CN109210572B - 用于燃气涡轮的顺序燃烧器的第二级燃烧器 - Google Patents

用于燃气涡轮的顺序燃烧器的第二级燃烧器 Download PDF

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Abstract

一种燃气涡轮包括：多个燃烧器组件(3)，其各自具有第一级喷燃器单元(3a)和第二级喷燃器单元(3b)，燃烧器组件(3)包括至少一组可选择负载的燃烧器组件(3)；控制器(5)，其控制燃烧器组件(3)，且基于单独的第二级喷燃器单元(3b)的相应开关条件来选择性地启用和停用至少可选择负载的燃烧器组件(3)的第二级喷燃器单元(3b)，开关条件至少包括启用阈值(ATK)与控制量(TE)之间的关系；以及反应性物质浓度检测器(8)，其检测供应至燃烧器组件(3)的燃料中的反应性物质(C2+)的浓度。控制器(5)基于检测到的反应性物质(C+)的浓度来调整可选择负载的燃烧器组件(3)的第二级喷燃器单元(3b)的启用阈值(ATK)。

Description

用于燃气涡轮的顺序燃烧器的第二级燃烧器
要求优先权
本申请要求享有2017年6月30日提交的欧洲专利申请No.17179174.2的优先权，该申请的公开内容通过引用而并入。
技术领域
本发明涉及一种用于燃气涡轮的顺序燃烧器的第二级燃烧器。
背景技术
众所周知，污染物排放的控制是任何类型的热机且具体是用于发电站的燃气涡轮的设计中的首要目标。实际上，对环境风险的认识驱使着对法规的越来越严格的要求。另一方面，现代电力市场的组织和不断变化的需求并不允许在恒定的负载条件下运行发电站。相反，满足包括突然升高或下降的需求波动和有助于控制电网频率的需要要求相当灵活的运行。然而，通过这种灵活运行，污染物排放的降低变得至关重要，因为必须平衡相互矛盾的要求。
待解决的问题之一涉及部分负载下的一氧化碳(CO)的排放。实际上，CO排放一般在满载下不是问题，因为高燃烧温度允许供给到燃烧器的空气和燃料混合物中的碳在停留时间内(即，混合物行进通过燃烧器所需的总时间)较好地完全氧化。反而要注意氮氧化物(NOx)的产生，其往往随温度升高。反之亦然，在部分负载下，较低温度有助于保持NOx排放很低，但可阻止碳的完全氧化，且有利于一氧化碳的形成。
为了满足在部分负载下CO的排放要求，提议随负载变化而关闭选择的燃烧器，使得其余燃烧器被迫在较高温度下运行以提供所需的功率输出。换言之，随着负载增大而开启增加数量的燃烧器。通常用于判断燃烧器的开/关的参数是排气温度，即，涡轮(或低压涡轮，如果在顺序的燃烧机器中还存在高压涡轮)的出口处的气体温度。相应的阈值温度分配给各个燃烧器，且在排气温度高于或低于阈值温度时，对应的燃烧器分别开启或关闭。
该解决方案大体上改进了部分负载下的CO排放。然而，CO排放仍受燃料组成影响，特别是在基于自燃的顺序燃烧器中。实际上，在天然气的成分中，高级烃(即，具有至少两个碳原子的烃分子，也称为C2+)决定混合物的反应性，并从而决定点火延迟时间。因此，C2+含量越高，则点火延迟时间越少。然而，惰性成分(典型地为N2和CO2)决定气体的热值和火焰温度。由于燃烧器中的停留时间基本上是恒定的，故可用于碳的完全氧化的时间也取决于点火延迟时间，其继而由燃料组成和温度决定。因此，氧化时间易受燃料组成的影响，且C2+含量的变化反映在点火延迟和可用于完全氧化的时间的对应变化中。
