Интеллектуальный способ управления с прогнозирующей способностью контроля выбросов
Изобретение относится к системе сгорания и способу прогнозирования концентрации загрязняющих веществ системы сгорания для газотурбинного двигателя. Задачей изобретения является обеспечение более надежной прогнозирующей системы контроля выбросов. Система (100) сгорания содержит камеру (101) сгорания, в которую впрыскиваются и воспламеняются запальное топливо (102) и основное топливо (103), причем выхлопной газ (104), производимый сгоревшим запальным топливом (102) и сгоревшим основным топливом (103), выпускается из камеры (101) сгорания. Блок (112) управления соединен с блоком (105) управления топливом для регулировки соотношения запального топлива (102), с датчиком (107) температуры для приема сигнала температуры, с блоком (109) определения топлива для приема определенного сигнала топлива и с датчиком (110) массового расхода для приема определенного сигнала массового расхода. Блок (112) управления выполнен с возможностью определения прогнозируемой концентрации загрязняющих веществ выхлопного газа (104) на основании сигнала температуры, сигнала топлива, сигнала массового расхода и соотношения разделения топлива. Способ прогнозирования концентрации загрязняющих веществ системы сгорания для газотурбинного двигателя содержит несколько этапов. Блоком (105) управления топливом делят топливо (106) на запальное топливо (102) и основное топливо (103). Топливо впрыскивается и воспламеняется внутри камеры сгорания. Генерируют сигнал температуры датчиком (107) температуры, указывающий температуру выхлопного газа внутри камеры (101) сгорания или дальше по потоку после камеры сгорания. Генерируют сигнал массового расхода датчиком (110) массового расхода, указывающий массовый расход (111) воздуха, входящего в камеру сгорания. Блоком (109) определения топлива определяют сигнал топлива, указывающий состав топлива (106). Блоком управления на основании сигнала температуры, сигнала топлива, сигнала массового расхода и соотношения разделения топлива определяют прогнозируемую концентрацию загрязняющих веществ выхлопного газа (104). 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 3 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к системе сгорания и способу прогнозирования концентрации загрязняющих веществ системы сгорания для газотурбинного двигателя.
Уровень техники
В газотурбинном двигателе цель заключается в определении оптимального соотношения разделения топлива между запальным топливом и основным топливом, которые впрыскиваются в камеру сгорания так, что может быть достигнута наилучшая работа газотурбинного двигателя. В частности, следует избегать высоких температур металлов и высокой динамики в камере сгорания, при этом желательно увеличение надежности двигателя с наименьшим производством загрязняющих веществ, таких как NOx. Например, низкие выбросы смесей NOx могут быть достигнуты на основании использования бедного основного топлива и большого опыта использования известной системы сгорания.
Однако имеется спрос на возможность прогнозирования выбросов загрязняющих веществ в целях регулировки. В настоящее время используются прогнозирующие системы контроля выбросов, которые прогнозируют выброс загрязняющих веществ на основании рабочих параметров и определенных характеристик газотурбинного двигателя, который используется на месте работы. В частности, выбросы NOx и CO могут быть спрогнозированы на основании отображения температуры при запуске двигателя и далее скорректированы на рабочие ограничения. Способ управления температурой при запуске двигателя косвенно учитывает рабочие параметры двигателя и далее определяет соответствующие значения NOx и CO. Корректировки для рабочих ограничений завершаются смещением, причем смещение предварительно определено, например, в лабораторных испытаниях.
Документ WO 2007/082608 раскрывает устройство сгорания, включающее в себя входящий трубопровод подачи топлива, который подает топливо во множестве трубопроводов подачи топлива к одной или более горелкам. Горелка содержит объем сгорания. Датчик температуры расположен в устройстве так, чтобы получать информацию о температуре, относящуюся к составной части устройства, которая должна быть защищена от перегрева. Устройство также включает в себя устройство управления, которое детектирует выходной сигнал датчика температуры и в зависимости от этого выходного сигнала изменяет подачу топлива к одной или более горелкам так, чтобы поддерживать температуру составной части ниже максимального значения, при сохранении топлива во входящем трубопроводе подачи топлива по существу постоянным. Блок управления также стремится регулировать рабочие условия устройства так, чтобы поддерживать колебания давления ниже максимального значения.
Документ EP 2 442 031 A1 раскрывает блок управления устройством сгорания и устройство сгорания, например газовую турбину, которые определяют на основании по меньшей мере одного рабочего параметра, находится ли устройство сгорания на заданном рабочем этапе. В ответ на это генерируется сигнал управления, выполненный для установки соотношения по меньшей мере двух различных входных потоков топлива на заданное значение в течение заданного времени, в случае если устройство сгорания находится на заданном рабочем этапе.
Документ WO 2011/042037 A1 раскрывает устройство сгорания с устройством управления, выполненным с возможностью изменения подачи топлива к одной или более горелкам на основании информации о температуре, информации о давлении и дополнительной информации. Дополнительная информация указывает ход изменения во времени сигнала в интервале времени, определенном информацией о времени, чтобы поддерживать температуру подлежащей защите желаемой части ниже заданного максимального температурного предела и чтобы поддерживать изменения давления внутри объема сгорания ниже заданного максимального предела изменения давления при сохранении общей подачи топлива в трубопроводе подачи топлива в устройство по существу постоянной.
