用于操作燃烧装置的方法和系统与流程

本发明大体涉及与燃气涡轮相关的燃烧技术领域。更特别地，本发明涉及用于操作燃烧装置的方法和系统。

背景技术：

公知的是，排放法规要求低污染物排放水平，由于预混合燃烧技术，其在当前技术水平下可通常在没有任何水添加的情况下在气体燃料操作中达到。然而，在液体燃料操作中，对于大部分燃气涡轮，为了防止脉动(pulsation)、高NO_x排放和焚烧器/燃烧器过热，NO_x水的添加是强制的。引入的水和燃料的量之间的比率大体称为参数ω(NO_x水与燃料油质量流比率)。对于给定操作点，不同的燃烧器特性可如何对NO_x水或ω的变化的比例作出反应的示例在图1中示出，其中还指出由于排放规定引起的可能的操作限制或者由于燃烧器脉动水平引起的寿命影响。图2示出图1的视图，其中，指出最优值ω*，其应当在燃烧过程期间保持以避免高脉动，以保持低于NO_x限制规定，且同时，包含在可接受范围的水消耗内。

燃气涡轮燃烧器操作需要在宽的操作范围内对于脉动和排放优化。典型地，NO_x水质量流根据燃气涡轮过程变量(诸如，例如VIGV位置和涡轮排气温度)安排。这些功能在发动机调整期间基于几个点处的燃烧器映射结果和稳定状态下的边界条件预限定。典型地，燃烧器性能受到环境条件、燃料性质和硬件条件等的极大影响。预定NO_x水与燃料油质量流比率(ω)对于特定发动机和在调整的时间处的操作和边界条件下是最优的，但是在连续的商业操作期间，最优可不同。

当前方案的缺点是对脉动和NO_x限制的高裕度需要被包括在参数设定中以便覆盖操作中的期望变量，这导致较高的NO_x水消耗和因此重要的操作成本。而且，如果在边界条件或燃烧特性中出现比预期更大的偏离，则可经受非期望的事件，从而导致排放不合规，或者由于脉动和因此引起的减少的发动机可靠性而导致的保护动作。额外地，ω的现场调整安排是耗时的，且导致增加的试运转和停机期间。

自动ω调整在US6679060B2、EP1215382B1中基于脉动、材料温度和火焰位置之中的至少一者的测量提出。这些可用于优化脉动和过热风险，但是仍然可导致高NO_x水平和NO_x水消耗。

技术实现要素：

本发明的目的是通过提供如根据独立权利要求1大致限定的用于操作燃烧装置的系统解决上述技术问题。

本发明的另一个目的是提供如独立权利要求9中大致限定的用于操作燃烧装置的方法。

根据本发明的方面，该目的通过用于控制燃气涡轮的燃烧过程的系统达到，燃气涡轮包括燃烧器和配置成控制限定为NO_x水和燃料油质量流之间的比率的参数ω的燃料馈送系统，其中，系统包括用于测量燃烧器的排气中的NO_x排放水平的器具；用于测量燃烧过程变量的测量布置；控制器，其配置成分别从器具和测量布置接收对应于所测量的NO_x和过程变量的输入信号，以基于输入信号细算用于参数ω的值且生成和发送对应于所计算的值的引导到燃料馈送系统的输出信号。

根据本发明的优选方面，用于测量NO_x排放水平的器具能够在短于20秒的时间范围内执行这种操作。

更优选地，用于测量NO_x排放水平的器具能够在短于10秒的时间范围内执行这种操作。

更优选地，用于测量NO_x排放水平的器具能够在短于2秒的时间范围内执行这种操作。

甚至更优选地，用于测量NO_x排放水平的器具能够在短于1秒的时间范围内执行这种操作。

根据本发明的优选方面，测量布置可包括配置成测量燃烧器内的脉动水平的装置。

根据本发明的优选方面，用于测量NO_x排放水平的器具可包括提供纳米和/或微晶纤维的阵列的光学传感器装置。

根据本发明的优选方面，系统可包括位于燃烧器压室中的流体样本提取组件，其中，用于测量NO_x排放水平的器具位于环境条件下且流体地连接到流体样本提取组件。

根据本发明的优选方面，用于测量NO_x排放水平的器具包括位于燃烧器压室内的传感器和连接到其的评估单元，评估单元继而位于环境条件下。

根据本发明的优选方面，控制器可包括用于基于所测量的NO_x排放和脉动的水平计算Δω的第一器件。

根据本发明的优选方面，控制器可包括用于根据所测量的过程变量的预定函数计算参数ω'的第二器件。

根据本发明的优选方面，控制器可包括减法装置，其配置成接收对应于通过第二器件计算的ω'的值和通过第一器件计算的Δω的值的输入信号，且生成和发送对应于值：ω=ω'-Δω的输出信号到燃料馈送系统。

