用于燃氣渦輪中的燃料混合和控制的系統(tǒng)及方法
【專利說明】用于燃氣渦輪中的燃料混合和控制的系統(tǒng)及方法
[0001]發(fā)明背景
本文公開的主題涉及燃氣渦輪系統(tǒng)，并且更具體地涉及用于在燃氣渦輪系統(tǒng)中混合燃料的系統(tǒng)。
[0002]燃氣渦輪系統(tǒng)通常包括具有壓縮機、燃燒器和渦輪的至少一個燃氣渦輪發(fā)動機。燃燒器可具有一個或多個燃燒系統(tǒng)，其具有燃料噴嘴以用于接收燃料氣體。某些燃料氣體其自身可能不適于用作燃燒驅(qū)動的設(shè)備中(諸如燃氣渦輪系統(tǒng)中)的燃料源。例如，某些燃料氣體可能不易較大量地獲得，或可能使用起來較昂貴。進一步舉例來說，可發(fā)現(xiàn)某些燃料氣體很豐富，但其自身可能不具有適用于燃氣渦輪系統(tǒng)內(nèi)的有效操作的化學成分。此外，某些燃料氣體可導致非期望的廢氣排放，諸如氮氧化物(NOx)、硫氧化物(SOx)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(C02)等。排放水平可超出燃氣渦輪系統(tǒng)的閾值，諸如最低排放符合水平。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]下文概述了與原始申請保護的發(fā)明在范圍上相稱的某些實施例。這些實施例不意圖限制申請保護的發(fā)明的范圍，相反，這些實施例僅意圖提供本發(fā)明的可能形式的簡要概述。實際上，本發(fā)明可包含可類似于或不同于下文闡述的實施例的多種形式。
[0004]在第一實施例中，一種系統(tǒng)包括具有燃燒器的燃氣渦輪發(fā)動機以及燃料混合系統(tǒng)。燃料混合系統(tǒng)還包括構(gòu)造成供應第一燃料的第一燃料供給、構(gòu)造成供應第二燃料的第二燃料供給、第一燃料回路、第二燃料回路和控制器。第一燃料回路可構(gòu)造成混合第一燃料和第二燃料以形成第一燃料混合物。第二燃料回路可構(gòu)造成混合第一燃料和第二燃料以形成第二燃料混合物。控制器可構(gòu)造成基于第一燃料的測量成分調(diào)節(jié)第一燃料混合物和第二燃料混合物的混合。
[0005]在第二實施例中，一種系統(tǒng)包括具有第一燃料回路、第二燃料回路和控制器的燃料混合系統(tǒng)。第一燃料回路可構(gòu)造成將第一燃料和第二燃料的第一燃料混合物供應至渦輪燃燒器的主燃料噴嘴。第二燃料回路可構(gòu)造成將第一燃料和第二燃料的第二燃料混合物供應至渦輪燃燒器的副燃料噴嘴。控制器可構(gòu)造成基于第一燃料的測量組分成分調(diào)節(jié)第一燃料混合物的第一混合比和第二燃料混合物的第二混合比。
[0006]在第三實施例中，一種方法包括測量第一燃料的組分成分。該方法還包括基于第一燃料的組分成分將第一燃料與第二燃料混合以形成具有第一混合比的第一燃料混合物。該方法還包括基于第一燃料的組分成分將第一燃料和第二燃料混合以形成具有第二燃料比的第二燃料混合物，其中第一燃料比和第二燃料比是不同的。
【附圖說明】
[0007]在參照附圖閱讀以下詳細描述時，本發(fā)明的這些及其它特征、方面和優(yōu)點將變得更好理解，其中相似的標號表示貫穿附圖的相似部分，在附圖中:
圖1為具有壓縮機、多個燃燒器、渦輪和多個燃料噴嘴的燃氣渦輪系統(tǒng)的實施例的示意圖； 圖2為構(gòu)造成從燃料混合系統(tǒng)接收燃料氣體的圖1中所示的其中一個渦輪燃燒器的實施例的截面?zhèn)纫晥D；
