专利名称：化学计量式排气再循环和相关燃烧控制的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃气轮机发动机系统和相关控制，并且更具体地，涉及具有多个燃烧器的燃气轮机发动机，该多个燃烧器中的各个可利用反馈控制环路分开来控制，以基于排气中检测到的氧气和一氧化碳的量来调整燃料-空气比率，同时确保能够利用催化剂从排气中去除有害的NOx排放。本发明提供了本文中所称的“化学计量式(Stoichiometrical) 排气再循环(SEGR) ”。
背景技术：
燃气轮机发动机典型地包括压缩机区段、燃烧器区段和旋转以便产生电功率的至少一个涡轮。压缩机排出物直接供给到烃燃料在其中被喷射、混合并且燃烧的燃烧器区段中。燃烧气体然后被引导进入并通过涡轮的一个级或多个级，涡轮从燃烧气体中抽取旋转能。为了实现最大运行效率，燃气轮机燃烧系统在各种各样的不同燃料组分、压力、温度和燃料/空气比率条件下运行，优选地具有利用或者液体燃料或者气体燃料或者两者的组合 (被称为“混合燃烧”系统)的能力。然而，用于燃气轮机燃烧器中的许多候选烃燃料包含有害的污染物和/或其它工艺的副产品，它们倾向于抑制燃烧和/或降低系统的能力和效率。近年来，由于联邦政府实施的严格的排放限制和环境污染控制法令，排放(尤其是NOx)的减少，在美国也已经得到更多的重视。在烃燃料的燃烧中，氮氧化物由于空气中氮的高温氧化，以及由于基于烃的燃料中的氮化合物(例如吡啶)的氧化而产生。由于“污染效应”，已经在使用排气再循环系统来减少燃气轮机发动机中的NOx排放方面取得一些进展，与无再循环的系统相比，这导致燃烧器入口氧气浓度降低，并且CO2 浓度和含水量增加。因为NOx的形成率强烈地取决于峰值火焰温度，因此火焰温度的小的降低往往降低NOx排放。一种已知技术涉及使排气再循环到燃气轮机发动机，这导致形成额外的CO2，但仅仅伴随O2和CO浓度有增量式的降低。可惜的是，残留在使用排气再循环的排气中的氧气的量总是保持处于或高于大约2%，并且众所周知，过量的氧气能够不利地影响大多数NOx去除催化剂的效率。因此，先前的利用再循环来减少和/或消除排气流中的NOx 的工作的成功仅仅是有限的。将排气再循环应用到固定的燃气轮机发动机的另一个顾虑涉及如下需求，即在入口流与再循环组合时，降低排气温度且避免增加燃烧器入口温度或者压缩机负荷。共有的美国专利No. 4，313，300教导了，如果动力装置包括联合燃气轮机蒸汽轮机系统(其中，再循环气体被引入将空气供应到燃气轮机燃烧器的单个空气压缩机)，那么可基本克服过热的问题。然而，No. 4，313，300专利没有教导或者建议利用关于存在于排气中的一氧化碳的数据来调整供给到燃烧器的燃料的量，其中燃烧器单独运行或者与其它燃烧器一前一后地运行。至此，还没有使用通过监测一氧化碳排放来控制燃气轮机发动机中的单独的选定燃烧器的燃料-空气比率，特别是通过使用反馈控制或者调节回路，例如本文中描述的那些。已知的现有技术燃气轮机系统也不提供可接受的方法来基于单独的不同的燃烧器而细调燃料-空气比率，以便减少存在于排气中的CO和氧气的量。已知的现有技术燃气轮机系统的实例包括授予Kataoka等人的美国专利No. 6，598，402，其公开了将排气的一部分再循环到压缩机的进口的排气再循环型燃气轮机和用于调整返回的气体的量以对应于燃气轮机负荷的改变的再循环控制单元。该No. 6，598，402专利不依赖于排气流中检测到的一氧化碳的量作为调整通往选定的燃烧单元的燃料-空气供给的手段。该专利也没有教导如何提供化学计量式排气再循环控制。授予Utamura等人的美国专利No. 6, 202, 400和No. 5, 794, 431描述了两种不同但是相关的方法，其用于改进燃气轮机和蒸汽轮机组合的热效率，由此燃气轮机排气的一部分被再循环到压缩机，以便帮助维持较均匀且恒定的压缩机供给温度且改进系统的整体热效率。