CN102828802A - 用于燃烧器排放物控制的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于燃烧器排放物控制的系统和方法。更具体而言，本申请因而提供了一种燃气涡轮发动机系统(100)。该燃气涡轮发动机系统(100)可包括燃气涡轮发动机(110)、与燃气涡轮发动机(110)下游的燃烧气体流(160)连通的氮氧化物还原系统(200)以及氮氧化物控制器(300)，该氮氧化物控制器用于控制进入氮氧化物还原系统(200)的燃烧气体流(160)中的二氧化氮与氧化氮的比率。
Description
技术领域
本申请和所得专利大体上涉及燃气涡轮发动机，并且更特定而言，涉及用于改进氮氧化物(NOx)排放物控制以及减少二氧化氮(NO2)产生的系统和方法。
背景技术
在燃气涡轮机的运行中，常常在排气中产生氮氧化物(NOx)，其中NOx包括氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2)。随着全世界对NOx排放物的规程变得更加严格，减少这种排放物是重要的设计准则。例如，美国环境保护署最近实施了关于在包括启动的所有运行阶段期间烟囱(stack)NO2每小时排放量的新规程。
一种用于降低NOx总排放量的解决方案是使用选择性催化还原(“SCR”)系统。这样的SCR系统可以经由管道连接到燃气涡轮机出口。SCR系统在排气流经过催化床之前将还原剂(通常为氨或尿素)加入到排气流中，以便选择性地吸收氮氧化物和还原剂。所吸收的组分在催化剂表面上经历化学反应，并且反应产物被解除吸附。具体而言，还原剂与排气流中的氮氧化物反应而形成水和氮气。使用其它类型还原剂的催化剂也是本领域已知的。
SCR系统的效率可以部分地取决于排气流的温度。然而，SCR系统的性能也可以部分地取决于作为总NOx百分比的NO2的含量。例如，对于与氨或尿素一起使用的催化剂来说，NO2与NO的优选比率可以为约1:1。对于其它催化剂的优选比率可以在0:1和1:0之间的范围内。
在某些燃气涡轮机运行条件期间，燃气涡轮机出口处的NO2与NO的比率可以很低，其中NO为全体NOx的主要成分。在其它运行条件期间，NO2与NO的比率可以很高。当排气以相对较低的速度在管道中从燃气涡轮机出口朝SCR流动从而沿该途径与其它排气成分反应时，NO2与NO的比率也可以变化。事实上，在燃烧气体中NO向NO2的转化可能对温度、一氧化碳(CO)的存在以及由于未燃烧的燃气涡轮机燃料而导致的未燃烧烃(UHC)的存在很敏感。构成管道的材料也可能有助于NO向NO2的转化。在燃气涡轮机燃烧流中NO向NO2的转化可能是不期望的，因为它可能降低包括SCR系统的下游NOx还原设备中的NOx还原效率。管道内也可存在可以影响燃烧气体温度的其它构件。这些构件可包括热交换器、导管燃烧器等。
燃气涡轮机下游的NO向NO2的转化也可能受到CO催化剂的存在的影响。CO催化剂可以在燃气涡轮机下游和NOx还原设备上游用来将CO转化为CO2，以便减少CO排放。这样的CO催化剂也可以促进NO向NO2的转化。例如，在700华氏度(约371摄氏度)下，市售的CO催化剂可以将约95%的CO氧化成CO2，并且还将约16%的NO氧化成NO2。燃烧气体温度在CO催化剂处可以稍低于在燃气涡轮机出口处。这样的CO催化剂可以使NOx还原设备具有不希望的NO2与NO的更高比率。
因此，期望用于控制燃气涡轮发动机(一般而言)和包括SCR系统的NOx还原系统(具体而言)的改进的方法和系统，以便产生尽可能少的NO2和/或产生所期望的NO2与NO的比率，从而促进增加的NOx还原效率。这样的改进的方法和系统将促进减少的排放物，而不牺牲燃气涡轮机的总输出和效率。具体而言，本文所述的改进的方法和系统可用来减少CO催化剂上游的NO向NO2的转化，以便确保在CO催化剂下游和在NOx还原设备入口处的可接受的NO2与NO的比率。
发明内容
