Procedimiento de funcionamiento de un dispositivo de combustión y dispositivo de combustión para la puesta en práctica del procedimiento.

Procedimiento de funcionamiento de un dispositivo de combustión (10) que comprende al menos una cámara de combustión (11) con varios quemadores (B1,

..,Bn) que trabajan en paralelo y que generan cada uno de ellos una llama (F1,..,Fn) que penetra en la cámara de combustión (11), en el que cada uno de los quemadores (B1,..,Bn) es abastecido de combustible desde una alimentación de combustible (16) a través de un sistema distribuidor de combustible (18), cuyo sistema distribuidor de combustible (18) comprende miembros de ajuste (V1,..,Vm) para la regulación manual o controlada de la alimentación de combustible y/o la composición de combustible de quemadores individuales (B1,..,Bn) y/o grupos de quemadores (B1,..,B3; Bn-2,..,Bn), caracterizado por que el dispositivo de combustión (10) presenta un equipo de medida (M1) para determinar las propiedades del combustible, tales como temperatura, presión, densidad, caudal, viscosidad, conductividad calorífica y composición, el dispositivo de combustión (10) presenta un equipo de regulación de combustible (15) para la regulación automática de las propiedades del combustible, tales como caudal, presión, temperatura o composición, y para la optimización u homogeneización rápida del dispositivo de combustión (10) se proporciona una función F de las temperaturas de las llamas de los quemadores (B1,..,Bn) en dependencia de las posiciones de los miembros de ajuste (V1,..,Vm) del sistema distribuidor de combustible (18), que es una función analítica (F) de la clase T≥F(s,x,y), en donde T designa un vector N-dimensional que contiene las temperaturas de las llamas de los distintos quemadores, el vector M-dimensional s contiene las posiciones de los miembros de ajuste, el vector K-dimensional x incluye los valores de medida del equipo de medida y los valores de regulación del equipo autónomo de regulación de combustible, y el vector L-dimensional y contiene desviaciones estimadas, y cuya función (F) ha sido calibrada por mediciones de las temperaturas de las llamas en varias posiciones prefijadas de los miembros de ajuste (V1,..,Vm) del sistema distribuidor de combustible (18), y por que se obtienen y ajustan con ayuda de la función calibrada (F) las posiciones de los miembros de ajuste (V1,..,Vm) del sistema distribuidor de combustible (18) que son óptimas para una distribución prefijada de las temperaturas de las llamas de los quemadores (B1,..,Bn).

Procedimiento de funcionamiento de un dispositivo de combustión y dispositivo de combustión para la puesta en práctica del procedimiento.

CAMPO TÉCNICO

La presente invención se refiere al sector de la técnica de la combustión, especialmente para turbinas de gas. Concierne a un procedimiento de funcionamiento de un dispositivo de combustión según el preámbulo de la reivindicación 1 y a un dispositivo de combustión para la puesta en práctica del procedimiento.

ESTADO DE LA TÉCNICA

En las cámaras de combustión con varios quemadores que trabajan en paralelo, tales como las que se presentan en turbinas de gas, motores de pistones y calderas, se igualan u homogeneizan las temperaturas de las llamas de los distintos quemadores para maximizar la vida útil y minimizar la expulsión de contaminantes. Esta homogeneización se consigue usualmente en el aspecto constructivo por medio de una estructura lo más idéntica posibles de las distintas cámaras de combustión y de su alimentación de combustible. No obstante, en la instalación realizada se tiene que, debido a la cooperación de diferencias topológicas y algunas desviaciones condicionadas por las tolerancias, resultan parcialmente diferencias de temperatura entre los quemadores que están por encima del valor tolerado.

Estas diferencias condicionadas por la fabricación entre los distintos quemadores pueden corregirse por medio de una sola homogeneización. A este fin, se miden las temperaturas de las llamas de los distintos quemadores y se compensan éstas por medio de una estrangulación pasiva de las alimentaciones de combustible (véase, por

ejemplo, el documento WO-A1-2005/010437) . Como método de medida para determinar la temperatura de la llama están disponibles actualmente los métodos conocidos siguientes:

! El cálculo de la temperatura diabática de la llama con ayuda de mediciones espectroscópicas (véase, por ejemplo, el documento US-A-6, 318, 891) .

