CN101636619A

CN101636619A - 燃烧器燃料分级

Info

Publication number: CN101636619A
Application number: CN200880008389.7A
Authority: CN
Inventors: 林锦基
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-03-15
Filing date: 2008-03-11
Publication date: 2010-01-27
Anticipated expiration: 2028-03-11
Also published as: US8484979B2; EP1970629A1; EP2118570A1; US20100064692A1; EP2118570B1; CN101636619B; WO2008110554A1

Abstract

公开了一种具有多个燃料喷射口(5，6)的燃料－空气预混合布置(11)，这些燃料喷射口(5，6)分成至少两组，并以交替顺序布置成一圈，每组具有向各自组供应燃料的公共轨道(16，17)和布置在至少一个公共轨道(16，17)上的阀元件(14)。

Description

燃烧器燃料分级

技术领域

本发明涉及一种燃烧器和一种利用分级燃料供应操作燃烧器的方法。

背景技术

在燃气涡轮的燃烧器中，燃料燃烧产生热压主流气体，该热压主流气体通向涡轮级，在涡轮级该气体在膨胀和冷却的同时，向涡轮叶片传递动量，从而迫使涡轮转子作旋转运动。涡轮转子的机械动力随后可用来驱动发电机以产生电力，或驱动机械。然而，燃烧燃料产生很多污染物，废气中的这些污染物会损害环境。

减少污染物的一种方法是在燃烧前提供完全混合的燃料和气体。在燃气涡轮发动机中，通常通过在燃烧室的涡旋区中将燃料喷射进空气流来产生燃料和空气的预混合，该涡旋区位于燃烧区上游。在混合物进入燃烧区之前，该涡旋产生燃料和空气的混合。固定式燃气涡轮发动机的燃料喷射系统的设计点通常接近全负荷条件，在该设计点处获得合理的低NOx值。

然而，对于不同于设计点的输出功率要求，氮氧化物的形成比率会显著增加。在相对低的功率模式下，例如点火或其他确定的燃烧器条件下，需要相对丰富的燃料/空气比例来启动燃烧并保持燃烧的稳定，其使用引燃燃料喷射实现。

本发明涉及在不同负荷下操作燃气涡轮发动机的预混合燃料系统。

EP0592717B1描述了燃气涡轮机的燃烧室的气体操作预混合燃烧器，其中在预混合空间内，点火前多个喷嘴喷射的燃料与燃烧空气密集混合，喷嘴围绕燃烧器轴线布置。在预混空间内，在燃烧腔轴线区中设置附加燃料喷嘴，这些附加燃料喷嘴可通过单独燃料管道供应，由此便于以特定方式影响预混合燃烧器出口处的燃料分布，燃烧器轴线区的燃料浓度大于预混合燃烧器出口平面处的平均燃料浓度。单独燃料管道设置能关闭的控制阀。

EP0974789B1描述了操作燃气涡轮机的一种方法，其中液体燃料在燃烧室内燃烧，且在该过程中产生的热燃烧气体被引导经过燃气涡轮机，在该方法中液体燃料通过多个并行工作的可控燃烧器供应至燃烧室，并通过燃料喷嘴喷入燃烧室，燃烧器分为至少两个燃烧器组，这些组作为燃气涡轮机操作状态的函数而单个地启动。

EP0976982B1描述了操作燃气涡轮机的一种方法，其中气体燃料通过多个并行工作且布置在至少一个同心环上的燃烧器喷入燃烧室，并在那里燃烧，在该过程中产生的热燃烧气体被引导通过燃气涡轮机，燃烧器分为至少两组，且这些组作为燃气涡轮机的操作状态的函数被单独地启动，在燃气涡轮机从无负荷的空转操作至全负荷操作的运转期间，该至少两组燃烧器以至少两个阶段逐个地点燃和/或启动。至少其中一组包括与另一组相同的燃烧器，这两组燃烧器只是操作模式不同，且这两组的燃烧器在两种操作模式中的适中负荷范围内操作。

GB2242734A描述了一种包括燃烧室的燃烧组件，该燃烧室具有内衬筒和外衬筒，引燃级和主级燃烧室装置置于衬筒之间。涡轮机喷嘴连接到燃烧室的内外衬筒的下游端部，且主级燃烧室装置紧密地联接到发动机喷嘴，以获得主燃烧气体的短暂燃烧驻留时间，从而减少NOx排放。燃烧组件包括引燃级和主级燃烧的第一和第二多个圆周向间隔燃料喷射器，主喷射器只用于低浓度的主喷射，而引燃喷射器只用于高浓度的引燃喷射。

