CN101929678A - 用于预混喷嘴中合成气/ng dln的多燃料回路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于预混喷嘴中合成气/NG DLN的多燃料回路。具体而言，一种用于燃气轮机的燃烧系统中的燃烧装置的燃料/空气预混器，其包括空气进口(1，6)、固定的喷嘴几何结构(4)以及环形混合通道(3)。燃料/空气预混器在环形混合通道中混合燃料和空气以喷射到燃烧器反应区(5)中。多个燃料源(21，22)与该固定的喷嘴几何结构连接，并且各燃料源可与该固定的喷嘴几何结构协作，以实现包括燃料类型、燃料掺杂、体积流量和压力比方面的变化的多种燃料流变化。

Description

用于预混喷嘴中合成气/NG DLN的多燃料回路 

技术领域

本发明涉及重型工业燃气轮机，并且具体涉及用于工业燃气轮机的燃烧装置(burner)，其包括能使多股气流的混合物实现期望性能如对于排放的燃料混合、火焰稳定稳健性以及对燃烧振荡的控制的燃料/空气预混器。 

背景技术

燃气轮机制造商目前参与研究和工程计划，用以生产将高效运行而不会产生不希望有的空气污染排放物的新型燃气轮机。通常通过燃气轮机燃烧常规碳氢化合物燃料所产生的主要空气污染排放物为氮氧化物、一氧化碳和未燃碳氢化合物。本领域中众所周知的是，空气发动机中氮分子的氧化很大程度上取决于燃烧系统反应区中的最高热气体温度。形成氮氧化物(NOx)的化学反应率是温度的幂函数。如果将燃烧室热气体的温度控制在足够低的水平，则将不会产生热NOx。 

将热力发动机燃烧器的反应区的温度控制在热NOx在其形成的水平以下的一个优选方法是在燃烧前将燃料和空气预混成贫燃料混合物。贫燃料预混燃烧器的反应区中存在的过量空气的热质量吸收热量并且将燃烧产物的升温降至在其中不会形成热NOx的水平。 

存在一些与通过燃料和空气的贫燃料预混运行的干式低排放燃烧器相关的问题。也就是说，在燃烧器反应区外部的燃烧器预混区段内存在燃料和空气的可燃混合物。由于回火，其发生在火焰从燃烧器反应区传播到预混区段中时，或自动点火，其发生在燃料/空气混合物在预混区段中的停留时间和温度足以用于在不具备点火装置的情况 下启动燃烧时，在预混区段内存在发生燃烧的趋势。在预混区段中燃烧的后果是排放性能的恶化和/或过热以及损坏预混区段，该预混区段通常未设计成承受燃烧的热量。因此，要解决的一个问题是防止导致在预混器内燃烧的回火或自动点火。 

另外，离开预混器并进入燃烧器反应区的燃料和空气的混合物必须很均匀以实现期望的排放性能。如果流场中存在其中燃料/空气混合物强度明显比平均值富含的区域，则这些区域中的燃烧产物将达到高于平均值的温度，并且将形成热NOx。这可导致无法根据温度和驻留时间的结合来满足NOx排放目标。如果流场中存在其中燃料/空气混合物强度明显贫乏于平均值的区域，则可能发生熄灭，从而无法将碳氢化合物和/或一氧化碳氧化至均衡水平。这可导致无法满足一氧化碳(CO)和/或未燃碳氢化合物(UHC)排放目标。因此，要解决的另一个问题是产生离开预混器的燃料/空气混合物强度分布，其足够均匀以便满足排放性能目标。 

更进一步而言，为了满足在许多应用中施加于燃气轮机的排放性能目标，需要将燃料/空气混合物强度降至接近大多数碳氢化合物燃料的可燃性下限极限的水平。这导致火焰传播速度的下降以及形成排放物。结果，贫燃料预混燃烧器趋于比更常规的扩散火焰燃烧器更不稳定，并且经常产生高级别燃烧驱动的动态压力活性(activity)。该高级别动态压力活性会产生不良后果，例如由于磨损或疲劳、回火或吹熄引起的燃烧器和涡轮硬件损坏。因此，要解决的又一个问题是将燃烧驱动的动态压力活性控制在可以接受的低级别。 

用于减排的贫燃料预混燃料喷射器在整个行业中普遍使用，二十多年来已减少至在重型工业燃气轮机中实施。该种设备有代表性的实例在授予通用电气公司的美国专利No.5,259,184中进行了描述。此类设备已在燃气轮机减排的领域中取得长足进步。已在不使用稀释喷射如蒸汽或水的情况下实现相对于现有技术的扩散火焰燃烧器以一定数量级或以上减少氮氧化物NOx排放。 

