ES2901604T3 - Esquema de organización en fases de combustible binaria para mejorar la regulación de emisiones en la combustión de turbina de gas premezclada pobre - Google Patents

Esquema de organización en fases de combustible binaria para mejorar la regulación de emisiones en la combustión de turbina de gas premezclada pobre Download PDF

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Abstract

Método para organizar en fases premezcladores en un sistema de combustión para una turbina (64) de gas que tiene una sección de compresor y una sección de turbina, que comprende: proporcionar una pluralidad de quemadores (44, 66, 70, 76, 78, 80, 82, 84, 86, 88, 90, 92, 94) cada uno de los cuales incluye premezcladores (72, 98); proporcionar aire comprimido desde la sección de compresor a los premezcladores (72, 98); proporcionar una pluralidad de circuitos (46) de combustible que suministran combustible a los premezcladores (72, 98) para proporcionar aire y combustible premezclados usados para la combustión en el sistema de combustión; asociar los premezcladores (72, 98) con cada circuito (46) de combustible según un patrón de potencia de base dos; y activar o desactivar los premezcladores (72, 98) en fases activando o desactivando un circuito (46) de combustible asociado para suministrar combustible o detener el suministro de combustible, respectivamente, a los premezcladores (72, 98) en el que un tamaño de etapa de organización en fases entre fases consecutivas es según un esquema de organización en fases de potencia de base dos, caracterizado porque el número de premezcladores (72, 98) o quemadores (44, 66, 70, 76, 78, 80, 82, 84, 86, 88, 90, 92, 94) activos disminuye al aumentar múltiplos consecutivos del tamaño de etapa de organización en fases a medida que disminuye la temperatura de entrada de la cámara de combustión, en el que los circuitos (46) de combustible asociados vuelven a combinarse según un patrón de potencia de base dos, o porque el número de premezcladores (72, 98) o quemadores (44, 66, 70, 76, 78, 80, 82, 84, 86, 88, 90, 92, 94) activos aumenta al disminuir múltiplos consecutivos del tamaño de etapa de organización en fases a medida que aumenta la temperatura de entrada de la cámara de combustión, en el que los circuitos (46) de combustible asociados vuelven a combinarse según un patrón de potencia de base dos.

Description

DESCRIPCIÓN
Esquema de organización en fases de combustible binaria para mejorar la regulación de emisiones en la combustión de turbina de gas premezclada pobre
Campo técnico
La invención se refiere a un método para organizar en fases premezcladores en un sistema de combustión, y más particularmente, a un método en el que se activan o desactivan circuitos de combustible en fases para suministrar combustible o detener el suministro de combustible, respectivamente, a los premezcladores, en el que un tamaño de etapa de organización en fases entre fases consecutivas es según un esquema de organización en fases de potencia de base dos.
Antecedentes
En diversas turbomáquinas de múltiples fases usadas para la conversión de energía, tales como turbinas de gas, se usa un fluido para producir movimiento de rotación. En referencia a la figura 1, se muestra esquemáticamente una turbina 10 de gas. La turbina 10 incluye una sección 12 de compresor, que aspira el aire 14 ambiental y suministra aire 16 comprimido a una sección 18 de combustión. Una alimentación 20 de combustible suministra combustible 22 a la sección 18 de combustión donde se combina con el aire 16 comprimido y el combustible 22 se quema para producir gas 24 de combustión de alta temperatura. El gas 24 de combustión se expande a través de una sección 26 de turbina, que incluye una serie de filas de álabes estacionarios y palas de rotor. El gas 24 de combustión hace que las palas de rotor roten para producir potencia al eje para accionar el compresor 12 y una carga, tal como un generador 28 eléctrico. El gas 30 expandido o bien se descarga a la atmósfera directamente, o bien en una planta de ciclo combinado, puede descargarse a la atmósfera a través de un generador de vapor con recuperación de calor.
El gas de escape producido por la turbina de gas puede incluir determinadas emisiones, tales como óxidos de nitrógeno (NOx), monóxido de carbono (CO) e hidrocarburos no quemados (UHC). Es deseable eliminar o reducir sustancialmente la cantidad de tales emisiones en el gas de escape antes de liberar el gas de escape a la atmósfera. Un método para reducir las emisiones incluye el uso de un sistema de combustión de bajas emisiones secas (DLE) en la turbina de gas. En tales sistemas, se usa un proceso de combustión premezclado conocido en el que se premezcla aire 16 comprimido y combustible 22 en elementos de premezclado (premezcladores) antes de la combustión para proporcionar una mezcla apropiada de aire y combustible que reduce las emisiones controlando la temperatura de llama de la cámara de combustión. Muchas turbinas de gas que utilizan un sistema de combustión de DEL usan un sistema de purga de aire comprimido para garantizar emisiones compatibles cuando la turbina de gas está funcionando a potencia parcial o durante condiciones ambientales frías. Sin embargo, tales sistemas de purga dan como resultado una penalización indeseable de la eficacia térmica para la turbina de gas, ya que se rechaza el aire de alta entalpía del compresor.
