用於燃料和稀釋劑控制的系統的製作方法

2023-11-10 05:28:27

專利名稱：用於燃料和稀釋劑控制的系統的製作方法
技術領域：
本文公開的主題涉及流量控制系統，且更特別地，涉及用於燃料和稀釋劑流量控制的系統。
背景技術：
各種燃燒系統燃燒燃料以產生能量。例如，整體氣化聯合循環(IGCC)發電設備包括燃燒燃料以產生驅動負載的能量的一個或多個燃氣渦輪發動機。燃氣渦輪發動機所使用的其中一種燃料可為由IGCC發電設備的一個或多個氣化器產生的合成氣。燃氣渦輪發動機的操作可要求最小燃料噴嘴壓力比以防止駐焰、閃回或其它問題。結果，燃氣渦輪發動機可能不能在對於某些燃料(例如合成氣)的最低負載之下操作。例如，在啟動期間，燃氣渦輪發動機可使用天然氣操作直至最小負載，然後過渡至使用合成氣操作。此操作極限降低了燃氣渦輪發動機和IGCC發電設備的效率。

發明內容
以下概述了在範圍上與最初要求保護的發明相稱的某些實施例。這些實施例不意圖限制所要求保護的發明的範圍，相反這些實施例僅意圖提供本發明的可能形式的簡要概述。事實上，本發明可包括可與以下詳述的實施例相似或相異的多種形式。在第一實施例中，一種系統包括配置成控制進入燃燒系統的燃料噴嘴的第一燃料的第一流量和第二燃料的第二流量之間的燃料過渡的燃料控制器。該燃料控制器配置成調整與第二燃料的第二流量結合的稀釋劑的第三流量，從而將跨越燃料噴嘴的壓力比保持在預定的操作壓力比之上。在第二實施例中，燃料控制器配置成控制跨越燃燒系統中的燃料噴嘴的壓力比， 以防止閃回或駐焰。該燃料控制器配置成調整與燃料的第二流量結合的稀釋劑的第一流量，從而將壓力比保持在預定的操作壓力比之上。在第三實施例中，系統包括燃料控制器，燃料控制器配置成調整與燃料的第二流量結合的稀釋劑的第一流量，從而將跨越燃料噴嘴的壓力比維持在預定的操作壓力比之上。燃料控制器配置成增加稀釋劑的第一流量並降低燃料的第二流量，以使得燃燒發動機能夠在較低負載下操作。


當參考附圖閱讀以下具體實施方式
時，本發明的這些和其它特徵、方面以及優點將變得更好理解，其中貫穿附圖，相似的標號代表相似的部件，其中圖1是結合了燃氣渦輪發動機與配置成擴展燃氣渦輪發動機的操作範圍的燃料控制系統的IGCC發電設備的一個實施例的方塊圖；圖2是結合了配置成擴展燃氣渦輪發動機的操作範圍的燃料控制系統的一個實施例的燃氣渦輪發動機的方塊圖3是對於根據一個實施例的燃氣渦輪發動機的操作包絡線的曲線圖；圖4是配置成擴展燃氣渦輪發動機的操作範圍的燃料控制系統的一個實施例的方塊圖；圖5是使用基於時間表控制的燃料控制系統的一個實施例的方塊圖；圖6是使用用於閉環控制的轉換函數的燃料控制系統的一個實施例的方塊圖；以及圖7是使用用於閉環控制的模型的燃料控制系統的一個實施例的方塊圖。零部件列表100整體煤氣化聯合循環(IGCC)系統102燃料源104給料準備單元106氣化器108 熔漁110氣體淨化器111 硫112硫處理器113 鹽114水處理單元116碳捕獲系統118燃氣渦輪發動機120燃燒器122空氣分離單元(ASU)123補充空氣壓縮機IM稀釋氮氣壓縮機(DGAN)128冷卻塔130 渦輪131驅動軸132壓縮機134 負載136蒸汽渦輪發動機138熱回收蒸汽發生(HRSG)系統140 第二負載142冷凝器160進氣段162排放段164燃燒器外殼166燃燒器段168 第一燃料170第一燃料控制閥
172 第二燃料174第二燃料控制閥176稀釋劑178稀釋劑控制閥180注射管線182燃料控制系統184進氣段傳感器186壓縮機傳感器188燃燒器傳感器192渦輪傳感器194排放傳感器196到第一燃料、第二燃料和/或稀釋劑控制閥的信號198來自傳感器的信號210燃氣渦輪發動機的操作包絡線的曲線圖212 χ 軸線214 y 軸線216天然氣控制閥最小衝程曲線218 最小 FNPR 曲線220代表大約30%的負載的線222操作區域2M合成氣控制閥最小衝程曲線2 代表大約15%的負載的線2 擴展的操作區域240燃料控制系統242稀釋劑管線244第二燃料管線246第二燃料混合物管線248 LHV 傳感器250第一燃料管線252燃燒器燃料噴嘴254 塊256 塊270使用基於時刻表控制的燃料控制系統272稀釋劑流量計274操作參數塊276將稀釋劑流量從時刻表塊進行識別278稀釋劑流量設定點塊280稀釋劑流量塊282將稀釋劑流量與設定點進行比較的塊
284維持閥設定點塊286調整閥設定點塊300使用用於閉環控制的轉換函數的燃料控制系統302用轉換函數計算FNPR的塊304將計算的FNPR與低低FNPR進行比較的塊306轉換至第一燃料的塊308將計算的FNPR與低FNPR進行比較的塊310維持LHV設定點塊312降低LHV設定點塊314將LHV和LHV設定點進行比較的塊316維持閥設定點塊318調整閥設定點塊330使用用於閉環控制的模型的燃料控制系統332實時模型預測FNPR的塊334將預測的FNPR與低低FNPR進行比較的塊
336將預測的FNPR與低FNPR進行比較的塊