燃气涡轮的运行针对特定气体组成(通常在起用期间所呈现的)而调整，或可能有一定余量来涵盖燃料气体组成方面的预期最坏情况。然而，燃料质量是可变的，且在时间上不可能确保高级烃的含量始终保持恒定，或甚至接近恒定。
因此，已知的解决方案在气体组成有利时(C2+浓度高于预期的C2+浓度)可导致部分负载下的燃料可能未使用，或在组成不利时导致违反排放目标。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃气涡轮及运行燃气涡轮的方法，其允许克服或至少减轻所述限制。
根据本发明，提供了一种燃气涡轮，其包括：
多个燃烧器组件，其各自具有第一级喷燃器单元和第一级喷燃器单元下游的第二级喷燃器单元，燃烧器组件包括至少一组可选择负载的燃烧器组件；
控制器，其配置成控制燃烧器组件，且基于单独的第二级喷燃器单元的相应开关条件选择性地启用和停用至少可选择负载的燃烧器组件的第二级喷燃器单元，开关条件至少包括启用阈值与控制量之间的关系；以及
反应性物质浓度检测器，其配置成检测供应至燃烧器组件的燃料中的反应性物质的浓度；
其中控制器配置成基于检测到的反应性物质浓度来调整可选择负载的燃烧器组件的至少第二级喷燃器单元的相应的启用阈值。
调整第二级喷燃器单元的启用阈值允许在相对于额定条件的开关条件周围改变启用的第二级喷燃器单元的运行条件。这在低部分负载下尤其有利。实际上，在低部分负载下，仅启用第二级喷燃器单元中的一些，以便保持足够高的火焰温度，且相对减少碳氧化时间。当达到相应的温度阈值时，仅启用其它第二级喷燃器单元。附加的喷燃器的启用不可避免地导致火焰温度的暂时下降，但其不会降到临界水平，且只要燃料组成保持在起用的范围内，就允许保持低CO排放。如果供应至喷燃器的燃料中的反应性物质的浓度变化，尤其是减小，则未启用的第二级喷燃器单元的温度阈值的变化(升高)将延迟其启用，且迫使启用的第二级喷燃器单元在较高点火温度下运行。因此，温度阈值的变化导致在开关条件周围平均火焰温度升高，从而补偿降低的反应性物质含量。可维持低水平的CO排放，而不影响第一级喷燃器单元的运行。换言之，甚至可在不大幅升高第一级喷燃器单元的点火温度的情况下满足CO排放水平的要求，以补偿燃料的反应性降低。这对于第一级喷燃器单元也是有利的，因为构件寿命未受严重影响。
根据本发明的一个方面，反应性物质包括高级烃和/或氢。
因此，可实施基于燃料的实际反应性的开关条件的可靠控制，尤其是在使用较高的烃含量时。
根据本发明的方面，控制量是第二级喷燃器下游的气体温度，且可选择负载的燃烧器组件的各个第二级喷燃器单元的开关条件包括气体温度高于相应的启用阈值和当前启用的第二级喷燃器单元的数量等于或大于相应启用数的组合。
根据本发明的方面，控制量是作为整体供应至第二级喷燃器单元的总燃料质量流量，且可选择负载的燃烧器组件的各个第二级喷燃器单元的开关条件包括总燃料质量流量大于相应的启用阈值和当前启用的第二级喷燃器单元的数量等于或大于相应启用数的组合。
第二级喷燃器单元之后的排气温度和总质量流量是燃气涡轮的实际负载的精确且可靠的指标。尤其是排气温度直接与燃烧温度相关，且因此也提供关于CO产生的准确信息。此外，排气温度可在涡轮区段(或低压涡轮区段，假如还存在高压涡轮)的出口处方便地测量或估计。
根据本发明的方面，控制器配置成在检测到的反应性物质浓度降低时增大可选择负载的燃烧器组件的第二级喷燃器单元的相应启用阈值。
因此，在燃料反应性降低时，第二级喷燃器单元的启用延迟，从而允许已经启用的第二级喷燃器单元达到较高点火温度且保持低的CO排放。
