用于制造控制器的方法和燃烧系统与流程

用于制造控制器的方法和燃烧系统
1.相关申请的交叉引用本专利申请主张来自在2020年7月27日提交的欧洲专利申请号20187862.6的优先权，该欧洲专利申请的整个公开内容通过引用并入文中。
技术领域
2.本发明涉及用于制造控制器的方法并且涉及燃烧系统。
3.控制器用于计算传送通过燃烧系统的热气流的温度，该燃烧系统又是燃气涡轮的一部分。由控制器计算出的温度然后可有利地用于驱动燃气涡轮。


背景技术：

4.燃气涡轮是已知的，其包括压缩机，在压缩机中空气被压缩并且供给到第一燃烧器中，在第一燃烧器中燃料被供给并且燃烧产生热气流。热气流被供给至高压涡轮，在高压涡轮中该热气流部分地膨胀，并且然后被引导至第二燃烧器，在第二燃烧器中附加的燃料被供给并且与仍然存在于热气流中的氧化剂一起燃烧。从第二燃烧器排出的热气流然后在低压涡轮中膨胀并且然后释放到大气中。
5.这些燃气涡轮可具有带有环形燃烧室的燃烧器，使得热气流在越过整个环形燃烧室传送通过高压涡轮时被搅动。为此，热气流具有可被可靠计算出的温度（例如，经由模拟软件）；换言之，不会出现更冷或更热的区域，在其中热气流温度相比于热气流的平均温度显著不同（更高或更低）。
6.燃气涡轮是基于传送通过燃烧器的热气流的温度驱动的；为此，热气流的温度由高压涡轮下游的温度传感器测量并且如此测得的温度用于驱动燃气涡轮，因为这些温度测量（或测量结果，measurement）可直接地提供热气流的平均温度的正确表示。
7.不同的燃气涡轮具有带有第一燃烧器和第二燃烧器的构造，在两者之间具有稀释器混合器，空气通过该稀释器混合器引入到热气体中。这些燃烧器可具有罐状构造，使得第一燃烧器、稀释器混合器和第二燃烧器都收容在管状壳体中。
8.为了驱动燃气涡轮，在这些实施例中也需要对热气流温度的测量，但由于罐状构造，其防止不同罐的热气流的相互作用，并且缺乏高压涡轮搅动热气流，故在燃烧器上的温度分布可根据操作条件而变化。
9.在此种情势中，温度测量可提供不代表热气流的实际平均温度的结果；例如，一个温度测量可提供在一个操作条件下的正确的热气流平均温度，但在具有不同温度分布的不同操作条件下，所测得的温度可不再代表热气流的平均温度。因此，基于这些温度测量来驱动燃气涡轮是不可行的。
10.另外类型的燃气涡轮可具有燃烧室，而没有以在第一燃烧室中所产生的热气流进给的第二燃烧室。测量在燃烧室中所产生的热气流的温度方面的困难无论如何都可能出现，例如，由于燃料供给到燃烧室中的方式，其通常根据操作条件而变化。例如，热气流上的温度分布可取决于先导燃料的供给（也即，用以维持火焰的富燃料）或分级（也即，来自彼此
不同地驱动的不同注入位置的燃料的供给）或分组（也即，喷嘴或喷燃器并非全都以相同的方式驱动，而是一组喷嘴或喷燃器根据一个规程来驱动以供给燃料，而另一组则根据不同的规程，其也可能根本没有燃料的供给）。
11.提供大量温度传感器以便独立于操作条件而具有热气流的温度分布的完整图像在技术上是困难和昂贵的，并且应当避免。


