CN102330606B - 用于燃料和稀释剂控制的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于燃料和稀释剂控制的系统，具体而言，根据不同的实施例，一种系统包括配置成控制进入燃烧系统(166)的燃料喷嘴(252)的第一燃料(168)的第一流量和第二燃料(172)的第二流量之间的燃料过渡的燃料控制器(182)。该燃料控制器(182)配置成调整与第二燃料(172)的第二流量结合的稀释剂(176)的第三流量，从而将跨越燃料喷嘴(252)的压力比保持在预定的操作压力比之上。

Description

用于燃料和稀释剂控制的系统
技术领域
本文公开的主题涉及流量控制系统，且更特别地，涉及用于燃料和稀释剂流量控制的系统。
背景技术
各种燃烧系统燃烧燃料以产生能量。例如，整体气化联合循环(IGCC)发电设备包括燃烧燃料以产生驱动负载的能量的一个或多个燃气涡轮发动机。燃气涡轮发动机所使用的其中一种燃料可为由IGCC发电设备的一个或多个气化器产生的合成气。燃气涡轮发动机的操作可要求最小燃料喷嘴压力比以防止驻焰、闪回或其它问题。结果，燃气涡轮发动机可能不能在对于某些燃料(例如合成气)的最低负载之下操作。例如，在启动期间，燃气涡轮发动机可使用天然气操作直至最小负载，然后过渡至使用合成气操作。此操作极限降低了燃气涡轮发动机和IGCC发电设备的效率。
发明内容
以下概述了在范围上与最初要求保护的发明相称的某些实施例。这些实施例不意图限制所要求保护的发明的范围，相反这些实施例仅意图提供本发明的可能形式的简要概述。事实上，本发明可包括可与以下详述的实施例相似或相异的多种形式。
在第一实施例中，一种系统包括配置成控制进入燃烧系统的燃料喷嘴的第一燃料的第一流量和第二燃料的第二流量之间的燃料过渡的燃料控制器。该燃料控制器配置成调整与第二燃料的第二流量结合的稀释剂的第三流量，从而将跨越燃料喷嘴的压力比保持在预定的操作压力比之上。
在第二实施例中，燃料控制器配置成控制跨越燃烧系统中的燃料喷嘴的压力比，以防止闪回或驻焰。该燃料控制器配置成调整与燃料的第二流量结合的稀释剂的第一流量，从而将压力比保持在预定的操作压力比之上。
在第三实施例中，系统包括燃料控制器，燃料控制器配置成调整与燃料的第二流量结合的稀释剂的第一流量，从而将跨越燃料喷嘴的压力比维持在预定的操作压力比之上。燃料控制器配置成增加稀释剂的第一流量并降低燃料的第二流量，以使得燃烧发动机能够在较低负载下操作。
附图说明
当参考附图阅读以下具体实施方式时，本发明的这些和其它特征、方面以及优点将变得更好理解，其中贯穿附图，相似的标号代表相似的部件，其中：
图1是结合了燃气涡轮发动机与配置成扩展燃气涡轮发动机的操作范围的燃料控制系统的IGCC发电设备的一个实施例的方块图；
图2是结合了配置成扩展燃气涡轮发动机的操作范围的燃料控制系统的一个实施例的燃气涡轮发动机的方块图；
图3是对于根据一个实施例的燃气涡轮发动机的操作包络线的曲线图；
图4是配置成扩展燃气涡轮发动机的操作范围的燃料控制系统的一个实施例的方块图；
图5是使用基于时间表控制的燃料控制系统的一个实施例的方块图；
图6是使用用于闭环控制的转换函数的燃料控制系统的一个实施例的方块图；以及
图7是使用用于闭环控制的模型的燃料控制系统的一个实施例的方块图。
零部件列表
100整体煤气化联合循环(IGCC)系统
102燃料源
104给料准备单元
106气化器
108熔渣
110气体净化器
111硫
112硫处理器
113盐
114水处理单元
116碳捕获系统
118燃气涡轮发动机
120燃烧器
122空气分离单元(ASU)
123补充空气压缩机
124稀释氮气压缩机(DGAN)
128冷却塔
130涡轮
131驱动轴
132压缩机
134负载
136蒸汽涡轮发动机
138热回收蒸汽发生(HRSG)系统
140第二负载
142冷凝器
160进气段
162排放段
164燃烧器外壳
166燃烧器段
168第一燃料
170第一燃料控制阀
172第二燃料
174第二燃料控制阀
176稀释剂
178稀释剂控制阀
180注射管线
182燃料控制系统
184进气段传感器
186压缩机传感器
188燃烧器传感器
192涡轮传感器
194排放传感器
196到第一燃料、第二燃料和/或稀释剂控制阀的信号
198来自传感器的信号
210燃气涡轮发动机的操作包络线的曲线图
212 x轴线
214 y轴线
216天然气控制阀最小冲程曲线
218最小FNPR曲线
220代表大约30％的负载的线
222操作区域
224合成气控制阀最小冲程曲线
226代表大约15％的负载的线
228扩展的操作区域
240燃料控制系统
242稀释剂管线
244第二燃料管线
246第二燃料混合物管线
248 LHV传感器
250第一燃料管线
252燃烧器燃料喷嘴
254块
256块
270使用基于时刻表控制的燃料控制系统
272稀释剂流量计
274操作参数块
276将稀释剂流量从时刻表块进行识别
278稀释剂流量设定点块
280稀释剂流量块
282将稀释剂流量与设定点进行比较的块
284维持阀设定点块
286调整阀设定点块
300使用用于闭环控制的转换函数的燃料控制系统
302用转换函数计算FNPR的块
304将计算的FNPR与低低FNPR进行比较的块
306转换至第一燃料的块
308将计算的FNPR与低FNPR进行比较的块
310维持LHV设定点块
312降低LHV设定点块
314将LHV和LHV设定点进行比较的块
316维持阀设定点块
318调整阀设定点块
330使用用于闭环控制的模型的燃料控制系统
332实时模型预测FNPR的块
334将预测的FNPR与低低FNPR进行比较的块
336将预测的FNPR与低FNPR进行比较的块
具体实施方式
