CN114645777A

CN114645777A - 用于改进燃烧涡轮调节能力的系统和方法

Info

Publication number: CN114645777A
Application number: CN202111487424.1A
Authority: CN
Inventors: 阿德南·法里德·萨法尔; S·D·瓦尔塔; A·K·斯里达兰; J·A·布尔西亚加-桑托斯
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co PLC
Priority date: 2020-12-21
Filing date: 2021-12-07
Publication date: 2022-06-21
Also published as: JP2022098465A; US11898502B2; EP4015794A1; US20220195948A1

Abstract

本公开涉及用于改进燃烧涡轮调节能力的系统和方法。燃烧涡轮控制系统被配置成在满足排放目标的同时在部分负载或无负载条件下操作燃烧涡轮系统(10)。该燃烧涡轮系统(10)包括燃烧涡轮、燃烧涡轮控制器和传感器、催化剂组件和/或其他相关设备。基于给定操作约束，诸如负载条件和排放法规，燃烧涡轮控制器可以执行对应的动作以按照排放法规控制废气中的特定气体浓度和/或气体质量流量。对应的动作可以包括：控制到燃烧器(16)的燃料和/或稀释剂注入来控制燃烧(例如，燃烧温度)以管理从燃烧器(16)离开的燃烧气体含量，控制压缩机排放阀以控制燃烧温度，控制催化剂组件以处理待释放到环境中的废气，或它们的组合。

Description

用于改进燃烧涡轮调节能力的系统和方法

背景技术

本公开整体涉及操作具有宽泛的功率输出范围的燃烧涡轮。更具体地，本公开涉及在满足排放目标的同时在部分负载或无负载条件下操作燃烧涡轮。

燃烧涡轮燃烧压缩空气和燃料的混合物以产生燃烧气体。该燃烧气体可以流过一个或多个涡轮级以生成供负载(诸如发电机)使用的旋转能量。该燃烧气体可能包括各种燃烧副产物，诸如一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)、二氧化碳(CO2)等。这些副产物或排放物通常受到严格的监管。在一些情况下，以扩大的输出功率范围操作燃烧涡轮可以增加发电系统的操作灵活性和效率。然而，在维持燃烧涡轮的扩大输出功率范围的同时，用于满足排放目标的附加排放控制装置的成本可能变得过大。

本章节旨在向读者介绍可能与下面描述和/或要求保护的本技术的各个方面有关的领域的各个方面。据信此讨论有助于为读者提供有利于更好地理解本公开的各个方面的背景信息。因此，应当理解，这些陈述应该从这种角度来阅读，而非作为任何方式的承认。

发明内容

下文阐述了本文所公开的特定实施方案的概述。应当理解，呈现这些方面仅仅是为了向读者提供这些特定实施方案的简要概述，并且这些方面并非旨在限制本公开的范围。实际上，本公开可以包括下文可能未阐述的多个方面。

在第一实施方案中，提供了一种方法。根据该方法，接收燃烧涡轮将在部分负载或无负载条件下操作的指示。响应于接收到该指示，该燃烧涡轮在该部分负载或无负载条件下操作，从而生成废气排放物。在该部分负载或无负载条件下采用增加该燃烧涡轮中的燃烧温度，以增加该废气排放物中的氮氧化物(NOx)的浓度并且降低该废气排放物中的一氧化碳(CO)的浓度，同时维持其中未增加该燃烧温度的最小负载条件的废气温度和废气排放物曲线。

在第二实施方案中，提供了一种系统。该系统包括燃烧涡轮、多个感测装置和控制器。该控制器被配置成执行动作以按照排放目标控制该排放气体中的气体浓度和气体质量流量。该动作包括接收该燃烧涡轮将在低于全负载的负载下操作的指示并且确定对应于低于该全负载的该负载的操作参数。该动作还包括使用该操作参数在低于该全负载的该负载下操作该燃烧涡轮。至少基于在低于该全负载的该负载下操作，增加该燃烧涡轮中的燃烧温度以增加第一排放气体类型的浓度并降低第二排放气体类型的浓度。该动作还包括动态提高用于处理排放气体以满足排放目标的催化剂组件中的催化作用以补偿在低于该全负载的负载下操作期间该增加的燃烧温度。

在第三实施方案中，提供了一种系统。该系统包括燃烧涡轮、多个感测装置、催化剂组件和控制器。该催化剂被配置成处理来自该燃烧涡轮的排放气体以满足排放目标。该控制器被配置成执行动作以按照排放目标控制该排放气体中的气体浓度和气体质量流量。该动作包括接收该燃烧涡轮将在部分负载或无负载条件下操作的指示并且至少部分地基于该指示确定对应于该部分负载或无负载条件的操作参数。该动作还包括使用该操作参数在该部分负载或无负载条件下操作。至少部分地基于在该部分负载或无负载条件下操作，调节该燃烧涡轮的操作。该动作还包括动态提高该催化剂组件中的催化作用以在该部分负载或无负载条件下操作期间补偿该增加的燃烧温度。该动作还包括利用多个感测装置来测量该燃烧涡轮的性能相关参数。至少部分地基于该性能相关参数，在该部分负载或无负载条件下操作期间调节该燃烧涡轮的操作。

附图说明

当参考附图阅读以下详细描述时，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点，附图中相同的符号在整个附图中表示相同的零件，其中：

