專利名稱：化學(xué)計量式排氣再循環(huán)和相關(guān)燃燒控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動機(jī)系統(tǒng)和相關(guān)控制，并且更具體地，涉及具有多個燃燒器的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動機(jī)，該多個燃燒器中的各個可利用反饋控制環(huán)路分開來控制，以基于排氣中檢測到的氧氣和一氧化碳的量來調(diào)整燃料-空氣比率，同時確保能夠利用催化劑從排氣中去除有害的NOx排放。本發(fā)明提供了本文中所稱的“化學(xué)計量式(Stoichiometrical) 排氣再循環(huán)(SEGR) ”。
背景技術(shù)：
燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動機(jī)典型地包括壓縮機(jī)區(qū)段、燃燒器區(qū)段和旋轉(zhuǎn)以便產(chǎn)生電功率的至少一個渦輪。壓縮機(jī)排出物直接供給到烴燃料在其中被噴射、混合并且燃燒的燃燒器區(qū)段中。燃燒氣體然后被引導(dǎo)進(jìn)入并通過渦輪的一個級或多個級，渦輪從燃燒氣體中抽取旋轉(zhuǎn)能。為了實現(xiàn)最大運行效率，燃?xì)廨啓C(jī)燃燒系統(tǒng)在各種各樣的不同燃料組分、壓力、溫度和燃料/空氣比率條件下運行，優(yōu)選地具有利用或者液體燃料或者氣體燃料或者兩者的組合 (被稱為“混合燃燒”系統(tǒng))的能力。然而，用于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器中的許多候選烴燃料包含有害的污染物和/或其它工藝的副產(chǎn)品，它們傾向于抑制燃燒和/或降低系統(tǒng)的能力和效率。近年來，由于聯(lián)邦政府實施的嚴(yán)格的排放限制和環(huán)境污染控制法令，排放(尤其是NOx)的減少，在美國也已經(jīng)得到更多的重視。在烴燃料的燃燒中，氮氧化物由于空氣中氮的高溫氧化，以及由于基于烴的燃料中的氮化合物(例如吡啶)的氧化而產(chǎn)生。由于“污染效應(yīng)”，已經(jīng)在使用排氣再循環(huán)系統(tǒng)來減少燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動機(jī)中的NOx排放方面取得一些進(jìn)展，與無再循環(huán)的系統(tǒng)相比，這導(dǎo)致燃燒器入口氧氣濃度降低，并且CO2 濃度和含水量增加。因為NOx的形成率強(qiáng)烈地取決于峰值火焰溫度，因此火焰溫度的小的降低往往降低NOx排放。一種已知技術(shù)涉及使排氣再循環(huán)到燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動機(jī)，這導(dǎo)致形成額外的CO2，但僅僅伴隨O2和CO濃度有增量式的降低。可惜的是，殘留在使用排氣再循環(huán)的排氣中的氧氣的量總是保持處于或高于大約2%，并且眾所周知，過量的氧氣能夠不利地影響大多數(shù)NOx去除催化劑的效率。因此，先前的利用再循環(huán)來減少和/或消除排氣流中的NOx 的工作的成功僅僅是有限的。將排氣再循環(huán)應(yīng)用到固定的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動機(jī)的另一個顧慮涉及如下需求，即在入口流與再循環(huán)組合時，降低排氣溫度且避免增加燃燒器入口溫度或者壓縮機(jī)負(fù)荷。共有的美國專利No. 4，313，300教導(dǎo)了，如果動力裝置包括聯(lián)合燃?xì)廨啓C(jī)蒸汽輪機(jī)系統(tǒng)(其中，再循環(huán)氣體被引入將空氣供應(yīng)到燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器的單個空氣壓縮機(jī))，那么可基本克服過熱的問題。然而，No. 4，313，300專利沒有教導(dǎo)或者建議利用關(guān)于存在于排氣中的一氧化碳的數(shù)據(jù)來調(diào)整供給到燃燒器的燃料的量，其中燃燒器單獨運行或者與其它燃燒器一前一后地運行。至此，還沒有使用通過監(jiān)測一氧化碳排放來控制燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動機(jī)中的單獨的選定燃燒器的燃料-空氣比率，特別是通過使用反饋控制或者調(diào)節(jié)回路，例如本文中描述的那些。已知的現(xiàn)有技術(shù)燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)也不提供可接受的方法來基于單獨的不同的燃燒器而細(xì)調(diào)燃料-空氣比率，以便減少存在于排氣中的CO和氧氣的量。已知的現(xiàn)有技術(shù)燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)的實例包括授予Kataoka等人的美國專利No. 6，598，402，其公開了將排氣的一部分再循環(huán)到壓縮機(jī)的進(jìn)口的排氣再循環(huán)型燃?xì)廨啓C(jī)和用于調(diào)整返回的氣體的量以對應(yīng)于燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷的改變的再循環(huán)控制單元。該No. 6，598，402專利不依賴于排氣流中檢測到的一氧化碳的量作為調(diào)整通往選定的燃燒單元的燃料-空氣供給的手段。