CN1050893C - 用于减少燃气轮机燃烧室中燃料对空气浓度的装置和方法 - Google Patents

Abstract

稀薄燃烧燃气轮机燃烧室具有由燃烧室套筒内开口接受压气机排气的预混区。燃料喷嘴有带上游孔52，下游孔56和反应收集腔54。上游孔52为气体燃料提供降到大致为压气机排气压力的高压降。低压排气孔使压降与横跨燃烧室套筒供应空气孔的压降相当。进入到预混区的燃料和空气进口的动压响应特性基本匹配，以排除由预混区压力变化引起的燃料对空气的浓度的改变。

Description

用于减小燃气轮机燃烧室中燃料对空气浓度的装置和方法

本发明涉及到在采用预混的贫油燃烧过程的燃气轮机燃烧室中，用以减小或消除由于预混器中燃料对空气浓度波动而引起的动态压力水准增高的装置和方法，特别是关于用于使燃料和空气供给系统中的动态响应特性与燃气轮机燃烧室匹配的装置和方法，维持大致不变的燃料对空气比率，使其基本上不受在贫油燃烧的燃气轮机燃烧室的预混器中的燃气温度和压力的脉动影响。

鉴于对环境的关注，燃气轮机的氮氧化物(Nox)和一氧化碳(CO)的允许排放值一直在而且还在稳定地降低。获得很低排放值，同时保持高效率的一种方法是，采用建立在所谓贫油预混概念上的燃烧系统。在此系统中，燃烧前燃料和空气被充分混合。采用多种方式可以完成这种混合，所得到的这种燃料对空气的混合物浓度足够的低，结果燃烧时其火焰温度相当低，以致使Nox的生成物为最少。该燃料对空气的浓度大约为计算配比浓度的一半，且稍大于这个浓度，在此浓度时反应不能自身维持(不稳定极限)，并且火焰将熄灭。

由于这些燃烧系统是在非常接近反应稀薄极限状态下工作，与通常以传统燃气轮机燃烧系统所采用的计算配比的燃料对空气浓度的扩散火焰工作的情况不同，燃烧的稳定性会有很大问题。这种不稳定性可能是由燃烧室内的振荡压力造成的，它还经常通过与整体燃烧系统设计相关连的各种物理机构被放大。如果这种动压力超过可以接受的程度，则燃气轮机的运行和/或燃烧系统的机械耐用度则会大受影响。

在预混合燃烧中，与高动态压力水准相关连设有某些物理机制，而这与那些扩散式火焰燃烧系统是相同的，从预混器的燃料对空气浓度波动中引起的高动态压力，对于贫油预混燃烧系统是唯一的。在一种典型的贫油预混燃烧系统中，具有一个预混区，一个火焰稳定和反应区，第一级燃气涡轮喷嘴，燃料和空气输送系统。在此预混的贫油燃烧过程中，燃料和空气以相对混合区不同的动态特性方式，由各自的供应源输送。经预混过的燃料对空气的混合物在进入到反应区后，由保持在火焰稳定器的掩蔽区内的热燃气点火。经过燃烧生成的热燃气流经第一级燃气轮机喷嘴，这样加速气流流过第一级涡轮叶片。顶换通过第一级涡轮喷嘴热燃气所需要的压力，是流量和流体温度的函数。而燃气流的温度取决于进入到反应区中的燃料对空气的浓度比。当该浓度超过维持反应所需时，燃烧温度随浓度的变化大体呈线性关系。但是在浓度接近并通过稀薄极限时，燃气温度随浓度的变化会变得大得多，直到最后喷出火焰。

一种稀薄极限振荡会在任何贫油预混系统中发生。该振荡的周期如下：(1)一种压力脉冲，它或是由基本燃烧的噪声引起的，或是由某种系统扰动引起的，通过该系统扩散到预混装置中。由于预混装置中的压力决定着供给预混装置的燃料和空气的量，这种压力上的变化即这种压力脉冲，会使燃料和空气的流量发生变化。由于该燃料和空气供给系统的动态响应是不同的，造成在该预混装置内的燃料对空气浓度的一种改变。(2)进入到反应区内的这种新的燃料对空气浓度的燃料和空气，在那里燃料燃烧产生一个新的，而且与前不同的热燃气温度。(3)该具有新的温度的燃烧生成气体进入到第一级燃气轮机的喷嘴。由于该喷嘴的背压取决于该气体的温度，因此背压也产生了一个变化。(4)该新压力扩散到预混装置，该循环自我重复进行。这样，当该预混装置内的平均燃料对空气浓度接近该稀薄极限时，燃料对空气浓度的微小变化，会导致燃气温度和压力大的波动。因此，当要求有令人满意的排放时，这种状态下的运行就特别的不稳定。据所知，尚无很明确的方法来使由这种稀薄极限振荡所引起的动压水准减小到最小。