Однако в известных прогнозирующих системах контроля выбросов не учитывается колебание разделения запального топлива, смещения в топливной системе или изменение переменного состава топлива.
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения может являться обеспечение более надежной прогнозирующей системы контроля выбросов.
Эта задача решается системой сгорания для газотурбинного двигателя и способом прогнозирования концентрации загрязняющих веществ системы сгорания для газотурбинного двигателя согласно независимым пунктам формулы изобретения.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения обеспечена система сгорания для газотурбинного двигателя. Система сгорания содержит камеру сгорания, блок управления топливом, датчик температуры, блок определения топлива, датчик массового расхода и блок управления. Запальное топливо и основное топливо впрыскиваются и воспламеняются в камере сгорания, причем выхлопной газ, производимый сгоревшим запальным топливом и сгоревшим основным топливом, выпускается из камеры сгорания.
Блок управления топливом делит топливо на запальное топливо и основное топливо с учетом регулируемого соотношения запального топлива/основного топлива. Датчик температуры генерирует сигнал температуры, указывающий температуру выхлопного газа в месте (например, наиболее горячем месте) внутри камеры сгорания или дальше по потоку после камеры сгорания. Блок определения топлива (например, газовый хроматограф или калориметр) определяет сигнал топлива, указывающий состав (например, качество и количество составляющих компонентов) топлива. Датчик массового расхода генерирует сигнал массового расхода, указывающий массовый расход воздуха, входящего в камеру сгорания.
Блок управления соединен с блоком управления топливом для регулировки соотношения запального топлива/основного топлива, с датчиком температуры для приема сигнала температуры, с блоком определения топлива для приема определенного сигнала топлива и с датчиком массового расхода для приема определенного сигнала массового расхода.
Блок управления выполнен с возможностью определения прогнозируемой концентрации загрязняющих веществ (например, NOx, Sox, UHC и/или CO) выхлопного газа на основании сигнала температуры, сигнала топлива, сигнала массового расхода и соотношения разделения запального топлива/ основного топлива.
Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения обеспечен способ прогнозирования концентрации загрязняющих веществ системы сгорания для газотурбинного двигателя. Топливо делится на запальное топливо и основное топливо блоком управления топливом с учетом регулируемого соотношения запального топлива, причем запальное топливо и основное топливо впрыскиваются и воспламеняются внутри камеры сгорания системы сгорания. Выхлопной газ производится сгоревшим запальным топливом и сгоревшим основным топливом и выпускается из камеры сгорания.
Сигнал температуры генерируется датчиком температуры, указывая температуру выхлопного газа в месте (например, наиболее горячем месте) внутри камеры сгорания или дальше по потоку после камеры сгорания. Сигнал массового расхода генерируется датчиком массового расхода, указывая массовый расхода воздуха, входящего в камеру сгорания. Сигнал топлива о составе топлива определяется блоком определения топлива.
Прогнозируемая концентрация загрязняющих веществ выхлопного газа определяется блоком управления на основании сигнала температуры, сигнала топлива, сигнала массового расхода и соотношения разделения топлива.
Газотурбинный двигатель содержит расположенный выше по потоку ротационный компрессор, соединенный с расположенной ниже по потоку турбиной, и систему сгорания с по меньшей мере одной камерой сгорания между ними. Вал соединяет расположенный выше по потоку ротационный компрессор с расположенной ниже по потоку турбиной. В некоторых вариантах выполнения обеспечена двухвальная конструкция, в которой два вала расположены в газотурбинном двигателе, которые соединены, например, шестерней.
Выражения выше по потоку и ниже по потоку относятся к направлению воздушного потока и/или потока рабочего газа через газотурбинный двигатель, если не указано иное. Выражения вперед и назад относятся к общему направлению потока газа через двигатель. Выражения осевой, радиальный и периферийный приведены со ссылкой на ось вращения вала газотурбинного двигателя.
Камера сгорания содержит предварительную камеру сгорания и основную камеру сгорания. Топливо делится с заданным соотношением запального топлива/основного топлива на массовый расход запального топлива и массовый расход основного топлива. Запальное топливо впрыскивается в запальную горелку внутри предварительной камеры сгорания. Основное топливо впрыскивается вместе с воздухом через завихритель внутри предварительной камеры сгорания. Запальное топливо в общем является более богатым топливом для поддержания и управления стабильным пламенем внутри камеры сгорания. Основное топливо в общем является более бедным, чем запальное топливо для того, чтобы обеспечивать оптимальные характеристики горения, т.е. с низкими выбросами, например NOx.
Блок управления топливом, например управляемый клапан, делит (подачу) поток топлива на основное топливо (массовый расход) и запальное топливо (массовый расход) в зависимости от заданного соотношения запального топлива/основного топлива.
В зависимости от соотношения топлива/основного топлива (помимо других факторов, таких как, например, температура пламени или качество топлива) каждый газотурбинный двигатель производит определенное загрязняющее вещество (например, NOx и/или CO) и, следовательно, определенное количество загрязняющего вещества. Более того, в зависимости от соотношения топлива/основного топлива характеристики пламени, т.е. температура металла и стабильность пламени, могут регулироваться.
