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用于燃料和稀释剂控制的系统
    技术领域 本文公开的主题涉及流量控制系统， 且更特别地， 涉及用于燃料和稀释剂流量控 制的系统。
     背景技术 各种燃烧系统燃烧燃料以产生能量。例如， 整体气化联合循环 (IGCC) 发电设备包 括燃烧燃料以产生驱动负载的能量的一个或多个燃气涡轮发动机。 燃气涡轮发动机所使用 的其中一种燃料可为由 IGCC 发电设备的一个或多个气化器产生的合成气。燃气涡轮发动 机的操作可要求最小燃料喷嘴压力比以防止驻焰、 闪回或其它问题。 结果， 燃气涡轮发动机 可能不能在对于某些燃料 ( 例如合成气 ) 的最低负载之下操作。例如， 在启动期间， 燃气涡 轮发动机可使用天然气操作直至最小负载， 然后过渡至使用合成气操作。此操作极限降低 了燃气涡轮发动机和 IGCC 发电设备的效率。
     发明内容
     以下概述了在范围上与最初要求保护的发明相称的某些实施例。 这些实施例不意 图限制所要求保护的发明的范围， 相反这些实施例仅意图提供本发明的可能形式的简要概 述。事实上， 本发明可包括可与以下详述的实施例相似或相异的多种形式。
     在第一实施例中， 一种系统包括配置成控制进入燃烧系统的燃料喷嘴的第一燃料 的第一流量和第二燃料的第二流量之间的燃料过渡的燃料控制器。 该燃料控制器配置成调 整与第二燃料的第二流量结合的稀释剂的第三流量， 从而将跨越燃料喷嘴的压力比保持在 预定的操作压力比之上。
     在第二实施例中， 燃料控制器配置成控制跨越燃烧系统中的燃料喷嘴的压力比， 以防止闪回或驻焰。该燃料控制器配置成调整与燃料的第二流量结合的稀释剂的第一流 量， 从而将压力比保持在预定的操作压力比之上。
     在第三实施例中， 系统包括燃料控制器， 燃料控制器配置成调整与燃料的第二流 量结合的稀释剂的第一流量， 从而将跨越燃料喷嘴的压力比维持在预定的操作压力比之 上。燃料控制器配置成增加稀释剂的第一流量并降低燃料的第二流量， 以使得燃烧发动机 能够在较低负载下操作。 附图说明
     当参考附图阅读以下具体实施方式时， 本发明的这些和其它特征、 方面以及优点 将变得更好理解， 其中贯穿附图， 相似的标号代表相似的部件， 其中 ：
     图 1 是结合了燃气涡轮发动机与配置成扩展燃气涡轮发动机的操作范围的燃料 控制系统的 IGCC 发电设备的一个实施例的方块图 ；
     图 2 是结合了配置成扩展燃气涡轮发动机的操作范围的燃料控制系统的一个实 施例的燃气涡轮发动机的方块图 ；图 3 是对于根据一个实施例的燃气涡轮发动机的操作包络线的曲线图 ；
     图 4 是配置成扩展燃气涡轮发动机的操作范围的燃料控制系统的一个实施例的 方块图 ；
     图 5 是使用基于时间表控制的燃料控制系统的一个实施例的方块图 ；
     图 6 是使用用于闭环控制的转换函数的燃料控制系统的一个实施例的方块图 ； 以 及
     图 7 是使用用于闭环控制的模型的燃料控制系统的一个实施例的方块图。
     零部件列表
     100 整体煤气化联合循环 (IGCC) 系统
     102 燃料源
     104 给料准备单元
     106 气化器
     108 熔渣
     110 气体净化器
     111 硫
     112 硫处理器 113 盐 114 水处理单元 116 碳捕获系统 118 燃气涡轮发动机 120 燃烧器 122 空气分离单元 (ASU) 123 补充空气压缩机 124 稀释氮气压缩机 (DGAN) 128 冷却塔 130 涡轮 131 驱动轴 132 压缩机 134 负载 136 蒸汽涡轮发动机 138 热回收蒸汽发生 (HRSG) 系统 140 第二负载 142 冷凝器 160 进气段 162 排放段 164 燃烧器外壳 166 燃烧器段 168 第一燃料 170 第一燃料控制阀172 第二燃料 174 第二燃料控制阀 176 稀释剂 178 稀释剂控制阀 180 注射管线 182 燃料控制系统 184 进气段传感器 186 压缩机传感器 188 燃烧器传感器 192 涡轮传感器 194 排放传感器 196 到第一燃料、 第二燃料和 / 或稀释剂控制阀的信号 198 来自传感器的信号 210 燃气涡轮发动机的操作包络线的曲线图 212 x 轴线 214 y 轴线 216 天然气控制阀最小冲程曲线 218 最小 FNPR 曲线 220 代表大约 30％的负载的线 222 操作区域 224 合成气控制阀最小冲程曲线 226 代表大约 15％的负载的线 228 扩展的操作区域 240 燃料控制系统 242 稀释剂管线 244 第二燃料管线 246 第二燃料混合物管线 248 LHV 传感器 250 第一燃料管线 252 燃烧器燃料喷嘴 254 块 256 块 270 使用基于时刻表控制的燃料控制系统 272 稀释剂流量计 274 操作参数块 276 将稀释剂流量从时刻表块进行识别 278 稀释剂流量设定点块 280 稀释剂流量块 282 将稀释剂流量与设定点进行比较的块284 维持阀设定点块 286 调整阀设定点块 300 使用用于闭环控制的转换函数的燃料控制系统 302 用转换函数计算 FNPR 的块 304 将计算的 FNPR 与低低 FNPR 进行比较的块 306 转换至第一燃料的块 308 将计算的 FNPR 与低 FNPR 进行比较的块 310 维持 LHV 设定点块 312 降低 LHV 设定点块 314 将 LHV 和 LHV 设定点进行比较的块 316 维持阀设定点块 318 调整阀设定点块 330 使用用于闭环控制的模型的燃料控制系统 332 实时模型预测 FNPR 的块 334 将预测的 FNPR 与低低 FNPR 进行比较的块 336 将预测的 FNPR 与低 FNPR 进行比较的块具体实施方式
