一種燃氣輪機燃料與空氣混合比的控制方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種燃氣輪機燃料與空氣混合比的控制方法及裝置，采用燃料與空氣混合比來控制燃氣輪機點火以及慢車轉速以下實時優化燃料與空氣混合比配置，主要包括液態燃料質量流量計、以及空氣體積流量計、壓力傳感器及溫度傳感器，燃氣輪機從帶轉到燃燒室點火時刻，燃氣輪機控制器根據進口空氣流量、壓力及溫度計算出標況下氣體質量流量，檢測燃氣輪機轉速，調整燃料供應量，使得燃料與空氣混合當量比等于1啟動點火程序；點火成功后，燃氣輪機控制器通過實時檢測和調整燃料與空氣當量比，從而實現燃料與空氣混合實時最優的目標。
【專利說明】一種燃氣輪機燃料與空氣混合比的控制方法及裝置
【技術領域】
[0001] 本發明屬于燃氣輪機的控制領域，主要涉及一種燃氣輪機燃料與空氣混合比的控 制方法及裝置，用于燃氣輪機起動過程中控制燃氣輪機點火前以及點火成功后燃燒室中的 燃料與空氣混合比。
【背景技術】
[0002] 燃氣輪機起動時燃燒室點火可靠性主要由燃料與空氣混合比、空氣流速等因素決 定的，而目前燃氣輪機燃燒室中燃料與空氣混合控制裝置及方法難以精確配比燃料與空氣 混合比，更無法根據不同的工況對燃燒室中燃料與空氣混合比進行實時檢測、調整和匹配， 無法實現燃料與空氣混合實時最優的目標，導致現有燃氣輪機起動時燃燒室點火可靠性 差，燃氣輪機從起動到慢車過程也存在燃料與空氣的配置當量不合理等問題，嚴重阻礙了 燃氣輪機的點火可靠性。
【發明內容】
[0003] 本發明為解決現有燃氣輪機起動時燃燒室點火可靠性差以及起動到慢車過程中 燃料與空氣混合比配置不合理、不能實時匹配燃料與空氣的混合比等問題，提出了一種燃 氣輪機燃料與空氣混合比的控制方法及裝置，其技術方案包括燃料與空氣混合比的控制方 法、燃料與空氣混合比的控制裝置以及采用該方法和裝置的燃氣輪機。本發明的方法及裝 置尤其適用于地面燃氣輪機、航空發動機以及其它對燃燒點燃可靠性要求高的動力裝置 中。
[0004] 為解決上述技術問題，根據本發明的一方面，提供了一種燃氣輪機燃料與空氣混 合比的控制方法，所述燃氣輪機包括燃料計量與控制單元A和燃氣發生器單元B，其特征在 于：
[0005] -所述燃料計量與控制單元A包括通過燃油管路依次連接的油箱（1)、過濾器 (10)、燃油泵（11)、穩壓閥（13)、主燃油閥（14)，其中，所述燃油泵（11)的出口和穩壓閥 (13)的進口之間通過燃油管路連通，所述燃油泵（11)的進口和穩壓閥（13)的進口之間還 設有一帶安全閥（12)的燃油管路；所述主燃油閥（14)通過并聯的主燃油控制閥（8)和副 燃油控制閥（9)與燃燒室的進油口連通；
[0006] 所述燃料計量與控制單元A還包括燃氣輪機控制器（5)、燃氣輪機轉速傳感器 (2)、變頻器（3)、空氣壓力傳感器（4)、空氣溫度傳感器（6)、空氣體積流量計（20)、燃料質 量流量計（7)，其中，所述燃氣輪機轉速傳感器（2)、變頻器（3)、空氣壓力傳感器（4)、空氣 溫度傳感器￠)、空氣體積流量計（20)和燃料質量流量計（7)均與所述燃氣輪機控制器 (5)通信連接；所述空氣壓力傳感器（4)、空氣溫度傳感器（6)、空氣體積流量計（20)設置 在壓氣機出口和燃燒室進口之間的供氣管路上，分別測量該供氣管路中空氣的壓力、溫度 和體積流量；所述變頻器（3)與所述燃油泵（11)的驅動馬達電連接，為所述燃油泵（11)提 供驅動電力；所述燃料質量流量計（7)設置在所述穩壓閥（13)和主燃油閥（14)之間的燃 油管路上或設置在所述油箱（1)和燃油泵（11)之間的燃油管路上；
[0007] --所述燃氣發生器單元B包括壓氣機、燃燒室和渦輪；
[0008] 其中，當所述燃氣輪機處于點火前的準備階段時，按照如下步驟控制燃料與空氣 的混合比：
