CN101907021A - 用于控制燃料的卡路里含量的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明大致涉及一种用于将具有期望卡路里含量的燃料提供给在一定运转级别范围上的燃烧发动机的系统和方法。该系统在混合点将来自第一燃料供应管道的第一燃料与来自第二燃料供应管道的第二燃料混合以产生具有第一卡路里含量的混合燃料。控制阀位于在混合点上游的第二燃料供应管道中。在混合点下游的过程系统处理混合燃料以形成具有第二卡路里含量的经过处理的混合燃料。第一控制信号反映混合燃料的第一卡路里含量。第二控制信号反映经过处理的混合燃料的第二卡路里含量。第三控制信号反映燃烧发动机的运转级别。连接至控制阀的控制器基于第一、第二和第三控制信号操作控制阀。

Description

用于控制燃料的卡路里含量的系统和方法
技术领域
本发明大致包括用于控制燃料的卡路里含量的系统和方法。更具体而言，本发明将具有不同卡路里含量的多种燃料组合以产生具有期望卡路里含量的经过处理的混合燃料。
背景技术
燃烧发动机依赖于稳定的燃料供应来初始化和保持期望的燃烧速度。例如，燃气涡轮上的燃烧器点燃燃料以产生具有高温、高压和高速的燃烧气体。燃料喷射系统将燃料供应至燃烧器以通过火焰点燃。在低功率水平，燃料喷射系统必须提供具有较高卡路里含量的燃料以保持燃烧并避免火焰的“熄灭”。相反地，在高功率水平对“熄灭”的担忧较少，并且具有更低卡路里含量的燃料更加经济。
商业燃烧发动机可使用的燃料包括高炉气体、焦炉气体、天然气和丙烷。这些燃料中的各个的卡路里含量均不相同。另外，任何具体燃料的卡路里含量可变化，其取决于燃料源和该具体燃料的物理特性，例如纯度、温度和压力。例如，高炉气体和焦炉气体是钢铁工业中燃烧焦炭产生的副产品；而天然气和丙烷是从天然形成的甲烷和石油的地下沉积物处理而成。也称为转炉气体或LD气体的高炉气体的卡路里含量可在700kCal/m3与950kCal/m3之间变化。焦炉气体的卡路里含量可在3900kCal/m3与4400kCal/m3之间变化。天然气和石油的卡路里含量通常超过4100kCal/m3。
燃料的单位成本一般随着燃料的卡路里含量增加而增加。因此，现存的各种系统和方法通过将较廉价、卡路里含量较低的燃料与较昂贵、卡路里较高的燃料混合以获得具有期望卡路里含量的混合燃料而减少燃料成本。
例如，美国专利7,396,228描述一种燃料气体卡路里控制方法和设备，其混合具有不同卡路里含量的多种燃料以获得具有期望卡路里含量的混合燃料。该系统和方法依赖于组分燃料的测定流速和测定卡路里含量来计算和预测混合燃料所得到的卡路里含量。
各种因素可能影响用来预测混合燃料所得到的卡路里含量的计算的精度。例如，精确的流量测量取决于所供应燃料的压力，并且所供应燃料的压力可随时间而改变。另外，组分燃料通常通过大体积、低压管道供应，其进一步影响任何流量测量的精度。
系统过程可进一步改变混合燃料的实际或期望卡路里含量。例如，混合燃料可在引导到燃烧发动机中之前被加压，改变了混合燃料的卡路里含量。此外，混合燃料的最佳或期望卡路里含量可基于燃烧发动机的运转级别的改变而改变。
因此，需要这样一种燃料控制系统，其不依赖于组分燃料流量的精确测量来产生具有期望卡路里含量的混合燃料。另外，需要这样一种燃料控制系统，其可调节混合燃料的卡路里含量以应对在混合之后对混合燃料的随后处理引起的卡路里含量的变化。最后，需要这样一种燃料控制系统，其可基于燃烧发动机的运转级别的变化来调节供应至燃烧发动机的经过处理的混合燃料的期望卡路里含量。
发明内容
本发明的方面和优点在以下描述中阐述，或可从描述清楚，或可通过实施本发明而获知。
本发明的一个实施例为一种用于将具有期望卡路里含量的燃料提供给在一定运转级别范围上的燃烧发动机的系统。该系统包括包含第一燃料的第一燃料供应管道。包含第二燃料的第二燃料供应管道在混合点连接至第一燃料供应管道，使得第一燃料与第二燃料混合而形成具有第一卡路里含量的混合燃料。控制阀位于在混合点上游的第二燃料供应管道中。在混合点下游的过程系统处理混合燃料以形成具有第二卡路里含量的经过处理的混合燃料。第一控制信号反映混合燃料的第一卡路里含量。第二控制信号反映经过处理的混合燃料的第二卡路里含量。第三控制信号反映燃烧发动机的运转级别。连接至控制阀的控制器基于第一、第二和第三控制信号操作控制阀。
