CN101377304B - 燃气涡轮中用于燃料与空气混合的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了燃气涡轮中用于燃料与空气混合的系统和方法，该燃气涡轮(1)包括联接到燃料(10)源上的气体源，其中，气体和燃料(10)进行混合，以在混合物(12)导入燃气涡轮(1)系统的燃料喷嘴(8)之前形成气体和燃料(10)的混合物(12)。

Description

燃气涡轮中用于燃料与空气混合的系统和方法
技术领域
本文所公开的发明涉及燃气涡轮领域，尤其涉及提高贫燃预混合燃气涡轮的效率并限制其排放。
背景技术
燃气涡轮用来给公用领域和工业领域产生大部分的电能。燃气涡轮高效并且低排放地运转有重要的意义。多个操作因素可影响到效率和排放。
燃气涡轮的燃烧室中的燃烧温度是可影响效率的一个因素。通常，燃烧温度的升高可提高效率。
燃烧之前的燃料与空气的混合量可影响到排放。在贫燃预混合燃烧期间，如果燃料和空气没有正确地混合，则燃烧室中的局部区域可具有比周围的混合物更富或更贫的混合物。这些更富的混合物在高于平均燃烧温度的温度下燃烧，并产生所称的“热区”。热区通常导致更大的氮氧化物(NOx)的生产率。相反地，更贫的混合物在低于平均燃烧温度的温度下燃烧。贫混合物的燃烧通常导致额外的一氧化碳(CO)的形成。
燃气涡轮中燃料和空气的混合程度对于控制排放是很重要的。另外，如果排放能够在燃烧温度升时保持恒定，则燃气涡轮可以以提高的效率运转。
燃料和空气的混合通常在燃烧室中或在燃料喷嘴的混合段中进行。燃料喷嘴用来将燃料喷入引入的空气流中，并且提供混合区域，然后将燃料/空气的混合物导入燃烧室中。通常，燃料和空气各自以气流的方式提供。通过变更或调节下述至少一项而改进燃料与空气的混合：空气涡流的产生、燃料喷嘴的类型以及燃料喷嘴相对于气流的位置。例如，在气流中使用叶片是增加涡流的一种方式。即使在上述改进的情况下，一定程度的不均匀的混合仍然发生。
因此，所需要的是针对燃气涡轮中的燃烧而改进燃料与空气的混合的技术。
发明内容
公开了一种包括联接到燃料源上的气体源的燃气涡轮系统，其中气体和燃料进行混合，以在混合物导入燃气涡轮系统的燃料喷嘴之前形成气体和燃料的混合物。
还公开了一种燃气涡轮，其包括：包含空气的空气管路，该空气管路联接到包含燃料的燃料管路上，其中空气和燃料进行混合，以在混合物导入燃气涡轮的燃料喷嘴之前形成空气和燃料的混合物；用于控制混合物中空气与燃料的比例的控制系统。
还公开了一种操作燃气涡轮的方法，该方法包括：从空气源接收空气；从燃料源接收燃料；使空气与燃料进行混合，以在混合物导入燃气涡轮的燃料喷嘴之前形成空气和燃料的混合物。
附图说明
被视为发明的主题被特别地指明，并在权利要求中明确地要求保护。从以下结合附图所进行的详细描述中可以明显地看出本发明的上述及其它特征和优点，其中：
图1显示燃气涡轮的示范性实施例；
图2显示用于预混合空气和燃料的控制系统的示范性实施例；
共同称为图3的图3A和3B显示预混合燃料和空气的燃气涡轮的另一个示范性实施例；
图4显示氮氧化物的排放对比于火焰温度的示范性的图示；以及
图5表示用于操作燃气涡轮的示范性方法。
部件清单：
Figure GSB00000819837300031
具体实施方式
