ES2897425T3 - Sistema y método para la estabilización y el control de la llama - Google Patents

Sistema y método para la estabilización y el control de la llama Download PDF

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Abstract

Un sistema de ajuste de alimentación de combustible para usar con un dispositivo de combustión que tiene una alimentación de combustible, el sistema comprende: un sensor para detectar una característica de combustible detectada del combustible que se alimenta al dispositivo de combustión, siendo la característica de combustible detectada indicativa de una propiedad de combustión de combustible; un procesador para comparar la característica del combustible detectada con un rango aceptable para la característica del combustible, el rango aceptable corresponde a un rango predeterminado para la propiedad de combustión del combustible, dicha propiedad de combustión del combustible es la velocidad de la llama, y para generar una salida cuando la característica del combustible detectada es fuera del rango aceptable; y una alimentación de aditivo para alimentar un aditivo a la alimentación de combustible, la alimentación de aditivo se activa por la salida, en la que el aditivo incluye un potenciador de la combustión que es una especie química reactiva o un retardante de combustión dependiendo de si la característica del combustible detectada está por encima o por debajo del intervalo aceptable, y en el que la cantidad de aditivo depende de un caudal de combustible detectado.

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema y método para la estabilización y el control de la llama
Campo de la invención
[0001] La invención se refiere en general a dispositivos relacionados con la combustión, y específicamente a dispositivos relacionados con la combustión que monitorizan y controlan la combustión mediante el control de uno o más aditivos a una alimentación de combustible.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
[0002]
La FIGURA 1 contiene un diagrama de bloques de varios componentes del sistema informático para su uso con una implementación ejemplar de un sistema de control para la alimentación de combustible para un dispositivo de combustión, de acuerdo con una forma de realización de la presente invención.
La FIGURA 2 ilustra un ejemplo de un sistema que determina directamente el rendimiento de la combustión, según una forma de realización de la invención.
La FIGURA 3 ilustra un ejemplo de un método para determinar directamente el rendimiento de la combustión, según una forma de realización de la invención.
La FIGURA 4 ilustra un ejemplo de un sistema que determina indirectamente el rendimiento de la combustión, según una forma de realización de la invención.
La FIGURA 5 ilustra un ejemplo de un método para determinar indirectamente el rendimiento de la combustión, según una forma de realización de la invención.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FORMAS DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN
Descripción de las formas de realización del método y sistema
[0003] Las formas de realización de la presente invención proporcionan métodos y sistemas para la detección en tiempo real o casi en tiempo real o para determinar de otro modo información relacionada con la combustión, como las características del combustible, las características de combustión, u otras características del dispositivo, y controlar el rendimiento de un dispositivo de combustión (por ejemplo, una turbina u otro dispositivo que contenga una cámara de combustión), basándose en la información detectada, usando un aditivo al combustible para ajustar una o más características de combustión. A través de dicho control de detección y rendimiento, por ejemplo, se puede mantener el rendimiento constante del dispositivo de combustión, a pesar de las entradas variables u otros factores, como la calidad o el tipo de combustible variable. Tales variaciones en el combustible pueden incluir, por ejemplo, variaciones en las características de combustión del gas natural, dependiendo de la fuente del gas natural, o variaciones en el tipo de combustible que se utilizará para el dispositivo de combustión.
[0004] En una primera forma de realización, el rendimiento del dispositivo de combustión se controla (indirectamente) a través de la detección de las características del combustible y adición de uno o más aditivos para la alimentación de combustible, según sea necesario. Por ejemplo, en una variación de esta forma de realización, se controlan las características del combustible (por ejemplo, la tasa de alimentación de combustible y los aspectos químicos u otros del combustible relacionados con el rendimiento de combustión del combustible) para el combustible que se alimenta al dispositivo de combustión, por ejemplo, a través de sensores de composición de combustible y velocidad de alimentación. Los resultados monitoreados se comparan con un rango aceptable de características del combustible (por ejemplo, un rango de características del combustible que producen un desempeño aceptable de la cámara de combustión), y si los resultados monitoreados están fuera del rango aceptable, se determina una cantidad apropiada de un aditivo de combustible disponible, y el aditivo se añade a la alimentación de combustible, para producir el rendimiento de la cámara de combustión que habría resultado si el combustible hubiera estado dentro del rango aceptable.
[0005] Por ejemplo, si el combustible sin aditivo se determina por análisis del combustible para producir una velocidad de la llama demasiado lenta dentro de la cámara de combustión, una cantidad apropiada calculada de potenciador de combustión (basado, por ejemplo, en la mejora de la combustión calculada con el aditivo, dada la tasa de alimentación de combustible detectada) como aditivo se añade a la alimentación de combustible, para aumentar la velocidad de la llama a un nivel aceptable. Por otro lado, si el combustible sin aditivo se determina mediante análisis del combustible para producir una velocidad de llama demasiado rápida dentro de la cámara de combustión, se agrega una cantidad calculada apropiada de retardante de combustión como aditivo a la alimentación de combustible, para disminuir la velocidad de la llama a un nivel aceptable. En esta forma de realización, una vez que se determinan las características aditivas adecuadas para el combustible, no es necesario un monitoreo y control adicional continuo (aunque opcionalmente se puede usar un monitoreo y control adicional, ya sea en el extremo del combustible o de combustión del dispositivo de combustión, por ejemplo, para mantener la calidad de la combustión).
