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用于燃气涡轮机系统中的排放物控制的系统和方法

申请号 CN201510712891.8 申请日 2015-10-28 公开(公告)号 CN105545434B 公开(公告)日 2019-07-16
申请人 通用电气公司; 发明人 S.阿布罗尔; R.库马; M.T.多库丘;
摘要 本 发明 涉及用于燃气 涡轮 机系统中的排放物控制的系统和方法。所述系统包括包括处理器的排放控制系统,所述处理器编程为接收用于SCR系统的一个或多个 选择性催化还原 (SCR)操作条件。所述SCR系统包括在用于废气流的后处理系统中。所述处理器也编程为接收用于燃气涡轮 发动机 的一个或多个燃气 涡轮机 操作条件。所述 燃气涡轮发动机 配置成将废气流引导到所述后处理系统中。所述处理器还编程为基于SCR模型和所述一个或多个SCR操作条件导出到达所述SCR系统的NH3流量,导出NO/NOx比率,以及基于NH3流量、NO/NOx比率或它们的组合导出所述燃气涡轮发动机的 燃料 分流。
权利要求

1.一种用于燃气涡轮机系统中的排放物控制的系统,其包括:
排放控制系统,所述排放控制系统包括处理器,所述处理器经配置为:
接收用于SCR系统的一个或多个选择性催化还原(SCR)系统操作条件,其中所述SCR系统包括在用于废气流的后处理系统中;
接收用于燃气涡轮发动机的一个或多个燃气涡轮机操作条件,其中所述燃气涡轮发动机配置成将废气流引导到所述后处理系统中;
基于SCR模型和所述一个或多个SCR系统操作条件导出到达所述SCR系统的NH3流量;
导出NO/NOx比率;以及
基于NH3流量、NO/NOx比率或它们的组合导出所述燃气涡轮发动机的燃料分流。
2.根据权利要求1所述的系统,其特征在于,所述处理器经配置为通过执行SCR图导出NO/NOx比率;其中,所述处理器经配置为通过使用NH3泄漏设定点和所述SCR模型作为输入导出NH3流量;并且,所述处理器经还配置为通过使用NH3泄漏设定点和测量的NH3泄漏作为输入导出NH3流量。
3.根据权利要求1所述的系统,其特征在于,所述处理器经配置为执行估计器系统,所述估计器系统配置成基于所述后处理系统的一个或多个测量的输出更新所述SCR模型;其中,所述处理器经配置为通过更新所述SCR模型的一个或多个参数更新所述SCR模型;其中,所述一个或多个参数包括在所述SCR系统中使用的催化剂的特性。
4.根据权利要求1所述的系统,其特征在于,其包括底循环,所述底循环配置成接收废气流并且将废气流转换成机械或电功率,其中所述后处理系统包括在所述底循环中;其中,所述排放控制系统包括后处理控制器和燃气涡轮机控制器,并且其中所述后处理控制器配置成接收所述一个或多个SCR系统操作条件;以及导出到达所述SCR系统的NH3流量;并且其中所述燃气涡轮机控制器配置成接收所述一个或多个燃气涡轮机操作条件;导出NO/NOx比率;以及导出所述燃气涡轮发动机的燃料分流。
5.一种用于燃气涡轮机系统中的排放物控制的方法,其包括:
接收用于SCR系统的一个或多个选择性催化还原(SCR)系统操作条件,其中所述SCR系统包括在用于废气流的后处理系统中;
接收用于燃气涡轮发动机的一个或多个燃气涡轮机操作条件,其中所述燃气涡轮发动机配置成将废气流供应到所述后处理系统中;
基于SCR模型和所述一个或多个SCR系统操作条件导出到达所述SCR系统的NH3流量;
导出NO/NOx比率;以及
基于NH3流量、NO/NOx比率或它们的组合导出所述燃气涡轮发动机的燃料分流。
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,导出NO/NOx比率包括通过执行SCR图导出NO/NOx比率;导出NH3流量包括通过使用NH3泄漏设定点和所述SCR模型作为输入导出NH3流量;并且,所述导出NH3流量还包括通过使用NH3泄漏设定点和测量的NH3泄漏作为输入导出NH3流量。
7.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,其包括执行估计器系统以基于所述后处理系统的一个或多个测量的输出更新所述SCR模型;执行估计器系统以更新所述SCR模型包括执行所述估计器系统以更新所述SCR模型的一个或多个参数。
8.一种用于燃气涡轮机系统中的排放物控制的系统,其包括:
燃气涡轮发动机,所述燃气涡轮发动机配置成燃烧燃料以产生第一功率;
底循环,所述底循环流体地联接到所述燃气涡轮发动机并且配置成接收所述燃气涡轮发动机的废气流以产生第二功率;
选择性催化还原(SCR)系统,所述SCR系统布置在所述底循环中并且配置成接收废气流和从废气流去除NOx;以及
包括处理器的控制器,所述处理器经配置为:
接收一个或多个SCR系统操作条件;
接收一个或多个燃气涡轮机操作条件;
基于SCR模型和所述一个或多个SCR系统操作条件导出到达所述SCR系统的NH3流量;
导出NO/NOx比率;以及
基于NH3流量、NO/NOx比率或它们的组合导出所述燃气涡轮发动机的燃料分流。
9.根据权利要求8所述的系统,其特征在于,所述处理器经配置为通过使用NH3泄漏设定点和所述SCR模型作为输入导出NH3流量;并且,所述处理器还经配置为通过使用NH3泄漏设定点和测量的NH3泄漏作为输入导出NH3流量。
10.根据权利要求8所述的系统,其特征在于,所述处理器经配置为执行估计器系统,所述估计器系统配置成基于所述SCR系统的一个或多个测量的输出更新所述SCR模型;所述控制器包括后处理控制器和燃气涡轮机控制器,并且其中所述后处理控制器配置成接收所述一个或多个SCR系统操作条件;以及导出到达所述SCR系统的NH3流量;并且其中所述燃气涡轮机控制器配置成接收所述一个或多个燃气涡轮机操作条件;导出NO/NOx比率;以及导出所述燃气涡轮发动机的燃料分流。

说明书全文

用于燃气涡轮机系统中的排放物控制的系统和方法

技术领域

[0001] 本说明书所公开的主题涉及燃气涡轮机系统,并且更特别地,涉及用于改善燃气涡轮机系统中的排放物的控制的系统和方法。

背景技术

[0002] 燃气涡轮机系统(如在发电机组中提供电的燃气涡轮机)典型地包括至少一个燃气涡轮发动机,所述燃气涡轮发动机具有压缩机燃烧器系统和涡轮机。燃烧器系统燃烧燃料和压缩空气的混合物以生成热燃烧气体,所述热燃烧气体又驱动涡轮机的叶片,从而例如产生旋转动力。由燃气涡轮发动机产生的废气可能包括某些副产物,如氮化物(NOx,包括NO和NO2)、硫氧化物(SOx)、氧化物(COx)和未燃流体地联接到废气的后处理系统可以用于减小废气中的这样的副产物的量。例如,选择性催化还原(SCR)系统可以包括在后处理系统中以减小NOx排放物。改善排放物的控制将是有益的。发明内容
[0003] 下面总结在范围上与本发明一致的某些实施例。这些实施例不旨在限制权利要求的范围,而是这些实施例仅仅旨在提供某些实施例的简要总结。实际上,本发明的实施例可以涵盖可以类似于或不同于下面所述的实施例的各种形式。