     以下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， 在本说明书中可能不描述实际实施方式的全部特征。 应该理解的是， 在任何此类实际实 施方式的开发中， 如在任何工程或设计项目中一样， 必须做出许多实施方式特定的决定来 达成开发者的特定目标， 例如遵循系统相关和业务相关的限制， 这可能从一个实施方式到 另一个实施方式而不同。而且， 应该理解的是， 此类开发努力可能是复杂而耗时的， 但对于 那些受惠于本发明公开的本领域技术人员仍将成为设计、 制造以及生产中的日常工作。
     当介绍本发明的各种实施例的要件时， 用词 “一” 、 “一个” 、 “该” 以及 “所述” 意在 指存在一个或多个要件。用词 “包括” 、 “包含” 以及 “具有” 意在为包括性的， 并且表示除了 所列举的要件之外可能还有另外的要件。
     如以下所讨论的， 所公开的实施例通过稀释燃料以控制燃料喷嘴压力比 (FNPR) 而增加燃气涡轮发动机的操作范围， 从而使得能够利用燃料在较低负载下进行操作。 此外， 所公开的实施例能够控制跨越燃气涡轮发动机的整个操作范围的 FNPR。 燃气涡轮发动机可 燃烧一种或多种不同的燃料。例如， IGCC 发电设备中所使用的燃气涡轮发动机可燃烧由一 个或多个气化器产生的合成气作为燃料。然而， 合成气的可获得性会受到启动、 关闭、 计划 外停机或例行维护的影响。在此类情况期间， 燃气涡轮发动机可使用天然气而非合成气或 天然气和合成气的组合。 当燃料的发热值之间存在大的差异时， 如对于天然气和合成气， 各 燃料可被引向燃烧系统的单独的燃料喷嘴。 例如， 在某些实施例中， 天然气可被引向主喷嘴 而合成气可被引向辅助喷嘴。由于燃料的设计流率和发热值方面的差异， 主喷嘴的喷嘴面 积可小于辅助喷嘴的喷嘴面积。 在其它实施例中， 其中两种燃料的发热值相近， 一种燃料喷 嘴可用于两种燃料。诸如控制阀的装置可用来调整燃料和 / 或燃料混合物的流率。
     除了燃料， 可将稀释剂引向燃气涡轮机的燃烧器。通常， 稀释剂可包括蒸气或气体， 诸如惰性气体或非燃烧性气体或蒸气。稀释剂的具体示例包括但不限于氮气、 二氧化 碳、 蒸汽、 水蒸气或其组合。和燃料一样， 稀释剂可被引向燃气涡轮发动机的燃烧器中单独 的喷嘴。备选地， 稀释剂可在喷入燃气涡轮发动机之前与一种或多种燃料混合。此外， 诸如 控制阀的装置可控制稀释剂的流率。
     燃料控制系统可向燃料和稀释剂控制阀发送信号， 以控制燃料和稀释剂的流率， 从而控制燃气涡轮发动机的操作范围。为了确定燃料和稀释剂的流率， 控制器可接收基于 测量或计算参数的信号。在以下详细描述的各种实施例中， 燃料控制系统可接收基于 FNPR 的信号， 其定义为燃料供应压力除以燃烧器压力， 例如上游压力除以下游压力。 为了使燃料 流入燃烧器， 燃料供应压力大于燃烧器压力， 这导致大于一的 FNPR。此外， 燃烧器的操作可 限于最小或较低或预定 FNPR 操作的和最大或较高 FNPR 之间的操作。低于最小 FNPR 或高 于最大 FNPR 的操作会导致不期望的燃烧动态变化、 驻焰、 闪回或其它问题。尽管可测量燃 料供应压力， 但燃烧器压力典型地是不能测量的。因此， FNPR 不能直接测量， 但可从其它燃 气涡轮发动机操作状态推出。在以下描述的各种实施例中， 可用于推出 FNPR 的燃气涡轮发 动机操作状态的示例包括但不限于入口导叶 (IGV) 位置、 校正速度、 排放温度、 燃料流率、 燃料低热值 (LHV) 或它们的组合。校正速度指如果入口温度对应于海平面处的环境状态部 件旋转将会所处的速度。 发热值可用于限定燃料的能量特性。例如， 燃料的发热值可限定为由燃烧规定量 的燃料释放的热量。 特别是， LHV 可限定为由燃烧规定量释放的热量 ( 例如， 最初处在 25 摄 氏度或另一基准状态 ) 并将燃烧产物的温度返回至目标温度 ( 例如， 150 摄氏度 )。LHV 可 用兆焦 (MJ) 每公斤 (kg) 为单位表示。在以下讨论中， LHV 可用来指示各种燃料的发热值， 但其并非以任何方式意图限制。 在所公开的实施例的范围内可使用任何其他值来表征给料 的能量和 / 或热输出。
     在当前设想的实施例中， FNPR 可由燃料控制系统用来控制燃料和稀释剂的流率， 从而控制燃气涡轮发动机的操作范围。例如， 所公开的实施例控制稀释剂流量以将 FNPR 维 持在最小 FNPR 和最大 FNPR 之间， 从而维持燃气涡轮发动机的整体性， 而更具体地将 FNPR 维持在最小 FNPR 之上以防止闪回和驻焰。 在最小 FNPR 之上， 火焰被维持远离燃料喷嘴的末 梢适当的距离。 当火焰和燃料喷嘴的末梢之间的距离较小或不存在时， 称为驻焰， 火焰会损 坏燃料喷嘴的末梢。此外， 高于最小 FNPR 的操作可防止闪回， 例如， 上游火焰通过燃料喷嘴 的移动。因此， 最小 FNPR 可限定燃气涡轮发动机的操作包络线的一个边界。在所公开的实 施例中， 将稀释剂添加至燃料具体地维持了合适的 FNPR， 从而基于与燃料相关的最小 FNPR 消除了典型的操作边界。 换言之， 燃料可用稀释剂稀释以维持最小 FNPR， 同时允许燃气涡轮 发动机以燃料在低得多的负载下操作。