A partir del documento US 2013/192245 A1 se conocen una turbina de gas y el método de funcionamiento de la misma. La turbina de gas está dotada de múltiples quemadores, dotado cada uno de múltiples premezcladores que pueden proporcionar aire y combustible premezclados y activarse y desactivarse en fases.
Sumario de la invención
Se da a conocer un método para organizar en fases circuitos de combustible en un sistema de combustión para una turbina de gas que tiene una sección de compresor y una sección de turbina. El método incluye proporcionar una pluralidad de quemadores cada uno de los cuales incluye premezcladores, en el que se proporciona aire comprimido procedente de la sección de compresor a los premezcladores. El método también incluye proporcionar una pluralidad de circuitos de combustible que suministran combustible a los premezcladores para proporcionar aire y combustible premezclados usados para la combustión en el sistema de combustión. Además, el método incluye asociar los premezcladores con cada circuito de combustible según un patrón de potencia de base dos. Adicionalmente, el método incluye activar o desactivar los premezcladores en fases activando o desactivando un circuito de combustible asociado para suministrar combustible o detener el suministro de combustible, respectivamente, a los premezcladores, en el que un tamaño de etapa de organización en fases entre fases consecutivas es según un esquema de organización en fases de potencia de base dos.
Los expertos en la técnica pueden aplicar las características respectivas de la presente invención de manera conjunta o por separado en cualquier combinación o subcombinación.
Breve descripción de los dibujos
Las realizaciones a modo de ejemplo de la invención se describen adicionalmente en la siguiente descripción detallada conjuntamente con los dibujos adjuntos, en los que:
La figura 1 representa un esquema de una turbina de gas.
La figura 2 muestra una disposición de circuito de combustible/válvula de programación de bloques (BSV) para una configuración de organización en fases binaria para organizar en fases premezcladores en una turbina de gas. La figura 3 representa una implementación de un esquema de organización en fases binaria para premezcladores o quemadores.
La figura 4 es un gráfico que representa una temperatura de llama del quemador a modo de ejemplo para una turbina de gas en relación con la temperatura de entrada de la cámara de combustión.
La figura 5 es una vista en sección transversal esquemática de una sección de combustión a modo de ejemplo de una turbina de gas.
Las figuras 6A y 6B representan un esquema de organización en fases binaria para organizar en fases los quemadores descritos en relación con la figura 5.
La figura 7 es una vista esquemática en sección transversal de una realización alternativa de una sección de combustión de la turbina de gas.
Las figuras 8A y 8B representan un esquema de organización en fases binaria para organizar en fases los premezcladores descritos en relación con la figura 7.
La figura 9 es una vista en sección transversal esquemática de una realización adicional de una sección de combustión de la turbina de gas.
Las figuras 10A y 10B representan un esquema de organización en fases binaria para organizar en fases los premezcladores descritos en relación con la figura 9.
La figura 11 es una vista de una única loseta integrada a modo de ejemplo para su uso en el sistema de combustión. La figura 12 representa una disposición de premezclador y circuito de combustible para una única loseta integrada. La figura 13 muestra un esquema de organización en fases binaria para organizar en fases los premezcladores incluidos en la única loseta descrita en relación con la figura 12.
Para facilitar la compresión, se han usado números de referencia idénticos, cuando ha sido posible, para designar elementos idénticos que son comunes en las figuras. Las figuras no están dibujadas a escala.
Descripción de realizaciones
Aunque en el presente documento se muestran y se describen en detalle diversas realizaciones que incorporan las enseñanzas de la presente divulgación, los expertos en la técnica pueden idear fácilmente muchas otras realizaciones variadas que todavía incorporan estas enseñanzas. El alcance de la divulgación no se limita en su aplicación a los detalles de construcción de la realización a modo de ejemplo y a la disposición de los componentes expuestos en la descripción o ilustrados en los dibujos. La divulgación engloba otras realizaciones y se pone en práctica o se lleva a cabo de diversas formas. Además, debe entenderse que las expresiones y la terminología usadas en el presente documento son con fines de descripción y no deben considerarse limitativas. El uso de “que incluye”, “que comprende” o “que tiene” y variaciones de los mismos en el presente documento pretende englobar los elementos indicados a continuación o equivalentes de los mismos, así como elementos adicionales. A menos que se especifique o se limite de otro modo, los términos “montado”, “conectado”, “soportado” y “acoplado” y variaciones de los mismos se usan ampliamente y engloban montajes, conexiones, soportes y acoplamientos directos e indirectos. Además, “conectado” y “acoplado” no se restringen a conexiones o acoplamientos físicos o mecánicos.
