КАМЕРА СГОРАНИЯ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ, ГАЗОВАЯ ТУРБИНА И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ КАМЕРОЙ СГОРАНИЯ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ Российский патент 2019 года по МПК F23R3/32 F02C9/00 

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Область техники, к которой относится изобретение

[0001] Настоящее изобретение относится к камере сгорания газовой турбины, газовой турбине и способу управления камерой сгорания газовой турбины.

2. Описание известного уровня техники

[0002] В последнее время для того, чтобы газовая турбина, оборудованная компрессором, камерой сгорания, турбиной и т.п., соответствовала экологическим нормам и социальным требованиям, необходимо дополнительное повышение эффективности и снижение выбросов оксидов азота (NO_x). Хотя в качестве способа повышения эффективности газовой турбины известен способ, включающий в себя увеличение температуры пламени в камере сгорания для повышения температуры газа сгорания на входе газовой турбины, в связи с повышением температуры пламени могут увеличиваться выбросы оксидов азота (NO_x).

[0003] С другой стороны, в качестве камеры сгорания, предотвращающей выбросы оксидов азота (NO_x), известна камера сгорания, которая применяет сжигание с предварительным смешиванием (далее называемая камерой сгорания с предварительным смешиванием) (смотри JP-2016-035358-A). Сжигание с предварительным смешиванием представляет собой схему сжигания, предусматривающую подачу топливно-воздушной смеси, полученной путем предварительного смешивания топлива и воздуха в камере предварительного смешивания, в секцию камеры сгорания и сжигание топливно-воздушной смеси. Сжигание с предварительным смешиванием имеет преимущество, заключающееся в том, что подача топлива и воздуха в секцию камеры сгорания после смешивания топлива и воздуха обеспечивает равномерную температуру пламени в секции камеры сгорания, что предотвращает выбросы оксидов азота (NO_x) в камере сгорания.

[0005] В камере сгорания с предварительным смешиванием часто возникает явление (так называемая вспышка), когда увеличение температуры воздуха, смешанного с топливом, или увеличение содержания водорода в топливе вызывает увеличение скорости горения, что приводит к обратному потоку пламени из секции камеры сгорания в камеру предварительного смешивания. Также часто происходит явление, когда летучий объект, сопровождающий воздух горения, подаваемый из компрессора, или топливо, подаваемое в камеру сгорания, воспламеняется, и в камере предварительного смешивания возникает пламя. Возникновение обратного потока пламени в камеру предварительного смешивания или возникновение пламени в камере предварительного смешивания по некоторой причине вызывает нагревание газа сгорания, что может привести к увеличению тепловой нагрузки, оказываемой на конструкцию, расположенную после камеры предварительного смешивания. В случае возникновения пламени в камере предварительного смешивания, пламя в камере предварительного смешивания может быть погашено, например, путем уменьшения расхода топлива для сжигания с предварительным смешиванием. Для автоматизации этой операции гашения необходимо обнаружение возникновения пламени в камере предварительного смешивания. Кроме того, простое уменьшение расхода топлива для сжигания с предварительным смешиванием, связанное с гашением в камере предварительного смешивания, вызывает снижение выходной мощности газовой турбины.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0006] Задача настоящего изобретения заключается в обеспечении камеры сгорания газовой турбины, газовой турбины и способа управления камерой сгорания газовой турбины, которые позволяют быстро погасить пламя в камере предварительного смешивания и предотвратить снижение выходной мощности газовой турбины, связанное с гашением.

[0007] Для решения этой задачи камера сгорания газовой турбины в соответствии с настоящим изобретением представляет собой камеру сгорания газовой турбины, включающую в себя: диффузионную горелку по схеме диффузионного сжигания; диффузионный газорегулирующий клапан, обеспеченный в диффузионной топливной системе для диффузионной горелки; горелку предварительного смешивания по схеме сжигания с предварительным смешиванием; по меньшей мере один газорегулирующий клапан предварительного смешивания, обеспеченный в топливной системе предварительного смешивания для горелки предварительного смешивания; жаровую трубу камеры сгорания, которая образует секцию камеры сгорания, расположенную ниже по потоку от диффузионной горелки и горелки предварительного смешивания в направлении впрыска топлива; и устройство управления, которое управляет диффузионным газорегулирующим клапаном и газорегулирующим клапаном предварительного смешивания, причем горелка предварительного смешивания включает в себя: жаровую трубу горелки, которая окружает диффузионную горелку; корпус горелки, который окружает жаровую трубу горелки; множество лопаток, которые делят цилиндрическое пространство между жаровой трубой горелки и корпусом горелки на множество камер предварительного смешивания, расположенных рядом друг с другом в окружном направлении; множество топливных форсунок предварительного смешивания, которые соединены с топливной системой предварительного смешивания, и которые впрыскивают топливо предварительного смешивания в соответствующие камеры предварительного смешивания; и по меньшей мере один термометр, утопленный в одной из лопаток, и в которой устройство управления выполнено с возможностью выполнения управления соотношением топлива предварительного смешивания для уменьшения степени открытия газорегулирующего клапана предварительного смешивания и увеличения степени открытия диффузионного газорегулирующего клапана таким образом, чтобы сумма расходов топлива, подаваемого в диффузионную горелку и горелку предварительного смешивания, оставалась неизменной, в случае, когда определяемое значение термометра или темп увеличения определяемого значения превышает соответствующее заданное значение.

[0008] В соответствии с настоящим изобретением можно быстро погасить пламя, возникшее в камере предварительного смешивания, предотвратить снижение выходной мощности газовой турбины, связанное с гашением, и обеспечить надежность и работоспособность камеры сгорания газовой турбины.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0009] Фиг. 1 представляет собой схематическое изображение, иллюстрирующее общую конфигурацию газотурбинной установки, оборудованной камерой сгорания газовой турбины, в соответствии с первым вариантом выполнения настоящего изобретения;

Фиг. 2 иллюстрирует горелку, обеспеченную в камере сгорания газовой турбины, показанной на Фиг. 1, если смотреть со стороны секции камеры сгорания;

Фиг. 3 представляет собой схематическое изображение устройства управления, обеспеченного в камере сгорания газовой турбины, показанной на Фиг. 1;

Фиг. 4 представляет собой характеристический график, иллюстрирующий расход топлива на систему в зависимости от нагрузки газовой турбины в камере сгорания газовой турбины, показанной на Фиг. 1;

Фиг. 5 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую пример процедур управления соотношением топлива предварительного смешивания, выполняемых устройством управления, показанным на Фиг. 3;

Фиг. 6 представляет собой характеристический график, иллюстрирующий температуру металла горелки, соотношение топлива предварительного смешивания, расход топлива и количество вырабатываемой электроэнергии в соответствии со сравнительным примером;

Фиг. 7 представляет собой характеристический график, иллюстрирующий температуру металла горелки, соотношение топлива предварительного смешивания, расход топлива и количество вырабатываемой электроэнергии в соответствии с первым вариантом выполнения;

Фиг. 8 представляет собой характеристический график, иллюстрирующий температуру металла горелки, соотношение топливо-воздух в камере предварительного смешивания и соотношение топливо-воздух в камере сгорания;

Фиг. 9A представляет собой характеристический график, иллюстрирующий зависимость между величиной уменьшения (величиной корректировки) соотношения топливо-воздух в камере предварительного смешивания и нагрузкой газовой турбины при управлении соотношением топлива предварительного смешивания в камере сгорания газовой турбины в соответствии со вторым вариантом выполнения настоящего изобретения;

Фиг. 9B представляет собой характеристический график, иллюстрирующий зависимость между величиной уменьшения соотношения топливо-воздух в камере предварительного смешивания и нагрузкой газовой турбины при управлении соотношением топлива предварительного смешивания в камере сгорания газовой турбины в соответствии со вторым вариантом выполнения настоящего изобретения;

Фиг. 10 представляет собой характеристический график, иллюстрирующий температуру металла горелки, соотношение топлива предварительного смешивания, расход топлива и количество вырабатываемой электроэнергии в соответствии с третьим вариантом выполнения настоящего изобретения;

Фиг. 11A представляет собой характеристический график, иллюстрирующий зависимость между величиной уменьшения (величиной корректировки) соотношения топлива предварительного смешивания и нагрузкой газовой турбины при управлении соотношением топлива предварительного смешивания в камере сгорания газовой турбины в соответствии с третьим вариантом выполнения настоящего изобретения;

Фиг. 11B представляет собой характеристический график, иллюстрирующий зависимость между величиной уменьшения соотношения топливо-воздух в камере предварительного смешивания и нагрузкой газовой турбины при управлении соотношением топлива предварительного смешивания в камере сгорания газовой турбины в соответствии с третьим вариантом выполнения настоящего изобретения;

Фиг. 12 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую пример процедур управления соотношением топлива предварительного смешивания, выполняемых устройством управления, обеспеченным в камере сгорания газовой турбины, в соответствии с третьим вариантом выполнения настоящего изобретения;

Фиг. 13 представляет собой характеристический график, иллюстрирующий температуру металла горелки, соотношение топлива предварительного смешивания, расход топлива и количество вырабатываемой электроэнергии в соответствии с четвертым вариантом выполнения настоящего изобретения;

