用于控制由燃烧涡轮排放的固体微粒的量的过程和设施的制作方法

本发明涉及燃烧涡轮或燃气涡轮，且尤其涉及在液体燃料的燃烧期间由燃气涡轮排放的固体微粒的浓度的控制。

背景技术：

宽范围的液体燃料可用于供给燃烧涡轮。这主要包括重燃油、原油、重或轻蒸馏油、汽油、煤油、石脑油、生物柴油、生物乙醇等。

重油型燃料包含钒和其他类型的杂质，包括硫，且因此，其燃烧生成类似于固体微粒的固体灰。

基于燃烧涡轮的构造中的燃烧系统的性能，液体或气体燃料可生成粉尘或灰的排放物以及通常固体微粒，其通过烟囱释放到大气。

在固体微粒之中，烟灰很大程度上对应于粉尘的有机部分，且包括碳、氢以及可能地氧和氮。

固体微粒还可包含矿物部分，其大体由碱金属或重金属构成。

世界各地全球性或地区性实行的关于燃烧涡轮的规定对于排放到大气中的固体微粒设置了最大限制。

例如，当使用液体燃料的燃烧涡轮以其额定速度工作时，从固定燃烧涡轮到大气的粉尘排放的最大值应当为50mg/Nm³。

为了限制所排放的固体微粒的量，通常使用燃烧催化剂。

存在不同类型的燃烧催化剂，其能够减少设施中的烟灰排放。燃烧催化剂的选择取决于燃料的类型、所使用的设施类型和规定所实行的固体微粒的最大浓度。

技术实现要素：

鉴于上文，本发明具有控制由燃烧涡轮排放的固体微粒的量的目的，而不管燃烧涡轮的操作状况如何。

因此，本发明具有提供在液体燃料的燃烧期间通过喷射适合于减少在燃烧期间生成的固体微粒的量的燃烧催化剂来控制由燃烧涡轮排放的固体微粒的量的方法的主要目的。

该方法包括如下步骤：

测量在燃烧期间排放的微粒的量；

在所测量的微粒的量高于最大阈值时，喷射燃烧催化剂到燃烧涡轮中；

在所测量的微粒的量低于最小阈值时，停止催化剂的喷射。

这些过程步骤允许执行循环阶段，始终关注催化剂的喷射的迟滞，因此允许对排放的微粒的量的更精确的控制，和/或优化燃烧催化剂的消耗。

有利地，燃烧涡轮的火焰温度大于或等于1363K(1090℃)。

例如，催化剂在燃烧涡轮的燃烧系统的上游喷射到液体燃料系统供给管线中。

备选地，催化剂可直接喷射到燃烧涡轮单元中。

有利地，微粒的浓度的最大阈值在45mg/Nm³和55mg/Nm³之间。该浓度范围涉及由世界范围内的管理机构实行的到大气的微粒排放物的最大限制。

关于最小目标值，该微粒浓度在20 mg/Nm³和30 mg/Nm³之间。

优选地，燃烧催化剂至少包括从氧化铁(三价)、氧化铈(三价)、氧化铈(四价)及其混合物选择的成分。

优选地，所排放的微粒的量连续地测量。

本发明还具有在使用液体燃料时控制由燃烧涡轮排放的固体微粒的量的目的，包括喷射适合于减少由设施生成的微粒的量的燃烧催化剂的装置。

该系统还包括测量所排放的微粒的量的装置和适合于控制喷射装置的中央控制单元，以便在所测量的微粒的量高于最大阈值时将燃烧催化剂喷射到燃烧涡轮中，以及在所测量的微粒的量达到最小目标值时停止催化剂的喷射。