Датчик температуры измеряет температуру горячих продуктов, т.е. выхлопного газа, внутри камеры сгорания. Датчик температуры, например, расположен вблизи или в наиболее горячем месте внутри камеры сгорания или расположен дальше по потоку после камеры сгорания. В зависимости от температуры пламени, т.е. выхлопного газа, (помимо других факторов, таких как, например, соотношение запального топлива/основного топлива или качество топлива) каждый газотурбинный двигатель производит определенное загрязняющее вещество (например, NOx и/или CO).
Согласно дополнительному примерному варианту выполнения система сгорания дополнительно содержит дополнительный датчик температуры для генерации дополнительного сигнала температуры, указывающего температуру материала, в частности металла, в наиболее горячей области в месте внутри камеры сгорания. Блок управления выполнен с возможностью определения прогнозируемой концентрации загрязняющих веществ выхлопного газа дополнительно на основании дополнительного сигнала температуры.
Датчик температуры металла, например, расположен вблизи или в наиболее горячем месте внутри камеры сгорания, например, на поверхности запальной горелки камеры сгорания.
Блок определения топлива определяет состав используемого топлива (т.е. значимые компоненты топлива) и, кроме того, количество каждого из значимых компонентов топлива. Например, блок определения топлива может измерять количество метана, этана или других алканов и/или азота в качестве значимых компонентов топлива.
В зависимости от состава топлива (помимо других факторов, таких как, например, соотношение запального топлива/основного топлива или температура), каждый газотурбинный двигатель производит определенное загрязняющее вещество (например, NOx и/или CO). Конкретно, бытовой (природный) газ из разных регионов мира значительно отличается по его составу. Например, состав (процентное содержание метана или азота) бытового газа, добываемого в США, значительно отличается от состава бытового газа, добываемого в Великобритании, Нидерландах или Германии.
Топливо может представлять собой газообразное топливо или жидкое топливо. Газообразное топливо может непрерывно измеряться блоком определения топлива при работе газотурбинного двигателя. Например, блок определения топлива содержит газовый хроматограф, который может быть соединен с трубопроводом подачи топлива для того, чтобы непрерывно измерять состав используемого газообразного топлива.
Более того, если для работы газотурбинного двигателя используется жидкое топливо, в определенный момент времени проба топлива берется из топливного бака и анализируется. Например, каждый раз, когда топливный бак пополняется подачей нового топлива, соответственная проба топлива может быть взята и проанализирована блоком определения топлива. Информация о составе пробы топлива передается в качестве сигнала топлива блоку управления, например.
Блок определения топлива может измерять, например, так называемый индекс Воббе. Индекс Воббе (WI) представляет собой показатель взаимозаменяемости топливных газов, таких как природный газ, сжиженный нефтяной газ и коммунальный газ, и часто определен в спецификациях коммуникаций подачи и транспортировки газа. Индекс Воббе используется для сравнения выработки энергии сгорания топливных газов разного состава в устройстве (устройстве сгорания). Если два топлива имеют одинаковые индексы Воббе, то при заданном давлении и настройках клапана выработка энергии будет также одинаковой.
Блок определения топлива может содержать калориметр для измерения индекса Воббе. Калориметр анализирует содержание кислорода в выхлопном газе после сгорания и сравнивает содержание кислорода с содержанием кислорода (например, в подаваемом воздухе, впрыскиваемом в камеру сгорания до сгорания топлива), впрыскиваемого в камеру сгорания.
Датчик массового расхода соединен с трубопроводом подачи воздуха. Воздух, который впрыскивается в камеру сгорания, подается через трубопровод подачи воздуха в камеру сгорания. Массовый расход подаваемого воздуха, который впрыскивается в камеру сгорания, может регулироваться, например, поворотной направляющей лопаткой (VGV), установленной в пределах ступени компрессора газотурбинного двигателя. Более того, массовый расход подаваемого воздуха может регулироваться выпуском воздуха до того, как воздух входит в камеру сгорания (так называемый P2-выпуск).
В зависимости от массового расхода воздуха (среди других факторов, таких как, например, соотношение запального топлива/основного топлива или температура), каждый газотурбинный двигатель производит определенное количество загрязняющего вещества (например, NOx и/или CO). Например, если более высокий массовый расход воздуха впрыскивается в камеру сгорания, то основное топливо является более бедным, что вызывает, например, более низкий выброс NOx. В отличие от этого более низкий массовый расход воздуха вызывает, например, более высокий выброс NOx.
Данные, указывающие на влияние соотношения запального топлива/основного топлива, температуры, состава топлива и массового расхода воздуха относительно концентрации загрязняющих веществ, собираются во время управляемой работы соответственного газотурбинного двигателя. Например, газотурбинный двигатель запускается с постоянным соотношением запального топлива/основного топлива, постоянной температурой и известным составом топлива, и массовый расход воздуха изменяется регулируемым образом, при этом измеряется изменение выброса загрязняющих веществ. В результате может быть определено влияние массового расхода воздуха относительно выброса загрязняющих веществ. Таким же образом влияние соотношения запального топлива/основного топлива, температуры и состава топлива относительно выброса загрязняющих веществ может быть определено для каждого газотурбинного двигателя.
Соответственные данные могут быть сохранены в базе данных, которая связана с блоком управления. В результате при работе газотурбинного двигателя блок управления определяет изменение, например, соотношения запального топлива/основного топлива, температуры, состава топлива и/или массового расхода воздуха и может сравнивать измененные данные (т.е. определенные значения параметров) с соответственными данными и базой данных так, что достигается точное прогнозирование выброса загрязняющих веществ, например выбросов NOx.