En un aspecto de la invención, se utiliza un esquema de organización en fases binaria para organizar en fases, o secuenciar, la activación o desactivación de premezcladores o quemadores seleccionados con el fin de mantener la temperatura de llama de la cámara de combustión dentro de un intervalo deseado adecuado para reducir las emisiones de la turbina de gas. La figura 2 muestra una disposición 40 de circuito de combustible/válvula de programación de bloques (BSV) para una configuración de organización en fases binaria para organizar en fases premezcladores en una turbina de gas. El combustible procedente de una alimentación 42 de combustible se suministra a un grupo o subconjunto de premezcladores o quemadores asociados (es decir cámaras de combustión) 44 a través de circuitos 46 de combustible asociados. Cada circuito 46 de combustible incluye una sola válvula 48 de combustible tal como una válvula 48 de programación de bloques (BSV) conocida que controla el suministro de combustible a los premezcladores o quemadores 44 asociados. En particular, cada BSV 48 o bien se abre para suministrar combustible a los premezcladores o quemadores 44 asociados (es decir para activar el circuito 46 de combustible y los premezcladores o quemadores 44) o bien se cierra para detener el suministro de combustible a los premezcladores o quemadores 44 asociados (es decir para desactivar el circuito de combustible y los premezcladores o quemadores 44). El suministro de combustible desde la alimentación 42 de combustible hasta las válvulas 48 de control de combustible se controla mediante una válvula 50 dosificadora de combustible conocida (FMV). La BSV 48 y la válvula 50 dosificadora de combustible se controlan mediante un controlador. Según una realización de la invención, se usa un patrón de potencia de base dos para determinar el número de premezcladores o quemadores 44 asociados con cada circuito 46 de combustible o BSV 48. El número de premezcladores 44 asociados con una BSV 48 (y el circuito 46 de combustible asociado) viene dado por:
N.° de premezcladores o quemadores 44 asociados con una BSVn = (2n-1)p Ec. (1)
donde n = número de BSV o circuitos de combustible, p = tamaño de etapa de organización en fases y P ^ ^ . El tamaño de etapa de organización en fases p establece una resolución para un esquema de organización en fases (es decir el cambio en el número de premezcladores o quemadores 44 activos entre etapas de organización en fases consecutivas).
Por ejemplo, si n = 4, entonces BSV1, BSV2, BSV3 y BSV4 se asocian con p, 2p, 4p y 8p premezcladores o quemadores 44, respectivamente, tal como se muestra en la figura 2. Si p = 2 por ejemplo, entonces BSV1, BSV2, BSV3 y BSV4 se asocian con 2, 4, 8 y 16 premezcladores o quemadores 44, respectivamente. Por tanto, BSV2, BSV3 y BSV4 pueden activar y desactivar cada una a más de un premezclador o quemador 44.
El número total de premezcladores o quemadores 44 para un número dado de BSV 48 viene dado por:
N.° total de premezcladores o quemadores
Figure imgf000004_0001
Ec. (2)
Además, el número total de posibles etapas de organización en fases viene dado por:
N.° total de posibles etapas de organización en fases =
Figure imgf000004_0002
Ec. (3)
Si n = 4, el número total de premezcladores o quemadores 44 = 1p 2p 4p 8p = 15p. Si p = 2, el número total premezcladores o quemadores 44 = 30, con un número total de posibles etapas de organización en fases S = 30/2 -1 = 14. Por tanto, sólo se requieren 4 BSV 48 para realizar 14 etapas o maniobras de válvula (es decir, la acción de activar o desactivar las válvulas) con 30 premezcladores o quemadores 44. Por ejemplo, las etapas de organización en fases 15p, 14p, 13p, 12p, 11p, 10p, 9p, 8p, 7p, 6p, 5p, 4p, 3p, 2p, 1p, dan como resultado 14 maniobras de válvula. En un aspecto, la invención minimiza el número de BSV 48 que se requieren para un número dado de etapas de organización en fases, reduciendo de ese modo el coste y la complejidad del sistema. Por ejemplo, sin el esquema de organización en fases binaria, serían necesarias hasta 14 válvulas, tal como 14 BSV 48, para lograr el mismo número de etapas de organización en fases de resolución p.