     因此， 根据某些实施例， 燃料控制系统可将氮气、 蒸汽或其他稀释剂喷入其中一种 燃料流以调整 FNPR。 具体而言， 多种变量可影响 FNPR， 包括燃料比 ( 当用多种燃料操作时 ) 以及被供应给燃气涡轮发动机的稀释剂的流率。例如， 降低合成气对天然气的比率降低了 FNPR， 且增加稀释剂的流率增加了 FNPR。因此， 在没有稀释剂的情况下， 在最小合成气流率 下操作可能造成 FNPR 下降到低于最小 FNPR。例如， IGCC 发电设备可包括将合成气供应给 燃气涡轮发动机的若干气化器。如果关闭一个或多个气化器， 合成气的总供应可能被降低 到不足以使一个或多个燃气涡轮发动机在最小 FNPR 之上操作的水平。通过提高稀释剂的
     流率来升高 FNPR， 公开的实施例使得燃气涡轮发动机即使在一个或多个气化器关闭时也能 够继续操作。在各种实施例中， 稀释剂可在喷射到燃气涡轮发动机的燃烧器中之前与其中 一种燃料混合。通过调整稀释剂的流率， 燃料控制系统可将操作维持在最小 FNPR 之上， 并 因而有效地增加燃气涡轮发动机的操作范围。增加的操作范围在启动 ( 例如， 从天然气转 换至合成气 )、 低需求时期或气化器的停机时间期间特别有利。
     现在转向附图， 图 1 是产生并燃烧合成气的 IGCC 系统 100 的一个实施例的简图。 如以下详细讨论的， IGCC 系统 100 可包括燃气涡轮发动机燃料控制器的一个实施例， 其将 FNPR 维持在 FNPR 值的合适范围中从而防止闪回或驻焰。IGCC 系统 100 的其它元件可包括 燃料源 102， 其可为固体或液体， 其可用作用于 IGCC 系统的能量源。燃料源 102 可包括煤 炭、 石油焦、 油、 生物质、 木基材料、 农业废弃物、 柏油、 焦炉煤气和沥青， 或其它含碳物品。
     燃料源 102 的燃料可传给给料准备单元 104。 给料准备单元 104 例如可通过砍削、 碾磨、 粉碎、 破碎、 压块来改变燃料源 102 的尺寸或形状， 或堆码燃料源 102 以生成给料。此 外， 在给料准备单元 104 中可将水或其它合适的液体添加至燃料源 102 以生成浆状给料。 在 其它实施例中， 没有向燃料源添加液体， 因而产生了干燥给料。在另外的实施例中， 如果燃 料源 102 是液体， 可省略给料准备单元 104。 给料可从给料准备单元 104 传给气化器 106。 气化器 106 可将给料转换成合成气， 例如， 一氧化碳 (CO) 和氢气的组合。根据采用的气化器 106 的类型， 此转换可通过将给料 置于处于升高的压力 ( 例如， 从大约 20bar 到 85bar) 和温度 ( 例如， 大约 700℃到 1600℃ ) 下的受控量的蒸汽和氧气中而达成。此气化过程可包括经历热解过程的给料， 由此加热给 料。在热解过程期间， 取决于用来产生给料的燃料源 102， 气化器 106 内的温度可在从大约 150℃到 700℃之间变化。 在热解过程期间给料的加热可产生固体 ( 例如， 炭 ) 和残余气 ( 例 如， CO、 氢气和氮气 )。由热解过程从给料残余的炭可仅重达原始给料的重量的大约 30％。
     热解过程 ( 也称为液化作用 ) 期间产生的易挥发物可通过将氧气引向气化器 106 而部分地燃烧。易挥发物可与氧气反应以在燃烧反应中形成 CO2 和 CO， 这为后续的气化反 应提供了热量。由燃烧反应产生的温度可在从大约 700℃到 1600℃之间变化。接下来， 可 在气化步骤期间将蒸汽引入气化器 106。 在从大约 800℃到 1100℃之间变化的温度下， 炭可 与 CO2 以及蒸汽反应以产生 CO 和氢气。本质上， 气化器利用蒸汽和氧气来允许其中一些给 料被 “燃烧” 并产生 CO 并释放能量， 其驱动将更多的给料转换成氢气和另外的 CO2 的第二反 应。
     以此方式， 气化器 106 制造合成的气体。此合成的气体可包括大约 85％的等比例 的 CO 和氢气， 以及 CH4， HCl， HF， COS， NH3， HCN 和 H2S( 基于给料的硫含量 )。此合成的气体 可称为未处理合成气， 因为其包括例如 H2S。气化器 106 还可产生废弃物， 诸如熔渣 108， 其 可为潮湿的灰烬材料。此熔渣 108 可从气化器 106 去除， 并例如作为路基或另一种建筑材 料而处置。为了清洁未处理合成气， 可利用气体净化器 110。在一个实施例中， 气体净化器 110 可为水煤气变换反应器。气体净化器 110 可清洁未处理合成气以从该未处理合成气去 除 HCl， HF， COS， HCN 以及 H2S， 其可包括在硫处理器 112 中分离硫 111。此外， 气体净化器 110 可从未处理合成气通过水处理单元 114 分离盐 113， 水分离单元 114 可利用水净化技术 从未处理合成气产生可用的盐 113。 随后， 来自气体净化器 110 的气体可包括处理的合成气 ( 例如， 已经从合成气去除硫 111)， 以及痕量的其它化学物， 例如， NH3( 氨 ) 和 CH4( 甲烷 )。
     在一些实施例中， 可利用气体处理器来从处理后的合成气去除另外的残余气成 分， 例如氨和甲烷， 以及甲醇或任何其它残余化学物。然而， 从处理后的合成气去除残余气 成分是可选的， 因为处理后的合成气即便包含残余气成分时 ( 例如尾气 ) 也可用作燃料。 在 这一点上， 处理后的合成气可包括大约 3％的 CO， 大约 55％的 H2， 以及大约 40％的 CO2， 并且 可大体上去除了 H2S。
     在一些实施例中， 碳捕获系统 116 可去除并处理包括在合成气中的含碳气体 ( 例 如， 按体积算大约 80-100％或 90-100％纯度的二氧化碳 )。碳捕获系统 116 还可包括压缩 机、 净化器、 供应用于蛰合或增强油回收的 CO2 的管线、 CO2 储罐及它们的任何组合。捕获的 二氧化碳可转移至二氧化碳膨胀器， 其降低二氧化碳的温度 ( 例如， 大约 5-100℃， 或大约 20-30℃ )， 从而使得二氧化碳能够用作用于该系统的合适的冷却剂。冷却的二氧化碳 ( 例 如， 大约 20-40℃， 或大约 30℃ ) 可循环通过该系统以满足其制冷需求或通过用于甚至更低 的温度的后续的级而膨胀。 已经去除了其含硫成分和大部分二氧化碳的处理后的合成气然 后可传送至燃气涡轮发动机 118 的燃烧器 120( 例如燃烧室 ) 作为可燃烧燃料。