該專利也沒有教導(dǎo)如何提供化學(xué)計量式排氣再循環(huán)控制。授予Utamura等人的美國專利No. 6, 202, 400和No. 5, 794, 431描述了兩種不同但是相關(guān)的方法，其用于改進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)組合的熱效率，由此燃?xì)廨啓C(jī)排氣的一部分被再循環(huán)到壓縮機(jī)，以便幫助維持較均勻且恒定的壓縮機(jī)供給溫度且改進(jìn)系統(tǒng)的整體熱效率。這兩個專利沒有教導(dǎo)基于在排氣流中檢測到的一氧化碳的量，利用燃料調(diào)節(jié)回路或者反饋控制來有效地減少排氣的CO或氧氣含量。另外，僅僅檢測CO不能解決對化學(xué)計量式排氣再循環(huán)控制的需求。序列號為No. W099/30079的PCT申請描述了用于包括空氣污染控制組件的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動機(jī)的排氣的熱回收蒸汽發(fā)生器，該空氣污染控制組件包括選擇性催化還原催化劑， 用于降低排氣排放(包括NO5^P CO)的量。再次，NO.W099/30079申請沒有教導(dǎo)或者建議使用在排氣中檢測到的CO的量作為用于控制通往燃燒器的選定燃料輸入的手段，或者沒有教導(dǎo)如何提供化學(xué)計量式排氣再循環(huán)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種用于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動機(jī)的新的燃料控制回路，其包括主燃料回路；燃料調(diào)節(jié)回路；連接到燃料調(diào)節(jié)回路的多個燃燒器；在燃?xì)廨啓C(jī)排氣流中的氧氣和二氧化碳傳感器；以及操作性地連接到燃料調(diào)節(jié)回路的反饋控制環(huán)路。氧氣和一氧化碳傳感器用來利用控制閥來控制供給到該多個燃燒器中的各個的燃料量，以此限定燃料調(diào)節(jié)回路，各個閥對應(yīng)于多燃燒器燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動機(jī)中的單個燃燒器(“燃燒室”)。根據(jù)本發(fā)明的示例性系統(tǒng)包括用于從排氣流中去除任何殘余氧氣和一氧化碳的催化劑。燃料控制系統(tǒng)利用通過反饋控制環(huán)路提供的、關(guān)于在排氣中檢測到的氧氣和一氧化碳濃度的數(shù)據(jù)來“細(xì)調(diào)” 供給到各個燃燒器的燃料量。本發(fā)明還包括一種用于利用本文描述的新的反饋控制裝置來分析和控制來自燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動機(jī)的排氣的組分的方法，以及一種包括多個燃燒器、對應(yīng)的反饋控制環(huán)路和燃料調(diào)節(jié)回路的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動機(jī)。


圖I描繪了本發(fā)明的示例性實施例的工藝流程圖，該實施例具有燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動機(jī)和用于監(jiān)測燃?xì)廨啓C(jī)排氣且利用反饋控制環(huán)路來控制單獨的燃燒室的燃料-空氣比率以實現(xiàn)最大熱效率和CO的去除的燃料控制系統(tǒng)；圖2是流程框圖，其描繪了根據(jù)本發(fā)明的用于實現(xiàn)化學(xué)計量式排氣再循環(huán) (“SEGR”)和燃燒控制以由此減小傳統(tǒng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動機(jī)設(shè)計中固有的性能損失的主要工藝步驟；
圖3是比較存在于示例性燃?xì)廨啓C(jī)排氣流中的氧氣和一氧化碳的相對量與供給到多燃燒器燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動機(jī)的一個或者多個燃燒器的多種燃料/空氣混合物的曲線圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的用于利用化學(xué)計量式再循環(huán)控制通往燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動機(jī)的單獨的燃燒器的燃料-空氣供給的示例性工序的示意圖(描繪了裝備和控制系統(tǒng)的主要部件)；圖5是特別參照示例性NOx催化劑的效力水平的、存在于利用根據(jù)本發(fā)明的化學(xué)計量式控制裝置的排氣流中的氧氣的相對量的曲線圖；圖6是在不同運行條件下的化學(xué)計量式排氣再循環(huán)排放的曲線圖，其用以示出利用根據(jù)本發(fā)明的燃料調(diào)節(jié)回路和反饋控制系統(tǒng)的潛在益處；以及圖7是進(jìn)一步詳細(xì)描繪了根據(jù)本發(fā)明的用于控制單獨的燃燒器的燃料-空氣比率的主燃料回路、燃料調(diào)節(jié)回路和反饋控制裝置的流程框圖。部件列表
70示例性工藝流程圖
71空氣
72主要空氣壓縮機(jī)(“MAC”)
76空氣管道
77低壓熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)
78再循環(huán)環(huán)路
74燃?xì)廨啓C(jī)壓縮機(jī)
84燃?xì)廨啓C(jī)排氣
79催化劑床
82高壓熱回收蒸汽發(fā)生器
