СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТУРБИНЫ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ПРОСКОКА АММИАКА

Область техники

Настоящее изобретение относится в целом к газотурбинным двигателям и, более конкретно, к способу управления проскоком аммиака из селективной каталитической восстановительной обработки отработавшего газа путем стабилизации генерации NOx при изменении между уровнями мощности газотурбинного двигателя.

Уровень техники

Для того чтобы уменьшить выбросы загрязняющих веществ в атмосферу, и особенно оксидов азота (NOx), Агентство по охране окружающей среды США (EPA) выпустило жесткие нормы выбросов для энергетической отрасли, в том числе энергетических установок, работающих на газе, нефти и угле. NOx генерируется в результате сжигания любого топлива в присутствии воздуха. В типичных газотурбинных системах большая часть NOx генерируется факелом зажигания, который горит при высокой температуре и стабилизирует горение обедненной подачи предварительно смешанного топлива и воздуха. Поскольку NOx является нежелательным газом в окружающей среде и его эмиссия должна быть ограничена, традиционным подходом является производить как можно меньше NOx в процессе сгорания, например, путем доставки по возможности малого количества топлива к факелу зажигания, как это требуется для достижения стабильности пламени на различных уровнях мощности.

Тем не менее, некоторое количество NOx всегда производится, и производимое количество NOx возрастает по мере увеличения уровня мощности турбины. Методы обработки после сгорания, такие как селективное каталитическое восстановление (SCR), как известно, уменьшают количество NOx в потоке отработавшего газа до низких уровней перед выпуском в окружающую среду. Различные восстановители могут быть использованы в системах SCR, в том числе водород, аммиак, мочевина и т.д. Аммиак является одним из наиболее эффективных восстановителей для снижения выбросов NOx до низких уровней. Однако аммиак также наносит вред окружающей среде, и проскок аммиака может произойти, когда аммиак проходит через систему SCR в окружающую среду без реакции с NOx. В патенте США №7166262 описан способ минимизации проскока аммиака путем тщательного регулирования потока аммиака в ответ на обнаруженные уровни аммиака и оксида азота. Однако даже при тщательном регулировании уровней аммиака, количество аммиака может существенно изменяться во время изменений нагрузки соответствующего двигателя.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется в последующем описании в связи с чертежами, которые показывают следующее:

фиг. 1 - график, показывающий рабочие данные для расходов NOx и NH₃ предварительной SCR при линейном изменении мощности двигателя, как известно в данной области техники;

фиг. 2 - схематичный вид газотурбинной энергетической установки с селективной каталитической восстановительной системой, которая может быть использована для реализации настоящего изобретения;

фиг. 3 - вид в поперечном сечении типичной камеры сгорания для использования в системе по Фиг. 2;

фиг. 4 - график, показывающий рабочие данные для потоков NOx и NH₃ с концентрацией NOx в отработавшем газе двигателя, поддерживаемой постоянной при изменении уровней мощности;

фиг. 5 - график, показывающий рабочие данные для потоков NOx и NH₃ потоков с массовым потоком NOx в отработавшем газе двигателя, поддерживаемым относительно постоянным при изменении уровней мощности;

фиг. 6 показывает способ работы газовой турбины;

фиг. 7 показывает другой способ работы газовой турбины.

Подробное описание изобретения

Как правило, газотурбинный двигатель настраивают, чтобы свести к минимуму выработку NOx на всех уровнях мощности, и аммиак добавляют на стехиометрической основе по отношению к количеству NOx в отработавшем газе, вводимом в систему SCR. Как показано на Фиг. 1, изменения в уровне мощности (показано, как “нагрузка, %”) приводят к изменениям в генерации NOx, что, в свою очередь, потребует пропорциональных изменений в потоке аммиака.