以下将描述本发明的一个或多个特定实施例。为了提供对这些实施例的简要描述，在本说明书中可能不描述实际实施方式的全部特征。应该理解的是，在任何此类实际实施方式的开发中，如在任何工程或设计项目中一样，必须做出许多实施方式特定的决定来达成开发者的特定目标，例如遵循系统相关和业务相关的限制，这可能从一个实施方式到另一个实施方式而不同。而且，应该理解的是，此类开发努力可能是复杂而耗时的，但对于那些受惠于本发明公开的本领域技术人员仍将成为设计、制造以及生产中的日常工作。
当介绍本发明的各种实施例的要件时，用词“一”、“一个”、“该”以及“所述”意在指存在一个或多个要件。用词“包括”、“包含”以及“具有”意在为包括性的，并且表示除了所列举的要件之外可能还有另外的要件。
如以下所讨论的，所公开的实施例通过稀释燃料以控制燃料喷嘴压力比(FNPR)而增加燃气涡轮发动机的操作范围，从而使得能够利用燃料在较低负载下进行操作。此外，所公开的实施例能够控制跨越燃气涡轮发动机的整个操作范围的FNPR。燃气涡轮发动机可燃烧一种或多种不同的燃料。例如，IGCC发电设备中所使用的燃气涡轮发动机可燃烧由一个或多个气化器产生的合成气作为燃料。然而，合成气的可获得性会受到启动、关闭、计划外停机或例行维护的影响。在此类情况期间，燃气涡轮发动机可使用天然气而非合成气或天然气和合成气的组合。当燃料的发热值之间存在大的差异时，如对于天然气和合成气，各燃料可被引向燃烧系统的单独的燃料喷嘴。例如，在某些实施例中，天然气可被引向主喷嘴而合成气可被引向辅助喷嘴。由于燃料的设计流率和发热值方面的差异，主喷嘴的喷嘴面积可小于辅助喷嘴的喷嘴面积。在其它实施例中，其中两种燃料的发热值相近，一种燃料喷嘴可用于两种燃料。诸如控制阀的装置可用来调整燃料和/或燃料混合物的流率。
除了燃料，可将稀释剂引向燃气涡轮机的燃烧器。通常，稀释剂可包括蒸气或气体，诸如惰性气体或非燃烧性气体或蒸气。稀释剂的具体示例包括但不限于氮气、二氧化碳、蒸汽、水蒸气或其组合。和燃料一样，稀释剂可被引向燃气涡轮发动机的燃烧器中单独的喷嘴。备选地，稀释剂可在喷入燃气涡轮发动机之前与一种或多种燃料混合。此外，诸如控制阀的装置可控制稀释剂的流率。
燃料控制系统可向燃料和稀释剂控制阀发送信号，以控制燃料和稀释剂的流率，从而控制燃气涡轮发动机的操作范围。为了确定燃料和稀释剂的流率，控制器可接收基于测量或计算参数的信号。在以下详细描述的各种实施例中，燃料控制系统可接收基于FNPR的信号，其定义为燃料供应压力除以燃烧器压力，例如上游压力除以下游压力。为了使燃料流入燃烧器，燃料供应压力大于燃烧器压力，这导致大于一的FNPR。此外，燃烧器的操作可限于最小或较低或预定FNPR操作的和最大或较高FNPR之间的操作。低于最小FNPR或高于最大FNPR的操作会导致不期望的燃烧动态变化、驻焰、闪回或其它问题。尽管可测量燃料供应压力，但燃烧器压力典型地是不能测量的。因此，FNPR不能直接测量，但可从其它燃气涡轮发动机操作状态推出。在以下描述的各种实施例中，可用于推出FNPR的燃气涡轮发动机操作状态的示例包括但不限于入口导叶(IGV)位置、校正速度、排放温度、燃料流率、燃料低热值(LHV)或它们的组合。校正速度指如果入口温度对应于海平面处的环境状态部件旋转将会所处的速度。
发热值可用于限定燃料的能量特性。例如，燃料的发热值可限定为由燃烧规定量的燃料释放的热量。特别是，LHV可限定为由燃烧规定量释放的热量(例如，最初处在25摄氏度或另一基准状态)并将燃烧产物的温度返回至目标温度(例如，150摄氏度)。LHV可用兆焦(MJ)每公斤(kg)为单位表示。在以下讨论中，LHV可用来指示各种燃料的发热值，但其并非以任何方式意图限制。在所公开的实施例的范围内可使用任何其他值来表征给料的能量和/或热输出。
在当前设想的实施例中，FNPR可由燃料控制系统用来控制燃料和稀释剂的流率，从而控制燃气涡轮发动机的操作范围。例如，所公开的实施例控制稀释剂流量以将FNPR维持在最小FNPR和最大FNPR之间，从而维持燃气涡轮发动机的整体性，而更具体地将FNPR维持在最小FNPR之上以防止闪回和驻焰。在最小FNPR之上，火焰被维持远离燃料喷嘴的末梢适当的距离。当火焰和燃料喷嘴的末梢之间的距离较小或不存在时，称为驻焰，火焰会损坏燃料喷嘴的末梢。此外，高于最小FNPR的操作可防止闪回，例如，上游火焰通过燃料喷嘴的移动。因此，最小FNPR可限定燃气涡轮发动机的操作包络线的一个边界。在所公开的实施例中，将稀释剂添加至燃料具体地维持了合适的FNPR，从而基于与燃料相关的最小FNPR消除了典型的操作边界。换言之，燃料可用稀释剂稀释以维持最小FNPR，同时允许燃气涡轮发动机以燃料在低得多的负载下操作。
因此，根据某些实施例，燃料控制系统可将氮气、蒸汽或其他稀释剂喷入其中一种燃料流以调整FNPR。具体而言，多种变量可影响FNPR，包括燃料比(当用多种燃料操作时)以及被供应给燃气涡轮发动机的稀释剂的流率。例如，降低合成气对天然气的比率降低了FNPR，且增加稀释剂的流率增加了FNPR。因此，在没有稀释剂的情况下，在最小合成气流率下操作可能造成FNPR下降到低于最小FNPR。例如，IGCC发电设备可包括将合成气供应给燃气涡轮发动机的若干气化器。如果关闭一个或多个气化器，合成气的总供应可能被降低到不足以使一个或多个燃气涡轮发动机在最小FNPR之上操作的水平。通过提高稀释剂的流率来升高FNPR，公开的实施例使得燃气涡轮发动机即使在一个或多个气化器关闭时也能够继续操作。在各种实施例中，稀释剂可在喷射到燃气涡轮发动机的燃烧器中之前与其中一种燃料混合。通过调整稀释剂的流率，燃料控制系统可将操作维持在最小FNPR之上，并因而有效地增加燃气涡轮发动机的操作范围。增加的操作范围在启动(例如，从天然气转换至合成气)、低需求时期或气化器的停机时间期间特别有利。