La figura 3 representa una implementación de un esquema 52 de organización en fases binaria para premezcladores o quemadores 44 en la que los premezcladores o quemadores 44 seleccionados (véase la figura 2) se activan o se desactivan durante una secuencia de etapas de organización en fases 54A-54FV. Se observa que la temperatura de entrada de la cámara de combustión es una función de la potencia de la turbina y de la temperatura ambiental. Según un aspecto de la invención, los circuitos 46 de combustible vuelven a combinarse (es decir se activan o se desactivan) de manera que se minimiza el tamaño de etapa de organización en fases p entre etapas consecutivas 54A-54FV a medida que cambia la temperatura de entrada de la cámara de combustión con el fin de minimizar cualquier salto/aumento sustancial en la temperatura de llama de la cámara de combustión. Dado que los circuitos 46 de combustible están agrupados en potencias de base dos, los circuitos 46 de combustible vuelven a combinarse de manera que el tamaño de etapa de organización en fases siempre sea igual a p. A la temperatura de entrada máxima de la cámara de combustión (etapa 54A), el número de premezcladores o quemadores 44 activos (“NA” en la figura 3) es igual al número total de premezcladores o quemadores 44 (“N” en la figura 3). A medida que disminuye la temperatura de entrada de la cámara de combustión, los premezcladores o quemadores 44 se desactivan según el esquema 52 de organización en fases binaria, disminuyendo de ese modo el número de premezcladores o quemadores 44 activos. En particular, el número de premezcladores o quemadores 44 activos disminuye según el tamaño de etapa de organización en fases p (etapa 54B) y posteriormente aumentando en múltiplos consecutivos de p (N-p, N-2p, N-3p, N-4p, N-5p, N-6p, N-7p etc., en las etapas 54C, 54D, 54E, 54F, 54G, 54H, respectivamente) donde se desactivan premezcladores o quemadores 44 adicionales. Este patrón continúa hasta que el número de premezcladores o quemadores 44 activos es equivalente al tamaño de etapa de organización en fases p (etapa 54FV - “valor primero/final”).
La figura 4 es un gráfico 56 que representa una temperatura 58 de llama del quemador o la cámara de combustión a modo de ejemplo para una turbina de gas en relación con la temperatura 60 de entrada de la cámara de combustión. A medida que aumenta la temperatura 60 de entrada de la cámara de combustión, los premezcladores o quemadores 44 se activan según el esquema 52 de organización en fases binaria, aumentando de ese modo el número de premezcladores o quemadores 44 activos. Por ejemplo, el número de premezcladores o quemadores 44 activos aumenta al disminuir los múltiplos de p (N-3p, N-2p, N-p en las etapas 54D, 54C, 54B, respectivamente) a medida que aumenta la temperatura 60 de entrada de la cámara de combustión. Este patrón continúa hasta que el número de premezcladores o quemadores 44 activos es equivalente al número total de premezcladores o quemadores 44. En referencia a la figura 4, la temperatura 58 de llama de la cámara de combustión para la turbina de gas permanece dentro de un intervalo 59 de temperatura de llama objetivo durante cada etapa de organización en fases, minimizando de ese modo las emisiones contaminantes a todas las temperaturas de entrada de la cámara de combustión.
En referencia a la figura 5, se muestra una vista esquemática en sección transversal de una sección 62 de combustión a modo de ejemplo de una turbina 64 de gas. La sección 62 de combustión incluye quemadores 66 que están dispuestos en una arquitectura de lata o anular, por ejemplo. Cada quemador 66 incluye al menos un premezclador. En este ejemplo, la turbina 64 de gas incluye 4 circuitos de combustible (circuito de combustible 1, circuito de combustible 2, circuito de combustible 3, circuito de combustible 4) y p se selecciona como 2. El circuito de combustible 1 está asociado con 2 quemadores (p), el circuito de combustible 2 está asociado con 4 quemadores (2p), el circuito de combustible 3 está asociado con 8 quemadores (4p) y el circuito de combustible 4 está asociado con 16 quemadores (8p). Además, el número total de quemadores es de 30 según la ecuación 2. Los circuitos de combustible 1-4 pueden suministrar cada uno combustible a todos premezcladores asociados con un quemador 66. Además, los circuitos de combustible 1-4 pueden incluir cada uno una sola BSV 48 para controlar el suministro de combustible a todos los premezcladores asociados con un quemador 66. Por tanto, la apertura o el cierre de una BSV 48 activa o desactiva todos los premezcladores asociados con un quemador 66 y enciende o apaga el quemador 66, respectivamente.