Авторы настоящего изобретения установили, что проскок аммиака является наиболее проблематичным во время быстрых изменений уровня мощности, когда потребность в аммиаке для реакции с NOx быстро изменяется. В противоположность общепринятому подходу авторы настоящего изобретения раскрывают здесь способы, где генерация минимального количества NOx в процессе сгорания не является основной целью, а, скорее, целью является генерация относительно постоянной массы NOx, даже если эта постоянное количество является большим количеством NOx, чем возможный минимум. Аспекты настоящего изобретения являются особенно предпочтительными в операции отслеживания нагрузки двигателя по множеству выходных уровней мощности. Когда NOx, производимый двигателем, остается относительно постоянным в терминах массового (молярного) расхода на протяжении изменений нагрузки газовой турбины (ramping (плавное изменение)), результатом является более стабильная или почти постоянная потребность в восстановителе, например аммиаке, в системе SCR. Более высокая, чем минимальная, генерация NOx остается в пределах возможностей системы SCR, и относительно постоянный массовый поток NOx позволяет улучшить контроль проскока аммиака, так что разрешенные уровни соответствия для воздуха выполняются даже во время операции отслеживания нагрузки.

Фиг. 2 показывает энергетическую установку 10, имеющую газотурбинный двигатель 12, в котором могут быть использованы способы, описываемые здесь. Понятно, однако, что настоящее изобретение не ограничено так, чтобы использоваться в показанном варианте осуществления. Газотурбинный двигатель 12 в целом включает в себя компрессорную секцию 14, секцию 16 камеры сгорания, имеющую камеру 17 сгорания, турбинную секцию 18 и выпускную секцию 20, как показано. В процессе работы компрессорная секция 14 сжимает окружающий воздух. Из компрессорной секции 14 сжатый воздух может входить в одну или более камер сгорания в секции 16 камеры сгорания. Сжатый воздух смешивается с топливом, и смесь воздуха и топлива сгорает в одной или нескольких камерах сгорания, чтобы получить горячий рабочий газ. Из секции 16 камеры сгорания полученный при сгорании горячий газ поступает в турбинную секцию 18, где горячий газ расширяется за счет чередующихся рядов неподвижных и вращающихся лопастей для привода ротора, который прикреплен к электрическому генератору (не показан). Расширенный газ, выходящий из турбинной секции 18, может выводиться из двигателя через выпускную секцию 20. Отработавшие газы 19 из турбины 12 могут проходить через парогенератор регенерации тепла, если это желательно, после чего отработавший газ 19 через выхлопную трубу 23 выходит в атмосферу.

Система SCR 22 может быть помещена в путь 21 потока отработавшего газа 19. Система SCR 22 включает в себя катализатор 24, как известно в данной области техники, для восстановления NOx, который расположен в пути 21 потока отработавшего газа. Система SCR 22 включает в себя один или более инжекторов, как правило, образующих сетку 26 впрыска, для введения восстановителя в отработавший газ 19, помещенную выше по потоку от катализатора 24 по отношению к направлению пути 21 потока отработавшего газа. Источник 31 восстановителя подает восстановитель 33 к сетке 26 впрыска, например, с помощью трубопровода 28 подачи флюида. В некоторых вариантах осуществления клапан 30 регулировки потока находится в трубопроводе 28 подачи, чтобы селективно управлять потоком восстановителя 33.

Системный контроллер 32 обычно соединен с клапаном 30 регулировки потока, чтобы регулировать поток восстановителя к сетке 26 впрыска. Контроллер 32 может состоять из аппаратных средств, программного обеспечения или любой их комбинации, как известно в данной области техники. В дополнение к управляющим компонентам в энергетической установке 10, системный контроллер 32 может включать в себя функциональные средства сбора и анализа данных. Например, системный контроллер 32 может быть операционно соединен с одним или несколькими датчиками в пределах энергетической установки 10, чтобы обеспечить требуемые данные, как описано. Термин "операционно соединен", как используется здесь, может включать в себя прямое или косвенное соединение, в том числе соединения без непосредственного физического контакта.