     IGCC 系统 100 还可包括空气分离单元 (ASU)122。 ASU 122 可操作以例如通过蒸馏 技术将空气分离成成分气体。ASU 122 可从由补充空气压缩机 123 供应给其的空气中分离 出氧气， 并且 ASU 122 可将分离的氧气传输给气化器 106。此外， ASU 122 可将分离的氮气 引导至稀释剂氮气 (DGAN) 压缩机 124。
     DGAN 压缩机 124 可将从 ASU 122 接收的氮气压缩至至少等于燃烧器 120 中的那些 氮气的压力水平， 以便不干扰合成气的适当燃烧。因此， 一旦 DGAN 压缩机 124 已经充分地 将氮气压缩至适当的水平， DGAN 压缩机 124 就可将压缩的氮气传输至燃气涡轮发动机 118 的燃烧器 120。氮气可用作稀释剂以例如促进控制排放物。
     如之前所述， 可将压缩的氮气从 DGAN 压缩机 124 传送至燃气涡轮发动机 118 的燃 烧器 120。 燃气涡轮发动机 118 可包括涡轮 130、 驱动轴 131 和压缩机 132， 以及燃烧器 120。 燃烧器 120 可接收诸如合成气的燃料， 其可在压力下从燃料喷嘴喷入。此燃料可与压缩空 气以及来自 DGAN 压缩机 124 的压缩氮气混合， 并在燃烧器 120 内燃烧。如以下详细所述， 燃气涡轮发动机燃料控制器可调整燃料、 压缩空气和 / 或压缩氮气的流率， 以将 FNPR 保持 在一定的值之间， 从而防止闪回或驻焰。燃料的燃烧可产生热的增压排放气体。
     燃烧器 120 可将排放气体引向涡轮 130 的排放出口。随着排放气体从燃烧器 120 通过涡轮 130， 该排放气体推动涡轮 130 中的涡轮叶片， 以使驱动轴 131 沿着燃气涡轮发动 机 118 的轴线旋转。如图所示， 驱动轴 131 连接到燃气涡轮发动机 118 的各种部件上， 包括 压缩机 132。
     驱动轴 131 可将涡轮 130 连接到压缩机 132 上以形成转子。压缩机 132 可包括联 接到驱动轴 131 上的叶片。因此， 涡轮 130 中涡轮叶片的旋转可导致将涡轮 130 连接到压 缩机 132 上的驱动轴 131 使压缩机 132 内的叶片旋转。压缩机 132 中的叶片的此旋转导致 压缩机 132 压缩经由压缩机 132 中的空气进口接收的空气。压缩的空气然后可输送至压缩 机 120 并与燃料以及压缩的氮气混合， 以允许更高效率的燃烧。 驱动轴 131 还可连接到负载 134 上， 其可为静止负载， 诸如发电机， 以例如在动力设备中产生电功率。实际上， 负载 134 可为任何合适的装置， 该装置由燃气涡轮发动机 118 的旋转输出提供动力。
     IGCC 系统 100 还可包括蒸汽涡轮发动机 136 以及热回收蒸汽发生 (HRSG) 系统138。蒸汽涡轮发动机 136 可驱动第二负载 140。该第二负载 140 也可为用于产生电功率的 发电机。然而， 第一负载 130 和第二负载 140 两者均可为能够由燃气涡轮发动机 118 以及 蒸汽涡轮发动机 136 驱动的其它类型的负载。此外， 尽管如图示实施例中所示燃气涡轮发 动机 118 和蒸汽涡轮发动机 136 可驱动分离的负载 134 和 140， 但燃气涡轮发动机 118 和蒸 汽涡轮发动机 136 也可串联使用来通过单个轴驱动单个负载。蒸汽涡轮发动机 136 以及燃 气涡轮发动机 118 的具体构造可以是实施方式特定的， 并且可包括多个部分的任何组合。
     系统 100 还可包括 HRSG 138。 可将来自燃气涡轮发动机 118 的加热的排气运送到 HRSG 138 中， 并用来加热水， 且产生用来驱动蒸汽涡轮发动机 136 的蒸汽。例如， 来自蒸汽 涡轮发动机 136 的低压段的排气可被引入冷凝器 142。冷凝器 142 可利用冷却塔 128 来用 加热的水交换冷却的水。冷却塔 128 起作用以向冷凝器 142 提供冷水， 从而协助冷凝从蒸 汽涡轮发动机 136 传送到冷凝器 142 的蒸汽。来自冷凝器 142 的冷凝物又可被引入 HRSG 138。 再一次， 来自燃气涡轮发动机 118 的排气也可被引入 HRSG 138， 以加热来自冷凝器 142 的水并产生蒸汽。
     在诸如 IGCC 系统 100 的联合循环系统中， 热排气可从燃气涡轮发动机 118 流动并 通向 HRSG 138， 在此处其可用来产生高压、 高温蒸汽。由 HRSG 138 产生的蒸汽然后可通过 蒸汽涡轮发动机 136 用于动力发生。此外， 所产生的蒸汽还可供应给其中可使用蒸汽的任 何其它过程， 诸如气化器 106。燃气涡轮发动机 118 产生循环常称作 “至顶循环” ， 而蒸汽涡 轮发动机 136 产生循环常称作 “及底循环” 。通过如图 1 中所图示的组合这两个循环， IGCC 系统 100 可在两个循环中导致更高的效率。特别是， 来自至顶循环的排放热量可被捕获并 用来产生在及底循环中使用的蒸汽。
     图 2 是可包括示例性燃料控制系统的燃气涡轮发动机 118 的方块图， 该示例性燃 料控制系统配置成通过将稀释剂加入到燃料来维持合适的 FNPR 而扩展燃气涡轮发动机 118 的操作范围， 从而防止闪回和驻焰。不仅燃气涡轮发动机 118 可用在以上所述的 IGCC 系统 100 中， 并且在某些实施例中， 燃气涡轮发动机 118 可用在飞机、 船舶、 机车、 发电系统 或它们的组合中。图示的燃气涡轮发动机 118 包括进气段 160、 压缩机 132、 燃烧器段 166、 涡轮 130 以及排气段 162。涡轮 130 经由驱动轴 131 联接到压缩机 132 上。
