用于燃气涡轮的自动化燃料混合和控制的系统和方法 【技术领域】
本发明大体上涉及燃气涡轮，更具体地说，涉及用于将辅助气体与主要气体燃料混合并使用混合后的燃料混合物来操作燃气涡轮的系统控制。
背景技术
装备有干式低NOX(Dry Low NOx：DLN)燃烧系统的重型燃气涡轮通常运行于100％的管路天然气燃料。近年来，天然气燃料价格持续显著地上涨，迫使燃气涡轮发电厂寻求天然气燃料的替代物。许多发电厂正在评估使用替代燃料，例如进口的液化天然气(liquefiednatural gas：LNG)，如在美国以及世界的其它部分已允许若干终端以引进LNG。采用燃气涡轮的某些工业和石油化学商业在化学工艺期间也将生产含氢工艺气体(也被称为废气)作为副产物。这些工艺气体经常具有极大的热值。工艺气体包含氢以及烃类，例如甲烷、乙烷等。这种商业希望通过使一定百分比的工艺废气与其主要的天然气燃料供应相混合，从而减少用于燃气涡轮的天然气燃料消耗。在其它情况下，可将非燃料气体添加到燃料空气混合物中，以增强燃气涡轮的功率输出。
装备有低氮氧化物(NOX)排放燃烧系统的燃气涡轮通常采用被称为贫燃预混合燃烧的工艺，其中，燃料和燃烧空气在燃烧区域的上游进行混合，以控制和限制热的NOX的产生。这种燃烧系统经常在相对较窄的燃料喷射器压力比和燃料成分的范围内运转良好。如果燃气涡轮燃烧系统在该范围外运行，那么，燃烧动力水平(由于振荡的燃烧过程而引起的噪声压力波)可能变得足够大而对燃烧部件造成显著损伤，从而缩短维护间隔或甚至导致不可修理的硬件损伤和被迫停机。历史上，管路天然气成分通常且尤其在其沃泊指数(Wobbe Index：WI)和修正沃泊指数(Modified Wobbe Index：MWI)方面非常轻微地变化。利用方程MWI＝[LHV/sqrt(SG*T)]来计算MWI，其中，LHV(Lower HeatingValue)代表燃料的较低热值(BTU/SCFT)，SG代表燃料气体相对于空气的比重，T代表兰氏(Rankine)气体燃料温度(也被称为绝对温度)。燃气涡轮的燃料喷嘴的大小是针对天然气燃料MWI变化的有限范围，并在燃气涡轮工业中通常接受±5％的MWI允许变化。
对于许多低NOX燃烧系统，当进入的气体燃料的MWI由于燃料温度的变化或影响较低热值(LHV)的燃料成分的变化而发生变化时，经常需要燃料调度的周期性调整，以保持可接受的动力水平。这种燃料调度调整(也被称为“重调”)昂贵，需要来自原始设备制造商(OEM)的受过培训的专家和装备。
因此，涡轮设备供应商通常严格地控制用于DLN(干式低NOX)燃气涡轮的燃料含量。结果，燃料规格通常不容许贫燃预混合燃烧系统的燃料气体中存在任何量的氢气，因为氢气引起增加的风险。
Vandervort的美国专利6,082,092公开了通过监测气体的修正沃泊指数(MWI)，可上下调整燃料的预热温度，以将气体燃料MWI保持在燃烧系统所需的相对较窄的范围内。
在各种完全不同的应用中，已经试图利用天然气燃料与其它气体燃料的混合物来作为混合燃料。Stuttaford发明的美国专利6,874,323描述了一种方法，操作带有特殊燃烧器结构的燃气涡轮，从而通过向燃气涡轮的燃烧室供应天然气和氢气的混合物而实现整个较低的氮氧化物的排放，使得氢气的局部浓度在燃烧室中的燃烧混合物之前大于混合物质量的0.1％质量比，小于混合物的20％质量比。Uematsu等发明的美国专利6,282,883显示了一种在燃烧氢气和氧气以产生用于驱动涡轮的高温蒸汽地氢气燃烧涡轮设备中设置的简易设备启动。由Roche等人发明的美国专利6,890,671涉及燃料电池发电厂，更具体地说，涉及来自多个燃料源的燃料电池发电厂的运行。对于运行于多种燃料的燃料电池发电厂提供了燃料混合控制布置。
