CN104075344B - 用低热值燃料启动和运作燃气轮机的燃料喷嘴系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种以两种低热值气体的混合燃料气启动和运作燃气轮机的燃料喷嘴系统，其中第一低热值气体比第二低热值气体有更高的热值。该系统包括喷嘴和燃料回路。喷嘴包括设有初级喷气孔的初级喷头、设有次级喷气孔的次级喷头、及与初级和次级喷气孔相通的燃料通道。燃料回路控制进入喷嘴的两种低热值气体的流量。所述系统可在点火状态和满载或部分负载状态下操作。在点火时，至少所述第一低热值气体进入初级喷气孔进行点火以启动燃气轮机，在满负载或部分负载时，至少所述第二低热值气体进入初级和次级喷气孔进行燃烧以运行燃气轮机。点火时，混合气中的第一气体含量比满载和部分负载时高，以保证点火成功，满载和部分负载时减少第一气体含量，以降低成本。

Description

用低热值燃料启动和运作燃气轮机的燃料喷嘴系统和方法

技术领域

本发明涉及一种可用低热值燃料启动和运作燃气轮机的燃料喷嘴系统、以及用燃料喷嘴系统以低热值燃料来启动和运作燃气轮机的方法。

背景技术

一般地，燃气轮机通过燃烧燃料和空气的混合物来产生热能，形成高温气流，将高温气流的热能转化成机械能，驱动涡轮轴旋转。燃气轮机应用广泛，比如，其可用于为泵或发电机提供能量。

近年来，燃气轮机一般配备有燃气喷嘴，用来为燃气轮机的点火和正常运作提供燃料。一种典型地用来为燃气轮机点火并使其运行的燃料是天然气，然而，由于天然气资源的稀缺，对能源的需求变得越来越依赖于其它燃料，比如，低热值燃料。比如，有些钢厂中的工业燃气轮机是以燃烧混有少量焦炉煤气（cokeovengas,COG）的高炉煤气（blastfurnacegas,BFG）来运作的,但它们仍然是用天然气或液体燃料来点火的，其可用一个燃料喷嘴来实现，该燃料喷嘴包括一个适合用来以天然气点火的喷头和一个适合用来在燃气轮机正常运作的过程中燃烧BFG的喷头。这种通过用天然气来点火以启动燃气轮机的方法不仅需要消耗额外的天然气，还需要用到单独的点火燃料系统，比如，油箱和油槽等。此外，在一些情况下，在实际场地中，比如，在钢厂可能会没有天然气可用。

因此，需要提供一种新的燃气喷嘴，可用来以低热值燃料，如BFG、COG或合成气来点火启动燃气轮机，并提供一种新的方法，通过这样一种新的燃气喷嘴用低热值燃料来点火启动燃气轮机。

发明内容

本发明涉及一种用来以低热值燃料启动和运作燃气轮机的燃料喷嘴系统，其包括燃料喷嘴和燃料回路。所述燃料喷嘴包括设有复数个初级喷气孔的初级喷头、以及与初级喷气孔流体相通的初级燃料通道。所述燃料回路用来控制进入所述燃料喷嘴的第一和第二低热值燃料气体的流量。所述燃料喷嘴系统可在点火状态和满载或部分负载状态下操作，在点火状态时，至少所述第一低热值燃料气体进入初级喷气孔进行点火以启动燃气轮机，在满载或部分负载状态时，至少所述第二低热值燃料气体进行燃烧以运行燃气轮机。所述燃料回路可控制燃料气体的流量，使得在点火状态时用于点火的低热值燃料气体中的第一低热值燃料气体的含量高于在满载或部分负载状态时用于燃烧的低热值燃料气体。

本发明还涉及一种一种通过燃料喷嘴用低热值燃料启动和运作燃气轮机的方法，该方法包括以下步骤：提供第一低热值燃料源以提供第一低热值燃料气体；提供第二低热值燃料源以提供热值低于所述第一低热值燃料气体的第二低热值燃料气体；提供燃料喷嘴，其包括设有复数个初级喷气孔的初级喷头和与所述初级喷气孔流体相通的初级燃料通道；提供燃料回路，用来控制流入所述燃料喷嘴的第一和第二低热值燃料气体的流量；操作所述燃料喷嘴使其处于点火状态，包括在所述初级喷气孔处以所述第一低热值燃料气体或由所述第一和第二低热值燃料气体混合而成的第一混合气体进行点火，以启动所述燃气轮机；以及操作所述燃料喷嘴使其处于满载或部分负载状态，包括燃烧所述第二低热值燃料气体或由所述第一和第二低热值燃料气体混合而成的第二混合气体，以运行所述燃气轮机，其中所述第二混合气体中的第一低热值燃料气体的含量低于所述第一混合气体。