然而，这些排放性能成果的取得以招致若干问题为代价。具体而言，装置预混区段内回火和火焰稳定导致排放性能的恶化和/或由于过热引起的硬件损坏。另外，燃烧驱动的动态压力活性的增加的级别导致燃烧系统零件和/或燃气涡轮的其它零件的使用寿命由于磨损或高周疲劳失效而缩短。更进一步而言，燃气轮机操作复杂性增加和/或需要对燃气轮机的运行进行限制，以避免引起高级别动态压力活性、回火或吹熄的状态。 

除这些问题以外，常规的贫燃料预混燃烧器尚未实现可通过燃料和空气的完美均匀预混而实现最大限度地减低排放。 

用于减小贫燃料预混干式低排放燃烧器中燃烧驱动的动态压力活性的幅度的方法实例可在授予通用电气公司的美国专利No.5,211,004中找到。建立在该现有技术的原理之上的改进在同样授予通用电气公司的美国专利No.6,438,961中进行了描述。该专利描述了控制燃料/空气径向轮廓和燃料喷射压降二者以最大限度地减小或消除由弱极限振荡周期引起的放大。该专利还描述了预混器的独特特征，这些特征使预混器在所有上述问题范围实现相对于现有技术的性能改善。该系统实现了这样的燃气轮机排放性能：其在最先进的重型工业燃气轮机的提高的点火温度下优于现有技术的贫燃料预混干式低排放燃烧器性能。具体而言，最大限度地减少了氮氧化物(NOx)的排放而不会使一氧化碳(CO)和未燃碳氢化合物(UHC)排放性能受损。另外，对于重型工业燃气轮机应用，该专利相对于当前技术的贫燃料预混干式低排放燃烧器在阻止预混器内的回火和火焰稳定方面获得了改进。更进一步而言，对于重型工业燃气轮机，该专利相对于当前技术的贫燃料预混干式低排放燃烧器减小了燃烧驱动的动态压力活性的级别并且增加了在燃气轮机的整个运行范围上的贫燃料吹熄裕度。 

将希望的是，增加现有系统中燃料进口/通道的数量，以允许多股气流的混合物进入预混通道以实现期望性能。增设的燃料进口还将允许对于固定的喷嘴几何结构而言大的沃泊(Wobbe)指数变化。 

发明内容

在示例性实施例中，燃料/空气预混器用于燃气轮机的燃烧系统中的燃烧装置中。燃料/空气预混器包括空气进口、至少两个燃料进口、与该至少两个燃料进口联接的相应至少两个燃料源、以及环形混合通道。燃料/空气预混器在环形混合通道中混合燃料和空气以喷射到燃烧器反应区中。旋流喷嘴(swozzle)组件设置在空气进口下游。该旋流喷嘴组件可包括定位成向进入空气给予旋流的多个转动导叶。各转动导叶均包括与至少一个燃料进口连通的内部燃料流动通道。燃料进口和燃料源中的至少一些是可控的，用以实现燃料掺杂和用以实现固定几何结构内的沃泊指数变化。 

在另一示例性实施例中，用于燃气轮机的燃烧系统中的燃烧装置中的燃料/空气预混器包括空气进口、固定的喷嘴几何结构以及环形混合通道，其中，燃料/空气预混器在环形混合通道中混合燃料和空气以便喷射到燃烧器反应区中。多个燃料源与该固定的喷嘴几何结构连接，并且燃料源中的至少一些可与该固定的喷嘴几何结构相协作用以实现包括燃料类型、燃料掺杂、体积流量和压力比方面的变化的多种燃料流变化。 

在又一示例性实施例中，用于在燃气轮机的燃烧系统中的燃烧装置中预混燃料和空气的方法包括以下步骤：(a)使多股燃料流经由燃料进口流入环形混合通道中；(b)控制燃料掺杂和燃料混合物以实现期望性能；以及(c)控制燃料流中的至少一些的体积流量和压力比以适应固定几何结构内的沃泊指数变化。 

附图说明

图1是经过常规燃烧装置的截面图； 

图2示出根据常规燃料装置的预混器的空气旋流器或旋流喷嘴组件； 

图3是图2所示的旋流喷嘴组件的转动导叶的放大图；以及 

图4是结合了多个燃料通道的优选实施例的示意图。 

零件清单 

1进口流动调节器 

2旋流喷嘴组件 

3环形燃料/空气混合通道 

4喷嘴组件 

5燃烧器反应区 

6高压仓室(plenum) 

