專利名稱：用于運行燃氣輪機的方法和執(zhí)行所述方法的燃氣渦輪動力裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及燃氣輪機的技術。本發(fā)明涉及一種用于運行根據(jù)權利要求I前述部分所述的燃氣輪機的方法。特別地，本發(fā)明涉及一種用于在燃料氣體成分變化情況下可靠地運行燃氣輪機的方法。本發(fā)明還涉及一種用于執(zhí)行所述方法的燃氣渦輪動力裝置。
背景技術：
燃氣輪機通常使用天然氣作為燃料。天然氣主要包括CH4 (甲烷)。此外，天然氣也含有能夠稀釋或者濃縮物質的所謂非CH4成分。稀釋物質的實例是N2 (氮氣)和CO2 (二氧化碳)。起濃縮作用的物質通常是諸如C2H6 (乙烷)、C3H8 (丙烷)、丁烷等的較高的飽和烴 (C2+)。目前習慣以通過使用兩個指標的品質(也就是，天然氣的成分)為特征。這些指標一方面是熱值，另一方面是沃布指數(shù)。而且直到現(xiàn)在已經(jīng)習慣使用品質穩(wěn)定的天然氣運行燃氣輪機。現(xiàn)在供氣公司還不能夠保證他們所供給的天然氣的品質是穩(wěn)定的。作為解放天然氣市場的部分,天然氣供給商越來越努力地優(yōu)化天然氣的需求和天然氣的價格。其結果是從不同來源處獲得的天然氣被混合并且供給客戶。反過來，就天然氣的品質和/或成分來說，這將導致天然氣高度的可變性。顯然，天然氣的這些變化的性能影響天然氣在燃氣輪機的燃燒室中的燃燒過程，并且因此顯著地影響燃氣輪機的運行。燃料氣體的變化驅動汽輪機在汽輪機最佳運行窗口的外側運行。這影響排放和波動行為并且降低運行的可靠性。因此，電廠運行人將來必須為天然氣品質的變化做好準備。在過去(例如，參見US7，216，486或者US7，516，608)已經(jīng)提出測量燃料氣體的C2+烷烴含量并且在各種燃燒室和燃燒嘴之間根據(jù)燃料氣體成分的不同變化燃料質量流量的分配。在US7，854，110中公開了基于燃料氣體能量含量的變化率調整燃氣輪機的運行參數(shù)。另一方面，已經(jīng)提出(例如，參見US7, 484，352或者US2006/0040225或者US2009/0037029)變化各種燃燒室和燃燒嘴之間的燃料質量流量的分配，但與在燃燒室里引起的波動無關。但是，仍然需要使燃氣輪機的運行更好地適應快速變化的燃料氣體成分以便改進燃氣輪機運行的穩(wěn)定性和可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是保證即使燃料氣體成分具有大范圍的快速變化，所述燃氣輪機總是在最優(yōu)化的運行窗口中運行。本發(fā)明的又一目的是提供所述燃氣輪機的最優(yōu)化的排放和波動行為、以及運行可靠性。
通過一種用于運行燃氣輪機的方法實現(xiàn)這些和其它的目的，所述燃氣輪機包括壓縮機、渦輪和燃燒室，所述燃燒室具有導向燃燒器組、富集預混合料燃燒器組和稀薄預混合料燃燒器組，在進入的燃料氣體成分變化的情況下，所述方法包括下列步驟連續(xù)地實時測量所述燃料氣體的成分；以及通過利用所述實時燃料成分的測量控制所述燃氣輪機的運行和所述燃燒器的燃
