燃气轮机组的工作方法

专利名称：燃气轮机组的工作方法
技术领域：
本发明涉及权利要求1前序部分的燃气轮机组的工作方法。它还涉及用于实施该方法的燃气轮机组。
背景技术：
现代燃气轮机的预混合燃烧器中燃烧的稳定性主要地取决于所使用的燃料的可燃性，但也取决于其它燃料特性，如尤其是热值或沃伯指数(Wobbe-Index)。
这种预混合燃烧器例如已由EP321 809，EP780 629，WO93/17279或WO92/19913公开。这些燃烧器结构类型基于一个总的构思在一个涡旋的燃烧空气流中施加燃料及产生一个尽可能均匀的、及通常低化学计量的、稀薄燃料-空气混合物。在过渡到燃烧室中时在一个横截面的过渡部分建立了涡旋流，由此在燃烧器口前面构成回流区域，它用于火焰的稳定。在此，不在燃烧器口太近来稳定火焰，以避免燃烧器的热过载。但当稳定区域离燃烧器口下游太远时，将导致不稳定。
燃烧区域的位置也主要地与所使用燃料的可燃性相关。当可燃气体具有高成分的高阶饱和的碳氢化合物，如乙烷、丁烷、丙烷-也称为含两个及更多碳原子的烷烃-时，该位置将急剧地改变。因为燃料-空气混合物被预混合地输入，可形成火焰反冲向燃烧器的急迫危险。这可导致部件的失效。
在由EP669 500公知类型的自点火燃烧室工作时也表现出类似的问题，该燃烧室例如是在具有顺序燃烧的燃气轮机组上，如由EP620 362所公开的。这里也可由因可燃气体可燃性增高引起火焰反冲导致大的事故。
此外，变化的可燃气体组分也可对排放物及对燃烧室脉动带来影响。
除含两个及更多碳原子的烷烃含量外，热值或沃伯指数对燃烧特性也有影响。在不同的沃伯指数的情况下该影响在预混合燃烧器系统中首先反馈到可燃气体与空气的脉冲比的变化上。US6,082,092描述了对可燃气体的可变预热这样地调节，以使得沃伯指数保持恒定。沃伯指数的恒定调节也可通过在闭合调节回路中可变地混合惰性组分来实现。DE197 31 209提出在组分强烈变化的剩余气体燃烧时可通过天然气及氮的受调节的混合使沃伯指数保持恒定。
但现有技术没有给出应如何鉴于含两个及更多碳原子的烷烃含量响应可燃烧气体组分的变化的任何指示。在此可确定，通过火焰的反冲可能很快地出现持久性损坏。因此，一种其中响应燃气轮机组的可燃气体中含两个及更多碳原子的烷烃含量变化的方法必需几乎无延时地工作。在此，受调节的可燃气体特性的恒定保持响应可能太慢，因此宁可使用在开路控制链中的控制干预来取代工作在闭路调节回路中的调节。

发明内容
因此本发明的任务在于，给出一种开始部分所述类型的方法，它可避免现有技术中的缺点。该方法尤其能适用于当燃气轮机组用可燃气体工作时响应起决定作用的燃料特性的变化。该响应必需足够快地进行，以便例如当含两个及更多碳原子的烷烃含量强变化时能避免火焰的反冲。
该任务将通过权利要求1的全部特征来解决。其进一步有利及优选的实施形式可由从属权利要求中得出。
本发明的核心在于，在向燃气轮机组输送可燃气体的装置中设置一个用于确定可燃气体特性的、以有利的无延时方式实时工作的装置，及将至少一个这样测定的可燃气体特性接入到燃气轮机组的调节系统中。然后根据可燃气体特性进行对燃气轮机组参数的有目的的干预，该干预影响燃烧。
起决定作用的燃料特性尤其为燃料的含两个及更多碳原子的烷烃含量，它可对火焰反冲的危险产生直接影响。此外在实施本发明的方法时也可直接使用热值或沃伯指数作为另外的可燃气体特性。