Фиг. 14A представляет собой характеристический график, иллюстрирующий зависимость между теплотой сгорания топлива и коэффициентом усиления при управлении соотношением топлива предварительного смешивания в камере сгорания газовой турбины в соответствии с пятым вариантом выполнения настоящего изобретения;

Фиг. 14B представляет собой характеристический график, иллюстрирующий зависимость между величиной уменьшения соотношения топливо-воздух в камере предварительного смешивания и нагрузкой газовой турбины при управлении соотношением топлива предварительного смешивания в камере сгорания газовой турбины в соответствии с пятым вариантом выполнения настоящего изобретения;

Фиг. 15A представляет собой характеристический график, иллюстрирующий зависимость между концентрацией водорода в топливе и коэффициентом усиления при управлении соотношением топлива предварительного смешивания в камере сгорания газовой турбины в соответствии с шестым вариантом выполнения настоящего изобретения;

Фиг. 15B представляет собой характеристический график, иллюстрирующий зависимость между величиной уменьшения соотношения топливо-воздух в камере предварительного смешивания и нагрузкой газовой турбины при управлении соотношением топлива предварительного смешивания в камере сгорания газовой турбины в соответствии с шестым вариантом выполнения настоящего изобретения; и

Фиг. 16 представляет собой характеристический график, иллюстрирующий температуру металла горелки, соотношение топлива предварительного смешивания, расход топлива и количество вырабатываемой электроэнергии в соответствии с седьмым вариантом выполнения настоящего изобретения.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ

[0010] Далее описаны варианты выполнения настоящего изобретения со ссылкой на чертежи.

[0011] Первый вариант выполнения

Газотурбинная установка

Фиг. 1 представляет собой схематическое изображение, иллюстрирующее общую конфигурацию газотурбинной установки, оборудованной камерой сгорания газовой турбины, в соответствии с первым вариантом выполнения настоящего изобретения, а Фиг. 2 иллюстрирует конфигурацию горелки, если смотреть со стороны секции камеры сгорания. Газотурбинная установка 100, показанная на Фиг. 1, включает в себя генератор G и газовую турбину, которая представляет собой первичный двигатель, приводящий в движение генератор G. Газовая турбина включает в себя компрессор 1, камеру 2 сгорания газовой турбины (далее называемую «камерой сгорания») и турбину 3, причем компрессор 1, турбина 3 и генератор G соединены друг с другом общим валом S.

[0012] Компрессор 1 приводится в движение турбиной 3 и сжимает воздух A1, всасываемый через секцию впуска воздуха (не показана), для получения воздуха A2 высокого давления и подает воздух A2 высокого давления в камеру 2 сгорания. Камера 2 сгорания сжигает воздух A2 высокого давления, подаваемый из компрессора 1, и топливо, подаваемое из топливной системы 200 (описана позже), и подает полученный высокотемпературный газ G1 сгорания в турбину 3. Турбина 3 приводится во вращения за счет расширения газа G1 сгорания, подаваемого из камеры 2 сгорания. Газ G1 сгорания, приводящий в движение турбину 3, выпускается в виде выхлопного газа G2. Генератор G приводится во вращение турбиной 3 и вырабатывает электроэнергию.

[0013] Камера сгорания газовой турбины

Камера 2 сгорания включает в себя жаровую трубу 10 камеры сгорания, горелку 5, топливную систему 200 и устройство 50 управления (Фиг. 3). Горелка 5 включает в себя диффузионную горелку 41 и горелку 42 предварительного смешивания. Диффузионная горелка 41, горелка 42 предварительного смешивания и секция 11 камеры сгорания обеспечены в корпусе 4 газовой турбины, тогда как топливная система 200 обеспечена снаружи корпуса 4.

[0014] Жаровая труба 10 камеры сгорания представляет собой цилиндрический элемент, образующий секцию 11 камеры сгорания, и расположена ниже по потоку от диффузионной горелки 41 и горелки 42 предварительного смешивания в направлении впрыска топлива (правая сторона на Фиг. 1). Пространство внутри жаровой трубы 10 камеры сгорания представляет собой секцию 11 камеры сгорания, топливо и воздух, подаваемые из диффузионной горелки 41 и горелки 42 предварительного смешивания, сжигаются для получения газа G1 сгорания в секции 11 камеры сгорания.

[0015] Кольцевое пространство, образованное между жаровой трубой 10 камеры сгорания и корпусом 4, образует кольцевой канал 43, который направляет воздух A2 высокого давления из компрессора 1 к впускной стороне горелки 5. Воздух A2 высокого давления, попадающий в кольцевой канал 43, выполняет конвекционное охлаждение жаровой трубы 10 камеры сгорания. В дополнение, часть воздуха A2 высокого давления, проходящего в кольцевом канале 43, попадает в жаровую трубу 10 камеры сгорания из множества охлаждающих отверстий (не показаны), обеспеченных во внешнем периферийном участке жаровой трубы 10 камеры сгорания, и используется для пленочного охлаждения жаровой трубы 10 камеры сгорания. Оставшийся воздух A2 высокого давления, не прошедший через охлаждающие отверстия, попадает в диффузионную горелку 41 или горелку 42 предварительного смешивания через кольцевой канал 43. Воздух A2 высокого давления, попадающий в диффузионную горелку 41 или горелку 42 предварительного смешивания, вместе с топливом, подаваемым из топливной системы 200, подается либо в диффузионную топливную форсунку 41a, либо в топливные форсунки 42a предварительного смешивания через топливные патрубки (не показаны), затем в секцию 11 камеры сгорания и сжигается в ней.

[0016] Горелка

Диффузионная горелка 41 представляет собой горелку по схеме диффузионного сжигания и включает в себя диффузионную топливную форсунку 41a и закручивающую лопатку 41b. Диффузионная топливная форсунка 41a расположена на центральной оси камеры 2 сгорания, отверстие впрыска топлива обеспечено на свободном конце (правый конец на Фиг. 1) диффузионной топливной форсунки 41a, и диффузионная топливная форсунка 41a непосредственно впрыскивает топливо в секцию 11 камеры сгорания (вправо на Фиг. 1) из отверстия впрыска топлива. Закручивающая лопатка 41b окружает внешнюю периферию диффузионной топливной форсунки 41a вблизи свободного конца и создает закрученный воздушный поток, тем самым повышая стабильность горения диффузионной горелки 41.

[0017] Горелка 42 предварительного смешивания представляет собой горелку по схеме сжигания с предварительным смешиванием и включает в себя жаровую трубу 42b горелки, корпус 42c горелки, множество лопаток 42d (лопаток камеры предварительного смешивания), множество топливных форсунок 42a предварительного смешивания и по меньшей мере один термометр 42e. Жаровая труба 42b горелки и корпус 42c горелки представляют собой цилиндрические элементы, образующие камеру предварительного смешивания, жаровая труба 42b горелки окружает внешнюю периферию диффузионной горелки 41, а корпус 42c горелки дополнительно окружает внешнюю периферию жаровой трубы 42b горелки. Цилиндрическое пространство, образованное между жаровой трубой 42b горелки и корпусом 42c горелки, имеет впускную сторону (левая сторона на Фиг. 1), открытую снаружи в радиальном направлении (в направлении кольцевого канала 43), и выпускную сторону, открытую в направлении центральной оси камеры 2 сгорания (в направлении секции 11 камеры сгорания). Множество лопаток 42d (12 в настоящем варианте выполнения) делят цилиндрическое пространство на множество камер 42f предварительного смешивания (12 в настоящем варианте выполнения). Каждая из камер 42f предварительного смешивания представляет собой пространство, в котором топливо и воздух смешиваются друг с другом, и в нормальном состоянии в камере 42f предварительного смешивания не возникает пламя. В выпускных участках камер 42f предварительного смешивания обеспечен кольцевой стабилизатор пламени 73 (со стороны секции 11 камеры сгорания относительно горелки 42 предварительного смешивания). Стабилизатор пламени 73 представляет собой стабилизатор пламени по схеме физической стабилизации пламени, обеспеченный в канале для предварительно смешанного несгоревшего газа в качестве препятствия для образования циркуляционного потока ниже по потоку (в секции 11 камеры сгорания). Лопатки 42d расположены радиально, если смотреть из секции 11 камеры сгорания, и каждая из них образована плоским элементом, параллельным центральной оси секции 11 камеры сгорания в настоящем варианте выполнения. Лопатки 42d выполнены тонкими (например, имеют толщину приблизительно несколько миллиметров) для повышения эффективности теплопередачи. В дополнение, лопатки 42d продолжаются от положения вблизи впускного конца цилиндрического пространства, образованного жаровой трубой 42b горелки и корпусом 42 горелки, до положения вблизи ее выпускного конца. Два топливные форсунки 42a предварительного смешивания соответствуют каждой камере 42f предварительного смешивания, и каждая соединена с топливной системой предварительного смешивания (описана позже). Подобно диффузионной топливной форсунке 41a, на свободном конце (правый конец на Фиг. 1) каждой топливной форсунки 42a предварительного смешивания обеспечено отверстие для струи топлива, и топливная форсунка 42a предварительного смешивания впрыскивает топливо предварительного смешивания в соответствующую камеру 42f предварительного смешивания из отверстия для струи топлива. Топливо, впрыскиваемое из каждой топливной форсунки 42a предварительного смешивания, смешивается с воздухом A2 высокого давления для получения топливно-воздушной смеси в камере 42f предварительного смешивания, и топливно-воздушная смесь впрыскивается в секцию 11 камеры сгорания (вправо на Фиг. 1).