具體實施例方式以下將描述本發明的一個或多個特定實施例。為了提供對這些實施例的簡要描述，在本說明書中可能不描述實際實施方式的全部特徵。應該理解的是，在任何此類實際實施方式的開發中，如在任何工程或設計項目中一樣，必須做出許多實施方式特定的決定來達成開發者的特定目標，例如遵循系統相關和業務相關的限制，這可能從一個實施方式到另一個實施方式而不同。而且，應該理解的是，此類開發努力可能是複雜而耗時的，但對於那些受惠於本發明公開的本領域技術人員仍將成為設計、製造以及生產中的日常工作。當介紹本發明的各種實施例的要件時，用詞「一」、「一個」、「該」以及「所述」意在指存在一個或多個要件。用詞「包括」、「包含」以及「具有」意在為包括性的，並且表示除了所列舉的要件之外可能還有另外的要件。如以下所討論的，所公開的實施例通過稀釋燃料以控制燃料噴嘴壓力比(FNPR) 而增加燃氣渦輪發動機的操作範圍，從而使得能夠利用燃料在較低負載下進行操作。此外， 所公開的實施例能夠控制跨越燃氣渦輪發動機的整個操作範圍的FNPR。燃氣渦輪發動機可燃燒一種或多種不同的燃料。例如，IGCC發電設備中所使用的燃氣渦輪發動機可燃燒由一個或多個氣化器產生的合成氣作為燃料。然而，合成氣的可獲得性會受到啟動、關閉、計劃外停機或例行維護的影響。在此類情況期間，燃氣渦輪發動機可使用天然氣而非合成氣或天然氣和合成氣的組合。當燃料的發熱值之間存在大的差異時，如對於天然氣和合成氣，各燃料可被引向燃燒系統的單獨的燃料噴嘴。例如，在某些實施例中，天然氣可被引向主噴嘴而合成氣可被引向輔助噴嘴。由於燃料的設計流率和發熱值方面的差異，主噴嘴的噴嘴面積可小於輔助噴嘴的噴嘴面積。在其它實施例中，其中兩種燃料的發熱值相近，一種燃料噴嘴可用於兩種燃料。諸如控制閥的裝置可用來調整燃料和/或燃料混合物的流率。除了燃料，可將稀釋劑引向燃氣渦輪機的燃燒器。通常，稀釋劑可包括蒸氣或氣體，諸如惰性氣體或非燃燒性氣體或蒸氣。稀釋劑的具體示例包括但不限於氮氣、二氧化碳、蒸汽、水蒸氣或其組合。和燃料一樣，稀釋劑可被引向燃氣渦輪發動機的燃燒器中單獨的噴嘴。備選地，稀釋劑可在噴入燃氣渦輪發動機之前與一種或多種燃料混合。此外，諸如控制閥的裝置可控制稀釋劑的流率。燃料控制系統可向燃料和稀釋劑控制閥發送信號，以控制燃料和稀釋劑的流率， 從而控制燃氣渦輪發動機的操作範圍。為了確定燃料和稀釋劑的流率，控制器可接收基於測量或計算參數的信號。在以下詳細描述的各種實施例中，燃料控制系統可接收基於FNPR 的信號，其定義為燃料供應壓力除以燃燒器壓力，例如上遊壓力除以下遊壓力。為了使燃料流入燃燒器，燃料供應壓力大於燃燒器壓力，這導致大於一的FNPR。此外，燃燒器的操作可限於最小或較低或預定FNPR操作的和最大或較高FNPR之間的操作。低於最小FNPR或高於最大FNPR的操作會導致不期望的燃燒動態變化、駐焰、閃回或其它問題。儘管可測量燃料供應壓力，但燃燒器壓力典型地是不能測量的。因此，FNPR不能直接測量，但可從其它燃氣渦輪發動機操作狀態推出。在以下描述的各種實施例中，可用於推出FNPR的燃氣渦輪發動機操作狀態的示例包括但不限於入口導葉(IGV)位置、校正速度、排放溫度、燃料流率、 燃料低熱值(LHV)或它們的組合。校正速度指如果入口溫度對應於海平面處的環境狀態部件旋轉將會所處的速度。發熱值可用於限定燃料的能量特性。例如，燃料的發熱值可限定為由燃燒規定量的燃料釋放的熱量。特別是，LHV可限定為由燃燒規定量釋放的熱量(例如，最初處在25攝氏度或另一基準狀態)並將燃燒產物的溫度返回至目標溫度(例如，150攝氏度)。LHV可用兆焦(MJ)每公斤(kg)為單位表示。在以下討論中，LHV可用來指示各種燃料的發熱值， 但其並非以任何方式意圖限制。在所公開的實施例的範圍內可使用任何其他值來表徵給料的能量和/或熱輸出。在當前設想的實施例中，FWR可由燃料控制系統用來控制燃料和稀釋劑的流率， 從而控制燃氣渦輪發動機的操作範圍。例如，所公開的實施例控制稀釋劑流量以將FWR維持在最小FNPR和最大FNI3R之間，從而維持燃氣渦輪發動機的整體性，而更具體地將FNPR 維持在最小FWR之上以防止閃回和駐焰。在最小FWR之上，火焰被維持遠離燃料噴嘴的末梢適當的距離。當火焰和燃料噴嘴的末梢之間的距離較小或不存在時，稱為駐焰，火焰會損壞燃料噴嘴的末梢。此外，高於最小FWR的操作可防止閃回，例如，上遊火焰通過燃料噴嘴的移動。因此，最小FWR可限定燃氣渦輪發動機的操作包絡線的一個邊界。在所公開的實施例中，將稀釋劑添加至燃料具體地維持了合適的FNPR，從而基於與燃料相關的最小FNPR 消除了典型的操作邊界。換言之，燃料可用稀釋劑稀釋以維持最小FNPR，同時允許燃氣渦輪發動機以燃料在低得多的負載下操作。因此，根據某些實施例，燃料控制系統可將氮氣、蒸汽或其他稀釋劑噴入其中一種燃料流以調整FNPR。具體而言，多種變量可影響FNPR，包括燃料比(當用多種燃料操作時) 以及被供應給燃氣渦輪發動機的稀釋劑的流率。例如，降低合成氣對天然氣的比率降低了 FNPR，且增加稀釋劑的流率增加了 FNPR。因此，在沒有稀釋劑的情況下，在最小合成氣流率下操作可能造成FWR下降到低於最小FNPR。例如，IGCC發電設備可包括將合成氣供應給燃氣渦輪發動機的若干氣化器。如果關閉一個或多個氣化器，合成氣的總供應可能被降低到不足以使一個或多個燃氣渦輪發動機在最小FWR之上操作的水平。通過提高稀釋劑的流率來升高FNPR，公開的實施例使得燃氣渦輪發動機即使在一個或多個氣化器關閉時也能夠繼續操作。在各種實施例中，稀釋劑可在噴射到燃氣渦輪發動機的燃燒器中之前與其中一種燃料混合。通過調整稀釋劑的流率，燃料控制系統可將操作維持在最小FWR之上，並因而有效地增加燃氣渦輪發動機的操作範圍。增加的操作範圍在啟動(例如，從天然氣轉換至合成氣)、低需求時期或氣化器的停機時間期間特別有利。現在轉向附圖，圖1是產生並燃燒合成氣的IGCC系統100的一個實施例的簡圖。 