CN102953832B - 用于操作燃烧器的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于操作燃烧器的系统和方法。一种用于操作燃烧器的系统包括：传感器，其测量与燃烧器相关联的操作参数且生成反映该操作参数的信号。操作参数反映了灰沉淀速率或积聚的灰累积。控制器接收信号、比较该信号与预定限制，且生成控制信号。一种用于操作燃烧器的方法包括：在第一功率水平下操作燃烧器，第一功率水平产生第一温度，第一温度小于或等于第一预定温度；且形成灰层。该方法还包括：测量反映灰沉淀速率或积聚的灰累积的操作参数，比较操作参数与限制；以及在第二功率水平下操作燃烧器，第二功率水平产生第二温度，第二温度大于或等于第一预定温度。

Description

用于操作燃烧器的系统和方法
技术领域
本发明大体上涉及用于操作燃烧器的系统和方法。更具体而言，本发明描述了控制、限制或调整燃烧器的操作水平以便于使用能产生灰的燃料的系统和方法。
背景技术
燃烧器通常用于点燃燃料以产生具有高温和高压的燃烧气体。例如，用于发电的典型燃气涡轮包括在前部的轴向压缩器、围绕中部的一个或多个燃烧器以及在尾部的涡轮。周围空气可供应到压缩器，且在压缩器中的旋转叶片和固定静叶逐渐地赋予动能给工作流体(空气)以产生在高能状态的压缩工作流体。压缩工作流体离开压缩器且通过一个或多个喷嘴流到在每个燃烧器中的燃烧室中，在燃烧室中，压缩工作流体与燃料混合并点燃以生成具有高温和高压的燃烧气体。燃烧气体沿着通过涡轮的热气体路径流动，在涡轮中，它们膨胀以做功。例如，燃烧气体在涡轮中膨胀可使连接到发电机的轴旋转以发电。
供应给燃烧器的燃料可根据若干因素而不同。例如，燃料成本和可用供应可使得期望向燃烧器供应某些低值石油馏分，诸如很重的原油、重蒸馏物、自大气或真空蒸馏的蒸馏残渣、由于油深度转化所得到的副产物、高循环油和从流体催化裂化单元所得到的浆液。这些低值燃料常常包含污染物和其它杂质，诸如油溶性矾，其在燃烧时产生具有低熔点的腐蚀性很强的副产物。例如，副产物五氧化物V2O5，特别地与诸如钠或钾的碱金属相关联，对于金属合金、陶瓷和可为从燃烧器通过涡轮的热气体路径加衬的热障涂层具有腐蚀性。
诸如钙、铁、铝和镁的氧化物或盐或镍化合物的矾抑制剂可添加到燃料或喷射到燃烧器内。这些矾抑制剂与矾化合物起反应以产生大体上呈M3(VO4)2形式的原矾酸盐化合物，其中M标识矾抑制剂。例如，在使用镁作为抑制剂的具体情况下，根据以下反应形成原矾酸镁M3(VO4)2：
V2O5+3MgO→M3(VO4)2
在存在硫氧化物的情况下，原矾酸镁部分地分解以根据以下反应产生水溶性硫酸镁MgSO4和焦矾酸镁Mg2V2O7：
Mg3(VO4)2+SO3→Mg2V2O7+MgSO4
在表面温度高于大约1650℉时，对应于大约2000℉的燃烧器燃烧温度，水溶性硫酸镁根据以下反应分解为更高密度且不能溶解的氧化镁MgO：
MgSO4→MgO+SO3
因此在矾抑制剂与矾化合物之间的反应有效地隔离矾以保护金属合金、陶瓷和热障涂层不被腐蚀。但是，原矾酸盐化合物M3(VO4)2和硫酸镁MgSO4和氧化镁MgO副产物也作为灰沿着热气体路径沉积。沿着热气体路径的灰沉淀物逐渐地干扰沿着热气体路径的表面的空气动力和热性质，从而降低燃气涡轮的效率和/或功率输出。
可使用各种清洁过程来周期性地移除灰沉淀物以恢复燃气涡轮的效率和/或功率输出。例如，可在燃气涡轮以降低的负荷操作时，通过喷射抛射物，诸如校准大小的坚果壳片通过燃烧器来执行“干燥清洁”过程。燃烧器烧结抛射物以产生略微研磨的、无灰的材料，其冲击于热气体路径表面上以腐蚀灰沉淀物。备选地或作为补充，可在燃气涡轮脱机时将水通过涡轮注射来溶解并带走灰沉淀物以执行“水洗”过程。但是，水洗过程通常要求燃气涡轮预先停机且冷却数小时，以减小在涡轮中的热应力。此外，干燥清洁和水洗过程两者对于移除更致密且不能溶解的氧化镁灰方面具有有限的效果，特别是与移除硫酸镁灰的效果相比。
