CN105386877B - 用于控制燃气涡轮的方法 - Google Patents

用于控制燃气涡轮的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN105386877B
CN105386877B CN201510628778.1A CN201510628778A CN105386877B CN 105386877 B CN105386877 B CN 105386877B CN 201510628778 A CN201510628778 A CN 201510628778A CN 105386877 B CN105386877 B CN 105386877B
Authority
CN
China
Prior art keywords
fuel
gas
fuel gas
gas turbine
composition
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201510628778.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105386877A (zh
Inventor
F·古伊特
T·温德
H·辛恩
M·克里曼恩
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ansaldo Energia IP UK Ltd
Original Assignee
Ansaldo Energia IP UK Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ansaldo Energia IP UK Ltd filed Critical Ansaldo Energia IP UK Ltd
Publication of CN105386877A publication Critical patent/CN105386877A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105386877B publication Critical patent/CN105386877B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C9/00—Controlling gas-turbine plants; Controlling fuel supply in air- breathing jet-propulsion plants
    • F02C9/26—Control of fuel supply
    • F02C9/40—Control of fuel supply specially adapted to the use of a special fuel or a plurality of fuels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N1/00—Regulating fuel supply
    • F23N1/002—Regulating fuel supply using electronic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/24—Preventing development of abnormal or undesired conditions, i.e. safety arrangements
    • F23N5/242—Preventing development of abnormal or undesired conditions, i.e. safety arrangements using electronic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23K—FEEDING FUEL TO COMBUSTION APPARATUS
    • F23K2900/00—Special features of, or arrangements for fuel supplies
    • F23K2900/05004—Mixing two or more fluid fuels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2221/00—Pretreatment or prehandling
    • F23N2221/10—Analysing fuel properties, e.g. density, calorific
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2241/00—Applications
    • F23N2241/20—Gas turbines

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Regulation And Control Of Combustion (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)

Abstract

本发明涉及控制燃气涡轮的方法，所述方法以燃料反应性测量作为主要操作原理。为了快速测定燃气涡轮的回火和熄火的安全操作范围，所述方法包括：通过对具有n＞1种燃料组分的燃料混合物的(n‑1)种物化性质的联合测量，推导燃料组成，并由此推断燃料的反应性，其中所述联合测量用于根据所述燃料气体混合物的(n‑1)种物化性质推演得到一种组分的浓度，或用于在已知组成的情况下确定所述燃料的比例；并且至少部分基于进入燃烧室的燃料气体混合物的经测定的性质，调节燃气涡轮的至少一个操作参数。采用本发明的技术方案，通过检测燃料气体的快速改变，确保燃气涡轮可在优化的性能和安全操作范围内使用各种燃料气体操作。在实际应用中，本发明可改进燃气涡轮的灵活性和操作燃气涡轮机的成本效益。