Jyti o根據(jù)本發(fā)明的方法的一個實施例，根據(jù)所述測量的實際燃料氣體成分優(yōu)化在所述·導向燃燒器組、富集燃燒器組和稀薄燃燒器組之間分配所述燃料。根據(jù)本發(fā)明的方法3的另一個實施例，所述依賴成分的燃燒控制與依賴波動的燃燒控制相結合。根據(jù)本發(fā)明的所述方法的又一個實施例，在瞬態(tài)發(fā)動機運行期間，在線更新所述燃料氣體的用于改善發(fā)動機控制穩(wěn)定性的下限熱值(LHV)和分子量(Mk)。根據(jù)本發(fā)明的方法的另一個實施例，使用快速紅外線氣體分析儀(FIRGAs)測量所述燃料氣體的成分。根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，測量具有兩個或者多個碳原子(C2+)的碳氫化合物的總濃度并且用作所述燃氣輪機控制的輸入量。根據(jù)本發(fā)明的又一個實施例，另外CH4、C2H6, C3H8和C的濃度也作為所述燃氣輪機控制的輸入量。在本發(fā)明的又一個實施例中，基于燃燒室波動測量的閉環(huán)控制與基于實際燃料氣體成分的開環(huán)控制相結合。本發(fā)明的另一個實施例的特征在于，通過在線測量CH4_、C2H6-, C3H8-和CO2-的濃度估計所述燃料氣體的下限熱值(LHV)和分子量(Mk)。本發(fā)明的又一個實施例的特征在于，燃料混合設備布置在所述燃燒室的上游。本發(fā)明的燃氣渦輪動力裝置具有燃氣輪機，所述燃氣輪機包括壓縮機、渦輪和燃燒室，所述燃燒室具有導向燃燒器組、富集預混合料燃燒器組和稀薄預混合料燃燒器組，在燃氣輪機控制系統(tǒng)的控制下，燃料氣體供給到所述燃燒器組，其特征在于，設置用于分析所述燃料氣體的成分的裝置，并且所述分析裝置的輸出端借助于分析儀輸入線連接到所述燃氣輪機控制系統(tǒng)。所述燃氣渦輪動力裝置的一個實施例的特征在于，對每個所述燃燒器組配置控制閥，并且所述控制閥借助于所述燃氣輪機控制系統(tǒng)經(jīng)由命令線控制。根據(jù)本發(fā)明的燃氣渦輪動力裝置的另一個實施例，燃燒波動監(jiān)測和過濾系統(tǒng)監(jiān)測所述燃燒室，并且借助于監(jiān)測輸入線連接到所述燃氣輪機控制系統(tǒng)。在本發(fā)明的燃氣渦輪動力裝置的另一個實施例中，燃料混合設備設置在所述燃燒室的上游。


下面將參考附圖，借助于不同的實施例更精確地說明本發(fā)明，其中圖I顯示根據(jù)本發(fā)明的實施例的燃氣渦輪動力裝置的示意圖，所述燃氣渦輪動力裝置包括快速紅外線氣體分析儀和專門的燃氣輪機控制系統(tǒng)；
圖2顯示了圖I所示的燃氣渦輪控制系統(tǒng)的細節(jié)；以及圖3示范性地顯示了根據(jù)本發(fā)明，基于快速紅外線氣體分析儀(FIRGAs)快速響應(與氣體色譜相比較)氣體成分變化的原理圖。
具體實施例方式增加對燃燒具有較高C2+ (較高次的碳氫化合物)含量并且所述C2+含量也具有更大，更快波動的天然氣的需求擺在今天全球的燃氣輪機艦隊面前。本發(fā)明提供了一種新的控制構思，用于運行尤其是將允許適應快速變化的氣體燃料品質的燃氣輪機。本發(fā)明是基于使用兩個快速紅外線氣體分析儀(FIRGAs)探測燃料中C2+和惰性氣體含量變化的控制構思的一般想法。但是傳統(tǒng)的氣體色譜(GCs)具有量級為大約5至20分鐘的響應時間(見圖3)，而 快速紅外線傳感器(FIRGAs)具有不到20秒的響應時間。本發(fā)明將利用紅外線分析儀的這種極具優(yōu)勢的特性來發(fā)展當前燃料成分的接近實時的重新最佳化。圖I顯示根據(jù)本發(fā)明實施例的燃氣渦輪動力裝置的示意圖，所述燃氣渦輪動力裝置包括快速紅外線氣體分析儀和專門的燃氣輪機的控制系統(tǒng)。燃氣渦輪動力裝置10包括燃氣輪機11，燃氣輪機11具有壓縮機12、燃燒室13和渦輪14。