CN102235668A - 用于燃烧器的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及用于燃烧器的设备和方法。其中，一种燃烧器(14)包括：端盖(22)，在端盖(22)下游的燃烧室(28)，和在径向设置在端盖(22)中的喷嘴(24)。固定护罩(36)包围喷嘴(24)中至少一个且向下游延伸到燃烧室(28)内。该护罩包括内壁表面(38)和外壁表面(40)。一种用于操作燃烧器(14)的方法包括：使压缩工作流体流过喷嘴(32，34)到燃烧室(28)内，使燃料流过喷嘴(32，34)的第一子集中的每个喷嘴(32)到燃烧室(28)内，以及在燃烧室(28)中点燃来自喷嘴(32，34)的第一子集中的每个喷嘴(32)的燃料。此外，该方法包括使在喷嘴(32，34)的第二子集中的每个喷嘴(34)周围的单独的固定护罩(36)延伸到燃烧室(28)内，且隔离燃料避免到喷嘴(32，34)的第二子集中的每个喷嘴(34)。

Description

用于燃烧器的设备和方法

技术领域

本发明大体而言涉及用于燃气涡轮(gas turbine)的燃烧器(combustor)。具体而言，本发明描述了具有多个燃料喷嘴的燃烧器且使之能够实施，该燃烧器可在各种减弱运转模式(turndown regimes)操作以减少燃料消耗。

背景技术

燃气涡轮广泛地用于商业操作中以功率生产(power generation)。燃气涡轮压缩周围空气，将燃料与压缩空气混合，且点燃混合物以产生高能燃烧气体，高能燃烧气流过涡轮以做功。涡轮可驱动连接到发电机的输出轴杆以产生电流，电流然后被供应到电网。涡轮和发电机必须以相对恒定的速度操作，无论发电量如何，以产生所需频率的电流。

燃气涡轮通常被设计成在或接近所设计的基本负载最高效地操作。但是，燃气涡轮的功率需求常常可能会小于设计的基本负载。例如，功率消耗和因此需求在一个季节中且甚至在一天中可能不同，通常夜间的功率需求较小。在低需求期间在燃气涡轮的设计基本负载持续操作燃气涡轮浪费燃料且生成过量排放。

在低需求期间在基本负载操作燃气涡轮的一种替代是简单地停止燃气涡轮且一旦功率需求增加就重新启动它。但是，启动和停止燃气涡轮在许多构件上造成大的热应力，这导致增加的维修和维护。此外，燃气涡轮常常在组合的循环系统内与额外的辅助器械一起操作。例如，热回收蒸汽发生器可连接到涡轮排气以从废气回收热从而增加燃气涡轮的总效率。在低需求期间停止燃气涡轮，因此也需要停止相关联的辅助器械，进一步增加与停止燃气涡轮相关联的成本。

用于在低需求期间操作燃气涡轮的另一方案是以减弱运转模式操作燃气涡轮。在现有减弱运转模式中，燃气涡轮仍以产生所需频率的电流的速度操作，且减少到燃烧器的燃料和空气的流率以减少在燃烧器中生成的燃烧气体，从而减少燃气涡轮产生的功率。但是，典型压缩机的操作范围限制可减少空气流量的程度，从而限制可减少燃料流量的程度，同时维持最佳燃料空气比。在较低操作水平，在每个燃烧器的一个或多个喷嘴“闲置”，这通过避免(securing)燃料流动到闲置喷嘴实现。加燃料的喷嘴连续混合燃料与压缩的工作流体用于燃烧，且闲置喷嘴只是传递压缩的工作流体通过燃烧室而没有任何燃料用于燃烧。减弱运转模式产生足够的燃烧气体来使涡轮和发电机在产生预期频率的电流所需要的速度来操作，且闲置喷嘴减少燃料消耗。当功率需求增加时，可恢复到所有喷嘴的燃料流动以允许燃气涡轮再次以设计的基本负载操作。

现有的减弱运转模式在能实现的功率减少量方面有限。例如，在减弱运转模式中通过闲置喷嘴传递压缩的工作流体与来自加燃料的喷嘴的燃烧气体混合且倾向于过早地熄灭燃烧室中的燃料燃烧。燃料的不完全燃烧产生可超过排放限制的增加的CO排放。因此，在现有的减弱运转模式中最小操作水平可需要为高达设计基本负载的40-50％以符合CO和NOx的排放限制。

发明内容

本发明的方面和优点在下文的描述中陈述，或者可通过该描述而变得明显，或者可通过实践本发明而学习。

本发明的一实施例是一种燃烧器，其包括端盖、在端盖下游的燃烧室和在径向设置在端盖中的多个喷嘴。固定护罩包围(surround)多个喷嘴中的至少一个且从多个喷嘴中的至少一个向下游延伸到燃烧室内。固定护罩包括内壁表面和外壁表面。在固定护罩内的喷嘴中心体从多个喷嘴中的至少一个向下游延伸到燃烧室内。

