專利名稱:用于燃?xì)廨啓C(jī)干式低no的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明總體上涉及一種燃燒器,更具體地說,本發(fā)明涉及一種燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器。
背景技術(shù):
當(dāng)今的燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)致力于降低氮化物(NOX)和碳?xì)浠衔锏呐欧?。完成這種降低排放的技術(shù)通常會(huì)導(dǎo)致熱力學(xué)效率的降低或者成本費(fèi)用相對較大的增加。
通常發(fā)現(xiàn),在燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器的高溫狀態(tài)下,氧化劑中的氮發(fā)生反應(yīng)而產(chǎn)生NOX化合物??梢酝ㄟ^降低燃燒器中的最大火焰溫度來減少NOX的形成。向燃燒器內(nèi)噴射蒸汽能降低燃燒器內(nèi)最大火焰溫度,但是這樣做的代價(jià)是降低了熱力學(xué)效率。對水的使用也需要一定的費(fèi)用,包括水處理的基建投資和運(yùn)行費(fèi)用。蒸汽的噴射量和與此相關(guān)的費(fèi)用隨著對NOX的期望減少量而增大。一些州和其它國家已經(jīng)宣布了降低NOX的目標(biāo),據(jù)此推斷,對于將來的系統(tǒng)需要來說,這種采用大量蒸汽的方案似乎并不理想。
通過確保燃燒器內(nèi)燃料的完全燃燒,也可以達(dá)到降低或消除碳?xì)浠衔锱欧诺哪康摹M耆娜紵枰〉娜剂涎趸瘎┗旌衔?。由于燃?氧化劑混合物變得更稀,需要達(dá)到無法再支持燃燒的程度。因此,已經(jīng)引導(dǎo)一些有意義的研究工作來降低最大火焰溫度,同時(shí)仍然允許燃燒器的有效運(yùn)行。
已經(jīng)開發(fā)出了干式低NOX燃燒,它能通過燃料/氧化劑的優(yōu)化來降低火焰溫度,從而限制NOX的形成。干式低NOX燃燒器對燃料和氧化劑的混合進(jìn)行控制,從而產(chǎn)生更大和更多的分支火焰,降低峰值火焰溫度,并且降低NOX的形成量。大體上,在傳統(tǒng)的干式低NOX燃燒器中有三個(gè)階段燃燒、還原、以及燃盡。在初始階段,在形成NOX的富燃料、貧氧化劑區(qū)域發(fā)生燃燒。隨后是還原氣氛,其中碳氧化物形成并且與已經(jīng)形成的NOX發(fā)生反應(yīng)。在第三階段,內(nèi)氧化劑階段(staging)結(jié)束該燃燒。
燃?xì)廨啓C(jī)的干式低NOX燃燒對于降低NOX排放有一定的效果,但是干式低NOX燃燒對燃燒器氧化劑中氧含量的變化很敏感。供給燃燒器的氧化劑通常由通過壓縮機(jī)引入的環(huán)境空氣組成,由于環(huán)境水蒸氣和可能出現(xiàn)的額外的水蒸氣的稀釋作用,所述環(huán)境空氣具有變化的氧含量,所述額外的水蒸氣來自蒸發(fā)冷卻器或其它通過水的蒸發(fā)冷卻進(jìn)入空氣的裝置。另外,在燃燒過程前或燃燒過程中有時(shí)會(huì)有其它的稀釋劑(例如蒸汽,氮?dú)饣蛞簯B(tài)水)混入氧化劑中。因此,需要確定全部氧化劑中的氧氣含量。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明示例性的實(shí)施例包括一種控制發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒器的方法,該燃燒器具有燃料氧化劑比,該燃料氧化劑比是指供給燃燒器的燃料量除以供給燃燒器的氧化劑流中的氧氣量得到的比值。該方法包括控制燃燒器的燃料氧化劑比作為氧化劑流中的氧氣量的函數(shù)。
