CN101358555B - 通过在线燃料重整来进行沃泊控制和增强可操作性 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通过在线燃料重整来进行沃泊控制和增强可操作性，尤其涉及一种调节供给到燃气涡轮的一个或多个燃烧器的多成分气体燃料的沃泊数的方法，该方法包括：(a)提供用于调节到达一个或多个燃烧器的燃料和空气流的控制系统；以及(b)重整气体燃料的一个或多个燃烧器上游的部分，以形成待与燃料的剩余部分一起供给到一个或多个燃烧器的氢气和一氧化碳；其中，调整燃料的已重整的部分以使供给到一个或多个燃烧器的燃料的沃泊数保持在预定范围内。

Description

通过在线燃料重整来进行沃泊控制和增强可操作性

技术领域

本发明大体涉及燃气涡轮发动机燃烧系统，更具体地涉及用于控制燃烧系统的运行的方法和装置。

背景技术

燃气涡轮发动机通常包括压缩机部分、燃烧器部分和至少一个涡轮部分。压缩机排出空气通入到燃料在其中注入、混合和燃烧的燃烧器。燃烧气体随后通到从燃烧气体中提取能量的涡轮。

燃气涡轮发动机燃烧系统必须在流量、压力、温度和燃料/空气比运行条件的很宽的范围上运行。需要控制燃烧器性能以达到和保持满意的总体燃气涡轮发动机运行以及达到可接收的排放水平，主要关注的是NOx和CO水平。

一种燃气涡轮燃烧器通过使用贫油预混合燃烧达到低NOx排放水平，其中，在燃烧之前混合燃料和燃烧所有燃料所需的过量空气以控制和限制热NOx产生。这种常被称为“干式低NOx(DLN)燃烧器”的燃烧器常常受到称为关于它们适应不同燃料的能力的“动态性”的压力波动的限制。这是由于注入系统的压力比变化而引起的，该变化起因于所需的体积燃料流的变化。这种约束由改进沃泊(wobbe)指数所解决；即燃烧系统将具有用于最优动态性的设计沃泊数。改进沃泊指数(MWI)与以BTU/scf为单位的较低的加热值成正比，且与燃料相对于空气的比重和以兰金(Rankine)度数表示的燃料温度的乘积的平方根成反比。

到目前为止，已经通过限制沃泊数的变化或通过调整燃料温度以使给定燃料的沃泊数回到中间来解决该问题。到达燃烧器的燃料分流变化(例如重新微调(retuning))也是可行的，但是可能影响排放。

这种系统通常需要处于一个或多个大致平行的且相同的燃烧器的每个中的多个独立地控制的燃料注入点或燃料喷嘴，以允许燃气涡轮从启动运行至满负荷。此外，这种DLN燃烧系统通常仅在燃料注入器压力比的较窄的范围上运行良好。压力比是燃料流率、燃料通道流动面积以及在燃料喷嘴前和在燃料喷嘴后的燃气涡轮循环压力的函数。通过选择正确的燃料喷嘴通道面积和调节到达若干个燃料喷嘴组的燃料流来控制该压力比界限。名义上认为所接触的正确的燃料喷嘴通道面积基于实际的燃料特性。