[0009] SSL根據燃氣輪機轉速傳感器⑵測得燃氣輪機的實際轉速，與燃燒室點火要求 的點火轉速進行對比，當測量的實際轉速小于點火轉速，則增大燃氣輪機轉速，當測量的實 際轉速不小于點火轉速時，則進入步驟2 ;
[0010] SS2.當燃氣輪機的實際轉速大于點火轉速時，所述燃氣輪機控制器（5)根據燃燒 室進口空氣的流量、壓力及溫度計算出對應的標況下氣體質量流量，推算出使燃料與空氣 混合當量比等于1時所需的目標燃料供應量；
[0011] SS3.根據燃料質量流量計（7)測得實際燃料供應量，與所述目標燃料供應量進行 對比，當所述實際燃料供應量小于目標燃料供應量時，則增大燃料供應量，當實際燃料供應 量等于目標燃料供應量時，則啟動點火程序。
[0012] 進一步地，當所述燃氣輪機起動點火后，按照如下步驟控制燃料與空氣的混合 比：
[0013] SS4.根據燃氣輪機轉速傳感器（2)測得燃氣輪機的實際轉速，所述燃氣輪機控制 器（5)根據燃燒室進口空氣的流量、壓力及溫度計算出對應的標況下氣體質量流量，推算 出使燃料與空氣混合當量比等于1時所需的目標燃料供應量；
[0014] SS5.根據燃料質量流量計（7)測得實際燃料供應量，與所述目標燃料供應量進行 對比，當所述實際燃料供應量小于目標燃料供應量時，則增大燃料供應量，當實際燃料供應 量大于目標燃料供應量時，則降低燃料供應量，使得燃料與空氣混合當量比實時保持為1。
[0015] 進一步地，所述燃氣輪機控制器（5)通過所述空氣壓力傳感器（4)、空氣溫度傳感 器（6)和空氣體積流量計（20)采集燃燒室進口空氣的壓力、溫度及流量，并根據燃燒室進 口空氣的壓力、溫度及流量計算出對應的標況下氣體質量流量。
[0016] 進一步地，所述燃氣輪機控制器（5)通過所述變頻器（3)調節燃燒室的實際燃料 供應量。
[0017] 優選地，所述壓氣機和渦輪通過傳動軸連接。
[0018] 優選地，所述壓氣機包括低壓壓氣機（15)和高壓壓氣機（16)，所述渦輪包括高壓 渦輪（18)及低壓渦輪（19)。
[0019] 優選地，所述燃氣輪機燃料適用于不同熱值的液體燃料，如重油和航空煤油等。
[0020] 進一步地，實際燃料與空氣混合比為0 = ，根據該公式調整實際的燃料供 川空氣/ 應量，使燃料與空氣混合當量比保持為1。 14.6/;zr
[0021] 進一步地，所述燃料為航空煤油，實際燃料與空氣混合比為0 =-根據 /?空氣 該公式調整實際的航空煤油供應量，使航空煤油與空氣混合當量比保持為1。
[0022] 根據本發明的另一方面，提供了一種利用上述控制方法來控制燃氣輪機燃料與空 氣混合比的裝置，包括燃料計量與控制單元A和燃氣發生器單元B，其特征在于：
[0023] -所述燃料計量與控制單元A包括通過燃油管路依次連接的油箱（I)、過濾器 (10)、燃油泵（11)、穩壓閥（13)、主燃油閥（14)，其中，所述燃油泵（11)的出口和穩壓閥 (13)的進口之間通過燃油管路連通，所述燃油泵（11)的進口和穩壓閥（13)的進口之間還 設有一帶安全閥（12)的燃油管路；所述主燃油閥（14)通過并聯的主燃油控制閥（8)和副 燃油控制閥（9)與燃燒室的進油口連通；
[0024] 所述燃料計量與控制單元A還包括燃氣輪機控制器（5)、燃氣輪機轉速傳感器 (2)、變頻器（3)、空氣壓力傳感器（4)、空氣溫度傳感器（6)、空氣體積流量計（20)、燃料質 量流量計（7)，其中，所述燃氣輪機轉速傳感器（2)、變頻器（3)、空氣壓力傳感器（4)、空氣 溫度傳感器￠)、空氣體積流量計（20)和燃料質量流量計（7)均與所述燃氣輪機控制器 (5)通信連接；所述空氣壓力傳感器（4)、空氣溫度傳感器（6)、空氣體積流量計（20)設置 在壓氣機出口和燃燒室進口之間的供氣管路上，分別測量該供氣管路中空氣的壓力、溫度 和體積流量；所述變頻器（3)與所述燃油泵（11)的驅動馬達電連接，為所述燃油泵（11)提 供驅動電力；所述燃料質量流量計（7)設置在所述穩壓閥（13)和主燃油閥（14)之間的燃 油管路上或設置在所述油箱（1)和燃油泵（11)之間的燃油管路上；