根据本发明的方面，控制器配置成通过基于检测到的反应性物质浓度确定相应的校正因子以及将相应校正因子应用至相应的参考启用阈值来调整可选择负载的燃烧器组件的相应启用阈值。
启用阈值的调整可直接地实施，且不需要大的计算负载。参考启用阈值可在设计阶段确定，且储存在控制器中的非易失性储存装置中。
根据本发明的方面，校正因子是检测到的反应性物质的浓度的单调递减函数。
这确保了反应性物质的浓度越低，启用阈值的调整越大。
根据本发明的方面，校正因子随着检测到的反应性物质的浓度增大而不太快地减小。
当反应性物质的浓度严重脱离预期范围时，启用阈值的调整很大。当燃料组成接近设计参数或在设计参数内时，调整较低或甚至可忽略。
根据本发明的方面，燃气涡轮包括热值检测器，其配置成检测供应至燃烧器组件的燃料的低位热值，其中控制器配置成基于检测到的低位热值来调整可选择负载的燃烧器组件的至少第二级喷燃器单元的相应的启用阈值。
根据本发明的方面，燃气涡轮包括燃料温度检测器，其配置成检测供应至燃烧器组件的燃料的燃料温度，其中控制器配置成基于检测到的燃料温度来调整可选择负载的燃烧器组件的至少第二级喷燃器单元的相应的启用阈值。
以此方式，可考虑影响燃烧条件和CO产生的其它参数以达到期望的水平。
根据本发明的方面，控制器配置成控制燃烧器组件的第一级喷燃器单元，使得第一级喷燃器单元的点火温度随着检测到的反应性物质浓度增大而降低。
针对高浓度反应性物质的该不同方法允许控制器防止可由燃料反应性相对于预期范围增大而引起的回火和高NOx排放。
根据本发明的方面，控制器配置成控制第一级喷燃器单元，使得第一级喷燃器单元的点火温度随着检测到的反应性物质的浓度增大而较快地降低。
也在此情况下，控制器在燃料反应性远离预期范围时进行较强的动作。
根据本发明，还提供了一种控制燃气涡轮的方法，所述燃气涡轮配备有多个燃烧器组件，其各自具有第一级喷燃器单元和第一级喷燃器单元下游的第二级喷燃器单元，燃烧器组件包括至少一组可选择负载的燃烧器组件；
所述方法包括：
基于单独的第二级喷燃器单元的相应开关条件选择性地启用和停用至少可选择负载的燃烧器组件的第二级喷燃器单元，开关条件至少包括启用阈值与控制量之间的关系；以及
检测供应至燃烧器组件的燃料中的反应性物质的浓度；以及
基于检测到的反应性物质的浓度来调整可选择负载的燃烧器组件的至少第二级喷燃器单元的相应的启用阈值。
根据本发明的一个方面，反应性物质包括高级烃和/或氢。
根据本发明的一个方面，控制包括在检测到的反应性物质的浓度降低时增大可选择负载的燃烧器组件的第二级喷燃器单元的相应的启用阈值。
附图说明
现在将参照附图来描述本发明，附图示出本发明的一些非限制性实施例，其中：
-图1为根据本发明的实施例的燃气涡轮组件的简化框图；
-图2为图1中的燃气涡轮的一部分的更详细的框图；
-图3-5示意性地示出了图1中的燃气涡轮在不同运行条件下的喷燃器单元；
-图6为示出在图1中的燃气涡轮中使用的第一量的曲线图；
-图7为示出在图1中的燃气涡轮中使用的第二量的曲线图；
-图8为示出在图1中的燃气涡轮中使用的第三量的曲线图；以及
-图9为根据本发明的另一实施例的燃气涡轮组件的框图。
具体实施方式
参照图1，根据本发明的实施例的燃气涡轮由数字1指出，且包括压缩机区段2、多个燃烧器组件3、涡轮区段4和控制器5。燃气涡轮1还设有测量设备7，其可包括传感器和检测器装置(这里未示出)，且配置成向控制器5馈送燃气涡轮1的运行量和参数的测量值和/或估计值。
