CN115135930A - 用于控制燃烧装置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于控制燃气轮机的燃烧过程的方法。需要燃烧室、保存有燃烧过程的计算模型的控制装置以及废气测量装置。首先确定作为有害物质的氮氧化物和一氧化碳的允许的极限值。在废气中持续地测量两种有害物质中的至少一种有害物质的实际值。如果给定用于将燃气轮机的功率减小到最低可能的值的信号，则计算最小燃料输送，在最小燃料输送的情况下遵守极限值。然后减少燃料输送，直至要么达到所计算的最小燃料输送，要么直至持续测量的有害物质的份额达到允许的极限值。

Description

用于控制燃烧装置的方法

技术领域

本发明涉及一种用于控制燃烧装置的方法，其中重要的是实现最小的功率。

背景技术

从现有技术中已知用于控制燃烧装置的各种方法。所述方法通常匹配于相应的燃烧装置，并且根据燃烧装置的类型及其目的而不同。然而，当前考虑如下状态，在所述状态中燃烧装置可以在允许的范围内以尽可能低的功率运行。与此相关地，从现有技术中已知，在部分负载范围内随着离额定功率更远，有害物质的相对含量、尤其一氧化碳负荷增加。就此而言，在注意对于有害物质的含量的预设的情况下，将燃烧装置的运行限制到最小值，在所述最小值的情况下可靠地遵守极限值。

从现有技术中常见的是，借助于计算以及根据实验室实验求取：在功率减小时相应的有害物质具有何种份额。因此，在创建用于控制燃烧过程的规则时，将先前求取的最小功率确定为最小值。

从WO201361301A1中已知一种具有如下方法的燃气轮机设备：在所述燃气轮机设备中检测一氧化碳的份额。在此，燃气轮机设备包括具有燃烧室的燃气轮机，在燃气轮机的运行中燃料在所述燃烧室中燃烧。在此根据功率参考值由控制装置调节燃料的输送。此外存在检测模块，借助于所述检测模块可以测定一氧化碳浓度。在此，在控制装置中根据一氧化碳浓度来调整功率参考值。

然而，有时期望以尽可能低的功率运行燃烧装置，尤其以便避免停机。

发明内容

因此，本发明的目的是，能够实现比至今常见的更低的功率，在所述功率的情况下遵守针对有害物质给定的极限值。

所提出的目的通过根据权利要求1的教导以及替选地根据权利要求2的教导的根据本发明的方法来解决。在权利要求3中说明作为权利要求1和2的组合的进一步改进的根据本发明的方法。在从属权利要求中说明有利的方法步骤。

这类方法用于控制燃烧装置的燃烧过程。首先，在此涉及何种类型的燃烧装置不重要。方法至少可以有利地用于控制燃气轮机的燃烧室中的燃烧过程。在任何情况下都需要，燃烧装置包括至少一个燃烧室，并且在所述燃烧室处设置有至少一个燃烧器。可以借助于燃烧器将燃料和用于燃烧燃料所需的进气输送到燃烧室中以用于燃烧。此外，存在用于执行方法的控制装置。为此，在控制装置中存储有燃烧过程的计算模型。在此可以在预设的功率的情况下基于所存储的计算模型求取，有害物质在理论上是否处于允许的范围内。

为此，需要在控制装置的计算模型中存储对于氮氧化物的份额的允许的极限值。此外，类似地需要确定对于一氧化碳的份额的允许的极限值。所述两个值可以限定为不可变的数量，或者可以提出，可以与当地条件匹配。例如，允许的极限值可以涉及法律规定。

因为精确的、完全无错误的计算由于多个可能的影响因素、例如环境条件以及燃烧装置中的完全恒定的燃烧、例如由于运行波动而实际上是不可行的，所以需要考虑公差，使得基于对于氮氧化物和一氧化碳的相应份额的允许的极限值达到相应的目标值。如果确定存在有害物质的目标值的状态，则可以可靠地假定不超过允许的极限值。

为了能够最优地控制燃烧过程，此外特别有利的是，已知所使用的燃料的类型和/或质量。为此，一方面可行的是，参数为此作为预设输入在控制装置中。替选地可以提出，在将燃料输送至燃烧装置之前测量或测定所述燃料的类型或质量，并且将结果传送给控制装置。