[0025] -所述燃氣發生器單元B包括壓氣機、燃燒室和渦輪；
[0026] 所述燃料計量與控制單元A和燃氣發生器單元B通過信號線依次相連。
[0027] 本發明的燃氣輪機燃料與空氣混合比的控制方法及裝置相對于現有技術的顯著 優點是：克服了現有燃氣輪機起動時燃燒室點火可靠性差以及起動到慢車過程中燃料與空 氣混合比配置不合理、不能實時匹配燃料與空氣的混合比等問題，利用控制方法實時配比 燃料與空氣量，可以保證燃料與空氣混合當量比實時保持為1，大大提高了燃料與空氣配置 合理性。本發明的方法及裝置尤其適用于地面燃氣輪機、航空發動機以及其它對燃燒點燃 可靠性要求高的動力裝置中。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028] 圖1為本發明的燃氣輪機燃料與空氣混合比的控制裝置示意圖；
[0029] 圖2為點火前燃料與空氣混合比控制邏輯流程圖；
[0030] 圖3為點火后燃料與空氣混合比控制邏輯流程圖。
【具體實施方式】
[0031] 為使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下參照附圖并舉實施例，對 本發明進一步詳細說明。
[0032] 如圖1所示，本發明的燃氣輪機燃料與空氣混合比的控制裝置，包括燃料計量與 控制單元A和燃氣發生器單元B。
[0033] 燃料計量與控制單元A包括通過燃油管路依次連接的油箱1、過濾器10、燃油泵 11、穩壓閥13、主燃油閥14,其中，燃油泵11的出口和穩壓閥13的進口之間通過燃油管路 連通，燃油泵11的進口和穩壓閥13的進口之間還設有一帶安全閥12的燃油管路；主燃油 閥14通過并聯的主燃油控制閥8和副燃油控制閥9與燃燒室的進油口連通；燃料計量與控 制單元A還包括燃氣輪機控制器5、燃氣輪機轉速傳感器2、變頻器3、空氣壓力傳感器4、空 氣溫度傳感器6、空氣體積流量計20、燃料質量流量計7，其中，燃氣輪機轉速傳感器2、變頻 器3、空氣壓力傳感器4、空氣溫度傳感器6、空氣體積流量計20和燃料質量流量計7均與 燃氣輪機控制器5通信連接；空氣壓力傳感器4、空氣溫度傳感器6、空氣體積流量計20設 置在壓氣機出口和燃燒室進口之間的供氣管路上，分別測量該供氣管路中空氣的壓力、溫 度和體積流量；變頻器3與燃油泵11的驅動馬達電連接，為燃油泵11提供驅動電力；燃料 質量流量計7設置在穩壓閥13和主燃油閥14之間的燃油管路上或設置在油箱1和燃油泵 11之間的燃油管路上。
[0034] 燃氣發生器單元B包括低壓壓氣機15、高壓壓氣機16、燃燒室17、高壓渦輪18和 低壓渦輪19。
[0035] 如圖2所示，當燃氣輪機處于點火前的準備階段時，按照如下步驟控制燃料與空 氣的混合比：
[0036] SSL根據燃氣輪機轉速傳感器2測得燃氣輪機的實際轉速，與燃燒室點火要求的 點火轉速進行對比，當測量的實際轉速小于點火轉速，則增大燃氣輪機轉速，當測量的實際 轉速不小于點火轉速時，則進入步驟2 ;
[0037] SS2.當燃氣輪機的實際轉速大于點火轉速時，燃氣輪機控制器5根據燃燒室進口 空氣的流量、壓力及溫度計算出對應的標況下氣體質量流量，推算出使燃料與空氣混合當 量比等于1時所需的目標燃料供應量；
[0038] SS3.根據燃料質量流量計7測得實際燃料供應量，與目標燃料供應量進行對比， 當實際燃料供應量小于目標燃料供應量時，則增大燃料供應量，當實際燃料供應量等于目 標燃料供應量時，則啟動點火程序。
[0039] 如圖3所示，當所述燃氣輪機起動點火后，按照如下步驟控制燃料與空氣的混合 比：