该方法功能的一个重要前提是，进行快速测量及尽可能实时地提供该测量值。因此在一个优选的实施形式中，采用了红外测量技术，正如Hoppe及Wolf在“工业过程中确定气体特性的红外(IR)仪”，IGRC 2001，阿姆斯特丹，2001.11.6，中所提出的。其中提出，在两个不同的频谱范围中确定可燃气体的红外线吸收。在3.5μm左右的第一频谱范围中确定吸收，它首要响应于乙烷、丙烷及丁烷的含量；及在7.9μm左右的第二频谱范围中确定吸收，这里该吸收主要响应测量气体中的甲烷含量。频谱范围之间的横向灵敏度小，及在需要的情况下易于校正。以此方式可连续且快速地确定含两个及更多碳原子的烷烃的含量。原则上，为了实施本发明的方法，仅在3.5μm左右的对含两个及更多碳原子的烷烃敏感的频谱范围中进行测量就足够了。这完全可满足变化的可燃气体组分的定性测定及相应的响应；更精确的及定量的测定则必需在两个波长范围中进行测量。在该方法的一个有利的进一步构型中，附加地在4.3μm左右的一个波长范围中确定红外线吸收，该吸收主要响应于二氧化碳(CO2)的含量。扩展到其它的、对特定气体成分敏感响应的频谱范围也同样是可能的。在另一优选的进一步构型中，将热导率作为氮(N2)的含量的度量来测量。当需要时在使用横向灵敏度校正算法的情况下，可燃气体成分可以此方式极其精确、连续且实时地确定。这也允许用来测定热值或沃伯指数。
根据本发明的方法可有利用于具有顺序燃烧的燃气轮机组，如由EP620 362所公开的，及当设置的第二个燃烧室是由EP620 403或EP669 500所公开类型的自点火的燃烧室时，则具有很大的优点。自点火燃烧室由于混合温度高在很大程度上被火焰反冲所危及。在该类型的燃气轮机组上，根据燃料特性可改变第一与第二燃烧室之间的燃料分配，例如为，当含两个及更多碳原子的烷烃含量增加时，减小输入到第二燃烧室的燃料量及相应地增加输入到第一燃烧室的燃料量。
由EP1 199 516公开了在预混合燃烧器中可改变地构成一个中心轴向空气流。结合根据本发明的方法有利的是，根据这样确定的燃料特性干预该轴向空气流。因此当可燃气体的含两个及更多碳原子的烷烃含量增加时可增强该轴向空气流，以避免在燃烧器内部火焰反冲的危险。
目前所使用类型的预混合燃烧器通常具有多个可彼此无关地加载燃料的燃料输入部分，例如用于独立地加载先导燃料，它以扩散燃烧方式燃烧，及加载预混合燃料。这种燃烧器例如由WO01/96785，EP193 838，EP108 361，WO00/12936，EP945 677或EP321 809给出。根据所测量的燃料特性可改变燃料的分配，以便一方面保证足够的火焰稳定性及同时避免火焰反冲或部件过热并保持排放值大致恒定。
在本发明的一个实施形式中，在专业人员所熟悉的多燃烧器系统内部，将根据测定的燃料特性来改变各个燃烧器和/或燃烧器组之间的燃料分配。
同样可根据燃料特性将惰性介质加入到可燃气体中，其中该加入最好尽可能靠近燃气轮机组进行，这可保证小的响应时间。此外可根据测定的燃料特性将惰性介质、尤其是蒸汽或水加入到燃烧区域中。后一措施尤其适用于其中总是要用水和/或蒸汽喷射进行排放控制的燃气轮机组中，因为它也表明可很好地适合火焰位置的控制及燃烧的稳定性。基本上，氮或二氧化碳也适合作为惰性介质，但通常水及蒸汽更易于提供。
