CN102549341A - 用于安全混合富h2燃料与空气的方法和燃气轮机燃烧系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于在燃气轮机燃烧系统(20)中安全地混合富H2燃料和空气的方法，其包括以下步骤：提供燃烧器空气的第一流和富H2燃料的第二流；预混合所有燃料和所述燃烧器空气的一部分以制备预先预混合的燃料/空气混合物(21)；和将该预先预混合的燃料/空气混合物(21)喷入主燃烧器空气流(22)中。

Description

用于安全混合富H2燃料与空气的方法和燃气轮机燃烧系统
技术领域
本发明涉及燃气轮机。本发明涉及在燃气轮机燃烧系统中安全混合富H2燃料与空气的方法。
背景技术
当前用于富H2燃料的燃烧器依赖很高的扩散火焰稀释度(采用惰性物质，例如N2和/或蒸汽)(WO-A1-2008/135362；WO-A1-2008/155242)。通常也寻求降低定额值(如降低火焰的温度)(例如参见EP-A1-0731255或EP-A1-0899438)。已经做了大量的努力来开发用于富H2燃料的贫-预混合燃烧系统以进一步减少排放物并最小化昂贵的稀释剂。这类的系统要求高度的预混合。不幸的是，富H2燃料过于活泼使得必须进行大量的修正来安全和清洁地燃烧这些燃料。然而这些修正(如增大燃烧器速度，使用非常高的燃料喷射速度)大多与现代燃气轮机的要求不相适应(低燃烧器压力损失，低燃料压力损失)。
将富H2燃料引入到空气中以在燃烧之前获得好的空气/燃料混合物所具有的问题由图1表示，其示出了用于CH4(标准燃气轮机燃料)和各种H2/N2混合物的层流火焰速度。富H2层流火焰速度与CH4对应的层流火焰速度的区别在于：
■最高火焰速度至少大6倍。
■在可利用的燃料/空气混合物的全部范围内的火焰速度高于CH4。
■最高火焰速度发生于较低的约为0.6的空气过量因数λ下，而不是约为1.0。
实际上，紊流燃烧速度(turbulent burning velocity)在很大程度上决定了真实燃烧器中的火焰位置。该参数恶化了富H2燃料的情况，因为紊流燃烧速度与H2有关，但与CH4不是很相关。
当向热空气中喷射燃料时，喷射点附近的区域的特征在于其混合很差。在局部范围中，λ值可以从0到无限大变化。
天然气：
其可燃极限很窄。在富集空气一侧，不能保持火焰，甚至在相对高的λ(在图1中为≈0.7)下也不能。其燃烧速度(和因此产生的层流火焰速度)大体上很低，尤其当接近富熄灭极限(rich extinction limit)时。在喷射区域的着火风险很低，并且在回火事件中没有充分的火焰稳定(例如，火焰被吹灭)。
富H2燃料：
其可燃极限很宽，在很富集的混合物的情况下(λ＜0.3)能够保持火焰。其燃烧速度(和因此产生的层流火焰速度)高。不幸的是，富H2燃料的最高速度也在富集区(典型的λ＝0.5左右)，这意味着，在喷射区域的着火风险很高，且火焰稳定(一旦发生火焰跳跃)很强。因而，回火导致永久的火焰稳定，从而导致高的排放同时也可能造成硬件的破坏。
下面列出处理这类高燃烧速度和上述的缺陷的常规方法。然而，这些传统的方法都没有解决高富集燃料/空气混合物高易燃性的关键问题。
●利用稀释。在任意给定的混合物质量中，该方法降低了燃烧速度(参见图1中的点画线双箭头A)，但是并不充分。另外，该方法并没有改变当发生最高燃烧速度时的当量比。过度的稀释造成高燃料压力损失和额外的费用(稀释剂并不是免费的。在采用N2的情况中，其压力必须从空气分离单元的压力增大到燃料的压力。在采用蒸汽的情况中，具有与从蒸汽循环中提取蒸汽相关的效率损失)。
●显著地增大燃烧空气速度。为了效率更高，燃烧器速度必须大幅增大，这样就导致燃烧器整体上的压力损失较大并因而导致燃气轮机的效率下降。另外，这么高的燃烧器速度往往与标准的储备燃料(如天然气)不相适应。必须注意，总是存在较低空气速度的区域(边界层(boundary layer))，其通常是接近喷入燃料的那些位置。
●在较高的速度下喷射燃料从而避免火焰稳定(flame-holding)。过大的喷射速度造成燃料系统中的高压力损失，导致更高的成本。接近音速极限也带来稳定性问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在燃气轮机燃烧系统中安全地混合富H2燃料和空气的方法，其可以有效地使局部燃料/空气混合物在喷射到主燃烧器空气流(已知为衬里空气)中之前绕过最高燃烧速度(即，λ＝0.6)，这样避免了现有技术中记载的缺陷。
该目的由根据权利要求1的方法获得。根据本发明的方法包括以下步骤：