15环形流动通道 

13圆柱形内壁 

12穿孔式圆柱形外壁 

11穿孔式端盖 

14环形转动导叶 

202护罩壁 

26喇叭口形过渡件 

201毂 

202护罩 

23转动导叶 

21天然气燃料供应通道 

22天然气燃料供应通道 

24气体燃料喷射孔 

25气体燃料喷射孔 

29进口端口 

27，28环形通道 

31旋流喷嘴毂延伸体 

32旋流喷嘴延伸体 

42槽形气体顶端(tip) 

43气体孔 

44波纹管 

45空腔 

30第三燃料通道或燃料进口 

具体实施方式

图1是经过美国专利No.6,438,961中描述的燃烧装置的截面，而图2和图3显示了通过转动导叶或旋流喷嘴喷射燃料的空气旋流器组件的细节。在实践中，空气雾化式液体燃料喷嘴将安装在燃烧器组件的中心，以提供双燃料能力；然而，该液体燃料喷嘴组件并未形成本发明的一部分并且为了清楚已从示图略去。该燃烧装置组件按功能分为四个区域，包括进口流动调节器1、进行天然气燃料喷射的空气旋流器组件(称为旋流喷嘴组件)2、环形燃料/空气混合通道3以及中心扩散火焰天然气燃料喷嘴组件4。 

空气从高压仓室6进入燃烧装置，该高压仓室包围除进入燃烧器反应区5的排放端以外的整个组件。大部分用于燃烧的空气经由进口流动调节器(IFC)1进入预混器。IFC包括环形流动通道15，该通道15在内径处通过实心圆柱形内壁13、在外径处通过穿孔式圆柱形外壁12以及在上游端处通过穿孔式端盖11界定。在流动通道15中心的是一个或多个环形转动导叶14。预混空气经由端盖和圆柱形外壁中的穿孔进入IFC 1。 

IFC 1的作用是为准备空气流速分布以便进入预混器。IFC 1的原理基于在预混空气进入预混器之前使该空气承受背压的概念。这允许预混气流更好的角向分布。穿孔壁11、12执行使系统承受背压并且使流动均匀地周向分布在IFC环形空间15周围的功能，而转动导叶14联合穿孔壁工作，以产生进入空气在IFC环形空间15的恰当的径向分布。根据预混器内期望的流动分布以及用于多燃烧装置式燃烧器 的单独预混器之间的分流，结合转动导叶14的轴向位置选择用于穿孔壁的适当的孔图案。使用计算机流体动态代码来计算流分布，以确定用于穿孔壁的适当的孔图案。用于此目的的合适的计算机程序由纽约长岛的Adapco命名为STAR CD。 

为了消除护罩壁202附近在通向旋流喷嘴2进口处的低速区域，在IFC与旋流喷嘴之间使用喇叭口形过渡件26。 

在重型工业燃气轮机应用中的多燃烧装置干式低排放燃烧系统方面的经验已表明，包围燃烧装置的仓室6中存在不均匀的气流分布。这可引起在燃烧装置之间不均匀的气流分布或预混器环形空间内明显的气流分布不匀。这种气流分布不匀的后果是进入燃烧器反应区的燃料/混合物强度分布不匀，这又引起排放性能的恶化。一定程度上对于IFC 1提高燃烧装置之间以及单个燃烧装置的预混器环形空间内的气流分布均匀性而言，这还改善了整个燃烧系统和燃气轮机的排放性能。 

在燃烧空气离开IFC 1后，其进入旋流喷嘴组件2。旋流喷嘴组件包括通过一系列翼型形状的转动导叶23连接的毂201和护罩202，这些转动导叶将旋流给予经过预混器的燃烧空气。各转动导叶23包含穿过翼型件芯部的主天然气燃料供应通道21和副天然气燃料供应通道22。这些燃料通道将天然气燃料分配给主气体燃料喷射孔24和副气体燃料喷射孔25，这些燃料喷射孔穿过翼型件的壁。这些燃料喷射孔可位于转动导叶23的压力侧、吸入侧或两侧上。天然气燃料通过进口端口29和分别供给主、副转动导叶通道的环形通道27、28而进入旋流喷嘴组件2。天然气燃料在旋流喷嘴组件中开始与燃烧空气混合，并且燃料/空气混合在环形通道3中完成，该环形通道由旋流喷嘴毂延伸体31和旋流喷嘴护罩延伸体32形成。在离开环形通道3后，燃料/空气混合物进入在其中发生燃烧的燃烧器反应区域5。 

