控制用于燃气涡轮的燃料共混物的系统和方法

背景技术

本发明的领域整体涉及燃气涡轮发动机，并且更具体地涉及控制用于燃气涡轮的燃料共混物的系统和方法。

已知的燃气涡轮发动机在燃烧器部分中燃烧燃料和氧化剂(例如，空气)的混合物以生成热的燃烧气体。热的燃烧气体流过涡轮以使一个或多个涡轮级旋转以驱动发电机，从而产生电力。燃烧气体包括各种燃烧副产物，诸如氮氧化物(NO

在一些已知的涡轮中，确定合适的燃料-空气比可能由于减少使用更高成本但更有效的燃料(诸如天然气)的趋势而更困难。成本需求通常决定了通过与成本较低但效率较低的较高烃类燃料共混来减少这些燃料的消耗。此类燃料共混物改变了燃料的加热特性，这影响燃烧动力学，并且因此影响燃气涡轮的操作和寿命。为了确保DLE燃烧系统在可接受的操作边界内操作，可能需要通过使用燃料调度来调节燃料消耗。然而，燃料调度可能是低效的，并且随着时间的推移，继续使用燃料调度可能实际上增加操作成本，因为不同的燃料可能导致设备停机。

此外，由于不可预见的功率输出，可再生能源(例如，风能或太阳能)的增加引入了额外的挑战。因此，需要更大的燃料灵活性。近来，在努力实现更大的燃料灵活性方面，人们对碳中性氢基燃料的兴趣与日俱增。然而，当氢掺杂燃料与空气混合以促进较低的NO

因此，存在对用于燃气涡轮的燃料共混物进行改进控制的需要。特别地，期望在不对现有涡轮发动机硬件进行大量重新配置或重新设计的情况下促进对燃料共混物的改进控制。

发明内容

在一个方面，提供了一种控制用于涡轮发动机的燃料共混物的方法。该方法包括：将第一燃料和第二燃料供应到混合器；以及在混合器中将第一燃料和第二燃料混合在一起以获得燃料共混物。该方法还包括在混合器下游的燃料共混物分析器处接收指示燃料共混物的组成的测量结果。该方法还包括在燃烧器中燃烧该燃料共混物。该方法还包括接收指示燃烧行为的燃烧信号。该方法还包括基于燃料共混物测量结果和燃烧信号中的至少一者，由控制器控制第一燃料的流量和第二燃料的流量中的至少一者。

在另一方面，提供了一种用于涡轮发动机的燃料控制系统。该燃料控制系统包括燃料供应系统，该燃料供应系统包括混合器，该混合器用于将第一燃料和第二燃料混合在一起以获得燃料共混物。该燃料控制系统还包括：燃料共混物分析器，该燃料共混物分析器位于混合器的下游；燃烧器，该燃烧器位于燃料共混物分析器的下游；和爆震传感器，该爆震传感器联接到燃烧器。燃烧器可与燃料共混物一起操作。该燃料控制系统还包括控制器，该控制器通信地耦接到爆震传感器和燃料共混物分析器。该控制器包括与至少一个存储器设备通信的至少一个处理器。该至少一个处理器被配置为：(i)从爆震传感器接收指示燃烧行为的燃烧信号；(ii)从燃料共混物分析器接收指示燃料共混物的组成的测量结果；以及(iii)基于燃烧信号和燃料共混物测量结果中的至少一者来调节第一燃料的流量和第二燃料的流量中的至少一者。

附图说明

当参考附图阅读以下详细描述时，将更好地理解本公开的这些和其他特征、方面和优点，附图中相同的字符在整个附图中表示相同的部件，其中：

图1是利用燃料共混物控制的示例性燃气涡轮系统的示意图；

图2是利用燃料共混物控制的另选燃气涡轮系统的示意图；

图3是用于图1和/或2中所示的燃料共混物控制的示例性控制器的框图；

图4是利用燃料共混物控制的第二另选燃气涡轮系统的示意图；并且

图5是控制用于涡轮发动机的燃料共混物的示例性方法的流程图。

除非另外指明，否则本文提供的附图旨在示出本公开的实施方案的特征。据信这些特征适用于包括本公开的一个或多个实施方案的多种系统。因此，附图不旨在包括本领域的普通技术人员已知的实践本文所公开的实施方案所需的所有常规特征。

具体实施方式

在以下说明书和权利要求书中，将引用多个术语，这些术语应被定义为具有以下含义。除非上下文另外明确规定，否则单数形式“一个”、“一种”和“所述”包括复数引用。“任选的”或“任选地”意指随后描述的事件或情况可能发生或可能不发生，并且该描述包括事件发生的实例和事件不发生的实例。此外，对“一个实施方案”的提及不旨在被解释为排除也包含所列举特征的附加实施方案的存在。此外，除非明确相反说明，否则“包括”或“具有”具有特定属性的一个元件或多个元件的实施方案可以包括不具有该属性的附加的此类元件。

