BRPI0415251B1 - Método e dispositivo para compensar variações na composição de combustível em uma instalação de turbina a gás - Google Patents

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÉTODO E

DISPOSITIVO PARA COMPENSAR VARIAÇÕES NA COMPOSIÇÃO DE COMBUSTÍVEL EM UMA INSTALAÇÃO DE TURBINA A GÁS". A presente invenção refere-se a uma instalação de turbina a gás compreende um compressor, uma câmara de combustão e uma turbina.

No compressor ocorre a compressão do ar aspirado ao qual em seguida é acrescido um combustível. Na câmara de combustão ocorre a combustão da mistura, sendo que os gases de escape de combustão são conduzidos para a turbina que retira energia dos gases de escape de com- bustão e a transforma em energia mecânica.

Hoje em dia, as instalações de turbina a gás são dotadas cie câmaras de combustão de estágios múltiplos onde existem vários estágios de queimador a serem operados paralelamente que em dependência do a proveitamento da instalação de turbina a gás podem ser operados individu- almente ou em conjunto. Os estágios de queimador paralelos tipicamente compreendem ao lado de pelo menos um estágio de queimador principal peio menos um estagie* de queimador piloto, sendo que a chama do queirna- dor piloto deve estabilizar especialmente a chama do estágio do queimador principal.

Durante a operação estacionaria de uma instalação de turbina a gás, a quantidade de calor liberada precisa ser mantida essencialmente constante. Porém, as variações da qualidade do combustível causam varia- ções na energia térmica iiberada e, por conseguinte, da eficiência da instala- ção. Para compensar variações na composição do combustível, as instala- ções de turbina a gás possuem um dispositivo de regulagem com o qual de- ve ser mantido constante o rendimento ou a temperatura do gás de escape da instalação que também está relacionada á quantidade de caiar liberada. O manter constante do rendimento ou da temperatura do gás de escape geraimente ocorre por meio da regulagem da alimentação de com- bustível para o estágio de queimador principal com a ajuda de um regulador de quantidade de combustível. Este procedimento, porém, pode causar e- missões mais elevadas ou variação na combustão.

Portanto, a presente invenção tem a tarefa de colocar â disposi- ção um método para compensar as variações na composição do combustí- vel em uma instalação de turbina a gás, um dispositivo de regulagem para regular o abastecimento de combustível em urna instalação de turbina a gás e uma instalação de turbina a gás onde podem ser evitadas com mais efici- ência as emissões elevadas ou variações de combustão por meio de com- pensar as variações na composição do combustível.

Esta tarefa é solucionada com a ajuda de um método de acordo com a reivindicação 1, um dispositivo de regulagem de acordo com a reivin- dicação 4 e uma instalação de turbina a gás de acorde· com a reivindicação 5. As reivindicações dependentes indicam realizações vantajosas da presen- te invenção.