如以下詳細討論的，IGCC系統100可包括燃氣渦輪發動機燃料控制器的一個實施例，其將 FNPR維持在FNI3R值的合適範圍中從而防止閃回或駐焰。IGCC系統100的其它元件可包括燃料源102，其可為固體或液體，其可用作用於IGCC系統的能量源。燃料源102可包括煤炭、石油焦、油、生物質、木基材料、農業廢棄物、柏油、焦爐煤氣和浙青，或其它含碳物品。燃料源102的燃料可傳給給料準備單元104。給料準備單元104例如可通過砍削、 碾磨、粉碎、破碎、壓塊來改變燃料源102的尺寸或形狀，或堆碼燃料源102以生成給料。此外，在給料準備單元104中可將水或其它合適的液體添加至燃料源102以生成漿狀給料。在其它實施例中，沒有向燃料源添加液體，因而產生了乾燥給料。在另外的實施例中，如果燃料源102是液體，可省略給料準備單元104。給料可從給料準備單元104傳給氣化器106。氣化器106可將給料轉換成合成氣， 例如，一氧化碳(CO)和氫氣的組合。根據採用的氣化器106的類型，此轉換可通過將給料置於處於升高的壓力(例如，從大約20bar到85bar)和溫度(例如，大約700°C到1600°C ) 下的受控量的蒸汽和氧氣中而達成。此氣化過程可包括經歷熱解過程的給料，由此加熱給料。在熱解過程期間，取決於用來產生給料的燃料源102，氣化器106內的溫度可在從大約 150°C到700°C之間變化。在熱解過程期間給料的加熱可產生固體(例如，炭)和殘餘氣(例如，CO、氫氣和氮氣)。由熱解過程從給料殘餘的炭可僅重達原始給料的重量的大約30%。熱解過程(也稱為液化作用)期間產生的易揮發物可通過將氧氣引向氣化器106 而部分地燃燒。易揮發物可與氧氣反應以在燃燒反應中形成(X)2和C0，這為後續的氣化反應提供了熱量。由燃燒反應產生的溫度可在從大約700°c到1600°C之間變化。接下來，可在氣化步驟期間將蒸汽引入氣化器106。在從大約800°C到1100°C之間變化的溫度下，炭可與(X)2以及蒸汽反應以產生CO和氫氣。本質上，氣化器利用蒸汽和氧氣來允許其中一些給料被「燃燒」並產生CO並釋放能量，其驅動將更多的給料轉換成氫氣和另外的(X)2的第二反應。以此方式，氣化器106製造合成的氣體。此合成的氣體可包括大約85%的等比例的CO和氫氣，以及CH4, HCl, HF, COS, NH3, HCN和H2S (基於給料的硫含量)。此合成的氣體可稱為未處理合成氣，因為其包括例如&S。氣化器106還可產生廢棄物，諸如熔渣108，其可為潮溼的灰燼材料。此熔渣108可從氣化器106去除，並例如作為路基或另一種建築材料而處置。為了清潔未處理合成氣，可利用氣體淨化器110。在一個實施例中，氣體淨化器 110可為水煤氣變換反應器。氣體淨化器110可清潔未處理合成氣以從該未處理合成氣去除HC1，HF, COS, HCN以及H2S,其可包括在硫處理器112中分離硫111。此外，氣體淨化器 110可從未處理合成氣通過水處理單元114分離鹽113，水分離單元114可利用水淨化技術從未處理合成氣產生可用的鹽113。隨後，來自氣體淨化器110的氣體可包括處理的合成氣 (例如，已經從合成氣去除硫111)，以及痕量的其它化學物，例如，NH3(氨)和CH4(甲烷)。
在一些實施例中，可利用氣體處理器來從處理後的合成氣去除另外的殘餘氣成分，例如氨和甲烷，以及甲醇或任何其它殘餘化學物。然而，從處理後的合成氣去除殘餘氣成分是可選的，因為處理後的合成氣即便包含殘餘氣成分時(例如尾氣)也可用作燃料。在這一點上，處理後的合成氣可包括大約3%的⑶，大約55%的H2,以及大約40%的CO2,並且可大體上去除了 &S。在一些實施例中，碳捕獲系統116可去除並處理包括在合成氣中的含碳氣體(例如，按體積算大約80-100%或90-100%純度的二氧化碳)。碳捕獲系統116還可包括壓縮機、淨化器、供應用於蟄合或增強油回收的CO2的管線、(X)2儲罐及它們的任何組合。捕獲的二氧化碳可轉移至二氧化碳膨脹器，其降低二氧化碳的溫度(例如，大約5-100°C，或大約 20-30°C)，從而使得二氧化碳能夠用作用於該系統的合適的冷卻劑。冷卻的二氧化碳(例如，大約20-40°C，或大約30°C )可循環通過該系統以滿足其製冷需求或通過用於甚至更低的溫度的後續的級而膨脹。已經去除了其含硫成分和大部分二氧化碳的處理後的合成氣然後可傳送至燃氣渦輪發動機118的燃燒器120 (例如燃燒室)作為可燃燒燃料。IGCC系統100還可包括空氣分離單元(ASU) 122。ASU 122可操作以例如通過蒸餾技術將空氣分離成成分氣體。ASU 122可從由補充空氣壓縮機123供應給其的空氣中分離出氧氣，並且ASU 122可將分離的氧氣傳輸給氣化器106。此外，ASU 122可將分離的氮氣引導至稀釋劑氮氣(DGAN)壓縮機124。DGAN壓縮機IM可將從ASU 122接收的氮氣壓縮至至少等於燃燒器120中的那些氮氣的壓力水平，以便不幹擾合成氣的適當燃燒。因此，一旦DGAN壓縮機124已經充分地將氮氣壓縮至適當的水平，DGAN壓縮機IM就可將壓縮的氮氣傳輸至燃氣渦輪發動機118 的燃燒器120。氮氣可用作稀釋劑以例如促進控制排放物。如之前所述，可將壓縮的氮氣從DGAN壓縮機IM傳送至燃氣渦輪發動機118的燃燒器120。燃氣渦輪發動機118可包括渦輪130、驅動軸131和壓縮機132，以及燃燒器120。 燃燒器120可接收諸如合成氣的燃料，其可在壓力下從燃料噴嘴噴入。