燃氣輪機組的工作方法
2023-04-28 02:47:36 2
專利名稱：燃氣輪機組的工作方法
技術領域：
本發明涉及權利要求1前序部分的燃氣輪機組的工作方法。它還涉及用於實施該方法的燃氣輪機組。
背景技術：
現代燃氣輪機的預混合燃燒器中燃燒的穩定性主要地取決於所使用的燃料的可燃性，但也取決於其它燃料特性，如尤其是熱值或沃伯指數(Wobbe-Index)。
這種預混合燃燒器例如已由EP321 809，EP780 629，WO93/17279或WO92/19913公開。這些燃燒器結構類型基於一個總的構思在一個渦旋的燃燒空氣流中施加燃料及產生一個儘可能均勻的、及通常低化學計量的、稀薄燃料-空氣混合物。在過渡到燃燒室中時在一個橫截面的過渡部分建立了渦旋流，由此在燃燒器口前面構成回流區域，它用於火焰的穩定。在此，不在燃燒器口太近來穩定火焰，以避免燃燒器的熱過載。但當穩定區域離燃燒器口下遊太遠時，將導致不穩定。
燃燒區域的位置也主要地與所使用燃料的可燃性相關。當可燃氣體具有高成分的高階飽和的碳氫化合物，如乙烷、丁烷、丙烷-也稱為含兩個及更多碳原子的烷烴-時，該位置將急劇地改變。因為燃料-空氣混合物被預混合地輸入，可形成火焰反衝向燃燒器的急迫危險。這可導致部件的失效。
在由EP669 500公知類型的自點火燃燒室工作時也表現出類似的問題，該燃燒室例如是在具有順序燃燒的燃氣輪機組上，如由EP620 362所公開的。這裡也可由因可燃氣體可燃性增高引起火焰反衝導致大的事故。
此外，變化的可燃氣體組分也可對排放物及對燃燒室脈動帶來影響。
除含兩個及更多碳原子的烷烴含量外，熱值或沃伯指數對燃燒特性也有影響。在不同的沃伯指數的情況下該影響在預混合燃燒器系統中首先反饋到可燃氣體與空氣的脈衝比的變化上。US6,082,092描述了對可燃氣體的可變預熱這樣地調節，以使得沃伯指數保持恆定。沃伯指數的恆定調節也可通過在閉合調節迴路中可變地混合惰性組分來實現。DE197 31 209提出在組分強烈變化的剩餘氣體燃燒時可通過天然氣及氮的受調節的混合使沃伯指數保持恆定。
但現有技術沒有給出應如何鑑於含兩個及更多碳原子的烷烴含量響應可燃燒氣體組分的變化的任何指示。在此可確定，通過火焰的反衝可能很快地出現持久性損壞。因此，一種其中響應燃氣輪機組的可燃氣體中含兩個及更多碳原子的烷烴含量變化的方法必需幾乎無延時地工作。在此，受調節的可燃氣體特性的恆定保持響應可能太慢，因此寧可使用在開路控制鏈中的控制幹預來取代工作在閉路調節迴路中的調節。
發明內容
因此本發明的任務在於，給出一種開始部分所述類型的方法，它可避免現有技術中的缺點。該方法尤其能適用於當燃氣輪機組用可燃氣體工作時響應起決定作用的燃料特性的變化。該響應必需足夠快地進行，以便例如當含兩個及更多碳原子的烷烴含量強變化時能避免火焰的反衝。
該任務將通過權利要求1的全部特徵來解決。其進一步有利及優選的實施形式可由從屬權利要求中得出。
本發明的核心在於，在向燃氣輪機組輸送可燃氣體的裝置中設置一個用於確定可燃氣體特性的、以有利的無延時方式實時工作的裝置，及將至少一個這樣測定的可燃氣體特性接入到燃氣輪機組的調節系統中。然後根據可燃氣體特性進行對燃氣輪機組參數的有目的的幹預，該幹預影響燃燒。
起決定作用的燃料特性尤其為燃料的含兩個及更多碳原子的烷烴含量，它可對火焰反衝的危險產生直接影響。此外在實施本發明的方法時也可直接使用熱值或沃伯指數作為另外的可燃氣體特性。