如本文所用，术语“实时”是指以下项中的任一者：相关联事件的发生时间、测量和收集预定数据的时间、处理数据的时间或对事件和环境的系统响应的时间。在本文描述的实施方案中，这些活动和事件基本上瞬时发生。

如本文所用，术语“处理器”和“计算机”以及相关术语例如，“处理设备”、“计算设备”和“控制器”不限于本领域中称为计算机的那些集成电路，而且在广义上是指微控制器、微计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路和/或其他可编程电路，并且这些术语在本文中可互换使用。在本文所述的实施方案中，“存储器”可包括但不限于计算机可读介质，诸如随机存取存储器(RAM)以及计算机可读非易失性介质，诸如闪存存储器。另选地，也可使用软盘、光盘只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)和/或数字通用光盘(DVD)。另外，在本文所述的实施方案中，附加的输入通道可以是但不限于仅与操作员界面相关联的计算机外围设备，诸如鼠标和键盘。另选地，例如，也可使用其他计算机外围设备，诸如但不限于扫描仪。此外，在本文所述的实施方案中，附加的输出通道可包括但不限于仅为操作员界面监视器。

图1是根据本公开的利用燃料共混物控制的示例性燃气涡轮系统10的示意图。虽然图1例示了示例性燃气涡轮发动机12，但是应当注意，本文所述的用于燃料共混物控制的方法和系统不限于任何特定类型的涡轮发动机。本领域的普通技术人员应当理解，本文所述的用于燃料共混物控制的方法和系统能够以任何合适的配置与任何旋转机器一起使用，使得此类系统和方法能够如本文进一步描述的那样起作用。

在示例性实施方案中，系统10包括燃气涡轮发动机12，该燃气涡轮发动机具有压缩机14、一个或多个燃烧器16、涡轮18、计算机控制系统或控制器42以及燃料供应系统或滑动件29。轴20轴向延伸并且将压缩机14联接到涡轮18。涡轮发动机12可经由轴20联接到发电机22以产生电力。氧化剂24(例如，空气)被引入到压缩机14中，在该压缩机中氧化剂被压缩并且作为经压缩的氧化剂25被引导到燃烧器16。燃料共混物26从燃料供应系统29被提供到燃烧器16中，在该燃烧器中燃料共混物与经压缩的氧化剂25混合。燃料共混物26和氧化剂25的混合物在燃烧器16中燃烧，并且对排出的热燃烧气体27进行膨胀以在随后的涡轮18中做功。排气28可通过排气管道(未示出)排出涡轮18，并且可用于例如热回收蒸汽发生器系统(未示出)以从提取自排气的热能产生蒸汽。另选地，排气28可经受排放控制处理(例如，选择性催化还原)以从排气流中去除不想要的燃烧副产物(例如，NO

向燃烧器16供应燃料共混物26的燃料供应系统29使用第一燃料30的流量和第二燃料32的流量。第一燃料30和第二燃料32被供应到混合器34，第一燃料30和第二燃料32在该混合器中混合以产生燃料共混物26。混合器34可以是例如静态直列式混合器。

设想了将多种燃料用作第一燃料30和/或第二燃料32。例如，在一些实施方案中，第一燃料30和/或第二燃料32可以是在大气压和温度下以气态存在的烃类燃料(本文中也称为“烃类气体燃料”)。此类烃类气体燃料的非限制性示例包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和/或它们的组合。在一些实施方案中，第一燃料30和/或第二燃料32可以是天然气(即，以甲烷作为主要成分的烃类气体燃料)。在其他实施方案中，第一燃料30和/或第二燃料32可以是由于冷却和/或压缩气体而处于液态的烃类气体燃料(本文中也称为“液化烃类燃料”)。例如，第一燃料30和/或第二燃料32可以是液化石油气(即丙烷、丁烷和它们的混合物)或任何其他液化烃类燃料(诸如戊烷、甲醇、乙醇和/或二甲醚)。另选地，第一燃料30和/或第二燃料32可以是在大气压和温度下以液态存在的烃类燃料(本文中也称为“烃类液体燃料”)。此类烃类液体燃料的非限制性示例包括柴油、煤油、石脑油和其他馏出燃料、原油(石油)和残余燃料(诸如重燃料油、中等燃料油和轻燃料油)。

第一燃料30或第二燃料32也可以是氢气。在这些实施方案中，氢气用作第一燃料30或第二燃料32，并且与用作第一燃料30或第二燃料32中的另一者的烃类燃料混合。氢气燃料可以是纯氢或可以是在合成气体混合物(本文中也称为“合成气”)中提供的，该合成气体混合物在燃料供应系统29的上游与另一种烃类气体和其他化合物(诸如一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO

一般来讲，第一燃料30和第二燃料32是不同的燃料。通常，当被供应到混合器34并进行混合时，第一燃料30和第二燃料32是同相的。在这方面，当第一燃料30是例如烃类气体燃料(例如，天然气)并且第二燃料32是不同相燃料(例如，液化燃料(例如，液化石油气或液化氢气))时，气化器(未示出)可设置在混合器34的上游以在液化燃料32被供应到混合器34并且与烃类气体燃料30混合之前使该液化燃料气化。

使用不同的燃料30和32来生产燃料共混物26可以促进涡轮发动机12中更大的燃料灵活性。例如，较高反应性燃料可用作第一燃料30或第二燃料32，并且与用作第一燃料30或第二燃料32中的另一者的较低反应性燃料混合。混合不同的第一燃料30和第二燃料32的结果是，与所产生的燃料共混物26相关联的燃烧动力学和/或排放可能是未知的。在燃料共混物26的组成下降到某一燃料反应性限制以下的情况下，例如当相对大量的低反应性燃料(诸如原油和残余物)被用作第一燃料30或第二燃料32时的情况，可能导致不可接受的燃烧条件(诸如火焰丧失(贫油熄火)和/或发动机爆震)和/或CO排放增加。另选地，在燃料共混物26的组成具有太高的反应性的情况下，例如当相对大量的氢气被用作第一燃料30或第二燃料32时的情况，可能导致不可接受的燃烧条件(诸如回火和/或过热)和/或NO

在示例性实施方案中，控制阀36和38分别位于第一燃料30和第二燃料32的供应管线上，以控制各种燃料30和32流向混合器34的流量。然而，在一些实施方案中，可使用其他流量控制装置。例如，第一燃料30和第二燃料32的流量可以是通过使用来自每个相应燃料管线上的流量传感器(例如，图2中所示的传感器46和48)的反馈控制信号调节燃料泵(未示出)的速度来控制的。在一些实施方案中，可以仅使用控制阀36或38中的一者。在其他实施方案中，控制阀36或38中的一者或第三控制阀(未示出)可设置在混合器34的下游和燃烧器16的上游。

燃料共混物分析器单元40位于混合器34的下游，以获得指示燃料共混物26的组成的燃料共混物26的测量结果。此类测量结果包括例如燃料组分的浓度水平和/或燃料共混物的其他属性，诸如但不限于闪点、临界点、比重、密度、分子量和/或热值。为此，燃料共混物分析器40可包括例如气相色谱仪、比重传感器、密度计和/或Wobbe计中的任一者。在一些实施方案中，燃料共混物分析器40还可包括附加传感器(未示出)以获得燃料共混物26的测量结果，诸如，例如燃料压力、燃料压降、燃料流率、燃料流速和/或燃料温度。燃料共混物分析器40通信地耦接到控制器42，以将燃料共混物26的测量结果提供给控制器42以供处理，如本文更详细描述的。

爆震传感器44联接到燃烧器16以获得指示燃烧器16中的燃烧行为的燃烧信号。爆震传感器44可包括声学或声音传感器、振动传感器、加速度传感器、运动传感器和/或它们的组合。传感器44监测与燃烧器16中的燃烧相关联的声学和/或振动，并且检测爆震状况。例如，爆震传感器44可基于声学和/或振动来检测爆震状况，该声学和/或振动指示在涡轮发动机12的正常操作循环期间在非预期时间发生的燃料共混物26和氧化剂24的混合物的燃烧。爆震传感器44可包括能够感测振动、压力、加速度、偏转或运动以使得系统10能够如本文所述的起作用的任何传感器。爆震传感器44通信地耦接到控制器42以向控制器42提供燃烧信号以供处理，如本文更详细描述的。

控制器42是包括至少一个处理器(未示出)和至少一个存储器设备(未示出)的计算机系统。存储器设备可包括非暂态计算机可读介质和程序，该非暂态计算机可读介质和该程序由处理器访问以执行操作，从而至少部分地基于从燃料共混物分析器40接收的测量结果和/或基于从爆震传感器44接收的燃烧信号来控制提供给燃烧器16的燃料共混物26的组成。由控制器42执行的操作包括应用控制算法来调节供应到混合器34的第一燃料30和/或第二燃料32的流量。例如，控制器42可包括和/或生成涡轮发动机12的操作模型。控制器42可将燃料共混物26的测量结果和/或燃烧信号与模型进行比较，以生成传送到控制阀36和38的控制输出。操作模型可限定涡轮发动机12的操作边界。控制器42可以识别出燃料共混物26的组成存在违反操作边界的风险，从而导致不可接受的燃烧条件(例如，贫油熄火、发动机爆震、回火和/或过热)。在这方面，控制器42可预测与燃料共混物26的组成相关联的燃烧条件。控制器42可因此实时地确定是否应调节燃料共混物26的组成。作为响应，控制器42可生成输出信号，该输出信号使控制阀36和38中的一者或两者调节(例如，增加或减少)供应到混合器34的第一燃料30和/或第二燃料32的流量。

