本發(fā)明涉及燃燒渦輪或燃?xì)鉁u輪，且尤其涉及在液體燃料的燃燒期間由燃?xì)鉁u輪排放的固體微粒的濃度的控制。

背景技術(shù)：

寬范圍的液體燃料可用于供給燃燒渦輪。這主要包括重燃油、原油、重或輕蒸餾油、汽油、煤油、石腦油、生物柴油、生物乙醇等。

重油型燃料包含釩和其他類型的雜質(zhì)，包括硫，且因此，其燃燒生成類似于固體微粒的固體灰。

基于燃燒渦輪的構(gòu)造中的燃燒系統(tǒng)的性能，液體或氣體燃料可生成粉塵或灰的排放物以及通常固體微粒，其通過煙囪釋放到大氣。

在固體微粒之中，煙灰很大程度上對應(yīng)于粉塵的有機(jī)部分，且包括碳、氫以及可能地氧和氮。

固體微粒還可包含礦物部分，其大體由堿金屬或重金屬構(gòu)成。

世界各地全球性或地區(qū)性實(shí)行的關(guān)于燃燒渦輪的規(guī)定對于排放到大氣中的固體微粒設(shè)置了最大限制。

例如，當(dāng)使用液體燃料的燃燒渦輪以其額定速度工作時(shí)，從固定燃燒渦輪到大氣的粉塵排放的最大值應(yīng)當(dāng)為50mg/Nm³。

為了限制所排放的固體微粒的量，通常使用燃燒催化劑。

存在不同類型的燃燒催化劑，其能夠減少設(shè)施中的煙灰排放。燃燒催化劑的選擇取決于燃料的類型、所使用的設(shè)施類型和規(guī)定所實(shí)行的固體微粒的最大濃度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于上文，本發(fā)明具有控制由燃燒渦輪排放的固體微粒的量的目的，而不管燃燒渦輪的操作狀況如何。

因此，本發(fā)明具有提供在液體燃料的燃燒期間通過噴射適合于減少在燃燒期間生成的固體微粒的量的燃燒催化劑來控制由燃燒渦輪排放的固體微粒的量的方法的主要目的。

該方法包括如下步驟：

測量在燃燒期間排放的微粒的量；

在所測量的微粒的量高于最大閾值時(shí)，噴射燃燒催化劑到燃燒渦輪中；

在所測量的微粒的量低于最小閾值時(shí)，停止催化劑的噴射。

這些過程步驟允許執(zhí)行循環(huán)階段，始終關(guān)注催化劑的噴射的遲滯，因此允許對排放的微粒的量的更精確的控制，和/或優(yōu)化燃燒催化劑的消耗。

有利地，燃燒渦輪的火焰溫度大于或等于1363K(1090℃)。

例如，催化劑在燃燒渦輪的燃燒系統(tǒng)的上游噴射到液體燃料系統(tǒng)供給管線中。

備選地，催化劑可直接噴射到燃燒渦輪單元中。

有利地，微粒的濃度的最大閾值在45mg/Nm³和55mg/Nm³之間。該濃度范圍涉及由世界范圍內(nèi)的管理機(jī)構(gòu)實(shí)行的到大氣的微粒排放物的最大限制。

關(guān)于最小目標(biāo)值，該微粒濃度在20 mg/Nm³和30 mg/Nm³之間。

優(yōu)選地，燃燒催化劑至少包括從氧化鐵(三價(jià))、氧化鈰(三價(jià))、氧化鈰(四價(jià))及其混合物選擇的成分。

優(yōu)選地，所排放的微粒的量連續(xù)地測量。

本發(fā)明還具有在使用液體燃料時(shí)控制由燃燒渦輪排放的固體微粒的量的目的，包括噴射適合于減少由設(shè)施生成的微粒的量的燃燒催化劑的裝置。

該系統(tǒng)還包括測量所排放的微粒的量的裝置和適合于控制噴射裝置的中央控制單元，以便在所測量的微粒的量高于最大閾值時(shí)將燃燒催化劑噴射到燃燒渦輪中，以及在所測量的微粒的量達(dá)到最小目標(biāo)值時(shí)停止催化劑的噴射。

本發(fā)明還涉及燃?xì)鉁u輪設(shè)施，其包括如上文限定的控制系統(tǒng)。

附圖說明

本發(fā)明的其他目的、特性和優(yōu)點(diǎn)在僅借助于非限制示例給定且參考附圖的以下描述中提供，在附圖中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明包括控制系統(tǒng)的燃?xì)鉁u輪的設(shè)施的構(gòu)造的概要圖；以及

圖2示出曲線，其示出燃料噴射的連續(xù)階段和噴射的停止。

具體實(shí)施方式

首先，請參考圖1，其示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的燃燒渦輪系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