根据本发明，在贫油预混燃烧系统中的这种动态压力水准，是通过排除由该稀薄极限振荡循环引起的放大而降低的。一般来说，上述的稀薄极限振荡循环是通过匹配预混器的燃料和空气供给系统的动态反响特性来实现破坏的。一旦燃料和空气供给系统能大体一致地反响于压力的干扰，该预混器浓度就会基本不变，结果该反应区的燃气温度稳定，并且燃烧室压力也就相对不变。

为了实现如前所述，设计燃料输送系统具有基本类似于空气供给系统的压力响应特性的一个动压反应特性。在燃气轮机燃烧系统中，供应到预混器内的空气的典型方式是，从压气机通过设在燃烧室的套筒内的一组孔以很小的总压损失排放的。这样做是因为空气供给中的总压损失，在总体热力循环效率方面有很大影响。因为该空气供给稍受阻滞，其以相对于存在于该预混器范围内的任何压力强制作用(一种压力扰动)很小的相位差很快地反应。相反，燃料供给喷嘴，例如天然气，被典型地设计成集中在该燃料被引入到预混器区域内的地方形成高的压力损失。这样，这种高压力损失限制了燃烧室动压振荡在总的燃料流上的影响，并且使否则会导致大的燃料流变化的任何反响得以避免。但是，对于压力强制作用(即压力扰动)，该燃料系统反响很慢，并因此对压力波动反应以一个相对大的相位角。这种在空气和燃料供给系统间的反响幅度和相位角方面的不匹配，造成驱动不稳定极限振荡循环的预混器内的燃料对空气浓度的变化。

为了排除或将燃料和空气供给系统中的这种不匹配降到最低限，在燃料供给系统中提供一个其有上游方向孔、下游排放孔的燃料通道，及该两孔之间的一个反应收集空间。该上游孔具有很大的压降，因而具有将燃料系统与预混区隔离开，并且使燃料分散均匀的功能。另外，该上游孔大小作到能形成压力降，以至该下游孔和在收集反应空间内的压力接近压气机排放空气的压力大小。可是，下游喷嘴的大小作到能使与经由在燃烧器套筒内的孔，将压气机排放的空气进入到预混区的压降大体一致的非常小的压降。因此，到达预混区的空气和燃料进口压力是大致相同的。

燃料通道内的上游孔和燃料排放孔之间的起响应作用的收集空间，具有与空气压缩机的排放压力大体一致的压力，而这样被连接到具有和空气供给实际上相同的阻滞特性的预混区。由于该空间相当小，它没有对燃烧系统重要频率的共振点，并且来自该空间内的燃料波动也不会发生。可是该空间对于至少一个振荡周期的燃料储存来说又足够大了。很明显，燃料会在一个相位角内流进该反应收集空间，而在另一个相位角内从那里排入到预混区去。这样，这个反应收集空间一定要大到使得在任何一瞬间向该预混区提供燃料，用以补足由于通过这些孔的流经相位角失调引起的通过高压孔进入该反应收集空间的燃料与通过该低压孔该空间流出的燃料之间差。

因此，在本发明的一个优选实施例中，提供了一种采用贫油预混燃烧模式的燃气轮机的工作方法，其中燃烧室具有分离的燃料和空气的输送系统，及一个燃料对空气的预混区，包括有将燃烧室的燃料和空气输送系统的动压反应特性调配得基本相适应的步骤，以使当输送燃料和空气到预混区时，基本排除或使由预混区压力变化引起的提供给预混区的燃料对空气的浓度变化减少到最小。

在本发明的另一个最佳实施例中，提供了贫油预混式燃气轮机燃烧室的操作方法，该燃烧室有分离的燃料和空气进口，及一个接收燃料和空气的燃料和空气预混器区，包括有通过大体相等的经过空气和燃料入口到预混区的空气和燃料的压力降，减小燃烧室预混区中由于燃料对空气浓度比变化而引起动态压力的步骤。