83高壓無氧排氣
11空氣壓縮機(jī)
12燃料燃燒器
13燃?xì)廨啓C(jī)
21主要燃料源
19CO分析站
22通往燃燒器的經(jīng)調(diào)整的燃料流
14HRSG
15排氣流
17排氣處理階段
16排氣口
43氧氣供給
44一氧化碳
42燃料-空氣比率
35 和 36燃燒器
37 和 38排氣流
26一氧化碳測量站
27 和 28反饋控制信號
29 和 30燃料回路調(diào)節(jié)
31 和 34燃料回路調(diào)節(jié)
32 和 33單獨的燃燒室
63效率圖
62X鈾
61Y鈾
95中心軸線
91 和 92曲線
93氧氣水平
94 和 96曲線
98 和 99豎線
97豎線
97 4‘效率損失”
98 ‘‘閉環(huán)”系統(tǒng)
200反饋控制
201主燃料回路
240主要燃料供給
250燃料調(diào)節(jié)回路
202 至 208控制閥
211 至 217燃燒室
220組合排氣
221催化劑床
223氧氣傳感器
225CO傳感器
226數(shù)據(jù)線路
227反饋控制器
230排氣流
具體實施例方式根據(jù)本發(fā)明的化學(xué)計量式排氣再循環(huán)(SEGR)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動機(jī)旨在提供零氧氣含量排氣，該排氣能夠利用NOx還原催化劑較有效地處理，以提供無NOx污染物的排氣流。當(dāng)應(yīng)用于增強(qiáng)的油回收用途時，本發(fā)明對于碳捕捉和儲存工藝是理想的，并且在需要無氧稀釋劑的任何工藝中都是有用的。如上所提到，在傳統(tǒng)的SEGR燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)中，燃燒產(chǎn)物總是包含過量氧氣，這是由于標(biāo)稱燃燒溫度下的化學(xué)平衡，燃燒的一些CO2產(chǎn)物離解成CO和02。另外，不能實現(xiàn)燃料和空氣的充分混合，從而導(dǎo)致存在于供給中的一些氧氣沒有與烴燃料反應(yīng)。因此，所得到的主要由N2和CO2組成的排氣流將仍然包含少量的CO和02。典型地，燃燒產(chǎn)物通過燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動機(jī)的渦輪區(qū)段，并且進(jìn)入包括氧化催化劑的熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)，該氧化催化劑在HRSG中的較低溫度下改變CO和O2與CO2之間的平衡，從而促使微量的CO和O2轉(zhuǎn)化成CO2并產(chǎn)生具有較低氧氣含量的排氣流。為了讓CO催化劑接近零氧氣含量，必須存在足夠的CO來消耗排氣中的所有O2。燃?xì)廨啓C(jī)運行的實踐需要有一定量的過量燃料用于燃燒系統(tǒng)中，以確保過量的CO的存在。但是，排氣中過多的CO能夠?qū)φw燃?xì)廨啓C(jī)運行具有負(fù)面作用，因為過量的CO的內(nèi)能將不被燃?xì)廨啓C(jī)捕捉，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的效率損失。因為這些原因，最大程度地減少且小心地控制排氣流中過量的CO的量是重要的。燃燒過程中的兩個已知實踐也推動對控制排氣中過量CO的量的需求。首先，整個燃?xì)廨啓C(jī)的燃料-空氣比率有控制極限。也就是說，僅存在有限的能力來控制供給到燃?xì)廨啓C(jī)的燃料的量。第二，燃?xì)廨啓C(jī)燃燒系統(tǒng)通常由多個燃燒室組成，它們中的各個利用稍微不同的燃料-空氣比率運行，從而導(dǎo)致排放基于不同的燃燒室而有所差異。這兩個影響導(dǎo)致需要利用過量的燃料來運行燃?xì)廨啓C(jī)，以產(chǎn)生恰當(dāng)量的過量CO而確保所有氧氣在排氣中被消耗掉。在本文中通過參照設(shè)計目標(biāo)值描述且依靠圖6中的實例示出該目標(biāo)的實現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明，通過使用閉環(huán)排放控制和監(jiān)測排氣中來自燃?xì)廨啓C(jī)的排放，燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器的整體燃料-空氣比率能夠被較精確地控制，從而減小過量CO的需求，再次如圖6 所示。燃料-空氣比率的在不同的燃燒室之間的差異通過這種途徑仍然未消除。但是，通過為各個燃燒室增設(shè)燃料調(diào)節(jié)回路，各個燃燒室中的燃料-空氣比率能夠被控制到在燃?xì)廨啓C(jī)運行中先前未利用或甚至未預(yù)想的精確水平。能夠?qū)Ω鱾€燃燒室調(diào)節(jié)燃料，并且能夠在排氣中測量到反饋，而排氣中總體CO濃度由于CO產(chǎn)物的受精確控制的性質(zhì)而接近近化學(xué)計量式運行。參見以下更詳細(xì)討論的圖3。利用SEGR的改進(jìn)的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動機(jī)設(shè)計導(dǎo)致從燃燒器排出的最終排氣流有效地沒有未使用的氧氣且被獨特地定位，以用于利用三效(three way)催化劑或類似催化劑進(jìn)行處理，以將流中的一氧化碳和NOx排放減少到可接受的水平，優(yōu)選地接近零。如上所提到， 近來實現(xiàn)低NOx和一氧化碳排放的困難變得愈加復(fù)雜，因為大多數(shù)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動機(jī)系統(tǒng)采用多個燃燒器，而燃燒器通常具有不同的燃料/空氣比率和對應(yīng)的供給到單個一氧化碳測量和處理系統(tǒng)中的不同的排氣組分。