专利名称：用于燃气涡轮的自动化燃料混合和控制的系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种针对干式低NOJDLN)燃气涡轮的运行而将低廉的辅助气体与主要气体燃料相混合的灵活且自动的系统和方法。根据第一方面，提供了一种DLN燃气涡轮，其容许使用主要气体燃料和辅助气体的燃料混合物的运行。燃气涡轮包括主要气体燃料供应系统和辅助气体供应系统。多个燃烧器各包括单个下游燃烧区域，该单个下游燃烧区域由居中位于燃烧器的轴线上的中心燃料喷嘴和多个围绕中心喷嘴而同心地布置的主要喷嘴供应。主要喷嘴和中心燃料喷嘴将燃料混合物与用于燃烧器的空气预混合。燃料混合物包括来自主要气体燃料供应系统的主要气体燃料和来自辅助气体供应系统的辅助气体。
DLN燃气涡轮还提供了一种燃气涡轮控制系统、排放控制监测系统以及混合燃料控制功能。混合燃料控制功能包括燃料品质监测系统和燃烧动力监测系统，适合于根据燃料混合物的品质的预定范围和燃烧动力的避免而控制来自主要气体燃料供应的主要气体燃料和来自辅助气体供应系统的辅助气体的燃料混合物。 根据本发明的第二方面，针对燃烧器提供了一种使用主要气体燃料和辅助气体的燃料混合物来操作DLN燃气涡轮的方法，这种燃烧器具备单个下游燃烧区域，该单个下游燃烧区域由居中位于燃烧器的轴线上的中心燃料喷嘴和多个围绕中心喷嘴而同心地布置的主要喷嘴供应。主要喷嘴和中心燃料喷嘴将燃料混合物与用于燃烧器的空气预混合。
该方法包括供应来自主要气体燃料供应的主要气体燃料和供应来自辅助气体供应的辅助气体，并使用主要气体燃料和辅助气体的预定范围内的燃料混合物来操作燃气涡轮的至少一个燃烧器。该方法还包括在使用燃料混合物的运行期间监测燃料混合物的品质和监测燃烧噪声。该方法根据燃料混合物的品质的可允许的范围和燃烧动力的避免而控制来自主要气体燃料供应的主要气体燃料和来自辅助气体供应系统的辅助气体的燃料混合 物。
当参照附图并阅读以下详细描述时，将更好地理解本发明的这些以及其它的特 征、方面和优势，其中，在所有附图中，相似的标号表示相似的部件，其中 图1提供了显示替代燃料(例如氢气、丙烷、丁烷等)的注入对天然气燃料的丽I 的影响的图； 图2显示了涡轮排放和燃料控制的示意图； 图3显示了用于本发明的燃料混合和控制系统的实施例的示意图；以及 图4显示了将辅助气体与主要气体燃料混合的方法的流程。 潘歹ll表 105+5 %沃泊边界 110+5%沃泊边界 120 丁烷气体混合物 130丙烷气体混合物 140氢气燃料混合物 200燃料控制系统 205入口导管 210入口导向叶片 215压縮机 220驱动轴 230涡轮 235发电机 240燃料 245燃料输送系统 246链路 250压縮空气 255燃烧器 256热气体 260排气导管 285燃烧声音监测器 286控制信号 305主要气体燃料供应 290控制器 295排放监测 296对控制器的排气排放反馈 305主要气体燃料供应 310主要气体燃料加热器
315主要燃料流控制 320辅助气体供应 325辅助气体加热器 330辅助气体流控制 335气体燃料传感器 336/341主要温度/辅助温度 337/342主要压力/辅助压力 338/343主要流速/辅助流速 339/344主要燃料成分/辅助燃料成分 355所计算的混合流的丽I 360传感器 365所测量的混合燃料的丽I 375燃烧动力监测仪器 380控制器
具体实施例方式