本发明的另一实施例为一种用于将具有期望卡路里含量的燃料提供给在一定运转级别范围上的燃烧发动机的系统。在此实施例中，该系统包括包含第一燃料的第一燃料供应管道。包含第二燃料的第二燃料供应管道在混合点连接至第一燃料供应管道，使得第一燃料与第二燃料混合以形成具有第一卡路里含量的混合燃料。控制阀位于在混合点上游的第二燃料供应管道中。在混合点下游的过程系统处理混合燃料以形成具有第二卡路里含量的经过处理的混合燃料。在过程系统下游的微调热量计产生反映经过处理的混合燃料的第二卡路里含量的微调控制信号。连接至控制阀的控制器基于来自微调热量计的微调控制信号调节控制阀。
本发明的另一实施例为一种用于将具有期望卡路里含量的燃料提供给在一定运转级别范围上的燃烧发动机的方法。该方法包括确定燃料的期望卡路里含量并且将第一燃料流与第二燃料流混合以产生具有第一卡路里含量的混合燃料。该方法还包括测量混合燃料的第一卡路里含量并且处理混合燃料以产生具有第二卡路里含量的经过处理的混合燃料。该方法还测量经过处理的混合燃料的第二卡路里含量并且基于期望卡路里含量、混合燃料的第一卡路里含量和经过处理的混合燃料的第二卡路里含量调节第二燃料流。
在阅读本说明书后，本领域技术人员将更好地理解此类实施例及其它实施例的特征和方面。
附图说明
本发明的全部及生效的公开，包括对于本领域技术人员而言的本发明的最佳模式，在本说明书的剩余部分更具体地阐述，包括参照附图，在附图中：
图1是根据本发明一个实施例的燃料控制系统的简图；以及
图2是根据本发明一个实施例的燃料流量控制器的框图。
标号列表
10燃料控制系统；12多个燃料源；14管道；16燃烧发动机；18隔离阀；20低能量供应管线；22高能量供应管线；24控制阀；26混合点；28混合燃料传感器；29附加电路；30混合燃料控制信号；32压缩机；34热交换器；36微调传感器；38微调控制信号；40控制器；42第一控制信号；44第二控制信号；46第三控制信号；48混合微调方框；50微调值；52运转级别-期望卡路里方框；54期望卡路里含量；56期望卡路里-微调值方框；58调节的卡路里含量
具体实施方式
现将详细参考本发明的实施例，其一个或多个实例在附图中示出。详细描述使用数字和字母标记来指代附图中的特征。附图和描述中相同的标记用来指代本发明中相同的部分。
通过对本发明进行说明的方式，提供了各实例，其并不限制本发明。实际上，本领域技术人员将清楚的是，可在本发明中作出改型和变型而不脱离本发明的范围或精神。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可用于另一实施例上以产生又一实施例。因此，本发明意图涵盖处于权利要求及其等同物的范围内的此类改型和变型。
图1提供根据本发明一个实施例的燃料控制系统10的简图。如图所示，燃料控制系统10大致包括多个燃料源12、将多个燃料源12连接至燃烧发动机16的管道14、以及用以在需要的比例组合多个燃料源12以产生具有期望卡路里含量的燃料的仪器和控制装置。
多个燃料源12在图1的左侧示出。燃料源可包括可由燃烧发动机16使用的任何燃料，例如高炉气体(BFG)、焦炉气体(COG)、天然气(NG)和丙烷(P)。隔离阀18可用来将各燃料源连接至管道14。隔离阀18的使用允许将特定燃料源选择使用或从燃料控制系统10隔离，其取决于各燃料的可用性。
各燃料源可根据燃料的相对卡路里含量进行设置。较廉价且能量较低的燃料(例如，BFG)通过低能量供应管线20连接至管道。较昂贵和能量较高的燃料(例如，COG、NG和P)连接至高能量供应管线22。分开的低能量供应管线20和高能量供应管线22的使用允许燃料控制系统10基于燃料可用性选择或接收多个低能量和高能量的燃料源。
将多个燃料源12连接至燃烧发动机16的管道14可为任何方式的用于将燃料从燃料源传送至目的地的管道、管线或传送装置。图1所示的实施例未包括将多个燃料源12连接至燃烧发动机16的管道14中的流量测量设备；然而，如果需要的话备选实施例可包括此类设备。
控制阀24在混合点26将高能量供应管线22连接至低能量供应管线20，使得较高能量的燃料与较低能量的燃料混合而产生混合燃料。混合点26可包括用于将低能量燃料和高能量燃料组合的任何结构，例如低能量供应管线和高能量供应管线交汇的罐或者就是管道。控制阀24可为可变流量孔口、节流阀、调节阀或任何用于调节可变流量的等同结构。控制阀24一般安装在运送较高压力燃料的供应管线上，其为图1中的高能量供应管线。控制阀24的位置因此确定了与较低能量燃料混合以改变混合燃料的卡路里含量的较高能量燃料的量。例如，打开控制阀24增加了添加至混合燃料的较高能量燃料的量，因此提高了混合燃料的卡路里含量。
