单轴燃气轮机中催化燃烧器的排放物的控制与优化系统

摘要

一种控制并优化燃气轮机(10)中催化燃烧室的排放物的系统，包括至少一个计算单元(60)，用于在一套预定参数的基础上实现所述燃气轮机(10)运行的数学模型，通过该数学模型，可以使汽轮机在从大概－29℃到+49℃的外部环境条件下的工作状态发生变化时对所述排放物进行优化。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于控制并优化单轴燃气轮机中催化燃烧器的排放物的系统。

背景技术

燃气轮机被定义为旋转的热机组件，该组件可以将燃气中的焓转换为有用功，使用从燃烧过程中直接得到的燃气，并向旋转轴提供机械能。

因此，汽轮机常常包括位于燃烧室外部并且最普遍为轴向类型的压缩机和汽轮机(透平膨胀机)，该汽轮机位于单轴燃气轮机中，其提供的能量既能使所述压缩机运转又能向用户提供动力。

透平膨胀机、压缩机、燃烧室、机械能输出轴、控制系统和启动系统共同组成了燃气轮机的主要部件。

关于燃气轮机的运行过程，众所周知，液体以低温低压流入压缩机中；在流过压缩机时，燃气被压缩，其温度也升高。

然后，燃气进入燃烧室，其中燃气经历了进一步的明显的温度增加。因此，燃气中的焓可用于获得有用功；这是因为燃气向汽轮机放出的功大于被压缩机吸收的功，因此，一定量的能量仍然可通过机器的轴输出，这一能量在减去由附件以及移动机械部件的被动阻力吸收的功后，组成系统的有用功。

因此，在燃烧室的出口，高温高压的燃气穿过适当的管道到达汽轮机，在汽轮机中，燃气释放出在压缩机和燃烧室中积累的能量的一部分，然后通过排气管流向外部。

在近几十年中，环境污染的问题导致了各种各样法律的出现以对向大气排放的污染物进行管理，从而尽量使空气质量令人满意。

因此，国家和国际的标准都需要使用减少存在于燃气中的污染物的方法和设备，这些方法和设备都根据燃气的化学和物理特性进行了恰当的设计。

概括来说，燃气轮机的排放物包括各种化学物质，这些化学物质可以是已被完全氧化的或者是不趋于发生反应的，主要包括CO₂、H₂O、N₂和O₂；氧化程度较低的物质，例如CO、未燃烧的碳氢化合物、颗粒、分别标为NO_x和SO_x的氮氧化物和硫氧化物的混合物，都作为污染物存在于排放物中，其浓度为百万分之几等级(ppm)。

