CN106762158B - 用于操作燃气涡轮的同时维持排放标准的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本文中公开了一种用于在下调模式中操作燃气涡轮(12)的同时维持排放标准的系统和相关方法。系统包括燃气涡轮(12)，其包括压缩机(18)、燃烧器(26)、涡轮(30)和排出区段(38)。燃烧器(26)包括定位在多个主燃料喷嘴(104)和中心燃料喷嘴(102)下游的多个轴向分级的燃料喷射器(120)。燃气涡轮(12)还包括放气(20)提取口(50)，其与压缩机(18)、压缩机排放壳体(52)或燃烧器(26)中的至少一个流体连通。系统还包括控制器，其编程为在燃气涡轮(12)的下调操作期间从放气(20)提取口(50)放出压缩的空气(20)且激励多个轴向分级的燃料喷射器(120)。

Description

用于操作燃气涡轮的同时维持排放标准的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2015年8月27日提交的美国临时申请序列号62/210,636的提交日期的权益，所述申请以其整体通过引用并入本文中。

技术领域

本发明大体上涉及燃气涡轮发电厂，诸如具有蒸汽源和干式低NOx(DLN: Dry LowNOx)燃烧系统的联合循环或热电联合发电厂。更具体地，本发明涉及用于在下调模式(turndown mode)中操作燃气涡轮的同时维持排放标准(emission compliance)的系统和方法。

背景技术

燃气涡轮发电厂(诸如联合循环或热电联合发电厂)大体上包括：具有压缩机、燃烧器和涡轮的燃气涡轮；设置在涡轮下游的余热回收蒸汽发生器(HRSG)；以及与HRSG流体连通的蒸汽涡轮。在操作期间，空气经由进气系统进入压缩机，且在其朝向至少部分地包绕燃烧器的压缩机排放或扩散器壳体发送时被逐渐地压缩。压缩的空气的至少一部分与燃料混合且在限定于燃烧器内的燃烧室内焚烧，由此生成高温和高压燃烧气体。

燃烧气体沿着热气体路径从燃烧器发送穿过涡轮，在该处它们在流过联接至转子轴的静止轮叶和可旋转的涡轮叶片的交替级时逐渐地膨胀。动能从燃烧气体转移到涡轮叶片，因此促使转子轴旋转。转子轴的旋转能可经由发电机转换成电能。燃烧气体作为排气退出涡轮，且排气进入HRSG。来自排气的热能被转移到流过HRSG的一个或更多个换热器的水，由此产生过热蒸汽。过热蒸汽然后发送到蒸汽涡轮中，蒸汽涡轮可用于生成另外的电力，因此提高总体发电厂效率。

对来自基于燃气涡轮的发电厂的低排放的监管要求在这些年不断变得更严苛。全世界的环境机构现在要求来自新的和现有的燃气涡轮二者的氮的氧化物(NOx)和其他污染物和一氧化碳(CO)的甚至更低的排放水平。为了使燃料效率与排放要求平衡，各种类型的燃气涡轮利用干式低NOx(DLN)燃烧系统，其利用贫预混燃烧技术。

General Electric公司(Schenectady, New York)的DLN-1或DLN-1+类型燃烧器是两级预混燃烧器，其设计成用于与天然气燃料一起使用，且可能能够利用液体燃料来操作。DLN-1或DLN-1+类型燃烧器提供燃料喷射系统，该燃料喷射系统包括定位在燃烧器中心轴线上的副燃料喷嘴，该副燃料喷嘴由围绕副燃料喷嘴环形地布置的多个主燃料喷嘴环绕。在基础负载或峰值负载期间，DLN-1或DLN-1+类型燃烧器可构造成利用贫预混燃料/空气构思来维持非常低的排出排放物水平，同时维持高水平的效率。

通常期望的是操作员在不需要发电时的时段期间下调燃气涡轮，因此可能地节约燃料且允许再次需要电力时的快速恢复时间。然而，在低负载水平(诸如在调节操作期间)下，DLN-1或DLN-1+燃烧系统通常要求进气放出加热系统(inlet air bleed heatingsystem)，以实现扩展的下调NOx标准。进气放出加热系统添加另外的成本至发电厂操作。因此，需要提供允许用于DLN燃气涡轮下调NOx排放标准的进气放出加热系统的消除的系统和方法。