图1是根据一个实施方案的被配置成为负载提供动力的燃烧涡轮发动机的框图；

图2示出了描绘根据一个实施方案的可用于操作图1的燃烧涡轮发动机的排放控制过程的流程图；

图3示出了描绘根据一个实施方案的可以使用来自各种感测和监测装置的测量结果作为反馈来操作图1的燃烧涡轮发动机的另选排放控制过程的流程图；

图4是根据一个实施方案的展示图2或图3的排放控制过程可以在一温度范围内维持低功率输出的归一化功率对比环境温度图；

图5是根据一个实施方案的展示图2或图3的排放控制过程可以在低负载操作下保持排气温度等于基线温度的归一化排气温度对比环境温度图；

图6是根据一个实施方案的展示图2或图3的排放控制过程可以在低负载操作下保持排气NOx质量流速等于基线NOx质量流速的归一化NOx流量对比环境温度图；并且

图7是根据一个实施方案的展示图2或图3的排放控制过程可以在低负载操作下保持排气CO质量流量等于或小于基线CO质量流量的归一化CO排气主流量对比环境温度图。

具体实施方式

下面将描述一个或多个具体实施方案。为了提供这些实施方案的简明描述，可能未在说明书中描述实际实施方式的所有特征。应当理解，在任何此类实际实施方式的开发中，如在任何工程或设计项目中，必须作出许多特定于实施方式的决策以实现开发者的特定目标，诸如遵守系统相关和业务相关的约束，这些约束可能因实施方式而异。此外，应当理解，此类开发工作可能是复杂且耗时的，但是对于受益于本公开的普通技术人员来说仍然是设计、制作和制造的常规任务。

当介绍本公开的各种实施方案的元件时，冠词“一个”、“一种”、“该”和“所述”旨在意指存在元件中的一个或多个元件。术语“包括”、“包含”和“具有”旨在是包含性的，并且意味着可能存在除列出元件之外的附加元件。此外，以下讨论中的任何数值示例旨在是非限制性的，因此附加的数值、范围和百分比在所公开的实施方案的范围内。此外，短语A“基于”B旨在表示A至少部分地基于B。此外，术语“或”旨在作为包含性(例如，逻辑OR)而不是排他性的(例如，逻辑XOR)。换句话讲，短语A“或”B旨在表示A、B或A和B两者。

电厂中的燃烧涡轮发生器(ctg)在操作期间从其燃烧过程产生排放气体。该排放气体可含有毒性气体和污染物(诸如氮氧化物(NO_x)、一氧化碳(CO)和未燃烧烃)，其被处理(例如，通过CTG的排气系统中的催化剂组件)以满足排放法规。在一些情况下，催化剂组件是选择性催化还原(SCR)系统，其在特定浓度的排放物下最佳操作。基于给定操作约束(诸如负载条件和排放法规)，燃烧涡轮控制器可以执行对应的动作以按照排放法规控制排放气体中的某些气体浓度和/或气体质量流量。

本公开大体上涉及在满足环境法规规定下的排放目标的同时，在宽泛的功率输出范围(例如，部分负载和/或无负载)中操作燃烧涡轮。使用本文所公开的技术可以改善CTG的操作性能。在一个实施方案中，由于到SCR的入口NOx流量范围比具有SCR修改的方法更窄，因此可以在降低硬件成本、复杂性和增强CTG可靠性的情况下实现NOx排放物合规性，否则将用于后处理具有到SCR更宽的入口NOx流量范围的NOx条件。在一个实施方案中，与增加CO催化剂费用的方法相比，由于在低负载操作下的燃烧温度较高，可以实现CO排放物合规性，否则在通常具有较低燃烧温度的低负载操作下必须对高CO流量进行后处理。

使用本文所公开的技术可以改善CTG的可操作性。在一个实施方案中，在低负载稳态和/或在瞬态操作期间(例如，瞬态到低负载操作)，与使用通过排放阀降低针对给定操作点的压缩机压力比的CTG操作相比，可以在CTG中实现更好或相等的压缩机失速裕度。增加的压缩机失速裕度可以降低在稳态或瞬时操作期间CTG部件磨损和损坏的可能性。使用本文所公开的技术还可以改善CTG的部件寿命和耐久性。在一个实施方案中，由于注水减少(例如，在使用水作为稀释剂的CTG中)，可以改善燃烧发动机热段寿命。

除了如上所述的CTG及其部件的可操作性和耐久性的改善之外，本文所公开的技术可以在发电系统中拓宽CTG应用。在一些应用中，某些电力市场可以针对扩大到更低负载的更宽功率操作范围来经济地补偿CTG电厂，这可以通过实施所公开的技术来实现(诸如适用于高NH₃流量的简易氨(NH₃)注入系统和具有较小且更高效CO催化剂的SCR系统)。此类具体实施有利于低负载CTG操作，以便比扩大规模和复杂的修改(例如，SCR系统修改)更少的成本。因此，与使用扩大规模和复杂的修改相比，增强的操作范围的收入增加可以为CTG电厂产生更大的利润。在一个实施方案中，供应商(例如，电力配电商)可以出售由用所公开的技术实施的CTG产生的电力，这些CTG提供与利用昂贵的修改所促进的CTG相同或相似的操作范围，从而增加了用于销售电的价格、利润率和/或激励。

在某些情况下，含有能量存储系统(ESS)和/或热生成资产的混合电厂提供宽功率操作范围(例如，扩大到低负载)，可以设计为相比于没有使用所公开技术的电厂而言具有等效或更低的成本并且具有更大的灵活性。例如，为了在低于热资产的阈值负载的负载下操作，ESS可能消耗超出期望的工厂功率操作点的过量功率。消耗此功率可能需要增加ESS的功率输出和/或能量能力，从而增加资本成本和操作成本。为了避免此类额外成本，混合电厂可以实施热修改以有利于低负载热操作和较小ESS。作为比较，利用所公开的技术，热资产的最小负载可能高于热修改，但是在较大ESS情况下的总成本可以相同或更低。ESS的使用可以添加灵活性和潜在的收入源，其可以随ESS规模而扩大。由于ESS价格可能随时间降低，因此可以相应地降低ESS的添加成本，从而降低总成本。此类增加的灵活性可以有助于增加利润率、降低价格或添加大量的能量储存以增加价值并潜在地增加利润率。