因此，靠包含油溶性矾的低值燃料来操作的燃烧器通常限制为小于2000℉的燃烧温度以减少或防止更致密且不能溶解的氧化镁灰的形成。这种降低的燃烧温度导致燃气涡轮的最大功率水平和效率的对应减小。因此，允许燃烧器使用包含油溶性矾的低值燃料操作但不会不当地牺牲效率、功率输出和/或可用性的改进的用于操作燃烧器的系统和方法将是适用的。
发明内容
本发明的方面和优点在下文的描述中部分地陈述，或者可从该描述中显而易见，或者可通过实践本发明而学习。
本发明的一个实施例是一种用于操作燃烧器的系统。该系统包括传感器，其测量与燃烧器相关联的操作参数且生成反映操作参数的信号。操作参数反映热气体路径中的灰沉淀速率或积聚的灰累积中的至少一个。与传感器通信的控制器接收反映操作参数的信号，比较反映操作参数的信号与预定限制，以及生成用于操作燃烧器的控制信号。
本发明的另一实施例是一种用于操作燃气涡轮中的燃烧器的系统。该系统包括压缩器、在压缩器下游的燃烧器、与燃烧器流体连通的燃料供应和在燃烧器下游的涡轮。信号反映涡轮中灰沉淀速率或积聚的灰累积中的至少一个，并且控制器接收该信号，比较该信号与预定限制，且生成用于操作燃气涡轮的控制信号。
本发明还可包括一种用于操作燃烧器的方法，其包括：在第一功率水平操作所述燃烧器，第一功率水平在热气体路径中产生第一温度，第一温度小于或等于第一预定温度；在热气体路径的至少一部分上形成灰层；并且测量与燃烧器相关联的操作参数，其中操作参数反映热气体路径中的灰沉淀速率或积聚的灰累积中的至少一个。该方法还包括：比较操作参数与第一预定限制；以及当所述操作参数超过第一预定限制时，允许燃烧器在第二功率水平操作，第二功率水平在热气体路径中产生第二温度，第二温度大于或等于第一预定温度。
在又一实施例中，一种用于操作燃烧器的方法包括：使用无矾的燃料来操作燃烧器，在热气体路径的至少一部分上形成灰层；并且测量与燃烧器相关联的操作参数，其中操作参数反映热气体路径中的灰沉淀速率或积聚的灰累积中的至少一个。该方法还包括：比较操作参数与第一预定限制；以及当操作参数超过第一预定限制时，允许燃烧器使用包含矾的燃料来操作。
通过阅读说明书，本领域技术人员将更好地了解这些实施例的特征和方面以及其它。
附图说明
在说明书的其余部分中更具体描述了对于本领域技术人员的、包括其最佳模式的全面且能够实现的公开，包括对附图的参考，在附图中：
图1为合并到燃气涡轮内的本发明的示例性实施例的简化图；
图2为根据本发明的一个实施例的燃烧温度随着时间的曲线图；以及
图3为图1所示的涡轮中的翼型件的放大视图。
部件列表
10燃气涡轮
12压缩器
14燃烧器
16涡轮
18压缩器中的旋转叶片
20压缩器中的固定静叶
22燃烧室
24燃料供应
26热气体路径
28固定喷嘴
30旋转动叶
32轴
40系统
42传感器
44控制器
46输入装置
48第一传感器
50第二传感器
52第三传感器
54第四传感器
56自传感器的信号
58输入信号
60数据库
62自控制器的控制信号
64翼型件
66第一燃烧温度
68第一预定温度
70硫酸镁灰
72第二燃烧温度
74氧化镁灰。
具体实施方式
现详细地参考本发明的当前实施例，其一个或多个示例在附图中示出。详细描述使用数字和字母标记来表示附图中的特征。在附图和描述中相似或类似的标记用于表示本发明的相同或相似的部件。
