CN105658934B - 控制燃气轮机设备的排放物的方法和燃气轮机设备 - Google Patents

Abstract

一种控制燃气轮机设备(1)的排放物的方法，该燃气轮机设备(1)包括压缩机(7)、燃烧室(9)以及燃气轮机(10)，该方法包括检测燃气轮机(10)的废气(Q_E)中的氧气浓度(S_O2)以及根据检测的氧气浓度(S_O2)和参考浓度值(S_O2R；S_O2R′)，加热向燃烧室(9)供应的燃气流(Q_F)。

Description

控制燃气轮机设备的排放物的方法和燃气轮机设备

技术领域

本发明涉及控制燃气轮机设备的排放物的方法和燃气轮机设备。

背景技术

众所周知，在制造任何类型的热力机器尤其是用于发电的燃气轮机中控制污染排污物是最重要的目的。实际上，越来越意识到对环境风险使得设立规则，这施加了越来越严格的限制。

当热力机器工作在低负载条件下时限制排放物排放尤其关键，这是因为机器被优化成传送更高的功率。例如，关键的条件在夜间发生，当由于能量需求非常低，所以燃气轮机工作在技术上最低的环境条件下时。这样的管理向设备用户提供了能够以较低的燃料消耗来响应来自电网的突然请求的经济优势，但是在另一方面，规则要求将排放物维持在授权的极限值之内。

要面对的问题之一在于以有效的方式减少污染排放物是维持最佳工作条件，这允许燃料中包含的碳完全氧化。如果燃烧条件不理想且未达到足够的能量，则一部分可用碳仅部分地被氧化并产生一氧化碳(CO)。

在另一方面，可以使得环境中排放的CO量被严格的环境规则所限制。此外当实际上所请求的负载更低时，需要满足所设置的限制的需要迫使针对比机器的技术机械最小值更高的轮机设置功率参考。以此方式，燃烧温度增加，且从而可获得的、不完全氧化的碳含量和所产生的CO量被减少。虽然解决方案实现满足法定限制，但是相对于实际需要，存在更大的燃料消耗和产生过多的能量。

非最优条件下的燃烧，其对应于CO的产生，对热力机器效率具有负面效果。实际上，在其中碳仅被部分氧化的CO分子仍然包含可以被完全氧化(产生CO₂)释放的可利用能量。相反，可利用的能量以废气被引入环境中且无法被燃气轮机利用。从而降低了机器的效率。

发明内容

从而，本发明的目的在于提供一种控制燃气轮机设备的排放物的方法和燃气轮机设备，其实现克服或至少减少所描述的限制。

根据本发明，提供了一种控制燃气轮机设备的排放物的方法和燃气轮机设备。

附图说明

现在将参考附图描述本发明，这描绘了其一些非限制性的实施例，其中：

-图1表示根据本发明一实施例的燃气轮机设备的简化框图；

-图2表示并入图1中的燃气轮机设备的控制设备的更详细的框图；

-图3表示示出了与图1中的设备和图2中的控制设备相关的第一数量的示意图；

-图4表示根据本发明的变形例的并入图1中的燃气轮机设备的控制设备的更具体的框图；以及

-图5表示示出了与图1中的设备和图4中的控制设备相关的第二数量的示意图。

具体实施方式

参考图1，由附图标记1作为整体表示的用于发电的设备包括耦合到相同轴4的燃气轮机组件2和交流发电机3、以及排放物控制设备5，排放物尤其是一氧化碳(CO)、以及与排放物控制设备5合作的热交换器6。

燃气轮机组件2包括压缩器7、燃烧室9以及轮机10，压缩器7通过进气管8从外部吸入气流Q_A，并且轮机10耦合到燃烧室9用于接收和膨胀废气流Q_E。排气管11，轮机10的下游，接收并排放由燃气轮机组件2产生的废气流Q_E。

压缩机7是轴向多级类型的压缩机且设置有可调整的入口导流叶片或IGV级7a。IGV级7a的叶片的方向由IGV执行器12确定，该IGV执行器12从通用设备控制器100接收IGV调节信号，在本申请中未做详细描述。

