CN102434882B - 用于燃烧器的装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于燃烧器的装置与方法。具体而言，一种燃烧器(14)包括端盖(22)以及位于端盖(22)下游的燃烧室(28)。该燃烧器(14)还包括径向地布置在端盖(22)中的喷嘴(24)，以及围绕其中至少一个喷嘴(24)并向下游延伸到燃烧室(28)中的护罩(36)。护罩(36)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)中，使燃料流过第一子集的喷嘴(32)中的各喷嘴(32)到燃烧室(28)中，以及，使来自第一子集的喷嘴(32)中的各喷嘴(32)的燃料在燃烧室(28)中点燃。另外，该方法还包括，使单独的护罩(36)围绕第二子集的喷嘴(34)中的各喷嘴(34)伸展到燃烧室(28)中，以及，使燃料与第二子集的喷嘴(34)中的各喷嘴(34)隔离。

Description

用于燃烧器的装置与方法
技术领域
本发明大体上涉及一种用于燃气涡轮的燃烧器。具体而言，本发明描述了一种带有多个燃料喷嘴的燃烧器并使其成为可能，该燃烧器可在不同的调低状态(turndownregime)下操作以减少燃料消耗。
背景技术
燃气涡轮被广泛用在商业操作中以用于功率生产。燃气涡轮压缩周围空气，使燃料与压缩的空气混合，并且点燃该混合物以产生高能量的燃烧气体，该燃烧气体流过涡轮以做功。涡轮可驱动被连接至发电机的输出轴以产生电力，该电力然后被供给到电力网。不考虑所产生的电力的量，涡轮和发电机必须以相对恒定的速度操作，以便产生处于预期频率的电力。
燃气涡轮通常被设计为在设计基本负载下或接近设计基本负载最高效地操作。但是，燃气涡轮的功率需求通常可小于设计基本负载。例如，功率消耗以及因此需求可在一个季度期间甚至是一天期间变化，而常常在夜间带有降低的功率需求。使燃气涡轮在低需求时段期间继续在其设计基本负载下操作会浪费燃料并产生过多的排放物。
在低需求时段期间使燃气涡轮在基本负载下操作的一种备选方案是简单地关闭燃气涡轮，并且一旦功率需求增加再重新启动它。然而，启动和关闭燃气涡轮在很多部件上产生较大的热应力，其导致增加的维修和维护。此外，燃气涡轮在联合循环系统中通常与另外的辅助设备一起操作。例如，热回收蒸汽发生器可连接至涡轮排气装置以从排出气体中回收热量，以便提高燃气涡轮的总体效率。因此，在低需求时段期间关闭燃气涡轮还要求关闭相关联的辅助设备，从而进一步增加与关闭燃气涡轮相关联的成本。
用于在低需求时段期间操作燃气涡轮的另一种解决方案是在调低状态下操作燃气涡轮。在现有的调低状态中，燃气涡轮仍然在产生处于预期频率的电力所需的速度下操作，并且降低流至燃烧器的燃料与空气的流率以减少燃烧器中产生的燃烧气体的量，从而减少由燃气涡轮产生的功率。然而，典型压缩机的操作范围限制空气流可被减少的程度，从而在保持最佳的燃料与空气比的同时限制燃料流可被减少的程度。在较低的操作水平下，各燃烧器中的一个或多个喷嘴通过使燃料流固定于空闲喷嘴而是“空闲的”。燃料喷嘴继续混合燃料与压缩工作流体以用于燃烧，并且空闲喷嘴只是将压缩工作流体传送至燃烧器中而不传送任何用于燃烧的燃料。该调低状态产生足够的燃烧气体以使涡轮和发电机在预期速度下操作，以便产生带有预期频率的电力，并且空闲喷嘴降低燃料消耗。当功率需求增加时，可使燃料流恢复到所有喷嘴，以允许燃气涡轮重新在设计基本负载下操作。
现有的调低状态受限于可获得的功率降低的量。例如，在调低状态下经过空闲喷嘴的压缩工作流体与来自燃料喷嘴的燃烧气体相混合，并且倾向于过早地淬熄燃烧室中的燃料燃烧。燃料的不充分燃烧产生增加的CO排放，其可超出排放限制。因此，现有调低状态期间的最低操作水平可需要高达40-50％的设计基本负载以符合对于CO和NOX的排放限制。
发明内容
本发明的方面与优点在下述描述中被阐述，或者可从该描述中显而易见，或者可通过实施本发明而被教导。
在本发明的一个实施例中，一种燃烧器包括端盖以及位于端盖下游的燃烧室。该燃烧器还包括径向地布置在端盖中的多个喷嘴，以及围绕该多个喷嘴中的至少一个喷嘴并从该多个喷嘴中的该至少一个喷嘴向下游延伸到燃烧室中的护罩。该护罩包括内壁表面和外壁表面。