各个燃烧器组件3具有相应的第一级喷燃器单元3a以及第一级喷燃器单元3a下游的相应的第二级喷燃器单元3b。可选地，高压涡轮4a可设在第一级喷燃器单元3a与第二级喷燃器单元3b之间。在一个实施例中，燃烧器组件3包括一组最小负载燃烧器组件和一组可选择负载的燃烧器组件。该组最小负载燃烧器组件中的燃烧器组件3在运行期间总是完全启用的，而不论当前负载如何。具体而言，在最小负载运行(例如，最小环境负载)下仅燃烧器组件3启用。在可选择负载的燃烧器组件中的燃烧器组件3中，相应的第二级喷燃器单元3b在部分负载下根据当前负载的需要而选择性地启用。在一个实施例中，所有燃烧器组件3可为可选择负载的。
测量设备7包括反应性物质浓度检测器8(见图2)，其配置成检测供应至燃烧器组件3的燃料中的反应性物质的浓度。在一个实施例中，具体而言，反应性物质包括高级烃C2+，且物质浓度检测器8可为红外分光计。“高级烃”在本文中被理解为指具有至少两个碳原子的烃分子。
在一个实施例中，测量设备7还可包括热值检测器9和燃料温度检测器10，其分别配置成检测供应至燃烧器组件3的燃料的低位热值和燃料温度。热值检测器9例如可为测热装置或气体组成测量设备。
测量设备7还配置成测量或以其它方式估计第二级喷燃器3b下游的排气温度。例如，这可通过使用浸入涡轮区段4(或低压涡轮区段，在还存在高压涡轮的情况下)的出口处的排气流中的热电偶12(图1和2)来完成。
控制器5配置成基于可在内部形成或例如由设备控制器从外面提供的负载设置点并基于由测量设备7供应的燃气涡轮1的运行量的测量值来控制燃烧器组件3。可通过燃料阀(未示出)进行控制。
更具体而言，控制器5配置成控制至所有燃烧器组件3的第一级喷燃器单元3a的燃料供给，且基于单独的第二级喷燃器单元3b的相应开关条件来选择性地启用和停用可选择负载的燃烧器组件3的第二级喷燃器单元3b。开关条件反映第二级喷燃器单元3b的启用顺序对实际负载的依赖性，使得最小负载燃烧器组件3的仅第二级喷燃器单元3b在最小负载运行下是启用的，且启用级的喷燃器单元3b的数量随着负载增大而在部分负载下逐渐增多，直到在启用所有第二级喷燃器单元3b时达到基本负载条件。这在图3-5中示意性地示出，其中暗圆圈和亮圆圈分别代表在最小负载(图3)、中间部分负载(图4)和基本负载(图5)下的停用和启用的第二级喷燃器单元3b。
一旦达到相应的开关条件，第二级喷燃器单元3b便由控制器5启用，且否则，其停用。在一个实施例中，启用控制基于作为控制量的平均排气温度，且开关条件包括第二级喷燃器单元3b的相应的启用阈值与排气温度之间的关系，以及关于目前启用的第二级喷燃器单元3b的数量的条件。参照图6，该关系可由针对各个可选择负载的燃烧器组件3的第二级喷燃器单元3b的相应的启用阈值ATK限定，即，各个第二级喷燃器单元3b在排气温度超过相应的启用阈值ATK时被启用，且目前启用的第二级喷燃器单元的数量等于或大于相应的启用阈值ANK。当达到启用条件时，燃料质量流量MFK供应至待启用的第二级喷燃器单元3b。
控制器5还配置成基于检测到的高级烃C2+的浓度来调整可选择负载的燃烧器组件3的第二级喷燃器单元3b的相应的启用阈值ATK。另外，在一个实施例中，控制器5可配置成基于由热值检测器9和燃料温度检测器10检测到的燃料低位热值和/或燃料温度来改进启用阈值ATK的调整。
在一个实施例中，在检测到的高级烃C2+的浓度降低时，通过控制器5使第二级喷燃器单元3b的相应启用阈值ATK增大。
调整可通过基于检测到的高级烃的浓度确定相应的烃校正因子F1(C2+)和通过将相应的烃校正因子F1(C2+)应用至相应的参考启用阈值ATK0来进行。基于检测到的低位热值和燃料温度的其它校正因子F2(LHV)和F3(TF)也可被确定并应用至参考启用阈值ATK0而用于改进。
