防止在瞬態操作期間的燃燒不穩定性的方法和系統的製作方法

2023-09-22 07:46:50

專利名稱：防止在瞬態操作期間的燃燒不穩定性的方法和系統的製作方法
技術領域：
示例性實施涉及用於防止在燃氣渦輪機的瞬態操作期間燃燒不穩定性的方法和系統。更具體地，燃燒特性和動態被改變以消除或降低燃燒不穩定性的風險，尤其是不希望的駐焰事件或二次點燃(re-ignition)的風險，例如在燃氣渦輪機中的燃燒過程期間在乾式低NOx(DLN)燃燒器的主燃料噴嘴處的閃回/主二次點燃O3RI)。
背景技術：
取決於在燃氣渦輪機中使用的燃料混合物的類型，閃回/PRI的風險可能增加。由於使用高質量和低質量燃料的混合物是成本合算的，已經提出了監視燃氣渦輪機中的燃燒狀態且在探測到閃回/PRI後，採取動作以調整燃料混合物中燃料的相對量和/或空氣的流量，從而停止閃回/PRI。更具體地，火焰探測器被定位在燃料和空氣預混合通道的排放端的上遊，其探測在出現閃回/PRI後放出的光。在探測出現閃回/PRI後，調整燃料流控制閥以消除閃回/ PRI。因此，此方法論是反應性的，因為其僅在燃燒不穩定(即閃回/PRI)已經被探測到時被執行，此時燃氣渦輪機操作效率和/或燃氣渦輪機設備可能已經遭受損壞或因閃回/PRI 而降級。需要被預測且避免的其它燃燒不穩定性包括燃燒CO排放的不希望的幅值；在低的燃燒器操作溫度和渦輪機負載下，尤其是當燃燒低的LHV氣體燃料混合物時升高的燃燒壓力幅值和波動(冷調)。與高的NOx排放有關的另一類型的燃燒不穩定，在高的燃燒器操作溫度和渦輪機負載下，尤其當燃燒高的LHV氣體燃料混合物時升高的燃燒壓力幅值和波動(熱調)。

發明內容
為了成本合算地操作燃氣渦輪機，有必要利用具有變化的熱和化學成分的不同類型的燃料或燃料的混合物。操作效率將由擴展燃料靈活空間以包括高成本燃料和低成本燃料的混合物(例如高的LHV燃料和低的LHV燃料)而產生。高的LHV燃料，例如天然氣(NG)應用中具有高濃度的高碳氫化合物(HHC)、氫氣 (H2)的燃料混合物，可改進火焰穩定性，且在部分負載操作狀況下擴展渦輪機操作性，但增加了導致嚴重損壞的閃回/PRI、高動態(壓力波動)、燃燒器NOx排放的風險。具有增加的高LHV燃料濃度的高反應性混合物產生了與不希望的火焰波動有關的問題，尤其在瞬態 (增加的速度和功率輸出、變化的燃料成分等)操作狀況期間。閃回/PRI的結果對於現場渦輪機而言可能是危害極大的，因而在此類燃燒不穩定可能發生時需要探測，使得可採取主動措施以防止它們的出現。例如，通過控制燃燒波動 (振動幅值)的時間變化率和其絕對值，可防止諸如閃回/PRI的燃燒不穩定性的出現。更具體地，監視燃燒波動中的時間變化率可有效地預測閃回/PRI是否將發生，使得能夠採取主動措施，即調整燃燒波動中的時間變化率，從而防止或至少降低其出現的風險的措施。能夠防止出現的其它燃燒不穩定性包括熱調、高LHV燃料的NOx排放、冷調、貧吹散(LBO)和高C0，它們全部由使用低的LHV燃料引起，尤其在冷的環境溫度和部分負載操作狀況下。本文描述的新方法論的示例性實施方式包括測量絕對動態波動值；計算波動幅值時間變化率；與為這些測量和計算的參數而規定的值進行比較；以及通過提供最快響應的一種或多種方式改變這些參數。改變燃燒特性和動態以防止閃回/PRI和其它燃燒不穩定性的預防性方法包括改變或修改一個或多個燃氣渦輪機操作參數，包括燃料對空氣比 (FAR)；在燃燒器內的燃料和空氣分布(即通過修改燃料分離改變主、次級、引燃、後期的貧噴射；改變燃燒區域之間的空氣流分離)；燃料和空氣供給變化的絕對值和速率；燃料成分的比率；向燃燒器增加惰性氣體和/或水/蒸汽；流速和/或例如C0x、N0x、未燃燒的碳氫化合物等的排放氣體組成。改變燃燒動態的所有列舉的方式均由渦輪機控制器控制。燃燒控制器基於渦輪機操作狀況調整動態增長率，動態增長率與預先設定和/或與「即時計算」的波動幅值的可允許變化率相關聯。如先前指出的，波動增長的降低的比率將降低風險或防止閃回/PRI和其它燃燒不穩定性。


