操作燃烧器，特别为燃气轮机燃烧器的方法和用于实施所述方法的装置

摘要

本发明涉及一种操作一燃烧器(13)的方法，其中，将一燃料(15)输送至所述燃烧器(13)，将其注入燃烧用空气(7)，与所述燃烧用空气(7)混合成一燃料－空气混合物，并在一燃烧室(11)内进行燃烧。为实现特低氮氧化物燃烧，本发明建议，通过针对一预定的氮氧化物排放量对燃料特性进行调节来降低氮氧化物排放量，其中，对一表示所述燃料(15)特性的参数的变化进行测定。这种参数可例如为沃伯指数(WI)。此外，本发明还涉及一种用于实施所述方法的装置，所述装置包括一燃料处理装置(23)，所述燃料处理装置具有一用于分析当前燃料组成的分析装置(27)与一检查控制系统(29)。

说明书

技术领域

本发明涉及一种操作燃烧器的方法，其中，将一燃料输送至所述燃烧器，将其喷射到燃烧用空气中，与所述燃烧用空气混合成燃料-空气混合物，并在一燃烧室内进行燃烧。

背景技术

鉴于国际上对降低供热系统(特别是燃气轮机)污染物排放所做的努力，近年来已研制出多种氮氧化物(NO_X)排放量特别低的燃烧器及其工作方法。在这种情况下，非常重要的一点往往是这些燃烧器并非只能用一种燃料进行工作，而是可以根据需要使用各种不同的燃料，例如油、天然气和/或合成气(例如煤气)，甚至是不同燃料的组合进行工作，从而达到提高工作时的供应安全性和灵活性的目的。这种燃烧器例如在EP 0 276 696 B1中有所说明。

由此会产生燃烧器内的燃烧是否稳定的问题，而燃烧器内的稳定燃烧又是建立在燃烧区在燃烧器中处于稳定位置的基础上的。当燃料组成发生变化时，例如当燃气具有高含量的高级饱和碳氢化合物(例如C₂₊烷烃、乙烷或丙烷)时，燃烧区的稳定状态也会发生剧烈变化。在此情况下存在燃烧器内出现火焰回爆(flame blowback)的危险。因此，WO专利WO 03/06218 A1中描述了通过红外线吸收特别对流入燃烧器内的燃气中的C₂₊烷烃进行监控。当C₂₊烷烃含量升高时，为避免出现火焰回爆，会通过干预例如燃气供给对燃气特性进行调节，同样也可以通过在燃气中注入水或蒸汽的方式进行燃气特性调节。

针对所有可能不同的工作条件和燃料，特别是针对燃料组成发生变化或燃料质量发生波动的情况设计燃烧器时需要面对的问题是，由于在每种情况下工作时所需的各种燃料容量(燃料质量流量)完全不同，因此很难针对所有燃料使用同样的输送系统和同样的喷射口。因此，现有技术的做法是分别使用不同的输送系统来输送液态和气态燃料。但当需要交替使用多种比热值完全不同的气态燃料(例如天然气和煤气)时，就会产生另一个问题。由于使用这两种具有完全不同体积比的燃料，并且所述燃料在燃烧时发生不同的化学过程，所以需要对已知的系统进行修改和扩展。

现代低NO_X燃烧系统通常基于被称为“横向射流”(Jet in Crossflow)的混合概念上。其中，可通过对燃料与横向流动的燃烧用空气的混合方案进行相应设计来实现低污染物燃烧，尤其是低氮氧化物排放燃烧。其中，喷射入横向流动空气的燃料的射入深度为一重要的设计变量。但这种最适合的机械设计只适用于特定的燃料组成。在此，本发明作为出发点的问题是，当燃料组成随时间发生变化或进行燃料更换时，会引起混合流场发生变化，这在混合不佳的情况下往往会导致氮氧化物排放量升高。

发明内容

从这一考虑出发，本发明的目的是提供一种操作一燃烧器的方法，借助于所述方法，即使在燃料组成发生变化的情况下也能实现低氮氧化物燃烧。此外，本发明的另一目的是提供一种用于实施所述方法的相应装置。

根据本发明，第一个目的是通过一种操作燃烧器的方法而达成的，其中，将一燃料输送至所述燃烧器，将其喷射入燃烧用空气，与所述燃烧用空气混合成燃料-空气混合物，并在一燃烧室内进行燃烧，其中，针对预定的氮氧化物排放量对一燃料特性进行针对性地调节，从而达到降低氮氧化物排放量的目的，对一表示燃料特性的参数的变化进行测定，并使喷射燃料在燃烧用空气中的射入深度与所述参数变化相匹配。