考虑到前述内容，现在转向附图，图1为燃烧涡轮系统10的一个实施方案的框图。例如，燃烧涡轮系统10可以是组合循环系统的一部分和/或与其他燃烧涡轮系统10组合以为一个或多个负载12提供动力。具体地，燃烧涡轮系统10通常被配置成通过燃烧压缩空气22和燃料14的混合物(例如，天然气、轻质或重质馏出油、石脑油、原油、残余油或合成气)来驱动负载12。燃烧在燃烧器16内进行，该燃烧器可以包括一个或多个燃烧室。燃料传感器(FS)15可用于监测到燃烧器16的燃料注入速率。空气13进入压缩机20处的进气口，经过滤，并且随后经由一个或多个压缩级在压缩机20中被压缩。从压缩机20生成的压缩空气流22被引导到燃烧器16中。

如图所示，压缩机20可以包含一个或多个排放阀(BV)21。该排放阀21的阀打开或关闭的程度可以是可调节的。例如，当燃烧涡轮系统10在关机期间或在低功率操作期间操作时，可以将排放阀21调节到一定程度以减小空气流速。排放阀21可以安装在压缩机20上的不同位置处或在多压缩机系统中的压缩机之间。

为了开始燃烧器16内的燃烧过程，将压缩空气流22与燃料14混合。使用燃料14和压缩空气流22的混合物，点火可以在燃烧室内发生。点火产生为燃烧涡轮系统10提供动力的热燃烧气体26。更具体地，热燃烧气体26流动穿过具有一个或多个压缩级的涡轮28，该涡轮经由轴30驱动负载12。例如，燃烧气体26可以将原动力(例如，经由对流、膨胀等)施加到涡轮28内的涡轮转子叶片以使轴30旋转。在示例性过程中，热燃烧气体26可以迫使涡轮28中的涡轮叶片沿燃烧涡轮系统10的轴线旋转轴30。如图所示，轴30可以连接到燃烧涡轮系统10的各种部件，包括压缩机20或负载12。

在一些实施方案中，各种控制和监测装置可用于控制和监测燃烧器16中的燃烧。在图1的实施方案中，燃烧器16包括一个或多个燃料喷嘴(FN)17，该燃料喷嘴可在燃烧器16上的不同位置处。到燃料喷嘴17的燃料流量是可调节的，使得到燃烧器16的燃料注入是可控的。举例来说，控制器38可以利用联接到燃料喷嘴17的燃料流回路来调节燃烧器16中的燃料与空气比。调节该燃料喷嘴17可以使得能够控制燃烧器16上燃料注入端口(例如，燃料喷嘴17)之间的燃料分流。可控燃料分流可以改变燃烧火焰18的某些物理特性，诸如燃烧火焰18的温度和位置。在一些实施方案中，控制器38可利用燃料流回路来调节一个或多个燃料输送阀以将燃料流引导到一个或多个燃料喷嘴17中和燃烧器16中的通道中。在一些实施方案中，附加的监测装置可用于监测燃烧火焰18的某些物理特性。例如，温度传感器(TS)23可用于测量燃烧火焰18的温度。在某些实施方案中，火焰检测器(FD)24可用于检测燃烧火焰18的存在和/或位置。

如图1所示，稀释剂注入(DI)系统19联接到燃烧器16。稀释剂注入系统19可以将特定稀释剂(诸如水或蒸汽)注入燃烧器16中以改变燃烧火焰18的某些物理特性(例如，温度)，由此按照排放法规维持排放气体32中的特定排放物。例如，水或蒸汽注入可以由稀释剂注入系统19用于冷却燃烧火焰18的温度以减少NO_x的形成。

如前所述，轴30可以将涡轮28连接到压缩机20以形成转子。压缩机20还可以包括联接到轴30的压缩机叶片。因此，涡轮28中的涡轮叶片的旋转可以导致将涡轮28连接到压缩机20的轴30使压缩机20内的压缩机叶片旋转。压缩机20中的压缩机叶片的这种旋转使压缩机20压缩空气13以生成压缩空气流22。如前所述，压缩空气流22然后被馈送到燃烧器16并与其他燃烧成分混合。除负载12之外或代替负载12，轴30可以驱动压缩机20。例如，负载12可以是燃烧涡轮系统10的发电机。附加地或另选地，负载12可以包括螺旋桨、传动装置、驱动系统或被配置成通过轴30的旋转接收机械力的任何其他机构。

一旦涡轮28从热燃烧气体26中提取功，废气流32就可以被提供给排气区段34，在该排气区段中，废气32可以被进一步处理和/或冷却。例如，在所示实施方案中，排气区段34可以包括催化剂组件35。催化剂组件35是一种废气排放控制装置，其通过使用各种后处理排放控制技术(诸如氧化催化剂和/或选择性催化还原(SCR))来减少废气32中的毒性气体和污染物。

催化剂组件35可以使用一种或多种氧化催化剂来处理废气32中的特定排放物。氧化催化剂可包括CO催化剂、NO_x催化剂、未燃烧烃催化剂和/或任何类似的金属基(例如，铂基)催化剂。例如，催化剂组件35可以包含NO_x催化剂以破坏废气流32内的NO_x气体。然后，废气流32可以在由催化剂组件35提供的处理之后离开排气区段34。

催化剂组件35还可以包含选择性催化还原(SCR)系统。SCR系统使用催化剂(例如，氧化钛)的辅助将NO_x转换成双原子氮(N₂)和水(H₂O)。可以将气态还原剂(诸如无水氨)、氨水或尿素添加到废气32中并吸附到一种或多种催化剂上。例如，氨(NH₃)注入系统可以用于将氨注入废气32中。废气32与氨混合并进入含有催化剂的反应器，其中在特定温度范围内并且在存在催化剂的情况下氨选择性地与NO_x反应。

排气区段34可以包括各种监测装置以监测物理特性(例如，废气32的温度)和/或化学特性(例如，排放气体浓度)。例如，排气区段34可以包括一个或多个温度传感器(TS)36以测量废气32的温度。在一些实施方案中，排气区段34可以包括一个或多个排放传感器(ES)37以测量特定排放气体(例如，CO和NO_x)的浓度和/或质量流量。

