CN102168851B - 燃料柔性燃烧器系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及燃料柔性燃烧器系统和方法。具体而言，本申请提供了一种燃烧器(100)。该燃烧器(100)可包括若干个喷嘴(160，180)、其中具有低反应性燃料(315)的第一燃料源(310)、其中具有高反应性燃料(345)的第二燃料源(340)，以及用于改变传输至喷嘴(160，180)的低反应性燃料(315)流量和高反应性燃料(345)流量的初级阀(320)。
Description
技术领域
本申请大体上涉及燃气涡轮发动机，并且更具体而言，涉及可适应一系列的不同类型燃料的燃料柔性燃烧器系统和方法。
背景技术
干式低NOx(DLN)燃气涡轮发动机的现行设计一般使燃料流和空气流在反应区或燃烧区的上游预混合。这种预混合往往会降低燃烧温度并产生不希望的排放物，比如氧化氮(NOx)等。这种排放物受制于美国的联邦管制和州管制，并且在海外受制于类似的管制。
现行的DLN燃气涡轮机一般用天然气来进行操作，尽管需要提供燃料灵活性，使得燃气涡轮发动机也可用高反应性燃料(比如合成气等)来进行操作。然而，在预混合喷嘴中使用这种高反应性燃料可导致拢焰(flameholding)和可能的喷嘴损伤。因此这种高反应性燃料的使用受到限制。
因此有对涡轮机燃烧器系统和方法的需要，以适应从低反应性燃料(比如天然气)到使用反应性更高的燃料的一系列的燃料。该燃烧器应当能够适应这种高反应性燃料，而不限制耐用性或效率。
发明内容
本申请因此提供了一种燃烧器。该燃烧器可包括若干个喷嘴、其中具有低反应性燃料的第一燃料源、其中具有高反应性燃料的第二燃料源，以及用于改变传输至喷嘴的低反应性燃料流量和高反应性燃料流量的初级阀(primaryvalve)。
本申请还提供了一种用低反应性燃料和高反应性燃料来操作燃烧器的方法。该方法可包括下面的步骤：将低反应性燃料流引至次级喷嘴；将低反应性燃料流引至若干个初级喷嘴；改变引至次级喷嘴和初级喷嘴的低反应性燃料的流量；将高反应性燃料流引至初级喷嘴；以及改变引至初级喷嘴的低反应性燃料的流量和高反应性燃料的流量。
本申请还提供了一种燃烧器。该燃烧器可包括若干个初级喷嘴、次级喷嘴、其中具有低反应性燃料的第一燃料源、用于改变传输至初级喷嘴和次级喷嘴的低反应性燃料流量的次级阀(secondaryvalve)、其中具有高反应性燃料的第二燃料源，以及用于改变传输至初级喷嘴的低反应性燃料流量和高反应性燃料流量的初级阀。
对本领域中普通技术人员而言，在结合附图和所附权利要求书而阅读下面的详细描述之后，本申请的这些和其它特征和改进将变得显而易见。
附图说明
图1是燃气涡轮发动机的示意图。
图2是可如本文中所述的燃烧器的示意图。
图3是在主操作模式下的燃烧器的示意图。
图4是在贫燃-贫燃操作模式(lean-leanmode)下的燃烧器的示意图。
图5是在传输操作模式下的燃烧器的示意图。
图6是具有燃料凸柱(fuelpeg)和传输通道的次级喷嘴的端部的平面图。
图7是在预混合操作模式下的燃烧器的示意图。
图8是燃料喷射系统的示意图。
图9是如本文所述的柔性燃料喷射系统的示意图。
图10是在混合操作模式下的燃烧器的示意图。
零部件清单
| 10 | 燃气涡轮发动机 |
| 20 | 压缩机 |
| 30 | 燃烧器 |
| 40 | 涡轮机 |
| 50 | 负载 |
| 100 | 燃烧器 |
| 110 | 初级燃烧区 |
| 120 | 次级燃烧区 |
| 130 | 文丘里管(venturi) |
| 140 | 内衬 |
| 150 | 导流套筒 |
| 160 | 初级喷嘴 |
| 170 | 端盖 |
| 180 | 次级喷嘴 |
| 190 | 中心体 |
| 200 | 主模式 |
| 210 | 贫燃-贫燃模式 |
| 220 | 传输模式 |
| 222 | 燃料凸柱 |
| 224 | 传输通道 |
| 230 | 预混合模式 |
| 240 | 燃料喷射系统 |
| 250 | 燃料源 |
| 255 | 燃料 |
| 260 | 分流阀 |
| 270 | 控制器 |
| 280 | 速比阀(speed ratio valve) |
| 290 | 气体控制阀 |
| 300 | 柔性燃料喷射系统 |
