CN1056563A - 低氮氧化物燃烧室的流逸冷却喉区及有关工艺方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于降低双级、双工况燃气轮机燃烧 室内NO_X排放量的方法和装置。该燃气轮机包括 由直径减小的喉区隔开的第一和第二燃烧室。喉区 由多孔材料制成的收缩与扩张壁区段构成。设置一 个包围喉区的套，以形成压力通风系统，预定的空气 量通过该套经计量进入压力通风系统，并使其经多孔 喉区壁流出。

Description

本发明涉及燃气轮机燃烧室，尤其涉及能降低NOx排放量的燃烧室。

众所周知，NOx形成物随火焰温度增高和在燃烧室内停留时间的延长而增加。因此，从理论上讲，通过降低火焰温度和/或缩短反应气体在峰值温度下停留的时间能减少自燃烧室排出的NOx排放量。然而，实际上由于现在的燃气轮机燃烧室的紊流扩散火焰特性所致，是难以达到的。在这些燃烧室中，燃烧发生在包围正在蒸发的液体燃料小滴、燃料/空气当量比接近于1的薄层内，而与总的反应区当量比无关。因为这是导致最高火焰温度的条件，所以产生了较大量的NOx。结果，普通的单级、喷雾单个燃料喷咀喷雾体的燃烧室可能不满足新近制订的排放标准，不管反应区名义当量比保持如何稀薄。

而且还知道，将水或蒸汽喷入燃烧室反应区可以达到显著减少NOx排放量。然而，这种喷射具有许多缺点，包括增加该装置的复杂性及高昂的水处理费用。

实现低NOx排放的问题还引起更多的复杂性，在那方面需要满足其它的燃烧设计标准。在这些标准中，有良好的点燃品质，良好的相邻燃烧室点火性能，在整个负荷范围内的稳定性，大的调节比，低的横向旋转次数，寿命长以及安全和可靠操作的性能。

在共同占有的美国专利US-4，292，801中，叙述了一种双级双工况低NOx燃气轮机燃烧室。这种燃烧室包括隔开第一和第二级的喉区。具体地说，上述专利中所描写的燃烧室采用一种喉区，使薄膜冷却空气经用轧制的环形金属薄片形成的冷却槽引入。这是用于燃气轮机中流水生产燃烧室的壁冷却的标准方法。这种冷却方法沿面向燃烧反应区的燃烧室喉区表面引入较大量的处于压气机排出空气温度下的冷却空气流量。这种冷却方法导致边界层温度较低，具有极稀薄的燃料/空气混合物。然而，已经知道，在这一稀薄的低温边界层内化学反应熄灭，其结果在燃烧室出口处一氧化碳（CO）和未燃碳氢化合物（UHC）增加。

另一种已经应用的双级双工况低NOx燃烧室的冷却方案是采用借冲击冷却空气喷流而得到的背侧强有力的对流冷却。这种方法没有熄灭化学反应的薄膜空气冷却的缺点。然而，背侧冷却方法限于在流水生产的燃气轮机循环条件下的清洁天然气体燃料，因为自喉区外套壁的排热对于液体燃料和仅采用背侧冷却方法的改进的机器循环条件是不充分的。当双级双工况低NOx燃烧室按液体燃料和/或改进的机器循环条件工作时，这种受限制的排热能力导致喉区外套壁温就燃气轮机长期耐久工作来说显得过高。

本发明的目的是要提供一种在美国专利US-4，292，801中所述型式的双级双工况低NOx燃烧室中的流逸冷却喉区，对于在采用液体燃料的流水生产的燃气轮机循环条件下和在采用种种气体和液体燃料的改进的机械循环条件下的燃气轮机工作具有充分的耐久性。本发明的还有一个目的是要提供一种冷却双级双工况低NOx燃烧室喉区的方法，它并不熄灭燃烧室反应区内的化学反应，而且并不引起燃烧室出口处一氧化碳和未燃碳氢化合物排放量增加。本发明的再一个目的是要防止当以预混合的液体燃料工况工作时，在双级双工况低NOx燃烧室喉区表面上形成沉积物。

在流逸冷却方法中，空气或其它流体经多孔结构流入热燃气侧的边界层，以便使该内部结构保持在低于热燃气流的温度。这样，借助于壁内冷却剂的吸热以及边界层的改变从而降低表面摩擦，并经边界层的传热，实现了冷却。

燃气轮机中的流逸冷却并不是新的，参照美国专利US-3，557，553，US-4，004，056，US-4，158，949，US-4，180，972，US-4，195，475，US-4，232，527，US-4，269，032，US-4，302，940和US-4，422，300。