混合燃料传感器28可位于混合点26的下游以对混合燃料进行取样并且提供反映混合燃料的卡路里含量的混合燃料控制信号30。混合燃料传感器28尽可能合理地可行地靠近混合点26定位以允许混合燃料的即时测量以及相应地对燃料需求的瞬时变化的更快的响应。另外，燃料控制系统10在混合点的下游较清洁，所以将混合燃料传感器28定位在混合点26的下游有利于混合燃料传感器28的保养。
混合燃料传感器28可为高速热量计、质谱仪、色谱仪或能够测量混合燃料的卡路里含量、氢水平、低热值(LHV)、沃泊指数或任何其它参数以提供反映混合燃料的卡路里含量的混合燃料控制信号30的任何类似的仪器。另外，多个混合燃料传感器28可用来在单个传感器失效的情况下提供冗余度。如果使用多个混合燃料传感器28，则附加的电路29可被用来选择平均、高或低传感器以产生混合燃料控制信号30。
混合燃料通常经过一个或多个系统过程以在到达燃烧发动机16之前产生经过处理的混合燃料。系统过程包括修改混合燃料的任何物理特性或组分的任何构件，例如加湿器、减湿器、压缩机、热交换器和/或化学品添加站。例如，如图1所示，混合燃料可经过压缩机32和/或热交换器34以调节混合燃料的压力和/或温度。混合燃料的压力和/或温度的变化产生经过处理的混合燃料的基于体积的卡路里含量的相应变化。另外，从混合燃料添加或除去不可燃气体和液体也可改变经过处理的混合燃料基于体积的卡路里含量。
位于系统过程下游的微调传感器36对经过处理的混合燃料进行取样。微调传感器36提供反映经过处理的混合燃料的卡路里含量的微调控制信号38。微调传感器36可尽可能合理可行地靠近燃烧发动机16定位以允许在经过处理的混合燃料引导到燃烧发动机16之前对其进行测量。微调传感器36可为高速热量计、质谱仪、色谱仪或能够测量经过处理的混合燃料的卡路里含量、氢水平、低热值(LHV)、沃泊指数或任何其它参数以提供反映经过处理的混合燃料的卡路里含量的微调控制信号38的任何类似的仪器。另外，多个传感器可用来在单个传感器失效的情况下提供冗余度。如果使用多个传感器，则附加的电路可用来选择平均、高或低传感器以产生微调控制信号38。
控制器40确定控制阀24的位置。许多等同算法可使控制器40能够精确地定位控制阀24以在燃料中产生期望的卡路里含量。图2提供根据本发明一个实施例的一个算法的框图。
如图2所示，控制器40可接收来自混合燃料传感器28的第一控制信号42、来自微调传感器36的第二控制信号44以及来自燃烧发动机16的第三控制信号46。来自混合燃料传感器28的第一控制信号42可为反映混合燃料的卡路里含量的混合燃料控制信号30。来自微调传感器36的第二控制信号44可为反映经过处理的混合燃料的卡路里含量的微调控制信号38。来自燃烧发动机16的第三控制信号46可反映兆瓦负荷、点火温度或其它指示燃烧发电机16的运转级别的信号。
在方框48，控制器40将第一(混合燃料)控制信号42与第二(微调)控制信号44进行对比以确定微调值50。微调值50为混合燃料与经过处理的混合燃料之间的卡路里含量的变化。控制器40可调节第一(混合燃料)控制信号以考虑混合燃料从混合燃料传感器28传送至微调传感器36的运输时间，如图2中通过滞后(LAG)方框所示。这允许控制器40更精确地将混合燃料在混合燃料传感器28处的卡路里含量与相同的混合燃料作为经过处理的混合燃料到达微调传感器36之后的卡路里含量进行对比。
在方框52，控制器40基于反映燃烧发动机16的运转级别的第三控制信号46确定期望卡路里含量54。对于一些实施例而言，期望卡路里含量54可在燃烧发动机16的运转级别范围上保持恒定。对于其它实施例而言，期望卡路里含量54可根据具体的设计考虑在燃烧发动机16的运转级别范围上改变。
在方框56，控制器40将期望卡路里含量54与微调值50进行对比以确定调节的期望卡路里含量58。
在方框60，控制器将调节的卡路里含量58与第一(混合燃料)控制信号42进行对比以控制控制阀24的操作。如果调节的卡路里含量58大于第一(混合燃料)控制信号42，则控制器40打开控制阀24以增加高能量燃料的流量，从而增加通过系统10产生的燃料的所得到的卡路里含量。相反，如果调节的卡路里含量58小于第一(混合燃料)控制信号42，则控制器40关闭控制阀24以减小高能量燃料的流量，从而减小通过系统10产生的燃料的所得到的卡路里含量。