●提供燃烧器空气的第一流和富H2燃料的第二流；
●预混合所有燃料和所述燃烧器空气的一部分以制备预先预混合的(pre-premixed)燃料/空气混合物；和
●喷射该预先预混合的燃料/空气混合物到主燃烧器空气流中。
根据本发明的一个实施方案，所述预混合步骤以这样的方式完成：防止火焰稳定在不需要的位置，尤其是喷射位置附近和在燃烧器中。
根据本发明的另一个实施方案，在所述预混合步骤中实现过量空气系数λ＞1，优选λ＞1.3。
根据本发明的另一个实施方案，利用空气分离单元(ASU)将空气分成O2和N2，将来自所述空气分离单元(ASU)的一部分N2添加到主燃烧器空气和/或预先预混合的燃料/空气混合物中。
根据本发明的另一个实施方案，使用简单的，优选圆形的，具有直的或者具有略微涡旋的空气流的通道形式的预先预混合器(pre-premixer)，来避免再循环和/或滞止区域(stagnation region)。
根据本发明的另一个实施方案，使用由窄通道组成的预先预混合器，所述窄通道的水力直径小于熄火距离(quenching distance)。
根据本发明的另一个实施方案，向所述预先预混合器内的空气流的边界层供应能量，尤其是通过使用一些膜空气(film air)供应能量，以增大这些区域的速度。
根据本发明的进一步的实施方案，通过喷射大量的H2/N2燃料所造成的“射流泵”效应额外地加速所述空气流。
根据本发明的进一步的实施方案，利用随后蒸发所喷射的水造成的相对冷却向富H2燃料中喷入水雾以增强所述方法的安全性。
根据本发明的进一步的实施方案，利用涡流稳定燃烧器中的主旋流器来进一步增大预先预混合器中的速度，通过利用在燃烧器中心区域的局部静压力低于额定燃烧器压力(nominal burner pressure)的事实而实现。
一种用于应用本发明所述方法的燃气轮机燃烧系统，其包括：
燃烧室和至少一个燃烧器，所述燃烧器向所述燃烧室内开口以将燃烧空气流喷射到所述燃烧室中；
至少一个预先预混合器，用来提供预先预混合的燃料/空气混合物；
从而所述至少一个燃烧器和所述至少一个预先预混合器相对于彼此设置，从而将所述预先预混合的燃料/空气混合物喷射到所述燃烧器空气流中。
根据本发明的燃气轮机燃烧系统的一个实施方案，所述至少一个预先预混合器为简单的，优选圆形的，具有直的或者略微涡旋的空气流的通道形式。
根据本发明的燃气轮机燃烧系统的另一个实施方案，所述至少一个预先预混合器由窄通道组成，所述窄通道的水力直径小于熄火距离。
根据本发明的燃气轮机燃烧系统的一个实施方案，所述至少一个燃烧器是涡流稳定燃烧器。
根据本发明的燃气轮机燃烧系统的一个实施方案，所述至少一个燃烧器是所谓的EV燃烧器(如在EP0321809B1中)或者所谓的AEV燃烧器(如在EP0704657中)。
根据本发明的燃气轮机燃烧系统的一个实施方案，所述至少一个燃烧器是所谓的SEV燃烧器(如在EP0620362B1中，pos.5)。
所有这些关于EV-、AEV-和SEV-燃烧器的文献和所有这些所作出的改进、专利申请和专利形成了本专利申请的一个整体组成部分。
附图说明
下面借助不同的实施方案并参考附图更详细地描述本发明。
图1示出了CH4(标准燃气轮机燃料)和多种H2/N2混合物在1atm和20℃的层流火焰速度；
图2示出了根据本发明的预先预混合构思；
图3示出了具有根据本发明的预先预混合构思的燃烧器的示例性实施方案；
图4示出了可以用涡流稳定燃烧器中的主旋流器来增大预先预混合器中的速度，简单地利用在燃烧器中心区域的局部静压力低于额定燃烧器压力的事实。
具体实施方式
本发明的目的是通过以防止火焰稳定的方式预混合所有的燃料与一部分燃烧器空气(称为“预先预混合空气”)，然后将该燃料/空气混合物(其特征在于λ＞1，优选λ＞1.3)喷射到主燃烧器空气流(衬里空气)中而实现；这可以在一级或多级中完成。图2示出了所述构思(称为“预先预混合”)。P_pk2和T_pk2分别是压缩机中离开燃气轮机的压力和温度。P_fuel和T_fuel分别是燃料的压力和温度，T_mix是预先预混合物的温度，P_hood和T_hood分别是罩空气(进入到燃烧器中的空气)的压力和温度。预先预混合方法可以包括用于富H2燃料的传统技术方案(如，高空气速度、高稀释水平)的元件，但是其负面影响是很有限的，因为这些方法仅应用到所有燃烧空气(例如预先预混合空气)的一部分，而不是应用到所有的燃烧空气流中。
质量和能量平衡显示对于70/30的H2/N2燃料(空气温度为420℃，燃料温度为150℃，T_ad＝1750K)，所需要的总燃烧器空气约为25％和45％，从而预先预混合燃料/空气的λ分别为0.6和1.0。
