Sistema para controlar un proceso de combustión para una turbina de gas.

Un sistema (S) para control del proceso de combustión para una turbina de gas que comprende un sistema de combustión de turbina de gas que tiene quemadores múltiples,

que se extienden a una sola cámara de combustión (CC), comprendiendo los quemadores múltiples quemadores principales (21, 41) y quemadores suplementarios (22, 42) o comprendiendo cada uno de los quemadores múltiples (30) etapas de quemador principales (31) y etapas de quemador suplementarias (32),

caracterizado por que

el sistema de control (S) es un sistema de control en cascada de bucle cerrado, en donde una estructura en cascada del sistema de control (S) comprende dos niveles de control (1, 2), en donde el primer nivel de control (1) del sistema (S) comprende medios (3) para recibir continuamente datos medidos (NOxMEAS) para niveles de NOx y medios (4) para controlar los niveles de emisión de óxidos de nitrógeno en el escape de la turbina de gas y generar y emitir en cascada los valores diana de pulsaciones del segundo nivel de control (2) (pTGT,FREQ-i) basados en la diferencia entre los niveles de NOx medidos (NOxMEAS) y los niveles de NOx diana (NOxTGT), y el segundo nivel de control (2) comprende medios (6) para recibir continuamente niveles de pulsaciones medidos (p'), y medios (9) para controlar el nivel de pulsaciones de la combustión (p).

Sistema para controlar un proceso de combustiïn para una turbina de gas.

Campo Tïcnico La invenciïn se refiere a un sistema para controlar el proceso de combustiïn para una turbina de gas y en particular un sistema para el control activo de las emisiones de ïxidos de nitrïgeno (NOx) de la turbina de gas y las pulsaciones de la combustiïn. El sistema estï pensado particularmente para sistemas de combustiïn de turbinas de gas que comprenden una pluralidad de quemadores pre-mezcla que conducen a una sola cïmara de combustiïn.

Antecedentes de la Invenciïn Las emisiones de NOx de los procesos de combustiïn de las turbinas de gas estïn sometidas a exigencias ambientales que limitan los niveles de NOx emitido. En muchos païses, los lïmites para los niveles de emisiïn estïn siendo reducidos continuamente, en la actualidad hasta niveles de ppm de un solo dïgito, y los fabricantes de turbinas de gas tienen que ser capaces de garantizar los niveles requeridos.

Se requiere que las turbinas de gas operen a eficiencias cada vez mayores al tiempo que producen niveles menores de contaminantes en sus gases de escape. Su eficiencia puede incrementarse, por ejemplo, aumentando las temperaturas de la llama, si bien esto aumenta tambiïn los niveles de contaminantes, en particular NOx, que es una funciïn exponencial de la temperatura de la llama. Un mïtodo conocido para controlar los niveles de NOx en el gas de escape de una turbina consiste en hacer funcionar los quemadores manteniendo una llama pobre, es decir con una ratio pobre de combustible-a-aire, lo cual reduce la temperatura de la llama. Sin embargo, una llama pobre puede conducir a pulsaciones de la llama, u oscilaciones de la presiïn de combustiïn, que pueden acortar la vida ïtil de un quemador. La formaciïn de NOx y las pulsaciones se ven influenciadas por varios mecanismos fïsicos interconectados tales como las condiciones atmosfïricas ambientales, la composiciïn del combustible, el encendido y la temperatura de la llama, la homogeneidad de la combustiïn, la velocidad de los quemadores, y otros.

En esencia, las emisiones bajas de NOx y los niveles de pulsaciones, los dos cuales tienen que alcanzarse en una planta de turbinas de gas, son dos procesos fïsicos contrapuestos. Cuando una llama se hace mïs pobre, entonces disminuyen las emisiones de NOx, pero aumentan las pulsaciones. Adicionalmente, cuanto mïs uniforme es la temperatura de la llama resultante de quemadores mïltiples, tanto mïs bajos son los niveles de NOx y mayores las pulsaciones. Por tanto, es necesario un compromiso entre ambos factores.

En los sistemas de turbina de gas de la tïcnica anterior, las pulsaciones y/o el control del nivel de NOx se consiguen por diversos mïtodos.