此外，对于本方法，作为燃烧装置的控制的一部分，需要用于设定最小功率的信号，使得随后减少对燃烧装置的燃料输送。

为了实现尽可能低的功率，现在根据本发明提出，燃烧装置具有废气测量装置，借助于所述废气测量装置，至少可以检测废气中的相关有害物质的实际份额。

借助于一种有害物质的现在已知的实际份额，可以进一步减少燃烧装置的功率，直至达到目标值，只要确保可靠地遵守其他极限值。

在现有技术中，由于实际出现的有害物质负荷的未知水平，在计算尽可能低的燃料输送或所产生的功率时，需考虑用于实际遵守极限值的足够的安全裕度并从而在允许的极限值与目标值之间的大的公差是必要的，而与此相对，通过根据本发明的过程控制，可以借助公差的减小进一步减小功率。

如果现在考虑相关的有害物质：二氧化碳以及氮氧化物，则得出三种不同的根据本发明的用于实现尽可能低的功率的方法。

在根据本发明的第一种方法中，持续地测量废气中的氮氧化物的实际份额。根据氮氧化物的已知的实际份额，现在在控制装置中根据计算模型计算，在氮氧化物的份额不超过目标值的情况下，燃料和从而功率的减少是否可行。与此并行地，在控制装置中根据计算模型来确定，可以以何种程度减少燃料的量，直至一氧化碳的份额在理论上达到目标值。由于不知道废气中的实际含量，在此需遵守用于允许的极限值的较大的公差。

类似地，在根据本发明的第二种方法中，持续地测量废气中的一氧化碳的实际份额。现在，从一氧化碳的已知的实际份额开始，根据计算模型计算控制装置中的燃料或功率的可能的减少，直至达到一氧化碳的份额的目标值。与第一种方法相反，并行地确定在所计算的氮氧化物的份额不超过目标值的情况下，燃料的减少是否可行。

随后，现在在进一步持续监控氮氧化物(在第一种方法中)或一氧化碳(在第二种方法中)的实际份额的情况下减少燃料输送，直至达到所计算的最小燃料量。如果所测量的氮氧化物或一氧化碳的实际份额先前已经达到目标值，则已经停止燃料输送的减少。因此在两种方法中得出假定的最小燃料输送和从而得出最小功率，在所述最小功率的情况下，两个有害物质氮氧化物或一氧化碳中的一个或两个有害物质已达到目标值。在此可以可靠地假定，遵守两个允许的极限值。

根据本发明的第三种方法将第一种方法与第二种方法组合，其中废气测量装置不仅可以监控氮氧化物的实际份额，而且可以监控一氧化碳的实际份额。与在其他方法中一样，在应接近最小功率的信号的情况下，由控制装置根据计算模型计算燃料或功率可以减少到什么程度，直至达到这两个目标值中的一个目标值或两个目标值。因为持续地检测两个值，所以用于两个有害物质的允许的极限值的公差可以相对小地选择。

如先前减少燃料输送或功率，直至达到先前计算的最小燃料输送。如果在此应出现氮氧化物或一氧化碳的实际份额的两个测量的值中的一个值达到目标值的状态，则停止燃料减少。

在最简单的情况下，在已给定用于将燃烧装置缓降到最小功率的信号之后，执行尽可能低的燃料输送的计算一次。然而，特别有利的是，在进一步的进程中——只要期望最小功率——重复执行计算，使得可以利用用于进一步减少燃料输送或功率——只要给定——的新的可行性。对应地，在重新计算时，基于给定的有害物质的目标值和所测量的氮氧化物或一氧化碳的份额重新计算最小燃料输送，在最小燃料输送的情况下不超过目标值。

如果根据持续测量或根据重新计算确定对允许的极限值的超过，则提高燃料输送。与此相对，如果根据重新计算确定低于两个目标值，则可以重新减少燃料输送。

一方面可以以有规律的间隔设置重新计算。例如，时间段可以选择成，使得在燃料输送和从而功率改变之后，随之变化的有害物质的份额拉平到基本上恒定的值。

另一方面，持续地测量氮氧化物和/或一氧化碳可以引起重新计算。例如，可以持续地进行所测量的值与允许的极限值和/或目标值之间的比较，其中在达到预设的绝对差或相对差时，引起重新计算以用于调整燃料量。在此可以提出，在超过目标值时，将差选择得小，并且与此相对，在低于目标值时，将所述差选择得更大。

当燃烧装置包括至少一个主燃烧器和至少一个副燃烧器时，能够实现用于减少燃料量的更大的潜能。首先，在此涉及什么类型的燃烧装置不重要，其中提出，所述燃烧器具有不同的燃烧特性。类似于在使用单个的燃烧器或单个的燃烧器类型时必要的是，主燃烧器以及副燃烧器可以将燃料和/或进气输送到燃烧室中。