[0006] En una segunda forma de realización, el rendimiento del dispositivo de combustión se controla mediante la detección de características de rendimiento de cámaras de combustión, con adición de uno o más aditivos para la alimentación de combustible está provisto, según sea necesario, para colocar la cámara de combustión dentro de un rango de rendimiento aceptable. Por ejemplo, en una variación de esta forma de realización, se monitorean las características de desempeño de combustión (por ejemplo, presión producida en la cámara de combustión, productos de combustión o emisión, temperatura u otras características de combustión), y los resultados monitoreados se comparan con un rango aceptable de características de desempeño de combustión (por ejemplo, una gama de características de combustión que producen un rendimiento aceptable de la cámara de combustión). Si los resultados monitoreados están fuera del rango aceptable, se agrega una cantidad apropiada de un aditivo de combustible disponible a la alimentación de combustible y se vuelven a monitorear las características de la cámara de combustión para determinar si los resultados están dentro del rango aceptable. Este proceso se repite, como un circuito de retroalimentación continuo, hasta que las características de combustión caen dentro de un rango aceptable, y luego se mantiene la alimentación de aditivos.
[0007] Por ejemplo, si el combustible sin aditivo está determinado por las características de rendimiento combustor para producir una temperatura de llama demasiado baja dentro de la cámara de combustión, se añade una fuente de un promotor de la combustión como un aditivo para la alimentación de combustible, así como para producir un aumento en la temperatura de la llama. Si se alcanza una temperatura de llama aceptable, se mantiene la alimentación de aditivo; de lo contrario, se agrega iterativamente más aditivo hasta que se alcanza una temperatura de llama aceptable. De manera similar, si el combustible sin aditivo está determinado por las características de rendimiento de la cámara de combustión para producir una temperatura de llama demasiado alta dentro de la cámara de combustión, se agrega una alimentación de un retardante de combustión como aditivo a la alimentación de combustible, para producir una disminución de la temperatura de la llama. Si se alcanza una temperatura de llama aceptable, se mantiene la alimentación de aditivo; de lo contrario, se agrega más aditivo de forma iterativa hasta que se alcanza una temperatura de llama aceptable.
[0008] En una segunda variación de ejemplo de la segunda forma de realización, se supervisan otras características (no de combustión) del dispositivo de combustión para determinar el rendimiento, y se añade aditivo, como sea necesario, a fin de colocar o mantener el dispositivo de combustión dentro de un aceptable rango de rendimiento. Por ejemplo, pueden producirse vibraciones en el dispositivo de combustión si las fluctuaciones de presión dentro de la cámara de combustión son demasiado altas. De manera similar a la primera variación para esta forma de realización, se agrega iterativamente un aditivo para producir un aumento de presión en la cámara de combustión a la alimentación de combustible hasta que se produce un rendimiento aceptable (por ejemplo, nivel de vibración aceptable) para el dispositivo de combustión.
[0009] En cada variación de la segunda realización, las tasas de alimentación de combustible detectadas y las características del combustible u otra información puede usarse en conjunción con las características del dispositivo de combustión detectadas así como, por ejemplo, para determinar y controlar la dosificación de aditivo con más precisión.
[0010] Con el fin de llevar a cabo estas funciones con un dispositivo de combustión, cada una de las formas de realización de la presente invención generalmente utilizan uno o más sensores, una o más fuentes de aditivos, los dispositivos de uno o más aditivos de control de flujo (por ejemplo, válvulas) que tienen uno o más mecanismos de control correspondientes, y uno o más procesadores o dispositivos de procesamiento para recibir la entrada del sensor, para determinar opcionalmente las cantidades apropiadas de aditivo para agregar al flujo de combustible (dependiendo de la forma de realización) y para dirigir la operación de los dispositivos de control de flujo de aditivo a través de los mecanismos de control.
[0011] Dispositivo de combustión. El dispositivo de combustión utilizable con la presente invención puede comprender varios dispositivos de combustión o quemadores conocidos o desarrollados utilizados para quemar combustible y que se pueden utilizar para cualquier número de propósitos en los que tales dispositivos se utilizan típicamente. Por ejemplo, el dispositivo de combustión puede comprender una turbina o un motor alternativo diseñado para usar gas natural u otro combustible (o, por ejemplo, capaz de funcionar o ajustarse para funcionar con una variedad de combustibles) para la generación de energía.
[0012] Sensores. Se pueden utilizar un gran número de sensores con la presente invención. Por ejemplo, tales sensores utilizables con la presente invención pueden medir directa o indirectamente la composición del combustible, las propiedades de combustión o ambas. Cuando se mide directamente la composición del combustible, se pueden utilizar varias técnicas dentro de los sensores (o, por ejemplo, dentro de los procesadores o dispositivos de procesamiento acoplados a los sensores, como se describe más adelante) para medir las cantidades de las diversas especies químicas que componen el combustible. Estas técnicas incluyen, pero no se limitan a: espectroscopía de absorción infrarroja; espectroscopia de infrarrojos transformada de Fourier (FTIR); espectroscopía Raman; cromatografía de gases; espectrometría de masas; resonancia magnética nuclear; resonancia de espín de electrones; o espectroscopía de movilidad iónica; o cualquier combinación de las mismas.