另一干预的可能性在于，燃气轮机组在压缩机前面或压缩机中或压缩机级之间具有用于冷却工作介质的装置。通过增强的冷却可降低燃烧空气的温度，及由此减小可燃性。此外公知了在压缩机前面或压缩机中通过加入液体、如水来实现冷却，其中使水滴进入压缩机及在压缩期间被蒸发。这在不久的过去以“湿压缩(WetCompression)”“高雾化(High Fogging)”或“过雾化(Overfogging)”的名称被普及，及例如被描述在US2,786,626中，而FR1.563.749给出了对燃气轮机组的功率数据的正面影响。由此引起的燃烧空气的变湿使可燃性进一步减小。
在本发明的另一实施形式中，根据测定的燃料特性来直接干预燃气轮机组的保护系统，其方式是当超过一定的含两个及更多碳原子的烷烃浓度时减小燃气轮机组的燃料输入或功率给定值。此外，当超过另一极限值时这样进行保护干预，即直接进行燃气轮机组的关机。
当然，可在考虑专门设备的实际情况下直接地组合对燃气轮机组的不同类型的干预。在本发明的范围中，在实施对燃气轮机组工作的干预时，尤其可以使测量的可燃气体特性与其它的燃气轮机组测量值、如脉动和/或排放测量值、测量的火焰位置、材料温度等相组合。


以下将借助实施例并结合附图来详细描述本发明。附图为图1表示根据本发明方法工作的具有顺序燃烧的燃气轮机组；图2表示第一燃烧器结构类型及它根据本发明方法的工作；图3表示第二燃烧器结构类型及它根据本发明方法的工作；图4表示第三燃烧器结构类型及它根据本发明方法的工作；图5表示一个多燃烧器系统及它根据本发明方法的工作；及图6表示根据本发明工作的燃气轮机组的其它例子。
这些实施例及附图应被理解为仅是启发性的，而决不是用于对在权利要求书中标明特征的发明的限制。
具体实施例方式
图1中表示出用于实施本发明方法的第一实施例。一个压缩机1，第一涡轮机6及第二涡轮机10被设置在一个共同的轴12上。此外一个发电机13被耦合在同一轴线上。压缩机1抽吸周围的空气2。该空气被压缩及作为压缩的燃烧空气3输入第一燃烧室4。典型地-但决不是限制，在这里它可涉及一种装有前面引证类型的预混合燃烧器的燃烧室。在该燃烧室4中对燃烧空气3配给一定的燃料量 并燃烧。在此，形成的高温的及带有压力的烟气5流入第一涡轮机6及在那里输出一定轴功率的情况下被部分地减压，典型地以压力比2减压。部分减压的烟气7带着仍然高的温度由涡轮机6输出及流入第二燃烧室8。这里它例如可涉及由EP669 500公开类型的燃烧室。对具有氧含量约15％至17％的烟气7配给另一燃料量 及在燃烧室8中燃烧。被再加热的烟气9流入第二涡轮机10，及在流过第二涡轮机10时再次在输出一定轴功率的情况下减压，这次约被减压到环境压力上。这基本上涉及由EP620 362所公知的结构类型的燃气轮机组，在这方面该文献将被视为本说明书的一个整体的组成部分。废气11总还具有几个100℃的温度，及其余热潜能可用已公知的、这里不再描述的方式继续被利用。涡轮机6及10的轴功率输出用于驱动压缩机1及发电机13。在此发电机13发出有效电功率PACT。有效功率信号将在第一调节器14中与一个给定功率PSET相比较。由调节偏差PSET-PACT构成一个燃料量调节参数YFUEL，它作用到一个燃料量调节机构15上，及以此方式控制对燃气轮机组的燃烧室4，8的整个的燃料供给。两个调节机构16及17用于实现整个燃料量在两个燃烧室4及8上的分配。