由压缩机7吸入的气流Q_A通过进气管8传送，与进气管8一起的布置了过滤器8a和调节室，并由压缩机7处理被吸入的气流Q_A。气流Q_A被引入到燃烧室9。燃气流Q_F被添加到气流Q_A且所产生的混合物被燃烧，从而产生了废气流Q_E。

燃气流Q_F通过燃料调节信号S_FV经由燃料供应管线15和由通用设备控制器100控制的燃料供应阀16注入。在一实施例中，燃气流Q_F由供应流信号S_F的流测量设备14测量。

燃料供应阀16的上游，燃料供应管线15跨过热交换器6，热交换器6由排放物控制设备5控制以调节向燃烧室9传送的燃气流Q_F的温度。热交换器6可以专用于燃料温度调节或也可以共享用于其他功能。有利地，在一实施例中，热交换器6并入到燃气压力减小系统17。燃气压力减小系统17是实现将来自分配源18例如甲烷管道的压力和温度调节适配热力机器，尤其是燃气轮机设备2的需要的辅助系统。具体地，燃气压力减小系统17使用调节阀(未示出)来减小并控制来自分配源18的燃料压力。气压的减小，例如通过膨胀获得的气压的减小导致了温度的降低。热交换器6实现将热量供应给膨胀的气体，调节温度以优化燃烧条件。

热能由加热调节阀20控制，其确定了流入热交换器6中的热流体流Q_H。继而，如下文详细解释的，加热调节阀20通过加热调节信号S_H由排放物控制设备5操作。

排放物控制设备5包括布置在轮机10的排放管道11中的传感器组件23和处理单元22，用于接收废气流。具体地，传感器组件23包括氧气传感器25，例如含氧传感器，提供了氧气浓度信号S_O2，指示了在废气流Q_E中剩余的氧气浓度O₂。此外，传感器组件23还可包括用于测量一氧化碳(CO)和氧化氮(NO_X)浓度的检测单元，温度传感器和压力传感器。

在一实施例中，处理单元22是PLC(可编程逻辑控制器)且其耦合到传感器组件23以接收测量信号，包括由氧气浓度传感器25提供的氧气浓度信号S_O2。在不同的实施例中，处理单元22并入到设备1的通用设备控制器100中。

此外，处理单元22可以从传感器组件23接收CO浓度信号S_CO；位置信号IGV S_IGV，指示IGV级7a的叶片的当前位置；以及负载信号S_GTP，指示由气体轮机10供应的功率，该位置信号IGV S_IGV和该负载信号S_GTP来自通用设备控制器100；以及温度参考S_T，其由燃气压力减小系统17设置(或者，温度参考S_T可以直接由处理单元22确定，例如，根据位置信号IGV S_IGV，以及根据负载信号S_GTP)。

处理单元22被配置成根据氧气浓度信号S_O2确定加热调节信号S_H。

参考图2，在一实施例中，处理单元包括使能级26、调节级27、以及处理级28。

使能级26被配置成根据燃气轮机组件2的运行条件激活或去激活调节级27，尤其是根据CO浓度(通过CO浓度信号S_CO的方式可获得)和IGV级7a的叶片的位置(通过IGV位置信号S_IGV的方式可获得)。使能级26包括两个阈值比较器30、31，逻辑端口32和选择器模块33。

阈值比较器30接收输入中的CO浓度信号Sco并当CO浓度信号Sco比浓度阈值THco更高时传送具有第一逻辑值的比较信号S_TH1；以及在相反情况下，传送具有第二逻辑值的比较信号S_TH1。

阈值比较器31接收输入中的IGV位置信号S_IGV并当IGV位置信号S_IGV低于打开阈值TH_IGV时传送具有第一逻辑值的比较信号S_TH2；以及在相反的情况下传送具有第二逻辑值的比较信号S_TH2。

逻辑端口32根据比较信号S_TH1和S_TH2传送使能信号S_EN。尤其是，逻辑端口32被配置成使得当根据比较信号S_TH1和S_TH2，CO浓度信号S_CO比CO浓度阈值TH_CO更高且位置信号IGVS_IGV比打开阈值TH_IGV更低时使能信号S_EN具有使能值，且反之具有禁用值。