所教导的内容提供了用于在燃气涡轮中在燃烧之前混合燃料与空气的装置和方法。具体地讲，与现有技术中所进行的混合相比，该装置和方法使燃料与空气更均匀地混合。在现有技术的一个实施例中，燃料和空气分别喷向燃气涡轮的燃烧室的前端。燃料使用由燃料管路提供的燃料喷嘴进行喷射。在燃烧室中，燃料和空气在燃烧之前利用涡流等特征进行混合。所教导的内容用于在混合物进入燃料喷嘴之前使燃料与一定量的空气进行预混合。在非限制性的实施例中，燃料与一定量的空气在燃料管路中混合。选择空气的量以防止在进入燃料喷嘴之前燃烧。在以下所阐述的实施例中，天然气用作燃料。使用天然气作为燃料时，大约50％(容积)的天然气和大约50％(容积)的空气的混合物在2.758MPa(400psia)下通常可防止燃烧，这对于天然气燃烧领域的技术人员而言是已知的。
为了方便，在详细讨论所教导的内容之前给出某些定义。术语“燃气涡轮”涉及连续燃烧的发动机。燃气涡轮通常包括压缩机、燃烧室和涡轮。压缩机为燃烧室中的燃烧而压缩空气。高温气体离开燃烧室并使涡轮转动。涡轮联接到轴上，而轴还可以联接到发电机上。由燃气涡轮产生的功率可用来使发电机转动以发电。术语“燃料管路”涉及用于将燃料输送给燃料喷嘴的管路。术语“燃料喷嘴”涉及用来将燃料以及通常将空气喷入燃烧室中的喷嘴。燃料喷嘴可具有各种设计。在一个实施例中，燃料和空气的可燃烧的混合物在邻近燃烧室的燃料喷嘴的尖端处形成。术语“当量比”涉及燃料/空气比除以化学计量的燃料/空气比。术语“不混合度(unmixedness)”涉及燃料与空气在容积上的混合程度。具体地讲，不混合度是指在整个容积中混合物的当量比的标准偏差除以平均当量比。例如，如果在整个容积中混合物的当量比的标准偏差为0.025，而平均当量比为0.5，则混合物的不混合度为5％(0.05)。术语“进口引入加热空气”(“inlet bleed-heat air”)涉及在空气被送入燃烧室之前从压缩机中吸取的空气。所吸取的空气通常从压缩时开始升温并被引到压缩机的进口。
图1显示燃气涡轮1的示范性实施例。燃气涡轮1包括压缩机2、燃烧室3和涡轮4。压缩机2通过轴5联接到涡轮4上。在图1的实施例中，轴5还连接到发电机6上。压缩机2提供压缩空气14。
参照图1，燃料管路7联接到燃料喷嘴8上。燃料喷嘴8可喷射燃料和空气-燃料混合物中的一种。图1还显示了空气管路9，空气管路9在一端连接到压缩机2上，而在另一端连接到燃料管路7上。根据本文所教导的内容，压缩空气14中的一部分(本文称作“预混合空气11”)转向到空气管路9中。空气管路9给燃料管路7提供预混合空气11。在燃料管路7中，预混合空气11和燃料10进行混合以形成空气燃料混合物12。空气燃料混合物12通过燃料喷嘴8喷射到燃烧室3中，空气燃料混合物12在此处与压缩空气14中没有转向的空气(本文称作“直接空气13”)在燃烧之前进行混合。空气燃料混合物12与直接空气13混合，以形成在燃烧室3中点燃的可燃烧的混合物15。在一个实施例中，如果不存在燃料10与预混合空气11的预混合，则预混合空气11与直接空气13的总和基本上与所需的燃烧空气的量相等。为了防止空气燃料混合物12在燃料管路7中燃烧，待与燃料10预混合的预混合空气11的量由控制系统所控制，以提供安全的并且不可燃烧的空气燃料混合物12。
图2显示控制系统20的示范性实施例，该控制系统20用于提供安全的空气燃料混合物12。在图2的实施例中，流量传感器21测量燃料管路7中的燃料10的流量。控制器22接收与燃料10的流量相关的信息，并根据该信息控制流量控制阀23。流量控制阀23调节待与燃料10预混合的预混合空气11的量。流量传感器21的示范性实施例是流量感测领域的技术人员已知的可变孔口。