根据本发明的另一个目的，提供了用于控制燃气涡轮的燃烧过程的方法，燃气涡轮包括至少一个燃烧器和配置成控制限定为NO_x水质量和燃料油流之间的比率的参数ω的燃料馈送系统，所述方法包括如下步骤：测量燃烧器的排气中的NO_x排放水平；测量燃烧过程变量；基于NO_x排放和所测量的过程变量细算用于参数ω的值，且生成对应于值ω的引导到燃料馈送系统的输出信号。

根据本发明的优选方面，测量NO_x排放水平在短于20秒的时间范围内执行。

更优选地，NO_x测量在短于10秒的时间范围内执行。

更优选地，NO_x测量在短于2秒的时间范围内执行。

甚至更优选地，NO_x测量在短于1秒的时间范围内执行。

根据本发明的优选方面，测量燃烧过程变量可包括测量燃烧器内的脉动水平。

根据本发明的优选方面，细算用于所述参数ω的值的步骤可包括根据所测量的过程变量的预定函数计算参数ω'。

根据本发明的优选方面，细算用于所述参数ω的值的步骤可包括基于所测量的NO_x排放和脉动的水平计算Δω的步骤。

根据本发明的优选方面，细算用于所述参数ω的值的步骤可包括从ω'减去Δω以及生成和发送对应于值ω=ω'-Δω的输出信号到燃料馈送系统的步骤。

附图说明

参考附图，在阅读仅用于例证的目的给出的其优选实施例的以下非限制描述后，本发明的目的、优点和其他特征将变得更显而易见，贯穿附图的类似的附图标记可用于表示类似的元件，且在其中：

图1和图2示出指出过程的ω和其他过程变量之间的各种关联的操作图；

图3示出根据本发明用于控制燃烧过程的系统的简图；

图4示出用于测量NO_x排放水平的器具的部署的第一示例；

图5和图6示出用于测量NO_x排放水平的器具的部署的第二示例；

图7示出用于测量NO_x排放水平的器具的部署的第三示例；

图8和图9示出用于测量NO_x排放水平的器具的部署的第四示例；

图10示出根据本发明的方法的控制逻辑的第一实施例的框图；

图11更详细地示出图10的图的一部分；

图12示出根据本发明的方法的控制逻辑的第二实施例的框图；

图13和图14示出了显示根据预定关联的参数ω的变化的图表。

图15和图16分别示出用于不同类型的燃烧器和级选项的示例的不同分组。

现在将参考上述附图描述本发明的示例性优选实施例。

具体实施方式

参考图3，示出了根据本发明用于控制燃烧过程的系统1的简图。更特别地，系统1与燃气涡轮2关联，燃气涡轮2继而包括压缩机区段21、燃烧器22和涡轮区段23。系统1还与燃料馈送系统关联，燃料馈送系统在图3的图解中大体利用附图标记3表示。燃料馈送系统3包括馈送燃料到燃烧器22中的第一器件31和控制参数ω的第二器件32，因此实现水到燃料的添加。

系统1包括适于测量燃烧器22中产生的和/或燃烧器22的排气221中的NO_x排放水平的器具4，以及用于测量其他过程变量的测量布置51、52。更特别地，布置51适于测量诸如例如TAT(涡轮后温度)、VIGV(可变入口导叶角度)、LHV(低热值)和β(燃料气体质量流与总燃料质量流的比率)的过程变量，后者通过以下公式限定：

布置51配置成通过计算燃料和水的流来测量参数ω的当前值。

布置52配置成测量燃烧器内的脉动水平。

根据本发明的系统1包括控制器6，诸如数据处理器，其配置成分别从器具4和从测量布置51、52接收对应于所测量的NO_x水平和其他过程变量的输入信号7，以基于那些输入信号细算用于参数ω的值，且发送相应的输出信号81(燃料油质量流命令)和82(NO_x水质量流命令)到燃料馈送系统3，燃料馈送系统3继而调节过程的参数ω，换言之，燃烧器中引入的燃料-水乳液的水的比率。

