TW487795B - Combustion dynamics control for variable fuel gas composition and temperature based on gas control valve feedback - Google Patents

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487795 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（1 ) 發明領域 本發明相關於用來控制燃氣渦輪機的燃燒器中的燃燒 動力的方法，尤其相關於用來根據流至燃燒器的實際計算 的燃料流及對燃氣渦輪機的熱輸入來對可變的燃料氣體成 分及溫度控制燃燒動力的方法。 發明背景 工業渦輪機通常爲氣體點火，並且典型上用於電廠來 驅動發電機及產生電能。此種渦輪機的燃燒器中的燃燒動 力被定義成爲由非穩定熱釋放與燃燒系統特性之間的反饋 所造成的燃燒系統內的壓力脈動。上述特性中的兩個特性 爲容室聲學及燃料輸送系統。例如，在某些燃燒系統中， 燃燒器罐爲圓柱形或圓形，並且爲複雜的結構。有可能在 燃燒器結構的不同元件中於一或多個共振頻率激發聲振 動。亦即，燃燒器的幾何形狀在被激發時可能支持多個有 差別的聲共振。於非常高位準的燃燒動力可能非常具有破 壞性，並且可能導致電廠被迫停用。 燃燒動力的問題爲已知，並且典型上經由若干技術來 加以控制於可接受的位準，包括幾何形狀的最佳化，燃料 引入位置及引入量的改變，以及燃燒器燃料噴嘴壓力比。 例如，藉著改變燃燒器罐或支座的不同組件部份的方向或 尺寸，可將燃燒器系統相對於其構成部份的共振頻率調諧 或解調。另外，藉著在將燃料引入燃燒器的不同燃料閥之 間分割燃料輸送百分比，可減少燃燒動力的問題。但是’ -----------·裝·*ΙΊ*----訂---I*-----^9. (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -4- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製

487795 A7 --- B7 五、發明說明（2 ) 這些解決方案必須對燃料氣體成分及溫度設定嚴格的標 準。 可瞭解有若干不同型式的燃料氣體可用於渦輪機的燃 燒器，包括天然氣，例如丙烷及丁烷的LpG ，精煉氣體， 及煤衍生的氣體。各燃料的能量含量隨其來源變化，並且 不同型式的燃料之間有能量含量的變化。供應至燃燒器的 燃料氣體的溫度也可能隨系統的不同而相當不同。例如， 從燃氣渦輪機的輸出產生電力的許多電廠設置有燃料氣體 加熱器來對燃燒器提供固定的燃料氣體溫度。其他位置可 能具有若干增壓壓縮機來升高溫度。如此，不同位置提供 於不同溫度及壓力的燃料氣體。另外，數個位置供應來自 數個不同賣主的燃料氣體，此暗示燃料氣體的溫度及成分 可能不同。 用來設定燃料氣體成分及溫度的標準是由稱爲Wobbe 指數的參數來定義.。Wobbe指數容許不同燃料氣體於不同 溫度的體積能量含量的比較。因爲燃氣渦輪機只對燃燒器 中釋放的能量反應，並且燃料流動控制程序實際上爲體積 流動控制程序，所以具有相當接近的Wobbe指數的不同成 分的燃料一般而言可被提供在相同的燃料控制系統中。 Wobbe指數一般最常被定義成爲相對燃料熱値除以相對密 度。更明確地說，Wobbe指數爲·· W1

本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） _ 5 - —.—.—^--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 487795 A7 B7__ 五、發明說明（3 ) 其中W I = Wobbe指數； LHV=低熱値（BTU/scf) T g =絕對溫度； S G =於S T P (標準溫度及壓力）相對於空氣的比重。