В результате посредством настоящего изобретения точное прогнозирование выброса загрязняющих веществ возможно даже с учетом качества и количества используемого топлива. Более того, если газотурбинный двигатель устанавливается в разных регионах мира, в которых, например, качество топлива или качество воздуха (например, загрязнение воздуха, влажность, температура воздуха) массового расхода воздуха отличаются, точное прогнозирование выброса загрязняющих веществ возможно без проведения времязатратных испытательных работ.
Согласно примерному варианту выполнения настоящего изобретения блок управления дополнительно выполнен с возможностью сравнения прогнозируемой концентрации загрязняющих веществ с заданным пороговым значением (например, заданной концентрацией загрязняющего вещества, такого как NOx или CO). Блок управления дополнительно выполнен с возможностью регулировки параметров управления двигателем (например, соотношения запального топлива/основного топлива, массового расхода подаваемого воздуха или выработки энергии/нагрузки газотурбинного двигателя), если прогнозируемая концентрация загрязняющих веществ превышает заданное пороговое значение.
Согласно примерному варианту выполнения настоящего изобретения система сгорания дополнительно содержит датчик давления для измерения сигнала давления, указывающего изменение давления внутри камеры сгорания. Блок управления дополнительно соединен с датчиком давления для приема сигнала давления. Блок управления выполнен с возможностью определения прогнозируемой концентрации загрязняющих веществ дополнительно на основании сигнала температуры, сигнала топлива, сигнала массового расхода, запального топлива/основного топлива и сигнала давления. Значение давления и, в частности, колебание давления может зависеть от характеристик пламени внутри камеры сгорания. Следовательно, в зависимости от измеренного значения давления дается утверждение о качестве пламени и, следовательно, концентрации загрязняющих веществ.
Согласно примерному варианту выполнения настоящего изобретения система сгорания содержит блок хранения данных, соединенный с блоком управления. Блок хранения данных содержит данные о характеристиках двигателя, указывающие отношение между нагрузкой газотурбинного двигателя и соотношением запального топлива/основного топлива. Блок управления выполнен с возможностью регулировки соотношения разделения запального топлива/основного топлива с учетом прогнозируемой концентрации загрязняющих веществ и заданного порогового значения нагрузки.
Согласно примерному варианту выполнения настоящего изобретения блок управления соединен (связан) с блоком измерения нагрузки для измерения сигнала нагрузки, указывающего нагрузку газотурбинного двигателя. Блок управления выполнен с возможностью использования сигнала нагрузки для определения заданного порогового значения нагрузки. Другими словами, измеренная нагрузка представляет собой заданное пороговое значение, которое означает, что вследствие изменения других параметров управления двигателем нагрузка не должна изменяться. Более того, также вышеописанное пороговое значение концентрации загрязняющих веществ не должно превышаться. В результате путем измерения нагрузки и установки измеренной нагрузки в качестве порогового значения турбинный двигатель может управляться так, что нагрузка, например выходная мощность турбинного двигателя, поддерживается постоянной, при этом концентрация загрязняющих веществ не превышается.
Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения обеспечен программный элемент для прогнозирования концентрации загрязняющих веществ системы сгорания для газотурбинного двигателя, причем программный элемент при исполнении процессором данных (например, процессором данных вышеописанного блока управления) выполнен с возможностью исполнения вышеописанного способа согласно настоящему изобретению.
В данном контексте ссылка на компьютерную программу предназначена в качестве эквивалента ссылке на программный элемент и/или машиночитаемый носитель, содержащий команды для управления вычислительной системой, чтобы координировать выполнение вышеописанного способа.
Компьютерная программа может быть осуществлена в виде машиночитаемого командного кода на любом подходящем языке программирования, таком как, например, JAVA, С++, и может быть сохранена на машиночитаемом носителе (съемный диск, энергозависимая или энергонезависимая память, встроенная память/процессор и т.д.). Командный код выполнен возможностью программирования компьютера или любого другого программируемого устройства на выполнение предполагаемых функций. Компьютерная программа может быть доступна из сети, такой как всемирная паутина, из которой она может загружена.
Изобретение может быть реализовано посредством соответственного программного обеспечения компьютерной программы. Однако изобретение также может быть реализовано посредством соответственного аппаратного обеспечения одной или более определенных электронных схем. Более того, изобретение также может быть реализовано в гибридной форме, т.е. в сочетании модулей программного обеспечения и модулей аппаратного обеспечения.
Посредством настоящего изобретения обеспечено точное прогнозирование выбросов загрязняющего вещества на основании фактических показаний двигателя и фактического состава топлива при надежной работе с низкой температурой металла и низкими выбросами. Это может увеличивать и рабочий диапазон двигателя для разных составов топлива с улучшенной способностью прогнозирования выброса загрязняющих веществ. Более того, посредством настоящего изобретения выбросы загрязняющих веществ прогнозируются и, например, не отслеживаются.
Следует отметить, что варианты выполнения изобретения описаны со ссылкой на различные объекты изобретения. В частности, некоторые варианты выполнения описаны со ссылкой на пункты формулы изобретения типа устройства, тогда как другие варианты выполнения описаны со ссылкой на пункты формулы изобретения типа способа. Однако специалисту в области техники из вышеизложенного и следующего далее описания будет понятно, что, если не указано другое, в дополнение к любому сочетанию признаков, принадлежащих одному типу объекта, также любое сочетание между признаками, относящимися к различным объектам, в частности между признаками пунктов формулы изобретения типа устройства и признаками пунктов формулы изобретения типа способа, рассматривается как раскрытое в настоящей заявке.