[0018] В настоящем варианте выполнения горелка 42 предварительного смешивания разделена на множество отдельных горелок 42A-42D (четыре в настоящем варианте выполнения). Отдельные горелки 42A-42D расположены рядом друг с другом в окружном направлении, окружая диффузионную горелку 41 (в следующем порядке: отдельные горелки 42A, 42C, 42D и 42B по часовой стрелке, если смотреть из секции 11 камеры сгорания в настоящем варианте выполнения). Каждая из отдельных горелок 42A-42D включает в себя по меньшей мере один набор из камеры 42f предварительного смешивания и топливных форсунок 42a предварительного смешивания (три набора в настоящем варианте выполнения). Другими словами, горелка 42 предварительного смешивания может быть разделена на четыре отдельных горелки 42A-42D лопатками 42d, и камера предварительного смешивания в каждой из отдельных горелок 42A-42D дополнительно разделена на три камеры 42f предварительного смешивания соответствующими лопатками 42d.

[0019] Как показано на Фиг. 1, топливная система 200 включает в себя общую топливную систему 20, соединенную с источником подачи топлива (не показан), и топливные системы 20A-20E с первой по пятую, ответвляющиеся от общей топливной системы 20. В общей топливной системе 20 обеспечен клапан 21 отсечки топлива (двухпозиционный клапан), при этом в топливных системах 20A-20E с первой по пятую обеспечены газорегулирующие клапаны 21A-21E с первого по пятый соответственно. Количество топливных систем, ответвляющихся от общей топливной системы 20, не ограничивается пятью. Первая топливная система 20A представляет собой диффузионную топливную систему, соединенную с диффузионной горелкой 41 (диффузионной топливной форсункой 41a). Топливные системы 20B-20E со второй по пятую представляют собой топливные системы предварительного смешивания, соединенные с топливными форсунками 42a предварительного смешивания. В частности, вторая топливная система 20B соединена с шестью топливными форсунками 42a предварительного смешивания отдельной горелки 42A через соответствующие топливные патрубки (не показаны), а третья топливная система 2°C соединена с шестью топливными форсунками 42a предварительного смешивания отдельной горелки 42B через соответствующие топливные патрубки (не показаны). В дополнение, четвертая топливная система 20D соединена с шестью топливными форсунками 42a предварительного смешивания отдельной горелки 42C через соответствующие топливные патрубки (не показаны), а пятая топливная система 20E соединена с шестью топливными форсунками 42a предварительного смешивания отдельной горелки 42D через соответствующие топливные патрубки (не показаны).

[0020] Расход диффузионного топлива, подаваемого из первой топливной системы 20A в диффузионную горелку 41 (далее называемого «топливом F1»), регулируется первым газорегулирующим клапаном 21A. Расход топлива, подаваемого из второй топливной системы 20B в отдельную горелку 42A (далее называемого «топливом F21»), регулируется вторым газорегулирующим клапаном 21B. Расход топлива, подаваемого из третьей топливной системы 2°C в отдельную горелку 42B (далее называемого «топливом F22»), регулируется третьим газорегулирующим клапаном 21C. Расход топлива, подаваемого из четвертой системы 20D в отдельную горелку 42C (далее называемого «топливом F23»), регулируется четвертым газорегулирующим клапаном 21D. Расход топлива, подаваемого из пятой топливной системы 20E в отдельную горелку 42D (далее называемого «топливом F24»), регулируется пятым газорегулирующим клапаном 21E. Индивидуальная регулировка расхода топлива F1 с помощью первого газорегулирующего клапана 21A и расходов топлива F21-F24 с помощью газорегулирующих клапанов 21B-21E со второго по пятый позволяет управлять количеством вырабатываемой электроэнергии газотурбинной установки 100.

[0021] Датчики

На одной лопатке 42 горелки 42 предварительного смешивания обеспечен термометр 42e (не показан на Фиг. 2). В качестве термометра 42e, например, может быть использована термопара, и участок измерения температуры находится в пределах лопатки 42d. Линия соединения термометра 42e выступает к внешнему периферийному участку корпуса горелки 42c например, через внутреннюю область лопатки 42d, не взаимодействуя с камерой 42f предварительного смешивания, и выходит наружу корпуса 4 через внутреннюю область стойки (не показана), поддерживающей корпус 42c горелки для корпуса 4. Линия соединения термометра 42e подключена к устройству 50 управления. В настоящем варианте выполнения термометры 42e установлены в 12 лопатках 42d чередующимся образом (то есть один термометр 42e обеспечен в каждой из шести лопаток 42d). Участок измерения температуры каждого термометра 42e расположен на промежуточном участке между концевым участком одной лопатки 42d со стороны секции 11 камеры сгорания и отверстиями для струи топлива топливных форсунок 42 предварительного смешивания в направлении впрыска топлива топливных форсунок 42a предварительного смешивания.

[0022] Кроме того, общая топливная система 20 может быть обеспечена калориметром 44 и измерителем 45 концентрации (например, газовым хроматографом). Калориметр 44 представляет собой датчик, который измеряет теплоту сгорания топлива предварительного смешивания и подключен к устройству 50 управления. Калориметр 44 может быть обеспечен в по меньшей мере одной из топливных систем 20B-20E предварительного смешивания, а не в общей топливной системе 20. Измеритель 45 концентрации представляет собой датчик, который измеряет концентрацию водорода или т.п. в топливе предварительного смешивания и подключен к устройству 50 управления. Измеритель 45 концентрации может быть обеспечен в по меньшей мере одной из топливных систем 20B-20E предварительного смешивания, а не в общей топливной системе 20. В другой альтернативной конфигурации калориметр 44 и измеритель 45 концентрации могут быть обеспечены в установке подачи топлива (не показана), которая является источником подачи топлива, подаваемого в общую топливную систему 20. Хотя калориметр 44 и измеритель 45 концентрации не являются существенными элементами в настоящем варианте выполнения, калориметр 44 является существенным элементом в пятом варианте выполнения (Фиг. 14A и 14B), а измеритель 45 концентрации является существенным элементом в шестом варианте выполнения (Фиг. 15A и 15B).

[0023] Устройство управления

Фиг. 3 представляет собой схематическое изображение устройства управления. Устройство 50 управления, показанное на Фиг. 3, представляет собой управляющий компьютер и выполнено с возможностью управления первым газорегулирующим клапаном 21A (далее также называемым «диффузионным газорегулирующим клапаном») и газорегулирующими клапанами 21B-21E со второго по пятый (далее также называемыми «газорегулирующими клапанами предварительного смешивания»). Устройство 50 управления в настоящем варианте выполнения выполнено с возможностью управления соотношением топлива предварительного смешивания. Управление соотношением топлива предварительного смешивания представляет собой управление, выполняемое для уменьшения степени открытия газорегулирующих клапанов 21B-21E предварительного смешивания и увеличения степени открытия диффузионного газорегулирующего клапана 21A, в случае, когда определяемое значение (определяемая температура Tm) термометра 42e превышает заданное значение Ts. Это управление соотношением топлива предварительного смешивания выполняется таким образом, чтобы сумма расходов топлива, подаваемого в диффузионную горелку 41 и горелку 42 предварительного смешивания, оставалась такой же, как непосредственно перед выполнением регулировки соотношения топлива предварительного смешивания. Схема 50b управления соотношением топлива предварительного смешивания, встроенная в устройство 50 управления, является функциональным блоком, который выполняет управление соотношением топлива предварительного смешивания.

[0024] В настоящем варианте выполнения расходы топлива, подаваемого в горелки 42 предварительного смешивания, уменьшаются до заданного постоянного значения в соответствии с управлением соотношением топлива предварительного смешивания. Это постоянное значение представляет собой значение, установленное таким образом, что соотношение топливо-воздух в камере предварительного смешивания, определенное суммой топлива предварительного смешивания, впрыснутого из топливных форсунок 42a предварительного смешивания, и расхода (заданное значение) воздуха A2 высокого давления, опускается ниже предела устойчивого горения. Предел устойчивого горения представляет собой максимальное значение соотношения топливо-воздух, при котором может поддерживаться пламя, и которое вычислено на основе предела воспламеняемости. При соотношении топливо-воздух в камере предварительного смешивания, которое опустилось ниже предела устойчивого горения, пламя, возникшее в камере предварительного смешивания, гаснет. Устройство 50 управления вычисляет значение корректировки (уменьшение) степени открытия каждого из газорегулирующих клапанов 21A-21E предварительного смешивания для уменьшения расхода подаваемого топлива предварительного смешивания с текущего значения до постоянного значения во время выполнения управления соотношением топлива предварительного смешивания, и выводит вычисленное значение корректировки (уменьшение) для каждого из газорегулирующих клапанов 21B-21E предварительного смешивания. В то же время устройство 50 управления вычисляет значение корректировки (увеличение) степени открытия диффузионного газорегулирующего клапана 21A для компенсации уменьшения расхода подаваемого топлива предварительного смешивания и выводит вычисленное значение корректировки (увеличение) для диффузионного газорегулирующего клапана 21A. Схема 50a вычисления значения корректировки, встроенная в устройство 50 управления, является функциональным блоком, который вычисляет значения корректировки степеней открытия газорегулирующих клапанов 21B-21E предварительного смешивания и диффузионного газорегулирующего клапана 21A.