现在转向附图，图1是产生并燃烧合成气的IGCC系统100的一个实施例的简图。如以下详细讨论的，IGCC系统100可包括燃气涡轮发动机燃料控制器的一个实施例，其将FNPR维持在FNPR值的合适范围中从而防止闪回或驻焰。IGCC系统100的其它元件可包括燃料源102，其可为固体或液体，其可用作用于IGCC系统的能量源。燃料源102可包括煤炭、石油焦、油、生物质、木基材料、农业废弃物、柏油、焦炉煤气和沥青，或其它含碳物品。
燃料源102的燃料可传给给料准备单元104。给料准备单元104例如可通过砍削、碾磨、粉碎、破碎、压块来改变燃料源102的尺寸或形状，或堆码燃料源102以生成给料。此外，在给料准备单元104中可将水或其它合适的液体添加至燃料源102以生成浆状给料。在其它实施例中，没有向燃料源添加液体，因而产生了干燥给料。在另外的实施例中，如果燃料源102是液体，可省略给料准备单元104。
给料可从给料准备单元104传给气化器106。气化器106可将给料转换成合成气，例如，一氧化碳(CO)和氢气的组合。根据采用的气化器106的类型，此转换可通过将给料置于处于升高的压力(例如，从大约20bar到85bar)和温度(例如，大约700℃到1600℃)下的受控量的蒸汽和氧气中而达成。此气化过程可包括经历热解过程的给料，由此加热给料。在热解过程期间，取决于用来产生给料的燃料源102，气化器106内的温度可在从大约150℃到700℃之间变化。在热解过程期间给料的加热可产生固体(例如，炭)和残余气(例如，CO、氢气和氮气)。由热解过程从给料残余的炭可仅重达原始给料的重量的大约30％。
热解过程(也称为液化作用)期间产生的易挥发物可通过将氧气引向气化器106而部分地燃烧。易挥发物可与氧气反应以在燃烧反应中形成CO2和CO，这为后续的气化反应提供了热量。由燃烧反应产生的温度可在从大约700℃到1600℃之间变化。接下来，可在气化步骤期间将蒸汽引入气化器106。在从大约800℃到1100℃之间变化的温度下，炭可与CO2以及蒸汽反应以产生CO和氢气。本质上，气化器利用蒸汽和氧气来允许其中一些给料被“燃烧”并产生CO并释放能量，其驱动将更多的给料转换成氢气和另外的CO2的第二反应。
以此方式，气化器106制造合成的气体。此合成的气体可包括大约85％的等比例的CO和氢气，以及CH4，HCl，HF，COS，NH3，HCN和H2S(基于给料的硫含量)。此合成的气体可称为未处理合成气，因为其包括例如H2S。气化器106还可产生废弃物，诸如熔渣108，其可为潮湿的灰烬材料。此熔渣108可从气化器106去除，并例如作为路基或另一种建筑材料而处置。为了清洁未处理合成气，可利用气体净化器110。在一个实施例中，气体净化器110可为水煤气变换反应器。气体净化器110可清洁未处理合成气以从该未处理合成气去除HCl，HF，COS，HCN以及H2S，其可包括在硫处理器112中分离硫111。此外，气体净化器110可从未处理合成气通过水处理单元114分离盐113，水分离单元114可利用水净化技术从未处理合成气产生可用的盐113。随后，来自气体净化器110的气体可包括处理的合成气(例如，已经从合成气去除硫111)，以及痕量的其它化学物，例如，NH3(氨)和CH4(甲烷)。
在一些实施例中，可利用气体处理器来从处理后的合成气去除另外的残余气成分，例如氨和甲烷，以及甲醇或任何其它残余化学物。然而，从处理后的合成气去除残余气成分是可选的，因为处理后的合成气即便包含残余气成分时(例如尾气)也可用作燃料。在这一点上，处理后的合成气可包括大约3％的CO，大约55％的H2，以及大约40％的CO2，并且可大体上去除了H2S。
在一些实施例中，碳捕获系统116可去除并处理包括在合成气中的含碳气体(例如，按体积算大约80-100％或90-100％纯度的二氧化碳)。碳捕获系统116还可包括压缩机、净化器、供应用于蛰合或增强油回收的CO2的管线、CO2储罐及它们的任何组合。捕获的二氧化碳可转移至二氧化碳膨胀器，其降低二氧化碳的温度(例如，大约5-100℃，或大约20-30℃)，从而使得二氧化碳能够用作用于该系统的合适的冷却剂。冷却的二氧化碳(例如，大约20-40℃，或大约30℃)可循环通过该系统以满足其制冷需求或通过用于甚至更低的温度的后续的级而膨胀。已经去除了其含硫成分和大部分二氧化碳的处理后的合成气然后可传送至燃气涡轮发动机118的燃烧器120(例如燃烧室)作为可燃烧燃料。
IGCC系统100还可包括空气分离单元(ASU)122。ASU 122可操作以例如通过蒸馏技术将空气分离成成分气体。ASU 122可从由补充空气压缩机123供应给其的空气中分离出氧气，并且ASU 122可将分离的氧气传输给气化器106。此外，ASU 122可将分离的氮气引导至稀释剂氮气(DGAN)压缩机124。
DGAN压缩机124可将从ASU 122接收的氮气压缩至至少等于燃烧器120中的那些氮气的压力水平，以便不干扰合成气的适当燃烧。因此，一旦DGAN压缩机124已经充分地将氮气压缩至适当的水平，DGAN压缩机124就可将压缩的氮气传输至燃气涡轮发动机118的燃烧器120。氮气可用作稀释剂以例如促进控制排放物。
如之前所述，可将压缩的氮气从DGAN压缩机124传送至燃气涡轮发动机118的燃烧器120。燃气涡轮发动机118可包括涡轮130、驱动轴131和压缩机132，以及燃烧器120。燃烧器120可接收诸如合成气的燃料，其可在压力下从燃料喷嘴喷入。此燃料可与压缩空气以及来自DGAN压缩机124的压缩氮气混合，并在燃烧器120内燃烧。如以下详细所述，燃气涡轮发动机燃料控制器可调整燃料、压缩空气和/或压缩氮气的流率，以将FNPR保持在一定的值之间，从而防止闪回或驻焰。燃料的燃烧可产生热的增压排放气体。
燃烧器120可将排放气体引向涡轮130的排放出口。随着排放气体从燃烧器120通过涡轮130，该排放气体推动涡轮130中的涡轮叶片，以使驱动轴131沿着燃气涡轮发动机118的轴线旋转。如图所示，驱动轴131连接到燃气涡轮发动机118的各种部件上，包括压缩机132。
