專利名稱：用于燃氣輪機干式低NO_X燃燒器校正參數(shù)控制的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總體上涉及一種燃燒器，更具體地說，本發(fā)明涉及一種燃氣輪機燃燒器。
背景技術：
當今的燃氣輪機技術致力于降低氮化物(NOx)和碳氫化合物的排放。完成這種降低排放的技術通常會導致熱力學效率的降低或者成本費用相對較大的增加。通常發(fā)現(xiàn)，在燃氣輪機燃燒器的高溫狀態(tài)下，氧化劑中的氮發(fā)生反應而產(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NO5^A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，但是這樣做的代價是降低了熱力學效率。對水的使用也需要一定的費用，包括水處理的基建投資和運行費用。蒸汽的噴射量和與此相關的費用隨著對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，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，也可以達到降低或消除碳氫化合物排放的目的。完全的燃燒需要稀的燃料-氧化劑混合物。由于燃料-氧化劑混合物變得更稀，需要達到無法再支持燃燒的程度。因此，已經(jīng)引導一些有意義的研究工作來降低最大火焰溫度，同時仍然允許燃燒器的有效運行。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。在第三階段，內(nèi)氧化劑階段(staging)結(jié)束該燃燒。燃氣輪機的干式低NOx燃燒對于降低NOx排放有一定的效果，但是干式低顯)(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)冷卻進入空氣的裝置。另外，在燃燒過程前或燃燒過程中有時會有其它的稀釋劑(例如蒸汽，氮氣或液態(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)明示例性的實施例包括一種控制發(fā)動機燃燒器的方法，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)明另一個示例性的實施例包括一種具有氧化劑流和燃料供應的燃氣輪機。該燃氣輪機包括渦輪機、壓縮機、燃燒器、氧氣傳感器、燃料系統(tǒng)和控制器。壓縮機與渦輪機機械連接。燃燒器與渦輪機和壓縮機都流體連通。燃燒器接受氧化劑流和燃料供給。氧氣傳感器適于產(chǎn)生響應于氧化劑流中的氧氣量的氧氣水平信號。燃料系統(tǒng)給燃燒器提供燃料供應?？刂破髋c氧氣傳感器、壓縮機和燃料供給系統(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)點將明顯體現(xiàn)出來，附圖中相同的附圖標記表示相同的部件。


通過參照附圖進行的以下描述，可以使本發(fā)明的這些和其它優(yōu)點變得更加明顯，附圖所示是:圖1所示是燃氣輪機的示意圖，按照本發(fā)明的示例性實施例，該燃氣輪機采用氧含量來控制燃燒器。
具體實施例方式圖1所示是燃氣輪機的示例性實施例。該燃氣輪機包括燃燒器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14。渦輪機14包括渦輪機葉片組件(未示出)。氣流12把能量傳遞給渦輪機葉片組件，使渦輪機葉片組件旋轉(zhuǎn)。渦輪機葉片組件與軸16連接。軸16隨渦輪機葉片組件的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)。軸16然后用于驅(qū)動壓縮機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。壓縮機18吸入氧化劑流20?？刂破?2對氧化劑流20的流量進行控制?？刂破?2利用氣流調(diào)整信號24來控制壓縮機18的進氣裝置(未示出)的幾何形狀。氧化劑流20在壓縮機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?shù)丨h(huán)境條件和為冷卻目的進入壓縮機進氣流的額外的水的蒸發(fā)而引起。大氣中的干空氣包含氮氣成分、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。當氧化劑流20在壓縮機18中被壓縮時，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致燃料更完全的燃燒?？刂破?2接收有關燃燒器參數(shù)的輸入，并響應于該燃燒器參數(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30、大氣壓力信號32、渦輪機進氣壓力信號34、渦輪機排氣壓力信號36、氧氣水平信號38、渦輪機進氣溫度信號42、進氣口幾何形狀信號45和燃料流信號46。進氣口幾何形狀信號45被從燃燒器10傳送給控制器22。進氣口幾何形狀信號45向控制器22提供壓縮機18的進氣裝置(未示出)的幾何形狀信息。