发明内容

本发明的方面和优点将在下列描述中阐述，或可从描述变得明显，或可通过本发明的实践而习得。

本发明的一个实施例是一种用于在下调模式中操作燃气涡轮的同时维持排放标准的系统。系统包括燃气涡轮，其包括成串流顺序的压缩机、燃烧器、涡轮和排出区段。燃烧器包括定位在多个主燃料喷嘴和中心燃料喷嘴下游的多个轴向分级的燃料喷射器。燃气涡轮还包括放气提取口(bleed air extraction port)，其与压缩机、压缩机排放壳体或燃烧器中的至少一个流体连通。系统还包括控制器，其编程为在燃气涡轮的下调操作期间从放气提取口放出压缩的空气以及激励多个轴向分级的燃料喷射器。

本公开的另一个实施例包括一种用于在下调模式中操作燃气涡轮的同时维持排放标准的方法。该方法包括：焚烧燃料以生成穿过燃烧器的热气体路径的燃烧气体的流，其中燃料在燃烧器的主燃烧区和副燃烧区中的至少一个中焚烧，且其中主燃烧区和副燃烧区形成在多个轴向分级的燃料喷射器的上游。该方法还包括从流体地联接至燃气涡轮的压缩机、燃烧器或涡轮的至少一个提取口提取放气，以及激励多个轴向分级的燃料喷射器。

本发明的第一技术方案提供了一种用于在下调模式中操作燃气涡轮的同时维持排放标准的系统，包括：燃气涡轮，其包括成串流顺序的压缩机、燃烧器、涡轮和排出区段，其中所述燃烧器包括定位在多个主燃料喷嘴和中心燃料喷嘴下游的多个轴向分级的燃料喷射器，所述燃气涡轮还包括放气提取口，其中所述放气提取口与所述压缩机、压缩机排放壳体或所述燃烧器中的至少一个流体连通；以及控制器，其编程为在所述燃气涡轮的下调操作期间从所述放气提取口放出压缩的空气且激励所述多个轴向分级的燃料喷射器。

本发明的第二技术方案是在第一技术方案中，所述放气提取口经由放气进气口流体地联接至所述压缩机且至所述涡轮。

本发明的第三技术方案是在第一技术方案中，所述放气提取口经由放气进气口流体地联接至所述压缩机且至余热回收蒸汽发生器上游的所述排出区段。

本发明的第四技术方案是在第一技术方案中，所述放气提取口经由放气进气口流体地联接至所述燃烧器且至所述涡轮。

本发明的第五技术方案是在第一技术方案中，所述放气提取口经由放气进气口流体地联接至所述燃烧器且至余热回收蒸汽发生器上游的所述排出区段。

本发明的第六技术方案是在第一技术方案中，还包括氧化催化剂系统，其中所述氧化催化剂系统设置在所述排出区段内。

本发明的第七技术方案是在第一技术方案中，还包括稀释剂喷射系统，其具有与所述燃烧器的热气体路径流体连通的稀释剂供应源，其中所述稀释剂供应源将包括蒸汽、水或氮中的至少一个的稀释剂提供至所述燃烧器。

本发明的第八技术方案是在第七技术方案中，所述稀释剂供应源与所述主燃料喷嘴中的至少一个连体连通。

本发明的第九技术方案是在第七技术方案中，所述稀释剂供应源所述主燃料喷嘴的下游和所述多个轴向分级的燃料喷射器的上游处流体地联接至所述燃烧器。

本发明的第十技术方案是在第一技术方案中，还包括设置在所述压缩机的进口处的多个进口导叶。

本发明的第十一技术方案提供了一种用于在下调模式中操作燃气涡轮的同时维持排放标准的方法，包括：焚烧燃料以生成穿过燃烧器的热气体路径的燃烧气体的流，其中所述燃料在所述燃烧器的主燃烧区和副燃烧区中的至少一个中焚烧，其中所述主燃烧区和所述副燃烧区形成在多个轴向分级的燃料喷射器的上游；从流体地联接至所述燃气涡轮的压缩机、所述燃烧器或涡轮的至少一个提取口提取放气；以及激励所述多个轴向分级的燃料喷射器。