以前，通常的管道天然气成分，以及尤其该天然气的改进沃泊指数仅仅细微地变化。燃料喷嘴气体面积的大小设定为针对燃料MWI的限制范围，该范围典型地小于设计值的大约正负5％，对于具有带多个燃料注入点的干式低NOx燃烧系统的燃气涡轮，燃气涡轮燃烧系统设有燃料分布调度(schedule)，使得多个注入点中的燃料分流随着机器运行条件而变化。对于某些DLN燃烧系统，如果燃料特性的变化值超过MWI的正负2％，则有必要在监测排放和燃烧动态水平的同时进行燃料调度调整。这种燃料调度调整称为“微调”，该工艺要求技术员安装特定的工具，且该工艺需要一天或者更长时间来完成。此外，当供给到特定的燃气涡轮设备的燃料来自于多于一个源(带有不同的成分以及所产生的MWI)时，必须“重新微调”燃料分流调度，(并且在此处公开本发明之前)重复进行每种燃料供给切换。此外，两种或更多种燃料的任意混合等同于另外的燃料成分，因此，在本发明之前，如果不对燃气涡轮和/或燃气涡轮燃烧器(例如可变燃料温度)进行运行调整，则超过燃烧器设计的MWI范围的燃料的可变混合是不容许的。可以通过使用可用热源(例如低能量蒸汽或水)以预加热进入燃气涡轮燃烧器的燃料气体来提高燃气涡轮发动机效率。对于使用加热气体的燃气涡轮，加载时间可取决于在初始冷却的热回收蒸汽发电机中生成热水以将燃料气体加热到最低要求水平的时间。直到燃料气体达到要求的温度并从而达到要求的MWI，某些燃烧器设计才能在低NOx燃烧模式下运行。如果可以降低最小的可接受的气体温度水平，其对应于提升最大的可允许的MWI值，则将改善燃气涡轮运行且总的排放也由于缩短的加载时间而减少。

对某些DLN燃烧系统设计，在设计的MWI范围之外的运行可导致如下的燃烧动态水平(因为波动的燃烧工艺引起的噪音)，该水平足够地大从而缩短维护间隔甚至引起硬件损坏和被迫停机。因此希望允许气体燃料成分、温度及所引起的MWI的更大的变化，同时保持在预定界限内的低排放和燃烧动态水平。

发明内容

在一个非限制的示范性实施例中，燃气涡轮发动机通过驱动轴联接到作为主要的燃气涡轮负荷的发电机。在该实施例中，燃气涡轮发动机包括至少一个燃烧器，其包括多个燃料注入喷嘴，该喷嘴构造为用于将燃料在各个燃烧器中的多个不同位置处注入到(多个)燃烧器中，并且不同的注入喷嘴从超过一个的气体流量控制阀供给燃料。燃气涡轮发动机包括控制系统，该控制系统包括：多个传感器，其位于该燃气涡轮发动机附近且构造为用于测量流量、压力、温度或其它参数以建立发动机运行状态；处理器，其编程为用于接收前述参数和表示燃料的MWI的信号。在燃气涡轮中，燃料的沃泊数可以由通过在线(inline)重整器对燃料的一部分进行部分氧化来控制。实际结果是“空气掺杂”以及一部分燃料转化为氢气和一氧化碳。此外，氢气和一氧化碳可以进行杠杆平衡以提升燃烧器的稳定性，用于降低排放/增加停机(turndown)。因此，根据一个示范性非限制的实施例，本发明使用一种系统，在该系统中将催化模块增加到一个或多个燃烧器燃料回路的燃料管线以部分地重整燃料的小百分比。种类的变化、以及空气的添加和热释放相结合以调整燃料的沃泊数。本发明所提供的优点包括：宽的沃泊运行，这是因为“空气掺杂/部分重整”使得即使燃料成分变化也允许系统使沃泊数回到中间。此外，因部分重整而引起的氢气的可用性允许提高稳定性/停机，从而能够降低排放以及在较低负荷时符合排放标准的运行。

因此，一方面，本发明涉及燃气涡轮发动机系统，其包括压缩机、多个燃烧器和涡轮，其中，包括燃料控制器的控制系统调节每个燃烧器的燃料和压缩机空气输入，并且在线燃料重整器位于多个燃烧器中的一个或多个燃烧器中的上游以重整供给到一个或多个燃烧器的燃料的一部分。

另一方面，本发明涉及调节供给到燃气涡轮的一个或多个燃烧器的多成分气体燃料的沃泊数的方法，其包括：(a)提供用于调节到达一个或多个燃烧器的燃料和空气流的控制系统；以及(b)重整气体燃料的在一个或多个燃烧器上游的部分，以形成待与燃料的剩余部分一起供给到一个或多个燃烧器的氢气和一氧化碳；其中，调整燃料的已重整的部分，以使供给到一个或多个燃烧器的燃料的沃泊数保持在预定范围之内。