雖然用于排氣的單個反饋控制環(huán)路能夠用于取決于在最終排氣中檢測到的一氧化碳的量而調(diào)整燃燒器上游的主要燃料/空氣混合物，但是這種系統(tǒng)不能實現(xiàn)殘留在排氣(或再循環(huán))中的氧氣的最高使用潛力。因此，由于監(jiān)測和控制不同燃燒室中的不同的且波動的燃料/空氣比率的難以預(yù)測性，在這種系統(tǒng)中實現(xiàn)有效的零NOx和CO排放即使不是幾乎不可能的，也是困難的。本發(fā)明因此通過高度精確地監(jiān)測和控制通往選定的幾個燃燒器的單獨的燃料/ 空氣供給來提供改進(jìn)的燃燒器運行?；谔綔y到的存在于排氣流中的一氧化碳和氧氣，能夠長時間維持產(chǎn)生的改進(jìn)的發(fā)動機(jī)性能。另外，通過不同燃燒室產(chǎn)生的CO的指數(shù)關(guān)系可以被運用成直接對應(yīng)于單獨的燃燒器燃料/空氣比率，其中最終結(jié)果是相比于現(xiàn)有技術(shù)燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計，燃燒排氣中的NOx量的充分降低。由于NOx和CO成分的固有的降低，新設(shè)計還便于在渦輪排氣的下游處理中的CO2捕捉。在示例性實施例中，單獨的燃燒器(燃燒室)各自連同能夠以非常小的變量提升或降低燃料/空氣比率的流量控制器件操作性地連接到燃料調(diào)節(jié)回路，其中最終目的是使得主要燃料/空氣回路盡可能地接近化學(xué)計量式理想，即，使得存在于再循環(huán)中的所有氧氣在燃燒期間消耗掉，從而導(dǎo)致整體NOx和CO產(chǎn)量的顯著降低。在啟動運行期間，CO排氣測量在所有燃燒室在貧燃條件和低一氧化碳產(chǎn)量下運行時進(jìn)行。一個接一個地，控制著系統(tǒng)中所有燃燒室的單獨運行的燃料調(diào)節(jié)回路將命令發(fā)送給各個燃燒室，以增加燃料供給。在排氣流中監(jiān)測到的CO含量將幾乎立刻開始增加。最終檢測到的CO量導(dǎo)致控制信號經(jīng)由閉合反饋控制環(huán)路發(fā)送到并行連接的燃料回路。然后根據(jù)所探測的CO量而修改供給到各個燃燒室的燃料比率。當(dāng)實現(xiàn)燃料調(diào)節(jié)回路并且對各個連續(xù)燃燒室增量式地調(diào)整燃料時，對應(yīng)的一氧化碳水平快速增加，從而導(dǎo)致來自控制環(huán)路的信號停止增加通往那個特定燃燒室的燃料。在各個燃燒室接連地被監(jiān)測且調(diào)整時該過程被重復(fù)，直到對于整個系統(tǒng)獲得最優(yōu)期望燃料/空氣比率。如果在正常發(fā)動機(jī)運行期間需要的話，能夠周期性地使用相同調(diào)節(jié)/反饋控制操作，以確保在長時間連續(xù)運行中有最優(yōu) SEGR性能。另外，相比于使用SEGR技術(shù)的傳統(tǒng)燃燒器控制系統(tǒng)，在渦輪排氣中能夠獲得更低水平的CO和氧氣。因為各個燃燒室能夠被連續(xù)地且獨立地“細(xì)調(diào)”以獲得近化學(xué)計量式運行，所以該系統(tǒng)提供優(yōu)于對需要“富燃”運行以保證存在過量CO的傳統(tǒng)多燃燒器控制設(shè)計的顯著優(yōu)勢。如上所提到，如果根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)實踐來設(shè)計燃燒器，由于不同的燃料-空氣比率和不同的燃料劃分，單獨的燃燒器的動態(tài)特性會彼此不同。雖然燃料-空氣比率的不同可對燃?xì)廨啓C(jī)的整體性能具有很小的影響，但是排氣中的氧氣的量也將必定在不同的燃燒室之間有所不同，從而當(dāng)氧氣水平保持很高時導(dǎo)致不能接受的結(jié)果。較高的氧氣水平導(dǎo)致催化劑的效力水平降低，相比于在氧氣水平接近零時99%的效力，通常使得催化劑僅僅50%有效。因此，本發(fā)明通過使最終排氣中的氧氣水平保持接近理論上為零來確保NOx催化劑將維持高的效力水平。參見附圖，圖I描繪了用于系統(tǒng)(大體顯示為70)的示例性工藝流程圖，該系統(tǒng)利用SEGR燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動機(jī)和熱回收蒸汽發(fā)生器(“HRSG”)，具有從本發(fā)明的反饋控制系統(tǒng)受益的潛力。圖I描繪了已知系統(tǒng)，其能夠按照上文所述進(jìn)行修改，以使用反饋控制環(huán)路來監(jiān)測燃?xì)廨啓C(jī)排氣且控制單獨的燃燒室的燃料-空氣比率，以獲得最大熱效率和CO的去除。 圖I還示出了在燃燒步驟期間燃燒器不能消耗所有氧氣和一氧化碳時將不可避免地遇到的潛在性能損失。必須總是采用一氧化碳催化劑以便形成二氧化碳并且消耗排氣中仍然存在的氧氣(這具有產(chǎn)生熱用于高壓熱回收蒸汽發(fā)生器的附加益處)。如圖I所示，空氣71供給到主空氣壓縮機(jī)(“MAC”)72并在升高的壓力下通過空氣管道76直接進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器。來自燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器的排氣通過較低壓力的熱回收蒸汽發(fā)生器77和再循環(huán)環(huán)路78，作為供給再循環(huán)回到燃?xì)廨啓C(jī)壓縮機(jī)74。該系統(tǒng)確保燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)的所有流(包括渦輪冷卻空氣和泄漏空氣)都不含有氧氣。