[0004] 在一个实施例中,一种系统包括排放控制系统。所述排放控制系统包括处理器,所述处理器编程为接收用于选择性催化还原(SCR)系统的一个或多个选择性催化还原(SCR)操作条件。所述SCR系统包括在用于废气流的后处理系统中。所述处理器也编程为接收用于燃气涡轮发动机的一个或多个燃气涡轮机操作条件。所述燃气涡轮发动机配置成将废气流引导到所述后处理系统中。所述处理器还进一步编程为基于SCR模型和所述一个或多个SCR操作条件导出到达所述SCR系统的NH3流(量),导出NO/NOx比率,以及基于NH3流(量)、NO/NOx比率、或它们的组合导出所述燃气涡轮发动机的燃料分流。
[0005] 所述处理器经配置为通过执行SCR图导出NO/NOx比率。所述处理器经配置为通过使用NH3泄漏设定点和所述SCR模型作为输入导出NH3流量。所述处理器经配置为通过使用NH3泄漏设定点和测量的NH3泄漏作为输入导出NH3流量。
[0006] 所述处理器经配置为执行估计器系统,所述估计器系统配置成基于所述后处理系统的一个或多个测量的输出更新所述SCR模型。所述处理器经配置为通过更新所述SCR模型的一个或多个参数更新所述SCR模型。所述一个或多个参数包括在所述SCR系统中使用的催化剂的特性。
[0007] 所述系统包括底循环,所述底循环配置成接收废气流并且将废气流转换成机械或电功率,其中所述后处理系统包括在所述底循环中。所述排放控制系统包括后处理控制器和燃气涡轮机控制器,并且其中所述后处理控制器配置成接收所述一个或多个SCR系统操作条件;以及导出到达所述SCR的NH3流量;并且其中所述燃气涡轮机控制器配置成接收所述一个或多个燃气涡轮机操作条件;导出NO/NOx比率;以及导出所述燃气涡轮发动机的燃料分流。
[0008] 在另一实施例中,一种方法包括接收用于SCR系统的一个或多个选择性催化还原(SCR)系统操作条件。所述SCR系统包括在用于废气流的后处理系统中。所述方法也包括接收用于燃气涡轮发动机的一个或多个燃气涡轮机操作条件。所述燃气涡轮发动机配置成将废气流供应到所述后处理系统中。所述方法还包括基于SCR模型和所述一个或多个SCR操作条件导出到达所述SCR系统的NH3流量,导出NO/NOx比率,以及基于NH3流量、NO/NOx比率、或它们的组合导出所述燃气涡轮发动机的燃料分流。
[0009] 导出NO/NOx比率包括通过执行SCR图导出NO/NOx比率。导出NH3流量包括通过使用NH3泄漏设定点和所述SCR模型作为输入导出NH3流量。导出NH3流量包括通过使用NH3泄漏设定点和测量的NH3泄漏作为输入导出NH3流量。
[0010] 所述方法包括执行估计器系统以基于所述后处理系统的一个或多个测量的输出更新所述SCR模型。执行估计器系统以更新所述SCR模型包括执行所述估计器系统以更新所述SCR模型的一个或多个参数。
[0011] 在另一实施例中,一种系统包括:燃气涡轮发动机,所述燃气涡轮发动机配置成燃烧燃料以产生第一功率;底循环,所述底循环流体地联接到所述燃气涡轮发动机、并且配置成接收所述燃气涡轮发动机的废气流以产生第二功率;选择性催化还原(SCR)系统,所述SCR系统布置在所述底循环中、并且配置成接收废气流和从废气流去除NOx;以及包括处理器的控制器。所述处理器编程为接收一个或多个SCR系统操作条件,接收一个或多个燃气涡轮机操作条件,基于SCR模型和所述一个或多个SCR操作条件导出到达所述SCR系统的NH3流量,导出NO/NOx比率,以及基于NH3流量、NO/NOx比率或它们的组合导出所述燃气涡轮发动机的燃料分流。
[0012] 所述处理器经配置为通过使用NH3泄漏设定点和所述SCR模型作为输入导出NH3流量。所述处理器经配置为通过使用NH3泄漏设定点和测量的NH3泄漏作为输入导出NH3流量。
[0013] 所述处理器经配置为执行估计器系统,所述估计器系统配置成基于所述SCR系统的一个或多个测量的输出更新所述SCR模型。所述控制器包括后处理控制器和燃气涡轮机控制器,并且其中所述后处理控制器配置成接收所述一个或多个SCR系统操作条件;以及导出到达所述SCR系统的NH3流量;并且其中所述燃气涡轮机控制器配置成接收所述一个或多个燃气涡轮机操作条件;导出NO/NOx比率;以及导出所述燃气涡轮发动机的燃料分流。附图说明
[0014] 当参考附图阅读以下详细描述时,本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解,在附图中相似的附图标记始终表示相似的部分,其中:
[0015] 图1是根据本发明的实施例的、包括用于控制燃气涡轮机系统的排放物的排放控制器的燃气涡轮机系统的方图;
[0016] 图2是作为流动到SCR系统中的废气的温度和NO/NOx比率的函数的选择性催化还原(SCR)系统的除NOx效率的绘图;
[0017] 图3是根据本发明的实施例的、可以由用于控制燃气涡轮机系统的排放物的排放控制器使用的控制过程的方块图;
[0018] 图4是根据本发明的实施例的、可以由用于控制燃气涡轮机系统的排放物的排放控制器使用的另一控制过程的方块图;
[0019] 图5是根据本发明的实施例的、可以由用于控制燃气涡轮机系统的排放物的排放控制器使用的附加控制过程的方块图;
[0020] 图6是图5的控制过程的更详细图示的方块图;以及
[0021] 图7是根据本发明的用于控制燃气涡轮机系统的排放物的过程的流程图

具体实施方式

[0022] 下面将描述本发明的一个或多个具体实施例。为了试图提供这些实施例的简洁描述,可能未在说明书中描述实际实现方式的所有特征。应当领会在任何这样的实际实现方式的开发中,与任何工程或设计项目中一样,必须进行许多实现方式特定的决策以实现开发者的特定目标,例如遵从可能在不同实现方式之间不同的系统相关或商业相关约束。而且,应当领会这样的开发工作可能是复杂和耗时的,但是仍然是本领域的普通技术人员利用本发明能够在设计、生产和制造方面承担的常规工作。
[0023] 在介绍本发明的各实施例的元件时,冠词“一”和“所述”旨在表示有一个或多个元件。术语“包括”、“包含”和“具有”旨在是包括性的并且表示除了列出的元件以外可以有附加元件。
[0024] 本说明书中提供用于控制燃气涡轮机系统的排放物(具体地,NOx排放物)的技术。在燃气涡轮机系统中,一个或多个燃气涡轮发动机可以燃烧燃料以产生用于驱动一个或多个涡轮机级的燃烧气体,每个涡轮机级具有多个叶片。取决于燃烧的燃料的类型,由燃烧过程产生的废气排放物可能包括氮氧化物(NOx,包括NO和NO2)、硫氧化物(SOx)、碳氧化物(COx)和未燃烃。经常地,由燃气涡轮机系统(如燃气涡轮机发电机组)释放的废气的组分受到法规制约。作为例子,法规可能要求释放到大气中的废气的NOx组分不大于阈值平,如
10份百万分率(ppm)。
[0025] 用于去除或减小废气流中的NOx量的一种技术是使用SCR系统。在SCR系统中,诸如(NH3)或尿素的还原剂喷射到废气流中,并且在存在一种或多种催化剂的情况下与NOx反应以产生氮(N2)和水(H2O)。SCR系统的效能(例如,除NOx效率)可以至少部分地取决于喷射到废气流中的还原剂的量。然而,当还原剂过度喷射到废气流中时,过量还原剂可能不与NOx反应。因此,还原剂的量可能“泄漏”或穿过SCR系统而未反应。SCR系统的效能(例如,除NOx效率)也可以至少部分地取决于SCR系统的操作温度、以及在SCR系统的入口处的NOx的气体组分(例如,NO/NO2比率)。