发明内容

本发明的目的是提供在不同机械负荷下操作燃烧器的改善燃料-空气预混合布置，以及操作这种燃料-空气预混合布置的方法，该预混合布置具有低氮氧化物形成率。

这个目的由权利要求1和权利要求8实现。从属权利要求描述了本发明的有益发展和改进。

本发明的燃料-空气预混合布置(特别用于燃气涡轮发动机的旋流器)包括多个燃料喷射口，这多个燃料喷射口分成至少两组，并以交替顺序布置成一圈，其中每组具有公共轨道。阀元件布置在至少一个公共轨道中，以在整个燃气涡轮机负荷范围内分级预混合燃料供应，以获得最优燃料-空气混合品质。

燃料-空气预混合布置可在不同模式下操作。在第一有利、恒定的分级模式中，阀元件是设在至少一个公共轨道上的节流孔(orifice)。与使用不同开口直径的燃料喷射口相比，节流孔调节装置的植入提供了巨大的操作灵活性益处。节流孔是很强的解决方案，它可很容易地适应不同环境条件，如冬季和夏季，或使用不同燃料操作燃烧器。通过节流孔，在整个负荷范围内获得恒定的分级比率/燃料分配。

为了不同负荷点上使用不同分级比率的分级控制，控制阀可置于公共轨道内，从而允许各自燃料喷射口组的燃料质量流量的单独控制。

燃料分级的一种有利方法是使用预设优化程序来在整个负荷范围内控制阀。燃料分配不一定像恒定分级实施方式中一样不变，其作为燃烧器的操作状态的函数可在燃气涡轮发动机的不同负荷点之间变化。

有利地，燃料进料调节成使得：在低负荷下，至少第一组燃料喷射口被提高浓度，用于改善火焰稳定性；在高负荷下，第一和第二燃料喷射口均匀操作，以得到最佳燃料/空气混合。

另一方法中，燃料进料调节成使得：这至少第一和第二燃料喷射口中的至少一组在整个负荷范围内被提高浓度，以提供最大的火焰稳定性。

根据本发明，燃料进料也可调节成使得：在低负荷下，燃料只供应至至少第一和第二燃料喷射口中的一组。这种有益的分级概念提供了取消引燃燃料供应的机会。

还可用主动分级控制实现另一更完善的分级，在这里组分级由引导控制阀的逻辑控制进行主动调节，以确保各个负荷点上的优化燃料分配，该逻辑控制是当前测量值，如排放物或硬件温度或声波脉动(火焰稳定性)的函数，。

一般来说，不同组的燃料喷射口无需相同或不同。

有了这样的燃料-空气预混合布置和这样的操作燃料-空气预混合布置的方法，获得不同负荷点下最佳排放物和火焰稳定性，以及不同压缩机空气流速和不同燃料速度/质量流量的操作条件所需的燃料/空气混合要求就得到了满足。本发明的喷射分级提供了总是这样操作燃烧器的装置，即使得通过配合不同燃料喷射口的正确分级来获得最优排放物和火焰稳定性。

此外，燃烧室出口温度分布明显优于在两种操作模式中的适中负荷范围内操作的(分级)多组燃烧器应用。使用本发明提出的燃料喷射分级，所有燃烧器操作相同，不存在燃烧器分组情况下的作为热组和冷组燃烧器的燃烧器之间的点火温度差异。在罐燃烧室系统中，现有技术的燃烧器分组温度特性变化将比环形燃烧室系统更差，因为在罐间没有混合来均匀罐至罐的温度变化。

附图说明

通过参考附图，现在进一步描述本发明，其中：

图1表示典型的预混合燃料喷射系统，

图2表示燃料喷射系统通道，

图3是常规燃料分级燃料-空气预混合布置的示意图，

图4表示对应于图3的整个负荷的燃料分配，

图5是被动燃料分级燃料-空气预混合布置的示意图，

图6表示对应于图5的整个负荷的燃料分配，在这里，在低负荷下，一组被加料，而在高负荷下，两组均匀地操作，

图7表示对应于图5的整个负荷的燃料分配，在这里，一组在整个负荷范围内都被加料，

图8表示对应于图5的整个负荷的燃料分配，在这里，在低负荷操作下燃料只供应给一组，以消除引燃燃料的供应，以及

图9是主动燃料分级的燃料-空气预混合布置的示意图。

附图中相似的参考数字标志相似或等同的部件。

具体实施方式

图1例示了典型旋流器1，其用作燃气涡轮发动机中的预混合燃料喷射系统。旋流器1包括十二个排列在旋流器叶片支持件3上的旋流器叶片2。旋流器叶片2可固定在燃烧器头部，使它们的侧面远离旋流器叶片支持件3。相邻的旋流器叶片2、燃烧器头部和旋流器叶片支持件3形成旋流器通道4。通常情况下，燃料喷射口5，6排列在这些旋流器通道4中。

在燃烧器操作中，压缩机空气7流入旋流器通道4。在旋流器通道4内，喷射燃料8经过燃料喷射口5，6喷射进入流动的压缩机空气流7。燃料/空气混合物9随后离开旋流器通道4，并流过旋流器叶片支持件3的中央开口10，进入预室(未图示)并抵达进行燃烧的燃烧区。