附图说明

通过结合附图对于本发明的实施例进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：

图1A是一个双喷头双燃料回路的燃料喷嘴的立体图。

图1B是图1A所示的燃料喷嘴的截面图，显示了该燃料喷嘴的内部结构。

图2A和2B分别显示了图1A所示的燃料喷嘴在一种操作方式下的点火状态和满载或部分负载状态。

图3A和3B分别显示了图1A所示的燃料喷嘴在另一种操作方式下的点火状态和满载或部分负载状态。

图4A和4B分别显示了图1A所示的燃料喷嘴在又一种操作方式下的点火状态和满载或部分负载状态。

图5A和5B分别显示了图1A所示的燃料喷嘴在又一种操作方式下的点火状态和满载或部分负载状态。

图6显示了使用图1A所示的燃料喷嘴的一种启动和运作方式。

图7A是一个双喷头单燃料回路的燃料喷嘴的立体图。

图7B是图7A所示的燃料喷嘴的截面图，显示了该燃料喷嘴的内部结构。

图8A和8B分别显示了图7A所示的燃料喷嘴的点火状态和满载或部分负载状态。

图9A是一个单喷头单燃料回路的燃料喷嘴的立体图。

图9B是图9A所示的燃料喷嘴的截面图，显示了该燃料喷嘴的内部结构。

图10A和10B分别显示了图9A所示的燃料喷嘴的点火状态和满载或部分负载状态。

图11显示了使用图7A或图9A所示的燃料喷嘴的一种启动和运作方式。

图12A和12B分别显示了实例部分的两次试验中使用不同组分的燃料气体获得的贫油点火边界。

具体实施方式

以下将对本发明的具体实施方式进行详细描述。为了避免过多不必要的细节，在以下内容中将不对习知的结构或功能进行详细的描述。

本文中所使用的近似性的语言可用于定量表述，表明在不改变基本功能的情况下可允许数量有一定的变动。因此，用“大约”、“左右”等语言所修正的数值不限于该准确数值本身。在一些实施例中，“大约”表示允许其修正的数值在正负百分之十（10%）的范围内变化，比如，“大约100”表示的可以是90到110之间的任何数值。此外，在“大约第一数值到第二数值”的表述中，大约同时修正第一和第二数值两个数值。在某些情况下，近似性语言可能与测量仪器的精度有关。

本发明中所提及的数值包括从低到高一个单元一个单元增加的所有数值，此处假设任何较低值与较高值之间间隔至少两个单元。举例来说，如果说了一个组分的数量或一个工艺参数的值，比如，温度，压力，时间等等，是从1到90，20到80较佳，30到70最佳，是想表达15到85，22到68，43到51，30到32等数值都已经明白的列举在此说明书中。对于小于1的数值，0.0001,0.001,0.01或者0.1被认为是比较适当的一个单元。前述例子仅作举例说明之用，实际上，所有在列举的最低到最高值之间的数值组合均被视为以类似方式清楚地列在本说明书中。

除有定义外，本文中所用的技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。本文所用的术语“第一”、“第二”等并不表示任何顺序、数量或重要性，而只是用于区别一种元件和另一种元件。并且，“一”或“一个”不表示数量的限定，而是表示存在一个的相关项目。

本发明的实施例涉及一种用低热值燃料气体来启动和运作燃气轮机的燃料喷嘴系统。本文所用的“低热值燃料气体”，是指热值较低，比如，小于350Btu每标准立方英尺（Btu/scf）的燃料气体。低热值燃料气体的例子包括但不限于气化产生的合成气、高炉煤气（BFG）、焦炉煤气（COG）、以及它们的组合，比如，混有少量COG的BFG。在一些实施例中，所述BFG是钢厂的副产物，其包括小于约2vol%（体积百分比）或1vol%的氢气和约20-25vol%的一氧化碳，具有一个相对较低的热值，约为80-110Btu/scf，因此其可燃范围较窄。一般往BFG中混入7-10vol%COG，以使燃烧变得更加稳定。COG包括50-60vol%的氢气和20-25vol%的甲烷，有助于稳定火焰。

所述燃料喷嘴系统可包括一个燃料喷嘴和至少一个用来控制燃料喷嘴中的燃料气体的燃料回路。其中所述燃料喷嘴可包括一个或多个喷头，每一喷头有复数个喷气孔。所述一个或多个喷嘴喷头可以分别控制，也可不分别控制。

双喷头双燃料回路的喷嘴

如图1A和1B所示，一种燃料喷嘴系统包括一个燃料喷嘴100，该燃料喷嘴100具有初级燃料管102，其内部空腔用作初级燃料通道104，还具有次级燃料管道106，其围绕所述初级燃料管102设置，形成有一个环形的内部流道，用作次级燃料通道108。所述初级燃料管102和次级燃料管106大体上同轴设置。所述初级燃料管102的末端为一个初级喷头110，其开设有复数个与所述初级燃料通道104流体连通的初级喷气孔112。所述次级燃料管106的末端为一个次级喷头114，其开设有复数个与所述次级燃料通道108流体连通的次级喷气孔116。