驱动轴131可将涡轮130连接到压缩机132上以形成转子。压缩机132可包括联接到驱动轴131上的叶片。因此，涡轮130中涡轮叶片的旋转可导致将涡轮130连接到压缩机132上的驱动轴131使压缩机132内的叶片旋转。压缩机132中的叶片的此旋转导致压缩机132压缩经由压缩机132中的空气进口接收的空气。压缩的空气然后可输送至压缩机120并与燃料以及压缩的氮气混合，以允许更高效率的燃烧。驱动轴131还可连接到负载134上，其可为静止负载，诸如发电机，以例如在动力设备中产生电功率。实际上，负载134可为任何合适的装置，该装置由燃气涡轮发动机118的旋转输出提供动力。
IGCC系统100还可包括蒸汽涡轮发动机136以及热回收蒸汽发生(HRSG)系统138。蒸汽涡轮发动机136可驱动第二负载140。该第二负载140也可为用于产生电功率的发电机。然而，第一负载130和第二负载140两者均可为能够由燃气涡轮发动机118以及蒸汽涡轮发动机136驱动的其它类型的负载。此外，尽管如图示实施例中所示燃气涡轮发动机118和蒸汽涡轮发动机136可驱动分离的负载134和140，但燃气涡轮发动机118和蒸汽涡轮发动机136也可串联使用来通过单个轴驱动单个负载。蒸汽涡轮发动机136以及燃气涡轮发动机118的具体构造可以是实施方式特定的，并且可包括多个部分的任何组合。
系统100还可包括HRSG 138。可将来自燃气涡轮发动机118的加热的排气运送到HRSG 138中，并用来加热水，且产生用来驱动蒸汽涡轮发动机136的蒸汽。例如，来自蒸汽涡轮发动机136的低压段的排气可被引入冷凝器142。冷凝器142可利用冷却塔128来用加热的水交换冷却的水。冷却塔128起作用以向冷凝器142提供冷水，从而协助冷凝从蒸汽涡轮发动机136传送到冷凝器142的蒸汽。来自冷凝器142的冷凝物又可被引入HRSG 138。再一次，来自燃气涡轮发动机118的排气也可被引入HRSG 138，以加热来自冷凝器142的水并产生蒸汽。
在诸如IGCC系统100的联合循环系统中，热排气可从燃气涡轮发动机118流动并通向HRSG 138，在此处其可用来产生高压、高温蒸汽。由HRSG 138产生的蒸汽然后可通过蒸汽涡轮发动机136用于动力发生。此外，所产生的蒸汽还可供应给其中可使用蒸汽的任何其它过程，诸如气化器106。燃气涡轮发动机118产生循环常称作“至顶循环”，而蒸汽涡轮发动机136产生循环常称作“及底循环”。通过如图1中所图示的组合这两个循环，IGCC系统100可在两个循环中导致更高的效率。特别是，来自至顶循环的排放热量可被捕获并用来产生在及底循环中使用的蒸汽。
图2是可包括示例性燃料控制系统的燃气涡轮发动机118的方块图，该示例性燃料控制系统配置成通过将稀释剂加入到燃料来维持合适的FNPR而扩展燃气涡轮发动机118的操作范围，从而防止闪回和驻焰。不仅燃气涡轮发动机118可用在以上所述的IGCC系统100中，并且在某些实施例中，燃气涡轮发动机118可用在飞机、船舶、机车、发电系统或它们的组合中。图示的燃气涡轮发动机118包括进气段160、压缩机132、燃烧器段166、涡轮130以及排气段162。涡轮130经由驱动轴131联接到压缩机132上。
如箭头所示，空气可通过进气段160进入燃气涡轮发动机118并流入压缩机132，压缩机132在空气进入燃烧器段166(也称为燃烧系统)前压缩空气。图示的燃烧器段166包括围绕驱动轴131同轴或环状地设置并位于压缩机132和涡轮130之间的燃烧器外壳164。来自压缩机132的压缩空气进入一个或多个燃烧器120，在此处压缩空气可与燃料在燃烧器120内混合并燃烧，以驱动涡轮130。热的燃烧气体从燃烧器段166流过涡轮130，经由驱动轴131驱动压缩机132。例如，燃烧气体可将原动力施加于涡轮130内的涡轮转子叶片从而使驱动轴131旋转。在流过涡轮130后，热的燃烧气体可通过排气段162离开燃气涡轮发动机118。
燃气涡轮发动机118可使用一种或多种燃料。例如，燃气涡轮发动机118可配置成燃烧第一燃料168，其可包括但不限于天然气、馏出物、液化石油气(LPG)或它们的组合。第一燃料控制阀170可调整第一燃料168的流率。然而，可使用其他流量调整或流量控制装置而不是图2中所示的控制阀。此外，燃气涡轮发动机118可配置成燃烧第二燃料172，其可包括但不限于合成气。如以上所述，合成气可由IGCC系统100的一个或多个气化器产生。第二燃料控制阀174可调整第二燃料172的流率。最终，可将稀释剂176注入燃气涡轮发动机118。如以上所述，稀释剂176的示例包括但不限于氮气、二氧化碳、蒸汽、水蒸气或其组合。稀释剂控制阀178可调整稀释剂176的流率。第一燃料168、第二燃料172以及稀释剂176可经由注入管线180引向燃烧器120。尽管注入管线180显示为单个管线，但对于第一燃料168、第二燃料172和/或稀释剂176的每一个可使用单独的管线。备选地，稀释剂176在注入燃烧器120之前可与第一燃料168或第二燃料172的任一种混合。此外，尽管示出为直接流向燃烧器120，但注入管线180可引向设置在燃烧器120的头部端中的一个或多个燃料喷嘴。