本發(fā)明另一個(gè)示例性的實(shí)施例包括一種具有氧化劑流和燃料供應(yīng)的燃?xì)廨啓C(jī)。該燃?xì)廨啓C(jī)包括渦輪機(jī)、壓縮機(jī)、燃燒器、氧氣傳感器、燃料系統(tǒng)和控制器。壓縮機(jī)與渦輪機(jī)機(jī)械連接。燃燒器與渦輪機(jī)和壓縮機(jī)都流體連通。燃燒器接受氧化劑流和燃料供給。氧氣傳感器適于產(chǎn)生響應(yīng)于氧化劑流中的氧氣量的氧氣水平信號(hào)。燃料系統(tǒng)給燃燒器提供燃料供應(yīng)。控制器與氧氣傳感器、壓縮機(jī)和燃料供給系統(tǒng)電氣連接。
通過閱讀后面的描述并參照附圖,本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將明顯體現(xiàn)出來,附圖中相同的附圖標(biāo)記表示相同的部件。
通過參照附圖進(jìn)行的以下描述,可以使本發(fā)明的這些和其它優(yōu)點(diǎn)變得更加明顯,附圖所示是圖1所示是燃?xì)廨啓C(jī)的示意圖,按照本發(fā)明的示例性實(shí)施例,該燃?xì)廨啓C(jī)采用氧含量來控制燃燒器。
具體實(shí)施例方式
圖1所示是燃?xì)廨啓C(jī)的示例性實(shí)施例。該燃?xì)廨啓C(jī)包括燃燒器10。燃燒器10使燃料-氧化劑混合物發(fā)生燃燒從而產(chǎn)生熱的和具有能量的氣流12。然后,來自燃燒器10的氣流12流向渦輪機(jī)14。渦輪機(jī)14包括渦輪機(jī)葉片組件(未示出)。氣流12把能量傳遞給渦輪機(jī)葉片組件,使渦輪機(jī)葉片組件旋轉(zhuǎn)。渦輪機(jī)葉片組件與軸16連接。軸16隨渦輪機(jī)葉片組件的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)。軸16然后用于驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)18。軸16可以選擇性地把功率輸出17提供給不同的輸出裝置(未示出),該輸出裝置例如是發(fā)電機(jī)。壓縮機(jī)18吸入氧化劑流20。控制器22對氧化劑流20的流量進(jìn)行控制??刂破?2利用氣流調(diào)整信號(hào)24來控制壓縮機(jī)18的進(jìn)氣裝置(未示出)的幾何形狀。氧化劑流20在壓縮機(jī)18內(nèi)被壓縮。氧化劑流20被壓縮后,壓縮的氧化劑流23被送入燃燒器10。來自壓縮機(jī)18的壓縮氧化劑流23與來自燃料供給系統(tǒng)28的燃料流26混合,從而在燃燒器10內(nèi)形成燃料-氧化劑混合物。隨后,該燃料-氧化劑混合物在燃燒器10內(nèi)經(jīng)歷燃燒過程。
輸入壓縮機(jī)18的氧化劑流20包括多種成分。所述多種成分包括干空氣成分和水蒸氣成分。所述水蒸氣成分由當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件和為冷卻目的進(jìn)入壓縮機(jī)進(jìn)氣流的額外的水的蒸發(fā)而引起。大氣中的干空氣包含氮?dú)獬煞?、氧氣成分、氬氣成分、二氧化碳成分、以及濃度非常低的附加微量成分,這些微量成分可以被忽略。每種干空氣成分相對于大氣中干空氣的總量都具有特定的比例。氧化劑流20包括大氣中干空氣和水蒸氣。當(dāng)氧化劑流20在壓縮機(jī)18中被壓縮時(shí),它被作為壓縮氧化劑流23而送入燃燒器10。壓縮氧化劑流23可以包括除大氣中空氣之外的成分。因此,大氣中空氣的氧濃度與壓縮氧化劑流23的氧濃度可能不相同。由于壓縮氧化劑流23中的氧氣量直接影響燃燒器10中的燃燒過程,因此獲得壓縮氧化劑流23中的氧氣量非常重要。壓縮氧化劑流23中的氧氣與燃料流26中的燃料混合,從而在燃燒器10中發(fā)生燃燒。供給燃燒器10的燃料量除以供給燃燒器10的壓縮氧化劑流23中的氧氣量得到的比值叫做燃料氧化劑比。對燃料氧化劑比的控制結(jié)果就是對燃燒過程的控制。例如,由于有充分的氧氣,較低的燃料氧化劑比導(dǎo)致燃料更完全的燃燒。