燃燒室13包括三個不同的燃燒器組15a至15c，也就是，導向燃燒器組15a、富集預混合料燃燒器組15b以及稀薄預混合料燃燒器組15c。各個燃燒器組供給燃料氣體16，藉此借助于聯(lián)合的閥V1、V2和V3控制燃料氣體的質量流量。設置關閉閥14以截斷總的燃料氣體供給。借助于快速紅外線氣體分析儀17實時分析進入的燃料氣體16的成分，快速紅外線氣體分析儀17用分析儀輸入線20連接到燃氣輪機控制系統(tǒng)18。此外，燃燒波動監(jiān)測和過濾系統(tǒng)19用來監(jiān)測燃燒室13并且經(jīng)由監(jiān)測輸入線22向燃氣輪機控制系統(tǒng)18提供相應數(shù)據(jù)。所述燃氣輪機控制系統(tǒng)經(jīng)由命令線21根據(jù)快速紅外線氣體分析儀17與監(jiān)測和過濾系統(tǒng)19的測量結果控制閥VI、V2和V3。此外，燃料混合設備23可以設置在燃燒室13的上游。如圖2所示，所述C2+含量直接進入所述燃氣輪機控制系統(tǒng)。根據(jù)所述燃料的成分設置用于混合操作(開環(huán)控制)的燃料分配設置點。實際的LHV值和Mk值用于改進發(fā)動機的穩(wěn)定性。根據(jù)所述燃料成分設置轉換(SWO)和轉換復位(SWB)設置點(處于開環(huán)控制)。所述高級波動控制邏輯(APCL)也取決于燃料成分(處于基于波動的閉環(huán)控制)。根據(jù)本發(fā)明的用于運行燃氣輪機的方法可以因此包括下面的基本特性 通過使用實時燃料氣體濃度測量，控制燃氣輪機的運行和燃燒器的燃燒，其中，所述燃料氣體濃度是通過快速紅外線氣體分析儀(FIRGAs) 17測量的； 根據(jù)實際的燃料成分，在線優(yōu)化在導向燃燒器組15a、富集預混合料燃燒器組15b以及稀薄預混合料燃燒器組15c之間的燃料分配； 基于(也就是，依賴于C2+)成分的燃燒控制和依賴于波動的燃燒控制的結合；以及 此外，在瞬態(tài)發(fā)動機運行時，在線更新用改善發(fā)動機控制穩(wěn)定性的下限熱值LHV以MJ/kg為單位和分子量Mk以g/mol為單位。
這個構思允許用在整個載荷范圍直到基礎載荷上變化燃料氣體來源使燃燒最優(yōu)化和改善發(fā)動機的可靠性。因此，所述燃料氣體的質量流量是各自載荷RL、燃燒波動CP以及所述燃料成分FC的函數(shù)
權利要求
1.一種用于運行燃氣輪機(11)的方法，所述燃氣輪機(11)包括壓縮機(12)、渦輪(14)和燃燒室(13)，所述燃燒室(13)具有導向燃燒器組(15a)、富集預混合料燃燒器組(15b)和稀薄預混合料燃燒器組(15c)，在進入的燃料氣體(16)的成分變化的情況下，所述方法包括以下步驟 連續(xù)地實時測量所述燃料氣體(16)的成分；以及 通過利用所述實時燃料成分的測量控制所述燃氣輪機(11)的運行和所述燃燒器(15a至15c)的燃燒。
2.根據(jù)權利要求I所述的方法，其特征在于， 根據(jù)所述測量的實際燃料氣體的成分，優(yōu)化在所述導向燃燒器組(15a)、富集預混合料燃燒器組(15b)和稀薄預混合料燃燒器組(15c)之間分配所述燃料。
3.根據(jù)權利要求I或者2所述的方法，其特征在于， 所述依賴成分的燃燒控制與依賴波動的燃燒控制相結合。
4.根據(jù)權利要求I至3中任意一項所述的方法，其特征在于， 在瞬態(tài)發(fā)動機運行期間，在線更新所述燃料氣體(16)的用于改善發(fā)動機控制穩(wěn)定性的下限熱值(LHV)和分子量(Mk)。