图3显示燃气涡轮1的另一个示范性实施例。在该实施例中，燃气涡轮1包括联接到多个相关的燃烧室3上的多个燃料喷嘴8，如图3A所示。通常，燃烧室3绕着中心轴线30周向布置。为了教导的目的，图3A显示了用于一个燃料喷嘴8和相关的燃烧室3的控制系统20。所教导的内容提供了用于控制输送给各燃料喷嘴8的空气燃料混合物12的控制系统20。
参照图3A，压缩空气14进入增压室31中，压缩空气14的一部分在此处转向为预混合空气11。预混合空气11的流量由流量控制系统20调节。
图3B显示流量喷嘴8和相关的燃烧室3的更详细的视图。参照图3B的实施例，来自增压室31的直接空气13进入燃烧室3的环形空间，并流向喷嘴8。在流量喷嘴8处，直接空气13与空气燃料混合物12进行混合，以形成可燃烧的混合物15。可燃烧的混合物15在各燃烧室3中点燃。
使用本文所教导的内容提供氮氧化物(NOx)的排放减少和燃气涡轮1的效率提高中的至少一项。图4表示了示范性的图示，其显示不混合度对NOx排放的影响。该图示显示对于不同的不混合度百分比，NOx排放相对燃烧室3中的火焰温度的曲线。如图4所示，关于10％的不混合度(S＝10％)的曲线，在恒定的NOx排放水平下，不混合度增加1％允许火焰温度提高大约8.33℃(15℉)。温度提高可能涉及燃气涡轮1的效率提高。在燃气涡轮1的联合循环应用中，火焰温度提高8.33℃(15℉)可使联合循环效率提高大约0.1％。备选地，在恒定的火焰温度下，当不混合度提高1％时，NOx的排放可减少大约2ppm。
图5表示用于操作燃气涡轮1的示范性方法50。方法50要求从空气源接收(51)预混合空气11。另外，方法50要求从燃料源接收(52)燃料10。此外，方法50要求预混合空气11与燃料10进行混合(53)，以给燃料喷嘴8提供空气和燃料的混合物。
以上所表示的实施例并非意图为限制性的。所教导的内容用于在空气燃料混合物12与直接空气13混合之前使预混合空气11与燃料10预混合。在某些实施例中，预混合可在如下中的至少一个中进行：燃料管路7、燃料喷嘴8、混合室以及燃气涡轮领域的技术人员已知的合适部件。空气燃料混合物12与直接空气13的混合可在如下中的至少一个中进行：燃料喷嘴8、燃烧室3以及燃气涡轮领域的技术人员已知的合适部件。在某些实施例中，预混合空气11可从如下中的至少一个获得：压缩机2、进口加热引入空气以及燃气涡轮领域的技术人员已知的任何合适的来源。
尽管以上讨论针对于使用天然气作为燃料10，但是可使用诸如气化煤的其它燃料，或处于气态和液态中的至少一种状态的燃料和惰性物的组合物。所教导的内容防止空气燃料混合物12在与直接空气13混合以形成可燃烧的混合物15之前燃烧。防止燃烧的燃料10与预混合空气11的比例可由所选择的燃料10类型的燃烧领域的技术人员来确定。
在以上所阐述的实施例中，空气用作输入到压缩机2中的气体。在本文所教导的内容的其它实施例中，可包括其它气体和空气。其它气体的实例包括二氧化碳、蒸汽以及高于空气中氮气浓度的额外的氮气。