本发明的第十二技术方案是在第十一技术方案中，还包括将稀释剂经由多个主燃料喷嘴喷射到所述主燃烧区中。

本发明的第十三技术方案是在第十一技术方案中，还包括将稀释剂经由中心燃料喷嘴喷射到所述副燃烧区中。

本发明的第十四技术方案是在第十一技术方案中，还包括将稀释剂在中心燃料喷嘴的下游和所述多个轴向分级的燃料喷射器的上游出喷射到所述热气体路径中。

本发明的第十五技术方案是在第十四技术方案中，将所述稀释剂喷射到所述热气体路径中包括将水、蒸汽和氮中的至少一个喷射到所述燃烧器中。

本发明的第十六技术方案是在第十一技术方案中，还包括经由设置在所述涡轮下游的氧化催化剂系统来洗涤所述燃烧气体的流。

本发明的第十七技术方案是在第十一技术方案中，还包括将所述放气指引到所述涡轮中。

本发明的第十八技术方案是在第十一技术方案中，还包括打开设置在至所述压缩机的进口处的进口导叶，以便增加燃烧气体流率。

在阅读说明书之后，本领域技术人员将更好地理解此种实施例和其他实施例的特征和方面。

附图说明

本发明的完整和能实现的公开(包括其对本领域技术人员而言的最佳模式)在说明书的剩余部分(包括参考附图)中更具体地阐述，在附图中：

图1是在本发明的范围内的示例性基于燃气涡轮的发电厂的功能框图；

图2是根据本发明的至少一个实施例的示例性干式低NOx燃烧器的简化截面侧视图；以及

图3提供了根据本公开的一个实施例的用于在下调模式中操作燃气涡轮的同时维持排放标准的一个方法的框图。

部件列表

10 发电厂

12 燃气涡轮

14 进气系统

16 工作流体

18 压缩机

20 压缩的工作流体

22 燃料

24 燃料供应源

26 燃烧器

28 燃烧气体

30 涡轮

32 轴

34 发电机/马达

36 排出气体

38 排出区段

40 排气器

42 HRSG

44 热交换器

46 蒸汽/过热蒸汽

48 蒸汽涡轮

50 提取口

52 压缩机排放壳体

54 放气进气口

56 氧化催化剂系统

58 可变角度进口导叶

59-99 未使用

100 DLN燃烧器

102 副/中心燃料喷嘴

104 主燃料喷嘴

106 环形通道

108 流套筒

110 燃烧衬套

112 端盖/头端

114 主燃烧区/预混室

116 文氏管

118 副燃烧区

120 轴向分级的燃料喷射器

122 过渡管道

124 热气体路径

126 进口-涡轮

128 稀释剂供应源

130 稀释剂

132 控制器。

具体实施方式

现在将详细地参照本发明的实施例，其一个或更多个实例在附图中例示出。详细的说明使用数字和字母标号来指示图中的特征。图和说明中的相似或类似的标号用于指示本发明的相似或类似的部分。如在本文中所使用的，用语“第一”、“第二”和“第三”可以可互换地使用，以将一个构件与另一个构件区分，且不意图表示单独的构件的位置或重要性。用语“上游”和“下游”指相对于流体路径中流体流的相对方向。例如，“上游”指流体流自的方向，且“下游”指流体流至的方向。

本文中使用的用语仅出于描述特定实施例的目的，且不意图限制本发明。如在本文中使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”也意图包括复数形式，除非上下文另外清楚地指出。还应理解的是，当在本说明书中使用时，用语“包括”和/或“包含”规定所声明的特征、整体、步骤、操作、元件、和/或构件的存在，但不排除一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、构件和/或它们的组合的存在或增加。

如本文中所使用的，“燃气涡轮负载”或“负载”可涉及燃气涡轮的(多个)发电机的功率输出；“进口导叶角度”意指进口轮叶(未显示)相对于穿过压缩机上游的进气系统的轴向流的角度；“进气放出加热”意指从压缩机区段的下游部分提取的且插入到进气系统或压缩机区段的上游部分来加热其中的流的流体中的热量；“燃料分摊”是指传送到燃烧器内的不同回路的燃料的量，且“排放物”或“排放物水平”意指包括但不限于氮的氧化物(NOx)、未燃烃以及一氧化碳(CO)的各种排气的水平。

各个实例是作为本发明的解释而非本发明的限制来提供的。事实上，对于本领域专业人员将显而易见的是，在本发明中可进行更改和变化而不脱离其精神或范畴。例如，作为一个实施例的一部分而例示或描述的特征可用在另一实施例上，以产生又一实施例。因此，意图当更改和变化在所附权利要求和它们的等同物的范围内时，本发明覆盖这种更改和变化。