由于旋流喷嘴组件2通过空气动力转动导叶(翼型件)23的表面喷射天然气燃料，故最大限度地减少了对气流场的干扰。在燃料喷射到 气流中之后这种几何结构的使用并未在预混器中形成流动停滞或分离/再循环的任何区域。使用该几何结构还最大限度地减少了二次流，其结果是有利于对燃料/空气混合和混合物分布轮廓的控制。流场从喷射到预混器的燃料排放到燃烧器反应区5中的区域在空气动力方面保持清洁。在反应区中，由旋流喷嘴2诱发的旋流导致中心旋涡形成有流动再循环。这稳定了在反应区5中的火焰锋。然而，只要在预混器中的速度保持高于湍流火焰传播速度，则火焰就不会传播到预混器中(回火)；并且，在预混器中不存在流动分离或再循环的情况下，火焰在瞬时造成回流的情况下将不会锚定在预混器中。旋流喷嘴2抵抗回火和火焰稳定的能力对于应用而言极为重要，因为这些现象的出现将导致预混器过热而造成随后的损坏。 

图2和图3显示了旋流喷嘴几何结构的细节。如同所示，各转动导叶23的表面上设有两组天然气燃料喷射孔，包括主燃料喷射孔24和副燃料喷射孔25。燃料通过主气体通道21和副气体通道22供给至这些燃料喷射孔24、25。通过这两个喷射通路的燃料流单独地进行控制，从而能够对从旋流喷嘴毂201至旋流喷嘴护罩202的径向燃料/空气浓度分布轮廓进行控制。 

已知的是，径向燃料浓度轮廓在确定贫燃料预混干式低排放燃烧器的性能中发挥重要作用，对燃烧驱动的动态压力活性、排放性能和功率调低(turndown)性能具有显著影响。径向轮廓控制提供对由于燃料加热值(组合物)和/或供应温度的变化引起的天然气燃料体积流率变化进行补偿的手段。这种新颖的燃料供应方案的额外优点是由于最后形成的毂-富含构造可将燃烧维持在全负荷燃料流量的一部分而可对副燃料通道甩负荷。 

在燃烧装置组件中心的是具有开缝气体顶端42的常规扩散火焰燃料喷嘴4，其从环形通道41接收燃烧空气并且通过气孔43接收天然气燃料。该燃料喷嘴的本体包括波纹管44，用以补偿该喷嘴与预混器之间的差热膨胀。该燃料喷嘴在点火、加速以及其中预混器混合物 过于贫燃料而不能燃烧的低负荷期间使用。该扩散火焰燃料喷嘴还可提供用于预混器的引导火焰，以延伸该可操作性范围。在该扩散火焰燃料喷嘴中心的是空腔45，其设计成用以容纳液体燃料喷嘴组件以提供双燃料性能。 

所示的结构提供对燃料/空气径向轮廓的直接主动控制，以允许在一定运行状态范围上的最佳性能。它还允许可帮助减少燃料系统数量且因此降低总体系统成本的新型甩负荷策略的可能性。 

除了提供对燃料/空气径向轮廓的控制以外，通过两个可独立控制的流动通路向预混器供应燃料提供了控制经过燃料喷射孔的压降的手段。由于可调节燃料喷射对预混器中压力波的响应以匹配空气供应响应，所以这提供了控制动态压力活性的另一种方法。由于可通过改变两个流动通路之间的燃料分流而调节燃料喷射孔的总有效面积，所以即使当燃料供应加热值和/或温度的变化使得需要改变燃料通过喷射器的体积流量时也保持了这种性能。对于为典型现有技术的具有单一固定面积燃料流动通路的喷射器而言，无法获得这种性能。通过匹配预混器燃料和空气对压力波的响应，可最大限度地减小或消除弱极限振荡周期引起的动态压力放大。 

在优选实施例中，可扩展图1至图3所示的设计，以允许不同组合物的多股燃料流进入燃料/空气预混器。例如，参照图4，增设第三燃料通道或燃料进口30以允许多股气流如合成气体(合成气)和天然气的混合物进入预混通道，以实现期望性能如对于排放的燃料混合、火焰稳定稳健性和对燃烧振荡的控制。虽然示出的是一个增设的燃料通道或燃料进口30，但可增设更多的燃料通道/进口。各燃料通道30在运行期间可利用掺杂的合成气和甲烷流或可相反地仅流动合成气而其它回路则流动天然气。对于这种构造，可通过控制通过喷射燃料到预混通道中的多个孔口的体积流量和压力比二者而允许大的沃泊指数变化。也就是说，在运行期间，根据流动燃料的沃泊指数，通道可使燃料流经它并且可“接通”或“切断”或其间的一定程度。 

