用于燃气涡轮机系统中的排放物控制的系统和方法
【技术领域】
[0001]本说明书所公开的主题涉及燃气涡轮机系统，并且更特别地，涉及用于改善燃气涡轮机系统中的排放物的控制的系统和方法。
【背景技术】
[0002]燃气涡轮机系统(如在发电机组中提供电力的燃气涡轮机)典型地包括至少一个燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机具有压缩机、燃烧器系统和涡轮机。燃烧器系统燃烧燃料和压缩空气的混合物以生成热燃烧气体，所述热燃烧气体又驱动涡轮机的叶片，从而例如产生旋转动力。由燃气涡轮发动机产生的废气可能包括某些副产物，如氮氧化物(N0X，包括NO和NO2)、硫氧化物(SOx)、碳氧化物(COx)和未燃烃。流体地联接到废气的后处理系统可以用于减小废气中的这样的副产物的量。例如，选择性催化还原(SCR)系统可以包括在后处理系统中以减小放物。改善排放物的控制将是有益的。
【发明内容】
[0003]下面总结在范围上与本发明一致的某些实施例。这些实施例不旨在限制权利要求的范围，而是这些实施例仅仅旨在提供某些实施例的简要总结。实际上，本发明的实施例可以涵盖可以类似于或不同于下面所述的实施例的各种形式。
[0004]在一个实施例中，一种系统包括排放控制系统。所述排放控制系统包括处理器，所述处理器编程为接收用于选择性催化还原(SCR)系统的一个或多个选择性催化还原(SCR)操作条件。所述SCR系统包括在用于废气流的后处理系统中。所述处理器也编程为接收用于燃气涡轮发动机的一个或多个燃气涡轮机操作条件。所述燃气涡轮发动机配置成将废气流引导到所述后处理系统中。所述处理器还进一步编程为基于SCR模型和所述一个或多个SCR操作条件导出到达所述SCR系统的順3流(量)，导出NO/NO x比率，以及基于NH 3流(量)、Ν0/Ν0χ比率、或它们的组合导出所述燃气涡轮发动机的燃料分流。
[0005]所述处理器经配置为通过执行SCR图导出Ν0/Ν0χ比率。所述处理器经配置为通过使用NH3泄漏设定点和所述SCR模型作为输入导出NH 3流量。所述处理器经配置为通过使用順3泄漏设定点和测量的順3泄漏作为输入导出NH3流量。
[0006]所述处理器经配置为执行估计器系统，所述估计器系统配置成基于所述后处理系统的一个或多个测量的输出更新所述SCR模型。所述处理器经配置为通过更新所述SCR模型的一个或多个参数更新所述SCR模型。所述一个或多个参数包括在所述SCR系统中使用的催化剂的特性。
[0007]所述系统包括底循环，所述底循环配置成接收废气流并且将废气流转换成机械或电功率，其中所述后处理系统包括在所述底循环中。所述排放控制系统包括后处理控制器和燃气涡轮机控制器，并且其中所述后处理控制器配置成接收所述一个或多个SCR系统操作条件；以及导出到达所述SCR的MV流量；并且其中所述燃气涡轮机控制器配置成接收所述一个或多个燃气涡轮机操作条件；导出Ν0/Ν0χ比率；以及导出所述燃气涡轮发动机的燃料分流。
[0008]在另一实施例中，一种方法包括接收用于SCR系统的一个或多个选择性催化还原(SCR)系统操作条件。所述SCR系统包括在用于废气流的后处理系统中。所述方法也包括接收用于燃气涡轮发动机的一个或多个燃气涡轮机操作条件。所述燃气涡轮发动机配置成将废气流供应到所述后处理系统中。所述方法还包括基于SCR模型和所述一个或多个SCR操作条件导出到达所述SCR系统的NH3流量，导出NO/NO x比率，以及基于NH 3流量、NO/NO x比率、或它们的组合导出所述燃气涡轮发动机的燃料分流。
[0009]导出Ν0/Ν0χ比率包括通过执行SCR图导出NO/NO x比率。导出NH 3流量包括通过使用順3泄漏设定点和所述SCR模型作为输入导出NH 3流量。导出NH 3流量包括通过使用NH3泄漏设定点和测量的順3泄漏作为输入导出NH3流量。