WO 2005/093326 da a conocer un mïtodo de operaciïn de turbinas de gas para quemadores y cïmaras de combustiïn dispuestos anularmente que controla y reduce las pulsaciones de presiïn por medio de un sistema que acciona individualmente cada quemador y monitoriza adicionalmente cada quemador utilizando un sistema de sensores.

US 5.321.947 da a conocer un sistema de combustiïn para un motor de turbina de gas que comprende paletas de turbulencia mïltiples dispuestas alrededor de una tobera de inyecciïn de combustible. El sistema de combustiïn opera con una premezcla pobre de combustible y con un inyector de combustible enfriado a fin de conseguir una contaminaciïn reducida. Se mantiene un bajo nivel de NOx por un suministro de combustible inflamable en los espacios entre las paletas de turbulencia, y las oscilaciones de la presiïn de combustiïn se reducen por un suministro continuo de combustible piloto a la cïmara de combustiïn para todas las condiciones de operaciïn.

EP 1.621.811 da a conocer un mïtodo de operaciïn de un sistema de combustiïn para un motor de turbina de gas que tiene una pluralidad de quemadores. La ratio combustible-a-aire para uno o mïs quemadores se controla basïndose en primer lugar en oscilaciones o pulsaciones de presiïn medidas. Con objeto de mantener la combustiïn prïxima al lïmite de extinciïn, la ratio combustible-a-aire se aumenta o se reduce cuando las oscilaciones de presiïn exceden de un lïmite inferior o superior dado, respectivamente. Como condiciïn secundaria al control de las pulsaciones, la ratio combustible-a-aire se reduce cuando se sobrepasan los niveles de NOx. Con objeto de mantener constante la cantidad total de combustible suministrada al conjunto de todos los quemadores, se au0menta la ratio combustible-a-aire para los quemadores primarios en tanto que se reduce para los quemadores secundarios.

EP 1.286.031 da a conocer un aparato de control de turbina de gas que comprende un medio para anïlisis de la frecuencia de las oscilaciones de presiïn en el sistema de combustiïn y una unidad de control que controla, basïndose en el resultado del anïlisis de frecuencia, la ratio de combustible y aire suministrados a la cïmara de combustiïn.

EP 1.331.448 da a conocer un sistema de control de combustible para un motor de turbina de gas que tiene una pluralidad de quemadores y una pluralidad de cïmaras de combustiïn, donde cada uno de los quemadores estï asociado con una cïmara de combustiïn separada, "tipo lata". El sistema ajusta independientemente la ratio combustible-a-aire de cada cïmara de combustiïn individual para controlar el nivel de NOx y la presiïn dinïmica en cada cïmara de combustiïn basïndose en la mediciïn del nivel de NOx en el escape, las oscilaciones de presiïn en cada cïmara de combustiïn y la variaciïn de la ratio combustible-a-aire entre los quemadores. El ajuste se repite hasta que dichas variables se mantienen dentro de intervalos dados. El sistema estï diseïado especïficamente para una turbina de gas con cïmaras de combustiïn mïltiples.

EP 1.283.339 da a conocer un mïtodo de monitorizaciïn a distancia de un motor de turbina de gas que opera a bajas emisiones de NOx. El mïtodo estï pensado para prevenir el deterioro debido a resonancias con las oscilaciones de la combustiïn de la turbina y a proporcionar comunicaciïn de los datos a bajo coste a un centro de monitorizaciïn remoto. El mismo incluye la mediciïn de los datos de oscilaciones separados en espectro de frecuencia y datos de valores pico. Si se presentan valores pico anormales, entonces se observa el espectro de frecuencia. Antes que las oscilaciones de la combustiïn aumenten hasta nivel crïtico, en el que pueda producirse deterioro, se envïan instrucciones a fin de operar el motor en un modo de operaciïn a carga baja. La monitorizaciïn se comunica por medios de bajo coste tales como un mïtodo de conmutaciïn de lïnea basado en ISDN.

EP 0529900 da a conocer un aparato de turbina de gas que tiene quemadores mïltiples y una cïmara de combustiïn anular y medios de control para ajustar el flujo de combustible y/o aire independientemente a cada quemador individual con vistas a controlar la estabilidad de los quemadores y las emisiones de NOx. El ajuste individual se realiza de acuerdo con una o dos magnitudes detectadas con relaciïn a una caracterïstica de la combustiïn o valor de eficiencia de cada quemador. Cada cantidad se mide por separado, despuïs de lo cual se determinan para cada una seïales de correcciïn separadas. ïstas se suman a su vez a fin de generar una seïal de control final para una vïlvula de combustible y/o aire.