[0040] SS4.根據燃氣輪機轉速傳感器2測得燃氣輪機的實際轉速，燃氣輪機控制器5根 據燃燒室進口空氣的流量、壓力及溫度計算出對應的標況下氣體質量流量，推算出使燃料 與空氣混合當量比等于1時所需的目標燃料供應量；
[0041] SS5.根據燃料質量流量計7測得實際燃料供應量，與目標燃料供應量進行對比， 當實際燃料供應量小于目標燃料供應量時，則增大燃料供應量，當實際燃料供應量大于目 標燃料供應量時，則降低燃料供應量，使得燃料與空氣混合當量比實時保持為1。
[0042] 本發明的上述控制裝置和方法，克服了現有燃氣輪機起動時燃燒室點火可靠性差 以及起動到慢車過程中燃料與空氣混合比配置不合理、不能實時匹配燃料與空氣的混合比 等問題，利用控制方法實時配比燃料與空氣量，可以保證燃料與空氣混合當量比實時保持 為1，大大提高了燃料與空氣配置合理性。本發明的方法及裝置尤其適用于地面燃氣輪機、 航空發動機以及其它對燃燒點燃可靠性要求高的動力裝置中。
[0043] 以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精 神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的范圍之內。
【權利要求】
1. 一種燃氣輪機燃料與空氣混合比的控制方法，所述燃氣輪機包括燃料計量與控制單 元A和燃氣發生器單元B，其特征在于： 一所述燃料計量與控制單元A包括通過燃油管路依次連接的油箱（1)、過濾器（10)、燃 油泵（11)、穩壓閥（13)、主燃油閥（14)，其中，所述燃油泵（11)的出口和穩壓閥（13)的進 口之間通過燃油管路連通，所述燃油泵（11)的進口和穩壓閥（13)的進口之間還設有一帶 安全閥（12)的燃油管路；所述主燃油閥（14)通過并聯的主燃油控制閥⑶和副燃油控制 閥（9)與燃燒室的進油口連通； 所述燃料計量與控制單元A還包括燃氣輪機控制器（5)、燃氣輪機轉速傳感器（2)、變 頻器（3)、空氣壓力傳感器（4)、空氣溫度傳感器（6)、空氣體積流量計（20)、燃料質量流量 計（7)，其中，所述燃氣輪機轉速傳感器（2)、變頻器（3)、空氣壓力傳感器（4)、空氣溫度傳 感器（6)、空氣體積流量計（20)和燃料質量流量計（7)均與所述燃氣輪機控制器（5)通信 連接；所述空氣壓力傳感器（4)、空氣溫度傳感器（6)、空氣體積流量計（20)設置在壓氣機 出口和燃燒室進口之間的供氣管路上，分別測量該供氣管路中空氣的壓力、溫度和體積流 量；所述變頻器⑶與所述燃油泵（11)的驅動馬達電連接，為所述燃油泵（11)提供驅動電 力；所述燃料質量流量計（7)設置在所述穩壓閥（13)和主燃油閥（14)之間的燃油管路上 或設置在所述油箱（1)和燃油泵（11)之間的燃油管路上； 一所述燃氣發生器單元B包括壓氣機、燃燒室和渦輪； 其中，當所述燃氣輪機處于點火前的準備階段時，按照如下步驟控制燃料與空氣的混 合比： SSL根據燃氣輪機轉速傳感器（2)測得燃氣輪機的實際轉速，與燃燒室點火要求的點 火轉速進行對比，當測量的實際轉速小于點火轉速，則增大燃氣輪機轉速，當測量的實際轉 速不小于點火轉速時，則進入步驟2 ;
552. 當燃氣輪機的實際轉速大于點火轉速時，所述燃氣輪機控制器（5)根據燃燒室進 口空氣的流量、壓力及溫度計算出對應的標況下氣體質量流量，推算出使燃料與空氣混合 當量比等于1時所需的目標燃料供應量；
553. 根據燃料質量流量計（7)測得實際燃料供應量，與所述目標燃料供應量進行對 t匕，當所述實際燃料供應量小于目標燃料供應量時，則增大燃料供應量，當實際燃料供應量 等于目標燃料供應量時，則啟動點火程序。
2. 根據權利要求1所述的控制方法，其特征在于，當所述燃氣輪機起動點火后，按照如 下步驟控制燃料與空氣的混合比：