这两个专利没有教导基于在排气流中检测到的一氧化碳的量，利用燃料调节回路或者反馈控制来有效地减少排气的CO或氧气含量。另外，仅仅检测CO不能解决对化学计量式排气再循环控制的需求。序列号为No. W099/30079的PCT申请描述了用于包括空气污染控制组件的燃气轮机发动机的排气的热回收蒸汽发生器，该空气污染控制组件包括选择性催化还原催化剂， 用于降低排气排放(包括NO5^P CO)的量。再次，NO.W099/30079申请没有教导或者建议使用在排气中检测到的CO的量作为用于控制通往燃烧器的选定燃料输入的手段，或者没有教导如何提供化学计量式排气再循环。
发明内容
本发明提供了一种用于燃气轮机发动机的新的燃料控制回路，其包括主燃料回路；燃料调节回路；连接到燃料调节回路的多个燃烧器；在燃气轮机排气流中的氧气和二氧化碳传感器；以及操作性地连接到燃料调节回路的反馈控制环路。氧气和一氧化碳传感器用来利用控制阀来控制供给到该多个燃烧器中的各个的燃料量，以此限定燃料调节回路，各个阀对应于多燃烧器燃气轮机发动机中的单个燃烧器(“燃烧室”)。根据本发明的示例性系统包括用于从排气流中去除任何残余氧气和一氧化碳的催化剂。燃料控制系统利用通过反馈控制环路提供的、关于在排气中检测到的氧气和一氧化碳浓度的数据来“细调” 供给到各个燃烧器的燃料量。本发明还包括一种用于利用本文描述的新的反馈控制装置来分析和控制来自燃气轮机发动机的排气的组分的方法，以及一种包括多个燃烧器、对应的反馈控制环路和燃料调节回路的燃气轮机发动机。
图I描绘了本发明的示例性实施例的工艺流程图，该实施例具有燃气轮机发动机和用于监测燃气轮机排气且利用反馈控制环路来控制单独的燃烧室的燃料-空气比率以实现最大热效率和CO的去除的燃料控制系统；图2是流程框图，其描绘了根据本发明的用于实现化学计量式排气再循环 (“SEGR”)和燃烧控制以由此减小传统燃气轮机发动机设计中固有的性能损失的主要工艺步骤；
图3是比较存在于示例性燃气轮机排气流中的氧气和一氧化碳的相对量与供给到多燃烧器燃气轮机发动机的一个或者多个燃烧器的多种燃料/空气混合物的曲线图；图4是根据本发明的第一实施例的用于利用化学计量式再循环控制通往燃气轮机发动机的单独的燃烧器的燃料-空气供给的示例性工序的示意图(描绘了装备和控制系统的主要部件)；图5是特别参照示例性NOx催化剂的效力水平的、存在于利用根据本发明的化学计量式控制装置的排气流中的氧气的相对量的曲线图；图6是在不同运行条件下的化学计量式排气再循环排放的曲线图，其用以示出利用根据本发明的燃料调节回路和反馈控制系统的潜在益处；以及图7是进一步详细描绘了根据本发明的用于控制单独的燃烧器的燃料-空气比率的主燃料回路、燃料调节回路和反馈控制装置的流程框图。部件列表
70示例性工艺流程图
71空气
72主要空气压缩机(“MAC”)
76空气管道
77低压热回收蒸汽发生器(HRSG)
78再循环环路
74燃气轮机压缩机
84燃气轮机排气
79催化剂床
82高压热回收蒸汽发生器
83高压无氧排气
11空气压缩机
12燃料燃烧器
13燃气轮机
21主要燃料源
19CO分析站
22通往燃烧器的经调整的燃料流
14HRSG
15排气流
17排气处理阶段
16排气口
43氧气供给
44一氧化碳
42燃料-空气比率
35 和 36燃烧器
37 和 38排气流
26一氧化碳测量站
27 和 28反馈控制信号
29 和 30燃料回路调节
31 和 34燃料回路调节
32 和 33单独的燃烧室
63效率图
62X铀
61Y铀
95中心轴线
91 和 92曲线
93氧气水平
94 和 96曲线
98 和 99竖线
97竖线
97 4‘效率损失”
