CN101283221B - 监测燃料管道及燃料阀中固体颗粒沉积情况的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于监测在带有阀(15)的燃料管道(9)中形成固体颗粒沉积的方法，其中，通过确定阀通流的开度和流过阀的燃料量，并且与之前确定的、表征管道(9)没有沉积物的参考值相比较，确定供燃料通过的管道(9)中的固体颗粒的沉积程度。本发明还涉及一种用于监测在带有阀(15)的燃料管道(9)中形成固体颗粒沉积的装置，其中，该装置具有用于确定当前燃料流的测量装置(45)和用于确定当前阀的位置的测量装置(40)，以及一分析系统(65)，其中，所述测量装置(40，45)与该分析系统(65)相连接。此外，本发明还涉及一种带有按本发明的方法和装置的燃烧室(3)和带有这种燃烧室(3)的燃气轮机。

Description

监测燃料管道及燃料阀中固体颗粒沉积情况的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于监测在带有阀的燃料通过的管道中形成固体颗粒沉积的方法。本发明还涉及一种监测这种沉积的装置。所述方法和装置可以应用在燃气轮机设备和其它的燃烧设备中，如锅炉燃烧设备。
背景技术
燃气轮机装置至少包括一压缩机，一燃烧室以及一透平。在压缩机中压缩吸入的空气，接着在压缩空气中加入燃料。在燃烧室中进行混合物的燃烧。然后，燃烧的废气被输送至透平用于产生能量。
如今的燃气轮机设备装备有多级燃烧室，其中，存在多个相互平行工作的燃烧器级。这些燃烧器级可以根据燃气轮机设备的载荷单独或一起工作。典型的是，这些平行的燃烧器级除至少一个主燃烧器级外还包括至少一个引燃燃烧器级，其中，大部分燃料被送入主燃烧器级。
在主燃烧器级和引燃燃烧器级中输送的燃料量的波动引起不稳定的燃烧状态，从而导致功率的波动并且增大NOx-排放。保持功率恒定或减少NOx-排放通常通过调节输送至主燃烧器级的燃料量和引燃-燃料输送量实现，出于此目的，该管道设置有可调整大小的阀。通常燃料是气态的。除了已经在燃料中包括的固体颗粒外，例如还可以由燃料尤其是包含在燃料中的硫的升华形成固体颗粒。这种固体颗粒会粘在管道的内部。
然而，固体颗粒在燃料管道中的沉积导致阀的特性的移动，并因此导致在燃料分配方面，也就是说燃料在各燃烧器级的相对分配量方面的变化。此外，存在这样的危险，即，向各级或各燃烧器供应的燃料比燃烧所需要的要少。这就导致增加排放和燃烧的不稳定性。为了确定沉积程度，并且在严重的沉积时采取清洁措施，迄今为止的燃气轮机必须关闭，这是非常不利的。
发明内容
因此，本发明所要解决的技术问题是，给出一种利于保养的、用于监测固体颗粒和与之相关的沉积情况的方法，然而，必须考虑尽可能没有设备的停机时间。本发明所要解决的另一问题是提供一种装置，该装置尤其使这种监测成为可能。所述方法和装置应可以应用在燃气轮机中。
涉及方法的技术问题按本发明通过一种用于监测在带有阀的燃料管道中形成固体颗粒沉积的方法解决，其中，通过确定阀通流的开度和流过所述阀的燃料量，并且与事先测定的、表征管道没有沉积物的参考值比较，确定所述燃料输送管道中所述固体颗粒的沉积程度。
本发明从这样的经验出发，即，流过阀的燃料量在管道中必须一直进行调节。然而，沉积物使得管道的有效流通横截面积减小。与之相关的是燃料通过管道的流量更少或受到干扰。然而，燃料量应该对于一定的工作状态尽可能保持恒定。为了实现所述燃料量的恒定，阀必须比管道没有沉积物时打开的更宽。通过使阀相比于管道没有沉积物时有更宽的开度，使得现在流过阀的燃料量更大，以便在管道本身中的燃料量保持恒定。但在管道没有沉积物时，更宽的开度意味着增大流过的燃料量。
本发明从这样的方式出发，即，通过额外必需的阀的开度，也就是说，比较管道有沉积物时阀的开度和管道没有沉积物时的开度，来确定沉积程度。