本发明的实施例采用用于在下调操作条件中操作燃气涡轮的同时维持NOx排放标准的系统和方法的形式。在特定的实施例中，本公开提供了一种发电厂，其具有压缩机、压缩机下游的燃烧器、与压缩机或燃烧器流体连通的至少一个旁通空气或放气提取口、以及在燃烧器的副或预混燃烧区下游轴向分级的多个燃料喷射器。

在操作中，本发明并入与放气提取组合的轴向燃料分级，以便在下调操作期间消除对进气放出加热的需要。轴向燃料分级使燃烧器能够实现在下调水平下的NOx排放标准，其显著地低于没有轴向燃料分级的燃气涡轮系统。放气提取将通过使压缩的空气远离燃烧器以低的燃料流动水平绕开，由此防止爆裂和/或过大增压，而允许低于轴向燃料分级所实现的水平的附加下调。本发明还允许进口导叶在不产生结冰风险的角度保持打开，与此同时允许燃烧系统在NOx排放标准中以低负载操作。

现在参考附图，其中贯穿附图，相同标号指示相同的元件，图1提供了带有蒸汽产生能力的示例性燃气涡轮发电厂10的功能框图。该发电厂包括燃气涡轮12，该燃气涡轮10可结合本发明的各种实施例。如图所示，燃气涡轮12大体上包括进气系统14，其可包括一系列过滤器、冷却盘管、水分分离器、和/或其他装置(未显示)以净化和以其他方式调节进入燃气涡轮12的空气16或其他工作流体。空气16流动至压缩机区段，在此，压缩机18渐进地对空气16施加动能，以产生如通过箭头20示意地指示的压缩的空气。

压缩的空气20与来自燃料供应系统24的燃料22(诸如天然气)混合，以在一个或更多个燃烧器26内形成可燃混合物。该可燃混合物被焚烧以产生具有高温、高压和高速率的如通过箭头28示意地指示的燃烧气体。燃烧气体28流过涡轮区段的涡轮30，以产生功。例如，涡轮30可连接至轴30，使得涡轮30的旋转驱动压缩机18以产生压缩的空气20。备选地或此外，轴32可将涡轮30连接至发电机34以用于产生电。

来自涡轮30的排出气体36流过排出区段38，排出区段38将涡轮30连接至于涡轮30下游的排气器40。排出区段38可包括例如余热回收蒸汽发生器(HRSG)42，以用于在释放至环境之前清洁排出气体36且从排出气体36提取额外的热。例如，HRSG42可包括一个或更多个热交换器44，该一个或更多个热交换器44与排出气体36热连通且可生成如由箭头46示意地指示的蒸汽或过热蒸汽。蒸汽46然后可被发送至发电厂10处的各种构件，诸如至一个或更多个蒸汽涡轮48和/或至各种加热系统(未示出)。

在各种实施例中，燃气涡轮12可包括一个或更多个放气或旁通空气提取口50。在特定实施例中，如图1中所示，至少一个放气提取口50提供在压缩机排放或扩散器壳体52上游离开压缩机18的流动路径。在特定实施例中，如图1中所示，至少一个放气提取口50提供离开压缩机排放壳体52的流动路径。在特定实施例中，(多个) 放气提取口50可用于诸如在非预混操作模式期间减少燃烧器26内的压力。在各种实施例中，燃气涡轮12可包括至少一个放气或旁通空气进气口54。

放气提取口50可与各种外部构件流体连通。例如，在一个实施例中，至少一个放气提取口50可经由各种流体导管、联接件、阀和/或至少一个放气进气口54与涡轮30流体地连通。如此，来自压缩机18和/或压缩机排放壳体52的压缩的空气20的一部分可被发送到涡轮30，以提供冷却至涡轮30的各种构件，和/或减少燃烧器26和/或压缩机排放壳体52内的压力。在特定实施例中，至少一个放气提取口50可经由各种流体导管、联接件、阀和/或至少一个放气进气口54在HRSG42的上游与排出区段38流体地连通。如此，来自压缩机18和/或压缩机排放壳体52的压缩的空气20的一部分可被发送到排出区段38，以提供热能至HRSG42的换热器44和/或提供冷却至排出区段38的各种构件，和/或减少燃烧器26和/或压缩机排放壳体52内的压力。

在特定实施例中，氧化催化剂模块或系统56可定位在涡轮30的下游和排气器40的上游。氧化催化剂系统56可用于减少或可能地消除包含在流自涡轮30的排气36内的一氧化碳(CO)、未燃烃或其它不期望的排放物。