现在将结合下述附图对本发明进行描述。

附图说明

图1是燃气涡轮发动机系统的示意图；

部件清单：

燃气涡轮发动机系统10

压缩机12

燃烧器14

涡轮16

驱动轴15

控制系统18

进气管系统20

导向叶片21

排气系统22

发电机24

促动器25

传感器26

燃料控制器28

催化模块或重整器32

具体实施方式

图1是燃气涡轮发动机系统10的示意图，其包括压缩机12、燃烧器14、通过驱动轴15联接到压缩机12的涡轮16。燃气涡轮发动机通过操作器命令和控制系统18的组合而被控制。进气管系统20使环境空气通到压缩机进口导向叶片21，该进口导向叶片21通过利用促动器25的调整而调节到达压缩机12的空气量。排气系统22使燃烧气体从涡轮16的出口通过例如吸音装置、热回收装置和可能的其它排放控制装置。涡轮16可驱动产生电能的发电机24或者其它类型的机械负荷。

可通过多种传感器26监测燃气涡轮发动机系统10的运行，这些传感器检测压缩机12、涡轮16、发电机24及周围环境的各种状态。例如，传感器26可监测围绕燃气涡轮发动机系统10的环境温度、压力和湿度，压缩机排出压力和温度，涡轮排气温度，以及在燃气涡轮发动机内的其它压力和温度测量值。传感器26还可包括流量传感器、速度传感器、火焰检测器传感器、阀位置传感器、导向叶片角度传感器以及其它感测与燃气涡轮发动机系统10的运行相关的各种参数的传感器。如此处所使用的，“参数”表示物理特性，该物理特性的值可用于限定燃气涡轮发动机系统10的运行状态，例如温度、压力和限定位置处的流体流量等。

除了上述的传感器26之外，还存在一个或多个传感器34以监测或测量足以确定在下述的在线燃料重整器之前或之后的燃料MWI的燃料特性。为了使用本发明，需要确定代表用于固定燃料特性的燃料MWI(例如仅仅燃料温度)的参数。

燃料控制器28响应来自控制系统18的命令，以连续地调节从燃料供给流动到(多个)燃烧器14的燃料，以及将燃料分流到多个位于(多个)燃烧器14的每个内的燃料喷嘴注入器。燃料控制系统28还可由控制器18支配，从而当可获得超过一种的燃料时，为燃烧器选择燃料类型或燃料的混合物。通过调整多个燃料气体控制阀之间的燃料的分流，使排放和动态性在机器负荷范围上优化。燃料分流调整主要取决于称为燃烧参考温度的计算参数，其作为机器排气温度、压缩机排出压力和其它连续监测的机器参数的函数。

控制系统18可以是具有(多个)处理器的计算机系统，该处理器执行程序以使用上述的传感器输入以及来自人工操作者的指令来控制燃气涡轮的运行。由控制系统18所执行的程序可包括用于调节到达(多个)燃烧器14的燃料流量和燃料分流的调度算法。更具体地，由控制系统所产生的命令使得燃料控制器28内的促动器调节流到燃烧器中的流量、燃料分流和燃料类型；调整压缩机上的进口导向叶片21，以及促动燃气涡轮上的其它控制设备。

因此，该算法使得控制系统18在部分负荷到全负荷燃气涡轮运行条件下，能够使燃烧器点火温度和排气温度保持在预定的温度界限内，并且使涡轮排气NOx和CO排放保持为低于预定的界限。燃烧器14可以是DLN燃烧系统，控制系统18可以编程或修改为用于根据预定的燃料分流调度为DLN燃烧系统控制燃料分流，该预定的燃料分流调度通过微调工艺进行修改，该微调工艺在每次主燃烧器和燃气涡轮维修停机后进行，以优化排放和燃烧动态性。燃烧器燃料分流也通过定期的微调工艺来设置以满足性能目标，同时遵守燃气涡轮的可运行边界。所有这种控制功能的目的是优化燃气涡轮的可操作性、可靠性及可用性。

