專利名稱：防止在瞬態(tài)操作期間的燃燒不穩(wěn)定性的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
示例性實施涉及用于防止在燃?xì)鉁u輪機的瞬態(tài)操作期間燃燒不穩(wěn)定性的方法和系統(tǒng)。更具體地，燃燒特性和動態(tài)被改變以消除或降低燃燒不穩(wěn)定性的風(fēng)險，尤其是不希望的駐焰事件或二次點燃(re-ignition)的風(fēng)險，例如在燃?xì)鉁u輪機中的燃燒過程期間在干式低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(shù)：
取決于在燃?xì)鉁u輪機中使用的燃料混合物的類型，閃回/PRI的風(fēng)險可能增加。由于使用高質(zhì)量和低質(zhì)量燃料的混合物是成本合算的，已經(jīng)提出了監(jiān)視燃?xì)鉁u輪機中的燃燒狀態(tài)且在探測到閃回/PRI后，采取動作以調(diào)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(yù)混合通道的排放端的上游，其探測在出現(xiàn)閃回/PRI后放出的光。在探測出現(xiàn)閃回/PRI后，調(diào)整燃料流控制閥以消除閃回/ PRI。因此，此方法論是反應(yīng)性的，因為其僅在燃燒不穩(wěn)定(即閃回/PRI)已經(jīng)被探測到時被執(zhí)行，此時燃?xì)鉁u輪機操作效率和/或燃?xì)鉁u輪機設(shè)備可能已經(jīng)遭受損壞或因閃回/PRI 而降級。需要被預(yù)測且避免的其它燃燒不穩(wěn)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(fù)載下，尤其是當(dāng)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(diào))。與高的NOx排放有關(guān)的另一類型的燃燒不穩(wěn)定，在高的燃燒器操作溫度和渦輪機負(fù)載下，尤其當(dāng)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(diào))。

發(fā)明內(nèi)容
為了成本合算地操作燃?xì)鉁u輪機，有必要利用具有變化的熱和化學(xué)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(chǎn)生。高的LHV燃料，例如天然氣(NG)應(yīng)用中具有高濃度的高碳?xì)浠衔?HHC)、氫氣 (H2)的燃料混合物，可改進(jìn)火焰穩(wěn)定性，且在部分負(fù)載操作狀況下擴展渦輪機操作性，但增加了導(dǎo)致嚴(yán)重?fù)p壞的閃回/PRI、高動態(tài)(壓力波動)、燃燒器NOx排放的風(fēng)險。具有增加的高LHV燃料濃度的高反應(yīng)性混合物產(chǎn)生了與不希望的火焰波動有關(guān)的問題，尤其在瞬態(tài) (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(jié)果對于現(xiàn)場渦輪機而言可能是危害極大的，因而在此類燃燒不穩(wěn)定可能發(fā)生時需要探測，使得可采取主動措施以防止它們的出現(xiàn)。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(wěn)定性的出現(xiàn)。更具體地，監(jiān)視燃燒波動中的時間變化率可有效地預(yù)測閃回/PRI是否將發(fā)生，使得能夠采取主動措施，即調(diào)整燃燒波動中的時間變化率，從而防止或至少降低其出現(xiàn)的風(fēng)險的措施。能夠防止出現(xiàn)的其它燃燒不穩(wěn)定性包括熱調(diào)、高LHV燃料的NOx排放、冷調(diào)、貧吹散(LBO)和高C0，它們?nèi)坑墒褂玫偷腖HV燃料引起，尤其在冷的環(huán)境溫度和部分負(fù)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(tài)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(shù)而規(guī)定的值進(jìn)行比較；以及通過提供最快響應(yīng)的一種或多種方式改變這些參數(shù)。改變?nèi)紵匦院蛣討B(tài)以防止閃回/PRI和其它燃燒不穩(wěn)定性的預(yù)防性方法包括改變或修改一個或多個燃?xì)鉁u輪機操作參數(shù)，包括燃料對空氣比 (FAR)；在燃燒器內(nèi)的燃料和空氣分布(即通過修改燃料分離改變主、次級、引燃、后期的貧噴射；改變?nèi)紵齾^(qū)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?xì)浠衔锏鹊呐欧艢怏w組成。改變?nèi)紵齽討B(tài)的所有列舉的方式均由渦輪機控制器控制。