在本发明的另一实施例中，一种燃烧器包括端盖以及位于端盖下游的燃烧室。该燃烧器还包括径向地布置在端盖中的多个喷嘴，以及包围该多个喷嘴中的至少一个喷嘴并从该多个喷嘴中的该至少一个喷嘴向下游延伸到燃烧室中的护罩。该护罩包括双壁管道。
本发明的进一步的实施例是一种用于操作燃烧器的方法。该方法包括：使压缩工作流体流过多个喷嘴到燃烧室中，以及，使燃料流过该多个喷嘴的第一子集中的各喷嘴到燃烧室中。该方法还包括使来自该多个喷嘴的第一子集中的各喷嘴的燃料在燃烧室中点燃。另外，该方法还包括使单独的护罩围绕该多个喷嘴的第二子集中的各喷嘴伸展到燃烧室中，以及，使燃料与该多个喷嘴的第二子集中的各喷嘴隔离。
本领域普通技术人员在阅读该说明书后将更好地理解这些实施例的特征和方面，以及其他内容。
附图说明
本发明的完全和充分的公开，包括其对于本领域技术人员而言的最佳模式，在该说明书的其余部分中被更具体地阐述，包括对附图的参考，其中：
图1显示了处于本发明的范围内的燃气涡轮的简化截面；
图2显示了图1中所示的燃烧器的透视图，出于清楚起见其中移除了衬套；
图3显示了图2中所示的在特定调低状态下操作的燃烧器的透视图；
图4显示了图3中所示的护罩的透视图；以及
图5、图6、图7和图8示出了处于本发明的范围内的在特定调低状态下的空闲喷嘴和燃料喷嘴。
项目清单
参考标号 构件
10 燃气涡轮
12 压缩机
14 燃烧器
16 涡轮
18 转子
20 压缩机排气室
22 端盖
24 喷嘴
26 衬套
28 燃烧室
30 过渡件
32 燃料喷嘴
34 空闲喷嘴
36 护罩-图3、图4
38 内壁表面
40 外壁表面
42 空腔
44 孔口
54 延伸部
第二点
圆柱
具体实施方式
现在将对本发明的实施例进行详细参考，其中一个或多个示例在附图中被示出。该详细描述使用数字和字母标记来表示附图中的特征。附图和描述中的相似或类似的标记被用来表示本发明的相似或类似部分。
每个示例通过对本发明进行说明而不是对本发明进行限制的方式提供。实际上，对本领域技术人员而言，显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中作出修改与变型。例如，作为一个实施例的部分而显示或描述的特征可与另一实施例一起使用，以产生更进一步的实施例。因此，本发明意图覆盖如落入所附权利要求及其等同物的范围内的这样的修改与变型。
图1显示了处于本发明的范围内的燃气涡轮10的简化截面。燃气涡轮10大体上包括在前部的压缩机12，围绕中部的一个或多个燃烧器14，以及在后部的涡轮16。压缩机12和涡轮16通常共用一个共同的转子18。
压缩机12通过压缩工作流体(空气)以将其带到高能状态而给予其动能。压缩的工作流体离开压缩机12并流过压缩机排气室20到燃烧器14中。每个燃烧器14大体上包括端盖22、多个喷嘴24以及衬套26，衬套26限定位于端盖22下游的燃烧室28。喷嘴24将燃料与压缩的工作液体混合，并且该混合物在燃烧室28中点燃以产生具有高的温度、压力和速度的燃烧气体。该燃烧气体流过过渡件30到涡轮16中，它们在涡轮16中膨胀以做功。
图2显示了图1中所示的燃烧器14的透视图，为了清楚起见其中移除了衬套26。如图所示，端盖22给喷嘴24提供结构支撑。喷嘴24通常以不同几何结构径向地布置在端盖22中，例如五个喷嘴围绕一个单独的喷嘴，如图2中所示的那样。处于本发明的范围内的另外的几何结构包括六个或七个喷嘴围绕一个单独的喷嘴，或者根据特定设计需要的任何合适的布置。喷嘴24可具有一致的直径或不同的直径，如图2中所示的那样。
当在基本负载功率下操作时，各喷嘴24使燃料与压缩工作流体混合。该混合物在端盖22的下游在燃烧室28中点燃以产生燃烧气体。在功率需求降低的时段期间，燃烧器14可在调低状态下操作，其中一个或多个喷嘴24通过使燃料流固定于空闲喷嘴而是“空闲的”。