! Por medición indirecta a través de o la temperatura de la pared del quemador

o la expulsión de NOx del quemador

o el contenido de CO2 u O2 del gas de combustión (sonda lambda) .

La medición de la temperatura se realiza a través de la intensidad de la quimiluminiscencia de la llama, por ejemplo la quimiluminiscencia de las moléculas de NOx (véase, por ejemplo, el documento US-A-5, 670, 784) .

El proceso de optimización fracasa frecuentemente en la práctica a causa del gran número de quemadores a optimizar, eventualmente alojados en varias cámaras de combustión, en los que la temperatura de su llama solo puede determinarse con mucha lentitud. Los métodos anteriormente mencionados para determinar la temperatura de la llama necesitan, salvo el método de la intensidad de la quimiluminiscencia, una duración de medida típica de alrededor de diez segundos hasta un minuto. Este tiempo tiene que compararse con el coste de una homogeneización de un sistema de varios quemadores. Una homogeneización de N quemadores corresponde, en caso de una influenciación mutua de los quemadores, a una optimización de un sistema con N parámetros. El coste de medida para tal optimización se mueve, incluso en el caso de métodos eficientes, dentro del orden de magnitud de N2. Esto conduce a que se necesita más de un día para una igualación completa de una instalación con 50 quemadores.

Se ha previsto muy temprano la determinación de la temperatura con ayuda de la intensidad de la quimiluminiscencia. La intensidad I de la quimiluminiscencia acumulada por la óptica depende de la temperatura T de la llama de conformidad con una ley de Arrhenius modificada:

En esta fórmula Φ0 designa la densidad de radiación de una llama a la temperatura To. Esta intensidad, al igual que 45 el valor característico τ, depende de la composición del combustible y de la presión. No obstante, la intensidad I medida viene determinada también por la transmisividad y la apertura de la óptica, las cuales están combinadas en el parámetro de superficie A. Cuando se conocen todos los parámetros, se puede realizar entonces muy rápidamente la determinación de la temperatura con ayuda de la intensidad de la quimiluminiscencia. Incluso en quemadores a presión (30 bares) y a temperaturas de 1200ºC es suficiente la intensidad de la quimiluminiscencia para que ésta sea medida con una frecuencia de hasta 10 kHz.

En la práctica, la determinación de la temperatura a través de la intensidad de la quimiluminiscencia es inservible, ya que la quimiluminiscencia depende muy sensiblemente de la composición del aire (humedad) , la composición del combustible y la presión en la cámara de combustión. Incluso la limitación a dominios de longitudes de onda individuales como OH*, CH* o NO* no aporta aquí ninguna clase de mejora, ya que la dependencia respecto de la composición del combustible aparece con cualquier radical. Además, una determinación de intensidad sufre siempre una pérdida de transmisión de la óptica por efecto del empañamiento que se puede presentar de improviso rápidamente en los procesos de combustión.

Se conocen por el documento EP-A-0 529 900 una turbina de gas y un procedimiento de funcionamiento de la misma en los que se ajusta y regula la relación de combustible-aire para cada uno de un gran número de quemadores por medio de miembros de ajuste determinados en función de valores medidos y de la característica de combustión previamente determinada del respectivo quemador. Esto se consigue especialmente por medio de un llamado controlador IFC que, a través de un elemento de ajuste, ajusta la corriente másica del aire de premezcla para el quemador. No se tiene en cuenta aquí la influenciación mutua de los quemadores.

Otras clases de regulación de la alimentación de combustible son conocidas, por ejemplo, por el documento US-A2004011052 o el documento WO-A-0052315.

PRESENTACIÓN DE LA INVENCIÓN

El problema de la invención consiste en crear un procedimiento de funcionamiento de un dispositivo de combustión con una pluralidad de quemadores que conduzca rápidamente a una compensación de las diferencias en los distintos quemadores y, por tanto, lleve rápidamente a un funcionamiento optimizado del dispositivo, así como indicar un dispositivo de combustión adecuado para esto.