然而，上述现有技术均没有提供用于在DLN燃气涡轮燃烧器中将辅助气体或气体燃料与主要气体燃料相混合的系统，该DLN燃气涡轮燃烧器在所有燃烧器喷嘴中将燃料混合物预混合，并在单个下游燃烧区域内燃烧。同样，现有技术不控制燃料混合物以避免燃烧动力并保持低的涡轮废气排放。此外，相对于燃料的混合，在这种应用中没有描述将诸如氮气和二氧化碳的非燃料替代气体添加到主要气体燃料中。
因此，需要提供一种容许燃气涡轮发电厂的物主同时减少天然气燃料消耗、减少温室气体排放、减少操作成本和增加燃料适应性的系统。该系统必须控制和调制注入到装备有低NOX排放燃烧控制的燃气涡轮的主要气体燃料系统中的替代气体或替代燃料(例如氢气、丙烷、丁烷、LNG等)的量，使得混合后的燃料气体属性处于燃料喷嘴设计的可接受的范围内。
【发明内容】
本发明涉及一种针对干式低NOX(DLN)燃气涡轮的运行而将低廉的辅助气体与主要气体燃料相混合的灵活且自动的系统和方法。根据第一方面，提供了一种DLN燃气涡轮，其容许使用主要气体燃料和辅助气体的燃料混合物的运行。燃气涡轮包括主要气体燃料供应系统和辅助气体供应系统。多个燃烧器各包括单个下游燃烧区域，该单个下游燃烧区域由居中位于燃烧器的轴线上的中心燃料喷嘴和多个围绕中心喷嘴而同心地布置的主要喷嘴供应。主要喷嘴和中心燃料喷嘴将燃料混合物与用于燃烧器的空气预混合。燃料混合物包括来自主要气体燃料供应系统的主要气体燃料和来自辅助气体供应系统的辅助气体。
DLN燃气涡轮还提供了一种燃气涡轮控制系统、排放控制监测系统以及混合燃料控制功能。混合燃料控制功能包括燃料品质监测系统和燃烧动力监测系统，适合于根据燃料混合物的品质的预定范围和燃烧动力的避免而控制来自主要气体燃料供应的主要气体燃料和来自辅助气体供应系统的辅助气体的燃料混合物。
根据本发明的第二方面，针对燃烧器提供了一种使用主要气体燃料和辅助气体的燃料混合物来操作DLN燃气涡轮的方法，这种燃烧器具备单个下游燃烧区域，该单个下游燃烧区域由居中位于燃烧器的轴线上的中心燃料喷嘴和多个围绕中心喷嘴而同心地布置的主要喷嘴供应。主要喷嘴和中心燃料喷嘴将燃料混合物与用于燃烧器的空气预混合。
该方法包括供应来自主要气体燃料供应的主要气体燃料和供应来自辅助气体供应的辅助气体，并使用主要气体燃料和辅助气体的预定范围内的燃料混合物来操作燃气涡轮的至少一个燃烧器。该方法还包括在使用燃料混合物的运行期间监测燃料混合物的品质和监测燃烧噪声。该方法根据燃料混合物的品质的可允许的范围和燃烧动力的避免而控制来自主要气体燃料供应的主要气体燃料和来自辅助气体供应系统的辅助气体的燃料混合物。
【附图说明】
当参照附图并阅读以下详细描述时，将更好地理解本发明的这些以及其它的特征、方面和优势，其中，在所有附图中，相似的标号表示相似的部件，其中：
图1提供了显示替代燃料(例如氢气、丙烷、丁烷等)的注入对天然气燃料的MWI的影响的图；
图2显示了涡轮排放和燃料控制的示意图；
图3显示了用于本发明的燃料混合和控制系统的实施例的示意图；以及
图4显示了将辅助气体与主要气体燃料混合的方法的流程。
部件列表
105+5％沃泊边界
110+5％沃泊边界
120丁烷气体混合物
130丙烷气体混合物
140氢气燃料混合物
200燃料控制系统
205入口导管
210入口导向叶片
215压缩机
220驱动轴
230涡轮
235发电机
240燃料
245燃料输送系统
246链路
250压缩空气
255燃烧器
256热气体
260排气导管
285燃烧声音监测器
286控制信号
305主要气体燃料供应
290控制器
295排放监测
296对控制器的排气排放反馈
305主要气体燃料供应
310主要气体燃料加热器
315主要燃料流控制
320辅助气体供应