在存在主燃烧器以及副燃烧器的情况下可行的是，如下扩展计算模型：计算燃料到主燃烧器上以及副燃烧器上的分配。因此，在给定的燃料量和燃料的分配的情况下，可以计算一氧化碳的预期份额和氮氧化物的预期份额。在与氮氧化物或一氧化碳的目标值比较时，随后可以如先前一样求取最小的燃料输送，在所述最小的燃料输送的情况下，至少氮氧化物或一氧化碳的实际份额在给定的燃料的分配的情况下达到目标值。对应地，如先前一样，也可以减少燃料输送，直至所计算的最小的燃料输送。

然而特别有利的是，在使用主燃烧器以及副燃烧器时计算燃料的最优分配。为此，在改变燃料分配以及将燃料量减少直至达到所计算的有害物质的份额与目标值之间的尽可能小的差时，可以迭代地进行所计算的氮氧化物和一氧化碳的份额的值与目标值之间的比较。

当副燃烧器是所谓的引燃器时，所述方法以特别有利的方式适用。

在此，在用于确定燃料的有利的分配的所述方法中有利的是，考虑在何种有害物质的情况下实际测量的值或理论上计算的份额与目标值之间的差更大。

如果在第一种情况下二氧化碳的份额与所属的目标值之间的差大于氮氧化物的份额与所属的目标值之间的差，则有利的是，如下改变燃料的分配：提高主燃烧器的份额和减少副燃烧器的份额。

相反，在第二种情况下有利的是，如果氮氧化物的份额与所属的目标值之间的差大于二氧化碳的份额与所属的目标值之间的差，则有利的是，如下改变燃料的分配：提高副燃烧器的份额以及减少主燃烧器的份额。

如果在计算对主燃烧器和副燃烧器的燃料量的最佳分配之后计算出低于两个目标值，或在设定对应的燃料量之后根据有害物质的测量确定低于两个目标值，则随后可以进一步减少燃料输送。

如果存在可以借助于其确定进气的至少一个特性的进气测量装置，实现对该方法的进一步改进、尤其用于减小必要的公差。在此特别有利的是，在计算模型中已知进气的温度以及空气湿度。对应地，在计算最小燃料量以及燃料的最优分配时，可以考虑所述值。

原则上在最初就充分的是，借助于已知的计算基础(例如燃烧特性、燃烧装置的特性、燃料的类型)创建计算模型，其中所测量的有害物质的实际份额表示用于计算的变量。

此外，由于燃烧过程的复杂性和燃烧特性的可能的变化、例如由于不同的局部环境条件引起的可能的变化，还有利的是，可以调整计算模型。为此有利的是，将计算参数与尽可能多的存在的状态数据一起持续地存储。燃烧装置或燃气轮机的实际状态(温度数据、振动数据等)、燃料的类型和/或质量、进气的温度和/或空气湿度、废气中的氮氧化物和/或一氧化碳的实际份额属于状态数据。在考虑存储的数据的情况下，可以有规律地或连续地进行计算模型的调整。在此可以以特别有利的方式使用所谓的自学习的方法。

所述方法通常不限于燃料类型。也可以提出，在存在主燃烧器和副燃烧器的情况下，使用不同的燃料。原则上，如果燃料是气态的，则可以有利地使用所述方法。

附图说明

在以下附图中示意性地草绘燃烧装置和时间变化曲线。附图示出：

图1示出根据本发明的燃烧装置的示意图；

图2示出在应用根据本发明的方法时的参数在时间上的可能的变化曲线的示意图。

具体实施方式

在附图中示意性地草绘根据本发明的燃烧装置01。所述燃烧装置01首先包括燃烧室02连同设置在其处的主燃烧器03以及副燃烧器04。可以将燃料23以及进气21输送给燃烧器03、04。废气25、即烟气从燃烧室02中流出。

存在控制装置11以用于控制所述方法，在所述控制装置11中保存有计算模型12，并且在所述实施例中，所述控制装置11包括数据存储器13。将不同的特征变量传输给控制装置11。一方面，固定地预设氮氧化物的最大份额16和一氧化碳的最大份额17。在此可以涉及分别允许的极限值或目标值。在第一种情况下，可以由控制装置计算目标值。同样可行的是，不仅将允许的极限值而且将相应的目标值作为对传输给控制装置11的预设。

此外，需要在计算模型中已知燃料23的类型或质量24。为此，示例性地提出，持续地检测所述质量24并且将其传输给控制装置11。此外，在所述实施例中提出，测量进气21的温度和空气湿度22并且将其传输给控制装置11。

