低热值燃料气体混合控制的制作方法

专利名称：低热值燃料气体混合控制的制作方法
技术领域：
本文所公开的主题涉及燃料气体的混合控制，并且更具体地涉及对接收自炼钢设 备(steel mill)的副产气体的混合控制。
背景技术：
通过常规鼓风炉炼钢导致产生大量的鼓风炉气体，鼓风炉气体的特征通常为热值 低于典型的燃料气体。因此，不管其相对丰度如何，鼓风炉气体通常都不适合用作诸如燃气 轮机的燃烧驱动式设备的燃料源。然而，炼焦炉气体是炼钢期间产生的第二副产气体。炼 焦炉气体的特征通常为热值高于典型的燃料气体，但通常可用的量远小于鼓风炉气体。因 此，由炼钢产生的这些副产气体其自身均不适于作为燃料气体源。

发明内容
在范围上与初始要求得到专利保护的发明相称的一些实施例在下文中进 行了概 述。这些实施例并非意图限制要求得到专利保护的本发明的范围，而是这些实施例仅意图 用来提供对本发明可能形式的简要概括。实际上，本发明可包含与下文阐述的实施例相似 或不同的多种形式。在第一实施例中，一种系统包括燃料系统。该燃料系统包括构造成用以将第一燃 料与第二燃料以一定比例混合来产生第三混和燃料的燃料混合系统。第一燃料具有第一热 值，第二燃料具有第二热值，以及第三混和燃料具有第三热值。此外，第一热值小于第二热 值。燃料系统还包括构造成用以调整第一燃料与第二燃料的比例来修正第三热值的前馈控 制器。在第二实施例中，一种系统包括涡轮燃料混合控制器。涡轮燃料混合控制器包括 前馈控制逻辑(logic)，其构造成用以预测进行混和来提供第三混和燃料的第一燃料和/ 或第二燃料的燃料流量(flow rate)。第一燃料和第二燃料具有彼此不同的热值。此外，涡 轮燃料混合控制器包括反馈控制逻辑，其构造成用以至少部分地基于在第三混和燃料的目 标热值与实测热值之间的比较来修正燃料流量。在第三实施例中，一种方法包括将第一燃料与第二燃料以一定比例混合来产生第 三混和燃料。第一燃料具有第一热值，第二燃料具有第二热值，以及第三混和燃料具有第三 热值。此外，第一热值不同于第二热值。该方法还包括通过至少部分地基于在测量结果和 对于第三热值的目标之间的比较来预测和修正第一燃料和/或第二燃料的燃料流量用以 调整第一燃料和第二燃料的比例，对第三混和燃料的第三热值进行前馈控制。


当参照附图研读如下详细描述时，本发明的这些及其它特征、方面和优点将变得 更容易理解，所有附图中的相似标号表示相似的部分，在附图中图1为具有燃气轮机、蒸汽轮机、热回收蒸汽发生系统以及燃料气体系统的联合循环发电系统实施例的示意性流程图；图2为可产生燃料气体源来在燃料气体系统内使用的炼钢设备实施例的工艺流 程图；图3为包括燃料气体清洁和混合系统、燃料气体压缩系统和燃料气体控制模块的 燃料气体系统实施例的工艺流程图；图4为图3中的燃料气体系统的燃料气体清洁和混合系统实施例的示 意性流程 图；图5为图3中的燃料气体系统的燃料气体压缩系统实施例的示意性流程图；图6为图3中的燃料气体系统的燃料气体控制模块实施例的示意性流程图；图7为绘出在从燃料传输加载到燃气轮机基本负载期间燃料气体的预定目标 LHV (target LHV schedule)和实测 LHV 的图表；图8为图3中的燃料气体系统的控制器所使用的控制器逻辑的实施例；图9为绘出在利用图8中的控制器逻辑从燃料传输加载到燃气轮机基本负载的期 间，图7的预定目标LHV与燃料气体的实测LHV的图表；以及图10为利用图8中的控制器逻辑来控制气体混合的方法实施例的流程图。零件清单10联合循环发电系统12燃气轮机14第一负载16 涡轮18燃烧室20压缩机22蒸汽轮机24第二负载26低压区段28中压区段30高压区段32热回收蒸汽产生系统34热排气36冷凝器38冷凝泵64燃料气体系统66燃料气体68炼钢设备70炼焦炉72 煤74 焦料76炼焦炉气体78铁矿石
80鼓风炉82 生铁85 转炉86 钢88转炉气体90燃料气体清洁和混合系统92燃料气体压缩系统94燃料气体控制模块96控制器98鼓风炉气体供送管线100炼焦炉气体供送管线102鼓风炉气体隔离阀104炼焦炉气体隔离阀106鼓风炉气体色谱仪108炼焦炉气体色谱仪110鼓风炉气体热量计112炼焦炉气体热量计114炼焦炉气体湿式静电除尘器116复合流湿式静电除尘器118鼓风炉气体_炼焦炉气体混和点120炼焦炉气体流量控制阀122炼焦炉气体流量计124复合流流量计126复合流隔离阀128第一燃料气体压缩级130第二燃料气体压缩级132第一压缩机134第二压缩机138第一再循环管线142第二再循环管线146高压中间冷却器148低压中间冷却器150调温冷却器152旁通热交换器或冷却器154第一分离器156第二分离器158安全关闭阀160辅助停止阀162燃料过滤器
164气体控制阀166燃料气体热量计168氮气放泄阀170主供送管线172氮气放泄阀174压缩机排出空气供送管线176压缩机排出空气隔离阀178通风阀180 图表182预定目标LHV184 实测 LHV186过冲点188控制器逻辑190前馈控制回路192炼焦炉气体质量流量194反馈控制回路196第一比例积分(PI)控制器198最大/最小极限200 目标 LHV202调整流量204第二 PI控制器206 图表208 实测 LHV210过冲点212 方法214方法步骤216方法步骤218方法步骤220方法步骤222方法步骤224方法步骤