在图示的实施例中，所述初级喷头110位于次级喷头114的下游，因此初级喷头110上的初级喷气孔112也位于次级喷头114上的次级喷气孔116的下游。此处所述的“下游”是指与燃料喷嘴100的纵向相关且与燃料流动方向相对应的方向，初级喷气孔112位于次级喷气孔116的下游是指，在燃料喷嘴100的纵向上，所述初级喷气孔112位于次级喷气孔116所在的横截面下游的横截面上，应注意的是，其并不表示燃料需从次级喷气孔116流到初级喷气孔112。

所述初级和（或）次级喷头上的喷气孔的尺寸大小可根据实具体的应用来确定，比如，喷气孔的尺寸可根据从该喷气孔中通过的燃料气体的热值或沃泊指数（WobbeIndex）进行确定。在一个示例性的系统中，初级喷气孔的直径可小于0.1英寸，次级喷气孔的直径可在0.2-0.4英寸之间。

在本文中，“沃泊指数”是指喷气孔恒定的煤气炉所释放的热量度量，等于在标准温度和压力下以英热单位每标准立方英尺（Btu/scf）为单位的气体的总热值除以气体的比重的平方根。计算公式为，其中表示沃泊指数，为高位热值，为比重。是燃料气体互换性指标，可用作不同气体比较的基础。

在图示的实施例中，所述初级喷气孔112的尺寸比次级喷气孔116的尺寸小，这样，可让通过初级喷气孔112的气体的压降足够高，使得大部分的燃料气体从次级喷气孔116中通过。此外，小尺寸的喷气孔还可形成一个射流速度相对较高的燃料流，有助于在操作过程中冷却喷头。在一个具体的实施例中，所述初级喷气孔112与次级喷气孔116的直径比小于1/3，具体取决于次级喷气孔的数量。

所述燃料喷嘴100进一步包括一个靠近所述初级和次级喷头110和114的空气罩118，其设有复数个空气通道120，在喷气孔处点火或燃烧的过程中，用来让来自燃料喷嘴100外部的空气从中流入到初级和次级喷气孔112和116处。

所述燃料喷嘴系统还包括一个双燃料回路（未图示），用来分别对进入初级和次级燃料通道的燃料流进行单独控制，使得两个通道中的燃料可具有不同的组成。此外，在一些实施例中，所述双燃料回路可实现对现行温度和其他操作动力参数的良好控制。在一些实施例中，所述双燃料回路可包括两个或多个集合管，用来分别控制所述初级和次级燃料通道。

所述燃料喷嘴系统可在点火状态和满载或部分负载状态操作，其中，在点火状态时，用具有较低热值的低热值燃料来点火启动燃气轮机，在满载或部分负载状态时，燃烧具有较高热值的低热值燃料来运作燃气轮机。

在所述点火状态时，所述初级燃料管102连接于第一和（或）第二低热值燃料源（未图示），使得所述初级燃料通道104与所述第一和（或）第二低热值燃料源流体连通。所述第一和第二低热值燃料源可分别提供一种具有较高热值的低热值燃料气体，如COG，和一种具有较低热值的低热值燃料气体，如BFG。通过用双燃料回路来控制进入所述初级燃料通道104的第一和（或）第二低热值燃料气体的流量，从而可以控制所述初级燃料通道104中的燃料组成。因此，可以通过控制使得至少第一低热值燃料气体流到所述初级喷气孔112用来点火。在一些实施例中，可将所述第二低热值燃料气体的流量控制为零，只让所述第一低热值燃料气体流到所述初级喷气孔112进行点火。在一些实施例中，所述第一和第二低热值燃料气体的混合气体流到所述初级喷气孔112进行点火。所述次级燃料管106也可连接到所述第一和（或）第二低热值燃料源，使得第一和第二低热值燃料气体中的至少一种流到所述次级喷气孔116参与点火，或者连接到压缩空气源（未图示），以将压缩空气输送到所述次级喷气孔116进行吹扫。

在所述满载或部分负载状态时，所述次级燃料管106连接于所述第一和（或）第二低热值燃料源，使得所述次级燃料通道106与所述第一和（或）第二低热值燃料源流体连通。类似地，通过用控制进入所述次级燃料通道106的第一和（或）第二低热值燃料气体的流量，可以使得至少第二低热值燃料气体流到所述次级喷气孔116用来燃烧。在一些实施例中，可将所述第一低热值燃料气体的流量控制为零，只让所述第二低热值燃料气体流到所述次级喷气孔116进行燃烧。在一些实施例中，所述第一和第二低热值燃料气体的混合气体流到所述次级喷气孔116进行燃料。所述初级燃料管102也可连接到所述第一和（或）第二低热值燃料源，使得第一和第二低热值燃料气体中的至少一种流到所述初级喷气孔112参与燃烧，或者连接到压缩空气源，以将压缩空气输送到所述初级喷气孔112进行吹扫。