[0025] В дополнение, устройство 50 управления выполнено с возможностью выполнения управления возвратом. Управление возвратом выполняется после выполнения управления соотношением топлива предварительного смешивания и представляет собой управление для возврата степеней открытия газорегулирующих клапанов 21B-21E предварительного смешивания и диффузионного газорегулирующего клапана 21A к значению, которое было перед выполнением управления уменьшением соотношения топлива предварительного смешивания, по истечении заданного времени Δt2 с момента, когда определяемое значение термометра 42e опустилось ниже заданного значения Ts. Схема 50c управления возвратом, встроенная в устройство 50 управления, является функциональным блоком, который выполняет управление возвратом.

[0026] Функционирование

Фиг. 4 представляет собой характеристический график, иллюстрирующий расход топлива на систему в зависимости от нагрузки газовой турбины. На Фиг. 4 горизонтальная ось показывает прошедшее время, а вертикальная ось показывает расход топлива. Во время воспламенения в газовой турбине топливо F1, топливо F22 и топливо F23 подаются из первой, третьей и четвертой топливных систем 20A, 2°C и 20D, а затем они впрыскиваются из диффузионной горелки 41 и отдельных горелок 42B и 42C. В это время топливо не подается из второй и пятой топливных систем 20B и 20E, так что топливо не впрыскивается из отдельных горелок 42A и 42D.

[0027] После воспламенения в газовой турбине состояние изменяется на состояние горения, в котором подается только топливо F1 (топливо впрыскивается только из диффузионной горелки 41), и турбина 3 ускоряется за счет увеличения топлива F1 до тех пор, пока состояние не достигнет состояния номинальной скорости без нагрузки (FSNL: полная скорость без нагрузки). Выработка электроэнергии начинается, когда турбина 3 разгоняется до номинальной скорости, и нагрузка газовой турбины увеличивается до тех пор, пока состояние не достигнет состояния номинальной скорости при номинальной нагрузке (FSFL: полная скорость при полной нагрузке). В это время топливо дополнительно подается в следующем порядке: топливо F21, топливо F22, топливо F23 и топливо F24, так что соотношение топливо-воздух в горелке 5 падает в диапазоне устойчивого горения в ответ на увеличение нагрузки газовой турбины, таким образом увеличивая диапазон подачи топлива ступенчатым образом. Устройство 50 управления (или другое устройство управления) управляет топливными системами в соответствии с таким порядком, и нагрузка газовой турбины достигает состояния номинальной скорости при номинальной нагрузке (FSFL) после того, как состояние переходит в состояние полного горения, в котором топливо впрыскивается из диффузионной горелки 41 и всех отдельных горелок 42A-42D.

[0028] Фиг. 5 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую пример процедур управления соотношением топлива предварительного смешивания, выполняемых устройством 50 управления. Устройство 50 управления многократно выполняет процедуры, показанные на Фиг. 5, во время работы газовой турбины (включая время до и после того, как нагрузка газовой турбины достигает FSFL). Сначала схема 50b управления соотношением топлива предварительного смешивания устройства 50 управления определяет, превышает ли определяемая температура Tm термометра 42 (например, любого из термометров 42e) заданное значение Ts (этап S11). Поскольку участок измерения температуры термометра 42e находится в одной из лопаток 42d в направлении толщины, определяемая температура Tm термометра 42e близка к смешанному значению температуры воздуха A2 высокого давления и температуры топлива предварительного смешивания, подаваемого в камеры 42f предварительного смешивания (Tm≤Ts), в нормальном рабочем состоянии. В случае, когда определяемая температура Tm (например, определяемая температура Tm всех термометров 42e) равна или меньше заданного значения Ts, как описано выше, устройство 50 управления завершает процедуры, показанные на Фиг. 5. Лопатки 42d представляют собой тонкие пластины с высокой теплопроводностью. В связи с этим в случае, когда в одной из камер 42f предварительного смешивания возникает пламя, например, из-за обратного потока пламени из секции 11 камеры сгорания (вспышка) или попадания летучего объекта (источника воспламенения), сопровождающего воздух A2 высокого давления или топливо, в одну из камер 42f предварительного смешивания, определяемая температура Tm термометра 42e повышается из-за теплопередачи от пламени (Tm>Ts). В случае, когда в одной из камер 42f предварительного смешивания возникает пламя, и определяемая температура Tm (например, определяемая температура Tm любого из термометров 42e) превышает заданное значение Ts, как описано выше, устройство 50 управления переходит с этапа S11 на этап S12.

[0029] В случае, когда Tm>Ts, схема 50a вычисления значения корректировки устройства 50 управления вычисляет значения корректировки степеней открытия газорегулирующих клапанов 21A-21E с первого по пятый (этап S12), а схема 50b управления соотношением топлива предварительного смешивания управляет степенями открытия газорегулирующих клапанов 21A-21E с первого по пятый (этап S13). Таким образом, степени открытия газорегулирующих клапанов 21B-21E со второго по пятый уменьшаются, соотношение топлива предварительного смешивания опускается ниже предела устойчивого горения, и пламя в камерах 42f предварительного смешивания гаснет. В это время увеличение степени открытия первого газорегулирующего клапана 21A в ответ на уменьшение топлива предварительного смешивания для увеличения расхода диффузионного топлива позволяет поддерживать сумму расходов топлива, подаваемого в горелку 5, на значении, которое было непосредственно перед выполнением управления соотношением топлива предварительного смешивания.

[0030] После выполнения процедур этапов S12 и S13 схема 50c управления возвратом устройства 50 управления определяет, опустилась ли определяемая температура Tm термометра 42e (например, всех термометров 42e) до значения, равного или меньшего, чем заданное значение Ts (этап S14). При Tm>Ts устройство 50 управления повторяет процедуру этапа S14, и степень открытия каждого из газорегулирующих клапанов 21A-21E с первого по пятый поддерживается при управлении соотношением топлива предварительного смешивания. После установления Tm≤Ts вследствие гашения пламени схема 50c управления возвратом устройства 50 управления определяет, превышает ли прошедшее время t с момента установления Tm≤Ts заданное время Δt2 (этап S15). Устройство 50 управления повторяет процедуру этапа S15 до тех пор, пока не истечет заданное время Δt2, схема 50c управления возвратом выполняет управление возвратом, как описано выше, после истечения заданного времени Δt2 (этап S15), и устройство 50 управления завершает процедуры, показанные на Фиг. 5.

[0031] Сравнительный пример

Фиг. 6 представляет собой характеристический график, иллюстрирующий температуру металла горелки, соотношение топлива предварительного смешивания, расход топлива и количество вырабатываемой электроэнергии в соответствии со сравнительным примером. В сравнительном примере, показанном на Фиг. 6, подобно настоящему варианту выполнения, в случае, когда в одной из камер 42A-42D предварительного смешивания возникает пламя, и определяемая температура Tm превышает заданное значение Ts, расход топлива предварительного смешивания (обозначено «топливо F2» на Фиг. 6) уменьшается, а расход диффузионного топлива (обозначено «топливо F1»на Фиг. 6) увеличивается в течение определенного времени Δt1. Таким образом, соотношение топлива предварительного смешивания (обозначено «соотношение F2» на Фиг. 6) уменьшается, пламя в одной из камер 42A-42D предварительного смешивания гаснет, и определяемая температура Tm снижается.

[0032] Однако видно, что увеличение расхода диффузионного топлива меньше, чем уменьшение топлива предварительного смешивания, сумма расходов топлива, подаваемого в горелки 41 и 42, уменьшается в связи с операцией гашения пламени, и количество вырабатываемой электроэнергии снижается настолько же, насколько уменьшилась эта сумма.

[0033] Эффекты

(1) В настоящем варианте выполнения, в отличие от сравнительного примера, расход диффузионного топлива увеличивается настолько же, насколько уменьшается расход топлива предварительного смешивания, так что сумма расходов диффузионного топлива и топлива предварительного смешивания не изменяется при уменьшении соотношения топлива предварительного смешивания (Фиг. 7). Таким образом, можно поддерживать соотношение топливо-воздух во всей камере 2 сгорания (Фиг. 8), тогда как соотношение топливо-воздух в камере предварительного смешивания опускается ниже предела устойчивого горения (предел F2/A2) из-за уменьшения соотношения топлива предварительного смешивания (Фиг. 8). В связи с этим можно предотвратить снижение выходной мощности, связанное с операцией гашения пламени (Фиг. 7), и при этом быстро погасить пламя в одной из камер 42f предварительного смешивания, а также можно повысить надежность и работоспособность камеры 2 сгорания. Соотношение топливо-воздух в камере предварительного смешивания и соотношение топливо-воздух в камере сгорания, показанные пунктирными линиями на Фиг. 8, соответствуют сравнительному примеру, показанному на Фиг. 6, который проиллюстрирован для сравнения с настоящим вариантом выполнения.