325辅助气体加热器
330辅助气体流控制
335气体燃料传感器
336/341主要温度/辅助温度
337/342主要压力/辅助压力
338/343主要流速/辅助流速
339/344主要燃料成分/辅助燃料成分
355所计算的混合流的MWI
360传感器
365所测量的混合燃料的MWI
375燃烧动力监测仪器
380控制器
【具体实施方式】
本发明的以下实施例具有许多优势，包括提供了一种将所需数量的替代气体混合到用于DLN燃气涡轮的主要天然气燃料中的方法和系统。替代气体可以是替代气体燃料(例如氢气、乙烷、丁烷、丙烷、LNG等)或惰性气体，例如氮气和二氧化碳。实施例提供了一种灵活且自动的控制方法论，由此可补充相对廉价的替代气体作为燃气涡轮的天然气消耗部分。本发明的关键要素包括将现有燃气涡轮控制器与用于引入所需数量的替代气体的替代气体注入模块、用于测量混合后的燃料混合物的属性的燃料品质传感器(例如气体色谱仪系统)以及用于监测燃烧过程的传感器一体地结合。根据现场配置和现有的燃料输送系统硬件，替代燃料注入模块可与气体燃料加热器、燃料管路(管道)一体地结合，或者作为分开/独立的用于调制混合后的燃料气体属性的台架。燃气涡轮中的替代气体燃料的消耗可导致为发电厂的物主节省相当多的天然气燃料，减少温室气体的排放并节省了运行成本。此外，可消除与工艺气体的设置(例如储存、净化、燃烧等)相关联的另外成本。
该系统通过使发电厂混合一定数量的替代气体而增加了装配有干式低NOX排放燃烧系统的燃气涡轮的燃料灵活性。这种燃料灵活性可导致相当可观的天然气燃料节省，并为发电厂的物主降低了燃气涡轮的运行成本。容许5％的氢气混合的方案可导致估计为每个涡轮每年节省几百万美元的燃料。用户燃料的节省可随着天然气价格的提高而提高，或者随着增加氢气混合的量而提高。
以下呈现的方法论将控制主要气体燃料和辅助气体的比率，使得混合燃料的燃料属性(例如MWI、温度、压力)的变化处于典型的低NOX排放燃烧系统的可接受的范围内。燃气涡轮的燃料灵活性增强并允许替代燃料的消耗，且无需对燃烧系统进行昂贵的硬件改进。另外，这里公开的自动且灵活的控制方法论可用于混合若干辅助气体燃料，例如氢气、乙烷、丁烷、丙烷、LNG等以及其它稀释气体。
图1显示了辅助气体燃料(例如氢气、丙烷、丁烷等)的注入对具备主要天然气燃料的燃料混合物的MWI的影响。天然气成分与北美的某些部分中的发电厂基于条例所消耗的典型的管路品质天然气燃料相对应。在燃气涡轮工业中，对于燃料喷嘴而言，通常接受土5％的MWI允许变化。图1显示了燃料混合物(气体在华氏300度)的MWI的百分比变化对具备天然气的燃料混合物中的特定辅助气体燃料的百分比。对于大约5％的丁烷气体下的丁烷气体燃料混合物120而言，越过了+5％的沃泊边界105。对于大约8％的丙烷气体燃料混合物下的丙烷气体燃料混合物130而言，越过了+5％的沃泊边界105。对于大约18％的氢气下的氢气燃料混合物140而言，越过了-5％的沃泊边界110。虽然附图显示了某些辅助燃料的相对较大的百分比的混合将MWI改变小于5％，但是存在着防止混合大量辅助燃料的其它实际的运行约束。
本发明的燃料供应系统将包括燃料品质监测传感器(例如气体色谱仪系统或其它用于测量气体种类浓度的装置)，从而确定燃料气体成分，因而容许计算进入的气体燃料的LHV。所确定的进入气体燃料的LHV继而用于确定瞬时的MWI，并自动地调制主要气体燃料和辅助气体燃料的混合比。还通过将增加或降低气体预热温度的需求反馈至燃料加热器控制系统，从而可采用宽得多的燃料成分范围和由此引起的MWI水平，而不发生燃烧动力水平的显著变化和NOX排放的最小变化。