就这一方面而言，本发明的出发点是，为了实现足够高的灵活性和与预定氮氧化物排放量的适时匹配，应尽可能不通过复杂的、针对燃烧器侧的措施或在燃烧室内进行复杂的机械设计改变来补偿燃料组成变化对NO_X排放量的影响。在结构方面的措施只能有限地减小而无法完全消除对燃料质量波动和混合流场变化的敏感性。其原因在于，燃烧器的复数个注入和混合装置都被“最佳”的调节，以针对每一种特定的燃料组成(燃料特性)。设计两个以上的燃料注入喷射点，所述燃料注入喷射点均匀地分布在燃料流经的横截面上，或使用复数个静态混合器调节出预期的混合流场，以上的两种设计由于缺乏所需的灵活性，尤其在燃料组成变化持续时间较短的情况下缺乏灵活性，而无法确保在燃烧器或燃烧系统工作时NO_X的排放量不超过允许的排放量限制。

本发明的另一出发点是，通过一尽可能有利的射入等级将喷射燃料喷射入燃烧用空气，以低排放量为目的对混合流场进行调节。在工作过程中，在对表示燃料特性的参数进行监控的情况下甚至可以保持这个混合流场。

因而，本发明首次提出下述实现特别低的氮氧化物燃烧的方法，即，对燃料组成的燃料特性进行监控，从而按需要在一表示燃料特性的参数发生变化时，通过适当的措施重新调整至一与氮氧化物有关的最佳低污染物工作模式。借此可通过一表示燃料特性的参数将氮氧化物排放量维持在一预定的界限以下，使喷射燃料在燃烧用空气中的射入深度与所述参数变化相匹配。

优选情况是将燃料喷射入燃烧用空气，并与之混合。燃料与燃烧用空气在燃烧器内混合，其中，燃料流喷射入燃烧用空气时要具有最佳的喷射深度，以确保燃料注入燃烧用空气。借此可以以低污染物燃烧为目的对混合流场进行调节，在工作过程中，在对表示燃料特性的参数进行监控的情况下甚至可以保持这个混合流场。

一个特别优选的设计方案是，对表示燃料特性的参数的变化进行记录，并将其传输给一控制系统。在这种情况下优选对表示燃料特性的参数进行持续测定，并在控制系统中对其进行分析。其中，可在工作过程中通过对燃料流进行适当的测量来测定表示燃料特性的参数，并借此对表示燃料特性的参数的计时进行存储和分析。

优选情况下，对燃料特性进行针对性地调节，使其值达到表示燃料特性的参数的基准值或目标值，此时则会产生预定的污染物排放量。在这种情况下，控制系统中可存储有一事先确定的特性性能数据，所述特性性能数据表示燃料组成与氮氧化物排放量之间的关系。作为可选方案，也可对当前氮氧化物排放值和燃料组成进行同时地现场测量，并将测量结果传输给控制系统。

一个特别优选的设计方案是，从一表示燃料特性的参数中测定沃伯指数(Wobbe index)。沃伯指数是一表示燃料组成和温度特性的通用标准。借助沃伯指数可对不同温度下不同燃料相对于其体积的热含量进行比较，尤其是燃气。由于燃烧系统，例如一燃气轮机的工作方式为，热能最终仍释放在一燃烧室内，并且通过控制体积流量来调节燃料流，因此，通常可借助同一个燃料输送系统将燃料组成不同、但沃伯指数相似的燃料送入燃烧器进行燃烧。燃料组成的变化会导致氮氧化物排放量发生变化，通过调节沃伯指数可在燃气轮机工作过程中确保氮氧化物排放量在一允许的最高限度内。

在本发明的方法中，优选地通过计算关系式 $>>WI>=>>LHV>{}_{}$_Ref表示基准温度。

其中，为调节出预期的沃伯指数，优选地针对一预定的氮氧化物排放量对燃料温度进行针对性调节。如上文中的公式所示，沃伯指数与当前燃料温度之间的关系相当简单，即，沃伯指数与燃料温度的平方根成反比。因此，当沃伯指数发生变化，也就是当沃伯指数偏离较低氮氧化物排放量的预定的目标值时，可通过对燃料温度进行相应调节来调节出预期的沃伯指数和预期的氮氧化物排放量。可根据具体情况将燃料加热或冷却至目标值，以达到通过温度调节来设定沃伯指数目标值并进而实现预期NO_X排放量的目的。

然而，也可通过在燃料中掺入一介质来实现对燃料特性的调节。借此也可特别实现对沃伯指数的修改，从而确保燃烧器的低污染物工作。优选可将水、蒸汽或氮用作注入燃料的介质，也可例如使用高热值的碳氢化合物。