技术实现要素：

12.本发明的一方面包括提供一种用于制造控制器的方法和燃烧系统，在其中热气流平均温度可独立于具体操作条件而可靠地检测。
13.此外，用于局部地测量热气流温度的温度传感器的数量可受到限制并且也保持在最低限度。
14.有利地，即使未实现热气流上的温度分布的完整图像，也可靠地获得所需的平均温度，并且此外还可监控特定区域，该特定区域可根据诸如控制热点或冷点的要求而适宜地选择。
15.这些和另外的方面通过提供根据所附权利要求的方法和燃烧系统而获得。
附图说明
16.另外的特性和优点根据以下方法和燃烧系统的优选但非排它性的实施例的描述而将更加明显，该方法和燃烧系统在附图中通过非限制性实例的方式例示，其中：图1示出用于实施该方法的燃烧系统测试机台（rig）；图2示出具有本发明的燃烧系统的燃气涡轮；图3和图4分别地示出连接至第一燃烧室的喷燃器以及燃烧系统测试机台的截面。
具体实施方式
17.参看附图，这些图示出了燃烧系统测试机台1。燃烧系统测试机台再现（也即，它等同于）燃烧系统15，该燃烧系统是燃气涡轮16的一部分或是将要组装在该燃气涡轮上。在下文对燃烧系统和具有顺序燃烧的燃烧系统测试机台的特定参照中，对于在其中发生预混合燃烧的燃烧室而言，无论如何清楚的是相同的概念适用于不同类型的燃烧系统，例如，没有顺序燃烧和具有预混合或扩散燃烧。
18.燃烧系统测试机台1具有第一燃烧器2、稀释混合器3以及第二燃烧器4。
19.第一燃烧器2是预混合类型的(也即，它布置成用于产生预混合火焰)并且具有燃烧室6，该燃烧室带有用于将燃料和氧化剂的混合物供给到其中的至少两个喷燃器7。在所示的实例中，第一燃烧器2具有四个喷燃器7，其可操作地分组成在相同条件下操作的三个喷燃器7的第一组8和一个喷燃器的第二组9；第一组8和第二组9的喷燃器7可在相同条件下操作或不在相同条件下操作，但每组的喷燃器7在相同条件下操作。
20.稀释混合器3流体地（或流体性地）连接在第一燃烧器2的下游并且布置成用于将稀释空气供给到热气流中。
21.第二燃烧器4流体地连接在稀释混合器3的下游并且布置成用于将附加的燃料供给到热气流中并且将其与仍然存在于热气流中的氧化剂一起燃烧。
22.第二燃烧器4具有混合区段10和第二燃烧室11，并且它也是预混合类型的（也即，它布置成用以进行燃料的预混合燃烧）并且燃料和氧化剂的混合物的点燃通过自动点火发生。
23.第一燃烧器2、稀释混合器3和第二燃烧器4具有罐状构造并且收容在管状壳体12中。
24.在操作期间，燃料和氧化剂（典型地是空气）被供给到喷燃器7中并且在其中混合。所得的混合物然后进给到燃烧室6中并且在那里燃烧，产生热气流，该热气流然后引导到稀释混合器3中。
25.当传送通过稀释混合器3时，稀释空气被供给到热气流中。
26.然后，热气流传送通过第二燃烧器4，在该第二燃烧器中注入附加的燃料，例如，经由横跨混合区段10的区段提供的长形喷枪（lance）25；该燃料在混合区段10中混合在热气流中，并且然后在燃烧室11中燃烧。
27.为了测量热气流温度，提供了温度传感器13，例如热电偶。具体地，提供了至少两个温度传感器13用于检测热气流的局部温度。该至少两个温度传感器13位于第一燃烧器2或优选地稀释混合器3与第二燃烧室11之间的区域14处。
28.有利地，温度传感器之间的轴向距离很短，并且优选地，温度传感器处在相同的轴向位置，其中，轴向位置参照燃烧系统的纵向轴线（也即，平行于热气流的方向的轴线）来确定。换句话说，温度传感器基本上位于垂直于燃烧系统纵向轴线的一个平面内。
29.必须测量的相关温度是混合器出口温度met，也即，理论上通过燃烧供给到测试燃烧机台中的燃料与在第一燃烧器2的下游(在当前情况下为混合器3的下游)和燃烧室11的上游的区域14处供给到测试燃烧机台中的氧化剂所达到的温度；这是无法直接测量的热气流的平均温度，因为燃烧器上的温度分布随燃烧器操作参数的变化而变化。
30.因此，根据该方法，燃烧系统测试机台1以不同的操作参数集操作，并且热气流的局部温度利用获得局部温度操作参数集的至少两个温度传感器13测得。
31.之后，对于每个操作参数集，基于所供给的氧化剂和燃料质量流量（flow），计算理论混合器出口温度met（也即，计算热平衡）。
32.因此，提供了在局部温度和理论混合器出口温度met之间的相关性，并且控制器利用该相关性进行编程，以便基于局部温度测量，控制器可计算理论混合器出口温度met。