以解释本发明而不是限制本发明的方式提供每个示例。实际上，对于本领域技术人员显而易见，在不偏离本发明的范围或精神的情况下可在本发明中做出各种修改和变型。例如，作为一个实施例的部分示出或描述的特征可用于另一实施例以得到又一实施例。因此，意图本发明涵盖属于所附权利要求及其等效物的范围内的这些修改和变型。
本发明的各种实施例包括用于操作燃烧器的系统和方法。在特定实施例中，控制方案可在初始燃烧温度操作燃烧器以在热气体路径中或沿着热气体路径产生软且水溶性的灰涂层。如本文所使用的术语“燃烧温度”表示燃烧气体离开燃烧器的温度。该控制方案可监测反映软且水溶性灰涂层的厚度的一个或多个操作参数，且当(多个)操作参数指示达到了足够的厚度时，控制方案可允许使用含油溶性矾的低值燃料和/或在更高燃烧温度的燃烧器操作，其中的任一个可在先前所沉淀的水溶性灰涂层顶部上产生更致密且不能溶解的灰涂层。控制方案可继续监测一个或多个操作参数来确定在清洁过程之间的适当间隔以减少这些过程的操作限制和/或用于这些过程的燃烧器的停机同时提高燃烧器的总体效率。尽管出于说明目的，在合并到燃气涡轮内的燃烧器的背景下大体上描述了本发明的示例性实施例，但是本领域技术人员将容易了解本发明的实施例可应用于任何燃烧器且并不限于燃气涡轮燃烧器，除非在权利要求中具体地陈述。
图1提供了例如合并到用于发电的燃气涡轮10内的本发明的示例性实施例的简化图。如图所示，燃气涡轮10通常包括在前部的轴向压缩器12，在压缩器12下游的一个或多个燃烧器14和在燃烧器14下游的涡轮16。如本文所用的术语“上游”和“下游”指在流体途径中的构件的相对位置。例如，如果流体从构件A流到构件B，则构件A在构件B的上游。相反，如果构件B从构件A接收流体，则构件B在构件A的下游。
周围空气可供应到压缩器12，且在压缩器12中的旋转叶片18和固定静叶20逐渐地赋予动能给工作流体(空气)以产生在高能状态的压缩工作流体。压缩工作流体离开压缩器12且流入在每个燃烧器14中的燃烧室22内。与每个燃烧器14流体连通的燃料供应24将燃料供应给每个燃烧室22，且压缩工作流体与燃料混合并点燃以生成具有高温和高压的燃烧气体。燃烧气体沿着通过涡轮16的热气体路径26流动，在涡轮16中，它们膨胀以做功。具体而言，燃烧气体可在热气体路径26中穿过固定喷嘴28和旋转动叶30的交替级流动以旋转连接到发电机(未示出)的轴32以发电。
如先前所述，供应给燃烧器14的各种燃料可包括污染物和其它杂质，诸如油溶性矾，油溶性矾当燃烧时产生具有低熔点的腐蚀性很强的副产物。因此，诸如钙、铁、铝和镁的氧化物或盐或镍化合物的添加物可添加到燃料或喷射到燃烧器14内以与腐蚀性副产物起反应和/或稳定腐蚀性副产物。尽管在隔离腐蚀性副产物方面是有效的，但是添加物也产生沿着热气体路径26沉积的大量灰。例如，当添加到更纯无矾的燃料时，添加物倾向于在较宽范围的燃烧温度上产生软的水溶性灰。但是，当添加到纯度较低含矾的燃料时，尤其是在硫氧化物存在的情形下，添加物倾向于在低于约2000℉的燃烧温度下产生软的水溶性灰且在高于大约2000℉的燃烧温度下产生不能溶解的灰。
燃烧器14和/或诸如压缩器12和/或涡轮16的相关联的构件具有指示或反映热气体路径26中的灰沉淀速率和/或积聚的灰累积的各种操作参数。例如，在燃料中的矾浓度直接影响热气体路径26中灰沉淀和/或积聚的速率，且燃烧器14的燃烧温度可用于表征主要为硫酸镁或氧化镁的灰形成。因此，燃料的矾含量、燃料流动速率、操作时间和/或燃烧器14的燃烧温度为与燃烧器14相关联，可指示和/或反映在热气体路径26中的类型、速率和/或积聚的灰累积的操作参数的示例。在热气体路径26中的灰沉淀速率和/或积聚的灰累积逐渐地干扰沿着热气体路径26的表面的空气动力和热性质，而这又直接影响燃气涡轮10、压缩器12、燃烧器14和/或涡轮16的传热特性和/或总空气动力效率。