Wobbe指數的可容許變化通常規定成爲小於土 5 %。 但是’ Wobbe指數從規定値的變化可能導致燃燒動力成爲 不可接受的位準。亦即，燃燒動力已經斷定是Wobbe指數 的函數。因此，於Wobbe指數從規定値的高位準變化的操 作可能導致硬體的損壞，燃燒系統組件壽命的縮短，以及 電力產生停止的潛在可能性。 發明揭示 根據本發明，使用氣體燃料控制閥位置反饋及機器性 能參數來計算實際氣體燃料Wobbe指數。計算所得的實際 値與根據燃料溫度及成分的預期或預測參考値比較。可獲 得根據計算的實際參數與預期參數的比較的燃燒動力的不 可接受的位準的識別，並且以訊號報知操作者。或者，可 設置主動控制電路來響應不可接受的燃燒動力的識別，且 此控制電路可自動改變燃料氣體溫度以維持想要的Wobbe 指數。 更具體地說，爲對操作的渦輪機決定實際的Wobbe指 數’獲得燃料的密度及輸入渦輪機的熱或能量。可藉著駐 留在渦輪機控制系統中的現存演算法來計算輸入至燃氣渦 輪機的能量。演算法將排氣溫度，入口引導輪葉角度，周 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）-6 - -----------·裝··—·----訂---------AW. (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 487795 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（4 ) 圍壓力及溫度，以及排放壓力列入考慮來計算被用來產生 能量輸入的每單位時間及燃料流的熱消耗。爲計算密度， 從計算所得的輸入至燃氣渦輪機的熱能得知燃料的質量 流。燃料流動閥被設計成於臨界壓力落差操作，此確保燃 料流與上游壓力及閥位置或行程成比例。上游壓力及閥位 置均爲渦輪機控制系統中可得的參數。使用這些値成爲輸 入，可決定通過每一閥的體積燃料流，並且藉著求得體積 燃料流的總和，可求得流至渦輪機的總燃料流。一旦決定 總體積燃料流，並且從熱輸入演算法認知質量流，即可計 算第一參數，亦即W 〇 b b e指數値。如此，可根據上述的燃 燒器的操作參數來決定實際Wobbe指數値。 根據從預期燃料條件導出的預定或參考Wobbe指數 値，可實施實際與預期Wobbe指數之間的比較。如果實際 Wobbe指數在對於燃燒動力的控制被視爲可接受的預定範 圍之外，則可採取控制行動。此種行動的例子可包括對燃 氣渦輪機的操作者發出警報，或是啓動可自動改變氣體燃 料溫度來將實際Wobbe指數朝向想要的Wobbe指數調整的 控制電路。亦即，根據先前的試驗，可識別提供低燃燒動 力的Wobbe指數，並且採用其成爲參考値。如果計算所得 的實際Wobbe指數在相對於此參考値（亦即預期或想要的 Wobbe指數）的預定範圍之外，則可藉著向前送至燃料氣 體熱交換器或增壓壓縮機以改變燃料氣體溫度的反饋訊號 來改變燃料的溫度。於或較高或較低的指示方向改變燃料 氣體溫度可改變燃燒系統的實際Wobbe指數。藉著將實際 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ------------·裝：--------訂---- (請先閱讀背®'之注意事項再填寫本頁) 487795 A7 B7 五、發明說明（5 )

Wobbe指數朝向相應於參考W〇bbe指數的値或是在相對於 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 參考Wobbe指數的預定範圍內的値改變，並且對於此參考 Wobbe指數，燃燒動力或者不是問題或者爲可容忍的問 題，可控制燃燒器的燃燒動力。 在根據本發明的較佳實施例中，提供一種用來控制用 於渦輪機的燃燒器中的燃燒動力的方法，包含之步驟爲決 定輸入至燃燒器的燃料體積流；決定輸入至渦輪機的熱； 根據至渦輪機的燃料體積流及輸入至渦輪機的熱產生第一 參數，其代表包括供應至燃燒器的燃料的成分及溫度的實 際燃料條件；將第一參數與根據預期燃料條件的第二參數 比較；及根據第一與第二參數的比較來控制輸入至燃燒器 的燃料的溫度，以控制燃燒器的燃燒動力。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 在根據本發明的另一較佳實施例中，提供一種用來控 制用於渦輪機的燃燒器中的燃燒動力的方法，包含之步驟 爲決定至燃燒器的燃料體積流；決定輸入至渦輪機的熱； 根據至渦輪機的燃料體積流及輸入至渦輪機的熱產生第一 參數，其代表包括供應至燃燒器的燃料的成分及溫度的實 際燃料條件；將第一參數與根據預期燃料條件的第二參數 比較；根據第一與第二參數的比較來識別燃燒器中燃燒動 力的不可接受的位準；及在燃燒器中發生燃燒動力的不可 接受的位準時發出訊號。 在根據本發明的另一 $父佳實施例中，提供一*種用來控 制用於渦輪機的燃燒器中的燃燒動力的方法，包含之步驟 爲決定操作的渦輪機的Wobbe指數，其中Wobbe指數是根 -8- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 487795 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（6 ) 據下式：