具体实施例方式下文将描述本发明的一个或多个特定实施例。为了提供对这些实施例的简要描 述，说明书中可能并未描述实际实现方式的所有特征。应当认识到的是，在任何这些实际实 现方式的开发中，如任何工程或设计项目中一样，必须作出许多实现方式的特殊决定，以实 现开发者的特定目标，如遵循关于系统和有关商业的约束，这可能从一种实施方式变化成 另一种实施方式。此外，应当认识到的是，这些开发工作可能很复杂且耗时，但对于受益于 本公开内容的那些普通技术人员而言，仍为设计、制作和生产的常规任务。
在介绍本发明的各个实施例的元件时，用词〃 一〃、“一个〃、“该〃，以及〃所述"用来意指存在一个或多个该元件。用语"包括"、“包含"，以及"具有"旨在为包 括性的，且意指存在除所列元件外的其它元件。在有些实施例中，本文所述的系统和方法包括控制在燃料气体系统内的混合，该 燃料气体系统生成在联合循环发电系统的燃气轮机中使用的燃料气体。具体而言，燃料气 体系统可构造成用以接收和混合多种副产气体，例如，来自于炼钢设备的鼓风炉气体和炼 焦炉气体。其中的一种副产气体(例如，鼓风炉气体)的特征可为热值低于典型的燃料气 体，而另一种副产气体(例如，炼焦炉气体)的特征可为热值大于典型的燃料气体。然而，具 有较低热值的气体(例如，鼓风炉气体)的可用量通常明显大于具有较高热值的气体(例 如，炼焦炉气体)。因此，为了产生适于在燃气轮机内燃烧的燃料气体，混合燃料气体(例 如，由鼓风炉气体和炼焦炉气体混合而成)的热值可在工作期间始终控制和保持在一定的 预定目标水平以上。具体而言，燃料气体系统的控制器使用组合的前馈/反馈控制策略。更具体而言， 前馈控制回路利用过程输入和目标热值来预测炼焦炉气体的流量。反馈控制回路基于在燃 气轮机入口处观察到的在混合燃料气体的实测热值与目标热值之间的偏差，以一定的流动 修正因数调整由前馈控制回路所预测的炼焦炉气体流。将前馈回路加至反馈回路可减小在 燃料混合位置与通向燃料气体模块的入口之间的系统响应的时滞。具体而言，前馈回路用 作预测回路，在此预测炼焦炉气体流量设定点，而反馈回路为修正回路，其比较实测热值和 目标热值并修正任何偏差。图1为具有燃气轮机、蒸汽轮机、热回收蒸汽发生(HRSG)系统和燃料气体系统的 联合循环发电系统10实施例的示意性流程图。如下文将更为详细地描述的那样，燃料气体 系统可构造成用以通过混合多种副产气体(例如，来自于炼钢设备的鼓风炉气体和炼焦炉 气体)来将燃料气体输送给燃气轮机。系统10可包括用于驱动第一负载14的燃气轮机12。 例如，第一负载14可为用于发电的发电机。燃气轮机12可包括涡轮16、燃烧器或燃烧室 18，以及压缩机20。系统10还可包括用于驱动第二负载24的蒸汽轮机22。第二负载24也 可为用于发电的发电机。然而，第一负载14和第二负载24两者均可为能够由燃气轮机12 和蒸汽轮机22驱动的其它类型的负载。此外，如所示实施例显示，尽管燃气轮机12和蒸汽 轮机22可驱动单独的负载14和24，但燃气轮机12和蒸汽轮机22也可串接使用，以便通过 单个轴来驱动单个负载。在所示的实施例中，蒸汽轮机22可包括一个低压区段26 (LPST)、 一个中压区段28 (IP ST)和一个高压区段30 (HP ST)。然而，蒸汽轮机22和燃气轮机12的 具体构造可特定地实现，且可包括任何的区段组合。系统10还可包括多级式HRSG 32。来自于燃气轮机12的热排气34可传送至HRSG 32中，且用于加热用来为蒸汽轮机22供以动力的蒸汽。来自于蒸汽轮机22的低压区段26 的排气可引入冷凝器36中。来自于冷凝器36的冷凝物继而可借助于冷凝泵38引入HRSG 32的低压区段中。燃气轮机12可使用来自于燃料气体系统64的燃料气体进行工作。具体而言，燃 料气体系统64可向燃气轮机12供送燃料气体66，该燃料气体66可在燃气轮机12的燃烧 室18内燃烧。尽管天然气可为在燃气轮机12内使用的优选燃料气体，但也可使用任何适合 的燃料气体66。当选择在燃气轮机12内使用的燃料气体时，一个重要的考虑因素在于燃料气体的特征为最小的可接受的低热值(LHV)。最小和最大的可接受LHV将为特定的应用，且 可在燃气轮机12的实施例之间极大地变化。例如，在有些实施例中，最小和最大的可接受 LHV可分别为950kcal/Nm3 (千卡/标准立方米)和1400kcal/Nm3。然而，在其它实施例中， 最小和最大的可接受LHV可分别为1100kcal/Nm3和1500kcal/Nm3。实际上，为1050kcal/ Nm3的最小可接受LHV仅为示例性的，且其实际上可落入宽泛的范围(例如，800kcal/Nm3至 1，500kcal/Nm3 之间)内。如果燃料气体不满足特定的最小可接受LHV，则燃气轮机12可更倾向于不稳定 等。因此，燃料气体系统64可构造成用以确保输送给燃气轮机12的燃料气体66满足最低 标准，如最小可接受LHV。