Com um método de acorde· com a presente invenção para com- pensar as variações da composição do combustível em uma instalação cie turbina a gás com pelo menos dois estágios de queimador a serem operados paralelamente ocorre como reação às variações da composição do combus- tível uma regulagem do abastecimento de combustível para pelo menos dois dos estágios de queimador, sendo que na regulagem do abastecimento de combustível e divisão de combustível entre os estágios de queimador uma reguiagem do abastecimento de combustível para pelo menos dois dos es- tágios de queimador, sendo que na regulagem do abastecimento de 'com- bustível a divisão do combustível entre os estágios do queimador, isto é, uma distribuição relativa do combustível sobre os estágios do queimador é regulada para um valor alvo ou mantido em um valor alvo. Nisto, o valor alvo pode ser, por exemplo, uma constante ou uma função de uma ou várias va- riáveis. Especialmente pode a instalação de lurbina a gás compreender um estágio de queimador piloto e um estágio de queimador principal, sendo que na regulagem do abastecimento de combustível a divisão do combustível entre o estágio de queimador piloto e principal é regulado para um valor alvo ou é mantido em um valor alvo. A presente invenção está baseada nos seguintes conhecimentos: Conforme mencionado acima, a compensação de variações da composição do combustível através da regulagem do abastecimento de combustível para o estágio do queimador principal com a ajuda de um regu- lador da quantidade de combustível, no pior dos casos pode produzir um aumento das emissões ou das vibrações de combustão. A causa disso está no fato de que devido à regulagem do abastecimento de combustível para o estágio do queimador principal a divisão do combustível é alterada. Por e- xemplo, uma alteração da divisão do combustível entre um estágio de quei- mador piloto e um estágio do queimador principal pode influenciar negativa- mente a estabilidade da chama do queimador principal que via de regra é a chama de uma mistura de ar - combustível magra. A mistura ar - combustível magra serve para, dentro do escopo da chamada remoção seca de nitrogê- nio, manter baixos os valores de emissão da instalação, Uma estabilidade baixa da chama da mistura magra de ar - combustível exerce então uma in- fluência negativa sobre os valores de emissão da instalação. Através da ma- nutenção da divisão do combustível no valor alvo ou o ajuste da divisão do combustível para um novo valor alvo apropriado, em contrapartida, os efeitos negativos sobre a estabilidade da chama do queimador principal podem ser evitados ou, pelo menos, ser reduzidos, de modo que as desvantagens aci- ma mencionadas podem ser evitadas ou reduzidas. A regulagem do abastecimento de combustível de um queimador acontece tipicamente por meio de uma válvula de regulagem de combustível que é uma válvula de estrangulamento. As válvulas são operadas em uma faixa de uma queda de pressão critica, isto é, o fluxo de combustível através da válvula é proporcionai à pressão do combustível no lado da entrada e ao curso da válvula. A quantidade de calor liberada na câmara de combustão no caso è regulada através da queda de pressão na válvula, sendo que a quantidade de calor liberada tem uma relação com a perda de pressão atra- vés do Índice Wobbe.

Enquanto somente é regulado um estágio de queimador, como é comum no estado da técnica, os valores característicos do regulador são ajustados para uma determinada composição do combustível padrão, isto é, um determinado índice Wobbe, sendo que é permitida uma certa faixa de divergência da composição do combustível do padrão. A divergência do pa- drão, no caso, pode ser tratada como grandeza perturbadora do sistema de regulagem que pode ser neutralizada ao manter constante o rendimento ou a temperatura de gás de escape da instalação de turbina a gás. Portanto, o conhecimento do índice Wobbe atual do combustível não e necessário no estado da técnica para a regulagem do abastecimento de combustível.

Porém, o conhecimento do índice Wobbe de fato possibilita tam- bém o ajuste da divisão de combustível para um novo valor alvo ajustado ou a manutenção da divisão do combustível no valor alvo atual, colocando-se como base para os valores característicos de regulador para a regulagem da perda de pressão nas válvulas de regulador dos diversos estágios de quei- mador o índice Wobbe de fato do combustível.

Em uma realização vantajosa do método são utilizados, portanto para a regulagem do abastecimento de combustível para pelo menos dois dos estágios de queimador cada vez uma válvula de regulagem de queima- dor e valores característicos de regulador conjugados, e os valores caracte- rísticos de regulador são atualizados como reação ás variações na composi- ção do combustível como segue: - realização de uma análise de tempo real da composição do cornbusíívei; - determinação do índice Wobbe atual do combustívei com a a- juda dos resultados da análise; - e atualização dos valores característicos para as válvulas de regulagem com a ajuda do índice Wobbe determinado.

Com a ajuda do índice Wobbe atual do combustívei, nesta reali- zação, as respectivas perdas de pressão nas diversas válvulas de regulador podem ser ajustadas de tal modo para cada composição cio combustível que a divisão de combustível é ajustada para um novo valor alvo ou é mantida no valor alvo atual. Com a realização descrita do método de acordo com a pre- sente invenção é garantido, especialmente que os valores característicos de regulagem sempre se baseiem no índice Wobbe atual do combustível, mes- mo quando a composição do combustível for sujeita a alterações rápidas ou grandes.

