CN101793409B - 用于减轻预混合燃烧器中的逆燃条件的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种用于减轻预混合燃烧器中的逆燃条件的系统和方法。其中，一种方法可减轻燃气涡轮中的逆燃条件。该燃气涡轮可包括燃料喷嘴(102)。该方法可包括：探测在该燃料喷嘴(102)中的逆燃条件，以及，中断到该燃料喷嘴(102)的燃料流。

Description

用于减轻预混合燃烧器中的逆燃条件的系统和方法
技术领域
本公开内容大体而言涉及用于减轻燃气涡轮中的逆燃条件(flashback condition)的系统和方法，且更特定而言，涉及用于减轻燃烧器的预混合燃料喷嘴中的逆燃条件的系统和方法。
背景技术
许多燃气涡轮包括压缩机、燃烧器和涡轮。压缩机形成压缩空气，压缩空气被供应到燃烧器。燃烧器燃烧压缩空气与燃料以生成空气-燃料混合物，空气-燃料混合物被供应到涡轮。涡轮从空气-燃料混合物提取能量用于驱动负载。
在许多情况下，燃气涡轮包括多个燃烧器。燃烧器可设置在压缩机与涡轮之间。举例而言，压缩机和涡轮可沿着公共轴线对准，且燃烧器可以以绕公共轴线的圆形阵列在涡轮入口处设置在压缩机与涡轮之间。在操作中，来自压缩机的空气可通过燃烧器之一而行进到涡轮内。
燃烧器可在相对高温操作以确保空气与氧气充分燃烧，从而改进效率。在高温操作燃烧器的一个问题在于可生成相对较高的氧化氮(NOx)水平，其可能会对环境产生负面影响。
为了减少NOx排放，一些现代燃气涡轮采用预混合燃料喷嘴。举例而言，每个燃烧器可由多个预混合燃料喷嘴支承，预混合燃料喷嘴可以以绕燃烧器的圆形阵列设置在燃烧器的入口。在正常操作期间，来自压缩机的空气经由燃料喷嘴进入燃烧器。在燃料喷嘴内，空气与燃料“预混合”以形成空气-燃料混合物。然后在燃烧器中燃烧空气-燃料混合物。使空气与燃料预混合允许在相对较低的峰值温度操作燃烧器，这减少了作为燃烧过程副产物产生的NOx。
尽管在燃料喷嘴中进行预混合允许减少NOx排放，燃料喷嘴存在它们自身的问题。具体而言，在燃气涡轮中可能会发生逆燃条件。举例而言，在燃烧区中的火焰可向上游行进到燃料喷嘴内。或者，自动点燃事件可点燃燃料喷嘴中的空气-燃料混合物，诸如由于高预热温度，空气-燃料混合物中的不规则性(irregularity)、停滞的空气-燃料混合物区或者燃料喷嘴表面效应等造成。无论原因如何，燃烧的空气-燃料混合物可倾向于在燃料喷嘴内稳定，这可能会损坏燃料喷嘴或燃气涡轮的其它部分，这好像损坏的硬件散落于流动路径中。为了解决这个问题，燃料喷嘴被设计成不使存在于其内的任何火焰稳定。但是，这种燃料喷嘴的设计被证明在注有诸如氢气这样相对强反应性燃料的燃气涡轮中是难达到的(elusive)，这是不当的，因为在这种情况下逆燃和火焰稳定相对更可能发生。因此，存在对减轻燃气涡轮中逆燃条件的系统和方法的需要。
发明内容
一种方法可减轻燃气涡轮中的逆燃条件。燃气涡轮可包括燃料喷嘴。该方法可包括：探测燃料喷嘴中的逆燃条件，以及，中断到燃料喷嘴的燃料流。
附图说明
参看附图可更好地理解本公开内容。在所有附图中，匹配的附图标记指代相对应的部件，且在附图中的部件不是必定按照比例绘制。
图1是燃气涡轮的现有技术燃烧系统的实施例的示意截面图。
图2是示出用于减轻燃气涡轮的燃料喷嘴中的逆燃条件的系统的实施例的方块图。
图3是用于减轻燃气涡轮的燃料喷嘴中的逆燃条件的系统的实施例的示意截面图。
图4A是示出根据用于减轻燃气涡轮的燃料喷嘴中的逆燃条件的系统的实施例的、作为时间函数的燃料供应阀的操作的图表。
图4B是示出响应于图4A所示的燃料供应阀的操作的、作为时间的函数的到燃料喷嘴的燃料流的图表。
图5是示出减轻燃气涡轮的燃料喷嘴中的逆燃条件的方法的实施例的流程图。
元件列表：
100    燃烧系统
102    燃料喷嘴
104    燃烧区
106    外壳
108    内壳
110    空气流动套筒
112    外帽
114    内帽
116    燃料供应管线
118    燃料注入端口
120    空气流动路径
122    空气-燃料混合物路径