从爆震传感器44接收的燃烧信号也可用于调节燃料共混物26的组成。例如，控制器42可在检测到爆震状况时分析燃料共混物26的测量结果并且相应地生成输出信号。附加地或另选地，燃烧信号可用于反馈应用以更新操作模型。例如，控制器42可将燃烧信号与通过将燃料共混物测量结果与操作模型进行比较而确定的预测的燃烧条件进行比较。控制器42可确定预测的燃烧条件是否与由燃烧信号指示的燃烧行为相匹配。如果预测的燃烧条件与燃烧行为不匹配，则控制器42可通过将燃料共混物26的测量结果与检测到的爆震状况相关联来更新操作模型，以促进在获得燃料共混物26的类似测量结果时实时地预测未来的爆震状况。

图2是根据本公开的利用燃料共混物控制的另选燃气涡轮系统100的示意图。燃气涡轮系统100包括图1中示出并且在本文中描述的用于燃气涡轮系统10的所有元件和部件。另外，系统100包括通信地耦接到控制器42的至少一个附加传感器(例如，传感器46、48、50和/或52)。在另选实施方案中，控制器42从附加传感器46、48、50和/或52接收附加传感器输入，并且可使用该附加传感器输入来监测涡轮发动机12的操作参数、调节供应到混合器34的第一燃料30和/或第二燃料32的流量和/或通过将燃料共混物26的测量结果与涡轮发动机12的操作参数相关联来更新操作模型。

如图2所示，控制器42通信地耦接到传感器46和/或48中的一者或两者，以分别获得第一燃料30和第二燃料32的测量结果。传感器46和48可各自获得指示相应燃料30和32的组成的测量结果，诸如，例如燃料组分的浓度水平和/或相应燃料30和32的其他属性，诸如但不限于闪点、临界点、比重、密度、分子量和/或热值。为此，传感器46和48可各自包括例如气相色谱仪、比重传感器、密度计和/或Wobbe计中的任一者。在另选实施方案中，传感器46和48分别位于控制阀36和38的上游。控制器42使用分别从传感器46和/或48获得的第一燃料30和/或第二燃料32的测量结果以及从燃料共混物分析器40获得的燃料共混物26的测量结果来确定燃料共混物26的组成。例如，控制器42可从燃料共混物分析器40接收指示燃料共混物26的总体组成的测量结果，并且在前馈应用中利用指示第一燃料30和/或第二燃料32的组成的测量结果补充该输入。控制器42可因此基于从燃料共混物分析器40和传感器46和/或48获得的测量结果来确定燃料共混物26的组成。在这方面，通过从对应的传感器46和/或48接收的第一燃料30和/或第二燃料32的补充测量结果，可促进提高燃料共混物26的测量组成的准确性。

在其他实施方案中，传感器46和48可适当地位于对应的控制阀36和38的下游和混合器34的上游。在这些实施方案中，传感器46和48可附加地或另选地各自获得指示供应到混合器34的相应燃料30和32的流量的测量结果。例如，传感器46和48可各自获得相应燃料30和32的质量流量或体积流量测量结果。在其他实施方案中，传感器46和48可各自获得使系统100能够如本文所述那样起作用的任何其他测量结果。

如图2所示，控制器42还通信地耦接到传感器50，该传感器获得燃气涡轮发动机12的操作参数的测量结果。虽然在图2中被示出为单个传感器50，但是应当理解，传感器50可包括多于一个传感器50。在示例性实施方案中，传感器50联接到燃烧器16以获得指示燃烧器16的燃烧行为的测量结果。传感器50可以是检测燃烧器16的气缸内的火焰强度的光学传感器。光学传感器50向控制器42传送与至少一个气缸内的火焰的强度相对应的信号。传感器50另选地可以是测量燃烧器16内的操作温度(诸如燃烧器入口温度、燃烧炉温度和/或燃烧器金属温度)的温度传感器。在另选实施方案中，传感器50可联接到涡轮18以检测涡轮机18的操作参数，诸如局部涡轮操作温度、涡轮入口温度和/或涡轮出口温度。在其他实施方案中，传感器50可以是测量燃烧器16和/或涡轮18内的操作压力的压力传感器。传感器50可以是用于获得涡轮发动机12的操作参数的任何其他测量结果的任何其他传感器，该任何其他测量结果使得系统100能够如本文所述那样起作用。

如图2所示，控制器42还通信地耦接到传感器52，该传感器获得排出涡轮18的排气28的测量结果。传感器52可适当地联接到涡轮18下游的排气管道(未示出)。附加地或另选地，传感器52可联接到排气烟囱(未示出)以获得排出选择性催化还原(SCR)处理系统(未示出)的排气28的测量结果。传感器52可以是例如检测排气28中的一种或多种污染物(例如，CO、CO