本发明的另一实施例是一种燃烧器，其包括端盖、在端盖下游的燃烧室和在径向设置在端盖中的多个喷嘴。固定护罩包围多个喷嘴中的至少一个且从多个喷嘴中的至少一个向下游延伸到燃烧室内。固定护罩包括双壁管。在固定护罩内的喷嘴中心体从多个喷嘴中的至少一个向下游延伸到燃烧室内。

本发明的又一实施例是一种用于操作燃烧器的方法。该方法包括使压缩的工作流体流过多个喷嘴到燃烧室内且使燃料流过多个喷嘴的第一子集中的每个喷嘴。该方法还包括在燃烧室内点燃来自多个喷嘴的第一子集中的每个喷嘴的燃料。此外，该方法包括使在多个喷嘴的第二子集中的每个喷嘴周围的单独的固定护罩延伸到燃烧室内，且隔离(isolating)燃料避免到多个喷嘴的第二子集中的每个喷嘴。

通过阅读说明书，本领域普通技术人员将更了解这些实施例和其它实施例的特点和方面。

附图说明

在说明书的其余部分中并参考附图向本领域技术人员更具体描述了本发明的全面并可实施的公开内容(包括对于本领域技术人员而言的本发明的最佳模式)，在附图中：

图1示出在本发明范围内的燃气涡轮的简化截面图；

图2示出图1所示的燃烧器的透视图，为了清楚起见而移除了衬套；

图3示出图2所示的燃烧器以特定减弱运转模式操作的透视图；

图4示出图3所示护罩的透视图；

图5示出根据本发明的一实施例的喷嘴中心体和固定护罩的侧视图。

图6、图7、图8和图9示出在本发明范围内的处于特定减弱运转模式的闲置喷嘴和加燃料喷嘴。

附图标记：        构件：

10                燃气涡轮

12                压缩机

14                燃烧器

16                涡轮

18                转子

20                压缩机排放集气室

22                端盖

24                喷嘴

26                衬套

28                燃烧室

30                过渡件

32                加燃料喷嘴

34                闲置喷嘴

36                护罩-图3、图4

38                内壁表面

40                外壁表面

42                腔

44                孔口

46                固定护罩-图5

48                喷嘴中心体

50                混合叶片

具体实施方式

现详细地参考本发明的实施例，其一个或多个实例在附图中示出。详细描述使用数字和字母标记来指代附图中的特点。在附图和描述中相同或相似的标记用于指代本发明相同或相似的部件。

以解释本发明的方式提供每个实例，并不限制本发明。实际上，对于本领域技术人员明显的是，在不偏离本发明的范围或精神的情况下可做出各种修改和变型。举例而言，作为一个实施例的部分示出或描述的特点可用于另一实施例以得到又一实施例。因此，预期本发明涵盖属于所附权利要求和其等效物内的这些修改和变型。

图1示出在本发明范围内的燃气涡轮10的简化截面图。燃气涡轮10大体上包括前部的压缩机12、在中部周围的一个或多个燃烧器14和在后部的涡轮16。压缩机12和涡轮16通常可共用一共同转子18。

压缩机12通过压缩工作流体(空气)而赋予工作流体(空气)动能以使之到高能状态。压缩的工作流体从压缩机12离开且流过压缩机排放集气室20到燃烧器14。每个燃烧器14大体上包括端盖22、多个喷嘴24和衬套26，衬套26限定端盖22下游的燃烧室28。喷嘴24混合燃料与压缩的工作流体，且混合物在燃烧室28内点燃以产生具有高温、高压和高速的燃烧气体。燃烧气体流过一过渡件30到涡轮16内，在涡轮16中它们膨胀以做功。

图2示出图1所示的燃烧器14的透视图，为了清楚起见，移除了衬套。如图所示，端盖22向喷嘴24提供结构支承。喷嘴24大体上以各种几何构造沿径向布置于端盖22中，诸如五个喷嘴包围单个喷嘴，如图2所示。在本发明的范围内另外的几何构造包括六个或七个喷嘴包围单个喷嘴或根据特定设计需要的任何合适的布置。喷嘴24可具有均一直径或不同的直径(如图2所示)。

当在基本负载功率操作时，每个喷嘴24使燃料与工作流体混合。混合物在端盖22下游在燃烧室28中点燃以产生燃烧气体。在功率需求减少期间，燃烧器14可以减弱运转模式操作，其中一个或多个喷嘴24“闲置’，这通过避免燃料流动到闲置喷嘴实现。

