CN109268875A - 用于生产电能的燃气涡轮设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于生产电能的燃气涡轮设备，该燃气涡轮设备设有至少一个燃烧器(4)，其包括燃烧室(20)，在使用中燃烧发生在燃烧室(20)中，并且设有至少一个焚烧器组件(22)，该至少一个焚烧器组件(22)面向燃烧室(20)并且供给有空气和气体的混合物；射频电磁辐射源(11)，其构造成利用具有给定频率(F)和给定振幅(A)的射频电磁辐射来选择性地辐射燃烧室(20)；至少一个检测传感器(13)，其构造成检测指示火焰不稳定现象在燃烧室(20)内部存在的至少一个参数；以及至少一个控制装置(12)，其构造成基于由至少一个检测传感器(13)检测的数据来选择性地激活电磁辐射源(11)，并且调整由电磁辐射源(11)辐射的射频电磁辐射的频率(F)和/或振幅(A)。

Description

用于生产电能的燃气涡轮设备
相关申请的交叉引用
本申请请求享有2017年7月18日提交的意大利专利申请第102017000081329号的优先权，其公开内容通过引用并入。
技术领域
本发明涉及一种用于生产电能的燃气涡轮设备。
背景技术
近年来，在污染物质的排放方面的法规越来越严格的压力之下，燃烧技术指向使用所谓的“贫预混合”技术，其提供用于焚烧器的使用，其中燃料在焚烧之前与空气预混合。因此，该类型的焚烧器构造成焚烧贫燃料混合物。
在其中焚烧贫燃料混合物的该类型的燃烧室中，在高功率下，声振荡可自发地触发(在此处和下文中，利用典型用于参考文献部分中的用语'嗡嗡声'来识别)，这对燃烧室的结构完整性而言为破坏性的。
此外，由于燃料浓度的降低，进一步的火焰不稳定现象可在该类型的燃烧室中发生。例如，突然且过度的火焰位移，以及甚至火焰的间歇性地熄灭可发生。总的来说，这些火焰不稳定现象通常利用用语“贫油熄火”(在此处和下文中缩写为“LBO”，还典型地用于参考文献的部分中)来识别。
贫油熄火对设备造成极大的损坏，因为其甚至可导致燃烧室中的火焰的反复且长时间的熄灭和重新点燃，以及在设备本身的生产率和可靠性方面的明显损失。
为了防止这些非合乎需要的事件的触发，大体上增加了燃料的百分含量。
然而，该技术具有显著增加污染物质排放的缺点。例如，在一些燃烧室中，即使火焰燃烧混合物中的燃料浓度的增加低至4％也可导致NOx排放增加25％。
此外，燃料的百分含量的增加通常通过调节燃料供应阀的开度来实现。然而，这些阀经受机械磨损。因此，现有技术的长期可靠性也受到损害。
发明内容
因此，本发明的目的在于抑制任何嗡嗡声和LBO现象，而不增加污染物质的排放。
因此，本发明的目的在于提供一种用于生产电能的燃气涡轮设备，其中燃烧室中的任何嗡嗡声和LBO现象被减少并且同时为可靠的，易于生产并且能够遵守由有关污染物排放的法律规定的限制。
根据这些目的，本发明涉及一种用于生产电能的燃气涡轮设备，其包括：
-至少一个燃烧器，其设有燃烧室，在使用中燃烧发生在该燃烧室中，并且设有至少一个焚烧器组件，该至少一个焚烧器组件面向燃烧室并且供给有空气和气体的混合物；
-射频电磁辐射源，其构造成利用具有给定频率和振幅的射频电磁辐射来选择性地辐射燃烧室；
-至少一个检测传感器，其构造成检测指示火焰不稳定现象在燃烧室内部存在的至少一个参数；
-至少一个控制装置，其构造成基于由至少一个检测传感器检测的数据来选择性地激活电磁辐射源，并且调整由电磁辐射源辐射的射频电磁辐射的频率和/或振幅。
有利地，内室利用射频电磁辐射的辐射在不增加污染物质的排放的情况下且以可靠的方式减少任何嗡嗡声和LBO现象。
实际上，由辐射源生成的射频电磁辐射与焚烧器组件的输出处的火焰相互作用，从而引起火焰速度的增加。
在此处和下文中，用语火焰速度是指火焰在静止流体中以其传播的速度。
典型地，在焚烧贫燃料混合物时，燃气涡轮的燃烧室中的火焰速度相对较低。
由于本发明，火焰速度不由燃料的百分含量的增加(如利用现有技术方法实现的那样)而增加，而是通过火焰与由辐射源生成的电磁波相互作用而增加。