200    系统
202    燃料供应阀
204    火焰探测器
206    控制器
300    系统
302    燃料供应阀
304a   温度传感器
304b   温度传感器
具体实施方式
图1是燃气涡轮的现有技术燃烧系统100的截面图。燃烧系统100可例如是预混合的燃烧系统。燃烧系统100可大体上包括一个或多个燃料喷嘴102和燃烧区104。三个燃料喷嘴102a、102b和102c仅出于示例目的示出，但也可使用任何其它数目的燃料喷嘴102。
燃烧系统100还可包括外壳106和燃烧衬套108。燃料喷嘴102中的每一个可由端盖112固定到外壳106上并由内帽114固定到燃烧衬套108上。
在一些实施例中，燃料喷嘴102可以是预混合器喷嘴，其混合空气与燃料以形成空气-燃料混合物。举例而言，空气可沿着空气流动路径120流动并到燃料喷嘴102内。燃料可从燃料供应管线116流动到一个或多个燃料注入端口118内，用于在燃料喷嘴102内混合。空气-燃料混合物然后可沿着空气-燃料混合物路径122从燃料喷嘴102出来并到燃烧区104内，在燃烧区104中发生燃烧以产生用于燃气涡轮的其它部段的热气体。
在实施例中，燃料可以是富含氢气的燃料，诸如包括50％体积百分比或更多氢气的燃料。但是，在其它实施例中，可使用其它类型的燃料。
在一些情况下，逆燃条件可发生于燃气涡轮中。逆燃条件可发生于燃料喷嘴102中的一个或多个中，诸如沿着空气-燃料混合物路径122。举例而言，存在于燃烧腔室104中的火焰可向上游移动到燃料喷嘴102内。或者，自动点燃事件可点燃该燃料喷嘴102中的空气-燃料混合物。这种逆燃条件可相对更可能发生于使用富含氢气的燃料的情况，因为这种燃料具有相对更强的反应性。但无论原因如何，可使用图2所示的系统200来减弱或消灭燃料喷嘴102中的逆燃条件。
具体而言，图2是示出用于减轻燃气涡轮中的逆燃条件，诸如燃气涡轮的燃料喷嘴102中的逆燃条件的系统200的实施例的方块图。系统200可减小或停止到燃料喷嘴102内的燃料流较短一段时间，从而可熄灭存在于燃料喷嘴102中的任何火焰。因此，可在燃料喷嘴102或燃气涡轮的其它部件大致受损之前“清除”燃料喷嘴102的火焰。更特定而言，系统200可间歇性地中断或减小到燃料喷嘴102的燃料流，诸如通过将燃料流循环或脉动到燃料喷嘴102。在一些实施例中，系统200可响应于探测到的火焰条件来使该燃料流脉动从而使探测到的火焰熄灭，而在其它实施例中，系统200可使燃料流连续地循环或脉动使得出现于燃料喷嘴102中的任何火焰熄灭。在另外的实施例中，系统200可停止燃料流较短的一段时间，诸如少于一秒钟的一段时间。无论如何，系统200可向燃料喷嘴102提供足量燃料来防止“贫油吹熄(lean blow-out)”，在贫油吹熄情况下在燃烧腔室104内的火焰熄灭。换言之，系统200可减弱或消除燃料喷嘴102中的逆燃条件，同时允许或维持燃烧腔室104中的火焰。由此，可减弱或消除对燃料喷嘴102或燃气涡轮的其它部件的火焰损坏，同时可持续燃烧过程。
系统200可包括燃料供应阀202、逆燃探测器204和控制器206。燃料供应阀202可以是电磁阀或本领域已知的任何其它阀。燃料供应阀202可设置在燃料喷嘴102上游的燃料供应管线116上。燃料供应阀202可通过操作以允许燃料流入到燃料喷嘴102内，从而防止燃料流入到燃料喷嘴102内，或者在一些实施例中，改变流入到燃料喷嘴102内的燃料体积。在一些实施例中，燃料供应阀202可与单个燃料喷嘴102相关联，而在其它实施例中燃料供应阀202可与多个燃料喷嘴102相关联。举例而言，燃料供应阀202可设置在歧管的上游，歧管引导燃料至燃料喷嘴102中的多于一个燃料喷嘴内，在此情况下，燃料供应阀202可通过操作以允许，防止，或者在一些情况下，改变到相关联的燃料喷嘴102中的一个或多个燃料喷嘴内的燃料流。本领域技术人员能基于上述公开内容来实施这些和其它配置，每种配置都包括于本发明的范围内。