图3示出对于特定延伸喷嘴布置，图2所示的燃烧器在特定减弱运转模式操作。在此特定减弱运转模式和喷嘴布置中，三个喷嘴是加燃料的喷嘴32，且三个喷嘴是闲置喷嘴34。燃料和压缩的工作流体流过加燃料的喷嘴32，而只有压缩的工作流体流过闲置喷嘴34。此外，护罩36包围每个闲置喷嘴34且从每个闲置喷嘴34向下游延伸到燃烧室。护罩36可固定地附连到闲置喷嘴34和/或端盖22上。每个护罩36引导压缩的工作流体流过燃烧室的一部分以防止来自闲置喷嘴34的压缩的工作流体过早地熄灭燃烧。当功率需求增加时，通过恢复到闲置喷嘴34的燃料流动且在燃烧室中点燃燃料混合物可使燃烧器14返回到基本负载功率水平。

图4示出图3所示护罩36的透视图。护罩36可由任何合金、超合金、涂覆陶瓷或其它能耐受高于2800-3000华氏度的燃烧温度的合适材料制成。护罩36可为多壁构造，具有朝向相关联的闲置喷嘴的内壁表面38，背离相关联的闲置喷嘴的外壁表面40，在内壁表面38与外壁表面40之间的腔42。在替代实施例中，护罩36可为单壁构造，具有简单地为单壁的相对侧的内壁表面38和外壁表面40。无论构造如何，护罩36可在内壁表面38和外壁表面40的任一个或两个中包括多个孔口44，孔口44具有在大约0.02英寸至0.05英寸之间的直径。

冷却流体可穿过腔42和/或孔口44供应以冷却护罩36的表面38、40。合适冷却流体包括蒸汽、水、转移的压缩的工作流体和空气。本领域技术人员已知的其它结构和方法也可用于冷却护罩36。例如，美国专利公开第2006/0191268号描述了一种用于冷却燃气涡轮喷嘴的方法和设备，其也可适于用于冷却护罩。

每个护罩36具有略微大于相关联的闲置喷嘴的直径且可为圆柱形，如图所示，或可具有会聚或发散的形状，这取决于特定实施例和设计需要。护罩36的长度应足以使护罩36延伸足够远到燃烧室内以防止从闲置喷嘴来的压缩的工作流体与来自加燃料的喷嘴的燃烧气体混合且过早地熄灭燃烧。合适长度可为3英寸、5英寸、7英寸或更长，取决于特定燃烧器设计和预期的减弱运转模式。

图5提供根据本发明的一实施例的固定护罩46和喷嘴中心体48的侧视图。如图5所示，固定护罩46和喷嘴中心体48从端盖22向下游延伸到燃烧室内。在减弱运转操作期间，压缩的空气连续地流过混合或旋流器叶片50且流过固定护罩46到燃烧室内，但避免燃料流动到此喷嘴。在基本负载操作期间，到此喷嘴的燃料流动恢复，且喷嘴中心体48增强在护罩46端部的火焰稳定性。

图5所示的实施例产生一种分级燃烧器，与常规单级燃烧器相比，其可导致额外的排放益处。例如，在减少的负载或减弱运转操作期间，固定护罩46防止来自闲置喷嘴的压缩空气与来自加燃料的喷嘴的燃烧气体混合且过早地熄灭燃烧气体，从而在减弱运转操作期间减少CO排放。在基本负载操作期间，喷嘴中心体48维持在固定护罩端部的火焰。在基本负载操作期间这可减少NOx排放，这是由于在燃烧室内的燃烧的较短的驻留时间。此外，在基本负载操作期间，延伸的喷嘴中心体48沿燃烧室的长度分配放热，这可导致减少的燃烧器一般固有的压力脉动，在燃烧之前这种压力脉动预混合压缩的工作流体与燃料。

图6、图7、图8和图9示出在本发明范围内的特定减弱运转模式中的加燃料的喷嘴32和闲置喷嘴34。在每个图中阴影圆代表加燃料的喷嘴32，且空白圆代表闲置喷嘴34。如图4和图5所示，固定护罩包围每个闲置喷嘴34且从每个闲置喷嘴34向下游延伸到燃烧室内。

在图6中，在周边的五个喷嘴是加燃料的喷嘴32，且中央喷嘴是闲置喷嘴34。在此减弱运转模式期间，燃烧器排气温度可降低多达70华氏度，而不超过任何排放要求。在图7、图8、图9，在减弱运转模式期间，额外的喷嘴被闲置以进一步减少功率消耗。在图6、图7、图8和图9所示的每个减弱运转模式中，压缩的工作流体从压缩机流过每个喷嘴32，34。在每个图示中，喷嘴的第一集合作为加燃料的喷嘴32操作且持续接收燃料以在燃烧室中燃烧。在每个图示中，喷嘴的第二集合作为闲置喷嘴34操作，避免燃料流动到闲置喷嘴34且用护罩包围每个闲置喷嘴34，护罩从闲置喷嘴34向下游延伸到燃烧室内。

