專(zhuān)利名稱(chēng)：輸送用于燃燒的各種各樣的渦輪燃料的方法、設(shè)備和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)方面涉及輸送用于燃燒的各種各樣的質(zhì)量的渦輪燃料的方法、設(shè)備和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
一般而言，氣體燃料、液體燃料或兩者可在燃?xì)廨啓C(jī)中燃燒。在以前，熱值用作應(yīng)當(dāng)提供給燃燒器(尤其是對(duì)于啟動(dòng)和停機(jī)而言)以滿(mǎn)足能量需要的燃料的量的指標(biāo)。通常， 熱值用作燃料質(zhì)量的指標(biāo)-較高的熱值通常指示較高的燃料質(zhì)量。但是，高質(zhì)量渦輪燃料的供應(yīng)并不總是得到保證。由于市場(chǎng)波動(dòng)的原因，對(duì)于運(yùn)營(yíng)商而言在不同的時(shí)間使用不同類(lèi)型的渦輪燃料來(lái)運(yùn)行燃?xì)廨啓C(jī)通常是有益的。在授予 Brushwood等人的美國(guó)專(zhuān)利6，640, 548 (下文稱(chēng)為“Brustiwood” )中，公開(kāi)了一種用以在燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中燃燒低質(zhì)量燃料的方法。Brustwood論述了在兩個(gè)特性方面-熱值Q和可燃度范圍-測(cè)量燃料質(zhì)量。在Brustwood (的專(zhuān)利)中，高質(zhì)量燃料是具有超過(guò)100BTU/SCF 的Q值和2或更大的可燃度比RL/LL(富燃極限、貧燃極限)的那些燃料，例如天然氣和丙烷。低質(zhì)量燃料(具有低于100BTU/SCR的Q值或小于2的可燃度比的那些)的實(shí)例包括由低級(jí)生物量氣化、由煤氣化或由石油焦氣化產(chǎn)生的燃料。Brustwood論述了在啟動(dòng)期間，高質(zhì)量燃料Hl用作引燃燃料，以起動(dòng)燃燒。然后， 起動(dòng)和增加高質(zhì)量燃料H2(其可與Hl來(lái)自相同的源)的流，直到獲得期望的動(dòng)力水平為止。低質(zhì)量燃料L的流僅可在達(dá)到期望的動(dòng)力水平之后起動(dòng)，并且然后逐漸地增加。低質(zhì)量燃料(按推測(cè)比Hl和H2更便宜和更豐富)的流被保持，只要如傳感器所指示的那樣火焰保持穩(wěn)定。如果檢測(cè)到不穩(wěn)定，則增加高質(zhì)量燃料的供應(yīng)，以避免火焰熄滅。在Brustwood(的專(zhuān)利)中，需要高質(zhì)量燃料來(lái)進(jìn)行啟動(dòng)。直到達(dá)到某個(gè)運(yùn)行水平才使用低質(zhì)量燃料。而且， 在運(yùn)行期間必須可獲得高質(zhì)量燃料，以避免火焰熄滅。但是如上面提到的那樣，可能并不總是可獲得高質(zhì)量燃料。即使是在可獲得時(shí)，高質(zhì)量燃料也可為極度昂貴的。因而，運(yùn)行即使是在啟動(dòng)和停機(jī)時(shí)期期間也燃燒各種各樣的質(zhì)量的渦輪燃料的燃?xì)廨啓C(jī)是合乎需要的。另外，能夠運(yùn)行不要求總是可獲得高質(zhì)量燃料的燃?xì)廨啓C(jī)是合乎需要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一非限制性方面涉及一種用于將燃料與空氣的混合物輸送給燃?xì)廨啓C(jī)的方法。燃料可包含一種或多種燃料成分的組合。在該方法中，控制器可確定進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器的混合物的貧燃可燃極限?？苫诨旌衔镏械娜剂系娜剂蠀?shù)、基于混合物中的空氣的空氣參數(shù)或基于兩者來(lái)確定可燃性?？刂破鬟€可確定用于運(yùn)行燃?xì)廨啓C(jī)的混合物的期望貧燃可燃極限和混合物的燃料-空氣比，使得經(jīng)調(diào)節(jié)的混合物的燃料-空氣比在調(diào)節(jié)之后處于或超過(guò)燃料的期望貧燃可燃極限。燃料的貧燃可燃極限可看作混合物的這樣的可燃度極限在該可燃度極限以下，將不能防止貧燃熄火。
本發(fā)明的另一非限制性方面涉及一種用于控制通往燃?xì)廨啓C(jī)的燃料與空氣的混合物的輸送的控制器。燃料可包含一種或多種燃料成分的組合。控制器可包括參數(shù)接收單元、貧燃可燃極限確定單元、期望貧燃極限確定單元和調(diào)節(jié)單元。參數(shù)接收單元可布置成接收混合物中的燃料的燃料參數(shù)、混合物中的空氣的空氣參數(shù)或兩者。貧燃可燃極限確定單元可布置成基于燃料參數(shù)、基于空氣參數(shù)或基于兩者來(lái)確定混合物的貧燃可燃極限。期望貧燃極限確定單元布置成確定用于運(yùn)行燃?xì)廨啓C(jī)的混合物的期望貧燃可燃極限。調(diào)節(jié)單元布置成調(diào)節(jié)混合物的燃料-空氣比，使得經(jīng)調(diào)節(jié)的混合物的燃料-空氣比在調(diào)節(jié)之后處于或超過(guò)燃料的期望貧燃可燃極限。現(xiàn)在將結(jié)合在下面標(biāo)識(shí)的圖來(lái)更詳細(xì)地描述本發(fā)明。部件列表1燃燒器2燃?xì)廨啓C(jī)3壓縮機(jī)4、7、9、10、11、13 閥5三通閥6控制器8a燃料熱交換器汕空氣熱交換器12燃料存儲(chǔ)和輸送系統(tǒng)14燃料溫度傳感器15空氣溫度傳感器16燃料組成傳感器17轉(zhuǎn)子速度傳感器310參數(shù)接收單元320貧燃可燃極限確定單元330期望貧燃極限確定單元340調(diào)節(jié)單元350熱能確定單元360期望能量確定單元