燃料流信號46向控制器提供供給燃燒器10的燃料流26的信息。在一個示例性的實施例中，控制器22接收上述燃燒器參數(shù)中的若干個燃燒器參數(shù)來控制燃燒器10，從而提高燃料氧化劑比。干式低NOx渦輪機的一個前提是通過優(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中的任一個進行控制或者對兩者都進行控制。氧氣傳感器40對壓縮氧化劑流23中的氧氣量進行測量，并響應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38。在一個示例性的實施例中，氧氣傳感器40是GE02X1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)進入壓縮機18，氧氣水平將變化。無論是否有上述物質(zhì)進入壓縮機18，氧氣傳感器40都能產(chǎn)生氧氣水平信號38，控制器22能校正大氣條件，從而允許對燃料氧化劑比進行控制。控制器22根據(jù)當前大氣條件對氧氣水平信號38進行校正。在一個參考日根據(jù)參考參數(shù)測量得到參考氧氣水平。參考參數(shù)包括參考渦輪機進氣壓力、參考渦輪機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32、渦輪機進氣壓力信號34和渦輪機排氣壓力信號36所表示的當前條件提供所需調(diào)節(jié)來校正氧氣水平信號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)明一個示例性的實施例使用一個數(shù)字集成系統(tǒng)控制General ElectricMarkVI控制器22，用于控制進入燃燒器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)生量的同時保持最大的燃氣輪機效率。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)化是燃氣輪機功率電平和燃燒可用氧氣量的函數(shù)。換句話說，燃氣輪機的每個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30響應于燃氣輪機的功率電平。從當前大氣條件和氧氣水平信號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30，從控制器22內(nèi)的數(shù)據(jù)表中獲得與功率電平信號30相匹配的功率電平的提高的燃料氧化劑比。渦輪機進氣溫度信號42用來表示燃氣輪機在指定功率電平下的燃料氧化劑比。因此，控制器22把渦輪機進氣溫度信號42與對應于功率電平信號30的功率電平的期望渦輪機進氣溫度進行比較。將渦輪機進氣溫度信號42與對應于功率電平信號30的功率電平的期望渦輪機進氣溫度進行匹配能獲得提高的燃料氧化劑比。位于渦輪機14進氣口的溫度傳感器44產(chǎn)生渦輪機進氣溫度信號42。如上所述，將渦輪機進氣溫度信號42與對應于功率電平信號30的功率電平的期望渦輪機進氣溫度進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進氣溫度信號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48用于調(diào)整供給燃燒器10的燃料流26。氣流調(diào)整信號24用于調(diào)整壓縮機18的進氣裝置(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)接收當前條件從而計算校正的氧氣水平?？刂破?2還連續(xù)接收功率電平信號30，從而確定由期望的渦輪機進氣溫度表示的與功率電平信號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進氣溫度信號42所必需的。另外，盡管參照示例性的實施例對發(fā)明進行了描述，但是對本領域技術人員來說應當理解的是，對本發(fā)明進行各種改變以及對本發(fā)明中的部件用等同物進行替換，都沒有脫離本發(fā)明的范圍。另外，根據(jù)本發(fā)明的教導，可以進行各種改進以適應特定的情形或材料，這些也沒有脫離本發(fā)明的實質(zhì)范圍。因此，應當認為本發(fā)明并不限于所批露的作為實施本發(fā)明最佳方式的特定實施例，本發(fā)明包括落入所附權(quán)利要求書范圍內(nèi)的所有實施例。另夕卜，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16 軸17功率輸出18壓縮機20氧化劑流22控制器23壓縮氧化劑流24氣流調(diào)整信號26燃料流28燃料供給系統(tǒng)30功率電平信號32大氣壓力信號34渦輪機進氣壓力信號36潤輪機排氣壓力信號38氧氣水平信號40氧氣傳感器42渦輪機進氣溫度信號44溫度傳感器45進氣口幾何形狀信號46燃料流信號48燃料流調(diào)整信號
權(quán)利要求