| 310 | 第一燃料源 |
| 315 | 第一燃料 |
| 320 | 第一燃料分流阀 |
| 330 | 控制器 |
| 340 | 第二燃料源 |
| 345 | 第二燃料 |
| 350 | 第二燃料分流阀 |
| 360 | 混合模式 |
具体实施方式
现在参见附图，其中，在附图中类似的标号代表类似的元件，图1显示了燃气涡轮发动机10的示意图。如已知的，燃气涡轮发动机10可包括压缩机20，以压缩进入的空气流。压缩机20将加压的空气流传输至燃烧器30。燃烧器30将压缩的空气流与压缩的燃料流混合，并且点燃该混合物。虽然仅仅显示了单个燃烧器30，但是燃气涡轮发动机10可具有任何数量的燃烧器30。热的燃烧气体继而被传输至涡轮机40。该热的燃烧气体驱动涡轮机40，使得产生机械功。涡轮机40中所产生的机械功驱动压缩机20和外部负载50，比如发电机等。
燃气涡轮发动机10可以是由纽约斯卡奈塔第(Schenectady)的通用电气公司提供的F类重型涡轮发动机等。燃气涡轮发动机10可具有其它构造，并且可使用其它类型的构件。也可在本文中使用其它类型的燃气涡轮发动机10。可使用多个燃气涡轮发动机10、其它类型的涡轮机和其它类型的动力产生装置。
图2显示了可如本文中所述的燃烧器100的一个示例。燃烧器100可以是由纽约斯卡奈塔第的通用电气公司提供的DLN-1燃烧器等。也可在本文中使用其它类型的燃烧器100。
燃烧器100可包括初级燃烧区或上游燃烧区110和次级燃烧区或下游燃烧区120。燃烧区110、燃烧区120可通过文丘里管130分隔。文丘里管130提高燃烧气体的速度，同时大体上根据伯努利原理来降低其中的压力。燃烧区110、燃烧区120可由内衬140包围。燃烧器100还可包括导流套筒150。可将导流套筒150螺栓连接到端盖170上。导流套筒150引导来自压缩机20的空气流。可在本文中使用其它燃烧器设计和构造。
若干个初级喷嘴160可提供燃料至初级燃烧区110。每个初级喷嘴160可突出到初级燃烧区110中，并且可绕端盖170安装。初级喷嘴160可绕中心次级喷嘴180成排布置。次级喷嘴180可从端盖170延伸，使得将燃料引入次级燃烧区120中。次级喷嘴180可位于中心体190内。可通过燃料管线将燃料传输至初级喷嘴160和次级喷嘴180，如在下面所更详细描述的。
燃烧器100大体上在四种不同的燃料模式下操作。图3显示了主模式200操作。在主模式200中，仅仅将燃料提供给初级喷嘴160。因而，仅仅在初级燃烧区110中具有燃烧火焰。主模式200用来在低负载至中间负载的范围内进行点火、加速和操作，并且上升到预选的燃烧基准温度(combustionreferencetemperature)。具体来说，一般在从点火至大约满负载的约百分之二十(20％)左右的范围内使用主模式200。
图4显示了贫燃-贫燃操作模式210。在贫燃-贫燃模式210中，将燃料提供给初级喷嘴160和次级喷嘴180两者。因此在初级燃烧区110和次级燃烧区110中均具有燃烧火焰。这种操作模式一般用于大约百分之二十(20％)至大约百分之五十(50％)的中间负载以及在两个预选的燃烧基准温度之间使用。大约百分之七十(70％)的燃料被引至初级喷嘴160，而剩余的百分之三十(30％)则被引向次级喷嘴180。
图5显示了传输操作模式220。在传输模式220中，仅仅将燃料传输至次级喷嘴180。因而，仅仅在次级燃烧区120中具有燃烧火焰。这种模式是介于贫燃-贫燃模式210和下面所述的预混合模式之间的过渡。对于在燃料被重新引入成为初级预混合区的区中之前而区分初级燃烧区110中的火焰来说，传输模式220是必需的。
虽然仅仅将燃料传输至次级喷嘴180，但是次级喷嘴180可包括在其中的多个燃料通道。如图6中所示，次级喷嘴180可包括用于标准的次级喷嘴预混合操作的若干个燃料凸柱222。次级喷嘴180还可包括绕喷嘴180的端部定位的若干个传输通道224。传输通道224将第二燃料流从初级喷嘴160传输至次级喷嘴180的端部，用于在传输模式220中扩散。传输通道224设置在次级喷嘴180的端部处，使得可避免拢焰。
图7显示了预混合操作模式230。在预混合模式230中，将燃料传输至初级喷嘴160和次级喷嘴180两者。仅仅在次级燃烧区中具有燃烧火焰，而燃料流和空气流在初级区110中预混合。在燃烧基准温度设计点处和其附近实现预混合模式230。当在预混合模式230下操作时产生最优排放。大约百分之八十(80％)的燃料被传输至初级喷嘴160，剩余的百分之二十(20％)左右被传输至次级喷嘴180。