如圖可見，由大體參考標(biāo)號1標(biāo)記的燃燒渦輪依次包括：壓縮機(jī)2，其確保在燃燒渦輪的入口處進(jìn)入的環(huán)境空氣的壓縮；一個(gè)或多個(gè)燃燒室3，在其中來自壓縮機(jī)的壓縮空氣與燃料混合且點(diǎn)燃；以及渦輪膨脹器4，點(diǎn)燃的氣體在其中膨脹，以產(chǎn)生用于驅(qū)動壓縮機(jī)的機(jī)械能和提供實(shí)施燃燒渦輪的應(yīng)用所需的機(jī)械能。

在出口處，氣體通過連接到能量回收鍋爐6的排氣系統(tǒng)5回收，用于通過煙囪7抽到外部。

燃燒室3利用燃料供給，在該情形中通過連接到燃料源9且配備有流調(diào)整器10的入口管線8的液體燃料。

如較早指出的那樣，燃燒室3中的燃燒產(chǎn)生固體微粒，諸如煙灰。這些微粒穿過渦輪膨脹器4、排氣系統(tǒng)5、鍋爐6，且通過煙囪7排放到外部。

燃燒渦輪系統(tǒng)1包括噴射裝置10以將燃燒催化劑噴射到燃?xì)鉁u輪中，以便減少固體微粒的量，以及更具體地在燃燒期間生成的固體的濃度。

噴射裝置10可直接連接到燃燒室3，以便將燃燒催化劑噴射到燃燒室中。

如所示出的那樣，其還可連接到液體燃料供給管線8，以便將燃燒催化劑噴射到供給管線8中。

噴射裝置10包括中央控制單元11、用于測量在煙囪12的出口處排放的微粒的濃度的器件12和用于測量供給管線8中的液體燃料流的測量器件13。

中央控制單元11包括第一控制級14，其包括映射15，根據(jù)燃料的基準(zhǔn)流值Q_refcomb的燃燒催化劑的基準(zhǔn)流值Q_refcat儲存在其中。根據(jù)由測量器件13輸送的燃料的流值QF，第一控制級14從映射15檢索指令催化劑流值C_cat。

換言之，其涉及根據(jù)液體燃料流修改燃燒催化劑噴射流，其自身取決于由燃燒渦輪驅(qū)動的元件(例如交流發(fā)電機(jī))的負(fù)荷(charge)水平。

中央控制單元11還包括第二控制級16，其接收通過測量器件12提供的煙灰流值Q_suies。這些測量值使用比較器17和18與最大閾值和最小目標(biāo)值相比較。

比較器17和18的輸出提供到例如通過RF振蕩器構(gòu)成的組合邏輯電路，比較器17和18的輸出取決于相對于閾值的煙灰濃度值。

如果煙灰濃度Q_suies高于最大閾值，RF振蕩器的輸出切換到高水平，且如果煙灰濃度達(dá)到最小目標(biāo)值，切換到低水平，且如果煙灰濃度在最小目標(biāo)值和最大閾值之間，維持其狀態(tài)。

燃燒催化劑噴射裝置10包括兩個(gè)冗余催化劑噴射管線L1和L2，其中，一個(gè)是預(yù)期在設(shè)施的正常操作期間使用的噴射管線，且另一個(gè)是可選的應(yīng)急噴射管線。噴射管線各自通過來自組合邏輯電路7的命令信號C_de1和C_de2控制，通過第一部件19(開關(guān)類型)控制兩個(gè)噴射管線L1和L2的操作或停機(jī)，以及兩個(gè)部件20和21(也為開關(guān)類型)選擇性地控制噴射管線L1和L2的操作。

噴射管線L1和L2中的每一個(gè)包括計(jì)量泵，分別為P1和P2，其從燃燒催化劑供給系統(tǒng)22供給且由電氣馬達(dá)M驅(qū)動，電氣馬達(dá)M自身通過接收命令催化劑流信號C_cat且由命令信號C_de1和C_de2驅(qū)動的轉(zhuǎn)換器24由備選源(諸如23)提供動力。計(jì)量泵P1和P2中的每一個(gè)的輸出通過諸如25的閥連接到液體燃料供給管線8。

因此，在中央控制單元11檢測到通過測量器件12所測量的煙灰濃度高于最大閾值時(shí)，其命令計(jì)量泵將命令信號C_de1保持在高水平，以便為馬達(dá)M提供動力，以便輸送從映射15根據(jù)燃料流和基準(zhǔn)催化劑流檢索到的燃燒催化劑流C_cat。