通過(guò)實(shí)例實(shí)施例的結(jié)合附圖的以下詳細(xì)描述，本發(fā)明的這些和其它特征將更好理解，其中圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一非限制性方面的燃料和空氣控制的簡(jiǎn)圖；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一非限制性方面的、用于將燃料與空氣的混合物輸送給燃?xì)廨啓C(jī)的系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的一非限制性方面的、布置成控制通往燃?xì)廨啓C(jī)的燃料與空氣的混合物的輸送的控制器的一個(gè)實(shí)施例；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的一非限制性方面的、用于將燃料與空氣的混合物輸送給燃?xì)廨啓C(jī)的實(shí)例方法的流程圖；圖5是示出了多種燃料的可燃度極限和用以確定特定燃燒器和多種燃燒器運(yùn)行狀況的貧燃熄火值的可燃度極限應(yīng)用的實(shí)例的曲線圖；以及圖6是示出了多種燃料的貧燃可燃性極限與卡值和溫度之間的實(shí)例關(guān)系的曲線圖。
具體實(shí)施例方式描述了用于將燃料與空氣的混合物輸送給燃?xì)廨啓C(jī)的新穎的方法、系統(tǒng)和設(shè)備。 所描述的方法、系統(tǒng)和設(shè)備使用燃料與空氣的混合物可燃性修正來(lái)獲得穩(wěn)定的燃燒器運(yùn)行，包括在燃?xì)廨啓C(jī)的啟動(dòng)時(shí)期期間的運(yùn)行。如上面所提到的那樣，能夠運(yùn)行可在渦輪運(yùn)行的所有時(shí)期(包括啟動(dòng)和停機(jī)時(shí)期)期間燃燒各種各樣的質(zhì)量的渦輪燃料的燃?xì)廨啓C(jī)是合乎需要的。而且如提到的那樣， 熱值通常用作燃料質(zhì)量的指標(biāo)。熱值是燃料的能量含量的指征。當(dāng)某個(gè)量的燃料與氧氣反應(yīng)而形成水和其它產(chǎn)物時(shí)，會(huì)釋放固定量的能量，這通過(guò)燃料的高熱值(HHV)和低熱值(LHV)來(lái)量化。這兩者之間的差異是蒸發(fā)熱，并且代表使液態(tài)水蒸發(fā)成氣態(tài)所需要的能量的量。對(duì)于給定重量的燃料而言，HHV和LLV兩者表示為能量的量(焦耳、BTU)。LHV將主要用來(lái)描述用以表明本發(fā)明的多種方面的有益的特征中的一些的實(shí)例。 但是，應(yīng)當(dāng)注意，本發(fā)明不限于此，而是本發(fā)明的原理甚至在按照HHV或Q或其它類(lèi)似的表示來(lái)考慮能量時(shí)也將是可適用的。在渦輪的為了針對(duì)點(diǎn)火和穩(wěn)定的啟動(dòng)時(shí)期來(lái)獲得能量而可能需要的期望熱值和為了供應(yīng)的燃料被點(diǎn)燃以及在渦輪啟動(dòng)時(shí)期的多種階段期間維持火焰?zhèn)鞑サ膶?shí)際需要之間可存在差異。用另一個(gè)燃料屬性-燃料的可燃度(也稱(chēng)為可燃性)_的估值可更精確地估計(jì)用于可靠的點(diǎn)火和可持續(xù)性火焰的實(shí)際需要。大體上，如果可燃度太低，則將不能達(dá)到點(diǎn)火和穩(wěn)定的燃燒。如果可燃度太高，則爆炸和高排放的風(fēng)險(xiǎn)將增加。為了發(fā)生燃燒或爆炸，需要燃料、氧氣和火源。而且，燃料和氧氣必須按適當(dāng)?shù)牧炕旌?。燃料的可燃度典型地按照其可燃度下限和可燃度上?LFL、UFL)受到限定。LFL和 UFL分別是將在被點(diǎn)燃時(shí)支持自行傳播的火焰的燃料相對(duì)于空氣的最低和最高氣體濃度。 在LFL以下，燃料/空氣混合物對(duì)于燃燒而言太貧化(即稀薄)，即不存在足夠的燃料。在 UFL以上，混合物太富化，即不存在足夠的空氣。保持貧燃燃燒運(yùn)行以減少NOx排放是合乎需要的。因而，用盡可能貧化的混合物來(lái)運(yùn)行燃?xì)廨啓C(jī)是合乎需要的。但是，混合物不應(yīng)當(dāng)貧化到以致發(fā)生貧燃吹熄(LBO)。在其涉及燃?xì)廨啓C(jī)時(shí)，LBO是其中燃料流不足以保持燃燒的狀況。LBO與LFL成比例，并且在速度接近零時(shí)接近LFL。圖1是燃料和空氣控制圖的簡(jiǎn)化圖，而圖2是調(diào)節(jié)通往燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器的燃料和空氣輸送以保持燃燒(例如以在燃?xì)廨啓C(jī)的啟動(dòng)期間獲得安全和穩(wěn)定的點(diǎn)火、暖機(jī)和加速)的實(shí)例系統(tǒng)。