98 ‘‘闭环”系统
200反馈控制
201主燃料回路
240主要燃料供给
250燃料调节回路
202 至 208控制阀
211 至 217燃烧室
220组合排气
221催化剂床
223氧气传感器
225CO传感器
226数据线路
227反馈控制器
230排气流
具体实施例方式根据本发明的化学计量式排气再循环(SEGR)燃气轮机发动机旨在提供零氧气含量排气，该排气能够利用NOx还原催化剂较有效地处理，以提供无NOx污染物的排气流。当应用于增强的油回收用途时，本发明对于碳捕捉和储存工艺是理想的，并且在需要无氧稀释剂的任何工艺中都是有用的。如上所提到，在传统的SEGR燃气轮机系统中，燃烧产物总是包含过量氧气，这是由于标称燃烧温度下的化学平衡，燃烧的一些CO2产物离解成CO和02。另外，不能实现燃料和空气的充分混合，从而导致存在于供给中的一些氧气没有与烃燃料反应。因此，所得到的主要由N2和CO2组成的排气流将仍然包含少量的CO和02。典型地，燃烧产物通过燃气轮机发动机的涡轮区段，并且进入包括氧化催化剂的热回收蒸汽发生器(HRSG)，该氧化催化剂在HRSG中的较低温度下改变CO和O2与CO2之间的平衡，从而促使微量的CO和O2转化成CO2并产生具有较低氧气含量的排气流。为了让CO催化剂接近零氧气含量，必须存在足够的CO来消耗排气中的所有O2。燃气轮机运行的实践需要有一定量的过量燃料用于燃烧系统中，以确保过量的CO的存在。但是，排气中过多的CO能够对整体燃气轮机运行具有负面作用，因为过量的CO的内能将不被燃气轮机捕捉，从而导致系统的效率损失。因为这些原因，最大程度地减少且小心地控制排气流中过量的CO的量是重要的。燃烧过程中的两个已知实践也推动对控制排气中过量CO的量的需求。首先，整个燃气轮机的燃料-空气比率有控制极限。也就是说，仅存在有限的能力来控制供给到燃气轮机的燃料的量。第二，燃气轮机燃烧系统通常由多个燃烧室组成，它们中的各个利用稍微不同的燃料-空气比率运行，从而导致排放基于不同的燃烧室而有所差异。这两个影响导致需要利用过量的燃料来运行燃气轮机，以产生恰当量的过量CO而确保所有氧气在排气中被消耗掉。在本文中通过参照设计目标值描述且依靠图6中的实例示出该目标的实现。根据本发明，通过使用闭环排放控制和监测排气中来自燃气轮机的排放，燃气轮机燃烧器的整体燃料-空气比率能够被较精确地控制，从而减小过量CO的需求，再次如图6 所示。燃料-空气比率的在不同的燃烧室之间的差异通过这种途径仍然未消除。但是，通过为各个燃烧室增设燃料调节回路，各个燃烧室中的燃料-空气比率能够被控制到在燃气轮机运行中先前未利用或甚至未预想的精确水平。能够对各个燃烧室调节燃料，并且能够在排气中测量到反馈，而排气中总体CO浓度由于CO产物的受精确控制的性质而接近近化学计量式运行。参见以下更详细讨论的图3。利用SEGR的改进的燃气轮机发动机设计导致从燃烧器排出的最终排气流有效地没有未使用的氧气且被独特地定位，以用于利用三效(three way)催化剂或类似催化剂进行处理，以将流中的一氧化碳和NOx排放减少到可接受的水平，优选地接近零。如上所提到， 近来实现低NOx和一氧化碳排放的困难变得愈加复杂，因为大多数燃气轮机发动机系统采用多个燃烧器，而燃烧器通常具有不同的燃料/空气比率和对应的供给到单个一氧化碳测量和处理系统中的不同的排气组分。虽然用于排气的单个反馈控制环路能够用于取决于在最终排气中检测到的一氧化碳的量而调整燃烧器上游的主要燃料/空气混合物，但是这种系统不能实现残留在排气(或再循环)中的氧气的最高使用潜力。因此，由于监测和控制不同燃烧室中的不同的且波动的燃料/空气比率的难以预测性，在这种系统中实现有效的零NOx和CO排放即使不是几乎不可能的，也是困难的。