[0013] Cuando se mide indirectamente la composición del combustible, los procedimientos que se pueden utilizar incluyen, pero no se limitan a los siguientes: el uso de detectores de ionización de llama (FID); medición de conductividad térmica; medición de la capacidad calorífica; velocidad de medición del sonido; o medición de densidad; o cualquier combinación de los mismos. Particularmente cuando se usa con realizaciones que involucran medición indirecta, los sensores también pueden medir o usarse para determinar índices de desempeño de combustión, según sea necesario, incluido un índice de Wobbe, como se describe en detalle a continuación, y los sensores pueden incluir tipos y métodos conocidos diseñados para medir caudal del combustible.
[0014] Con respecto a la detección de llama (medida directa), los sensores se pueden utilizar para medir la estabilidad de combustión, por ejemplo, la medición de ubicación de la llama o de oscilación o la utilización de (pero no limitado a) uno o más de los siguientes: un detector de quimioluminiscencia ; un escáner de llama; un generador de imágenes de llamas; o un detector de llamas. Los sensores también se pueden seleccionar o configurar para medir la estabilidad de la combustión midiendo, por ejemplo, la presión de la cámara de combustión y las fluctuaciones de presión, o se puede usar un acelerómetro para medir las vibraciones en el dispositivo de combustión que resultan de las oscilaciones de presión inducidas por la combustión. El rendimiento de la combustión se puede medir midiendo características tales como la temperatura de la llama de combustión; temperatura de escape; o emisiones; o cualquier combinación de las mismas.
[0015] Procesador. El procesador (también denominado indistintamente en el presente documento como "dispositivo de procesamiento" o "controlador") puede realizar cálculos para evaluar el rendimiento o la estabilidad de la combustión en función de las entradas de los sensores u otra información, y es capaz de generar señales de control, operaciones mecánicas o hidráulicas, u otras funciones de control para el sistema de aditivos (por ejemplo, para controlar válvulas u otros mecanismos para controlar la alimentación de aditivos), de modo que se produzca y mantenga un rendimiento de combustión constante y/o estabilidad. El controlador puede controlar las propiedades del combustible de entrada a la cámara de combustión (por ejemplo, controlando la alimentación de uno o más aditivos), de modo que, por ejemplo, se pueden mantener tanto la tasa de calor constante como las características del chorro de combustible. El controlador también puede mantener las propiedades de combustión constantes mediante métodos tales como mantener un índice de combustión constante. El índice, como se describe a continuación, puede ser un índice de Wobbe, o un índice de Weaver, o ambos (o algún otro índice diseñado para caracterizar las propiedades de combustión de un combustible).
[0016] El controlador también puede mantener una combustión estable, por ejemplo, el ajuste de velocidad de la llama o alguna otra propiedad de combustión primaria (por ejemplo, mediante el control de la cantidad de aditivo añadido al combustible). El controlador puede ser un dispositivo analógico, tal como un controlador PID (Proporcional, Integral, Derivado) que genera la salida de control a partir de la señal de entrada mediante el uso de coeficientes de control sintonizados. El controlador también puede ser un dispositivo digital, como un PLC (controlador lógico programable) o una computadora. Una computadora puede imitar un dispositivo analógico en el software, o puede usar la información del sistema de detección para calcular un índice de combustión u otra propiedad del combustible y luego calcular el nivel de aditivo requerido para mantener un valor predeterminado del índice o propiedad. El controlador puede ser un dispositivo autónomo o puede comprender más de un dispositivo acoplado, incluidos los dispositivos que forman o están acoplados a una red, como Internet. Tal dispositivo o dispositivos pueden tener una capacidad de "aprendizaje", lo que permite que la invención optimice automáticamente los algoritmos de control basándose en la experiencia operativa, según sea aplicable para algunas realizaciones.
[0017] La salida del controlador también puede correlacionarse con la estabilidad del dispositivo de combustión y usarse como indicador de estabilidad. El indicador de estabilidad puede usarse para apagar el dispositivo de combustión antes de que ocurra una pérdida severa de estabilidad. Además, el indicador de estabilidad se puede utilizar como parte de o junto con otras características de un dispositivo de combustión, como para desarrollar un registro operativo que ayude a determinar la causa de los trastornos.
[0018] Como se muestra en la Figura 1, el controlador de la presente invención puede implementarse usando hardware, software o una combinación de los mismos y puede ser implementado en uno o más sistemas informáticos u otros sistemas de procesamiento. En una forma de realización, la invención está dirigida a uno o más sistemas informáticos capaces de llevar a cabo la funcionalidad descrita en el presente documento.
[0019] El sistema de ordenador 1 incluye uno o más procesadores, tales como el procesador 4. El procesador 4 está conectado a una infraestructura de comunicación 6 (por ejemplo, un bus de comunicaciones, barra cruzada, o red). Se describen varias formas de realización de software en términos de este sistema informático ejemplar. Después de leer esta descripción, resultará evidente para un experto en la técnica o técnicas relevantes cómo implementar la invención utilizando otros sistemas informáticos y/o arquitecturas.