En referencia a las figuras 6A y 6B, se muestra un esquema 52 de organización en fases binaria para organizar en fases los quemadores 66 descritos en relación con la figura 5. A la temperatura de entrada máxima de la cámara de combustión (etapa 54A), se abre cada una de las BSV 48 asociada con los circuitos de combustible 1-4, activando de ese modo a cada quemador 66 (es decir NA = N = 30). A medida que disminuye la temperatura de entrada de la cámara de combustión, los quemadores 66 se desactivan según el esquema 52 de organización en fases binaria, disminuyendo de ese modo el número de quemadores 66 activos. En particular, el número de quemadores 66 activos disminuye según el tamaño de etapa de organización en fases p (etapa 54B) y posteriormente aumentando en múltiplos consecutivos de p (N-p, N-2p, N-3p, N-4p, N-5p, N-6p, N-7p, N-8p, N-9p, N-10p, N-11p, N-12p, N-13p) en las etapas 54B, 54C, 54D, 54E, 54F, 54G, 54H, 541, 54J, 54K, 54L, 54M, 54N, respectivamente) donde se desactivan quemadores 66 adicionales tal como se describió anteriormente en relación con la figura 3. Por tanto, se desactivan 2 quemadores en la etapa 54B y el número de quemadores 66 activos es de 30-2 = 28 (es decir NA = N -p). En la etapa 54C, se desactivan 4 quemadores 66 y el número de quemadores 66 activos es de 30-4 = 26 (es decir NA = N - 2p). En la etapa 54D, se desactivan 6 quemadores 66 y el número de quemadores 66 activos es de 30-6 = 24 (es decir NA = N - 3p). En la etapa 54E, se desactivan 8 quemadores 66 y el número de quemadores 66 activos es de 30-8 = 22 (es decir NA = N - 4p). Se desactivan quemadores 66 adicionales según el esquema 52 de organización en fases binaria descrito en relación con la figura 3 de manera que el número de quemadores activos es de 20, 18, 16, 14, 12, 10, 8, 6, 4 en las etapas 54F, 54G, 54H, 541, 54J, 54K, 54L, 54M, 54N, respectivamente, hasta que el número de quemadores 66 activos es equivalente al tamaño de etapa de organización en fases 2 (es decir p; etapa 54FV).
En referencia a la figura 7, se muestra una vista esquemática en sección transversal de una realización alternativa de una sección 68 de combustión de la turbina 64 de gas. La sección 68 de combustión incluye una pluralidad de quemadores 70 en los que cada quemador 70 incluye al menos un premezclador 72. En esta realización, los premezcladores 72 dentro de cada quemador 70 están organizados en fases según el esquema 52 de organización en fases binaria. La turbina 64 de gas incluye cuatro circuitos de combustible (circuitos de combustible 1-4) y p se selecciona como 10. El circuito de combustible 1 está asociado con 10 premezcladores (p), el circuito de combustible 2 está asociado con 20 premezcladores (2p), el circuito de combustible 3 está asociado con 40 premezcladores (4p) y el circuito de combustible 4 está asociado con 80 premezcladores (8p). El número total de premezcladores es de 150 según la ecuación 2. Cada quemador 70 incluye premezcladores 72 que están asociados con cada uno de los circuitos de combustible (circuitos de combustible 1-4). En particular, cada quemador 70 incluye 1 premezclador 72 asociado con el circuito de combustible 1, 2 premezcladores 72 asociados con el circuito de combustible 2, 4 premezcladores 72 asociados con el circuito de combustible 3 y 8 premezcladores 72 asociados con el circuito de combustible 4. Los circuitos de combustible 1-4 incluyen cada uno una sola BSV 48 para controlar el suministro de combustible a los premezcladores 72 asociados. Por tanto, la apertura o el cierre de una BSV 48 activa o desactiva los premezcladores 72 asociados en cada uno de los quemadores 70 para proporcionar la organización en fases de los premezcladores 72 dentro de cada quemador 70.
En referencia a las figuras 8A y 8B, se muestra un esquema 52 de organización en fases binaria para organizar en fases los premezcladores 72 descritos en relación con la figura 7. A la temperatura de entrada máxima de la cámara de combustión (etapa 54A), se abre cada una de las BSV 48 asociada con los circuitos de combustible 1-4 activando de ese modo cada premezclador 72 (es decir NA = N = 150). A medida que disminuye la temperatura de entrada de la cámara de combustión, los premezcladores 72 se desactivan según el esquema 52 de organización en fases binaria, disminuyendo de ese modo el número de premezcladores 72 activos. En particular, el número de premezcladores 72 activos disminuye según el tamaño de etapa de organización en fases p (etapa 54B) y posteriormente aumentando en múltiplos consecutivos de p (N-p, N-2p, N-3p, N-4p, N-5p, N-6p, N-7p, N-8p, N-9p, N-10p, N-11p, N-12p, N-13p en las etapas 54B, 54C, 54D, 54E, 54F, 54G, 54H, 541, 54J, 54K, 54L, 54M, 54N, respectivamente) donde se desactivan premezcladores 72 adicionales tal como se describió anteriormente en relación con la figura 3. Por tanto, se desactivan 10 premezcladores en la etapa 54B y el número de premezcladores activos es de 150-10 = 140 (es decir NA = N - p). En la etapa 54C, se desactivan 20 premezcladores 72 y el número de premezcladores 72 activos es de 150-20 = 130 (es decir NA = N - 2p). En la etapa 54D, se desactivan 30 premezcladores 72 y el número de premezcladores 72 activos es de 150-30 = 120 (es decir NA = N - 3p). En la etapa 54E, se desactivan 40 premezcladores 72 y el número de premezcladores 72 activos es de 150-40 = 110 (es decir NA = N - 4p). Se desactivan premezcladores 72 adicionales según el esquema 52 de organización en fases binaria descrito en relación con la figura 3, de manera que el número de premezcladores activos es de 100, 90, 80, 70, 60, 50, 40, 30, 20 en las etapas 54F, 54G, 54H, 541, 54J, 54K, 54L, 54M, 54N, respectivamente, hasta que el número de premezcladores 72 activos es equivalente al tamaño de etapa de organización en fases 10 (es decir p; etapa 54FV).