本发明因此通过高度精确地监测和控制通往选定的几个燃烧器的单独的燃料/ 空气供给来提供改进的燃烧器运行。基于探测到的存在于排气流中的一氧化碳和氧气，能够长时间维持产生的改进的发动机性能。另外，通过不同燃烧室产生的CO的指数关系可以被运用成直接对应于单独的燃烧器燃料/空气比率，其中最终结果是相比于现有技术燃气轮机设计，燃烧排气中的NOx量的充分降低。由于NOx和CO成分的固有的降低，新设计还便于在涡轮排气的下游处理中的CO2捕捉。在示例性实施例中，单独的燃烧器(燃烧室)各自连同能够以非常小的变量提升或降低燃料/空气比率的流量控制器件操作性地连接到燃料调节回路，其中最终目的是使得主要燃料/空气回路尽可能地接近化学计量式理想，即，使得存在于再循环中的所有氧气在燃烧期间消耗掉，从而导致整体NOx和CO产量的显著降低。在启动运行期间，CO排气测量在所有燃烧室在贫燃条件和低一氧化碳产量下运行时进行。一个接一个地，控制着系统中所有燃烧室的单独运行的燃料调节回路将命令发送给各个燃烧室，以增加燃料供给。在排气流中监测到的CO含量将几乎立刻开始增加。最终检测到的CO量导致控制信号经由闭合反馈控制环路发送到并行连接的燃料回路。然后根据所探测的CO量而修改供给到各个燃烧室的燃料比率。当实现燃料调节回路并且对各个连续燃烧室增量式地调整燃料时，对应的一氧化碳水平快速增加，从而导致来自控制环路的信号停止增加通往那个特定燃烧室的燃料。在各个燃烧室接连地被监测且调整时该过程被重复，直到对于整个系统获得最优期望燃料/空气比率。如果在正常发动机运行期间需要的话，能够周期性地使用相同调节/反馈控制操作，以确保在长时间连续运行中有最优 SEGR性能。另外，相比于使用SEGR技术的传统燃烧器控制系统，在涡轮排气中能够获得更低水平的CO和氧气。因为各个燃烧室能够被连续地且独立地“细调”以获得近化学计量式运行，所以该系统提供优于对需要“富燃”运行以保证存在过量CO的传统多燃烧器控制设计的显著优势。如上所提到，如果根据标准实践来设计燃烧器，由于不同的燃料-空气比率和不同的燃料划分，单独的燃烧器的动态特性会彼此不同。虽然燃料-空气比率的不同可对燃气轮机的整体性能具有很小的影响，但是排气中的氧气的量也将必定在不同的燃烧室之间有所不同，从而当氧气水平保持很高时导致不能接受的结果。较高的氧气水平导致催化剂的效力水平降低，相比于在氧气水平接近零时99%的效力，通常使得催化剂仅仅50%有效。因此，本发明通过使最终排气中的氧气水平保持接近理论上为零来确保NOx催化剂将维持高的效力水平。参见附图，图I描绘了用于系统(大体显示为70)的示例性工艺流程图，该系统利用SEGR燃气轮机发动机和热回收蒸汽发生器(“HRSG”)，具有从本发明的反馈控制系统受益的潜力。图I描绘了已知系统，其能够按照上文所述进行修改，以使用反馈控制环路来监测燃气轮机排气且控制单独的燃烧室的燃料-空气比率，以获得最大热效率和CO的去除。 图I还示出了在燃烧步骤期间燃烧器不能消耗所有氧气和一氧化碳时将不可避免地遇到的潜在性能损失。必须总是采用一氧化碳催化剂以便形成二氧化碳并且消耗排气中仍然存在的氧气(这具有产生热用于高压热回收蒸汽发生器的附加益处)。如图I所示，空气71供给到主空气压缩机(“MAC”)72并在升高的压力下通过空气管道76直接进入燃气轮机燃烧器。来自燃气轮机燃烧器的排气通过较低压力的热回收蒸汽发生器77和再循环环路78，作为供给再循环回到燃气轮机压缩机74。该系统确保燃气轮机内的所有流(包括涡轮冷却空气和泄漏空气)都不含有氧气。图I还示出了与传统系统关联的固有性能损失，其中燃气轮机排气必须经过处理以去除尽可能多的残余CO和氧气。也就是说，燃烧运行不完美，从而需要分开来处理残余的未燃烧的氧气和CO。此处，在84处的燃气轮机排气通过CO催化剂床79，CO催化剂床79 去除CO并且消耗存在于排气中的未燃烧的氧气。