将催化模块32添加到一个或多个燃烧器燃料回路(见图1)的燃料管线中以部分重整，即部分氧化小部分燃料，从而形成氢气和一氧化碳，它们添加到未重整的燃料的剩余部分中。种类的变化，以及空气的添加和热释放相结合以调整燃料的沃泊数。此外，可以调整重整量以使沃泊数保持在预定范围内，并提高低负荷时的稳定性，或因为H2对贫油预混合燃烧的作用而可以使排放降低。

上述的方法和装置提供了节约成本的和可靠的设备，其用于自动和连续地调整气体燃料特性，以允许燃料成分产生较大变化。更具体地，该方法便于装有低NOx排放燃烧系统的重型燃烧燃气涡轮在较大的燃料变化下运行。结果，此处描述的方法和装置便于燃气涡轮发动机以节省成本的和可靠的方式运行。

本方法和装置的技术效果是提供一种系统，其通过对主燃料流的一部分的部分氧化来自动地和连续地调整气体燃料特性，以允许用于燃气涡轮发动机的燃料成分产生较大的变化。

尽管此处在用于发电或工业环境的燃气涡轮发动机的情况下对方法和装置进行了描述，预期的是，此处所描述的方法和装置可用于其它使用以气体作燃料的燃烧器的燃气涡轮系统应用中。另外，此处所描述的原理和教导可应用于使用多种可燃气体燃料的燃气涡轮发动机，该气体燃料诸如但不限于天然气、LPG(液化石油气体)、LNG(液化天然气)、工业工艺的尾气气体以及其它合成气体。因此，此处的描述仅以示意性方式而不是以限制性方式进行阐述。

虽然按照各种具体实施例对本发明进行了描述，但是本领域技术人员将认识的是，本发明可以在权利要求的精神和范围内在具有修改的情况下进行实施。

Claims (6)

1.一种燃气涡轮发动机系统，其包括压缩机、多个燃烧器和涡轮，其中，包括燃料控制器的控制系统调节到达每个燃烧器的燃料和压缩机空气输入，并且在线燃料重整器设置在所述多个燃烧器中的一个或多个的上游，以通过部分氧化而重整从供给到所述一个或多个燃烧器的燃料分流的部分，并且所述燃料的已重整的部分添加到所述燃料的未重整的剩余部分；

其中，燃料种类的变化、以及空气的添加和热释放相结合以调整燃料的沃泊数；由此所述系统通过对主燃料流的一部分的部分氧化来自动地和连续地调整气体燃料特性，以允许用于燃气涡轮发动机的燃料成分产生较大的变化。

2.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机系统，其特征在于，所述在线燃料重整器包括催化模块。

3.根据权利要求2所述的燃气涡轮发动机系统，其特征在于，所述控制系统调节所述燃料的在所述催化模块内重整的所述部分，以将所述燃料的沃泊数保持在预定范围内。

4.根据权利要求2所述的燃气涡轮发动机系统，其特征在于，所述催化模块位于所述控制系统和所述燃料控制器的下游。

5.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机系统，其特征在于，供给到所述系统的燃料包括不同成分的多源燃料，所述在线重整器包括用于氧化所述燃料的供给到所述一个或多个燃烧器的所述部分以形成氢气和一氧化碳的装置。

6.一种调节供给到燃气涡轮的一个或多个燃烧器的多成分气体燃料的沃泊数的方法，其包括：

(a)提供用于调节到达所述一个或多个燃烧器的燃料和空气流的控制系统；以及

(b)通过部分氧化而重整从供给到所述一个或多个燃烧器的燃料分流的部分，以形成待与所述燃料的未重整的剩余部分一起供给到所述一个或多个燃烧器的氢气和一氧化碳；

其中，调整所述燃料的已重整的部分，以使供给到所述一个或多个燃烧器的燃料的沃泊数保持在预定范围内；

其中，燃料种类的变化、以及空气的添加和热释放相结合以调整燃料的沃泊数；由此所述系统通过对主燃料流的一部分的部分氧化来自动地和连续地调整气体燃料特性，以允许用于燃气涡轮发动机的燃料成分产生较大的变化。