[0020] El sistema de ordenador 1 puede incluir una pantalla de interfaz 2 que envía gráficos, texto y otros datos desde la infraestructura de comunicación 6 (o de una memoria intermedia de trama no mostrada) para su visualización en la unidad de visualización del sistema 30. El sistema de ordenador 1 también incluye una memoria intermedia principal 8, preferiblemente memoria de acceso aleatorio (RAM), y también puede incluir una memoria secundaria 10. La memoria secundaria 10 puede incluir, por ejemplo, una unidad de disco duro 12 y/o una unidad de almacenamiento extraíble 14, que representa una unidad de disquete, una unidad de cinta magnética, una unidad de disco óptico, etc. La unidad de almacenamiento extraíble 14 lee y/o escribe en una unidad de almacenamiento extraíble 18 de una manera bien conocida. La unidad de almacenamiento extraíble 18 representa un disquete, cinta magnética, disco óptico, etc., que se lee y se escribe en la unidad de almacenamiento extraíble 14. Como se apreciará, la unidad de almacenamiento extraíble 18 incluye un medio de almacenamiento utilizable por ordenador que tiene almacenado software y/o datos informáticos.
[0021] En formas de realización alternativas, la memoria secundaria 10 puede incluir otros dispositivos similares para permitir que los programas de ordenador u otras instrucciones sean cargados en el sistema informático 1. Tales dispositivos pueden incluir, por ejemplo, una unidad de almacenamiento extraíble 22 y una interfaz 20. Ejemplos de los mismos pueden incluir un cartucho de programa y una interfaz de cartucho (como el que se encuentra en los dispositivos de videojuegos), un chip de memoria extraíble (como una memoria de solo lectura programable y borrable (EPROM) o una memoria de solo lectura programable (PROM)) y un zócalo asociado, y otras unidades de almacenamiento extraíbles 22 y las interfaces 20, que permiten que el software y los datos sean transferidos desde la unidad de almacenamiento extraíble 22 al sistema informático 1.
[0022] El sistema de ordenador 1 puede incluir también una interfaz de comunicaciones 24. La interfaz de comunicaciones 24 permite que el software y los datos sean transferidos entre el sistema informático 1 y los dispositivos externos. Ejemplos de interfaz de comunicaciones 24 pueden incluir un módem, una interfaz de red (como una tarjeta Ethernet), un puerto de comunicaciones, una ranura y tarjeta de la Asociación Internacional de Tarjetas de Memoria para Computadoras Personales (PCMCIA), etc. El software y los datos transferidos a través de la interfaz de comunicaciones 24 son en forma de señales 28, que pueden ser señales electrónicas, electromagnéticas, ópticas u otras que pueden ser recibidas por la interfaz de comunicaciones 24. Estas señales 28 se proporcionan a la interfaz de comunicaciones 24 a través de una ruta de comunicaciones (por ejemplo, un canal) 26. Esta ruta 26 transporta señales 28 y puede implementarse usando alambre o cable, fibra óptica, una línea telefónica, un enlace celular, un enlace de radiofrecuencia (RF) y/u otros canales de comunicaciones. En este documento, los términos "medio de programa informático" y "medio utilizable por ordenador" se utilizan para referirse generalmente a medios como una unidad de almacenamiento extraíble 14, un disco duro instalado en la unidad de disco duro 12 y señales 28. Estos productos de programas informáticos proporcionan software al sistema informático 1. La invención está dirigida a tales productos de programas informáticos.
[0023] Los programas de ordenador (también denominados como la lógica de control de ordenador) se almacenan en la memoria principal 8 y/o la memoria secundaria 10. Los programas de ordenador también pueden ser recibidos a través de la interfaz de comunicaciones 24. Tales programas de ordenador, cuando se ejecutan, permiten que el sistema de ordenador 1 realice las características de la presente invención, como se describe en el presente documento. En particular, los programas de ordenador, cuando se ejecutan, permiten al procesador 4 realizar las características de la presente invención. En consecuencia, tales programas de ordenador representan controladores del sistema informático 1.
[0024] En una forma de realización en la que la invención se implementa usando software, el software puede ser almacenado en un producto de programa de ordenador y cargarse en el sistema informático 1 usando la unidad de almacenamiento extraíble 14, disco duro 12, o interfaz de comunicaciones 24. La lógica de control (software), cuando es ejecutada por el procesador 4, hace que el procesador 4 realice las funciones de la invención como se describe en este documento. En otra realización, la invención se implementa principalmente en hardware usando, por ejemplo, componentes, hardware, tales como circuitos integrados de aplicación específica (ASIC). La implementación de la máquina de estado de hardware para realizar las funciones descritas en este documento será evidente para los expertos en la técnica o las técnicas relevantes.
[0025] En otra forma de realización más, la invención se implementa usando una combinación de hardware y software.