然而，流逸冷却迄今未应用于本发明所采用的这种双级双工况燃烧室喉区中。

在本发明的一个典型实施例中，喉区由相对于燃料/空气流的方向收缩和扩张壁区段而构成的。这样，该喉区存在一个较第一和第二燃烧室直径缩小的部分。

在该典型的实施例中，外套包围喉区，以形成一个冷却空气压力通风系统。在该外套上设有多个空气计量孔，以提供所需要的冷却空气（来自压气机）质量流及压力通风系统内的压力。

喉区的收缩和扩散壁区段由多孔金属材料制成，它允许流逸冷却空气喷流进入喉区。可以理解，空气计量孔的尺寸与数目以及喉区壁部的多孔性是经选择的，以提供为匹配沿喉区内表面变化的局部热负荷所需的那份流逸冷却空气量。

因此，本发明提供了一种达到显著降低燃气轮机NOx排放量而不恶化点燃、未燃碳氢化合物或一氧化碳排放问题的方法与装置。尤其是本发明的双级双工况低NOx燃烧室包括由喉区连接的第一和第二燃烧室或级。燃料与混合空气被引入用于预混合的第一燃烧室。第一燃烧室包括多个燃料喷咀，它们沿燃烧室轴线的圆周方位配置，并经第一燃烧室的后壁突入第一级内。附加的燃料被引入到第一燃烧室下游端附近，而附加的空气加入到喉区，以便在第二燃烧室内燃烧。

该燃烧室借助于首先将燃料与空气引入到在其内燃烧的第一燃烧室来工作。此后，燃料流转移到第二燃烧室，直到在第一室内的燃烧结束，接着燃料分配重新转移到第一室，以便跟第二室内出现的燃烧相配合。第二室内的燃烧很快被大量引入到第二室下游端的稀释空气所熄灭，以缩短燃烧产物在NOx生成温度下的停留时间，从而为以低量的NOx、一氧化碳及未燃碳氢化合物排放量为特点的燃气轮机组提供了原动力。

同时，当冷却空气经喉区壁流入时，热量便传给冷却空气，结果冷却空气以接近于喉区壁内表面的温度被喷入到燃烧反应区。由于在流逸冷却中采用了比薄膜空气冷却较少的空气，并且由于在流逸冷却时空气以高于薄膜空气冷却时的温度进入反应区，本发明的冷却空气不会导致边界层内化学反应的熄灭。

此外，在采用液体燃料的预混合运转工况中，液体燃料小滴会在第一级的出口处存在。这些小滴能冲击到喉区壁内表面上，从而在采用背侧冷却技术时导致沉淀物形成。本发明防止了这种沉积物的形成，因为这种流逸冷却空气清除去喉区壁内表面上的任何沉积物。

因此，按照本发明一个典型实施例的观点，为包括由喉区连接的第一和第二燃烧室的燃气轮机提供了一种低NOx的燃烧室，该喉区包括由多孔金属材料制成的收缩与扩散壁区段及一个包围喉区的冷却空气压力通风系统，该压力通风系统至少包括一个使该压力通风系统与冷却空气源连通的空气计量孔。

按照本发明另一广泛的观点，提供了一种冷却双级双工况燃气轮烧室内直径缩小的喉区的方法，它包括下列步骤：

a、设置一个包围直径缩小的喉区的压力通风系统;

b、对压力通风系统供应经计量的冷却空气量;

c、设置多孔金属壁区段以划定直径缩小的喉区界线;

d、自压力通风系统经多孔金属壁区段将流逸冷却空气引入到喉区。

根据随后详细的叙述，本发明的其它目的和优点将变得明显。

图1是按照本发明一个典型实施例的燃气轮机燃烧室的局部横剖视图;

图2是详细表示连接图1所示双级燃烧室第一和第二级的喉区的简略横剖视图。

图1是根据美国专利US-4，292，801而按照下面还要叙述的本发明作了修改的燃气轮机双级-双工况低NOx燃烧室10的局部横剖视图。

燃气轮机10一般为具有多个沿燃气轮机周围间隔分布的燃烧室12的园形横截面。燃气轮机也包括一个为燃烧与冷却提供高压空气的压气机13。在燃气轮机10运转期间，燃烧室12借助于来自压气机13的高压空气来燃烧燃料，给燃气轮机增加动力，一部分热燃气能量离开燃烧室12，经过渡件14，流到第一级喷咀15及安装于驱动压气机13与适当负载的燃气轮机叶轮上的叶片处（未表示）。

低NOx燃烧室12被包封在紧固于燃气轮机机壳17上的燃烧壳体16内。燃料经燃料管18和燃料流量控制器19进入燃气轮机10，该控制器使燃料经适当的燃料喷射引入装置，诸如燃料喷咀20和21进入燃烧室12。该燃料引入装置20和21借助于采用诸如在美国专利US-2，637，334和US-2，933，894中所述的双重燃料喷咀适于既能接收气态燃料，也能接收液态燃料，该燃烧室能以两种燃料中的任一种来运转。燃料由公知的点火系统，如火花塞来点燃，两相邻燃烧室之间的点燃是通过采用串扰电流管（cross  fire  tube）23来保证的。