該方法功能的一個重要前提是，進行快速測量及儘可能實時地提供該測量值。因此在一個優選的實施形式中，採用了紅外測量技術，正如Hoppe及Wolf在「工業過程中確定氣體特性的紅外(IR)儀」，IGRC 2001，阿姆斯特丹，2001.11.6，中所提出的。其中提出，在兩個不同的頻譜範圍中確定可燃氣體的紅外線吸收。在3.5μm左右的第一頻譜範圍中確定吸收，它首要響應於乙烷、丙烷及丁烷的含量；及在7.9μm左右的第二頻譜範圍中確定吸收，這裡該吸收主要響應測量氣體中的甲烷含量。頻譜範圍之間的橫向靈敏度小，及在需要的情況下易於校正。以此方式可連續且快速地確定含兩個及更多碳原子的烷烴的含量。原則上，為了實施本發明的方法，僅在3.5μm左右的對含兩個及更多碳原子的烷烴敏感的頻譜範圍中進行測量就足夠了。這完全可滿足變化的可燃氣體組分的定性測定及相應的響應；更精確的及定量的測定則必需在兩個波長範圍中進行測量。在該方法的一個有利的進一步構型中，附加地在4.3μm左右的一個波長範圍中確定紅外線吸收，該吸收主要響應於二氧化碳(CO2)的含量。擴展到其它的、對特定氣體成分敏感響應的頻譜範圍也同樣是可能的。在另一優選的進一步構型中，將熱導率作為氮(N2)的含量的度量來測量。當需要時在使用橫向靈敏度校正算法的情況下，可燃氣體成分可以此方式極其精確、連續且實時地確定。這也允許用來測定熱值或沃伯指數。
根據本發明的方法可有利用於具有順序燃燒的燃氣輪機組，如由EP620 362所公開的，及當設置的第二個燃燒室是由EP620 403或EP669 500所公開類型的自點火的燃燒室時，則具有很大的優點。自點火燃燒室由於混合溫度高在很大程度上被火焰反衝所危及。在該類型的燃氣輪機組上，根據燃料特性可改變第一與第二燃燒室之間的燃料分配，例如為，當含兩個及更多碳原子的烷烴含量增加時，減小輸入到第二燃燒室的燃料量及相應地增加輸入到第一燃燒室的燃料量。
由EP1 199 516公開了在預混合燃燒器中可改變地構成一個中心軸向空氣流。結合根據本發明的方法有利的是，根據這樣確定的燃料特性幹預該軸向空氣流。因此當可燃氣體的含兩個及更多碳原子的烷烴含量增加時可增強該軸向空氣流，以避免在燃燒器內部火焰反衝的危險。
目前所使用類型的預混合燃燒器通常具有多個可彼此無關地加載燃料的燃料輸入部分，例如用於獨立地加載先導燃料，它以擴散燃燒方式燃燒，及加載預混合燃料。這種燃燒器例如由WO01/96785，EP193 838，EP108 361，WO00/12936，EP945 677或EP321 809給出。根據所測量的燃料特性可改變燃料的分配，以便一方面保證足夠的火焰穩定性及同時避免火焰反衝或部件過熱並保持排放值大致恆定。
在本發明的一個實施形式中，在專業人員所熟悉的多燃燒器系統內部，將根據測定的燃料特性來改變各個燃燒器和/或燃燒器組之間的燃料分配。
同樣可根據燃料特性將惰性介質加入到可燃氣體中，其中該加入最好儘可能靠近燃氣輪機組進行，這可保證小的響應時間。此外可根據測定的燃料特性將惰性介質、尤其是蒸汽或水加入到燃燒區域中。後一措施尤其適用於其中總是要用水和/或蒸汽噴射進行排放控制的燃氣輪機組中，因為它也表明可很好地適合火焰位置的控制及燃燒的穩定性。基本上，氮或二氧化碳也適合作為惰性介質，但通常水及蒸汽更易於提供。
