CN101311630B

CN101311630B - 用于控制燃气涡轮中的燃烧的方法和装置

Info

Publication number: CN101311630B
Application number: CN2008101090758A
Authority: CN
Inventors: A·阿斯蒂; M·帕奇; M·德尔科尔; M·贝蒂; S·贝; G·通诺; J·F·斯图尔特; F·奥尔格罗
Original assignee: Nuovo Pignone SpA
Current assignee: Nuovo Pignone SpA
Priority date: 2007-05-23
Filing date: 2008-05-22
Publication date: 2012-02-08
Anticipated expiration: 2028-05-22
Also published as: ITMI20071047A1; RU2482393C2; KR20080103440A; US20080289339A1; US7730726B2; CN101311630A; JP2008291845A; CA2630954A1; CA2630954C; RU2008120465A; EP1995518A2; KR101457695B1; JP5281823B2

Abstract

本发明描述了用于控制燃气涡轮中的燃烧的方法和装置。该方法包括通过一个或两个热量计测量气态燃料的温度、发热量和相对密度，以便确定沃泊指数；比较测量的沃泊指数值与气态燃料的预定沃泊指数值；和通过至少一个换热器调节气态燃料的温度，以便达到预定沃泊指数值。该方法还可包括利用具有与气态燃料不同的沃泊指数的第二气态燃料，或者利用通过根据任意比例混合气态燃料和第二气态燃料所获得的、可随时间变化的燃料。

Description

用于控制燃气涡轮中的燃烧的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于控制燃气涡轮中的燃烧的方法和装置，更具体地，涉及用于在存在气态燃料的情况下控制燃烧的方法和装置，该气态燃料具有明显不同的沃泊指数(Wobbe index)并且可随时间变化。

背景技术

已知使用燃气轮机用于生产电能，该燃气轮机通常包括多相压缩机、燃烧室和涡轮或膨胀器，在该多相压缩机中压缩从外部吸入的空气，在该燃烧室中添加至压缩空气的气态燃料进行燃烧，在该涡轮或膨胀器中来自燃烧室的气体被膨胀。然后，涡轮能够产生可用于促动操作机器或用于供给发电机的机械能。

存在可用作燃气涡轮中的燃料的各种气体或气体混合物。因此，每种气体或气体混合物能够在相同的燃烧室内部产生的发热量以及因此产生的能量可显著地变化。用作燃料的气体或气体混合物的温度也能够显著地影响燃气涡轮的性能。

已知使用称为“沃泊指数”的参数测量当气体或气体混合物在恒定的供应压力下燃烧时由该气体或气体混合物所产生的热量。基于以下公式，该沃泊指数等于气体的高位发热量(upper calorific value)(或低位发热量)与相对于空气测量的气体的相对密度的平方根之间的比值，该公式为：

I_{w} = \frac{PC}{\sqrt{T_{G} * G_{s}}}

其中：

I_W＝沃泊指数；

PC＝气体的发热量(高位发热量或低位发热量)；

T_G＝气体的温度；

G_S＝气体的相对密度(或比重(specific gravity))。

因此，由气体所产生的热量与沃泊指数以及用作燃料的气体从其中排出的涡轮喷嘴的面积成正比。因此，沃泊指数为用于确定可用作某种燃气涡轮中的燃料的不同气体的可互换性的重要参数。

大多数低排放的燃气轮机目前构造为利用在沃泊指数方面具有较小差异的气态燃料进行操作。在相同涡轮中使用不同的燃料实际上可导致不规则的燃烧过程，这可使涡轮本身产生故障，缩短燃烧系统的构件的操作周期以及可能中断能量的产生，其中，该不同的燃料亦即沃泊指数差距较大的燃料。

发明内容

因此，所公开的主题的一个有利特征是提供用于控制燃气涡轮的燃烧的方法和装置，其能够有效地解决上述的缺点。

具体地，所公开的主题的另一个有利特征是提供用于控制燃气涡轮的燃烧的方法和装置，其允许在不危及涡轮本身的性能以及维持燃烧室的相同几何形状的情况下使用如下的气态燃料，该气态燃料具有明显不同的沃泊指数以及因此具有明显不同的发热量，并且可随时间变化。

