать мощность газовой турбины в отношении предотвращения гудения камеры сгорания.

Способ управления работой газовой турбины включает в себя также следующий этап: как только квалификация склонности к гудению покажет, что параметр стабильности достиг заданного значения расстояния, по меньшей мере, до одного из пороговых значений, управление работой газовой турбины осуществляется таким образом, что склонность к гудению снижается. За счет этого предпочтительно перед наступлением недопустимо высокой склонности к гудению можно предотвратить снижение мощности газовой турбины, что обеспечивает ее максимально непрерывную работу. Предпочтительно, что для снижения склонности к гудению в качестве меры понижают температуру на выходе турбины за счет изменения массового потока воздуха из компрессора в камеру сгорания в качестве регулирующей величины по сравнению с ее заданным значением и/или изменяют температуру подаваемого в камеру сгорания топлива в качестве регулирующей величины по сравнению с ее заданным значением и/или изменяют пространственное распределение подачи топлива в камеру сгорания в качестве регулирующей величины по сравнению с ее заданным значением и/или в случае нескольких ступеней горелок изменяют распределение по различным ступеням горелок в качестве регулирующей величины по сравнению с ее заданным значением. После манипуляции с регулирующей величиной и как только квантификация склонности к гудению покажет, что она еще уменьшилась, регулирующую величину предпочтительно возвращают к ее заданному значению.

Далее способ управления работой газовой турбины включает в себя также следующий этап: как только квантификация склонности к гудению покажет, что параметр стабильности достиг заданного и представляющего низкую склонность к гудению значения расстояния, по меньшей мере, до одного из пороговых значений, управление работой газовой турбины осуществляется таким образом, что ее работа оптимизируется, в частности, в отношении выходной мощности, токсичных выбросов и/или расхода топлива.

Краткое описание чертежей

Ниже предпочтительный вариант способа диагностирования склонности камеры сгорания к гудению и способы управления работой газовой турбины поясняется со ссылкой на прилагаемые схематичные чертежи, на которых изображают:

- фиг. 1: диаграмму спектра параметрической величины камеры сгорания в разных рабочих состояниях;

- фиг. 2: диаграмму временной характеристики параметра стабильности при возрастании температуры на входе турбины;

- фиг. 3: диаграмму характеристики управления газовой турбиной при неблагоприятном изменении окружающих условий;

- фиг. 4: диаграмму характеристики управления газовой турбиной при возрастании мощности.

Осуществление изобретения

На фиг. 1 изображена система координат, в которой нанесены спектры 1, 1′, 1′′. Ось 4 абсцисс показывает частоту в Гц, а ось 5 ординат - амплитуду в виде безразмерной величины. Спектрами 1, 1′, 1′′ являются амплитудные характеристики параметрической величины в зависимости от частоты. Параметрической величиной является звуковое давление в камере сгорания, возникающее при ее работе. Звуковое давление в камере сгорания может измеряться, например, с помощью одного или нескольких микрофонов в ней.

Спектр 1 возникает, когда склонность камеры сгорания к гудению низкая. Если рабочее состояние камеры сгорания изменяется таким образом, что склонность к гудению повышается, то спектр 1 изменяется в спектр 1'. Если рабочее состояние камеры сгорания продолжает изменяться таким образом, что склонность к гудению повышается и попадает в еще допустимый предельный диапазон, то спектр 1' изменяется в спектр 1''. В качестве первого резонанса спектры 1, 1', 1'' имеют первый амплитудный максимум 2, 2', 2'', а в качестве второго резонанса - второй амплитудный максимум 3, 3', 3''.

В качестве параметра стабильности для квалификации склонности камеры сгорания к гудению образуют натуральный логарифм соотношения первого 2, 2', 2'' и второго 3, 3', 3'' амплитудных максимумов.