实际上，火焰具有少量的自由电子。各个自由电子吸收入射在火焰上的电磁辐射的相应部分功率。该功率接着在该电子碰撞时由电子释放。
此外，射频电磁辐射的功率仅在燃烧室中存在的气体的最热区域(即，恰好在火焰的位置)中吸收。实际上，在该区域中，负责吸收射频功率的自由电子的数量为最大的。
因此耗散的功率可引起火焰加热或火焰中发生的化学反应的动力学的变化。在这两种情况下，火焰速度增加，而不增加污染物质的排放。
该火焰速度的增加可促进嗡嗡声和/或LBO现象的抑制。
实际上，嗡嗡声现象主要影响具有低燃料含量(即，具有相对低的火焰速度值)的火焰。例如，嗡嗡声随着环境湿度增加而增加，并且因此供给火焰的混合物的水蒸汽含量增加，会带来火焰速度降低。使火焰速度增加因此相当于处理在嗡嗡声方面更稳定的火焰。
此外，嗡嗡声现象在燃烧功率的振荡和火焰的压力振荡为同相时出现。所述相取决于火焰的形状，其继而取决于给定流体流场的火焰速度。
此外，燃烧室中的声振荡的功率由在燃烧期间发生的放热反应供应。
根据勒夏特列原理，导致火焰从外部加热的任何行为都倾向于以放热反应为代价来促成吸热反应。
因此，火焰由利用射频电磁辐射的辐射的加热倾向于抑制嗡嗡声。
嗡嗡声现象通过应用射频的减少由实验证据支持。
此外，将射频应用于火焰降低了燃料百分比最小值，火焰在该燃料百分比最小值以下经受LBO。实验证据实际上表明，将射频应用于具有给定百分比燃料并且经受LBO的火焰可抑制LBO。
此外，由于本发明，该设备包括控制装置，其构造成基于由至少一个检测传感器检测的数据来调整由电磁辐射源辐射的射频电磁辐射的频率和/或振幅。以该方式，调节辐射燃烧室的电磁辐射的频率和/或振幅，以便使LBO和/或嗡嗡声减少最优化。
附图说明
本发明的另外的特征和优点将参照附图的图从其非限制性实施例的以下描述中显而易见，其中：
-图1为根据本发明的燃气涡轮设备的示意图；
-图2为与图1中的设备的细节的操作有关的图表；
-图3为图1中的设备的又一细节的侧视图，其中部分呈截面，并且部分为清楚起见而移除。
具体实施方式
在图1中，参照标号1表示用于生产电能的燃气涡轮设备。
设备1包括压缩机3、燃烧器4、燃气涡轮6以及发生器7，发生器7将由涡轮6供应的机械功率转换成待供应至电网8的电功率，电网8由开关9连接于发生器7。
设备1还包括稳定装置10，其包括射频电磁辐射源11、控制装置12以及至少一个传感器13。
电磁辐射源11构造成利用射频电磁辐射来辐射燃烧器4。
具体而言，电磁辐射源11包括构造成生成电磁辐射的发生器15、构造成辐射电磁辐射的至少一个天线16，以及构造成将由发生器15生成的电磁辐射供应至天线16的至少一个射频功率电缆17。
优选地，发生器15为自由电子真空管(大体上被称为速调管)，其构造成生成射频电磁辐射(RF)。
具体而言，发生器15构造成生成具有频率范围在1-10GHz之间、优选在3和4GHz之间、并且特别为3.7GHz的电磁辐射。
参照图2中的图表，发生器15构造成生成脉冲序列。
如我们稍后将详细看到的那样，脉冲序列以频率F=1/T由发生器15生成。
各个脉冲序列具有总时间长度tD。优选地，时间长度tD比跨过时间tA短，跨过时间tA理解为空气-燃料混合物跨过火焰所花费的时间。这防止了，在利用射频电磁辐射而辐射之后，跨过火焰的混合物的运动在火焰外部拖曳在火焰内耗散的功率。
在本文中描述和示出的非限制性实例中，跨过时间tA为近似1毫秒。
各个脉冲序列可包括一个以上的脉冲。
各个脉冲具有给定功率P和给定时间长度t1。
在相同的脉冲序列内，脉冲以具有t2时间长度的规则的时间间隔彼此跟随。
各个脉冲序列与下一个脉冲序列分开时间间隔t3，时间间隔t3具有时间长度，以便满足以下关系：
tD=T-t3
脉冲序列中的脉冲总数N可根据以下关系计算：
N=(tD + t2)/(t1 + t2)
各个脉冲的功率P优选为可由发生器15与天线16的冷却要求兼容而生成的最大功率。
各个脉冲序列的平均功率Pm可使用以下关系计算：
Pm =P·t1·N/tD
在辐射期间，火焰仅吸收由辐射源11辐射的一小部分功率。
因此，辐射源11根据以下关系以近似的方式耗散可计算的功率Pdiss：