本发明的又一个有利特征是提供用于控制燃气涡轮的燃烧的方法和装置，其允许供给至涡轮本身的气态燃料的类型快速地变化。

本发明的又一个有利特征是提供用于控制燃气涡轮的燃烧的方法和装置，其允许涡轮本身在混合两种不同的气态燃料的情况下也能正确地运行，该两种不同的气态燃料具有不同的沃泊指数、成任意比例且可随时间变化。

本发明的又一个有利特征是提供用于控制燃气涡轮的燃烧的方法和装置，其允许涡轮本身处理由涡轮的所有连接所需的功率的突然变化(降载)。

根据本发明的第一方面，用于控制燃气涡轮中的燃烧的方法包括以下阶段：

通过一个或多个合适的仪器来测量气态燃料的温度、发热量和相对密度，以便确定沃泊指数，该仪器是诸如热量计或气相色谱仪；

比较所测量的沃泊指数值与气态燃料的预定沃泊指数值；和

通过至少一个换热器30调节气态燃料的温度，以便达到预定沃泊指数值。

本发明的另一个方面涉及用于控制如下类型的燃气涡轮中的燃烧的装置，该燃气涡轮包括至少一个压缩机、至少一个燃烧室和至少一个涡轮，其中该至少一个压缩机能够压缩通过进口管引入其中的空气，在该至少一个燃烧室中受压空气与来自供应管的气态燃料相混合，该至少一个涡轮能够将来自燃烧室的气体的能量转换为可用于促动一个或多个操作机器的工作能量。该装置包括：至少一个换热器，其沿气态燃料的供应管布置并且能够对所述气态燃料进行加热；和一个或多个仪器，诸如热量计或气相色谱仪，其用于测量气态燃料的沃泊指数。

附图说明

通过以下参考附图的示范性的非限制性示例，根据本发明的用于控制燃气涡轮中的燃烧的方法和装置的特征和优点将变得更加明显，在附图中：

图1是具有根据本发明的用于控制燃烧的装置的燃气涡轮的示意图；

图2表示包含关于两种示例性的燃料气体混合物的摩尔组成、发热量和密度的值的表格；

图3是表示在所谓的“黑启动”状态下的根据本发明的用于控制燃气涡轮的燃烧的方法的方框图；

图4是表示在正常启动状态下的根据本发明的用于控制燃气涡轮的燃烧的方法的方框图；

图5是表示在从一种气态燃料至另一种气态燃料的快速转换状态下的根据本发明的用于控制燃气涡轮的燃烧的方法的方框图；和

图6是表示在正常运行状态下的根据本发明的用于控制燃气涡轮的燃烧的方法的方框图。

具体实施方式

具体参考图1，图1示意性地表示普通的燃气涡轮，其包括能够压缩通过进口管12引入其中的空气的压缩机10。然后，压缩空气被输送至燃烧室14，以与来自供应管16的气态燃料相混合。燃烧会增加气流的温度、速率和体积，并且因此增加包含在气流中的能量。所述气流通过管18引向涡轮20，该涡轮20将气体的能量转换为可用于促动操作机器的工作能量，该机器例如通过轴24连接至涡轮20上的发电机22。涡轮20还通过相对轴26供应促动压缩机10所必需的能量，而废气通过出口管28从涡轮20中排出。

根据本发明，在气态燃料的供应管16上存在至少一个换热器30和用于测量沃泊指数的一个或多个仪器32，如下文更好地说明，该换热器30能够对气态燃料进行加热，该仪器32是诸如热量计或气相色谱仪，并且位于上述换热器30的上游和下游。由于上述装置，故可以连续地调节对气态燃料进行的加热，以便确保与燃料本身相关的最合适的沃泊指数值。在具有不同沃泊指数的燃料的供应产生快速变化的情况下，该系统还允许积极地控制燃气涡轮的构件，以便减小由于这种供应变化所产生的影响。

参考图3-图6中的方框图和表示在图2的表格中的两种示范性类型的燃料气体混合物，描述了根据本发明的用于控制燃烧的方法。

图2比较通常用于燃气轮机中的两种气态燃料。由“H”表示的燃料的特征为等于53.673MJ/Nm³的最大沃泊指数值和较低的惰性产物含量。另一方面，表示为“G”的燃料的特征为等于44.3MJ/Nm³的最大沃泊指数值和相对于燃料H略微较高的惰性产物含量(大约15％)。