在各种实施例中，压缩机18包括设置在压缩机18的进口处的多个可变角度进口导叶58。导叶58可以在打开和关闭位置之间围绕径向轴线旋转。进口导叶58的角度可被改变以便满足发动机操作条件的空气流动需求。例如，进口导叶58可关闭或至少部分地关闭以在发动机启动和在低负载或低RPM期间限制至压缩机18和燃烧器26的空气流。进口导叶58可被逐渐地打开以在负载或RPM增加时增加至压缩机18和/或燃烧器26的空气流。在启动或低负载条件期间，进口导叶58的迎角成角为以便避免使压缩机18失速。

在各种实施例中，燃烧器26是干式低NOx(DLN)类型燃烧器。图2提供了可代替如图1中所示的燃烧器26结合到燃气涡轮12的示例性DLN型燃烧器100的简化截面侧视图。在特定实施例中，如图2中所示，燃烧器26是由General Electirc公司(Schenectady, NewYork)制造的DLN-1或DLN-1+型燃烧器100。用于燃烧器100的燃料喷射系统包括副或中心燃料喷嘴102和围绕中心燃料喷嘴102径向地且环形地组织的多个主燃料喷嘴104。在操作中，来自压缩机(图1)的压缩的空气20的一部分从压缩机排放壳体52引导穿过限定在流套筒108和一个或更多个燃烧衬套110之间的环形流动通道106。压缩的空气20在燃烧器100的端盖或头端部分112处颠倒流动方向且流过主燃料喷嘴104和中心燃料喷嘴106，或在主燃料喷嘴104和中心燃料喷嘴106周围流动。

如图2中所示，DLN燃烧器100包括主燃烧区或预混室114，其形成在各主燃料喷嘴104的下游和文氏管116的上游，该文氏管116至少部分地由燃烧衬套110中的一个或更多个形成。燃烧器100还包括副或预混燃烧区118，副或预混燃烧区118限定在主燃烧区114的下游和中心燃料喷嘴102的下游。主燃料喷嘴104和中心燃料喷嘴102经由各种流体导管、流量控制阀和/或联接件与燃料供应系统24流体地连通。

燃料供应系统24可构造成提供相同的燃料类型(诸如天然气或液体燃料)至主燃料喷嘴104和中心燃料喷嘴106二者。在某些构造中，燃料供应系统24可构造成提供不同的燃料类型(诸如天然气和/或液体燃料)至主燃料喷嘴104和/或中心燃料喷嘴102。

在操作期间，燃烧器100在各种操作模式中操作且在各种操作模式之间过渡。这些操作模式大体上涉及放置在燃气涡轮上的负载和/或发电厂10所需求的蒸汽输出。如图2中所示的DLN型燃烧器100通常取决于燃气涡轮12需求的负载水平和/或发电厂10所需求的蒸汽输出来在主操作模式、贫-贫操作模式、副操作模式和预混操作模式之间操作或过渡。如在本文中使用的，用语“非预混操作模式”指主、贫-贫或副操作模式中的任一者到预混模式的过渡点的燃烧器100的操作模式。此外，“非预混操作模式”可包括在主、贫-贫和副操作模式之间发生的任何瞬态操作模式。

主操作模式通常在从点燃到满负载的大约百分之三十发生。在主操作模式期间，燃料供应系统24提供到燃烧器100的总燃料流的百分之一百至主燃料喷嘴104。结果，主操作模式期间的燃烧主要在主燃烧区114中进行。主操作模式用于在低负载至中负载，直至预选的燃烧参考温度的范围内点燃、加速和操作燃气涡轮12。

贫-贫操作模式通常在从满负载的大约百分之三十到大约百分之七十发生。在贫-贫操作期间，燃料供应系统24在主燃料喷嘴104和中心燃料喷嘴102之间分摊总燃料流。例如，燃料供应系统24可提供总燃料流的大约百分之七十至主燃料喷嘴104，且提供总燃料流的大约百分之三十至中心燃料喷嘴102。结果，贫-贫操作模式期间的燃烧在主燃烧区114以及副燃烧区118二者中进行。该操作模式用于两个预选燃烧参考温度之间的中间负载。

副操作模式通常在当燃烧器100在贫-贫操作模式与预混操作模式之间过渡时发生。在副操作模式期间，燃料供应系统24可将至主燃料喷嘴104的燃料流从至燃烧器100的总燃料流的大约百分之七十减少至大约百分之零，同时将至中心燃料喷嘴102的燃料流从总燃料流的大约百分之三十提高至大约百分之一百，从而允许与主燃烧区114相关的火焰熄灭，同时维持副燃烧区118中源自中心燃料喷嘴102的火焰。该模式对于熄灭主燃烧区114中的火焰是必要的。