[0026] 用于去除或减小废气流中的NOx(或其它排放物化合物)的量的另一技术是通过调节燃气涡轮发动机的操作。例如,燃气涡轮发动机的燃烧器中的燃料-空气比率可以被调节以保持燃烧器内的低火焰温度从而减小NOx排放物。作为另一例子,当燃气涡轮发动机可以包括多个燃料回路时,其中每个燃料回路取决于燃气涡轮发动机的操作条件来控制一个或多个燃料喷嘴处的燃料流率/流量,燃料分流(例如,多个燃料回路内的燃料的分配)可以被调节以减小NOx排放物。然而,由燃气涡轮发动机使用的、旨在去除或减小废气流中的NOx量的某些燃料分流方案可能产生具有对于SCR系统而言不是最佳的NOx的气体组分(例如,NO/NO2比率)的废气,由此影响燃气涡轮机系统的排放物控制的总体效能。
[0027] 因而,根据本发明的实施例,包括燃气涡轮发动机和下游SCR系统的燃气涡轮机系统可以包括控制系统,所述控制系统配置成调节和协调燃气涡轮发动机和SCR系统的排放物控制以获得由燃气涡轮机系统产生的期望总体排放物。在燃气涡轮机系统的起动期间该技术尤其有用。例如,如下面将更详细地所述,控制系统可以调节燃气涡轮发动机的燃烧器中的燃料分流以改变废气(例如,由燃气涡轮发动机产生并且随后送至SCR系统进行后处理的废气)的组分,尤其是NO/NO2比率,以便改善下游SCR系统的除NOx效率(DeNOx efficiency),由此改善燃气涡轮机系统(例如,包括燃气涡轮发动机和下游SCR系统两者)的NOx排放物控制的总体效能。
[0028] 根据本发明的实施例,燃气涡轮机系统的控制系统配置成接收用于SCR系统的一个或多个SCR操作条件(例如,氨流率、操作温度、入口NOx浓度等),所述SCR系统包括在用于处理由燃气涡轮发动机产生的废气流的后处理系统中。控制系统也配置成接收用于燃气涡轮发动机的一个或多个燃气涡轮机操作条件(例如,燃料分流、点火温度、出口气体流率/流量等)。基于SCR模型和接收到的一个或多个SCR操作条件,控制系统可以导出到达SCR系统的NH3流(量)。此外,基于导出的NH3流(量)和SCR系统的其它特性(例如,SCR图),控制系统可以导出NO/NOx比率,并且基于其,导出燃气涡轮发动机的燃料分流。因而,可以有效地去除或减小来自燃气涡轮机系统的总体NOx排放物。
[0029] 此外,根据本发明,一些实施例包括基于模型的估计器(例如,扩展卡尔曼滤波器)以估计用于SCR模型的参数(例如,催化剂老化系数)。估计器可以通过实时地调整参数在线校准SCR模型以使模型预测与NOx和NH3泄漏的实际SCR系统测量值匹配。这样的技术可以用于针对不同的催化剂特性调整SCR模型,导致SCR模型的更灵活实现方式(例如,对于不同SCR系统)和使用SCR模型的更精确和稳健排放物控制。
[0030] 考虑到上述情况,图1是燃气涡轮机系统10的方块图,所述燃气涡轮机系统包括根据本发明的用于控制涡轮机系统10的排放物的排放控制器12。燃气涡轮机系统10包括燃气涡轮发动机14和包括后处理系统18的底循环16。燃气涡轮发动机14可以包括、但不限于简单循环重型燃气涡轮机系统或航空发动机改装燃烧系统。后处理系统18可以包括SCR系统20以减小来自燃气涡轮发动机的NOx排放物。底循环16配置成使用由燃气涡轮发动机14生成的热(例如,来自废气的废热)生成电力并且可以包括其它部件,如废热回收锅炉蒸汽涡轮机。
[0031] 燃气涡轮发动机14包括压缩机22、涡轮机燃烧器24和涡轮机26。涡轮机燃烧器24包括将液体燃料和/或气体燃料(如柴油、天然气合成气)引导到涡轮机燃烧器24中的燃料喷嘴28。如图所示,涡轮机燃烧器24可以具有多个燃料喷嘴28。更具体地,涡轮机燃烧器24可以包括具有初级燃料喷嘴30的初级燃料喷射系统和具有次级燃料喷嘴32的次级燃料喷射系统。燃料可以以任何合适的分流比率在初级燃料喷嘴30和次级燃料喷嘴32之间被输送(例如,燃料分流)。如下面更详细地所述,排放控制器12可以调整和调节用于燃气涡轮机系统10的NOx排放物控制的燃料分流。在所示的实施例中,燃气涡轮发动机14包括一个涡轮机燃烧器24,然而,应当注意燃气涡轮发动机14可以包括任何数量的涡轮机燃烧器24。另外,应当注意每个涡轮机燃烧器24可以根据需要包括具有任何合适的燃料分流的两个以上燃料喷射系统。在燃气涡轮发动机14包括一个以上涡轮机燃烧器24的实施例中,除了在用于每个涡轮机燃烧器24的燃料喷嘴之间以外,燃料分流也包括在多个涡轮机燃烧器24之间输送燃料。
[0032] 涡轮机燃烧器24点燃并且燃烧空气-燃料混合物,并且然后将热的加压燃烧气体34(例如,废气)传到涡轮机26中。涡轮机26的涡轮机叶片联接到轴36,所述轴也联接到遍布燃气涡轮发动机14的若干其它部件。当燃烧气体34穿过涡轮机26中的涡轮机叶片时,涡轮机26被驱动旋转,这导致轴36旋转。最后,燃烧气体34作为废气流38离开燃气涡轮发动机
14。此外,轴36可以联接到经由轴36的旋转提供动力的负载40。例如,负载40可以是可以经由燃气涡轮发动机14的旋转输出生成功率的任何合适的装置,如发电机、飞机的推进器等。
[0033] 压缩机叶片作为压缩机22的部件被包括。压缩机叶片联接到轴36并且当轴36由涡轮机26驱动旋转时将旋转,如上所述。压缩机22内的压缩机叶片的旋转将来自进气口42的空气压缩成加压空气44。加压空气44然后进给到涡轮机燃烧器24的燃料喷嘴28中。燃料喷嘴28混合加压空气44和燃料以产生用于燃烧(例如,导致燃料更完全燃烧的燃烧)的合适混合比率,从而不浪费燃料或导致过度排放物。
[0034] 离开涡轮机26,废气流38可以继续在下游方向46上朝着底循环16(例如,后处理系统18)流动。如上所述,由于燃烧过程,废气流38可能包括某些副产物,如氮氧化物(NOx,包括NO和NO2)、硫氧化物(SOx)、碳氧化物(COx)、和未燃烃。由于某些法规要求,后处理系统18可以用于在将废气流38释放到大气中之前减小这样的副产物的浓度。如图所示,后处理系统18可以包括SCR系统20以减小或去除来自废气流38的NOx排放物。
[0035] SCR系统20包括SCR反应器48,其具有催化剂50、入口52和出口54。SCR系统20也包括喷射器56,其位于SCR反应器48的入口52的上游以将还原剂(例如,氨[NH3])喷射到SCR反应器48中,使得还原剂在催化剂50的表面上被吸收。包含NOx的废气流38可以通过入口52流动到SCR反应器48中,并且与在催化剂50的表面上吸收的还原剂反应。经由该NOx还原反应,NOx可以转化成氮(N2)和水(H2O),并且因此可以减小废气流38中的NOx水平。
[0036] 催化剂50可以是适合于经由SCR过程进行NOx还原反应的任何催化剂。例如,催化剂50可以由载体和活性催化成分制造。载体可以包括各种陶瓷材料,如氧化。活性催化成分可以包括贱金属(base metals)(例如,和钨)的氧化物。活性催化成分也可以包括沸石类(zeolites),如交换沸石。活性催化成分还可以包括各种贵金属(precious metals),如金、和铂。