На фиг.2 изображена система координат, на абсциссе 8 которой нанесено время от 0 до 2 минут. В качестве левой ординаты 6 нанесен параметр стабильности, а в качестве правой ординаты 7 - температура на выходе турбины. В момент 0 минут кривая 10 температуры на выходе турбины составляет 579°C. Из этого следует рабочее состояние в камере сгорания, в которой господствует звуковое давление, чей спектр 1 изображен на фиг.1. С первым 2 и вторым 3 амплитудными максимумами для спектра 1 возникает параметр стабильности 6 на отметке 0,6, как это показано на диаграмме на фиг.2 кривой 9 в момент 0 минут. Если для работы газовой турбины температура на выходе турбины повышается, как это показано на фиг.2 кривой 10, то через 0,75 минуты возникает рабочее состояние в камере сгорания, в которой господствует звуковое давление в соответствии со спектром 1' на фиг.1. Из спектра 1' с первым 2' и вторым 3' амплитудными максимумами возникает параметр стабильности 6 на отметке 0,3, как это показано на фиг.2 кривой 9 в момент 0,75 минуты. Наконец, характеристика температуры 10 на выходе турбины возрастает до первого уровня 11. Как показано на фиг.2, кривая 9 параметра стабильности 6 в зависимости от времени падает, что является признаком возрастающей в зависимости от времени склонности камеры сгорания к гудению.

На фиг.2 показана также кривая ускорения 14 конструкции камеры сгорания, которое вплоть до возрастания температуры 10 на выходе турбины до первого уровня 11, в основном, постоянное. Если температура 10 на выходе турбины возрастает до второго уровня 12, то кривая 9 параметра стабильности 6 продолжает падать и в камере сгорания возникает гудение. Следствием гудения является то, что самовозбужденные колебания при горении возбуждают сильные колебания конструкции камеры сгорания, в результате чего ускорение 14 внезапно возрастает до пика 15. Пик 15 ускорения настолько высокий, что следует опасаться повреждения конструкции камеры сгорания. Поэтому для предотвращения ее повреждения газовая турбина выключается, что обозначено быстрым падением кривой 10 температуры на выходе турбины.

На диаграмме на фиг.2 пороговое значение 16 параметра стабильности 6 лежит на отметке 0,1. Кривая 9 параметра стабильности 6 не достигает (обозначено поз.17) порогового значения 16 в первый момент 18, составляющий 1,55 минуты. Первый момент 18 смещен назад на 15 секунд относительно второго момента 19, в который возникает пик 15 ускорения. Если при работе газовой турбины параметр стабильности 6 не достигает порогового значения 16, то остается время реакции 15 секунд, в течение которого работа газовой турбины должна быть изменена таким образом, чтобы можно было избежать гудения камеры сгорания и, тем самым, быстрого выключения газовой турбины.

Диаграммы на фиг.3 и 4 аналогичны диаграмме на фиг.2 и иллюстрируют работу газовой турбины с целью предотвращения гудения камеры сгорания. Ее склонность к гудению может повышаться, например, за счет того, что в компрессоре газовой турбины соотношение давлений уменьшается из-за износа или загрязнения. Кроме того, склонность камеры сгорания к гудению может повышаться за счет того, что при работе газовой турбины повышаются окружающая температура и, тем самым, температура на входе компрессора. Например, пусть газовая турбина эксплуатируется при уровне температуры на ее выходе, как это обозначено кривой 10 в начале абсциссы. Будучи вызвана, например, одним из упомянутых влияний, склонность камеры сгорания к гудению повышается, так что кривая 9 параметра стабильности 6 падает. Без вмешательства в работу газовой турбины этот процесс продолжался бы до тех пор, пока камера сгорания не начала гудеть. На фиг.3 второе пороговое значение 16' лежит на отметке 0,2, т.е. выше первого порогового значения 16 на отметке 0,1. Как только кривая 9 параметра стабильности 6 достигает порогового значения 16', с помощью регулятора подача топлива в камеру сгорания в третий момент 20 уменьшается таким образом, что в течение 3 секунд в четвертый момент 21 кривая 10 температуры 7 на выходе турбины падает на 1К. За счет этого падение кривой 9 параметра стабильности 6 замедляется, и она возрастает, так что кривая 9 параметра стабильности 6 снова превышает пороговое значение 16' в пятый момент 22. Например, для уменьшения гудения камеры сгорания снижения температуры 7 на выходе турбины недостаточно, чтобы достичь достаточно большого расстояния до гудения камеры сгорания. После пятого момента 22 кривая 9 параметра стабильности 6 снова падает и не достигает порогового значения 16'. В качестве аналогичной третьему моменту 20 меры кривая 10 температуры 7 на выходе турбины еще раз понижается на 1К, в результате чего падение кривой 9 параметра стабильности 6 снова замедляется, и она возрастает, пока, наконец, кривая 9 параметра стабильности 6 не превысит порогового значения 16'.