本发明的以下实施例具有许多优势，包括提供了一种将所需数量的替代气体混合到用于DLN燃气涡轮的主要天然气燃料中的方法和系统。替代气体可以是替代气体燃料(例如氢气、乙烷、丁烷、丙烷、LNG等)或惰性气体，例如氮气和二氧化碳。实施例提供了一种灵活且自动的控制方法论，由此可补充相对廉价的替代气体作为燃气涡轮的天然气消耗部分。本发明的关键要素包括将现有燃气涡轮控制器与用于引入所需数量的替代气体的替代气体注入模块、用于测量混合后的燃料混合物的属性的燃料品质传感器(例如气体色谱仪系统)以及用于监测燃烧过程的传感器一体地结合。根据现场配置和现有的燃料输送系统硬件，替代燃料注入模块可与气体燃料加热器、燃料管路(管道) 一体地结合，或者作为分开/独立的用于调制混合后的燃料气体属性的台架。燃气涡轮中的替代气体燃料的消耗可导致为发电厂的物主节省相当多的天然气燃料，减少温室气体的排放并节省了运行成本。此外，可消除与工艺气体的设置(例如储存、净化、燃烧等)相关联的另外成本。
该系统通过使发电厂混合一定数量的替代气体而增加了装配有干式低N0X排放燃烧系统的燃气涡轮的燃料灵活性。这种燃料灵活性可导致相当可观的天然气燃料节省，并为发电厂的物主降低了燃气涡轮的运行成本。容许5%的氢气混合的方案可导致估计为每个涡轮每年节省几百万美元的燃料。用户燃料的节省可随着天然气价格的提高而提高，或者随着增加氢气混合的量而提高。 以下呈现的方法论将控制主要气体燃料和辅助气体的比率，使得混合燃料的燃料属性(例如丽I、温度、压力)的变化处于典型的低NOx排放燃烧系统的可接受的范围内。燃气涡轮的燃料灵活性增强并允许替代燃料的消耗，且无需对燃烧系统进行昂贵的硬件改进。另外，这里公开的自动且灵活的控制方法论可用于混合若干辅助气体燃料，例如氢气、乙烷、丁烷、丙烷、LNG等以及其它稀释气体。 图1显示了辅助气体燃料(例如氢气、丙烷、丁烷等)的注入对具备主要天然气燃料的燃料混合物的丽I的影响。天然气成分与北美 的某些部分中的发电厂基于条例所消耗的典型的管路品质天然气燃料相对应。在燃气涡轮工业中，对于燃料喷嘴而言，通常接受土5%的丽I允许变化。图1显示了燃料混合物(气体在华氏300度)的丽I的百分比变化对具备天然气的燃料混合物中的特定辅助气体燃料的百分比。对于大约5%的丁烷气体下的丁烷气体燃料混合物120而言，越过了 +5%的沃泊边界105。对于大约8%的丙烷气体燃料混合物下的丙烷气体燃料混合物130而言，越过了 +5%的沃泊边界105。对于大约18%的氢气下的氢气燃料混合物140而言，越过了 _5%的沃泊边界110。虽然附图显示了某些辅助燃料的相对较大的百分比的混合将丽I改变小于5%，但是存在着防止混合大量辅助燃料的其它实际的运行约束。 本发明的燃料供应系统将包括燃料品质监测传感器(例如气体色谱仪系统或其它用于测量气体种类浓度的装置)，从而确定燃料气体成分，因而容许计算进入的气体燃料的LHV。所确定的进入气体燃料的LHV继而用于确定瞬时的丽I，并自动地调制主要气体燃料和辅助气体燃料的混合比。还通过将增加或降低气体预热温度的需求反馈至燃料加热器控制系统，从而可采用宽得多的燃料成分范围和由此引起的丽I水平，而不发生燃烧动力水平的显著变化和N0X排放的最小变化。 辅助气体供应系统用于将受控数量的辅助气体混合到主要气体燃料供应系统中。辅助气体供应系统可包括气体控制阀、停止阀、互连管道、压力计、质量流量计、温度计等，并可类似于主要天然气燃料供应系统的现有布置。辅助气体供应系统可为模块化的形式。
可对燃气涡轮控制器软件进行改进，使得辅助气体供应可根据需求信号而注入所需量的辅助气体，需求信号可建立在控制器中或可由操作员设定。 图2显示了根据本发明一个实施例的DLN燃气涡轮排放的基本示意图和燃料控制系统200的示意图。入口导管205接收外部空气206，并将空气供应至入口导向叶片210。入口导向叶片210控制流向压縮机215的空气。压縮机215可由燃气涡轮230的驱动轴220驱动。运行涡轮230的驱动轴220驱动用于发电的发电机235。来自燃料输送系统245的燃料240和来自压縮机215的压縮空气250被供应至多个燃烧器255，在燃烧器中，燃料和空气混合并燃烧，以产生热的气体。