圖3為圖2的燃料混合系統(tǒng)的實施例的示意圖，其中燃料混合系統(tǒng)包括混合滑橇、過程氣體供給、天然氣供給和控制器。
[0008]圖4為示出一種方法的實施例的流程圖，燃料混合系統(tǒng)可通過該方法混合第一燃料和第二燃料；以及
圖5為示出一種方法的實施例的流程圖，燃料混合系統(tǒng)可通過該方法基于燃燒器的操作參數(shù)改變?nèi)剂匣旌稀?br>【具體實施方式】
[0009]下面將描述本發(fā)明的一個或多個具體實施例。在致力于提供這些實施例的簡明描述中，可不在說明書中描述實際實現(xiàn)方式的所有特征。應當認識到，在任何這樣的實際實現(xiàn)方式的開發(fā)中，如在任何工程或設(shè)計項目中那樣，必須作出許多實現(xiàn)方式特定的決定來達到開發(fā)者的例如符合系統(tǒng)相關(guān)及商業(yè)相關(guān)的約束的具體目的，其可從一個實現(xiàn)方式變化到另一個實現(xiàn)方式。此外，應當認識到，這樣的開發(fā)努力可能是復雜和耗時的，但對那些具有本公開內(nèi)容的益處的普通技術(shù)人員來說，這種開發(fā)工作將不過是設(shè)計、生產(chǎn)和制造的例行任務。
[0010]當介紹本發(fā)明的各種實施例的元件時，詞語“一”、“一個”、“該”和“所述”意圖表示存在一個或多個元件。用語“包括”、“包含”和“具有”意圖是包括性的并且表示除了列出的元件之外可存在另外的元件。
[0011]公開的實施例針對一種燃料混合系統(tǒng)，其可接收和混合第一燃料源與第二燃料源以形成燃料混合物。燃料混合系統(tǒng)然后可將燃料混合物輸送至燃燒驅(qū)動的設(shè)備的燃料噴嘴，諸如燃氣渦輪系統(tǒng)中的燃燒器。在某些實施例中，燃料混合系統(tǒng)可接收和混合天然氣與一種或多種過程氣體(例如，高爐煤氣、焦爐煤氣、精煉廠煙道氣或由于精煉或化學過程生成的任何合成氣)來形成燃料混合物。具體而言，燃料混合系統(tǒng)可構(gòu)造成基于第一燃料源的測量成分(例如，過程氣體的測量成分)來混合天然氣和過程氣體。因此，混合可調(diào)節(jié)，以便使某些燃料源的使用優(yōu)化或盡可能多。例如，燃料混合系統(tǒng)可控制燃料混合物的混合，使得在生成或產(chǎn)生天然氣和過程氣體的燃料混合物時使過程氣體的量優(yōu)化或盡可能大。
[0012]在另一些實施例中，在將燃料混合物輸送至燃氣渦輪系統(tǒng)中的燃燒器之后，燃料混合系統(tǒng)可監(jiān)測燃燒器的燃燒動態(tài)。例如，可測量燃燒器的某些操作參數(shù)，諸如火焰強度、壓力、溫度、振動或焚燒的燃料混合物的化學成分。進一步舉例來說，監(jiān)測的操作參數(shù)可包括或識別變化，諸如壓力、溫度、火焰強度和/或化學成分中的脈動或振蕩。燃料混合系統(tǒng)可進一步構(gòu)造成基于一個或多個測量的操作參數(shù)來混合燃料混合物，且因此可更有效且高效地使用燃料源。例如，混合可調(diào)節(jié)，以便僅將一定量的額外燃料輸送至燃燒器以用于連續(xù)的燃燒器操作。另外，混合可在反饋控制環(huán)路中調(diào)整，以便將燃燒器的一個或多個操作參數(shù)保持在系統(tǒng)的燃燒邊界內(nèi)。燃料混合系統(tǒng)還可控制燃料混合物的混合，以便將一定量的特定燃料用于產(chǎn)生燃料混合物。換句話說，如上文所述，用于生成燃料混合物的特定燃料(例如，過程氣體)的量可至少部分地基于來自燃燒器的反饋(例如，測量的操作參數(shù))盡可能大或優(yōu)化。此外，燃料混合系統(tǒng)可供應特定的燃料混合物，其能夠使燃燒器實現(xiàn)期望的低排放水平，諸如NOx排放、SOx排放、CO排放和/或CO2排放。
