专利名称：防止在瞬态操作期间的燃烧不稳定性的方法和系统的制作方法
技术领域：
示例性实施涉及用于防止在燃气涡轮机的瞬态操作期间燃烧不稳定性的方法和系统。更具体地，燃烧特性和动态被改变以消除或降低燃烧不稳定性的风险，尤其是不希望的驻焰事件或二次点燃(re-ignition)的风险，例如在燃气涡轮机中的燃烧过程期间在干式低NOx(DLN)燃烧器的主燃料喷嘴处的闪回/主二次点燃O3RI)。
背景技术：
取决于在燃气涡轮机中使用的燃料混合物的类型，闪回/PRI的风险可能增加。由于使用高质量和低质量燃料的混合物是成本合算的，已经提出了监视燃气涡轮机中的燃烧状态且在探测到闪回/PRI后，采取动作以调整燃料混合物中燃料的相对量和/或空气的流量，从而停止闪回/PRI。更具体地，火焰探测器被定位在燃料和空气预混合通道的排放端的上游，其探测在出现闪回/PRI后放出的光。在探测出现闪回/PRI后，调整燃料流控制阀以消除闪回/ PRI。因此，此方法论是反应性的，因为其仅在燃烧不稳定(即闪回/PRI)已经被探测到时被执行，此时燃气涡轮机操作效率和/或燃气涡轮机设备可能已经遭受损坏或因闪回/PRI 而降级。需要被预测且避免的其它燃烧不稳定性包括燃烧CO排放的不希望的幅值；在低的燃烧器操作温度和涡轮机负载下，尤其是当燃烧低的LHV气体燃料混合物时升高的燃烧压力幅值和波动(冷调)。与高的NOx排放有关的另一类型的燃烧不稳定，在高的燃烧器操作温度和涡轮机负载下，尤其当燃烧高的LHV气体燃料混合物时升高的燃烧压力幅值和波动(热调)。
发明内容
为了成本合算地操作燃气涡轮机，有必要利用具有变化的热和化学成分的不同类型的燃料或燃料的混合物。操作效率将由扩展燃料灵活空间以包括高成本燃料和低成本燃料的混合物(例如高的LHV燃料和低的LHV燃料)而产生。高的LHV燃料，例如天然气(NG)应用中具有高浓度的高碳氢化合物(HHC)、氢气 (H2)的燃料混合物，可改进火焰稳定性，且在部分负载操作状况下扩展涡轮机操作性，但增加了导致严重损坏的闪回/PRI、高动态(压力波动)、燃烧器NOx排放的风险。具有增加的高LHV燃料浓度的高反应性混合物产生了与不希望的火焰波动有关的问题，尤其在瞬态 (增加的速度和功率输出、变化的燃料成分等)操作状况期间。闪回/PRI的结果对于现场涡轮机而言可能是危害极大的，因而在此类燃烧不稳定可能发生时需要探测，使得可采取主动措施以防止它们的出现。例如，通过控制燃烧波动 (振动幅值)的时间变化率和其绝对值，可防止诸如闪回/PRI的燃烧不稳定性的出现。更具体地，监视燃烧波动中的时间变化率可有效地预测闪回/PRI是否将发生，使得能够采取主动措施，即调整燃烧波动中的时间变化率，从而防止或至少降低其出现的风险的措施。能够防止出现的其它燃烧不稳定性包括热调、高LHV燃料的NOx排放、冷调、贫吹散(LBO)和高C0，它们全部由使用低的LHV燃料引起，尤其在冷的环境温度和部分负载操作状况下。本文描述的新方法论的示例性实施方式包括测量绝对动态波动值；计算波动幅值时间变化率；与为这些测量和计算的参数而规定的值进行比较；以及通过提供最快响应的一种或多种方式改变这些参数。改变燃烧特性和动态以防止闪回/PRI和其它燃烧不稳定性的预防性方法包括改变或修改一个或多个燃气涡轮机操作参数，包括燃料对空气比 (FAR)；在燃烧器内的燃料和空气分布(即通过修改燃料分离改变主、次级、引燃、后期的贫喷射；改变燃烧区域之间的空气流分离)；燃料和空气供给变化的绝对值和速率；燃料成分的比率；向燃烧器增加惰性气体和/或水/蒸汽；流速和/或例如C0x、N0x、未燃烧的碳氢化合物等的排放气体组成。改变燃烧动态的所有列举的方式均由涡轮机控制器控制。燃烧控制器基于涡轮机操作状况调整动态增长率，动态增长率与预先设定和/或与“即时计算”的波动幅值的可允许变化率相关联。如先前指出的，波动增长的降低的比率将降低风险或防止闪回/PRI和其它燃烧不稳定性。