Um dispositivo de regulagem apropriado para a execução do método de acordo com a presente invenção para a regulagem do abasteci- mento de combustível em uma instalação de turbina a gás com pelo menos dois estágios de queimador a serem operados paralelamente e uma regula- gem de abastecimento de combustível que possui para os estágios de quei- mador cada vez uma válvula de regulagem de combustível e os valores ca- racterísticos conjugados, compreende- - um analisador para analisar a composição do combustível em tempo real, - uma unidade de cálculo para calcular o atual índice Wobbe do combustível; - uma unidade de atualização para atualizar pelo menos os valo- res característicos de regulagem de duas válvulas de regulagem conjugadas a diferentes estágios de queimador com a ajuda do índice Wobbe obtido.

Uma instalação de turbina a gás de acordo com a presente in- venção com a qual possam ser evitadas ou pelo menos reduzidas emissões elevadas ou variações de combustão em alterações da composição do com- bustível, compreende pelo menos dois estágios de queimador a serem ope- rados paraieiarneníe e urn dispositivo de regulagem de acordo com a pre- sente invenção. Especialmente compreendem os estágios, de queimador um estágio de queimador piloto e um estágio do queimador principal, sendo que a unidade de atualização do dispositivo de regulagem para atualizar os valo- res característicos de regulagem das váivuias de regulagem do estágio do queimador principal e do estágio de queimador piloto é realizada com a aju- da do índice Wobbe obtido.

Em uma execução vantajosa da instalação de turbina a gás de acordo com a presente invenção, a mesma compreende uma linha de com- bustível através da qual passa o combustível e um ponto de derivação exis- tente na linha de combustível para derivar uma parte do combustível e para introduzir o combustível derivado como corrente de análise para uma linha derivada a qual conduz a corrente de análise para o analisador. O ponto de derivação, no caso, é disposto de tal modo na linha de combustível que o tempo que a corrente de combustível necessita para percorrer o caminho do ponto de derivação até as válvulas de regulagem de combustível seja sufici- ente para que a corrente de análise possa percorrer o trecho até o analisa- dor, que o analisador possa analisar a composição do combustível, que a unidade de cálculo possa calcular o índice Wobbe, que a unidade de atuali- zação possa atualizar os valores característicos de regulagem e que o dis- positivo de regulagem possa regular as válvulas de regulagem de combustí- vel antes que a corrente de combustível chegue até as válvulas de regula- gem de combustível.

Com a realização descrita da instalação de turbina a gás é ga- rantido que as linhas características de regulagem sempre possam tomar como base o índice Wobbe da corrente de combustível que acaba de chegar na válvula, mesmo quando a composição do combustível varia em uma es- cala de tempo muito curta.

Outras características, propriedades e vantagens da presente invenção podem ser obtidas da descrição seguinte de um exemplo de exe- cução, fazendo referência ao desenho anexo. A figura 1 mostra um exemplo de execução para a instalação de turbina a gás de acordo com a presente invenção em uma apresentação es- quematizada. A figura 1 que mostra uma ilustração esquematizada para um circuito para atualizar os valores característicos de regulagem, mostra uma instalação de turbina a gás com um compressor 1, uma câmara de combus- tão 3 e uma turbina 5 que é acoplada a um gerador 7.