El problema se resuelve con la totalidad de las características de las reivindicaciones 1 y 11. La invención parte aquí 25 de un sistema con los componentes siguientes, tal como se ilustra en la figura única:

! Un dispositivo de combustión 10 con una o varias cámaras de combustión 11 a regular o a igualar una sola vez y dotadas de varios quemadores B1, .., Bn que son abastecidos de combustible a través de un sistema distribuidor de combustible 18 y que generan unas llamas correspondientes F1, .., Fn.

! Para cada quemador B1, .., Bn, un dispositivo para la determinación directa o indirecta de la temperatura de su llama. En la figura se han dibujado a título de ejemplo para uno de los quemadores (Fn) un equipo de medida de temperatura 12 independiente de la intensidad y un equipo de medida de temperatura 13 que se basa en la intensidad de la quimiluminiscencia.

! Miembros de ajuste tales como toberas regulables, diafragmas, estranguladores, válvulas o reguladores de flujo para regular de manera manual o controlada la alimentación de combustible o la composición del combustible de quemadores individuales o grupos de quemadores, que se simbolizan en la figura por las válvulas V1, .., Vm dispuestas entre la alimentación de combustible 16 y los quemadores B1, .., Bn y competentes para quemadores individuales o grupos de quemadores y por el controlador 17 (el número de miembros de ajuste puede ser aquí diferente del número de quemadores) .

! Eventuales captadores de valores de medida tales como sensores, aparatos y dispositivos para determinar

la temperatura, la presión, la densidad, el causal, la viscosidad, la conductividad calorífica o bien la composición del combustible, para los cuales se han dibujado a título de ejemplo en la figura los equipos de medida M1 y M2 para el combustible. Otro equipo de medida M3 en forma de una sonda lambda está dispuesto en una salida de gas de escape 14 de la cámara de combustión 11.

! Eventuales unidades de regulación autónomas tales como reguladores de caudal, reguladores de presión,

reguladores de temperatura o reguladores para fijar la combustión del combustible, que están representados a título de ejemplo en la figura con un equipo de regulación de combustible 15.

! Un análisis simplificado del sistema de tuberías de la alimentación de combustible que describe la dependencia de... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento de funcionamiento de un dispositivo de combustión (10) que comprende al menos una cámara de combustión (11) con varios quemadores (B1, .., Bn) que trabajan en paralelo y que generan cada uno de ellos una llama (F1, .., Fn) que penetra en la cámara de combustión (11) , en el que cada uno de los quemadores (B1, .., Bn) es abastecido de combustible desde una alimentación de combustible (16) a través de un sistema distribuidor de combustible (18) , cuyo sistema distribuidor de combustible (18) comprende miembros de ajuste (V1, .., Vm) para la regulación manual o controlada de la alimentación de combustible y/o la composición de combustible de quemadores individuales (B1, .., Bn) y/o grupos de quemadores (B1, .., B3; Bn-2, .., Bn) , caracterizado por que el dispositivo de combustión (10) presenta un equipo de medida (M1) para determinar las propiedades del combustible, tales como temperatura, presión, densidad, caudal, viscosidad, conductividad calorífica y composición, el dispositivo de combustión (10) presenta un equipo de regulación de combustible (15) para la regulación automática de las propiedades del combustible, tales como caudal, presión, temperatura o composición, y para la optimización u homogeneización rápida del dispositivo de combustión (10) se proporciona una función F de las temperaturas de las llamas de los quemadores (B1, .., Bn) en dependencia de las posiciones de los miembros de ajuste (V1, .., Vm) del sistema distribuidor de combustible (18) , que es una función analítica (F) de la clase T=F (s, x, y) , en donde T designa un vector N-dimensional que contiene las temperaturas de las llamas de los distintos quemadores, el vector Mdimensional s contiene las posiciones de los miembros de ajuste, el vector K-dimensional x incluye los valores de medida del equipo de medida y los valores de regulación del equipo autónomo de regulación de combustible, y el vector L-dimensional y contiene desviaciones estimadas, y cuya función (F) ha sido calibrada por mediciones de las temperaturas de las llamas en varias posiciones prefijadas de los miembros de ajuste (V1, .., Vm) del sistema distribuidor de combustible (18) , y por que se obtienen y ajustan con ayuda de la función calibrada (F) las posiciones de los miembros de ajuste (V1, .., Vm) del sistema distribuidor de combustible (18) que son óptimas para una distribución prefijada de las temperaturas de las llamas de los quemadores (B1, .., Bn) .