辅助气体供应系统用于将受控数量的辅助气体混合到主要气体燃料供应系统中。辅助气体供应系统可包括气体控制阀、停止阀、互连管道、压力计、质量流量计、温度计等，并可类似于主要天然气燃料供应系统的现有布置。辅助气体供应系统可为模块化的形式。
可对燃气涡轮控制器软件进行改进，使得辅助气体供应可根据需求信号而注入所需量的辅助气体，需求信号可建立在控制器中或可由操作员设定。
图2显示了根据本发明一个实施例的DLN燃气涡轮排放的基本示意图和燃料控制系统200的示意图。入口导管205接收外部空气206，并将空气供应至入口导向叶片210。入口导向叶片210控制流向压缩机215的空气。压缩机215可由燃气涡轮230的驱动轴220驱动。运行涡轮230的驱动轴220驱动用于发电的发电机235。来自燃料输送系统245的燃料240和来自压缩机215的压缩空气250被供应至多个燃烧器255，在燃烧器中，燃料和空气混合并燃烧，以产生热的气体。输送热气体256以驱动涡轮230，并通过排气导管260排出。燃气涡轮控制器290(例如，通用电气公司的SpeedtronicTM商标的控制器)提供了对燃气涡轮的全部控制。
控制器290可接收来自燃料输送系统245的混合燃料的测量值和计算值。这种计算值可包括燃料混合物的MWI。控制器290可要求燃料混合物的各种计算值保持在允许的限制内，尤其是混合燃料的MWI保持在允许的限制内。如果混合燃料的测量MWI值或计算MWI值落在允许的范围外，则控制器290可通过使用与燃料输送系统245的链路246来响应调整燃料240的温度和混合。
排放监测系统295对来自排气导管260的排气261进行取样，并向控制器290提供指示和控制信号296。如果排放在使用混合燃料混合物的运行下保持在规格内，则控制器290可通过发信号246通知调整燃料输送系统245的燃料240的温度和混合而起响应。控制系统还可包括位于燃烧器255上的燃烧声音监测器285，向控制器290提供指示和控制信号286，这可说明燃烧器255是否安全地运行。如果燃烧器255未安全地运行在混合的燃料混合物下，则控制器290可通过调整246燃料输送系统245的燃料240的温度和混合而起响应。
图3显示了本发明的燃料混合和控制系统的实施例的示意图。通过主要燃料加热器310和主要燃料流控制315而提供了主要气体燃料供应305。通过辅助气体加热器325和辅助气体流控制330而提供了辅助气体供应320。
用于主要气体燃料和辅助气体的气体供应硬件可包括停止阀、控制阀、限位开关、压力计和温度计、连接法兰、连接管道等。通过燃气涡轮控制器可电动或气动地激活这些阀。
提供主要气体燃料传感器335以测量主要燃料参数，提供辅助气体传感器以测量辅助气体参数。用于主要气体燃料和用于辅助气体的测量参数可包括温度336、341，压力337、342，流速338、343以及气体成分339、344。
燃料品质监测可能需要提供气体色谱仪或其它用于气体成分的测量的相似仪器。备选地，具备现有气体色谱仪的发电厂可将这些仪器集成到系统的实施例中。燃料品质监测传感器可安装在主要气体燃料和辅助气体的单独的流路径或混合燃料的流路径中。气体色谱仪提供了单独的气体成分(例如甲烷、乙烷、丁烷、丙烷、氢气)的相对浓度，从而可在系统内执行加权计算，以确定所测量的气体流的LHV和MWI。
针对主要燃料流和辅助气体流而提供的传感器分别产生这两个流的测量，这可用于计算混合流355的MWI。备选地，传感器360可测量或直接监测混合燃料，用于确定混合燃料的MWI 365。
构件可完全封闭在紧凑的台架中，或者可根据典型的发电厂中的可用空间作为单独的工件而安装。根据典型的发电厂的配置，可为辅助气体供应管路添加其它所需的硬件，例如燃料加热器、过滤器、气体压缩机等。