最小可接受LHV实际上可基于变化的工作条件(如环境温度和压 力)、燃气轮机12的变化的工作参数、燃气轮机12的机械条件等而在一定时间内波动。气体的LHV通常涉及气体中的能量，这假定了由燃烧气体中的氢气而形成的水蒸 汽未受到冷凝。相反，气体的上限热值(HHV)通常涉及气体中的能量，这假定由燃烧气体中 的氢气而形成的水蒸汽受到冷凝。为了一致起见，只要涉及热值，本文便将使用LHV。燃料气体系统64可产生以多种方式在燃气轮机12内使用的燃料气体66。在有些 实施例中，燃料气体系统64可由其它的碳氢化合物源产生燃料气体66。例如，燃料气体系 统64可包括煤气化工艺，在其中，由于与蒸汽相互作用以及气化器内的高压和高温，故气 化器以化学方式使煤分解。由此工艺，气化器可产生主要为CO和H2的燃料气体66。该燃 料气体66通常称为〃合成气〃，且可在燃气轮机12的燃烧室18内燃烧，很像天然气。然而，在其它实施例中，燃料气体系统64可接收且进一步处理来自于其它工艺的 燃料气体源，以便产生由燃气轮机12所使用的燃料气体66。例如，在有些实施例中，燃料气 体系统64可接收由炼钢设备所产生的燃料气体源。图2为可产生在燃料气体系统64内使 用的燃料气体源的炼钢设备68实施例的工艺流程图。炼钢设备68的炼钢工艺通常产生作 为副产物的大量特殊气体。例如，如图2中所示，在炼钢中存在三个主要工艺阶段，所有三个均产生气体。具 体而言，炼焦炉70可接收煤72如浙青煤，且在没有氧气的情况使用对煤72的干馏来产生 焦料74。炼焦炉气体76还可作为用于在炼焦炉70内生产焦料74的工艺的副产物而生成。 接下来，由炼焦炉70所产生的焦料74，以及铁矿石78可引入鼓风炉80中。生铁82可在鼓 风炉80内产生。此外，鼓风炉气体84可作为鼓风炉80的副产物而生成。由鼓风炉80所 产生的生铁82然后可引入转炉85中，生铁82在转炉85内可利用氧气和空气而精炼成钢 86。此外，转炉气体88可作为用于在转炉85内炼钢86的工艺的副产物。此外，炼钢设备68可生成三种单独的副产气体，例如，炼焦炉气体76、鼓风炉气 体84和转炉气体88，所有的这些均以不同的化学成分和性质为特征。例如，炼焦炉气体 76通常可包括大约50%至70%的氢气(H2)和25%至30%的甲烷(CH4),且可具有大约 4250kcal/Nm3的LHV。相反，鼓风炉气体84通常可包括大约5%的氢气和20%的一氧化碳 (CO)，且可具有仅为大约700kcal/Nm3的LHV。此外，转炉气体88通常可包括大约60+%的 一氧化碳，且可具有大约2500kcal/Nm3的LHV。因此，鼓风炉气体84可具有远低于炼焦炉 气体76和转炉气体88两者的LHV。另外，通过比较，诸如天然气的其它典型燃料气体可具 有处在鼓风炉气体84的下限值与炼焦炉气体76和转炉气体88的上限值之间的LHV。例 如，天然气通常特征为具有大约lOOOkcal/Nm3至llOOkcal/Nm3之间的LHV。如下文将更为详细地描述的那样，燃料气体系统64可将鼓风炉气体84与炼焦炉气体76相混合来产生满 足最小和最大的可接受LHV阈的燃料气体66。然而，尽管本文所公开的实施例主要针对鼓 风炉气体84和炼焦炉气体76的混合，但本文所述的控制技术可延伸至其它燃料和稀释剂 源的混合。例如，在有些实施例中，本文所述的控制技术可用于控制Corex与氮气的混合， 以获得对于Corex-氮气混合物的目标LHV。燃料气体系统64可包括三个不同的子系统。具体而言，图3为燃料气体系统64 实施例的工艺流程图，该燃料气体系统64包括燃料气体清洁和混合系统90、燃料气体压缩 系统92和燃料气体控制模块94。如上文所述，鼓风炉气体(Bre) 84和炼焦炉气体(COG) 76 可从炼钢设备68输送至燃料气体系统64。如下文参照图4更为详细地描述的那样，鼓风炉 84和炼焦炉气体76可在燃料气体清洁和混合系统90内清洁和混合，从而产生燃料气体66 混和物。此外，如下文参照图5更为详细地描述的那样，清洁和混合的燃料气体66的压力 可在燃料气体压缩系统92内增大。如下文参照图6更为详细地描述的那样，一旦燃料气体 66的压力得到增大，则燃料气体66的流动就可由燃料气体控制模块94来控制。
此外，燃料气体系统64可包括控制器96，其可用于控制燃料气体清洁和混合系统 90、燃料气体压缩系统92和燃料气体控制模块94的工作。具体而言，如下文更为详细地描 述的那样，控制器96可构造成用以调整进入燃料气体系统64中的炼焦炉气体76的流量。 在此情况下，控制器96就能够控制鼓风炉气体84和炼焦炉气体76的混合，使得最后形成 的燃料气体66混和物的LHV满足对于最小和最大的可接受热值的阈。图4至图6为图3中所示的燃料气体系统64的三个主要子系统(例如，燃料气体 清洁和混合系统90、燃料气体压缩系统92和燃料气体控制模块94)的示意性流程图。图4 至图6的特定实施例可不同于图示进行构造。然而，图4至图6中所示的燃料气体清洁和 混合系统90、燃料气体压缩系统92和燃料气体控制模块94的构件示出了根据本技术的燃 料气体系统64的核心构件。