[0037] 当气体(例如,废气流38和还原剂)穿过SCR反应器48时发生NOx还原反应。在进入SCR反应器48之前,还原剂由喷射器56喷射并且与废气流38混合。还原剂可以包括无水氨、含水的氨、尿素或它们的任何组合。然而,未反应的还原剂通过SCR反应器48的出口54作为氨泄漏(ammonia slip)58被释放。
[0038] SCR反应器48中的期望反应具有大约225℃到445℃、优选大约355℃到445℃的最佳温度范围。当SCR反应器48的温度不在反应的最佳范围内时、或者当太多的还原剂喷射到SCR反应器48中时,可能发生氨泄漏58。特别地,在燃气涡轮机系统10的起动或停止期间,SCR反应器48的温度可能降到225℃之下,例如为大约100℃,并且因此导致氨泄漏58从SCR反应器48的出口54释放。
[0039] 应当理解本说明书中公开的实施例不限于一个SCR系统20的使用,而是也可以包括多个SCR系统20。也应当理解可以在任何温度下发生反应。另外,尽管在所示的实施例中SCR系统20包括在后处理系统18中以总体上集中于从废气流38处理和去除NOx,但是其它实施例可以提供废气流38中的其它燃烧副产物的去除,如硫氧化物(SOx)、碳氧化物(COx)、和未燃烃。在这些实施例中,SCR系统20可以包括催化剂50,取决于正在从废气流38去除的组分,所述催化剂可以在几何形状和/或化学组成上不同。替代地或附加地,后处理系统18可以包括多个SCR系统20,每个可以集中于处理和去除废气流38中的一种或多种燃烧副产物。
[0040] 在由后处理系统18减小废气流38的排放物水平(例如,废气流38中的NOx)之后,经处理的废气流60可以从后处理系统18离开。经处理的废气流60可能仍然包括一些燃烧副产物,如NOx、SOx、COx和未燃烃。如上所述,在一些情况下,经处理的废气流60可能包括氨泄漏58。经处理的废气流60然后可以输送到底循环16的其它部件以便进一步处理和/或使用。例如,底循环16可以包括热回收蒸汽发生器(HRSG)和蒸汽涡轮机。HRSG可以使用经处理的废气流60中剩余的热驱动蒸汽涡轮机以产生额外功率,由此增加燃气涡轮机系统10的效率。
在穿过底循环16的其它部件之后,经处理的废气60可以作为经加工的废气61离开底循环16(例如,释放到大气中)。应当注意燃气涡轮机系统10的总体NOx排放物水平可以被称为经处理的废气流60中的NOx的量(如下面所使用的),或者在经处理的废气流60受到底循环16的其它部件的进一步加工的实施例中被称为经加工的废气61中的NOx的量。
[0041] 如上所述,燃气涡轮机系统10包括排放控制器12,所述排放控制器可以用于控制燃气涡轮机系统10的操作以减小燃气涡轮机系统10(例如,在经处理的废气流60中)的总体排放物(例如,NOx、SOx、COx等)。具体地,排放控制器12包括燃气涡轮机控制器62和后处理控制器64,其可以一起工作以协调从燃气涡轮机系统10处理和去除排放物(例如,NOx)。例如,如下面更详细地所述,排放控制器12可以调节燃气涡轮发动机14和/或SCR系统20的一个或多个操作参数,以控制废气38和经处理的废气60两者中的NOx减小的相对量。换句话说,为了减小燃气涡轮机系统10的总体NOx排放,离开燃气涡轮发动机14的废气38中的NOx量可以被允许更高以使SCR系统20中能够提高NOx排放物的减小。
[0042] 如图所示,排放控制器12包括处理器66和存储器68。处理器66可以是任何通用或专用处理器。存储器68可以包括集体地存储指令的一个或多个有形、非暂时性、机器可读介质,所述指令可由处理器66执行以执行本说明书中所述的方法和控制动作。例如,存储器68可以包括RAM、ROM、EPROM、EEPROM、CD-ROM、闪速存储器或其它光盘存储装置、磁盘存储装置或其它磁存储装置。排放控制器12还可以包括一个或多个模数(A/D)转换器以便处理排放控制器12的各种模拟输入。
[0043] 排放控制器12可以监测来自位于燃气涡轮机系统10中的一个或多个传感器的一个或多个输入。例如,传感器可以包括压力传感器、水平传感器、温度传感器、流量传感器、组分传感器、浓度传感器、状态和位置指示器(例如,限制开关、霍尔效应(Hall effect)开关、声接近(acoustic proximity)开关、线性可变差动变压器、位置换能器)等。传感器可以联接到、或布置在燃气涡轮机系统10的各种部件中或周围、或者与其流体地连通,从而获得其操作信息。例如,涡轮机出口传感器70可以可操作地联接在涡轮机26的出口处并且获得信息,所述信息包括温度、气体流率/流量、NOx(包括NO和/或NO2)的浓度和其它燃烧副产物(包括SOx、COx等)的浓度。SCR入口传感器72可以可操作地联接在SCR反应器48的入口52处并且获得信息,所述信息包括温度、气体流率/流量、NOx(包括NO和/或NO2)的浓度、其它燃烧副产物(包括SOx、COx等)的浓度、和在SCR反应器48的入口52的上游或紧邻处的氨的浓度。催化剂传感器74可以可操作地联接到SCR反应器48中的催化剂50并且获得信息,所述信息包括温度、气体流率/流量、NOx(包括NO和/或NO2)的浓度、其它燃烧副产物(包括SOx、COx等)的浓度、和在SCR反应器48中的催化剂50处或附近的氨的浓度。SCR出口传感器76可以可操作地联接在SCR反应器48的出口54处并且获得信息,所述信息包括温度、气体流率/流量、NOx(包括NO和/或NO2)的浓度、其它燃烧副产物(包括SOx、COx等)的浓度、和氨泄漏58的量。压缩机出口传感器78可以可操作地联接到压缩机22的出口并且获得信息,所述信息包括温度、气体流率/流量、和流动到燃烧器24中的空气的压力。一个或多个初级燃料传感器80和一个或多个次级燃料传感器82可以分别可操作地联接到初级燃料喷嘴和次级燃料喷嘴,并且获得信息,所述信息包括温度、气体流率/流量、和流动到燃烧器24中的燃料的压力。燃料传感器80和82的组合可以提供关于燃料分流的信息。燃料传感器80、82和压缩机出口传感器78的组合可以提供关于燃烧器24中的燃料与空气的比率的信息。尽管燃气涡轮机系统10包括上述的传感器,但是应当注意排放控制器12可以监测来自位于燃气涡轮机系统10的各种其它位置(包括、但不限于进气口42、燃烧器24、负载40和底循环16)处的一个或多个传感器的输入。
[0044] 另外,排放控制器12可以可操作地联接到燃气涡轮机系统10的各种部件以控制燃气涡轮机系统10的操作。例如,排放控制器12可以控制联接到并且配置成移动或控制燃气涡轮机系统10的各种部件的一个或多个致动器的操作(例如,经由开关、达、螺线管、定位器等)。作为另一例子,排放控制器12可以控制进气口42(例如,经由致动器84,如入口导叶致动器)和/或压缩机22(例如,经由致动器86)的操作以调节进气口,包括流率/流量、温度、压力等。排放控制器12可以控制初级燃料喷嘴(例如,经由一个或多个致动器88)和次级燃料喷嘴(例如,经由一个或多个致动器90)的操作以调节流动到燃烧器24中的燃料,包括流率/流量、温度、压力、燃料分流(例如,经由喷嘴30、32的每一个输送的燃料的量)等。排放控制器12可以控制喷射器56的操作(例如,经由致动器92)以调节还原剂喷射到SCR反应器48中,包括流率/流量、温度、压力等。