雖然將出于闡述的目的詳細(xì)地描述啟動(dòng)時(shí)期，但是應(yīng)當(dāng)注意，燃料和空氣輸送的調(diào)節(jié)還適用于其它運(yùn)行時(shí)期，例如在渦輪的負(fù)荷狀況和停機(jī)期間。如在圖1和2中看到的那樣，系統(tǒng)包括布置成產(chǎn)生高能氣體來(lái)驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)2的燃燒器1。壓縮機(jī)3布置成對(duì)燃燒器1提供空氣，而燃料閥4布置成控制輸送給燃燒器1的燃料的量。在一非限制性方面，通過(guò)控制壓縮機(jī)3產(chǎn)生的空氣的量以及調(diào)節(jié)諸如壓縮機(jī)的入口導(dǎo)葉(IGV)、入口放氣閥和燃燒器旁通閥(除了別的之外)的機(jī)構(gòu)來(lái)控制燃-空(F/A) 比。在圖2中示出了 IGV10。雖然壓縮空氣可直接提供給燃燒器1，但是優(yōu)選的是系統(tǒng)包括三通閥5，三通閥5 布置成控制進(jìn)入燃燒器1的空氣的量、壓力和溫度，返回到壓縮機(jī)3的入口的空氣的量、壓力和溫度以及繞過(guò)燃燒器1的空氣的量的任何組合?？諝鉁囟葔嚎s機(jī)排氣(TCD)傳感器15 可用來(lái)估計(jì)空氣的溫度、空氣-燃料混合物的溫度，以及計(jì)算空氣-燃料混合物可燃度。系統(tǒng)包括渦輪控制器6。在一非限制性方面，渦輪控制器6基于燃料可燃度修正模型(這將在下面進(jìn)行更詳細(xì)的描述)來(lái)控制空氣輸送和燃料輸送兩者。而且如將在下面更詳細(xì)地描述的那樣，控制器6可接收來(lái)自多種傳感器的測(cè)量結(jié)果和其它燃料規(guī)格值作為輸入，并且將產(chǎn)生控制信息而作為輸出來(lái)控制燃?xì)廨啓C(jī)2的運(yùn)行。為了將混亂減到最小，通往和來(lái)自控制器6的信號(hào)在圖2中表示為虛箭頭。在本發(fā)明的一非限制性方面，控制器6布置成基于燃料的可燃度來(lái)控制供應(yīng)給燃燒器1的燃料和空氣的F/A比。可使用各種給定的燃料的規(guī)格來(lái)確定燃料的可燃度。還可使用例如通過(guò)燃料組成傳感器16得到的燃料組成測(cè)量結(jié)果來(lái)確定可燃度。燃料組成傳感器的實(shí)例是氣相色譜裝置、熱量計(jì)或沃泊(WcAbe)計(jì)傳感器。諸如氣相色譜裝置的燃料組成傳感器16布置成檢測(cè)燃料組成，即可檢測(cè)構(gòu)成燃料的單獨(dú)的成分。一旦確定燃料組成，控制器6就可確定對(duì)應(yīng)于燃料成分的燃料指數(shù)，并且因此確定燃料組合的可燃度。沃泊計(jì)傳感器布置成測(cè)量燃料組合的沃泊指數(shù)。控制器6可將燃料成分的沃泊指數(shù)轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的可燃度指數(shù)，并且確定燃料的可燃度。熱量計(jì)布置成檢測(cè)燃料成分的熱值，然后控制器可使用該熱值來(lái)轉(zhuǎn)化成可燃度指數(shù)且然后確定可燃度。優(yōu)選地，系統(tǒng)進(jìn)一步包括布置成存儲(chǔ)和/或輸送各種各樣的質(zhì)量的多種成分燃料的燃料存儲(chǔ)和輸送系統(tǒng)12?？苫诔煞秩剂系奶匦曰騾?shù)(例如熱值、反應(yīng)性和可燃度，僅列舉了一些)來(lái)估計(jì)成分燃料的質(zhì)量。在一非限制性方面，控制器6通過(guò)調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)于不同的成分燃料的閥7的開(kāi)度來(lái)控制各種成分燃料的輸送。換句話說(shuō)，當(dāng)可獲得多種成分燃料時(shí)，控制器6還通過(guò)控制成分燃料的摻合來(lái)確定輸送給燃燒器1的燃料的組成。可選地，可包括影響輸送的燃料的總量的閥13。當(dāng)包括時(shí)，控制器6可控制閥13 來(lái)控制燃料流量。注意還可通過(guò)控制對(duì)應(yīng)于單獨(dú)的燃料成分的閥7來(lái)控制燃料流量。為了使燃料可燃度保持處于期望值或處于值的期望范圍內(nèi)，優(yōu)選的是系統(tǒng)還包括燃料熱交換器8a，燃料的至少一部分在控制器6的控制下被轉(zhuǎn)移到燃料熱交換器8a。例如， 控制器6可控制閥9來(lái)控制轉(zhuǎn)移到燃料熱交換器8a的燃料的量。燃料溫度可由燃料溫度傳感器14測(cè)量，燃料溫度傳感器14將測(cè)量結(jié)果提供給控制器6。作為實(shí)例，例如在燃?xì)廨啓C(jī)2在負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，來(lái)自燃料溫度傳感器14的測(cè)量結(jié)果可指示燃料溫度低于設(shè)計(jì)的燃料運(yùn)行溫度。在此情形下，控制器6可確定需要額外的燃料流來(lái)補(bǔ)償較低的燃料溫度，以便使可燃度保持處于或超過(guò)期望貧燃可燃極限，優(yōu)選盡可能地更接近貧燃極限?？