系统200还可包括逆燃探测器204。逆燃探测器204可通过操作来探测在燃料喷嘴102中一个或多个燃料喷嘴中的逆燃条件。在燃气涡轮内的逆燃探测器204的位置可基于逆燃探测器204的配置来改变。在一些情况下，一个逆燃探测器204可与每个燃料喷嘴102相关联。举例而言，逆燃探测器204可以是与燃料喷嘴102相关联的温度传感器，其探测燃料喷嘴102中的温度升高。作为另一示例，逆燃探测器204可以是与燃料喷嘴相关联的离子传感器，其探测在燃料喷嘴102中的火焰电离特性(signature)。作为又一示例，逆燃探测器204可以是与燃料喷嘴102相关联的照相机，其采集燃料喷嘴102中火焰的图像。作为另一示例，逆燃探测器204可以是与燃料喷嘴102相关联的火焰探测器，其探测在燃料喷嘴102中的火焰光度。在其它情况下，逆燃探测器204可允许推导出火焰存在于燃料喷嘴102阵列之一中。举例而言，逆燃探测器204可以是差压传感器，其通过操作以判断出越过燃料喷嘴102阵列的静压差超过预期静压差。作为另一示例，逆燃探测器204可以是声压传感器或麦克风，其通过操作以判断出在燃烧区104中的声压信号不同于预期声压信号。这些探测到的条件中的每种情况可指示火焰存在于燃料喷嘴102中的一个或多个中。逆燃探测器204也可以是现在已知或后来开发的任何其它探测器，或者是这些和其它逆燃探测器的组合。
系统200也可包括控制器206。控制器206可使用硬件、软件或其组合来实施以执行如本文所述的功能。举例而言，控制器206可以是处理器、ASIC、比较器、差分模块(differential module)或其它硬件装置。同样，控制器206可包括软件或其它计算机可执行指令，它们可存储于存储器中且可由处理器或其它处理装置来执行。
控制器206可与燃料供应阀202相关联。控制器206可通过操作来控制燃料供应阀202以允许，防止或者在一些情况下改变到燃料喷嘴102的燃料流。举例而言，控制器206可向燃料供应阀202(或相关联的电子器件)发送信号以打开燃料供应阀102，关闭燃料供应阀102或者在一些情况下，可变地控制通过燃料供应阀102的燃料流。
在一些实施例中，控制器206可关闭燃料供应阀202较短一段时间来熄灭其中的任何火焰。举例而言，控制器206可关闭燃料供应阀202少于一秒的一段时间。
在一些实施例中，控制器206可根据预先限定的频率来打开和关闭燃料供应阀202。这个实施例的示例在下文中参考图4A和图4B来描述。在一些情况下，控制器206可以是燃料供应阀202的部件，而在其它情况下，控制器206可以是与燃料供应阀202通信的单独部件。
在一些情况下，控制器206可响应于由逆燃探测器204所探测的逆燃条件来操作燃料供应阀202。举例而言，逆燃探测器204可向控制器206提供火焰存在于燃料喷嘴102中的指示。或者，逆燃探测器204可向控制器206提供所探测的代理指标，诸如探测的温度，且控制器206可处理所探测的代理指标以判断在燃料喷嘴102中是否存在火焰。总之，控制器206可响应于所探测的火焰条件来操作燃料供应阀202，诸如通过使燃料供应阀202停止，减弱，循环，脉动，或者另外间歇性地中断到受影响的燃料喷嘴102的燃料流。
在一些实施例中，控制器206可使燃料流脉动预定时段。在其它实施例中，控制器206可使燃料流脉动直到逆燃探测器204指示出火焰条件已熄灭。由此，可消灭所探测的逆燃条件。
在一些实施例中，燃料供应阀202可以是分配器阀，其在多个燃料喷嘴102之间分配燃料。在这些实施例中，控制器206可响应于所探测的逆燃条件来中断从分配器燃料供应阀到燃料喷嘴102中一个或多个的燃料流，从而可消灭所探测的逆燃条件。
在其它情况下，控制器206可响应于预先限定的操作程序来操作燃料供应阀202，诸如通过以预先限定的频率来打开和关闭燃料供应阀202来中断在燃料管线116中的燃料流。举例而言，燃料喷嘴102可排列成阵列，且控制器206可使燃料流连续地循环或脉动到燃料喷嘴102中的每一个。换言之，控制器206可一次一个或者根据任何其它预先限定的排列来中断到该阵列的每个喷嘴102的燃料流。在这些情况下，每个燃料喷嘴102可间歇性地中断以清除任何潜在的火焰条件，而且燃烧区104可被连续地提供空气-燃料混合物的流动用于持续的燃烧。在这些实施例中可省略或可不省略逆燃探测器204，其可基本上降低与实施和操作该系统200相关联的成本和时间。