Uma primeira linha de abastecimento de combustível 9 e uma segunda linha de abastecimento de combustível 11, que derivam de uma linha de combustível 13 e que são respectivamente equipadas com um vál- vula de regulagem de combustível 15, 17. Com a ajuda das linhas de abas- tecimento de combustível 9, 11 são abastecidos com combustível um quei- mador piloto e um queimador principal (ambos não são mostrados). Além do queimador piloto e o queimador principal que via de regra são operados pa- ralelamente, podem existir também outros estágios de queimadores, especí- aimente a serem operados para leia mente, conforme é indicado na figura através de uma outra linha de abastecimento de combustível 19 e uma outra válvula de regulagem de combustível 21, Para poder compensar variações na composição do combustí- vel, a instalação de turbina a gás mostrada na figura compreende ainda um regulador 23 para regular o abastecimento de combustível para os diversos estágios de queimador em dependência do calor liberado na câmara de combustão 3. Este pode ser determinado, por exemplo, através da tempera- tura do gás de escape ou a linha da turbina 5, conforme é de conhecimento gerai, e portanto, não será explicado detalhadamente aqui. O regulador 23 contém valores característicos de regulagem com cuja ajuda é feito o ajuste das válvulas de regulagem de combustível 15, 17 em uma alteração da quantidade de calor liberada na câmara de combustão 3. A instalação de turbina a gás compreende ainda um analisador 25 para analisar a composição do combustível do combustível que atravessa a linha de combustível 13, uma unidade de cálculo 27 em comunicação com o analisador 25 para receber o resultado da análise para calcular o índice Wobbe do combustível com a ajuda do resultado da análise e uma unidade de atualização 29 que está comunicando tanto com a unidade de cálculo 27 para receber o índice Wobbe como também com o regulador 23 para atuali- zar os valores característicos de regulagem.

Através de uma linha derivada 31 que deriva da linha de com- bustível 13, o analisador 25 recebe uma pequena quantidade do combustível que atravessa a linha de combustível 13 para ser analisada. O analisador 25 comunica o resultado da análise para a unidade de cálculo 27 que calcula o índice Wobbe do combustível analisado e que emite o índice Wobbe assim obtido para a unidade de atualização 29. Esta atualiza, na base do índice Wobbe recebido, os valores característicos de regulagem para as válvulas de regulagem de combustível 15, 17 na técnica de controle do regulador 23.

Com a ajuda dos valores característicos de regulagem atualizados ocorre então o ajuste do abastecimento de combustível para os diversos estágios de queimador por meio das válvulas de regulagem de combustível 15, 17. O ajuste das linhas características de regulagem ao índice Wobbe atual do combustível possibilita regular o abastecimento de combustível para os di- versos estágios de queimador de tal modo que ocorre a manutenção da divi- são do combustível no valor alvo atual ou um ajuste da divisão de combustí- vel para um novo valor alvo adequado.

Para poder reagir também a alterações rápidas da composição do combustível com a manutenção da divisão do combustível no valor alvo ou um ajuste da divisão de combustível para um novo valor alvo; a linha de- rivada 31 deriva em um ponto de derivação 33 da linha de combustível 13, cuja distância das válvulas de regulagem de combustível 15, 17 é escolhida de tal maneira que o tempo que o combustível que atravessa a linha de combustível 13 precisa para percorrer o trecho entre o ponte» de derivação 33 e as válvulas de regulagem de combustível 15, 17 seja o suficiente, para que as etapas seguintes possam ser executados: 1 - Conduzir o combustível derivado para o analisador. 2 - Analisar a composição do combustível. 3 - Calcular o índice Wobbe do combustível. 4 - Atualizar os vaiores característicos de regulagem. 5 - Ajustar as válvulas de regulagem de combustível.

Em espec ial, o momento do ajuste das válvulas de regulagem de combustível levando em consideração a velocidade do fluxo da corrente de combustível será selecionado de tal maneira que o ajuste sempre ocorra precisamente com a ajuda do índice Wobbe do combustível que no momen- to se encontra nas válvulas de regulagem de combustível 15, 17.

No exemplo de execução mostrado, a unidade de cálculo 27, a unidade de atualização 29 e o regulador 23 são mostrados como unidades separadas. Como alternativa, a unidade de cálculo 27 e/ou a unidade de a- tualização 29 também podem ser integradas no regulador 23.