Кривая 9 параметра стабильности 6 возрастает до тех пор, пока пороговое значение 16'' не достигнет отметки 0,4. В этом рабочем состоянии склонность камеры сгорания к гудению считается небольшой, так что постепенно уровень температуры 7 на выходе турбины может быть снова поднят в отношении ее кривой 10 до первоначального уровня. За счет этих вмешательств в управление работой газовой турбины предотвращается гудение камеры сгорания, причем, тем не менее, достигается высокая отдача мощности газовой турбиной.

На диаграмме на фиг.4 показана работа газовой турбины, при которой должно достигаться возрастание ее выходной мощности за счет повышения температуры 10 на выходе турбины. За счет повышения кривой 10 температуры на выходе турбины кривая 9 параметра стабильности 6 падает, пока он не достигнет порогового значения 16'. Понижение рампообразной кривой 10 температуры 7 на выходе турбины на 1К предотвращает достижение параметром стабильности 6 порогового значения 16. Если бы понижения температуры 7 на выходе турбины на 1К не произошло, то кривая 9' параметра стабильности 6 имела бы такой вид, что произошло достижение порогового значения 16 на отметке 0,1, в результате чего в случае этого понижения 17 следовало бы произвести быстрое выключение газовой турбины. За счет понижения кривой 10 температуры 7 на выходе турбины на 1К падение кривой 9 параметра стабильности 6 снова замедляется, и она возрастает, так что, наконец, кривая 9 параметра стабильности 6 превышает пороговое значение 16' на отметке 0,2, а затем превышает пороговое значение 16'' на отметке 0,4. В этом рабочем состоянии склонность камеры сгорания к гудению считается небольшой, так что температура 7 на выходе турбины посредством кривой 10 на фиг.4 может быть повышена до соответственно необходимого уровня 10', причем склонность камеры сгорания к гудению всегда остается настолько небольшой, что быстрого выключения газовой турбины не требуется.

Способ диагностирования склонности камеры сгорания к гудению в рабочем состоянии, включающий следующие этапы: эксплуатацию камеры сгорания в рабочем состоянии; регистрацию термоакустической величины газового объема камеры сгорания и/или величины колебаний конструкции камеры сгорания в рабочем состоянии и определение параметрической величины по термоакустической величине и/или по величине колебаний; определение спектра параметрической величины в рабочем состоянии в виде ее амплитудной характеристики в зависимости от времени; идентификацию первого и второго резонансов параметрической величины с помощью спектра; определение амплитудного значения первого резонанса и амплитудного значения второго резонанса; расчет параметра стабильности в качестве функции амплитудного значения первого резонанса и амплитудного значения второго резонанса; определение нижнего и/или верхнего значения расстояния, на которое параметр стабильности лежит выше нижнего заданного порогового и/или ниже верхнего заданного порогового значения. Пороговые значения выбраны таким образом, что в случае эксплуатации камеры сгорания в рабочем состоянии с еще допустимо высокой склонностью к гудению параметр стабильности в этом рабочем состоянии имеет одно из пороговых значений. Определяют квантификацию склонности к гудению посредством нижнего и/или верхнего значения расстояния. При этом параметрической величиной является звуковое давление в камере сгорания, измеряемое с помощью, по меньшей мере, одного микрофона. Изобретение направлено на создание способа диагностирования, при котором камера сгорания может эксплуатироваться с достаточно низкой склонностью к гудению. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ диагностирования склонности камеры сгорания к гудению в рабочем состоянии, включающий следующие этапы:
- эксплуатацию камеры сгорания в рабочем состоянии;
- регистрацию термоакустической величины газового объема камеры сгорания и/или величины колебаний конструкции камеры сгорания в рабочем состоянии и определение параметрической величины по термоакустической величине и/или по величине колебаний;
- определение спектра (1, 1′, 1′′) параметрической величины в рабочем состоянии в виде ее амплитудной характеристики в зависимости от времени;
- идентификацию первого и второго резонансов параметрической величины с помощью спектра (1, 1′, 1′′);
- определение амплитудного значения (2, 2′, 2′′) первого резонанса и амплитудного значения (3, 3′, 3′′) второго резонанса;
- расчет параметра стабильности (9, 9′) в качестве функции амплитудного значения (2, 2′, 2′′) первого резонанса и амплитудного значения (3, 3′, 3′′) второго резонанса;
- определение нижнего и/или верхнего значения расстояния, на которое параметр стабильности (9, 9′) лежит выше нижнего заданного порогового значения (16) и/или ниже верхнего заданного порогового значения, причем пороговые значения (16) выбраны таким образом, что в случае эксплуатации камеры сгорания в рабочем состоянии с еще допустимо высокой склонностью к гудению параметр стабильности (9, 9′) в этом рабочем состоянии имеет одно из пороговых значений (16);
- квантификацию склонности к гудению посредством нижнего и/или верхнего значения расстояния,
причем параметрической величиной является звуковое давление в камере сгорания, измеряемое с помощью, по меньшей мере, одного микрофона.