现在通过阀的开度确定沉积程度。为此，事先确定不同的参考值，这些参考值表征没有沉积物时的干净的管道。这些参考值分别根据情况，例如燃料的类型确定。现在测量在有沉积物时所需要通过阀的燃料量。这被用作参考值。由此可以确定在该燃料量流过理论上没有沉积物管道时阀的理论开度。现比较所计算出来的开度和当前的阀的开度。开度在管道没有沉积物时和管道有沉积物时的变化与管道没有沉积物和管道有沉积物时燃料流量的变化相互关联。因此，如果开度的变化非常大，那么将有比原本所需要的燃料量多出很多的燃料通过假定为没有沉积物的管道，以保持管道中的燃料量恒定。由此可推断出，大量的固体颗粒沉积物在管道中，反之亦然。
沉积程度的确定在没有在例如燃气轮机中进行可视检查的情况下实现，也就是说，没有设备的停机和停机时间。这种方法使得现场监测沉积情况成为可能，因此，可以及时地引入预防管道堵塞的措施，同时仍可以使用设备。
在优选的设计中，阀门通流的开度通过阀行程给出。它的优点是可以简单地确定。在最简单的情形下，阀行程通过阀上的滑动装置形成，该移动装置根据位置部分密封阀门通流。通过插入或抽出滑动孔确定阀通流的开口。
优选检测并存储管道没有沉积物时的运行数据。在沉积过程中，所述装置的不同参数会变化。接下来这些数据被用于确定沉积程度。这些运行数据描述了比例如由工厂给出的运行数据更好的初始基础，因为也可以考虑设备的特点。
优选从运行数据中计算出作为燃料流量参考函数的理论-特性曲线。此外，这种理论-特性曲线适用于在相同的边缘条件下，例如相同的压缩空气的温度，得出阀测得的开度。因此，现在获得了对于这些开度理论上(管道中没有沉积物)流过的燃料量。这可以用作确定沉积物的标准。
在优选的设计中，参考函数被标准化。这种对函数实施标准化是有利的，因为在燃气轮机运行中，功率并从而所需的燃料量不仅取决于所调节的额定功率值，而是也取决于压缩空气的温度。因此可以长时间监测。
沉积物的监测优选连续地进行。通过连续的监测可以在非常严重地沉积或出现沉积物聚集时及时地干涉，这些沉积物对燃料的流动性能不利。
优选由流经阀的燃料量，借助于典型的理论-特性曲线计算出理论上相应于理论-特性曲线的通过阀的流量。为此，例如测定阀的开度，在理论-特性曲线上截取该阀的开度。由此获得在干净的管道中的燃料量。下一步将比较理论计算得出的通过阀的燃料流量和实际的流量。
在优选的设计中，燃料通过燃料管输送。燃料管可以这样设计，即，有其它燃料输送管道可以供应燃料。
在另一优选的设计中，至少一个燃烧器级在燃烧室中用燃料工作。在此，空气和燃料的混合物燃烧，产生热燃气。燃料量通过阀的开口调节。
优选至少两个平行的燃烧器级在燃烧室中用燃料工作，其中，至少一个燃烧器级作为引燃-燃烧器级工作，并且至少一个燃烧器级作为主燃烧器级工作。尤其是在燃气轮机设备中，这些燃烧器级可以鉴于所述方法简化。在具有至少两个燃烧器级的燃烧室中，基本上测定总的燃料量。总的燃料量被分配。大部分燃料通过主燃烧器级的带有阀的燃料输送管道输送。尤其是在燃气轮机中，全负荷时，供给主-燃烧器级的燃料部分大于占总燃料量的90-95％。剩下的5-10％被供给引燃-燃烧器级。因此获得了第一个近似值，即，总的燃料量通过用于主燃烧器级的输送燃料的管道的阀调节。
本方法允许尤其迅速和简单地修正燃料分配。这对稳定的燃烧很重要。
该方法优选应用在燃气轮机中。然而，这种利于维护的方法实现了尽可能没有停机时间地对所述固体颗粒和与之相关的沉积情况进行监测。
涉及装置的技术问题按本发明通过一种用于监测在带有阀的输送燃料的管道中形成固体颗粒沉积的装置解决，其中，该装置具有一用于确定当前燃料流的测量装置和用于确定当前阀的位置的测量装置以及一分析装置，其中，所述测量装置与分析装置相连。该装置尤其适用于实施上述方法。因此，所述方法的优点也可以应用于所述装置。
分析装置优选包括一用于确定在管道没有沉积物时的理论或额定-运行数据的计算装置。
在一优选的设计中，该分析系统包括一用于计算相应于用于流过该阀的理论燃料量的理论-运行数据的通过该阀的燃料量的计算单元。
在优选的设计中，分析系统包括用于确定燃料理论上的流量和当前流量的差值的计算单元。
优选为输送燃料的管道设置至少一个带有阀的另外的输送燃料的管道。
在优选的设计中，输送燃料的管道设计有用于供应燃料的燃料管道。
附图说明
接下来示例性地根据附图详细说明本发明。
其中示出了简化的和没有按比例的视图：