     如箭头所示， 空气可通过进气段 160 进入燃气涡轮发动机 118 并流入压缩机 132， 压缩机 132 在空气进入燃烧器段 166( 也称为燃烧系统 ) 前压缩空气。图示的燃烧器段 166 包括围绕驱动轴 131 同轴或环状地设置并位于压缩机 132 和涡轮 130 之间的燃烧器外壳 164。来自压缩机 132 的压缩空气进入一个或多个燃烧器 120， 在此处压缩空气可与燃料在 燃烧器 120 内混合并燃烧， 以驱动涡轮 130。热的燃烧气体从燃烧器段 166 流过涡轮 130， 经由驱动轴 131 驱动压缩机 132。 例如， 燃烧气体可将原动力施加于涡轮 130 内的涡轮转子 叶片从而使驱动轴 131 旋转。在流过涡轮 130 后， 热的燃烧气体可通过排气段 162 离开燃 气涡轮发动机 118。
     燃气涡轮发动机 118 可使用一种或多种燃料。例如， 燃气涡轮发动机 118 可配置 成燃烧第一燃料 168， 其可包括但不限于天然气、 馏出物、 液化石油气 (LPG) 或它们的组合。 第一燃料控制阀 170 可调整第一燃料 168 的流率。然而， 可使用其他流量调整或流量控制 装置而不是图 2 中所示的控制阀。此外， 燃气涡轮发动机 118 可配置成燃烧第二燃料 172， 其可包括但不限于合成气。如以上所述， 合成气可由 IGCC 系统 100 的一个或多个气化器产生。第二燃料控制阀 174 可调整第二燃料 172 的流率。最终， 可将稀释剂 176 注入燃气涡 轮发动机 118。如以上所述， 稀释剂 176 的示例包括但不限于氮气、 二氧化碳、 蒸汽、 水蒸气 或其组合。稀释剂控制阀 178 可调整稀释剂 176 的流率。第一燃料 168、 第二燃料 172 以及 稀释剂 176 可经由注入管线 180 引向燃烧器 120。尽管注入管线 180 显示为单个管线， 但对 于第一燃料 168、 第二燃料 172 和 / 或稀释剂 176 的每一个可使用单独的管线。备选地， 稀 释剂 176 在注入燃烧器 120 之前可与第一燃料 168 或第二燃料 172 的任一种混合。此外， 尽管示出为直接流向燃烧器 120， 但注入管线 180 可引向设置在燃烧器 120 的头部端中的一 个或多个燃料喷嘴。
     在图示的实施例中， 燃料控制系统 182 或燃料控制器示意性地示出为处于燃烧器 120 和第一和第二燃料 168 和 170 以及稀释剂 176 之间。燃料控制系统 182 可从遍及燃气 涡轮发动机 118 设置的多个传感器接收一个或多个信号或反馈， 以通过控制稀释剂 176 来 增大燃气涡轮发动机 118 的操作范围， 从而防止闪回和驻焰。例如， 进气段传感器 184 可向 燃料控制系统 182 发送信号。 由进气段传感器 184 测量参数的示例包括但不限于进气温度、 进气压力、 进气流率、 进气湿度或它们的组合。接下来， 压缩机传感器 186 可向燃料控制系 统 182 发送信号。由压缩机传感器 186 测量的参数的示例包括但不限于一个或多个压缩机 级处的压缩机温度、 压缩机压力、 入口导叶 (IGV) 位置或它们的组合。燃烧器传感器 188 可 将指示燃烧器段 166 中的参数的信号发送给燃料控制系统 182。由燃烧器传感器 188 测量 的参数的示例包括但不限于 FNPR、 燃烧器温度、 燃烧器压力、 燃烧气体成分、 燃烧动态变化、 火焰特性或它们的组合。接下来， 涡轮传感器 192 可用来测量涡轮 130 中的参数， 并向燃料 控制系统 182 发送信号。由涡轮传感器 192 测量的参数的示例包括但不限于一个或多个涡 轮级处的涡轮温度、 涡轮压力、 涡轮速度、 涡轮振动它们的组合。最终， 排气传感器 194 可用 来向燃料控制系统 182 发送信号。由排气传感器 194 测量的参数的示例包括但不限于排气 温度、 排气压力、 排放气体成分 ( 例如排放物 )、 驱动轴 131 的速度、 校正速度或它们的组合。
     响应于从燃气涡轮发动机 118 的各种传感器接收的信号 198， 燃料控制系统 182 可 将信号 196 发送至第一燃料控制阀 170， 第二燃料控制阀 174， 和 / 或稀释剂控制阀 178， 以 控制 FNPR( 或其它参数 )， 从而扩展燃气涡轮发动机 118 的操作范围。例如， 燃料控制系统 182 可接收信号 198， 该信号指示需要更多的稀释剂 176 以便将 FNPR 增加到最小 FNPR 之上， 和 / 或需要更少的稀释剂 176 以便将 FNPR 降低到最大 FNPR 之下。如果 FNPR 较低， 则燃料 控制系统 182 可发送信号 196 以打开稀释剂控制阀 178 和 / 或部分地关闭第一和第二燃料 控制阀 170 和 174。 除了以上讨论的参数， 设置在燃气涡轮发动机 118 内或设备附近的其它 传感器可指示可由燃料控制系统 182 使用的参数。其它参数的示例包括但不限于发热值、 负载状态、 燃料压力、 燃料流率、 稀释剂压力、 稀释剂流率或它们的组合。 以下更详细地描述 了燃料控制系统 182 使用的特定控制模式的示例。
     图 3 显示了燃气涡轮发动机的操作包络线的一个实施例的曲线图 210， 图示了使 用燃料控制系统 182 来调整稀释剂并从而调整 FNPR 的操作扩展。x 轴线 212 指示第一燃料 对第二燃料的比率， 其可称为共燃比率。在曲线图 210 中， 第一燃料是天然气而第二燃料是 合成气。在 x 轴线 212 的左端上， 共燃比率代表 100％的天然气和 0％的合成气。相应地， 在 x 轴线 212 的右端上， 共燃比率代表 0％的天然气和 100％的合成气。y 轴线 214 代表燃 气涡轮发动机的负载。具体而言， y 轴线 214 的下端代表 0％的负载而 y 轴线 214 的上端代表 100％的最大负载。