如图所示，燃烧涡轮系统10包括一个或多个控制器38。控制器38可以包括一个或多个处理器66和存储器68，该一个或多个处理器或存储器可以共同用于支持可用于实现本文所述技术的操作系统、软件应用程序和系统等。具体地讲，控制器38可以包括存储在非暂态机器可读介质(例如，存储器68)中并例如由可以包括在控制器38中的一个或多个处理器66执行的代码或指令。处理器66可以从燃烧涡轮系统10的各种部件接收操作参数，包括轴30的旋转速度、由燃烧涡轮系统10经由轴30驱动的发电机(例如，负载12)生成的电力的频率和/或电压、一个或多个负载12的需求或其他合适的参数。在一些实施方案中，一些参数被直接测量，而其他参数根据其他测量间接确定。例如，在某些实施方案中，控制器38可以利用算法模型或查找表(例如，存储在存储器68中)使用诸如由发电机生成的电力的频率或电压之类的电参数来导出各种参数，诸如轴30或连接的发电机的操作速度。

此外，控制器38可以经由特定的监测装置监测燃烧涡轮系统10的各个部分的操作。监测的参数可以包括但不限于以下参数：燃料14的注入速率(例如，经由燃料传感器15)、燃烧器16中的燃烧火焰18的温度和位置(例如，经由温度传感器23和火焰传感器24)、排气区段34中的废气32的温度(例如，经由温度传感器36)、排气区段34中的废气32的特定排放气体(例如，CO和NO_x)的浓度和/或质量流量(例如，经由排放传感器37)或其他相关参数。监测的参数可以用于控制(例如，调节)燃烧涡轮系统10的一个或多个方面的操作参数。例如，在燃烧涡轮系统10的操作期间，排气区段34内部的废气32的温度可以通过一个或多个温度传感器36来测量。基于废气32的测量温度，控制器38可以使一个或多个排放阀21调节阀开口的程度，和/或可以控制在燃料喷嘴17之间的燃料分流，由此改变(例如，增加)废气32的温度。

如图所示，控制器38可以包括催化剂控制器39。催化剂控制器39被配置成通信地耦接到催化剂组件35。在一个示例中，催化剂控制器39被配置成接收表示催化剂组件35上游的排气流的温度和催化剂组件35下游的经处理的排气流的温度的信号。一个或多个温度传感器36可以设置在催化剂组件35的上游和催化剂组件35的下游。催化剂控制器39可以确定目标温度，该目标温度至少部分地基于合适的排放水平(例如，NO_x水平和/或CO水平)。催化剂控制器39可以生成(例如，经由一个或多个处理器66)对应于目标温度的控制信号。例如，控制信号可以包含在废气32流入催化剂组件35之前增加废气32的温度的指令。对应于目标温度的控制信号可以发送到压缩机20上的一个或多个排放阀21，以调节阀打开的程度，或者发送到与燃烧器的一个或多个燃料供应管线(未单独示出)以控制燃料喷嘴17之间的燃料分流，由此将废气32的温度调节到目标温度。通过控制流入催化剂组件35的废气32的温度，某些排放气体(诸如NO_x和CO)可以被控制以实现符合排放法规的合适水平，而不管燃烧涡轮系统10的操作负载如何。

应注意，上文关于燃烧涡轮系统10描述的部件是示例性部件。例如，燃烧涡轮系统10的一些实施方案可以包含比所示的部件更多或更少的部件。例如，燃烧涡轮系统10的各种实施方案可以包括多个轴、多个燃烧器、多个催化剂组件和/或其他合适的涡轮系统部件。

如前所述，废气排放控制装置(例如，催化剂组件35)可以用于减少毒性气体和污染物，诸如NOx和CO气体，之后通过排气区段34将废气排出到大气中。在操作中，燃烧涡轮(例如，燃烧涡轮系统10)可以在排出到大气中之前产生经过处理(例如，通过催化剂和/或SCR处理)的大量排放物以满足排放法规。

考虑到前述内容，下文提供了与从电厂中的燃烧发动机排出的废气(例如，NOx气体和CO气体)有关的材料，以稍微熟悉一下此类废气，并且为本公开的其他方面提供有用的真实世界背景。

术语“NOx”是指被分类为空气污染的氮氧化物，诸如一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO₂)。NOx气体可以在燃烧涡轮(例如，燃烧涡轮系统10)中燃料(例如，烃)的燃烧期间由氮和氧的反应产生。在一些情况下，CTG电厂可能已经具有对NOx排放物设置限制作为空气污染限制的运营许可证。一氧化碳(CO)是无色、无臭和无味的易燃气体，其也是受管制的大气污染物。

在燃烧期间产生的NOx和CO气体可能在没有重新调节CTG电厂运营和维护的操作设置的情况下导致排放增加。例如，在一些实施方案中，在通常在高负载操作下使用的高燃烧火焰温度下，NOx排放可能增加。在其他实施方案中，CO排放可能限制部分负载/无负载操作，该操作由于增加间歇性可再生能源的参与(诸如风能和太阳能)而被更频繁地使用。

CTG电厂可以被设计成在特定功率范围内操作以维持排放物合规性(例如，满足特定排放目标)。排放物目标可以包括针对特定成分气体(诸如NO_x和CO)的瞬时和/或集成废气浓度或质量。CTG电厂的操作功率范围可以由最小操作功率(P_min)和最大操作功率(P_max)指定。在较低P_min下操作的电厂可提供更大的调度灵活性和电网效率。然而，在扩大的功率范围内操作(例如，具有小于CTG电厂全负载的25％的P_min)可能不符合现有燃烧涡轮设计(诸如废气排放物控制，包括稀释剂注入、精确燃料注入和燃烧控制)，这些设计最初是针对有限功率范围(例如，具有高于CTG电厂全负载的50％的P_min)做出的。