燃燒控制器基于渦輪機操作狀況調(diào)整動態(tài)增長率，動態(tài)增長率與預(yù)先設(shè)定和/或與“即時計算”的波動幅值的可允許變化率相關(guān)聯(lián)。如先前指出的，波動增長的降低的比率將降低風(fēng)險或防止閃回/PRI和其它燃燒不穩(wěn)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(fēng)險；圖2以示意性形式顯示了用來防止閃回/PRI的系統(tǒng)控制器和傳感器的示例性實施；圖3是顯示用于防止閃回/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?xì)鉁u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?cè)剂下实?5至85%，引燃是總?cè)剂下实?. 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。盡管示例性實施方式監(jiān)視了吐濃度的時間變化率，但也可監(jiān)視其它氣體的時間變化率，包括但不限于丙烷、甲烷、丁烷和乙烷。閃回/PRI被顯示成剛好在當(dāng)粗燃燒波動線到達(dá)0時的圖上的點前或該點處發(fā)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(shù)據(jù)指示了在燃燒動態(tài)幅值上增加的變化率，和/或燃料反應(yīng)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(yù)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(tài)幅值的變化率取決于當(dāng)前燃燒器操作溫度或碳?xì)浠衔餄舛茸兓秶覒?yīng)該基于它們進(jìn)行限制。圖2顯示了用于在瞬態(tài)燃?xì)鉁u輪機操作期間防止燃燒不穩(wěn)定性的燃?xì)鉁u輪機系統(tǒng)的示例性實施方式。該系統(tǒng)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、用于水和/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)用于噴射水和/或蒸汽進(jìn)入燃燒室，再循環(huán)廢氣(EGR)，和/或噴射惰性氣體進(jìn)入燃燒室以防止閃回/ PRI。通過改變被供給至燃?xì)鉁u輪機系統(tǒng)的燃料對空氣比以及燃燒器1內(nèi)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(shù)的變化。例如，為了避免rai 和或高NOx，對于增加的反應(yīng)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(該方法常被稱為后期貧噴射)。通過添加各種反應(yīng)性燃料，提供了燃料混合物閥 5以改變被供給至燃?xì)鉁u輪機系統(tǒng)的燃料成分。提供了燃料流閥6來調(diào)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位于燃料混合物閥5的直接下游，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基于用于閥和傳感器或流量計的存儲預(yù)定值的比較而產(chǎn)生操作指令。更具體地，當(dāng)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(yīng)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(nèi)的燃料分布(改變?nèi)紵齾^(qū)域的負(fù)載)。具體地，為了防止或降低燃燒不穩(wěn)定性的風(fēng)險，由渦輪機控制器9通過產(chǎn)生操作指令以驅(qū)動燃燒器1和渦輪3至預(yù)先確定的穩(wěn)定操作狀況，通過改變?nèi)剂铣煞?、燃料混合物反?yīng)性、燃料對空氣比、在燃燒器內(nèi)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(yīng)性能夠通過添加比甲烷較少反應(yīng)性的氣體(例如CO)或惰性氣體(N，CO2)而降低。盡管當(dāng)速率處于正常的穩(wěn)定瞬態(tài)操作狀況之外時以上所述的示例性實施方式監(jiān)視了燃燒波動的時間變化率且采取了正確的動作，但也可監(jiān)視或計算其它參數(shù)以觸發(fā)正確的動作。例如，通過此類值估算的燃料反應(yīng)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(xué)計算比，可被監(jiān)視且與為正常穩(wěn)定瞬態(tài)操作而預(yù)先存儲的值進(jìn)行比較。