ϋ 其中 W I = Wobbe 指數，LHV =低熱値（BTU/scf ) ，T g 二絕對溫度，S G =於S T P (標準溫度及壓力）條件的 相對於空氣的比重；將實際Wobbe指數與參考Wobbe指數 比較；根據實際與參考Wobbe指數的比較來識別燃燒器中 燃燒動力的不可接受的位準；及在燃燒器中發生燃燒動力 的不可接受的位準時發出訊號。 因此，本發明的主要目的爲提供用來根據至燃燒器的 計算所得的燃料流來控制燃氣渦輪機的燃燒器中的燃燒動 力的新穎方法。 圖式簡要敘述 圖1爲結合本發明的燃氣渦輪機的示意圖。 圖2顯示成爲燃料氣體溫度的函數的Wobbe指數。 圖3爲顯示根據本發明的控制燃燒動力的方法的示意 圖。 元件對照表 1 0燃氣渦輪機 1 2軸向流動壓縮機 -----------裝··---.----訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐） -9 - 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 487795 A7 -------B7 五、發明說明（7 ) 1 4轉子軸 1 6入口 1 8燃燒器 2 0渦輪機 2 2發電機 2 4轉子軸 2 6熱的排出 2 8熱交換器 3 0熱消耗 3 2預期的燃料流 3 4理論W 〇 b b e指數 3 6實際W o b b e指數 3 8實際與參考Wobbe指數的比較 4 0誤差訊號 4 2比較器 4 4誤差訊號 4 6燃料溫度 執行本發明的最佳模式 參考圖1 ，圖中顯示以1 0表示的簡單循環單軸強力

燃氣渦輪機。此燃氣渦輪機包含具有轉子軸1 4的軸向流 動壓縮機1 2。空氣進入壓縮機於1 6處的入口，被軸向 流動壓縮機1 2壓縮，然後被排放至燃燒器1 8 ，於此處 例如爲天然氣的燃料燃燒，以提供驅動渦輪機2 0的局會S 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐） -1〇 - -----------裝！-------訂·-------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 487795 A7 B7 五、發明說明（8 ) 燃燒氣體。在渦輪機2〇

嚴的能量被轉換成功 12^ 某些功被用來經由軸1 4驅_

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 :，而其餘的功可被用 爲有用的功來藉著轉子軸2 4 例如爲發電機2 2的負 荷以產生電力。從渦輪機排出的熱顯示於2 6處，並且可 被用於其他目的，例如用在組合循環系統中。另外，圖中 顯示用來根據本發明加熱進入燃燒器1 8的燃料的熱交換 器2 8。 如上所述，燃燒器中的燃燒動力是從由非穩定熱釋放 與燃燒系統特性之間的反饋所造成的壓力脈動所導致。燃 燒動力則爲Wobbe指數的函數。如圖2所示，此代表性的 圖式中顯示成爲Wobbe指數的函數的例如N G # 1 ， N G # 2，N G # 3等的燃料氣體成分及燃料溫度的典型 變化。因此，如果可計算渦輪機2 0的Wobbe指數的實際 計算値，則可將此實際操作的Wobbe指數與具有已知的燃 燒動力特性的參考Wobbe指數比較。如此，藉著計算操作 的渦輪機的實際Wobbe指數以及將其與參考値比較，亦即 與已知低燃燒動力特性的Wobbe指數比較，可求得實際操 作的渦輪機2 0的燃燒動力的測量，並且視需要採取矯正 行動。 參考圖3 ，圖中顯示根據渦輪機的排氣溫度T X，壓 縮機排放壓力C P D，以及周圍壓力及溫度的電腦模擬， 可分別依由3 0及3 2處所指示的理論或參考基礎來求得 渦輪機的熱消耗及預期的燃料流。因此，可於3 4處求得 理論Wobbe指數。爲計算實際燃料流以及因而獲得此燃料 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -11 - 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 487795 A7 B7 五、發明說明（9 ) 成分的Wobbe指數，經由至燃燒器的每一閥求得至渦輪機 的燃料流的總和。將排氣溫度T g a s，燃料控制閥內的壓 力亦即P 2 g a s，以及燃料閥位置列入考慮，可計算通過 渦輪機的質量流。對於固定的周圍條件，計算簡化成閥位 置對負荷，其中閥位置由燃料行程參考F S R指示。在有 由閥位置所決定的質量流及體積流之下，可決定密度。在 決定密度及計算所得的輸入至渦輪機的熱之下，可提供實 際Wobbe指數3 6。 如圖3所示，於3 8處比較實際與參考Wobbe指數以 提供誤差訊號。所產生的誤差訊號4 0表示實際Wobbe指 數從參考Wobbe指數的偏差。於在比較器4 2中所決定的 誤差訊號的某一大小，可以用訊號或警告通知電廠的操作 者已經發生潛在的燃燒動力問題。例如，由比較器4 2所 產生的訊號4 4可對操作者提供聲音或視覺的指示。或 者，可根據誤差訊號4 4設置自動反饋控制電路。一旦實 際Wobbe指數超過相對於參考Wobbe指數的可容許變化， 即可藉著改變輸入至燃燒器的燃料的溫度來採取矯正的行 動。如圖2所示，Wobbe指數爲溫度的函數，因此藉著如 於4 6處所指示的改變燃料的溫度，可將實際Wobbe指數 改變成可給予比由實際Wobbe指數所提供的燃燒動力低的 燃燒動力的Wobbe指數。 雖然已經與目前被認爲是最實用及最佳的實施例相關 聯地敘述本發明，但是必須瞭解本發明不受限於所揭示的 實施例，相反的，本發明應涵蓋包含在附隨的申請專利範 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -12 - I----------裝--------訂--------- i 4 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 487795 A7 _B7_ 五、發明說明（1Q) 圍的精神及範圍內的各種不同的修正及等效配置。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -------------------訂--------- ί ·' (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -13- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