最终的CO和氧气在放热反应中结合而形成二氧化碳。高压HRSG通过经由蒸汽轮机抽取能量而使用热来产生额外蒸汽。理论上，将在不牺牲整体效率的情况下尽可能低地减小系统中的残余一氧化碳的量。在通过催化剂处理后，经处理的排气流通过CO传感器并进入利用通过催化剂处理产生的额外的热的高压热回收蒸汽发生器82。高压无氧排气(在线83处示出)然后在释放到环境中之前经过最后处理。图2是流程框图，其描绘了根据本发明的、用于利用反馈控制来获得化学计量式排气再循环和燃烧控制的主要工艺步骤。示例性系统包括将压缩空气供给到多个燃料燃烧器12的空气压缩机11，燃烧器12又将膨胀的高温排气供给到燃气轮机13中。在运行期间， 空气压缩机11将压缩空气供给到燃烧器12的后部，而主要燃料源(气体烃或液体烃)21 将主燃料流提供给燃烧器。空气和燃料混合并且燃烧，其中热的燃烧气体直接从燃烧器12 流入燃气轮机13，在燃气轮机13中从燃烧气体中抽取能量来做功。根据本发明的第一实施例，离开燃气轮机13的排气在CO分析站19中被分析以确定存在于排气中二氧化碳的量，其中分析结果被馈送到作为反馈环路的一部分的燃料调节回路，以便周期性地监测且调整供给到系统的空气和燃料(气体或液体)的量，如21处所示。供给到各个燃烧器的燃料和空气的量可以取决于在排气流中检测到的氧气和一氧化碳的量而改变，其中目标是细调供给到各个燃烧器的燃料-空气比率，同时降低排气流中的 NOx浓度。通往燃烧器的经调整的燃料流大体在22处示出。单独的燃烧器中的各个能够基于被持续地收集和评估的数据而使用反馈环路来监测和调整。也就是说，各个燃烧室能够随着时间的推移以各自为基础进行周期性地检查并且调整，直到它达到如以下更详细描述的最优稳定状态条件。图2还描绘了结合燃气轮机13来使用传统的热回收蒸汽发生器(“HRSG”)14以便增加整个系统的热效率。在通过排气口 16释放到大气之前，具有减小的热值的最终排气流15典型地在排气处理阶段17中利用例如三效催化剂进行处理，以去除残余NOx化合物和其它不环保的污染物和燃烧副产品。图3是曲线图(大体以40示出)，其将存在于示例性燃气轮机排气流中的氧气43 和一氧化碳44的相对量与供给到燃气轮机发动机的一个或多个燃烧器的各种燃料/空气混合相比较。图3画出了燃料-空气比率(“F/A”42)对燃烧器排气中检测到的氧气和一氧化碳的浓度(的关系)。随着燃料-空气比率增加，氧气水平变低而CO含量增加。在示例性实施例中，供给到单独的燃烧室的燃料和空气将一次调整一个，以便减小氧气含量，但是不能太低以至于一氧化碳的量超过下游催化剂的能力。利用用于燃料-空气比率的反馈控制环路连续地监测和控制氧气和CO的量，以便优化氧气/CO比率并且确保通过下游催化剂有最大CO去除效率。理论上，离开催化剂的残余CO的量将在最大系统效率下接近于零。图4是根据本发明的第一实施例的、用于利用化学计量式再循环和反馈控制来控制燃气轮机发动机的燃烧器的供给的工艺的示意图(还描绘了装备和控制系统的主要部件)。如图4所示，示出为35和36的单独的燃烧器各自具有对应的排气流37和38，它们直接供给到能够为各个燃烧室确定CO水平的一氧化碳测量站26。一氧化碳测量站26产生多个不同的反馈控制信号27和28，它们然后传输到大体描绘为29和30的对应的燃料回路调节控制装置。燃料回路调节控制装置的输出31和34导致对应于单独的燃烧室的燃料回路(如通过32和33处的实例所示)有增量式小调整。图5是曲线图，其表示当与示例性NCU崔化剂的效力水平相比时，存在于根据本发明的、利用化学计量式控制装置的排气流中的氧气的相对量。如图4所示，本发明尽力平衡存在于来自燃烧器的排气中的氧气和一氧化碳的量，而同时确保用于处理最终排气流的NOx催化剂的高效率。