为了在扩大的功率范围内操作，可以修改电厂中的燃烧涡轮(CT)以在CT的操作范围内满足排放目标。例如，该CT修改可以包括实施高级燃烧控制技术(例如，用于精确燃料控制的燃料注入硬件)。附加地或另选地，CT修改可以与废气的后处理有关，诸如增加CO催化剂、针对更低的NO_x流量范围修改氨注入系统、高级SCR控制或它们的组合。然而，此类修改可能导致过多的成本，这可能抑制CTG电厂运行灵活性。例如，最初以预定成本设计的CTG电厂可以将最小操作功率限制为特定阈值(例如，为CTG电厂全负载的50％的功率输出)。因此，由于过多的成本(例如，与CO催化剂使用和/或SCR修改相关的成本)，CTG电厂可能被抑制在较低的功率操作模式(例如，输出功率低于CTG电厂全负载的25％的操作)。

本公开中所描述的技术可以提供用于CT在排放物合规性方面在较宽功率范围内操作并同时避免昂贵的CT修改(例如，扩大SCR系统规模和/或修改燃料注入系统)的合适方法。图2示出了描绘可以用于在扩大功率范围内操作CT(例如，燃烧涡轮系统10)而无需经过昂贵的修改的排放控制过程100的流程图。

当燃烧涡轮(CT)进入与先前操作状态不同的操作状态(框102)时，可以启动排放控制过程100。在一些实施方案中，CT可以接收燃烧涡轮将在低于全负载的负载(例如，部分负载或无负载)下操作的指示。该指示可以包括处理器生成的信号(例如，来自控制器38)、模拟信号、来自传感器的传感器信号、使用神经网络进行的人工智能推断、用户输入、和/或其他合适的信号或输入。例如，CT可以(例如，经由可以通信地耦接到控制器38的特定用户界面从CT操作员)接收从高负载操作(例如，高于CT全负载的50％)切换到低负载操作(例如，低于CT全负载的25％)、从低负载操作切换到高负载操作、从活动状态关机、以及从非活动状态启动的指令。

如下所述，当从高负载操作切换到低负载操作时，控制器38可以基于新负载和其他操作相关信息确定针对不同副产物的排放目标(例如，输出来自排气区段34的目标排放)。根据新排放目标，CT可以执行各种操作以通过按照排放目标调节废气中的特定气体浓度和/或气体质量流量来控制排放物。随着负载减少，总废气气体质量流量相应地减少。为了在高负载和低负载之间维持一致的NOx速率，当在低负载模式下操作时，控制器38可以增加燃烧温度以提高减少的总排气气体质量流量中的NOx浓度。通过一致的NOx流速，SCR可以在高负载和低负载下一致地处理NOx。此外，通过增加燃烧温度，CO浓度降低到低于较低温度下的CO浓度。在一些实施方案中，控制器38可以改变燃料类型(例如，切换到另一燃料，诸如氢气)或改变不同燃料类型的混合比，以利用增加的燃烧温度来维持高负载与低负载之间的一致的NOx速率。

在CT进入新操作状态(例如，低负载操作)之后，控制器38可以确定CT排放目标和新状态的操作参数(框104)。排放目标可以包括但不限于以下目标：瞬时和/或集成废气浓度、瞬时和/或集成废气质量或质量流量，以及对CT排气流(例如，催化剂组件35下游的经处理的排气流)中特定废气(例如，NOx气体和CO气体)的约束。如前所述，CT可以设计成在排放物合规性的特定功率范围内操作(例如，满足上文列出的特定排放目标)。

确定CT排放目标和操作参数可由控制器38经由一个或多个处理器66和存储器68进行。例如，基于CT的新操作状态(例如，CT全负载的5％)，控制器38可以访问存储在非暂态机器可读介质(例如，存储器68)中的特定CT操作相关代码或指令。控制器38可以执行由一个或多个处理器66访问的代码或指令，以确定对应于CT的新操作状态的排放目标和操作参数。操作参数可以与CT操作和性能有关，该CT操作和性能可以在CT制造期间经验收集和/或导出，根据操作期间的现场性能测试采集和/或导出，等等。

在一些实施方案中，控制器38可以从不同的源接收可用于确定排放目标和操作参数的附加/补充信息(例如，CT操作约束)(框106)。例如，控制器38可以经由用户界面接收(例如，使用键盘、鼠标或小键盘控制的CT控制界面)与给定CT操作约束有关的信息。给定CT操作约束的示例可以包括流入催化剂组件35的废气32的特定气体浓度或质量流量限制，和/或离开排气区段34的经处理废气的特定气体浓度或质量流量限制，以及其他操作约束。

附加地或另选地，控制器38可以在有或没有关于给定CT操作约束的附加/补充信息的情况下，使用存储在非暂态机器可读介质(例如，存储器68)中的查找表来搜索对应于CT的新操作状态的CT排放目标和操作参数。在一些情况下，控制器38可以使用存储在非暂态机器可读介质(例如，存储器68)或远程网络(例如，云)中的模拟模型来至少部分地基于附加/补充信息来确定CT排放目标和操作参数。例如，模拟模型可以采用输入，诸如与CT的新操作状态相关的特定操作参数/设置和/或操作员提供的与给定CT操作约束相关的附加/补充信息来运行模拟以确定CT排放目标和操作参数。在某些情况下，CT操作员可以基于CT的新操作状态经由用户界面直接提供CT排放目标和操作参数。

至少基于所确定的操作参数，控制器38可以执行排放控制操作(框108)。排放控制操作可以用于按照所确定的排放目标调节废气中的特定气体浓度和/或气体质量流量。此类操作可以由控制器38自动地或利用CT操作员在操作期间提供的特定指令来执行。下文提供操作示例以稍微熟悉一下CT排放控制操作。