Description

用于控制燃气涡轮的方法
技术领域
本发明涉及热发电领域，特别涉及控制燃气涡轮的方法，所述方法使用包含燃料反应性测量作为主要部分(integral part)的操作原理。
背景技术
近年来，普遍使用各类燃料来运行燃气涡轮，以提高燃气涡轮对所用的燃料的灵活性。在这种情况下，进入燃气涡轮燃烧室的燃料气体的组成将由于供给的燃料气体组分的波动而变化。已知燃料气体的组成会影响燃气涡轮的操作范围(margins)、安全、排放、脉动性能等性能。为了使燃气涡轮的性能保持优化，甚至防止燃气涡轮被损坏，必须足够快速地检测燃料气体组成的变化，以便为安全和优化操作采取措施。这样做时，需要检测由以下物质构成的宽燃料图谱：天然气组分，如CH4、C2H6和CnH2n+2；合成气组分，如H2、CO；和惰性气体，如N2和CO2。随后，可基于燃料气体的组成，通过各种操作参数来调节燃气涡轮的操作。最重要的操作参数为混合性质(通常概括为沃泊指数(Wobbe Index)，其为修正热值)和化学反应性(例如点火时间或燃烧速率)。
对此的一个方案是红外(IR)分析器，用于检测进入燃气涡轮燃烧室的燃料气体的组成，例如文献US 7216486 B2、DE 10302487 A1中所描述。可通过该方式检测燃料气体的一些组分，例如CH4和C2+(C2+概括所有n＞1的CnH2n+2类物质)。常见的IR吸收技术很迅速(时间＜＜1min)，但没能足够好地吸收，以区分C3和更高级的C2+组分。此外，通常存在于燃料气体中的一些其它组分(例如H2和N2)对于红外吸收不灵敏，不能被红外分析器检测到。
使用气相色谱仪是检测燃料气体组成的另一种方法。然而，气相色谱仪具有相对慢的响应时间(通常为几分钟，＞15min)，因此不足够快以充分检测快速变化的组成。
已知科里奥利(Coriolis)测量计被用在燃气涡轮位点上的精确质量流量的频繁测量(时间＜＜1min)。由于它们的测量原理，可以通过标准仪器获得定量的燃料密度。已将燃料密度测量用于得到燃料的沃泊指数，所述沃泊指数随后用于操作燃气涡轮，如文献US2011/0247315 A1中所描述。所测能量特征被实时传达至控制单元。
EP 1995518 A2中公开了将气态燃料的密度测量结合热值的测量，以计算与控制燃气涡轮中燃烧有关的沃泊指数。将所测沃泊指数值与气态燃料的预定沃泊指数值相比较，调节燃料温度，以达到预定沃泊指数值。若使用燃料气体的混合物进料至涡轮机，热量计将测量混合物的温度、降低的热值和相对密度，以确定混合物本身的沃泊指数。
根据已知的现有技术，将沃泊指数和热值用于保持所含能量，使得发动机在给定负荷下运行。
申请人所用的燃烧室，例如EV、AEV或SEV燃烧室对于燃料反应性比其它燃烧室更为灵敏。这是不同燃料机动性限度的一部分(part of different fuel flexibilitymargins)。C2+反应性的测量是操作原理的主要部分(integral part)。为优化的性能和回火(flashback)和熄火(blow-out)的安全，可根据燃料的组成调节燃气涡轮的操作。燃料组成的快速检测是优化性能以及安全测量的要求。可将对燃料组成的变化的检测用于推导反应性的变化，这可用于优化燃气涡轮的操作。
为了覆盖更宽的燃料参数，需要考虑将测定燃料组成的方法与大量燃料特定测量或更宽范围的物化性质测量结合。
目前尚未得知使用燃料密度或其它物化性质来支持燃料组成或混合物中不同燃料组分的比例的测定。
发明概述
本发明的目的是提供通过测定燃料特性以确定回火和熄火的安全操作范围，从而快速控制燃气涡轮的方法。
该目的通过根据本申请权利要求1的控制燃气涡轮的方法达到。
本发明的控制具有至少一个燃烧室阶段的燃气涡轮的方法快速测定了燃气涡轮的回火和熄火的安全操作范围，其中所述控制方法以燃料反应性测量作为主要原理操作。该方法包括：通过具有n＞1种燃料组分的燃料混合物的(n-1)种理化性质的联合测量来推导燃料组成，并由此推断燃料的反应性，其中所述联合测量用于根据所述燃料气体混合物的(n-1)种物化性质推演得到一种组分的浓度，或用于在已知组成的情况下确定所述燃料的比例；并且至少部分基于进入燃烧室的燃料气体混合物经测定的性质来调节燃气涡轮的至少一个操作参数。
根据一个实施方案，所述方法的特征在于：除了通常的常规燃料气体测量之外，进行所述物化性质的测量，以安全模式运行燃气涡轮，直到准确的燃料气体组成被所述具有较低响应时间但更高精确度的常规测量设备所确认。
根据另一个实施方案，所述方法的特征在于：进行所述物化性质的测量，替代通常的常规燃料气体测量。
所述燃气涡轮的调节包括因热气温度的降低而进行的降低额定值(de-rating)和/或分段(staging)。如果燃气涡轮为带有第一和第二燃烧室的连续燃烧类型，所述调节可包括第一和第二燃烧室之间的功率平衡。
根据本发明的一个实例，所述方法的特征在于：仅测量一个性质，所述性质仅为混合前后一种燃料气体流的一部分。
根据另一个实施方案，所述方法的特征在于：如果预期单个燃料的组成接近恒定且已知，则在将燃料混合之后测量燃料气体的一个性质。
优选地，测量燃料气体的密度(作为物化性质)，以检测燃料组成的变化，并且C2+含量和/或H2含量得自所述密度测量。
此外，测量热导率和/或热输入(低热值，LHV)(作为物化性质)，以检测燃料组成的变化。
根据本发明的一个示例性实施方案，所述通过测量燃料气体的密度和热导率来确定燃料气体的组成的方法进一步包括：测定由燃料气体的C2+百分数、沃泊指数、相对热输入或比热构成的一种或多种燃料性质。
根据本发明的一个示例性实施方案，使用科里奥利测量仪、红外分析器、气相色谱仪、RAMAN光谱装置和/或高分辨二极管激光器实现所述对燃料性质的测量。
根据本发明的一个示例性实施方案，所述方法进一步包括：测定所述燃料气体中CH4、CO、C2H6、N2和/或CO2的含量。