[0026] Alimentación aditiva. La porción de alimentación de aditivos de la presente invención proporciona la capacidad de añadir los aditivos al combustible, según sea apropiado, según los cálculos del controlador u otra función del controlador. La porción de alimentación de aditivos de la presente invención puede incluir, pero no requiere, un depósito para contener aditivos. La porción de aditivo de la presente invención también puede agregar aditivos "sobre la marcha" usando material fácilmente disponible, tal como vapor, aire, gases de escape fácilmente disponibles u otro material generado o generable. Dichos aditivos se pueden generar, por ejemplo, tomando un componente (por ejemplo, aire o agua) y separándolo en uno o más componentes para usar con la presente invención, o generando una reacción a un componente particular.
[0027] Tales aditivos pueden derivarse, por ejemplo, de los gases de escape o mediante el uso de métodos de separación de aire, y también pueden incluir el uso de vapor o agua. Además, los aditivos en el sistema de aditivos pueden comprender especies químicas reactivas, que actúan, por ejemplo, como potenciadores de la combustión, que incluyen, pero no se limitan a: hidrógeno (H2); acetileno (C2H2); óxido nitroso (N2O); o cualquier combinación de los mismos. Para funcionar como retardadores de combustión, los aditivos pueden comprender diluyentes inertes, que incluyen, pero no se limitan a: nitrógeno (N2); aire; aire sin oxígeno; dióxido de carbono (CO2); gas de escape recirculado; agua; o vapor; o cualquier combinación de los mismos. Los aditivos retardadores de la combustión también pueden comprender de manera similar especies retardantes de la llama, que incluyen, pero no se limitan a especies que contienen halógeno.
[0028] La parte de alimentación de aditivo de la presente invención puede comprender válvulas de medición u otras válvulas o mecanismos de control para controlar la cantidad de aditivo se mezcla con el combustible, así como mecanismos de funcionamiento electrónicos, mecánicos, hidráulicos, o de otro tipo para la operación de control de los mecanismos de control. Las válvulas dosificadoras, ya sea directamente o mediante dicho mecanismo o mecanismos de control, se pueden controlar, por ejemplo, mediante acoplamiento al controlador.
Propiedades de los d ispositivos de combustión y combustible
[0029] La siguiente información y propiedades de dispositivos de combustión y combustible son generalmente aplicables a los sistemas y métodos para implementar realizaciones de la presente invención.
[0030] Características del combustible. Ciertas características del combustible ayudan a determinar si diferentes combustibles se comportarán de manera similar en el mismo dispositivo de combustión. Si un parámetro conocido como índice Wobbe es el mismo para ambos combustibles, a menudo se comportarán de manera similar en un sistema de combustión dado. Un índice de Wobbe (IW) se define como la relación entre el poder calorífico volumétrico del combustible y la raíz cuadrada de la densidad del combustible. Cuando el IW es el mismo para dos combustibles, la entrada de calor al dispositivo para los dos combustibles será aproximadamente igual, con la misma caída de presión en las boquillas de entrada de combustible. La penetración del chorro de combustible y, por lo tanto, la mezcla del aire y el combustible también será aproximadamente la misma. Por lo tanto, mantener un combustible IW constante es importante para mantener el rendimiento constante de un dispositivo de combustión.
[0031] El IW se desarrolló originalmente para determinar la intercambiabilidad de combustibles quemados en cámaras de combustión de llama de difusión y quemadores premezclados simples que operan en un régimen de combustión estable, para el que la tasa constante de calor es una restricción adecuada en la intercambiabilidad de gases. Sin embargo, las cámaras de combustión magras premezcladas de bajas emisiones secas (DLE) (como las que se utilizan en las turbinas de gas modernas utilizadas para la generación de energía) funcionan en un régimen de combustión menos estable, por lo que la tasa de calor por sí sola no suele ser una limitación suficiente para garantizar un funcionamiento constante. Por lo tanto, la aplicación del IW para calcular la intercambiabilidad en cámaras de combustión premezcladas y ajustadas puede no ser siempre suficiente, sin tener en cuenta otras limitaciones. Se han desarrollado otros índices que controlan la intercambiabilidad de otras propiedades de la llama. Por ejemplo, el índice Weaver compara la liberación de calor, la elevación de la llama, el retroceso y la inclinación amarilla de un gas sustituto propuesto, en relación con un gas de referencia, para una aplicación de combustión. Además, las propiedades fundamentales de la combustión, como la velocidad de la llama, también se pueden controlar para su uso como parte de un método para predecir la estabilidad de la combustión.
[0032] Por tanto, el control de la estabilidad de la combustión puede lograrse ajustando la composición química de la mezcla de combustible que entra en la cámara de combustión, de modo que se controlen las características del combustible, como las descritas anteriormente. Esto se puede lograr cambiando la composición de la corriente de combustible mediante la adición de aditivos a la mezcla de combustible. Los aditivos pueden aumentar o disminuir la velocidad de la llama, la temperatura de la llama o la tasa de liberación de calor volumétrica, por ejemplo. Los aditivos incluyen, pero no se limitan a: especies químicas reactivas (por ejemplo, hidrógeno, acetileno o N2O); diluyentes (por ejemplo, nitrógeno, CO2, vapor o gases de escape recirculados); o especies químicas captadoras de radicales de llama (por ejemplo, especies que contienen halógeno); o cualquier combinación de los mismos.
