[发明专利]通过在线燃料重整来进行沃泊控制和增强可操作性

说明书

技术领域

本发明大体涉及燃气涡轮发动机燃烧系统，更具体地涉及用于控制燃烧系统的运 行的方法和装置。

背景技术

燃气涡轮发动机通常包括压缩机部分、燃烧器部分和至少一个涡轮部分。压缩机 排出空气通入到燃料在其中注入、混合和燃烧的燃烧器。燃烧气体随后通到从燃烧气体中 提取能量的涡轮。

燃气涡轮发动机燃烧系统必须在流量、压力、温度和燃料/空气比运行条件的很宽 的范围上运行。需要控制燃烧器性能以达到和保持满意的总体燃气涡轮发动机运行以及达 到可接收的排放水平，主要关注的是NOx和CO水平。

一种燃气涡轮燃烧器通过使用贫油预混合燃烧达到低NOx排放水平，其中，在燃烧 之前混合燃料和燃烧所有燃料所需的过量空气以控制和限制热NOx产生。这种常被称为“干 式低NOx(DLN)燃烧器”的燃烧器常常受到称为关于它们适应不同燃料的能力的“动态性”的 压力波动的限制。这是由于注入系统的压力比变化而引起的，该变化起因于所需的体积燃 料流的变化。这种约束由改进沃泊(wobbe)指数所解决；即燃烧系统将具有用于最优动态性 的设计沃泊数。改进沃泊指数(MWI)与以BTU/scf为单位的较低的加热值成正比，且与燃料 相对于空气的比重和以兰金(Rankine)度数表示的燃料温度的乘积的平方根成反比。

到目前为止，已经通过限制沃泊数的变化或通过调整燃料温度以使给定燃料的沃 泊数回到中间来解决该问题。到达燃烧器的燃料分流变化(例如重新微调(retuning))也是 可行的，但是可能影响排放。

这种系统通常需要处于一个或多个大致平行的且相同的燃烧器的每个中的多个 独立地控制的燃料注入点或燃料喷嘴，以允许燃气涡轮从启动运行至满负荷。此外，这种 DLN燃烧系统通常仅在燃料注入器压力比的较窄的范围上运行良好。压力比是燃料流率、燃 料通道流动面积以及在燃料喷嘴前和在燃料喷嘴后的燃气涡轮循环压力的函数。通过选择 正确的燃料喷嘴通道面积和调节到达若干个燃料喷嘴组的燃料流来控制该压力比界限。名 义上认为所接触的正确的燃料喷嘴通道面积基于实际的燃料特性。

以前，通常的管道天然气成分，以及尤其该天然气的改进沃泊指数仅仅细微地变 化。燃料喷嘴气体面积的大小设定为针对燃料MWI的限制范围，该范围典型地小于设计值的 大约正负5％，对于具有带多个燃料注入点的干式低NOx燃烧系统的燃气涡轮，燃气涡轮燃 烧系统设有燃料分布调度(schedule)，使得多个注入点中的燃料分流随着机器运行条件而 变化。对于某些DLN燃烧系统，如果燃料特性的变化值超过MWI的正负2％，则有必要在监测 排放和燃烧动态水平的同时进行燃料调度调整。这种燃料调度调整称为“微调”，该工艺要 求技术员安装特定的工具，且该工艺需要一天或者更长时间来完成。此外，当供给到特定的 燃气涡轮设备的燃料来自于多于一个源(带有不同的成分以及所产生的MWI)时，必须“重新 微调”燃料分流调度，(并且在此处公开本发明之前)重复进行每种燃料供给切换。此外，两 种或更多种燃料的任意混合等同于另外的燃料成分，因此，在本发明之前，如果不对燃气涡 轮和/或燃气涡轮燃烧器(例如可变燃料温度)进行运行调整，则超过燃烧器设计的MWI范围 的燃料的可变混合是不容许的。可以通过使用可用热源(例如低能量蒸汽或水)以预加热进 入燃气涡轮燃烧器的燃料气体来提高燃气涡轮发动机效率。对于使用加热气体的燃气涡 轮，加载时间可取决于在初始冷却的热回收蒸汽发电机中生成热水以将燃料气体加热到最 低要求水平的时间。直到燃料气体达到要求的温度并从而达到要求的MWI，某些燃烧器设计 才能在低NOx燃烧模式下运行。如果可以降低最小的可接受的气体温度水平，其对应于提升 最大的可允许的MWI值，则将改善燃气涡轮运行且总的排放也由于缩短的加载时间而减少。

对某些DLN燃烧系统设计，在设计的MWI范围之外的运行可导致如下的燃烧动态水 平(因为波动的燃烧工艺引起的噪音)，该水平足够地大从而缩短维护间隔甚至引起硬件损 坏和被迫停机。因此希望允许气体燃料成分、温度及所引起的MWI的更大的变化，同时保持 在预定界限内的低排放和燃烧动态水平。

发明内容