Pdiss =Pm·tD/(tD + t3)
优选地，设定了耗散功率Pdiss的最大可允许值，其基于可用于电磁辐射源11的冷却系统来计算。耗散功率Pdiss的值越低，对特定冷却系统的需求越少，这对制造而言为困难且昂贵的。
出于这些原因，优选地控制耗散功率Pdiss，以便确保设备1的平稳操作。
参照图1，设备包括至少一个检测传感器13，其构造成检测燃烧器4中的火焰不稳定性(LBO)，并且优选地，还包括至少一个附加的检测传感器14，其构造成检测燃烧器4中的声振荡(嗡嗡声)的存在。
参照图1，检测传感器13构造成检测指示火焰不稳定现象在燃烧器4中存在的至少一个参数。
优选地，检测传感器13为选自包括以下的传感器组的传感器：
•化学发光强度传感器，其能够检测与燃烧器中发生的化学反应相关的紫外OH-自由基排放的强度。紫外OH-自由基化学发光有利地保持强烈，即使对于燃料特别低的火焰；
•火焰颜色传感器，如CCD传感器；实际上，如果火焰经受LBO，则其颜色可从红色变为蓝色；
•温度传感器，如热电偶、欧姆表、可调激光二极管等；
•构造成检测火焰的电导率的变化的传感器。例如，在当前情况下足够有效的电离传感器为基于电压差借助于至少两个电极跨过火焰或其部分施加的电离传感器。
在本文中描述和示出的非限制性实例中，检测传感器13为能够检测OH-离子的浓度的化学发光传感器。
未示出的变型提供：设备包括一个以上的检测传感器，它们中的各个检测不同的参数。该冗余可使火焰不稳定现象的检测更加可靠。
优选地，检测传感器13检测指示火焰不稳定现象在燃烧器4中存在的参数的时间进程。
优选地，附加的检测传感器14为压力传感器，例如压电传感器或麦克风。
检测传感器13和可选的附加检测传感器14将检测的数据传送至控制装置12。
控制装置12构造成借助于UATT激活信号(如果检测传感器13检测指示火焰不稳定现象(LBO)在燃烧器4中存在的激活条件)而选择性地激活发生器15。
优选地，激活条件可在由检测传感器13检测的指示参数超过或低于预定阈值时或者在由检测传感器13检测的指示参数的时间进程示出给定模式时发生。
在本文中描述和示出的非限制性实例中，激活条件可在OH自由基化学发光信号降至其平均值的30％以下并且对于至少10毫秒而言不上升超过其平均值的120％时(识别熄灭事件的条件)发生。
作为备选，可能的是，识别两个不同参数的组合激活条件：化学发光信号和声信号。
在该情况下，激活条件在OH自由基化学发光信号中的峰值和声信号中的足够显著的峰值大致上同时发生时(识别重新点燃的情形)，和/或在OH自由基发光信号大致上接近零并且声信号小于给定阈值时(识别熄灭的情形)发生。这些激活条件与如下事实相关：LBO现象以相继的熄灭和重新点燃事件为特征。
未示出的变型提供：控制装置12构造成借助于UATT激活信号来选择性地激活发生器15，即使附加的检测传感器14检测指示热声振荡(嗡嗡声)在燃烧器4中存在的另外的预限定的激活条件。
例如，另外的激活条件可在由附加的检测传感器14检测的压力超过预定阈值(例如20mbar)时发生。
假使检测传感器13和附加的检测传感器14两者被操作，则发生器15在激活条件和/或另外的激活条件被检测时激活。
在本文中描述和示出的非限制性实例中，为了识别激活条件的发生，控制装置12可使用不同的数据处理算法，如例如基于“小波”、“快速傅里叶变换”、神经网络、光谱或统计方法的那些。例如，控制装置12可构造成对每个时间单元检测的熄灭和重新点燃事件对进行计数。
控制装置12还构造成基于由检测传感器13检测的数据来调整由电磁辐射源11辐射的射频电磁辐射的频率F和/或振幅A。优选地，控制装置12还进一步构造成基于来自检测传感器13的数据来计算各个脉冲序列的平均功率Pm。
优选地，频率F和平均功率Pm也基于由附加的检测传感器14检测的数据来由控制装置12计算。
控制装置12基于平均功率Pm和频率F建立了最佳稳定所需的值t1、t2和t3。
在本文中描述和示出的非限制性实例中，因此计算的参数的值为：T = 10毫秒、t1= 33微秒、t2 = 450微秒、t3 = 9毫秒、tD = 1毫秒、N = 3、P = 1 MW、Pm = 100 kW、Pdiss= 10 kW。