根据本发明一个示例性实施方案，操作参数由燃料气体组合物的组分形成。
根据本发明的一个示例性实施方案，操作参数由燃料气体组合物的组分形成，所述组分根据它们对燃烧反应性(reactivity of the flame)的影响进行加权。
根据本发明的一个示例性实施方案，至少部分基于所述燃料气体的测定密度对所述燃气涡轮的至少一个操作参数的调节包括：测定燃料气体密度变化的幅度；当变化幅度大于预定阈值时，将燃气涡轮的操作参数调整成一组预定的操作参数。
根据本发明的一个示例性实施方案，至少部分基于所述燃料气体的测定密度对所述燃气涡轮的至少一个操作参数的调节包括：为了保持燃气涡轮的功率输出恒定，实施至少一个以下的调节：改变单独燃烧室的燃料供给的分段比例(staging ratio)；和/或改变多重燃烧室中的燃料质量流量；通过结合不同的燃料气体改变燃料气体混合物，以形成具有正常可燃性值的燃料气体；用惰性气体稀释燃料气体；改变再循环废气的比例；和改变工作流体的性质。
根据本发明的一个示例性实施方案，至少部分基于所述燃料气体的测定密度对所述燃气涡轮的至少一个操作参数的所述调节包括：基于测量的燃料气体性质，或工作流体的质量流量，或燃料流量调节燃气涡轮的涡轮入口温度(TIT)，以在优化和安全的条件下操作燃气涡轮。
采用本发明的技术方案，通过检测燃料气体的快速改变，确保燃气涡轮可在优化性能和对其损坏最小化的情况下使用多种燃料气体进行操作。在实际应用中，本发明可改进燃气涡轮的灵活性和操作燃气涡轮机的成本效益。
附图概述
本发明的目的、优点和其它特点将在阅读以下优选的实施方案(仅用于示例目的给出)的非限制性描述，并同时参考附图而变得更为明显，其中：
图1显示可采用本发明的技术方案的燃气涡轮的实例的示意图；和
图2显示密度和热导率与燃料混合物CH4/H2的组成的关系。
具体实施方式
图1显示可采用本文提出的方法的燃气涡轮100的实例的示意图。燃气涡轮100主要包含压缩工作流体180(例如空气)的入流的压缩器110，并将经压缩的空气流120递送进入燃烧室130，于其中混合经压缩的空气流120与燃料气体流190，以构成可燃混合物。可将可燃混合物点燃，以形成燃烧气体流140，将其递送至涡轮机140并驱动涡轮机140，以产生机械功。涡轮机140中产生的机械功通过转子150驱动压缩器110和外部载荷，例如发电机160。
应注意，为了简洁和清楚，此处仅显示一个燃烧室130，其可优选为本申请的预混合EV或AEV型。
根据本发明，所述方法可涉及具有连续燃烧和具有两个燃烧室130(SEV型)的燃气涡轮。此处还可使用其它组件和/或其它配置。应注意，为了简洁和清楚，此处仅显示一个燃气涡轮100。本领域技术人员将理解，此处可同时使用多个燃气涡轮100和其它类型的燃气涡轮，以适于不同应用，在这种情况下，这些燃气涡轮可称为燃气涡轮组。
燃气涡轮100可使用多种燃料，例如天然气、各种类型的合成气和其它类型的燃料气体。燃气涡轮100的性能对进入燃烧室130的燃料气体的性质敏感。通常，与燃气涡轮的性能紧密相关的燃料气体的性质包括但不限于：分子量、比重、流率、密度、混合特性和化学反应性等等。燃料气体性质中未补偿的变化(uncompensated variety)会导致燃烧不稳定(动力学)，NOx和CO的排放增加，降低的操作限度(operational margins)和脉动性能的衰退。在极端情况下，燃料气体性质的显著改变会损坏燃气涡轮，例如因为供给燃料气体突然过量的热含量而出现的过热。为了防止燃气涡轮100损坏和进一步改进其性能，可基于燃料气体性质调节燃气涡轮100的操作参数。
在本发明中，需要燃料的组成并非主要为了测定热气温度或引擎的性能，而是为了得出它们的反应性和确定回火与熄火的安全操作范围。
现在回到图1，燃气涡轮100的整体操作通过控制器210控制，其中布置在燃气涡轮100周围的不同分布的控制模块可与控制器210连通。在本发明的一个典型的实施中，配备在燃料气体供应途径中的燃料气体控制模块190可与控制器210连通。燃料气体控制模块190可包括传感器194，例如科里奥利测量计、红外分析器、气相色谱仪、RAMAN光谱仪、沃泊测量计或高解析二极管激光器等，可用于获得燃料气体的相关性质，例如质量流率，温度、压力、密度、热导率、C2+的百分数(指除甲烷之外的烷烃中的碳)、沃泊指数、相对热输入等。
控制器210可包含许多与燃气涡轮其它部分连通的其它控制模块，例如配备在进入燃烧室130的空气的供应途径120的空气控制模块280，以提供空气相关的性质和对它的控制；与燃烧室130连接的燃烧控制模块240，以提供燃烧相关的性质和对它的控制；与涡轮机140连接的涡轮控制模块250，以提供涡轮相关的性质和对它的控制；与压缩器110连接的压缩器控制模块220，以提供压缩器相关的性质和对它的控制。
所有这些控制模块可包含各自的传感器以检测多种性质。例如，涡轮控制模块250可包含用于检测和调节涡轮进口温度(TIT)的传感器252。
应注意，上述控制模块仅表示用于解释本发明原理的一些实例。为了检测与燃气涡轮操作相关的性质并提供对燃气涡轮操作的控制，本领域技术人员可采用在燃气涡轮周围任何适当位置的任何控制模块，其全部均明确地落入本发明的范围。例如，除了上述控制模块，燃气涡轮可包含用于以下的控制模块：当供应于多重燃烧室时，用于控制和/或调节和/或改变单一燃烧室的燃料供给的分段比例(staging ratio)；用于控制和/或调节和/或改变多重燃烧室中的燃料质量流量；用于控制和/或调节和/或改变燃料气体混合物；用于使用惰性气体控制和/或调节和/或改变燃料气体的稀释；用于控制和/或调节和/或改变再循环废气的比例；和/或用于控制和/或调节和/或改变工作流体(例如入口冷却、水或蒸汽注入)的性质。
