具有燃料成分控制的燃?xì)鉁u輪的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開涉及一種用于利用用以調(diào)節(jié)燃料成分的主動(dòng)措施操作燃?xì)鉁u輪的方法以及此類燃?xì)鉁u輪。
【背景技術(shù)】
[0002]由于通過(guò)不穩(wěn)定的再生源像風(fēng)或太陽(yáng)的增加的發(fā)電，基于現(xiàn)有燃?xì)鉁u輪的發(fā)電設(shè)備不斷增加地用于平衡功率需求和穩(wěn)定電網(wǎng)。因此，需要改進(jìn)的操作靈活性。這意味著燃?xì)鉁u輪經(jīng)常在低于基礎(chǔ)負(fù)載設(shè)計(jì)點(diǎn)的負(fù)載下操作，即在較低的燃燒器入口和點(diǎn)火溫度下。在某些極限之下，這降低了火焰穩(wěn)定性和燃盡，具有較高的火焰損失(貧油熄火)風(fēng)險(xiǎn)、增加的脈動(dòng)(例如，作為貧油熄火前兆的低頻脈動(dòng))，以及增加的CO排放。
[0003]同時(shí)，排放極限值和總排放許可變得更嚴(yán)厲，使得需要在較低排放值下操作，在部分負(fù)載操作下和在瞬態(tài)期間也保持低排放，因?yàn)檫@些對(duì)累積排放極限也是有價(jià)值的。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)的燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)成處理操作條件中的某種可變性，例如通過(guò)調(diào)整壓縮機(jī)入口質(zhì)量流或者控制在不同焚燒器、燃料級(jí)或燃燒器之間的燃料劃分。然而，這不足以滿足新的要求，尤其是對(duì)于已經(jīng)安裝的發(fā)動(dòng)機(jī)而言。
[0005]高燃料反應(yīng)性已知具有對(duì)火焰穩(wěn)定性和燃盡的有益影響，其在低負(fù)載操作下為有利的，但是在較高負(fù)載和較高點(diǎn)火溫度下可為有害的，其中其可引起回火、過(guò)熱，以及增加的NOx排放。燃料反應(yīng)性由供應(yīng)網(wǎng)或其它氣源所提供的天然氣的成分給出。在新的和多樣的氣源被開發(fā)的情況下，網(wǎng)中的燃料成分經(jīng)常波動(dòng)。經(jīng)?？纱嬖诖罅康亩栊詺怏w。C2+(即，包括每個(gè)分子多于一個(gè)碳原子并且具有高于甲烷的反應(yīng)性的高烴)的量可例如在0%到20%或更多之間波動(dòng)，這引起燃料的反應(yīng)性以不受控的方式波動(dòng)超過(guò)當(dāng)前焚燒器的穩(wěn)定性極限。
[0006]低燃料反應(yīng)性推動(dòng)目的在于提高燃料反應(yīng)性的構(gòu)思和解決方案的開發(fā)。這些基于甲烷重整技術(shù)，如蒸汽重整、催化部分氧化、非催化部分氧化、自熱重整，以及等離子體重整。它們?nèi)酷槍?duì)提供氫以提高燃料的反應(yīng)性。用以通過(guò)抽取燃料的至少部分，由重整器對(duì)其進(jìn)行處理，并且接著將其供給至燃燒系統(tǒng)而調(diào)節(jié)燃料的重整技術(shù)例如在US20100300110A1和EP2206968A2中描述。對(duì)于基于燃料重整的解決方案而言，到發(fā)電設(shè)備中的集成努力為高的，這限制了操作靈活性和對(duì)現(xiàn)有設(shè)備的適用性。此外，這些解決方案中的一些包括換熱器，并且因此具有大熱慣性，需要長(zhǎng)起動(dòng)時(shí)間，并且在燃?xì)鉁u輪由于調(diào)度請(qǐng)求或電網(wǎng)支援請(qǐng)求而改變的情況下不可足夠快地響應(yīng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本公開的目的在于提出一種燃?xì)鉁u輪和一種用于操作燃?xì)鉁u輪的方法，其實(shí)現(xiàn)在寬操作范圍內(nèi)的穩(wěn)定、安全且清潔的操作。此外，其實(shí)現(xiàn)利用燃料氣體的操作，該燃料氣體在其成分上具有大波動(dòng)。