[0045] 排放控制器12可以基于测量反馈(例如,来自传感器的输入)控制燃气涡轮机系统10的各种部件的操作。例如,排放控制器12(例如,燃气涡轮机控制器62)可以基于由涡轮机出口传感器70测量的NOx排放物的反馈控制压缩机22和燃料喷嘴30、32,以输送具有特定燃料-空气比率的空气-燃料混合物。排放控制器12(例如,后处理控制器64)可以基于由SCR出口传感器76测量的氨泄漏58的反馈控制喷射器92,从而以特定流量将还原剂喷射到SCR反应器48中。如下面更详细地所述,排放控制器12可以执行一个或多个控制过程以基于来自一个或多个传感器的测量反馈(例如,由SCR出口传感器76测量的氨泄漏58)调节燃气涡轮机系统10的各种部件(例如,来自燃料喷嘴30、32和喷射器56的燃料分流),以减小燃气涡轮机系统10的总体NOx排放物。在一些实施例中,排放控制器12可以基于来自SCR入口传感器
72的反馈,例如通过将来自废气38的热的一部分引导到底循环16(例如,HRSG)的其它部件而控制SCR反应器48的操作温度。
[0046] 而且,排放控制器12可以配置成接收用户输入94,并且基于用户输入94,来控制燃气涡轮机系统10的操作和NOx排放物。例如,用户输入94可以包括废气NOx设定点、期望功率(例如,兆瓦)、期望燃料率、还原剂价格、电力价格、电力需求、燃料价格、燃烧器停机时间间隔、NOx信用(credit)、其它财务信息、和/或与涡轮机系统10的操作相关的其它信息。用户输入94信息还可以包含到对废气38(例如,燃气涡轮发动机14内的NOx控制)和/或经处理的废气60(例如,SCR系统20内的NOx控制)中的NOx减小的控制中。在某些实施例中,另外的限制或控制参数可以由排放控制器12使用。例如,附加限制可以包括基于环境法规或其它操作限制的容许还原剂泄漏。
[0047] 如上所述,在SCR系统20中,从喷射器56喷射到废气流38中的诸如氨(NH3)的还原剂可以在存在催化剂50的情况下与NOx反应以产生氮(N2)和水(H2O),由此减小废气流38中的NOx的量。SCR系统20的效能(例如,除NOx效率)可以由SCR反应器48的出口54处的NOx的量与SCR反应器48的入口54处的NOx的量的比率表示。除NOx(DeNOx)效率可以至少部分地取决于多个因素,包括反应器48中的反应温度、SCR反应器48的入口52处的NOx的组分(例如,NO/NO2比率、NO/NOx比率或NO2/NOx比率)、废气38中的NOx的量、废气38的气体流率/流量、SCR反应器48的入口52处的废气38的温度、喷射到废气流38中的还原剂(例如,氨)的量、除了NOx以外的废气38的组分(例如,SOx、COx)、SCR还原反应的其它反应物和/或产物(例如,水(H2O)、氧(O2))的量、以及催化剂50的特性(例如,类型、量、寿命等)。例如,图2是当其它因素保持大致不变时作为SCR反应器48的入口52处的废气38的温度和NO/NOx比率的函数的SCR系统20的除NOx效率的示例性绘图100。
[0048] 如图2中所示,第一曲线102表示在SCR反应器48的入口52处的废气流38的较高温度T1下作为NO/NOx比率的函数的SCR系统20的除NOx效率。第一曲线102从第一点104到第二点106显示大体向上趋势,意味着当NO/NOx比率增加(或NO相对于NO2的量增加)时SCR系统20的除NOx效率增加。第一曲线102从第二点106到第三点108显示稍稍向下趋势,但是保持大致稳定,意味着当NO/NOx比率增加时SCR系统20的除NOx效率稍稍减小。因而,SCR系统20具有在示例性绘图100的点106周围的最大除NOx效率,但是一旦经过点106,除NOx效率对NO/NOx比率的增加大体上不敏感。
[0049] 图2也示出第二曲线110,其表示在SCR反应器48的入口52处的废气流38的较低温度T2(例如,T2<T1)下作为NO/NOx比率的函数的SCR系统20的除NOx效率。第二曲线110从第一点112到第二点114显示大体向上趋势,意味着当NO/NOx比率增加(或NO相对于NO2的量增加)时SCR系统20的除NOx效率增加。第二曲线110从第二点114到第三点116显示向下趋势(但是比第一曲线102从点106到点108更明显),意味着当NO/NOx比率增加时SCR系统20的除NOx效率减小。SCR系统20具有在点114周围的最大除NOx效率。另外,如图2中所示,第一曲线102大体上在第二曲线110上方,意味着在SCR反应器48的入口52处的NO/NOx比率大致相同的情况下,对于具有更高温度的废气38,SCR系统20大体上具有更大的除NOx效率。
[0050] 因此,如图2所示,SCR系统20的除NOx效率至少部分地取决于SCR反应器48的入口52处的废气38的NO/NOx比率(或NO2/NOx比率,或NO/NO2比率)。废气38的NO/NOx比率又至少部分地取决于燃气涡轮发动机14的燃料分流。因而,燃料分流可以被控制以提供废气流38中的期望NO/NO2比率,这可以导致SCR系统20的增加除NOx效率。所以,燃气涡轮机系统10的总体除NOx效率可以增加。在一些实施例中,废气流38中的NO/NO2比率可以改变而不实质上影响底循环16的性能。例如,燃气涡轮发动机14的点火温度和离开燃气涡轮发动机14的废气
38的流率/流量不被废气流38中的NO/NO2比率的变化实质上影响。因而,根据本发明,燃气涡轮机系统10的除NOx效率可以增加而不实质上影响底循环16的性能。
[0051] 根据本发明,排放控制器12可以使用各种控制过程或方案,从而调节和协调燃气涡轮发动机14和SCR系统20以减小燃气涡轮机系统10的总体NOx排放。图3-5示出根据本发明的、可以由用于控制燃气涡轮机系统10的排放物的排放控制器12使用的某些控制过程的不同实施例。图3是由用于控制燃气涡轮机系统10的排放物的排放控制器12使用的分散控制过程120的实施例的方块图。当在本说明书中使用时“分散(Decentralized)”指的是稍微分离/独立的经由控制器62的燃气涡轮机控制和经由控制器64的后处理控制,前者集中于控制燃气涡轮发动机14的操作,并且后者集中于控制SCR系统20的操作。然而,应当注意燃气涡轮机控制器62和后处理控制器64是排放控制器12的部件并且彼此通信。因此,在一个实施例中,单个控制器可以用于控制燃气涡轮发动机14和SCR系统20两者。下面关于图3-5所述的控制过程涉及减小离开SCR系统20的经处理的废气60中的NOx排放水平。然而,应当注意在经处理的废气60由底循环16的其它部件进一步加工的实施例中,关于图3-5所述的过程可以类似地应用于减小离开底循环16的经加工的废气61中的NOx排放水平。