В некоторых вариантах осуществления контроллер 32 выполнен с возможностью регулирования потока восстановителя 33 на основе массового потока NOx, поступающего в систему SCR 22. Массовый расход NOx может быть прогнозируемым значением или измеренным значением. Фактическое количество NOx в отработавшем газе 19 может быть измерено с помощью одного или нескольких датчиков 34, операционно соединенных с контроллером 32 и расположенных по отношению к выхлопной секции 20 так, чтобы предоставлять контроллеру 32 данные о количестве NOx, например, на входе или вблизи входа 35 блока SCR. Измеренное количество NOx на входе системы SCR 24, как правило, измеряется в ppmvd (миллионных долей (промилле) на единицу сухого объема) и затем преобразуется в массовый расход NOx в фунт./час, как указано в опубликованной патентной заявке США №20120096835, которая в полном объеме включена в настоящее описание посредством ссылки.

Далее, контроллер 32 может быть операционно соединен с одним или несколькими датчиками 36, операционно позиционированными по отношению к секции камеры сгорания 16 для получения данных о массовом расходе потока топлива факела зажигания, потока предварительно смешанного топлива и/или потока топлива основной форсунки. Кроме того, контроллер 32 может быть операционно соединен с секцией 16 камеры сгорания, чтобы контролировать количество топлива и/или воздуха, направляемого к одному или более инжекторам или смесителям для обеспечения описанных выше топливных потоков. В еще одном аспекте, контроллер 32 может быть операционно соединен с выхлопной секцией 20, чтобы избирательно увеличивать и/или уменьшать поток отработавшего газа 19, вводимого в систему SCR 22.

На Фиг. 3 показан вид в разрезе примерного корпуса 38 камеры сгорания 17 для секции 16 камеры сгорания. Типично камера 17 сгорания содержит несколько отдельных корпусов 38. В каждом корпусе 38 имеется несколько завихрителей, которые придают вращательное движение смеси воздуха/топлива, протекающей через него. Как показано на Фиг. 3, имеется восемь основных топливных завихрителей 40, окружающих центральный контрольный завихритель 42, хотя настоящее изобретение не ограничено таким образом. На каждый из завихрителей 40, 42 подается определенное количество топлива и/или смеси топлива и воздуха с помощью одного или более инжекторов 44, которые вводят топливо и/или смесь воздуха/топлива в поток сжатого воздуха. После воспламенения, контрольный завихритель 42 создает факел 46 зажигания, и воспламенение смеси топлива/воздуха, проходящей через основные топливные завихрители 40, выполняет формирование зоны горения внутри корпуса 38.

Во время нормальной работы турбины турбина, как правило, "запускается" посредством увеличения потока топлива и/или топлива/воздуха к контрольному завихрителю 42 и основным топливным завихрителям 40 до тех пор, пока турбина 12 не начнет работать при полной нагрузке. Как правило, количество NOx, производимое секцией 16 сгорания, возрастает, по мере того как нагрузка турбины 12 повышается до полной нагрузки, и температура сгорания увеличивается. Процент от общего потока топлива, подаваемого для создания факела 46 зажигания, является существенным фактором для уровня генерируемого NOx.

Как правило, количество топлива, подаваемого для создания факела 46 зажигания увеличивается по мере того, как нагрузка двигателя 12 увеличивается до полной нагрузки. Однако в противоположность интуитивному подходу, аспекты настоящего изобретения предусматривают направление относительно постоянного количества топлива к контрольному(ым) инжектору(ам) 44 для генерации относительно постоянного массового потока NOx в отработавшем газе 19. В одном варианте осуществления количество топлива, направляемого к факелу 46 зажигания, является количеством (в пределах 10% или менее) топлива, которое доставлялось бы к нему при полной или близкой к полной нагрузке. Теоретическое количество топлива, подаваемого к факелу зажигания при полной или близкой к полной (в пределах 10% или менее) нагрузке может быть количеством, необходимым для достижения устойчивости пламени с минимальным количеством NOx при полной мощности.