5.根據(jù)權利要求I至4中任意一項所述的方法，其特征在于， 通過快速紅外線氣體分析儀(FIRGAs)測量所述燃料氣體的成分。
6.根據(jù)權利要求I至5所述的方法，其特征在于， 測量具有兩個或者多個碳原子(C2+)的碳氫化合物的總濃度并且用作所述燃氣輪機控制的輸入量。
7.根據(jù)權利要求6所述的方法，其特征在于， 另外利用ch4、C2H6, C3H8和CO2的濃度作為所述燃氣輪機控制的輸入量。
8.根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在于， 基于燃燒室波動測量的閉環(huán)控制與基于所述實際燃料成分的開環(huán)控制相結合。
9.根據(jù)權利要求4所述的方法，其特征在于， 通過在線測量CH4-、C2H6-, C3H8-和CO2-的濃度估計所述氣體燃料(16)的下限熱值(LHV)和分子量(Mk)。
10.根據(jù)權利要求I至9中任意一項所述的方法，其特征在于， 燃料混合設備(23)布置在所述燃燒室(13)的上游。
11.一種用于執(zhí)行根據(jù)權利要求I至10中任意一項所述的方法的燃氣渦輪動力裝置，其中，所述燃氣輪機(11)包括壓縮機(12)、渦輪(14)和燃燒室(13)，所述燃燒室(13)具有導向燃燒器組(15a)、富集預混合料燃燒器組(15b)和稀薄預混合料燃燒器組(15c)，在燃氣輪機控制系統(tǒng)(18)的控制下，燃料氣體(16)供給到所述燃燒器組(15a至15c)，其特征在于， 設置用于分析所述燃料氣體(16)的成分的裝置(17)，并且，借助于分析儀輸入線(20),所述分析裝置(17)的輸出端連接到所述燃氣輪機控制系統(tǒng)(18)。
12.根據(jù)權利要求11所述的燃氣渦輪動力裝置，其特征在于， 對每個所述燃燒器組(15a至15c )配置控制閥(VI，V2，V3 )，并且，所述控制閥(VI，V2，V3)借助于所述燃氣輪機控制系統(tǒng)(18)經(jīng)由命令線(21)控制。
13.根據(jù)權利要求11或者12所述的燃氣渦輪動力裝置，其特征在于， 燃燒波動監(jiān)測和過濾系統(tǒng)(19)監(jiān)測所述燃燒室(13)并且借助于監(jiān)測輸入線(22)連接到所述燃氣輪機控制系統(tǒng)(18)。
14.根據(jù)權利要求11至13中任意一項所述的燃氣渦輪動力裝置，其特征在于， 燃料混合設備(23)設置在所述燃燒室(13)的上游。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于運行燃氣輪機(11)的方法，所述燃氣輪機(11)包括壓縮機(12)、渦輪(14)和燃燒室(13)，所述燃燒室(13)具有導向燃燒器組(15a)、富集預混合料燃燒器組(15b)和稀薄預混合料燃燒器組(15c)，在進入的燃料氣體(16)的成分變化的情況下，所述方法包括以下步驟連續(xù)地實時測量所述燃料氣體(16)的成分；以及通過利用所述實時燃料成分的測量控制所述燃氣輪機(11)的運行和所述燃燒器(15a至15c)的燃燒。
文檔編號F23R3/34GK102953821SQ201210279929
公開日2013年3月6日 申請日期2012年8月8日 優(yōu)先權日2011年8月9日
發(fā)明者N·W·恩貝格爾, P·巴賈杰, M·肯尼恩, F·開普勒, T·C·阿姆斯勒, M·張, Z·帕夫利克 申請人:阿爾斯通技術有限公司