[0034] В настоящем варианте выполнения множество лопаток 42d, которые делят горелку 42 предварительного смешивания на множество камер 42f предварительного смешивания, имеют малую толщину для улучшения характеристик теплопередачи, а термометры 42e утоплены в тонких лопатках 42, что позволяет быстро обнаруживать возникновение пламени в одной из камер 42f предварительного смешивания. Таким образом, можно существенно улучшить быстроту реакции и точность обнаружения пламени при автоматизации вышеописанной операции гашения пламени (управление соотношением топлива предварительного смешивания) и применить автоматическое управление соотношением топлива предварительного смешивания на практике. В процессе проверки это управление позволило снизить выбросы оксидов азота (NO_x) до исходного значения приблизительно за несколько десятков секунд с момента начала увеличения выбросов оксидов азота (NO_x). Поскольку пламя, возникшее в камере предварительного смешивания, может быть быстро и автоматически погашено, и снижение выходной мощности газовой турбины в связи с гашением пламени может быть предотвращено, можно повысить эффективность работы горелки 42 предварительного смешивания.

[0035] (2) Существует вероятность возникновения пламени в диапазоне присутствия несгоревшего газа предварительного смешивания в одной из камер 42f предварительного смешивания, то есть в области, расположенной после топливных форсунок предварительного смешивания в одной из камер 42f предварительного смешивания. Следует отметить, что примеры фактора возникновения пламени в одной из камер 42f предварительного смешивания включают в себя обратный поток пламени из секции 11 камеры сгорания и попадание летучего объекта, сопровождающего воздух A2 высокого давления или топливо, в одну из камер 42f предварительного смешивания, как описано выше. В случае возникновения пламени в одной из камер 42f предварительного смешивания из-за вспышки, повышение температуры лопаток 42d начинается с лопаток 42d, расположенных ближе к секции 11 камеры сгорания. В случае возникновения пламени в одной из камер 42f предварительного смешивания из-за летучего объекта, повышение температуры лопаток 2d часто начинается с лопаток 42d, расположенных ближе к топливным форсункам 42a предварительного смешивания. В связи с этим размещение участка измерения температуры каждого термометра 42e на промежуточном участке между концевым участком каждой лопатки 42d со стороны секции 11 камеры сгорания и отверстиями для струи топлива топливных форсунок 42a предварительного смешивания, как описано в настоящем варианте выполнения, позволяет обнаруживать пламя из-за вспышки и из-за летучего объекта без задержек.

[0036] Однако следует отметить, что при утапливании термометра 42e в лопатку 42d положение установки каждого термометра 42e необязательно находится на промежуточном участке между концевым участком одной лопатки 42d со стороны секции 11 камеры сгорания и отверстиями топливных форсунок 42a предварительного смешивания при условии, что достигается основной эффект (1), описанный выше. Например, в случае предпочтительного обнаружения вспышки положение размещения участка измерения температуры термометра 42e может быть перемещено в положение вблизи концевого участка лопатки 42d со стороны секции 11 камеры сгорания.

[0037] (3) В настоящем варианте выполнения по истечении заданного времени Δt2 с момента падения определяемой температуры Tm ниже заданного значения Ts после выполнения управления соотношением топлива предварительного смешивания, соотношение топлива предварительного смешивания автоматически возвращается к исходному значению. Как описано выше, оригинальная идея установки каждого термометра 42e может обеспечивать большую чувствительность определения; таким образом, можно определить не только возникновение пламени в одной из камер 42d предварительного смешивания, но также можно с высокой чувствительностью определить гашение пламени, и в связи с этим соотношение топлива предварительного смешивания может автоматически возвращаться к исходному значению. Это также может оказывать большое содействие повышению эффективности работы. В дополнение, летучий объект, сопровождающий, например, воздух A2 высокого давления или топливо, зачастую попадает в одну из камер 42f предварительного смешивания периодически в определенное время. В связи с этим часто после гашения снова возникает пламя из-за летучего объекта. То же самое может произойти при вспышке в зависимости от условий горения. Если в таком случае операция возврата выполняется сразу после гашения пламени, управление соотношением топлива предварительного смешивания и управление возвратом зачастую многократно выполняются за короткий период времени. В настоящем варианте выполнения, в отличие от этого, выполнение управления возвратом по истечении определенного времени после гашения пламени и прекращения состояния горения позволяет предотвратить частые колебания состояния горения (например, увеличение или уменьшение выбросов оксидов азота (NO_x)).

[0038] Второй вариант выполнения

Фиг. 9A представляет собой характеристический график, иллюстрирующий зависимость между величиной уменьшения (величиной корректировки) соотношения топлива предварительного смешивания и нагрузкой газовой турбины, а Фиг. 9B представляет собой характеристический график, иллюстрирующий зависимость между величиной уменьшения соотношения топливо-воздух в камере предварительного смешивания и нагрузкой газовой турбины при управлении соотношением топлива предварительного смешивания в камере сгорания газовой турбины в соответствии со вторым вариантом выполнения настоящего изобретения.

[0039] Настоящий вариант выполнения отличается тем, что устройство 50 управления выполнено с возможностью увеличения регулируемых переменных газорегулирующих клапанов 21A-21E с первого по пятый при управлении соотношением топлива предварительного смешивания в соответствии с увеличением нагрузки газовой турбины. Чем выше нагрузка газовой турбины, тем выше расход топлива предварительного смешивания. В связи с этим для уменьшения соотношения топливо-воздух в камере предварительного смешивания ниже предела устойчивого горения (Фиг. 9B) необходимо снизить расход топлива предварительного смешивания при высокой нагрузке газовой турбины. В настоящем варианте выполнения данные, которые определяют величину корректировки соотношения топлива предварительного смешивания в зависимости от нагрузки газовой турбины, как показано на Фиг. 9A, хранятся в схеме 50a вычисления значения корректировки, и схема 50a вычисления значения корректировки вычисляет величину корректировки в зависимости от нагрузки газовой турбины на основе этих данных. Хотя в качестве примера в настоящем варианте выполнения проиллюстрирован случай линейного увеличения величины корректировки в зависимости от нагрузки газовой турбины, зависимость между нагрузкой газовой турбины и величиной корректировки не всегда является линейной. В отношении других аспектов настоящий вариант выполнения аналогичен первому варианту выполнения.

[0040] Настоящий вариант выполнения может обеспечивать эффекты, аналогичные первому варианту выполнения. В дополнение, определение величины корректировки, как описано выше, позволяет однозначно определить соответствующую величину корректировки в зависимости от нагрузки газовой турбины и снизить вычислительную нагрузку устройства 50 управления, связанную с управлением. Кроме того, можно допустить, что расход топлива предварительного смешивания снижается до минимального значения независимо от нагрузки газовой турбины; в этом случае величина корректировки, возможно, становится больше, поскольку нагрузка газовой турбины выше, и состояние горения, возможно, чрезмерно изменяется. Для решения такой проблемы в соответствии с настоящим вариантом выполнения расход топлива предварительного смешивания уменьшается до такой степени, что соотношение топливо-воздух в камере предварительного смешивания опускается ниже предела устойчивого горения с определенным темпом; таким образом, можно предотвратить чрезмерное изменение состояния горения (например, увеличение выбросов оксидов азота (NO_x)).

[0041] Третий вариант выполнения

Фиг. 10 представляет собой характеристический график, иллюстрирующий температуру металла горелки, соотношение топлива предварительного смешивания, расход топлива и количество вырабатываемой электроэнергии в соответствии с третьим вариантом выполнения настоящего изобретения, и соответствует Фиг. 7 в соответствии с первым вариантом выполнения изобретения. Фиг. 11A представляет собой характеристический график, иллюстрирующий зависимость между величиной уменьшения (величиной корректировки) соотношения топлива предварительного смешивания и нагрузкой газовой турбины, а Фиг. 11B представляет собой характеристический график, иллюстрирующий зависимость между величиной уменьшения соотношения топливо-воздух в камере предварительного смешивания и нагрузкой газовой турбины при управлении соотношением топлива предварительного смешивания в соответствии с настоящим вариантом выполнения. Фиг. 11A и 11B соответствуют Фиг. 9A и 9B в соответствии со вторым вариантом выполнения.

[0042] В настоящем варианте выполнения множество заданных значений Ts1 и Ts2 (Ts1<Ts2) (два в настоящем варианте выполнения) установлено для определяемой температуры Tm, как показано на Фиг. 10. В дополнение, различные регулируемые переменные газорегулирующих клапанов 21A-21E с первого по пятый установлены в соответствии с заданными значениями Ts1 и Ts2. Как показано на Фиг. 10, схема 50a вычисления значения корректировки устройства 50 управления вычисляет значение корректировки в зависимости от определяемой температуры Tm, а схема 50b управления соотношением топлива предварительного смешивания выполняет ступенчатое управление соотношением топлива предварительного смешивания. Хотя в настоящем варианте выполнения описан пример выполнения двух этапов управления соотношением топлива предварительного смешивания, возможно выполнение трех или более этапов.