梢哉f(shuō)大體上，可通過(guò)調(diào)節(jié)下者中的任何一個(gè)或多個(gè)來(lái)調(diào)節(jié)燃料混合物的燃料-空氣比基于期望貧燃可燃極限來(lái)調(diào)節(jié)燃料流量、燃料溫度和燃料組成。這些調(diào)節(jié)可看作控制燃料輸送以調(diào)節(jié)混合物的燃料-空氣比的實(shí)例。還可以說(shuō)，可通過(guò)基于期望貧燃可燃極限而控制空氣輸送(例如通過(guò)調(diào)節(jié)空氣流量、空氣溫度和空氣壓力中的任何一個(gè)或多個(gè))來(lái)調(diào)節(jié)燃料混合物的燃料-空氣比。如上面所提到的那樣，控制器6可控制三通閥5的操作，以通過(guò)控制進(jìn)入燃燒器1 的空氣的量、返回到壓縮機(jī)3的入口的空氣的量、繞過(guò)燃燒器1的空氣的量等來(lái)調(diào)節(jié)空氣流量、壓力和溫度。控制器6可通過(guò)控制從壓縮機(jī)3到燃燒器1的壓縮空氣的輸送來(lái)調(diào)節(jié)空氣壓力。為了調(diào)節(jié)空氣溫度，控制器6可通過(guò)控制閥11來(lái)將進(jìn)入燃燒器1的空氣的至少一部分轉(zhuǎn)移到空氣熱交換器8b，以在進(jìn)入燃燒器1之前預(yù)熱被轉(zhuǎn)移的空氣?？諝鉁囟瓤捎煽諝鉁囟葌鞲衅?5 (例如空氣溫度壓縮機(jī)排氣傳感器)測(cè)量，并且可提供給控制器6。注意， 通過(guò)稱(chēng)為入口放氣加熱的效應(yīng)(通過(guò)經(jīng)由三通閥5將壓縮空氣的至少一部分傳送到壓縮機(jī)入口)還可實(shí)現(xiàn)另外的空氣溫度控制。還應(yīng)當(dāng)注意，燃料熱交換器8a和空氣熱交換器8b 可結(jié)合在一個(gè)模塊中或作為分開(kāi)的模塊來(lái)提供?？苫谂c燃料相關(guān)的測(cè)量結(jié)果以外的測(cè)量結(jié)果來(lái)調(diào)節(jié)燃料與空氣的混合物的可燃性修正，即燃料-空氣比。例如，系統(tǒng)優(yōu)選包括測(cè)量與燃燒器1中的火焰相關(guān)的參數(shù)的一個(gè)或多個(gè)火焰?zhèn)鞲衅?6。這種參數(shù)包括燃燒壓力波動(dòng)，并且/或者可為在工業(yè)中用于火焰表征的光學(xué)參數(shù)或任何其它參數(shù)?？刂破?可使用這些測(cè)量結(jié)果，以通過(guò)控制燃料輸送和/ 或空氣輸送來(lái)進(jìn)一步調(diào)節(jié)燃料-空氣比，以便貫穿燃?xì)廨啓C(jī)2的多種運(yùn)行時(shí)期和階段而保持穩(wěn)定的燃燒。作為另一個(gè)實(shí)例，在調(diào)節(jié)燃料-空氣比時(shí)可考慮燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子的加速度。轉(zhuǎn)子速度傳感器17可測(cè)量轉(zhuǎn)子的速度?？刂破?可使用轉(zhuǎn)子速度測(cè)量結(jié)果來(lái)確定轉(zhuǎn)子的加速度以及相應(yīng)地調(diào)節(jié)燃料-空氣比。注意，還可測(cè)量燃?xì)廨啓C(jī)2的負(fù)荷、溫度和排放，并且將它們作為輸入提供給控制器6。在圖1和2中示出的系統(tǒng)中，看到燃料可為一種或若干種單獨(dú)的燃料成分的組合， 并且可通過(guò)打開(kāi)和關(guān)閉對(duì)應(yīng)于各種燃料成分的閥7來(lái)控制各種燃料成分的輸送。各種成分燃料可具有不同的特性或參數(shù)，例如熱值、比重(SG)、燃點(diǎn)等。而且在圖1和2中，看到控制器6在控制通往燃?xì)廨啓C(jī)2的燃料與空氣的混合物的輸送方面扮演重要的角色。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的一非限制性方面的控制器6的一個(gè)實(shí)施例。控制器6可包括參數(shù)接收單元310、貧燃可燃極限確定單元320、期望貧燃極限確定單元330和調(diào)節(jié)單元340?？刂破?還可包括熱能確定單元350和期望能量確定單元360。注意圖3提供了控制器6和包括在其中的單元的邏輯圖。也就是說(shuō)，各個(gè)單元實(shí)現(xiàn)為在物理上分開(kāi)的模塊并不是嚴(yán)格必要的。一些或所有單元可在物理模塊中結(jié)合起來(lái)。 例如，貧燃可燃極限確定單元320和期望貧燃極限確定單元330可結(jié)合在單個(gè)模塊中。此外，不需要嚴(yán)格地在硬件中實(shí)現(xiàn)單元。預(yù)想了通過(guò)硬件和軟件的結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)單元。例如，實(shí)際的控制器6可包括執(zhí)行存儲(chǔ)在存儲(chǔ)介質(zhì)中或固件中的非臨時(shí)程序指令的一個(gè)或多個(gè)中央處理單元，以執(zhí)行在圖3中示出的單元的功能將結(jié)合圖4來(lái)描述控制器6的各個(gè)單元所扮演的角色，圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的一非限制性方面的用于將燃料與空氣的混合物輸送給燃?xì)廨啓C(jī)2的實(shí)例方法的流程圖。