圖I還示出了與傳統(tǒng)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的固有性能損失，其中燃?xì)廨啓C(jī)排氣必須經(jīng)過處理以去除盡可能多的殘余CO和氧氣。也就是說，燃燒運行不完美，從而需要分開來處理殘余的未燃燒的氧氣和CO。此處，在84處的燃?xì)廨啓C(jī)排氣通過CO催化劑床79，CO催化劑床79 去除CO并且消耗存在于排氣中的未燃燒的氧氣。最終的CO和氧氣在放熱反應(yīng)中結(jié)合而形成二氧化碳。高壓HRSG通過經(jīng)由蒸汽輪機(jī)抽取能量而使用熱來產(chǎn)生額外蒸汽。理論上，將在不犧牲整體效率的情況下盡可能低地減小系統(tǒng)中的殘余一氧化碳的量。在通過催化劑處理后，經(jīng)處理的排氣流通過CO傳感器并進(jìn)入利用通過催化劑處理產(chǎn)生的額外的熱的高壓熱回收蒸汽發(fā)生器82。高壓無氧排氣(在線83處示出)然后在釋放到環(huán)境中之前經(jīng)過最后處理。圖2是流程框圖，其描繪了根據(jù)本發(fā)明的、用于利用反饋控制來獲得化學(xué)計量式排氣再循環(huán)和燃燒控制的主要工藝步驟。示例性系統(tǒng)包括將壓縮空氣供給到多個燃料燃燒器12的空氣壓縮機(jī)11，燃燒器12又將膨脹的高溫排氣供給到燃?xì)廨啓C(jī)13中。在運行期間， 空氣壓縮機(jī)11將壓縮空氣供給到燃燒器12的后部，而主要燃料源(氣體烴或液體烴)21 將主燃料流提供給燃燒器。空氣和燃料混合并且燃燒，其中熱的燃燒氣體直接從燃燒器12 流入燃?xì)廨啓C(jī)13，在燃?xì)廨啓C(jī)13中從燃燒氣體中抽取能量來做功。根據(jù)本發(fā)明的第一實施例，離開燃?xì)廨啓C(jī)13的排氣在CO分析站19中被分析以確定存在于排氣中二氧化碳的量，其中分析結(jié)果被饋送到作為反饋環(huán)路的一部分的燃料調(diào)節(jié)回路，以便周期性地監(jiān)測且調(diào)整供給到系統(tǒng)的空氣和燃料(氣體或液體)的量，如21處所示。供給到各個燃燒器的燃料和空氣的量可以取決于在排氣流中檢測到的氧氣和一氧化碳的量而改變，其中目標(biāo)是細(xì)調(diào)供給到各個燃燒器的燃料-空氣比率，同時降低排氣流中的 NOx濃度。通往燃燒器的經(jīng)調(diào)整的燃料流大體在22處示出。單獨的燃燒器中的各個能夠基于被持續(xù)地收集和評估的數(shù)據(jù)而使用反饋環(huán)路來監(jiān)測和調(diào)整。也就是說，各個燃燒室能夠隨著時間的推移以各自為基礎(chǔ)進(jìn)行周期性地檢查并且調(diào)整，直到它達(dá)到如以下更詳細(xì)描述的最優(yōu)穩(wěn)定狀態(tài)條件。圖2還描繪了結(jié)合燃?xì)廨啓C(jī)13來使用傳統(tǒng)的熱回收蒸汽發(fā)生器(“HRSG”)14以便增加整個系統(tǒng)的熱效率。在通過排氣口 16釋放到大氣之前，具有減小的熱值的最終排氣流15典型地在排氣處理階段17中利用例如三效催化劑進(jìn)行處理，以去除殘余NOx化合物和其它不環(huán)保的污染物和燃燒副產(chǎn)品。圖3是曲線圖(大體以40示出)，其將存在于示例性燃?xì)廨啓C(jī)排氣流中的氧氣43 和一氧化碳44的相對量與供給到燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動機(jī)的一個或多個燃燒器的各種燃料/空氣混合相比較。圖3畫出了燃料-空氣比率(“F/A”42)對燃燒器排氣中檢測到的氧氣和一氧化碳的濃度(的關(guān)系)。隨著燃料-空氣比率增加，氧氣水平變低而CO含量增加。在示例性實施例中，供給到單獨的燃燒室的燃料和空氣將一次調(diào)整一個，以便減小氧氣含量，但是不能太低以至于一氧化碳的量超過下游催化劑的能力。利用用于燃料-空氣比率的反饋控制環(huán)路連續(xù)地監(jiān)測和控制氧氣和CO的量，以便優(yōu)化氧氣/CO比率并且確保通過下游催化劑有最大CO去除效率。理論上，離開催化劑的殘余CO的量將在最大系統(tǒng)效率下接近于零。圖4是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的、用于利用化學(xué)計量式再循環(huán)和反饋控制來控制燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動機(jī)的燃燒器的供給的工藝的示意圖(還描繪了裝備和控制系統(tǒng)的主要部件)。如圖4所示，示出為35和36的單獨的燃燒器各自具有對應(yīng)的排氣流37和38，它們直接供給到能夠為各個燃燒室確定CO水平的一氧化碳測量站26。一氧化碳測量站26產(chǎn)生多個不同的反饋控制信號27和28，它們?nèi)缓髠鬏數(shù)酱篌w描繪為29和30的對應(yīng)的燃料回路調(diào)節(jié)控制裝置。燃料回路調(diào)節(jié)控制裝置的輸出31和34導(dǎo)致對應(yīng)于單獨的燃燒室的燃料回路(如通過32和33處的實例所示)有增量式小調(diào)整。圖5是曲線圖，其表示當(dāng)與示例性NCU崔化劑的效力水平相比時，存在于根據(jù)本發(fā)明的、利用化學(xué)計量式控制裝置的排氣流中的氧氣的相對量。如圖4所示，本發(fā)明盡力平衡存在于來自燃燒器的排氣中的氧氣和一氧化碳的量，而同時確保用于處理最終排氣流的NOx催化劑的高效率。圖5中的曲線63示出NOx催化劑的效力(X軸62)傾向于隨著存在于排氣中的氧氣的量(Y軸61)的降低而增加。