图2比较详细地表示了本发明的低NOx燃烧室12，表示第一级或第一室25和第二级或第二室26，其中第二室的上游端通过缩小横截面的喉区100跟第一室的下游端相连。燃烧室25和26最好为圆形横截面，然而也可采用其它的形状。这些燃烧室最好由耐高温金属制成，它能经受燃气轮机燃烧室中通常遇到的燃烧温度。燃烧室的冷却最好采用在美国专利US-3，777，484中所述的百叶窗或在美国专利US-3，728，039中所述的缝隙式空气薄膜冷却，然而，也能按所希望那样采用其它的冷却装置，如水冷却，密封系统冷却，蒸汽薄膜冷却和常规的空气薄膜冷却。

燃料输入装置20表示在图2中，它包括多个燃料喷咀29，例如绕燃烧室12的轴线沿园周方位配置的6个喷咀。燃料喷咀29经端盖30突入第一级燃烧室25内。燃料经在端盖30外侧延伸并和控制器19相连的燃料管31被输送到各燃料喷咀29。燃烧空气经靠近喷咀29的输出端配置的空气旋流器32被引入第一级。空气旋流器32引入涡旋着的燃烧空气，它跟来自燃料喷咀29的燃料混合，从而形成一种可点燃的燃烧混合物。空气旋流器32的燃烧空气是从压气机13及燃烧壳体16与燃烧室壁34之间的输气路线中引来的。

图2还表示多个沿第一燃烧室25的壁34间隔分布的百叶窗，36和多个沿第二燃烧室26的壁间隔分布的百叶窗37，如上所述，它们是用于冷却的，并用于将稀释空气引入燃烧区以防止火焰温度显著升高。

此外，稀释孔48（表示在图1中）为迅速将稀释空气引入第二燃烧区以进一步防止火焰温度显著升高创造了条件。

第一燃烧室25还包括燃料引入装置21，它包括一个燃料喷咀40，燃料喷咀40可类同于燃料喷咀29，并从燃烧室的端盖30向喉区100延伸，因此，可把燃料引入第二燃烧室26，以便在那里烧掉。在靠近燃料喷咀40处装有类似于空气旋流器32的空气旋流器42，以便把燃烧室空气引入来自燃料喷咀40的燃料喷雾体，以形成一种可点燃的燃料-空气混合物。

喉区100由收缩壁段101a和扩张壁段101b构成。该喉区连接第一和第二燃烧室，并起到一种空气动力学分离器或隔离器的作用，以防止从第二室26逆燃到第一室25。为了实现这一功能，喉区100相对于二燃烧室直径是缩小的。业已发现，在一般情况下，第一燃烧室25或第二燃烧室26较小的直径对于喉区100直径之比至少应处于1.2∶1，最好约1.5∶1。然而，为了防止逆燃，可要求或需要较大的比值，因为另一个影响逆燃的因素是燃料引入装置21相对于喉区100的位置。更具体地说，燃料引入装置21越接近于喉区100，没有逆燃的直径比可越小。鉴于以上的讨论，凡熟悉本技术的人会明白，燃料引入装置21相对于喉区的位置以及喉区相对于燃烧室的尺寸可通过简单的试验来达到最优化，使逆燃减至最少。

喉区100的外形也是经加工的，以便通过均匀减小壁段101a直径（收缩）和均匀增大壁段101b直径（扩张）在二室之间形成一种光滑的过渡。

喉区100相对于燃烧室25和26直径的减小，引起了喉区内热燃气速度提高，这又导致自热燃气到喉区内壁101a和101b高的对流传热。由于来自热燃气的高对流传热，要求喉区强有力的冷却以保持内壁101a和101b足够低的温度来延伸工作寿命。本发明通过如下所述的流逸冷却为喉区提供必要的冷却。

冷却空气107经外套102上形成的冷却空气计量孔103在压气机排气空气温度下进入由包围喉区壁101a和101b的外套102形成的冷却空气强制通风系统104。外套102上的冷却空气计量孔103，其尺寸定得能提供所要求的冷却空气质量流量，并在该冷却空气强制通风系统内建立起压力。喉区壁101a和101b是多孔的，具有多孔性特征，这种多孔性预定要提供所要求的流逸冷却空气喷射量（由箭头105指示），以便和沿喉区壁内表面变化的局部热负荷配合。

在这方面，喉区壁最好由通用汽车公司Allison燃气轮机分部生产的商业名称为Lamilloy的多孔金属薄板材料制成，在Lamilly材料中的较好基底金属是称之为HaoTelloy-X的钴-镍合金。