在得到的衬里冷却不充分的情况中(因为将部分压缩空气输送到预先预混合器中)，可以从ASU(空气分离单元)将剩余N2添加到衬里空气中，混合物的温度将显著低于400℃的标准衬里空气温度。该N2流可以仅需要从ASU的压力(对于低压装置大约为5bar，或对于高压ASU大约为15bar)压缩到P_pk2压力(即，在压缩机出口的压力)。
预先预混合过程由大于燃烧器的压力的压力损失(ΔP)驱动。图2基于申请人的GT13E2燃气轮机，对于AEV-125燃烧器(AEV＝AdvancedEnvironmental)在满负载条件下显示了，典型地，该压力损失与衬里和旋流器的压力损失ΔP_liner和ΔP_swirler的和成正比，等于ΔP≈2-3％。
预先预混合构思的进一步安全益处如下：
●相对冷的燃料仅与全部燃烧器空气的一部分混合，这意味着预先预混合物温度T_mix大大地降低(对于λ＝0.6和1.0分别为278℃和310℃，相比于当燃料与全部的燃烧器空气(基于70/30的H2/N2，温度为150℃)混合时的350℃。这大大降低了空气/燃料混合物的反应性，因此非常有助于安全转换到λ≥1.0)。
●预先预混合空气流比罩空气冷(cooler)(冷约20℃)，因为其并不用于衬里冷却。这进一步降低了预先预混合器中的反应性。
●如果N2用做预先预混合空气的一部分，点火的风险被降低，因为：
●低的O2；和
●低的温度。
●预先预混合物可以在燃烧器中获得更大的渗透深度(由于相对于空气质量流更高的燃料质量流速)，因此比当向燃烧器中喷射未预先预混合燃料时实现更好的混合。
下面描述几种获得所需的预先预混合的方法。毫无疑问，存在其他获得所提出的设想的方法。
●预先预混合器(图4中的16)可以由具有直空气流的简单通道(优选圆形)组成。空气动力学简单的几何结构避免了再循环和/或滞止区域。可以向边界层供应能量(例如使用一些膜空气)以增大这些区域的速度。可以使用横向流喷射体和同向流喷射体。后者进一步降低了火焰稳定的风险。
●在预先预混合器中缺少旋流器意味着空气速度可以高于燃烧器中的空气速度的50％左右，使用所给定的ΔP。
●空气流可以通过喷射大量的H2/N2燃料所造成的“射流泵”效应额外地加速。
●预先预混合器可以由水力直径小于淬熄距离的小通道构成。在这些小通道中的燃料喷射和预混合防止了在混合期间和在获得较高λ值之前产生均相着火(homogeneous ignition)。空气速度可以低，因为通过猝熄(quenching)而不是对流促进安全性。在窄通道中的低空气速度与可利用的ΔP相适应。
●将水喷入到富H2燃料中，随后的蒸发造成的相对冷却会进一步增强本方法的安全性。
图3是具有上述新型预先预混合构思的燃烧器的实例。根据图3，在燃烧系统10中，将预先预混合的燃料/空气混合物C喷射通过预先预混合器11和12并进入到开向燃烧室13内的燃烧器17中。主空气22通过靠近预先预先预混合器11和12的出口的主燃烧器空气进口14和15添加。所述预先预混合构思当然可以调整来适应更多的传统燃烧器，例如AEV和SEV(SEV＝Sequential Environmental)，参看下面的实施方案。每个燃烧器可以配备一个或多个预先预混合器。
实施方案1：
本设想也可以用于SEV(例如再热)燃烧中。在这种情况下，预先预混合器温度的益处会更大，因为预先预混合器中使用的PK2空气比1000℃的主燃烧器空气要冷得多(典型地为400℃-450℃)。相同的益处可以在同流换热燃烧系统(recuperated combustion system)中的非再热贫-预混合燃烧器的应用中看到。
实施方案2：
在预先预混合器中使用较少的空气。这使λ＜1，在预先预混合器中的局部温度显著地较小。这可以补偿与较富集燃料/空气混合物相关的较高的层流火焰速度。这也给衬里冷却留了较多的空气。
实施方案3：
所述预先预混合构思也可以应用在扩散燃烧器中。这样的结构可以获得清洁和安全的操作，而不需要降低定额值(由于NOx的原因，扩散燃烧器通常必须在较低的燃烧温度下运行)，不需要过度的稀释。
实施方案4：
涡流稳定燃烧器中的主旋流器可以被用来进一步增加预先预混合器中的速度，简单地利用在燃烧器中心区域的局部静压力低于额定燃烧器压力的实施而实现(参见图1中的点画线B)。这在图4中示出。根据图4，燃烧器系统20包括具有预先预混合器16的燃烧器17。在预先预混合器16中产生的预先预混合的燃料/空气混合物21在轴向上(轴19)进入燃烧器17。主空气22通过罩18进入到燃烧器17中，因而产生了具有低静压力区域24的旋流。最后生成的充分混合的燃料/空气混合物23离开燃烧器17并进入到随后的燃烧室中。通常，主空气流(如“罩”或者衬里空气)可以通过轴向、径向或者“混合”旋流器进入到燃烧器中。