在图3的方框图中，表示在称为“黑启动”的技术俗语的状态下根据本发明的用于控制燃气涡轮中的燃烧的方法，该“黑启动”亦即在整套设备从电源分离之后重新启动该燃气涡轮。在这些状态下，不能够获得对气态燃料进行加热所必需的蒸汽，并且该涡轮必须能够利用冷燃料(cold fuel)进行启动。

该方法设计了初始阶段，其中通过热量计32测量所使用的气态燃料的温度、发热量(低位发热量)和相对密度，该所使用的气态燃料是例如燃料“H”，并且具有特别高的沃泊指数。一旦将最佳的燃料流输送至燃烧室14，就发生燃气涡轮的点火，如上所述，该点火阶段由冷燃料(大约-5℃至大约25℃)所实现。

通过使空气与气态燃料预混合，机器将正常运行，但是该阶段在利用扩散火焰(diffusive flame)实现的上述点火阶段之后发生。因此，存在“预混锁定(premix lock-out)”布尔控制变量的设置阶段，其能够阻止或不阻止从扩散火焰(点火阶段)至预混火焰(正常运行)的转变。

因此，该机器等待，直到可获得一定量的蒸汽用于对气体进行加热。如果用于产生蒸汽的锅炉已经达到一定温度，则这可持续1小时至4小时，或者如果仍然需要促动锅炉，则这可持续6小时至8小时。当可获得蒸汽时，换热器30开始将气态燃料加热至在大约125℃至大约165℃之间的温度，这些值是根据燃烧室14进行测量的。当完成加热时，气体的沃泊指数将产生相应的变化，在燃料H的情况下，该沃泊指数等于指数本身的初始值的大约2.5％。当达到根据气体的温度增加而预先确定的这个沃泊指数值时，也将达到如下状态，即从扩散火焰至预混火焰(后者特征为低污染排放)的转换是可能的。

因此，如果结果是肯定的，则达到预定沃泊指数的进一步控制将允许“预混锁定”布尔控制变量为零，以便建立机器的正常运行模式。如果没有达到预定沃泊指数值，则将必须调节换热器30，以便能够考虑正常运行条件。

图4的方框图表示在正常启动状态下的根据本发明的用于控制燃气涡轮中的燃烧的方法。在这些状态下，不需要换热器30的介入来调节在涡轮的启动阶段中的气体的加热蒸汽。因此，该控制方法类似于在“黑启动”状态下实现的控制方法，除了未实现蒸汽可用性的备用阶段和随后的控制阶段之外，其中，在该控制阶段中，为达到在对气体进行加热之后发生变化的沃泊指数。

通常，在燃气涡轮的所有启动状态下以及在存在任何种类的气体混合物的情况下，该方法始终根据由热量计32所测量的气态燃料的温度、发热量和相对密度自动配置最佳燃料。

图5的方框图表示在从一种气态燃料至另一种气态燃料的快速转换状态下的根据本发明的用于控制燃气涡轮中的燃烧的方法。可以将涡轮20的供给从一种单一燃料过渡至另一种单一燃料，例如从燃料G过渡至燃料H，或者这两种燃料可以以可变的比例相混合。

在再次通过热量计32测量气态燃料的进入流的温度、发热量(低位发热量)和相对密度之后，比较两个顺序测量的数据。如果沃泊指数的两个顺序测量之间的差值等于或大于用作涡轮中燃料的两种气体(例如G和H)的沃泊指数之间的差值，则该机器处于从一种燃料至另一种燃料的快速转换状态下。此时，执行机器的燃烧模式的控制过程，并且根据控制的结果，由机器所供应的电功率值将因此受到调节。

一旦实现从一种燃料至另一种燃料的快速转换，例如从气体G转换至气体H，则将再次计算沃泊指数，以核实该机器是否实际上利用新的燃料进行操作。如果满足这种状态，则将可以过渡至混合火焰运行以及设置机器的正常运行模式。

图6的方框图表示根据所使用的燃料类型的燃气涡轮的正常运行模式。在利用燃料G进行供应的情况下，不必实现关于沃泊指数的参数的所有控制，该燃料G不具有特别高的沃泊指数并且不需要为了允许涡轮正确地操作而由换热器30进行加热。另一方面，在利用燃料H进行供应的情况下，必须控制换热器30下游的温度。