图1示出了用于监测固体颗粒形成沉积的装置和方法；
图2示例性地示出了理论和实际-特性曲线。
具体实施方式
在所有附图中，相同的部件用一样的附图标记表示。
图1包括燃气轮机设备的示意图。其中示出了压缩机1，燃烧室3和透平机5，该透平机连接在发电机7上。在压缩机1中压缩的空气被供给燃烧室3，在燃烧室中，压缩空气和燃料一起燃烧，其中，燃烧废气被供给透平机5。透平机5将燃烧废气的热能转化为机械能。借助于发电机7发电。
同样根据图1说明用于监测形成固体颗粒沉积的方法和装置。图1涉及一种带有两个燃烧器级的燃烧器，一主-燃烧器级和一引燃-燃烧器级。尤其是对于燃气轮机，供给主-燃烧器级的燃料大约为总燃料量的90-95％。剩下的5-10％被供给引燃-燃烧器级。这样地获得第一个近似值，即，总的燃料量通过为主-燃烧器级输送燃料的管道9的阀15调节。根据干净的机器的运行数据，也就是管道没有沉积物时，求出与相应的阀行程相关的理论-运行数据和通过该阀放行的燃料量。通过这些建立表明特征的理论-特性曲线。
将要在燃烧室3内燃烧的燃料通过一根燃料管道13输送至两个燃料供给管道9，11，在此，例如将燃料供应管道9用于主燃烧器级，管道11用于引燃燃烧器级。两个调节燃料流通的燃料调节阀15，17分别位于所述两根燃料管道之内。当前的阀行程通过测量装置40测定，当前通过所述阀的燃料量通过测量装置45测定。现在，如果在管道9中附着有沉积物，那么就导致管道9的有效流动横截面积减小。与之相关的是向燃烧室3传输的燃料量流量被干扰。为了平衡这种干扰，也就说供应燃烧室3所需要的燃料量，将增大阀15的阀行程，也就说阀15比在相同情况下、管道9没有沉积物时所需要的开度打开得更宽。测量单元45和测量单元40与一个分析系统65相连接。该分析系统由多个计算单元50，55，60组成。测量单元45与计算单元55相连接。计算单元55还与计算单元50相连接，后者存储理论-运行数据和理论-特性曲线。在理论-特性曲线上截取由测量单元45测得的当前通过阀15的燃料量。由此得出在管道9没有沉积物时，对于该燃料量理论上所需要的阀行程。现在，这个理论上需要的阀行程相应于用于没有沉积物的管道9的阀行程。在一个随后的计算单元60中，将理论上所需要的阀行程和在测量单元40中测得的当前阀行程进行比较。通过这样的比较形成判断管道9中沉积程度的量度。同样，从这些数据中也可以确定当前在具有沉积物的管道9中流过的燃料量与在管道9没有沉积物时的理论上应流过的燃料量的差值。这就实现了无需进行可视检查就能监测管道9中的沉积情况。因此，可以及时地在管道9中粘有沉积物时采取预防性的措施，而该设备在这种监测过程中还保持可用。通过该方法也可以确定连接在上游的传输燃料的管道中例如图示燃料管道13中的沉积物。
图2示出了表征一根没有沉积物的管道9的运行数据的特性曲线，即理论-特性曲线90，以及表征一根带有沉积物的管道9的特性曲线，即实际-特性曲线92。两个特性曲线90，92的X方向表示阀的行程，Y方向表示流过的燃料量。理论-特性曲线90给出了对于没有沉积物的管道9，阀的行程与流过的燃料量的关系。例如，在燃烧器中需要燃料量Y0。在运行时，燃料管道13在管道9处沉积有沉积物。理论-特性曲线90因此发生移动，此时阀15必须打开得更宽，以便在燃烧器中保持相同的燃料量Y0。这种移动通过实际-特性曲线92示出。现在，借助于测量装置40测量在流过所需要的燃料量Y0时当前的阀行程X1。通过理论-特性曲线90确定理论上所需要的阀行程X0。比较理论上的阀的行程和当前的阀的行程X1。两个阀行程X1，X0之间的差值ΔX是有关管道9中沉积程度的量度。当管道9中的流动阻力基本上相同时，通过将当前的阀的行程X1对应至理论-特性曲线92同样可知流过的燃料量Y0和理论上在管道9没有沉积物时流过的燃料量Y1之间的差值ΔY。该差值同样是有关管道9中的沉积程度的量度并且可以用于监测沉积状况。
本发明涉及一种用于监测固体颗粒在燃料传输通道中沉积情况的方法和装置。这使得可以监测管道或阀中的粘附沉积情况，以便及时采取预防措施。同时不必关闭所述设备。此外，通过本发明可以简单并及时地进行燃料分配的修正。

Claims (22)