圖6是不同運行條件下的化學(xué)計量式排氣再循環(huán)排放的曲線圖(大體示出為90)， 并且示出了根據(jù)本發(fā)明利用燃料調(diào)節(jié)回路和反饋控制的潛在益處。圖6將殘留在燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動機(jī)排氣中的氧氣和一氧化碳的量(參見左側(cè)軸，標(biāo)記為“排放02、CO”)與在利用各種候選排氣處理系統(tǒng)(包括現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)和本發(fā)明)的后續(xù)催化劑處理系統(tǒng)中一氧化碳和氧氣的反應(yīng)產(chǎn)生的預(yù)期效率(參見右側(cè)軸，標(biāo)記為“C0/02、效率”)相比較。如上所提到，利用單獨的燃燒器的反饋控制和細(xì)調(diào)的示例性系統(tǒng)將減小未反應(yīng)的一氧化碳的量，同時確保足夠量的氧氣殘留在燃燒器排氣中，以在下游催化劑操作中按化學(xué)計量的方式將所有CO轉(zhuǎn)化成二氧化碳。因此，相比于從系統(tǒng)中去除CO和氧氣的對應(yīng)的效率水平，對于不同的CO和氧氣排放水平，圖6中提及的“Phi”指示高于和低于I. O的預(yù)期值。I. O的目標(biāo)Phi值標(biāo)示在中心軸95處并且將被視為理論“期望運行w/o偏差”。為了說明的目的，與根據(jù)本發(fā)明的反饋控制環(huán)路關(guān)聯(lián)的調(diào)節(jié)閥的相對位置在線 100處指定，在這種情況下，線100位于Phi = 1.0的稍微右側(cè)。具有稍大于I. O的Phi值意味著燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動機(jī)將略微“富燃”運行，但是利用反饋控制有一氧化碳和氧氣的最大的去除。在系統(tǒng)中具有太多殘余氧氣傾向于降低NOx催化劑的效力，并且因此作為實際問題， 燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)當(dāng)以I. O的右側(cè)的Phi值以稍微富燃的方式運行。圖6中的曲線91表示在高于和低于Phi值I. O的點處的系統(tǒng)中的一氧化碳和氧氣的量的比率；曲線92描繪了一氧化碳的量；線93表示氧氣水平；曲線94示出從燃燒排氣中去除一氧化碳的預(yù)期效率的水平；曲線96反映出示例性設(shè)計目標(biāo)Phi值(在I. O的右側(cè)示出，指示稍微過量的氧氣，以便去除所有可用的CO);豎線98示出沒有使用本發(fā)明的調(diào)節(jié)閥和反饋控制特征的傳統(tǒng)閉環(huán)排放控制系統(tǒng)(“CLEC”)的Phi的位置；豎線99反映出使用“開環(huán)”設(shè)計、也沒有出現(xiàn)調(diào)節(jié)閥的現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計；并且豎線97反映出由殘留在排氣中的不同量的一氧化碳和氧氣導(dǎo)致的相關(guān)“效率損失”，其中一氧化碳和氧氣的量沒有如以上關(guān)于本發(fā)明所述的那樣以化學(xué)計量的方式平衡。如圖6所示，理想設(shè)計可具有如所指示的 I. O的Phi值。然而，再次作為實際問題，稍高于I. O的某些值將確保充足的氧氣來去除最低預(yù)期量的CO，而不會不利地影響NOx去除催化劑的下游性能。圖6中標(biāo)示的效率損失97反映了以下事實，即在催化劑處理步驟期間，每個氧分子需要兩個CO分子以形成二氧化碳。圖6中Phi = I. O的豎線右側(cè)的CO數(shù)據(jù)表示由于在燃燒后在系統(tǒng)中依然存在CO而產(chǎn)生的效率損失的幅度。這個殘余CO然后必須利用下游催化劑操作來處理，并且在催化劑處理期間確保需要一定量的過量氧氣來消耗盡可能多的排氣CO。在示例性實施例中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)Phi的目標(biāo)值應(yīng)該如圖所示并且標(biāo)示為“設(shè)計目標(biāo) Phi”的那樣為大約1.025。使用如上文所述的用于單獨的燃燒器的反饋控制環(huán)路設(shè)計導(dǎo)致豎直控制線向左側(cè)移動，即，回到接近I. O的值。作為比較，用于傳統(tǒng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的運行狀況和Phi值在圖6中示出為效率低很多并標(biāo)記為“開環(huán)設(shè)計”，其典型地僅僅依賴于排氣溫度讀數(shù)，并沒有基于一個或多個單獨的燃燒室的任何持續(xù)排氣流分析或者任何反饋控制環(huán)路。開環(huán)設(shè)計在對燃料/空氣比率做出大致“調(diào)節(jié)”改變之前必須僅僅依賴于整個排氣流的間歇性實驗室測試。