图3示出了控制器42的示例性框图。控制器42接收输入54，该输入包括从燃料共混物分析器40获得的燃料共混物26的测量结果和从爆震传感器44(如图1所示)获得的燃烧信号。输入54还可包括从传感器46、48、50和/或52(如图2所示)获得的测量结果。控制器42处理输入54并且生成输出56。输出56被传送到控制阀36和38。输出56使得控制阀36和/或38调节供应到混合器34的相应燃料30和32的流量，从而调节排出混合器34的燃料共混物26的组成。

控制器42可执行一个或多个基于模型的控制算法，并且可通过将燃料共混物26的测量结果与模型进行比较来生成输出56。例如，如本文所述，控制器42可包括和/或生成操作模型70，该操作模型限定涡轮发动机12的操作边界。操作边界可以是通过对涡轮发动机12的操作进行建模和/或通过接收涡轮发动机12的操作参数作为输入54来确定的。例如，操作模型70可对燃烧器16内的燃烧动力学进行建模。控制器42接收指示燃料共混物26的组成的测量结果作为输入54，并且可将该测量结果与操作模型70进行比较以预测燃烧器16内的燃烧动力学。控制器42可因此实时地确定供应到燃烧器16的燃料共混物26的组成可导致不可接受的燃烧条件，诸如，例如发动机爆震、回火和/或贫油熄火事件。作为响应，控制器42可生成被传送到控制阀36和38中的一者或两者的控制输出56，并且使第一燃料30和/或第二燃料32的流量被调节，从而调节燃料共混物26的组成。在这方面，连续地比较燃料共混物26的测量结果与操作模型70可使得能够在燃烧器16内发生有害条件之前实时地调节燃料共混物26的组成。

另外，控制器42接收来自爆震传感器44的燃烧信号作为输入54。燃烧信号输入54提供燃烧器16内的燃烧动力学的反馈，该反馈可用于调节燃料共混物26的组成和/或更新操作模型70。例如，控制器42可确定应当响应于识别出的爆震状况来调节燃料共混物26的组成，并且作为响应，生成如本文所述的控制输出56。附加地或另选地，燃烧信号输入54可用于确定燃料共混物26的测量结果与检测到的爆震状况相关联。作为响应，控制器42可更新操作模型70，以促进在获得燃料共混物26的类似测量结果时实时地预测未来爆震状况。

控制器42还可接收来自传感器46、48、50和/或52(如图2所示)中的任一者的测量结果作为输入54，以更新操作模型70和/或生成控制输出56。例如，控制器42可接收从相应传感器46和48获得的第一燃料30和/或第二燃料32的测量结果作为输入54。此类输入54可被控制器42用作前馈信号，以补充从燃料共混物分析器40获得的燃料共混物26的测量结果，如本文所述。在传感器46和/或48获得相应燃料30和32的流量测量结果的实施方案中，控制器42可使用该测量结果作为生成输出56时的控制参数。即，控制器42可生成输出56以使控制阀36和/或38分别将第一燃料30和/或第二燃料32到混合器34的流量调节至期望的流率。除了由爆震传感器44获得的燃烧信号之外，控制器42还可接收其他测量的燃烧参数(例如，火焰强度、温度和/或压力)来作为输入54。此类输入54提供燃烧器16内燃烧动力学的连续反馈，该连续反馈可用于调节燃料共混物26的组成和/或更新操作模型70，如本文所述。应当理解，如本文所述从传感器46、48、50和/或52获得的任何附加测量结果可用于使控制器42能够如本文所述那样起作用。

控制器42还可生成和/或包括排放模型80，该排放模型使得控制器42能够实时地预测排出涡轮18的排气28中的污染物水平(例如，CO、CO

控制器42还可从传感器52(如图2所示)接收与排气28相关联的排放水平测量结果来作为输入54。排放水平测量结果可提供排气28中污染物水平的实时反馈，该实时反馈可用于调节燃料共混物26的组成和/或更新排放模型80。例如，控制器42可确定应当响应于检测到的污染物水平来调节燃料共混物26的组成，并且作为响应，生成如本文所述的控制输出56。如本文所述，来自传感器52的输入54还可包括排出SCR处理系统(未示出)的排气28的测量结果。在这方面，控制器42可使用SCR处理系统内的变化来确定应当调节燃料共混物26的组成。附加地或另选地，控制器42可使用由传感器52获得的并且作为输入54接收的测量结果来更新排放模型80。例如，控制器42可将预测的污染物水平与排放水平测量结果进行比较。控制器42可确定预测的污染物水平是否与由传感器52测量的实际污染物水平相匹配，或者控制器42可确定预测的污染物水平与实际污染物水平之间存在差异。作为响应，控制器42可以更新排放模型80以促进提高与燃料共混物26的类似测量结果相关联的未来预测的污染物水平的准确性。