因此，本申请和所得专利提供了一种燃气涡轮发动机系统。该燃气涡轮发动机系统可包括燃气涡轮发动机、与燃气涡轮发动机下游的燃烧气体流连通的氮氧化物还原系统以及氮氧化物控制器，该控制器用于控制进入氮氧化物还原系统的燃烧气体流中的二氧化氮与氮氧化物的比率。
本申请和所得专利还提供了一种用氮氧化物还原系统减少燃气涡轮发动机系统中的排放物的方法。该方法可包括以下步骤：确定燃烧气体流中的二氧化氮的量；确定燃烧气体流中的氧化氮的量；确定燃烧气体流中的二氧化氮与氧化氮的比率；确定燃烧气体流中的二氧化氮与氧化氮的期望比率；以及改变进入氮氧化物还原系统的燃烧气体流的温度，直到达到期望比率。
本申请和所得专利还提供了用于与燃气涡轮发动机和选择性催化还原系统一起使用的氮氧化物排放控制器。该氮氧化物排放控制器可包括：二氧化氮传感器，其定位在选择性催化还原系统周围；氧化氮传感器，其定位在选择性催化还原系统周围；除法器，其用于产生表示二氧化氮与氧化氮的比率的比率信号；排放物查找表，其用于产生比率指示信号；以及乘法器，其用于产生排气温度偏移信号。
对于结合若干附图和所附权利要求阅读过以下详细描述的本领域的普通技术人员而言，本申请和所得专利的这些及其它的特征和改进将变得显而易见。
附图说明
图1是具有选择性催化还原系统的燃气涡轮发动机系统的示意图。
图2是如本文可能描述的NOx排放控制器的示意图。
图3是来自与图2的NOx排放控制器一起使用的燃气涡轮发动机的NO、NO2和NOx的曲线图。
图4是图2的NOx排放控制器响应于图3的NO和NO2水平可能产生的中间参数的曲线图。
图5是图2的NOx排放控制器可能产生的排气温度偏移参数的曲线图。
图6是燃气涡轮机操作分布图，示出了可以在SCR系统入口处实现低NO2排放的排气温度调节。
图7 是燃气涡轮机操作分布图，示出了为了在SCR系统入口处实现约1:1的NO2:NO比率而进行的温度调节。
图8是如本文可能描述的燃气涡轮机操作分布图。
图9是针对图8的操作分布图的各种参数对时间的曲线图。
附图标记：
100 燃气涡轮发动机系统
110 燃气涡轮发动机
120 压缩机
130 空气流
135 进入空气调节器
136 入口导叶
140 燃烧器
150 燃料流
160 燃烧气体流
170 涡轮机
180 轴
190 负载
200 氮氧化物还原系统
205 选择性催化还原(“SCR”)系统
210 催化剂
220 反应器
230 注入器
240 控制器
250 传感器
260 二氧化氮传感器
270 氧化氮传感器
300 氮氧化物排放控制器
310 二氧化氮传感器
320 氧化氮传感器
330 加法器
340 二氧化氮信号
350 可视显示器
360 除法器
370 比率信号
380 限制器
390 可视显示器
400 排放物查找表
410 比率指示信号
420 乘法器
430 放大器
440 排气温度偏移信号
450 可视显示器
460 排气温度控制曲线
470 NO向NO2的转化率
480 修改控制曲线
490 修改控制曲线
500 20%负荷
510 27%负荷
520 出口NOx
530 氨水流
540 烟囱NOx
550 20%负荷
560 65%负荷。
具体实施方式
现在参见附图，其中在若干视图中类似的数字表示类似的元件，图1示出如本文可能描述的燃气涡轮发动机系统100的示意图。燃气涡轮发动机系统100可包括燃气涡轮发动机110。这里可以使用多于一个燃气涡轮发动机110。燃气涡轮发动机110可包括压缩机120。压缩机120压缩进入的空气流130。进入空气调节器135可定位在压缩机120的上游，以便根据需要调节进入的空气流130。进入空气调节器135可加热或冷却进入的空气流130，以便允许升高或降低燃气涡轮机排气温度。压缩机120还可具有一些入口导叶136，用于控制进气流率，以便允许升高或降低燃气涡轮机排气温度。