В типичном применении, больше топлива добавляется к факелу 46 зажигания (например, в процессе разгона, поток топлива к факелу зажигания может изменяться от 5% до 8-9% при полной нагрузке), чтобы поддерживать стабильность пламени. Это же увеличение потока топлива к факелу 46 зажигания, однако, вызывает увеличение NOx. В некоторых аспектах настоящего изобретения, поток топлива к факелу 46 зажигания намеренно поддерживается на более высоком уровне (например, 7-8% от полного количества топлива при 50% нагрузке), так что в процессе разгона, поток топлива к факелу 46 зажигания не требуется увеличивать по мере того, как двигатель разгоняется от частичной нагрузки (например, 50%) до 100% нагрузки. Хотя это может привести к более высоким, чем минимальные, выбросам NOx двигателя во всем диапазоне нагрузки работы турбины, уровни массового потока NOx поддерживаются относительно постоянными. Таким образом, двигатель 12 на самом деле увеличивает поток топлива к факелу 46 зажигания, так что хотя выход NOx может быть выше, выход NOx является более стабильным (при этом NOx в выхлопной трубе по-прежнему контролируется, чтобы находиться в пределах разрешенных уровней для воздуха, системой SCR, хотя и с потенциально более низким проскоком аммиака).

Изменчивость генерации массы NOx в диапазоне уровней мощности может отличаться в соответствии с различными вариантами осуществления. В одном варианте осуществления термин "постоянное" или "относительно постоянное”, как используется здесь, относится к значению, которое равно или находится в 10%-ном диапазоне. В других вариантах осуществления термин "постоянное" или "относительно постоянное" означает нахождение в 5%-ном диапазоне. В еще одном варианте осуществления термин "постоянное" или "относительно постоянное" означает нахождение в 3%-ном диапазоне.

Как показано на Фиг. 1, NOx выбросы двигателя, генерируемые во время обычной работы, будут изменяться по мере изменения уровня мощности. Одним из способов, чтобы стабилизировать массовые выбросы NOx, было бы поддерживать концентрацию NOx (в промилле) постоянной при изменении уровней мощности. Однако предполагается, что, когда нагрузка для двигателя 12 увеличивается, хотя молярный объем NOx может быть постоянным, масса и плотность воздуха, проходящего через двигатель 12, увеличивается, когда нагрузка возрастает. Таким образом, даже при постоянной скорости вращения турбины, массовый расход через турбину будет возрастать по мере увеличения мощности. Соответственно, даже когда концентрации в промилле поддерживаются постоянными для любого компонента, такого как NOx, масса компонентов возрастает, так как расход отработавшего газа двигателя увеличивается. В качестве примера, когда камера сгорания настроена, чтобы поддерживать постоянное количество NOx на уровне промилле во всем диапазоне уровней мощности, например 9 промилле, массовый расход NOx будет изменяться с уровнем мощности на основе фунт./час. Например, NOx в фунт./час от 60%-ной до базовой "полной" нагрузки может изменяться от 60 до 100 фунт./час в одном таком аспекте изобретения, который представляет собой улучшение по сравнению с существующей методологией, но не оптимизирует преимущество изобретения.

Аспекты настоящего изобретения направлены на поддержание массового (молярного) потока NOx постоянным для уровней мощности таким образом, что двигатель 12 вырабатывает большее количество NOx в промилле при частичных нагрузках, чем при полной нагрузке. Хотя концентрация NOx (в промилле) больше при частичной нагрузке, чем при полной нагрузке, массовый расход NOx (в фунт./час или мол./час) является (приблизительно) тем же самым при всех нагрузках. Поэтому концентрация (в промилле) NOx может быть использована в качестве переменной управления, чтобы сохранить ту же или по существу аналогичную массовую нагрузку NOx по множеству выходных уровней мощности.