此外，对于根据本发明的方法重要的是，持续地测量废气25中的氮氧化物的实际份额26和/或一氧化碳的实际份额27并且将其传输给控制装置11。

通过用于接近最小功率的信号来触发根据本发明的方法，为此，将分别所需的期望功率15传输给控制装置11。

在所述方法在控制装置11中基于保存在那里的计算模型12执行时，计算最小的燃料输送以及在这种情况下计算对主燃烧器03以及副燃烧器04的最优分配。基于计算结果，由控制装置11操控对应所属的用于控制到达主燃烧器03的燃料流的主阀05以及对应所属的用于控制到达副燃烧器04的燃料流的副阀06。

在图2中示例性地示出具有不同的特征变量的在时间上的可行的方法流程。从燃烧装置的正常功率开始，信号在时刻T1接近最小功率P_soll。现在在控制装置11中根据计算模型12来计算最小功率或最小的燃料输送，在所述最小功率或最小的燃料输送中，遵守氮氧化物的份额和一氧化碳的份额的预设的极限值(即达到至少一个目标值)。在此在控制装置中预设目标值NOx_max。对应于计算，现在减少燃料输送和从而减小功率P_ist。有害物质的份额的升高、即在此氮氧化物的份额NOx_ist以及一氧化碳的份额(在此未示出)通常伴随着功率的降低——参见时刻T2。

现在例如可以的是，在计算中已经达到一氧化碳的目标值，相反，在氮氧化物的目标值与所测量的值NOx_ist之间仍存在较大的差。这引起改变燃料分配的有利的方法，使得一氧化碳的目标值与所计算的值之间也得出差，其中伴随着在氮氧化物的目标值与所测量的值NOx_ist之间的差的降低——参见时刻T3。在此可以进行燃料量的重新减少，直至对应于计算或相应的测量基本上达到目标值NOx_max——参见时刻T4。

现在可以的是，出现过程的稳定，其中有害物质的份额随着时间进展减小——参见时刻T5。由于对至少一个有害物质的持续监控，在给出的差的情况下触发新的计算是可行的，使得燃料输送和从而功率P_ist的重新降低是可行的——参见时刻T6。

Claims (12)

1.一种用于控制燃烧装置(01)、尤其燃气轮机中的燃烧过程的方法，所述燃烧装置(01)包括：燃烧室(02)，在所述燃烧室(02)中燃料(23)能够与进气(21)一起燃烧；以及至少一个燃烧器，所述燃烧器能够将所述燃料(23)和/或所述进气(21)输送到所述燃烧室(02)中；以及控制装置(11)，在所述控制装置(11)中保存有所述燃烧过程的计算模型(12)；以及废气测量装置，所述废气测量装置能够检测氮氧化物的实际份额(26)；所述方法具有如下步骤：

-确定所述氮氧化物的份额的允许的极限值(16)，并且求取作为扣除了公差的极限值的目标值；

-确定一氧化碳的份额的允许的极限值(17)，并且求取作为扣除了公差的极限值的目标值；

-持续地检测所述废气(25)中的所述氮氧化物的实际份额(26)；

-检测用于设定最小功率的信号；

-利用所述计算模型(12)计算最小的燃料输送(23)，在所述最小的燃料输送(23)的情况下，所述一氧化碳的预期份额达到所述目标值；

-在持续地监控所述废气(25)中的所述氮氧化物的实际份额(26)时，减少所述燃料输送(23)直至所计算的所述最小的燃料输送(23)或直至达到氮氧化物的所述目标值。

2.一种用于控制燃烧装置(01)、尤其燃气轮机中的燃烧过程的方法，所述燃烧装置(01)包括：燃烧室(02)，在所述燃烧室(02)中，燃料(23)能够与进气(21)一起燃烧；以及至少一个燃烧器，所述燃烧器能够将所述燃料(23)和/或所述进气(21)输送到所述燃烧室(02)中；以及控制装置(11)，在所述控制装置(11)中保存有所述燃烧过程的计算模型(12)；以及废气测量装置，所述废气测量装置能够检测一氧化碳的实际份额(27)；所述方法具有如下步骤：

-确定氮氧化物的份额的允许的极限值(16)，并且求取作为扣除了公差的极限值的目标值；

-确定所述一氧化碳的份额的允许的极限值(17)，并且求取作为扣除了公差的极限值的目标值；

-持续地检测所述废气(25)中的所述一氧化碳的实际份额(27)；

-检测用于设定最小功率的信号；

-利用所述计算模型(12)计算最小的燃料输送(23)，在所述最小的燃料输送(23)的情况下，所述氮氧化物的预期份额达到所述目标值；

-在持续地监控所述废气(25)中的所述一氧化碳的实际份额(27)时，减少所述燃料输送(23)直至所计算的所述最小的燃料输送(23)或直至达到一氧化碳的所述目标值。