例如，控制器38可以执行操作以控制向压缩机20的空气供应(框110)。例如，当CT10进入低负载操作时，控制器38可以利用压缩机20上的一个或多个排放阀21来调节阀开口的程度。在一些实施方案中，CT 10可以包括一个或多个压缩机20。控制器38可以部分打开在CT 10的一个或多个压缩机20中或之间的一个或多个排放阀21。阀开口的调节可以导致排放阀21进一步打开以减小空气流速，从而导致更高的燃料与空气比，这将增加燃烧器16中的燃烧温度。如前所述，增加的燃烧温度可以降低废气32中CO浓度。因此，CT可以在低负载下操作(例如，低于CT全负载的25％)，同时满足来自燃烧器16的CO排放目标(例如，在低负载操作下，CO质量流量水平低于预定阈值)。

附加地或另选地，控制器38可以执行燃料供应管理操作以增加燃烧温度。也就是说，控制器38可以执行控制到CT燃烧器的燃料供应的动作(框112)。例如，当CT进入低负载操作时，控制器38可以利用在燃烧器16中的一个或多个燃料喷嘴17来增加到燃烧器16的燃料注入。增加的燃料注入可以增加燃烧火焰18的温度，从而降低废气32中CO浓度。

由于燃烧火焰18的燃烧温度增加(例如，在执行框110和112中描述的操作之后)，废气32中NO_x的形成可以增加。为满足来自燃烧器16的NO_x排放目标，稀释剂注入系统19可以由控制器38利用以调节到燃烧器16的稀释剂注入(框114)。稀释剂注入可以包括将稀释剂(诸如水或蒸汽)注入到燃烧器16中。稀释剂注入可用于减少NO_x的形成同时仍保持CO浓度的允许范围。例如，稀释剂可以用于将NOx流量减少到类似于在CT 10的高负载/全负载操作期间到达SCR的质量。另选地，可以减少稀释剂流以增加燃烧器16中的燃烧温度，例如，通过至少部分地关闭稀释剂阀以减少燃烧器16中的稀释剂。

附加地或另选地，控制器38可以执行一个或多个操作以调节排气区段34中的催化剂组件35(框116)。例如，控制器38可以使催化剂组件35使用一种或多种氧化催化剂来处理废气32中的特定排放物以满足总体排放目标。此类氧化催化剂可以包括CO催化剂、NO_x催化剂、未燃烧烃催化剂和/或其他合适的催化剂。在一些实施方案中，催化剂组件35可以利用NO_x催化剂来破坏废气流32内的NO_x气体。在一些实施方案中，CO催化剂可用于降低废气流32内的CO气体浓度和/或质量流量。在某些实施方案中，控制器38可能使催化剂组件35选择性地改变催化剂组件35的一个或多个部件或对催化剂组件35的输入的温度以提高催化剂组件35的催化作用。例如，控制器38可以选择性地改变催化剂组件35的部件或其输入(例如，空气、氨或空气和氨的混合物)的温度以在部分负载或无负载条件下补偿增加的排放气体。

在一些情况下，催化剂组件35可以包括选择性催化还原(SCR)系统。例如，SCR系统可以使用催化剂(例如，金属基氧化物，诸如氧化钛)的辅助将NO_x转换成双原子氮(N₂)和水(H₂O)。可以将气态还原剂(例如，氨或尿素)添加到废气32中并吸附到对应的催化剂上来处理第一排放气体类型(例如，NOx气体)的排放气体。与气态还原剂混合的废气32可以进入催化剂反应器(或室)。增加还原剂的量可以动态提高催化剂组件中的催化作用。气态还原剂可以在特定温度范围内并且在存在相应催化剂的情况下选择性地与NO_x反应。因此，SCR系统可以按照输出NO_x排放目标控制NO_x排放物。

应当注意，虽然上述操作中的至少一些被讨论为单独执行的，但是控制器38可以顺序地、同时地或按其组合地执行多个操作，包括上述示例性操作的至少一部分和/或可以有助于控制CT排放物的其他合适操作。例如，控制器38可以利用排放阀21来调节阀开口的程度以增加燃料与空气比，同时还增加燃料的注入速率(例如，部分打开燃料阀)。此类组合操作可以比单独使用一个操作更有效地增加燃烧温度。在一些实施方案中，可以一定序列执行某些操作以平衡在不同操作中生成的特定气体排放物。例如，在增加燃烧温度情况下，可以增加废气32中NO_x的形成。为了补偿废气32中的NO_x增加，SCR系统可以使用氨(NH₃)注入来减少离开排气区段34的经处理气体中的NO_x排放。

在由控制器38执行的排放控制操作期间和/或之后，控制器38可以利用各种感测和监测装置来测量CT性能相关参数，包括排放物和/或温度(框118)。此类感测和监测装置可以部署在包括燃烧器16和排气区段34的多个CT部件之间。

在一些实施方案中，控制器38可利用部署在燃烧器16中的温度传感器23来测量燃烧火焰18的温度。另外，部署在燃烧器16中的火焰检测器24可用于检测燃烧火焰18的存在和位置。温度传感器23和火焰检测器24可以分布在燃烧器16的不同位置中。此类分布式温度和火焰感测可以提供燃烧火焰18的详细曲线，以使用先前讨论的控制机制中的至少一个增强燃烧监测和控制。

在一些实施方案中，在排气区段34处，控制器38可以利用一个或多个温度传感器36来测量废气32的温度。此外，排放传感器37可用于测量特定排放气体(例如，CO和NO_x)的浓度和/或质量流量。温度传感器36和排放传感器37可以分布在排气区段34的不同位置中。例如，温度传感器36和排放传感器37中的一些传感器可以在废气32进入催化剂组件35之前部署，而其他温度传感器36和排放传感器37可以在废气32离开催化剂组件35之后部署。此类分布式温度和排放感测可以在由催化剂组件35提供的处理(例如，通过使用氧化催化剂和/或SCR系统)之前和之后提供温度和排放变化。