[0043] Данные, связанные с величинами ΔF2A и ΔF2B корректировки соотношения топлива предварительного смешивания в зависимости от нагрузки газовой турбины, как показано на Фиг. 11A, хранятся в схеме 50a вычисления значения корректировки. ΔF2A представляет собой величину корректировки в случае Ts1<Tm≤Ts2, а ΔF2B представляет собой величину корректировки в случае Tm>Ts2. Хотя величины ΔF2A и ΔF2B корректировки линейно увеличиваются в зависимости от нагрузки газовой турбины, аналогично второму варианту выполнения, зависимость между нагрузкой газовой турбины и величиной корректировки не всегда является линейной. В отношении других аспектов настоящий вариант выполнения аналогичен первому варианту выполнения.

[0044] Фиг. 12 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую пример процедур управления соотношением топлива предварительного смешивания, выполняемых устройством управления, обеспеченным в камере сгорания газовой турбины, в соответствии с настоящим вариантом выполнения. Процедуры, показанные на Фиг. 12, отличаются от процедур, показанных на Фиг. 5 в соответствии с первым вариантом выполнения, тем, что процедура этапа S11 заменена процедурами этапов S11A и S11B, а процедура этапа S12 заменена процедурами этапов S12A и S12B.

[0045] Другими словами, схема 50b управления соотношением топлива предварительного смешивания устройства 50 управления сначала определяет, превышает ли определяемая температура Tm термометра 42e (например, любого из термометров 42e) заданное значение Ts1 (этап S11A). В случае, когда рабочее состояние является нормальным, и определяемая температура Tm (например, определяемая температура Tm всех термометров 42e) равна или ниже заданного значения Ts1, устройство 50 управления завершает процедуры, показанные на Фиг. 12. В случае, когда определяемая температура Tm (например, определяемая температура Tm любого из термометров 42e) превышает заданное значение Ts1, устройство 50 управления определяет, является ли определяемая температура Tm термометра 42e (например, любого из термометров 42e) равной или меньшей, чем заданное значение Ts2 (этап S11B). Устройство 50 управления переходит к процедуре этапа S12A в случае, если определяемая температура Tm равна или меньше заданного значения Ts2 (Ts1<Tm≤Ts2), и переходит к процедуре этапа S12B в случае, если определяемая температура Tm превышает заданное значение Ts2. В случае Ts1<Tm≤Ts2 схема 50a вычисления значения корректировки устройства 50 управления вычисляет величины корректировки степеней открытия газорегулирующих клапанов 21A-21E с первого по пятый, так что величина уменьшения соотношения топлива предварительного смешивания равна ΔF2A, и переходит к процедуре этапа S13 (этап S12A). В случае Tm>Ts2 схема 50a вычисления значения корректировки устройства 50 управления вычисляет величины корректировки степеней открытия газорегулирующих клапанов 21A-21E с первого по пятый, так что величина уменьшения соотношения топлива предварительного смешивания равна ΔF2B, и переходит к процедуре этапа S13 (этап S12B). Следующие процедуры этапов S13-S16 аналогичны показанным на Фиг. 5.

[0046] Настоящий вариант выполнения может обеспечивать эффекты, аналогичные первому варианту выполнения. В дополнение, ступенчатое управление соотношением топлива предварительного смешивания позволяет предотвратить изменение состояния горения (например, увеличение выбросов оксидов азота (NO_x)). Например, соотношение топлива предварительного смешивания уменьшается на ΔF2A в момент времени, например, когда определяемая температура Tm превышает заданное значение Ts1. Если определяемая температура Tm опускается ниже заданного значения Ts1, не достигая заданного значения Ts2, можно опустить величину уменьшения соотношения топлива предварительного смешивания ΔF2A ниже ΔF2B.

[0047] Четвертый вариант выполнения

Фиг. 13 представляет собой характеристический график, иллюстрирующий температуру металла горелки, соотношение топлива предварительного смешивания, расход топлива и количество вырабатываемой электроэнергии в соответствии с четвертым вариантом выполнения настоящего изобретения, и соответствует Фиг. 7 в соответствии с первым вариантом выполнения изобретения. Устройство 50 управления в соответствии с настоящим вариантом выполнения выполнено так, что схема 50b управления соотношением топлива предварительного смешивания выполняет управление соотношением топлива предварительного смешивания в случае, когда темп ΔTm изменения (темп увеличения) определяемой температуры Tm превышает соответствующее заданное значение ΔTs. Примером максимального темпа ΔTm изменения определяемой температуры является случай, когда в одной из камер 42f предварительного смешивания возникает пламя. В настоящем варианте выполнения возникновение пламени в одной из камер 42f предварительного смешивания обнаруживается при определении, что темп ΔTm изменения превышает заданное значение ΔTs, и схема 50b управления соотношением топлива предварительного смешивания выполняет управление соотношением топлива предварительного смешивания. Управление соотношением топлива предварительного смешивания по существу аналогично первому варианту выполнения.

[0048] Кроме того, после того, как пламя погасло, определяемая температура Tm начинает постепенно опускаться, и темп ΔTm изменения (темп уменьшения) также начинает постепенно снижаться. В устройстве 50 управления в соответствии с настоящим вариантом выполнения схема 50c управления возвратом выполняет управление возвратом для возврата соотношения топлива предварительного смешивания к исходному значению по истечении заданного времени Δt3 с момента, когда темп ΔTm изменения опустился ниже заданного значения ΔTs.

[0049] В отношении других аспектов настоящий вариант выполнения аналогичен первому варианту выполнения. Управление соотношением топлива предварительного смешивания может быть реализовано на основе темпа изменения определяемой температуры, как описано выше.

[0050] Пятый вариант выполнения

Фиг. 14A представляет собой характеристический график, иллюстрирующий зависимость между теплотой сгорания топлива и коэффициентом усиления, а Фиг. 14B представляет собой характеристический график, иллюстрирующий зависимость между величиной уменьшения (величиной корректировки) соотношения топлива предварительного смешивания и нагрузкой газовой турбины при управлении соотношением топлива предварительного смешивания в камере сгорания газовой турбины в соответствии с пятым вариантом выполнения настоящего изобретения. Фиг. 14B соответствует Фиг. 9B. В настоящем варианте выполнения устройство 50 управления выполнено с возможностью увеличения регулируемых переменных газорегулирующих клапанов 21A-21E с первого по пятый при управлении соотношением топлива предварительного смешивания в соответствии с увеличением теплоты сгорания топлива предварительного смешивания, измеряемой калориметром 44 (Фиг. 1). В частности, данные, которые определяют зависимость между теплотой сгорания топлива и коэффициентом усиления, как показано на Фиг. 14A, хранятся в схеме 50a вычисления значения корректировки. Хотя в настоящем варианте выполнения величина уменьшения соотношения топлива предварительного смешивания (величина корректировки степени открытия каждого клапана) вычисляется в зависимости от нагрузки газовой турбины, аналогично второму варианту выполнения, вычисленная величина уменьшения соотношения топлива предварительного смешивания (величина корректировки степени открытия каждого клапана) дополнительно корректируется путем умножения на коэффициент усиления в зависимости от теплоты сгорания топлива. Хотя в настоящем варианте выполнения зависимость между теплотой сгорания топлива и коэффициентом усиления является линейной, линейная зависимость не является обязательной.

[0051] Для теплоты сгорания заранее устанавливается контрольное значение (контрольное значение теплоты сгорания), и коэффициент усиления имеет значение, равное 1, в случае, когда измеренная теплота сгорания топлива равна контрольному значению. В случае, когда коэффициент усиления равен 1, значение корректировки степени открытия каждого клапана вычисляется на основе величины уменьшения соотношения топлива предварительного смешивания в зависимости от нагрузки газовой турбины (значение на сплошной линии, показанное на Фиг. 14B). В случае, когда измеренная теплота сгорания топлива превышает контрольное значение, коэффициент усиления принимает положительное значение, величина которого зависит от теплоты сгорания, как показано на Фиг. 14A. В этом случае величина уменьшения соотношения топлива предварительного смешивания корректируется в сторону увеличения путем умножения на коэффициент усиления, и значение корректировки степени открытия каждого клапана вычисляется на основе величины уменьшения соотношения топлива предварительного смешивания после корректировки (значение на штрихпунктирной линии, показанной на Фиг. 14B). В отличие от этого, в случае, когда измеренная теплота сгорания меньше контрольного значения, коэффициент усиления принимает отрицательное значение, величина которого зависит от теплоты сгорания, как показано на Фиг. 14A. В этом случае величина уменьшения соотношения топлива предварительного смешивания корректируется в сторону уменьшения путем умножения на коэффициент усиления, и величина корректировки степени открытия каждого клапана вычисляется на основе величины уменьшения соотношения топлива предварительного смешивания после корректировки (значение на пунктирной линии, показанной на Фиг. 14B).

[0052] В других аспектах настоящий вариант выполнения аналогичен второму варианту выполнения и может обеспечивать эффекты, аналогичные второму варианту выполнения. В дополнение, настоящий вариант выполнения может предпочтительно реализовывать соответствующее управление соотношением топлива предварительного смешивания при гибкой обработке увеличения или уменьшения теплоты сгорания топлива. Например, в случае, когда теплота сгорания топлива неожиданно увеличивается, можно гарантировать гашение пламени в одной из камер 42f предварительного смешивания за счет более существенного уменьшения расхода топлива предварительного смешивания. В дополнение, в случае уменьшения теплоты сгорания можно предотвратить колебания состояния горения и в конечном итоге предотвратить временное увеличение выбросов оксидов азота (NO_x) за счет понижения степени уменьшения расхода топлива предварительного смешивания.