3.一种用于控制燃烧装置(01)、尤其燃气轮机中的燃烧过程的方法，所述燃烧装置(01)包括：燃烧室(02)，在所述燃烧室(02)中，燃料(23)能够与进气(21)一起燃烧；以及至少一个燃烧器，所述燃烧器能够将所述燃料(23)和/或所述进气(21)输送到所述燃烧室(02)中；以及控制装置(11)，在所述控制装置(11)中保存有所述燃烧过程的计算模型(12)；以及废气测量装置，所述废气测量装置能够检测氮氧化物的实际份额(26)和一氧化碳的实际份额(27)；所述方法具有如下步骤：

-确定所述氮氧化物的份额的允许的极限值(16)，并且求取作为扣除了公差的极限值的目标值；

-确定所述一氧化碳的份额的允许的极限值(17)，并且求取作为扣除了公差的极限值的目标值；

-持续地检测所述废气(25)中的所述氮氧化物的实际份额(26)和所述一氧化碳的实际份额(27)；

-检测用于设定最小功率的信号；

-利用所述计算模型(12)计算最小的总燃料输送(23)，在所述最小的总燃料输送(23)的情况下，所述一氧化碳的预期份额和所述氮氧化物的预期份额分别达到所述目标值；

-在持续地监控所述废气(25)中的所述氮氧化物的实际份额(26)和所述一氧化碳的实际份额(27)时，减少所述燃料输送(23)直至所计算的所述最小的燃料输送(23)或直至达到用于氮氧化物或一氧化碳的相应的所述目标值。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，

其中反复地执行所述计算，其中在确定超过所述极限值中的一个极限值时增加所述燃料输送(23)，并且在确定低于扣除了相应的过程公差的两个极限值时进一步减少所述燃料输送(23)。

5.根据权利要求4所述的方法，

其中以有规律的间隔执行所述计算；或

其中只要超过在所述废气(25)中的有害物质的所测量的实际份额(26，27)与为此给定的所述目标值之间的预设的差，则执行所述计算。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，

其中所述燃烧装置(01)包括至少一个主燃烧器(03)和至少一个副燃烧器(04)，所述主燃烧器(03)和所述副燃烧器(04)能够分别将燃料(23)和/或进气(21)输送到所述燃烧室(02)中；所述方法具有如下步骤：

-在计算所述最小的燃料输送(23)时确定对所述主燃烧器(03)和所述副燃烧器(04)的所述燃料(23)的分配，在所述最小的燃料输送(23)的情况下，所述一氧化碳的预期份额或所述氮氧化物的预期份额达到所述目标值；

-在考虑先前计算的对所述主燃烧器(03)和所述副燃烧器(04)的所述燃料(23)的分配的情况下减少所述燃料输送(23)。

7.根据权利要求6所述的方法，

其中所述副燃烧器(04)是引燃器。

8.根据权利要求6或7所述的方法，

其中在一氧化碳的所述目标值与所计算的或所测量的所述实际份额(27)之间的差更大和在氮氧化物的所述目标值与所计算的或所测量的所述实际份额(26)之间的差更小的情况下，以用于所述主燃烧器(03)的更高的份额和用于所述副燃烧器(04)的更低的份额来改变所述燃料(23)的分配；

其中随后在确定低于上述两个目标值时进一步减少所述燃料输送(23)。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，

其中在氮氧化物的所述目标值与所计算的或所测量的所述实际份额(26)之间的差更大和在一氧化碳的所述目标值与所计算的或所测量的所述实际份额(27)之间的差更小的情况下，以用于所述副燃烧器(04)的更高的份额和用于所述主燃烧器(03)的更低的份额来改变所述燃料(23)的分配；

其中随后在确定低于两个目标值时进一步减少所述燃料输送(23)。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，

其中进气测量装置能够确定所述进气(21)的至少一个特性、尤其温度和/或空气湿度(22)，其中在计算所述燃料输送(23)和/或所述燃料(23)的分配时在所述控制装置(11)中考虑所述特性。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，

其中持续地存储计算参数和存在的状态数据、尤其所述燃烧装置(01)的实际状态和/或所述燃料(23)的类型和/或质量(24)和/或所述进气(21)的温度和/或空气湿度(22)和/或所述废气(25)中的所述氮氧化物和/或所述一氧化碳的实际份额(26，27)，并且根据所存储的所述数据进行对所述计算模型的有规律的或连续的调整，尤其借助于所谓的自学习的方法进行对所述计算模型的有规律的或连续的调整。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，

其中所述燃料(23)是气态的。

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