控制器42可将排放模型80与操作模型70集成。因此，控制器42可通过确定燃料共混物26的测量结果是否与操作边界内的燃烧条件相关联以及是否与排气28中的可接受的污染物水平相关联来促进优化燃料共混物26的组成。在这方面，控制器42促进在使用低成本燃料(诸如，例如烃类液体燃料)以及碳中性燃料(诸如，例如氢气燃料)时有更大的灵活性。控制器42还可生成和/或包括总体经济模型(未示出)，该总体经济模型结合了操作模型70和排放模型80以及与特定燃料共混物26的使用相关联和/或与特定单独燃料30和/或32的使用相关联的预期成本和收益性。在这方面，控制器42可促进优化燃料共混物26的组成并使燃气涡轮系统10的操作寿命期间的总收入最大化。

图4是根据本公开的利用燃料共混物控制的第二另选燃气涡轮系统200的示意图。燃气涡轮系统200包括如分别在图1和图2中示出并且在本文中描述的燃气涡轮系统10和/或100的所有元件和部件。另外，在第二另选实施方案中，燃气涡轮系统200包括分级燃烧器16。燃烧器16可以是例如轴向分级或径向分级的燃烧器16。通常，分级燃烧系统通过在第一级58处引入预混合燃料和空气的稀混合物以及在第二级60处引入具有更高当量比的燃料的富混合物来操作。在第一级58处引入稀混合物(其具有相对较低的火焰温度)促进减少燃料在高温燃烧环境中(例如在第二级60处)的停留时间。因此，分级燃烧器可使NO

如图4所示，供应到分级燃烧器16的燃料在第一级58和第二级60之间分配。第一燃料30在混合器34的上游被分成被引导到第一级58的第一部分62和被供应到混合器34的第二部分64，其中燃料共混物26被引导到第二级60。在其他实施方案中，系统200可包括位于混合器34下游的燃料分离器或歧管(未示出)，该燃料分离器或歧管将燃料共混物26分离成被引导到第一级58的第一部分(未示出)和被引导到至少第二级60的至少第二部分(未示出)。第一燃料30可适当地是比第二燃料32反应性低的燃料(即，具有相对较慢的反应速率)。例如，第一燃料30可以是烃类气体燃料(诸如天然气)或液化烃类燃料(诸如液化石油气)，并且第二燃料32可以是氢气。因此，排出混合器34的燃料共混物26可包括较低反应性燃料30和较高反应性燃料32的合适混合物。空气(未示出)可在第一级58处被引入或与被引导到第一级58的燃料(例如，第一燃料30)混合以产生稀预混合燃料。惰性气体(例如氮气)可在第二级60处被引入，或者与被引导到第二级60的燃料(例如，燃料共混物26)混合以促进改善热管理和/或提供冷却。

如本文所述，燃料共混物分析器40获得指示燃料共混物26的组成的测量结果。控制器42接收该测量结果并且确定燃料共混物26的组成是否可引起处于预先确定的操作边界之外的燃烧动力学。例如，控制器42可确定燃料共混物26的组成指示将无法承受第二级60中的火焰温度并且可能导致过早燃烧的燃料组成。另选地，控制器42可确定燃料共混物26的组成指示可引起贫油熄火事件的燃料组成。控制器42还接收来自爆震传感器44的燃烧信号，该爆震传感器可检测第一级58和/或第二级60处的爆震状况。

响应于识别出指示处于预先确定的操作边界之外的燃烧动力学的燃料共混物测量结果和/或检测到爆震状况，控制器42可生成输出56(如图3所示)以使控制阀36、38分别调节第一燃料30或第二燃料32的流量。在这方面，控制器42可调节供应到第二级60的燃料共混物26的组成，该燃料共混物将以最少的停留时间快速燃烧。控制器42因此控制供应到第二级60的燃料共混物26的组成，以促进优化反应速率和分级燃烧的燃烧动力学。附加燃料分析器(诸如图2中所示的传感器46)可获得供应到混合器34和第一级58的第一燃料30的测量结果。控制器42可接收该测量结果，并且作为响应，可生成使控制阀36调节第一燃料30的流量以优化第一级58和第二级60两者中的燃烧条件的输出。应当理解，如本文所述从传感器46、48、50和/或52获得的任何附加测量结果可用于使控制器42能够如本文所述那样起作用。