选择器模块33通过使能信号来控制。具体地，当使能信号EN具有使能值时，选择器模块33将调节级27的输出传送至处理级28，以及当使能信号EN具有禁用值时，传送中性控制值，例如零值。

调节级27使用加热调节信号S_H作为控制变量来将废气中的剩余氧气浓度O₂(受控变量)维持在参考值。剩余氧气浓度O₂代表燃烧条件。具体地，由燃气轮机组件2供应的功率相等，剩余氧气浓度O₂越高，则燃气中存在的碳氧化的程度越低，且从而废气中CO浓度越高。燃气温度的增加决定了燃烧室9中能量和更大部分可获得的碳的完全氧化的相应增加。

在一实施例中，调节级27包括参考生成器模块35、比较器36、规整器(normalizer)模块37和调节器模块38。

参考生成器模块35根据负载信号S_GTP，针对废气中的剩余氧气浓度O₂提供参考浓度值S_O2R，这指示了由燃气轮机组件2供应的功率，以及特征函数F1，通过图3中示例的方式示出。当由燃气轮机10供应的功率P改变时，特征函数F1指示剩余氧气浓度O₂，并由燃气轮机组件2的结构特征确定。参考生成器模块35可以包括例如代表特征函数F1的表格，其在设计燃气轮机组件2的步骤期间被确定。

在可供选择的实施例(图4)中，参考浓度值S_O2R可以由参考生成器模块35’根据所测量的燃气流Q_F(使用流信号S_F)和特征函数F2来传送，以图5中示例的方式示出。当废气流Q_E改变时，特征函数F2指示剩余氧气浓度Q₂。参考生成器模块35’可以包括例如表示特征函数F2的表格。

再次参考图2，比较器36接收参考浓度值S_O2R和氧气浓度信号S_O2并确定来自氧气浓度信号S_O2与参考浓度值S_O2R之间的差的误差信号E_O2。

规整器模块37从比较器36接收误差信号E_O2并向调节器模块38提供标称化的误差信号E_O2N。

调节器38被配置成确定校正系数K_C，其应用于由燃气轮机压力减小系统17设置的温度参考S_T，趋向于消除或减小误差信号E_O2，将实际的剩余氧气浓度O₂带到参考浓度值S_O2R。通过非限制性的示例，在一实施例中，调节器模块38包括比例积分类型的调节器。

处理级28被配置成通过将温度参考S_T和由使能级26的选择器模块33传送的控制值(即，分别地，零值或在存在去激活值和使能信号EN的使能值时的校正系数K_C)组合来生成加热控制信号S_H。实际上，当调节级27被禁用时，处理级28接收中性控制值，其不改变设备的一般控制动作。相反，当调节级27被使能时，处理级28应用校正系数K_C来修改温度参考S_T。

在一实施例中，具体地，校正系数KC是加法系数。在该情况下，处理级28包括加法器模块40，在其下游设置了限制器模块41。加法器模块40将从选择器模块33接收的控制值和温度参考S_T相加。从而形成的信号被传送至限制器模块41，以被限制成与燃气压力减小系统17兼容的值。限制器模块41的输出限定了加热调节信号S_H。

实际上，当检测到废气中的CO浓度的临界值且通用设备控制器没有裕量来减小传送给燃烧室的空气流Q_A时(即当IGV级7a的叶片无法再进一步关闭时)排放物控制设备5在低负载下干预。在该情况下，加热调节信号S_H确定针对燃气压力减小系统17对温度参考S_T的增加，这是通过热交换器6实现的，继而，产生被引入到燃烧室内的燃气温度的增加。如上文提及的，该温度增加减少了在废气中存在的未被完全氧化的碳部分，且从而减少了CO排放物。此外，在燃烧期间更完整地利用了可用的能量。

从而本发明实现了限制CO排放物排放以便满足标准所设置的严格的约束，尤其是针对接近技术环境最小值的负载，而同时提高了燃气轮机组件的效率。

本发明的优点源自于使用剩余氧气浓度O₂作为CO排放物减少过程中的受控变量。实际上，基于剩余氧气浓度O₂的控制受益于不受废气中存在的干扰物质的实质性影响，从而更准确。相反，CO浓度测量可以与废气中的水蒸汽的存在相间隔。从而直接基于CO浓度的控制将遭受更显著的误差裕量。