图1是图示了燃烧波动中的变化率的图表，其指示了闪回/PRI的增加的风险；图2以示意性形式显示了用来防止闪回/PRI的系统控制器和传感器的示例性实施；图3是显示用于防止闪回/PRI的方法的示例性实施的流程图。零部件列表1燃烧器2空气压缩机3燃气涡轮机4燃料和空气输送阀5燃料混合物阀6燃料流量阀7传感器和流量计8喷射装置9涡轮机控制器10连接线
具体实施例方式图1显示了在示例性测试期间燃烧波动的幅值上的变化率(S卩，压力或噪声上的快速幅度变化)，其中，主燃料分离是总燃料率的75至85%，引燃是总燃料率的0. 2至 1.4%，TCD (在燃烧排放处的温度)为600至800° F，P⑶(在压缩机排放处的压力)为160 至200psi，且燃烧器入口空气流量为45至80pps。波动的粗实线显示了燃烧波动幅值上的变化率，其随着时间过去随着燃烧器操作温度和H2浓度增加而增加。直的实线接近曲线的斜率，从而描绘了在燃烧波动的幅值上的变化率。其它的曲线显示了 H2浓度和燃烧温度。尽管示例性实施方式监视了吐浓度的时间变化率，但也可监视其它气体的时间变化率，包括但不限于丙烷、甲烷、丁烷和乙烷。闪回/PRI被显示成刚好在当粗燃烧波动线到达0时的图上的点前或该点处发生。 图表还显示了在过渡至2100至MOO° F的更高燃烧温度和20至90%的氢气(H2)浓度期间引起闪回/PRI。获得的测试数据指示了在燃烧动态幅值上增加的变化率，和/或燃料反应性变化率(由图1中的H2浓度表示)率，或燃烧器操作温度(图1)、变化率或排放变化率(未显示在图1中)，可被用作指示器以预测PRI的可能性。这些指示器可被单独地使用，和或一起使用，例如，动态幅值的变化率取决于当前燃烧器操作温度或碳氢化合物浓度变化范围，且应该基于它们进行限制。图2显示了用于在瞬态燃气涡轮机操作期间防止燃烧不稳定性的燃气涡轮机系统的示例性实施方式。该系统包括燃烧器1、空气压缩机2、涡轮3、燃料和空气输送阀4、燃料混合阀5、燃料流阀6、传感器和/或流量计7、用于水和/或蒸汽和惰性气体的喷射装置 8、涡轮机控制器9和在涡轮机控制器9以及各种受控制的装置(即阀4、5、6，传感器和流量计7以及喷射装置8)之间的连接线10。喷射装置包括合适的阀(未显示)用于喷射水和/或蒸汽进入燃烧室，再循环废气(EGR)，和/或喷射惰性气体进入燃烧室以防止闪回/ PRI。通过改变被供给至燃气涡轮机系统的燃料对空气比以及燃烧器1内的燃料和空气分布，提供了燃料和空气输送阀4以便获得所需的燃烧参数的变化。例如，为了避免rai 和或高NOx，对于增加的反应性的燃料混合物，可将更多的燃料引向和喷射至燃烧器1的右端/出口(该方法常被称为后期贫喷射)。通过添加各种反应性燃料，提供了燃料混合物阀 5以改变被供给至燃气涡轮机系统的燃料成分。提供了燃料流阀6来调整总的燃料流量和燃料流时间率(fuel flow time rate)。燃料成分传感器和/或流量计7位于燃料混合物阀5的直接下游，用来估计燃料成分。阀4、5、6，传感器和流量计7以及喷射装置8可操作地连接至涡轮机控制器9，涡轮机控制器9基于用于阀和传感器或流量计的存储预定值的比较而产生操作指令。更具体地，当燃烧波动超过允许的值时，涡轮机控制器9选择具有最快响应的控制方式，以降低燃烧波动的绝对幅值和时间率，从而避免闪回/PRI，例如，改变向燃料混合物添加H2(或例如那些先前指定的其它气体)的时间率、空气对燃料比、和/或燃烧器内的燃料分布(改变燃烧区域的负载)。具体地，为了防止或降低燃烧不稳定性的风险，由涡轮机控制器9通过产生操作指令以驱动燃烧器1和涡轮3至预先确定的稳定操作状况，通过改变燃料成分、燃料混合物反应性、燃料对空气比、在燃烧器内的燃料和/或空气分布和/ 或通过添加燃料等，从而降低了燃烧波动的速率。如上所指出的，燃料反应性能够通过添加比甲烷较少反应性的气体(例如CO)或惰性气体(N，CO2)而降低。