通常进行燃料量分配所遵循的判据被详细地描述在另处。根据本发明，在气体输入导管中设有一个传感器S，用于测定可燃气体特性XG。在一个功能框19中由该燃料特性XG构成调节量YEV，YSEV及YST。调节量YEV作用在调节机构16上，及由此控制第一燃烧室4的燃料量 调节量YSEV作用在调节机构17上及由此控制第二燃烧室8的燃料量 调节量YST作用在调节机构18上，后者用于对第一燃烧室4配给惰性介质、例如蒸汽的一定质量流量 在燃烧室中这种蒸汽的喷射作为专业人员所熟知的现有技术例如用于排放控制。根据本发明将进行以下的调节过程在第一工作状态中，燃气轮机组被调节到其给定功率上。总燃料量通过调节机构15调节。借助调节机构16及17并根据被详细描述在另处的工作方案在两个燃烧室4及8上进行燃料分配。测量装置S连续地或近似连续地并几乎无延时地测量燃料特性XG，尤其是具有2个或多个碳原子的高阶饱和碳氢化合物、即所谓含两个及更多碳原子的烷烃或饱和的NMCH的含量。当燃料中的含两个及更多碳原子的烷烃的含量上升时，燃料的可燃性上升及火焰反冲的危险上升，-尤其在自点火类型的燃烧室中。因此在可燃气体中测量到含两个及更多碳原子的烷烃浓度的升高时，将通过调节量YEV及YSEV这样来干预两个燃烧室4及8上的燃料分配，以使得第二燃烧室的燃料质量流量 被减小及第一燃烧室4的燃料质量流量 以相同的量增大。在第二燃烧室8中的火焰反冲的危险将被消除。但是视工作状态而定，现在增大了第一燃烧室4中火焰反冲的危险。因此通过调节量YST使调节机构18打开，及使一定蒸汽量 施加到第一燃烧室4中，由此这里可考虑可燃气体有更高的可燃性。当可燃气体的含两个及更多碳原子的烷烃含量超过一个极限值时，将以有利的、未示出的但专业人员熟知的方式进一步动用燃气轮机组的保护系统，其方式例如为自动地减小功率给定值PSET。此外可在超过另一极限值时执行燃气轮机组的快速关机。
图2表示用于由WO01/96785公知的结构类型的燃气轮机组的第一燃烧器与根据本发明的工作方法的一个结合。燃烧器20包括一个圆柱形的涡旋发生器21及一个锥形的内体22。该燃烧器还具有两组不同的可彼此无关地加载燃料的可燃气体孔口23及25，它们通过分开的可燃气体接口24及26被供给燃料。对可燃气体孔口23及25的燃料配给是通过两个调节机构27及28来实现的。它们的输入导管由一个共同的可燃气体输入导管分支出来，在该共同的可燃气体输入导管中设有用于确定可燃气体特性XG的测量装置S。在一个功能框29中将基于燃料特性XG构成调节量Y1及Y2，它们作用到调节机构27及28上。当一个燃气轮机组的燃烧室中的所示燃烧器工作时，调节机构27及28将根据专门的判据来控制，以便达到燃料量在可燃气体孔口组23及25上的合适分配。传感器S连续地确定可燃气体特性XG及当其相应改变时对调节机构27及28进行干预，以便用适当方式改变燃烧器内的燃料分配。
图3表示由WO01/96185公知的另一燃烧器的结构类型。该燃烧器20具有一个锥形的涡旋发生器21，如由EP321 809所公开的。该燃烧器具有两组可燃气体孔口23及25。通过设有调节机构27及28的输入导管24及26这些可燃气体孔口组可彼此无关地被加载可燃气体。在调节机构27及28的上游由一个共同的供气导管分支出各接口。所示的燃烧器还具有一个可变的中心轴向空气输入部，如由EP1 199516所公开的。在供气导管中设有一个测量装置S，它测量可燃气体特性及将其输送到单元29。在工作中在一个燃气轮机组的燃烧室内部将以合适的方式预选择可燃气体孔口组23及25上的燃料量分配以及轴向空气流。在可燃气体特性改变的情况下，将根据测量的可燃气体特性XG通过调节量Y1及Y2来影响燃料的分配及通过调节量YL来影响轴向空气流。尤其是当含两个及更多碳原子的烷烃含量上升时通过调节量YL来增强中心轴向空气流。因此在燃烧器口的很下游实现火焰稳定及避免了火焰反冲的危险。