圖6中的“閉環(huán)”系統(tǒng)98也在有限的程度上依賴于通過持續(xù)地但不以不同的燃燒室為基礎(chǔ)來對排氣進(jìn)行有限的分析的反饋控制，而沒有本發(fā)明采用的特定反饋控制調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)。另外，與傳統(tǒng)系統(tǒng)不同，使用在系統(tǒng)中檢測到的氧氣和CO的量的反饋控制環(huán)路獨立并且精確地控制燃燒器中的各個以便改進(jìn)整體性能。也就是說，與傳統(tǒng)“開環(huán)”設(shè)計相比較， 已發(fā)現(xiàn)通往各個燃燒室的燃料流的非常小的增量式變化(大約3% (重量)或更少)造成整體性能水平上的顯著不同。因此，圖6示出打開調(diào)節(jié)閥將使效率損失線移動到右側(cè)，而關(guān)閉調(diào)節(jié)閥則使效率損失線移動到左側(cè)(更接近于期望的Phi值I. O)。圖6還示出了燃料調(diào)節(jié)回路如何操作。打開調(diào)節(jié)閥傾向于使效率損失線移動到右側(cè)；關(guān)閉調(diào)節(jié)閥使效率損失線移動到左側(cè)，即，更接近于期望Phi值I. O。如果在運行期間所檢測到的Phi值降到1.0以下，系統(tǒng)將被視為“富氧”。因此，在啟動運行期間，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動機(jī)可初始以低于I. O的phi值在“貧燃”狀態(tài)下運行。其后，用于各個燃燒器的各個調(diào)節(jié)閥將順次地調(diào)整以增加燃料量，同時持續(xù)地監(jiān)測氧氣和CO水平并且經(jīng)由反饋控制環(huán)路將控制信號發(fā)送回燃燒器。氧氣水平將隨著CO增加而下降，并且因此各個調(diào)節(jié)閥被調(diào)整以獲得盡可能接近I. O的phi值。在這個過程期間，各個燃燒器持續(xù)地被檢查并且調(diào)整，使得在排氣中的CO和氧氣的量接近下游NOx催化劑的最大效率值。圖7是更加詳細(xì)地描繪了根據(jù)本發(fā)明的、用于控制單獨的燃燒器的燃料-空氣比率的主燃料回路、燃料調(diào)節(jié)回路和反饋控制裝置的另一流程框圖。反饋控制系統(tǒng)200包括將主要燃料供給240提供給燃燒器的主燃料回路201，以及包含標(biāo)示為202至208并且并聯(lián)連接的多個分開的控制閥的燃料調(diào)節(jié)回路250。因而，流到對應(yīng)燃燒室(在圖7中標(biāo)示為 211至217)中的各個的燃料的量能夠取決于在燃燒器下游所檢測到的排氣狀況被分開且單獨地控制。典型地，隨著系統(tǒng)啟動，燃燒器中的各個的燃料-空氣比率將順次地分開來調(diào)整，直到獲得具有在下游檢測到的可能的最低氧氣和CO比率的穩(wěn)定狀態(tài)條件。圖7指出來自燃燒器組的組合排氣220傳送進(jìn)入催化劑床221并且然后通過氧氣傳感器223和CO傳感器225，它們經(jīng)由數(shù)據(jù)線路226將數(shù)據(jù)提供給反饋控制器227，反饋控制器227又經(jīng)由燃料調(diào)節(jié)回路發(fā)送單獨的控制信號，以調(diào)整(或者不調(diào)整)供給到單獨的燃燒器的燃料的量。 在230處示出來自系統(tǒng)的最終排氣流，其應(yīng)當(dāng)含有更少量的氧氣和CO。雖然本發(fā)明已經(jīng)結(jié)合當(dāng)前視為最實用并且優(yōu)選的實施例進(jìn)行了描述，但是應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明不受限于公開的實施例，而是相反，本發(fā)明意圖覆蓋包括在所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)的各種修改和等價布置。
權(quán)利要求
1.一種用于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動機(jī)(13)的燃料控制系統(tǒng)，包括主燃料回路(201)；燃料調(diào)節(jié)回路(250)；操作性地連接到所述燃料調(diào)節(jié)回路(250)的多個燃燒器(12)；在所述燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動機(jī)(13)的排氣流(15)中的氧氣傳感器(223)；在所述燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動機(jī)(13)的所述排氣流(15)中的一氧化碳傳感器(225);以及反饋控制回路(228)，其操作性地連接到所述燃料調(diào)節(jié)回路(250)且連接到所述氧氣傳感器(223)和一氧化碳傳感器(225)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的燃料控制系統(tǒng)，其特征在于，所述燃料調(diào)節(jié)回路(250)進(jìn)一步包括多個可調(diào)整的控制閥(202至208)，以實現(xiàn)化學(xué)計量式排氣再循環(huán)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的燃料控制系統(tǒng)，其特征在于，所述多個控制閥(202至208)中的各個連接到所述多個燃燒器(12)中的對應(yīng)的一個。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料控制系統(tǒng)，其特征在于，所述多個控制閥(202至208)中的各個獨立地被調(diào)整，以控制通往所述多個燃燒器(12)中的對應(yīng)的一個的燃料流。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的燃料控制系統(tǒng)，其特征在于，所述燃料控制系統(tǒng)進(jìn)一步包括用于從所述燃?xì)廨啓C(jī)的所述排氣流(15)中去除氧氣(43)和一氧化碳(44)的催化劑 (221)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料控制系統(tǒng)，其特征在于，所述調(diào)節(jié)回路(250)中的所述控制閥(202至208)中的各個以規(guī)定順序操作，以控制通往所述多個燃燒器(12)中的各個的燃料流。