除了常规操作之外，如果形成了初级再点火(PRI)，即如果燃烧火焰在预混合模式230中时在初级燃烧区110中存在的话，可能需要不同的顺序。在这种情形下，可减少来自初级喷嘴160的燃料流，直到再次形成传输模式220为止，在传输模式220中，仅仅将燃料传输至次级喷嘴180。一旦在初级燃烧区110中燃烧火焰熄灭，燃烧器100可然后返回到预混合模式230。
图8显示了可与燃烧器100一起使用的燃料喷射系统240。燃料喷射系统240大体上包括其中具有燃料255的燃料源250。燃料255一般可以是天然气，尽管可使用其它类型的燃料。燃料源250可经由分流阀260与初级喷嘴160和次级喷嘴180连通。分流阀260确定流至初级喷嘴160和/或次级喷嘴180的燃料255的百分比。分流阀260可与控制器270连通。控制器270可以是传统的微处理器等。控制器270可使用各种算法，以基于整体的涡轮机负载和其它因素来确定待传输至喷嘴160、喷嘴180的燃料255以及其它流体的百分比。也可使用速比阀280和气体控制阀290。
图9显示了可如本文中所述的柔性燃料喷射系统300。柔性燃料喷射系统300包括其中具有第一燃料315的第一燃料源310。第一燃料315可以是低反应性燃料，比如天然气等。第一燃料源310还可与初级喷嘴160和次级喷嘴180连通。第一燃料分流阀320还可与控制器330连通以引导如上面所述的流体。
柔性燃料喷射系统300还可包括其中具有第二燃料345的第二燃料源340。第二燃料345可以是高反应性燃料。这种高反应性燃料345的示例包括合成气、氢和较重的烃，比如乙烷、丁烷、丙烷、戊烷、一氧化碳或它们的混合物。可在本文中使用其它类型的高反应性燃料345燃料。第二燃料源340可经由第二燃料分流阀350与初级喷嘴160连通。第二燃料分流阀350也可与控制器330连通。(为了清楚和简明起见，初级喷嘴160包括次级喷嘴180的传输通道224。)
控制器330从而经由上面所述的第一燃料分流阀320而改变要从第一燃料源310传输至初级喷嘴160或次级喷嘴180的低反应性第一燃料315的流量。控制器330还改变来自第一燃料源310的低反应性第一燃料315的流量，以及从第二燃料源340到初级喷嘴160的高反应性第二燃料345的流量。因为次级喷嘴180一般仅仅在预混合模式下操作，所以除了通过传输通道224之外，高反应性第二燃料345可能不适于与次级喷嘴180一起使用。
在使用中，可将天然气、其它类型的传统燃料、具有容许的反应性气体掺杂的天然气或其它类型的低反应性第一燃料315，从第一燃料源310引到次级喷嘴180。低反应性第一燃料315等一般具有良好的拢焰边界。第一分流器320在初级喷嘴160和次级喷嘴180之间分配第一燃料流310，如上面所述。然而，初级喷嘴160还可在扩散模式下操作。因而，图10显示了混合操作模式360。第二燃料源340从而将高反应性第二燃料345传输至初级喷嘴160。第二流量分流器350分配引至初级喷嘴160的第一燃料315的流量和第二燃料345的流量。
在主操作模式200中，次级喷嘴180可燃烧低反应性第一燃料315，而初级喷嘴160可燃烧低反应性第一燃料315和高反应性第二燃料345的混合物。在贫燃-贫燃模式210操作中，高反应性第二燃料345的量可向传输模式220而减少。在传输模式220中，次级喷嘴180的燃料凸柱222仅仅燃烧低反应性第一燃料315，而高反应性第二燃料345可传输至传输通道224。高反应性第二燃料345的混合可再次在预混合操作模式230下开始，并且在混合模式360下继续，以实现稳定、高效的操作。在初级再点火恢复期间，可能需要中断对高反应性第二燃料345的使用。
因为初级喷嘴160燃烧总燃料量的大约百分之八十(80％)或更多，所以可增加高反应性第二燃料345的消耗，而不会对硬件有负面影响。因此，柔性燃料喷射系统300对一系列的操作提供了燃料灵活性。
应当显而易见的是，前述仅仅涉及本申请的某些实施例，而且在不偏离由权利要求书及其等同物所限定的本发明的一般精神和范围下，本领域中普通技术人员可在本文中作出许多改变和修改。
Claims (15)