[0052] 后处理控制器64配置成作为输出生成用于调节喷射器56的操作的控制信号,例如,SCR系统20的喷射器56处的氨的流率/流量的值。如图3中所示,后处理控制器64获取输入,所述输入包括氨泄漏设定点(NH3泄漏sp)和例如由SCR出口传感器76测量的氨泄漏58(NH3泄漏)的量。NH3泄漏sp是离开SCR反应器48的氨泄漏58的目标或期望值、并且可以由用户例如经由排放控制器12的用户输入94设定,或者由排放控制器12例如从存储在存储器68中的历史值直接生成。第一比例积分(proportional-integral,PI)控制器122获取NH3泄漏sp和NH3泄漏作为输入,以生成氨流量设定点(NH3流量sp)。NH3流量sp是由喷射器56喷射到废气流38中的氨的目标或期望值。第一PI控制器122可以基于用于SCR系统20的SCR模型124生成NH3流量sp。
[0053] SCR系统20的SCR模型124是用于描述在SCR反应器48中发生的化学反应的化学模型。如上所述,在SCR系统20中,氨从喷射器56喷射到废气流38中,并且可以在存在催化剂50的情况下与NOx反应以产生氮(N2)和水(H2O)。该SCR过程可能包括一系列反应,包括氨与催化剂50的吸附解吸附反应,氨氧化反应,标准SCR反应,快速SCR反应,NO2SCR反应,以及NO氧化反应。SCR模型124是用于描述单独的反应的特性(例如,每种化学反应物或产物的浓度变化)的整体反应方案(例如,经由速率方程)。SCR模型124中涉及的参数可以包括每种化学反应物或产物的化学组分和浓度、以及催化剂50上的氨的覆盖率。催化剂50上的氨的覆盖率还可以至少取决于催化剂50的特性,如化学组分、催化剂基质、物理几何形状和使用的时间。
[0054] 后处理控制器64的第二PI控制器126获取作为第一PI控制器122的输出的NH3流量sp、和氨流率/流量(NH3流量)作为输入,并且生成氨流量控制值。NH3流量是例如由SCR入口传感器72获得的喷射器56处的氨的流率/流量的测量值。作为后处理控制器64的输出的NH3流量控制值可以传送到喷射器56以调节喷射器56的操作。例如,联接到喷射器56的致动器92可以被调节以打开或闭合喷射器56从而以一定的流率/流量(例如,NH3流量控制值)喷射氨。
[0055] 包括NH3流量控制值的SCR操作条件然后可以由燃气涡轮机控制器62使用作为输入。SCR操作条件可以包括SCR系统20的各种部件的任何操作条件,包括但不限于,NH3流量控制值、反应器48中的反应温度、SCR反应器48的入口52处的NOx的组分(例如,NO/NO2比率、NO/NOx比率或NO2/NOx比率)、废气38中的NOx的量、SCR反应器48的入口52处的废气38的温度、除了NOx以外的废气38的其它成分(例如,SOx、COx)的组分和量、SCR还原反应的其它反应物和/或产物(例如,水(H2O)、氧(O2))的量、以及催化剂50的特性(例如,类型、量、寿命等)。如上所述,SCR操作条件可以由联接到SCR系统20的各种部件的一个或多个传感器获得。
[0056] 燃气涡轮机控制器62包括SCR图128,其获取SCR操作条件作为输入以生成NO/NO2比率设定点(NO/NO2比率sp)。SCR图128是SCR系统20的操作图,并且可以基于制造测试结果(类似于SCR系统)或由计算机程序预测。SCR图128可以是绘制或列出在各种SCR操作条件下的SCR系统20的除NOx效率的绘图、图形或表。例如,SCR图128可以包括相对于如上所述的参数的一个或多个除NOx效率曲线,所述参数例如为NH3流量控制值、SCR反应器48的入口52处的NOx的组分(例如,NO/NO2比率、NO/NOx比率或NO2/NOx比率)、SCR反应器48的入口52处的废气38的温度、以及催化剂50的特性(例如,类型、量、寿命等)。因而,当已知其它SCR操作条件和SCR系统20的除NOx效率时,可以从SCR图128获得NO/NO2比率设定点。如上所述,这些其它SCR条件可以由联接到SCR系统20的各种位置的一个或多个传感器(例如,SCR入口传感器72,催化剂传感器74,和SCR出口传感器76)获得,并且可以通过测量SCR反应器48的出口54和入口52处的NOx水平(例如,分别经由SCR出口传感器76和入口传感器72)、并且获取出口
54处的测量NOx水平与入口52处的测量NOx水平的比率而获得除NOx效率。所以,SCR图128可以作为输出提供NO/NO2比率(或NO/NOx比率、NO2/NOx比率)设定点,其可以对应于燃气涡轮机系统10的期望总体除NOx效率。
[0057] 获得的NO/NO2比率设定点然后与燃气涡轮机操作条件一起作为输入提供给燃气涡轮机(GT)模型130,以生成作为输出的燃料分流设定点(燃料分流sp)。燃气涡轮机操作条件可以包括用于燃气涡轮发动机12的任何操作参数,包括但不限于,废气流38的温度和流量、流动到燃烧器24的燃料-空气混合物的燃料-空气比率、以及测量的燃料分流。GT模型130可以是用于描述包括燃烧器24的燃气涡轮发动机14的操作的任何合适的模型。例如,GT模型130可以是基于物理的模型(例如,捕获燃气涡轮发动机14的热传递和可压缩流动现象的一维空气-热数学模型)、数据驱动(例如,经验)模型,或它们的任何组合。GT模型130可以是稳态模型或动态模型。GT模型130用一系列燃气涡轮机操作条件的集合描述燃气涡轮发动机14的操作。因而,当已知一个或多个操作条件时可以从GT模型130获得燃料分流设定点。例如,如上所述,流动到燃烧器24中的空气和燃料的参数可以由压缩机出口传感器78和燃料传感器80、82获得。废气流38的温度和流率/流量可以由涡轮机出口传感器70获得。所以,GT模型130可以作为输出提供燃料分流设定点,其可以对应于燃气涡轮机系统10的期望总体除NOx效率。因此,排放控制器12可以调节相关部件(例如,初级燃料喷嘴30和次级燃料喷嘴32)以基于获得的燃料分流设定点输送燃料,目的是减小燃气涡轮机系统10的总体NOx排放物。也应当注意尽管控制器122、126被描绘为PI控制器,但是其它实施例可以使用PID控制器、可编程逻辑控制器(PLC)、定制控制器(custom controllers)等。
[0058] 图4是可以由用于控制燃气涡轮机系统10的排放物的排放控制器12使用的分散控制过程140的另一实施例的方块图。当图4中所示的控制过程140包括与图3中所示的控制过程120相似或相同的元件时,相同的附图标记用于图3和4中的相同元件,并且将类似于图3描述图4。
[0059] 图4中所示的后处理控制器64类似地配置成作为输出生成用于调节喷射器56的操作的控制信号,例如,SCR系统20的喷射器56处的氨的流量的值。然而,图4中所示的后处理控制器64的第一PI控制器122获取包括氨泄漏设定点(NH3泄漏sp)和SCR模型124的输入。如上所述,SCR模型124使用参数描述在SCR反应器48中发生的化学反应,所述参数例如为每种化学反应物或产物(例如,喷射到SCR反应器48的氨和氨泄漏58的量)的浓度和催化剂50的特性。因此,第一PI控制器可以从NH3泄漏sp和SCR模型124直接生成NH3流量sp。