图3显示了图2中所示的在特定调低状态下操作的燃烧器14。在这种特定的调低状态下，三个喷嘴是燃料喷嘴32，并且三个喷嘴是空闲喷嘴34。燃料和压缩工作流体流过燃料喷嘴32，而仅压缩工作流体流过空闲喷嘴34。另外，护罩36围绕每个空闲喷嘴34并从每个空闲喷嘴34向下游延伸到燃烧室中。护罩36可被固定地或可拆卸地附接至空闲喷嘴34和/或端盖22。每个护罩36引导压缩工作流体通过燃烧室的一部分以防止来自空闲喷嘴34的压缩工作流体过早地淬熄燃烧。当功率需求增加时，燃烧器14可通过使燃料流恢复到空闲喷嘴34并在燃烧室中点燃燃料混合物而返回到基本负载功率水平。
图4显示了图3中所示的护罩36的透视图。护罩36可由任何合金、超合金、涂覆的陶瓷或者能够承受高于2800-3000华氏度的燃烧温度的其它合适材料制成。护罩36可为双壁结构，带有内壁表面38、外壁表面40和空腔42，其中内壁表面38朝向相关联的空闲喷嘴，外壁表面40背离相关联的空闲喷嘴，空腔42位于内壁表面38与外壁表面40之间。在备选实施例中，护罩36可为单壁结构，其中内壁表面38与外壁表面40简单地为该单壁的相对两侧。不考虑结构，护罩36可包括多个孔口44，孔口44在内壁表面38和外壁表面40中的任一个中或两者中具有介于大约0.02英寸和0.05英寸之间的直径。
可通过空腔42和/或孔口44供给冷却流体来冷却护罩36的表面38、40。合适的冷却流体包括蒸汽、水、转向的压缩工作流体以及空气。可使用本领域普通技术人员已知的其它结构和方法来冷却护罩36。例如，美国专利公布2006/0191268描述了一种用于冷却燃气涡轮喷嘴的方法与装置，其也可适于被用来冷却护罩。
每个护罩36具有比相关联的空闲喷嘴略微更大的直径并且可为圆柱形的形状，如所示的那样，或者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的长度应当足够长以使护罩36延伸足够远到燃烧室中，以便防止来自空闲喷嘴的压缩工作流体与来自燃料喷嘴的燃烧气体混合并过早地淬熄燃烧。合适的长度可为3英寸、5英寸、7英寸或更长，这取决于特定的燃烧器设计以及预期的调低状态。
图4中所示的护罩36可相对于端盖22是可伸缩的。如果是可伸缩的，则护罩36通常在基本负载操作期间缩回，并在调低操作期间(在燃料被固定于相关联的喷嘴时)伸展。如图4中所示，护罩36可包括用于使护罩36伸展和缩回的装置。这种用于使护罩36伸展和缩回的装置可为任何合适的手动、机械、电子、液压、气动系统，或者本领域已知的用于使物体伸展和缩回的等同系统。例如，护罩36可包括螺纹延伸部54，如图4中所示的那样，其可被旋入端盖22中。护罩36可被手动地旋转，或者使用电子、液压或气动马达来旋转。护罩36沿一个方向的旋转可使护罩36伸展到燃烧室中以用于调低操作，而护罩36沿另一方向的旋转可使护罩36缩回到端盖22中以用于基本负载操作。本领域已知的用于使物体伸展和缩回的其他等同结构包括液压活塞、气动棘轮、弹簧、棘轮机构以及磁性或感应线圈。
图5、图6、图7和图8示出了处于本发明的范围内的在特定调低状态下的燃料喷嘴32与空闲喷嘴34。每个图中的带阴影的圆表示燃料喷嘴32，而空圆表示空闲喷嘴34。护罩36(如图4中所示)围绕每个空闲喷嘴34并从每个空闲喷嘴34向下游延伸到燃烧室中。
在图5中，围绕圆周的五个喷嘴是燃料喷嘴32，而中心喷嘴是空闲喷嘴34。在这种调低状态下，燃料消耗可减少大约16％，并且燃烧气体离开温度可降低70华氏度那么多而不超出任何排放要求。在图6、图7和图8中，额外的喷嘴是空闲的以便在调低状态期间进一步降低功率消耗。在图5、图6、图7和图8中所示的每种调低状态下，来自压缩机的压缩工作流体流过各喷嘴32、34。在每个图示中，第一子集的喷嘴作为燃料喷嘴32而操作，并继续接收燃料以用于燃烧室中的燃烧。在每个图示中，第二组喷嘴通过使燃料流固定于空闲喷嘴34以及利用护罩(其从空闲喷嘴34向下游延伸到燃烧室中)围绕各空闲喷嘴34而作为空闲喷嘴34操作。
处于本发明的范围内的燃烧器可在调低状态下操作如下。压缩工作流体的流可通过各喷嘴供给到燃烧室中。燃料流可通过第一子集的喷嘴(即，燃料喷嘴)供给到燃烧室中并在燃烧室中点燃。一个或多个护罩可围绕第二子集的喷嘴(即，空闲喷嘴)中的各喷嘴伸展，并且燃料可与各空闲喷嘴隔离。如果需要的话，可对每个护罩进行冷却，例如，通过使蒸汽、水、转向的压缩工作流体和/或空气流过每个护罩中的孔口。