可对现有的燃气涡轮控制器软件进行改进，以允许辅助气体注入并允许混合燃料运行。可向控制软件添加操作员接口模块，以提供使涡轮操作员传送所需燃料混合需求信号的能力。备选地，操作员接口可与发电厂控制器一体地结合，从而可将自动的辅助气体混合需求信号发送至燃气涡轮控制器。
提供燃烧动力监测仪器375以感测用于燃气涡轮的多个燃烧器255内的性能。燃烧动力监测仪器将向控制器380提供燃烧噪声输入，该控制器将用于对于给定的混合燃料混合物评估低NOX燃烧系统中的可接受的动力水平。如果使用混合燃料的运行产生了不可接受的燃烧动力水平，那么，控制器可改进用于主要气体燃料和/或辅助气体的燃料混合或温度。
燃料混合需求信号将容许辅助气体燃料供应以预定的斜率注入所需的量的辅助燃料，使得MWI保持在燃料喷嘴的规定限制内。
操作员通知警报器也将警告控制室操作员引入燃气涡轮中的辅助燃料的量。如果混合燃料超出允许的范围外，则控制器软件将启动燃气涡轮返回至100％的主要气体燃料。
控制系统380还可与排放监测系统370一体地结合，以调整燃料混合物和温度，从而可减小对排放的影响。
图4显示了将辅助气体与主要气体燃料混合的方法的流程。在第一步骤410中，对于将与主要气体燃料相混合的辅助气体，规定了混合百分比。在步骤420中，由系统控制器命令辅助气体供应系统在规定的温度下提供指定百分比的辅助气体，从而供应与燃气涡轮的运行条件所需要的燃料温度相一致的混合燃料。在步骤430中，规定的辅助气体的添加可斜线上升到所需的混合度。在步骤440中，仪器和燃料品质传感器监测燃料混合物。燃料品质传感器可以是色谱仪或其它确定燃料混合物的分子成分的仪器。在步骤445中，可从测量参数中计算出混合燃料的MWI。在步骤450中，可将混合燃料的MWI与所需的MWI相比，该MWI由系统控制器针对燃料而提供。如果混合燃料的MWI在预先设计的公差内不符合燃料的所需MWI，那么，在步骤455中，可调整辅助气体温度，并可减少辅助气体流。如果混合燃料的MWI在预先设计的公差内，那么，在步骤440中，继续监测混合燃料。
此外，在步骤460中，当使用主要气体燃料和辅助气体的混合物来进行运行时，排放控制传感器监测燃气涡轮的排气排放。在步骤465中，将排放与规定的排放限制相比。如果排放在限制内，那么在每个步骤460中继续排放的监测。如果在步骤465中，排放落在规定的排放范围外，那么控制器可在步骤455中调整主要气体燃料和辅助气体的温度以及主要气体燃料流和辅助气体流，以使排放恢复到步骤465中的区间内。
此外，在步骤470中，燃烧声学传感器可监测燃烧器内的噪声水平，并向控制器提供以用于分析。在步骤475中，控制器分析燃烧过程，并且，在步骤480中，确定燃烧过程是否使用混合燃料来安全地进行运行。如果燃烧过程不在可接受的限制内，那么，在步骤455中，可调整用于主要气体燃料和辅助气体的温度和流速，以恢复令人满意的燃烧动力。如果燃烧运行另人满意，那么在每个步骤470中继续监测燃烧。
在对不令人满意的MWI、燃烧动力或排放的任何以上响应中，响应可包括返回至使用100％的主要气体燃料的运行。
混合燃料系统和方法将容许发电厂客户降低运行成本，并在对公用电网系统的电力销售的日常投标中更好地竞争。此外，这种混合燃料系统和方法是环保的。这种混合燃料系统可在现有的燃气涡轮系统上进行改装，或者应用于新的提案。
在本发明的一个这种实施例中，可将作为辅助气体燃料的氢气与天然气燃料混合。在这种混合物中，所需的天然气燃料和辅助氢气的混合可包括大约5％的氢气的优选混合。另一实施例可包括作为辅助气体燃料的大约10％的氢气与作为主要气体燃料的天然气的组合。
此外，混合系统硬件和控制方法论可按比例地适应各种燃气涡轮框架的尺寸。
虽然本文中描述了各种实施例，但从说明书中应该领会，可进行其要素、变型或改进的各种组合，且在本发明的范围内。