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por que está montada una válvula (V1, .., Vm) con una curva característica fija delante de cada quemador (B1, .., Bn) en el sistema distribuidor de combustible (18) y por que, para la obtención de la función (F) , se supone que la temperatura de la llama a esperar en el respectivo quemador (B1, .., Bn) es proporcional a la afluencia de combustible a través de la válvula antepuesta al mismo.

3. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por que se miden primeramente las temperaturas de las llamas (F1, .., Fn) de los distintos quemadores (B1, .., Bn) y por que se homogeneiza el dispositivo de combustión (10) de conformidad con las temperaturas medidas de las llamas.

4. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por que se miden primeramente las temperaturas de las llamas (F1, .., Fn) de los distintos quemadores (B1, .., Bn) y por que se optimiza el dispositivo de combustión (10) de conformidad con las temperaturas medidas de las llamas.

5. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por que se miden primeramente las temperaturas de las llamas (F1, .., Fn) de los distintos quemadores (B1, .., Bn) y por que se regula el dispositivo de combustión (10) en cuanto a una optimización continua de conformidad con las temperaturas medidas de las llamas.

6. Procedimiento según la reivindicación 4 ó 5, caracterizado por que se determinan las temperaturas de las llamas (F1, .., Fn) de los distintos quemadores (B1.., Bn) mediante una medición de la intensidad de la quimiluminiscencia.

7. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado por que se recalibra la medición de la intensidad de la quimiluminiscencia a intervalos de tiempo periódicos por medio de un procedimiento independiente de la intensidad para medir la temperatura de la llama.

8. Procedimiento según la reivindicación 7, caracterizado por que se emplea como procedimiento de recalibración independiente de la intensidad un procedimiento para medir la temperatura de la llama que se basa en una curva característica de caudal de los miembros de ajuste responsables del caudal de combustible.

9. Dispositivo de combustión (10) para la puesta en práctica del procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, cuyo dispositivo de combustión (10) comprende una cámara de combustión (11) con varios quemadores (B1, .., Bn) que trabajan en paralelo y que generan cada uno de ellos una llama (F1, .., Fn) que penetra en la cámara de combustión (11) , en el que cada uno de los quemadores (B1, .., Bn) está conectado a una alimentación de combustible (16) a través de un sistema distribuidor de combustible (18) , cuyo sistema distribuidor de combustible

(18) comprende miembros de ajuste (15; V1, .., Vn) para la regulación manual o controlada de la alimentación de combustible y/o la composición de combustible de quemadores individuales (B1, .., Bn) y/o grupos de quemadores (B1, .., B3; Bn-2, .., Bn) , caracterizado por que los miembros de ajuste (15; V1, .., Vn) son controlados por un controlador (17) de conformidad con una función (F) de las temperaturas de las llamas de los quemadores (B1, .., Bn) en dependencia de las posiciones de los miembros de ajuste (15; V1, .., Vn) del sistema distribuidor de combustible (18) , cuya función (F) es una función analítica de la clase T=F (s, x, y) , en donde T designa un vector N-dimensional que contiene las temperaturas de las llamas de los distintos quemadores, el vector M-dimensional s contiene las posiciones de los miembros de ajuste, el vector K-dimensional x incluye los valores de medida del equipo de medida y los valores de regulación del equipo autónomo de regulación de combustible y el vector L-dimensional y contiene desviaciones estimadas.

10. Dispositivo de combustión según la reivindicación 9, caracterizado por que el sistema distribuidor de combustible (18) presenta un equipo de medida de combustible (14) para determinar las propiedades del

combustible, tales como temperatura, presión, densidad, caudal, viscosidad, conductividad calorífica y composición, y un equipo de regulación de combustible (15) para la regulación autónoma de las propiedades del combustible, tales como caudal, presión, temperatura o composición, los cuales están unidos con el controlador (17) .

11. Dispositivo de combustión según la reivindicación 9 ó 10, caracterizado por que cada uno de los quemadores (B1, .., Bn) lleva asociada como miembro de ajuste una válvula (V1, .., Vn) para ajustar el caudal de combustible 10 enviado al quemador correspondiente, y por que las válvulas (V1, .., Vn) están unidas con el controlador (17) .