1.一种燃烧器(100)，包括：
多个喷嘴(160，180)；
多个初级燃烧区(110)；
配置在多个初级燃烧区(110)下游的次级燃烧区(120)；
其中具有低反应性气体燃料(315)的第一燃料源(310)；
其中具有高反应性气体燃料(345)的第二燃料源(340)；以及
初级分流阀(320)，所述初级分流阀(320)在多个喷嘴(160，180)的每一个间分流高反应性气体燃料(345)，并用于改变传输至所述多个喷嘴(160，180)的所述低反应性气体燃料(315)的流量和所述高反应性气体燃料(345)的流量，以形成气体燃料混合流，所述气体燃料混合流具有与多个喷嘴(160，180)适配的反应性以阻止在所述多个喷嘴(160，180)中产生拢焰。
2.根据权利要求1所述的燃烧器(100)，其特征在于，所述多个喷嘴(160，180)包括多个初级喷嘴(160)。
3.根据权利要求2所述的燃烧器(100)，其特征在于，所述多个喷嘴(160，180)包括次级喷嘴(180)，并且所述次级喷嘴(180)与所述第一燃料源(310)连通。
4.根据权利要求3所述的燃烧器(100)，其特征在于，所述燃烧器(100)还包括次级阀(350)，所述次级阀(350)用于改变传输至所述多个初级喷嘴(160)和所述次级喷嘴(180)的所述低反应性气体燃料(315)的流量。
5.根据权利要求4所述的燃烧器(100)，其特征在于，所述燃烧器(100)还包括与所述初级阀(320)和所述次级阀(350)连通的控制器(330)。
6.根据权利要求1所述的燃烧器(100)，其特征在于，所述低反应性气体燃料(315)包括天然气。
7.根据权利要求1所述的燃烧器(100)，其特征在于，所述高反应性气体燃料(345)包括合成气或氢。
8.一种用低反应性燃料(315)和高反应性燃料(345)来操作燃烧器(100)的方法，包括：
将所述低反应性燃料(315)流引至次级喷嘴(180)；
将所述低反应性燃料(315)流引至多个初级喷嘴(160)；
通过初级分流阀(320)改变引至所述次级喷嘴(180)和所述多个初级喷嘴(160)的所述低反应性燃料(315)的流量；
将所述高反应性燃料(345)流引至所述多个初级喷嘴(160)；以及
改变引至所述多个初级喷嘴(160)的所述低反应性燃料(315)流和所述高反应性燃料(345)的流量。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在主模式(200)中，将所述低反应性燃料(315)流的一部分传输至所述次级喷嘴(180)，并且将所述低反应性燃料(315)流和所述高反应性燃料(345)流的混合物传输至所述多个初级喷嘴(160)。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述主模式(200)包括在初级燃烧区(110)中的燃烧。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在贫燃-贫燃模式(210)中，传输至所述多个初级喷嘴(160)的所述低反应性燃料(315)流和所述高反应性燃料(345)流的所述混合物减少。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述贫燃-贫燃模式(210)包括在初级燃烧区(110)和在次级燃烧区(120)中的燃烧。
13.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在传输模式(220)中，所述低反应性燃料(315)流仅仅传输至所述次级喷嘴(180)。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述传输模式(220)包括在次级燃烧区(120)中的燃烧。
15.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在预混合模式(230)和混合模式(360)中，所述低反应性燃料(315)流的一部分传输至所述次级喷嘴(180)，并且所述低反应性燃料(315)和所述高反应性燃料(345)的混合物传输至所述多个初级喷嘴(160)。
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