大體在該方法中，使用燃料和空氣參數(shù)來(lái)獲得和保持穩(wěn)定的燃燒?；谶@些參數(shù)，估計(jì)或以其它的方式確定了將防止貧燃熄火(LBO)的適當(dāng)?shù)娜?空(F/A)比。這種調(diào)節(jié)是有利的，因?yàn)椴煌娜剂峡删哂胁煌目扇级葮O限，如在圖5中看到的那樣。注意F/A比確定可為動(dòng)態(tài)的，即其可持續(xù)地執(zhí)行，以適應(yīng)變化的環(huán)境，例如，除了別的(變化)之外，成分燃料的變化或燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行狀況的變化。優(yōu)選地，確定了燃料與空氣的混合物的最小F/A比-也稱(chēng)為貧燃可燃極限或可燃度下限(LFL)。保持貧燃可燃極限具有減少N0X、CO和HC排放的額外的益處。因?yàn)闀?huì)確定混合物的F/A比、溫度或兩者，以達(dá)到略微超過(guò)貧燃可燃極限的期望可燃度，所以在一非限制性方面，該方法可稱(chēng)為燃料貧燃極限可燃度修正模型。返回參照?qǐng)D1和2且如前面所提到，考慮到燃料的熱值和燃料+燃燒空氣混合物特性，控制器6可控制系統(tǒng)的閥中的任何一個(gè)或多個(gè)。例如，如果空氣的溫度低于渦輪燃燒器設(shè)計(jì)空氣溫度，則燃料閥4可額外地打開(kāi)(到所計(jì)算的程度，考慮到燃料的熱值和消耗)， 以保持相同的貧燃可燃極限和LBO邊界。另一個(gè)方法是在空氣溫度低時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以使用熱交換器8a和/或8b來(lái)提高燃料、空氣或兩者的溫度。當(dāng)然，增加燃料流的量(通過(guò)額外地打開(kāi)閥4)和提高燃料/空氣混合物的溫度(使用熱交換器8a、8b)的調(diào)節(jié)兩者可同時(shí)應(yīng)用，以保持LBO邊界和貧燃可燃極限。在一方面，使用以下貧燃極限等式(1)來(lái)作出調(diào)節(jié)，以保持貧燃可燃極限(LL)。LL = k (aLHV2-bLHV+c)(1)其中，k代表溫度修正系數(shù)，而a、b和c代表多項(xiàng)式修正系數(shù)。等式(1)可看作描述燃料溫度、燃料的LHV值和貧燃極限之間的關(guān)系或?qū)υ撽P(guān)系建模的傳遞函數(shù)。圖6是示出了多種氣體燃料的貧燃可燃性極限相對(duì)于卡值和溫度的實(shí)例關(guān)系的曲線圖。等式(1)和圖6表明可基于燃料的熱值和燃料與空氣摻合物的溫度來(lái)作出可燃性修正。注意等式(1)將傳遞函數(shù)作為二次多項(xiàng)式來(lái)建模。但是應(yīng)當(dāng)注意，本發(fā)明不限于此。完全構(gòu)想到更高次的多項(xiàng)式以及甚至線性模型。但是，在許多情形下，二次多項(xiàng)式的等式(1)提供了足夠好的結(jié)果。圖4中示出的方法400可適用于燃?xì)廨啓C(jī)的所有運(yùn)行時(shí)期。但是為了闡述的目的，當(dāng)其涉及燃?xì)廨啓C(jī)的啟動(dòng)時(shí)期的階段(包括開(kāi)動(dòng)、吹掃、燃料和空氣輸送、點(diǎn)火、加速和暖機(jī)階段)時(shí)，將詳細(xì)地描述該方法。如在圖4的左上部中的步驟410中看到的那樣，與進(jìn)入燃燒器的空氣相關(guān)的參數(shù)可由參數(shù)接收單元接收，例如，一個(gè)或多個(gè)空氣參數(shù)傳感器可提供一些或所有參數(shù)。一些參數(shù)可根據(jù)廠商提供的規(guī)格預(yù)先加載。與空氣相關(guān)的參數(shù)包括空氣流量、壓力和溫度中的任何一個(gè)或多個(gè)。在步驟420中，參數(shù)接收單元可接收與進(jìn)入燃燒器的燃料相關(guān)的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)。而且，可預(yù)先加載一個(gè)或多個(gè)燃料參數(shù)。與燃料相關(guān)的參數(shù)包括燃料流量、燃料組成、 熱值、溫度和比重。如所提到的那樣，提供給參數(shù)接收單元的燃料參數(shù)和/或空氣參數(shù)可由傳感器測(cè)量。例如，可基于氣相色譜裝置或熱量計(jì)提供的測(cè)量結(jié)果來(lái)確定燃料的能量含量。作為另一個(gè)實(shí)例，沃泊計(jì)可測(cè)量沃泊指數(shù)(WI)，WI為與燃料的熱值相關(guān)的指數(shù)。作為備選或附加 (方案)，還可基于燃料供應(yīng)商和廠商提供的規(guī)格來(lái)輸入?yún)?shù)。例如，天然氣供應(yīng)商可提供諸如燃料的組成、LHV和WI的信息。