关于完全氧化的物质和氮，其在排放物中的含量可以通过使用燃料的成分以及已知的机器操作条件而计算得出。

不过关于其他污染物，实际上是不可能评估出它们的浓度的，除了在完全是氧化硫的情况下。

因此，为了确定这些污染物的值(CO、未燃烧的碳氢化合物、颗粒、SO_x和NO_x)，就有必要进行精确的测量并进行理论分析。

未燃烧的碳氢化合物一般情况下是由不能完全氧化的可燃烧物质的低效燃烧出现的，但是它们仅存在有百万分之几，因此，不会造成明显的污染问题。

关于氧化硫，其中包括不同比例的SO₂和SO₃的混合物，这两种气体与水蒸气相结合而形成相应的酸。

氧化硫实际上不存在于由天然气体燃烧所得到的燃烧气体中，一般情况下，可以通过选择燃料、挑选具有非常低含硫量的燃料来防止氧化硫的形成。

对于氧化氮(NO_x)和一氧化碳(CO)来说，情况就更加复杂了；为了控制这些物质，尤其需要注意燃气燃烧的温度。

例如，在氧化氮(一般情况下标为NO_x)的情况下，其在排放物中的含量随着燃烧室温度的下降而快速降低。

减少这些污染物的常规技术，例如水和水蒸汽注入，都不能实现在许多地区中所执行的法律所要求的极低的排放水平。

NO_x在燃烧过程中由三种主要的方式产生：

-N₂与氧气高温燃烧起反应所得；

-来自燃料中存在的氮；

-通过与燃料中的基衍生物反应所得，例如转化为NO的N₂。

必需了解NO_x排放物形成的机制，才能对其进行有效地控制。

NO_x形成的最简单以及最广泛使用的模型是由Zeldovich发现的，其反应方程如下：

由于这些反应是在由反应物本身发出的高温下进行的，所以它们并不取决于反应所使用的燃烧的类型。

NO_x的形成可以通过改变燃烧过程中的工作条件进行控制。

例如，可以减少氧气的量以最大限度地减少NO_x的形成。在实际操作方面，可以使用少量的空气；将水引入燃烧室中，由于水的潜热会导致能量跳跃，所以可以减小温度。

目前使用的还原技术是选择性催化还原(SCR)技术，其中在催化过程中结合使用了氨。

氨与燃烧的气体共同注射入催化床。氧化氮NO_x在催化剂的表面与氨相结合，然后溶于水和氮中。

该系统已证明是有利于消除NO_x的，但是其成本偏高。

另一种氧化氮还原的方法是利用催化后燃烧过程，并使用铂催化剂和含有碳酸钾的氧化氮移除剂。

上述两种技术虽然在减少所得氧化氮的浓度方面证明是有效的，但是却没有什么实际用途，因为它们会引起汽轮机中明显的效率损失。

而且，现在所使用的所有技术都对于工作条件的变化非常敏感，尤其是在外界温度和所需负载方面。

通过催化燃烧室进行的燃烧解决了在用于减少污染物(NO_x和CO)的上述解决方案中所固有的成本和复杂性问题。

发明内容

本发明的目的就是提供一种控制与优化催化燃烧室的排放物的系统，该系统可减小例如氧化氮(NO_x)和一氧化碳的污染物的浓度，使其值在燃气轮机的较大工作范围内接近0ppm。

本发明的另一个重要目的是提供一种控制与优化燃气轮机中的催化燃烧室的排放物的系统，使其制造和维护成本都相对较低，并保持其所获得的优势。

本发明的这些和其它目的可以通过提供某一系统而实现，该系统用于控制和优化包括催化燃烧室和至少一个计算单元的所述类型的燃气轮机的排放物，所述计算单元基于一套预定参数实现所述燃气轮机运行的数学模型，正如权利要求1所述的那样，通过该系统，汽轮机在大范围的外部环境条件下的工作条件发生变化期间，所述排放物可以得到优化。

进一步的详细技术特征将在后续权利要求中进行详细说明。

特别的，根据本发明所述的控制系统可限制入射现象(incidence ofphenomenon)的发生，也就是说，在负载变化期间，预燃烧室中的燃烧温度会突然上升，随后例如氧化氮的污染物的浓度增加超过允许的限制值。

附图说明

通过下述示例性但无限制性的描述并参照附图，可以更清楚地了解根据本发明所述的用于控制与优化燃气轮机中的催化燃烧室的排放物的系统的特点和优势，其中

-图1是根据本发明所述的燃气轮机的示意性侧视图；

-图2至4示出表示汽轮机运行的控制参数的图表；

-图5是说明根据本发明的系统的运行细节的框图。

具体实施方式

参照图1，燃气轮机10主要包括轴向压缩机11、燃烧器20和汽轮机12。

在示例性实例中，燃烧室20包括头部，紧接头部之后的是第一燃烧区，后面是催化单元和后燃烧区。

该燃烧室20被设计成供给有燃气燃料。

可调叶片14的阵列，也被称为缩写IGV(“入口导向叶片”)，在压缩机11的入口处可看到。

可调叶片(IGV)可被调整和/或旋转以设定为相对于进入压缩机空气的方向呈适当角度，从而以这种方式改变汽轮机入口的流速。

为了控制可调叶片(IGV)，导向装置的叶片14的位置必须取决于对汽轮机排放气体温度、汽轮机速度、压缩机排放压力和汽轮机入口空气温度的调整，从而将汽轮机的工作条件保持在工作区域A内，在该区域内，排放气体中的一氧化碳和未燃物质的浓度在外界温度从大概-29℃到+49℃以及大功率范围内的所有技术上可能的工作条件下都被最大限度地减小。

上述可调叶片(IGV)的控制系统与从压缩机排气装置中排出热空气的系统有关(被称为IBH，“入口排热系统”的缩写)，从而使被导入在压缩机入口中的压缩机废气处于标准(ISO)条件下。

排放系统(IBH)通过根据可调叶片(IGV)的旋转角对阀门的开启进行编程而得以控制。

可调叶片(IGV)的旋转和排放系统(IBH)相结合的效果可控制第一燃烧区排气装置处燃气的温度(TPBEX)和压缩机排气温度(T₃)之间差异的变化。

该变量也可使用术语Trise指代(Trise＝TPBEX-T₃)。

Trise必需保持处于特定限定值内，因为大多数的NO_x产生于第一燃烧区，并且是Trise的增函数。

TPBEX以及由此得到的Trise也是燃烧室的催化剂出口处的绝热温度(T_ad)的减函数。

为了保持TPBEX的值较低(从而产生较少的NO_x)，因此就有必要最大限度地提高T_ad(T_ad被定义为燃烧完全时在燃烧室出口处的温度)。

根据ISO的标准条件，可调叶片(IGV)的变化趋势是线性的，达到特定CPR(压缩机压力比，定义为离开压气机的空气的总压与吸入空气的压力的比值)值时保持恒定，然后线性下降。