33.对于操作参数的限定存在不同的可能性，但优选地，不同的操作参数至少包括在第一燃烧器2的喷燃器组8、9之间的不同的燃料分布和/或在第一燃烧器2和第二燃烧器4之间的不同的燃料分布和/或不同的氧化剂质量流量供给和/或先导燃料供给。
34.相关性有利地是多项式表达式，例如met = a1
·
t1 a2
·
t2 a3
·
t3
ꢀ……ꢀ
an
·
tn b其中：t1, t2, ... tn：是由温度传感器所测得的局部温度，a1, a2, a3,
ꢀ……
, an, b：是将所测得的值与混合器出口温度met相匹配的系数。
35.在优选的实施例中，多项式表达式为met = a1
·
t1 a2
·
t2 b
并且仅提供两个温度传感器；这使得燃烧系统测试机台1和燃气涡轮的燃烧系统的硬件更简单且更便宜，并且同样地，数据收集和处理也容易且更便宜。
36.根据所描述的方法制造的控制器可与顺序燃烧系统15一起使用，以便可靠地计算混合器出口温度met。
37.燃烧系统15呈罐状构造地具有第一燃烧器2、稀释混合器3和第二燃烧器4。燃烧系统等同于燃烧系统测试机台1，故在下文中不作详细地描述；在附图中，对于燃烧系统测试机台使用相同的参考标号。
38.具体地，燃烧系统15包括根据所描述的方法制造的控制器17和两个或更多个（但优选是两个）温度传感器13例如热电偶，用于在稀释混合器3和第二燃烧室11之间的区域14处局部地测量热气流温度（在这种情形中参照稀释混合器，但通常该参照可以是第一燃烧室6，例如，如果没有提供稀释混合器）。当实施用于制造控制器的方法时，温度传感器13定位在燃烧系统测试机台1的温度传感器所定位的相同位置处。
39.控制器17连接至温度传感器13，使得在操作期间温度传感器13检测热气流的局部温度并将它们传达至控制器17，控制器17基于这些测得的局部温度并且借助于相关性，例如多项式表达式，计算混合器出口温度met。燃气涡轮的控制单元基于混合器出口温度met驱动燃气涡轮。
40.在不同的实施例中，控制器17可以是专用电路、单独的计算机或者可以经由燃气涡轮控制单元的电路来实施。
41.在下文描述该方法的实施例，根据该实施例不仅确定相关性，而且确定用于温度传感器13的位置。
42.在该实施例中，测量至少三个局部温度，并且然后选择局部温度的子集，并且提供在所选子集中的每个的局部温度与理论混合器出口温度met之间的多个相关性。
43.因此，选择局部温度的子集；该选择可基于相关性的准确性，也即，可选择更能代表混合器出口温度的相关性；这种最佳表示可在所限定的温度范围内或针对所有可用数据进行。此外，该选择可基于在给定位置提供温度传感器的需要，使得在该位置处的温度被测得，以便例如控制在燃气涡轮的操作期间可导致热点的局部温度。
44.例如，参看示出燃烧系统测试机台截面的图4，测量六个局部温度，然后获得来自两个温度传感器的温度子集，并且选择对于不同操作条件提供最准确混合器出口温度的温度传感器对（couple），例如温度传感器a和c。
45.因此，控制器利用基于来自所选温度传感器的所选局部温度子集的相关性进行编程。
46.清楚的是，图4仅示出对于燃烧系统测试机台的截面的一个可能的实例，并且其它截面也是可能的，例如圆形或方形或其它。
47.提供在燃烧系统测试格栅（grid）1上的温度传感器13的数量可根据燃烧器的大小和形状而变化。例如，在具有三个或四个或甚至六个（对于较大燃烧器）温度传感器的燃烧器系统测试机台1的情形中，可选择两个温度的子集。
48.一旦已选择局部温度子集，则限定检测这些局部温度的温度传感器13及其在燃烧系统测试机台1上的位置。燃烧器系统15然后优选地仅在燃烧系统测试机台1中测得所选子集的局部温度所在的位置处提供有温度传感器13，因为相关性仅是基于在那里进行的局部
温度测量并且可基于在那里测得的局部温度可靠地计算混合器出口温度。因此，参看图4，燃烧系统仅提供有温度传感器a和b。
49.当燃烧系统15组装在燃气涡轮16中并且操作时，它以燃料和来自压缩机20的压缩空气进给。燃料在压缩空气中的燃烧产生热气流，该热气流然后进给至涡轮21。
50.温度传感器13测量热气流的局部温度并且将该信息发送至控制器17，该控制器计算热气流的混合器出口温度met。热气流的混合器出口温度met因此被发送至燃气涡轮的控制单元，用于驱动燃气涡轮。
51.自然地，所描述的特征可彼此独立地提供。
52.在实践中，所用材料和尺寸可根据要求和技术水平随意选择。