除沃伯指数外，作为可选方案，也可将所谓的冲击流密度比(Impulsstromdichteverhaeltnis)用作一表示工作状态特征的参数并对其进行测定和分析。冲击流密度比：在几何结构给定的情况下，“横向射流”模式下混合物的品质取决于冲击流密度比，也就是取决于喷射燃料的冲击流密度与横向流动空气的冲击流密度之商。

冲击 $>ver>>I>·>>=ver>>M>·>>·>c>=>\rho >·>c>·>A>·>c>>s>$

冲击密度

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空气的冲击流密度主要由环境条件和燃气轮机性能决定。燃料的冲击流密度除燃气轮机性能外只取决于燃料组成。通过热值可得出质量流量，进而在几何结构固定不变的情况下可通过密度得出冲击流密度。也就是说，冲击流密度并非为燃料特性，而是一取决于燃料组成的变量。在燃烧器工作时，通过对燃料组成进行监控，如果发现该变量产生变化，则也可将这个变量调节至一预期的目标值。

所述方法优选用于操作一燃气轮机的燃烧器。近年来，对燃气轮机，尤其是对用于发电的固定式燃气轮机工作过程中低污染物燃烧的要求不断提高。借助本发明的方法可实现低污染物工作，在燃气轮机系统的工作过程中，当燃料组成发生变化时，可将上文所述的调节措施实施在燃料上。在此情况下便无需再采取针对燃烧器的复杂的结构措施。

优选使用液态或气态燃料进行工作。举例而言，可用油、天然气或例如为煤气的合成气来实施所述方法。

本发明有关装置的目的通过一种用于实施所述方法的装置而达成，其具有一分析装置与一检查控制系统，所述分析装置用于在燃烧器工作时对当前燃料组成进行分析，所述检查控制系统用于进行偏差测定以及用于将表示燃料特性的参数调节至一目标值，该目标值对应于预定污染物排放量。

本发明的装置的优点相应产生于所述方法的上述优点。

其中，所述检查控制系统优选地设计为用于对燃料温度进行调节，即当需要时对燃料进行加热或冷却。

此外，所述检查控制系统优选具有受控向燃料中注入一惰性介质的构件，所述惰性介质特别为蒸汽、水、氮或碳氢化合物。

附图说明

下面借助实施例对本发明作进一步说明，其中(附图为示意图形式，而非按比例进行图示)：

图1为燃气轮机系统示意图；

图2为燃料处理装置的示意图，所述燃料处理装置用于使图1所示的燃气轮机系统工作时只产生少量的氮氧化物；以及

图3为在不同的燃料组成情况下沃伯指数与燃气温度之间的函数关系示意图。

各附图中的相同参考符号具有相同含义。

具体实施方式

图1所示的燃气轮机系统具有一燃气轮机1，所述燃气轮机1具有一压缩机3、一燃烧室9与一在燃烧室9下游的涡轮机17。压缩机3和涡轮机17必要时通过一共用的转子轴5相耦合。一发电机19连接在涡轮机17下游，它例如通过一发电机轴25与涡轮机17耦合。燃烧室9包括一燃烧区域11与一伸入燃烧区域11之内的、用于燃烧一液态或气态燃料15的燃烧器13。燃气轮机1工作时，将空气7吸入压缩机3，并在此处对空气进行压缩。压缩空气7作为燃烧用空气被输送给燃烧器13，并与燃料15混合。由此形成的燃料-空气混合物在燃烧区域11中进行燃烧，从而产生温度很高的燃烧气体。高温燃烧气体被输送给涡轮机17，并在此处膨胀做功，从而带动压缩机侧的转子轴5和发电机轴25进入旋转状态。通过这种方法可以产生电力，所述电力由发电机19输出至一配电网。经部分冷却和膨胀后的燃烧气体以废气21的形式从涡轮机17的下游排出。这部分废气21内存在污染物，特别是在燃烧区域11内的高温环境下形成的氮氧化物。导致氮氧化物排放量升高的原因在于，由燃料和空气组成的混合物的混合流场发生了变化，例如当燃料组成随时间发生变化或对燃料进行更换时，都可能出现混合流场发生改变的情况。这通常会导致燃料与空气发生不利混合，并致使燃烧过程中氮氧化物生成率显著升高。迄今为止，现有技术所采取的措施仅限于对燃烧系统的机械设计进行新的改变，即在燃烧器方面采取措施，当燃料组成发生变化时仍能将污染物排放量保持在可接受程度。