[0010]所述方法包括执行估计器系统以基于所述后处理系统的一个或多个测量的输出更新所述SCR模型。执行估计器系统以更新所述SCR模型包括执行所述估计器系统以更新所述SCR模型的一个或多个参数。
[0011]在另一实施例中，一种系统包括:燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机配置成燃烧燃料以产生第一功率；底循环，所述底循环流体地联接到所述燃气涡轮发动机、并且配置成接收所述燃气涡轮发动机的废气流以产生第二功率；选择性催化还原(SCR)系统，所述SCR系统布置在所述底循环中、并且配置成接收废气流和从废气流去除NOx;以及包括处理器的控制器。所述处理器编程为接收一个或多个SCR系统操作条件，接收一个或多个燃气涡轮机操作条件，基于SCR模型和所述一个或多个SCR操作条件导出到达所述SCR系统的NH3流量，导出NO/NO x比率，以及基于NH 3流量、NO/NO x比率或它们的组合导出所述燃气涡轮发动机的燃料分流。
[0012]所述处理器经配置为通过使用順3泄漏设定点和所述SCR模型作为输入导出NH3流量。所述处理器经配置为通过使用NH3泄漏设定点和测量的NH3泄漏作为输入导出NH3流量。
[0013]所述处理器经配置为执行估计器系统，所述估计器系统配置成基于所述SCR系统的一个或多个测量的输出更新所述SCR模型。所述控制器包括后处理控制器和燃气涡轮机控制器，并且其中所述后处理控制器配置成接收所述一个或多个SCR系统操作条件；以及导出到达所述SCR系统的NH3流量；并且其中所述燃气涡轮机控制器配置成接收所述一个或多个燃气涡轮机操作条件；导出Ν0/Ν0χ比率；以及导出所述燃气涡轮发动机的燃料分流。
【附图说明】
[0014]当参考附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，在附图中相似的附图标记始终表示相似的部分，其中:
[0015]图1是根据本发明的实施例的、包括用于控制燃气涡轮机系统的排放物的排放控制器的燃气涡轮机系统的方块图；
[0016]图2是作为流动到SCR系统中的废气的温度和Ν0/Ν0χ比率的函数的选择性催化还原(SCR)系统的除NOx效率的绘图；
[0017]图3是根据本发明的实施例的、可以由用于控制燃气涡轮机系统的排放物的排放控制器使用的控制过程的方块图；
[0018]图4是根据本发明的实施例的、可以由用于控制燃气涡轮机系统的排放物的排放控制器使用的另一控制过程的方块图；
[0019]图5是根据本发明的实施例的、可以由用于控制燃气涡轮机系统的排放物的排放控制器使用的附加控制过程的方块图；
[0020]图6是图5的控制过程的更详细图示的方块图；以及
[0021]图7是根据本发明的用于控制燃气涡轮机系统的排放物的过程的流程图。
【具体实施方式】
[0022]下面将描述本发明的一个或多个具体实施例。为了试图提供这些实施例的简洁描述，可能未在说明书中描述实际实现方式的所有特征。应当领会在任何这样的实际实现方式的开发中，与任何工程或设计项目中一样，必须进行许多实现方式特定的决策以实现开发者的特定目标，例如遵从可能在不同实现方式之间不同的系统相关或商业相关约束。而且，应当领会这样的开发工作可能是复杂和耗时的，但是仍然是本领域的普通技术人员利用本发明能够在设计、生产和制造方面承担的常规工作。
[0023]在介绍本发明的各实施例的元件时，冠词“一”和“所述”旨在表示有一个或多个元件。术语“包括”、“包含”和“具有”旨在是包括性的并且表示除了列出的元件以外可以有附加元件。