在本发明的一个示例性的实施方案中，提出通过包含以下步骤的方法控制燃气涡轮或燃气涡轮组：测定进入燃气涡轮100的燃烧室130的燃料气体的密度；至少部分基于所述测定的燃料气体的密度调节燃气涡轮100的至少一个操作参数。将通过非限制实例对所述方法作进一步解释。
在一个实例的实施中，可选定进入燃烧室130的燃料气体的密度，以控制燃气涡轮100的操作来得到优化的性能。在一个实施方案中，可通过配备在燃料气体供给途径中的传感器194获得燃料气体的密度。传感器194可包含科里奥利测量计，其可快速检测燃料气体的质量流量和密度。使用科里奥利测量计以获得燃料气体的密度是有利的，因为科里奥利测量计通常配置在燃气涡轮中，这使得可在成本有益的情况下实施本发明，不需要购置和安装额外的设备。此外，科里奥利测量计可极快的给出燃料气体的密度读数，这使得当燃料气体突然发生变化时，可立即作出响应，以调节燃气涡轮的操作参数来避免对它的损坏。例如，在燃气涡轮的典型的配置中，采用科里奥利测量仪读数推导出燃料气体的密度，这在＜1min内就能确定是用不同的燃料气体供给燃烧室130，并在3-4分钟后使其稳定。通过使用红外分析器也实现了相同的时间，而气相色谱法则呈现出较长的延迟(＞15min)。本领域技术人员会理解，对于标准密度的精密测量，燃料气体的温度和压力应为已知，它们还可以通过燃料气体控制模块190中适当的传感器获得。
在本领域中已知，燃料气体的组成对燃气涡轮的性能具有强烈影响。因此，在本发明中通过燃料气体的密度差异或测量，研究解决燃料气体组成的快速变化的快速响应。通常，采用红外分析器，以测量燃料气体中CH4和C2+的含量，这是获得这些性质的快速方法。然而，使用红外分析器不可能精确地测量H2和N2。在这种情况下，本发明提出基于燃料气体的密度和热导率推导H2和/或N2含量，详细的推导为本领域技术人员所已知。
通常，以一定混合分数混合的不同类型的燃料气体会具有不同的密度，这对于燃气涡轮控制系统是已知的。在这种情况下，作为一个非限制性的实施，可使用密度测量来识别进入燃气涡轮燃烧室的燃料气体的类型，并由此确定燃料气体的具体组成。当通过密度测量测定燃料气体的组成时，可因此调节燃气涡轮的一个或多个操作参数。
在一个实施方案中，除了科里奥利测量计，燃料气体控制模块190中的传感器194可包含测量燃料气体热导率的另外的传感器。结合测量燃料气体热导率的传感器可推导燃料气体的组成(特别是H2和/或N2含量)，以用于控制燃气涡轮100的操作。本发明的方法可包含测量燃料气体热导率的步骤。在进一步的方面中，本发明可包含通过测定燃料气体的密度和热导率测定燃料气体的组成的步骤。
在本发明的另一个示例性的实施方案中，燃料气体的密度可与除热导率之外和/或包括热导率在内的燃料气体的其它性质组合，以得知或推导燃料气体的其它组分，从而可得知燃料气体的组成，在这种情况下，本发明可包含测定以下一种或多种燃料气体性质的步骤：燃料气体的C2+的百分比、沃泊指数、相对热输入或比热。
在一个示例性的实施中，上述燃料气体性质各自可使用特定的传感器测量，所述传感器在燃料气体控制模块190中作为传感器194使用。例如，仅举几个例子，以上特定的传感器可包括气相色谱仪、RAMAN光谱仪、高解析二极管激光器等等。结合以上燃料气体的性质，可通过本领域技术人员已知的方法测定燃料气体的组成。本发明的方法可包括测定燃料气体中H2、CO2、N2、CH4、C2H6等含量的步骤。
根据本发明，基于使用各传感器测量的燃料气体性质的适当组合，可快速检测燃料气体的组成，并由此立即响应，通过调节燃气涡轮的操作参数，解决燃料气体的快速变化，以避免对燃气涡轮的损坏。
作为本发明中的非限制性实例，燃气涡轮或燃气涡轮组的操作参数可包含：单一燃烧室燃料供给的分段比例，多重燃烧室(例如再热式燃气涡轮)中的燃料质量流量，燃料气体混合物，再循环废气的比例和工作流体的性质(例如入口冷却、水或蒸汽注入)。
在本发明的一个实施方案中，为了保持燃气涡轮的功率输出恒定，至少部分基于测定的燃料气体的密度，可进行以下多种调节：改变单一燃烧室燃料气体供给的分段比例；改变多重燃烧室(例如再热式燃气涡轮)中的燃料质量流量；通过组合不同的燃料气体改变燃料气体混合物，以形成具有正常可燃性值的组合燃料气体；使用惰性组分(例如，蒸汽、N2、CO2等)稀释燃料气体；改变再循环废气的比例；和改变工作流体的性质(例如入口冷却、水或蒸汽注入)。
在本发明的另一个实施方案中，为了以优化和安全的条件操作燃气涡轮，至少部分基于测定的燃料气体的密度，可进行以下多种调节：调节燃气涡轮的涡轮进口温度(TIT)，调节工作流体的质量流量和/或调节燃料质量流量。
在一个关于燃料气体的组成或密度相关的性质的示例性实施中，提出设定燃料气体的各成分或密度的下限和上限的值范围。在这种情况下，本发明的方法可包含测定预选组分(例如H2)或燃料气体密度值的发散度的步骤。例如，测定低于下限或高于上限时H2的含量。此后，本发明的方法包括进一步根据测定结果实施不同调节的步骤。
本发明的另一实施方案中，燃气涡轮或燃气涡轮组的操作参数可由燃料气体的各组分形成：例如H2、CH4、C2+或它们的任意组合。
本发明的另一替代性实施方案中，燃气涡轮或燃气涡轮组的操作参数可由燃料气体组合物的组分形成，所述组合物的组分根据它们对燃烧反应性(reactivity of theflame)的影响加权，其中燃料气体组合物的组分可包含CH4、CO、CO2、C2+、H2和/或N2。