在燃烧器100的预混操作模式中操作时，主燃料喷嘴104与中心燃料喷嘴102之间的燃料分摊可更改，使得主燃料喷嘴104接收至燃烧器100的总燃料流的大约百分之八十，而中心燃料喷嘴102可接收至燃烧器100的总燃料流的大约百分之二十。流至主燃料喷嘴102的燃料22在主燃烧区114(其在这一点上为主预混区114)内与来自压缩器18(图1)的压缩的空气20预混，以在主燃烧区114中形成燃料/空气混合物。贫预混的燃料/空气混合物然后流过文氏管116且到副燃烧区118中，在该处其由来自中心燃料喷嘴102的火焰点燃。该操作模式处于和接近燃烧参考温度设计点来实现。在预混模式中生成最佳的排放物。

与主、贫-贫、副和预混操作模式关联的负载范围可从上面基于各种因素提供的范围转移。例如，负载范围可随着进口导叶(IGV)调整的度且(在较小的程度上)随着空气16的环境温度而改变。例如，在ISO环境下，预混操作模式操作范围可随IGV调整向下至大约42°而从大约50%至100%，且随IGV调整向下至大约57°而从大约75%至100%。关于各种操作模式在此提供的各种燃料分摊是示例性的，且不意图是限制性的，除非在权利要求中另外指定。

在特定实施例中，如在图2中所示，燃烧器100包括多个轴向分级的燃料喷射器120(也称为延迟贫油喷射器(LLI: Late Lean Injector))，其环绕从(多个)燃烧衬套110下游延伸的过渡管道122环形地布置。(多个)燃烧衬套110和过渡管道122至少部分地限定穿过燃烧器100的热气体路径124，其延伸至涡轮的进口126(图1)。燃料喷射器120提供穿过过渡管道122到热气体路径124中的流体连通。燃料喷射器120可以以不同的径向深度延伸到过渡管道122和/或热气体路径124中。

燃料喷射器120中的每一个或至少一些可构造成提供延时贫油或轴向燃料分级能力给燃烧器100。即，燃料喷射器120各自构造成将燃料和/或燃料/空气混合物沿大体上横向于流过热气体路径124的燃烧气体28的主导的流动方向的方向供应至热气体路径124。在这情况下，燃烧器100和热气体路径124内的条件分级成创建稳定燃烧的局部区，同时减少NOx排放物的形成，因此提高燃烧器100的总体性能。

在各种实施例中，如图2中所示，燃烧器100可流体地联接至稀释剂供应源128。稀释剂供应源128可在主燃料喷嘴104和/或中心燃料喷嘴102的上游或下游提供诸如蒸汽、水或氮气的稀释剂130至燃烧器100。例如，在特定实施例中，稀释剂供应源128可构造成在副燃烧区118的下游且在多个燃料喷射器120的上游将稀释剂130直接喷射到热气体路径124中。在特定实施例中，稀释剂供应源128可构造成将稀释剂130在主燃料喷嘴104和/或中心燃料喷嘴102的上游喷射到燃料22中。稀释剂130可用于在预混和非预混操作模式期间和/或在基础负载、峰值负载或低负载操作条件期间减少NOx排放物水平和/或提高燃烧器性能。

如图1和2中共同地示出，燃料供应系统24、稀释剂供应源128和/或HRSG42可电子地联接至控制器132。控制器132可被编程为至少部分地基于燃气涡轮负载和/或发电厂10蒸汽需求以类似的流率和以不同的流率指引燃料供应系统24供应或分摊流动至主燃料喷嘴104和中心燃料喷嘴102的燃料22。

控制器132可并入General Electric SPEEDTRONIC^TM燃气涡轮控制系统，诸如在Rowen, W. I.的 “SPEEDTRONIC™ Mark V Gas Turbine Control System(SPEEDTRONIC™记号V燃气涡轮控制系统)”(GE-3658D, 由Schenectady, N.Y 的GE Industrial & PowerSystems发行)中所描述的。控制器132还可并入具有(多个)处理器的计算机系统，处理器执行储存在存储器中的程序以使用传感器输入和来自人类操作员的指令来控制燃气涡轮的操作。由控制器132执行的程序可包括调度算法，以用于调节至燃烧器100的燃料流、调节稀释剂130至燃烧器100的流动、调节来自压缩机18和/或压缩机排放壳体52的放气或旁通空气、进口导叶58角度、蒸汽输出、以及用于减少燃烧相关的排放物。由控制器132生产的命令可促使阀在打开和关闭位置之间促动，以调节燃料、放气和稀释剂的流动，且还促使促动器调整进口导叶58的角度。