输送热气体256以驱动涡轮230，并通过排气导管260排出。燃气涡轮控制器290(例如，通用电气公司的SpeedtronicTM商标的控制器)提供了对燃气涡轮的全部控制。 控制器290可接收来自燃料输送系统245的混合燃料的测量值和计算值。这种计算值可包括燃料混合物的丽I。控制器290可要求燃料混合物的各种计算值保持在允许的限制内，尤其是混合燃料的丽I保持在允许的限制内。如果混合燃料的测量丽I值或计算丽I值落在允许的范围外，则控制器290可通过使用与燃料输送系统245的链路246来响应调整燃料240的温度和混合。 排放监测系统295对来自排气导管260的排气261进行取样，并向控制器290提供指示和控制信号296。如果排放在使用混合燃料混合物的运行下保持在规格内，则控制器290可通过发信号246通知调整燃料输送系统245的燃料240的温度和混合而起响应。控制系统还可包括位于燃烧器255上的燃烧声音监测器285，向控制器290提供指示和控制信号286，这可说明燃烧器255是否安全地运行。如果燃烧器255未安全地运行在混合的燃料混合物下，则控制器290可通过调整246燃料输送系统245的燃料240的温度和混合而起响应。
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图3显示了本发明的燃料混合和控制系统的实施例的示意图。通过主要燃料加热器310和主要燃料流控制315而提供了主要气体燃料供应305。通过辅助气体加热器325和辅助气体流控制330而提供了辅助气体供应320。 用于主要气体燃料和辅助气体的气体供应硬件可包括停止阀、控制阀、限位开关、压力计和温度计、连接法兰、连接管道等。通过燃气涡轮控制器可电动或气动地激活这些阀。 提供主要气体燃料传感器335以测量主要燃料参数，提供辅助气体传感器以测量辅助气体参数。用于主要气体燃料和用于辅助气体的测量参数可包括温度336、341，压力337、342，流速338、343以及气体成分339、344。 燃料品质监测可能需要提供气体色谱仪或其它用于气体成分的测量的相似仪器。备选地，具备现有气体色谱仪的发电厂可将这些仪器集成到系统的实施例中。燃料品质监测传感器可安装在主要气体燃料和辅助气体的单独的流路径或混合燃料的流路径中。气体色谱仪提供了单独的气体成分(例如甲烷、乙烷、丁烷、丙烷、氢气)的相对浓度，从而可在系统内执行加权计算，以确定所测量的气体流的LHV和丽I。 针对主要燃料流和辅助气体流而提供的传感器分别产生这两个流的测量，这可用于计算混合流355的丽I。备选地，传感器360可测量或直接监测混合燃料，用于确定混合燃料的丽I 365。 构件可完全封闭在紧凑的台架中，或者可根据典型的发电厂中的可用空间作为单独的工件而安装。根据典型的发电厂的配置，可为辅助气体供应管路添加其它所需的硬件，例如燃料加热器、过滤器、气体压縮机等。 可对现有的燃气涡轮控制器软件进行改进，以允许辅助气体注入并允许混合燃料运行。可向控制软件添加操作员接口模块，以提供使涡轮操作员传送所需燃料混合需求信号的能力。备选地，操作员接口可与发电厂控制器一体地结合，从而可将自动的辅助气体混合需求信号发送至燃气涡轮控制器。 提供燃烧动力监测仪器375以感测用于燃气涡轮的多个燃烧器255内的性能。燃烧动力监测仪器将向控制器380提供燃烧噪声输入，该控制器将用于对于给定的混合燃料混合物评估低N0X燃烧系统中的可接受的动力水平。如果使用混合燃料的运行产生了不可接受的燃烧动力水平，那么，控制器可改进用于主要气体燃料和/或辅助气体的燃料混合或温度。 燃料混合需求信号将容许辅助气体燃料供应以预定的斜率注入所需的量的辅助燃料，使得丽I保持在燃料喷嘴的规定限制内。 操作员通知警报器也将警告控制室操作员引入燃气涡轮中的辅助燃料的量。如果混合燃料超出允许的范围外，则控制器软件将启动燃气涡轮返回至100%的主要气体燃料。