另一幹預的可能性在於，燃氣輪機組在壓縮機前面或壓縮機中或壓縮機級之間具有用於冷卻工作介質的裝置。通過增強的冷卻可降低燃燒空氣的溫度，及由此減小可燃性。此外公知了在壓縮機前面或壓縮機中通過加入液體、如水來實現冷卻，其中使水滴進入壓縮機及在壓縮期間被蒸發。這在不久的過去以「溼壓縮(WetCompression)」「高霧化(High Fogging)」或「過霧化(Overfogging)」的名稱被普及，及例如被描述在US2,786,626中，而FR1.563.749給出了對燃氣輪機組的功率數據的正面影響。由此引起的燃燒空氣的變溼使可燃性進一步減小。
在本發明的另一實施形式中，根據測定的燃料特性來直接幹預燃氣輪機組的保護系統，其方式是當超過一定的含兩個及更多碳原子的烷烴濃度時減小燃氣輪機組的燃料輸入或功率給定值。此外，當超過另一極限值時這樣進行保護幹預，即直接進行燃氣輪機組的關機。
當然，可在考慮專門設備的實際情況下直接地組合對燃氣輪機組的不同類型的幹預。在本發明的範圍中，在實施對燃氣輪機組工作的幹預時，尤其可以使測量的可燃氣體特性與其它的燃氣輪機組測量值、如脈動和/或排放測量值、測量的火焰位置、材料溫度等相組合。
以下將藉助實施例並結合附圖來詳細描述本發明。附圖為圖1表示根據本發明方法工作的具有順序燃燒的燃氣輪機組；圖2表示第一燃燒器結構類型及它根據本發明方法的工作；圖3表示第二燃燒器結構類型及它根據本發明方法的工作；圖4表示第三燃燒器結構類型及它根據本發明方法的工作；圖5表示一個多燃燒器系統及它根據本發明方法的工作；及圖6表示根據本發明工作的燃氣輪機組的其它例子。
這些實施例及附圖應被理解為僅是啟發性的，而決不是用於對在權利要求書中標明特徵的發明的限制。
具體實施例方式
圖1中表示出用於實施本發明方法的第一實施例。一個壓縮機1，第一渦輪機6及第二渦輪機10被設置在一個共同的軸12上。此外一個發電機13被耦合在同一軸線上。壓縮機1抽吸周圍的空氣2。該空氣被壓縮及作為壓縮的燃燒空氣3輸入第一燃燒室4。典型地-但決不是限制，在這裡它可涉及一種裝有前面引證類型的預混合燃燒器的燃燒室。在該燃燒室4中對燃燒空氣3配給一定的燃料量 並燃燒。在此，形成的高溫的及帶有壓力的煙氣5流入第一渦輪機6及在那裡輸出一定軸功率的情況下被部分地減壓，典型地以壓力比2減壓。部分減壓的煙氣7帶著仍然高的溫度由渦輪機6輸出及流入第二燃燒室8。這裡它例如可涉及由EP669 500公開類型的燃燒室。對具有氧含量約15％至17％的煙氣7配給另一燃料量 及在燃燒室8中燃燒。被再加熱的煙氣9流入第二渦輪機10，及在流過第二渦輪機10時再次在輸出一定軸功率的情況下減壓，這次約被減壓到環境壓力上。這基本上涉及由EP620 362所公知的結構類型的燃氣輪機組，在這方面該文獻將被視為本說明書的一個整體的組成部分。廢氣11總還具有幾個100℃的溫度，及其餘熱潛能可用已公知的、這裡不再描述的方式繼續被利用。渦輪機6及10的軸功率輸出用於驅動壓縮機1及發電機13。在此發電機13發出有效電功率PACT。有效功率信號將在第一調節器14中與一個給定功率PSET相比較。由調節偏差PSET-PACT構成一個燃料量調節參數YFUEL，它作用到一個燃料量調節機構15上，及以此方式控制對燃氣輪機組的燃燒室4，8的整個的燃料供給。兩個調節機構16及17用於實現整個燃料量在兩個燃燒室4及8上的分配。