7.一種用于分析和控制來自燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動機(jī)(13)的排氣的組分的方法，包括如下步驟將受控的量的燃料和空氣(71)供給到所述燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動機(jī)(13)的燃燒器(12)；分析所述燃燒器(12)下游的所述排氣的氧氣含量；分析所述燃燒器(12)下游的所述排氣的一氧化碳含量(44)；基于所述分析所述氧氣(43)和所述一氧化碳(44)的步驟來將燃料控制信號提供給燃料調(diào)節(jié)回路(250);以及控制供給到所述多個燃燒器(12)的燃料和空氣(71)的量。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法進(jìn)一步包括如下步驟，即在所述分析所述氧氣含量(43)和所述一氧化碳含量(44)的步驟之前，去除基本所有殘留于所述排氣流(15)中的所述氧氣(43)和一氧化碳(44)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述將受控的量的燃料和空氣(71)供給到所述燃燒器(12)的步驟包括順次地將反饋控制數(shù)據(jù)(228)發(fā)送給所述燃燒器(12)中的各個，以控制供給到各個燃燒器的燃料的量。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法進(jìn)一步包括如下步驟，即基于用于耗盡存在于供給到所述燃燒器(12)的空氣中的所有氧氣的化學(xué)計量值來確定供給到所述燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動機(jī)(13)的燃料和空氣(71)的量的目標(biāo)值。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述將受控的量的燃料和空氣(71)供給到所述燃燒器(12)的步驟基于所述排氣中檢測到的CO的量(228)而順次地調(diào)整供給到所述燃燒器(12)中的選定一些的燃料的量。
12.—種燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動機(jī)(13),包括多個燃燒器(12)；氣體壓縮機(jī)(74)；渦輪(13)；主燃料回路(201)；用于所述多個燃燒器(12)的燃料調(diào)節(jié)回路(20)；在所述燃燒器(12)的排氣流(15)中的氧氣傳感器(223)；在所述燃燒器(12)的所述排氣流(15)中的一氧化碳傳感器(225);以及操作性地連接到所述燃料調(diào)節(jié)回路(250)且操作性地連接到所述氧氣傳感器(223)和一氧化碳傳感器(225)的反饋控制環(huán)路(228)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動機(jī)(13)，其特征在于，所述燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動機(jī) (13)進(jìn)一步包括用于從所述排氣中去除一氧化碳(44)的催化劑床(79)。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動機(jī)(13)，其特征在于，所述燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動機(jī) (13)進(jìn)一步包括用于使所述排氣回到所述燃?xì)廨啓C(jī)壓縮機(jī)(74)的再循環(huán)環(huán)路(78)。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動機(jī)(13)，其特征在于，所述燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動機(jī)(13)進(jìn)一步包括用于所述燃燒器(12)的主燃料回路(201)。
全文摘要
本發(fā)明涉及化學(xué)計量式排氣再循環(huán)和相關(guān)燃燒控制。一種用于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動機(jī)的燃料控制系統(tǒng)，其包括主燃料回路；燃料調(diào)節(jié)回路；連接到燃料調(diào)節(jié)回路的多個燃燒器；排氣流中的氧氣傳感器和二氧化碳傳感器；以及操作性地連接到燃料調(diào)節(jié)回路且連接到氧氣和一氧化碳傳感器的反饋控制環(huán)路，氧氣和一氧化碳傳感器用來控制供給到發(fā)動機(jī)中的該多個燃燒器中的各個的燃料和空氣的精確量。燃料調(diào)節(jié)回路中的平行的控制閥陣列連接到燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動機(jī)中的該多個燃燒器中的對應(yīng)的燃燒器。燃料控制系統(tǒng)由此利用通過反饋控制環(huán)路提供的、關(guān)于排氣中所檢測到的氧氣和一氧化碳濃度的數(shù)據(jù)來“細(xì)調(diào)”供給到各個燃燒器的燃料和空氣的量。
文檔編號F02C3/34GK102588113SQ201210070670
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月13日
發(fā)明者S·D·德拉珀 申請人:通用電氣公司