在图示的实施例中，燃料控制系统182或燃料控制器示意性地示出为处于燃烧器120和第一和第二燃料168和170以及稀释剂176之间。燃料控制系统182可从遍及燃气涡轮发动机118设置的多个传感器接收一个或多个信号或反馈，以通过控制稀释剂176来增大燃气涡轮发动机118的操作范围，从而防止闪回和驻焰。例如，进气段传感器184可向燃料控制系统182发送信号。由进气段传感器184测量参数的示例包括但不限于进气温度、进气压力、进气流率、进气湿度或它们的组合。接下来，压缩机传感器186可向燃料控制系统182发送信号。由压缩机传感器186测量的参数的示例包括但不限于一个或多个压缩机级处的压缩机温度、压缩机压力、入口导叶(IGV)位置或它们的组合。燃烧器传感器188可将指示燃烧器段166中的参数的信号发送给燃料控制系统182。由燃烧器传感器188测量的参数的示例包括但不限于FNPR、燃烧器温度、燃烧器压力、燃烧气体成分、燃烧动态变化、火焰特性或它们的组合。接下来，涡轮传感器192可用来测量涡轮130中的参数，并向燃料控制系统182发送信号。由涡轮传感器192测量的参数的示例包括但不限于一个或多个涡轮级处的涡轮温度、涡轮压力、涡轮速度、涡轮振动它们的组合。最终，排气传感器194可用来向燃料控制系统182发送信号。由排气传感器194测量的参数的示例包括但不限于排气温度、排气压力、排放气体成分(例如排放物)、驱动轴131的速度、校正速度或它们的组合。
响应于从燃气涡轮发动机118的各种传感器接收的信号198，燃料控制系统182可将信号196发送至第一燃料控制阀170，第二燃料控制阀174，和/或稀释剂控制阀178，以控制FNPR(或其它参数)，从而扩展燃气涡轮发动机118的操作范围。例如，燃料控制系统182可接收信号198，该信号指示需要更多的稀释剂176以便将FNPR增加到最小FNPR之上，和/或需要更少的稀释剂176以便将FNPR降低到最大FNPR之下。如果FNPR较低，则燃料控制系统182可发送信号196以打开稀释剂控制阀178和/或部分地关闭第一和第二燃料控制阀170和174。除了以上讨论的参数，设置在燃气涡轮发动机118内或设备附近的其它传感器可指示可由燃料控制系统182使用的参数。其它参数的示例包括但不限于发热值、负载状态、燃料压力、燃料流率、稀释剂压力、稀释剂流率或它们的组合。以下更详细地描述了燃料控制系统182使用的特定控制模式的示例。
图3显示了燃气涡轮发动机的操作包络线的一个实施例的曲线图210，图示了使用燃料控制系统182来调整稀释剂并从而调整FNPR的操作扩展。x轴线212指示第一燃料对第二燃料的比率，其可称为共燃比率。在曲线图210中，第一燃料是天然气而第二燃料是合成气。在x轴线212的左端上，共燃比率代表100％的天然气和0％的合成气。相应地，在x轴线212的右端上，共燃比率代表0％的天然气和100％的合成气。y轴线214代表燃气涡轮发动机的负载。具体而言，y轴线214的下端代表0％的负载而y轴线214的上端代表100％的最大负载。
在曲线图210中，天然气控制阀最小冲程曲线216代表燃气涡轮发动机的操作包络线的上边界。控制阀的冲程可指控制阀内的阀芯、阀杆、阀塞、阀球或类似装置的位置，其能够改变通过控制阀的流率。例如，在0％的冲程处，很少或没有流可通过控制阀。相应地，在100％的冲程处，流率可达到对于控制阀的最大值。此外，控制阀可具有最小冲程，不推荐在其下控制流率，因为控制可能变得不稳定。换句话说，不在最小冲程下控制流率，而是相反，通过将冲程减小至0％来关闭阀。最小冲程可为跨越控制阀的压降和/或通过控制阀的流率的函数。例如，在高流率下，天然气控制阀的最小冲程可接近0％。然而，随着流率降低，最小冲程可增大。
记住前述内容并返回曲线图210，天然气最小冲程曲线216随着负载降低逐渐向下并向左倾斜。例如，在大约100％的负载处，沿天然气曲线216对应的共燃比率为大约10％的天然气和90％的合成气。换言之，如果负载为大约100％，则天然气控制阀的最小冲程足够低以使得能够很好地将阀向下控制至对应于大约10％的天然气和90％的合成气的共燃比率的流率。相比之下，在大约15％的负载处，由线226所示，沿天然气曲线216对应的共燃比率为大约60％的天然气和40％的合成气。换言之，如果负载为大约15％，则天然气控制阀的最小冲程较大，使得仅能够很好地将阀控制至对应于大约60％的天然气和40％的合成气的共燃比率的流率。因而，在大约15％的负载处以小于大约60％的天然气操作可能是期望的，但由于天然气控制阀的最小冲程而不可能。更一般地，燃气涡轮发动机在较低负载下的操作可能限于比可期望的更高百分比的天然气和更低百分比的合成气。
在曲线图210中，最小FNPR曲线218代表燃气涡轮发动机的操作包络线的较低边界。FNPR随着燃料的发热值降低而升高。合成气比天然气具有更高浓度的氢，这意味着合成气的发热值低于天然气的发热值。例如，合成气可具有比天然气小3倍、4倍、5倍、6倍、7倍或8倍的发热值。因此，随着负载降低最小FNPR曲线218向下并向左倾斜。例如，在大约100％的负载处，沿最小FNPR曲线218对应的共燃比率为大约55％的天然气和45％的合成气。换言之，如果负载为大约100％，如果向燃气涡轮发动机供给至少45％的合成气，则可保持最小FNPR。相比之下，在大约15％的负载处，沿最小FNPR曲线218对应的共燃比率为大约25％的天然气和75％的合成气。换言之，如果负载为大约15％，最小FNPR更大，使得供给更多的合成气(即至少大约75％)以便将燃气涡轮发动机的操作维持在最小FNPR之上。因此，例如，在大约15％的负载处以少于大约75％的合成气操作可能是期望的，但是可能由于不能维持最小FNPR而不可能。更一般地，燃气涡轮发动机在较低负载下的操作可能限于比可期望的更低百分比的天然气和更高百分比的合成气。
此外，由线220代表的大约30％的最小负载可用作用于燃气涡轮发动机的操作包络线的第三边界。尽管燃气涡轮发动机可以在低于30％负载并在天然气和最小FNPR曲线216和218之间的小区域中操作，30％可选择为常规最小值以帮助防止燃气涡轮发动机快速越过由天然气和最小FNPR曲线216和218确立的边界，在边界处它们的曲率增加。因而，天然气控制阀最小冲程曲线216、最小FNPR曲线218以及30％的最小负载曲线220可限定操作区域222。