步驟410和420顯示為虛框且沒(méi)有連接到其它步驟上，以指示這些步驟可持續(xù)地執(zhí)行。也就是說(shuō)，可持續(xù)地監(jiān)測(cè)和更新進(jìn)入燃燒器的燃料和空氣的參數(shù)。在啟動(dòng)時(shí)期(以及其它時(shí)期)的階段期間，通過(guò)測(cè)量結(jié)果、廠商規(guī)格或兩者來(lái)對(duì)控制器6提供參數(shù)，如在步驟410和420中看到的那樣。在步驟405中，開(kāi)始方法400。在步驟430中，通過(guò)貧燃可燃極限確定單元來(lái)測(cè)量或以別的方式確定進(jìn)入燃燒器的燃料與空氣的混合物的貧燃可燃極限。在同一步驟中，通過(guò)期望貧燃極限確定單元來(lái)確定期望貧燃可燃極限。在步驟440中，熱能確定單元和期望能量確定單元分別確定燃料與空氣的混合物的熱能和用于運(yùn)行燃?xì)廨啓C(jī)的期望能量。注意在步驟430和440中，貧燃可燃性極限確定單元、期望貧燃極限確定單元、熱能確定單元和期望能量確定單元考慮了燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行時(shí)期-啟動(dòng)、負(fù)荷和停機(jī)時(shí)期。甚至在各個(gè)運(yùn)行時(shí)期內(nèi)，貧燃極限確定也可根據(jù)該時(shí)期的運(yùn)行模式而有所不同。例如，在啟動(dòng)時(shí)期中，運(yùn)行模式可處于開(kāi)動(dòng)、吹掃、燃料和空氣輸送、點(diǎn)火、加速和暖機(jī)階段中的任一階段中。在步驟450中，例如在燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)時(shí)期的任何運(yùn)行模式的開(kāi)始時(shí)將來(lái)自步驟 430和440的結(jié)果作為輸入提供給調(diào)節(jié)單元。在此步驟中，調(diào)節(jié)單元基于步驟430和440中收集的信息來(lái)確定用于該運(yùn)行模式的燃料與空氣的混合物的期望可燃度，并且確定哪個(gè)輸入或哪些輸入對(duì)于特定運(yùn)行模式、預(yù)期燃料組成或兩者而言是關(guān)鍵的。在此語(yǔ)境下，“關(guān)鍵” 指示在參數(shù)的實(shí)測(cè)值和設(shè)計(jì)值之間存在顯著的差異。例如，燃料的LHV可太低，而燃料-空氣混合物溫度已經(jīng)較高。在此情形下，可通過(guò)打開(kāi)對(duì)應(yīng)于更具反應(yīng)性的燃料成分的閥7來(lái)調(diào)節(jié)燃料摻合，以使燃料的LHV達(dá)到設(shè)計(jì)值或達(dá)到值的設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。在此實(shí)例中，更具反應(yīng)性的燃料成分是關(guān)鍵輸入，因?yàn)樗鼤?huì)影響燃料的實(shí)際LHV是否將如設(shè)計(jì)的那樣。因?yàn)閰?shù)可受多個(gè)因素影響，所以也可存在多個(gè)關(guān)鍵輸入。在上面的實(shí)例中，具有足夠高的LHV的任何燃料成分可用來(lái)提高整個(gè)燃料的LHV，并且因此被看作是關(guān)鍵的?；陉P(guān)鍵輸入，調(diào)節(jié)單元在步驟460中通過(guò)控制與燃料相關(guān)的任何方面和燃料的輸送來(lái)調(diào)節(jié)F/A比，以使渦輪運(yùn)行到達(dá)設(shè)計(jì)值內(nèi)。除了別的之外，這些方面還包括在步驟 470中控制空氣輸送和在步驟480中控制燃料輸送。返回參照?qǐng)D1和2，看到可通過(guò)借助于控制閥4、7、9和13中的任何一個(gè)或多個(gè)而控制燃料流量、成分燃料組成和燃料溫度中的任何一個(gè)或多個(gè)來(lái)控制燃料輸送?？赏ㄟ^(guò)經(jīng)由操作閥5、10和11而控制空氣流量、空氣壓力和空氣溫度中的任何一個(gè)或多個(gè)來(lái)控制空氣輸送。在步驟490中，調(diào)節(jié)單元確定是否已經(jīng)作出期望的F/A比調(diào)節(jié)。例如，來(lái)自一個(gè)或多個(gè)傳感器的反饋信息可用來(lái)作出該確定。如果還沒(méi)有作出期望的調(diào)節(jié)，則可重復(fù)步驟 460、470、480 和 490。在一個(gè)非限制性實(shí)施例中，除了別的之外，通過(guò)傳感器提供的反饋的類(lèi)型包括燃料組成、燃料流量、燃料溫度、能量含量、比重、空氣流量、空氣溫度和空氣壓力中的任何一個(gè)或多個(gè)。注意，期望F/A比對(duì)于輸送給燃燒器的燃料而言以及對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行模式而言可為特定的。不同的燃料在給定的溫度和壓力處具有不同的可燃度極限是公知常識(shí)。例如，在暖機(jī)階段處的氫氣的期望F/A比可不同于在相同的暖機(jī)階段處的甲烷的期望F/A比。 對(duì)于給定的燃料而言，可燃度極限可隨著溫度的變化而變化，這也是公知常識(shí)。因而，在點(diǎn)火階段處的氫氣的期望F/A比可不同于在暖機(jī)階段或加速階段處的氫氣的期望F/A比。當(dāng)存在構(gòu)成輸送給燃燒器的燃料的組合的多個(gè)成分燃料時(shí)，期望F/A比同樣也可基于成分燃料的特定的摻合而改變，也就是說(shuō)，F(xiàn)/A比可以燃料組成為基礎(chǔ)。因而，關(guān)于燃料組成的反饋信息將是有用的。當(dāng)執(zhí)行用以調(diào)節(jié)F/A比的步驟時(shí)，達(dá)到期望F/A比并不是嚴(yán)格必要的。