图4表示由WO00/12936公开的一个燃烧器。该燃烧器具有两组可燃气体孔口35及38，它们可通过环形通道36及37、输入导管39及41以及调节机构40及42彼此无关地加载燃料。与上面的例子类似地进行可燃气体特性XG的测定，及与上述方案类似地根据它来影响可燃气体孔口组35及38上的燃料分配。
图5中表示出一个燃气轮机组的燃烧室的多燃烧器系统的一部分。燃烧器51连接在一个环形导管52上。通过该环形导管对用于燃烧器预混合工作的可燃气体孔口供给燃料。燃烧器61，62，63，64，65被连接在燃料导管66及67上。通过环形导管66使燃烧器61，62，63，64，65的第一组可燃气体孔口被供给可燃气体，该组可燃气体孔口例如被构造成用来喷入用于预混合燃烧的气体。通过环形导管67使燃烧器61，62，63，64，65的另外的可燃气体孔口被供给可燃气体，该组可燃气体孔口例如被构造成用来施加以扩散燃烧方式燃烧的可燃气体。这些环形导管本身被连接到一个共同的气体供给源上。通过调节机构可以彼此无关地调节输入各个环形导管及配置给它们的燃烧器或燃烧器组或可燃气体孔口的可燃气体质量流量。这种工作方案例如由本申请人的气轮机GT13E2公开，其中，可燃气体质量流量在环形导管上的分配基本上与功率相关地进行。根据本发明，在共同的可燃气体导管中设置用于确定可燃气体特性XG的传感器S。由该可燃气体特性XG构成调节量Y1，Y2及Y3，它们作用在环形导管的燃料量调节机构上。以此方式，当可燃气体特性改变时可干预燃烧器系统内的燃料分配。
最后图6表示一个燃气轮机组，它的功能根据上述的实施例无需再描述。一个燃料量调节器14通过燃料量调节参数YFUEL及燃料量调节机构15这样地调节流向燃烧室4的燃料质量流量，以使得功率的调节偏差PSET-PACT正好被调节掉及由此消失。在可燃气体导管中设有一个用于确定可燃气体特性XG的测量装置S。根据所测定的值构成一个调节量YST，它作用于调节机构18。该调节机构18再确定一个惰性介质质量流量 该惰性介质质量流在向燃烧室4入流的上游与可燃气体相混合。当现在例如可燃气体中的NMCH含量和/或它的热值上升，将在该位置上混合蒸汽或另一惰性介质，以便使气体的可燃性或热值再减小。要强调的是，惰性介质的加入是受控制地进行的及不会反作用到测量点S上。这可基本上将根据本发明的方法例如与闭合调节回路中一个气体混合站的调节相区别。后者相对缓慢地工作，而根据本发明的方案几乎无延时地响应，因为测量位置设置在介质混合部分的上游。因此可燃气体特性的改变在其在燃烧室中起作用前已被注意到一个时期。但因为惰性介质混合部分的位置大大靠近燃烧室地设置，因此到该干预起作用的时间很小。因此根据本发明的方法可大大改善地适合于导入防止由于可燃气体组分改变引起的威胁机器损坏的预防措施。
当然所列举的实施例仅可覆盖权利要求书中标明特征的本发明的一小部分。尤其是所示的方法方案能以多种有意义的组合应用。也可以用测量的燃料特性与脉动和/或排放测量值、测量的火焰位置、材料温度等相组合来构成所述的调节量。借助上述的实施例为本领域技术人员提出了无需创造性的劳动即可得到的多种可能的并各可根据特定机器选择的方法方案。
权利要求