具体而言，图4为图3中的燃料气体系统64的燃料气体清洁和混合系统90的实 施例的示意性流程图。鼓风炉气体(Bre)84和炼焦炉气体(COG) 76可分别经由单独的供送 管线(例如，BR；供送管线98和COG供送管线100)接收到燃料气体清洁和混合系统90中。 具体而言，Bre隔离阀102可用于开启或关闭鼓风炉气体84进入Bre供送管线98的流动， 而COG隔离阀104可用于开启或关闭炼焦炉气体76进入COG供送管线100中的流动。更 具体而言，BR；隔离阀102和COG隔离阀104可用于在〃开启〃与〃关闭〃位置之间调整 燃料气体66至燃气轮机12的流动。Bre供送管线98和COG供送管线100可包括至少一个气体色谱仪。具体而言，BTO 供送管线98可包括BR；气体色谱仪106，而COG供送管线100可包括COG气体色谱仪108。 气体色谱仪106，108可用作气体分析装置，用于采集相应气流的LHV、比重、气体成分和其 它测量结果。气体色谱仪106，108例如可每隔几分钟(例如，大约每4或5分钟)对各相 应气流进行采样。除气体色谱仪106，108之外，BR；供送管线98和COG供送管线100两者 均可包括至少一个热量计。具体而言，BR；供送管线98可包括BR；热量计110，而COG供送 管线100可包括COG热量计112。因此，热量计110，112可部分地用于冗余目的。如下文将 更为详细地描述的那样，由气体色谱仪106，108和热量计110，112两者所测得的鼓风炉气 体84和炼焦炉气体76的LHV均可由图3中的控制器96用来确定怎样控制这些气体的流量。在有些实施例中，仅热量计110，112可用来测量对于相应气流的LHV，因为热量计110，112通常具有比气体色谱仪106，108更快的响应时间。燃料气体清洁和混合系统90还可包括两个湿式静电除尘器(WESP)。如图4中所 示，COG WESP 114可位于COG供送管线100中，而复合流TOSP 116可位于Bi7G-COG混和点 118的下游，在该混和点118处，鼓风炉气体84和炼焦炉气体76混和在一起以产生燃料气 体66。C0GTOSP 114可用于提纯炼焦炉气体76分离焦油和颗粒。此外，复合流TOSP 116 可用于提纯燃料气体66混和物分离碎屑和颗粒。在有些实施例中，TOSP单元114，116两者 均可将尺寸形成为具有能够对于相应的气体流处理50%的流量的三个流动管线，且能够在 冗余的平行单元之间进行切换。换言之，WESP单元114，116可构造成具有多个流动管线，其 中的一者可为了可靠性目的而用作冗余流动管线。例如，在其它实施例中，WESP单元114， 116可将尺寸形成为具有能够对于相应的气体流处理25%的流量的五个流动管线。燃料气体清洁和混合系统90还可包括COG流量控制阀120，其位于处在COG WESP 114下游但在Bre-COG混和点118上游的COG供送管线100中。如下文将更为详细地描述 的那样，COG流量控制阀120可用作流动调节器，且可控制和计量炼焦炉气体76用以确保在 燃气轮机12中所使用的燃料气体66的LHV在所有工作状态期间均处于可接受的极限内。 具体而言，COG流量控制阀120可控制和计量高LHV炼焦炉气体76，以便与低LHV鼓风炉气 体84相混合来在燃气轮机12工作极限内升高燃料气体66混和物的LHV。除COG流量控制阀120之外，燃料气体清洁和混合系统90还可包括用于计量鼓风 炉气体84和炼焦炉气体76的流动的两个流量计。具体而言，燃料气体清洁和混合系统90 还可包括COG流量计122，其位于处在COG流量控制阀120下游但在BTO-COG混和点118上 游的COG供送管线100中。此外，燃料气体清洁和混合系统90可包括处在复合流TOSP 116 下游的复合流流量计124。COG流量计122可测量炼焦炉气体76的流量，而复合流流量计 124可测量复合燃料气体66混和物的流量。此外，燃料气体清洁和混合系统90可包括位于 复合流WESP 116与复合流流量计124之间的复合流隔离阀126，除BFG隔离阀102和COG 隔离阀104之外，复合流隔离阀126也可用于在"开启"与"关闭"位置之间调整通向燃 气轮机12的燃料气体66的流动。如上文参照图2所述，炼钢导致产生大量的低LHV鼓风炉气体84。例如，鼓风炉气 体84可具有大约700kcal/Nm3的LHV，且可在略高于大气压力的压力下使用。作为炼钢设 备68的另一副产气体的炼焦炉气体76可与低LHV的鼓风炉气体84相混合，以便将燃料气 体66混和物的热值增大到为燃气轮机12所需的最小可接受LHV。将炼焦炉气体76供送 压力保持为略高于鼓风炉气体84供送压力可确保燃料气体66的充分混合。然而，炼焦炉 气体76还可包含大量的焦油和颗粒。因此，燃料气体清洁和混合系统90可构造成用以在 压缩燃料气体66和将其输送给燃气轮机12之前，从燃料气体66中除去焦油、粉尘和颗粒 (例如，使用 WESP 114，116)。燃料气体系统64的控制策略中的另一考虑因素在于，尽管通常具有最低的LHV， 但鼓风炉气体84是由炼钢设备68所产生的最丰富的副产气体。