在本发明的另一个实施例中，存在一种在贫油预混式燃气轮机中稳定燃烧的装置，其中有设置的预混区，包括有用以输送空气进入到燃烧器预混区的一个开口的空气供给系统，该系统有预定压力上游位置的开口，包括有使燃料进入到燃烧器预混区去的燃料通道的一个喷嘴，及用以输送燃料进入到预混区去的燃料通道的一个排放孔。用以减小该燃料排放孔上游燃料压力至接近预定压力所提供的该燃料排放孔上游的装置，该空气供给口和燃料排放孔具有大体相同的压力降，因此由燃气对空气浓度变化引起的预混区内压力波动基本被排除或被减至最小。

因此，本发明的主要目的是排除或使由不稳定极限振荡循环所引起的放大减至最小，以实现对贫油预混燃烧系统内的动压水准降低。

图1是燃气轮机的贫油预混燃料系统的示意图；

图2是本发明的一个两级燃料喷嘴的局部放大剖面图；

图3是表示燃烧温度与燃料对空气浓度比的关系图。

作为参考，现将结合附图详细说明本发明的一个最佳实施例。

参见图1，表示出燃气轮机的一个燃烧系统，包括以总标号10指示的一个燃烧器，它包括的一个预混区12，一个文氏管装置14，第二级反应区16，用于预混区12的套筒18，以及用于第二级反应区的套筒装置20。还示出有用于输送热燃气到未表示出的第一级喷嘴的一个过渡件22。其结构按照本发明构成的一组燃料喷嘴24沿中央体26的圆周方向布置，用以输送燃料至预混区12，在那里与通过套筒18内的开口的压气机排放空气相混合。可以说有一组环绕燃气轮机外壳布置的未表示出的燃烧室。

参见图3，如前所述，通常的扩散燃烧过程运行在接近计算配比。当燃料对空气浓度越趋低贫时，如图3箭头27所示，燃烧温度大致呈线性比例下降。但是当燃料对空气浓度趋近不稳定极限或可燃极限时，带有该浓度的燃气温度的变化会有大的突变。例如图3A所示的曲线斜度，指示出按燃料对空气深度再作指定的减少，结果燃烧温度引起极明显地下降。如在该图中所示，最终火焰熄灭。因此，在不稳定极限附近工作时，对于燃料对空气浓度的很小变化，燃烧温度发生显著的变化。这样，当压力扰动或脉冲在系统中发生并改变该预混区内的压力时，相应地改变燃料和空气的流量但呈现一个接一个的相位。因此，在某一给定时间内，预混器燃料对空气浓度改变，接着会引起在反应区内燃气温度的波动。这种温度波动改变着预混区内的压力，因此以连续周期性地影响燃料对空气浓度的新的变化，结果造成该燃料和空气输送系统之间的相位角的不匹配。

为防止这种由压力引起的燃料对空气浓度的波动，则对燃料和空气输送系统的动态压力的响应特性都基本要实现匹配。为此，使既能维持燃料系统与燃烧室的隔离又能提供均匀的燃料分布，该燃料供应系统设置了一个上游方向上的燃料孔以产生一个高的压力降，使达到大约为压气机排放空气的压力，还设置了一个下游方向上的孔，使具有低压降作用以达到通过套筒开口进入到预混区内的压气机排放空气流的压力，这两个孔由一个空间隔开，空间的容积需足够大到储存充足的燃料，以调节相对于该压力波动的相位角的第一相位角内通过该上游孔流进此空间容积的，以及在相对该压力波动的相位角的第二相位角内通过第二个孔流出该空间容积的这种燃料相位不匹配。

图2中更具体地表示了本发明的一个二级燃料喷嘴结构，包括有一个外壳32，它带有用以接纳一个导管34的中孔并借以固定的一个套33。导管34与图中未表示出的一个油源相接，通过接头36输油到在该孔另一端的喷嘴38。接头40适当地固定到外壳32上并带有一个端部接头42构成油雾喷嘴38。所供压缩空气经接头40一端上的环槽44流过一组圆周上隔开的孔46，再通过端部接头42和在套33端部上的燃油喷嘴38间的环形空间48。在该喷嘴的端部燃油被雾化，以送入预混区。上述的燃料喷嘴是通用的，且无须多说。

供给例如天然气的燃气可来自一个未表示出的燃气源接头40上形成的一个环槽50。接头40有一组圆周向间隔的沿轴向延伸的孔52，总体构成第一或上游燃料孔52，它具有高压降。孔52通往环腔54，该腔是由端接头42形成的，绕着接头40的端部设置了一组圆周方向隔开的燃料排放喷口，用于排放燃气进入到预混区。所有喷口56构成了下游孔56：它具有一很低的压降。另外，如在此描述的那样，在上、下游孔52和56之间的空间容积单独构成了一个反应的收集空间54。从前述中可以明白，燃气进入环腔50并通过构成上游阻尼孔的上游孔52进入到反应收集空间54，再通过孔56进入到预混区。高压降通常发生在普通燃料喷嘴的气体燃料出口，这样通过下游低压孔56和反应收集空间54将上游与预混区隔开。