由控制装置12计算的时间T、平均功率Pm以及时间长度t1、t2、t3的值接着供给至射频电磁辐射源11。
射频电磁辐射源11接着根据输入Pm、t1、t2、t3和T数据生成脉冲序列。
以该方式，由发生器15生成的脉冲序列与燃烧器4中的声振荡同步，以便在火焰温度最大时使电磁辐射的吸收最大化。
图3示出了燃烧器4的部分。
在本文中描述和示出的非限制性实例中，燃烧器4设有燃烧室20、外室21(也被称为仓室)，以及至少一个焚烧器组件22，在燃烧室20中发生燃烧，在外室21中压缩的空气从压缩机3流动，至少一个焚烧器组件22面向燃烧室20并且供应有燃料且与空气流动到外室21中。
优选地，焚烧器组件22设有预混焚烧器和引燃焚烧器(附图3中未示出)。
燃烧室20覆盖有多个大致上矩形的瓦片24，其布置在相邻的列中。瓦片24由耐火材料制成，这对射频电磁辐射而言为透明的。
天线16优选地安装在多个瓦片24中的一个后面。优选地，天线16联接于多个瓦片24中的瓦片的“冷”后部面。
具体而言，天线16具有与联接于其的瓦片24的尺寸大致上相同的尺寸，并且因此为矩形的。
在该构造中，联接于天线16的瓦片24和邻近于其的瓦片24热保护天线16，因此保证其随时间的过去的耐久性。
未在附图中示出的第二实施例提供：天线16定位成靠近焚烧器组件22的引燃焚烧器。
在使用中，如果检测传感器13和/或附加的检测传感器14分别检测激活条件和/或另外的激活条件，则发生器15通过UATT信号由控制装置12激活。
发生器15接着以频率F并根据由控制装置12计算的时间长度t1、t2、t3和平均功率Pm而生成脉冲序列。
天线16利用由发生器15生成的电磁辐射来辐射燃烧室20。
电磁辐射与焚烧器组件22的输出处的火焰相互作用，从而引起火焰速度的增加。
如以上已经提及的那样，增加的火焰速度的主要影响为LBO和嗡嗡声现象的显著减少。
因此，根据本发明制作的设备实现了LBO和嗡嗡声现象的显著减少，而没有必要要求待供应至焚烧器组件22的燃料的百分比增加，并且因此没有增加污染物质的排放。此外，根据本发明的设备不具有机械磨损问题(如现有技术的解决方案中的情况)。
LBO和嗡嗡声现象的减少导致维护成本的显著减少。实际上，为了对由LBO和嗡嗡声现象引起的损坏执行修复操作，关闭设备1，并且能量生产针对执行修复操作所需的时间停止。
此外，本解决方案中使用的射频电磁辐射具有不引起危险的电现象(如燃烧器4内的电弧或电晕效应)的强度。
本发明的又一优点在于天线16的电源为脉冲的。
首先，脉冲电源允许射频电磁辐射的频率调节，以便最大化它们在火焰中的吸收。
脉冲电源还实现射频功率的非常高的峰值，因此关于火焰的更大的稳定效果，同时维持足够低的平均功率水平，以便不需要使用系统来冷却发生器15和天线16，这对制造而言为困难且昂贵的。
此外，由发生器所需的功率的相对适中的值不显著改变设备的能量平衡。
最后，稳定装置10的致密性甚至在现有设备上允许安装。天线16和发生器15的线性尺寸实际上分别为近似20cm和1m，并且发生器15可安装在燃烧器4的外部。
最后，清楚的是，可对本文中描述的设备进行改型和变型，而不脱离所附权利要求的范围。

Claims (15)

1.一种用于生产电能的燃气涡轮设备，包括：
-至少一个燃烧器(4)，其设有燃烧室(20)，在使用中燃烧发生在所述燃烧室(20)中，并且设有至少一个焚烧器组件(22)，所述至少一个焚烧器组件(22)面向所述燃烧室(20)并且供给有空气和气体的混合物；
-射频电磁辐射源(11)，其构造成利用具有给定频率(F)和给定振幅(A)的射频电磁辐射来选择性地辐射所述燃烧室(20)；
-至少一个检测传感器(13)，其构造成检测指示火焰不稳定现象在所述燃烧室(20)内部存在的至少一个参数；