压缩机120将压缩的空气流130输送到燃烧器140。燃烧器140可以是干式低NOx (DLN)设计。燃料系统可用来输送压缩的燃料流150，其中燃气涡轮机排气温度被温度更高的燃料流升高。燃料流、入口导叶以及燃料流的组合可用来与其它操作参数共同调节燃气涡轮机排气温度。燃烧器140将压缩的空气流130与燃料流150混合并点燃该混合物，以形成燃烧气体流160。虽然仅示出单个燃烧器140，但燃气涡轮发动机110可包括任何数量的燃烧器140。燃烧气体流160继而被输送到涡轮机170。燃烧气体流160驱动涡轮机170，以便产生机械功。在涡轮机170中产生的机械功经由轴180驱动压缩机120和诸如发电机等的外部负载190。
燃气涡轮发动机110可使用天然气、各种类型的合成气和/或其它类型的燃料。燃气涡轮发动机110可以是由纽约州斯卡奈塔第(Schenectady, New York)的通用电气公司(GE)提供的一些不同的燃气涡轮发动机中的任何一个，包括但不限于诸如7系或9系重型燃气涡轮发动机等的那些。燃气涡轮发动机110可具有不同构造，并且可使用其它类型的构件。这里也可使用其它类型的燃气涡轮发动机。这里也可一起使用多个燃气涡轮发动机、其它类型的涡轮机以及其它类型的发电设备。
燃气涡轮发动机系统100也可使用NOx还原系统200来减少NOx排放。这样的NOx还原系统200可包括但不限于如本文可能描述的选择性催化还原系统(“SCR”) 205。这里可用的其它类型的NOx还原系统200包括干式3元催化NOx还原系统、使用氧化催化剂和水相吸收剂的NOx还原系统、SCONOx系统等。SCR系统205可定位在热回收蒸汽发生器(HRSG)内或以其它方式经由扩散管道206与燃气涡轮发动机110连通。扩散管道206的形状、尺寸和材料可以变化。
SCR系统205可包括定位在反应器220内的内部催化剂210。催化剂210可由载体和活性催化组分制成。载体可包括各种陶瓷材料，例如二氧化钛等。活性催化组分可包括例如碱金属、钒和钨的氧化物。活性催化组分也可包括沸石，例如铁交换沸石和铜交换沸石。活性催化组分还可包括贵金属，例如金、银、铂等。这里可以使用其它类型的催化剂和其它类型的排放减少设备和系统。
SCR系统205还可包括注入器230。注入器230可以注入还原剂，该还原剂可以在催化剂210的表面上被吸收。还原剂可包括无水氨、氨水、尿素等。还原剂还可包括氰尿酸和硫酸铵。如上所述，燃烧气体160包括氮氧化物(NOx)。燃烧气体160流入SCR系统205中，在反应器220内与催化剂210的表面上所吸收的还原剂反应，并且被转化为氮和水。这里可以使用其它构件和其它构造。
燃气涡轮发动机系统100还可包括一个或更多控制器240。控制器240可以可操作地联接到燃气涡轮发动机110、SCR系统205以及整个燃气涡轮发动机系统100内的任何其它构件。例如，控制器240可与压缩机120上游的进入空气调节器135以及燃烧器140通信。同样，控制器240可与SCR系统205的注入器230通信。
控制器240可实行各种控制方案以调控燃气涡轮发动机系统100，例如，闭环控制方案、比例积分微分(PID)控制方案、开环控制方案以及/或者结合了用于预测燃气涡轮发动机系统和/或SCR系统行为的模型的控制方案。控制器240可包括一个或更多微处理器、微控制器、数字信号处理器、专用集成电路、现场可编程门阵列、离散逻辑电路等。控制器240还可包括存储器，并且可以存储导致控制器240提供本文所述功能的程序指令。存储器可包括一个或更多易失性、非易失性、磁性、光学或电介质，例如，只读存储器、随机存取存储器、电可擦可编程只读存储器、闪存等。这里也可以使用其它构件和其它构造。
控制器240还可包括用于处理各种模拟输入的一个或更多模数转换器。控制器240可以监测用于一个或更多传感器的一个或更多输入。例如，一些SCR入口传感器250可定位在SCR系统205的入口周围。SCR入口传感器250可包括NO2传感器260和NO传感器270。其它类型的传感器250可用来测量诸如温度(T)、燃烧气体质量流率(M)等的参数。