图5中的曲线63示出NOx催化剂的效力(X轴62)倾向于随着存在于排气中的氧气的量(Y轴61)的降低而增加。图6是不同运行条件下的化学计量式排气再循环排放的曲线图(大体示出为90)， 并且示出了根据本发明利用燃料调节回路和反馈控制的潜在益处。图6将残留在燃气轮机发动机排气中的氧气和一氧化碳的量(参见左侧轴，标记为“排放02、CO”)与在利用各种候选排气处理系统(包括现有技术的系统和本发明)的后续催化剂处理系统中一氧化碳和氧气的反应产生的预期效率(参见右侧轴，标记为“C0/02、效率”)相比较。如上所提到，利用单独的燃烧器的反馈控制和细调的示例性系统将减小未反应的一氧化碳的量，同时确保足够量的氧气残留在燃烧器排气中，以在下游催化剂操作中按化学计量的方式将所有CO转化成二氧化碳。因此，相比于从系统中去除CO和氧气的对应的效率水平，对于不同的CO和氧气排放水平，图6中提及的“Phi”指示高于和低于I. O的预期值。I. O的目标Phi值标示在中心轴95处并且将被视为理论“期望运行w/o偏差”。为了说明的目的，与根据本发明的反馈控制环路关联的调节阀的相对位置在线 100处指定，在这种情况下，线100位于Phi = 1.0的稍微右侧。具有稍大于I. O的Phi值意味着燃气轮机发动机将略微“富燃”运行，但是利用反馈控制有一氧化碳和氧气的最大的去除。在系统中具有太多残余氧气倾向于降低NOx催化剂的效力，并且因此作为实际问题， 燃气轮机应当以I. O的右侧的Phi值以稍微富燃的方式运行。图6中的曲线91表示在高于和低于Phi值I. O的点处的系统中的一氧化碳和氧气的量的比率；曲线92描绘了一氧化碳的量；线93表示氧气水平；曲线94示出从燃烧排气中去除一氧化碳的预期效率的水平；曲线96反映出示例性设计目标Phi值(在I. O的右侧示出，指示稍微过量的氧气，以便去除所有可用的CO);竖线98示出没有使用本发明的调节阀和反馈控制特征的传统闭环排放控制系统(“CLEC”)的Phi的位置；竖线99反映出使用“开环”设计、也没有出现调节阀的现有技术设计；并且竖线97反映出由残留在排气中的不同量的一氧化碳和氧气导致的相关“效率损失”，其中一氧化碳和氧气的量没有如以上关于本发明所述的那样以化学计量的方式平衡。如图6所示，理想设计可具有如所指示的 I. O的Phi值。然而，再次作为实际问题，稍高于I. O的某些值将确保充足的氧气来去除最低预期量的CO，而不会不利地影响NOx去除催化剂的下游性能。图6中标示的效率损失97反映了以下事实，即在催化剂处理步骤期间，每个氧分子需要两个CO分子以形成二氧化碳。图6中Phi = I. O的竖线右侧的CO数据表示由于在燃烧后在系统中依然存在CO而产生的效率损失的幅度。这个残余CO然后必须利用下游催化剂操作来处理，并且在催化剂处理期间确保需要一定量的过量氧气来消耗尽可能多的排气CO。在示例性实施例中，已经发现Phi的目标值应该如图所示并且标示为“设计目标 Phi”的那样为大约1.025。使用如上文所述的用于单独的燃烧器的反馈控制环路设计导致竖直控制线向左侧移动，即，回到接近I. O的值。作为比较，用于传统燃气轮机发动机系统的运行状况和Phi值在图6中示出为效率低很多并标记为“开环设计”，其典型地仅仅依赖于排气温度读数，并没有基于一个或多个单独的燃烧室的任何持续排气流分析或者任何反馈控制环路。开环设计在对燃料/空气比率做出大致“调节”改变之前必须仅仅依赖于整个排气流的间歇性实验室测试。