[0060] 一旦生成NH3流量sp,控制过程140的剩余部分与控制过程120相同。例如,第二PI控制器126获取NH3流量sp和测量的氨流率/流量(NH3流量)作为输入,并且生成NH3流量控制值。NH3流量控制值然后可以与其它SCR操作条件一起由燃气涡轮机控制器62使用作为输入以使用SCR图128生成NO/NO2比率sp。GT模型130然后可以使用生成的NO/NO2比率sp和燃气涡轮机操作条件作为输入以生成燃料分流设定点,其可以对应于燃气涡轮机系统10的期望总体除NOx效率。因此,排放控制器12可以调节相关部件(例如,初级燃料喷嘴30和次级燃料喷嘴32)以基于获得的燃料分流设定点输送燃料,目的是减小燃气涡轮机系统10的总体NOx排放物。
[0061] 图5是由用于控制燃气涡轮机系统10的排放物的排放控制器12使用的多变量控制过程150的实施例的方块图。不同于图3和4中所示的分散控制过程120、140,其中首先使用后处理控制器64生成NH3流量sp,并且然后使用燃气涡轮机控制器62生成燃料分流,在图5所示的多变量控制方案150中,NH3流量sp和燃料分流sp基本上同时由排放控制器12生成。
[0062] 排放控制器12获取SCR操作条件和燃气涡轮机操作条件作为输入以使用优化器152生成NH3流量sp和燃料分流sp。优化器152可以配置成控制或调节燃气涡轮机系统10的一个或多个操作参数,以协调燃气涡轮发动机14和SCR系统20中的NOx减小(例如,优化其相对量)。例如,优化器152可以使用存储在存储器68中的多变量模型154以便控制废气38和经处理的废气60中的NOx减小。优化器152可以基于来自一个或多个传感器(如SCR出口传感器
76和涡轮机出口传感器70)的测量反馈来控制或调节燃气涡轮机系统10的各种部件。在某些实施例中,另外的限制或控制参数可以由优化器58使用。例如,附加限制可以包括基于环境法规容许的还原剂泄漏,如NH3泄漏sp。在所示的实施例中,优化器152可以经由燃气涡轮机控制器62和后处理控制器64调节或控制燃气涡轮机系统10。在一些实施例中,优化器152可以直接调节或控制燃气涡轮机系统10(例如,没有燃气涡轮机控制器62和后处理控制器
64)。
[0063] 如上所述,优化器152配置成调节燃气涡轮机系统10的操作以控制燃气涡轮机系统10内的总体NOx减小。例如,在一个实施例中,废气38中的NOx水平的变化可以被计划(例如,预设),并且SCR系统20可以被控制以获得经处理的废气60中的允许NOx水平。在另一实施例中,还原剂泄漏(例如,氨泄漏58)和经处理的废气60中的NOx水平可以同时被控制,以获得经处理的废气60中的NOx的允许水平。在这样的实施例中,燃气涡轮发动机14的一个或多个操作条件(如进入燃烧器24中的燃料分流)可以被调节以提供废气38中的期望NO/NO2比率,这又可以提供SCR系统20的期望除NOx效率。以该方式,总体NOx排放(例如,经处理的废气60中的NOx水平)可以减小,同时离开燃气涡轮发动机14的废气38中的NOx水平可以增加或减小(其不如NO/NO2比率重要)。
[0064] 如上所述,优化器152通过基于来自沿着燃气涡轮机系统10布置的传感器的测量反馈调节和协调SCR系统20和燃气涡轮发动机14的操作而针对燃气涡轮机系统10的总体除NOx效率。优化器152(或排放控制器12)可以生成输出,如NH3流量sp和燃料分流sp。基于生成的NH3流量sp和燃料分流sp,排放控制器12可以调节或控制燃气涡轮机系统10的各种部件,例如,喷射器56(例如,控制喷射到废气流38中的氨的流量)和燃料喷嘴20、32(例如,控制进入燃烧器24中的燃料分流)。由优化器152使用的多变量模型154可以是任何合适的模型,所述模型包含燃气涡轮发动机14和SCR系统20的操作参数、并且使用废气38中的NO/NO2比率(或NO/NOx比率、NO2/NOx比率)来确定下游SCR系统20的除NOx效率。例如,多变量模型154可以包括用于描述SCR系统20中的化学反应的SCR模型124、和用于描述燃气涡轮发动机14的操作的GT模型130。多变量模型154可以是简单预测模型、线性二次模型或Hinfinity模型、或它们的任何组合。
[0065] 如上所述,上面关于图3-5所述的控制过程涉及减小离开SCR系统20的经处理的废气60中的NOx排放水平、并且可以类似地应用于减小离开底循环16的经加工的废气61中的NOx排放水平。例如,关于图3和4,控制器12可以包括用于描述在包括SCR系统20和其它各种部件的底循环16中发生的化学和物理反应的底循环模型。底循环模型可以包括SCR模型124、用于描述废气流38在进入SCR系统20之前发生的反应和/或过程(例如,将来自废气流
38的热的一部分引导到底循环16的其它部件)的SCR前模型、以及用于描述经处理的废气流
60在离开底循环16之前发生的反应和/或过程(例如,由HRSG使用来自经处理的废气流60的热的一部分)的SCR后模型。类似地,关于图3和4,控制器12可以包括底循环图(bottoming cycle map),其是用于绘制或列出在各种操作条件下的底循环16(例如,包括SCR系统20和底循环16的其它部件)的除NOx效率的绘图、图形或表。类似地,关于图5,多变量模型154可以是任何合适的模型,该模型包含燃气涡轮发动机14和底循环16的操作参数、并且使用废气38中的NO/NO2比率(或NO/NOx比率、NO2/NOx比率)来确定下游底循环16的除NOx效率。例如,多变量模型154可以包括SCR模型124、SCR前模型、SCR后模型、和GT模型130。因此,控制器12可以获取燃气涡轮机系统10的测量反馈(如在底循环16的出口处测量的NH3泄漏(例如,在经加工的废气流61中)和底循环16的操作条件)作为输入以控制燃气涡轮机系统10的总体NOx排放。此外,优化器152可以通过基于来自沿着燃气涡轮机系统10布置的传感器的测量反馈调节和协调底循环16(例如,包括SCR系统20和其它部件)和燃气涡轮发动机14的操作而针对燃气涡轮机系统10的总体除NOx效率。
[0066] 图6是用于控制燃气涡轮机系统10的总体NOx排放的图5的排放控制过程150的更详细图示。如上所述,排放控制器12可以配置成基于沿着燃气涡轮机系统10布置的传感器的测量反馈控制或调节燃气涡轮机系统10的操作,以减小总体NOx排放。例如,如图所示,测量反馈可以包括经处理的废气60中(或经加工的废气61中)的NOx量和氨泄漏58。排放控制器12可以包括优化器152,所述优化器基于多变量模型154调节和协调燃气涡轮发动机14和SCR系统20的NOx排放,以减小燃气涡轮机系统10的总体NOx排放。例如,排放控制器12可以生成燃气涡轮机系统10的各种部件的设定点,如NH3流量sp、NO/NO2比率sp、燃料分流sp、以及其它设定点(如离开燃气涡轮发动机14的废气38的温度的设定点)。