与此不同的是，本发明为解决这一问题并没有采取任何改变燃烧器结构的措施，而是对工作过程中的燃料特性加以明显地改变，从而确保预先设定的氮氧化物排放量作为实际排放量的上限。为此，燃气轮机1配有一燃料处理装置23，该燃料处理装置布置在燃料15的供应系统中，用于供应燃料15，借助所述装置23既可对燃气轮机1工作时的当前燃料特性进行分析，也可针对预定的氮氧化物排放量对一燃料特性进行直接地调节，从而达到减少氮氧化物的目的。这样，对一表示燃料15特性的参数的变化进行测定与监控。此外，使喷射燃料在燃烧用空气中的射入深度与所述参数变化相匹配。

图2以极其简化的示意图形式显示燃料处理装置23。装置23包括一用于分析燃料15的分析装置27与一连接在分析装置27下游的检查控制系统29。为针对性地对一燃料特性进行监控，例如从一定体积流量的燃料15中分出一分析用分流31，并将其输送至分析装置27进行分析。分析装置27对燃料组成进行分析。其中，测定一表示燃料15特性的参数，并以输出信号33的形式将这个测定值传输给检查控制系统29，所述参数例如为对当前氮氧化物排放量有直接影响的沃伯指数。之后，分析装置27持续对表示燃料15特性的参数进行测定，并在检查控制系统29中分析该参数。检查控制系统对目标值和实际值进行比较，并针对性地对燃料特性进行调节，使其与表示燃料15特性的参数的基准值或目标值相符，所述基准值或目标值与预定的氮氧化物排放量相对应。沃伯指数WI(参见图3)特别适合用作表示燃料15特性的参数。可直接通过调节燃料温度T来将沃伯指数调节至一预期值。作为可选方案，如果当实际值与目标值之间存在偏差时，可通过在燃料中注入一介质来实现对沃伯指数WI进行必要的校正。蒸汽、水和氮作为合适的惰性介质，有助于将沃伯指数WI调节至目标值。作为可选方案，也可将冲击流密度比用作一可行参数并对其进行测定和分析。为了达到尽可能低的氮氧化物排放量，可以借助燃料处理装置23对一表示燃料特性的参数进行现场调节。在燃料处理装置23中经过上述处理的燃料15随后被输送至燃烧器13，在其内部与燃烧用空气7混合，形成燃料-空气混合物，并如上面已经详细描述过的那样在燃烧区域11内进行燃烧。

沃伯指数WI以特别的方式表示当前燃料组成的特性。如图3详细所示，沃伯指数WI与燃料温度T之间的关系很简单。图3所示的图表显示的是在不同的燃料组成情况下沃伯指数WI与燃料温度T之间的函数关系。特性曲线K1、K2和K3分别表示一种特殊的燃料组成。沃伯指数WI与燃料温度T的平方根成反比。由于沃伯指数表示燃料组成的特性，也可将沃伯指数WI与燃气轮机1工作时相应的氮氧化物排放量联系起来。因此，沃伯指数存在一“最佳”值WI_SOL，其相应表示较低的氮氧化物排放量，并且该氮氧化物排放量被记录下来。因而当在燃气轮机1工作过程中燃料组成发生变化时，沃伯指数WI也会发生变化。这一变化可通过分析装置27确定。通过调节燃料温度T可对沃伯指数WI进行调节，使其在温度为T_OPT(K2)时重新达到沃伯指数额定值WI_SOL，从而确保实际的氮氧化物排放量不超过氮氧化物排放量的一预期值。

当燃料组成发生变化时，本发明的建议是在燃气轮机工作时，通过各种措施修改喷射燃料的射入深度，由此修改和校正混合流场。对此，本发明的建议是，根据预期的氮氧化物排放量对一表示燃料特性的参数进行监控和调节。将燃料组成的变化情况传输给一检查控制系统，所述燃料组成的变化情况通过手动输入或借助于一测量与分析系统27进行传输，该测量与分析系统27整合在所述控制系统中，并且持续地测量燃料组成。借助一合适的转换规则(例如沃伯指数调节)可实施适当的测量。可行方案例如有通过预热或降低燃料预热温度来改变燃料温度，在例如为燃油的液态燃料内掺入蒸汽、氮或类似物质或者水。沃伯指数是一适用于直接描述相应燃料特性的变量，对此尽管存在不同的定义，但这些定义最终都可归结为，沃伯指数相同的介质在热输入量相同的情况下可在燃料喷嘴上引起相同的压力损耗。喷射燃料在燃烧用空气中的射入深度与所述压力损耗之间存在联系，因此，对一表示燃料特性的参数(例如沃伯指数)的使用和调节代表了一种简单的转换规则，该转换规则可以在燃料组成不同的情况下，将氮氧化物排放量调节为预期的氮氧化物排放量。同样也可使用其他的调节变量，例如冲击流密度比。