如果固體微粒的濃度變得低于最小目標(biāo)值，則停止燃燒催化劑的噴射。

例如，對于生成100 MW的額定電功率且每小時(shí)消耗大約32噸液體燃料的燃燒渦輪，燃燒催化劑流和液體燃料流之間的比率優(yōu)選地在0.003%和0.006%之間，其代表在每小時(shí)1和2 kg的燃燒催化劑之間。中央控制單元11根據(jù)所測量的煙灰微粒的濃度水平控制計(jì)量泵。

高于例如在45 mg/Nm³和55 mg/Nm³之間的最大濃度閾值，中央控制單元11啟動計(jì)量泵。低于例如在20 mg/Nm³和30 mg/Nm³之間的目標(biāo)值，中央控制單元11停止計(jì)量泵。

優(yōu)選地，最大閾值和目標(biāo)值將分別設(shè)定在50 mg/Nm³和25 mg/Nm³處。濃度水平的連續(xù)監(jiān)視使得能夠稍后重新啟動計(jì)量泵。

如較早指出的那樣，在第一噴射L1管線失效的情況下，第二噴射L2管線基于信號C_de2和C_cat啟用以確保催化劑噴射。

現(xiàn)在請參考圖2，其示出所描述的控制系統(tǒng)的操作。

該圖示出微粒濃度隨時(shí)間的變化(曲線A)，且示出沉積在渦輪的內(nèi)壁上的催化劑的層的厚度D₁..D_n、D_n+1隨時(shí)間的演化。

如在圖2中可見，燃燒催化劑的噴射階段因此在燃燒渦輪的操作期間以循環(huán)方式實(shí)施。

燃燒催化劑噴射的兩個(gè)周期之間的間隔基于設(shè)施的配置。連續(xù)噴射的兩個(gè)周期之間的期間(T₁、T₂、T₃、T_n-1、T_n、T_n+1等)隨設(shè)施使用的時(shí)間增大。然而，T_n對應(yīng)于燃燒催化劑噴射的兩個(gè)周期之間的最大期間。T_n+1小于或等于T_n。

然而，應(yīng)當(dāng)注意，所噴射的主動燃燒催化劑微粒粘附到設(shè)施的壁，形成隨時(shí)間而厚度變化的活性劑的層，從而產(chǎn)生固體微粒到CO₂的轉(zhuǎn)換的催化效果。

在燃燒催化劑噴射中斷之后，粘附到壁的活性微粒繼續(xù)其催化轉(zhuǎn)換效果。在催化劑噴射中斷時(shí)，經(jīng)受燃燒氣體的移動和/或傳播的活性微粒的層傾向于朝煙囪逐漸帶走且被同時(shí)消耗。因此，活性微粒的消耗使得在所有活性微粒已經(jīng)被消耗時(shí)，催化效果消失。正是在此時(shí)，有必要進(jìn)行燃燒催化劑的新的噴射。

當(dāng)這完成時(shí)，該效果允許按照間隔執(zhí)行燃燒催化劑噴射序列，其期間隨時(shí)間減少，而噴射停止序列相反地按照比例增加，直到對應(yīng)于活性微粒在設(shè)施的壁上的飽和的限制。該飽和現(xiàn)象與沉積物的層的厚度和燃燒氣體的傳播速度相關(guān)。換言之，活性微粒的層不無限地變厚，這是因?yàn)樵谌紵龤怏w的速度的影響下，沉積物不穩(wěn)定且傾向于從壁掉落。燃燒催化劑噴射間隔取決于微粒濃度的測量高于25 mg/Nm³以及低于50 mg/Nm³的結(jié)果。間隔的期間取決于燃燒設(shè)施的壁的內(nèi)表面、排氣流和溫度。

用于供給燃燒室的燃料可具有各種類型。例如，我們可使用重燃油、原油、重或輕蒸餾油、汽油、煤油、石腦油、生物柴油、生物乙醇等。然而，應(yīng)當(dāng)注意，使用其他液體燃料類型不超出本發(fā)明的范圍。

我們可使用氧化鈰(三價(jià))、氧化鈰(四價(jià))或氧化鐵或這些催化劑的混合物作為氧化催化劑。煙灰到二氧化碳的轉(zhuǎn)換的化學(xué)反應(yīng)如下：

對于氧化鈰(四價(jià))，反應(yīng)如下：

4 CeO₂ + C (suies) → 2Ce₂O₃ + CO₂。

對于鈰(三價(jià))，反應(yīng)如下：

Ce₂O₃ + ? O₂ → 2 CeO₂ , 以及

4CeO₂ + C (suies) → 2 Ce₂O₃ + CO₂。

應(yīng)當(dāng)注意由于在火焰中氧的存在，鈰(三價(jià))轉(zhuǎn)換成鈰(四價(jià))：

Ce₂O₃ + ? O₂ → 2 CeO₂。