本发明范围内的燃烧器可如下文所述以减弱运转模式操作。压缩的工作流体流动可通过每个喷嘴供应到燃烧室内。燃料流动可通过喷嘴的第一子集(即，加燃料的喷嘴)供应到燃烧室内且在燃烧室内点燃。一个或多个固定护罩可在喷嘴的第二子集(即，闲置喷嘴)中的每个喷嘴周围延伸，且隔离燃料避免到每个闲置喷嘴。若需要，每个护罩可被冷却，例如，通过使蒸汽、水、转移的压缩的工作流体和/或空气流过每个护罩中的孔口。

通过使燃料流过每个闲置喷嘴到燃烧室内且在燃烧室内点燃来自每个先前闲置喷嘴的燃料可使燃烧器过渡到设计基本负载操作。护罩保持从先前闲置喷嘴向下游延伸到燃烧室内。

本书面描述使用实例来公开本发明(包括最佳实施方式)，且也能使本领域技术人员实践本发明(包括做出和使用任何装置或系统和执行任何合并的方法)。专利保护范围由权利要求限定，且可包括本领域技术人员想到的这些修改和其它实例。如果这些其它实例具有与权利要求的字面语言并无不同的结构元件或者如果这些其它实例包括与权利要求的字面语言并无实质不同的等效结构元件，那么这些其它实例预期在权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种燃烧器(14)，包括：

a.端盖(22)；

b.在所述端盖(22)下游的燃烧室(28)；

c.在径向设置在所述端盖(22)中的多个喷嘴(24)；

d.固定护罩(36)，其包围所述多个喷嘴(24)中的至少一个且从所述多个喷嘴(24)中的所述至少一个向下游延伸到所述燃烧室(28)内，其中，所述固定护罩(36)包括内壁表面(38)和外壁表面(40)；以及

e.喷嘴中心体(48)，其在所述固定护罩(36)内且从所述多个喷嘴(24)中的所述至少一个向下游延伸到所述燃烧室(28)内。

2.根据权利要求1所述燃烧器(14)，其特征在于，所述固定护罩(36)从所述多个喷嘴(24)中的所述至少一个向下游延伸至少3英寸到所述燃烧室(28)内。

3.根据权利要求1或2所述的燃烧器(14)，其特征在于还包括多个孔口(44)，所述孔口(44)穿过所述内壁表面(38)或所述外壁表面(40)中的至少一个。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的燃烧器(14)，其特征在于，所述固定护罩(36)包括在所述内壁表面(38)与所述外壁表面(40)之间的腔(42)。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的燃烧器(14)，其特征在于，所述固定护罩(36)固定到所述端盖(22)上。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的燃烧器(14)，其特征在于还包括包围所述多个喷嘴(24)中的一个以上的多个固定护罩(36)，所述多个固定护罩(36)从所述多个喷嘴(24)中的所述一个以上向下游延伸到所述燃烧室(28)内。

7.根据权利要求6所述的燃烧器(14)，其特征在于还包括在所述多个固定护罩(36)中的每一个内的单独的喷嘴中心体(48)，且所述单独的喷嘴中心体(48)从所述多个喷嘴(24)中的所述一个以上向下游延伸到所述燃烧室(28)内。

8.一种用于操作燃烧器(14)的方法，包括：

a.使压缩的工作流体流过多个喷嘴(32，34)到燃烧室(28)内；

b.使燃料流过所述多个喷嘴(32，34)的第一子集中的每个喷嘴(32)到所述燃烧室(28)内；

c.在所述燃烧室(28)内点燃来自所述多个喷嘴(32，34)的第一子集中的每个喷嘴(32)的燃料；

d.使在所述多个喷嘴(32，34)的第二子集中的每个喷嘴(34)周围的单独的固定护罩(36)延伸到所述燃烧室(28)内；以及

e.隔离燃料避免到所述多个喷嘴(32，34)的第二子集中的每个喷嘴(34)。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于还包括使单独的喷嘴中心体(48)在每个单独的固定护罩(36)内延伸，每个单独的喷嘴中心体(48)从所述多个喷嘴(32，34)的第二子集中的每个喷嘴(34)向下游延伸到所述燃烧室(28)内。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于还包括恢复通过所述多个喷嘴(32，34)的第二子集中的每个喷嘴(34)的燃料流动。

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