因此，调整的启用阈值ATK可大体上如下确定：
ATK = F(C2+, TF, LHV, N, AF)*ATK0
其中N是启用的第二级喷燃器单元3b的数量，且AF是通过燃烧器组件3的当前空气流。
在一个实施例中，调整的启用阈值ATK特别地使用校正因子F1(C2+)、F2(LHV)和F3(TF)来如下确定：
ATK = F1(C2+)*F2(LHV)*F3 (TF)*ATK0。
在一个实施例中，烃校正因子F(C2+)是随着检测到的高级烃C2 +浓度增大的减小地不太快的单调递减函数(见图8，实线)。
图7中绘出了校正因子F1(C2+), F2(LHV)和F3(TF)的示例性曲线图。
控制器5还配置成控制燃烧器组件的第一级喷燃器单元3a使得第一级喷燃器单元的点火温度TF随检测到的高级烃C2+的浓度增大而减小。具体而言，第一级喷燃器单元3a控制成使得第一级喷燃器单元3a的点火温度TF在检测到的高级烃C2+的浓度增大时较快地降低，如图8中所示的那样(虚线)。
在图9中所示的另一实施例中，将氢视为替代高级烃C2+或作为高级烃C2+的补充的反应性物质，以用于调整可选择负载的燃烧器组件3的第二级喷燃器单元3b的启用阈值ATK的目的。氢浓度可使用用于受激的反斯托克斯拉曼光谱仪的设备作为反应性物质浓度检测器108来确定。此外，可由流量计112检测的作为整体而供应至第二级喷燃器单元3b的总燃料质量流量MF被用作控制量。当检测到的燃料质量流量MF超过相应的启用阈值且当前启用的第二级喷燃器单元的数量等于或大于相应的启用数时，启用第二级喷燃器单元3b。
最后，显然所述第二级燃烧器和控制顺序燃烧器的方法可经历修改和变化，而不会脱离如所附权利要求限定的本发明的范围。
具体而言，其它燃料成分作为对高级烃和氢的补充或与高级烃和氢组合，可用作反应性物质来指示燃料反应性。此外，反应性物质不受特定控制量的约束，所以反应性物质和控制量的不同组合可用。

Claims (15)

1.一种燃气涡轮，包括：
多个燃烧器组件(3)，其各自具有第一级喷燃器单元(3a)和所述第一级喷燃器单元(3a)下游的第二级喷燃器单元(3b)，所述燃烧器组件(3)包括至少一组可选择负载的燃烧器组件(3)；
控制器(5)，其配置成控制所述燃烧器组件(3)，且基于单独的第二级喷燃器单元(3b)的相应开关条件选择性地启用和停用至少所述可选择负载的燃烧器组件(3)的第二级喷燃器单元(3b)，所述开关条件至少包括启用阈值与控制量(TE;MF)之间的关系；以及
反应性物质浓度检测器(8;108)，其配置成检测供应至所述燃烧器组件(3)的燃料中的反应性物质的浓度；
其中所述控制器(5)配置成基于检测到的所述反应性物质的浓度来调整所述可选择负载的燃烧器组件(3)的至少所述第二级喷燃器单元(3b)的相应的所述启用阈值。
2.根据权利要求1所述的燃气涡轮，其特征在于，所述反应性物质包括高级烃(C2+)和/或氢(H2)。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的燃气涡轮，其特征在于，所述控制量是所述第二级喷燃器单元(3b)下游的气体温度(TE)，且所述可选择负载的燃烧器组件(3)的各个第二级喷燃器单元(3b)的开关条件包括所述气体温度(TE)大于相应的所述启用阈值和当前启用的第二级喷燃器单元(3b)的数量等于或大于相应启用数的组合。