在另一个示例性的方面，可调节燃气涡轮或燃气涡轮组的操作参数，以代替测定燃料气体的组成或密度，或作为除测定燃料气体的组成或密度之外的补充。在本发明的一个示例性实施方案中，所述方法可特别地在至少部分基于燃料气体的密度调节燃气涡轮的至少一个操作参数的步骤中包括：测定燃料气体密度的变化幅度；当变化幅度大于预定阈值时，将燃气涡轮的操作参数调整为一组预定操作参数。在这种情况下，该组预定操作参数可称为操作的“安全模式”，其可采用对于燃气涡轮或燃气涡轮组的操作临界的保守参数，以避免对它的损坏。依据该实例方面，当燃料气体中出现突然变化时，可将燃气涡轮切换至操作的“安全模式”，以防止损坏，即使没有得到精确的组成。当采用科里奥利测量计测量燃料气体的密度时，即使没有得知燃料气体的组成，也能极快地得知燃料气体的密度，以及由此得知密度的变化幅度。因此，本发明在没有附加装置的情况下，提供了保护性测量。该保护性测量快速响应于燃料气体的变化，以改进对燃气涡轮的防护，防止由于不合适的燃料气体引起的损坏。
在本发明的另一个实施方案中，所述方法可结合测定组成的步骤和调整为“安全模式”操作的步骤。在这种情况下，考虑到为了得到可靠和精确的结论，组成的测定会耗费更多的时间，可在测定燃料气体的组成的步骤之前实施调整为“安全模式”操作的步骤，以对燃气涡轮和燃气涡轮组的即刻防护(instant protection)。在测定燃料气体的组成之后，考虑来自燃料气体组成中组分改变的影响，可进一步调节与组成相关的操作参数，以使得燃气涡轮或燃气涡轮组在优化的性能下连续地操作。
另一个实例涉及具有两个天然气供给装置的燃气涡轮。它们提供相对恒定的气体组成，但C2+含量彼此不同。已知现有技术采用附加装置来快速测量装置中天然气的C2+浓度，但该装置并非标准，并为此需要另外安装。作为替代，根据本发明，可根据对仅一个性质(例如密度)的了解，通过测量气体混合物的一个物化性质，来推导两种气体各自的比例。可由此操作混合物的组成和燃气涡轮(基于燃料反应性或H2、C2+含量的降低额定值或分段(de-rating or staging))
另一个实例涉及具有已知相对恒定的天然气组成的天然气管线中的氢存储器。在氢含量大于5体积％的情况下，必须因此使用例如单一燃烧阶段(single combustionsstage)操作燃气涡轮，这意味着降低额定值或分段(de-rating or staging)。如果使用连续燃烧运行燃气涡轮，则保持第一和第二燃烧室之间的功率平衡。在密度和热导率测量的情况中，参见图2，其显示CH4和H2的混合物的实例(密度和热导率与CH4/H2燃料组成混合物的关系)。但也可将这应用于已知天然气和H2的混合物。基于密度测定或热导率，可推导H2的浓度，且可因此以极快的方式调节燃气涡轮，并从而在安全范围内操作燃气涡轮。
在局部氢存储器的情况下，还需要确保燃料气体的H2浓度为已知。一方面，可直接测量混合的H2量(必须极其准确测量)或可使用根据本申请的更快和更廉价的方法直接从混合物测定H2浓度。
为了进一步测定两个或更多个已知燃料的比例(不同燃料类型来自不同燃料气体供给装置)，可通过测定(燃料类型数目-1)个燃料类型的单种物化性质来实现。
对于原位或在天然气网格处掺杂例如H2的燃料，可将通常安装在燃气涡轮动力装置处或所述动力装置之后的燃料气体供给装置的气相色谱仪用于测量主要气体/天然气的气体组成。仅需要一种物化性质，以检测掺杂-物类/掺杂-混合物的突然变化。可由此调整燃气涡轮的操作。需要燃料组成并非主要为了测定热气温度或引擎的性能，而是为了得出它们的反应性和确定回火与熄火的安全操作范围。
总而言之：
可使用以下物化性质测定燃料气体的组分。
使用来自科里奥利测量计的密度测量得到燃料气体中一个另外的组分，例如H2(已知其存在，但浓度未知)。C2+或H2含量可极快地导出。密度测量极快，并可结合其它测量(通过IR吸收检测器的C2+含量、热容量或其它)用于检测燃料组成的快速变化。
使用密度，可检测燃料组成的快速变化。仅当可能的组分的数目受限的情况下，才可由此推导出例如H2的含量。与天然气的主要组分，即(ρ(CH4)/ρ(H2)：16/2)相比，具有H2的密度变化特别大。若在那个特定的位点上可以有更多的组分，则可能需要进一步的测量，以得到组成的快速分析。即使在没有准确的组成的情况下，当通过密度变化检测到组成突然变化时，可将GT切换至安全操作模式。
可容易且快速地完成热导率测量，若需要多于一个的组成的自由参数，则也可将所述测量包括在估量流程(evaluation scheme)中。
沃泊指数测量计-若需要，可与另一个测量设备组合。
通过燃气涡轮参数检测相对热输入：为了保持引擎负荷，需要通过改变燃料的低热值(LHV)来改变燃料的质量流量，因此所需燃料质量流量为LHV的一个指示，其还可用作推导燃料组成以及燃料反应性的物化性质。
测量C2+组成的IR检测器：这已经是现有技术。但结合其它测量，这可包括新燃料物类。
RAMAN光谱仪：这为同时捕获所有组分的更为复杂(和昂贵)的技术。
例如，在这些测量的正确组合下，可构建用于燃料气体组成的快速检测器，其可检测CH4、C2+(IR吸收)、H2和N2(密度和所测热导率同时)。本发明的实施包括采用控制软件，以由检测器信号得到快速测量并估算引擎操作可能的变化，例如GT24/GT26再热式引擎的第一燃烧室(EV)的燃料分段或降低额定值(staging or de-rating)的变化，并同时增加连续燃烧室燃料。
已采用有限数目的实施方案详细描述了本发明，但应容易理解，本发明不限于这些公开的实施方案。当然，可结合此前未描述的但与本发明精神和范围相当的许多变化、变更、替换或相当的布置来修改本发明。此外，虽然已描述本发明的多个实施方案，但应理解，本发明的一些方面可仅包括其中一些所述实施方案。因此，不将本发明视作由前述说明所限制，但仅由附加权利要求的范围所限制。
附图标记列表
100 燃气涡轮
120 压缩的空气流
130 燃烧室
140 涡轮
150 转子
160 发电机
180 空气的入流
190 燃料气体控制模块
194 传感器
210 控制器
220 压缩器控制模块
240 燃烧控制模块
250 涡轮控制模块
252 传感器
280 空气控制模块