此燃料可與壓縮空氣以及來自DGAN壓縮機124的壓縮氮氣混合，並在燃燒器120內燃燒。如以下詳細所述， 燃氣渦輪發動機燃料控制器可調整燃料、壓縮空氣和/或壓縮氮氣的流率，以將FNPR保持在一定的值之間，從而防止閃回或駐焰。燃料的燃燒可產生熱的增壓排放氣體。燃燒器120可將排放氣體引向渦輪130的排放出口。隨著排放氣體從燃燒器120 通過渦輪130，該排放氣體推動渦輪130中的渦輪葉片，以使驅動軸131沿著燃氣渦輪發動機118的軸線旋轉。如圖所示，驅動軸131連接到燃氣渦輪發動機118的各種部件上，包括壓縮機132。驅動軸131可將渦輪130連接到壓縮機132上以形成轉子。壓縮機132可包括聯接到驅動軸131上的葉片。因此，渦輪130中渦輪葉片的旋轉可導致將渦輪130連接到壓縮機132上的驅動軸131使壓縮機132內的葉片旋轉。壓縮機132中的葉片的此旋轉導致壓縮機132壓縮經由壓縮機132中的空氣進口接收的空氣。壓縮的空氣然後可輸送至壓縮機120並與燃料以及壓縮的氮氣混合，以允許更高效率的燃燒。驅動軸131還可連接到負載 134上，其可為靜止負載，諸如發電機，以例如在動力設備中產生電功率。實際上，負載134 可為任何合適的裝置，該裝置由燃氣渦輪發動機118的旋轉輸出提供動力。IGCC系統100還可包括蒸汽渦輪發動機136以及熱回收蒸汽發生(HRSG)系統138。蒸汽渦輪發動機136可驅動第二負載140。該第二負載140也可為用於產生電功率的發電機。然而，第一負載130和第二負載140兩者均可為能夠由燃氣渦輪發動機118以及蒸汽渦輪發動機136驅動的其它類型的負載。此外，儘管如圖示實施例中所示燃氣渦輪發動機118和蒸汽渦輪發動機136可驅動分離的負載134和140，但燃氣渦輪發動機118和蒸汽渦輪發動機136也可串聯使用來通過單個軸驅動單個負載。蒸汽渦輪發動機136以及燃氣渦輪發動機118的具體構造可以是實施方式特定的，並且可包括多個部分的任何組合。系統100還可包括HRSG 138。可將來自燃氣渦輪發動機118的加熱的排氣運送到 HRSG 138中，並用來加熱水，且產生用來驅動蒸汽渦輪發動機136的蒸汽。例如，來自蒸汽渦輪發動機136的低壓段的排氣可被引入冷凝器142。冷凝器142可利用冷卻塔1 來用加熱的水交換冷卻的水。冷卻塔1 起作用以向冷凝器142提供冷水，從而協助冷凝從蒸汽渦輪發動機136傳送到冷凝器142的蒸汽。來自冷凝器142的冷凝物又可被引入HRSG 138。再一次，來自燃氣渦輪發動機118的排氣也可被引入HRSG 138，以加熱來自冷凝器142 的水並產生蒸汽。在諸如IGCC系統100的聯合循環系統中，熱排氣可從燃氣渦輪發動機118流動並通向HRSG 138，在此處其可用來產生高壓、高溫蒸汽。由HRSG 138產生的蒸汽然後可通過蒸汽渦輪發動機136用於動力發生。此外，所產生的蒸汽還可供應給其中可使用蒸汽的任何其它過程，諸如氣化器106。燃氣渦輪發動機118產生循環常稱作「至頂循環」，而蒸汽渦輪發動機136產生循環常稱作「及底循環」。通過如圖1中所圖示的組合這兩個循環，IGCC 系統100可在兩個循環中導致更高的效率。特別是，來自至頂循環的排放熱量可被捕獲並用來產生在及底循環中使用的蒸汽。圖2是可包括示例性燃料控制系統的燃氣渦輪發動機118的方塊圖，該示例性燃料控制系統配置成通過將稀釋劑加入到燃料來維持合適的FNPR而擴展燃氣渦輪發動機 118的操作範圍，從而防止閃回和駐焰。不僅燃氣渦輪發動機118可用在以上所述的IGCC 系統100中，並且在某些實施例中，燃氣渦輪發動機118可用在飛機、船舶、機車、發電系統或它們的組合中。圖示的燃氣渦輪發動機118包括進氣段160、壓縮機132、燃燒器段166、 渦輪130以及排氣段162。渦輪130經由驅動軸131聯接到壓縮機132上。如箭頭所示，空氣可通過進氣段160進入燃氣渦輪發動機118並流入壓縮機132， 壓縮機132在空氣進入燃燒器段166(也稱為燃燒系統)前壓縮空氣。圖示的燃燒器段166 包括圍繞驅動軸131同軸或環狀地設置並位於壓縮機132和渦輪130之間的燃燒器外殼 164。來自壓縮機132的壓縮空氣進入一個或多個燃燒器120，在此處壓縮空氣可與燃料在燃燒器120內混合併燃燒，以驅動渦輪130。熱的燃燒氣體從燃燒器段166流過渦輪130， 經由驅動軸131驅動壓縮機132。例如，燃燒氣體可將原動力施加於渦輪130內的渦輪轉子葉片從而使驅動軸131旋轉。在流過渦輪130後，熱的燃燒氣體可通過排氣段162離開燃氣渦輪發動機118。燃氣渦輪發動機118可使用一種或多種燃料。例如，燃氣渦輪發動機118可配置成燃燒第一燃料168，其可包括但不限於天然氣、餾出物、液化石油氣(LPG)或它們的組合。 第一燃料控制閥170可調整第一燃料168的流率。然而，可使用其他流量調整或流量控制裝置而不是圖2中所示的控制閥。此外，燃氣渦輪發動機118可配置成燃燒第二燃料172， 其可包括但不限於合成氣。如以上所述，合成氣可由IGCC系統100的一個或多個氣化器產生。第二燃料控制閥174可調整第二燃料172的流率。最終，可將稀釋劑176注入燃氣渦輪發動機118。如以上所述，稀釋劑176的示例包括但不限於氮氣、二氧化碳、蒸汽、水蒸氣或其組合。稀釋劑控制閥178可調整稀釋劑176的流率。第一燃料168、第二燃料172以及稀釋劑176可經由注入管線180引向燃燒器120。儘管注入管線180顯示為單個管線，但對於第一燃料168、第二燃料172和/或稀釋劑176的每一個可使用單獨的管線。