因而，在用以確定是否已經(jīng)作出期望的F/A調(diào)節(jié)的步驟490的非限制性實(shí)現(xiàn)中，當(dāng)期望F/A比和經(jīng)調(diào)節(jié)的F/A比之間的差異足夠接近(即，差異處于預(yù)先確定的值內(nèi))時(shí)，可滿(mǎn)足該標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)然， 經(jīng)調(diào)節(jié)的F/A比不應(yīng)當(dāng)?shù)陀诨旌衔锏呢毴伎扇紭O限。作為備選方案，可規(guī)定期望的F/A比范圍。在此情形下，在經(jīng)調(diào)節(jié)的F/A比值落在規(guī)定的范圍內(nèi)時(shí)，可滿(mǎn)足用于確定是否已經(jīng)作出期望的F/A調(diào)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)。期望的F/A比范圍可包括貧燃可燃極限，但是不應(yīng)當(dāng)包括落在貧燃可燃極限以下的值。如果一些誤差邊界是合乎需要的，則期望的范圍的下限可為在貧燃可燃極限以上的一些預(yù)先確定的值。注意，貧燃可燃性極限會(huì)影響最小燃料設(shè)置。如果提供了任何更少的燃料，則將發(fā)生貧燃熄火。但是，還應(yīng)當(dāng)確定最大燃料設(shè)置，使得將爆炸的風(fēng)險(xiǎn)減到最小?？苫诎樯蝗伎扇紭O限修正來(lái)確定最大燃料設(shè)置。在一方面，當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)處于啟動(dòng)時(shí)期的加速模式中時(shí)，控制器的調(diào)節(jié)單元可分別用貧燃可燃極限修正和富燃可燃極限修正來(lái)確定最小和最大燃料設(shè)置。此書(shū)面描述使用了實(shí)例來(lái)公開(kāi)本發(fā)明，包括最佳模式，并且還使得本領(lǐng)域的任何技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明，包括制造和使用任何裝置或系統(tǒng)，以及執(zhí)行任何結(jié)合的方法。本發(fā)明的可授予專(zhuān)利的范圍由權(quán)利要求書(shū)限定，并且可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其它實(shí)例。如果這樣的其它實(shí)例具有不異于權(quán)利要求的字面語(yǔ)言的結(jié)構(gòu)元素，或如果它們包括與權(quán)利要求的字面語(yǔ)言無(wú)實(shí)質(zhì)性差異的等效結(jié)構(gòu)元素，則這樣的其它實(shí)例意圖處于權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于將燃料與空氣的混合物輸送給燃?xì)廨啓C(jī)的方法G00)，其中，所述燃料包含一種或多種燃料成分的組合，所述方法(400)包括基于所述混合物中的燃料的燃料參數(shù)、基于所述混合物中的空氣的空氣參數(shù)或基于兩者來(lái)確定(430)進(jìn)入所述燃?xì)廨啓C(jī)( 的燃燒器(1)的所述混合物的貧燃可燃極限的控制器(6)；所述控制器(6)確定(430)用于運(yùn)行所述燃?xì)廨啓C(jī)( 的所述混合物的期望貧燃可燃極限；以及所述控制器(6)調(diào)節(jié)(460)所述混合物的燃料-空氣比，使得所述經(jīng)調(diào)節(jié)的混合物的所述燃料-空氣比在調(diào)節(jié)之后處于或超過(guò)所述燃料的所述期望貧燃可燃極限，其中，所述燃料的所述貧燃可燃極限是所述混合物的這樣的可燃度極限在所述可燃度極限以下，將不能防止貧燃熄火。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法G00)，其特征在于，所述方法(400)進(jìn)一步包括 所述控制器(6)確定(440)所述混合物的熱能；以及所述控制器(6)確定(440)用于運(yùn)行所述燃?xì)廨啓C(jī)O)的期望熱能， 其中，調(diào)節(jié)(460)所述混合物的所述燃料-空氣比的步驟包括調(diào)節(jié)所述燃料-空氣比使得達(dá)到所述期望熱能。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法G00)，其特征在于，調(diào)節(jié)(460)所述混合物的所述燃料-空氣比的步驟包括所述控制器(6)基于以下參數(shù)來(lái)確定(450)運(yùn)行模式的一個(gè)或多個(gè)關(guān)鍵輸入、預(yù)期燃料組成或兩者所述燃料參數(shù)、空氣參數(shù)或兩者；以及所述控制器(6)基于所述關(guān)鍵輸入和所述混合物的所述貧燃可燃極限來(lái)控制空氣輸送(470)或燃料輸送(480)或兩者，以便獲得期望燃料-空氣比，其中，各個(gè)關(guān)鍵輸入對(duì)應(yīng)于這樣的輸入所述輸入影響處于期望值或值的期望范圍之外的燃料參數(shù)或空氣參數(shù)，使得所述燃料參數(shù)或所述空氣參數(shù)達(dá)到所