假如该预混区的压力波动是以处在一个降低的预混区压力，通过套筒18内开口给预混区供应的空气就会增加，由于反响快，相对该压力波动的相位角只有一个小相位角。如果在该预混器燃料排放孔处安装一个普通高压燃气喷嘴，相应于预混器压力降低则燃料流也会类似地趋向增大。但是由于预混器区内的压力减小，燃料供给的响应会比通过套筒开口的空气压力的响应时间长，这样就引起了燃料和空气压力响应之间的相位角方面的不匹配。依照本发明，燃料通道上的高压降发生在第一孔52，这样空间54内的压力就基本是压气机的排放压力。如果通过向预混器提供空气的套筒的孔的压力降与穿过的下游燃气排放孔56的低压降大体相同，那未相对于这种压力强制作用，则该相位角就会是基本匹配一致的。由于匹配相位角，燃料对空气浓度能基本保持一个常数，而不管在燃料和空气输送系统中的压力强制作或压力干扰及其对燃料和空气输送系统的作用。这样，在前述的例中就是在预混区内处于降低的压力状况下压力干扰作用下，调节燃料和空气流的反响，以保持其浓度大致不变。反之，如果该预混区压力升高的压力扰动出现，则该燃料对空气浓度也会同样保持不变。这样就可以将不稳定极限振荡循环基本排除或将其控制到最小。

很清楚，响应收集空间必须具有一个足以容纳在相对压力强制作用的相位角的第一相位角内的通过第一孔流进该空间的，和在相对压力强制作用的相位角的第二相位角通过第二孔从该空间流出的燃料相位不匹配的这部分燃料。也就是说，当相对该压力强制作用的一个小相位角，燃料通过该下游低压喷口排放到预混区时，存在相对该压力强制作用的该相位角，通过上游高压第一喷嘴供给空间以燃料的高相位角与那个相位角之间的一种不匹配。所以，就需要在反应收集空间内储存足以完成一个循环周期的操作燃料。也即是在任一瞬间，燃料正以比其流出的鼓度更快地流进该空间，或者说燃料可以流出该空间比它流进更快。由相位角差引起的这种燃料差必被存储在该空间内，因此该空间的容积大小必须满足实现此目的。

虽然业已描述的本发明现被认为是它的最可行实施例，但应该明白，在本领域内的普通技术人员可作出各种变化和修改，而这些都应当认为没有超出由下边权利要求所划定的本发明范围。

Claims (4)

1.一种贫油预混型燃气轮机燃烧室的操作方法，其中该燃烧室具有用于接受燃料和空气的分离的燃料和空气进口和一个燃料对空气的预混器区域，其特征为包括的步骤是：

通过使流经预混器区的空气和燃烧进口的该空气和燃料的压降基本相等的方式，以减少由预混燃料对空气浓度比变化造成的该燃烧室预混器区内的动压波动。

2.可用于一种贫油预混型燃气轮机燃烧室中的稳定燃烧装置，具有一个预混器区，其特征为包括有：

一个空气供给系统，它包括用以输送空气到燃烧室的预混器区的、其上游方向具有一个预定压力的一个开口；

一个包括有使燃料进入到燃烧室的预混器区内的燃料通道；

所述的燃料通道还具有一个用于输送燃料进入到预混器区的排放孔；

用于降低所述燃料排放孔的该上游燃料压力使之接近所述预定压力的所述燃料排放孔的上游装置，具有基本相同压降的所述空气供给开口和所述燃料排放孔，由此因燃料对空气浓度升降造成的该预混器区内的压力波动可被基本排除或降到最小。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征是还包括在所述燃料排放孔上游燃料通道内的一个空间。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征是其中所述的降低装置包括了在所述燃料排放孔的上游燃料通道中的一个孔，所述上游孔提供比所述燃料排放孔压降更大的一个压降，及在所述上游和燃料排放孔之间的、压力与所述预定压力基本相同而其大小足以储存，用以调节在相对该预混器区任何压力波动相位角的一个第一相位角内通过所述上游孔流入到所述空间的，及相对该压力波动相位角的一个第二相位角内通过所述排放孔流出所述空间的燃料相位角内的任何不匹配的燃料的一个空间容积。

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