     在曲线图 210 中， 天然气控制阀最小冲程曲线 216 代表燃气涡轮发动机的操作包 络线的上边界。 控制阀的冲程可指控制阀内的阀芯、 阀杆、 阀塞、 阀球或类似装置的位置， 其 能够改变通过控制阀的流率。 例如， 在 0％的冲程处， 很少或没有流可通过控制阀。 相应地， 在 100％的冲程处， 流率可达到对于控制阀的最大值。 此外， 控制阀可具有最小冲程， 不推荐 在其下控制流率， 因为控制可能变得不稳定。换句话说， 不在最小冲程下控制流率， 而是相 反， 通过将冲程减小至 0％来关闭阀。 最小冲程可为跨越控制阀的压降和 / 或通过控制阀的 流率的函数。例如， 在高流率下， 天然气控制阀的最小冲程可接近 0％。然而， 随着流率降 低， 最小冲程可增大。
     记住前述内容并返回曲线图 210， 天然气最小冲程曲线 216 随着负载降低逐渐向 下并向左倾斜。例如， 在大约 100 ％的负载处， 沿天然气曲线 216 对应的共燃比率为大约 10％的天然气和 90％的合成气。换言之， 如果负载为大约 100％， 则天然气控制阀的最小冲 程足够低以使得能够很好地将阀向下控制至对应于大约 10％的天然气和 90％的合成气的 共燃比率的流率。 相比之下， 在大约 15％的负载处， 由线 226 所示， 沿天然气曲线 216 对应的 共燃比率为大约 60％的天然气和 40％的合成气。换言之， 如果负载为大约 15％， 则天然气 控制阀的最小冲程较大， 使得仅能够很好地将阀控制至对应于大约 60％的天然气和 40％ 的合成气的共燃比率的流率。因而， 在大约 15％的负载处以小于大约 60％的天然气操作可 能是期望的， 但由于天然气控制阀的最小冲程而不可能。 更一般地， 燃气涡轮发动机在较低 负载下的操作可能限于比可期望的更高百分比的天然气和更低百分比的合成气。 在曲线图 210 中， 最小 FNPR 曲线 218 代表燃气涡轮发动机的操作包络线的较低边 界。FNPR 随着燃料的发热值降低而升高。合成气比天然气具有更高浓度的氢， 这意味着合 成气的发热值低于天然气的发热值。例如， 合成气可具有比天然气小 3 倍、 4 倍、 5 倍、 6 倍、 7 倍或 8 倍的发热值。因此， 随着负载降低最小 FNPR 曲线 218 向下并向左倾斜。例如， 在大 约 100％的负载处， 沿最小 FNPR 曲线 218 对应的共燃比率为大约 55％的天然气和 45％的合 成气。换言之， 如果负载为大约 100％， 如果向燃气涡轮发动机供给至少 45％的合成气， 则 可保持最小 FNPR。相比之下， 在大约 15％的负载处， 沿最小 FNPR 曲线 218 对应的共燃比率 为大约 25％的天然气和 75％的合成气。换言之， 如果负载为大约 15％， 最小 FNPR 更大， 使 得供给更多的合成气 ( 即至少大约 75％ ) 以便将燃气涡轮发动机的操作维持在最小 FNPR 之上。因此， 例如， 在大约 15％的负载处以少于大约 75％的合成气操作可能是期望的， 但是 可能由于不能维持最小 FNPR 而不可能。更一般地， 燃气涡轮发动机在较低负载下的操作可 能限于比可期望的更低百分比的天然气和更高百分比的合成气。
     此外， 由线 220 代表的大约 30％的最小负载可用作用于燃气涡轮发动机的操作包 络线的第三边界。尽管燃气涡轮发动机可以在低于 30％负载并在天然气和最小 FNPR 曲线 216 和 218 之间的小区域中操作， 30％可选择为常规最小值以帮助防止燃气涡轮发动机快 速越过由天然气和最小 FNPR 曲线 216 和 218 确立的边界， 在边界处它们的曲率增加。 因而， 天然气控制阀最小冲程曲线 216、 最小 FNPR 曲线 218 以及 30％的最小负载曲线 220 可限定 操作区域 222。
     在图 3 中靠近曲线 210 的左侧还示出了合成气控制阀最小冲程曲线 224。和天然 气控制阀一样， 合成气控制阀的控制在最小冲程之下可能变得不稳定。例如， 在大约 100％
     的负载附近， 沿合成气曲线 224 对应的共燃比率为大约 90％的天然气和 10％的合成气。随 着负载降低， 合成气曲线 224 向右倾斜， 使得在大约 15％的负载处， 沿合成气曲线 224 的对 应共燃比率可为大约 60％的天然气和 40％的合成气。因而， 在没有最小 FNPR 曲线的情况 下， 合成气控制最小冲程曲线 224， 将代表对于燃气涡轮发动机的操作包络线的下边界。
     相应地， 在以下描述的各种实施例中， 可将稀释剂加入到达燃气涡轮发动机的燃 料流中， 以避免作为用于燃气涡轮发动机的操作包络线的下边界的最小 FNPR 曲线 218。具 体地， 稀释剂的发热值可较低。 因而， 通过向燃料添加稀释剂， 混合物的发热值被降低， 这增 加了 FNPR。 在某些实施例中， 通过增加 FNPR， 可维持高于最小 FNPR 的操作， 而同时降低供给 至燃气涡轮发动机的合成气的数量。因而， 燃气涡轮发动机的最小负载可从由线 220 代表 的大约 30％移动至由线 226 代表的大约 15％， 使得燃气涡轮发动机能够在低负载下操作。 换句话说， 通过将稀释剂添加到燃料操作的燃气涡轮发动机的操作包络线可不仅包括操作 区域 222， 还可包括操作区域 228， 这是由于合成气控制阀最小冲程曲线 224 代表新的下边 界而导致的。例如， 燃气涡轮发动机在大约 100％负载处的共燃比的范围可从大约 45％合 成气和 55％天然气到 90％合成气和 10％天然气的范围增长至大约 10％合成气和 90％天然 气到 90％合成气和 10％天然气的新范围。 共燃比的范围对于新的 15％的最小负载和 100％ 的最大负载之间的所有负载增加。