圖1是圖示了燃燒波動中的變化率的圖表，其指示了閃回/PRI的增加的風險；圖2以示意性形式顯示了用來防止閃回/PRI的系統控制器和傳感器的示例性實施；圖3是顯示用於防止閃回/PRI的方法的示例性實施的流程圖。零部件列表1燃燒器2空氣壓縮機3燃氣渦輪機4燃料和空氣輸送閥5燃料混合物閥6燃料流量閥7傳感器和流量計8噴射裝置9渦輪機控制器10連接線
具體實施例方式圖1顯示了在示例性測試期間燃燒波動的幅值上的變化率(S卩，壓力或噪聲上的快速幅度變化)，其中，主燃料分離是總燃料率的75至85%，引燃是總燃料率的0. 2至 1.4%，TCD (在燃燒排放處的溫度)為600至800° F，P⑶(在壓縮機排放處的壓力)為160 至200psi，且燃燒器入口空氣流量為45至80pps。波動的粗實線顯示了燃燒波動幅值上的變化率，其隨著時間過去隨著燃燒器操作溫度和H2濃度增加而增加。直的實線接近曲線的斜率，從而描繪了在燃燒波動的幅值上的變化率。其它的曲線顯示了 H2濃度和燃燒溫度。儘管示例性實施方式監視了吐濃度的時間變化率，但也可監視其它氣體的時間變化率，包括但不限於丙烷、甲烷、丁烷和乙烷。閃回/PRI被顯示成剛好在當粗燃燒波動線到達0時的圖上的點前或該點處發生。 圖表還顯示了在過渡至2100至MOO° F的更高燃燒溫度和20至90%的氫氣(H2)濃度期間引起閃回/PRI。獲得的測試數據指示了在燃燒動態幅值上增加的變化率，和/或燃料反應性變化率(由圖1中的H2濃度表示)率，或燃燒器操作溫度(圖1)、變化率或排放變化率(未顯示在圖1中)，可被用作指示器以預測PRI的可能性。這些指示器可被單獨地使用，和或一起使用，例如，動態幅值的變化率取決於當前燃燒器操作溫度或碳氫化合物濃度變化範圍，且應該基於它們進行限制。圖2顯示了用於在瞬態燃氣渦輪機操作期間防止燃燒不穩定性的燃氣渦輪機系統的示例性實施方式。該系統包括燃燒器1、空氣壓縮機2、渦輪3、燃料和空氣輸送閥4、燃料混合閥5、燃料流閥6、傳感器和/或流量計7、用於水和/或蒸汽和惰性氣體的噴射裝置 8、渦輪機控制器9和在渦輪機控制器9以及各種受控制的裝置(即閥4、5、6，傳感器和流量計7以及噴射裝置8)之間的連接線10。噴射裝置包括合適的閥(未顯示)用於噴射水和/或蒸汽進入燃燒室，再循環廢氣(EGR)，和/或噴射惰性氣體進入燃燒室以防止閃回/ PRI。通過改變被供給至燃氣渦輪機系統的燃料對空氣比以及燃燒器1內的燃料和空氣分布，提供了燃料和空氣輸送閥4以便獲得所需的燃燒參數的變化。例如，為了避免rai 和或高NOx，對於增加的反應性的燃料混合物，可將更多的燃料引向和噴射至燃燒器1的右端/出口(該方法常被稱為後期貧噴射)。通過添加各種反應性燃料，提供了燃料混合物閥 5以改變被供給至燃氣渦輪機系統的燃料成分。提供了燃料流閥6來調整總的燃料流量和燃料流時間率(fuel flow time rate)。燃料成分傳感器和/或流量計7位於燃料混合物閥5的直接下遊，用來估計燃料成分。閥4、5、6，傳感器和流量計7以及噴射裝置8可操作地連接至渦輪機控制器9，渦輪機控制器9基於用於閥和傳感器或流量計的存儲預定值的比較而產生操作指令。更具體地，當燃燒波動超過允許的值時，渦輪機控制器9選擇具有最快響應的控制方式，以降低燃燒波動的絕對幅值和時間率，從而避免閃回/PRI，例如，改變向燃料混合物添加H2(或例如那些先前指定的其它氣體)的時間率、空氣對燃料比、和/或燃燒器內的燃料分布(改變燃燒區域的負載)。具體地，為了防止或降低燃燒不穩定性的風險，由渦輪機控制器9通過產生操作指令以驅動燃燒器1和渦輪3至預先確定的穩定操作狀況，通過改變燃料成分、燃料混合物反應性、燃料對空氣比、在燃燒器內的燃料和/或空氣分布和/ 或通過添加燃料等，從而降低了燃燒波動的速率。