图5是控制用于燃气涡轮发动机12的燃料共混物26的示例性方法300的流程图。将第一燃料30和第二燃料32供应302至混合器34，由此将第一燃料30和第二燃料32混合304在一起以获得燃料共混物26。如本文所述，位于混合器34下游的燃料共混物分析器40接收306指示燃料共混物26的组成的测量结果。控制器42通信地耦接到燃料共混物分析器40并且从燃料共混物分析器接收燃料共混物26的测量结果。控制器还通信地耦接到爆震传感器44，该爆震传感器耦接到燃气涡轮发动机12的燃烧器16。燃料共混物26被供应到燃烧器16，由此进行燃烧308。爆震传感器44接收310指示燃烧器16的燃烧行为的燃烧信号。控制器接收来自爆震传感器44的燃烧信号。控制器42生成控制输出56以控制312第一燃料30的流量和/或第二燃料32的流量中的至少一者。特别地，控制器42基于燃料共混物26的测量结果和/或燃烧信号来生成控制输出56，从而调节燃料共混物26的组成。

上述系统和方法通过响应于燃料共混物的检测到的组成和/或涡轮发动机内的监测到的燃烧动力学而调节第一燃料和/或第二燃料的流量来促进对用于涡轮发动机的燃料共混物的实时控制。因此，本文所述的系统和方法促进优化可与宽范围的可变燃料一起操作的涡轮发动机的耐久性、排放和功率(兆瓦)输出。此外，使用混合器下游的燃料共混物分析器来获得指示燃料共混物的组成的测量结果促进控制器在燃料共混物燃烧之前或期间执行燃烧条件和/或排放的预测算法。与仅使用燃烧器中的燃烧动力学反馈的燃料共混物控制系统和方法相比，这促进控制器更快地对燃料共混物组成的变化作出反应，该燃料共混物组成的变化是由于例如燃料的可用性或负载调度的变化，其中在控制器可引起燃料共混物组成的变化之前可能发生不可接受的燃烧条件。此外，在混合各种燃料的下游获得燃料共混物的测量结果促进提高燃料共混物的确定的组成的准确性。当例如氢气燃料与烃类燃料混合时，这可能是有利的，其中即使燃料共混物的测量结果(例如比重或密度测量结果)的微小变化也对应于燃料共混物中氢含量的变化。在混合各种燃料的下游获得燃料共混物的测量结果还促进使用更少的测量结果和/或仪器来确定燃料共混物的组成。

本文所描述的系统和方法的示例性技术效果包括但不限于包括：(a)使用与燃烧信号反馈相结合的预测算法来促进改善可与燃料共混物一起操作的发动机中的燃烧动力学；(b)促进改善燃料共混物的检测和加快对燃料共混物的组成的变化的响应时间；(c)在低排放燃气涡轮中实现更大的燃料灵活性；以及(d)促进因更可靠的燃料共混带来的成本优化。

本公开的其他方面由以下条款的主题提供：

1.一种控制用于涡轮发动机的燃料共混物的方法，所述方法包括：

将第一燃料和第二燃料供应到混合器；在所述混合器中将所述第一燃料和所述第二燃料混合在一起以获得燃料共混物；在所述混合器下游的燃料共混物分析器处接收指示所述燃料共混物的组成的测量结果；在燃烧器中燃烧所述燃料共混物；接收指示燃烧行为的燃烧信号；以及基于燃料共混物测量结果和所述燃烧信号中的至少一者，由控制器控制所述第一燃料的流量和所述第二燃料的流量中的至少一者。

2.根据任一前述条款所述的方法，其中所述燃烧信号是由联接到所述燃烧器的爆震传感器接收的。

3.根据任一前述条款所述的方法，其中基于所述燃料共混物测量结果和所述燃烧信号中的至少一者由所述控制器进行的控制包括由所述控制器向所述混合器上游的至少一个控制阀传送输出信号。

4.根据任一前述条款所述的方法，所述方法还包括：由所述控制器将所述燃料共混物测量结果与所述燃烧器的操作模型进行比较；基于所述比较，由所述控制器确定与所述燃料共混物测量结果相关联的预测的燃烧条件；以及基于所述预测的燃烧条件，由所述控制器控制所述第一燃料的所述流量和所述第二燃料的所述流量中的至少一者。

5.根据任一前述条款所述的方法，所述方法还包括：由所述控制器将所述预测的燃烧条件与所述燃烧信号进行比较；由所述控制器确定所述预测的燃烧条件是否与由所述燃烧信号指示的所述燃烧行为相匹配；以及在所述预测的燃烧条件与所指示的燃烧行为不匹配的情况下更新所述操作模型。

6.根据任一前述条款所述的方法，所述方法还包括：在所述混合器上游的至少一个燃料传感器处接收指示所述第一燃料和所述第二燃料中的至少一者的组成的至少一个测量结果；基于所述燃料共混物测量结果以及所述第一燃料和所述第二燃料中的至少一者的所述至少一个测量结果，由所述控制器确定所述燃料共混物的组成；以及基于所确定的燃料共混物组成和所述燃烧信号中的至少一者，由所述控制器控制所述第一燃料的所述流量和所述第二燃料的所述流量中的至少一者。