[0024]本说明书中提供用于控制燃气涡轮机系统的排放物(具体地，放物)的技术。在燃气涡轮机系统中，一个或多个燃气涡轮发动机可以燃烧燃料以产生用于驱动一个或多个涡轮机级的燃烧气体，每个涡轮机级具有多个叶片。取决于燃烧的燃料的类型，由燃烧过程产生的废气排放物可能包括氮氧化物(N0X，包括NO和NO2)、硫氧化物(SOx)、碳氧化物(COx)和未燃烃。经常地，由燃气涡轮机系统(如燃气涡轮机发电机组)释放的废气的组分受到法规制约。作为例子，法规可能要求释放到大气中的废气的NOJi分不大于阈值水平，如10份百万分率(ppm)。
[0025]用于去除或减小废气流中的NOx量的一种技术是使用SCR系统。在SCR系统中，诸如氨(NH3)或尿素的还原剂喷射到废气流中，并且在存在一种或多种催化剂的情况下与NOx反应以产生氮(N2)和水(H2O)。SCR系统的效能(例如，除NOx效率)可以至少部分地取决于喷射到废气流中的还原剂的量。然而，当还原剂过度喷射到废气流中时，过量还原剂可能不与NOx反应。因此，还原剂的量可能“泄漏”或穿过SCR系统而未反应。SCR系统的效能(例如，除^^^效率)也可以至少部分地取决于SCR系统的操作温度、以及在SCR系统的入口处的NOx的气体组分(例如，Ν0/Ν0 2比率)。
[0026]用于去除或减小废气流中的NOx(或其它排放物化合物)的量的另一技术是通过调节燃气涡轮发动机的操作。例如，燃气涡轮发动机的燃烧器中的燃料-空气比率可以被调节以保持燃烧器内的低火焰温度从而减小放物。作为另一例子，当燃气涡轮发动机可以包括多个燃料回路时，其中每个燃料回路取决于燃气涡轮发动机的操作条件来控制一个或多个燃料喷嘴处的燃料流率/流量，燃料分流(例如，多个燃料回路内的燃料的分配)可以被调节以减小放物。然而，由燃气涡轮发动机使用的、旨在去除或减小废气流中的NOx量的某些燃料分流方案可能产生具有对于SCR系统而言不是最佳的NO x的气体组分(例如，Ν0/Ν02比率)的废气，由此影响燃气涡轮机系统的排放物控制的总体效能。
[0027]因而，根据本发明的实施例，包括燃气涡轮发动机和下游SCR系统的燃气涡轮机系统可以包括控制系统，所述控制系统配置成调节和协调燃气涡轮发动机和SCR系统的排放物控制以获得由燃气涡轮机系统产生的期望总体排放物。在燃气涡轮机系统的起动期间该技术尤其有用。例如，如下面将更详细地所述，控制系统可以调节燃气涡轮发动机的燃烧器中的燃料分流以改变废气(例如，由燃气涡轮发动机产生并且随后送至SCR系统进行后处理的废气)的组分，尤其是Ν0/Ν02比率，以便改善下游SCR系统的除NO ,效率(DeNO xefficiency)，由此改善燃气涡轮机系统(例如，包括燃气涡轮发动机和下游SCR系统两者)的NOx排放物控制的总体效能。
[0028]根据本发明的实施例，燃气涡轮机系统的控制系统配置成接收用于SCR系统的一个或多个SCR操作条件(例如，氨流率、操作温度、入口 NOx浓度等)，所述SCR系统包括在用于处理由燃气涡轮发动机产生的废气流的后处理系统中。控制系统也配置成接收用于燃气涡轮发动机的一个或多个燃气涡轮机操作条件(例如，燃料分流、点火温度、出口气体流率/流量等)。基于SCR模型和接收到的一个或多个SCR操作条件，控制系统可以导出到达SCR系统的NH3流(量)。此外，基于导出的NH 3流(量)和SCR系统的其它特性(例如，SCR图)，控制系统可以导出Ν0/Ν0χ比率，并且基于其，导出燃气涡轮发动机的燃料分流。因而，可以有效地去除或减小来自燃气涡轮机系统的总体放物。
[0029]此外，根据本发明，一些实施例包括基于模型的估计器(例如，扩展卡尔曼滤波器)以估计用于SCR模型的参数(例如，催化剂老化系数)。估计器可以通过实时地调整参数在线校准SCR模型以使模型预测与NOJP順3泄漏的实际SCR系统测量值匹配。这样的技术可以用于针对不同的催化剂特性调整SCR模型，导致SCR模型的更灵活实现方式(例如，对于不同S