備選地，稀釋劑176在注入燃燒器120之前可與第一燃料168或第二燃料172的任一種混合。此外， 儘管示出為直接流向燃燒器120，但注入管線180可引向設置在燃燒器120的頭部端中的一個或多個燃料噴嘴。在圖示的實施例中，燃料控制系統182或燃料控制器示意性地示出為處於燃燒器 120和第一和第二燃料168和170以及稀釋劑176之間。燃料控制系統182可從遍及燃氣渦輪發動機118設置的多個傳感器接收一個或多個信號或反饋，以通過控制稀釋劑176來增大燃氣渦輪發動機118的操作範圍，從而防止閃回和駐焰。例如，進氣段傳感器184可向燃料控制系統182發送信號。由進氣段傳感器184測量參數的示例包括但不限於進氣溫度、 進氣壓力、進氣流率、進氣溼度或它們的組合。接下來，壓縮機傳感器186可向燃料控制系統182發送信號。由壓縮機傳感器186測量的參數的示例包括但不限於一個或多個壓縮機級處的壓縮機溫度、壓縮機壓力、入口導葉(IGV)位置或它們的組合。燃燒器傳感器188可將指示燃燒器段166中的參數的信號發送給燃料控制系統182。由燃燒器傳感器188測量的參數的示例包括但不限於FNPR、燃燒器溫度、燃燒器壓力、燃燒氣體成分、燃燒動態變化、 火焰特性或它們的組合。接下來，渦輪傳感器192可用來測量渦輪130中的參數，並向燃料控制系統182發送信號。由渦輪傳感器192測量的參數的示例包括但不限於一個或多個渦輪級處的渦輪溫度、渦輪壓力、渦輪速度、渦輪振動它們的組合。最終，排氣傳感器194可用來向燃料控制系統182發送信號。由排氣傳感器194測量的參數的示例包括但不限於排氣溫度、排氣壓力、排放氣體成分(例如排放物)、驅動軸131的速度、校正速度或它們的組合。響應於從燃氣渦輪發動機118的各種傳感器接收的信號198，燃料控制系統182可將信號196發送至第一燃料控制閥170，第二燃料控制閥174，和/或稀釋劑控制閥178，以控制FNPR(或其它參數)，從而擴展燃氣渦輪發動機118的操作範圍。例如，燃料控制系統 182可接收信號198，該信號指示需要更多的稀釋劑176以便將FNPR增加到最小FNPR之上， 和/或需要更少的稀釋劑176以便將FNPR降低到最大FNPR之下。如果FNPR較低，則燃料控制系統182可發送信號196以打開稀釋劑控制閥178和/或部分地關閉第一和第二燃料控制閥170和174。除了以上討論的參數，設置在燃氣渦輪發動機118內或設備附近的其它傳感器可指示可由燃料控制系統182使用的參數。其它參數的示例包括但不限於發熱值、 負載狀態、燃料壓力、燃料流率、稀釋劑壓力、稀釋劑流率或它們的組合。以下更詳細地描述了燃料控制系統182使用的特定控制模式的示例。圖3顯示了燃氣渦輪發動機的操作包絡線的一個實施例的曲線圖210，圖示了使用燃料控制系統182來調整稀釋劑並從而調整FNPR的操作擴展。χ軸線212指示第一燃料對第二燃料的比率，其可稱為共燃比率。在曲線圖210中，第一燃料是天然氣而第二燃料是合成氣。在χ軸線212的左端上，共燃比率代表100%的天然氣和0%的合成氣。相應地， 在χ軸線212的右端上，共燃比率代表0%的天然氣和100%的合成氣。y軸線214代表燃氣渦輪發動機的負載。具體而言，y軸線214的下端代表0%的負載而y軸線214的上端代表100%的最大負載。在曲線圖210中，天然氣控制閥最小衝程曲線216代表燃氣渦輪發動機的操作包絡線的上邊界。控制閥的衝程可指控制閥內的閥芯、閥杆、閥塞、閥球或類似裝置的位置，其能夠改變通過控制閥的流率。例如，在0%的衝程處，很少或沒有流可通過控制閥。相應地， 在100 %的衝程處，流率可達到對於控制閥的最大值。此外，控制閥可具有最小衝程，不推薦在其下控制流率，因為控制可能變得不穩定。換句話說，不在最小衝程下控制流率，而是相反，通過將衝程減小至0%來關閉閥。最小衝程可為跨越控制閥的壓降和/或通過控制閥的流率的函數。例如，在高流率下，天然氣控制閥的最小衝程可接近0%。然而，隨著流率降低，最小衝程可增大。記住前述內容並返回曲線圖210，天然氣最小衝程曲線216隨著負載降低逐漸向下並向左傾斜。例如，在大約100%的負載處，沿天然氣曲線216對應的共燃比率為大約 10%的天然氣和90%的合成氣。換言之，如果負載為大約100%，則天然氣控制閥的最小衝程足夠低以使得能夠很好地將閥向下控制至對應於大約10%的天然氣和90%的合成氣的共燃比率的流率。相比之下，在大約15%的負載處，由線2 所示，沿天然氣曲線216對應的共燃比率為大約60%的天然氣和40%的合成氣。換言之，如果負載為大約15%，則天然氣控制閥的最小衝程較大，使得僅能夠很好地將閥控制至對應於大約60%的天然氣和40% 的合成氣的共燃比率的流率。因而，在大約15%的負載處以小於大約60%的天然氣操作可能是期望的，但由於天然氣控制閥的最小衝程而不可能。更一般地，燃氣渦輪發動機在較低負載下的操作可能限於比可期望的更高百分比的天然氣和更低百分比的合成氣。在曲線圖210中，最小FNPR曲線218代表燃氣渦輪發動機的操作包絡線的較低邊界。FWR隨著燃料的發熱值降低而升高。合成氣比天然氣具有更高濃度的氫，這意味著合成氣的發熱值低於天然氣的發熱值。例如，合成氣可具有比天然氣小3倍、4倍、5倍、6倍、 7倍或8倍的發熱值。因此，隨著負載降低最小FNPR曲線218向下並向左傾斜。例如，在大約100%的負載處，沿最小FNPR曲線218對應的共燃比率為大約55%的天然氣和45%的合成氣。