控制系统380还可与排放监测系统370 —体地结合，以调整燃料混合物和温度，从而可减小对排放的影响。 图4显示了将辅助气体与主要气体燃料混合的方法的流程。在第一步骤410中，对于将与主要气体燃料相混合的辅助气体，规定了混合百分比。在步骤420中，由系统控制器命令辅助气体供应系统在规定的温度下提供指定百分比的辅助气体，从而供应与燃气涡轮的运行条件所需要的燃料温度相一致的混合燃料。在步骤430中，规定的辅助气体的添加
9可斜线上升到所需的混合度。在步骤440中，仪器和燃料品质传感器监测燃料混合物。燃料品质传感器可以是色谱仪或其它确定燃料混合物的分子成分的仪器。在步骤445中，可从测量参数中计算出混合燃料的丽I 。在步骤450中，可将混合燃料的丽I与所需的丽I相比，该丽I由系统控制器针对燃料而提供。如果混合燃料的丽I在预先设计的公差内不符合燃料的所需丽I，那么，在步骤455中，可调整辅助气体温度，并可减少辅助气体流。如果混合燃料的丽I在预先设计的公差内，那么，在步骤440中，继续监测混合燃料。
此外，在步骤460中，当使用主要气体燃料和辅助气体的混合物来进行运行时，排放控制传感器监测燃气涡轮的排气排放。在步骤465中，将排放与规定的排放限制相比。如果排放在限制内，那么在每个步骤460中继续排放的监测。如果在步骤465中，排放落在规定的排放范围外，那么控制器可在步骤455中调整主要气体燃料和辅助气体的温度以及主要气体燃料流和辅助气体流，以使排放恢复到步骤465中的区间内。 此外，在步骤470中，燃烧声学传感器可监测燃烧器内的噪声水平，并向控制器提供以用于分析。在步骤475中，控制器分析燃烧过程，并且，在步骤480中，确定燃烧过程是否使用混合燃料来安全地进行运行。如果燃烧过程不在可接受的限制内，那么，在步骤455中，可调整用于主要气体燃料和辅助气体的温度和流速，以恢复令人满意的燃烧动力。如果燃烧运行另人满意，那么在每个步骤470中继续监测燃烧。 在对不令人满意的丽I、燃烧动力或排放的任何以上响应中，响应可包括返回至使用100%的主要气体燃料的运行。 混合燃料系统和方法将容许发电厂客户降低运行成本，并在对公用电网系统的电力销售的日常投标中更好地竞争。此外，这种混合燃料系统和方法是环保的。这种混合燃料系统可在现有的燃气涡轮系统上进行改装，或者应用于新的提案。 在本发明的一个这种实施例中，可将作为辅助气体燃料的氢气与天然气燃料混合。在这种混合物中，所需的天然气燃料和辅助氢气的混合可包括大约5%的氢气的优选混合。另一实施例可包括作为辅助气体燃料的大约10%的氢气与作为主要气体燃料的天然气的组合。 此外，混合系统硬件和控制方法论可按比例地适应各种燃气涡轮框架的尺寸。
虽然本文中描述了各种实施例，但从说明书中应该领会，可进行其要素、变型或改进的各种组合，且在本发明的范围内。
权利要求
一种干式低NOX(DLN)燃气涡轮(200)，包括主要气体燃料供应系统(305)；辅助气体供应系统(320)；燃烧器(255)，包括单个下游燃烧区域，该单个下游燃烧区域由居中位于所述燃烧器的轴线上的中心燃料喷嘴和围绕所述中心喷嘴而同心地布置的多个主要喷嘴供应，其中，所述主要喷嘴和所述中心燃料喷嘴将燃料混合物与用于所述燃烧器的空气预混合，此外，所述燃料混合物包括来自所述主要气体燃料供应系统的主要气体燃料(305)和来自所述辅助气体供应系统的辅助气体(320)；燃气涡轮控制系统(290)；排放控制监测系统(295)；以及混合燃料控制功能(300)，包括燃料品质监测系统(380)和燃烧动力监测系统(375)，适合于根据所述燃料混合物(355)的品质的预定范围和燃烧动力的避免而控制来自所述主要气体燃料供应的主要气体燃料(305)和来自辅助气体供应系统的辅助气体(320)的燃料混合物(355)。