Claims (1)

1. 487795 A8 B8 C8 D8 夂、申請專利範圍 1 · 一種用來控制用於渦輪機的燃燒器中的燃燒動力 的方法，包含以下步驟： (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 決定輸入至燃燒器的燃料體積流； 決定輸入至渦輪機的熱； 根據至渦輪機的燃料體積流及輸入至渦輪機的熱產生 第一參數，其代表包括供應至燃燒器的燃料的成分及溫度 的實際燃料條件； 將第一參數與根據預期燃料條件的第二參數比較；及 根據第一與第二參數的比較來控制輸入至燃燒器的燃 料的溫度，以控制燃燒器的燃燒動力。 2 ·如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該渦輪 機包含壓縮機，並且該方法包含至少部份根據渦輪機的排 氣溫度及壓縮機的排放壓力來產生第二參數的步驟。 3 · —種用來控制用於渦輪機的燃燒器中的燃燒動力 的方法，包含以下步驟： 決定至燃燒器的燃料體積流； 決定輸入至渦輪機的熱； 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 根據至渦輪機的燃料體積流及輸入至渦輪機的熱產生 第一參數，其代表包括供應至燃燒器的燃料的成分及溫度 的實際燃料條件； 將第一參數與根據預期燃料條件的第二參數比較； 根據第一與第二參數的比較來識別燃燒器中燃燒動力 的不可接受的位準；及 在燃燒器中發生燃燒動力的不可接受的位準時發出訊 -14- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 487795 A8 B8 C8 D8 穴、申請專利範圍 號。 4 . 一種用來控制用於渦輪機的燃燒器中的燃燒動力 的方法，包含以下步驟： 決定操作的渦輪機的Wobbe指數，其中Wobbe指數是 根據下式： WI (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) LHV 题 其中W I = Wobbe指數， LHV=低熱値（BTU c f )， T g =絕對溫度， S G =於S T P (標準溫度及壓力）條件的相對於空氣的 比重； 將貫際W 〇 b b e指數與參考W 〇 b b e指數比較； 根據實際與參考W〇bbe指數的比較來識別燃燒器中燃 燒動力的不可接受的位準；及 在燃燒器中發生燃燒動力的不可接受的位準時發出訊 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 號。 5 ·如申請專利範圍第4項所述的方法，包含根據實 際Wobbe指數與參考Wobbe指數的比較來控制輸入至渦輪 機的燃料的溫度，以控制燃燒器的燃燒動力。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -15-