1.燃气轮机组的工作方法，对该燃气轮机组输入可燃气体，其中在至少一个可燃气体输入部分中设有一个用于确定可燃气体特性的装置(S)，其特征在于对燃气轮机组的调节系统输入至少一个借助该装置确定的起决定作用的可燃气体特性(XG)；及根据该可燃气体特性进行对燃气轮机组工作的干预，其中尤其是干预对燃气轮机组的燃烧器的可燃气体供给和/或可燃气体分配和/或燃烧空气的输入和/或水的喷入和/或蒸汽的喷入。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于使用含两个及更多碳原子的烷烃含量作为起决定作用的可燃气体特性。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于使用热值或沃伯指数作为另一可燃气体特性。
4.根据以上权利要求中一项的方法，其特征在于为了确定可燃气体特性检测至少两个频谱范围中的红外线吸收，其中这样地选择频谱范围，即在第一频谱范围中的吸收是由含两个及更多碳原子的烷烃引起的，及在第二频谱范围中的吸收是由甲烷引起的。
5.根据权利要求4的方法，其特征在于检测在至少一个第三频谱范围中的红外线吸收，其中这样地选择所述第三频谱范围，即该吸收是由二氧化碳引起的。
6.根据权利要求4或5的方法，其特征在于确定可燃气体的热导率。
7.根据以上权利要求中一项的方法，其特征在于根据测定的可燃气体特性改变具有顺序燃烧的燃气轮机组的第一燃烧室(4)与第二燃烧室(8)之间的燃料分配，及尤其是随着含两个及更多碳原子的烷烃含量的增加，减小输入到第二燃烧室的燃料质量流量 及相应地增加输入到第一燃烧室的燃料质量流量
8.根据以上权利要求中一项的方法，其特征在于根据测定的燃料特性来改变一个预混合燃烧器的中心轴向空气流。
9.根据以上权利要求中一项的方法，其特征在于根据测定的可燃气体特性来改变具有多个燃料输入部分(23，25，35，38)的一个燃烧器内部的燃料分配。
10.根据以上权利要求中一项的方法，其特征在于根据测定的燃料特性来改变一个多燃烧器系统(51；61，62，63，64，65)内部的燃料分配。
11.根据以上权利要求中一项的方法，其特征在于根据测定的燃料特性来干预向可燃气体中的惰性介质 尤其是蒸汽的混入。
12.根据以上权利要求中一项的方法，其特征在于根据测定的燃料特性来干预惰性介质 尤其是蒸汽或水对燃烧空气的混合或向燃烧区域中的混合。
13.根据以上权利要求中一项的方法，其特征在于根据测定的燃料特性在压缩前和/或压缩期间对燃烧空气的冷却施加影响。
14.根据以上权利要求中一项的方法，其特征在于当超过确定的测量极限值、尤其是含两个及更多碳原子的烷烃的浓度时，减小燃气轮机组的功率。
15.根据以上权利要求中一项的方法，其特征在于当超过确定的测量极限值、尤其是含两个及更多碳原子的烷烃的浓度时，执行燃气轮机组的关机。
16.用于实施根据以上权利要求中一项的方法的燃气轮机组，其特征在于在燃气轮机组的至少一个燃料输入导管中设有一个用于确定可燃气体特性(XG)的测量装置(S)，为了传送可燃气体特性该测量装置与燃气轮机组的控制及调节装置的至少一个功能单元(19)相连接，该功能单元由作为输入量的可燃气体特性构成至少一个输出量(Y)，该输出量与至少一个调节机构(16，17，18，27，28，40，42)形成信号连接。
全文摘要
根据本发明在燃气轮机组工作期间持续地测量起决定作用的可燃气体特性(X
文档编号F23R3/28GK1623031SQ03802776
公开日2005年6月1日 申请日期2003年1月22日 优先权日2002年1月25日
发明者克劳斯·德贝尔林, 肯-伊夫·哈夫纳, 罗尔夫·吕特斯奇, 汉斯彼得·津恩 申请人:阿尔斯通技术有限公司