相反，尽管炼焦炉气体76 为质量较高的气体，但其可用量通常也很小。因此，在评估适合的控制策略时，燃料气体系 统64的控制器96可考虑这些相关量。当在燃料气体清洁和混合系统90中进行清洁和混合之后，燃料气体66混和物可引入燃料气体系统64的燃料气体压缩系统92中。来自于燃料气体清洁和混合系统90的 低压燃料气体66混和物可在燃料气体66注入燃气轮机12的燃烧室18中之前由燃料气体 压缩系统92升压。图5为图3中的燃料气体系统64的燃料气体压缩系统92实施例的示 意性流程图。如图5中所示，燃料气体压缩系统92可包括两个或更多级，例如，第一级128 和第二级130。第一级128和第二级130两者均可包括至少一个压缩机，如离心式压缩机，其可用 于增大燃料气体66的压力。具体而言，第一级128可包括第一压缩机132，而第二级130可 包括第二压缩机134。第一压缩机132和第二压缩机134两者设计成使得来自于第二压缩 机134的燃料气体66的排出压力足够满足燃气轮机12的燃料压力要求。例如，来自于第 二压缩机134的燃料气体66的排出压力可保持为高于大约300磅/平方英寸大气(psia)。 然而，在有些实施例中，来自于第二压缩机134的燃料气体66的排出压力可保持为高于其 它预定阈(例如，200、250、350和400psia)，这取决于燃气轮机12的燃料压力要求。此外，在有些实施例中，燃料气体压缩系统92的第一级128可包括一系列热交换 器或冷却器，例如，高压中间冷却器146、低压中间冷却器148和调温冷却器150。如图5中 所示，这三个冷却器146，148，150可位于第一压缩机132的下游，但在第二级130的上游。 这三个冷却器146，148，150可用于确保进入燃料气体压缩系统92的第二级130中的燃料 气体66的温度保持在预定温度水平以下。例如，进入燃料气体压缩系统92的第二级130 中的燃料气体66可保持为低于104 T。本实施例所解决的一个重要设计考虑因素在于用以控制燃料气体66混和物的 LHV的能力，而不管在由第一压缩机级128和第二压缩机级130以及三个冷却器146，148， 150所引起的燃料气体66混和物中的湿度水平方面的较大变化。具体而言，在由三个冷却 器146，148，150对燃料气体66混和物进行冷却的期间，一定程度的湿度将引入燃料气体66 混和物中。因此，燃料气体66混和物的LHV将由于湿度的引入而变化(例如，减小)。然 而，下文将更为详细地描述的控制技术可解决在湿度水平方面的这些变化，且将燃料气体 66混和物的LHV充分地控制在对于燃料气体66混和物的目标水平。此外，在有些实施例中，燃料气体压缩系统92的第二级130可包括位于第二再循 环管线142中的旁通热交换器或冷却器152。旁通冷却器152可用于确保再循环而回到第 二压缩机134中的燃料气体66的温度保持在预定温度水平(例如，80 0F，100 0F，120 0F， 140°F，160°F等)以下。用于旁通冷却器152的入口冷却剂源可为冷却水回路，而出水口 可排出到热注入系统中。此外，燃料气体压缩系统92可包括处于各级128，130中的分离器。具体而言，第 一级128可包括位于第一再循环管线138中的第一分离器154，而第二级130可包括刚好处 在第二压缩机134上游的第二分离器156。分离器154，156可用于从燃料气体66中除去 冷凝水，由于整个高压中间冷却器146、低压中间冷却器148、调温冷却器150和旁通冷却器 152的温度下降，故可将冷凝水引入燃料气体66中。在燃料气体66的压力已经在燃料气体压缩系统92中升高之后，燃料气体66可引 入燃料气体系统64的燃料气体控制模块94中。燃料气体控制模块94可构造成用以控制 燃料气体66经由一系列互连的管路、歧管和放泄系统而进入燃气轮机12的燃烧室18中的 流动。图6为图3中的燃料气体系统64的燃料气体控制模块94实施例的示意性流程图。
燃料气体控制模块94可包括用于紧急关闭燃料气体66进入燃气轮机12中的安 全关闭阀(SSOV) 158和辅助停止阀160。燃料气体控制模块94还可包括用以保护燃气轮机 12的燃烧室18免受可存在于燃烧气体66中的碎屑的燃料过滤器162。此外，燃料气体控 制模块94可包括并行的一系列气体控制阀164，其可控制燃料气体66进入燃气轮机12的 燃烧室18的流动。在所示的实施例中，并行地使用两个气体控制阀164。然而，也可使用任 何适合数量的气体控制阀164。此外，燃料气体控制模块94可包括燃料气体热量计166，其 可用于在清洁、混合和压缩之后测量燃料气体66混和物的LHV。燃料气体控制模块94还可 包括用于测量进行输送的燃料气体66的温度和压力的温度传感器和压力传感器。燃料气体控制模块94还可包括惰性氮气(N2)和压缩机排出空气的放泄系统，其 可在燃料传输、启动和停机期间使用。具体而言，燃料气体控制模块94可包括处于主供送 管线170中的两个氮气放泄阀168，例如，一个处在气体控制阀164的上游，而另一个则处在 气体控制阀164的下游。氮气放泄阀168可用于控制氮气进入燃料气体66混和物中的流 动。另外，燃料气体控制模块94可包括位于压缩机排出空气供送管线174中的一个氮气放 泄阀172。压缩机排出空气供送管线174还可包括两个压缩机排出空气隔离阀176，其可用 于控制压缩机排出空气进入燃料气体66混和物中的流动。燃料气体控制模块94还可包括 多个通风阀178。通常，如上文所述，燃料气体控制模块94可构造成用以控制燃料气体66进入燃 气轮机12的燃烧室18中的流动。此外，燃料过滤器162可有助于确保输送给燃气轮机12 的燃料气体66相对而言没有碎屑，否则这会不利地影响燃气轮机12的性能。此外，氮气和 压缩机排出空气放泄系统可有助于确保保持燃料气体66的一些参数(例如，压力、燃料比