7.根据任一前述条款所述的方法，所述方法还包括：由所述控制器将所述燃料共混物测量结果与所述燃烧器的排放模型进行比较；基于所述比较，由所述控制器确定与所述燃料共混物测量结果相关联的预测的污染物水平；以及基于所述预测的污染物水平，由所述控制器控制所述第一燃料的所述流量和所述第二燃料的所述流量中的至少一者。

8.根据任一前述条款所述的方法，所述方法还包括：在所述燃烧器下游的排放传感器处接收排放水平测量结果；由所述控制器将所述预测的污染物水平与所述排放水平测量结果进行比较；由所述控制器确定所述预测的污染物水平是否与所述排放水平测量结果相匹配；以及在所述预测的污染物水平与所述排放水平测量结果不匹配的情况下更新所述排放水平模型。

9.根据任一前述条款所述的方法，其中所述第一燃料是天然气并且所述第二燃料是氢气。

10.根据任一前述条款所述的方法，其中所述第一燃料是液化石油气并且所述第二燃料是氢气。

11.根据任一前述条款所述的方法，其中所述第一燃料是烃类气体燃料并且所述第二燃料是液化烃类燃料。

12.根据任一前述条款所述的方法，所述方法还包括在将所述液化烃类燃料供应到所述混合器之前使所述液化烃类燃料气化。

13.一种用于涡轮发动机的燃料控制系统，所述系统包括：燃料供应系统，所述燃料供应系统包括混合器，所述混合器用于将第一燃料和第二燃料混合在一起以获得燃料共混物；燃料共混物分析器，所述燃料共混物分析器位于所述混合器的下游；燃烧器，所述燃烧器位于所述燃料共混物分析器的下游，所述燃烧器能够与所述燃料共混物一起操作；爆震传感器，所述爆震传感器联接到所述燃烧器；和控制器，所述控制器通信地耦接到所述爆震传感器和所述燃料共混物分析器，所述控制器包括与至少一个存储器设备通信的至少一个处理器，所述至少一个处理器被配置为：从所述爆震传感器接收指示燃烧行为的燃烧信号；从所述燃料共混物分析器接收指示所述燃料共混物的组成的测量结果；以及基于所述燃烧信号和燃料共混物测量结果中的至少一者来调节所述第一燃料的流量和所述第二燃料的流量中的至少一者。

14.根据任一前述条款所述的系统，其中所述燃料共混物分析器包括比重传感器或密度计。

15.根据任一前述条款所述的系统，其中所述第一燃料是天然气并且所述第二燃料是氢气。

16.根据任一前述条款所述的系统，其中所述第一燃料是液化石油气并且所述第二燃料是氢气。

17.根据任一前述条款所述的系统，所述系统还包括通信地耦接到所述控制器的传感器，所述传感器选自由以下项组成的组：排气排放传感器、排气温度传感器、燃烧压力传感器、燃料共混物流量传感器、第一燃料流量传感器、第二燃料流量传感器、第一燃料组成传感器、第二燃料组成传感器和光学火焰传感器。

18.根据任一前述条款所述的系统，其中所述传感器是光学火焰传感器。

19.根据任一前述条款所述的系统，其中所述传感器是第一燃料组成传感器或第二燃料组成传感器。

20.根据任一前述条款所述的系统，其中所述燃烧器是包括第一级和第二级的分级燃烧器。

21.根据任一前述条款所述的系统，其中所述第一燃料的第一部分被供应到所述第一级，并且所述第一燃料的第二部分被供应到所述混合器，以用于将所述第一燃料的所述第二部分与所述第二燃料混合在一起以获得所述燃料共混物。

22.根据任一前述条款所述的系统，其中所述分级燃烧器是轴向分级燃烧器。

23.根据任一前述条款所述的系统，其中所述第一燃料是烃类气体燃料并且所述第二燃料是液化烃类燃料。

24.根据任一前述条款所述的系统，其中所述烃类气体燃料是天然气并且所述液化烃类燃料包括液化石油气或戊烷。

本文所述的方法和系统不限于本文所述的具体实施方案。例如，每个系统的部件和/或每种方法的步骤可独立地和与本文所述的其他部件和/或步骤分开地使用。例如，该方法和系统也可与其他涡轮系统结合使用，并且不限于仅利用如本文所述的燃气涡轮发动机进行实践。相反，示例性实施方案可与许多其他涡轮应用结合实施和使用。

尽管本公开的各种实施方案的具体特征可能在一些附图中示出而在其他附图中未示出，但这仅是为了方便。根据本公开的原理，可以结合任何其他附图的任何特征来引用和/或要求保护附图的任何特征。

本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使得本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本发明的可专利范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果此类其他示例具有与权利要求书的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质差别的等效结构元件，则此类其他示例预期在权利要求书的范围内。