[0033] Quemadores y d ispositivos de combustión premezclados. Los dispositivos de combustión premezclados que se pueden utilizar con la presente invención pueden incluir, entre otros, los utilizados en turbinas de gas de bajas emisiones, cuya operación puede verse afectada por la presencia de gas natural variable u otra composición de gas de alimentación (como gas de proceso o gas de síntesis). Los sistemas de combustión premezclados que están ajustados para emisiones de contaminantes muy bajas operan en una región de estabilidad estrecha entre el retroceso y el escape. El retroceso ocurre cuando la velocidad de la llama es más rápida que la velocidad del flujo a través de la cámara de combustión, lo que permite la propagación de la llama corriente arriba. El soplado ocurre cuando la velocidad de la llama es más lenta que la velocidad del flujo a través de la cámara de combustión, lo que permite que la llama se sople corriente abajo y se extinga. La velocidad de la llama debe generalmente ser igual a la velocidad del flujo para combustión estable. Se utilizan numerosas técnicas para estabilizar la llama de modo que la velocidad de la llama no tenga que coincidir exactamente con la velocidad del flujo.
[0034] Estas restricciones dan como resultado una pequeña ventana de estabilidad; sin embargo, un desajuste demasiado grande entre la velocidad de la llama y la velocidad del flujo aún puede resultar en un retroceso o una descarga. Dado que la velocidad de la llama es una función de la composición del combustible, pueden surgir problemas de estabilidad debido a la composición variable del gas natural u otros gases de alimentación (ver, por ejemplo, "Influence of Variations in the Natural Gas Properties on the Combustion Process in Terms of Emissions and Pulsations for a Heavy Duty Gas Turbine" por L. Nord y H. Andersen, cuyo contenido se incorpora por la presente como referencia en su totalidad). Las cámaras de combustión premezcladas son particularmente sensibles a la variabilidad de las propiedades del combustible, ya que la premezcla depende fundamentalmente del control de la mecánica de los fluidos y la estabilidad de la llama depende de la mecánica de los fluidos y la cinética química. La pérdida de la estabilidad de la llama provoca fluctuaciones y pulsaciones de presión y una acústica resonante, que pueden dañar y degradar los componentes de la sección caliente. (Estas características, sin embargo, también pueden detectarse o utilizarse de otro modo para ayudar con el funcionamiento del dispositivo de combustión, de acuerdo con algunas realizaciones de la presente invención).
Formas de realización de ejemplo
[0035] El rendimiento del combustible puede medirse y/o detectarse de numerosas formas. Por ejemplo, el rendimiento de la cámara de combustión puede medirse y/o detectarse directamente determinando las características de rendimiento del dispositivo de combustión, o el rendimiento puede medirse y/o detectarse indirectamente determinando las características del combustible. En ambos de estos ejemplos, la adición de aditivos (por ejemplo, especies reactivas, especies inhibidoras de reacciones o diluyentes inertes) al combustible puede usarse para provocar un cambio en la composición del combustible. La medición directa puede usarse como entrada en un bucle de control de tipo retroalimentación, mientras que la medición indirecta puede usarse como entrada en un bucle de control de tipo alimentación prospectiva.
[0036] El rendimiento de la combustión puede ser determinado directamente por la determinación de características de rendimiento de un dispositivo de combustión. Por ejemplo, la estabilidad se puede determinar midiendo un indicador de la posición de la llama en la cámara de combustión, como la quimioluminiscencia de la llama, o detectando la intermitencia de la llama detectando, por ejemplo, las emisiones acústicas u ópticas (quimioluminiscencia) generadas por la llama. La FIGURA 2 ilustra un ejemplo de un sistema que determina directamente el rendimiento de la combustión, según una forma de realización de la invención. Como se ilustra en la FIGURA 2, el sistema comprende: una línea de combustible 105; un sistema de detección 110; un controlador 115 para acceder a la información del sistema de detección 110 (por ejemplo, para controlar la composición del combustible o proporcionar una evaluación del riesgo de estabilidad, registros de datos y predicciones de emisiones); un sistema de aditivos 120 para controlar el (los) aditivo(s) de combustible usando la información proporcionada por el controlador 115; y una cámara de combustión 125 para quemar el combustible.