寸J ο燃料气体系统64可设计成使用液体燃料来启动。压缩机排出空气可用于在稳态 液体燃料工作期间放泄燃料气体66。歧管管路和压缩机排出空气供送管线174可在鼓风炉 气体84引入燃料气体系统64中之前放泄有氮气。这可有助于减小由于鼓风炉气体84与 热的压缩机排出空气相混和而造成在管路中自动点火的可能性。一旦达到稳定的功率输出 点，则燃料气体系统64便可从使用液体燃料转变成鼓风炉气体84燃料。在燃料气体系统 64从液体燃料切换至鼓风炉气体84燃料的该点处，气体控制阀164可仅开启大约10%的 最小行程，或诸如5%、15%、20%等的一些其它最小行程。图7为绘出从燃料传输加载至燃气轮机12的基本负载期间燃料气体66的预定目 标LHV182和实测LHV 184的图表180。换言之，图表180主要绘出了从燃料气体系统64由 液体燃料转变成燃料气体的时间点处至达到燃气轮机12的基本负载的时间点处的预定目 标LHV182和实测LHV 184。应当注意的是，实测LHV 184基于瞬态模型模拟结果，该结果可 包括仪器响应时间、在Bre-COG混和点118与通向燃料气体控制模块94的入口之间的时滞 等。该模型还包括来自于管路、设备等的所有时滞。例如，如图所示，在燃气轮机12加载大约45%的情况下，预定目标LHV182可处在较高值。一旦达到燃气轮机12的一定基本负载(例如，大约70%)，则预定目标LHV182可 为较低值。预定目标LHV182可在这两个负载条件之间逐渐减小。然而，如图7中所示，燃 料气体66的实际测得的LHV 184不会完美地遵循预定目标LHV182。这可部分地归因于响 应滞后。一个具体的问题可能是过冲和下冲的可能性。例如，在过冲点186处，燃料气体66的热值可能不足以减小燃烧不稳定的可能性。此外，低于最小LHV阈的下冲可引起燃烧熄 灭。因此，为了增加足够的裕度来减小燃料不稳定的可能性，在鼓风炉气体84和炼焦炉气 体76之间的混合可更为有效地受到控制，使得输送给燃气轮机12的燃料气体66的LHV满 足预定目标LHV182。如上文参照图4所述，炼焦炉气体76流由COG流量控制阀120控制和计量。此 夕卜，如图4中所示，鼓风炉气体84和炼焦炉气体76的LHV由气体色谱仪106，108和热量计 110，112测得。此外，如图6中所示，燃料气体66混和物的LHV由燃料气体热量计166在燃 料气体控制模块94的入口处测得。此外，如图4中所示，鼓风炉气体84和炼焦炉气体76 的流量由流量计122，124测得。利用这些实测值，燃料气体系统64的控制器96可使用前馈/反馈控制策略来控 制鼓风炉气体84和炼焦炉气体76的混合。图8为由图3中的燃料气体系统64的控制器 96所使用的控制器逻辑188的实施例。前馈控制回路190使用上述实测值和目标LHV来根 据物质平衡方程预测炼焦炉气体的质量流量192 预测的<formula>formula see original document page 14</formula>其中，代。是燃料气体66的总质量流量，W5to是来自于炼钢设备68的鼓风炉气体 84的质量流量，LHVcog和LHVBre分别是来自于炼钢设备68的鼓风炉气体84和炼焦炉气体 76的LHV。预测的炼焦炉气体质量流量192基于给定工作条件下的燃气轮机12燃料要求 进行计算。反馈控制回路194包括第一比例积分(PI)控制器196和最大/最小极限198，其 将来自于燃料气体热量计166的实测LHV与目标LHV200相比较并确定流动修正因数，用以 调整由前馈控制回路190所预测的炼焦炉气体流量192。反馈控制回路194基于在燃气轮 机12入口处观察到的在对于燃料气体66的实测LHV与目标LHV之间的偏差，利用流动修 正因数调整由前馈控制回路190所预测的炼焦炉气体流量192。调整的流量202然后变成 目标炼焦炉气体76流量，且用作对于第二 PI控制器204的设定点，该第二 PI控制器204 调节COG流量控制阀120用以控制鼓风炉气体84和炼焦炉气体76的混合，从而最终将燃 料气体66混和物的LHV控制在目标值。通过利用炼焦炉气体76流量的前馈预测，控制器逻辑188可确保在混合鼓风炉气 体84和炼焦炉气体76方面的改进以更为有效的方式实现。具体而言，代替对反馈控制回 路194变化的被动反应，控制器逻辑188的前馈性质可主动地预测对于下一连续时间周期 的炼焦炉气体76流量。