[0053] Шестой вариант выполнения

Фиг. 15A представляет собой характеристический график, иллюстрирующий зависимость между концентрацией водорода в топливе и коэффициентом усиления, а Фиг. 15B представляет собой характеристический график, иллюстрирующий зависимость между величиной уменьшения (величиной корректировки) соотношения топлива предварительного смешивания и нагрузкой газовой турбины при управлении соотношением топлива предварительного смешивания в камере сгорания газовой турбины в соответствии с шестым вариантом выполнения настоящего изобретения. В настоящем варианте выполнения устройство 50 управления выполнено с возможностью увеличения регулируемых переменных газорегулирующих клапанов 21A-21E с первого по пятый при управлении соотношением топлива предварительного смешивания в соответствии с увеличением концентрации водорода в топливе предварительного смешивания, измеряемой измерителем 45 концентрации (Фиг. 1). В частности, данные, которые определяют зависимость между концентрацией водорода и коэффициентом усиления, как показано на Фиг. 15A, хранятся в схеме 50a вычисления значения корректировки. Хотя в настоящем варианте выполнения величина уменьшения соотношения топлива предварительного смешивания (величина корректировки степени открытия каждого клапана) вычисляется в зависимости от нагрузки газовой турбины, аналогично второму варианту выполнения, вычисленная величина уменьшения соотношения топлива предварительного смешивания (величина корректировки степени открытия каждого клапана) дополнительно корректируется путем умножения на коэффициент усиления в зависимости от концентрации водорода. Хотя в настоящем варианте выполнения зависимость между концентрацией водорода в топливе и коэффициентом усиления является линейной, линейная зависимость не является обязательной. В целом настоящий вариант выполнения аналогичен пятому варианту выполнения за исключением того, что не теплота сгорания, а концентрация водорода в топливе устанавливается в зависимости от коэффициента усиления.

[0054] Для концентрации водорода заранее устанавливается контрольное значение (контрольное значение концентрации водорода), аналогично пятому варианту выполнения, и коэффициент усиления имеет значение, равное 1, в случае, когда измеренная концентрация водорода равна контрольному значению. В случае, когда коэффициент усиления равен 1, значение корректировки степени открытия каждого клапана вычисляется на основе величины уменьшения соотношения топлива предварительного смешивания в зависимости от нагрузки газовой турбины (значение на сплошной линии, показанной на Фиг. 15B). В случае, когда измеренная концентрация водорода превышает контрольное значение, коэффициент усиления принимает положительное значение, величина которого зависит от концентрации водорода, как показано на Фиг. 15A. В этом случае величина уменьшения соотношения топлива предварительного смешивания корректируется в сторону увеличения путем умножения на коэффициент усиления, и значение корректировки степени открытия каждого клапана вычисляется на основе величины уменьшения соотношения топлива предварительного смешивания после корректировки (значение на штрихпунктирной линии, показанной на Фиг. 15B). В отличие от этого, в случае, когда измеренная концентрация водорода меньше контрольного значения, коэффициент усиления принимает отрицательное значение, величина которого зависит от концентрации водорода, как показано на Фиг. 15A. В этом случае величина уменьшения соотношения топлива предварительного смешивания корректируется в сторону уменьшения путем умножения на коэффициент усиления, и значение корректировки степени открытия каждого клапана вычисляется на основе величины уменьшения соотношения топлива предварительного смешивания после корректировки (значение на пунктирной линии, показанной на Фиг. 15B).

[0055] Настоящий вариант выполнения может обеспечивать эффекты, аналогичные второму варианту выполнения. В дополнение, настоящий вариант выполнения может предпочтительно реализовывать соответствующее управление соотношением топлива предварительного смешивания при гибкой обработке увеличения или уменьшения концентрации водорода в топливе. Например, в случае, когда концентрация водорода в топливе неожиданно увеличивается, можно гарантировать гашение пламени в одной из камер 42f предварительного смешивания за счет более существенного уменьшения расхода топлива предварительного смешивания. В дополнение, в случае уменьшения концентрации водорода можно предотвратить колебание состояния горения и в конечном итоге предотвратить временное увеличение выбросов оксидов азота (NO_x) за счет понижения степени уменьшения расхода топлива предварительного смешивания.

[0056] Седьмой вариант выполнения

Фиг. 16 представляет собой характеристический график, иллюстрирующий температуру металла горелки, соотношение топлива предварительного смешивания, расход топлива и количество вырабатываемой электроэнергии в соответствии с седьмым вариантом выполнения настоящего изобретения, и соответствует Фиг. 7 в соответствии с первым вариантом выполнения изобретения. Хотя в вариантах выполнения с первого по шестой при обнаружения возникновения пламени в одной из камер 42f предварительного смешивания соотношение топлива предварительного смешивания уменьшается за счет равномерного уменьшения расходов топлива, подаваемого в отдельные горелки 42A-42D, в настоящем варианте выполнения уменьшается только расход топлива в отдельную горелку, в которой возникло пламя.

[0057] В настоящем варианте выполнения необходимо множество термометров 42e, и один термометр 42e обеспечен в по меньшей мере одной лопатке 42d для каждой из множества отдельных горелок 42A-42D. В частности, в настоящем варианте выполнения термометры 42e обеспечены в 12 лопатках 42d чередующимся образом в окружном направлении, то есть один термометр 42e обеспечен в каждой из шести лопаток 42d. Другими словами, количество термометров 42e равно шести.

[0058] В случае, когда определяемая температура Tm по меньшей мере одного термометра 42e превышает заданное значение Ts, устройство 50 управления определяет отдельную горелку (любую из отдельных горелок 42A-42D), в которой обнаружено пламя, уменьшает степень открытия соответствующего газорегулирующего клапана предварительного смешивания (любого из газорегулирующих клапанов 21B-21E со второго по пятый), и уменьшает соотношения топлива предварительного смешивания в отдельной горелке. Устройство 50 управления управляет степенью открытия одного газорегулирующего клапана предварительного смешивания (любого из газорегулирующих клапанов 21B-21E со второго по пятый) в случае, когда количество отдельных горелок, в которых возникло пламя, равно одному, и управляет степенями открытия множества газорегулирующих клапанов предварительного смешивания (двух или более из газорегулирующих клапанов 21B-21E со второго по пятый) в случае, когда количество отдельных горелок, в которых возникло пламя, составляет два или более. В то же время устройство 50 управления увеличивает степень открытия диффузионного газорегулирующего клапана 21A и увеличивает расход диффузионного топлива для сохранения общего количества топлива, подаваемого в горелку 5. Процедуры управления, выполняемые устройством 50 управления в настоящем варианте выполнения, аналогичны процедурам первого варианта выполнения за исключением того, что управление соотношением топлива предварительного смешивания выполняется в отдельных горелках.

[0059] Например, в случае, когда термометр 42e, выводящий определяемую температуру Tm, которая превышает заданное значение Ts, принадлежит отдельной горелке 42A, уменьшается степень открытия второго газорегулирующего клапана 21B, соответствующего отдельной горелке 42A, которой принадлежит термометр 42e, как показано на Фиг. 16. При этом степени открытия газорегулирующих клапанов 21C-21E с третьего по пятый, соответствующих другим отдельным горелкам 42B-42D, остаются неизменными. В то же время степень открытия первого газорегулирующего клапана 21A увеличивается в ответ на уменьшение расхода топлива предварительного смешивания, так что сумма расходов топлива, подаваемого в горелку 5, остается неизменной.

[0060] Что касается других аспектов, настоящий вариант выполнения может обеспечивать эффекты, аналогичные первому варианту выполнения. В дополнение, настоящий вариант выполнения может предпочтительно ограничивать управление соотношением топлива предварительного смешивания только необходимыми отдельными горелками и поддерживать состояния в отдельных горелках, в которых не требуется уменьшение соотношения топлива предварительного смешивания. Таким образом, можно предотвратить изменение состояния горения и в конечном итоге максимально предотвратить временное увеличение выбросов оксидов азота (NO_x).

[0061] В случае увеличения определяемой температуры Tm термометра 42e, обеспеченного в лопатке 42d, которая отделяет смежные отдельные горелки, невозможно установить, в какой из отдельных горелок возникло пламя, только с использованием определяемой температуры Tm. Однако сочетание вышеописанной определяемой температуры Tm с определяемой температурой Tm другого термометра 42e позволяет установить отдельную горелку, в которой возникло пламя. Обеспечение термометров 42e в лопатках 42d чередующимся образом предпочтительно тем, что количество термометров 42e может быть вдвое меньше, чем количество термометров 42e, установленных во всех лопатках 42d, но при этом позволяет точно определять отдельную горелку, в которой возникло пламя.