因此，与燃气涡轮10、压缩器12、燃烧器14和/或涡轮16相关联的各种压力、温度、功率水平和/或效率计算提供可指示和/或反映在热气体路径26中的灰沉淀速率和/或积聚的灰累积的备选或额外操作参数。例如，在热气体路径26中的灰的积聚直接影响压缩器12的压力比和/或燃气涡轮10的总效率。作为又一示例，在热气体路径26中的灰积聚通常造成沿着热气体路径26的压差和/或温度的对应增加。本领域技术人员可容易意识到先前的示例仅为与燃烧器14相关联，指示或反映热气体路径26中的灰沉淀速率和/或积聚的灰累积的操作参数中的几个，且本发明的各种实施例并不限于任何特定的操作参数，除非在权利要求中具体地陈述。
如图1所示，用于操作燃烧器14的系统40可包括一个或多个传感器42、控制器44和输入装置46。每个传感器42测量与燃烧器14相关联，指示或反映在热气体路径26中的灰沉淀速率或积聚的灰累积中的至少一个的操作参数中的一个或多个。传感器42可包括例如燃料传感器、压力传感器、流量传感器、温度传感器和通常与燃烧器和/或燃气涡轮操作相关联的其它传感器的任何组合。例如，如图1所示，第一传感器48可测量压缩器12入口的温度或压力，第二传感器50可测量燃料含量(content)或流动速率，第三传感器52可测量燃烧温度或压力，和/或第四传感器54可测量涡轮16排气处的温度或压力。每个传感器42生成反映被监测的操作参数的一个或多个信号56，而操作参数又指示或反映在热气体路径26和/或涡轮16中的灰沉淀速率和/或积聚的灰累积。
控制器44与一个或多个传感器42通信以接收反映操作参数的信号56。控制器44的技术效果是比较反映操作参数的(多个)信号56与预定限制且生成用于操作燃烧器的控制信号62。如本文所用地，控制器44可包括微处理器、电路和其它编程的逻辑电路的任何组合且并不限于任何特定的硬件架构或配置。本文所陈述的系统和方法的实施例可由一个或多个通用或定制的控制器44来实施，控制器44以任何合适的方式适于提供所期望的功能。控制器44可适于提供补充本主题的功能或与本主题无关的功能的额外功能。例如，一个或多个控制器44可适于通过访问以计算机可读形式呈现的软件指令而提供所描述的功能。当使用软件时，可使用任何合适的编程、脚本或其它类型的语言或语言的组合来实施本文所包含的教导。但是，软件无需排他性地使用或者根本无需使用。例如，如本领域技术人员所将理解地，无需额外详细讨论，本文所陈述和公开的方法和系统的一些实施例也可由硬布线逻辑或其它电路，包括(但不限于)专用电路来实施。当然，计算机执行的软件和硬布线逻辑或其它电路的各种组合也可为合适的。
输入装置46允许使用者与控制器44通信且可包括用于提供在使用者与控制器44之间的接口的任何结构。例如，输入装置46可包括键盘、计算机、终端、磁带驱动和/或用于从使用者接收输入且生成到控制器44的输入信号58的任何其它装置。在特定实施例中，输入装置46还可包括与相应的燃烧器和/或燃气涡轮相关联的操作参数信息的数据库60。以此方式，输入装置46可存取数据库60以手动地或自动地创建与热气体路径26中所期望的灰沉淀速率和/或所期望的积聚的灰累积相关联的一个或多个预定限制。一个或多个预定限制可包括于输入信号58中，且控制器44可比较反映(多个)操作参数的一个或多个信号56与输入信号58来生成用于操作燃烧器14的控制信号62。由控制器44生成的控制信号62可包括例如维护安排信息、允许的燃料纯度和/或用于燃烧器14和/或燃气涡轮10的允许的操作水平。例如，在特定实施例中，控制信号可包括允许燃烧器在增加的温度或功率水平上操作的信号，而在其它特定实施例中，控制信号可包括允许燃烧器使用包含矾的燃料来操作的信号。