最终显而易见的是，在不偏离本发明的保护范围的基础上，可以对所描述的方法和设备做出改变和变化。

Claims (15)

1.一种控制燃气轮机设备(1)的排放物的方法，所述燃气轮机设备包括压缩机(7)、燃烧室(9)、以及燃气轮机(10)；

所述方法包括：

在燃气轮机(10)的排气装置中检测废气流(Q_E)中的氧气浓度(O₂)；以及

基于所检测的氧气浓度(O₂)和参考浓度值(S_O2R)，加热向燃烧室(9)供应的燃气流(Q_F)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中加热步骤包括控制向燃气流(Q_F)供应的热能，以将所检测的氧气浓度(O₂)保持在参考浓度值(S_O2R)。

3.根据权利要求1所述的方法，其中加热步骤包括使用热交换器(6)。

4.根据权利要求3所述的方法，其中加热步骤包括控制向热交换器(6)供应的加热流体流(Q_H)。

5.根据权利要求1所述的方法，包括从所检测的氧气浓度(O₂)和参考浓度值(S_O2R)之间的差确定误差信号(E_O2)。

6.根据权利要求1所述的方法，包括基于由燃气轮机(10)传送的功率确定参考浓度值(S_O2R)。

7.根据权利要求1所述的方法，包括测量燃气流(Q_F)，以及基于所测量的燃气流(Q_F)确定参考浓度值(S_O2R)。

8.一种燃气轮机设备，其包括：

燃烧室(9)；

燃料供应管线(15)，其向燃烧室(9)供应燃气流(Q_F)；

沿燃料供应管线(15)布置的热交换器(6)；

燃气轮机(10)，其从燃烧室(9)接收废气流(Q_E)；

氧气传感器(25)，其沿燃气轮机(10)的废气管道(11)布置并被配置成提供指示废气流(Q_E)中的氧气浓度的氧气浓度信号(S_O2)；以及

控制设备(5)，其被配置成控制热交换器(6)，以基于氧气浓度信号(S_O2)和参考浓度值(S_O2R)，加热燃气流(Q_F)。

9.根据权利要求8所述的设备，其中控制设备(5)包括调节级(27)，其被配置成从氧气浓度(O₂)和参考浓度值(S_O2R)之间的差确定误差信号(E_O2)，并且基于误差信号(E_O2)向热交换器(6)提供调节信号(S_H)。

10.根据权利要求9所述的设备，其中调节级(27)包括用于接收误差信号(E_O2)的调节器模块(38)。

11.根据权利要求9所述的设备，其中调节级(27)包括参考生成器模块(35；35′)，其被配置成提供参考浓度值(S_O2R)；以及比较器(36)，其从氧气传感器(25)接收氧气浓度信号(S_O2)，以及从参考生成器模块(35)接收参考浓度值(S_O2R)，且被配置成从氧气浓度信号(S_O2)与参考浓度值(S_O2R)之间的差确定误差信号(E_O2)。

12.根据权利要求11所述的设备，包括整体系统控制器(100)，其用于提供指示由燃气轮机(10)所传送的功率的负载信号(S_GTP)；且其中，参考生成器模块(35)基于由燃气轮机(10)传送的功率确定参考浓度值(S_O2R)。

13.根据权利要求11所述的设备，包括流测量设备(14)，其沿燃料供应管线(15)布置，且被配置成向燃烧室(9)提供指示燃气流(Q_F)的流信号(S_F)；且其中，参考生成器模块(35′)被配置成基于流信号(S_F)确定参考浓度值(S_O2R)。

14.根据权利要求8所述的设备，包括：

压缩机(7)，其具有可调整的叶片输入级(7a)；

传感器组件(23)，其被配置成提供指示在废气流(Q_E)中的一氧化碳浓度的一氧化碳浓度信号(S_CO)；以及

使能级(26)，其被配置成基于一氧化碳浓度信号(S_CO)和可调整的叶片输入级(7a)的叶片的位置来激活和去激活调节级(27)。

15.根据权利要求8所述的设备，包括燃气压力减小系统(17)，并且热交换器(6)并入到所述燃气压力减小系统(17)中。