圖3顯示了用于在燃?xì)鉁u輪機瞬態(tài)操作期間防止燃燒不穩(wěn)定或閃回/PRI的一個示例性方法。在第一步驟S30中，預(yù)先判定且存儲燃?xì)鉁u輪機燃燒特性，例如絕對幅值和動態(tài)幅值上的變化率、燃燒器操作溫度、被用來預(yù)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(yù)先儲存的特性，例如，比較動態(tài)幅值的變化率和預(yù)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(yù)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(jìn)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(yīng)該采取的一個或多個動作， 以最快速地調(diào)整燃燒特性，從而防止或降低包括閃回/PRI的燃燒不穩(wěn)定性的風(fēng)險。隨后，在步驟S35中，渦輪機控制器9取決于緊急性向燃燒修改裝置發(fā)送指令信號且快速返回至燃燒穩(wěn)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，且流程圖然后返回至步馬聚S31 ο該書面描述使用方法和系統(tǒng)的示例性實施來公開本發(fā)明，包括最佳模式，且還使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明，包括制作且使用任何裝置或系統(tǒng)且執(zhí)行任何結(jié)合的方法。本發(fā)明可被授予專利的范圍由權(quán)利要求書限定，且可包括由本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其它示例。如果此類其它示例具有與權(quán)利要求書的字面語言并無不同的結(jié)構(gòu)元件或過程步驟，或如果它們包括與權(quán)利要求書的字面語言并無實質(zhì)不同的結(jié)構(gòu)元件或過程步驟，則它們意圖落在權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種操作燃?xì)鉁u輪機系統(tǒng)的方法，所述燃?xì)鉁u輪機系統(tǒng)具有連接至燃燒器的分散的燃料和空氣輸送系統(tǒng)，和用于控制所述燃?xì)鉁u輪機系統(tǒng)的操作以防止或降低燃燒不穩(wěn)定性的風(fēng)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(zhí)行以下步驟在所述控制器的存儲器中存儲燃燒特性的穩(wěn)定瞬態(tài)時間變化率；在所述燃?xì)鉁u輪機系統(tǒng)的操作期間，測量燃燒特性的實際操作瞬態(tài)時間變化率，其對應(yīng)于所述燃燒特性的存儲的穩(wěn)定瞬態(tài)時間變化率；將燃燒特性的所述實際操作瞬態(tài)時間變化率與燃燒特性的所述存儲的穩(wěn)定瞬態(tài)時間變化率進(jìn)行比較；判定燃燒特性的所述實際操作瞬態(tài)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(wěn)定瞬態(tài)時間變化率中的對應(yīng)的一個；調(diào)整至少一個燃?xì)鉁u輪機操作參數(shù)以控制被判定為超過燃燒特性的所述存儲的穩(wěn)定瞬態(tài)時間變化率中的對應(yīng)一個的燃燒特性的所述實際操作瞬態(tài)時間變化率中的至少一個。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述燃?xì)鉁u輪機操作參數(shù)包括燃料對空氣比(FAR)；在所述燃燒器內(nèi)的燃料和空氣分布(例如通過修改燃料分離改變?nèi)剂现?、次級、引燃、后期貧噴射；改變在燃燒區(qū)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?xì)浠衔镏械囊环N或多種的排放氣體組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，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(wěn)定性的風(fēng)險。