控制器132可至少部分地基于储存在控制器132的存储器中的数据库来调节燃气涡轮12。该数据库可使控制器132能够在下调操作期间将燃气涡轮排出区段38中的NOx和CO排放物维持在某一预定的限制内，以维持预定的蒸汽输出，且将燃烧器100维持在适合的稳定限界内。控制器132可设置诸如燃气涡轮负载、蒸汽产量需求、放气流率、稀释剂的流动和燃烧器燃料分摊的操作参数，以便：1)在非预混或下调模式中操作和/或在空载满速(FSNL)条件直至基础负载条件之间操作的同时，实现期望的排放物水平；同时2)消除对进气放出加热的需求。

在基础负载或峰值负载期间，燃烧器100在预混模式中操作。在该操作模式的期间，排放物水平大体上维持在期望的可接受的排放物水平内，且HRSG42的操作被最优化以提供充足的蒸汽流来驱动蒸汽涡轮48和/或支承各种二次操作。在非峰值负载需求期间(诸如在下调操作期间)，操作员可希望操作燃气涡轮来减少所需的时间，以使燃气涡轮回到联机以用于发电。然而，在燃气涡轮12的下调操作期间，排放物水平增加。因此，为了减少排放物水平，操作员通常将放气在压缩机的上游喷射到放气系统以提高空气16的进气温度，由此减少NOx的形成。

然而，在如本文中呈现的各种实施例中，在下调操作期间，操作员可(手动地或经由控制器132)经由放气提取口50中的一个或更多个将压缩的空气20从压缩机18或压缩机排放壳体52中的至少一个放出，由此减少燃烧器100内的压缩的空气20的压力，且因此防止火焰吹灭并稳定燃烧火焰。同时，燃料喷射器120可被激励以将燃料或燃料/空气混合物喷射到燃烧气体28中，以便减少NOx排放物。如此，在非预混操作模式期间和/或在下调操作期间不需要进气加热来将NOx排放物维持在标准水平。放气可被发送到进气系统14、涡轮30或排出区段38中的至少一个。在特定实施例中，放气可用于在HRSG42的上游将热能添加至排气36。

在特定实施例中，稀释剂130(即，蒸汽、水、氮气等)可在主燃料喷嘴104和中心燃料喷嘴102的上游喷射到燃料22，和/或可经由稀释剂供应源128喷射到热气体路径124内的燃烧气体28中，以减少热气体路径124内的NOx产量。另外，燃料喷射器120可将燃料或燃料/空气混合物在副燃烧区118的下游喷射到热气体路径124中，因此减少燃烧气体28内的NOx。可触发氧化催化剂系统56来在排放气体36穿过排出区段36朝排气器40流动时在小于基础负载条件下预混管道焚烧器60的下游进一步减少各种不期望的排放物，诸如一氧化碳(CO)。在该构造中，来自发电厂10的蒸汽输出的期望水平可被维持，同时在小于基础负载或非预混操作条件(诸如燃气涡轮下调期间)下减轻排放物水平。

本文中描述的各种实施例和附图提供了用于在下调模式期间操作燃气涡轮的同时维持排放标准的一个或更多个方法。图3提供了根据本公开的一个实施例的用于在下调模式期间操作燃气涡轮的同时维持排放标准的一个方法200的框图。如图3中所示，在步骤202，方法200包括焚烧燃料22以生成穿过燃烧器100的热气体路径124的燃烧气体28的流，其中燃料22在燃烧器100的主燃烧区114和副燃烧区118中的至少一个中焚烧，且其中主燃烧区114和副燃烧区118形成在多个轴向分级的燃料喷射器120的上游。在步骤204，方法200包括从流体地联接至压缩机18、压缩机排放壳体52或涡轮30的至少一个提取口50提取放气或压缩的空气20。在步骤206处，方法200包括激励多个轴向分级的燃料喷射器120。