如上所指出的，燃料反應性能夠通過添加比甲烷較少反應性的氣體(例如CO)或惰性氣體(N，CO2)而降低。儘管當速率處於正常的穩定瞬態操作狀況之外時以上所述的示例性實施方式監視了燃燒波動的時間變化率且採取了正確的動作，但也可監視或計算其它參數以觸發正確的動作。例如，通過此類值估算的燃料反應性因素，如點火延遲和或吹散時間、或燃料易燃性限制或燃料隔熱溫度，或燃料-空氣化學計算比，可被監視且與為正常穩定瞬態操作而預先存儲的值進行比較。圖3顯示了用於在燃氣渦輪機瞬態操作期間防止燃燒不穩定或閃回/PRI的一個示例性方法。在第一步驟S30中，預先判定且存儲燃氣渦輪機燃燒特性，例如絕對幅值和動態幅值上的變化率、燃燒器操作溫度、被用來預測和防止閃回/PRI的廢氣曲線圖。在步驟 S31中，渦輪機控制器8比較操作燃燒特性與那些預先儲存的特性，例如，比較動態幅值的變化率和預先確定的值。在步驟S32中，判定操作的燃燒特性是否超過在步驟S30中預先確定和存儲的值。 如果答案為否，則不要求改變且流程圖返回至步驟S31。如果答案為是，則流程圖前進至步驟S34，其中確定燃燒特性上的合適變化。步驟S34包括確定應該採取的一個或多個動作， 以最快速地調整燃燒特性，從而防止或降低包括閃回/PRI的燃燒不穩定性的風險。隨後，在步驟S35中，渦輪機控制器9取決於緊急性向燃燒修改裝置發送指令信號且快速返回至燃燒穩定要求。如先前指出的，燃燒改變裝置包括以上所述的閥4、5和6，傳感器7和噴射裝置8。在步驟S36中，燃燒改變裝置修改燃燒特性，且流程圖然後返回至步馬聚S31 ο該書面描述使用方法和系統的示例性實施來公開本發明，包括最佳模式，且還使得本領域技術人員能夠實踐本發明，包括製作且使用任何裝置或系統且執行任何結合的方法。本發明可被授予專利的範圍由權利要求書限定，且可包括由本領域技術人員想到的其它示例。如果此類其它示例具有與權利要求書的字面語言並無不同的結構元件或過程步驟，或如果它們包括與權利要求書的字面語言並無實質不同的結構元件或過程步驟，則它們意圖落在權利要求書的範圍內。
權利要求
1.一種操作燃氣渦輪機系統的方法，所述燃氣渦輪機系統具有連接至燃燒器的分散的燃料和空氣輸送系統，和用於控制所述燃氣渦輪機系統的操作以防止或降低燃燒不穩定性的風險的控制器，所述方法包括使用在所述控制器中的至少一個處理器執行以下步驟在所述控制器的存儲器中存儲燃燒特性的穩定瞬態時間變化率；在所述燃氣渦輪機系統的操作期間，測量燃燒特性的實際操作瞬態時間變化率，其對應於所述燃燒特性的存儲的穩定瞬態時間變化率；將燃燒特性的所述實際操作瞬態時間變化率與燃燒特性的所述存儲的穩定瞬態時間變化率進行比較；判定燃燒特性的所述實際操作瞬態時間變化率中的至少一個是否超過燃燒特性的所述存儲的穩定瞬態時間變化率中的對應的一個；調整至少一個燃氣渦輪機操作參數以控制被判定為超過燃燒特性的所述存儲的穩定瞬態時間變化率中的對應一個的燃燒特性的所述實際操作瞬態時間變化率中的至少一個。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述燃氣渦輪機操作參數包括燃料對空氣比(FAR)；在所述燃燒器內的燃料和空氣分布(例如通過修改燃料分離改變燃料主、次級、引燃、後期貧噴射；改變在燃燒區域之間的空氣流分離)；絕對值和燃料和空氣供給變化的速率；燃料成分的比率；向所述燃燒器添加惰性氣體和/或水/蒸汽；流速和/或包括 C0X、NOx、碳氫化合物中的一種或多種的排放氣體組成。
3.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，所述控制器降低了所述實際燃燒波動的時間變化率以防止或降低燃燒不穩定性的風險。
4.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述控制器選擇提供了最快速的方式以防止或降低燃燒不穩定性的風險的操作參數。