2. 根据权利要求1所述的DLN燃气涡轮(200)，其特征在于，所述混合燃料控制功能(300)还适合于根据预定限制(380)内的控制排放(370)而控制来自所述主要气体燃料供应系统的主要气体燃料(305)和来自所述辅助气体供应系统的辅助气体(320)的混合。
3. 根据权利要求1所述的DLN燃气涡轮(200)，其特征在于，所述主要气体燃料(305)包括天然气，所述辅助气体(320)包括稀释气体和气体燃料中的至少一种。
4. 根据权利要求3所述的DLN燃气涡轮(200)，其特征在于，所述辅助气体燃料(320)包括氢气、乙烷、丁烷、丙烷以及液化天然气中的至少一种。
5. 根据权利要求1所述的DLN燃气涡轮(200)，其特征在于，所述燃料品质监测系统包括燃料品质监测传感器(364)，适合于测量所述燃料混合物(355)的气体种类测量浓度；针对所述燃料混合物(355)的温度测量(361)，以及计算器(365)，用于计算所述燃料混合物(355)的修正沃泊指数(丽I)。
6. 根据权利要求5所述的DLN燃气涡轮(200)，其特征在于，所述混合燃料控制功能(300)还包括:所述燃料混合物(355)的预定的混合比；所述燃料混合物(355)的所计算的修正沃泊指数(丽I) (365)的允许范围；以及所述燃料混合物(355)的混合比以及所述主要气体燃料(305)和所述辅助气体(320)的温度(336) (341)中的至少一个的调整，适合于将所述燃料混合物(355)的所计算的丽I (365)保持在所述允许范围内。
7. 根据权利要求6所述的DLN燃气涡轮(200)，其特征在于，所述燃料混合物(355)的所计算的丽I(365)的所述允许范围包括由所述控制系统(290)针对所述燃气涡轮(200)的运行条件而确定的丽I值的大约+5%至_5%的范围。
8. 根据权利要求1所述的DLN燃气涡轮(200)，其特征在于，所述混合燃料控制功能(300)还包括:从所述燃烧动力监测系统至所述控制系统的燃烧噪声输入(375);基于所述燃烧噪声输入(375)而评估(380)使用所述混合燃料(355)的运行的燃烧动力的可接受性；调整以下的至少一个所述燃料混合物(355)、所述主要气体燃料(305)和所述辅助气体(320)中的至少一个的温度(336) (341)，从而避免不可接受的燃烧动力。
9.根据权利要求8所述的DLN燃气涡轮(200)，其特征在于，所述混合燃料控制功能还包括调整以下的至少一个所述燃料混合物(355)、所述主要气体燃料(305)和所述辅助气体(320)的温度(336) (341)中的至少一个，从而避免排放控制(370)超出容许限制(380)之外。
全文摘要
本发明涉及用于燃气涡轮的自动化燃料混合和控制的系统和方法。具体而言，本发明为干式低NOX燃气涡轮(200)的运行提供了一种将低廉的辅助气体(320)与主要气体燃料(305)混合的灵活且自动的系统和方法。辅助气体(320)可以是气体燃料，例如氢气、乙烷、丁烷、丙烷以及液化天然气或惰性气体。通过将混合燃料(355)控制在修正沃泊指数的可允许的范围内，可避免燃烧动力。还可监测燃烧动力(375)和燃气涡轮排气排放(370)，以保持使用混合燃料(355)的安全燃烧。燃气涡轮控制系统(290)可调整主要气体燃料(305)和辅助气体(320)的混合物(355)和温度(361)，以促进所需的燃烧。
文档编号F02C9/26GK101793196SQ20091026675
公开日2010年8月4日 申请日期2009年12月31日 优先权日2008年12月31日
发明者A·B·坎普贝尔, J·S·戈德米尔, J·S·萨特, R·安尼格里 申请人:通用电气公司