所述在满载或部分负载状态流入到次级喷气孔116进行燃烧的第一和第二低热值燃料气体混合物中的第一低热值燃料气体的含量低于在点火状态流入到初级喷气孔112进行点火的第一和第二低热值燃料气体混合物，因此，其热值也低于所述在点火状态流入到初级喷气孔112进行点火的混合气体。在点火状态时，所述流到次级喷气孔116的低热值燃料气体可以和该状态时流到初级喷气孔112的气体相同或不同。在满载或部分负载状态时，所述流到级喷气孔112的低热值燃料气体可以和该状态时流到次级喷气孔116的气体相同或不同。

以下将结合图2A至5B对所述燃料喷嘴系统的示例性的四种操作实施方式进行描述。

图2A和2B显示了所述燃料喷嘴系统第一种示例性的操作实施方式。如图2A所示，在点火状态时，热值较高的低热值燃料气体流经初级燃料通道104到达初级喷气孔112进行点火，以启动燃气轮机（未图示）；同时，压缩空气流经次级燃料通道108到达次级喷气孔116进行吹扫。点火之后，当燃气轮机达到中心速度/载荷（centerGTspeed/GTload）时，所述燃料喷嘴系统切换到满载或部分负载状态。如图2B所示，在满载或部分负载状态时，所述次级燃料通道108中通入的为热值较低的低热值燃料气体；所述初级燃料通道104中通入的为所述热值较低的低热值燃料气体或所述热值较高的低热值燃料气体，或是与两者都不同的低热值燃料气体。这些低热值燃料气体分别流入到次级喷气孔116和初级喷气孔112进行燃烧。在所述点火和燃烧的过程中，所述低热值燃料气体与来自空气罩118的空气通道120中通入的空气混合。

图3A和3B显示了所述燃料喷嘴系统第二种示例性的操作实施方式。在本实施方式中，点火状态与图2A所示的第一种实施方式的相同。热值较高的低热值燃料气体流经初级燃料通道104到达初级喷气孔112进行点火，以启动燃气轮机（未图示）；同时，压缩空气流经次级燃料通道108到达次级喷气孔116进行吹扫。点火之后，当燃气轮机达到中心速度/载荷时，所述燃料喷嘴系统切换到满载或部分负载状态。如图3B所示，在满载或部分负载状态时，次级燃料通道108中通入的为热值较低的低热值燃料气体，其流到次级喷气孔116进行燃烧；所述初级燃料通道104中通入的为压缩空气，其流到初级喷气孔112进行吹扫。

图4A和4B显示了所述燃料喷嘴系统第三种示例性的操作实施方式。如图4A所示，在点火状态时，所述初级燃料通道104中通入的为热值较高的低热值燃料气体，所述次级燃料通道108中通入的为与所述热值较高的低热值燃料气体相同或不同的低热值燃料气体，这些低热值燃料气体分别流入到初级喷气孔112和次级喷气孔116进行点火。如图4B所示，在满载或部分负载状态时，次级燃料通道108中通入的为热值较低的低热值燃料气体，其流到次级喷气孔116进行燃烧；所述初级燃料通道104中通入的为压缩空气，其流到初级喷气孔112进行吹扫。

图5A和5B显示了所述燃料喷嘴系统第四种示例性的操作实施方式。在本实施方式中，点火状态与图4A所示的第三种实施方式的相同。在满载或部分负载状态时，次级燃料通道108中通入的为热值较低的低热值燃料气体，其流到次级喷气孔116进行燃烧；所述初级燃料通道104中通入的为与所述热值较低或热值较高的低热值燃料气体相同或不同的低热值燃料气体。这些低热值燃料气体分别流入到次级喷气孔116和初级喷气孔112进行燃烧。

在一些实施例中，所述热值较高或热值较低的低热值燃料气体均为BFG-COG混合气体，但其中的BFG/COG配比不同，其中所述热值较高的低热值燃料气体中的COG含量高于热值较低的低热值燃料气体中的COG含量。两者可来自于相同的BFG和COG气源。通过分别控制BFG和COG的流量，可提供BFG/COG比例不同的BFG-COG混合气体。在一个具体的实施例中，如图6所示，在点火状态时单独用COG点火，当燃气轮机到达全速空载（FSNL）点或其他合适的转换点时，开始燃烧BFG-COG混合气体，使燃气轮机进入部分负载或满载或部分负载。该过程中BFG和COG的流量变化如图6所示。