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，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(wěn)定性的風(fēng)險的操作參數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述控制器控制以下中的至少一個(a) 所述燃料輸送系統(tǒng)的閥，用于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(wěn)定性的風(fēng)險；(b)蒸汽輸送系統(tǒng)的閥，用于向所述燃燒器引入蒸汽以防止或降低燃燒不穩(wěn)定性的風(fēng)險；(c)水輸送系統(tǒng)的閥，用于向燃燒器引入水以防止或降低燃燒不穩(wěn)定性的風(fēng)險；(d)燃燒器內(nèi)的燃料分離以防止或降低燃燒不穩(wěn)定的風(fēng)險；(e) 燃燒器內(nèi)的燃料與空氣比，以防止或降低燃燒不穩(wěn)定性的風(fēng)險；(f)所述燃燒器內(nèi)燃燒區(qū)域之間的空氣流分離以防止或降低燃燒不穩(wěn)定性的風(fēng)險；(g)流速和/或包括C0x、N0x和未燃燒的碳?xì)浠衔镏械闹辽僖环N的排放氣體組成，以防止或降低燃燒不穩(wěn)定性的風(fēng)險；(h) 用于在所述燃燒器內(nèi)引入惰性氣體的閥，以防止或降低燃燒不穩(wěn)定性的風(fēng)險；以及(i)在所述燃燒器內(nèi)的燃料消耗的速率，以防止或降低燃燒不穩(wěn)定性的風(fēng)險。
6.一種燃?xì)鉁u輪機系統(tǒng)，具有連接至燃燒器的分散的燃料和空氣輸送系統(tǒng)，和用于控制所述系統(tǒng)的控制器，以防止或降低燃燒不穩(wěn)定性的風(fēng)險，所述系統(tǒng)包括與所述控制器相關(guān)的存儲器，用于存儲燃燒特性的穩(wěn)定瞬態(tài)時間變化率；以及傳感器，用于在所述燃?xì)鉁u輪機系統(tǒng)的操作期間，測量燃燒特性的實際操作瞬態(tài)時間變化率，其對應(yīng)于燃燒特性的所述存儲的穩(wěn)定瞬態(tài)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(tài)時間變化率與燃燒特性的所述存儲的穩(wěn)定瞬態(tài)時間變化率，且確定燃燒特性的所述實際操作瞬態(tài)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(wěn)定瞬態(tài)時間變化率中的對應(yīng)一個；其中，所述控制器控制至少一個燃?xì)鉁u輪機操作參數(shù)以控制被判定為超過燃燒特性的所述存儲的穩(wěn)定瞬態(tài)時間變化率中的對應(yīng)一個的燃燒特性的所述實際操作瞬態(tài)時間變化率中的至少一個。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述燃?xì)鉁u輪機操作參數(shù)包括燃料對空氣比(FAR)；在所述燃燒器內(nèi)的燃料和空氣分布(例如通過修改燃料分離改變?nèi)剂现?、次要、點燃、后期貧噴射；修改在燃燒區(qū)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?xì)浠衔镏械囊环N或多種的排放氣體組成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器控制以下中的至少一個(a) 所述燃料輸送系統(tǒng)的閥，用于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(wěn)定性的風(fēng)險；(b)蒸汽輸送系統(tǒng)的閥，用于向所述燃燒器引入蒸汽以防止或降低燃燒不穩(wěn)定性的風(fēng)險；(c)水輸送系統(tǒng)的閥，用于向所述燃燒器引入水以防止或降低燃燒不穩(wěn)定性的風(fēng)險；(d)在燃燒器內(nèi)的燃料分離，以防止或降低燃燒不穩(wěn)定性的風(fēng)險；(e)在燃燒器內(nèi)的燃料與空氣比，以防止或降低燃燒不穩(wěn)定性的風(fēng)險；(f)所述燃燒器內(nèi)燃燒區(qū)域之間的空氣流分離，以防止或降低燃燒不穩(wěn)定性的風(fēng)險；(g)流速和/或包括C0X、NOx和碳?xì)浠衔镏械闹辽僖环N的排放氣體組成，以防止或降低燃燒不穩(wěn)定性的風(fēng)險；(h)用于在所述燃燒器內(nèi)引入惰性氣體的閥，以防止或降低燃燒不穩(wěn)定性的風(fēng)險；以及 (i)在所述燃燒器內(nèi)燃料消耗的速率，以防止或降低燃燒不穩(wěn)定性的風(fēng)險。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于防止或降低在燃?xì)鉁u輪機中的燃燒不穩(wěn)定性的風(fēng)險的方法和系統(tǒng)，其包括利用渦輪機控制器計算機處理器以比較預(yù)先確定和存儲的穩(wěn)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(wěn)定的燃燒特性有差異，則控制器修改最快速地穩(wěn)定燃?xì)鉁u輪機的操作的一個或多個燃?xì)鉁u輪機操作參數(shù)。
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(yōu)先權(quán)日2010年10月27日
發(fā)明者J·基爾斯納, P·波波維克 申請人:通用電氣公司