调整燃气涡轮发动机的燃料供应线路的天然气温度的方法 |
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| 申请号 | CN201410064194.1 | 申请日 | 2014-02-25 | 公开(公告)号 | CN104005855B | 公开(公告)日 | 2017-07-11 |
| 申请人 | 通用电器技术有限公司; | 发明人 | K.克纳普; P.马克斯; K.雷塞; M-B.加斯塞-帕加尼; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及用于调整燃气 涡轮 发动机 (1)的 燃料 供应线路(6)的 天然气 温度 的方法，该方法包括通过红外线分析来测量甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、丙烷(C3H8)、 丁烷 (C4H10)、二 氧 化 碳 (CO2)的天然气百分比含量，作为甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、丙烷(C3H8)、丁烷(C4H10)、二氧化碳(CO2)的测得百分比含量的对100的补数来计算氮(N2)百分比含量，计算表现天然气能含量的指数，基于该指数调整天然气温度。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于调整燃气涡轮发动机(1)的燃料供应线路(6)的天然气温度的方法，所述方法包括： |
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| 说明书全文 | 调整燃气涡轮发动机的燃料供应线路的天然气温度的方法技术领域[0001] 本公开涉及一种用于调整燃气涡轮发动机的燃料供应线路的天然气温度的方法，且涉及一种燃气涡轮发动机。 背景技术[0002] 联合循环发电设备具有燃气涡轮发动机和蒸汽涡轮发动机。燃气涡轮发动机可供有天然气，天然气被预热(即，在其注入燃气涡轮发动机的燃烧室中之前调整其温度)来优化效率；通常，通过使用来自于蒸汽循环的蒸汽或给水将天然气加热至最大可允许温度来实现预热。 [0004] 大体上，当改变天然气源时，天然气成分也变化。天然气成分的变化可引起燃烧过程的行为变化。例如，具有高惰性含量且因此具有低热值(lower heating value)的天然气需要增大的供应压力；这可导致气体反应性和混合质量(mixing quality)的变化。 [0005] 出于此原因，测量供应至联合循环发电设备(特别是此类设备的燃气涡轮)的天然气的成分。 [0006] 为了测量天然气的成分，已知不同的装置，即： [0007] - 红外线分析仪，这些装置允许测量烃(hydro carbon)；此外，它们具有其反应相当快的优点；这是有用的，因为天然气供应(且因此天然气成分)可以以每周、每日或每小时的方式或甚至更快地变化(例如，如果在LNP设备中，较高的烃根据燃料供应状态而释放)。红外线分析仪具有的缺点在于它们不能测量天然气的氮含量(N2，N2量在天然气中可为相当大的)，因为该化合物不响应于红外辐射。 [0008] - 色谱分析仪，这些装置可测量烃含量，且还可测量天然气的氮(N2)含量。色谱分析仪的缺点在于它们的响应很慢，因为它可花费数分钟来用于它们分析天然气成分。这种较慢的响应可导致燃气涡轮发动机中的燃烧的不稳定。 [0009] 如果计划气体线路的切换(通常大约5-30分钟)，则天然气成分的变化可较慢地发生，或如果非计划事件触发天然气的变化(通常大约30秒)，则它们可较快地发生。发明内容 [0010] 本公开的一个方面包括提供一种用于调整天然气的温度(预热温度)来优化可靠性和效率的方法。 [0011] 有利地，为了在波动的气体成分的情况下的联合循环发电设备在最佳联合循环效率下的连续可靠操作，测量实际气体成分，且最大可允许燃料气体温度被限定且受控，以用于燃料供应线路或不同的燃料供应线路。 [0012] 有利地，该方法允许燃气涡轮发动机操作的快速响应来改变天然气的成分。 [0013] 这些及其它方面通过如下所述的方法和燃气涡轮发动机来获得。所述方法是一种用于调整燃气涡轮发动机的燃料供应线路的天然气温度的方法，所述方法包括：通过红外线分析来测量甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、丙烷(C3H8)、丁烷(C4H10)、二氧化碳(CO2)的天然气百分比含量，作为甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、丙烷(C3H8)、丁烷(C4H10)、二氧化碳(CO2)的测得百分比含量的对100的补数来计算氮(N2)百分比含量，计算表现天然气能含量的指数，基于所述指数调整天然气温度；其中，调整天然气温度包括：限定用于所述指数的多个范围，使一个最大温度与各个范围相关联，将天然气温度保持在低于或处于所述最大温度，所述最大温度对应于该计算的指数落入的范围。