图4示出了由排放系统(IBH)产生的流速与可调叶片(IGV)的角位移之间的关联关系从而将T₃在从大概-29℃到大概+49℃变化的较宽外界温度范围内保持恒定，该图将垂直轴上排放系统(IBH)流速的趋势作为可调叶片(IGV)角位移的函数(在水平轴上)示出。

图4的框图根据机器所需的不同负载示出了一套基本上具有线性趋势的曲线，第一曲线41表示ISO T₃，第二曲线42表示排放系统(IBH)在50％功率时的趋势，第三曲线43表示在60％时的趋势，曲线44表示在70％时的趋势，曲线45表示在80％时的趋势。

实际上，当增加或者减少燃油供给时，换句话说，当需要较多或者较少的能源时，就有必要在保持排放系统(IBH)特征值和调节叶片(IGV)旋转之间关系的同时进行调节，从而在给定外界温度下保持常温T₃。

参照图2，图中示出的框图表示催化剂TIC的入口温度位于垂直轴上，燃料-空气混合率F/A位于水平轴上。

为了优化排放物中的氧化氮、氧化碳和未燃烧的碳氢化合物浓度的减少量有必要设定工作区域A，该区域由设定催化剂激活温度的下直线50限定，曲线51的位置朝向贫油混合气，换句话说也就是低燃料量的混合气，代表各种温度时对一氧化碳的产生进行的限制，一对表示催化剂限制温度的上曲线52、53，第一曲线52涉及贫油混合气，第二曲线53涉及富油混合气，换句话说也就是高燃油量的混合气。

在区域A中，附图标记54表示运行时推荐的最优起始点，箭头U表示当燃气轮机的功率减小时也就是引入少量燃料时遵循的路径。

图3示出了上述原理在不同环境下的情况，换句话说，与作为催化剂温度T_ad(水平轴)函数的TPBEX(垂直轴)的趋势相关。

因此，当带有催化燃烧室的燃气轮机的负载减少(从而T_ad下降)时，温度TPBEX必须增加以保证催化剂的正常运行。

如上所述，氧化氮的排放量是Trise(TPBEX和T₃)的增函数，因此，当负载减小时，就有必要对T₃的正常下降和TPBEX所需的增加作出补偿，以防止后者的影响会导致NO_x的过量增加。

在实际情况方面，如果要对排放物进行优化，机器就必须在曲线限定的条件下运行，排放系统(IBH)必须任何时候都在运行从而遵循该曲线。

运行步骤由机器运行中的数值范围所限制，即可调叶片(IGV)的旋转在0到50度之间，排放系统(IBH)的流速在W2的0至5％之间，其中W2表示压缩机吸入的空气的流速。

期望得到的结果就是功率水平满足ISO标准，在-29℃到49℃之间NO_x减少50％到100％，在-29℃到49℃之间一氧化碳、CO减少50％到100％。

本发明所进行的调节使根据ISO标准的最大标准流速由可调叶片(IGV)的旋转修正为零，同时排放系统(IBH)的流速根据ISO标准从负载的0到100％进行变化。

参照图5中的框图，所述燃气轮机10运行的数学模型根据一套预定的参数并作为在燃气轮机中所测量数据的函数在计算单元60中实现，从而使汽轮机在从大概-29℃至+49℃的外部环境条件下的工作状态发生变化时对所述排放物进行优化。

实际上，计算部件60运行时的参数就是在测量排出装置叶片(IGV)14的旋转角和外界温度63的基础上所得的排放系统(IBH)的排出流速的调整值。

为了实现更高的精度，计算单元60也可以设计为使用压缩机入口处的压力61和压缩机入口处的绝对湿度62。

因此正如所述的那样，所述控制系统的实现可在优化控制方面获得最佳的结果，在瞬时和常规两种工作条件下，通过将预燃烧器中的燃烧温度保持为低于特定限度，也就是低于污染物排放的级别，即可得到优良的性能，与已进行模拟的预测结果相同。

上述说明清楚地示出对单轴燃气轮机中催化燃烧室的排放物进行控制与优化的系统的特性，也就是本发明的目标，上述说明也使系统的优点清楚明了，包括：

-减少污染排放物的等级；

-减少燃烧室中的压力变化，优良的燃烧稳定性；

-高的燃烧效率；

-简单可靠的操作；

-与现有技术相比，相对较低的制造和维护成本；

-预燃烧室中的燃烧温度经计算低于预定限制值。