通常進行燃料量分配所遵循的判據被詳細地描述在另處。根據本發明，在氣體輸入導管中設有一個傳感器S，用於測定可燃氣體特性XG。在一個功能框19中由該燃料特性XG構成調節量YEV，YSEV及YST。調節量YEV作用在調節機構16上，及由此控制第一燃燒室4的燃料量 調節量YSEV作用在調節機構17上及由此控制第二燃燒室8的燃料量 調節量YST作用在調節機構18上，後者用於對第一燃燒室4配給惰性介質、例如蒸汽的一定質量流量 在燃燒室中這種蒸汽的噴射作為專業人員所熟知的現有技術例如用於排放控制。根據本發明將進行以下的調節過程在第一工作狀態中，燃氣輪機組被調節到其給定功率上。總燃料量通過調節機構15調節。藉助調節機構16及17並根據被詳細描述在另處的工作方案在兩個燃燒室4及8上進行燃料分配。測量裝置S連續地或近似連續地並幾乎無延時地測量燃料特性XG，尤其是具有2個或多個碳原子的高階飽和碳氫化合物、即所謂含兩個及更多碳原子的烷烴或飽和的NMCH的含量。當燃料中的含兩個及更多碳原子的烷烴的含量上升時，燃料的可燃性上升及火焰反衝的危險上升，-尤其在自點火類型的燃燒室中。因此在可燃氣體中測量到含兩個及更多碳原子的烷烴濃度的升高時，將通過調節量YEV及YSEV這樣來幹預兩個燃燒室4及8上的燃料分配，以使得第二燃燒室的燃料質量流量 被減小及第一燃燒室4的燃料質量流量 以相同的量增大。在第二燃燒室8中的火焰反衝的危險將被消除。但是視工作狀態而定，現在增大了第一燃燒室4中火焰反衝的危險。因此通過調節量YST使調節機構18打開，及使一定蒸汽量 施加到第一燃燒室4中，由此這裡可考慮可燃氣體有更高的可燃性。當可燃氣體的含兩個及更多碳原子的烷烴含量超過一個極限值時，將以有利的、未示出的但專業人員熟知的方式進一步動用燃氣輪機組的保護系統，其方式例如為自動地減小功率給定值PSET。此外可在超過另一極限值時執行燃氣輪機組的快速關機。
圖2表示用於由WO01/96785公知的結構類型的燃氣輪機組的第一燃燒器與根據本發明的工作方法的一個結合。燃燒器20包括一個圓柱形的渦旋發生器21及一個錐形的內體22。該燃燒器還具有兩組不同的可彼此無關地加載燃料的可燃氣體孔口23及25，它們通過分開的可燃氣體接口24及26被供給燃料。對可燃氣體孔口23及25的燃料配給是通過兩個調節機構27及28來實現的。它們的輸入導管由一個共同的可燃氣體輸入導管分支出來，在該共同的可燃氣體輸入導管中設有用於確定可燃氣體特性XG的測量裝置S。在一個功能框29中將基於燃料特性XG構成調節量Y1及Y2，它們作用到調節機構27及28上。當一個燃氣輪機組的燃燒室中的所示燃燒器工作時，調節機構27及28將根據專門的判據來控制，以便達到燃料量在可燃氣體孔口組23及25上的合適分配。傳感器S連續地確定可燃氣體特性XG及當其相應改變時對調節機構27及28進行幹預，以便用適當方式改變燃燒器內的燃料分配。
圖3表示由WO01/96185公知的另一燃燒器的結構類型。該燃燒器20具有一個錐形的渦旋發生器21，如由EP321 809所公開的。該燃燒器具有兩組可燃氣體孔口23及25。通過設有調節機構27及28的輸入導管24及26這些可燃氣體孔口組可彼此無關地被加載可燃氣體。在調節機構27及28的上遊由一個共同的供氣導管分支出各接口。所示的燃燒器還具有一個可變的中心軸向空氣輸入部，如由EP1 199516所公開的。在供氣導管中設有一個測量裝置S，它測量可燃氣體特性及將其輸送到單元29。在工作中在一個燃氣輪機組的燃燒室內部將以合適的方式預選擇可燃氣體孔口組23及25上的燃料量分配以及軸向空氣流。在可燃氣體特性改變的情況下，將根據測量的可燃氣體特性XG通過調節量Y1及Y2來影響燃料的分配及通過調節量YL來影響軸向空氣流。尤其是當含兩個及更多碳原子的烷烴含量上升時通過調節量YL來增強中心軸向空氣流。因此在燃燒器口的很下遊實現火焰穩定及避免了火焰反衝的危險。