換言之，如果負載為大約100%，如果向燃氣渦輪發動機供給至少45%的合成氣，則可保持最小FNPR。相比之下，在大約15%的負載處，沿最小FNPR曲線218對應的共燃比率為大約25%的天然氣和75%的合成氣。換言之，如果負載為大約15%，最小FWR更大，使得供給更多的合成氣(即至少大約75%)以便將燃氣渦輪發動機的操作維持在最小FNPR 之上。因此，例如，在大約15%的負載處以少於大約75%的合成氣操作可能是期望的，但是可能由於不能維持最小FWR而不可能。更一般地，燃氣渦輪發動機在較低負載下的操作可能限於比可期望的更低百分比的天然氣和更高百分比的合成氣。此外，由線220代表的大約30%的最小負載可用作用於燃氣渦輪發動機的操作包絡線的第三邊界。儘管燃氣渦輪發動機可以在低於30%負載並在天然氣和最小FNPR曲線 216和218之間的小區域中操作，30%可選擇為常規最小值以幫助防止燃氣渦輪發動機快速越過由天然氣和最小FNPR曲線216和218確立的邊界，在邊界處它們的曲率增加。因而， 天然氣控制閥最小衝程曲線216、最小FNPR曲線218以及30%的最小負載曲線220可限定操作區域222。在圖3中靠近曲線210的左側還示出了合成氣控制閥最小衝程曲線224。和天然氣控制閥一樣，合成氣控制閥的控制在最小衝程之下可能變得不穩定。例如，在大約100%的負載附近，沿合成氣曲線2M對應的共燃比率為大約90%的天然氣和10%的合成氣。隨著負載降低，合成氣曲線224向右傾斜，使得在大約15%的負載處，沿合成氣曲線224的對應共燃比率可為大約60%的天然氣和40%的合成氣。因而，在沒有最小FNPR曲線的情況下，合成氣控制最小衝程曲線224，將代表對於燃氣渦輪發動機的操作包絡線的下邊界。相應地，在以下描述的各種實施例中，可將稀釋劑加入到達燃氣渦輪發動機的燃料流中，以避免作為用於燃氣渦輪發動機的操作包絡線的下邊界的最小FNPR曲線218。具體地，稀釋劑的發熱值可較低。因而，通過向燃料添加稀釋劑，混合物的發熱值被降低，這增加了 FNPR。在某些實施例中，通過增加FNPR，可維持高於最小FNPR的操作，而同時降低供給至燃氣渦輪發動機的合成氣的數量。因而，燃氣渦輪發動機的最小負載可從由線220代表的大約30%移動至由線2 代表的大約15%，使得燃氣渦輪發動機能夠在低負載下操作。 換句話說，通過將稀釋劑添加到燃料操作的燃氣渦輪發動機的操作包絡線可不僅包括操作區域222，還可包括操作區域228，這是由於合成氣控制閥最小衝程曲線2M代表新的下邊界而導致的。例如，燃氣渦輪發動機在大約100%負載處的共燃比的範圍可從大約45%合成氣和55%天然氣到90%合成氣和10%天然氣的範圍增長至大約10%合成氣和90%天然氣到90%合成氣和10%天然氣的新範圍。共燃比的範圍對於新的15%的最小負載和100% 的最大負載之間的所有負載增加。燃氣渦輪發動機的共燃比的增加的範圍在啟動和/或停機情形期間可以是有利的。例如，在IGCC設備100和燃氣渦輪發動機118啟動期間，因為一個或多個氣化器106可能脫機，所以合成氣可能不能立即以期望的數量提供。在不向燃料添加稀釋劑的情況下，燃氣渦輪發動機118的啟動可能被延遲，直至對於燃氣渦輪發動機118可提供足夠的合成氣以便在大約45%的合成氣和55%的天然氣的共燃比附近操作。然而，根據特定的實施例， 燃料控制器可增大稀釋劑的流量並降低合成氣的流量，以便共燃比改變成大約10%合成氣和90%天然氣。因而，當可提供的合成氣較少時，可啟動燃氣渦輪發動機118，這可使得燃氣渦輪發動機118能夠在IGCC設備100的啟動期間更快啟動。具體而言，根據一個實施例當把稀釋劑添加到燃料中時燃氣渦輪發動機118啟動可快大約1小時、2小時、3小時或5 小時。因而，可能減少啟動期間滿足排放許可極限的燃燒量(amount of flaring)。燃燒指的是來自升高的堆垛氣體的燃燒。隨著合成氣在啟動期間變得更加易於獲得，燃料控制器可控制從天然氣到合成氣的燃料過渡，以維持高於最小FNPR的操作。相應地，在燃燒系統的關機期間，隨著合成氣變得難以獲得，燃料控制器可控制從合成氣到天然氣的燃料過渡， 以維持高於最小FNPR的操作。因而，在啟動期間，低需求時期期間，或IGCC設備100的一個或多個氣化器的維護或停機期間，升高的共燃比範圍會是有利的。圖4是可用於如上所述實現增加的操作包絡線並協助防止閃回和駐焰的燃料控制系統240的一個實施例的方塊圖。與圖2中所示的那些元件共同的元件用相同的參考標號標示。在圖示的實施例中，稀釋劑176在注入燃氣渦輪發動機中之前與第二燃料172混合。具體而言，稀釋劑管線242可與第二燃料管線244連接以將稀釋劑176與第二燃料172 混合。稀釋劑176和第二燃料172的混合物被通過稀釋劑和第二燃料混合管線246引向燃氣渦輪發動機。可將LHV傳感器例如但不限於熱量計)設置在稀釋劑和第二燃料混合管線246上。第一燃料管線250將第一燃料168運送至燃氣渦輪發動機。燃料控制系統 182可調整流向燃燒器燃料噴嘴252的第一燃料168、第二燃料172和/或稀釋劑176的流率。向燃燒器燃料噴嘴252運送第一燃料168、第二燃料172和稀釋劑176的管線180可包括一條或多條管線。在圖4的塊2M中測量或計算FNPR。使用來自塊2M的FNPR和代表如由LHV傳感器248測量的LHV的信號198，在塊256中調整LHV設定點或稀釋劑流率。如以上所討論的，FNPR隨著LHV降低而增加。