-至少一个控制装置(12)，其构造成基于由所述至少一个检测传感器(13)检测的数据来选择性地激活所述电磁辐射源(11)，并且调整由所述电磁辐射源(11)辐射的射频电磁辐射的频率(F)和/或振幅(A)。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述检测传感器(13)构造成检测指示火焰不稳定现象在所述燃烧室(20)内部存在的所述至少一个参数的时间进程。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述控制装置(12)构造成基于由所述至少一个检测传感器(13)检测的所述至少一个指示参数的时间进程来计算由所述电磁辐射源(11)辐射的射频电磁辐射的频率和/或振幅。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述检测传感器(13)为选自包括以下的传感器组的传感器：
·化学发光强度传感器；
·火焰颜色传感器；
·温度传感器；
·用于火焰的电导率的传感器。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述检测传感器(13)为OH自由基化学发光强度传感器。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备包括至少一个另外的检测传感器(14)，其构造成检测指示声振荡在所述燃烧室(20)中存在的至少一个另外的参数；所述控制装置(12)构造成还基于由所述另外的检测传感器(14)检测的数据来调整由所述电磁辐射源(11)辐射的射频电磁辐射的频率(F)和/或振幅。
7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述另外的检测传感器(14)为压力传感器。
8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述射频电磁辐射源(11)包括构造成以所述频率(F)生成脉冲序列的发生器(15)；所述脉冲序列与平均功率(Pm)相关联；所述脉冲序列中的各个脉冲与功率(P)相关联；所述控制装置(12)构造成基于由所述至少一个检测传感器(13)检测的数据来调整所述平均功率(Pm)。
9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，各个脉冲序列包括基于所述平均功率(Pm)和与各个脉冲相关联的功率(P)计算的许多脉冲(N)。
10.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，各个脉冲序列包括具有第一时间长度(t1)的多个脉冲；所述控制装置(12)构造成基于所述平均功率(Pm)来计算各个脉冲的第一时间长度(t1)。
11.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，各个脉冲序列包括多个脉冲，它们以具有第二时间长度(t2)的规则的时间间隔彼此跟随；所述控制装置(12)构造成基于所述平均功率(Pm)来计算所述第二时间长度(t2)。
12.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，各个脉冲序列与下一个脉冲序列分开具有第三时间长度(t3)的时间间隔；所述控制装置(12)构造成基于所述平均功率(Pm)来计算所述第三时间长度(t3)。
13.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，各个脉冲序列具有总时间长度(tD)；所述总时间长度(tD)短于跨过时间(tA)，所述跨过时间(tA)被理解为空气-燃料混合物跨过火焰所花费的时间。
14.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述电磁辐射源(11)包括连接于所述发生器(15)并且布置成以便辐射所述燃烧室(20)的天线(16)。
15.根据权利要求14所述的设备，其特征在于，所述天线(16)联接于覆盖所述燃烧室(20)的多个瓦片(24)中的瓦片(24)。
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