尽管从设计工程角度来看是相同的，但是图1中的燃料喷射口5和6仍标有不同的参考号码，以显示它们在燃料-空气预混合布置中不同的各自组员关系。

图2更详细显示了带旋流器叶片2的旋流器通道4的透视图，压缩机空气7进入旋流器通道4，且燃料8通过燃料喷射口5，6进入旋流器通道4，并与旋流器通道4中的压缩机空气7混合。

参考图3，其显示了具有恒定燃料分级的燃料-空气预混合布置11的示意图。

恒定燃料分级是燃料供应分级的最简单方式。控制阀12控制主燃料供应管线13中的燃料流。到达第一组的燃料喷射口5的燃料流由阀元件14，节流孔15，在整个负荷范围内恒定地减少，该节流孔15是静态的并布置在第一组燃料喷射口5的公共轨道16中。第二组燃料喷射口6的公共轨道17没有节流孔。因此第二组的公共轨道17中的燃料流是畅通的。

图4显示了图3中恒定燃料-空气预混合布置11的图表。该燃料分配是独立于负荷的。

参考图5，显示了两组燃料喷射开口5，6的被动燃料分级的示意图。允许动态控制的阀元件14，控制阀12分别布置在第一和第二组的燃料喷射口5，6的公共轨道16，17中。控制阀12允许单独控制各组燃料喷射口5和6的公共轨道16和17中的燃料质量流量。

图6至8显示了对应于图5中的被动燃料分级概念的相对于负荷的不同预设燃料分配的图表。图6例示的情况是，在低负荷下，两组中的一组燃料喷射口5被加料，而在在高负荷下两组燃料喷射口5，6均匀操作。

图7例示的情况是，相对于整个负荷范围，两组中的一组燃料喷射口5都被加料。

参考图8，其显示了相对于负荷的燃料分配的图表，其中，在低负荷操作下，燃料8只供应至一组燃料喷射口5，以取消引燃燃料的供应。

图6至8呈现的所有三种情况可由主动燃料分级实现。图9显示了相应的示意图。在此实施方式中，燃料喷射口5，6组间的燃料分配并未预设，却是由控制逻辑18调节，其考虑了诸如排放物、动力和硬件温度的当前测量值。

Claims

1.一种燃料-空气预混合布置(11)，其包括：

多个燃料喷射口(5，6)，

燃料喷射口(5，6)分成至少两组，并以交替顺序布置成一圈，每组具有向各自的组供应燃料的公共轨道(16，17)，以及

设置在至少一个公共轨道(16，17)上的阀元件(14)。

2.如权利要求1所述的燃料-空气预混合布置(11)，其特征在于：公共轨道(16，17)从主燃料供应管线(13)上分叉。

3.如权利要求1或2所述的燃料-空气预混合布置(11)，其特征在于：阀元件(14)为节流孔(15)。

4.如权利要求1或2所述的燃料-空气预混合布置(11)，其特征在于：阀元件(14)为控制阀(12)。

5.如权利要求4所述的燃料-空气预混合布置(11)，其特征在于：进一步包括引导至少一个控制阀(12)的主动控制逻辑(18)。

6.如前述任一项权利要求所述的燃料-空气预混合布置(11)，其特征在于：燃料喷射口(5，6)布置在旋流器(1)上。

7.一种燃烧器，其包括如前述任一项权利要求所述的燃料-空气预混合布置(11)。

8.一种操作燃烧器的方法，该燃烧器包括空气-燃料预混合布置(11)，该空气-燃料预混合布置(11)包括：

多个燃料喷射口(5，6)，

燃料喷射口(5，6)分成至少两组，

每组具有向各自的组供应燃料的公共轨道(16，17)，以及

布置在至少一个公共轨道(16，17)上的阀元件(14)；

该方法包括：

向第一和第二燃料喷射口(5，6)的所述至少两组供应燃料(8)；以及

单独地使用至少一个阀元件(14)向所述组供应燃料。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，燃料进料的调节使得：在低负荷时至少一组燃料喷射口(5)被加料，而在高负荷时第一和第二燃料喷射口(5，6)的所述至少两组均匀地操作。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，燃料进料的调节使得：在整个负荷范围内，至少第一和第二燃料喷射口(5，6)的所述至少一组被加料。

11.如权利要求8所述的方法，其特征在于，燃料进料的调节使得：在低负荷时，仅向至少第一和第二燃料喷射口(5，6)中的一组供应燃料。

12.如权利要求8至11任一项所述的方法，其特征在于：在整个负荷范围内，各组的燃料分配由预设值控制。

13.如权利要求8至11任一项所述的方法，其特征在于：基于与燃烧器的操作参数相关的当前测量值主动控制燃料分配。

14.如权利要求11所述的方法，其特征在于：引导至一个组的燃料进料用作引燃燃料。