CN101922710A - 通过温度检测进行燃烧器逆燃/驻焰探测 - Google Patents

通过温度检测进行燃烧器逆燃/驻焰探测 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种燃烧器，包括限定具有多个燃烧区的燃烧室(46，140)的燃烧器壳体(12，40，120)。多个温度探测器(60，180)设置成与燃烧室连通。多个温度探测器探测多个燃烧区中的温度。与多个温度探测器连通的控制器(65)被编程为基于来自多个温度探测器的信号来确定多个燃烧区中的驻焰状况或逆燃状况的发生。

Description

通过温度检测进行燃烧器逆燃/驻焰探测
技术领域
本发明涉及使用温度传感器来探测燃烧器逆燃/驻焰(flameholding)。
背景技术
在燃气涡轮中，燃料在具有一个或多个燃料喷嘴的一个或多个燃烧器中与压缩机产生的压缩空气一起燃烧，该燃料喷嘴构造成在位于燃烧区(主燃烧区)的上游的预混合区中提供燃料和空气的预混合。燃气涡轮燃烧器实质上是用于混合大量燃料和空气且燃烧所产生的混合物的装置。具有设计成在没有注入水或蒸汽的情况下将NOx排放降低到40ppm以下的水平的燃烧系统的燃气涡轮采用这样的燃烧过程：燃料在燃烧过程之前与空气均匀地混合。在预混合区中，有时候会发生燃料和空气的引燃。不管其原因，这种事件称为“逆燃”。由于大多数预混合系统的设计，燃料和空气在预混合段中的燃烧通常对构件造成相当大的损害。由于各种原因，设计火焰在预混合段中的满意地操作的低NOx的燃烧器常常是不实际的。
之前，已经通过具有驻焰余量和限制可燃烧的燃料类型来防止逆燃/驻焰。可通过探测逆燃的发生和通过迅速采用补救措施来避免对燃料喷嘴(以及潜在地对下游的任何燃气涡轮硬件)的灾难性损害。另外，通过使用逆燃探测传感器，可实现燃料适应性，使得可燃烧高阶碳氢化合物燃料和/或包含一部分纯氢的燃料。
发明内容
在示例性实施例中，一种燃烧器包括限定具有多个燃烧区的燃烧室的燃烧器壳体。多个温度探测器设置成与燃烧室连通。多个温度探测器探测多个燃烧区中的温度。与多个温度探测器连通的控制器被编程为基于来自多个温度探测器的信号来确定多个燃烧区中的驻焰状况或逆燃状况的发生。
在另一个示例性实施例中，一种燃气涡轮包括构造成压缩空气的压缩机，以及与压缩机流连通的所提到的燃烧器。燃烧器接收来自压缩机的压缩空气，且燃烧燃料流，以产生燃烧器排气流。
在又一个示例性实施例中，一种燃烧器包括：预混合装置，其将燃料和空气混合成气态预混合物，且将该气态预混合物引入燃烧室中；与燃烧室连通的多个温度探测器，其监测燃烧室中的温度升高；以及控制器，其与多个温度探测器连通，且被编程为基于来自多个温度探测器的信号来确定燃烧区中的驻焰状况或逆燃状况的发生。多个温度探测器沿监测预混合装置的上游的温度的定向而设置。
附图说明
图1是燃气涡轮的示意图；
图2是在图1的燃气涡轮系统中采用的具有预混合装置的燃烧器的示意图；
图3是显示了燃烧器的相关部件的侧视图和截面图；
图4是显示了用于操作燃烧器的方法的流程图；以及
图5是期望的逆燃检测和调节的时序/时间图。
标号列表
10 燃气涡轮
12 燃烧器
14 压缩机
16 环境空气
18 压缩空气
20 燃料流
22 排气流
24 涡轮
26 发电机
28 轴
40 燃烧器
42 预混合装置
44 气态预混合物
46 燃烧室
48 下游过程
50 旋流器叶片
60 温度探测装置
65 控制单元
100 燃气涡轮
110 压缩机
115 压缩空气
120 燃烧器管(combustor can)
130 涡轮
140 燃烧室
150 扩散器
160 燃料喷嘴
165 排气流
170 外部壳体
180 温度探测器
具体实施方式
本文描述的示例性实施例包括用于通过通到例如燃料喷嘴的出口且放置在燃料喷嘴的出口附近的温度传感器所提供的温度检测来探测和校正燃气涡轮燃料喷嘴中的逆燃/驻焰的结构。监测火焰/壁温度使得能够探测任何异常，包括火焰冒出或逆燃。当探测到驻焰/逆燃时，需要采取恰当的措施，以及防止对燃气涡轮的损害。
参照图1，示出了具有燃烧器12的燃气涡轮10。燃气涡轮10包括构造成压缩环境空气16的压缩机14。燃烧器12与压缩机14流连通，且构造成接收来自压缩机14的压缩空气18，且燃烧燃料流20，以产生燃烧器排气流22。燃气涡轮10包括位于燃烧器12的下游的涡轮24，涡轮24构造成使燃烧器排气流22膨胀，以驱动外部负载，例如发电机26。在所示实施例中，涡轮24产生的动力通过轴28驱动压缩机14。燃烧器12采用构造成探测燃气涡轮燃烧室中的驻焰/逆燃且采取恰当的措施来防止对燃气涡轮10的损害的温度探测装置和控制器。