本发明还涉及燃气涡轮设施，其包括如上文限定的控制系统。

附图说明

本发明的其他目的、特性和优点在仅借助于非限制示例给定且参考附图的以下描述中提供，在附图中：

图1是根据本发明包括控制系统的燃气涡轮的设施的构造的概要图；以及

图2示出曲线，其示出燃料喷射的连续阶段和喷射的停止。

具体实施方式

首先，请参考图1，其示出根据本发明的实施例的燃烧涡轮系统的结构。

如图可见，由大体参考标号1标记的燃烧涡轮依次包括：压缩机2，其确保在燃烧涡轮的入口处进入的环境空气的压缩；一个或多个燃烧室3，在其中来自压缩机的压缩空气与燃料混合且点燃；以及涡轮膨胀器4，点燃的气体在其中膨胀，以产生用于驱动压缩机的机械能和提供实施燃烧涡轮的应用所需的机械能。

在出口处，气体通过连接到能量回收锅炉6的排气系统5回收，用于通过烟囱7抽到外部。

燃烧室3利用燃料供给，在该情形中通过连接到燃料源9且配备有流调整器10的入口管线8的液体燃料。

如较早指出的那样，燃烧室3中的燃烧产生固体微粒，诸如烟灰。这些微粒穿过涡轮膨胀器4、排气系统5、锅炉6，且通过烟囱7排放到外部。

燃烧涡轮系统1包括喷射装置10以将燃烧催化剂喷射到燃气涡轮中，以便减少固体微粒的量，以及更具体地在燃烧期间生成的固体的浓度。

喷射装置10可直接连接到燃烧室3，以便将燃烧催化剂喷射到燃烧室中。

如所示出的那样，其还可连接到液体燃料供给管线8，以便将燃烧催化剂喷射到供给管线8中。

喷射装置10包括中央控制单元11、用于测量在烟囱12的出口处排放的微粒的浓度的器件12和用于测量供给管线8中的液体燃料流的测量器件13。

中央控制单元11包括第一控制级14，其包括映射15，根据燃料的基准流值Q_refcomb的燃烧催化剂的基准流值Q_refcat储存在其中。根据由测量器件13输送的燃料的流值QF，第一控制级14从映射15检索指令催化剂流值C_cat。

换言之，其涉及根据液体燃料流修改燃烧催化剂喷射流，其自身取决于由燃烧涡轮驱动的元件(例如交流发电机)的负荷(charge)水平。

中央控制单元11还包括第二控制级16，其接收通过测量器件12提供的烟灰流值Q_suies。这些测量值使用比较器17和18与最大阈值和最小目标值相比较。

比较器17和18的输出提供到例如通过RF振荡器构成的组合逻辑电路，比较器17和18的输出取决于相对于阈值的烟灰浓度值。

如果烟灰浓度Q_suies高于最大阈值，RF振荡器的输出切换到高水平，且如果烟灰浓度达到最小目标值，切换到低水平，且如果烟灰浓度在最小目标值和最大阈值之间，维持其状态。

燃烧催化剂喷射装置10包括两个冗余催化剂喷射管线L1和L2，其中，一个是预期在设施的正常操作期间使用的喷射管线，且另一个是可选的应急喷射管线。喷射管线各自通过来自组合逻辑电路7的命令信号C_de1和C_de2控制，通过第一部件19(开关类型)控制两个喷射管线L1和L2的操作或停机，以及两个部件20和21(也为开关类型)选择性地控制喷射管线L1和L2的操作。

喷射管线L1和L2中的每一个包括计量泵，分别为P1和P2，其从燃烧催化剂供给系统22供给且由电气马达M驱动，电气马达M自身通过接收命令催化剂流信号C_cat且由命令信号C_de1和C_de2驱动的转换器24由备选源(诸如23)提供动力。计量泵P1和P2中的每一个的输出通过诸如25的阀连接到液体燃料供给管线8。

因此，在中央控制单元11检测到通过测量器件12所测量的烟灰浓度高于最大阈值时，其命令计量泵将命令信号C_de1保持在高水平，以便为马达M提供动力，以便输送从映射15根据燃料流和基准催化剂流检索到的燃烧催化剂流C_cat。