En referencia a la figura 9, se muestra una vista esquemática en sección transversal de una realización adicional de una sección de combustión 74 de la turbina 64 de gas. En la figura 9, los circuitos de combustible 1-4 están distribuidos simétricamente entre los quemadores. La turbina 64 de gas incluye cuatro circuitos de combustible (circuitos de combustible 1-4), p se selecciona como 10 y cada uno de los circuitos de combustible 1-4 incluye una sola BSV 48 para controlar el suministro de combustible a los premezcladores 72 asociados, tal como se describió anteriormente. En esta realización, los quemadores primero 76 y segundo 78 incluyen los premezcladores 72 asociados con un solo circuito de combustible, es decir el circuito de combustible 4 por ejemplo. Los pares adicionales de quemadores incluyen premezcladores 72 asociados con más de un circuito de combustible. Por ejemplo, los quemadores tercero 80 y cuarto 82 incluyen premezcladores 72 asociados con los circuitos de combustible 3 y 4, los quemadores quinto 84 y sexto 86 incluyen premezcladores 72 asociados con los circuitos de combustible 1 y 4, los quemadores séptimo 88 y octavo 90 incluyen premezcladores 72 asociados con los circuitos de combustible 2 y 4 y los quemadores noveno 92 y décimo 94 incluyen premezcladores 72 asociados con los circuitos de combustible 3 y 4.
En referencia a las figuras 10A y 10B, se muestra un esquema 52 de organización en fases binaria para organizar en fases los premezcladores 72 descritos en relación con la figura 9. El número de premezcladores activos asociados con las etapas de organización en fases 54A-54FV para la configuración mostrada en la figura 9 es idéntico al descrito en relación con las figuras 8A y 8B (es decir 150, 140, 130, 120, 110, 100, 90, 80, 70, 60, 50, 40, 30, 20, 10, respectivamente). En esta realización, se activan o desactivan conjuntos de premezcladores diferentes de los mostrados en las figuras 8A y 8B debido a la distribución asimétrica de los circuitos de combustible 1-4 en relación con los quemadores. Por ejemplo, la apertura o el cierre de la BSV 48 asociada con el circuito de combustible 4 activa o desactiva todos los premezcladores 72 asociados con los quemadores primero 76 y segundo 78 y enciende o apaga los quemadores primero 76 y segundo 78, respectivamente, en la etapa 541. En referencia a la etapa 541 de la figura 8A, puede observarse que los premezcladores 72 seleccionados todavía están activados y que los quemadores 70 asociados siguen encendidos.
En una realización, una sección de combustión puede incluir una pluralidad de losetas en la que cada loseta está asociada con un quemador. Con respecto a las losetas usadas en relación con quemadores en una turbina de gas, se incorpora al presente documento como referencia en su totalidad toda la divulgación de una solicitud de patente titulada “Gas Turbine Combustion System Having Tiles That Include Premixers”, n.° de expediente del apoderado 2017P02079WO, número de serie por determinar. En referencia a la figura 11, se muestra una loseta 96 integrada a modo de ejemplo. La loseta 96 incluye una pluralidad de premezcladores 98 (es decir un conjunto de premezcladores) que se extienden entre las superficies delantera 100 y trasera 102. Cada premezclador 98 incluye un extremo 112 de entrada y un extremo 114 de salida (un extremo 114 de salida se muestra en una vista parcial que deja ver el interior en la figura 11 para fines ilustrativos) ubicados en las superficies delantera 100 y trasera 102, respectivamente, de la loseta 96. Los extremos 112 de entrada reciben aire 16 comprimido que se mueve en una trayectoria 116 de flujo de aire de la loseta.