应当指出的是，到燃料喷嘴102的燃料流可以选定速率脉动选定时段，选定速率和选定时段基于燃气涡轮的配置来确定。
图3是用于减轻燃气涡轮的燃料喷嘴102中的逆燃条件的系统300的实施例的示意截面图。如图所示，系统300包括燃料喷嘴102，其可以是预混合器喷嘴。燃料喷嘴102连接到燃料供应管线116。燃料供应阀302设置在燃料喷嘴102上游的燃料供应管线116上。燃料供应阀302调节到燃料喷嘴102的燃料流。燃料供应管线116通过一个或多个燃料注入端口118将燃料输送到燃料喷嘴102内。
如图所示，多个温度传感器304a和304b设置在燃料注入端口118下游的燃料喷嘴102中。温度传感器304a、304b允许探测燃料喷嘴102内的逆燃条件。当燃料喷嘴102内存在逆燃条件时，可由温度传感器304a、304b中的一个或多个来探测所造成的温度升高。温度传感器304a、304b(或相关联的控制器，在图3中未示出)可比较所探测的升高的温度与预先限定的阈值温度来判断燃料喷嘴102中存在火焰。在其它实施例中，温度传感器304a、304b可由上文所述的其它逆燃探测器替换或组合，或者可完全省略逆燃探测器。
在探测到逆燃条件时，燃料供应阀302中断到燃料喷嘴102的燃料流。在一些实施例中，燃料供应阀302可减少通过燃料供应管线116流动的燃料量。在其它实施例中，燃料供应阀302可停止通过燃料供应管线116到燃料喷嘴102的燃料流。燃料供应阀302的这种操作可消除燃料喷嘴102中的逆燃条件。在实施例中，燃料供应阀302可以在预先限定的频率打开和关闭该燃料供应管线116的方式操作。燃料供应管线116的这种打开和关闭可在燃料喷嘴102中产生部分或完全熄火，这可能会减弱或消灭逆燃条件。预先限定的频率可基于燃气涡轮的配置和操作参数来选择，诸如以避免燃烧区104中的贫油吹熄条件。
在实施例中，系统300可与采用富含氢气的燃料的燃气涡轮联合使用。与诸如天然气的其它燃料相比，富含氢气的燃料具有比较强的反应性。由于这种反应性，持续的燃烧可发生于燃烧区104中，甚至在到燃料喷嘴102的燃料流中断时，从而可避免贫油吹熄条件。
在实施例中，燃料喷嘴102可包括涡流式混合器，诸如一组叶片(在图中未示出)。在这些实施例中，燃料流可在叶片级而不是喷嘴级中断。举例而言，可诸如由控制器来操作设置在燃料喷嘴内叶片组上游的流动推进的小贩轮(peddler wheel)来中断燃料供应。
图4A是示出根据用于减轻燃气涡轮的燃料喷嘴中的逆燃条件的系统的实施例的、作为时间的函数的燃料供应阀的操作的图表，且4B是响应于图4A所示的燃料供应阀的操作的、作为时间的函数到燃料喷嘴的燃料流的图表。如图4A所示，阀的位置可在100％打开与100％关闭之间变化，其在纵轴上分别为示出为1.0和0.0。如图4B所示，通过燃料供应阀的燃料流可响应于燃料供应阀的这种移动在最大与最小之间改变，其分别在纵轴上被示出为100％和0％。
返回参看图4A，阀可每0.33秒在打开位置与关闭位置之间变化。因此，在图示实施例中，燃料供应阀可以1.5Hz的预先限定频率操作。作为响应，通过燃料供应阀的燃料流可作为正弦波而随时间改变，如图4B所示。
尽管在图示的实施例中燃料供应阀在完全打开位置与完全闭合位置之间移动，但是本领域技术人员应了解阀可随着时间在完全打开、部分打开、部分关闭和关闭位置的任何组合之间移动。另外，在图示实施例中，燃料供应阀以1.5Hz的预先限定的频率操作，但任何其它频率或频率组合也是可能的。用于中断或改变燃料流的预先限定的频率可基于燃气涡轮的配置或操作参数来选择。此外，燃料流可以任何方式循环、中断或改变，包括打开或关闭燃料供应阀之外的方式。