为了使得上述操作实施方式更容易被理解，以下将举一个具体的操作过程的例子进行说明。当采用如图2A和2B所示的方式进行操作时，所述燃料喷嘴系统可通过一个包括以下步骤的过程进行操作：用从初级喷头110喷出的COG（单独的COG）来点火启动燃气轮机；当燃气轮机到达全速空载点时，开始燃烧从次级喷头114喷出的BFG（单独的BFG），同时保持初级喷头110上的COG火焰，该COG火焰用作引导火焰，以稳定BFG火焰。由于COG火焰的火势强，不容易熄灭，对BFG主火焰具有稳定作用。这样一种将COG和BFG分别从不同的喷头喷出以产生引导火焰和主火焰的燃烧方式，相比于在一个共同的喷头燃烧BFG-COG混合气体的方式可消耗更少的COG，达到更好的稳焰效果。

因此，通过所述燃料喷嘴系统可用COG点火，然后再用COG含量低的BFG-COG混合气体燃烧，这带来至少下述两个好处：首先，燃气轮机可通过COG单独点火来启动，这就可以不再需要液态燃料或天然气系统，以液态燃料为例，在启动阶段可以节省的液态燃料消耗量约为每一启动/关闭周期10吨的液态燃料；其次，在满载或部分负载或低负载运行过程中可通过燃烧COG含量较低的BFG-COG混合气体来实现，减少COG消耗量。上述优势使得所述燃料喷嘴系统特别适合用于现场可能没有天然气可用且可用的COG的量有限的钢厂或整体煤气化联合循环（integratedgasificationcombined-cycle,IGCC）厂。

双喷头单燃料回路喷嘴

如图7A和7B所示，一种燃料喷嘴系统包括一个燃料喷嘴200，该燃料喷嘴200具有燃料管202，其内部空腔用作燃料通道204，其末端有一个初级喷头210和次级喷头214，初级喷头210上开设有复数个初级喷气孔212，次级喷头214上开设有复数个次级喷气孔216，其中次级喷气孔216的尺寸比初级喷气孔212的大。所述初级喷气孔212和次级喷气孔216都与燃料通道204流体相通。在图示的实施例中，所述初级喷头210与次级喷头214一体成型，且与图1A和1B所示的喷嘴100相似地，所述初级喷头210位于次级喷头214的下游。所述燃料喷嘴200进一步包括一个靠近初级喷头210和次级喷头214的空气罩218，其设有复数个空气通道220，在喷气孔处点火或燃烧的过程中，用来让来自燃料喷嘴200外部的空气从中流入到初级和次级喷气孔212和216处。

所述燃料喷嘴系统还包括一个单燃料回路（未图示）用来对流到所述初级喷头210和次级喷头214的燃料流进行控制，使得在所述两个喷头处用来点火或燃烧的燃料可具有相同的组成。通过所述单燃料回路可共同控制流到所述初级喷头210和次级喷头214的燃料流，这样不仅可以简化控制，也可以降低硬件成本，从而降低生产成本。

所述燃料喷嘴系统可在点火状态下用热值相对较高的低热值燃料气体点火来启动，在满载或部分负载状态下燃烧热值相对较高的低热值燃料气体来运作燃气轮机。如图8A所示，在点火状态时，所述燃料管202连接于第一和（或）第二低热值燃料源（未图示），使得所述燃料通道204与所述第一和（或）第二低热值燃料源流体连通，这样，分别来自所述第一和第二低热值燃料源的第一和第二热值燃料气体可用不同的比例混合，并流到初级喷气孔212进行点火。如图8B所示，在满载或部分负载状态时，所述燃料管202可仍然连接于第一和（或）第二低热值燃料源，通过改变第一和第二低热值燃料气体的流量，可获得热值相对于点火状态时流到初级喷气孔212点火的气体的热值更低的气体组分，使其进入所述初级和次级喷气孔212和216中进行燃烧。由于初级喷气孔212的尺寸比次级喷气孔216的小，从初级喷气孔212喷出的低热值燃料气体产生了更大的压降，获得相对较高的流速，从而产生吹扫气流的作用，可防止喷头过热。

单喷头单燃料回路喷嘴

如图9A和9B所示，一种燃料喷嘴系统包括一个燃料喷嘴300，该燃料喷嘴具有燃料管302，其内部空腔用作燃料通道304，其末端有一个设有复数个喷气孔312的喷头310。所述喷气孔312与燃料通道304流体相通。所述燃料喷嘴300进一步包括一个靠近喷头310的空气罩318，其设有复数个空气通道320，在喷气孔处点火或燃烧的过程中，用来让来自燃料喷嘴300外部的空气从中流入到喷气孔312处。所述燃料喷嘴系统还包括一个单燃料回路（未图示）用来对进入所述喷头310的燃料流进行控制，使得在点火状态进入所述喷头310用于点火的燃料气体和满载或部分负载状态时进入所述喷头310用来燃烧的燃料气体具有不同的组成。