燃料馈送系统是本领域中公知的配置，且因此此处将省略对其的详细描述。

有利地，用于测量NO_x水平的器具4能够在短于二十秒的时间范围内测量NO_x排放。

根据优选实施例，这种NO_x水平测量可在短于十秒的时间范围内执行。根据优选实施例，这种NO_x水平测量可在短于两秒的时间范围内执行。

根据优选实施例，这种NO_x水平测量可在短于一秒的时间范围内执行。

以这种方式，所要求的测量可足够快的实现，以确保不仅基于过程变量，而是最重要地，基于NO_x水平对ω的最优控制。

特别而言，用于燃气涡轮闭环控制的典型时间间隔(周期时间)是五十毫秒。因此，参数ω每五十毫秒细算一次。

用于测量NO_x水平的器具4可利用基于分子水平测量的使用受激拉曼散射的技术。

作为优选和非限制的示例，器具4可包括用于热电厂的燃烧过程的局部分析的光学传感器装置，其包括直接或间接暴露于热燃烧气体的至少一个波长选择型光学元件。更特别地，光学元件是通过剪切流结晶作用创造的纳米和/或微晶纤维的阵列。

这种装置在本领域中是公知的，且在US 2007/0133921中描述。借助于这种光学装置，可在短于20秒的时间范围内实现尤其用于NO_x污染物排放水平的局部气体诊断。

根据优选实施例，在US 2007/0133921中描述的光学装置可适于在短于十秒的时间范围内达到这种NO_x排放水平。

根据优选实施例，在US 2007/0133921中描述的光学装置可适于在短于两秒的时间范围内达到这种NO_x排放水平。

根据优选实施例，在US 2007/0133921中描述的光学装置可适于在短于一秒的时间范围内达到这种NO_x排放水平。

接下来参考图4，示出了根据本发明用于控制燃烧过程的系统的可能配置。特别而言，用于测量NO_x排放的器具4定位在环境条件(接近20摄氏度和101.3 kPa)且在燃烧器压室225(接近700 K和2 Mpa)中被燃气涡轮外壳224环绕的排气16借助于定位在燃烧器压室225内且流体地连接到器具4的流体样本提取组件13提取。排气16被引导通过冷却器9和减压阀10。然后，待分析的气体通过旁路管道14引导到器具4，旁路管道14包括一个或多个过滤器11和优选地干燥器12。器具4执行测量、计算NO_x水平值且发送相应的输出信号7到控制器6。通过器具4的排气然后借助于排放口15排出。有利地，排气通过旁路管道14的旁路流允许测量时间的减少。

现在参考后面的图5和图6，绘出了根据本发明用于控制燃烧过程的系统的可能配置的另一示例。在该情形中，用于测量NO_x水平的器具包括定位在通过燃气涡轮外壳224和燃烧内衬226限定的燃烧器压室225内的传感器41。传感器41感测通过上游过滤器19来自燃烧室222的热气体18，在燃烧室222处，温度大约为1700 K且压力等于2 Mpa。用于测量NO_x水平的器具还包括电子评估单元42，其发送对应于NO_x当前值的输出信号7到控制器6。

参考图7，示出了位于环境条件的器具4的又一示例。所示出的配置类似于图5中的配置，其中，唯一的区别在于没有减压阀且其通过提取泵30替换，提取泵30定位在器具4的下游，配置成通过样本提取组件13取出位于燃烧器压室225中的热气体样本16。

备选地，如图8和图9中所示，传感器41可位于燃气涡轮气体罩50内，其中温度大约600 摄氏度且压力等于101.3 kPa，且传感器41然后连接到电子评估单元42，其位于如例如图6中说明的示例所描述的环境条件下。

用于如所描述地控制燃烧过程的系统根据如下文中描述的方法操作。

根据本发明的方法包括如下步骤：测量燃烧器的排气中的NO_x排放水平；测量燃烧过程变量；基于所测量的NO_x排放水平和过程变量细算用于参数ω的值；生成对应于所计算的ω的输出信号且将其发送到燃料馈送系统。

根据优选实施例，NO_x测量在短于二十秒的时间范围内实现。

根据优选实施例，NO_x测量在短于十秒的时间范围内实现。

根据优选实施例，NO_x测量在短于两秒的时间范围内实现。

根据甚至更优选的实施例，NO_x测量在短于一秒的时间范围内实现。

现在参考图10，示出了说明根据本发明的方法的框图。特别而言，利用标号7总体指出的所测量的量包括对应于所测量的NO_x水平72的信号、脉动水平71和其他过程变量，像TAT 73、VIGV 74和β 75，以引用一些非限制示例。

信号7到达控制器单元6，在那里其被细算以便生成用于待发送到燃料馈送系统的参数ω的值。特别而言，控制器6包括第一器件61，其接收分别对应于所测量的NO_x和脉动的水平的输入信号72和71，用于计算代表ω的值的可能减少的Δω，如将在下文更好地说明的那样。