附图标记清单
10，20  燃烧系统
11，12  预先预混合器
13      燃烧室
14，15  主燃烧器空气进口
16      预先预混合器
17      燃烧器
18      罩
19      轴
21，C   预先预混合的燃料/空气混合物
22，D   主空气
23，    充分预混合的燃料/空气混合物
24，    低静压力区域

Claims (16)

1.用于在燃气轮机燃烧系统(10，20)中安全地混合富H2燃料和空气的方法，其包括以下步骤：
提供燃烧器空气的第一流和富H2燃料的第二流；
预混合所有燃料和所述燃烧器空气的一部分以制备预先预混合的燃料/空气混合物(C，21)；和
将该预先预混合的燃料/空气混合物(C，21)喷射到主燃烧器空气流(D，22)中。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述预混合步骤以这样的方式完成：避免火焰稳定在不需要的位置，尤其是喷射位置附近和在燃烧器中。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于在所述预混合步骤中实现过量空气系数λ＞1，优选λ＞1.3。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的方法，其特征在于利用空气分离单元(ASU)将空气分为O2和N2，并且将来自所述空气分离单元(ASU)的一部分N2添加到主燃烧器空气(D，22)和/或预先预混合的燃料/空气混合物(C，21)中。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的方法，其特征在于使用简单的，优选圆形的，具有直的或者具有略微涡旋的空气流的通道形式的预先预混合器(16)来避免再循环和/或滞止区域。
6.根据权利要求1至4中任意一项所述的方法，其特征在于使用由窄通道组成的预先预混合器，所述窄通道的水力直径小于熄火距离。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，对所述预先预混合器(16)内的空气流的边界层供应能量，尤其是通过使用一些膜空气供应能量，以增大这些区域的速度。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于通过喷射大量H2/N2燃料所造成的“射流泵”效应额外地加速所述空气流。
9.根据权利要求1至8中任意一项所述的方法，其特征在于利用由于随后蒸发所喷射的水而造成的相对冷却向富H2燃料中喷入水雾以增强所述方法的安全性。
10.根据权利要求1至9中任意一项所述的方法，其特征在于，利用涡流稳定燃烧器(17)中的主旋流器来进一步增大预先预混合器(16)中的速度，这通过利用在燃烧器(17)中心区域内的局部静压低于额定燃烧器压力的事实而实现。
11.用于应用如权利要求1至10中任意一项所述方法的燃气轮机燃烧系统(10，20)，其包括：
燃烧室(13)和至少一个燃烧器(17)，所述燃烧器(17)开向所述燃烧室(13)内以将燃烧空气流喷入所述燃烧室(13)内；
至少一个预先预混合器(11，12；16)，用来提供预先预混合的燃料/空气混合物(C，21)；
从而所述至少一个燃烧器(17)和所述至少一个预先预混合器(11，12；16)相对于彼此设置，从而将所述预先预混合的燃料/空气混合物(C，21)喷射到所述燃烧器空气流中。
12.如权利要求11所述的燃气轮机燃烧系统，其中所述至少一个预先预混合器(16)为简单的，优选圆形的，具有直的或者略微涡旋的空气流的通道形式。
13.如权利要求11所述的燃气轮机燃烧系统，其中所述至少一个预先预混合器由窄通道组成，所述窄通道的水力直径小于熄火距离。
14.如权利要求11至13中任意一项所述的燃气轮机燃烧系统，其中所述至少一个燃烧器是涡流稳定燃烧器(17)。
15.如权利要求11至13中任意一项所述的燃气轮机燃烧系统，其中所述至少一个燃烧器是AEV燃烧器。
16.如权利要求11至13中任意一项所述的燃气轮机燃烧系统，其中所述至少一个燃烧器是SEV燃烧器。
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