La loseta 96 incluye al menos una entrada 118 de combustible gaseoso que recibe combustible gaseoso que se suministra a un subconjunto de premezcladores 98 a través de galerías de combustible. El combustible gaseoso entra en un premezclador 98 seleccionado en una dirección sustancialmente transversal a la dirección del aire que entra en el premezclador 98 a través del extremo 112 de entrada. Los premezcladores 98 tienen una configuración conocida y pueden incluir generadores de turbulencia interiores y exteriores conocidos que provocan la rotación del flujo de aire recibido a través de su extremo 112 de entrada respectivo. La rotación del aire entrante dentro del premezclador 98 debido a los generadores de turbulencia, conjuntamente con el combustible gaseoso introducido en el premezclador 98, premezcla el combustible y el aire antes de la combustión para proporcionar una mezcla apropiada de aire y combustible al quemador que reduce las emisiones. La mezcla de aire-combustible sale entonces del premezclador 98 a través del extremo 114 de salida, pasa a través de la sección 120 de retícula y en última instancia, entra en un quemador asociado para la combustión.
Aún en otra realización, la turbina de gas incluye cuatro circuitos de combustible (circuitos de combustible 1-4) y p se selecciona como 24, dando como resultado un total de 360 premezcladores. La turbina de gas puede incluir 24 losetas 96 asociada cada una con un quemador. Por tanto, cada loseta incluye 360/24 = 15 premezcladores 98 que se organizan en fases según el esquema 52 de organización en fases binaria. En referencia a la figura 12, se muestra una disposición a modo de ejemplo de un premezclador y un circuito de combustible para una única loseta 96 que tiene 15 premezcladores 98 y en la que p=1. El circuito de combustible 1 está asociado con 1 premezclador 98, el circuito de combustible 2 está asociado con 2 premezcladores 98, el circuito de combustible 3 está asociado con 4 premezcladores 98 y el circuito de combustible 4 está asociado con 8 premezcladores 98. Los circuitos de combustible 1-4 incluyen cada uno una sola BSV 48 para controlar el suministro de combustible a los premezcladores 98 asociados. Por tanto, la apertura o el cierre de una BSV 48 activa o desactiva los premezcladores 98 asociados en la loseta 96 para proporcionar la organización en fases de los premezcladores 98 según el esquema 52 de organización en fases binaria.
En referencia a la figura 13, se muestran las etapas de organización en fases de un esquema 52 de organización en fases binaria para organizar en fases los premezcladores 98 incluidos en la única loseta 96 descrita en relación con la figura 12. A la temperatura de entrada máxima de la cámara de combustión (etapa 54A), se abre cada una de las BSV 48 asociada con los circuitos de combustible 1-4 activando de ese modo cada premezclador 96 (es decir NA = N = 15). A medida que disminuye la temperatura de entrada de la cámara de combustión, los premezcladores 98 se desactivan según el esquema 52 de organización en fases binaria, disminuyendo de ese modo el número de premezcladores activos 98. En particular, el número de premezcladores activos 98 disminuye según el tamaño de etapa de organización en fases p (etapa 54B) y posteriormente aumentando en múltiplos consecutivos de p (N-p, N-2p, N-3p, N-4p, N-5p, N-6p, N-7p.....N-13p) en las etapas 54C, 54D, 54E, 54F, 54G, 54H.....54N, respectivamente). En la etapa 54M, todos los premezcladores están inactivos y puede activarse un inyector de combustible para la puesta en marcha de la turbina. Debido al esquema 52 de organización en fases binaria, cada una de las cámaras de combustión para todas las losetas 24 en una sección de combustión se organizan en fases de manera simultánea e idéntica.
El esquema de organización en fases binaria minimiza el número de válvulas necesarias para controlar los premezcladores o quemadores. Además, el esquema de organización en fases binaria minimiza el tamaño de las etapas de organización en fases, minimizando de ese modo las fluctuaciones en la temperatura de llama de la cámara de combustión. Se prefiere el uso de un patrón de potencia de base dos con respecto a potencias de otras bases. Por ejemplo, el uso de esquema de organización en fases en base tres da como resultado etapas de organización en fases relativamente grandes debido a los tamaños de agrupación: p, 3p, 9p, 27p, 81p, etc., dando como resultado por tanto grandes fluctuaciones indeseables en la temperatura de llama de la cámara de combustión. La invención aborda las desventajas asociadas con los esquemas de organización en fases convencionales que utilizan relativamente pocas válvulas y por tanto proporcionan un control relativamente limitado sobre la temperatura de llama y dan como resultado una regulación deficiente. Alternativamente, otros esquemas de organización en fases convencionales que utilizan muchas válvulas pueden proporcionar un control preciso sobre la temperatura de llama, pero son relativamente caros y complicados de implementar. Específicamente, un esquema de organización en fases no binaria podría dar como resultado tantas válvulas como etapas de organización en fases, mientras que el esquema de organización en fases binaria tiene menos válvulas n que el número de etapas de organización en fases S, según la ecuación (3). Además, la invención permite mejorar la capacidad de regulación de la turbina de gas para mantener la temperatura de llama de las cámaras de combustión en un intervalo limitado. Esto se logra sin el uso de un sistema de purga, evitando de ese modo una penalización de la eficacia térmica para la turbina de gas.