[0008]根據(jù)第一實(shí)施例，一種燃?xì)鉁u輪，其至少具有壓縮機(jī)、燃燒器、和渦輪，包括具有氣體分離系統(tǒng)的燃料系統(tǒng)。氣體分離系統(tǒng)可分離具有高烴的至少第一燃料部分，該至少第一燃料部分具有高于引入燃料氣體的高烴濃度。第一燃料部分還可稱為高烴燃料。剩余的第二燃料部分具有減小的高烴濃度，即，低于引入燃料氣體的高烴濃度。第二燃料部分還可被稱為低烴燃料。燃料供應(yīng)系統(tǒng)還包括用于引入燃料的燃料氣體供應(yīng)管線，和/或用于第二燃料部分的燃料管線，其通往燃?xì)鉁u輪的燃燒器用于將燃料氣體供給到燃燒器中。此外，用于供應(yīng)第一燃料部分的燃料管線通往至少一個(gè)燃燒器以通過(guò)到燃燒器中的第一燃料部分的受控制添加控制燃燒行為(例如，燃燒脈動(dòng)、排放以及火焰位置)。
[0009]根據(jù)又一個(gè)實(shí)施例，燃?xì)鉁u輪是包括壓縮機(jī)、第一燃燒器、第一渦輪、第二燃燒器以及第二渦輪的順序燃燒燃?xì)鉁u輪。該燃?xì)鉁u輪包括通往燃?xì)鉁u輪的第一燃燒器用于將燃料氣體供給到第一燃燒器中的用于引入燃料的燃料氣體供應(yīng)管線和/或用于第二燃料部分的燃料管線，以及通往燃?xì)鉁u輪的第二燃燒器用于將燃料氣體供給到第二燃燒器中的用于引入燃料的燃料氣體供應(yīng)管線和/或用于第二燃料部分的燃料管線。此外，其包括燃料管線，該燃料管線通往第一燃燒器用于供應(yīng)第一燃料部分以通過(guò)添加第一燃料部分控制燃燒行為。可選地或另外，其包括燃料管線，該燃料管線通往第二燃燒器用于供應(yīng)第一燃料部分以通過(guò)添加第一燃料部分控制燃燒行為。
[0010]在又一個(gè)實(shí)施例中，燃?xì)鉁u輪發(fā)電設(shè)備包括用于積聚和存儲(chǔ)第一燃料部分的至少部分的燃料存儲(chǔ)系統(tǒng)，并且接著使用第一燃料部分。第一燃料部分可在第一操作時(shí)段期間被積聚和存儲(chǔ)。存儲(chǔ)的第一燃料部分的至少部分可在第二操作時(shí)段期間釋放和供給至至少一個(gè)燃燒器，以控制燃燒行為。低燃?xì)鉁u輪負(fù)載下關(guān)于燃燒穩(wěn)定性和排放的問(wèn)題可利用此類燃?xì)鉁u輪減輕。分離的氣體，其富含高烴(C2+)，可現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)存儲(chǔ)，并且可用于在需要高反應(yīng)性來(lái)提高燃燒穩(wěn)定性和CO排放(即，在低負(fù)載下，典型地低于50%相對(duì)負(fù)載，即相對(duì)于基本負(fù)載功率輸出的功率輸出)時(shí)在操作模式期間使來(lái)自天然氣源(典型地為氣網(wǎng))的燃料富足。富足化可對(duì)全部燃料進(jìn)行，或者在再熱發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下僅針對(duì)第二燃燒器，其中其預(yù)期為特別有利的。燃料管理系統(tǒng)不需要與燃?xì)鉁u輪或相關(guān)聯(lián)底循環(huán)的熱集成，并且可以以對(duì)燃?xì)鉁u輪負(fù)載變化請(qǐng)求的快速響應(yīng)操作。此外，該解決方案僅需要對(duì)燃料供應(yīng)系統(tǒng)的較小修改(即，一些附加連接)，而不影響燃?xì)鉁u輪自身的硬件和控制系統(tǒng)。這些特征特別有利于改裝現(xiàn)有的設(shè)備，因?yàn)榧膳蛦?wèn)題減少。
[0011]存儲(chǔ)系統(tǒng)可簡(jiǎn)單地包括存儲(chǔ)容器，其在分離系統(tǒng)的出口壓力處或以下操作。
[0012]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，存儲(chǔ)系統(tǒng)包括存儲(chǔ)容器和用以壓縮第一燃料部分以減小所需存儲(chǔ)容積的壓縮機(jī)。