US 2004/011051 da a conocer un sistema para controlar el proceso de combustiïn para una turbina de gas de acuerdo con el preïmbulo de la reivindicaciïn 1.

Sumario de la Invenciïn Es un objeto de la invenciïn proporcionar un sistema para controlar el proceso de combustiïn de una llama de premezcla para una turbina de gas que comprende quemadores mïltiples, conduciendo todos los quemadores a una sola cïmara de combustiïn. El sistema tiene por objeto controlar el proceso de combustiïn de tal modo que las emisiones de NOx de la turbina de gas cumplen los requisitos ambientales. Al mismo tiempo, tiene por objeto controlar las pulsaciones de la combustiïn a un nivel lo mïs bajo posible.

La presente invenciïn estï dirigida a un sistema activo para controlar el proceso de combustiïn para una turbina de gas, en particular las emisiones de ïxidos de nitrïgeno (NOx) de la turbina de gas y los niveles de pulsaciones de la combustiïn en la cïmara de combustiïn, como se define en la reivindicaciïn 1.

Especïficamente, el primer nivel de control, o nivel de control de NOx, recibe datos de mediciïn de las emisiones de NOx y valores diana de NOx, que vienen dados por los requerimientos ambientales, y genera un valor diana de pulsaciones de la combustiïn que estï basado en la diferencia entre el nivel de emisiones de NOx diana y nivel de emisiones de... [Seguir leyendo]

1. Un sistema (S) para control del proceso de combustiïn para una turbina de gas que comprende un sistema de combustiïn de turbina de gas que tiene quemadores mïltiples, que se extienden a una sola cïmara de combustiïn (CC) , comprendiendo los quemadores mïltiples quemadores principales (21, 41) y quemadores suplementarios (22, 42) o comprendiendo cada uno de los quemadores mïltiples (30) etapas de quemador principales (31) y etapas de quemador suplementarias (32) ,

caracterizado por que el sistema de control (S) es un sistema de control en cascada de bucle cerrado, en donde una estructura en cascada del sistema de control (S) comprende dos niveles de control (1, 2) , en donde el primer nivel de control (1) del sistema (S) comprende medios (3) para recibir continuamente datos medidos (NOxMEAS) para niveles de NOx y medios (4) para controlar los niveles de emisiïn de ïxidos de nitrïgeno en el escape de la turbina de gas y generar y emitir en cascada los valores diana de pulsaciones del segundo nivel de control (2) (pTGT, FREQ-i) basados en la diferencia entre los niveles de NOx medidos (NOxMEAS) y los niveles de NOx diana (NOxTGT) , y el segundo nivel de control (2) comprende medios (6) para recibir continuamente niveles de pulsaciones medidos (p') , y medios (9) para controlar el nivel de pulsaciones de la combustiïn (p) .

2. Un sistema (S) segïn la reivindicaciïn 1

caracterizado por

el primer nivel de control (1) que comprende medios (3) para determinar la diferencia entre los niveles de emisiïn de NOx medidos (NOxMEAS) de la turbina de gas y niveles de emisiïn de NOx diana (NOxTGT) y medios (12) para generar niveles diana de pulsaciones a una o mïs frecuencias crïticas predeterminadas (pTGT, FREQ-i) basados en dicha diferencia entre los niveles de emisiïn de NOx (NOxMEAS, NOxTGT) , y el segundo nivel de control (2) que comprende medios (13) para determinar la diferencia entre los datos de pulsaciones medidos (p') del sistema de combustiïn de la turbina de gas y los niveles de pulsaciones diana (pTGT, FREQ-i) generados por el primer nivel de control (1) y

medios (9) para generar una ratio de flujo de combustible (γ) de flujo de combustible a los quemadores principales y suplementarios o a las etapas de quemador principales y suplementarias definida por

γ = msup/mtotal = (mtotal -mprincipal) /mtotal,

donde msup es el flujo mïsico a los grupos de quemadores suplementarios o las etapas de quemador suplementarias,

mtotal es el flujo mïsico total de combustible,

mprincipal es el flujo mïsico a los grupos de quemadores principales o etapas de quemador principales,

y el valor de la ratio de flujo de combustible (γ) estï basado en dicha diferencia entre los niveles de pulsaciones medidos y los diana (p', pTGT, FREQ-i) .