Краткое описание чертежей
Определенные выше аспекты и дополнительные аспекты настоящего изобретения являются очевидными из описанных далее примеров варианта выполнения и объяснены со ссылкой на примеры варианта выполнения. Далее изобретение будет более подробно описано со ссылкой на примеры варианта выполнения, но изобретение ими не ограничивается.
Фиг. 1 показывает схематический вид системы сгорания согласно примерному варианту выполнения настоящего изобретения;
Фиг. 2 показывает схематический вид диаграммы, которая показывает отношение между основным/запальным разделением и нагрузкой газотурбинного двигателя; и
Фиг. 3 показывает газотурбинный двигатель согласно примерному варианту выполнения настоящего изобретения.
Подробное описание
Иллюстрации являются схематическими. Отметим, что на разных фигурах подобные или идентичные элементы обеспечены одинаковыми ссылочными позициями.
Фиг. 1 показывает систему 100 сгорания для газотурбинного двигателя 10 согласно примерному варианту выполнения настоящего изобретения. Система 100 сгорания содержит камеру 101 сгорания, в которую запальное топливо 102 и основное топливо 103 впрыскиваются и воспламеняются. Выхлопной газ 104, производимый сгоревшим запальным топливом 102 и сгоревшим основным топливом 103, выпускается из камеры 101 сгорания. Блок 105 управления топливом 105 делит топливо 106 на запальное топливо 102 и основное топливо 103 с учетом регулируемого соотношения запального топлива/основного топлива. Датчик 107 температуры генерирует сигнал температуры, указывающий температуру выхлопного газа 104 в месте внутри камеры 101 сгорания. Блок 109 определения топлива определяет сигнал топлива, указывающий состав топлива 106. Датчик 110 массового расхода генерирует сигнал массового расхода, указывающий массовый расход 111 воздуха, входящего в камеру сгорания 101.
Блок 112 управления соединен с блоком 105 управления топливом для регулировки соотношения запального топлива/основного топлива. Блок 112 управления дополнительно соединен с датчиком 107 температуры для приема сигнала температуры. Блок 112 управления дополнительно соединен с блоком 109 определения топлива для приема определенного сигнала топлива 106. Блок 112 управления дополнительно соединен с датчиком 110 массового расхода для приема определенного сигнала массового расхода.
Блок 112 управления выполнен с возможностью определения прогнозируемой концентрации загрязняющих веществ выхлопного газа 104 на основании сигнала температуры, сигнала топлива, сигнала массового расхода и соотношения запального топлива/основного топлива.
Камера 101 сгорания содержит предварительную камеру сгорания и основную камеру сгорания. Топливо делится с заданным соотношением запального топлива/основного топлива на массовый расход 102 запального топлива и массовый расход 103 основного топлива. Запальное топливо 102 впрыскивается в запальную горелку внутри предварительной камеры сгорания. Основное топливо 103 впрыскивается вместе с массовым расходом 111 воздуха через завихритель внутри предварительной камеры сгорания. Запальное топливо 102 в общем является более богатым топливом для управления и поддержания стабильного пламени внутри камеры 101 сгорания. Основное топливо 103 в общем является более бедным, чем запальное топливо, для того, чтобы обеспечивать оптимальные подходящие характеристики горения, т.е. с низкими выбросами, например, NOx.
Блок 105 управления топливом, например управляемый клапан, делит (подачу) поток топлива на основное топливо (массовый расход) 103 и запальное топливо (массовый расход) 102 в зависимости от заданного соотношения запального топлива/основного топлива.
В зависимости от соотношения топлива/основного топлива (помимо других факторов, таких как, например, температура пламени или качество топлива) каждый газотурбинный двигатель 10 производит определенное загрязняющее вещество (например, NOx и/или CO) и, следовательно, определенное количество загрязняющего вещества в выхлопном газе 104. Более того в зависимости от соотношения топлива/основного топлива характеристики пламени, т.е. температура и стабильность пламени, могут регулироваться.
Датчик 107 температуры измеряет температуру горячих продуктов, т.е. выхлопного газа 104, внутри камеры 101 сгорания. Датчик 107 температуры, например, расположен вблизи или в самом горячем месте внутри камеры 101 сгорания. В зависимости от температуры пламени, т.е. выхлопного газа 104 (помимо других факторов, таких как, например, соотношение запального топлива/основного топлива или качество топлива) каждый газотурбинный двигатель 10 производит определенное загрязняющее вещество (например, NOx и/или CO). Датчик 107 температуры также может быть расположен дальше по потоку после камеры 101 сгорания, например после секции 18 турбины.
Блок 109 определения топлива определяет состав используемого топлива (т.е. значимые компоненты топлива) и, кроме того, количество каждого из значимых компонентов топлива. Например, блок определения топлива может измерять количество метана, этана или других алканов и/или азота в качестве значимых компонентов топлива.
В зависимости от состава топлива (помимо других факторов, таких как, например, соотношение запального топлива/основного топлива или температура), каждый газотурбинный двигатель 10 производит определенное загрязняющее вещество (например, NOx и/или CO).