圖4表示由WO00/12936公開的一個燃燒器。該燃燒器具有兩組可燃氣體孔口35及38，它們可通過環形通道36及37、輸入導管39及41以及調節機構40及42彼此無關地加載燃料。與上面的例子類似地進行可燃氣體特性XG的測定，及與上述方案類似地根據它來影響可燃氣體孔口組35及38上的燃料分配。
圖5中表示出一個燃氣輪機組的燃燒室的多燃燒器系統的一部分。燃燒器51連接在一個環形導管52上。通過該環形導管對用於燃燒器預混合工作的可燃氣體孔口供給燃料。燃燒器61，62，63，64，65被連接在燃料導管66及67上。通過環形導管66使燃燒器61，62，63，64，65的第一組可燃氣體孔口被供給可燃氣體，該組可燃氣體孔口例如被構造成用來噴入用於預混合燃燒的氣體。通過環形導管67使燃燒器61，62，63，64，65的另外的可燃氣體孔口被供給可燃氣體，該組可燃氣體孔口例如被構造成用來施加以擴散燃燒方式燃燒的可燃氣體。這些環形導管本身被連接到一個共同的氣體供給源上。通過調節機構可以彼此無關地調節輸入各個環形導管及配置給它們的燃燒器或燃燒器組或可燃氣體孔口的可燃氣體質量流量。這種工作方案例如由本申請人的氣輪機GT13E2公開，其中，可燃氣體質量流量在環形導管上的分配基本上與功率相關地進行。根據本發明，在共同的可燃氣體導管中設置用於確定可燃氣體特性XG的傳感器S。由該可燃氣體特性XG構成調節量Y1，Y2及Y3，它們作用在環形導管的燃料量調節機構上。以此方式，當可燃氣體特性改變時可幹預燃燒器系統內的燃料分配。
最後圖6表示一個燃氣輪機組，它的功能根據上述的實施例無需再描述。一個燃料量調節器14通過燃料量調節參數YFUEL及燃料量調節機構15這樣地調節流向燃燒室4的燃料質量流量，以使得功率的調節偏差PSET-PACT正好被調節掉及由此消失。在可燃氣體導管中設有一個用於確定可燃氣體特性XG的測量裝置S。根據所測定的值構成一個調節量YST，它作用於調節機構18。該調節機構18再確定一個惰性介質質量流量 該惰性介質質量流在向燃燒室4入流的上遊與可燃氣體相混合。當現在例如可燃氣體中的NMCH含量和/或它的熱值上升，將在該位置上混合蒸汽或另一惰性介質，以便使氣體的可燃性或熱值再減小。要強調的是，惰性介質的加入是受控制地進行的及不會反作用到測量點S上。這可基本上將根據本發明的方法例如與閉合調節迴路中一個氣體混合站的調節相區別。後者相對緩慢地工作，而根據本發明的方案幾乎無延時地響應，因為測量位置設置在介質混合部分的上遊。因此可燃氣體特性的改變在其在燃燒室中起作用前已被注意到一個時期。但因為惰性介質混合部分的位置大大靠近燃燒室地設置，因此到該幹預起作用的時間很小。因此根據本發明的方法可大大改善地適合於導入防止由於可燃氣體組分改變引起的威脅機器損壞的預防措施。
當然所列舉的實施例僅可覆蓋權利要求書中標明特徵的本發明的一小部分。尤其是所示的方法方案能以多種有意義的組合應用。也可以用測量的燃料特性與脈動和/或排放測量值、測量的火焰位置、材料溫度等相組合來構成所述的調節量。藉助上述的實施例為本領域技術人員提出了無需創造性的勞動即可得到的多種可能的並各可根據特定機器選擇的方法方案。
權利要求
