[发明专利]防止在瞬态操作期间的燃烧不稳定性的方法和系统

说明书

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NO_X(DLN)燃烧器的主燃料喷嘴处的闪回/主二次点燃(PRI)。

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NO_X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NO_X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NO_X排放、冷调、贫吹散(LBO)和高CO，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CO_X、NO_X、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。

附图说明

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