4.根据权利要求1或2所述的燃气涡轮，其特征在于，所述控制量(TE;MF)是作为总体供应至所述第二级喷燃器单元(3b)的总燃料质量流量，以及其中所述可选择负载的燃烧器组件(3)的各个第二级喷燃器单元(3b)的开关条件包括所述总燃料质量流量大于相应的所述启用阈值和当前启用的第二级喷燃器单元(3b)的数量等于或大于相应的启用阈值的组合。
5.根据权利要求1或2所述的燃气涡轮，其特征在于，所述控制器(5)配置成在检测到的所述反应性物质浓度减小时增大所述可选择负载的燃烧器组件(3)的第二级喷燃器单元(3b)的相应的所述启用阈值。
6.根据权利要求1或2所述的燃气涡轮，其特征在于，所述控制器(5)配置成通过基于检测到的所述反应性物质的浓度确定相应校正因子并将所述相应校正因子应用至相应的参考启用阈值来调整所述可选择负载的燃烧器组件(3)的相应的所述启用阈值。
7.根据权利要求6所述的燃气涡轮，其特征在于，所述校正因子是检测到的所述反应性物质的浓度的单调递减函数。
8.根据权利要求7所述的燃气涡轮，其特征在于，所述校正因子随着检测到的所述反应性物质的浓度增大而不太快地减小。
9.根据权利要求1或2所述的燃气涡轮，其特征在于，所述燃气涡轮包括热值检测器(9)，其配置成检测供应至所述燃烧器组件(3)的燃料的低位热值(LHV)，其中所述控制器(5)配置成基于检测到的所述低位热值(LHV)来调整所述可选择负载的燃烧器组件(3)的至少所述第二级喷燃器单元(3b)的相应的所述启用阈值。
10.根据权利要求1或2所述的燃气涡轮，其特征在于，所述燃气涡轮包括燃料温度检测器(10)，其配置成检测供应至所述燃烧器组件(3)的燃料的燃料温度，其中所述控制器(5)配置成基于检测到的所述燃料温度来调整所述可选择负载的燃烧器组件(3)的至少所述第二级喷燃器单元(3b)的相应的所述启用阈值。
11.根据权利要求1或2所述的燃气涡轮，其特征在于，所述控制器(5)配置成控制所述燃烧器组件(3)的所述第一级喷燃器单元(3a)，使得所述第一级喷燃器单元(3a)的点火温度(TF)随检测到的所述反应性物质的浓度增大而降低。
12.根据权利要求11所述的燃气涡轮，其特征在于，所述控制器(5)配置成控制所述第一级喷燃器单元(3a)，使得所述第一级喷燃器单元(3a)的点火温度(TF)随检测到的所述反应性物质的浓度增大而较快地降低。
13.一种控制配备有多个燃烧器组件(3)的燃气涡轮的方法，所述燃烧器组件(3)各自具有第一级喷燃器单元(3a)和所述第一级喷燃器单元(3a)下游的第二级喷燃器单元(3b)，所述燃烧器组件(3)包括至少一组可选择负载的燃烧器组件(3)；
所述方法包括：
基于单独的第二级喷燃器单元(3b)的相应开关条件选择性地启用和停用至少所述可选择负载的燃烧器组件(3)的第二级喷燃器单元(3b)，所述开关条件至少包括启用阈值与控制量(TE;MF)之间的关系；以及
检测供应至所述燃烧器组件(3)的燃料中的反应性物质的浓度；以及
基于检测到的所述反应性物质的浓度来调整所述可选择负载的燃烧器组件(3)的至少所述第二级喷燃器单元(3b)的相应的所述启用阈值。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述反应性物质包括高级烃(C2+)和/或氢(H2)。
15.根据权利要求13或权利要求14所述的方法，其特征在于，控制包括在检测到的所述反应性物质浓度减小时增大所述可选择负载的燃烧器组件(3)的第二级喷燃器单元(3b)的相应的所述启用阈值。
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