     燃气涡轮发动机的共燃比的增加的范围在启动和 / 或停机情形期间可以是有利 的。 例如， 在 IGCC 设备 100 和燃气涡轮发动机 118 启动期间， 因为一个或多个气化器 106 可 能脱机， 所以合成气可能不能立即以期望的数量提供。 在不向燃料添加稀释剂的情况下， 燃 气涡轮发动机 118 的启动可能被延迟， 直至对于燃气涡轮发动机 118 可提供足够的合成气 以便在大约 45％的合成气和 55％的天然气的共燃比附近操作。然而， 根据特定的实施例， 燃料控制器可增大稀释剂的流量并降低合成气的流量， 以便共燃比改变成大约 10％合成气 和 90％天然气。因而， 当可提供的合成气较少时， 可启动燃气涡轮发动机 118， 这可使得燃 气涡轮发动机 118 能够在 IGCC 设备 100 的启动期间更快启动。具体而言， 根据一个实施例 当把稀释剂添加到燃料中时燃气涡轮发动机 118 启动可快大约 1 小时、 2 小时、 3 小时或 5 小时。 因而， 可能减少启动期间满足排放许可极限的燃烧量 (amount of flaring)。 燃烧指 的是来自升高的堆垛气体的燃烧。随着合成气在启动期间变得更加易于获得， 燃料控制器 可控制从天然气到合成气的燃料过渡， 以维持高于最小 FNPR 的操作。相应地， 在燃烧系统 的关机期间， 随着合成气变得难以获得， 燃料控制器可控制从合成气到天然气的燃料过渡， 以维持高于最小 FNPR 的操作。因而， 在启动期间， 低需求时期期间， 或 IGCC 设备 100 的一 个或多个气化器的维护或停机期间， 升高的共燃比范围会是有利的。
     图 4 是可用于如上所述实现增加的操作包络线并协助防止闪回和驻焰的燃料控 制系统 240 的一个实施例的方块图。与图 2 中所示的那些元件共同的元件用相同的参考标 号标示。在图示的实施例中， 稀释剂 176 在注入燃气涡轮发动机中之前与第二燃料 172 混 合。具体而言， 稀释剂管线 242 可与第二燃料管线 244 连接以将稀释剂 176 与第二燃料 172 混合。稀释剂 176 和第二燃料 172 的混合物被通过稀释剂和第二燃料混合管线 246 引向燃 气涡轮发动机。可将 LHV 传感器 248( 例如但不限于热量计 ) 设置在稀释剂和第二燃料混 合管线 246 上。第一燃料管线 250 将第一燃料 168 运送至燃气涡轮发动机。燃料控制系统 182 可调整流向燃烧器燃料喷嘴 252 的第一燃料 168、 第二燃料 172 和 / 或稀释剂 176 的流率。向燃烧器燃料喷嘴 252 运送第一燃料 168、 第二燃料 172 和稀释剂 176 的管线 180 可包 括一条或多条管线。
     在图 4 的块 254 中测量或计算 FNPR。使用来自块 254 的 FNPR 和代表如由 LHV 传 感器 248 测量的 LHV 的信号 198， 在块 256 中调整 LHV 设定点或稀释剂流率。如以上所讨 论的， FNPR 随着 LHV 降低而增加。再一次， 稀释剂可包括蒸气或气体， 诸如惰性气体或非可 燃气体或蒸气。示例包括蒸汽、 氮气、 二氧化碳或它们的组合。因而， 通过向燃料添加稀释 剂， LHV 降低而 FNPR 升高。例如， 如果来自块 254 的 FNPR 降低， 块 256 可将信号 196 发送 至稀释剂控制阀 178 以升高稀释剂流率。同样地， 如果由 LHV 传感器 248 测量的 LHV 升高， 块 256 可向稀释剂控制阀 178 发送信号 196 以升高稀释剂 176 的流率。以下更详细地讨论 了燃料控制系统 182 的具体实施例。
     例如， 图 5 显示了使用基于时刻表或开环控制的燃料控制系统 270 的一个实施例。 与图 4 中所示的那些元件共同的元件用相同的参考标号标示。稀释剂流量计 272 测量稀释 剂 176 的流率。第一燃料 168、 第二燃料 172 以及稀释剂 176 的其他方面与以上所述类似。 块 274 代表从遍及燃气涡轮发动机的传感器获得的操作参数的值。测量参数的示例包括但 不限于入口导叶 (IGV) 位置、 校正速度、 排放温度、 燃料流率、 燃料 LHV 或它们的组合。在块 276 中， 使用时刻表并基于来自块 274 的测量的操作参数识别稀释剂流率。 块 276 的时刻表 可包括在控制软件和 / 或燃料控制系统 182 的存储器中。此外， 建立时刻表以跨越所有预 计操作条件而维持最小 FNPR， 从而防止闪回和驻焰。 例如， 可形成理论时刻表且随后基于临 时 FNPR 测量值在现场进行核实和调整。块 278 代表使用块 276 的时刻表选择的稀释剂流 率设定点。此外， 块 280 代表基于来自稀释剂流量计 272 的信号 198 的测量稀释剂流率。
     在图 5 的决策块 282 中， 确定来自块 280 的测量稀释剂流率和来自块 278 的稀释 剂流率设定点之间的差值。如果差值小于可允许的值， 则在块 284 中， 保持对于稀释剂控制 阀 178 的设定点。换言之， 在当前测量的稀释剂流率附近保持稀释剂流率。因而， 可允许的 值代表测量的稀释剂流率可从稀释剂流率设定点偏移的范围。另一方面， 如果测量稀释剂 流率和稀释剂流率设定点之间的差值大于可允许的值， 则在块 286 中， 调整对于稀释剂控 制阀 178 的设定点。例如， 如果测量的稀释剂流率大于稀释剂流率设定点， 则对于稀释剂控 制阀 178 的设定点被降低。另一方面， 如果测量的稀释剂流率小于稀释剂流率设定点， 则对 于稀释剂控制阀 178 的稀释剂流率设定点被升高。通过将稀释剂流率维持在稀释剂流率设 定点处或附近， 燃料控制系统 182 可将 FNPR 维持在最小 FNPR 之上并如上所述增大燃气涡 轮发动机的操作性包络线。 此外， 当燃气涡轮发动机在某些限定的操作点操作时， 基于时刻 表的控制会是有用的。