如图10A和10B所示，在点火状态时，所述燃料管302连接于第一和（或）第二低热值燃料源（未图示），使得所述燃料通道304与所述第一和（或）第二低热值燃料源流体连通，这样，分别来自所述第一和第二低热值燃料源的第一和第二热值燃料气体可用不同的比例混合，并流到喷气孔312进行点火。在满载或部分负载状态时，所述燃料管302可仍然连接于第一和（或）第二低热值燃料源，通过改变第一和第二低热值燃料气体的流量，可获得热值相对于点火状态时流到喷气孔312点火的气体的热值更低的气体组分，使其进入所述喷气孔312中进行燃烧。

所述燃料喷嘴300结构简单，从而可节省硬件成本，大大地降低生产成本。由于喷气孔312的尺寸取决于从其中喷出的用于点火或燃烧的气体的热值或沃泊指数。根据燃料气体的热值或沃泊指数来调整和确定所述喷气孔的尺寸，所述喷头310可在燃气轮机的启动条件下以不同组分比例的BFG-COG混合气体进行点火，使其满足喷气孔处的最小压力比（通常是1.01左右）的要求，而不会在热启动或关闭失败的情况下在燃气轮机排气管道产生自燃。比如，具有16个直径约为0.32英寸的次级燃料喷射的燃料喷嘴用于以热值为123Btu/scf的燃料气体点火时，可产生的压力比为1.028。

因此，所述单燃料回路的燃料喷嘴系统，比如，如图7A或图9A所示的喷嘴系统，不仅可以避免使用液态燃料或天然气，并降低COG的消耗量，还可通过采用简单的设计和结构，简化操作，降低生产成本。

与图1A所示的燃料喷嘴系统类似地，在所述单燃料回路的燃料喷嘴系统中，所用的第一和第二低热值燃料气体可以分别是BFG和COG。一种使用所述单燃料回路喷嘴系统的启动和运作模式的非限制性的实施例如图11所示。

在一些实施例中，所述在点火状态用于点火的低热值燃料气体包括约5-18vol%，或进一步地，约6-15vol%，或更进一步地，约6-11vol%的氢气。在一些实施例中，所述点火状态用于点火的低热值燃料气体为BFG-COG混合气体，包括82-90vol%的BFG和10-18vol%的COG。比如，在一个具体的实施例中，所述点火状态用于点火的低热值燃料气体为一种包括85vol%的BFG和15vol%的COG的BFG-COG混合气体。

在一些实施例中，所述在满载或部分负载状态时用于燃烧的低热值燃料气体包括约5-15vol%，或进一步地，约5-10vol%，或更进一步地，约5-8vol%的氢气。在一些实施例中，所述满载或部分负载状态用于燃烧的低热值燃料气体为BFG-COG混合气体，包括88-93vol%的BFG和7-12vol%的COG。比如，在一个具体的实施例中，所述满载或部分负载状态用于燃烧的低热值燃料气体为一种包括93vol%的BFG和7vol%的COG的BFG-COG混合气体。

在前述实施例中，除了所述第一和第二低热值燃料源之外，可能还进一步有另外的低热值燃料源连接到所述燃料喷嘴，提供其它的低热值燃料气体用于点火和（或）燃烧。

在前述实施例中，所述燃料喷嘴系统还可包括，或者是连接于一个对进入燃料喷嘴的燃料进行测量的燃料系统。所述燃料系统可包括燃料控制体系、调速器、分流器、泵、集合管和蒸发管等。这些元部件之间可通过柔性或刚性的管道连接用来传输燃料气体。所述燃料系统可将精确测量的燃料气体送入所述燃料喷嘴。

此外，为了防止燃料喷嘴中的回火，点火时的空气和燃料气体流需要保持高于一定值，确保获得一个相对较高的喷嘴压力比（通常是1.01）。在一些实施例中，为了防止在热启动或关闭时，燃气轮机的连接到一个用于回收热量产生蒸气的装置的排气管中发生自燃，可向该排气管中吹入氮气、蒸气或水。

实例

为了说明所述燃料喷嘴可用低热值燃料点火启动燃气轮机，以BFG-COG混合气体点火进行了点火试验。以COG含量在10-40%（体积百分比）的范围内对具有不同COG含量的混合气体进行试验，对点火性能进行评估，对应地，这些混合气体中的氢气含量在6-24%（体积百分比）之间变化。试验过程中还使用天然气作为比较基准。试验中所用的BFG和COG特性如下表所示。

试验在典型的燃气轮机点火条件下进行，即空气和燃气温度为59F，压力为大气压。空气流入燃气轮机的喷嘴中，其中初级喷气孔对应于5-18%的燃机轴速，次级喷气孔对应于8-27%的燃机轴速。这样的空气流范围足够宽，可涵盖一般范围在10-15%燃机轴速之间的的燃机启动速度。试验根据下述程序进行。

（a）在最低的空气流时，找到贫油点火边界（leanignitionlimit，LIL），即可实现成功点火的最低燃料当量比。该当量比为燃料完全燃烧所需空气量与实际供给空气量之比，其中燃料完全燃烧所需空气量为可使燃料完全氧化生成二氧化碳和水但不再有氧气剩余的情况所需的空气量。