Поскольку скорость впрыска восстановителя основана на массовом расходе NOx двигателя (фунт./час или мол./час), если массовый расход NOx поддерживается относительно постоянным, скорость впрыска восстановителя может поддерживаться относительно постоянной. Таким образом, аспекты настоящего изобретения используют подход, противоположный интуитивному подходу, поскольку типично поддерживали бы NOx в промилле на минимуме. Однако для управления колебаниями как в NOx в выхлопной трубе, так и в потенциальном проскоке аммиака (при использовании аммиака в качестве восстановителя), NOx в фунт./час поддерживают относительно постоянным в настоящем изобретении вместо поддержания постоянным NOx в промилле.

В соответствии с Фиг. 2 количество восстановителя 33, доставляемого к сетке 26 впрыска, непосредственно связано с массовым потоком NOx, а не с концентрацией NOx (в промилле). Таким образом, желательно, настраивать двигатель 12 для вывода относительно постоянного массового потока NOx, как описано. Это, в свою очередь, позволит доставлять относительно предсказуемый поток восстановителя 33. Когда восстановитель 33 представляет собой аммиак, относительно постоянное количество аммиака может быть доставлено к блоку SCR 24. количество аммиака может быть стехиометрическим количеством относительно количества NOx, которое должно восстанавливаться. В некоторых вариантах осуществления, аммиак может предоставляться с предопределенным стехиометрическим избытком. Это относительно постоянное количество может привести к снижению проскока аммиака, который обычно возникает в случае выбросов в подаче аммиака при изменениях нагрузки двигателя 12, которые отсутствуют в настоящем изобретении. Относительно постоянное количество аммиака может быть в пределах 10%, предпочтительно в пределах 5% диапазона и более предпочтительно в диапазоне 3% относительно желательного значения массового потока аммиака.

Как показано на Фиг. 4-5, представленные графики демонстрируют улучшенные результаты, достигнутые за счет поддержания относительно постоянного массового потока NOx на входе 35 системы SCR 22 во время изменений уровня мощности вместо поддержания самого низкого уровня NOx на каждом уровне мощности, как это было показано на Фиг. 1. Как показано на Фиг. 4, если NOx поддерживается на постоянном уровне в промилле 9, изменение в требуемом количестве аммиака является более постепенным, чем показанное на Фиг. 1, и, следовательно, проскок аммиака может быть уменьшен по сравнению с предшествующим уровнем техники. Хотя этот вариант осуществления эффективен, постоянные уровни аммиака не поддерживается.

В противоположность этому, как показано на Фиг. 5, кривые NOx и аммиака (в фунт./час являются гораздо более постоянными в пределах множества изменений выходной мощности, когда NOx поддерживается относительно постоянным на основе фунт./час (см. пред-SCR NOx фунт./час). Таким образом, относительно постоянный поток NOx и, таким образом, аммиака может быть обеспечен, и проскок аммиака минимизируется при изменении нагрузки.

На основании приведенного выше раскрытия, предусмотрены способы и системы для достижения более постоянного и предсказуемого уровня NOx, которые обеспечивают возможность соответствующего постоянного и стабильного впрыска восстановителя 33, чтобы уменьшить NOx в системе SCR 22. В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения, как показано на Фиг. 6, предусмотрен способ 100 работы газотурбинного двигателя 12. Этот способ содержит этап 102 работы двигателя 12 в диапазоне уровней выходной мощности (например, от 50 или 60% до 100% от полной нагрузки). Способ 100 дополнительно содержит этап 104 регулирования массового потока NOx, производимого в отработавшем газе 19 двигателя 12, чтобы поддерживать в пределах 10% от постоянного значения массового потока NOx в диапазоне выходных уровней мощности. В некоторых вариантах осуществления массовый поток регулируют так, чтобы поддерживать его постоянным в пределах 5% в диапазоне выходных уровней мощности. В более конкретных вариантах осуществления значение массового потока регулируют так, чтобы поддерживать его постоянным в пределах 3% в диапазоне выходных уровней мощности. Как указывалось выше, в одном варианте осуществления постоянное значение массового потока может быть минимальным массовым потоком NOx, который должен генерироваться при полной (100%) нагрузке, чтобы поддерживать горение в заданных пределах устойчивости при выбранных рабочих условиях. Наконец, способ содержит этап 106 обработки отработавшего газа 19 двигателя 12 в процессе селективного каталитического восстановления, например с системой SCR 22, обычно использующей восстановитель 33, такой как аммиак.