     图 6 显示了使用用于闭环控制的转换函数的燃料控制系统 300 的一个实施例。与 图 5 中所示的那些元件共同的元件用相同的参考标号标示。和图 5 中所示的基于时刻表的 控制一样， 块 274 代表燃气涡轮发动机的测量的操作参数。在块 302 中， 基于嵌入存储在存 储器中的控制软件中的转换函数计算 FNPR。 转换函数可为系统的输入和输出之间的关系的 数学表达式。例如， 转换函数可使用拉普拉斯变换得出。在决策块 304 中， 将计算的 FNPR 与低低 FNPR 值进行比较。低低 FNPR 值小于可能导致警报的低 FNPR 值。在某些实施例中， 如果计算的 FNPR 小于低低 FNPR 值， 则在块 306 中， 到燃气涡轮发动机的燃料被从第二燃料 172 转换或过渡成第一燃料 168， 其可谓天然气、 馏出物、 LPG 或它们的组合。第一燃料 168还可称为后备燃料或启动燃料。如以上所述， 主喷嘴可用于第一燃料 168 而辅助喷嘴可用 于第二燃料 172。 主喷嘴的喷嘴区域可远小于辅助喷嘴的喷嘴区域。 因而， 跨越主喷嘴的压 降可远高于跨越辅助喷嘴的压降， 这可导致 FNPR 增加。 FNPR 的此增加可比由过渡至第一燃 料 168 所导致的 FNPR 上的降低大得多， 第一燃料 168 具有比第二燃料 172 更高的发热值。 因而， 通过切换至第一燃料 168， 计算的 FNPR 可升高至高于低低 FNPR 值。如果出于一些原 因， 计算 FNPR 的降到低于低低低 FNPR 值， 则燃气涡轮发动机被关机。低低低 FNPR 值小于 低低 FNPR 值。
     返回决策块 304， 如果计算的 FNPR 大于低低 FNPR 水平， 则在决策块 308 中将计算 的 FNPR 与低 FNPR 水平进行比较。如果计算的 FNPR 大于低 FNPR 水平， 则在块 310 中维持 LHV 设定点。换言之， 稀释剂 176 的流率被维持在当前流率。另一方面， 如果计算的 FNPR 小 于低 FNPR 水平， 则在块 312 中， 通过将信号 196 发送至稀释剂控制阀 179 而降低 LHV 设定 点。接下来， 在决策块 314 中， 计算 LHV 和 LHV 设定点之间的差值。如果差值小于可允许的 值， 则在块 316 中， 保持对于稀释剂控制阀 178 的设定点。 然而， 如果 LHV 和 LHV 设定点之间 的差值大于可允许的值， 则在块 318 中， 调整稀释剂控制阀 178 的设定点。例如， 如果基于 LHV 传感器 248 的测量的 LHV 小于 LHV 设定点， 则增大稀释剂 176 的流率。另一方面， 如果 LHV 大于 LHV 设定点， 则降低稀释剂 176 的流率。因而， 燃料控制系统 182 可将 FNPR 保持在 最小 FNPR 之上并增大燃气涡轮发动机的操作性包络线， 且如上所述帮助防止闪回和驻焰。 此外， 当若干操作参数对 FNPR 的影响可被识别和限定时， 使用转换函数可能是有用的。 图 7 显示了使用用于闭环控制的模型的燃料控制系统 330 的一个实施例。与图 6 中所示的那些元件共同的元件用相同的参考标号标示。块 274 代表燃气涡轮发动机的测量 的操作参数， 诸如以上所述的那些。在块 332 中， 实时燃气涡轮发动机模型预测 FNPR。例 如， 一种类型的基于模型的控制是模型预测控制 (MPC)， 其是一种依赖于过程的动态模型的 先进的过程控制的方法， 最常见的是通过系统识别获得的线性经验模型。 使用动态模型， 燃 料控制系统 182 可预测 FNPR 的未来值并采取适当的措施来将 FNPR 维持在限定范围内。在 决策块 334 中， 将预测的 FNPR 与低低 FNPR 值进行比较， 低低 FNPR 值小于可导致警报的低 FNPR 值。如果预测的 FNPR 小于低低 FNPR 值， 则在块 306 中， 燃气涡轮发动机的操作过渡至 第一燃料 168。如果预测的 FNPR 降至小于低低 FNPR 值的低低低 FNPR 值之下， 则燃气涡轮 发动机被关机。
     返回决策块 334， 如果预测的 FNPR 大于低低 FNPR 值， 则在决策块 336 中将预测的 FNPR 与低 FNPR 水平进行比较。如果预测的 FNPR 大于低 FNPR， 则在块 310 中维持 LHV 设定 点。另一方面， 如果预测的 FNPR 小于低 FNPR， 则在块 312 中降低 LHV 设定点。在决策块 314 中， 计算 LHV 和 LHV 设定点之间的差值并将其与可允许的值进行比较。 如果差值小于可允许 的值， 则在块 316 中， 保持对于稀释剂控制阀 178 的设定点。另一方面， 如果 LHV 和 LHV 设 定点之间的差值大于可允许的值， 则在块 318 中， 调整稀释剂控制阀 178 的设定点。图 7 中 显示的基于模型的控制的其它方面类似于图 6 中所示的基于转换函数的闭环控制的方面。 此外， 以上所述过程控制的方法之外的过程控制的其它方法可用于控制稀释剂 176 的流率 以将 FNPR 维持在最小 FNPR 之上。可用于燃料控制系统 182 的其它技术的示例包括但不限 于线性或非线性控制器， 可编程逻辑控制器， 分布式控制系统， 统计过程控制器或过程控制 的其它方法。
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