图6中的“闭环”系统98也在有限的程度上依赖于通过持续地但不以不同的燃烧室为基础来对排气进行有限的分析的反馈控制，而没有本发明采用的特定反馈控制调节标准。另外，与传统系统不同，使用在系统中检测到的氧气和CO的量的反馈控制环路独立并且精确地控制燃烧器中的各个以便改进整体性能。也就是说，与传统“开环”设计相比较， 已发现通往各个燃烧室的燃料流的非常小的增量式变化(大约3% (重量)或更少)造成整体性能水平上的显著不同。因此，图6示出打开调节阀将使效率损失线移动到右侧，而关闭调节阀则使效率损失线移动到左侧(更接近于期望的Phi值I. O)。图6还示出了燃料调节回路如何操作。打开调节阀倾向于使效率损失线移动到右侧；关闭调节阀使效率损失线移动到左侧，即，更接近于期望Phi值I. O。如果在运行期间所检测到的Phi值降到1.0以下，系统将被视为“富氧”。因此，在启动运行期间，燃气轮机发动机可初始以低于I. O的phi值在“贫燃”状态下运行。其后，用于各个燃烧器的各个调节阀将顺次地调整以增加燃料量，同时持续地监测氧气和CO水平并且经由反馈控制环路将控制信号发送回燃烧器。氧气水平将随着CO增加而下降，并且因此各个调节阀被调整以获得尽可能接近I. O的phi值。在这个过程期间，各个燃烧器持续地被检查并且调整，使得在排气中的CO和氧气的量接近下游NOx催化剂的最大效率值。图7是更加详细地描绘了根据本发明的、用于控制单独的燃烧器的燃料-空气比率的主燃料回路、燃料调节回路和反馈控制装置的另一流程框图。反馈控制系统200包括将主要燃料供给240提供给燃烧器的主燃料回路201，以及包含标示为202至208并且并联连接的多个分开的控制阀的燃料调节回路250。因而，流到对应燃烧室(在图7中标示为 211至217)中的各个的燃料的量能够取决于在燃烧器下游所检测到的排气状况被分开且单独地控制。典型地，随着系统启动，燃烧器中的各个的燃料-空气比率将顺次地分开来调整，直到获得具有在下游检测到的可能的最低氧气和CO比率的稳定状态条件。图7指出来自燃烧器组的组合排气220传送进入催化剂床221并且然后通过氧气传感器223和CO传感器225，它们经由数据线路226将数据提供给反馈控制器227，反馈控制器227又经由燃料调节回路发送单独的控制信号，以调整(或者不调整)供给到单独的燃烧器的燃料的量。 在230处示出来自系统的最终排气流，其应当含有更少量的氧气和CO。虽然本发明已经结合当前视为最实用并且优选的实施例进行了描述，但是应当理解本发明不受限于公开的实施例，而是相反，本发明意图覆盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等价布置。
权利要求
1.一种用于燃气轮机发动机(13)的燃料控制系统，包括主燃料回路(201)；燃料调节回路(250)；操作性地连接到所述燃料调节回路(250)的多个燃烧器(12)；在所述燃气轮机发动机(13)的排气流(15)中的氧气传感器(223)；在所述燃气轮机发动机(13)的所述排气流(15)中的一氧化碳传感器(225);以及反馈控制回路(228)，其操作性地连接到所述燃料调节回路(250)且连接到所述氧气传感器(223)和一氧化碳传感器(225)。
2.根据权利要求I所述的燃料控制系统，其特征在于，所述燃料调节回路(250)进一步包括多个可调整的控制阀(202至208)，以实现化学计量式排气再循环。
3.根据权利要求I所述的燃料控制系统，其特征在于，所述多个控制阀(202至208)中的各个连接到所述多个燃烧器(12)中的对应的一个。
4.根据权利要求3所述的燃料控制系统，其特征在于，所述多个控制阀(202至208)中的各个独立地被调整，以控制通往所述多个燃烧器(12)中的对应的一个的燃料流。
5.根据权利要求I所述的燃料控制系统，其特征在于，所述燃料控制系统进一步包括用于从所述燃气轮机的所述排气流(15)中去除氧气(43)和一氧化碳(44)的催化剂 (221)。
6.根据权利要求2所述的燃料控制系统，其特征在于，所述调节回路(250)中的所述控制阀(202至208)中的各个以规定顺序操作，以控制通往所述多个燃烧器(12)中的各个的燃料流。