Claims (7)

1' Método Para compensar variações da composição do com- bustível em uma instalação de turbina a gás com peto menos dois estágios de queimador a serem operados paralelamente. onde, como reação às vari- ações da composição do combustível, é feita uma regulagem do abastece mento de combustível para pelo menos dois estágios de queimador, caracte- rizado pelo fato de que na regulagem do abastecimento de combustível a divisão de combustível entre os estágios de queimador é mantido em um valor afvo.

2.. Método de acordo com a reivindicação t, onde a instalação de turbina a gás compreende um estágio de queimador piloto e um estágio do queimador principal, e onde na regulagem do abastecimento de combustível a divisão do combustível entre o estágio de queimador piloto e o estágio do queimador principal é mantida no valor alvo.

3. Método de acordo com a reivindicação 1 ou 2, onde para a regulagem do abastecimento de combustível para pelo menos dois dos es- tágios de queimador existem cada vez uma válvula de regulagem de com- bustível e os valores característicos de regulagem conjugados, com as eta- pas: - realização de uma análise em tempo real da composição do combustível, - determinação do índice Wobbe atual do combustível com a a- juda dos resultados da análise. _ atualização dos valores característicos de regulagem para as válvulas de regulagem de combustível na base do índice Wobbe obtido.

4. Dispositivo de regulagem para a regulagem do abastecimento de combustível em uma instalação de turbina a gàs com peto menos dois estágios de queimador a serem operados paralelamente, respect.vamente uma válvula de regulagem de combustível (15, 17) para os estag.os de queimador e um regulador (23) que compreende valores característicose regulagem conjugados às válvulas de regulagem de combustível (15, ). com: - um analisador (25) para analisar o distribuidor de combustível em tempo real; - uma unidade de cálculo (27) para calcular o índice Wobbe atual do combustível; - uma unidade de atualização (29) para atualizar com a ajuda do índice Wobbe obtido pelo menos os valores característicos de regulagem de duas válvulas de regulagem conjugadas a dois estágios de queimador dife- rentes, sendo que o regulador é equipado de ta! modo que a divisão do coimbustível entre os estágios de queimador é mantida em um valor alvo.

5. Instalação de turbina a gás com pelo menos dois estágios de queimador a serem operados paralelamente e um dispositivo de regulagem como definido na reivindicação 4.

6. instalação de turbina a gás de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo fato de que compreende um estágio de queimador piloto e um estágio do queimador principal e a unidade de atualização (29) do dis- positivo de regulagem para a atualização dos valores característicos de re- gulagem das válvulas de regulagem de combustível (15, 17) do estágio do queimador principal e do estágio de queimador piloto são configuradas com a ajuda do índice Wobbe obtido.

7. Instalação de turbina a gás de acordo com a reivindicação 5 ou 6, caracterizada por uma linha de combustível (1 3) através da qual passa um fluxo de combustível e um ponto de derivação (33) existente na linha de combustível (13) para derivar uma parte do combustível e para introduzir o combustível derivado como corrente de analise em uma linha derivada (31) que conduz a corrente de análise para o analisador (25), sendo que o ponto de derivação (33) é de tal maneira disposto na linha de combustível (13) que c» tempo que a corrente de combustível necessita para percorrer o trecho do ponto de derivação (33) até as válvulas de regulagem de combustível (15, 17) é suficiente para que a corrente de análise possa percorrer o trecho ate o analisador (25), o analisador possa analisar a composição do combustível, a unidade de cálculo (27) possa calcular o índice Wobbe, a unidade de atua- lização (29) possa atualizar os valores característicos de regulagem e o dis- positivo de regufagem possa ajustar as válvulas de regulagem de combustí- vel (15, 17), antes que a corrente de combustível alcance as válvulas de re-gulagem de combustível (15, 17).