再一次，稀釋劑可包括蒸氣或氣體，諸如惰性氣體或非可燃氣體或蒸氣。示例包括蒸汽、氮氣、二氧化碳或它們的組合。因而，通過向燃料添加稀釋劑，LHV降低而FNPR升高。例如，如果來自塊254的FNPR降低，塊256可將信號196發送至稀釋劑控制閥178以升高稀釋劑流率。同樣地，如果由LHV傳感器248測量的LHV升高， 塊256可向稀釋劑控制閥178發送信號196以升高稀釋劑176的流率。以下更詳細地討論了燃料控制系統182的具體實施例。例如，圖5顯示了使用基於時刻表或開環控制的燃料控制系統270的一個實施例。 與圖4中所示的那些元件共同的元件用相同的參考標號標示。稀釋劑流量計272測量稀釋劑176的流率。第一燃料168、第二燃料172以及稀釋劑176的其他方面與以上所述類似。 塊274代表從遍及燃氣渦輪發動機的傳感器獲得的操作參數的值。測量參數的示例包括但不限於入口導葉(IGV)位置、校正速度、排放溫度、燃料流率、燃料LHV或它們的組合。在塊 276中，使用時刻表並基於來自塊274的測量的操作參數識別稀釋劑流率。塊276的時刻表可包括在控制軟體和/或燃料控制系統182的存儲器中。此外，建立時刻表以跨越所有預計操作條件而維持最小FNPR，從而防止閃回和駐焰。例如，可形成理論時刻表且隨後基於臨時FNPR測量值在現場進行核實和調整。塊278代表使用塊276的時刻表選擇的稀釋劑流率設定點。此外，塊280代表基於來自稀釋劑流量計272的信號198的測量稀釋劑流率。在圖5的決策塊觀2中，確定來自塊觀0的測量稀釋劑流率和來自塊278的稀釋劑流率設定點之間的差值。如果差值小於可允許的值，則在塊284中，保持對於稀釋劑控制閥178的設定點。換言之，在當前測量的稀釋劑流率附近保持稀釋劑流率。因而，可允許的值代表測量的稀釋劑流率可從稀釋劑流率設定點偏移的範圍。另一方面，如果測量稀釋劑流率和稀釋劑流率設定點之間的差值大於可允許的值，則在塊觀6中，調整對於稀釋劑控制閥178的設定點。例如，如果測量的稀釋劑流率大於稀釋劑流率設定點，則對於稀釋劑控制閥178的設定點被降低。另一方面，如果測量的稀釋劑流率小於稀釋劑流率設定點，則對於稀釋劑控制閥178的稀釋劑流率設定點被升高。通過將稀釋劑流率維持在稀釋劑流率設定點處或附近，燃料控制系統182可將FNPR維持在最小FNPR之上並如上所述增大燃氣渦輪發動機的操作性包絡線。此外，當燃氣渦輪發動機在某些限定的操作點操作時，基於時刻表的控制會是有用的。圖6顯示了使用用於閉環控制的轉換函數的燃料控制系統300的一個實施例。與圖5中所示的那些元件共同的元件用相同的參考標號標示。和圖5中所示的基於時刻表的控制一樣，塊274代表燃氣渦輪發動機的測量的操作參數。在塊302中，基於嵌入存儲在存儲器中的控制軟體中的轉換函數計算FNPR。轉換函數可為系統的輸入和輸出之間的關係的數學表達式。例如，轉換函數可使用拉普拉斯變換得出。在決策塊304中，將計算的FNPR 與低低FWR值進行比較。低低FWR值小於可能導致警報的低FWR值。在某些實施例中， 如果計算的FNPR小於低低FNPR值，則在塊306中，到燃氣渦輪發動機的燃料被從第二燃料 172轉換或過渡成第一燃料168，其可謂天然氣、餾出物、LPG或它們的組合。第一燃料168還可稱為後備燃料或啟動燃料。如以上所述，主噴嘴可用於第一燃料168而輔助噴嘴可用於第二燃料172。主噴嘴的噴嘴區域可遠小於輔助噴嘴的噴嘴區域。因而，跨越主噴嘴的壓降可遠高於跨越輔助噴嘴的壓降，這可導致FWR增加。FWR的此增加可比由過渡至第一燃料168所導致的FWR上的降低大得多，第一燃料168具有比第二燃料172更高的發熱值。 因而，通過切換至第一燃料168，計算的FNI3R可升高至高於低低FNI3R值。如果出於一些原因，計算FNPR的降到低於低低低FNPR值，則燃氣渦輪發動機被關機。低低低FNPR值小於低低FNI3R值。返回決策塊304，如果計算的FNPR大於低低FNPR水平，則在決策塊308中將計算的FNPR與低FNPR水平進行比較。如果計算的FNPR大於低FNPR水平，則在塊310中維持 LHV設定點。換言之，稀釋劑176的流率被維持在當前流率。另一方面，如果計算的FWR小於低FWR水平，則在塊312中，通過將信號196發送至稀釋劑控制閥179而降低LHV設定點。接下來，在決策塊314中，計算LHV和LHV設定點之間的差值。如果差值小於可允許的值，則在塊316中，保持對於稀釋劑控制閥178的設定點。然而，如果LHV和LHV設定點之間的差值大於可允許的值，則在塊318中，調整稀釋劑控制閥178的設定點。例如，如果基於 LHV傳感器248的測量的LHV小於LHV設定點，則增大稀釋劑176的流率。另一方面，如果 LHV大於LHV設定點，則降低稀釋劑176的流率。因而，燃料控制系統182可將FWR保持在最小FWR之上並增大燃氣渦輪發動機的操作性包絡線，且如上所述幫助防止閃回和駐焰。 此外，當若干操作參數對FNPR的影響可被識別和限定時，使用轉換函數可能是有用的。圖7顯示了使用用於閉環控制的模型的燃料控制系統330的一個實施例。與圖6 中所示的那些元件共同的元件用相同的參考標號標示。塊274代表燃氣渦輪發動機的測量的操作參數，諸如以上所述的那些。在塊332中，實時燃氣渦輪發動機模型預測FNPR。例如，一種類型的基於模型的控制是模型預測控制(MPC)，其是一種依賴於過程的動態模型的先進的過程控制的方法，最常見的是通過系統識別獲得的線性經驗模型。