7.一种用于分析和控制来自燃气轮机发动机(13)的排气的组分的方法，包括如下步骤将受控的量的燃料和空气(71)供给到所述燃气轮机发动机(13)的燃烧器(12)；分析所述燃烧器(12)下游的所述排气的氧气含量；分析所述燃烧器(12)下游的所述排气的一氧化碳含量(44)；基于所述分析所述氧气(43)和所述一氧化碳(44)的步骤来将燃料控制信号提供给燃料调节回路(250);以及控制供给到所述多个燃烧器(12)的燃料和空气(71)的量。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括如下步骤，即在所述分析所述氧气含量(43)和所述一氧化碳含量(44)的步骤之前，去除基本所有残留于所述排气流(15)中的所述氧气(43)和一氧化碳(44)。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述将受控的量的燃料和空气(71)供给到所述燃烧器(12)的步骤包括顺次地将反馈控制数据(228)发送给所述燃烧器(12)中的各个，以控制供给到各个燃烧器的燃料的量。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括如下步骤，即基于用于耗尽存在于供给到所述燃烧器(12)的空气中的所有氧气的化学计量值来确定供给到所述燃气轮机发动机(13)的燃料和空气(71)的量的目标值。
11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述将受控的量的燃料和空气(71)供给到所述燃烧器(12)的步骤基于所述排气中检测到的CO的量(228)而顺次地调整供给到所述燃烧器(12)中的选定一些的燃料的量。
12.—种燃气轮机发动机(13),包括多个燃烧器(12)；气体压缩机(74)；涡轮(13)；主燃料回路(201)；用于所述多个燃烧器(12)的燃料调节回路(20)；在所述燃烧器(12)的排气流(15)中的氧气传感器(223)；在所述燃烧器(12)的所述排气流(15)中的一氧化碳传感器(225);以及操作性地连接到所述燃料调节回路(250)且操作性地连接到所述氧气传感器(223)和一氧化碳传感器(225)的反馈控制环路(228)。
13.根据权利要求12所述的燃气轮机发动机(13)，其特征在于，所述燃气轮机发动机 (13)进一步包括用于从所述排气中去除一氧化碳(44)的催化剂床(79)。
14.根据权利要求12所述的燃气轮机发动机(13)，其特征在于，所述燃气轮机发动机 (13)进一步包括用于使所述排气回到所述燃气轮机压缩机(74)的再循环环路(78)。
15.根据权利要求12所述的燃气轮机发动机(13)，其特征在于，所述燃气轮机发动机(13)进一步包括用于所述燃烧器(12)的主燃料回路(201)。
全文摘要
本发明涉及化学计量式排气再循环和相关燃烧控制。一种用于燃气轮机发动机的燃料控制系统，其包括主燃料回路；燃料调节回路；连接到燃料调节回路的多个燃烧器；排气流中的氧气传感器和二氧化碳传感器；以及操作性地连接到燃料调节回路且连接到氧气和一氧化碳传感器的反馈控制环路，氧气和一氧化碳传感器用来控制供给到发动机中的该多个燃烧器中的各个的燃料和空气的精确量。燃料调节回路中的平行的控制阀阵列连接到燃气轮机发动机中的该多个燃烧器中的对应的燃烧器。燃料控制系统由此利用通过反馈控制环路提供的、关于排气中所检测到的氧气和一氧化碳浓度的数据来“细调”供给到各个燃烧器的燃料和空气的量。
文档编号F02C3/34GK102588113SQ201210070670
公开日2012年7月18日 申请日期2012年1月13日 优先权日2011年1月13日
发明者S·D·德拉珀 申请人:通用电气公司