尽管当速率处于正常的稳定瞬态操作状况之外时以上所述的示例性实施方式监视了燃烧波动的时间变化率且采取了正确的动作，但也可监视或计算其它参数以触发正确的动作。例如，通过此类值估算的燃料反应性因素，如点火延迟和或吹散时间、或燃料易燃性限制或燃料隔热温度，或燃料-空气化学计算比，可被监视且与为正常稳定瞬态操作而预先存储的值进行比较。图3显示了用于在燃气涡轮机瞬态操作期间防止燃烧不稳定或闪回/PRI的一个示例性方法。在第一步骤S30中，预先判定且存储燃气涡轮机燃烧特性，例如绝对幅值和动态幅值上的变化率、燃烧器操作温度、被用来预测和防止闪回/PRI的废气曲线图。在步骤 S31中，涡轮机控制器8比较操作燃烧特性与那些预先储存的特性，例如，比较动态幅值的变化率和预先确定的值。在步骤S32中，判定操作的燃烧特性是否超过在步骤S30中预先确定和存储的值。 如果答案为否，则不要求改变且流程图返回至步骤S31。如果答案为是，则流程图前进至步骤S34，其中确定燃烧特性上的合适变化。步骤S34包括确定应该采取的一个或多个动作， 以最快速地调整燃烧特性，从而防止或降低包括闪回/PRI的燃烧不稳定性的风险。随后，在步骤S35中，涡轮机控制器9取决于紧急性向燃烧修改装置发送指令信号且快速返回至燃烧稳定要求。如先前指出的，燃烧改变装置包括以上所述的阀4、5和6，传感器7和喷射装置8。在步骤S36中，燃烧改变装置修改燃烧特性，且流程图然后返回至步马聚S31 ο该书面描述使用方法和系统的示例性实施来公开本发明，包括最佳模式，且还使得本领域技术人员能够实践本发明，包括制作且使用任何装置或系统且执行任何结合的方法。本发明可被授予专利的范围由权利要求书限定，且可包括由本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例具有与权利要求书的字面语言并无不同的结构元件或过程步骤，或如果它们包括与权利要求书的字面语言并无实质不同的结构元件或过程步骤，则它们意图落在权利要求书的范围内。
权利要求
1.一种操作燃气涡轮机系统的方法，所述燃气涡轮机系统具有连接至燃烧器的分散的燃料和空气输送系统，和用于控制所述燃气涡轮机系统的操作以防止或降低燃烧不稳定性的风险的控制器，所述方法包括使用在所述控制器中的至少一个处理器执行以下步骤在所述控制器的存储器中存储燃烧特性的稳定瞬态时间变化率；在所述燃气涡轮机系统的操作期间，测量燃烧特性的实际操作瞬态时间变化率，其对应于所述燃烧特性的存储的稳定瞬态时间变化率；将燃烧特性的所述实际操作瞬态时间变化率与燃烧特性的所述存储的稳定瞬态时间变化率进行比较；判定燃烧特性的所述实际操作瞬态时间变化率中的至少一个是否超过燃烧特性的所述存储的稳定瞬态时间变化率中的对应的一个；调整至少一个燃气涡轮机操作参数以控制被判定为超过燃烧特性的所述存储的稳定瞬态时间变化率中的对应一个的燃烧特性的所述实际操作瞬态时间变化率中的至少一个。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述燃气涡轮机操作参数包括燃料对空气比(FAR)；在所述燃烧器内的燃料和空气分布(例如通过修改燃料分离改变燃料主、次级、引燃、后期贫喷射；改变在燃烧区域之间的空气流分离)；绝对值和燃料和空气供给变化的速率；燃料成分的比率；向所述燃烧器添加惰性气体和/或水/蒸汽；流速和/或包括 C0X、NOx、碳氢化合物中的一种或多种的排放气体组成。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述控制器降低了所述实际燃烧波动的时间变化率以防止或降低燃烧不稳定性的风险。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制器选择提供了最快速的方式以防止或降低燃烧不稳定性的风险的操作参数。