所述燃气涡轮发动机包括压缩机、第一燃烧室和涡轮，所述第一燃烧室具有燃料供应线路，所述燃料供应线路带有用于调整天然气温度的热交换器，所述燃气涡轮发动机还包括：至少一个传感器，其用于通过红外线分析来测量甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、丙烷(C3H8)、丁烷(C4H10)、二氧化碳(CO2)的天然气百分比含量、和控制器，其用于作为甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、丙烷(C3H8)、丁烷(C4H10)、二氧化碳(CO2)的测得百分比含量的对100的补数来计算氮(N2)的百分比含量，所述控制器还用于计算表现天然气能含量的指数，且基于其来驱动用于所述热交换器的促动器，以基于所述指数调整天然气温度；其中所述控制器设置成用于执行上述的方法。附图说明 [0014] 其它特征和优点将从在附图中作为非限制性实例示出的方法和燃气涡轮发动机的优选但非排他的实施例的描述中更清楚，在附图中： [0015] 图1和2为不同燃气涡轮发动机的示意图。 [0016] 零件清单 [0017] 1 燃气涡轮发动机 [0018] 2 压缩机 [0019] 3 燃烧室 [0020] 4 涡轮 [0021] 6 燃料供应线路 [0022] 6a、6b 燃料供应线路 [0023] 7 热交换器 [0024] 9 传感器 [0025] 10 控制器 [0026] 15 连续燃烧室 [0027] 16 第二涡轮 [0028] 17 热交换器。 具体实施方式[0029] 用于调整燃气涡轮发动机的燃料供应线路的天然气温度的方法包括下列步骤： [0030] - 通过红外线分析来测量甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、丙烷(C3H8)、丁烷(C4H10)、二氧化碳(CO2)的天然气百分比含量(优选为摩尔或体积百分比，但也可为质量百分比)，[0031] - 作为甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、丙烷(C3H8)、丁烷(C4H10)、二氧化碳(CO2)的测得百分比含量的对100的补数计算氮(N2)百分比含量；换言之： [0032] [N2%]＝100%－[CH4%]－[C2H6%]－[C3H8%]－[C4H10%]－[CO2%]。 [0033] 天然气含量的最大部分由甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、二氧化碳和氮限定，因此即使额外的成分(诸如氩)包含在天然气中，它们也不会不利地影响关于所需精确性的氮的测量。此外，由于烃含量通过红外线分析来测量，且计算出氮含量，故天然气的成分可以在快速响应的情况下监测。该方法的其它步骤包括： [0034] - 计算表现天然气能含量的指数，并且 [0035] - 基于该指数来调整天然气温度。 [0036] 例如，调整天然气温度包括限定用于该指数的多个范围，使一个最大温度与各个范围相关联，并且将天然气温度保持低于或处于最大温度，该最大温度对应于计算的指数落入的范围。这可有利地借助于查找表(look up table)来完成。查找表可在燃气涡轮发动机的确认测试期间准备。 [0037] 为了考虑天然气成分，指数可通过下列方法计算： [0038] - 计算混合物的低热值，该混合物包括甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、丙烷(C3H8)、丁烷(C4H10)、二氧化碳(CO2)的测得量和氮(N2)的计算量， [0039] - 计算混合物的分子量，该混合物包括甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、丙烷(C3H8)、丁烷(C4H10)、二氧化碳(CO2)的测得量和氮(N2)的计算量。这可考虑混合物中的其百分比而通过对各种成分的分子量求和来完成。 [0040] 指数NGI(天然气互换)如下地计算： [0041] NGI＝(LHVng/LHVch4) * (Mng/Mch4)1/2 [0042] 其中 [0043] LHVng为混合物的计算低热值， [0044] LHVch4为甲烷的低热值 [0045] Mng为混合物的分子量 [0046] Mch4为甲烷的分子量。 [0047] 在此情况下，指数参照的是为甲烷的燃料。 [0048] 备选地，可参照燃气涡轮发动机的设计条件来计算指数。 [0049] 在此情况下，指数IGN如下地计算： [0050] NGI＝(LHVng/LHVdes) * (Mng/Mdes)1/2 [0051] 其中 [0052] LHVng为混合物的计算低热值 [0053] LHVdes为设计低热值 [0054] Mng为混合物的分子量 [0055] Mdes为设计分子量。 [0056] 如果燃气涡轮发动机具有用于不同燃烧室和/或燃烧室的不同级的多个燃料供应线路，则至少一个燃料供应线路的天然气温度可独立于另一个燃料供应线路的天然气温度来调整。 [0057] 上述方法可在包括压缩机2、燃烧室3和涡轮4的燃气涡轮发动机1中实施。 [0058] 燃烧室3具有燃料供应线路6，燃料供应线路6带有用于调整天然气温度(即，预热穿过线路6供应至燃气涡轮1的燃烧室3的天然气)的热交换器7。 [0059] 热交换器可为不同类型，且可供有不同的热流体，诸如例如蒸汽、来自冷却空气冷却器的热空气或热水。 [0060] 此外，燃气涡轮发动机1具有传感器9，以用于通过红外线分析来测量甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、丙烷(C3H8)、丁烷(C4H10)、二氧化碳(CO2)的天然气百分比含量；由于使用红外线分析，故该测量非常快(秒)。 [0061] 传感器9连接于控制器10，以用于作为甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、丙烷(C3H8)、丁烷(C4H10)、二氧化碳(CO2)的测得百分比含量的对100的补数来计算氮(N2)的百分比含量。 [0062] 此外，控制器10还计算表现天然气能含量的指数，且基于该指数，控制器10驱动用于热交换器的促动器来调整天然气温度。 [0063] 促动器通常由阀限定，该阀调节蒸汽流或热空气流或热水流。其它类型的促动器也是可能的。 [0064] 当在类似于所述燃气涡轮发动机的燃气涡轮发动机中实施该方法时，可使用查找表。 [0065] 因此，如果计算的NGI例如为0.75，则用于注入图1的燃气涡轮发动机的燃烧室3中的天然气的最大温度为根据查找表的给定温度。天然气将在该给定温度下预热，或在低于该给定温度的温度下预热。 [0066] 该方法还可用在具有连续燃烧的燃气涡轮发动机中。 [0067] 图2示出具有连续燃烧的燃气涡轮发动机；在图2中，与图1中相似的参照标号指出相同或相似的构件，即，燃气涡轮发动机1具有压缩机2、燃烧室3、涡轮4、热交换器7、传感器9和控制器10。 [0068] 此外，燃气涡轮发动机1包括连续燃烧室15，其供有来自涡轮4和第二涡轮16的烟道气体(flue gas)，以使在连续燃烧室15中生成的热气体膨胀。 [0069] 在该实例中，燃烧室3的燃料供应线路由标号6a指出，且连续燃烧室的燃料供应线路由标号6b指出。 [0070] 燃料供应线路6b具有用于调整天然气温度的热交换器17。 [0071] 控制器10独立于连续燃烧室15的燃料供应线路6b的热交换器17的促动器来驱动燃烧室3的燃料供应线路6a的热交换器7的促动器。 [0072] 当在类似于所述燃气涡轮发动机的燃气涡轮发动机中实施该方法时，可使用查找表。 [0073] 因此，如果计算的NGI例如为0.75，则用于注入燃烧室3的天然气的最大温度为给定温度，且用于注入燃烧室15的天然气的最大温度为该给定温度。 [0074] 燃气涡轮发动机的操作从所述和所示的内容是清楚的，且大致如下(参看图2)。 [0075] 空气在压缩机2中压缩，且供应到燃烧室3中，天然气也供应到燃烧室3中。天然气燃烧从而生成热气体，热气体在涡轮4中膨胀。来自涡轮4的排出气体供应至连续燃烧室15，在此提供额外的天然气，且该天然气燃烧从而生成热气体。该热气体在第二涡轮16中膨胀，且然后被排放。 [0076] 公共线路供应燃料至燃料供应线路6a和6b。传感器9测量甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、二氧化碳的含量(百分比)；该测量非常快(秒)。与甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、二氧化碳的百分比含量有关的信息提供至控制器10，控制器10计算氮含量(百分比)，且混合物的分子量具有甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、二氧化碳的测得百分比和氮的计算的百分比。总量将不会刚好是100%，但这不影响调整。 [0077] 然后，指数NGI被计算出，且例如，基于查找表找出用于供应至燃烧室3和连续燃烧室15的天然气的最大温度(这些温度大体上不同，但也可为相同的)。 [0078] 天然气的温度必须不高于所找出的最大温度，即，天然气的温度可低于最大温度，但出于效率原因，优选地，天然气的温度(预热)调整至最大温度或接近其的值。 [0079] 自然，所述的特征可彼此独立地提供。 [0080] 在实践中，所使用的材料和尺寸可根据要求和根据现有技术水平而任意选择。 |
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