在使用镁作为矾抑制剂的本发明的特定实施例中，例如，第一预定限制可反映热气体路径26中水溶性硫酸镁的所期望的沉淀速率和/或所期望的积聚的累积。在燃烧器14和/或燃气涡轮10最初操作时，由控制器44生成的控制信号62可包括用于燃烧器14和/或燃气涡轮10的所允许的操作水平，其限制燃烧器14的燃烧温度至低于大约2000℉以促进热气体路径26中水溶性硫酸镁的沉淀和累积。当信号56超过指示热气体路径26中水溶性硫酸镁的所期望的积聚的第一预定限制时，由控制器44所生成的控制信号62可允许燃烧器14的燃烧温度超过大约2000℉，从而允许燃烧器14和因此的燃气涡轮10在更高的功率水平和/或更高的燃烧温度上操作以提高燃烧器14和/或燃气涡轮10的总空气动力效率。
在燃烧器14和/或燃气涡轮10以更高的功率水平和/或高于大约2000℉的燃烧温度操作时，呈氧化镁形式的更高密度和不能溶解的灰沉淀并累积在先前积聚的水溶性硫酸镁的顶部上。第二预定限制可反映热气体路径26中不能溶解的氧化镁的所期望的沉淀速率和/或所期望的积聚的累积。在不能溶解的氧化镁灰在热气体路径26中累积时，信号56将最终指示满足或超过了第二预定限制，且由控制器44生成的控制信号62可再次限制燃烧器14的燃烧温度到低于大约2000℉以防止热气体路径26中不能溶解的氧化镁灰的额外沉淀和累积。
在本发明的另一特定实施例中，燃烧器14可首先使用带有补充软的水溶性灰的产生的一种或多种添加物的更纯无矾的燃料来操作。在燃烧器14和/或燃气涡轮10最初操作时，由控制器44生成的控制信号62可允许燃烧器14跨较宽的燃烧温度操作但可将燃料约束或限制为无矾的燃料。第一预定限制可再次反映在热气体路径26中水溶性灰的所期望的沉淀速率和/或所期望的积聚的累积。当信号56超过指示热气体路径26中水溶性灰的所期望的积聚的第一预定限制时，由控制器44生成的控制信号62可去除燃料限制，从而允许燃烧器14和因此燃气涡轮10利用更廉价的燃料以更高的功率水平和/或更高的燃烧温度操作。
如先前所描述地，控制信号62可因此备选地限制或允许各种功率水平、燃烧温度和/或燃料含量。备选地或作为补充，由控制器44生成的控制信号62可包括维护安排信息，其允许操作者安排清洁过程来移除热气体路径26中硫酸镁和/或氧化镁灰的积聚的累积。例如，包括于控制信号62中的维护安排信息可允许操作者安排干燥清洁过程以符合诸如在夜间操作期间通常发生的燃烧器14和/或燃气涡轮10的即将发生的预期的降低的操作功率水平和/或燃烧温度。在其它特定实施例中，操作者可使用维护安排信息来在“较低”燃烧温度与“较高”燃烧温度之间循环来提高干燥清洁过程的效果。备选地，操作者可安排洗涤过程以符合即将发生的预期运转中断。在不能溶解的灰下方的水溶性灰的优先积聚便于在洗涤过程期间移除不能溶解的灰。具体而言，认为在燃气涡轮10的冷却期间下面的水溶性灰扰乱了任何不能溶解的灰涂层的晶体结构，从而移除不能溶解的灰涂层中的一些且从而允许水到达并溶解下面的水溶性灰涂层。在燃气涡轮10的随后启动和加热期间，残留的水蒸汽进一步扰乱并移除留在热气体路径26中的任何不能溶解的灰涂层。
图2和图3示出了使用图1所示的系统40来操作燃烧器14的所期望的效果。具体而言，图2提供了相对于时间的燃烧温度的曲线图，且图3提供了诸如可合并到图1所示的涡轮16中的固定喷嘴28内和/或旋转动叶30内的翼型件64的放大的截面图。如图2所示，该系统40提供了用于在第一功率水平下操作燃烧器14的方法，第一功率水平在热气体路径26中产生低于或等于第一预定温度68的第一温度66。如先前所述，可选择第一预定温度68以促进热气体路径26中水溶性硫酸镁的沉淀和累积。因此，该系统40在热气体路径26的至少一部分上形成水溶性灰层70，如在图3所示的翼型件64中所示。