如果固体微粒的浓度变得低于最小目标值，则停止燃烧催化剂的喷射。

例如，对于生成100 MW的额定电功率且每小时消耗大约32吨液体燃料的燃烧涡轮，燃烧催化剂流和液体燃料流之间的比率优选地在0.003%和0.006%之间，其代表在每小时1和2 kg的燃烧催化剂之间。中央控制单元11根据所测量的烟灰微粒的浓度水平控制计量泵。

高于例如在45 mg/Nm³和55 mg/Nm³之间的最大浓度阈值，中央控制单元11启动计量泵。低于例如在20 mg/Nm³和30 mg/Nm³之间的目标值，中央控制单元11停止计量泵。

优选地，最大阈值和目标值将分别设定在50 mg/Nm³和25 mg/Nm³处。浓度水平的连续监视使得能够稍后重新启动计量泵。

如较早指出的那样，在第一喷射L1管线失效的情况下，第二喷射L2管线基于信号C_de2和C_cat启用以确保催化剂喷射。

现在请参考图2，其示出所描述的控制系统的操作。

该图示出微粒浓度随时间的变化(曲线A)，且示出沉积在涡轮的内壁上的催化剂的层的厚度D₁..D_n、D_n+1随时间的演化。

如在图2中可见，燃烧催化剂的喷射阶段因此在燃烧涡轮的操作期间以循环方式实施。

燃烧催化剂喷射的两个周期之间的间隔基于设施的配置。连续喷射的两个周期之间的期间(T₁、T₂、T₃、T_n-1、T_n、T_n+1等)随设施使用的时间增大。然而，T_n对应于燃烧催化剂喷射的两个周期之间的最大期间。T_n+1小于或等于T_n。

然而，应当注意，所喷射的主动燃烧催化剂微粒粘附到设施的壁，形成随时间而厚度变化的活性剂的层，从而产生固体微粒到CO₂的转换的催化效果。

在燃烧催化剂喷射中断之后，粘附到壁的活性微粒继续其催化转换效果。在催化剂喷射中断时，经受燃烧气体的移动和/或传播的活性微粒的层倾向于朝烟囱逐渐带走且被同时消耗。因此，活性微粒的消耗使得在所有活性微粒已经被消耗时，催化效果消失。正是在此时，有必要进行燃烧催化剂的新的喷射。

当这完成时，该效果允许按照间隔执行燃烧催化剂喷射序列，其期间随时间减少，而喷射停止序列相反地按照比例增加，直到对应于活性微粒在设施的壁上的饱和的限制。该饱和现象与沉积物的层的厚度和燃烧气体的传播速度相关。换言之，活性微粒的层不无限地变厚，这是因为在燃烧气体的速度的影响下，沉积物不稳定且倾向于从壁掉落。燃烧催化剂喷射间隔取决于微粒浓度的测量高于25 mg/Nm³以及低于50 mg/Nm³的结果。间隔的期间取决于燃烧设施的壁的内表面、排气流和温度。

用于供给燃烧室的燃料可具有各种类型。例如，我们可使用重燃油、原油、重或轻蒸馏油、汽油、煤油、石脑油、生物柴油、生物乙醇等。然而，应当注意，使用其他液体燃料类型不超出本发明的范围。

我们可使用氧化铈(三价)、氧化铈(四价)或氧化铁或这些催化剂的混合物作为氧化催化剂。烟灰到二氧化碳的转换的化学反应如下：

对于氧化铈(四价)，反应如下：

4 CeO₂ + C (suies) → 2Ce₂O₃ + CO₂。

对于铈(三价)，反应如下：

Ce₂O₃ + ½ O₂ → 2 CeO₂ , 以及

4CeO₂ + C (suies) → 2 Ce₂O₃ + CO₂。

应当注意由于在火焰中氧的存在，铈(三价)转换成铈(四价)：

Ce₂O₃ + ½ O₂ → 2 CeO₂。