本领域技术人员应当理解的是，可对本文所述的本发明的实施例作出改型和变型而不脱离如权利要求和它们的等同物所阐述的本发明的范围和精神。

Claims (10)

1.一种用于将具有期望卡路里含量(54)的燃料提供给在一定运转级别范围的燃烧发动机(16)的系统(10)，包括：
包含第一燃料的第一燃料供应管道(20)；
第二燃料供应管道(22)，所述第二燃料供应管道(22)包含第二燃料并且在混合点(26)连接至所述第一燃料供应管道(20)，使得所述第一燃料与所述第二燃料混合而形成具有第一卡路里含量的混合燃料；
位于在所述混合点(26)的上游的所述第二燃料供应管道(22)中的控制阀(24)；
在所述混合点(26)的下游的压缩机(32)，用于增加所述混合燃料的压力以形成具有第二卡路里含量的加压混合燃料；
反映所述混合燃料的所述第一卡路里含量的第一控制信号(42)；
反映所述加压混合燃料的所述第二卡路里含量的第二控制信号(44)；
反映所述燃烧发动机(16)的运转级别的第三控制信号(46)；以及
连接至所述控制阀(24)的控制器(40)，用于基于所述第一控制信号(42)、所述第二控制信号(44)和所述第三控制信号(46)操作所述控制阀(24)。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括在所述混合点(26)的下游产生所述第一控制信号(42)的混合燃料热量计(28)。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括在所述压缩机(32)的下游产生所述第二控制信号(44)的微调热量计(36)。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述微调热量计(36)接近所述燃烧发动机(16)。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第三控制信号(46)在所述燃烧发动机(16)的所述运转级别范围上变化。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述期望卡路里含量(54)随着所述燃烧发动机(16)的所述运转级别增加而减小。
7.一种用于将具有期望卡路里含量(54)的燃料提供给在一定运转级别范围的燃烧发动机(16)的系统(10)，包括：
包含第一燃料的第一燃料供应管道(20)；
第二燃料供应管道(22)，所述第二燃料供应管道(22)包含第二燃料并且在混合点(26)连接至所述第一燃料供应管道(20)，使得所述第一燃料与所述第二燃料混合以形成具有第一卡路里含量的混合燃料；
位于在所述混合点(26)的上游的所述第二燃料供应管道(22)中的控制阀(24)；
在所述混合点(26)的下游的压缩机(32)，用于增加所述混合燃料的压力以形成具有第二卡路里含量的加压混合燃料；
在所述压缩机(32)的下游的微调热量计(36)，所述微调热量计(36)产生反映所述加压混合燃料的所述第二卡路里含量的微调控制信号(44)；以及
连接至所述控制阀(24)的控制器(40)，用于基于来自所述微调热量计(36)的所述微调控制信号(44)调节所述控制阀(24)。
8.一种用于将具有期望卡路里含量(54)的燃料提供给在一定运转级别范围的燃烧发动机(16)的方法，所述方法包括：
确定所述燃料的所述期望卡路里含量(54)；
将第一燃料流(20)与第二燃料流(22)混合以产生具有第一卡路里含量的混合燃料；
测量所述混合燃料的所述第一卡路里含量；
压缩所述混合燃料以产生具有第二卡路里含量的压缩混合燃料；
测量所述压缩的混合燃料的所述第二卡路里含量；
基于所述期望卡路里含量、所述混合燃料的所述第一卡路里含量以及所述压缩的混合燃料的所述第二卡路里含量来调节所述第二燃料流。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括基于所述燃烧发动机(16)的所述运转级别确定所述期望卡路里含量(54)。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括当所述燃烧发动机(16)的所述运转级别改变时改变所述期望卡路里含量(54)。
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