[0013]現(xiàn)在轉(zhuǎn)到附圖，圖1示出了燃氣渦輪系統(tǒng)10的實施例的框圖。燃氣渦輪系統(tǒng)10包括壓縮機12、渦輪燃燒器14和渦輪16。渦輪燃燒器14包括燃料噴嘴18，其將液體燃料、氣體燃料(例如，天然氣)和/或混合燃料(例如，天然氣和過程氣體的混合物)傳送到渦輪燃燒器14中。例如，過程氣體可包括高爐煤氣、焦爐煤氣、精煉廠煙道氣、由于精煉或化學過程生成的合成氣，或其組合。如圖所示，各個渦輪燃燒器14均可具有多個燃料噴嘴18。更具體而言，渦輪燃燒器14可各自包括主燃料噴嘴20和副燃料噴嘴22。如下文詳細論述，主燃料噴嘴20和副燃料噴嘴22接收燃料以用于在渦輪燃燒器14內(nèi)使用。渦輪燃燒器14點燃和燃燒氧化劑一燃料混合物(例如，空氣一燃料混合物)，且然后使所得的熱的加壓燃燒氣體24 (例如，排氣)穿過渦輪16。渦輪16內(nèi)的渦輪葉片聯(lián)接到燃氣渦輪系統(tǒng)10的軸26，其還可聯(lián)接到整個渦輪10的若干其它構(gòu)件。當燃燒氣體24相對于渦輪16的渦輪葉片流動且在其間流動時，渦輪16被驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，這引起軸26旋轉(zhuǎn)。最后，燃燒氣體24經(jīng)由排氣出口 28離開渦輪系統(tǒng)10。此外，在所示的實施例中，軸26聯(lián)接到負載30，負載30經(jīng)由軸26的旋轉(zhuǎn)供給動力。負載30可為經(jīng)由渦輪系統(tǒng)10(諸如發(fā)電機、飛機的螺旋槳或其它負載)的旋轉(zhuǎn)輸出生成動力的任何適合的裝置。
[0014]燃氣渦輪系統(tǒng)10的壓縮機12包括壓縮機葉片。如上文所論述的那樣，壓縮機12內(nèi)的壓縮機葉片聯(lián)接到軸26，且將隨著軸26被渦輪16驅(qū)動旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)。當壓縮機葉片在壓縮機12內(nèi)旋轉(zhuǎn)時，壓縮機12壓縮從進氣口 32接收的空氣(或任何適合的氧化劑)以產(chǎn)生加壓空氣34。加壓空氣34然后進給到燃燒器14的燃料噴嘴18中。如上文所述，燃料噴嘴18混合加壓空氣34和燃料以產(chǎn)生用于燃燒的適合混合比，例如，引起燃料更完全焚燒的燃燒，以免浪費燃料或引起過量排放。在以下論述中，可參照燃燒器14的軸向方向或軸線42、燃燒器14的徑向方向或軸線44以及燃燒器14的周向方向或軸線46。
[0015]圖2為圖1的燃氣渦輪系統(tǒng)10的其中一個燃燒器14的實施例的截面?zhèn)纫晥D，其中燃燒器14構(gòu)造成從燃料混合系統(tǒng)50 (例如，多燃料供給系統(tǒng))接收燃料。如上文所述，燃燒器14可操作地聯(lián)接到壓縮機12和渦輪16。具體而言，燃燒器14燃燒來自壓縮機12的加壓空氣34與來自燃料混合系統(tǒng)50的燃料，且將所得的燃燒氣體24引導到渦輪16中。在所示實施例中，燃燒器14包括主燃燒區(qū)52和在主燃燒區(qū)52下游的副燃燒區(qū)54。在其它實施例中，燃燒器14可僅具有主燃燒區(qū)52或多個燃燒區(qū)(例