在图3中靠近曲线210的左侧还示出了合成气控制阀最小冲程曲线224。和天然气控制阀一样，合成气控制阀的控制在最小冲程之下可能变得不稳定。例如，在大约100％的负载附近，沿合成气曲线224对应的共燃比率为大约90％的天然气和10％的合成气。随着负载降低，合成气曲线224向右倾斜，使得在大约15％的负载处，沿合成气曲线224的对应共燃比率可为大约60％的天然气和40％的合成气。因而，在没有最小FNPR曲线的情况下，合成气控制最小冲程曲线224，将代表对于燃气涡轮发动机的操作包络线的下边界。
相应地，在以下描述的各种实施例中，可将稀释剂加入到达燃气涡轮发动机的燃料流中，以避免作为用于燃气涡轮发动机的操作包络线的下边界的最小FNPR曲线218。具体地，稀释剂的发热值可较低。因而，通过向燃料添加稀释剂，混合物的发热值被降低，这增加了FNPR。在某些实施例中，通过增加FNPR，可维持高于最小FNPR的操作，而同时降低供给至燃气涡轮发动机的合成气的数量。因而，燃气涡轮发动机的最小负载可从由线220代表的大约30％移动至由线226代表的大约15％，使得燃气涡轮发动机能够在低负载下操作。换句话说，通过将稀释剂添加到燃料操作的燃气涡轮发动机的操作包络线可不仅包括操作区域222，还可包括操作区域228，这是由于合成气控制阀最小冲程曲线224代表新的下边界而导致的。例如，燃气涡轮发动机在大约100％负载处的共燃比的范围可从大约45％合成气和55％天然气到90％合成气和10％天然气的范围增长至大约10％合成气和90％天然气到90％合成气和10％天然气的新范围。共燃比的范围对于新的15％的最小负载和100％的最大负载之间的所有负载增加。
燃气涡轮发动机的共燃比的增加的范围在启动和/或停机情形期间可以是有利的。例如，在IGCC设备100和燃气涡轮发动机118启动期间，因为一个或多个气化器106可能脱机，所以合成气可能不能立即以期望的数量提供。在不向燃料添加稀释剂的情况下，燃气涡轮发动机118的启动可能被延迟，直至对于燃气涡轮发动机118可提供足够的合成气以便在大约45％的合成气和55％的天然气的共燃比附近操作。然而，根据特定的实施例，燃料控制器可增大稀释剂的流量并降低合成气的流量，以便共燃比改变成大约10％合成气和90％天然气。因而，当可提供的合成气较少时，可启动燃气涡轮发动机118，这可使得燃气涡轮发动机118能够在IGCC设备100的启动期间更快启动。具体而言，根据一个实施例当把稀释剂添加到燃料中时燃气涡轮发动机118启动可快大约1小时、2小时、3小时或5小时。因而，可能减少启动期间满足排放许可极限的燃烧量(amount of flaring)。燃烧指的是来自升高的堆垛气体的燃烧。随着合成气在启动期间变得更加易于获得，燃料控制器可控制从天然气到合成气的燃料过渡，以维持高于最小FNPR的操作。相应地，在燃烧系统的关机期间，随着合成气变得难以获得，燃料控制器可控制从合成气到天然气的燃料过渡，以维持高于最小FNPR的操作。因而，在启动期间，低需求时期期间，或IGCC设备100的一个或多个气化器的维护或停机期间，升高的共燃比范围会是有利的。
图4是可用于如上所述实现增加的操作包络线并协助防止闪回和驻焰的燃料控制系统240的一个实施例的方块图。与图2中所示的那些元件共同的元件用相同的参考标号标示。在图示的实施例中，稀释剂176在注入燃气涡轮发动机中之前与第二燃料172混合。具体而言，稀释剂管线242可与第二燃料管线244连接以将稀释剂176与第二燃料172混合。稀释剂176和第二燃料172的混合物被通过稀释剂和第二燃料混合管线246引向燃气涡轮发动机。可将LHV传感器248(例如但不限于热量计)设置在稀释剂和第二燃料混合管线246上。第一燃料管线250将第一燃料168运送至燃气涡轮发动机。燃料控制系统182可调整流向燃烧器燃料喷嘴252的第一燃料168、第二燃料172和/或稀释剂176的流率。向燃烧器燃料喷嘴252运送第一燃料168、第二燃料172和稀释剂176的管线180可包括一条或多条管线。
在图4的块254中测量或计算FNPR。使用来自块254的FNPR和代表如由LHV传感器248测量的LHV的信号198，在块256中调整LHV设定点或稀释剂流率。如以上所讨论的，FNPR随着LHV降低而增加。再一次，稀释剂可包括蒸气或气体，诸如惰性气体或非可燃气体或蒸气。示例包括蒸汽、氮气、二氧化碳或它们的组合。因而，通过向燃料添加稀释剂，LHV降低而FNPR升高。例如，如果来自块254的FNPR降低，块256可将信号196发送至稀释剂控制阀178以升高稀释剂流率。同样地，如果由LHV传感器248测量的LHV升高，块256可向稀释剂控制阀178发送信号196以升高稀释剂176的流率。以下更详细地讨论了燃料控制系统182的具体实施例。
例如，图5显示了使用基于时刻表或开环控制的燃料控制系统270的一个实施例。与图4中所示的那些元件共同的元件用相同的参考标号标示。稀释剂流量计272测量稀释剂176的流率。第一燃料168、第二燃料172以及稀释剂176的其他方面与以上所述类似。块274代表从遍及燃气涡轮发动机的传感器获得的操作参数的值。测量参数的示例包括但不限于入口导叶(IGV)位置、校正速度、排放温度、燃料流率、燃料LHV或它们的组合。在块276中，使用时刻表并基于来自块274的测量的操作参数识别稀释剂流率。块276的时刻表可包括在控制软件和/或燃料控制系统182的存储器中。此外，建立时刻表以跨越所有预计操作条件而维持最小FNPR，从而防止闪回和驻焰。例如，可形成理论时刻表且随后基于临时FNPR测量值在现场进行核实和调整。块278代表使用块276的时刻表选择的稀释剂流率设定点。此外，块280代表基于来自稀释剂流量计272的信号198的测量稀释剂流率。