554. 根據燃氣輪機轉速傳感器（2)測得燃氣輪機的實際轉速，所述燃氣輪機控制器 (5)根據燃燒室進口空氣的流量、壓力及溫度計算出對應的標況下氣體質量流量，推算出使 燃料與空氣混合當量比等于1時所需的目標燃料供應量；
555. 根據燃料質量流量計（7)測得實際燃料供應量，與所述目標燃料供應量進行對 t匕，當所述實際燃料供應量小于目標燃料供應量時，則增大燃料供應量，當實際燃料供應量 大于目標燃料供應量時，則降低燃料供應量，使得燃料與空氣混合當量比實時保持為1。
3. 根據權利要求1或2所述的控制方法，其特征在于，所述燃氣輪機控制器（5)通過所 述空氣壓力傳感器（4)、空氣溫度傳感器（6)和空氣體積流量計（20)采集燃燒室進口空氣 的壓力、溫度及流量，并根據燃燒室進口空氣的壓力、溫度及流量計算出對應的標況下氣體 質量流量。
4. 根據權利要求1或2所述的控制方法，其特征在于，所述燃氣輪機控制器（5)通過所 述變頻器（3)調節燃燒室的實際燃料供應量。
5. 根據上述任一項權利要求所述的控制方法，其特征在于，所述壓氣機和渦輪通過傳 動軸連接。
6. 根據上述任一項權利要求所述的控制方法，其特征在于，所述壓氣機包括低壓壓氣 機（15)和高壓壓氣機（16)，所述渦輪包括高壓渦輪（18)及低壓渦輪（19)。
7. 根據上述任一項權利要求所述的控制方法，其特征在于，所述燃氣輪機燃料適用于 不同熱值的液體燃料，如重油和航空煤油等。
8. 根據上述任一項權利要求所述的控制方法，其特征在于，實際燃料與空氣混合當量
，根據該公式調整實際的燃料供應量，使燃料與空氣混合比保持為1。
9. 根據權利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述燃料為航空煤油，實際燃料與空 氣混合當量比為
，根據該公式調整實際的航空煤油供應量，使航空煤油與空 氣混合當量比保持為1。
10. -種利用上述任一項權利要求所述的控制方法來控制燃氣輪機燃料與空氣混合比 的裝置，包括燃料計量與控制單元A和燃氣發生器單元B，其特征在于： 一所述燃料計量與控制單元A包括通過燃油管路依次連接的油箱（1)、過濾器（10)、燃 油泵（11)、穩壓閥（13)、主燃油閥（14)，其中，所述燃油泵（11)的出口和穩壓閥（13)的進 口之間通過燃油管路連通，所述燃油泵（11)的進口和穩壓閥（13)的進口之間還設有一帶 安全閥（12)的燃油管路；所述主燃油閥（14)通過并聯的主燃油控制閥⑶和副燃油控制 閥（9)與燃燒室的進油口連通； 所述燃料計量與控制單元A還包括燃氣輪機控制器（5)、燃氣輪機轉速傳感器（2)、變 頻器（3)、空氣壓力傳感器（4)、空氣溫度傳感器（6)、空氣體積流量計（20)、燃料質量流量 計（7)，其中，所述燃氣輪機轉速傳感器（2)、變頻器（3)、空氣壓力傳感器（4)、空氣溫度傳 感器（6)、空氣體積流量計（20)和燃料質量流量計（7)均與所述燃氣輪機控制器（5)通信 連接；所述空氣壓力傳感器（4)、空氣溫度傳感器（6)、空氣體積流量計（20)設置在壓氣機 出口和燃燒室進口之間的供氣管路上，分別測量該供氣管路中空氣的壓力、溫度和體積流 量；所述變頻器⑶與所述燃油泵（11)的驅動馬達電連接，為所述燃油泵（11)提供驅動電 力；所述燃料質量流量計（7)設置在所述穩壓閥（13)和主燃油閥（14)之間的燃油管路上 或設置在所述油箱（1)和燃油泵（11)之間的燃油管路上； 一所述燃氣發生器單元B包括壓氣機、燃燒室和渦輪； 所述燃料計量與控制單元A和燃氣發生器單元B通過信號線依次相連。
【文檔編號】F02C9/28GK104329173SQ201410459760
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年9月11日 優先權日:2014年9月11日
【發明者】曾德堂, 譚春青, 高慶, 袁怡祥, 陳海生, 李枚媛 申請人:中國科學院工程熱物理研究所