如果利用燃料气体的混合物供给涡轮，则在燃料G和H的组合的情况下，热量计32将测量混合物的温度、发热量(低位发热量)和相对密度，以确定混合物本身的沃泊指数。如果该沃泊指数不同于所使用的混合物的预定值，则将改变换热器30的运行温度。

所提出的系统可在不等待由换热器30所实现的温度调节的情况下吸收高达6MW的所需功率变化。因此，该系统能够承受高达6MW的的几乎瞬时的所需功率变化。

因此，可看出的是，根据本发明的用于控制燃气涡轮中的燃烧的方法和装置实现上述的目的。具体地，该涡轮能够利用具有明显不同的沃泊指数的气态燃料以及根据任意比例的这些气态燃料的混合物进行相同地操作，并且还能够从一种燃料快速地过渡至另一种燃料并吸收突然的降载。

如此构思的本发明的用于控制燃气涡轮中的燃烧的方法和装置在任何情况下可具有多种改进和变型，所有的改进和变型都包括在相同的发明构思中。因此，本发明的保护范围由权利要求所限定。

Claims

1.一种用于控制燃气涡轮中的燃烧的方法，所述燃气涡轮包括至少一个压缩机、至少一个燃烧室和至少一个涡轮，其中，所述至少一个压缩机能够压缩通过进口管引入其中的空气，在所述至少一个燃烧室中所述压缩空气与来自供应管的气态燃料相混合，所述至少一个涡轮能够将来自所述燃烧室的气体的能量转换为能够用于促动一个或多个操作机器的工作能量，所述方法包括：

利用一个或多个测量仪器测量所述气态燃料的温度、发热量和相对密度，以便确定沃泊指数I_w，所述沃泊指数定义为如下：

I_{w} = \frac{PC}{\sqrt{T_{G} * G_{s}}}

其中，PC是所述气态燃料的发热量，其是高位发热量或低位发热量，T_G是所述气态燃料的温度，而G_S是所述气态燃料的比重；

比较所测得的沃泊指数值与用于所述气态燃料的预定沃泊指数值；

利用至少一个换热器来调节所述气态燃料的温度，以便达到所述预定沃泊指数值；并且

基于所述沃泊指数值，使所述涡轮机的功能从扩散火焰转变到预混火焰，其中所述扩散火焰出现在所述涡轮机的点火阶段，而所述预混火焰出现在所述涡轮机的正常运行阶段。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

利用第二气态燃料来供给所述燃烧室，其中，所述第二气态燃料具有与所述气态燃料的沃泊指数不同的沃泊指数；

利用所述仪器来测量所述第二气态燃料的温度、发热量和相对密度，以便确定所述第二气态燃料的沃泊指数；

比较测得的所述第二气态燃料的沃泊指数值与测得的所述气态燃料的沃泊指数值；且

如果用于所述气态燃料和所述第二气态燃料的两个相继测量的沃泊指数值之间的差值等于或大于所述气态燃料的沃泊指数与所述第二气态燃料的沃泊指数之间的差值，则执行所述涡轮的燃烧模式的、和能够由所述涡轮供应的电功率值的控制过程。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

利用混合物来供给所述燃烧室，所述混合物包括比例能够随时间变化的所述气态燃料和第二气态燃料，所述第二气态燃料具有与所述气态燃料的沃泊指数不同的沃泊指数；

利用所述仪器来测量所述混合物的温度、发热量和相对密度，以便确定所述混合物的沃泊指数；

比较测得的所述混合物的沃泊指数值与所述混合物的预定沃泊指数值；且

利用所述换热器调节所述混合物的温度，以便达到所述混合物的所述预定沃泊指数值。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

在燃气涡轮机的启动操作中，利用所述一个或多个测量仪器测量所述气态燃料的温度、发热量和相对密度，以便确定沃泊指数；

配置最佳燃料流；

点燃燃料流。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

从所述气态燃料快速切换到所述第二气态燃料。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

利用冷燃料启动燃气涡轮；

配置冷燃料的最佳燃料流；

在燃烧室中点燃冷燃料；并且

使用用于冷燃料的扩散火焰。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

接收至少一个换热器处的蒸汽以用于增加冷燃料的温度。