图2示出了如本文可能描述的NOx排放控制器300的示例。NOx排放控制器300可以是上述控制器240的一部分或独立单元。图3-图5示出了NOx排放控制器300的输入和输出的示例。这里可以使用其它构件和其它构造。
NOx排放控制器300可以与SCR系统205上游的NO2传感器260和NO传感器270通信。一个或更多输出信号也可与进入空气调节器125、燃烧器140以及整个燃气涡轮发动机系统100的其它构件通信，如下文将更详细描述的。这里可以使用其它类型的输入和输出。
在使用中，NO2传感器260产生到控制器300的NO2信号310。同样，NO传感器270产生到控制器300的NO信号320。NO2信号310和NO信号320在加法器330中相加而产生总NOx信号340。然后可以在如图3的放大视图所示的可视显示器350上显示NO2信号310、NO信号320和总NOx信号340。可视显示器350以随时间变化的百万分之几的方式显示燃烧气体流160中的NO2、NO和总NOx的量。这里也可以考虑其它视图和其它参数。
NO2信号310然后可以在除法器360中被NOx信号340相除，以便得到NO2相比NO的比率。除法器360产生比率信号370。比率信号370可被限制器380处理，以确保比率信号370在零(0)和一(1)之内。这里也可使用其它类型的比率和其它类型的界限。
在被限制器380限制时，比率信号370可以显示在可视显示器390上。可视显示器显示随时间变化的NO2与NO的比率。这里可以使用其它视图。比率信号370也可发送到排放物查找表400。排放物查找表400可使用比率信号370作为输入，以便生成具有在0和1之间的值的比率指示信号410。具体而言，0.55或更小的比率信号的输入导致0的输出，而大于0.5的比率信号370输入将导致1的输出。在0.5和0.55之间的输入比率信号将导致在0和1的输出值之间的线性插值。这里可以使用其它类型的查找方案和计划变型。
比率信号370和比率指示信号410可以在乘法器420中相乘。乘法器420的乘积可以发送到放大器430。放大器430的增益(-50)可以使用标准控制系统设计技术来确定。在这种情况下，增益可以为约-50。这里可以使用其它参数。放大器430的输出可以是排气温度偏移信号440。排气温度偏移信号440可以在可视显示器450上显示为图5所示的放大视图。这里也可以使用其它视图。
如所示出的，当NO2与总NOx的比率小于0.5时，排气温度偏移信号440可以是0。然后，一旦该比率超出0.5，排气温度偏移信号440就可以增加。当NO2与NO的比率接近1.0时，排气温度偏移信号440可以接近约-50度。然后，当该比率降至0.5以下时，排气温度偏移信号440可朝0下降。这里可以使用其它增益值、参数和其它类型的控制逻辑。
NOx排放控制器300可与进入空气调节器135、压缩机120、燃烧器140或者燃气涡轮发动机系统的其它构件通信。NOx排放控制器300的排气温度偏移信号440可以指示入口导叶136移动至更敞开或更关闭的位置，以便降低或升高燃气涡轮机排气温度。进入空气调节器135可接受指示，以便以能够降低或升高燃气涡轮机排气温度的方式冷却或加热进入空气。相似地，排气温度偏移信号可用来改变进入燃烧器140中的燃料流150的性质、干式低(DLN)燃烧器操作模式等。NOx排放控制器300因而可以控制燃气涡轮发动机110和SCR系统205的操作参数，以便在燃烧气体160离开涡轮机170和进入SCR系统205时改变其温度，从而促进对于提高的SCR效率有利的NO2与NO的比率。这里可以使用其它构件和其它构造。