控制器22接收有關(guān)燃燒器參數(shù)的輸入,并響應(yīng)于該燃燒器參數(shù)提供對燃燒器10的控制,從而提高燃料氧化劑比。燃燒器參數(shù)包括但不限于功率電平信號(hào)30、大氣壓力信號(hào)32、渦輪機(jī)進(jìn)氣壓力信號(hào)34、渦輪機(jī)排氣壓力信號(hào)36、氧氣水平信號(hào)38、渦輪機(jī)進(jìn)氣溫度信號(hào)42、進(jìn)氣口幾何形狀信號(hào)45和燃料流信號(hào)46。進(jìn)氣口幾何形狀信號(hào)45被從燃燒器10傳送給控制器22。進(jìn)氣口幾何形狀信號(hào)45向控制器22提供壓縮機(jī)18的進(jìn)氣裝置(未示出)的幾何形狀信息。燃料流信號(hào)46向控制器提供供給燃燒器10的燃料流26的信息。在一個(gè)示例性的實(shí)施例中,控制器22接收上述燃燒器參數(shù)中的若干個(gè)燃燒器參數(shù)來控制燃燒器10,從而提高燃料氧化劑比。
干式低NOX渦輪機(jī)的一個(gè)前提是通過優(yōu)化燃料氧化劑比來降低火焰溫度。燃料氧化劑比的優(yōu)化需要對壓縮氧化劑流23中的氧氣量和供給燃燒器10的燃料流26進(jìn)行測量,并且對壓縮氧化劑流23中的氧氣量和燃料流26中的任一個(gè)進(jìn)行控制或者對兩者都進(jìn)行控制。氧氣傳感器40對壓縮氧化劑流23中的氧氣量進(jìn)行測量,并響應(yīng)于所述壓縮氧化劑流23中的氧氣量而產(chǎn)生氧氣水平信號(hào)38。在一個(gè)示例性的實(shí)施例中,氧氣傳感器40是GE O2X1氧氣分析儀,但是,也可以使用其它的氧氣傳感器。另外,如果有除大氣空氣之外的物質(zhì)進(jìn)入壓縮機(jī)18,氧氣水平將變化。無論是否有上述物質(zhì)進(jìn)入壓縮機(jī)18,氧氣傳感器40都能產(chǎn)生氧氣水平信號(hào)38,控制器22能校正大氣條件,從而允許對燃料氧化劑比進(jìn)行控制。
控制器22根據(jù)當(dāng)前大氣條件對氧氣水平信號(hào)38進(jìn)行校正。在一個(gè)參考日根據(jù)參考參數(shù)測量得到參考氧氣水平。參考參數(shù)包括參考渦輪機(jī)進(jìn)氣壓力、參考渦輪機(jī)排氣溫度和參考大氣壓力??刂破?2通過根據(jù)由大氣壓力信號(hào)32、渦輪機(jī)進(jìn)氣壓力信號(hào)34和渦輪機(jī)排氣壓力信號(hào)36所表示的當(dāng)前條件提供所需調(diào)節(jié)來校正氧氣水平信號(hào)38。所述調(diào)節(jié)的結(jié)果是經(jīng)校正的氧氣水平。所述校正的氧氣水平表示壓縮氧化劑流23中的氧氣量。
本發(fā)明一個(gè)示例性的實(shí)施例使用一個(gè)數(shù)字集成系統(tǒng)控制General ElectricMark VI控制器22,用于控制進(jìn)入燃燒器10的燃料流26和/或壓縮氧化劑流23,從而提高燃料氧化劑比,因此能在降低NOX產(chǎn)生量的同時(shí)保持最大的燃?xì)廨啓C(jī)效率。盡管在此描述了作為集成系統(tǒng)控制General Electric Mark VI的控制器22,任何其它合適的控制器也是可以的。燃料氧化劑比的優(yōu)化是燃?xì)廨啓C(jī)功率電平和燃燒可用氧氣量的函數(shù)。換句話說,燃?xì)廨啓C(jī)的每個(gè)功率電平都具有唯一的提高的燃料氧化劑比。功率電平信號(hào)30響應(yīng)于燃?xì)廨啓C(jī)的功率電平。從當(dāng)前大氣條件和氧氣水平信號(hào)38得到校正的氧氣水平表示壓縮氧化劑流23中的氧氣量??