在图5的决策块282中，确定来自块280的测量稀释剂流率和来自块278的稀释剂流率设定点之间的差值。如果差值小于可允许的值，则在块284中，保持对于稀释剂控制阀178的设定点。换言之，在当前测量的稀释剂流率附近保持稀释剂流率。因而，可允许的值代表测量的稀释剂流率可从稀释剂流率设定点偏移的范围。另一方面，如果测量稀释剂流率和稀释剂流率设定点之间的差值大于可允许的值，则在块286中，调整对于稀释剂控制阀178的设定点。例如，如果测量的稀释剂流率大于稀释剂流率设定点，则对于稀释剂控制阀178的设定点被降低。另一方面，如果测量的稀释剂流率小于稀释剂流率设定点，则对于稀释剂控制阀178的稀释剂流率设定点被升高。通过将稀释剂流率维持在稀释剂流率设定点处或附近，燃料控制系统182可将FNPR维持在最小FNPR之上并如上所述增大燃气涡轮发动机的操作性包络线。此外，当燃气涡轮发动机在某些限定的操作点操作时，基于时刻表的控制会是有用的。
图6显示了使用用于闭环控制的转换函数的燃料控制系统300的一个实施例。与图5中所示的那些元件共同的元件用相同的参考标号标示。和图5中所示的基于时刻表的控制一样，块274代表燃气涡轮发动机的测量的操作参数。在块302中，基于嵌入存储在存储器中的控制软件中的转换函数计算FNPR。转换函数可为系统的输入和输出之间的关系的数学表达式。例如，转换函数可使用拉普拉斯变换得出。在决策块304中，将计算的FNPR与低低FNPR值进行比较。低低FNPR值小于可能导致警报的低FNPR值。在某些实施例中，如果计算的FNPR小于低低FNPR值，则在块306中，到燃气涡轮发动机的燃料被从第二燃料172转换或过渡成第一燃料168，其可谓天然气、馏出物、LPG或它们的组合。第一燃料168还可称为后备燃料或启动燃料。如以上所述，主喷嘴可用于第一燃料168而辅助喷嘴可用于第二燃料172。主喷嘴的喷嘴区域可远小于辅助喷嘴的喷嘴区域。因而，跨越主喷嘴的压降可远高于跨越辅助喷嘴的压降，这可导致FNPR增加。FNPR的此增加可比由过渡至第一燃料168所导致的FNPR上的降低大得多，第一燃料168具有比第二燃料172更高的发热值。因而，通过切换至第一燃料168，计算的FNPR可升高至高于低低FNPR值。如果出于一些原因，计算FNPR的降到低于低低低FNPR值，则燃气涡轮发动机被关机。低低低FNPR值小于低低FNPR值。
返回决策块304，如果计算的FNPR大于低低FNPR水平，则在决策块308中将计算的FNPR与低FNPR水平进行比较。如果计算的FNPR大于低FNPR水平，则在块310中维持LHV设定点。换言之，稀释剂176的流率被维持在当前流率。另一方面，如果计算的FNPR小于低FNPR水平，则在块312中，通过将信号196发送至稀释剂控制阀179而降低LHV设定点。接下来，在决策块314中，计算LHV和LHV设定点之间的差值。如果差值小于可允许的值，则在块316中，保持对于稀释剂控制阀178的设定点。然而，如果LHV和LHV设定点之间的差值大于可允许的值，则在块318中，调整稀释剂控制阀178的设定点。例如，如果基于LHV传感器248的测量的LHV小于LHV设定点，则增大稀释剂176的流率。另一方面，如果LHV大于LHV设定点，则降低稀释剂176的流率。因而，燃料控制系统182可将FNPR保持在最小FNPR之上并增大燃气涡轮发动机的操作性包络线，且如上所述帮助防止闪回和驻焰。此外，当若干操作参数对FNPR的影响可被识别和限定时，使用转换函数可能是有用的。
图7显示了使用用于闭环控制的模型的燃料控制系统330的一个实施例。与图6中所示的那些元件共同的元件用相同的参考标号标示。块274代表燃气涡轮发动机的测量的操作参数，诸如以上所述的那些。在块332中，实时燃气涡轮发动机模型预测FNPR。例如，一种类型的基于模型的控制是模型预测控制(MPC)，其是一种依赖于过程的动态模型的先进的过程控制的方法，最常见的是通过系统识别获得的线性经验模型。使用动态模型，燃料控制系统182可预测FNPR的未来值并采取适当的措施来将FNPR维持在限定范围内。在决策块334中，将预测的FNPR与低低FNPR值进行比较，低低FNPR值小于可导致警报的低FNPR值。如果预测的FNPR小于低低FNPR值，则在块306中，燃气涡轮发动机的操作过渡至第一燃料168。如果预测的FNPR降至小于低低FNPR值的低低低FNPR值之下，则燃气涡轮发动机被关机。
返回决策块334，如果预测的FNPR大于低低FNPR值，则在决策块336中将预测的FNPR与低FNPR水平进行比较。如果预测的FNPR大于低FNPR，则在块310中维持LHV设定点。另一方面，如果预测的FNPR小于低FNPR，则在块312中降低LHV设定点。在决策块314中，计算LHV和LHV设定点之间的差值并将其与可允许的值进行比较。如果差值小于可允许的值，则在块316中，保持对于稀释剂控制阀178的设定点。另一方面，如果LHV和LHV设定点之间的差值大于可允许的值，则在块318中，调整稀释剂控制阀178的设定点。图7中显示的基于模型的控制的其它方面类似于图6中所示的基于转换函数的闭环控制的方面。此外，以上所述过程控制的方法之外的过程控制的其它方法可用于控制稀释剂176的流率以将FNPR维持在最小FNPR之上。可用于燃料控制系统182的其它技术的示例包括但不限于线性或非线性控制器，可编程逻辑控制器，分布式控制系统，统计过程控制器或过程控制的其它方法。
本书面说明书使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使得本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，并执行任何结合的方法。本发明可授予专利的范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例具有无异于权利要求书的字面语言的结构性元件，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言并无实质性区别的等价结构性元件，则此类其它示例意在处在权利要求书的范围内。

Claims (19)

1.一种用于燃料和稀释剂控制的系统，包括：