Claims (15)

1.用于控制具有至少一个燃烧室阶段的燃气涡轮的方法，所述方法以燃料反应性测量作为主要操作原理，以快速测定燃气涡轮的回火和熄火的安全操作范围，所述方法包括：通过对具有n>1种燃料组分的燃料气体的n-1种物化性质的联合测量，推导燃料气体组成，并由此推断燃料的反应性，其中所述物化性质的联合测量用于根据燃料气体的n-1种物化性质推演得到一种组分的浓度，或用于在已知燃料气体组成的情况下确定所述燃料气体中不同燃料类型的比例；并且至少部分基于进入燃烧室的燃料气体的经测定的物化性质，调节燃气涡轮的至少一个操作参数；其特征在于：除通常的常规燃料气体测量之外，进行所述物化性质的联合测量，以安全模式运行所述燃气涡轮，直到准确的燃料气体组成被具有较短响应时间但较高精确度的常规测量设备所确认。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于：进行所述物化性质的联合测量，以替代通常的常规燃料气体测量。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于：所述燃气涡轮的调节包括由于热气温度的降低导致的降低额定值(de-rating)和/或分段(staging)。
4.根据权利要求1的方法，其特征在于：所述燃气涡轮为具有第一和第二燃烧室的连续燃烧类型，且所述燃气涡轮的调节包括所述第一和所述第二燃烧室之间的功率平衡。
5.根据权利要求1的方法，其特征在于：若单个燃料类型的组成为已知，且预期接近恒定，则在混合所述不同燃料类型之后测量燃料气体的一种性质。
6.根据权利要求1-5中任一项的方法，其特征在于：作为物化性质，测量所述燃料气体的密度，以检测燃料气体组成的变化。
7.根据权利要求6的方法，其特征在于：C2+含量和/或H2的含量得自所述密度测量。
8.根据权利要求1-5中任一项的方法，其特征在于：作为物化性质，测量热导率，以检测燃料气体组成的变化。
9.根据权利要求1-5中任一项的方法，其特征在于：作于物化性质，测量低热值(LHV)作为热输入，以检测燃料气体组成的变化。
10.根据权利要求1-5中任一项的方法，其特征在于：使用科里奥利测量仪、红外(IR)分析器、气相色谱仪(GC)、拉曼光谱装置和/或高解析二极管激光器实施所述物化性质的联合测量。
11.根据权利要求1-5中任一项的方法，其特征在于：所述方法进一步包括测定所述燃料气体中CH4、CO、C2H6、N2和/或CO2的含量。
12.根据权利要求1-5中任一项的方法，其特征在于：所述操作参数由所述燃料气体的组分形成。
13.根据权利要求12的方法，其特征在于：所述燃料气体的组分根据它们对燃烧反应性(reactivity of the flame)的影响进行加权。
14.根据权利要求1-5中任一项的方法，其特征在于：至少部分基于所测定的燃料气体密度来调节所述燃气涡轮的至少一个操作参数，所述调节包括：测定所述燃料气体密度的变化幅度，当所述变化幅度大于预定阈值时，将所述燃气涡轮的操作参数设定为一组预定操作参数。
15.根据权利要求1-5中任一项的方法，其特征在于：至少部分基于所述燃料气体的测定密度来调节所述燃气涡轮的至少一个操作参数，所述调节包括：基于所述测定的燃料气体的密度调节所述燃气涡轮的涡轮进口温度(TIT)，或工作流体的质量流量，或所述燃料气体的质量流量，以在优化和安全的条件下操作所述燃气涡轮。
CN201510628778.1A 2014-09-02 2015-09-02 用于控制燃气涡轮的方法 Active CN105386877B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP14183267.5 2014-09-02
EP14183267.5A EP2993401B1 (en) 2014-09-02 2014-09-02 Method for controlling a gas turbine