刂破?2根據(jù)功率電平信號(hào)30,從控制器22內(nèi)的數(shù)據(jù)表中獲得與功率電平信號(hào)30相匹配的功率電平的提高的燃料氧化劑比。渦輪機(jī)進(jìn)氣溫度信號(hào)42用來表示燃?xì)廨啓C(jī)在指定功率電平下的燃料氧化劑比。因此,控制器22把渦輪機(jī)進(jìn)氣溫度信號(hào)42與對應(yīng)于功率電平信號(hào)30的功率電平的期望渦輪機(jī)進(jìn)氣溫度進(jìn)行比較。將渦輪機(jī)進(jìn)氣溫度信號(hào)42與對應(yīng)于功率電平信號(hào)30的功率電平的期望渦輪機(jī)進(jìn)氣溫度進(jìn)行匹配能獲得提高的燃料氧化劑比。位于渦輪機(jī)14進(jìn)氣口的溫度傳感器44產(chǎn)生渦輪機(jī)進(jìn)氣溫度信號(hào)42。
如上所述,將渦輪機(jī)進(jìn)氣溫度信號(hào)42與對應(yīng)于功率電平信號(hào)30的功率電平的期望渦輪機(jī)進(jìn)氣溫度進(jìn)行匹配能獲得提高的燃料氧化劑比。因此,控制器22根據(jù)校正的氧氣水平和渦輪機(jī)進(jìn)氣溫度信號(hào)42判斷是否調(diào)整燃料流26或壓縮氧化劑流23,從而獲得與功率電平信號(hào)30相匹配的功率電平的提高的燃料氧化劑比。燃料流調(diào)整信號(hào)48用于調(diào)整供給燃燒器10的燃料流26。氣流調(diào)整信號(hào)24用于調(diào)整壓縮機(jī)18的進(jìn)氣裝置(未示出)的幾何形狀,從而調(diào)整壓縮氧化劑流23。因此,控制器22保持貧的燃料-空氣混合物以減少NOX的形成,并且防止熄火現(xiàn)象的發(fā)生。
控制器22連續(xù)接收當(dāng)前條件從而計(jì)算校正的氧氣水平??刂破?2還連續(xù)接收功率電平信號(hào)30,從而確定由期望的渦輪機(jī)進(jìn)氣溫度表示的與功率電平信號(hào)30相匹配的功率電平的提高的燃料氧化劑比。通過對供給燃燒器10的燃料流26或壓縮氧化劑流23中的任一種或?qū)Χ叨歼M(jìn)行連續(xù)調(diào)整來獲得提高的燃料氧化劑比,這還是控制校正的氧氣水平和渦輪機(jī)進(jìn)氣溫度信號(hào)42所必需的。
另外,盡管參照示例性的實(shí)施例對發(fā)明進(jìn)行了描述,但是對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說應(yīng)當(dāng)理解的是,對本發(fā)明進(jìn)行各種改變以及對本發(fā)明中的部件用等同物進(jìn)行替換,都沒有脫離本發(fā)明的范圍。另外,根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo),可以進(jìn)行各種改進(jìn)以適應(yīng)特定的情形或材料,這些也沒有脫離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)范圍。因此,應(yīng)當(dāng)認(rèn)為本發(fā)明并不限于所批露的作為實(shí)施本發(fā)明最佳方式的特定實(shí)施例,本發(fā)明包括落入所附權(quán)利要求書范圍內(nèi)的所有實(shí)施例。另外,所采用的措詞第一、第二等并非表示任何順序或重要性,這些措詞第一、第二等只是用于把一個(gè)部件與其它部件區(qū)別開來。
部件列表10 燃燒器12 氣流14 渦輪機(jī)16 軸17 功率輸出