过去，与合成气燃料如带CO的那些相关的大体积流量由于射流穿透或对旋流器导叶的空气动力性能的影响而形成潜在的回火/火焰稳定难题。对诸如合成气或沃泊指数的变化的应用使用如图4所示的多个燃料通道允许使用单一喷嘴几何结构。多个燃料通道允许对预混器系统进行射流动量和其它火焰稳定缺点的控制。避免了因燃料射流引起的大堵塞且因此最大限度地减少了对导叶空气动力性能的干扰。另外，使用多个燃料通道允许可在燃烧系统内掺杂多股燃料流如合成气、甲烷或其它燃料。 

对于修改的结构，相应燃料源中的多个燃料进口是可控的，以实现固定几何结构内大的沃泊指数变化(即，大于10％)。因此，将涡轮的运行可调节为用于参数的期望输出或通过控制燃料输入而解决运行方面的担忧并且无需改变系统的结构。 

虽然已结合目前认为是最实用和优选的实施例描述本发明，但应该理解的是，本发明并不局限于所公开的实施例，而是相反，本发明旨在涵盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种改型和等同装置。 

Claims (9)

1.一种在燃气轮机的燃烧系统中的燃烧装置中使用的燃料/空气预混器，所述燃料/空气预混器包括：

空气进口(1，6)；

至少两个燃料进口(21，22)；

与所述至少两个燃料进口联接的相应至少两个燃料源(21，22)；

环形混合通道(3)，其中，所述燃料/空气预混器在所述环形混合通道中混合燃料和空气以便喷射到燃烧器反应区中；以及

处在所述空气进口下游的旋流喷嘴组件(2)，所述旋流喷嘴组件包括定位成用以向进入空气给予旋流的多个转动导叶(23)，其中，每个所述转动导叶均包括与至少一个所述燃料进口连通的内部燃料流动通道(24，25，27，28)，

其中，所述燃料进口和所述燃料源中的至少一些是可控的，用以实现燃料掺杂和用以实现固定几何结构内的沃泊指数变化。

2.根据权利要求1所述的燃料/空气预混器，其特征在于，所述至少两个燃料源(21，22)包括不同燃料类型的源。

3.根据权利要求2所述的燃料/空气预混器，其特征在于，所述燃料类型包括天然气、合成气体、甲烷和掺杂的合成气体和甲烷。

4.根据权利要求1所述的燃料/空气预混器，其特征在于，所述燃料进口(21，22)和所述燃料源(21，22)中的至少一些可协作以实现对所述燃料的体积流量和压力比的控制。

5.根据权利要求1所述的燃料/空气预混器，其特征在于，所述燃料进口(21，22)和所述燃料源(21，22)中的至少一些是可控的，用以实现燃料掺杂和用以实现在所述固定几何结构内超过10％的沃泊指数变化。

6.一种在燃气轮机的燃烧系统中的燃烧装置中使用的燃料/空气预混器，所述燃料/空气预混器包括空气进口(1，6)、固定的喷嘴几何结构(4)以及环形混合通道(3)，其中，所述燃料/空气预混器在所述环形混合通道中混合燃料和空气以便喷射到燃烧器反应区(5)中，其中，多个燃料源(21，22)与所述固定的喷嘴几何结构连接，且其中，所述燃料源中的至少一些可与所述固定的喷嘴几何结构协作，以实现包括燃料类型、燃料掺杂、体积流量和压力比方面的变化的多种燃料流变化。

7.一种使用燃料/空气预混器在燃气轮机的燃烧系统中的燃烧装置中预混燃料和空气的方法，所述燃料/空气预混器包括空气进口(1，6)、至少两个燃料进口(21，22)、与所述至少两个燃料进口联接的相应至少两个燃料源(21，22)、环形混合通道(3)以及处在所述空气进口下游用于向进入空气给予旋流的旋流喷嘴组件(2)，所述方法包括：

(a)使多股燃料流经由所述燃料进口流入所述环形混合通道中；

(b)控制燃料掺杂和燃料混合物以实现期望性能；以及

(c)控制所述燃料流中的至少一些的体积流量和压力比，以适应固定几何结构内的沃泊指数变化。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤(a)通过流动包括天然气、合成气体、甲烷以及掺杂的合成气体和甲烷的燃料流而予以实施。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤(c)通过根据所述燃料流中相应燃料的沃泊指数来接通或切断所述燃料流中的至少一些而予以实施。

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