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105386877A CN105386877A (zh) 2016-03-09
CN105386877B true CN105386877B (zh) 2020-12-22

Family

ID=51429209

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510628778.1A Active CN105386877B (zh) 2014-09-02 2015-09-02 用于控制燃气涡轮的方法

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20160061114A1 (zh)
EP (1) EP2993401B1 (zh)
KR (1) KR20160027920A (zh)
CN (1) CN105386877B (zh)

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
MX2018008217A (es) * 2016-01-27 2018-09-07 Micro Motion Inc Metodo de medicion de energia de gas y aparato relacionado.
CN107178789B (zh) * 2016-03-09 2020-06-09 西门子公司 天然气燃烧器的燃烧监控方法、装置和系统
CN108955780A (zh) * 2018-09-07 2018-12-07 广州南控自动化设备有限公司 一种可检测气体质量的涡轮流量计
WO2020255091A1 (en) 2019-06-21 2020-12-24 Onpoint Technologies, Llc Combustion heater control system with dynamic safety settings and associated methods
EP3830483B1 (en) * 2019-06-21 2022-03-09 OnPoint Technologies, LLC Combustion system with inferred fuel and associated method
EP3961195A1 (de) * 2020-08-28 2022-03-02 Siemens Aktiengesellschaft Messeinrichtung zur brenn- oder heizwertbestimmung eines kohlenwasserstoffhaltigen brenngases
US20240175396A1 (en) * 2022-02-15 2024-05-30 Yantai Jereh Petroleum Equipment & Technologies Co., Ltd. Dual-Fuel Power System and Air Supply and Purging Method Thereof
GB202205353D0 (en) * 2022-04-12 2022-05-25 Rolls Royce Plc Flight condition
FR3135144A1 (fr) * 2022-04-28 2023-11-03 Totalenergies Onetech Système de mesure et de transmission d’une teneur variable en dihydrogène pour optimiser la combustion d’un flux de gaz naturel
EP4343131A1 (en) * 2022-09-23 2024-03-27 General Electric Technology GmbH Method for operating a combustion system, combustion system and gas turbine engine comprising the combustion system

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101889133A (zh) * 2007-12-13 2010-11-17 三菱重工业株式会社 燃气轮机的控制方法及燃气轮机发电装置
EP2767697A1 (en) * 2013-02-19 2014-08-20 Alstom Technology Ltd Gas turbine with fuel composition control