Claims (9)

  1. REIVINDICACIONES
    i. Método para organizar en fases premezcladores en un sistema de combustión para una turbina (64) de gas que tiene una sección de compresor y una sección de turbina, que comprende:
    proporcionar una pluralidad de quemadores (44, 66, 70, 76, 78, 80, 82, 84, 86, 88, 90, 92, 94) cada uno de los cuales incluye premezcladores (72, 98);
    proporcionar aire comprimido desde la sección de compresor a los premezcladores (72, 98); proporcionar una pluralidad de circuitos (46) de combustible que suministran combustible a los premezcladores (72, 98) para proporcionar aire y combustible premezclados usados para la combustión en el sistema de combustión;
    asociar los premezcladores (72, 98) con cada circuito (46) de combustible según un patrón de potencia de base dos; y
    activar o desactivar los premezcladores (72, 98) en fases activando o desactivando un circuito (46) de combustible asociado para suministrar combustible o detener el suministro de combustible, respectivamente, a los premezcladores (72, 98) en el que un tamaño de etapa de organización en fases entre fases consecutivas es según un esquema de organización en fases de potencia de base dos, caracterizado porque
    el número de premezcladores (72, 98) o quemadores (44, 66, 70, 76, 78, 80, 82, 84, 86, 88, 90, 92, 94) activos disminuye al aumentar múltiplos consecutivos del tamaño de etapa de organización en fases a medida que disminuye la temperatura de entrada de la cámara de combustión, en el que los circuitos (46) de combustible asociados vuelven a combinarse según un patrón de potencia de base dos, o
    porque el número de premezcladores (72, 98) o quemadores (44, 66, 70, 76, 78, 80, 82, 84, 86, 88, 90, 92, 94) activos aumenta al disminuir múltiplos consecutivos del tamaño de etapa de organización en fases a medida que aumenta la temperatura de entrada de la cámara de combustión, en el que los circuitos (46) de combustible asociados vuelven a combinarse según un patrón de potencia de base dos.
  2. 2. Método según la reivindicación 1, en el que el número de premezcladores (72, 98) asociados con un circuito (46) de combustible dado n viene dado por:
    número de premezcladores (72, 98) asociados con un circuito de combustible = (2n-1)p
    donde n = número de circuitos de combustible, p = tamaño de etapa de organización en fases y
  3. 3. Método según la reivindicación 1, en el que el número total de premezcladores (72, 98) para un número dado de circuitos (46) de combustible viene dado por:
    i - i
    número total de premezcladores (72, 98) = ^ P £ i= i ^
    donde n = número de circuitos de combustible, p = tamaño de etapa de organización en fases y P ^ ^ .
  4. 4. Método según la reivindicación 3, en el que el número total de posibles etapas de organización en fases viene dado por:
    número total de posibles etapas de organización en fases = S = N/p-1
    donde n = número total de premezcladores (72, 98) y p = tamaño de etapa de organización en fases.
  5. 5. Método según la reivindicación 1, en el que el tamaño de etapa de organización en fases sigue un patrón que incluye N-p, N-2p, N-3p, N-4p, N-5p, N-6p, N-7p en el que N = número total de premezcladores (72, 98) y p es el tamaño de etapa de organización en fases y en el que el patrón continúa hasta que el número de premezcladores (72, 98) o quemadores (44, 66, 70, 76, 78 , 80, 82, 84, 86, 88, 90, 92, 94) activos es equivalente al tamaño de etapa de organización en fases p a medida que disminuye la temperatura de entrada de la cámara de combustión.
  6. 6. Método según la reivindicación 1, en el que el esquema de organización en fases mantiene la temperatura de llama del quemador dentro de un intervalo adecuado para reducir las emisiones de la turbina de gas.
  7. 7. Método según la reivindicación 1, en el que la activación o desactivación de un circuito (46) de combustible se controla mediante una válvula (48) de combustible.
  8. 8. Método según la reivindicación 1, en el que al menos un quemador (44, 66, 70, 76, 78, 80, 82, 84, 86, 88, 90, 92, 94) incluye primeros premezcladores (72, 98) que están asociados con un primer circuito (46) de combustible, y en el que la activación o desactivación del primer circuito (46) de combustible activa o desactiva los primeros premezcladores (72, 98) y enciende o apaga el quemador (44, 66, 70, 76, 78, 80, 82, 84, 86, 88, 90, 92, 94), respectivamente.
  9. 9. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 8, que comprende proporcionar una loseta (96) asociada con cada quemador (44, 66, 70, 76, 78, 80, 82, 84, 86, 88, 90, 92, 94), en el que cada loseta (96) incluye una pluralidad de premezcladores (72, 98).
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