述期望值或達(dá)到所述值的期望范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法G00)，其特征在于，在調(diào)節(jié)(460)所述混合物的所述燃料-空氣比的步驟中，所述燃料-空氣比調(diào)節(jié)成使得所述燃料的可燃度在調(diào)節(jié)之后處于由所述期望貧燃可燃極限加上預(yù)先確定的貧燃吹熄邊界限定的范圍內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法G00)，其特征在于，調(diào)節(jié)(460)所述混合物的所述燃料-空氣比的步驟包括所述控制器(6)基于傳遞函數(shù)來(lái)應(yīng)用可燃性修正，所述傳遞函數(shù)對(duì)燃料溫度、所述燃料的熱值和所述燃料的所述貧燃可燃性極限之間的關(guān)系建模。
6.一種用于控制通往燃?xì)廨啓C(jī)( 的燃料與空氣的混合物的輸送的控制器(6)，其中， 所述燃料包含一種或多種燃料成分的組合，所述控制器(6)包括布置成接收所述混合物中的燃料的燃料參數(shù)、所述混合物中的空氣的空氣參數(shù)或兩者的參數(shù)接收單元(310)；布置成基于所述燃料參數(shù)、基于所述空氣參數(shù)或基于兩者來(lái)確定所述混合物的貧燃可燃極限的貧燃可燃極限確定單元(320)；布置成確定用于運(yùn)行所述燃?xì)廨啓C(jī)O)的所述混合物的期望貧燃可燃極限的期望貧燃極限確定單元(330)；以及布置成調(diào)節(jié)所述混合物的燃料-空氣比使得所述經(jīng)調(diào)節(jié)的混合物的所述燃料-空氣比在調(diào)節(jié)之后處于或超過(guò)所述燃料的所述期望貧燃可燃極限的調(diào)節(jié)單元(340)，其中，所述燃料的所述貧燃可燃極限是所述混合物的這樣的可燃度極限在所述可燃度極限以下，將不能防止貧燃熄火。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的控制器(6)，其特征在于，所述控制器(6)進(jìn)一步包括 布置成確定所述混合物的熱能的熱能確定單元(350)；以及布置成確定用于運(yùn)行所述燃?xì)廨啓C(jī)O)的期望熱能的期望能量確定單元(360)， 其中，所述調(diào)節(jié)單元(340)調(diào)節(jié)所述混合物的所述燃料-空氣比，使得達(dá)到所述期望熱能。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的控制器(6)，其特征在于，所述調(diào)節(jié)單元(340)通過(guò)這樣來(lái)調(diào)節(jié)所述混合物的所述燃料-空氣比基于以下參數(shù)來(lái)確定運(yùn)行模式的一個(gè)或多個(gè)關(guān)鍵輸入、預(yù)期燃料組成或兩者所述燃料參數(shù)、空氣參數(shù)或者兩者；以及基于所述關(guān)鍵輸入和所述混合物的所述貧燃可燃極限來(lái)控制空氣輸送或燃料輸送或兩者，以獲得期望燃料-空氣比，其中，各個(gè)關(guān)鍵輸入對(duì)應(yīng)于這樣的輸入該輸入影響在期望值或值的期望范圍之外的燃料參數(shù)或空氣參數(shù)，使得所述燃料參數(shù)或所述空氣參數(shù)達(dá)到所述期望值或達(dá)到所述值的期望范圍內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的控制器(6)，其特征在于，所述調(diào)節(jié)單元(340)調(diào)節(jié)所述混合物的所述燃料-空氣比，使得所述燃料的可燃度在調(diào)節(jié)之后處于由所述期望貧燃可燃極限加上預(yù)先確定的貧燃吹熄邊界限定的范圍內(nèi)。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的控制器(6)，其特征在于，所述調(diào)節(jié)單元(340)通過(guò)基于傳遞函數(shù)而應(yīng)用可燃性修正來(lái)調(diào)節(jié)所述混合物的所述燃料-空氣比，所述傳遞函數(shù)對(duì)燃料溫度、所述燃料的熱值和所述燃料的所述貧燃可燃性極限之間的關(guān)系建模。
全文摘要
本發(fā)明涉及輸送用于燃燒的各種各樣的渦輪燃料的方法、設(shè)備和系統(tǒng)。在運(yùn)行燃?xì)廨啓C(jī)(2)時(shí)，在渦輪運(yùn)行的多種階段期間，在燃料的期望熱值和用于可持續(xù)性燃燒的燃料的實(shí)際需要之間可存在差異。在一方面，基于渦輪(2)的運(yùn)行需要和燃料成分的可燃度，通過(guò)調(diào)節(jié)燃料的燃料-空氣比和燃料與空氣的混合物的屬性，可使得燃?xì)廨啓C(jī)(2)能夠進(jìn)行無(wú)貧燃熄火的貧燃可燃極限運(yùn)行。
文檔編號(hào)F02C9/48GK102374035SQ20111023816
公開(kāi)日2012年3月14日 申請(qǐng)日期2011年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月13日
發(fā)明者J.柯斯納, P.波波維克, R.M.沃沙姆 申請(qǐng)人:通用電氣公司