В некоторых вариантах осуществления способ 100 дополнительно содержит этап 108 регулирования массового потока аммиака, чтобы поддерживать его в пределах 10%, предпочтительно 5% и более предпочтительно в пределах 3% от постоянного значения массового потока аммиака в диапазоне выходных уровней мощности. Постоянное значение массового потока аммиака соответствует постоянному значению массового потока NOx, тем самым обеспечивая относительно постоянное количество аммиака и снижение проскока аммиака в процессе SCR.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, иллюстрируемом на Фиг. 7, предусмотрен способ 200 работы газотурбинного двигателя 12. Способ 200 содержит этап 202 управления условиями сгорания в двигателе 12 для выработки энергии в диапазоне уровней мощности в ответ на потребность. Кроме того, способ 200 содержит этап 204 управления условиями сгорания таким образом, что концентрация NOx в отработавшем газе, произведенном двигателем 12, увеличивается по мере уменьшения уровня мощности и уменьшается при увеличении уровня мощности. Обычно концентрация измеряется в промилле NOx. В способе 200 изменение концентрации NOx при изменении уровня мощности реагирует на изменение в полном массовом потоке отработавшего газа 19 таким образом, что полный массовый поток NOx в отработавшем газе 19 поддерживается относительно постоянным, например в пределах 10%, в пределах 5% или в пределах 3% от постоянного значения массового потока NOx в диапазоне уровней мощности. В одном варианте осуществления постоянное значение массового потока может быть выбрано как массовый поток NOx, произведенный той же турбиной, работающей при полной (100%) нагрузке по операционной схеме предшествующего уровня техники, которая минимизирует производимую массу NOx. Наконец, способ 200 содержит этап 206 обработки отработавшего газа в процессе селективного каталитического восстановления, чтобы контролировать количество NOx, выбрасываемого в окружающую среду, как описано здесь.

В некоторых вариантах осуществления этап 206 обработки включает в себя восстановление некоторого количества NOx в отработавшем газе 19, используя некоторое количество аммиака в качестве восстановителя 33, и при этом массовый поток аммиака, используемый в процессе SCR, соответствует массовому потоку NOx при работе, так что значения массового потока аммиака не изменяются более чем на ±10% от постоянного значения массового потока аммиака в диапазоне выходных уровней мощности, тем самым снижая проскок аммиака в процессе SCR. В одном варианте осуществления постоянное значение массового потока аммиака является по меньшей мере стехиометрическим количеством аммиака, необходимым для восстановления соответствующего массового потока NOx в блок SCR.

Этапы управления могут выполняться путем поддержания потока топлива к одному или более контрольных инжекторов 44 в диапазоне выходных уровней мощности на или в пределах 10%, предпочтительно 5% и более предпочтительно в пределах 3% от потока топлива к контрольным инжекторам при полной или почти полной (например, от 90 до 100%) нагрузке. Предполагается, однако, что любой другой способ может быть использован, что приводит к относительно постоянному массовому потоку NOx, как описано здесь.

Хотя различные варианты осуществления настоящего изобретения были показаны и описаны здесь, будет очевидно, что такие варианты приведены лишь в качестве примера. Многочисленные вариации, изменения и замены могут быть сделаны без отступления от раскрытого здесь изобретения. Соответственно, предполагается, что изобретение ограничено только сущностью и объемом прилагаемой формулы изобретения.