图2是在图1的燃气涡轮系统10中采用的具有温度探测装置60的燃烧器12的示例性构造40的示意图。如图所示，燃烧器40包括构造成混合燃料20和空气18以形成气态预混合物44的预混合装置42。燃烧器40包括构造成燃烧预混合燃料44以形成燃烧器排气流22的燃烧室46。燃烧器排气流22被引导到下游过程48，例如引导到涡轮24(见图1)，以便驱动外部负载26(见图1)。预混合装置42还可包括构造成对燃料20和/或空气18提供旋流运动以有利于混合燃料20和空气18的多个旋流器叶片50。在示例性实施例中，燃烧器40包括温度探测装置60，温度探测装置60可联接到预混合装置42和燃烧室46中的任何一个或两者上，以及与预混合装置42和燃烧室46中的任何一个或两者连通。温度探测装置60可为适于所描述的目的的任何这种装置(包括(但不限于)热电偶、光学高温计)，或者使用光纤连通的任何这种装置。
燃烧器40还包括联接到温度探测器60上的控制单元65。控制单元65接收来自温度探测器的、响应于燃烧室46中的驻焰/逆燃的信号。控制单元65还与空气18和燃料20的源连通。如本文进一步描述，如果控制单元65接收了指示燃烧室46中存在驻焰/逆燃的信号，控制单元65就可采取恰当的措施来减轻对燃气涡轮的损害。控制单元65可采取的恰当措施包括停止流到燃烧室的燃料和空气流或者对空气和燃料流量进行一些修改，以降低或消除驻焰/逆燃。
图3示出了包括多个温度探测器180的示例性燃气涡轮100。燃气涡轮的实例显示了温度探测器，该温度探测器联接到燃气涡轮的燃烧室140上且与燃烧室140连通，且该温度探测器构造成探测燃烧室140内的温度。
类似于图1，燃气涡轮100包括构造成压缩环境空气的压缩机110。一个或多个燃烧器管120通过扩散器150与压缩机110流连通。燃烧器管120构造成接收来自压缩机110的压缩空气115，以及燃烧来自燃料喷嘴160的燃料流，以产生燃烧器排气流165，该燃烧器排气流165穿过燃烧室140到达涡轮130。涡轮130构造成使燃烧器排气流165膨胀，以驱动外部负载。燃烧器管120包括外部壳体170，外部壳体170包括固定到壳体170上的一系列的温度探测器180。温度探测器180联接到燃烧室140，且与燃烧器排气流165连通。
控制单元65能够探测来自多个温度探测器(例如温度探测器180)的信号响应，且执行表决算法来确定控制单元65响应于驻焰/逆燃状况所采取的措施的类型。例如，如果三个探测器180中的两个确定存在逆燃状况，则控制单元65就可切断或减少通往燃烧器管120的燃料。类似地，如果仅一个探测器180探测到逆燃，控制单元65就可决定继续供应燃料，直到探测器180作出另一次读取。该多个探测器元件可驻留在对应于探测器180的封罩中。该多个探测器元件可为多路传输的，以便综合在燃烧器管120中探测到的信号。这样，可执行综合信号，以确定表决算法的结果。
图4是显示了用于根据示例性实施例来操作燃烧器的方法700的流程图。在框705处，燃料喷嘴(例如图3的160)将燃料引入预混合装置(例如图2的42)中，且压缩机(例如图3的110)将空气引入预混合装置中。在框710处，预混合装置形成气态预混合物。在框715处，燃烧器(例如图3的燃烧器管120)燃烧燃烧室(例如图3的165)中的预混合物。在框720处，监测燃烧室内的温度。如果温度探测器探测到证明驻焰/逆燃的状况(框725中的是)，则在框730处，控制器可修改至预混合装置中的燃料流量或本文描述的其它恰当的措施。如果温度探测器没有探测到这种状况(框725中的否)，则过程返回到框705。
图5是期望的逆燃检测和调节的时序/时间图。在发生逆燃事件时，需要传感器和控制器在三秒之内探测到该事件，并且控制器在另外三秒之内采取措施。减轻动作应该花少于四分之一秒，且应当在另外四分之一秒之内消除逆燃事件。该值是示例性的，且可被调节以确保避免硬件损害和错误警报。
已经描述了用于探测燃烧器管120的燃烧室140中的驻焰/逆燃的示例性实施例。可在系统中的其它位置，例如从燃料喷嘴160(见图3)探测热排放。通过从燃料喷嘴160监测热排放，系统可确定燃料喷嘴160内是否有火焰，因为热排放将指示比在燃料喷嘴160中预期的温度更高的温度。可在旋流器叶片、喷燃器管或燃料喷嘴160的扩散尖端或诸如燃烧器中的其它下游构件处测量指示驻焰/逆燃的热排放。温度探测器180优选地定向成邻近燃料喷嘴160或燃料喷嘴回路。可将来自预混合回路的燃料完全或部分地重定向到另一个燃料回路，或者排出到未使用过的燃料回路，例如扩散火焰回路。另外，光学高温计探测器180可以是隔开的，从而使得各个探测器180与燃料喷嘴160中的一个共享一条视线。因而，如果探测器中的两个指示存在驻焰/逆燃事件，控制单元65就因此知道是哪个燃料喷嘴160受到影响。这样，控制器可选择性地减少燃料，或者切断通往这个受影响的燃料喷嘴160的燃料。理解的是，当控制单元65仅作用于单个燃料喷嘴160时，燃烧器管120可经历最小的中断。因而，可在下一个计划的停机期间对受影响的燃料喷嘴160进行维修。
通过在燃气涡轮内包括有策略地放置的温度传感器，可探测到不期望的驻焰/逆燃，且可通过迅速采取补救措施来避免对燃料喷嘴的灾难性损害。另外，在探测器就位的情况下，可提高燃料适应性，从而使得能够使用高阶碳氢化合物燃料和/或包含一部分纯氢的燃料，而不会有驻焰/逆燃造成的损害的风险。
虽然已经结合目前被认为是最实际和优选的实施例对本发明进行了描述，但要理解的是本发明不限于公开的实施例，而是相反，本发明意图覆盖包括在权利要求书的精神和范围内的各种修改和等效布置。