（b）增加空气流量，根据步骤（a）找到贫油点火边界，直至达到对应于最高燃机轴转速的最大空气流量。

（c）增加COG流量，重复步骤（a）和（b），直至COG流量达到最大值。

（d）使用天然气进行试验，重复步骤（a）和（b）。

然后以所述贫油点火边界作为评估点火性能的参数，其中贫油点火边界越低表示点火冗余度越大，点火越容易，点火性能越好。

分别用只有初级喷气孔的燃料喷嘴系统和只有次级喷气孔的燃料喷嘴系统进行了两次试验。在第一次试验中，使用了一种如图7A和7B所示的，但在次级喷头210上没有次级喷气孔212的单回路燃料喷嘴系统。该燃料喷嘴具有13个直径为0.1英寸的初级喷气孔。第一次试验所获得的贫油点火边界显示在图12A中。在第二次试验中，使用了一种类似于如图9A和9B所示的，只有次级喷气孔的燃料喷嘴系统，该燃料喷嘴具有16个直径为0.32英寸的次级喷气孔。第二次试验所获得的贫油点火边界显示在图12B中。

如图12A和12B所示，对于所述两个试验，除了混有10%COG的BFG-COG混合气体之外，其余的BFG-COG混合气体的点火性能都比天然气更好。因此，具有初级喷气孔或（和）次级喷气孔的燃料喷嘴可用于以低热值燃料，如BFG和COG点火来启动燃气轮机。

本发明可用其他的不违背本发明的精神或主要特征的具体形式来概述。因此，无论从哪一点来看，本发明的上述实施方案都只能认为是对本发明的说明而不能限制本发明，本发明的范围是由权利要求书界定，而不是由上述界定的，因此，在与本发明的权利要求书相当的含义和范围内的任何改变，都应认为是包括在权利要求书的范围内。

Claims (24)

1.一种用来以低热值燃料启动和运作燃气轮机的燃料喷嘴系统，其包括：

燃料喷嘴，其包括：

初级喷头，其包括复数个初级喷气孔；以及初级燃料通道，其与所述初级喷气孔流体相通；

燃料回路，可用来控制进入所述燃料喷嘴的第一和第二低热值燃料气体的流量；

其中所述燃料喷嘴系统可在以下状态下操作：

点火状态，在该状态时至少所述第一低热值燃料气体进入所述初级喷气孔进行点火，以启动所述燃气轮机；

满载或部分负载状态，在该状态时至少所述第二低热值燃料气体进行燃烧以运行所述燃气轮机；且

所述燃料回路可控制燃料气体的流量，使得在点火状态时用于点火的低热值燃料气体中的第一低热值燃料气体的含量高于所述在满载或部分负载状态时用于燃烧的低热值燃料气体中第一低热值燃料气体的含量。

2.如权利要求1所述的燃料喷嘴系统，其中：

所述燃料喷嘴进一步包括：

次级喷头，其包括复数个次级喷气孔；以及

次级燃料通道，其与所述次级喷气孔流体相通；以及

所述燃料回路可单独控制进入所述初级和次级通道的燃料气的组分，使得在满载或部分负载状态时至少所述第二低热值燃料气体进入所述次级喷气孔进行燃烧。

3.如权利要求2所述的燃料喷嘴系统，其中所述燃料喷嘴系统使得在点火状态时压缩空气进入所述次级喷气孔进行吹扫，在满载或部分负载状态时所述第一和第二低热值燃料气体中的至少一个进入所述初级喷气孔进行燃烧。

4.如权利要求2所述的燃料喷嘴系统，其中所述燃料喷嘴系统使得在点火状态时压缩空气进入所述次级喷气孔进行吹扫，在满载或部分负载状态时压缩空气进入所述初级喷气孔进行吹扫。

5.如权利要求2所述的燃料喷嘴系统，其中所述燃料喷嘴系统使得在点火状态时所述第一和第二低热值燃料气体中的至少一个进入所述次级喷气孔进行点火，在满载或部分负载状态时压缩空气进入所述初级喷气孔进行吹扫。

6.如权利要求2所述的燃料喷嘴系统，其中所述燃料喷嘴系统使得在点火状态时所述第一和第二低热值燃料气体中的至少一个进入所述次级喷气孔进行点火，在满载或部分负载状态时所述第一和第二低热值燃料气体中的至少一个进入所述初级喷气孔进行燃烧。