通过更为主动地对当前工作状态作出反应，控制器逻辑188可有助 于确保燃料气体66的特性满足燃气轮机12的要求。例如，图9为绘出利用图8中的控制器逻辑188从燃料传输加载至燃气轮机12的 基本负载期间，图7中的预定目标LHV182与燃料气体66的实测LHV 208的图表206。如 图所示，实际测得的燃料气体66的LHV 208可比图7中所示的更为接近地遵循预定目标 LHV182。例如，过冲点210和下冲可远小于图7中所示的。实际上，控制器逻辑188的前馈 预测控制在许多情形中可减小或甚至消除任何过冲。因此，燃气轮机12的要求(例如，燃 料气体66的最小和最大的LHV)可更为有效地得到满足。具体而言，可显著减小或消除燃 料不稳定和熄灭的可能性以及其它不利的工作状态。
图10为利用图8中的控制器逻辑来控制气体混合的方法212实施例的流程图。在步骤214，第一气体和第二气体可进行混和以产生气体混和物。具体而言，第一气体和第二 气体可为从炼钢设备68接收到的鼓风炉气体84和炼焦炉气体76，用以产生由燃气轮机12 使用的燃料气体66混和物。在步骤216，可确定第一气体和第二气体以及最终所得的气体 混和物的特性。例如，如图4中所示，鼓风炉气体84和炼焦炉气体76的LHV可由燃料气体 清洁和混合系统90的气体色谱仪106，108和热量计110，112测得。此外，如图6中所示，燃 料气体66混和物的LHV可由燃料气体热量计166在燃料气体控制模块94的入口处测得。 此外，如图4中所示，鼓风炉气体84和炼焦炉气体76的流量可由燃料气体清洁和混合系统 90的流量计122，124测得。在步骤218，可确定气体混和物的第一特性的目标值。例如，可确定对于燃料气体 66混和物的目标LHV。在步骤220，可利用前馈控制逻辑与第一气体、第二气体和气体混和 物的已确定特性(根据步骤216)来确定第二气体的第二特性的预测值。具体而言，可利用 鼓风炉气体84、炼焦炉气体76和燃料气体66混和物的前馈控制逻辑和实测LHV，以及在步 骤216所确定的鼓风炉气体84和燃料气体66混和物的实测流量来确定炼焦炉气体76流 量的预测值。在步骤222，第二气体的第二特性的修正因数可利用反馈控制逻辑，通过将气 体混和物的第一特性的目标值与气体混和物的第一特性的实测值相比较来确定第二气体 的第二特性的修正因数。例如，基于燃料气体66混和物的目标LHV与燃料气体66混和物 的实测LHV之间观察到的偏差来确定炼焦炉气体76流量的修正因数。在步骤224，第二气体的第二特性的调整值可通过将修正因数(根据步骤220)与 预测值(根据步骤222)相比较来确定。具体而言，炼焦炉气体76流量的调整值可基于满 足燃料气体66混和物的目标LHV所需的修正来确定。在步骤226，可基于在步骤224所确 定的调整值来调整第二气体的第二特性。例如，炼焦炉气体76的流量可通过基于调整值来 调节图4中的流量控制阀120来进行调整。本发明的技术效果包括提供具有控制器逻辑188的控制器96，该控制器逻辑188 构造成用于控制来自于炼钢设备68的鼓风炉气体84和炼焦炉气体76的混合。通过控制这 两种炼钢设备68副产气体的混合，控制器96可确保输送给燃气轮机12的燃料气体66混 和物的特性满足对于燃气轮机12的一些工作参数。例如，输送给燃气轮机12的燃料气体 66的热值可保持在可接受的最小值和最大值以内。在此情况下，可提高燃气轮机12的工作 稳定性。具体而言，可最大限度地减少燃气轮机12的燃烧熄灭和失速。此外，通过确保鼓 风炉气体84和炼焦炉气体76的混合更为有效地实现，可提高对炼钢设备68的这些副产气 体内能量的回收。还应当注意的是，尽管本文所公开的实施例针对鼓风炉气体84和炼焦炉 气体76的混合，但本文所述的控制技术还可延伸至其它燃料和稀释剂源的混合。例如，在 有些实施例中，本文所述的控制技术可用于控制Corex与氮气的混合，以获得Corex-氮气 混合物的目标LHV。本书面说明使用了包括最佳模式的实例来公开本发明，且还使本领域的技术人员 能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何相结合的方法。本发明的专 利范围由权利要求限定，并且可包括本领域的技术人员所构思出的其它实例。如果这些其它 实例具有与权利要求的书面语言并无不同的结构元件，或者如果这些其它实例包括与权利要 求的书面语言无实质差异的同等结构元件，则认为这些实例落在权利要求的范围之内。
权利要求