控制器6还包括第二器件62，其接收过程变量测量73、74和75作为输入信号。第二器件62基于所述测量的过程变量的预定函数细算值ω'。在图13中，图表示出了这些典型函数的图。其基于燃烧器映射结果限定，以便与高脉动和高NO_x排放物区域保持足够的裕度。第二器件62以对本领域技术人员公知的方式利用这些函数来计算ω'。

然而，燃烧器性能受到环境条件、燃料性质和硬件条件的极大影响。预定ω的功能对于一般发动机且在一般操作条件下最优，但是通常导致太高的NO_x水消耗，带有显著的成本增加。

第一器件61和第二器件62分别发送减少值Δω和值ω'到减法装置63，其生成且发送到燃料馈送系统对应于值ω = ω' - Δω的输出信号。

所生成的ω值和对应于燃料油质量流命令的信号81发送到乘法器64，其生成发送到燃料馈送系统的NO_x水质量流命令82。

根据优选实施例，对应于所测量的脉动水平的信号71在第一器件61的上游发送到减法装置65。减法装置65从预定脉动限制值减去所测量的脉动值，且结果在带有迟滞的情况下馈送到阈值框66。阈值框66继而连接到开关67。其在两个输入：0或来自第一器件61的Δω(如上文中详述的那样)之间切换。如果所测量的脉动低于脉动限制，则Δω将被选定且传递到梯度限制器68，且随后到减法装置63。否则，如果脉动限制已经到达或者传递，则0将被选定，且将不允许减少Δω。

参考下一个图11，将更好地详述第一器件61，现在将论述其。特别而言，所测量的脉动71馈送到减法装置611，其计算在预定脉动限制和所测量的脉动71之间的差异。装置611然后将结果馈送到功能框612，其在图的右底部的角落中以更好的细节示出。功能框612具有的目的在于，从预定NO_x排放水平限制来计算必要的减少以便保持燃烧远离高脉动区域。在框612的图表中，x代表通过减法装置611馈送的输入，其为脉动限制和所测量的脉动71之间的差异。在方案中利用标号711标识的输出f(x)指出NO_x从根据x所计算的NO_x限制的必要减少。

随后，框613通过从NO_x限制值减去所计算的NO_x的减少711计算NO_x目标值712。第一器件61还包括PI控制器614，其接收NO_x目标值712和NO_x测量值72之间的差异(通过减法装置615计算)作为输入，且基于当前NO_x测量值72生成可能的减少Δω作为输出。

为了防止过度燃烧且保持NO_x水系统运转，需要最小NO_x水质量流。框616是除法器，其计算待确保的最小ω。

用于控制器6的备选实施例在下一个图12中呈现。其与图11中示出的实施例的不同在于如下事实，使用函数生成器框61'，其生成可能的减少Δω。特别而言，框61'可基于所测量的NO_x水平排放减少ω。图14示出典型的示例，包括用于对应NO_x排放测量水平的各种ω曲线。

将理解，对于具有若干燃料级的燃烧工艺，根据本发明的系统有利地对每个燃料级控制参数ω，以便最大限度减少NO_x排放、脉动和总体水消耗。

此外，对于带有多个焚烧器或燃烧器/罐的燃烧过程，如所描述的那样的多个测量系统还可用于检测有问题的罐或燃烧器区段。

对于带有多个焚烧器或燃烧器/罐以及多种燃料和多个燃料和/或NO_x水控制的燃烧过程，如所描述的那样的多个测量系统可用于调整多个质量流，以便最大限度减少排放、脉动和总体水消耗。

还将理解，根据本发明的系统和方法可应用到带有分离的燃料组或级的筒形燃烧器、环状燃烧器、罐状燃烧器、连续燃烧器、分级燃烧器和其任何组合。

图15示出用于不同类型的燃烧器的不同分组。特别而言，图15a示出用于环状燃烧器的焚烧器分组A/B；图15b示出用于罐状燃烧器的燃料分级分组A/B；图15c示出用于罐状燃烧器的罐分组A/B。

最后，图16示出分级选项的示例。特别而言，燃料喷射级利用与燃烧器22的焚烧器2221和燃烧室222关联的标号100和200表示。

虽然已经结合仅有限数目的实施例详细描述了本发明，但是应当容易理解本发明不限于这些公开的实施例。而是，本发明可被修改以包含先前未描述但是与本发明的精神和范围相当的任何数目的变型、备选、替代或等同配置。另外，虽然已经描述了本发明的各种实施例，但是应当理解本发明的方面可仅包括所述实施例中的一些。因此，本发明不被视为受限于前述描述，而是仅通过所附权利要求的范围限制。