Датчик 110 массового расхода соединен с трубопроводом подачи воздуха. Воздух 111, который впрыскивается в камеру 101 сгорания, подается через трубопровод подачи воздуха в камеру 101 сгорания. Также может иметься измерение потока воздуха на впуске компрессора, например, посредством корреляции перепада давлений, которая легко приводит к соответствующему потоку воздуха в камеру 101 сгорания. Этот принцип может быть компенсирован выпуском потоков, например, используемых для работы с частичной нагрузкой путем включения характеристик и настроек клапана. Массовый расход 111 подаваемого воздуха, который впрыскивается в камеру 101 сгорания, может регулироваться, например, поворотной направляющей лопаткой (VGV), установленной в пределах ступени компрессора газотурбинного двигателя 10. Более того, массовый расход 111 подаваемого воздуха может регулироваться путем выпуска воздуха до того, как воздух входит в камеру сгорания (так называемый P2-выпуск). Выпуск воздуха может быть осуществлен в выхлопной патрубок турбины или впуск компрессора.
В зависимости от массового расхода 111 воздуха (помимо других факторов, таких как, например, соотношение запального топлива/основного топлива или температура), каждый газотурбинный двигатель 10 производит определенное количество загрязняющих веществ (например, NOx и/или CO). Например, если более высокий массовый расход 111 воздуха впрыскивается в камеру 101 сгорания, то смесь с основным топливом 103 беднее, что вызывает, например, более низкий выброс NOx. В отличие от этого более низкий массовый расход 111 воздуха вызывает, например, более высокий выброс NOx.
Данные, указывающие на влияние соотношения запального топлива/основного топлива, температуры, состава топлива и массового расхода воздуха относительно концентрации загрязняющих веществ, собираются во время управляемой работы соответственного газотурбинного двигателя 10.
Соответственные данные могут быть сохранены в базе данных (например, блоке 114 хранения данных), которая связана с блоком 112 управления. В результате при работе газотурбинного двигателя 10 блок 112 управления определяет изменение, например, соотношения запального топлива/основного топлива, температуры, состава топлива и/или массового расхода 111 топлива и может сравнивать измененные данные (т.е. определенные значения параметров) с соответственными данными и базой данных так, что достигается точное прогнозирование выброса загрязняющих веществ, например выбросов NOx.
Блок 112 управления дополнительно выполнен с возможностью сравнения прогнозируемой концентрации загрязняющих веществ с заданным пороговым значением (например, заданной концентрацией загрязняющих веществ, таких как NOx или CO). Блок 112 управления дополнительно выполнен с возможностью регулировки параметров управления двигателем (например, соотношения запального топлива/основного топлива, массового расхода 111 подаваемого воздуха или выработки энергии/нагрузки газотурбинного двигателя), если прогнозируемая концентрация загрязняющих веществ превышает заданное пороговое значение.
Система 100 сгорания дополнительно содержит датчик 113 давления для измерения сигнала давления, указывающего изменение давления внутри камеры 101 сгорания. Блок 112 управления дополнительно соединен с датчиком 113 давления для приема сигнала давления. Блок 112 управления выполнен с возможностью определения прогнозируемой концентрации загрязняющих веществ дополнительно на основании сигнала температуры, сигнала топлива, сигнала массового расхода, запального топлива/основного топлива и сигнала давления. Значение давления и, в частности, колебание давления зависит от характеристик пламени внутри камеры 101 сгорания. В результате в зависимости от измеренного значения давления дается утверждение о стабильности пламени и, следовательно, концентрации загрязняющих веществ.
Система 100 сгорания дополнительно содержит блок 114 хранения данных, соединенный с блоком 112 управления. Блок 114 хранения данных содержит данные о характеристиках двигателя, указывающие отношение между нагрузкой газотурбинного двигателя и соотношением запального топлива/основного топлива. Блок 112 управления выполнен с возможностью регулировки соотношения разделения запального топлива/основного топлива с учетом прогнозируемой концентрации загрязняющих веществ и заданного порогового значения нагрузки.
Блок управления дополнительно соединен (связан) с блоком 108 измерения нагрузки для измерения сигнала нагрузки, указывающего нагрузку газотурбинного двигателя 10. Блок 112 управления выполнен с возможностью использования сигнала нагрузки для определения заданного порогового значения нагрузки. Другими словами, измеренная нагрузка представляет собой заданное пороговое значение, которое означает, что вследствие изменения других параметров управления двигателем нагрузка не должна изменяться. Более того, также вышеописанное пороговое значение концентрации загрязняющих веществ не должно превышаться. В результате путем измерения нагрузки и установки измеренной нагрузки в качестве порогового значения турбинный двигатель 10 может управляться так, что нагрузка, например выходная мощность турбинного двигателя, поддерживается постоянной, при этом концентрация загрязняющих веществ не превышается.
Фиг. 2 показывает диаграмму, которая показывает отношение между основным/запальным разделением (например, соотношением запального топлива/основного топлива) и нагрузкой газотурбинного двигателя 10.
Система 100 сгорания содержит блок 114 хранения данных, соединенный с блоком 112 управления. Блок 114 хранения данных содержит данные о характеристиках двигателя, указывающие отношение между нагрузкой газотурбинного двигателя и соотношением запального топлива/основного топлива. Блок 112 управления выполнен с возможностью регулировки соотношения разделения запального топлива/основного топлива с учетом прогнозируемой концентрации загрязняющих веществ и заданного порогового значения нагрузки.