图6示出了燃气涡轮发动机系统100的操作分布图，其包括现有排气温度控制曲线460。如图所示，现有控制曲线在约25%至45%负荷的范围内操作处于约1200华氏度(约649摄氏度)的燃气涡轮发动机排气温度。这可以在排气流中导致高百分比的NO向NO2转化率470，从而导致降低的SCR效率。修改的控制曲线480可以在该负荷范围内将燃气涡轮机排气温度调节至约1050华氏度(约565摄氏度)，导致了低的NO向NO2转化率，从而促进了增加的SCR效率。在该示例中，入口导叶可以打开约另外的5至6度，以实现排气温度降低。NO2与NO的比率的开环计划可限定为作为排气温度的函数的NO2转化率的估计，其中该估计可从类似燃气涡轮机系统机组的测试、燃烧台架试验等确定。然后，可以使用该估计来控制排气温度，以实现所期望的NO2与NO的比率。NO2与NO的比率也可通过以下方式确定：直接测量NO2和NO，将这些值相除以确定比率，然后升高或降低排气温度，以实现诸如图2的示例中的所期望的NO2与NO的比率。
同样，图7示出了另一个示例，其中，与典型的操作相比，排气温度被调节为在SCR系统205入口处实现约1:1的NO2与NO比率，以实现高的SCR效率。在该示例中，如在修改控制曲线490中所示的，燃气涡轮机排气温度可由NOx排放控制器300从约25%调节至约45%。排气温度可以比图6中稍高，处于约1050华氏度(约565摄氏度)至约1200华氏度(约649摄氏度)或更高的范围内。可通过与图6中已经说明的相同方式使用开环估计或NO2和NO的直接测量来实现1:1的比率。这里可以使用其它类型的操作分布图和其它类型的控制来促进更低的排放水平。
图8和9示出了在约20%至27%负荷的范围内操作重型燃气涡轮发动机110的示例。在这些图中，20%的负荷对应于数字500，而27%的负荷则对应于数字510。燃料流和入口导叶的组合被用来对负荷进行从20%至27%并返回到20%的改变，并且也用来产生燃气涡轮机排气温度和NOx(NO、NO2)含量的相关变化。在图8中，20%负荷点对应于约1060华氏度(约571摄氏度)的燃气涡轮机出口温度和在HRSG内的约5%至8%的NO向NO2的转化率。27%负荷点对应于约1150华氏度(约621摄氏度)的燃气涡轮机出口温度和约40%的NO向NO2的转化率。
图9示出了所得到的NO2与NO的比率对SCR还原效率的影响。图9示出了燃气涡轮机出口NOx 百万分之520(ppm－干基体积)、氨水流量530磅每小时、燃气涡轮机负荷百分比负荷(%负荷)和烟囱NOx 百万分之540的时间迹线，其中烟囱NOx表示SCR出口处存在的NOx的量。在20%负荷500处，SCR将燃气涡轮机出口NOx从约百万分之58降至约百万分之8，实现约86%的还原效率。在27%负荷510处，燃气涡轮机出口NOx略微增加至约百万分之65。然而，SCR仅将NOx降至约百万分之26，实现约60%的还原效率。在27%负荷下降低的SCR效率是由于相比20%负荷在燃烧气体中高得多的NO2与NO的比率。在20%负荷(数字550)下的第二运行阶段之后，控制产生从20%负荷到约65%负荷(数字560)的快速转变。这种转变导致在27%至65%范围内的短暂持续，从而在该负荷范围内避免了NO向NO2的转化和更差的SCR效率。
因此，本文所述NOx排放控制器300减少了NOx和NO2的产生，并且还增大了SCR系统205的效率。具体而言，NOx排放控制器300提供了NO2与NO的比率的闭环控制，以便向SCR系统提供对于最大NOx减少最佳的排气化学组成，从而为“快速”SCR化学反应的发生(“快速”反应为NO和NO2的同时减少)提供了条件。同样，燃气涡轮机排气温度可以被调节，以便产生用于与仅涉及SCR系统205的控制的系统的尽可能小的NO2。因此，本文所述的燃气涡轮发动机系统100提供了燃气涡轮发动机110和SCR系统205两者的控制，以便在启动等期间减少NOx排放。
应当显而易见的是，上文仅涉及本申请及所得专利的某些实施例。在不脱离如由所附权利要求及其等同限定的本发明的一般精神和范围的情况下，本领域的普通技术人员可在此做出众多改变和修改。
Claims (15)
1.一种燃气涡轮发动机系统(100)，包括：
燃气涡轮发动机(110)；