[0067] 如上所述,排放控制器12的优化器152可以基于多变量模型154,所述多变量模型可以包括与燃气涡轮发动机14和SCR系统20的操作相关的各种参数。许多这些参数可以随着时间变化。例如,多变量模型154可以包括SCR模型124以描述SCR系统20中的化学反应。由SCR模型124使用的参数中的一个是催化剂50上的还原剂(例如,氨)的覆盖率,其还可以至少取决于催化剂50的特性,如化学组分、催化剂基质、物理几何形状和使用的时间。催化剂50的特性可以相对于SCR系统20的不同实施例或相对于时间(例如,催化剂随着时间降解)或它们的组合是不同的。因而,在SCR模型124中使用的催化剂50上的还原剂的覆盖率可以针对SCR系统20的不同实施例和/或随着时间被调整或校准。所以,排放控制器12可以包括估计器156,所述估计器配置成估计在SCR模型124中使用的参数,如催化剂50上的还原剂的覆盖率,适应SCR模型124中的参数的变化(例如,相对于SCR系统20的实施例和/或时间)特性。应当注意SCR模型124中的催化剂50上的还原剂的覆盖率在这里用作例子以便举例说明估计器156的操作,并且估计器156可以应用于估计在多变量模型154和SCR模型124中使用的任何合适的参数。
[0068] 估计器156可以使用任何合适的参数识别技术,如卡尔曼滤波、跟踪滤波、回归映射(regression mapping)、神经映射(neural mapping)、逆向建模(inverse modeling)技术或它们的组合。滤波可以由改进卡尔曼滤波器、扩展卡尔曼滤波器或其它滤波算法执行,或者替代地,滤波可以由比例和积分调节器或其它形式的方形(n-输入,n-输出)或非方形(n-输入,m-输出)调节器执行。如图6中所示,估计器156包括配置成估计多变量模型154中的参数的扩展卡尔曼滤波器158。扩展卡尔曼滤波器158可以将多变量模型154中的参数(例如,催化剂50上的还原剂的覆盖率,SCR反应器48中的每种反应物的反应速率系数等)建模为常数,并且然后通过以随机方式比较模型预测和测量反馈(例如,经由联接到燃气涡轮机系统10的各种部件的一个或多个传感器)估计参数。例如,包括扩展卡尔曼滤波器158的估计器156可以在线实现(例如,与燃气涡轮机系统10整合并且当燃气涡轮机系统10在操作时起作用),并且扩展卡尔曼滤波器158可以通过在这些速率上的乘数适应NH3、NO和NO2的总体反应速率校准或更新催化剂50的反应活性(例如,还原剂覆盖率)。乘数可以表示催化剂50相对于NH3、NO和NO2的活性。应当注意,尽管在本说明书中关于控制方案150描述估计器156,但是估计器156可以类似地应用于根据本发明的各种控制过程,包括分别如图3和4中所示的控制过程120、140。因此,来自系统10的操作的反馈可以用于更新一个或多个模型(例如,模型154),因此改善控制精度
[0069] 图7示出根据本发明的由排放控制器12控制燃气涡轮机系统10的总体NOx排放物的过程170。方法170开始于接收SCR操作条件(方块172)。在一些实施例中,底循环操作条件包括SCR系统20和底循环16的其它部件的操作条件。方法170也包括由排放控制器12(例如,处理器66)接收燃气涡轮机操作条件(方块174)。如上所述,SCR操作条件可以包括SCR系统20的各种部件的任何参数,包括但不限于,NH3流量控制值、反应器48中的反应温度、SCR反应器48的入口52处的NOx的组分(例如,NO/NO2比率、NO/NOx比率或NO2/NOx比率)、废气38中的NOx的量、SCR反应器48的入口52处的废气38的温度、除了NOx以外的废气38的其它成分(例如,SOx、COx)的组分和量、SCR还原反应的其它反应物和/或产物(例如,水(H2O)、氧(O2))的量、以及催化剂50的特性(例如,类型、量、寿命等)。燃气涡轮机操作条件可以包括用于燃气涡轮发动机12的任何操作参数,包括但不限于,废气流38的温度和流量、流动到燃烧器24的燃料-空气混合物的燃料-空气比率、以及燃料分流。SCR操作条件和燃气涡轮机操作条件可以由联接到燃气涡轮机系统10的各种部件的一个或多个传感器(例如,SCR入口传感器72,催化剂传感器74,SCR出口传感器76,压缩机出口传感器78,和燃料喷嘴传感器80、82)获得。
尽管图7示出在接收燃气涡轮机操作条件之前接收SCR操作条件,但是应当注意在一些实施例中排放控制器12配置成在接收SCR操作条件之前或基本上同时接收燃气涡轮机操作条件。
[0070] 基于接收的SCR操作条件和燃气涡轮机条件,排放控制器12然后可以导出一个或多个后处理控制信号(方块176),例如,SCR系统20的控制信号,如NH3流量控制值。如上所述,一个或多个后处理控制信号可以由排放控制器12(或后处理控制器64)基于SCR模型124或多变量模型154导出。基于导出的后处理控制信号,排放控制器12可以控制或调节相应部件。例如,排放控制器12可以调节或控制喷射器56(例如,经由致动器92)从而以固定流率(例如,导出的NH3流量控制值)将氨喷射到废气38(方块178)。
[0071] 排放控制器12还可以例如基于SCR图128或多变量模型154导出废气38中的NO/NOx比率(或NO/NO2比率或NO2/NOx比率)设定点(方块180)。如上所述,导出的NO/NOx比率旨在减小燃气涡轮机系统10的总体NOx排放物。基于废气38中的导出NO/NOx比率,排放控制器还可以进一步导出一个或多个燃气涡轮机控制信号(方块182)。例如,基于GT模型130或多变量模型154,排放控制器12可以导出对应于废气38中的导出NO/NOx比率的燃料分流。因此,排放控制器12可以基于导出的燃气涡轮机控制而控制或调节燃气涡轮发动机14的一个或多个部件。例如,排放控制器12可以调节或控制燃料喷嘴30、32(例如,经由燃料喷嘴致动器88、90)从而以一定的燃料分流(例如,导出的燃料分流sp)将燃料输送到燃烧器24(方块
184)。
[0072] 在控制器12基于导出的燃料分流sp调节或控制燃气涡轮发动机14之后,控制器12可以监测或观测燃气涡轮机系统10的操作(方块186)。例如,控制器12可以经由一个或多个传感器(例如,SCR出口传感器76)测量燃气涡轮机系统10的总体NOx排放物。基于测量反馈(例如,总体NOx排放),控制器可以例如使用估计器156调节或更新在控制过程中使用的模型(例如,SCR模型124,GT模型130,多变量模型154)的一个或多个参数(方块188)。之后,方法170可以重新开始(例如,从方块172)。
[0073] 本发明的技术效果包括使用排放控制系统(例如,排放控制器12)以通过基于离开燃气涡轮发动机14的废气38中的NO/NO2比率协调和调节燃气涡轮发动机14和后处理系统18(例如,SCR系统20)的NOx排放物而减小燃气涡轮机系统10的总体NOx排放物。这可以允许燃气涡轮机系统10满足NOx排放物要求。本发明也包括基于模型的估计系统(例如,估计器
156),其能够估计由排放控制器使用的模型参数,由此允许在可以使用不同后处理系统18的不同工作位置和/或相对于时间更新参数。估计系统因此导致更精确的模型性能并且允许应用稳健的基于模型的控制策略。
[0074] 本说明书使用例子来公开包括最佳模式的本发明,并且也使本领域的任何技术人员能够实施本发明,包括制造和使用任何装置或系统并且执行任何包含的方法。本发明的专利范围由权利要求限定,并且可以包括本领域的技术人员想到的其它例子。这样的其它例子旨在属于权利要求的范围内,只要它们具有与权利要求的文字语言没有区别的结构元件,或者只要它们包括与权利要求的文字语言无实质区别的等效结构元件。
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