Например, границы высокой температуры металла (измеренные, например, датчиком 115 температуры, который может быть установлен на поверхности запальной горелки камеры 101 сгорания) возникают в области A диаграммы на Фиг. 2, а высокие колебания давления камеры сгорания возникают в области B диаграммы на Фиг. 2. В результате цель заключается в управлении и регулировке основного/запального разделения так, что в зависимости от желаемых нагрузок газотурбинного двигателя 10 область между областью A и областью В направляется. Дополнительно посредством настоящего изобретения основное/запальное разделение используется для прогнозирования выброса загрязняющих веществ. Блок 112 управления может управлять работой газотурбинного двигателя так, что достигается наилучший компромисс между низким выбросом загрязняющих веществ, допустимой температурой металла (область A) и допустимой стабильностью пламени внутри камеры 101 сгорания (область B).
Фиг. 3 показывает газотурбинный двигатель 10, содержащий систему 100 сгорания, как показано на Фиг. 1 и Фиг. 2.
Газотурбинный двигатель 10 показан на виде в разрезе. Газотурбинный двигатель 10 содержит последовательно по потоку впуск 12, секцию 14 компрессора, систему 100 сгорания и секцию 18 турбины, которые в общем расположены последовательно по потоку и в общем в направлении продольной или оси 20 вращения. Газотурбинный двигатель 10 дополнительно содержит вал 22, который вращается вокруг оси 20 вращения и который продолжается продольно через газотурбинный двигатель 10. Вал 22 соединяет с возможностью приведения в движение секцию 18 турбины с секцией 12 компрессора.
При работе газотурбинного двигателя 10 массовый расход 111 воздуха, который принимается через впуск 12 воздуха, сжимается секцией 12 компрессора и поступает в систему 100 сгорания и, следовательно, внутрь камеры 101 сгорания. Система 100 сгорания содержит одну или более камер 101 сгорания, образованных двустенной оболочкой 27, и по меньшей мере одну горелку 30, прикрепленную к каждой камере 101 сгорания. Камеры 101 сгорания и горелки 30 расположены внутри системы 100 сгорания. Сжатый воздух, проходящий через компрессор 12, входит в диффузор 32 и выпускается из диффузора 32 в систему 100 сгорания, откуда часть воздуха входит в камеру 101 сгорания и смешивается с газообразным или жидким топливом. Топливно-воздушная смесь далее сгорает, и выхлопной газ 104 или рабочий газ вследствие сгорания направляется через переходный канал 35 в секцию 18 турбины.
Секция 18 турбины содержит несколько поддерживающих лопатки дисков 36, прикрепленных к валу 22. В данном примере каждый из двух дисков 36 поддерживает кольцеобразный набор турбинных лопаток 38. Однако количество поддерживающих лопатки дисков может быть различным, т.е. только один диск или более двух дисков. В дополнение, направляющие лопатки 40, которые прикреплены к статору 42 газотурбинного двигателя 10, расположены между турбинными лопатками 38. Между выходом из камеры 100 сгорания и ведущими турбинными лопатками 38 обеспечены впускные направляющие лопатки 44.
Газообразные продукты сгорания из камеры 101 сгорания входят в секцию 18 турбины и приводят в движение турбинные лопатки 38, которые в свою очередь вращают вал 22. Направляющие лопатки 40, 44 служат для оптимизации угла газообразных продуктов сгорания или рабочего газа на турбинных лопатках 38. Секция 12 компрессора содержит осевую последовательность ступеней 46 направляющих лопаток 48 и ступеней 48 лопаток ротора.
Следует отметить, что выражение «содержащий» не исключает другие элементы или этапы. Также элементы, описанные в связи с различными вариантами выполнения, могут быть объединены. Также следует отметить, что ссылочные позиции в формуле изобретения не должны толковаться как ограничивающие объем охраны формулы изобретения.
Список ссылочных позиций
| 10 газотурбинный двигатель | 110 датчик массового расхода |
| 12 впуск | 111 массовый расход воздуха |
| 14 секция компрессора | 112 блок управления |
| 18 секция турбины | 113 датчик давления |
| 20 ось вращения | 114 блок хранения данных |
| 30 горелка | 115 дополнительный датчик температуры |
| 32 диффузор | |
| 35 переходный канал | |
| 36 диск | |
| 38 лопатка турбины | |
| 40 направляющие лопатки | |
| 42 статор | |
| 44 направляющие лопатки | |
| 46 ступень направляющих лопаток | |
| 48 ступень лопаток ротора | |
| 100 система сгорания | |
| 101 камера сгорания | |
| 102 запальное топливо | |
| 103 основное топливо | |
| 104 выхлопной газ | |
| 105 блок управления топливом | |
| 106 топливо | |
| 107 датчик температуры | |
| 108 блок измерения нагрузки | |
| 109 блок определения индекса Воббе |
1. Система сгорания для газотурбинного двигателя, причем система (100) сгорания содержит
камеру (101) сгорания, в которую впрыскиваются и воспламеняются запальное топливо (102) и основное топливо (103), причем выхлопной газ (104), производимый сгоревшим запальным топливом (102) и сгоревшим основным топливом (103), выпускается из камеры (101) сгорания,
блок (105) управления топливом, который делит топливо (106) на запальное топливо (102) и основное топливо (103) с учетом регулируемого соотношения запального топлива/основного топлива,
датчик (107) температуры для генерации сигнала температуры, указывающего температуру выхлопного газа (104) внутри камеры (101) сгорания или дальше по потоку после камеры (101) сгорания,
блок (109) определения топлива для определения сигнала топлива, указывающего состав топлива (106),
датчик (110) массового расхода для генерации сигнала массового расхода, указывающего массовый расход (111) воздуха, входящего в камеру (101) сгорания, и
блок (112) управления, который соединен
с блоком (105) управления топливом для регулировки соотношения запального топлива/основного топлива,
с датчиком (107) температуры для приема сигнала температуры,
с блоком (109) определения топлива для приема определенного сигнала топлива (106) и
с датчиком (110) массового расхода для приема определенного сигнала массового расхода,
причем блок (112) управления выполнен с возможностью определения прогнозируемой концентрации загрязняющих веществ выхлопного газа (104) на основании сигнала температуры, сигнала топлива, сигнала массового расхода и соотношения запального топлива/основного топлива.