3. Un sistema (S) segïn la reivindicaciïn 2

caracterizado por

el primer nivel de control (1) que incluye medios (3) para recibir continuamente niveles de emisiïn de NOx medidos (NOxMEAS) y niveles de emisiïn de NOx diana (NOxTGT) y determinar la diferencia entre dichos niveles de emisiïn de NOx medidos y los diana (NOxMEAS, NOxTGT) , y el segundo nivel de control (2) que incluye medios (6) para recibir continuamente y filtrar por paso de banda los niveles de pulsaciones medidos (p') .

4. Un sistema (S) segïn la reivindicaciïn 3

caracterizado por

el segundo nivel de control (2) que incluye medios (7) para pre-procesamiento de los datos de nivel de pulsaciones filtrados por paso de banda.

5. Un sistema (S) segïn la reivindicaciïn 3

caracterizado por

el primer control de nivel (1) que incluye un limitador (10) para comparar la diferencia entre los niveles de emisiïn de NOx medidos y los diana (NOxMEAS, NOxTGT) con una banda inactiva predeterminada de emisiones de NOx y que incluye adicionalmente un integrador de seguimiento (12) para determinar los niveles de pulsaciones diana a una o mïs frecuencias crïticas (pTGT, FREQ-i) basadas en dicha comparaciïn de la diferencia de emisiones de NOx con la banda inactiva de emisiones de NOx predeterminada.

6. Un sistema (S) segïn la reivindicaciïn 5 caracterizado por

el integrador de seguimiento (12) que estï configurado para generar niveles de pulsaciones diana (pTGT, FREQ-i) que estïn comprendidos entre un nivel de pulsaciones diana predeterminado mïximo y mïnimo (pmax, pmin) .

7. Un sistema (S) segïn la reivindicaciïn 3 ï 4

caracterizado por

el segundo nivel de control (2) que incluye medios (5) para determinar la diferencia mïnima entre un nivel de pulsaciones pre-procesado (pFREQ) a una frecuencia crïtica y los niveles de pulsaciones diana (pTGT, FREQ-i) a dicha frecuencia, un limitador (13) para comparar dicha diferencia con una banda inactiva predeterminada de niveles de pulsaciones, y que incluye adicionalmente un integrador de seguimiento (15) para generar la ratio de flujo de combustible (γ) .

8. Un sistema (S) segïn una de las reivindicaciones 4-6

caracterizado por

el segundo nivel de control (2) que incluye medios (5) para determinar la diferencia entre niveles de pulsaciones preprocesados (pFREQ-i) a varias frecuencias crïticas y los niveles de pulsaciones diana (pTGT, FREQ-i) a dichas frecuencias crïticas, medios de procesamiento de errores (8) para seleccionar a partir de las varias frecuencias crïticas la frecuencia crïtica a la cual ocurre el error mïs relevante, un limitador (13) para comparar dicha diferencia a la frecuencia seleccionada con una banda inactiva de niveles de pulsaciones predeterminada, y que incluye un integrador de seguimiento (15) para generar la ratio de flujo de combustible (γ)

9. Un sistema (S) segïn la reivindicaciïn 7 u 8 caracterizado por que el integrador de seguimiento (15) estï configurado para generar una ratio de flujo de combustible (γ) que estï

comprendida entre una ratio de flujo de combustible predeterminada mïxima y mïnima (γmax, γmin) .

10. Un sistema (S) segïn cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que el segundo nivel de control (2) opera a una velocidad mïs rïpida con relaciïn al primer nivel de control (1) .

11. Un sistema (S) segïn la reivindicaciïn 7,

caracterizado por que el sistema (S) incluye una lïnea de seïal de control (8') que conduce desde el medio de procesamiento de errores (8) al medio de control de NOx (4) para pasar informaciïn acerca de la frecuencia crïtica seleccionada a la cual ocurre el error mïs relevante al medio de control de NOx (4) e instruir al medio de control de NOx (4) para ajustar el nivel de pulsaciones diana a la frecuencia crïtica seleccionada y dejar inalterados los niveles de pulsaciones a las otras frecuencias crïticas.