流逸冷却已知比薄膜冷却更为有效，它意味着在采用本发明时，和采用薄膜冷却相比，每单位表面积将喷射较少的冷却空气，以保持可以接受的内壁温度。当冷却空气通过壁101a和101b时，热传给冷却空气，其结果是冷却空气以接近于壁101a和101b的内表面温度被喷入到（如箭头105所示）燃烧反应区。由于采用流逸冷却较采用薄膜空气冷却时使用较少的空气，并且在采用流逸冷却较采用薄膜空气冷却时空气以较高的温度进入反应区，在本发明中所用的冷却空气不会导致边界层内化学反应的熄灭，而在采用薄膜空气冷却的情况下，这种现象众所周知是要发生的。

此外，在采用液体燃料时的预混合工况下，液体燃料的液滴会在第一级25的出口处存在。这些液体燃料小滴会碰撞于喉区内壁101a和101b的表面上，在采用背侧冷却技术来冷却喉区时，导致形成沉积物。本发明会防止形成沉积物，因为流逸冷却空气喷射105会把沉积物从表面上清除。

因此，本发明为双级、双工况低NOx燃烧室内的喉区冷却提供了保证，其中，喉区足以耐久到能经受燃气轮机在采用液体燃料的现有产品循环状况下的工作，和在采用各种各样气态和液态燃料的改进了的机器循环的状况下的工作。按照本发明的方法和装置还免除了燃烧反应区内化学反应的熄灭，从而进一步减少了燃烧室出口处的排放量。

虽然连同目前认为是最实用和优先的实施例一起叙述了本发明，然而应当明白本发明不限于所公开的实施例，而却却相反，要覆盖包含在所附权利要求书的精神和范围内的种种变型和等同结构。

Claims (10)

1、一种操作燃气轮机燃烧室来达到减少氮氧化物排放量的方法，所述燃烧室包括由比所述燃烧级直径小的喉区分隔的第一和第二燃烧级；用于引导燃料和空气分别进入第一级的多个燃料喷咀和空气旋流器；靠近喉区配置的用于引导附加燃料和空气分别进入第二级的单个燃料喷咀和空气旋流器，该方法包括：

自多个燃料喷咀和空气旋流器引导燃料和空气进入第一级，以便在其中混合而形成可燃燃料-空气混合物；

自单个燃料喷咀和空气旋流器把附加燃料和空气引入第一级，附加燃料和空气在第二级中跟可燃燃料-空气混合物混合，以便在其中燃烧，其中自单个燃料喷咀和空气旋流器把燃料和空气引入第二级的步骤包括相对于喉区设置单个燃料喷咀和空气旋流器，以及相对于各燃烧级确定喉区尺寸，以便使自第二燃烧级到第一燃烧级的逆燃减至最少；

自包围喉区的压力通风系统把流逸冷却空气引入喉区。

2、按权利要求1所述的方法，其特征还包括另外的步骤：

把稀释空气引入第二级的下游端，以缩短第二级中燃烧产物在NOx生成温度下的停留时间。

3、按权利要求1所述的方法，其特征在于第一和第二级包括其上具有多个孔、从而把压缩空气经这些孔引入第一和第二级的壁。

4、按权利要求1所述的方法，其特征在于喉区包括由多孔材料制成的收缩和扩张壁。

5、按权利要求4所述的方法，其特征在于多孔材料包括钴-镍合金薄片。

6、按权利要求1所述的方法，其特征在于冷却空气按照所希望的空气质量流量和压力通风系统中所希望的空气压力输入压力通风系统。

7、按权利要求4所述的方法，其特征在于多孔壁区段具有某种多孔性，它被选择来完成这样一种功能，使所需的流逸冷却空气量跟沿壁区段内表面变化的局部热负荷相匹配。

8、一种燃气轮机的低NOx燃烧室，包括：

由喉区连接的第一和第二燃烧室;

靠近第一室上游端用于把燃料引入第一室的第一燃料引入装置;

靠近第一燃料引入装置用于把压缩空气引入第一室，以便和其中的燃料混合从而形成可燃燃料/空气混合物的第一空气引入装置;

和第一燃料引入装置同轴配置的用于把燃料引入第二室以便在第二室内烧掉的第二燃料引入装置，所述同轴配置的第二燃料引入装置设置在喉区;

靠近第二燃料引入装置、用于把压缩空气引入第二燃烧室的第二空气引入装置。

用于把流逸冷却空气引入喉区的装置。

9、按照权利要求8所述的燃烧室，其特征在于所述装置包括围绕喉区的压力通风系统。

10、按照权利要求9所述的燃烧室，其特征在于所述装置还包括划定喉区界线的收缩与扩散多孔壁区段。