1.一種具有氧化劑流和燃料供應的燃氣輪機，包括: 渦輪機； 壓縮機，所述壓縮機與所述渦輪機機械連接； 燃燒器，所述燃燒器與所述渦輪機和所述壓縮機都流體連通，所述燃燒器接受氧化劑流和燃料供應； 氧氣傳感器，所述氧氣傳感器適于產(chǎn)生響應于氧化劑流中的氧氣量的氧氣水平信號； 燃料系統(tǒng)，所述燃料系統(tǒng)給所述燃燒器提供燃料供應；以及 控制器，所述控制器與所述氧氣傳感器、所述壓縮機和所述燃料供給系統(tǒng)電氣連通。
2.如權(quán)利要求1所述的燃氣輪機，其中所述控制器被配置成控制所述燃料供應和所述氧化劑流中的至少一個。
3.如權(quán)利要求1所述的燃氣輪機，其中所述控制器響應于所述氧氣水平信號。
4.如權(quán)利要求3所述的燃氣輪機，其中所述控制器基于與參考大氣條件不同的當前大氣條件來校正所述氧氣水平信號。
5.如權(quán)利要求4所述的燃氣輪機，其中關于下列項中的至少一項來測量所述當前大氣條件和所述參考大氣條件: 渦輪機進氣壓力； 渦輪機排氣壓力；以及 大氣壓力。
6.如權(quán)利要求1所述的燃氣輪機，其中所述控制器被配置成獲得作為提高的燃料氧化劑比的燃料氧化劑比，所述燃料氧化劑比被定義為供給所述燃燒器的燃料量除以供給所述燃燒器的氧化劑流中的氧氣量得到的比值。
7.如權(quán)利要求6所述的燃氣輪機，其中基于所述燃氣輪機的功率電平來確定所述提高的燃料氧化劑比。
8.如權(quán)利要求6所述的燃氣輪機，其中通過渦輪機進氣溫度在給定的功率電平下指示所述燃料氧化劑比。
9.如權(quán)利要求6所述的燃氣輪機，其中通過給定的功率電平的期望的渦輪機排氣溫度來指示所述提高的燃料氧化劑比。
10.一種用于控制渦輪發(fā)動機的燃燒器的方法，所述燃燒器具有燃料氧化劑比，所述燃料氧化劑比被定義為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，所述方法包括: 控制渦輪發(fā)動機的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)。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述控制燃燒器的燃料氧化劑比包括:響應于測量參數(shù)，對供給燃燒器的燃料量和供給燃燒器的氧化劑流的流量中的至少一個進行控制。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述測量參數(shù)包括以下至少一個: 測量渦輪發(fā)動機的功率電平； 測量渦輪機進氣溫度；以及 測量供給燃燒器的氧化劑流中的氧氣量。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中測量氧化劑流中的氧氣量還包括: 感測氧化劑流中的氧氣水平從而產(chǎn)生感測的水平；以及如果當前大氣條件需要校正，則校正感測的水平。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述校正所述感測的水平包括:響應于與參考大氣條件不同的當前大氣條件而調(diào)整所述感測的水平。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，還包括:通過測量大氣壓力、渦輪機排氣壓力和渦輪機進氣壓力中的至少一個來確定所述當前大氣條件。
16.如權(quán)利要求11所述的方法，其中通過改變進氣裝置的幾何形狀來控制所述氧化劑流的流量。
17.如權(quán)利要求11所述的方法，還包括:對供給燃燒器的燃料量和供給燃燒器的所述氧化劑流的流量中的至少一個進行調(diào)整，從而獲得提高的燃料氧化劑比。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述提高的燃料氧化劑比取決于渦輪發(fā)動機的功率電平。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中通過對供給燃燒器的燃料量和供給燃燒器的所述氧化劑流的流量中的至少一個進行調(diào)整，直到渦輪機進氣溫度與渦輪發(fā)動機的功率電平的提高的渦輪機進氣溫度相匹配，從而獲得所述提高的燃料氧化劑比。
20.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述控制還包括降低氮化物的排放。
21.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述控制燃燒器的燃料氧化劑比包括控制供給燃燒器的燃料量和供給燃燒器的氧化劑流的流量中的至少一個，所述控制響應于: 感測氧化劑流中的氧氣水平從而產(chǎn)生感測的水平；以及 如果當前大氣條件需要校正，則校正感測的水平。
22.如權(quán)利要求10所述的方法，還包括: 壓縮氧化劑流； 其中所述控制包括控制渦輪發(fā)動機的燃燒器的燃料氧化劑比作為壓縮的氧化劑流中的氧氣量的函數(shù)。
全文摘要
一種控制發(fā)動機燃燒器(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F02C9/48GK103147860SQ20121049631
公開日2013年6月12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