18 壓縮機(jī)20 氧化劑流22 控制器23 壓縮氧化劑流24 氣流調(diào)整信號(hào)26 燃料流28 燃料供給系統(tǒng)30 功率電平信號(hào)32 大氣壓力信號(hào)34 渦輪機(jī)進(jìn)氣壓力信號(hào)36 渦輪機(jī)排氣壓力信號(hào)38 氧氣水平信號(hào)40 氧氣傳感器42 渦輪機(jī)進(jìn)氣溫度信號(hào)44 溫度傳感器45 進(jìn)氣口幾何形狀信號(hào)46 燃料流信號(hào)48 燃料流調(diào)整信號(hào)
權(quán)利要求
1.一種控制發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒器(10)的方法,該燃燒器(10)具有燃料氧化劑比,該燃料氧化劑比是指供給燃燒器(10)的燃料量除以供給燃燒器(10)的氧化劑流(20)中的氧氣量得到的比值,該方法包括控制燃燒器(10)的燃料氧化劑比作為氧化劑流(20)中的氧氣量的函數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法,其中所述對燃燒器(10)的燃料氧化劑比進(jìn)行控制包括響應(yīng)于對參數(shù)的測量,對供給燃燒器(10)的燃料量和供給燃燒器(10)的氧化劑流(20)的流量中的至少一個(gè)進(jìn)行控制。
3.如權(quán)利要求2所述的方法,其中所述對參數(shù)進(jìn)行的測量包括以下至少一個(gè)測量發(fā)動(dòng)機(jī)的功率電平;測量渦輪機(jī)進(jìn)氣溫度;和測量供給燃燒器(10)的氧化劑流(20)中的氧氣量。
4.如權(quán)利要求3所述的方法,其中所述對氧化劑流(20)中的氧氣量進(jìn)行的測量還包括感測氧化劑流(20)中的氧氣水平從而產(chǎn)生一個(gè)感測的水平;和如果需要校正當(dāng)前大氣條件,對所述感測的水平進(jìn)行校正。
5.如權(quán)利要求4所述的方法,其中對所述感測的水平進(jìn)行的校正包括響應(yīng)于與參考大氣條件不同的當(dāng)前大氣條件而調(diào)整所述感測的水平。
6.如權(quán)利要求5所述的方法,還包括通過測量大氣壓力、渦輪機(jī)排氣壓力和渦輪機(jī)進(jìn)氣壓力中的至少一個(gè)來判斷所述當(dāng)前大氣條件。
7.如權(quán)利要求2所述的方法,其中,通過改變進(jìn)氣裝置的幾何形狀來控制所述氧化劑流(20)的流量。
8.如權(quán)利要求2所述的方法,還包括對供給燃燒器(10)的燃料量和供給燃燒器(10)的所述氧化劑流(20)的流量中的至少一個(gè)進(jìn)行調(diào)整,從而獲得提高的燃料氧化劑比。
9.如權(quán)利要求8所述的方法,其中所述提高的燃料氧化劑比取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的功率電平。
10.如權(quán)利要求9所述的方法,其中,通過對供給燃燒器(10)的燃料量和供給燃燒器(10)的所述氧化劑流(20)的流量中的至少一個(gè)進(jìn)行調(diào)整,直到渦輪機(jī)進(jìn)氣溫度與發(fā)動(dòng)機(jī)功率電平的提高的渦輪機(jī)進(jìn)氣溫度相匹配,從而獲得所述提高的燃料氧化劑比。
全文摘要
一種控制發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒器(10)的方法,該燃燒器(10)具有燃料氧化劑比,該燃料氧化劑比是指供給燃燒器(10)的燃料量除以供給燃燒器(10)的氧化劑流(20)中的氧氣量得到的比值,該方法包括控制燃燒器(10)的燃料氧化劑比作為氧化劑流(20)中的氧氣量的函數(shù)。
文檔編號(hào)F02C9/00GK1834432SQ200610071178
公開日2006年9月20日 申請日期2006年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月2日
發(fā)明者M·I·阿拉, R·R·普里斯特利 申請人:通用電氣公司