[0037] La FIGURA 3 ilustra un ejemplo de un método que determina directamente el rendimiento de la combustión, según una forma de realización de la invención. En el paso 205, se determina al menos una característica de combustión usando el sistema de detección. Por ejemplo, se podría medir una característica de llama o combustor, como oscilaciones de presión dinámica. Estas oscilaciones de presión dinámica podrían medirse utilizando un transductor de presión que indica cambios en la presión de la cámara de combustión en función del tiempo. En el paso 210, el controlador analiza la(s) característica(s) de combustión. Así, por ejemplo, las oscilaciones de presión dinámica podrían analizarse para determinar un promedio móvil o compararse con valores límite prescritos. Si el análisis indica que el rendimiento de la cámara de combustión se está deteriorando, es posible que se necesite algún cambio en la composición del combustible. En el paso 215, la salida del controlador determina si la composición del combustible debe cambiarse para corregir un problema de dinámica de combustión. Si no se indica ningún problema (por ejemplo, la composición del combustible está dentro del rango aceptable predeterminado para el funcionamiento del dispositivo de combustión), en el paso 220, los datos pueden archivarse y el sistema puede continuar siendo monitoreado. Si hay un problema (por ejemplo, la composición del combustible está fuera del rango aceptable predeterminado para el funcionamiento del dispositivo de combustión), en el paso 225, se determina el cambio apropiado en la composición del combustible (por ejemplo, la adición de un aditivo apropiado a la alimentación de combustible). El cambio en la composición del combustible se puede determinar, por ejemplo, a partir de la experiencia previa con un sistema de combustión particular, a partir del cálculo de un índice de estabilidad o propiedad fundamental de la llama, o mediante otra información o método. En el paso 230, se envía una señal al sistema de aditivos que indica que se debe mezclar una cierta cantidad de aditivo en la corriente de combustible. En el paso 235, el combustible que entra en la cámara de combustión se modifica en consecuencia (por ejemplo, provocando la apertura o ajuste de una válvula). Así, en el ejemplo, el combustible que ingresa a la cámara de combustión se modifica mediante la adición del aditivo para que tenga características de combustión que produzcan una llama más estable. Estos pasos comprenden un circuito de control de retroalimentación que puede requerir iteración u otras técnicas para optimizar el proceso aditivo.
[0038] El rendimiento de la combustión también puede determinarse indirectamente mediante la medición de las características del combustible (por ejemplo, composición química, densidad y el calentamiento de valor) e inferir el comportamiento de combustión. La FIGURA 4 ilustra un ejemplo de un sistema que determina indirectamente el rendimiento de la combustión, según una forma de realización de la invención.
[0039] Como se ilustra en la Figura 4, el sistema comprende: una línea de combustible 305; una cámara de combustión 325 para quemar el combustible; un sistema de detección 310; un controlador 315 para acceder a la información del sistema de detección y determinar cuánto(s) aditivo(s) de combustible se agregan o seleccionan de otro modo para variar el (los) aditivo(s) entregado(s) al combustible; y un sistema de aditivos 320 para almacenar y controlar el flujo del (de los) aditivo(s) en la línea de combustible.
[0040] La Figura 5 ilustra un ejemplo de un método que determina el rendimiento de combustión indirectamente, de acuerdo con una forma de realización de la invención. En el paso 405, el sistema de detección determina las características del combustible. Así, por ejemplo, el sistema de detección puede utilizar un espectrómetro FTIR para medir las especies químicas individuales que componen el combustible. En el paso 410, el controlador analiza las características del combustible. Por tanto, el controlador utiliza la composición del combustible para calcular una cantidad de regulación, como la velocidad de la llama. En el paso 415, se analiza la salida del controlador para determinar si la composición del combustible debe cambiarse para cumplir este objetivo (por ejemplo, para que se encuentre dentro de un rango predeterminado). Así, por ejemplo, si la composición del combustible cambia, de manera que la cantidad reguladora indica un problema de estabilidad de la llama, la composición puede alterarse antes de que surjan problemas de combustión. Si no es necesario cambiar el valor de la cantidad de regulación, en el paso 420 se pueden archivar los datos y se puede seguir controlando la cantidad de regulación. Si es necesario cambiar el valor de la cantidad de regulación, en el paso 425, se determina que es necesario realizar cambios. Los cambios en la composición del combustible requeridos para alterar el valor de la cantidad reguladora pueden requerir la adición de un diluyente o una especie reactiva para obtener la alteración necesaria de las características de combustión. En el paso 430, se determina el cambio apropiado en la composición del combustible. Así, por ejemplo, se determina el ajuste requerido a la composición del combustible para mantener la estabilidad de la llama y/o las emisiones contaminantes. En el paso 435, se envía una señal al sistema de aditivos 320 que controla la cantidad de diluyente o especies reactivas que se van a mezclar en la corriente de combustible para obtener la composición requerida y por lo tanto el valor de la cantidad de regulación. En el paso 440, el combustible que entra en la cámara de combustión se modifica en consecuencia, mejorando así las características de estabilidad de la llama para minimizar las oscilaciones de presión en la cámara de combustión.
[0041] Aplicaciones de ejemplo y otros usos de la información generada. Como se explicó anteriormente, las formas de realización de la presente invención se pueden usar para estabilizar un sistema de combustión (tanto en combustores premezclados como no premezclados), para compensar de ese modo los efectos de la composición del combustible que varían con el tiempo y las propiedades de combustión. Además, la medición de la composición del combustible de entrada también puede ser útil. Por ejemplo, se pueden utilizar predicciones de emisiones (p. ej., predicción del nivel de emisiones basado en la composición química medida del combustible), evaluaciones de riesgo de estabilidad (p. ej., explosión o retroceso debido a una composición química medida) y registros de archivo, de los cuales puede determinarse la causa de las perturbaciones de la cámara de combustión. Otra aplicación es utilizar la información de composición y/o velocidad de la llama para realizar una evaluación continua del riesgo de pérdida de estabilidad del combustor. Además, la información de la composición del combustible se puede utilizar para aumentar el cálculo de las emisiones de NOx del dispositivo de combustión basándose en los parámetros de funcionamiento del dispositivo de combustión. También se podría usar una forma de realización con una cámara de combustión o quemador sustituto con el fin de ajustar la composición del suministro de combustible a varios dispositivos de combustión que obtienen combustible de la fuente sin la necesidad de controlar los otros dispositivos de combustión. Se podría usar otra forma de realización para controlar dispositivos de combustión individuales personalizando el combustible enviado a cada dispositivo de combustión. Los experimentados en la técnica se darán cuenta de que los usos anteriores son simplemente ejemplos y que son posibles otros múltiples usos.