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE69231977T2 (de) * 1991-10-23 2002-04-04 Honeywell, Inc. Vorrichtung zur verbrennungslosen messung der qualität von gasförmigem brennstoff
US6076392A (en) * 1997-08-18 2000-06-20 Metasensors, Inc. Method and apparatus for real time gas analysis
US20020124630A1 (en) * 1998-02-28 2002-09-12 Manfred Jaeschke Process for determining the gas composition of the fuel gas
EP1472447B2 (de) 2002-01-25 2018-04-25 Ansaldo Energia IP UK Limited Verfahren zum betrieb einer gasturbogruppe
DE10308384A1 (de) * 2003-02-27 2004-09-09 Alstom Technology Ltd Betriebsverfahren für eine Gasturbine
US7435080B2 (en) * 2004-01-12 2008-10-14 Combustion Science & Engineering, Inc. System and method for flame stabilization and control
CN100529537C (zh) * 2004-01-12 2009-08-19 燃料科学和工程公司 火焰稳定和控制的方法及系统
ITMI20071047A1 (it) 2007-05-23 2008-11-24 Nuovo Pignone Spa Metodo ed apparato per il controllo della combustione in una turbina a gas
US8381506B2 (en) * 2009-03-10 2013-02-26 General Electric Company Low heating value fuel gas blending control
US8984856B2 (en) 2010-04-12 2015-03-24 Hamilton Sundstrand Corporation Flexible fuel system
US20120036863A1 (en) * 2010-08-13 2012-02-16 Joseph Kirzhner Method, apparatus and system for delivery of wide range of turbine fuels for combustion
US9920696B2 (en) * 2011-08-09 2018-03-20 Ansaldo Energia Ip Uk Limited Method for operating a gas turbine and gas turbine unit useful for carrying out the method
NL2013587B1 (nl) * 2014-10-07 2016-10-03 Berkin Bv Werkwijze voor het bepalen van de fracties van een stromend gasvormig medium, alsmede systeem daarvoor.

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101889133A (zh) * 2007-12-13 2010-11-17 三菱重工业株式会社 燃气轮机的控制方法及燃气轮机发电装置
EP2767697A1 (en) * 2013-02-19 2014-08-20 Alstom Technology Ltd Gas turbine with fuel composition control

Also Published As

Publication number Publication date
EP2993401B1 (en) 2017-12-06
KR20160027920A (ko) 2016-03-10
EP2993401A1 (en) 2016-03-09
CN105386877A (zh) 2016-03-09
US20160061114A1 (en) 2016-03-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105386877B (zh) 用于控制燃气涡轮的方法
CN105745497B (zh) 具有可预测排放监测能力的智能控制方法
US9249737B2 (en) Methods and apparatus for rapid sensing of fuel wobbe index
US7854110B2 (en) Integrated fuel gas characterization system
EP2778354A1 (en) Variable heat/power ratio cogeneration system
CA2630954C (en) Method and apparatus for controlling the combustion in a gas turbine
CN102953821B (zh) 用于运行燃气轮机的方法和执行所述方法的燃气涡轮动力装置
US8484981B2 (en) Integrated fuel gas characterization system
US20120036863A1 (en) Method, apparatus and system for delivery of wide range of turbine fuels for combustion
KR102090418B1 (ko) 가스 터빈 연소기, 가스 터빈 및 가스 터빈 연소기의 제어 방법
US9170023B2 (en) Operation of a gas turbine
US8682499B2 (en) Combustion air control
CN102536469A (zh) 对宽范围涡轮机燃料点火的方法、装置和系统
KR102478378B1 (ko) 이수소를 함유할 수 있는 가스의 연소 특성을 추정하는 방법
US20100205976A1 (en) Integrated fuel gas characterization system
Ding et al. Chemiluminescence based operating point control of domestic gas boilers with variable natural gas composition
KR20140106413A (ko) 가스 터빈 엔진의 연료 공급 라인을 위한 천연 가스 온도의 조정 방법
Therkorn et al. CCPP operational flexibility extension below 30% load using reheat burner switch-off concept
Sigfrid et al. Experimental investigations of lean stability limits of a prototype syngas burner for low calorific value gases
Mohammad et al. Hydrogen Enrichment Impact on Gas Turbine Combustion Characteristics
Riccius et al. The GT24/26 combustion technology and high hydrocarbon (“C2+”) fuels
Gersen et al. Impact on Canadian Residential End Use Appliances with the Introduction of Hydrogen into the Natural Gas Stream-An Application
Innami et al. Real-time CO measurement in a coal fired boiler with a TDLS analyzer
Villatoro et al. Evaluation of the Performance of a 200kW Recuperated Gas Turbine Engine Operated on Up to 30% Hydrogen Added to Natural Gas
JP5810597B2 (ja) 気体燃料計測装置及びガスタービン制御システム

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
CB02 Change of applicant information

Address after: Baden, Switzerland

Applicant after: ALSTOM TECHNOLOGY LTD

Address before: Baden, Switzerland

Applicant before: Alstom Technology Ltd.

COR Change of bibliographic data
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
TA01 Transfer of patent application right
TA01 Transfer of patent application right

Effective date of registration: 20171123

Address after: London, England

Applicant after: Security energy UK Intellectual Property Ltd

Address before: Baden, Switzerland

Applicant before: ALSTOM TECHNOLOGY LTD

GR01 Patent grant
GR01 Patent grant