所测量的CT性能相关参数(例如，包括CO和NOx的特定排放气体的浓度和质量流量)可以由控制器38经由一个或多个处理器66进行分析，以确定响应于CT的新操作状态所执行的操作(例如，框110，112，114和116)是否得到满足CT排放目标的可允许水平的排放气体(例如，CO和NO_x的浓度和质量流量)(框119)。

所测量的CT性能相关参数也可以发送到一个或多个监测装置以允许CT操作员监测CT性能(框120)。监测可以由CT操作员本地(例如，经由控制器38上的显示面板、从现场CT控制室通信地链接到控制器38的计算机上的用户界面、被配置成接收所测量的CT性能相关参数的蓝牙装置等)，和/或远程地(例如，经由可以访问所测量的CT性能相关参数的智能电话或云中的虚拟机)进行。此外部监测可用于微调、重复和/或继续排放控制操作108。

附加地或另选地，用于测量CT性能相关参数的各种感测和监测装置可以反馈回控制器38，以使控制器38能够至少部分地基于CT性能相关参数来动态地确定排放目标。例如，图3示出了可以用于反馈CT性能相关参数的排放控制过程150的流程图。具体地，排放控制过程150类似于排放控制过程100，除了排放控制过程150包括将CT性能相关参数发送回控制器38(框152)之外。也就是说，控制器38、各种可控装置(例如，排放阀21、燃料喷嘴17、稀释剂注入系统19、催化剂组件35等)以及各种感测和监测装置(例如，燃烧器16上的燃料传感器15、温度传感器23和火焰检测器24，在排气区段34上的温度传感器36和排放传感器37等)可以形成具有反馈的闭环燃烧涡轮控制系统，以在CT 10的操作期间相对于排放目标动态地确定排放水平。

例如，发送到控制器38的反馈数据可以包含由燃烧器16中的温度传感器23和/或由排气区段34中的温度传感器36采集的温度测量结果、由燃烧器16中的火焰检测器24检测到的燃烧火焰位置、由排气区段34的排放传感器37采集的排放测量结果等。此类反馈数据可以由控制器38经由一个或多个处理器66和存储器68进行分析，以确定响应于CT 10的新操作状态所执行的操作108是否得到允许水平的排放气体(例如，CO和NO_x浓度和质量流量)。如果某些排放气体水平超过CT排放目标，则控制器38经由一个或多个处理器66和存储器68可以确定经调节的操作参数来执行进一步操作108以控制排放物以便满足CT排放目标。

在一些实施方案中，控制器38可以使用模型来确定CT排放目标和操作参数。模型可以包括计算机模拟模型、基于物理学的模型、经验模型等。此外，模型可以存储在非暂态机器可读介质(例如，存储器68)中或远程网络中(例如，经由诸如服务器和路由器之类的合适的计算和通信装置的云))。

例如，模拟模型可以使用反馈数据、与CT当前操作状态有关的特定操作参数/设置，和/或操作员提供的与给定CT操作约束有关的附加/补充信息的至少一部分来运行模拟，以确定某些实施的操作参数是否应当进行调节以提供改进的排放控制从而满足CT排放目标。此外，作为燃烧涡轮控制系统的一部分的此类基于模型的CT排放控制机构可以实时或离线方式实施，这取决于CT操作环境。

在前面章节中所公开的实施方案涉及燃烧涡轮控制系统，该燃烧涡轮控制系统可以用于在满足排放目标的同时在部分负载或无负载下操作CT。此类燃烧涡轮控制系统可以使CT能够执行各种操作以通过调节废气中的特定气体浓度和/或气体质量流量来控制CT排放物。如先前所讨论的，各种操作可以包括但不限于控制到燃烧器的燃料和/或稀释剂注入以控制燃烧温度、控制压缩机排放阀以控制燃烧温度、控制催化剂组件(例如，SCR系统)以在释放到环境中之前处理废气，或它们的组合。如前所述，这些操作可以使CT能够即使在低负载操作中也保持一定程度的一致的排气条件。

例如，在低负载操作下，增加废气温度(例如，通过控制燃料或稀释剂注入)可以使得能够控制NO_x和/或CO排气条件(例如，质量流量)以近似在高负载操作下的NO_x和/或CO排气条件。由于NOx质量流量用于确定还原剂(例如，NH₃)注入系统的大小，维持低负载和较高负载之间的NOx质量流量一致性可以使CT 10能够在更宽的负载水平范围内操作，与此同时避免潜在的昂贵修改(即还原剂注入阀、歧管、气化器和/或喷嘴尺寸)，否则为了允许更广泛的还原剂流这些修改可能是必要的。类似地，因为CO质量流量和温度用于确定在SCR系统内的CO还原催化剂的大小，从而减少在低负载下的CO浓度允许CO催化剂的大小或设计与仅在相对高负载下运行的CT(例如，高于50％)运行的SCR相比不变。换句话讲，配备有针对更高还原剂流量尺寸设计的更简单的还原剂注入系统和具有较小和/或更高效CO催化剂的SCR系统的CT 10可以具有比具有复杂还原剂注入系统(例如，具有更宽的还原剂流量范围)和具有较大和/或不那么有效的CO催化剂的SCR系统的CT更低的操作成本。利用此类方法，可以在不扩大SCR规模和/或修改还原剂注入系统的情况下使用更宽的操作范围(例如，接近0MW)。

考虑到前述内容，在部分负载或无负载操作下，CT 10可以使用控制器38来执行高级操作。模拟量化了CT负载可以实现的下限，同时维持类似于基线负载下标准CT的排气条件。基线是在保持排放物合规性的同时现有的最小负载。模拟结果证明，CT可以被配置成在无需昂贵的SCR修改的情况下在比基线更低的最小负载下操作(例如，等于基线的37.5％的最小负载)。

在每次模拟期间，压缩机可变排放阀(VBV)被偏置打开，并且从标准值减少NOx水注入直到满足目标(排气温度、NOx质量流量和CO浓度)为止。一些模拟结果显示在图4至图7中。