Claims (18)

REIVINDICACIONES
1. Un sistema de ajuste de alimentación de combustible para usar con un dispositivo de combustión que tiene una alimentación de combustible, el sistema comprende:
un sensor para detectar una característica de combustible detectada del combustible que se alimenta al dispositivo de combustión, siendo la característica de combustible detectada indicativa de una propiedad de combustión de combustible;
un procesador para comparar la característica del combustible detectada con un rango aceptable para la característica del combustible, el rango aceptable corresponde a un rango predeterminado para la propiedad de combustión del combustible, dicha propiedad de combustión del combustible es la velocidad de la llama, y para generar una salida cuando la característica del combustible detectada es fuera del rango aceptable; y
una alimentación de aditivo para alimentar un aditivo a la alimentación de combustible, la alimentación de aditivo se activa por la salida, en la que el aditivo incluye un potenciador de la combustión que es una especie química reactiva o un retardante de combustión dependiendo de si la característica del combustible detectada está por encima o por debajo del intervalo aceptable, y en el que la cantidad de aditivo depende de un caudal de combustible detectado.
2. El sistema de la reivindicación 1, en el que el sensor detecta la característica de combustible detectada usando al menos uno de: espectroscopia de absorción infrarroja; espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR); Espectroscopía Raman; cromatografía de gases; resonancia magnética nuclear; resonancia de espín de electrones; espectrometría de masas; o espectroscopía de movilidad iónica; o cualquier combinación de los mismos.
3. El sistema de la reivindicación 1, en el que el sensor detecta la característica de combustible detectada usando al menos uno de: un detector de ionización de llama (FID); un dispositivo de medición de la conductividad térmica; un dispositivo de medición de la capacidad calorífica; un dispositivo de medición de sonido; o un dispositivo de medición de densidad; o cualquier combinación de los mismos.
4. El sistema de la reivindicación 1, en el que la característica de combustible detectada es indicativa de una composición de combustible.
5. El sistema de la reivindicación 1, en el que el dispositivo de combustión es una cámara de combustión seca, pobre, premezclada y de bajas emisiones.
6. El sistema de la reivindicación 1, en el que la especie química reactiva comprende al menos uno de: hidrógeno; acetileno; oxígeno; aire mejorado con oxígeno; u óxido nitroso; o cualquier combinación de los mismos.
7. El sistema de la reivindicación 1, en el que el retardante de combustión es una especie de eliminación de radicales de llama
8. El sistema de la reivindicación 1, en el que el sensor detecta índices de rendimiento del combustible.
9. El sistema de la reivindicación 8, en el que los índices de rendimiento del combustible comprenden un índice Weaver.
10. El sistema de la reivindicación 1, en el que el dispositivo de combustión es una turbina.
11. El sistema de la reivindicación 1, en el que el dispositivo de combustión es un motor alternativo.
12. El sistema de la reivindicación 1, en el que la alimentación de combustible es una alimentación de gas natural.
13. El sistema de la reivindicación 1, en el que la alimentación de aditivos se controla mediante un mecanismo de control de la alimentación.
14. El sistema de la reivindicación 13, en el que el mecanismo de control de la alimentación comprende una válvula dosificadora.
15. El sistema de la reivindicación 1, en el que el procesador comprende un controlador analógico o una computadora digital o ambos.
16. El sistema de la reivindicación 1, en el que la característica de combustible detectada se usa para controlar la alimentación de una segunda alimentación de aditivo a la alimentación de combustible para un segundo dispositivo de combustión.
17. El sistema de la reivindicación 1, en el que la alimentación de combustible con el aditivo está conectada a un segundo dispositivo de combustión.
18. Un método para ajustar una alimentación de combustible para un dispositivo de combustión, comprendiendo el método:
detectar una característica de combustible detectada del combustible que se alimenta al dispositivo de combustión, siendo la característica de combustible detectada indicativa de una propiedad de combustión del combustible;
comparando la característica del combustible detectada con un rango aceptable para la característica del combustible, el rango aceptable correspondiente a un rango predeterminado para la propiedad de combustión del combustible dicha propiedad de combustión del combustible es la velocidad de la llama, y para generar una salida cuando la característica del combustible detectada está fuera del rango aceptable; y
alimentar un aditivo a la alimentación de combustible en respuesta a la salida, donde el aditivo incluye un potenciador de la combustión que es una especie química reactiva o un retardante de la combustión dependiendo de si la característica del combustible detectada está por encima o por debajo del rango aceptable, y donde una cantidad de aditivo depende de un caudal de combustible detectado.
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