使用動態模型，燃料控制系統182可預測FNPR的未來值並採取適當的措施來將FNPR維持在限定範圍內。在決策塊334中，將預測的FNPR與低低FNPR值進行比較，低低FNPR值小於可導致警報的低 FNPR值。如果預測的FNPR小於低低FNI3R值，則在塊306中，燃氣渦輪發動機的操作過渡至第一燃料168。如果預測的FNPR降至小於低低FNPR值的低低低FNPR值之下，則燃氣渦輪發動機被關機。返回決策塊334，如果預測的FNPR大於低低FNPR值，則在決策塊336中將預測的 FNPR與低FNPR水平進行比較。如果預測的FNPR大於低FNPR，則在塊310中維持LHV設定點。另一方面，如果預測的FNPR小於低FNPR，則在塊312中降低LHV設定點。在決策塊314 中，計算LHV和LHV設定點之間的差值並將其與可允許的值進行比較。如果差值小於可允許的值，則在塊316中，保持對於稀釋劑控制閥178的設定點。另一方面，如果LHV和LHV設定點之間的差值大於可允許的值，則在塊318中，調整稀釋劑控制閥178的設定點。圖7中顯示的基於模型的控制的其它方面類似於圖6中所示的基於轉換函數的閉環控制的方面。 此外，以上所述過程控制的方法之外的過程控制的其它方法可用於控制稀釋劑176的流率以將FNPR維持在最小FNPR之上。可用於燃料控制系統182的其它技術的示例包括但不限於線性或非線性控制器，可編程邏輯控制器，分布式控制系統，統計過程控制器或過程控制的其它方法。
本書面說明書使用示例來公開本發明，包括最佳模式，並且還使得本領域技術人員能夠實踐本發明，包括製造和使用任何裝置或系統，並執行任何結合的方法。本發明可授予專利的範圍由權利要求書限定，並且可包括本領域技術人員想到的其它示例。如果此類其它示例具有無異於權利要求書的字面語言的結構性元件，或者如果它們包括與權利要求書的字面語言並無實質性區別的等價結構性元件，則此類其它示例意在處在權利要求書的範圍內。
權利要求
1.一種系統，包括燃料控制器(182)，其配置成控制進入燃燒系統(166)的燃料噴嘴052)的第一燃料(168)的第一流量和第二燃料(172)的第二流量之間的燃料過渡，其中所述燃料控制器 (182)配置成調整與所述第二燃料(17 的所述第二流量結合的稀釋劑(176)的第三流量， 從而將跨越所述燃料噴嘴052)的壓力比維持在預定操作壓力比之上。
2.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述燃料控制器(182)配置成經由調整所述稀釋劑(176)的所述第三流量來控制跨越所述燃料噴嘴052)的壓力比，從而防止閃回或駐焰。
3.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述燃料控制器(182)配置成增大所述稀釋劑(176)的所述第三流量並降低所述第二燃料(172)的所述第二流量，以使得所述燃燒系統(166)能夠在較低的負載下操作。
4.如權利要求3所述的系統，其特徵在於，在多個氣化器(106)的至少一個氣化器 (106)脫機時，所述燃料控制器(18 配置成增大所述稀釋劑(176)的所述第三流量並降低所述第二燃料(172)的所述第二流量。
5.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述燃料控制器(182)配置成在所述燃燒系統(166)的啟動或關機期間控制燃料過渡。
6.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述燃料控制器(182)配置成響應於指示壓力、溫度、發熱值、流率、速度、負載或它們的組合的至少其中一個的反饋(198)而控制所述燃料過渡。
7.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述稀釋劑(176)包括氮氣、蒸汽或它們的組合的至少其中一個。
8.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述第一燃料(168)包括天然氣、餾出物、液化石油氣或它們的組合的至少其中一個，且第二燃料(17 包括合成氣。
9.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述系統包括具有設置在燃氣渦輪發動機 (118)的燃燒器(120)中的所述燃料噴嘴052)的所述燃燒系統(166)。
10.一種系統，包括燃料控制器(182)，其配置成控制跨越燃燒系統(166)中的燃料噴嘴(25 的壓力比以防止閃回或駐焰，其中所述燃料控制器(18 配置成調整與燃料(17 的第二流量結合的稀釋劑(176)的第一流量，從而將壓力比維持在預定操作壓力比之上。
全文摘要
本發明涉及用於燃料和稀釋劑控制的系統，具體而言，根據不同的實施例，一種系統包括配置成控制進入燃燒系統(166)的燃料噴嘴(252)的第一燃料(168)的第一流量和第二燃料(172)的第二流量之間的燃料過渡的燃料控制器(182)。該燃料控制器(182)配置成調整與第二燃料(172)的第二流量結合的稀釋劑(176)的第三流量，從而將跨越燃料噴嘴(252)的壓力比保持在預定的操作壓力比之上。
文檔編號F02C9/28GK102330606SQ20111015206
公開日2012年1月25日 申請日期2011年5月25日 優先權日2010年5月25日
發明者B·M·湯普森 申請人:通用電氣公司