一种系统，包括燃料系统(64)，其包括燃料混合系统(90)，其构造成用以将第一燃料(84)与第二燃料(76)以一定比例混合来产生第三混和燃料(66)，其中，所述第一燃料(84)具有第一热值，所述第二燃料(76)具有第二热值，以及所述第三混和燃料(66)具有第三热值，其中，所述第一热值小于所述第二热值；以及前馈控制器(96)，其构造成用以调整所述第一燃料(84)与所述第二燃料(76)的比例来修正所述第三热值。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述前馈控制器(96)构造成用以至少部 分地基于在所述第三混和燃料(66)的湿度水平方面的变化来调整所述第一燃料(84)和所 述第二燃料(76)的比例，其中，在湿度水平方面的所述变化通过对所述第三混和燃料(66) 的冷却引起。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述前馈控制器(96)构造成用以至少部 分地基于所述第一燃料(84)、所述第二燃料(76)、所述第三混和燃料(66)或其组合的实测 的流量和热值来预测所述第二燃料(76)的调整流量，用以修正所述第三热值。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统包括热量计(110，112)和流量计 (122，124)，其中，所述热量计(110,112)将所述第一燃料(84)、所述第二燃料(76)以及所 述第三混和燃料(66)的实测热值提供给所述前馈控制器(96)，所述流量计(122，124)将实 测的燃料流量提供给所述前馈控制器(96)。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述前馈控制器(96)构造成用以至少部 分地基于实测的热值和燃料流量来确定所述第一燃料(84)和/或所述第二燃料(76)的燃 料流量的预测值。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，反馈控制器(194)构造成用以至少部分地 基于在所述第三混和燃料(66)的目标热值与所述第三混和燃料(66)的实测热值之间的比 较来确定所述第一燃料(84)和/或所述第二燃料(76)的燃料流量的修正因数。
7.一种方法，包括将第一燃料(84)与第二燃料(76)以一定比例混合来产生第三混和燃料(66)，其中，所 述第一燃料具有第一热值，所述第二燃料具有第二热值，以及所述第三混和燃料(66)具有 第三热值，其中，所述第一热值不同于所述第二热值；以及通过至少部分地基于在对于所述第三热值的测量结果与目标之间的比较来预测和修 正所述第一燃料(84)和/或所述第二燃料(76)的燃料流量用以调整所述第一燃料(84) 和所述第二燃料(76)的比例，对所述第三混和燃料(66)的第三热值进行前馈控制。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法包括从鼓风炉(80)接收作为鼓风炉气体(84)的所述第一燃料(84)；以及从炼焦炉(70)接收作为炼焦炉气体(76)的所述第二燃料(76)。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法包括测量所述鼓风炉气体(84)、所述炼焦炉气体(76)和所述第三混和燃料(66)的热值；测量所述鼓风炉气体(84)和所述燃料气体混和物(66)的燃料流量；确定所述第三混和燃料(66)的目标热值；利用前馈控制逻辑(190)与所述鼓风炉气体(84)、所述炼焦炉气体(76)和所述第三混 和燃料(66)的实测热值，以及所述鼓风炉气体(84)和所述第三混和燃料(66)的实测燃料 流量来确定所述炼焦炉气体(76)的燃料流量的预测值；利用反馈控制逻辑(194)，通过将所述第三混和燃料(66)的目标热值与所述第三混和 燃料(66)的实测热值相比较来确定所述炼焦炉气体(76)的燃料流量的修正因数；通过将所述修正因数与所述预测值相比较来确定所述炼焦炉气体(76)的燃料流量的 调整值；通过基于所述调整值调节所述炼焦炉气体(76)流经其的流量控制阀(120)来调整所 述炼焦炉气体(76)的燃料流量；以及将包括所述比例的炼焦炉气体(76)和鼓风炉气体(84)的所述第三混和燃料(66)输 送给涡轮发动机(12)。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述前馈控制包括至少部分地基于所述 第一燃料(84)、所述第二燃料(76)和所述第三混和燃料(66)的实测热值以及所述第一燃 料(84)和所述第三混和燃料(66)的燃料流量来确定所述第二燃料(76)的燃料流量的预 测值。
全文摘要
本发明涉及低热值燃料气体混合控制。具体而言，一种方法包括将第一燃料(84)与第二燃料(76)以一定比例混合来产生第三混和燃料(66)。第一燃料(84)具有第一热值，第二燃料(76)具有第二热值，以及第三混和燃料(66)具有第三热值。此外，第一热值不同于第二热值。该方法还包括通过至少部分地基于在对于第三热值的测量结果和目标之间的比较来预测和修正第一燃料(84)和/或第二燃料(76)的燃料流量用以调整第一燃料(84)和第二燃料(76)的比例，对第三混和燃料(66)的第三热值进行前馈控制。
文档编号F02C9/40GK101832183SQ20101014392
公开日2010年9月15日 申请日期2010年3月10日 优先权日2009年3月10日
发明者A·巴特纳加, D·W·小鲍尔, J·R·艾顿, K·R·埃斯特拉达 申请人:通用电气公司