图4是归一化功率404对比环境温度402的曲线图，其显示出增强的CT控制可以在该温度范围内维持更低的基线420，该基线是基线功率410的一部分(例如，37.5％)。沿着未修改的基线功率水平410的曲线的点是实心圆，而沿着调节后的基线功率水平420的曲线的点是空心圆。

图5是归一化的排气温度504对比环境温度402的曲线图，其显示出增强的CT控制可以保持排气温度520与基线温度510大致相同，同时增强的CT控制在更低负载(例如，基线功率410的37.5％)下操作CT。

图6是归一化的NOx流量604对比环境温度402的曲线图，其显示出增强的CT控制可以保持排气NOx质量流速620近似等于基线NOx质量流速610，同时增强的CT控制在比基线功率410更低的负载下操作CT。

图7是归一化CO排气质量流量704对比环境温度402的曲线图，其显示出增强的CT控制可以保持排气CO质量流量720等于或小于基线CO质量流量710，同时增强的CT控制在比基线功率410更低的负载下操作CT。基线NOx质量流速610和基线CO质量流量710可以是CT10的废气排放物曲线在燃烧温度不增加的最小负载条件下的分量。换句话讲，废气排放物曲线可以包括各种废气排放气体(诸如NOx和CO)的质量流量和/或浓度。

本书面描述使用示例来公开本发明的系统和方法，包括最佳模式，并且还使得本领域的任何技术人员能够实践本技术，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。可申请专利的本发明主题范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例具有与权利要求书的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质差别的等效结构元件，则此类其他示例预期在权利要求书的范围内。

Claims

1.一种方法，包括：

接收燃烧涡轮(10)将在部分负载或无负载条件下操作的指示；

响应于接收到所述指示，在所述部分负载或无负载条件下操作所述燃烧涡轮(10)，从而生成废气排放物；以及

在所述部分负载或无负载条件下增加所述燃烧涡轮(10)中的燃烧温度，以增加所述废气排放物中的氮氧化物(NOx)的浓度并且降低所述废气排放物中的一氧化碳(CO)的浓度，同时维持其中所述燃烧温度未增加的最小负载条件的废气温度和废气排放物曲线。

2.根据权利要求1所述的方法，其中增加所述燃烧温度包括通过至少部分地关闭稀释剂阀来至少部分地减少到所述燃烧涡轮(10)的燃烧器中的稀释剂流。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述指示包括处理器生成的信号、模拟信号、来自传感器的传感器信号、来自神经网络的人工智能推断、用户输入或其他合适的信号或输入。

4.根据权利要求1所述的方法，其中在所述部分负载或无负载条件下增加所述燃烧温度包括增加所述燃烧涡轮(10)的燃烧器中的燃料与空气比。

5.根据权利要求4所述的方法，其中增加所述燃料与空气比包括至少部分地打开燃料阀。

6.根据权利要求1所述的方法，其中增加所述燃烧温度包括调节多个燃料输送阀以引导燃料流(14)进入一个或多个燃料喷嘴以及进入所述燃烧涡轮(10)的燃烧器(16)。

7.根据权利要求1所述的方法，其中增加所述燃烧温度包括改变所述燃烧涡轮(10)中使用的不同燃料类型的混合物。

8.根据权利要求1所述的方法，其中增加所述燃烧温度包括至少部分地打开在所述燃烧涡轮(10)的压缩机(20)中的或在所述燃烧涡轮(10)的压缩机之间的一个或多个排放阀(21)。

9.根据权利要求1所述的方法，包括动态提高用于处理所述废气排放物的催化剂组件(35)中的催化作用以补偿在所述部分负载或无负载条件期间所述废气排放物中氮氧化物(NOx)的增加的浓度；其中所述催化剂组件(35)包括一氧化碳催化剂、氮氧化物催化剂、未燃烧烃催化剂或其他合适的催化剂。

10.根据权利要求9所述的方法，其中动态提高催化作用包括选择性地改变到所述催化剂组件(35)或到所述催化剂组件(35)的一个或多个部件的一个或多个输入的温度或增加还原剂的注入以处理CO排放。

11.一种系统，包括：

燃烧涡轮(10)；

多个感测装置(15,23,24,36,37)；

催化剂组件(35)，所述催化剂组件被配置成处理来自所述燃烧涡轮(10)的排放气体以满足排放目标；以及

控制器(38)，所述控制器被配置成执行多个动作以按照排放目标控制所述排放气体中的气体浓度和气体质量流量，其中所述多个动作包括：

接收所述燃烧涡轮(10)将在部分负载或无负载条件下操作的指示；

至少部分地基于所述指示，确定对应于所述部分负载或无负载条件的操作参数；

使用所述操作参数在所述部分负载或无负载条件下操作所述燃烧涡轮(10)；

利用所述多个感测装置(15,23,24,36,37)测量所述燃烧涡轮(10)的性能相关参数；以及

在所述部分负载或无负载条件下操作期间，至少部分地基于所述性能相关参数调节所述燃烧涡轮(10)的操作。

12.根据权利要求11所述的系统，其中所述多个感测装置(15,23,24,36,37)被配置成通过在排放气体进入所述催化剂组件(35)之前部署温度传感器(23,36)、排放传感器(37)和/或模型的第一部分以及在所述排放气体离开所述催化剂组件(35)之后部署所述温度传感器(23,36)、排放传感器(37)和/或模型的第二部分来提供分布式温度和排放感测。

13.根据权利要求11所述的系统，其中所述多个动作包括动态提高所述催化剂组件(35)中的催化作用以在部分负载或无负载条件下操作期间补偿增加的燃烧温度。

14.根据权利要求11所述的系统，其中在所述部分负载或无负载条件下操作所述燃烧涡轮(10)包括通过改变所述燃烧涡轮(10)中使用的不同燃料类型的混合物来增加所述燃烧器(16)中的燃烧温度。