Claims (9)

1.一种燃烧器，包括：
限定具有多个燃烧区的燃烧室(46，140)的燃烧器壳体(12，40120)；
设置成与所述燃烧室连通的多个温度探测器(60，180)，所述多个温度探测器探测所述多个燃烧区中的温度；以及
与所述多个温度探测器连通的控制器(65)，所述控制器被编程为基于来自所述多个温度探测器的信号来确定所述多个燃烧区中的驻焰状况或逆燃状况的发生。
2.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述多个温度探测器(60，180)包括热电偶和光学高温计中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述燃烧器还包括在所述燃烧室(46，140)的上游将燃料和空气混合成气态预混合物(44)的预混合装置(42)，其中，所述控制器(65)被编程为在所述多个燃烧区中发生驻焰状况或逆燃状况时修改供应到所述预混合装置的燃料的量。
4.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述燃烧器壳体(12，40，120)包括多个燃料喷嘴(160)，并且其中，所述多个温度探测器(60，180)设置在所述多个燃料喷嘴中，以测量来自所述多个燃料喷嘴的热排放。
5.一种燃气涡轮，包括：
构造成压缩空气的压缩机(14，110)；
与所述压缩机流连通的燃烧器(12，40，120)，所述燃烧器接收来自所述压缩机的压缩空气(18，115)，并且燃烧燃料流(20)，以产生燃烧器排气流(22，165)，所述燃烧器包括：
限定具有多个燃烧区的燃烧室(46，140)的燃烧器壳体；
设置成与所述燃烧室连通的多个温度探测器(60，180)，所述多个温度探测器探测所述多个燃烧区中的温度；以及
与所述多个温度探测器连通的控制器(65)，所述控制器被编程为基于来自所述多个温度探测器的信号来确定所述多个燃烧区中的驻焰状况或逆燃状况的发生。
6.根据权利要求5所述的燃气涡轮，其特征在于，所述多个温度探测器(60，180)包括热电偶和光学高温计中的至少一种。
7.根据权利要求5所述的燃气涡轮，其特征在于，所述燃气涡轮还包括在所述燃烧室(46，140)的上游将燃料和空气混合成气态预混合物(44)的预混合装置(42)，其中，所述控制器(65)被编程为在所述多个燃烧区中发生驻焰状况或逆燃状况时修改供应到所述预混合装置的燃料的量。
8.根据权利要求5所述的燃气涡轮，其特征在于，所述燃烧器壳体(12，40，120)包括多个燃料喷嘴(160)，并且其中，所述多个温度探测器(60，180)设置在所述多个燃料喷嘴中，以测量来自所述多个燃料喷嘴的热排放。
9.一种燃烧器，包括：
将燃料和空气混合成气态预混合物(44)且将所述气态预混合物引入燃烧室(46，140)的预混合装置(42)；
与所述燃烧室连通的多个温度探测器(60，180)，所述多个温度探测器监测所述燃烧室中的温度升高；以及
与所述多个温度探测器连通的控制器(65)，所述控制器被编程为基于来自所述多个温度探测器的信号来确定所述燃烧区中的驻焰状况或逆燃状况的发生，其中，所述多个温度探测器沿监测所述预混合装置的上游的温度的定向而设置。
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