[0013]在又一細(xì)化中，存儲(chǔ)系統(tǒng)包括存儲(chǔ)容器、用于壓縮第一燃料部分以減小用于存儲(chǔ)的所需存儲(chǔ)容積的壓縮機(jī)。其還包括用以在使存儲(chǔ)的第一燃料部分膨脹用于將其供給至燃燒器時(shí)回收能量的部分的渦輪，該能量需要在積聚過(guò)程期間壓縮第一燃料部分。這些系統(tǒng)可進(jìn)一步包括用于冷卻壓縮氣體的冷卻器和/或具有中間冷卻的壓縮機(jī)布置。
[0014]在另一實(shí)施例中，存儲(chǔ)系統(tǒng)包括液化系統(tǒng)和液體燃料存儲(chǔ)容器以及再氣化系統(tǒng)，以減少用于存儲(chǔ)的所需存儲(chǔ)容積。
[0015]氣體分離系統(tǒng)例如可包括滲透分離膜、吸收分離系統(tǒng)、吸附分離系統(tǒng)、壓力或溫度擺動(dòng)吸附(PSA/TSA)系統(tǒng)，或深冷分咼系統(tǒng)。
[0016]合適的系統(tǒng)應(yīng)用單級(jí)或多級(jí)膜處理。其中標(biāo)準(zhǔn)燃料的大部分不遭受主要壓力損失的解決方案是優(yōu)選的，以便使再壓縮要求最小化。在膜系統(tǒng)的情況下，其中較高烴滲透得比甲烷快的材料因此是優(yōu)選的。在吸附系統(tǒng)中，這對(duì)應(yīng)于較高烴比甲烷更好地粘附于其的材料。對(duì)于再吸收和深冷分離，可使用燃?xì)鉁u輪或聯(lián)合循環(huán)過(guò)程的余熱。
[0017]第一燃料部分的使用(分別為存儲(chǔ)或釋放)可基于計(jì)劃確定，該計(jì)劃例如取決于燃?xì)鉁u輪負(fù)載、可變?nèi)肟趯?dǎo)葉的位置或燃?xì)鉁u輪的其它合適操作參數(shù)。
[0018]根據(jù)實(shí)施例，供給至(多個(gè))燃燒器的第一燃料部分的流取決于至少一個(gè)燃?xì)鉁u輪操作參數(shù)來(lái)控制。為了該控制，燃?xì)鉁u輪包括對(duì)應(yīng)的測(cè)量裝置。該測(cè)量裝置可為用以確定以下中的至少一個(gè)的測(cè)量裝置:引入燃料氣體質(zhì)量流、燃?xì)鉁u輪負(fù)載、燃?xì)鉁u輪操作溫度、引入燃料氣體的成分、分離的第一燃料部分的成分、第二燃料部分的成分、CO排放、
放、貧油熄火極限、低頻脈動(dòng)，或火焰(即火焰監(jiān)測(cè))。
[0019]除了燃?xì)鉁u輪以外，一種用于操作此類燃?xì)鉁u輪的方法是本公開的主題。用于操作至少具有壓縮機(jī)、燃燒器、渦輪和燃料系統(tǒng)的燃?xì)鉁u輪的方法包括使第一燃料部分與引入燃料氣體分離的步驟，該第一燃料部分具有增大的高烴(C2+)濃度，具有高于引入燃料氣體的高烴濃度。通過(guò)分離具有增大的高烴濃度的第一燃料部分，提供具有減小的高烴濃度的剩余的第二燃料部分，其具有低于引入燃料氣體的高烴濃度。該方法還包括如下步驟:將引入燃料氣體和/或第二燃料部分供給至燃?xì)鉁u輪的至少一個(gè)燃燒器，以及將包括第一燃料部分的燃料氣體流供給至至少一個(gè)燃燒器以控制燃燒行為。
[0020]第一燃料部分可供給至與引入燃料氣體和/或第二燃料氣體相同的燃燒器，或者其可作為唯一燃料供給至燃燒器以提供穩(wěn)定火焰。該燃燒器可在預(yù)混模式中操作，但是充當(dāng)用于燃?xì)鉁u輪的其它焚燒器或燃燒器的穩(wěn)定器，像常規(guī)引燃火焰一樣。
[0021]根據(jù)燃料氣體成分，高烴含量燃料氣體的分離不需要一直執(zhí)行。其可取決于燃料氣體成分和燃?xì)鉁u輪操作條件，特別是根據(jù)燃?xì)鉁u輪負(fù)載來(lái)執(zhí)行。
[0022]典型地，具有高烴含量燃料的第一燃料部分的噴射不需要一直執(zhí)行。其可取決于燃料氣體成分和燃?xì)鉁u輪操作參數(shù)，特別是根據(jù)燃?xì)鉁u輪負(fù)載來(lái)執(zhí)行。
[0023]根據(jù)該方法的一個(gè)實(shí)施例，第一燃料部分的所有或至少部分在第一操作時(shí)段期間存