氮氧化物还原系统(200)，与所述燃气涡轮发动机(110)下游的燃烧气体流(160)连通；以及
氮氧化物控制器(300)，用于控制进入所述氮氧化物还原系统的所述燃烧气体流(160)中的二氧化氮与氧化氮的比率。
2.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机系统(100)，其特征在于，所述燃气涡轮发动机(110)包括压缩机(120)和所述压缩机(120)上游的进入空气调节器(135)。
3.根据权利要求2所述的燃气涡轮发动机系统(100)，其特征在于，所述压缩机(120)包括多个入口导叶(136)。
4.根据权利要求2所述的燃气涡轮发动机系统(100)，其特征在于，所述氮氧化物控制器(300)与所述进入空气调节器(135)、所述多个入口导叶(136)以及/或者到所述燃气涡轮发动机(110)的燃烧器(140)的燃料流(150)通信。
5.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机系统(100)，其特征在于，还包括扩散管道(206)，用于将所述燃烧气体流(160)从所述燃气涡轮发动机(110)引导至所述氮氧化物控制器(300)。
6.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机系统(100)，其特征在于，所述氮氧化物还原系统(200)包括选择性催化还原系统(205)。
7.根据权利要求6所述的燃气涡轮发动机系统(100)，其特征在于，所述选择性催化还原系统(205)包括注入器(230)，并且其中，所述氮氧化物控制器(300)与所述注入器(230)通信。
8.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机系统(100)，其特征在于，还包括定位在所述氮氧化物还原系统(200)周围且与所述氮氧化物控制器(300)通信的二氧化氮传感器(260)和氧化氮传感器(270)。
9.根据权利要求8所述的燃气涡轮发动机系统(100)，其特征在于，与所述二氧化氮传感器(260)和所述氧化氮传感器(270)通信的所述氮氧化物控制器(300)确定所述燃烧气体流(160)中的氮氧化物的总量，并且确定二氧化氮与氧化氮的比率信号(370)。
10.根据权利要求9所述的燃气涡轮发动机系统(100)，其特征在于，所述氮氧化物控制器(300)部分地基于所述比率信号(370)确定排气温度偏移信号(440)。
11.根据权利要求10所述的燃气涡轮发动机系统(100)，其特征在于，所述氮氧化物控制器(300)包括一个或更多可视显示器(350, 390, 450)。
12.根据权利要求10所述的燃气涡轮发动机系统(100)，其特征在于，所述排气温度偏移信号(440)促进了减少的所述燃烧气体流(160)中的二氧化氮的量。
13.根据权利要求10所述的燃气涡轮发动机系统(100)，其特征在于，所述排气温度偏移信号(440)促进了所述燃烧气体流(160)中的二氧化氮和氧化氮的1:1的比率。
14.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机系统(100)，其特征在于，所述氮氧化物控制器(300)包括排放物查找表(400)。
15.一种用氮氧化物还原系统(200)减少燃气涡轮发动机系统(100)中的排放物的方法，包括：
确定燃烧气体流(160)中的二氧化氮的量；
确定所述燃烧气体流(160)中的氧化氮的量；
确定所述燃烧气体流(160)中的二氧化氮与氧化氮的比率；
确定所述燃烧气体流(160)中的二氧化氮与氧化氮的期望比率；以及
改变进入所述氮氧化物还原系统(200)的所述燃烧气体流(160)的温度，直到达到所述期望比率。
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