1.燃氣輪機組的工作方法，對該燃氣輪機組輸入可燃氣體，其中在至少一個可燃氣體輸入部分中設有一個用於確定可燃氣體特性的裝置(S)，其特徵在於對燃氣輪機組的調節系統輸入至少一個藉助該裝置確定的起決定作用的可燃氣體特性(XG)；及根據該可燃氣體特性進行對燃氣輪機組工作的幹預，其中尤其是幹預對燃氣輪機組的燃燒器的可燃氣體供給和/或可燃氣體分配和/或燃燒空氣的輸入和/或水的噴入和/或蒸汽的噴入。
2.根據權利要求1的方法，其特徵在於使用含兩個及更多碳原子的烷烴含量作為起決定作用的可燃氣體特性。
3.根據權利要求2的方法，其特徵在於使用熱值或沃伯指數作為另一可燃氣體特性。
4.根據以上權利要求中一項的方法，其特徵在於為了確定可燃氣體特性檢測至少兩個頻譜範圍中的紅外線吸收，其中這樣地選擇頻譜範圍，即在第一頻譜範圍中的吸收是由含兩個及更多碳原子的烷烴引起的，及在第二頻譜範圍中的吸收是由甲烷引起的。
5.根據權利要求4的方法，其特徵在於檢測在至少一個第三頻譜範圍中的紅外線吸收，其中這樣地選擇所述第三頻譜範圍，即該吸收是由二氧化碳引起的。
6.根據權利要求4或5的方法，其特徵在於確定可燃氣體的熱導率。
7.根據以上權利要求中一項的方法，其特徵在於根據測定的可燃氣體特性改變具有順序燃燒的燃氣輪機組的第一燃燒室(4)與第二燃燒室(8)之間的燃料分配，及尤其是隨著含兩個及更多碳原子的烷烴含量的增加，減小輸入到第二燃燒室的燃料質量流量 及相應地增加輸入到第一燃燒室的燃料質量流量
8.根據以上權利要求中一項的方法，其特徵在於根據測定的燃料特性來改變一個預混合燃燒器的中心軸向空氣流。
9.根據以上權利要求中一項的方法，其特徵在於根據測定的可燃氣體特性來改變具有多個燃料輸入部分(23，25，35，38)的一個燃燒器內部的燃料分配。
10.根據以上權利要求中一項的方法，其特徵在於根據測定的燃料特性來改變一個多燃燒器系統(51；61，62，63，64，65)內部的燃料分配。
11.根據以上權利要求中一項的方法，其特徵在於根據測定的燃料特性來幹預向可燃氣體中的惰性介質 尤其是蒸汽的混入。
12.根據以上權利要求中一項的方法，其特徵在於根據測定的燃料特性來幹預惰性介質 尤其是蒸汽或水對燃燒空氣的混合或向燃燒區域中的混合。
13.根據以上權利要求中一項的方法，其特徵在於根據測定的燃料特性在壓縮前和/或壓縮期間對燃燒空氣的冷卻施加影響。
14.根據以上權利要求中一項的方法，其特徵在於當超過確定的測量極限值、尤其是含兩個及更多碳原子的烷烴的濃度時，減小燃氣輪機組的功率。
15.根據以上權利要求中一項的方法，其特徵在於當超過確定的測量極限值、尤其是含兩個及更多碳原子的烷烴的濃度時，執行燃氣輪機組的關機。
16.用於實施根據以上權利要求中一項的方法的燃氣輪機組，其特徵在於在燃氣輪機組的至少一個燃料輸入導管中設有一個用於確定可燃氣體特性(XG)的測量裝置(S)，為了傳送可燃氣體特性該測量裝置與燃氣輪機組的控制及調節裝置的至少一個功能單元(19)相連接，該功能單元由作為輸入量的可燃氣體特性構成至少一個輸出量(Y)，該輸出量與至少一個調節機構(16，17，18，27，28，40，42)形成信號連接。
全文摘要
根據本發明在燃氣輪機組工作期間持續地測量起決定作用的可燃氣體特性(X
文檔編號F23R3/28GK1623031SQ03802776
公開日2005年6月1日 申請日期2003年1月22日 優先權日2002年1月25日
發明者克勞斯·德貝爾林, 肯-伊夫·哈夫納, 羅爾夫·呂特斯奇, 漢斯彼得·津恩 申請人:阿爾斯通技術有限公司