燃料控制器，其具有存储有指令的存储器以控制进入燃烧系统的燃料喷嘴的第一燃料的第一流量和第二燃料的第二流量之间的燃料过渡，其中所述燃料控制器配置成调整与所述第二燃料的所述第二流量结合的稀释剂的第三流量，从而将跨越所述燃料喷嘴的压力比维持在预定操作压力比之上，所述压力比包括燃料供应压力除以燃烧器压力，其中所述燃料控制器至少基于测量的燃料供应压力、测量的燃烧器压力、存储在所述存储器中的转换函数、燃气涡轮发动机的操作状态、或者燃烧系统模型来测量或计算所述压力比。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述燃料控制器配置成经由调整所述稀释剂的所述第三流量来控制跨越所述燃料喷嘴的压力比，从而防止闪回或驻焰。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述燃料控制器配置成增大所述稀释剂的所述第三流量并降低所述第二燃料的所述第二流量，以使得所述燃烧系统能够在较低的负载下操作。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，在多个气化器的至少一个气化器脱机时，所述燃料控制器配置成增大所述稀释剂的所述第三流量并降低所述第二燃料的所述第二流量。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述燃料控制器配置成在所述燃烧系统的启动或关机期间控制燃料过渡。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述稀释剂包括氮气、蒸汽或它们的组合的至少其中一个。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一燃料包括天然气、馏出物、液化石油气或它们的组合的至少其中一个，且第二燃料包括合成气。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统包括具有设置在燃气涡轮发动机的燃烧器中的所述燃料喷嘴的所述燃烧系统。
9.一种用于燃料和稀释剂控制的系统，包括：
燃料控制器，其配置成控制跨越燃烧系统中的燃料喷嘴的压力比以防止闪回或驻焰，所述压力比包括燃料供应压力除以燃烧器压力，其中所述燃料控制器配置成调整与燃料的第二流量结合的稀释剂的第一流量，从而将压力比维持在预定操作压力比之上，其中所述燃料控制器至少基于测量的燃料供应压力、测量的燃烧器压力、存储在所述存储器中的转换函数、燃气涡轮发动机的操作状态、或者燃烧系统模型来测量或计算所述压力比。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述燃料控制器配置成控制进入所述燃料喷嘴的所述燃料的所述第二流量和另一种燃料的第三流量之间的燃料过渡，其中所述燃料控制器配置成调整与所述燃料的所述第二流量结合的所述稀释剂的所述第一流量，从而在所述燃料过渡期间将所述压力比维持在所述预定操作压力比之上。
11.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述燃料控制器配置成获得指示所述稀释剂的所述第一流量的流率的反馈，其中所述燃料控制器配置成将所述稀释剂的所述流率维持在稀释剂流率设定点之上。
12.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述燃料控制器配置成获得指示所述稀释剂的所述第一流量和所述燃料的所述第二流量的混合物的发热值的反馈，其中所述燃料控制器配置成将所述混合物的所述发热值维持在发热值设定点之上。
13.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述燃料控制器配置成增大所述稀释剂的所述第一流量并降低所述燃料的所述第二流量以使得所述燃烧系统能够在较低的负载下操作。
14.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述燃料包括合成气，并且所述稀释剂包括不可燃烧气体或蒸气。
15.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述系统包括具有设置在燃气涡轮发动机的燃烧器中的燃料喷嘴的所述燃烧系统。
16.一种用于燃料和稀释剂控制的系统，包括：
燃料控制器，其配置成调整与燃料的第二流量结合的稀释剂的第一流量从而将跨越燃料喷嘴的压力比维持在预定操作压力比之上，所述压力比包括燃料供应压力除以燃烧器压力，其中所述燃料控制器配置成增大所述稀释剂的所述第一流量并降低所述燃料的所述第二流量以使得燃气发动机能够在较低的负载下操作，其中所述燃料控制器至少基于测量的燃料供应压力、测量的燃烧器压力、存储在所述存储器中的转换函数、燃气涡轮发动机的操作状态、或者燃烧系统模型来测量或计算所述压力比。
17.如权利要求16所述的系统，其特征在于，所述燃料控制器配置成控制进入所述燃料喷嘴的所述燃料的所述第二流量与另一种燃料的第三流量之间的燃料过渡，其中所述燃料控制器配置成调整与所述燃料的所述第二流量结合的所述稀释剂的所述第一流量，从而在所述燃料过渡期间将所述压力比维持在所述预定操作压力比之上。
18.如权利要求16所述的系统，其特征在于，在多个气化器的至少一个气化器脱机时，所述燃料控制器配置成增大所述稀释剂的所述第一流量并降低所述燃料的所述第二流量。
19.如权利要求16所述的系统，其特征在于，所述燃料控制器配置成获得指示所述燃烧系统的操作参数的反馈，其中所述燃料控制器配置成调整所述稀释剂的所述第一流量，从而将所述操作参数维持在设定点的范围中，以便将所述压力比维持在所述预定操作压力比之上。
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