1.一种用于监测在带有阀(15)的输送燃料的管道(9)中形成固体颗粒沉积的方法，其中，确定阀通流的开度和流过所述阀的燃料量，其特征在于，通过将所确定的阀通流的开度和流过所述阀的燃料量与事先测定的、表征管道(9)没有沉积物的参考值比较，确定所述输送燃料的管道(9)中所述固体颗粒的沉积程度。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，所述阀通流的开度通过阀的行程给出。
3.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，测定并存储没有沉积的管道(9)的运行数据。
4.按权利要求3所述的方法，其特征在于，作为参考，从所述运行数据中计算出作为燃料量的参考函数的理论-特性曲线(90)。
5.按权利要求4所述的方法，其特征在于，所述参考函数被标准化。
6.按权利要求5所述的方法，其具有以下步骤：
-借助于所述理论-特性曲线(90)由流过所述阀的燃料量计算出理论上与该理论-特性曲线(90)相符合的通过所述阀(15)的流量，
-比较所述理论计算出的、通过所述阀(15)的燃料流量和实际的流量。
7.按权利要求5所述的方法，其特征在于，对所述沉积的监测连续地进行。
8.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述燃料通过一燃料管道(13)输送。
9.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在燃烧室(3)中的至少一个燃烧器级利用所述燃料来运行。
10.按权利要求9所述的方法，其特征在于，在燃烧室(3)中的至少两个平行的燃烧器级用所述燃料来运行，其中，
-至少一个燃烧器级作为引燃-燃烧器级运行和
-至少一个燃烧器级作为主-燃烧器级运行。
11.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，可以修正所述燃料向各燃烧器级的分配。
12.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法应用在燃气轮机中。
13.一种用于监测固体颗粒在带有阀(15)的输送燃料的管道(9)中形成沉积的装置，该装置具有一用于确定当前燃料流量的测量装置(45)和一用于确定当前阀的位置的测量装置(40)，以及一分析系统(65)，其中，所述用于确定当前燃料流量的测量装置(45)和所述用于确定当前阀的位置的测量装置(40)与所述分析系统(65)相连接，其特征在于，所述分析系统(65)通过将所确定的阀通流的开度和流过所述阀的燃料量与事先测定的、表征管道(9)没有沉积物的参考值比较，确定所述输送燃料的管道(9)中所述固体颗粒的沉积程度。
14.按权利要求13所述的装置，其特征在于，所述燃料是气态的。
15.按权利要求13所述的装置，其特征在于，所述燃料是液态的。
16.按权利要求13至15之一所述的装置，其特征在于，所述分析系统(65)包括一用于测定在没有沉积物的管道(9)中的运行数据的计算单元(50)。
17.按权利要求13至15之一所述的装置，其特征在于，所述分析系统(65)包括一第二计算单元(55)，该第二计算单元用于从阀通流的开度计算在理论上与没有沉积物的运行数据相符合的通过所述阀(15)的流量。
18.按权利要求13至15之一所述的装置，其特征在于，所述分析系统(65)具有一用于确定燃料的理论流量和当前流量之间的差值的计算单元(60)。
19.按权利要求13至15之一所述的装置，其特征在于，除所述输送燃料的管道(9)之外，设有至少另一个输送燃料的带有阀(17)的管道(11)。
20.按权利要求13至15之一所述的装置，其特征在于，所述输送燃料的管道(9)设计有用于供应燃料的燃料管道(13)。
21.一种带有按权利要求13至20之一所述装置的燃烧室(3)。
22.一种带有按权利要求21所述燃烧室(3)的燃气轮机。
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