7.如权利要求2所述的燃料喷嘴系统，其中所述初级喷头上的初级喷气孔位于所述次级喷头上的次级喷气孔的下游。

8.如权利要求2所述的燃料喷嘴系统，其中所述初级喷气孔的直径小于所述次级喷气孔的直径的1/3。

9.如权利要求2所述的燃料喷嘴系统，其中：

所述燃料喷嘴进一步包括次级喷头，其设有复数个与所述初级燃料通道流体相通的次级喷气孔；以及

所述燃料喷嘴系统使得：

在点火状态时至少所述第一低热值燃料气体进入所述初级和次级喷气孔进行点火；以及

在满载或部分负载状态时至少所述第二低热值燃料气体进入所述初级和次级喷气孔进行燃烧和/或吹扫。

10.如权利要求9所述的燃料喷嘴系统，其中所述初级喷头上的初级喷气孔位于所述次级喷头上的次级喷气孔的下游。

11.如权利要求9所述的燃料喷嘴系统，其中所述初级喷气孔的直径小于所述次级喷气孔的直径的1/3。

12.如权利要求1所述的燃料喷嘴系统，其中所述燃料喷嘴系统使得在满载或部分负载状态时至少所述第二低热值燃料气体进入所述初级喷气孔进行燃烧。

13.一种通过燃料喷嘴用低热值燃料启动和运作燃气轮机的方法，其包括：

提供第一低热值燃料源以提供第一低热值燃料气体；

提供第二低热值燃料源以提供热值低于所述第一低热值燃料气体的第二低热值燃料气体；

提供燃料喷嘴，其包括：

初级喷头，其包括复数个初级喷气孔；以及

初级燃料通道，其与所述初级喷气孔流体相通；

提供燃料回路，用来控制流入所述燃料喷嘴的第一和第二低热值燃料气体的流量；

操作所述燃料喷嘴使其处于点火状态，包括：

在所述初级喷气孔处以所述第一低热值燃料气体或由所述第一和第二低热值燃料气体混合而成的第一混合气体进行点火，以启动所述燃气轮机；以及

操作所述燃料喷嘴使其处于满载或部分负载状态，包括：

燃烧所述第二低热值燃料气体或由所述第一和第二低热值燃料气体混合而成的第二混合气体，以运行所述燃气轮机，其中所述第二混合气体中的第一低热值燃料气体的含量低于所述第一混合气体。

14.如权利要求13所述的方法，其中：

提供所述燃料喷嘴进一步包括提供设有复数个次级喷气孔的次级喷头、和与所述次级喷气孔流体相通的次级流体通道；

操作所述燃料喷嘴使其处于满载或部分负载状态包括在所述次级喷气孔处燃烧所述第二低热值燃料气体或第二混合气体。

15.如权利要求14所述的方法，其中：

操作所述燃料喷嘴使其处于点火状态进一步包括向所述次级喷气孔输入压缩空气用于吹扫；以及

操作所述燃料喷嘴使其处于满载或部分负载状态进一步包括在所述初级喷气孔处燃烧所述第一和第二低热值燃料气体中的至少一种。

16.如权利要求14所述的方法，其中：

操作所述燃料喷嘴使其处于点火状态进一步包括向所述次级喷气孔输入压缩空气用于吹扫；以及

操作所述燃料喷嘴使其处于满载或部分负载状态进一步包括向所述初级喷气孔输入压缩空气用于吹扫。

17.如权利要求14所述的方法，其中：

操作所述燃料喷嘴使其处于点火状态进一步包括在所述次级喷气孔处用所述第一和第二低热值燃料气体中的至少一种进行点火；以及

操作所述燃料喷嘴使其处于满载或部分负载状态进一步包括向所述初级喷气孔输入压缩空气用于吹扫。

18.如权利要求14所述的方法，其中：

操作所述燃料喷嘴使其处于点火状态进一步包括在所述次级喷气孔处用所述第一和第二低热值燃料气体中的至少一种进行点火；以及

操作所述燃料喷嘴使其处于满载或部分负载状态进一步包括在所述初级喷气孔处燃烧所述第一和第二低热值燃料气体中的至少一种。

19.如权利要求13所述的方法，其中：

提供所述燃料喷嘴进一步包括：

提供次级喷头，设有复数个与所述初级燃料通道流体连通的次级喷气孔；

操作所述燃料喷嘴使其处于点火状态进一步包括：

在所述初级和次级喷气孔处用所述第一和第二低热值燃料气体中的至少一种进行点火；以及

操作所述燃料喷嘴使其处于满载或部分负载状态进一步包括：

在所述初级和次级喷气孔处燃烧至少所述第二低热值燃料气体。

20.如权利要求13或19所述的方法，其中，操作所述燃料喷嘴使其处于满载或部分负载状态包括：在所述初级喷气孔处燃烧至少所述第二低热值燃料气体。

21.如权利要求13所述的方法，其中，所述低热值燃料气体中的至少一种包括合成气、高炉煤气、焦炉煤气、或其组合。

22.如权利要求13所述的方法，其中所述第一低热值燃料气体为焦炉煤气。

23.如权利要求13所述的方法，其中所述第二低热值燃料气体为高炉煤气。

24.如权利要求13所述的方法，其中在初级喷气孔处用于点火的所述第一低热值燃料气体或第一混合气体包括气体百分比为5-18％的氢气。