2. Способ по п. 1, при котором параметр стабильности (9, 9′) вычисляют со значением соотношения от деления амплитудного значения (2, 2′, 2′′) первого резонанса и амплитудного значения (3, 3′, 3′′) второго резонанса.

3. Способ по п. 1 или 2, при котором параметр стабильности (9, 9′) образуют в виде логарифма значения соотношения.

4. Способ по п. 1 или 2, при котором параметр стабильности (9, 9′) демпфируют в зависимости от времени с помощью демпфирующей функции.

5. Способ по п. 1 или 2, при котором в нескольких местах параметрическую величину измеряют одновременно и для каждого места определяют локальный спектр, причем локальные спектры имеют огибающую, которую используют в качестве спектра (1, 1′, 1′′).

6. Способ по п. 5, при котором камера сгорания выполнена в виде кольцевой камеры сгорания вращательно-симметрично вокруг оси и имеет несколько мест, в которых измеряют параметрические величины, причем число мест измерений уменьшено с использованием симметрии форм колебаний.

7. Способ по п. 3, при котором параметр стабильности (9, 9′) демпфируют в зависимости от времени с помощью демпфирующей функции.

8. Способ по п. 7, при котором в нескольких местах параметрическую величину измеряют одновременно и для каждого места определяют локальный спектр, причем локальные спектры имеют огибающую, которую используют в качестве спектра (1, 1′, 1′′).

9. Способ управления работой газовой турбины с камерой сгорания, включающий следующие этапы:
- осуществление способа диагностирования склонности камеры сгорания газовой турбины к гудению во время ее работы по любому из пп. 1-8;
- уменьшение выходной мощности газовой турбины, как только квантификация склонности к гудению покажет, что параметр стабильности (9, 9′) достиг, по меньшей мере, одного из пороговых значений (16).

10. Способ по п. 9, при котором параметр стабильности используют непосредственно в качестве регулируемой величины для работы газовой турбины.

11. Способ по п. 10, при котором нагрузка на газовую турбину в данный момент находится в прямой корреляции с параметром стабильности, причем с помощью параметра стабильности осуществляют регулирование мощности газовой турбины в отношении предотвращения гудения камеры сгорания.

12. Способ по любому из пп. 9-11, который включает этап управления работой газовой турбины таким образом, что склонность к гудению снижается, как только квалификация склонности к гудению покажет, что параметр стабильности (9, 9′) достиг заданного значения (16′) расстояния, по меньшей мере, до одного из пороговых значений (16).

13. Способ по п. 12, при котором для снижения склонности к гудению в качестве меры понижают температуру (10) на выходе турбины за счет изменения массового потока воздуха из компрессора в камеру сгорания в качестве регулирующей величины по сравнению с ее заданным значением (10′) и/или изменяют температуру подаваемого в камеру сгорания топлива в качестве регулирующей величины по сравнению с ее заданным значением и/или изменяют пространственное распределение подачи топлива в камеру сгорания в качестве регулирующей величины по сравнению с ее заданным значением.

14. Способ по п. 13, при котором в случае нескольких ступеней горелок изменяют распределение по различным ступеням горелок в качестве регулирующей величины по сравнению с ее заданным значением.

15. Способ по п. 14, при котором после манипуляции с регулирующей величиной (10) и как только квантификация склонности к гудению покажет, что она еще уменьшилась, регулирующую величину (10) предпочтительно возвращают к ее заданному значению (10′).

16. Способ по п. 12, который включает следующий этап: как только квантификация склонности к гудению покажет, что параметр стабильности (9, 9′) достиг заданного и представляющего низкую склонность к гудению значения (16′′) расстояния, по меньшей мере, до одного из пороговых значений (16), работой газовой турбины управляют с возможностью ее оптимизации, в частности, в отношении выходной мощности, токсичных выбросов и/или расхода топлива.