图5是示出用于减轻燃气涡轮的燃料喷嘴中的逆燃条件的方法的实施例的流程图。在方块502中，在燃气涡轮的燃料喷嘴中探测到逆燃条件。燃气涡轮可具有任何配置，包括上文所述的那些配置。举例而言，燃料喷嘴可以是在预混合燃烧系统中的预混合器喷嘴。可使用下列装置中的一个或多个装置来探测逆燃：温度传感器、离子传感器、照相机、静压变换器(static pressure transducer)、声压变换器、火焰探测器或麦克风。在方块504中，到燃料喷嘴的燃料流中断。在实施例中，可通过停止到燃料喷嘴的燃料流较短的一段时间来中断燃料流。举例而言，燃料流可开始或停止或脉动较短的一段时间。可使用预先限定的频率来使燃料流脉动。通过使燃料流中断或脉动，可减弱或消灭在燃料喷嘴中的火焰条件。
在使用富含氢气的燃料的燃气涡轮发动机中，上文所述的系统和方法可允许减弱或避免燃料喷嘴中的逆燃条件同时维持燃烧区中的火焰。由此，可避免贫油吹熄条件，在贫油吹熄条件下在燃烧区中的火焰熄灭。
这个书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳方式，且也使得本领域技术人员能实践本发明，包括做出和使用任何装置或系统并执行任何合并的方法。本发明具专利性的范围由权利要求限定，且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果它们具有与权利要求的字面语言并无不同的元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质不同的等效结构元件，那么这些其它示例预期落在权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种减轻燃气涡轮中逆燃条件的方法，所述燃气涡轮包括阵列燃料喷嘴(102)，所述方法包括：
探测在所述阵列燃料喷嘴(102)中的所述逆燃条件；以及
一次一个中断到所述阵列燃料喷嘴(102)的每个燃料喷嘴的燃料流，使燃料流连续地循环到燃料喷嘴中的每一个。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，探测在所述燃料喷嘴(102)中的所述逆燃条件包括比较在所述燃料喷嘴(102)内的温度与预定温度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，探测在所述燃料喷嘴(102)中的所述逆燃条件包括判断越过所述燃料喷嘴(102)的压差超过预定压差。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，探测在所述燃料喷嘴(102)中的所述逆燃条件包括判断在燃烧区(104)中的声压信号不同于预期声压信号。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，中断到所述燃料喷嘴(102)的燃料流包括停止到所述燃料喷嘴(102)的燃料流预先限定的时段。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，中断到所述燃料喷嘴的燃料流包括以预先限定的频率打开和关闭燃料供应阀(202)。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述预先限定的频率是大约1.5Hz。
8.一种用于减弱燃气涡轮中的火焰条件的系统(200)，所述燃气涡轮包括与阵列燃料喷嘴(102)流体连通的燃料供应管线(116)，所述系统(200)包括：
设置在所述燃料供应管线(116)上的燃料供应阀(202)；
逆燃探测器，其适于探测所述阵列燃料喷嘴(102)中的火焰；以及
控制器(206)，其能够通过操作来响应于所述逆燃探测器探测到所述阵列燃料喷嘴(102)中的火焰来重复地打开和关闭所述燃料供应阀(202)，控制器可一次一个中断到所述阵列燃料喷嘴的每个燃料喷嘴的燃料流，使燃料流连续地循环到燃料喷嘴中的每一个。
9.根据权利要求8所述的系统(200)，其特征在于，所述逆燃探测器包括下列中的一个或多个：温度传感器、离子传感器、照相机、声压变换器、火焰探测器和静压变换器。
10.根据权利要求8所述的系统(200)，其特征在于，所述控制器(206)能够通过操作来以预先限定的频率来重复地打开和关闭所述燃料供应阀(202)。
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