各种部件可包括在内，并可用于构成本文所教导内容的方面。例如，控制系统20可包括模拟系统和数字系统中的至少一种。数字系统可包括处理器、内存、存储器、输入/输出接口、输入/输出装置和通信接口中的至少一种。通常，存储在机器可读介质中并且包括机器可执行指令的计算机程序产品可输入到数字系统中。计算机程序产品可包括可由处理器执行的指令，用于使预混合空气11以如下比例与燃料10进行预混合，该比例可防止空气燃料混合物12在导入燃料喷嘴8之前燃烧。可包括各种部件以支持本文所讨论的各个方面，或者支持公开内容之外的其它功能。计算机程序产品的技术作用是提高燃气涡轮1的效率并限制其排放。
将认识到的是，各种部件或技术可提供某些必需的或有益的功能或特征。相应地，支持权利要求或其变型可能所需的这些功能和特征被视为作为本文所教导内容的一部分及所公开的发明的一部分固有地包含在其中。
尽管参照示范性实施例对本发明进行了描述，但是将理解的是，可在不脱离本发明范围的情况下进行各种变化，并且等同物可替换其中的元件。另外，将认识到的是，许多变更可使特定的仪器、情况或材料适合于本发明所教导的内容，而并不脱离本发明的基本范围。因此，本发明旨在不受限于被视为作为执行本发明最好的方式而公开的特定的实施例，并且本发明将包括属于权利要求的范围的所有实施例。

Claims (7)

1.一种燃气涡轮(1)系统，其包括：
燃料喷嘴(8)；
燃料管路(7)，其连接到所述燃料喷嘴(8)和燃料(10)源；
气体管路(9)，其连接到所述燃料管路(7)和气体源；其中，所述气体和所述燃料(10)在所述燃料管路(7)中进行混合，以在气体和燃料(10)的混合物(12)导入所述燃气涡轮(1)系统的燃料喷嘴(8)之前形成所述混合物(12)；和
用于控制所述混合物(12)中的气体与燃料(10)的比例的控制系统(20)，其中，所述控制系统(20)包括用于测量所述燃料管路(7)中的燃料(10)的流量的流量传感器(21)；用于调节来自所述气体源的气体的流量的流量控制阀(23)；和控制器(22)，其从所述流量传感器(21)接收与燃料(10)的流量相关的信息，并根据该信息控制所述流量控制阀(23)。
2.根据权利要求1所述的燃气涡轮(1)系统，其特征在于，所述气体为空气。
3.根据权利要求1所述的燃气涡轮(1)系统，其特征在于，所述气体包括二氧化碳、额外的氮气和蒸汽中的至少一种和空气。
4.根据权利要求1所述的燃气涡轮(1)系统，其特征在于，所述混合物(12)是不可燃烧的。
5.根据权利要求1所述的燃气涡轮(1)系统，其特征在于，所述燃气涡轮(1)系统还包括将所述气体源联接到所述燃料(10)源上的联接件。
6.根据权利要求1所述的燃气涡轮(1)系统，其特征在于，所述气体源包括联接到增压室(31)上的管路，所述增压室(31)接收来自压缩机(2)的气体。
7.一种操作根据权利要求1-6中任一项所述的燃气涡轮(1)系统的方法，所述方法包括：
从气体源接收气体；
从燃料(10)源接收燃料(10)；
使所述气体与所述燃料(10)进行混合，以在气体和燃料(10)的混合物(12)导入所述燃气涡轮(1)系统的燃料喷嘴(8)之前形成所述混合物(12)；以及
利用控制系统(20)控制所述混合物(12)中的气体与燃料(10)的比例的，其中，所述控制系统(20)包括用于测量所述燃料管路(7)中的燃料(10)的流量的流量传感器(21)；用于调节来自所述气体源的气体的流量的流量控制阀(23)；和控制器(22)，其从所述流量传感器接收与燃料(10)的流量相关的信息，并根据该信息控制所述流量控制阀(23)。
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