2. Система сгорания по п. 1,
в которой блок (112) управления дополнительно выполнен с возможностью сравнения прогнозируемой концентрации загрязняющих веществ с заданным пороговым значением,
причем блок (112) управления дополнительно выполнен с возможностью регулировки параметра управления двигателем, если прогнозируемая концентрация загрязняющих веществ превышает заданное пороговое значение.
3. Система сгорания по п. 1 или 2,
в которой блок (109) определения топлива содержит газовый хроматограф для измерения состава топлива (106).
4. Система сгорания по п. 1 или 2, дополнительно содержащая
датчик (113) давления для измерения сигнала давления, указывающего изменение давления внутри камеры (101) сгорания,
причем блок (112) управления дополнительно соединен с датчиком (113) давления для приема сигнала давления,
причем блок (112) управления выполнен с возможностью определения прогнозируемой концентрации загрязняющих веществ дополнительно на основании сигнала температуры, сигнала топлива, сигнала массового расхода, запального топлива/основного топлива и сигнала давления.
5. Система сгорания по п. 1 или 2, дополнительно содержащая
дополнительный датчик (115) температуры для генерации дополнительного сигнала температуры, указывающего температуру материала, в частности металла, в наиболее горячем месте внутри камеры (101) сгорания,
причем блок (112) управления выполнен с возможностью определения прогнозируемой концентрации загрязняющих веществ выхлопного газа (104) дополнительно на основании дополнительного сигнала температуры.
6. Система сгорания по п.п. 1 или 2, дополнительно содержащая
блок (114) хранения данных, соединенный с блоком (112) управления,
причем блок (114) хранения данных содержит данные о характеристиках двигателя, указывающие отношение между нагрузкой газотурбинного двигателя и соотношением запального топлива/основного топлива,
причем блок (112) управления выполнен с возможностью регулировки соотношения разделения запального топлива/основного топлива с учетом прогнозируемой концентрации загрязняющих веществ и заданного порогового значения нагрузки.
7. Система сгорания по п. 6,
в которой блок (112) управления соединен с блоком (108) измерения нагрузки для измерения сигнала нагрузки, указывающего нагрузку газотурбинного двигателя,
причем блок (112) управления выполнен с возможностью использования сигнала нагрузки для определения заданного порогового значения нагрузки.
8. Система сгорания по п. 1,
в которой датчик (107) температуры выполнен с возможностью генерации сигнала температуры, указывающего температуру выхлопного газа (104) в самом горячем месте внутри камеры (101) сгорания.
9. Способ прогнозирования концентрации загрязняющих веществ системы (100) сгорания для газотурбинного двигателя, причем способ содержит этапы, на которых:
делят топливо (106) на запальное топливо (102) и основное топливо (103) блоком (105) управления топливом с учетом регулируемого соотношения запального топлива/основного топлива,
причем запальное топливо (102) и основное топливо (103) впрыскиваются и воспламеняются внутри камеры (101) сгорания системы (100) сгорания,
причем выхлопной газ (104) производится сгоревшим запальным топливом (102) и сгоревшим основным топливом (103) и выпускается из камеры (101) сгорания,
генерируют сигнал температуры датчиком (107) температуры, указывающий температуру выхлопного газа (104) внутри камеры (101) сгорания или дальше по потоку после камеры (101) сгорания,
генерируют сигнал массового расхода датчиком (110) массового расхода, указывающий массовый расход (111) воздуха, входящего в камеру (101) сгорания,
определяют сигнал топлива, указывающий состав топлива (106), блоком (109) определения топлива, и
определяют прогнозируемую концентрацию загрязняющих веществ выхлопного газа (104) блоком (112) управления на основании сигнала температуры, сигнала топлива, сигнала массового расхода и соотношения разделения запального топлива/основного топлива.
10. Способ по п. 9, в котором датчиком (107) температуры генерируют сигнал температуры, указывающий температуру выхлопного газа (104) в самом горячем месте внутри камеры (101) сгорания.
11. Программный элемент для прогнозирования концентрации загрязняющих веществ системы сгорания для газотурбинного двигателя, причем программный элемент при исполнении процессором данных выполнен с возможностью исполнения способа по п. 9.