在特定实施例中，方法200可包括将稀释剂130经由多个主燃料喷嘴104的一个或更多个主燃料喷嘴104喷射到主燃烧区114中。在特定实施例中，方法200可包括将稀释剂130经由中心燃料喷嘴102喷射到副燃烧区118中。在特定实施例中，方法200可包括将稀释剂130在中心燃料喷嘴102的下游且在多个轴向分级的燃料喷射器120上游处喷射到热气体路径124中。在特定实施例中，将稀释剂130喷射到热气体路径124中包括将水、蒸汽和氮气中的至少一个喷射到燃烧器100中。

在特定实施例中，方法200可包括经由设置在涡轮30下游的氧化催化剂系统56来洗涤燃烧气体28的流。在特定实施例中，方法200可包括将放气20指引到涡轮30中。在特定实施例中，方法200可包括打开进口导叶58以便增加燃烧气体流率。

尽管已在本文中例示和描述了特定实施例，但将认识到的是，被认为实现相同目的的任何布置可替换所示出的特定实施例，且本发明具有其他环境中的其他应用。本申请意图覆盖本发明的任何改型或变形。所附权利要求决不意图将本发明的范围限于在本文中描述的特定实施例。

Claims (15)

1.一种用于在下调模式中操作燃气涡轮的同时维持排放标准的系统，包括：

燃气涡轮(12)，其包括成串流顺序的压缩机(18)、燃烧器(26)、涡轮(30)和排出区段(38)，其中所述燃烧器(26)包括定位在多个主燃料喷嘴(104)和中心燃料喷嘴(102)下游的多个轴向分级的燃料喷射器(120)，所述燃气涡轮(12)还包括放气(20)提取口(50)，其中所述放气(20)提取口(50)流体连通于并将所述放气(20)引导远离于所述压缩机(18)、压缩机排放壳体(52)或所述燃烧器(26)中的至少一个；以及

控制器(132)，其编程为在所述燃气涡轮(12)的下调操作期间从所述放气(20)提取口(50)放出压缩的空气(20)且激励所述多个轴向分级的燃料喷射器(120)。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述放气(20)提取口(50)流体地联接至所述压缩机(18)且经由放气(20)进气口(54)至所述涡轮(30)。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述放气(20)提取口(50)流体地联接至所述压缩机(18)且经由放气(20)进气口(54)至余热回收蒸汽发生器(42)上游的所述排出区段(38)。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述放气(20)提取口(50)流体地联接至所述燃烧器(26)且经由放气(20)进气口(54)至所述涡轮(30)。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述放气(20)提取口(50)流体地联接至所述燃烧器(26)且经由放气(20)进气口(54)至余热回收蒸汽发生器(42)上游的所述排出区段(38)。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括氧化催化剂系统(56)，其中所述氧化催化剂系统(56)设置在所述排出区段(38)内。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括稀释剂喷射系统(128)，其具有与所述燃烧器(26)的热气体路径(124)流体连通的稀释剂供应源，其中所述稀释剂供应源将包括蒸汽、水或氮气中的至少一个的稀释剂(130)提供至所述燃烧器(26)。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述稀释剂供应源与所述主燃料喷嘴(104)中的至少一个流体连通。

9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述稀释剂供应源在所述主燃料喷嘴(104)的下游和所述多个轴向分级的燃料喷射器(120)的上游方位处流体地联接至所述燃烧器(26)。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括设置在所述压缩机(18)的进口处的多个进口导叶(58)。

11.一种用于在下调模式中操作燃气涡轮的同时维持排放标准的方法，包括：

焚烧燃料以生成穿过燃烧器(26)的热气体路径(124)的燃烧气体(28)的流，其中所述燃料在所述燃烧器(26)的主燃烧区(114)和副燃烧区(118)中的至少一个中焚烧，其中所述主燃烧区(114)和所述副燃烧区(118)形成在多个轴向分级的燃料喷射器(120)的上游；

将放气(20)提取远离于流体地联接至所述燃气涡轮(12)的压缩机(18)或所述燃烧器(26)的至少一个提取口(50)；以及

激励所述多个轴向分级的燃料喷射器(120)。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括将稀释剂(130)经由多个主燃料喷嘴(104)喷射到所述主燃烧区(114)中。

13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括将稀释剂(130)经由中心燃料喷嘴(102)喷射到所述副燃烧区(118)中。

14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括将稀释剂(130)在中心燃料喷嘴(102)的下游和所述多个轴向分级的燃料喷射器(120)的上游喷射到所述热气体路径(124)中。

15.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括打开设置在至所述压缩机(18)的进口处的进口导叶(58)，以便增加穿过所述燃气涡轮(12)的余热回收蒸汽发生器的燃烧气体流率。

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