[0062] Модификация

При возникновении пламени в одной камере 42f предварительного смешивания колебание текучей среды (волна давления) увеличивается. Обеспечение, например, датчика давления в камере предварительного смешивания и обнаружение этого колебания текучей среды позволяет повысить точность обнаружения пламени по сравнению с обнаружением возникновения пламени только с использованием определяемой температуры Tm. Кроме того, при необходимости варианты выполнения, описанные выше, могут быть объединены. Например, устройство 50 управления может управлять соотношением топлива предварительного смешивания в отдельных горелках за счет объединения вариантов выполнения с первого по шестой с седьмым вариантом выполнения. В дополнение, возможен пример объединения пятого и шестого вариантов выполнения и корректировки регулируемой переменной соотношения топлива предварительного смешивания на основе двух факторов, то есть теплоты сгорания топлива и концентрации водорода в топливе. Кроме того, возможен пример применения четвертого варианта выполнения в других вариантах выполнения и выполнения управления соотношением топлива предварительного смешивания, а также управления возвратом с использованием темпа ΔTm изменения в качестве альтернативы определяемой температуре Tm.

Камера сгорания газовой турбины содержит диффузионную горелку, диффузионный газорегулирующий клапан, горелку предварительного смешивания, газорегулирующий клапан предварительного смешивания, жаровую трубу камеры сгорания, устройство управления. Устройство управления управляет диффузионным газорегулирующим клапаном и газорегулирующим клапаном предварительного смешивания и выполнено с возможностью управления соотношением топлива предварительного смешивания для уменьшения степени открытия газорегулирующего клапана предварительного смешивания и увеличения степени открытия диффузионного газорегулирующего клапана таким образом, чтобы сумма расходов топлив, подаваемых в диффузионную горелку и горелку предварительного смешивания, оставалась неизменной, в случае когда определяемое значение термометра или темп увеличения определяемого значения превышает соответствующее заданное значение. Изобретение направлено на гашение пламени, возникающего в камере предварительного смешивания, предотвращение снижения выходной мощности газовой турбины, связанное с гашением пламени. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 16 ил.

1. Камера сгорания газовой турбины, содержащая:

диффузионную горелку по схеме диффузионного сжигания;

диффузионный газорегулирующий клапан, обеспеченный в диффузионной топливной системе для диффузионной горелки;

горелку предварительного смешивания по схеме сжигания с предварительным смешиванием;

по меньшей мере один газорегулирующий клапан предварительного смешивания, обеспеченный в топливной системе предварительного смешивания для горелки предварительного смешивания;

жаровую трубу камеры сгорания, которая образует секцию камеры сгорания, расположенную ниже по потоку от диффузионной горелки и горелки предварительного смешивания в направлении впрыска топлива; и

устройство управления, которое управляет диффузионным газорегулирующим клапаном и газорегулирующим клапаном предварительного смешивания, причем

горелка предварительного смешивания включает в себя:

жаровую трубу горелки, которая окружает диффузионную горелку;

корпус горелки, который окружает жаровую трубу горелки;

множество лопаток, которые делят цилиндрическое пространство между жаровой трубой горелки и корпусом горелки на множество камер предварительного смешивания, расположенных рядом друг с другом в окружном направлении;

множество топливных форсунок предварительного смешивания, которые соединены с топливной системой предварительного смешивания и которые впрыскивают топливо предварительного смешивания в соответствующие камеры предварительного смешивания; и

по меньшей мере один термометр, утопленный в одной из лопаток, и

устройство управления выполнено с возможностью выполнения управления соотношением топлива предварительного смешивания для уменьшения степени открытия газорегулирующего клапана предварительного смешивания и увеличения степени открытия диффузионного газорегулирующего клапана таким образом, чтобы сумма расходов топлив, подаваемых в диффузионную горелку и горелку предварительного смешивания, оставалась неизменной, в случае когда определяемое значение термометра или темп увеличения определяемого значения превышает соответствующее заданное значение.

2. Камера сгорания газовой турбины по п. 1, в которой

термометр обеспечен в одной из лопаток таким образом, чтобы участок измерения термометра находился на промежуточном участке между концевым участком одной лопатки вблизи секции камеры сгорания и отверстиями для струи топлива топливных форсунок предварительного смешивания в направлении впрыска топлива топливных форсунок предварительного смешивания.

3. Камера сгорания газовой турбины по п. 1, в которой

в горелке предварительного смешивания вблизи секции камеры сгорания обеспечен стабилизатор пламени и

лопатки представляют собой плоские элементы, параллельные центральной оси секции камеры сгорания.

4. Камера сгорания газовой турбины по п. 1, в которой

устройство управления выполнено с возможностью выполнения управления возвратом для возврата степени открытия каждого из газорегулирующего клапана предварительного смешивания и диффузионного газорегулирующего клапана к значению, которое было перед выполнением управления соотношением топлива предварительного смешивания, в случае истечения заданного времени с момента, когда определяемое значение термометра опустилось ниже заданного значения после выполнения управления соотношением топлива предварительного смешивания.

5. Камера сгорания газовой турбины по п. 1, в которой

устройство управления выполнено с возможностью увеличения регулируемых переменных диффузионного газорегулирующего клапана и газорегулирующего клапана предварительного смешивания при управлении соотношением топлива предварительного смешивания в соответствии с увеличением нагрузки газовой турбины.

6. Камера сгорания газовой турбины по п. 1, в которой

множество значений разной величины установлено в качестве заданного значения и

регулируемые переменные диффузионного газорегулирующего клапана и газорегулирующего клапана предварительного смешивания установлены в соответствии с каждым из множества значений, и устройство управления выполнено с возможностью выполнения ступенчатого управления соотношением топлива предварительного смешивания.

7. Камера сгорания газовой турбины по п. 1, в которой

обеспечен калориметр, который измеряет теплоту сгорания топлива предварительного смешивания, и

устройство управления выполнено с возможностью увеличения регулируемых переменных диффузионного газорегулирующего клапана и газорегулирующего клапана предварительного смешивания при управлении соотношением топлива предварительного смешивания в соответствии с увеличением теплоты сгорания топлива предварительного смешивания, измеренной калориметром.

8. Камера сгорания газовой турбины по п. 1, в которой

обеспечен измеритель концентрации, который измеряет концентрацию водорода в топливе предварительного смешивания, и

устройство управления выполнено с возможностью увеличения регулируемых переменных диффузионного газорегулирующего клапана и газорегулирующего клапана предварительного смешивания при управлении соотношением топлива предварительного смешивания в соответствии с увеличением концентрации водорода в топливе предварительного смешивания, измеренной измерителем концентрации.

9. Камера сгорания газовой турбины по п. 1, в которой

горелка предварительного смешивания разделена на множество отдельных горелок, каждая из которых включает в себя по меньшей мере один набор из камеры предварительного смешивания и топливных форсунок предварительного смешивания, и которые расположены рядом друг с другом в окружном направления, окружая диффузионную горелку,

обеспечено множество термометров, каждый из которых обеспечен в по меньшей мере одной из лопаткок для каждой из множества отдельных горелок, и

устройство управления выполнено с возможностью уменьшения степени открытия газорегулирующего клапана предварительного смешивания, соответствующего по меньшей мере одной из отдельных горелок, которой принадлежит термометр, выводящий определяемое значение, превышающее заданное значение, сохранения степени открытия газорегулирующего клапана предварительного смешивания, соответствующего каждой из других отдельных горелок, и увеличения степени открытия диффузионного газорегулирующего клапана таким образом, чтобы сумма расходов топлив, подаваемых в диффузионную горелку и горелку предварительного смешивания, оставалась неизменной, в случае когда определяемое значение по меньшей мере одного из термометров превышает заданное значение.

10. Газовая турбина, содержащая:

компрессор;

камеру сгорания газовой турбины по п. 1, причем камера сгорания газовой турбины сжигает топливо вместе с воздухом, сжатым компрессором; и

турбину, приводимую в движение газом сгорания, производимым камерой сгорания газовой турбины.

11. Способ управления камерой сгорания газовой турбины, причем камера сгорания газовой турбины включает в себя диффузионную горелку по схеме диффузионного сжигания; диффузионный газорегулирующий клапан, обеспеченный в диффузионной топливной системе для диффузионной горелки; горелку предварительного смешивания по схеме сжигания с предварительным смешиванием; по меньшей мере один газорегулирующий клапан предварительного смешивания, обеспеченный в топливной системе предварительного смешивания для горелки предварительного смешивания; и секцию камеры сгорания, обеспеченную ниже по потоку от диффузионной горелки и горелки предварительного смешивания в направлении впрыска топлива, причем

горелка предварительного смешивания включает в себя:

жаровую трубу горелки, которая окружает диффузионную горелку;

корпус горелки, который окружает жаровую трубу горелки;

множество лопаток, которые делят цилиндрическое пространство между жаровой трубой горелки и корпусом горелки на множество камер предварительного смешивания, расположенных рядом друг с другом в окружном направлении;

множество топливных форсунок предварительного смешивания, которые соединены с топливной системой предварительного смешивания и которые впрыскивают топливо предварительного смешивания в соответствующие камеры предварительного смешивания; и

по меньшей мере один термометр, утопленный в одной из лопаток, и

в случае, когда определяемое значение термометра или темп увеличения определяемого значения превышает соответствующее заданное значение, степень открытия газорегулирующего клапана предварительного смешивания уменьшают, а степень открытия диффузионного газорегулирующего клапана увеличивают таким образом, чтобы сумма расходов топлив, подаваемых в диффузионную горелку и горелку предварительного смешивания, оставалась неизменной.