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述控制器控制以下中的至少一个(a) 所述燃料输送系统的阀，用于混合被送至所述燃烧器的高LHV燃料和低LHV燃料的相对量以防止或降低燃烧不稳定性的风险；(b)蒸汽输送系统的阀，用于向所述燃烧器引入蒸汽以防止或降低燃烧不稳定性的风险；(c)水输送系统的阀，用于向燃烧器引入水以防止或降低燃烧不稳定性的风险；(d)燃烧器内的燃料分离以防止或降低燃烧不稳定的风险；(e) 燃烧器内的燃料与空气比，以防止或降低燃烧不稳定性的风险；(f)所述燃烧器内燃烧区域之间的空气流分离以防止或降低燃烧不稳定性的风险；(g)流速和/或包括C0x、N0x和未燃烧的碳氢化合物中的至少一种的排放气体组成，以防止或降低燃烧不稳定性的风险；(h) 用于在所述燃烧器内引入惰性气体的阀，以防止或降低燃烧不稳定性的风险；以及(i)在所述燃烧器内的燃料消耗的速率，以防止或降低燃烧不稳定性的风险。
6.一种燃气涡轮机系统，具有连接至燃烧器的分散的燃料和空气输送系统，和用于控制所述系统的控制器，以防止或降低燃烧不稳定性的风险，所述系统包括与所述控制器相关的存储器，用于存储燃烧特性的稳定瞬态时间变化率；以及传感器，用于在所述燃气涡轮机系统的操作期间，测量燃烧特性的实际操作瞬态时间变化率，其对应于燃烧特性的所述存储的稳定瞬态时间变化率；其中，所述控制器比较燃烧特性的所述实际操作瞬态时间变化率与燃烧特性的所述存储的稳定瞬态时间变化率，且确定燃烧特性的所述实际操作瞬态时间变化率中的至少一个是否超过燃烧特性的所述存储的稳定瞬态时间变化率中的对应一个；其中，所述控制器控制至少一个燃气涡轮机操作参数以控制被判定为超过燃烧特性的所述存储的稳定瞬态时间变化率中的对应一个的燃烧特性的所述实际操作瞬态时间变化率中的至少一个。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述燃气涡轮机操作参数包括燃料对空气比(FAR)；在所述燃烧器内的燃料和空气分布(例如通过修改燃料分离改变燃料主、次要、点燃、后期贫喷射；修改在燃烧区域之间的空气流分离)；绝对值和燃料和空气供给变化率；燃料成分的比率；向所述燃烧器添加惰性气体和/或水/蒸汽；流速和/或包括C0X、 NOx、未燃烧的碳氢化合物中的一种或多种的排放气体组成。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述控制器控制以下中的至少一个(a) 所述燃料输送系统的阀，用于混合被供至所述燃烧器的高LHV燃料和低LHV燃料的相对量， 以防止或降低燃烧不稳定性的风险；(b)蒸汽输送系统的阀，用于向所述燃烧器引入蒸汽以防止或降低燃烧不稳定性的风险；(c)水输送系统的阀，用于向所述燃烧器引入水以防止或降低燃烧不稳定性的风险；(d)在燃烧器内的燃料分离，以防止或降低燃烧不稳定性的风险；(e)在燃烧器内的燃料与空气比，以防止或降低燃烧不稳定性的风险；(f)所述燃烧器内燃烧区域之间的空气流分离，以防止或降低燃烧不稳定性的风险；(g)流速和/或包括C0X、NOx和碳氢化合物中的至少一种的排放气体组成，以防止或降低燃烧不稳定性的风险；(h)用于在所述燃烧器内引入惰性气体的阀，以防止或降低燃烧不稳定性的风险；以及 (i)在所述燃烧器内燃料消耗的速率，以防止或降低燃烧不稳定性的风险。
全文摘要
本发明涉及用于防止或降低在燃气涡轮机中的燃烧不稳定性的风险的方法和系统，其包括利用涡轮机控制器计算机处理器以比较预先确定和存储的稳定燃烧特性，包括特性的变化率，与实际的操作燃烧特性。如果实际的操作燃烧特性与稳定的燃烧特性有差异，则控制器修改最快速地稳定燃气涡轮机的操作的一个或多个燃气涡轮机操作参数。
文档编号F02C9/28GK102454486SQ20111035599
公开日2012年5月16日 申请日期2011年10月27日 优先权日2010年10月27日
发明者J·基尔斯纳, P·波波维克 申请人:通用电气公司