该系统40测量与燃烧器14相关联的一个或多个操作参数，其反映在热气体路径26中灰沉淀速率或积聚的灰累积中的至少一个。该系统40比较反映操作参数的信号56与第一预定限制，第一预定限制如先前所讨论地可反映在热气体路径26中水溶性灰的所期望的沉淀速率和/或所期望的积聚的累积。当信号56满足或超过第一预定限制时，该系统40可以在第二功率水平上操作该燃烧器，第二功率水平在热气体路径26中产生大于或等于第一预定温度68的第二温度72。因此，该系统40在热气体路径26的至少一部分上形成不能溶解的灰层74，再次如在图3所示的翼型件56中所示。如先前所讨论地，该系统40还比较反映操作参数的信号56与第二预定限制，第二预定限制如先前所讨论地可反映在热气体路径26中不能溶解的灰的所期望的沉淀速率和/或所期望的积聚的累积。
预期本文所述的系统40和方法可提供优于现有技术的若干商业优点而无需设计、购买或安装任何额外的硬件。具体而言，本文所述的系统40和方法可允许使用包含油溶性矾的低值燃料而不会不当地牺牲燃烧器14或燃气涡轮10的效率、功率输出和/或可用性。形成软的水溶性灰层允许更高的燃烧温度同时仍允许水洗过程有效地移除在热气体路径26中的任何不能溶解的灰积聚。而增加的燃烧温度将反过来增加燃烧器14和/或燃气涡轮10的可用功率输出和/或总效率，从而得到显著的经济益处。
本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使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实施任何合并的方法。本发明的专利保护范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员所想到的其它示例。如果其它示例包括与权利要求的字面语言并无不同的结构元件或者如果其它示例包括与权利要求的字面语言并无实质差别的等效结构元件，则这些其它示例预期在权利要求的范围内。

Claims (6)

1.一种用于操作燃烧器(14)的方法，包括：
在第一功率水平下操作所述燃烧器(14)，所述第一功率水平在热气体路径(26)中产生第一温度，所述第一温度小于或等于第一预定温度(68)；
在所述热气体路径(26)的至少一部分上形成灰层(70,74)；
测量与所述燃烧器(14)相关联的操作参数，其中，所述操作参数反映热气体路径(26)中的灰沉淀速率或积聚的灰累积中的至少一个；
比较所述操作参数与第一预定限制；以及
当所述操作参数超过所述第一预定限制时，允许所述燃烧器(14)在第二功率水平下操作，所述第二功率水平在所述热气体路径(26)中产生第二温度，所述第二温度大于或等于所述第一预定温度(68)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：比较所述操作参数与第二预定限制。
3.根据权利要求1至2中的任一项所述的方法，其特征在于，形成所述灰层(70,74)包括在所述热气体路径(26)的至少一部分上形成可溶性灰层(70)。
4.根据权利要求1至2中的任一项所述的方法，其特征在于，形成所述灰层(70,74)包括在所述热气体路径(26)的至少一部分上形成不能溶解的灰层(74)。
5.根据权利要求1至2中的任一项所述的方法，其特征在于，还包括：在所述热气体路径(26)的至少一部分上移除所述灰层(70,74)。
6.根据权利要求1至2中的任一项所述的方法，其特征在于，还包括：生成控制信号(62)，所述控制信号(62)包含用于燃烧器(14)的维护安排信息、所允许的燃料含量或者所允许的操作水平中的至少一个。
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