通过使燃料通过每个空闲喷嘴流到燃烧室中以及使来自每个先前的空闲喷嘴的燃料在燃烧室中点燃，可使燃烧器转变为设计基本负载状态操作。护罩可保持从先前的空闲喷嘴向下游延伸到燃烧室中。或者，护罩也可从燃烧室缩回。
该书面描述用示例来公开包括最佳模式的本发明，并且还使本领域技术人员能实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何包括在内的方法。本发明的可专利范围由所附权利要求所限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这种其它示例具有与所附权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与所附权利要求的字面语言无实质差别的等同结构元件，则这种其它示例意图在所附权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种燃烧器(14)，包括：
端盖(22)；
燃烧室(28)，所述燃烧室(28)位于所述端盖(22)下游；
多个喷嘴(24)，所述多个喷嘴(24)径向地布置在所述端盖(22)中；以及
可伸缩的护罩(36)，所述护罩(36)围绕所述多个喷嘴(24)中的至少一个喷嘴；所述护罩从所述多个喷嘴(24)中的所述至少一个喷嘴向下游延伸到所述燃烧室(28)中以用于调低操作，并且缩回至所述端盖中以用于基本负载操作，其中，所述护罩(36)包括内壁表面(38)和外壁表面(40)。
2.根据权利要求1所述的燃烧器(14)，其特征在于，所述护罩(36)从所述多个喷嘴(24)中的所述至少一个喷嘴向下游延伸到所述燃烧室(28)中至少5英寸。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的燃烧器(14)，其特征在于，所述燃烧器(14)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)的其中至少一个。
4.根据权利要求1到2中任一项所述的燃烧器(14)，其特征在于，所述护罩(36)包括位于所述内壁表面(38)与所述外壁表面(40)之间的空腔(42)。
5.根据权利要求1到2中任一项所述的燃烧器(14)，其特征在于，所述护罩(36)被固定至所述端盖(22)。
6.根据权利要求1到2中任一项所述的燃烧器(14)，其特征在于，所述燃烧器(14)还包括用于使所述护罩(36)伸展和缩回的装置。
7.根据权利要求1到2中任一项所述的燃烧器(14)，其特征在于，所述燃烧器(14)还包括多个护罩(36)，所述护罩(36)围绕所述多个喷嘴(24)中的多于一个喷嘴，其中，所述多个护罩(36)从所述多个喷嘴(24)中的所述多于一个喷嘴向下游延伸到所述燃烧室(28)中。
8.一种用于操作燃烧器(14)的方法，包括：
使压缩工作流体流过多个喷嘴(32,34)到燃烧室(28)中；
使燃料流过所述多个喷嘴(32,34)的第一子集中的各喷嘴(32)到所述燃烧室(28)中；
使来自所述多个喷嘴(32,34)的第一子集中的各喷嘴(32)的燃料在所述燃烧室(28)中点燃；
使单独的护罩(36)围绕所述多个喷嘴(32,34)的第二子集中的喷嘴(34)伸展到所述燃烧室(28)中，所述护罩为可伸缩的护罩，其从所述多个喷嘴的第二子集中的喷嘴向下游延伸到所述燃烧室(28)中以用于调低操作，并且缩回至端盖中以用于基本负载操作，所述多个喷嘴径向地布置在所述端盖中；以及
使燃料与所述多个喷嘴(32,34)的第二子集中的各喷嘴(34)隔离。
9.根据权利要求8所述方法，其特征在于，所述方法还包括将围绕所述多个喷嘴(32,34)的第二子集中的各喷嘴(34)的各护罩(36)从所述燃烧室(28)缩回。
10.根据权利要求9所述方法，其特征在于，所述方法还包括使燃料流过所述多个喷嘴(32,34)的第二子集中的各喷嘴(34)到所述燃烧室(28)中。
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