5.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，所述控制器控制以下中的至少一個(a) 所述燃料輸送系統的閥，用於混合被送至所述燃燒器的高LHV燃料和低LHV燃料的相對量以防止或降低燃燒不穩定性的風險；(b)蒸汽輸送系統的閥，用於向所述燃燒器引入蒸汽以防止或降低燃燒不穩定性的風險；(c)水輸送系統的閥，用於向燃燒器引入水以防止或降低燃燒不穩定性的風險；(d)燃燒器內的燃料分離以防止或降低燃燒不穩定的風險；(e) 燃燒器內的燃料與空氣比，以防止或降低燃燒不穩定性的風險；(f)所述燃燒器內燃燒區域之間的空氣流分離以防止或降低燃燒不穩定性的風險；(g)流速和/或包括C0x、N0x和未燃燒的碳氫化合物中的至少一種的排放氣體組成，以防止或降低燃燒不穩定性的風險；(h) 用於在所述燃燒器內引入惰性氣體的閥，以防止或降低燃燒不穩定性的風險；以及(i)在所述燃燒器內的燃料消耗的速率，以防止或降低燃燒不穩定性的風險。
6.一種燃氣渦輪機系統，具有連接至燃燒器的分散的燃料和空氣輸送系統，和用於控制所述系統的控制器，以防止或降低燃燒不穩定性的風險，所述系統包括與所述控制器相關的存儲器，用於存儲燃燒特性的穩定瞬態時間變化率；以及傳感器，用於在所述燃氣渦輪機系統的操作期間，測量燃燒特性的實際操作瞬態時間變化率，其對應於燃燒特性的所述存儲的穩定瞬態時間變化率；其中，所述控制器比較燃燒特性的所述實際操作瞬態時間變化率與燃燒特性的所述存儲的穩定瞬態時間變化率，且確定燃燒特性的所述實際操作瞬態時間變化率中的至少一個是否超過燃燒特性的所述存儲的穩定瞬態時間變化率中的對應一個；其中，所述控制器控制至少一個燃氣渦輪機操作參數以控制被判定為超過燃燒特性的所述存儲的穩定瞬態時間變化率中的對應一個的燃燒特性的所述實際操作瞬態時間變化率中的至少一個。
7.根據權利要求6所述的系統，其特徵在於，所述燃氣渦輪機操作參數包括燃料對空氣比(FAR)；在所述燃燒器內的燃料和空氣分布(例如通過修改燃料分離改變燃料主、次要、點燃、後期貧噴射；修改在燃燒區域之間的空氣流分離)；絕對值和燃料和空氣供給變化率；燃料成分的比率；向所述燃燒器添加惰性氣體和/或水/蒸汽；流速和/或包括C0X、 NOx、未燃燒的碳氫化合物中的一種或多種的排放氣體組成。
8.根據權利要求7所述的系統，其特徵在於，所述控制器控制以下中的至少一個(a) 所述燃料輸送系統的閥，用於混合被供至所述燃燒器的高LHV燃料和低LHV燃料的相對量， 以防止或降低燃燒不穩定性的風險；(b)蒸汽輸送系統的閥，用於向所述燃燒器引入蒸汽以防止或降低燃燒不穩定性的風險；(c)水輸送系統的閥，用於向所述燃燒器引入水以防止或降低燃燒不穩定性的風險；(d)在燃燒器內的燃料分離，以防止或降低燃燒不穩定性的風險；(e)在燃燒器內的燃料與空氣比，以防止或降低燃燒不穩定性的風險；(f)所述燃燒器內燃燒區域之間的空氣流分離，以防止或降低燃燒不穩定性的風險；(g)流速和/或包括C0X、NOx和碳氫化合物中的至少一種的排放氣體組成，以防止或降低燃燒不穩定性的風險；(h)用於在所述燃燒器內引入惰性氣體的閥，以防止或降低燃燒不穩定性的風險；以及 (i)在所述燃燒器內燃料消耗的速率，以防止或降低燃燒不穩定性的風險。
全文摘要
本發明涉及用於防止或降低在燃氣渦輪機中的燃燒不穩定性的風險的方法和系統，其包括利用渦輪機控制器計算機處理器以比較預先確定和存儲的穩定燃燒特性，包括特性的變化率，與實際的操作燃燒特性。如果實際的操作燃燒特性與穩定的燃燒特性有差異，則控制器修改最快速地穩定燃氣渦輪機的操作的一個或多個燃氣渦輪機操作參數。
文檔編號F02C9/28GK102454486SQ20111035599
公開日2012年5月16日 申請日期2011年10月27日 優先權日2010年10月27日
發明者J·基爾斯納, P·波波維克 申請人:通用電氣公司