CN1068408C

CN1068408C - 动力设备

Info

Publication number: CN1068408C
Application number: CN95103482A
Authority: CN
Inventors: H·U·弗鲁希; H·韦斯坦
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: ABB Schweiz Holding AG; ABB Asea Brown Boveri Ltd; ABB AB
Priority date: 1994-05-02
Filing date: 1995-05-01
Publication date: 2001-07-11
Anticipated expiration: 2015-05-01
Also published as: DE59509456D1; EP0681099B1; US5557921A; JPH0842357A; EP0681099A3; CN1112645A; DE4415315A1; EP0681099A2

Abstract

在一个主要由一个压缩机(2)、一个在其下游的燃烧室(6)和一个在燃烧室下游工作的涡轮(8)构成的动力设备中，在压缩机的出口扩散段(4)的部位设有一个第一喷射器装置(5a)，一个第二喷射器装置(5b)在燃烧室的燃烧器(100)的上游工作。这些喷射器的工作喷嘴由来自废热蒸汽发生器(13)的蒸汽供气。在第一喷射器装置中，来自压缩机的预压缩空气流入收集喷嘴；在燃烧室上游的第二喷嘴器装置中，有一种液体燃料(112)流入其收集喷嘴。

Description

动力设备

本发明涉用一种动力设备，它主要包含至少一个压缩机、至少一个可由至少一个燃烧器运作的燃烧室、和至少一个在燃烧室下游工作的涡轮，其中在燃烧室上游有至少一个喷射器装置，其工作喷嘴可由一个发生器发生的蒸汽供气。

对动力设备的改进最终总是在于使从燃烧中散发出有害物质降低到最少和将设备的效率提高至最高。在这方面，注意力指向新一代的燃气涡轮机组，它能够将效率提高至35％以上。在动力设备方面，另一项成熟的技术就是建立所谓的联合设备。这一概念意味着一个燃气涡轮机组与至少一个串接在后面的汽轮机线路在运行上协同工作，从燃气轮机的运行中来的、仍含有较高的能量潜力的废气被输入至一个废热蒸汽发生器中，在其中产生出供应一个汽轮机所需要的蒸汽。这样一种废热蒸汽发生器可以是一个单压式或多压式的设备。此外，有可能给废热蒸汽发生器配置外加的点火。这样一种设备按照目前的现有技术能够提供远超过55％的效率。显然，努力的方向在于进一步发展这种使用矿物燃料的火力动力设备，首先是考虑到更好地利用矿物资源，第二是从预定的水平出发的每一项技术上的进步，按杠杆作用意义来考察，在经济上显出超比例的效果。在燃气涡轮机组中，相当一部份的涡轮功率使用在驱动压缩机上，因此，能促使设备获得更高效率的压差的增大是通过对压缩机中的工作空气进行更高度的压缩达到的，因而在平衡得失上看可能所得无几或根本一无所得。这是因为来自涡轮的正功率由于压缩机的增高的轴功率吸收而丧失掉。

欧洲专利EP-Al-0,462,458公开了一种提高动力机械中燃气轮机的与压缩机相关的压差的方法。在这方法中，线路包括一个燃气涡轮机的与压缩机相关的压差的方法。在这方法中，线路包括一个燃气涡轮机组和一个串接在后面的废热蒸汽发生器。紧接在燃烧室上游有一个喷射器，在压缩机中经过预压的空气经由喷射器的收集喷嘴流出。这喷射器的工作喷嘴由废热蒸汽发生器中产生的至少一部份蒸汽供气，这样压缩机空气被进一步压缩，这并不要求从燃气轮机中吸取一部份功率。这样的开拓方向带来了人们所注视的效率的提高，其先决条件是用气体燃料在燃烧室中进行燃烧。如果与此相反，使用一种液体燃料，就必要采取有关将这种燃料气化的辅助措施，这样就使得通过一个喷射器的空气进一步压缩所得到的效率提高重新又丧失掉。通过雾化将液体燃料简单地喷射出去不能提供目前所力求获得的低的NOx值。在这里，跟蒸汽混合也起不了多大作用。

在这里本发明企图提供一种补救办法。本发明的目的在于，在本文开始所提到的那种类型的动力设备中提供对液体燃料的处理以达到低NOx燃烧而不会丧失效率。

本发明提供一种动力设备，它主要包含至少一个压缩机、至少一个可由至少一个燃烧器运作的燃烧室、和至少一个在燃烧室下游工作的涡轮，其中在燃烧室上游有至少一个喷射器装置，其工作喷嘴可由一个发生器发生的蒸汽供气，其特征在于一个第一喷射器装置放置在压缩机的出口扩散段内，一个第二喷射器装置放置在燃烧器的上游。

本发明的其它结构发展描述如下。蒸汽发生器是一个串接在涡轮后面的废热蒸汽发生器。来自压缩机的压缩空气流入第一喷射器装置的收集喷嘴中，而第二喷射器装置的收集喷嘴可以用一种液体燃料在燃烧器的上游推动。燃烧室是一个配备有多个设置在端面上的燃烧器的环形燃烧室。燃烧器包含有至少两个空心锥形的、沿流动方向相互套装在一起的分体，其各自的纵向对称轴线彼此相对错开地伸展，分体的相邻壁在它们的纵向长度上形成为燃烧空气所用的切向通道，在由分体所形成的锥形空腔中存在有至少一个燃料喷嘴。在切向通道的区域内、在其纵向长度上设置有另外的燃料喷射孔。分体在其流动方向上以一个固定角度锐角呈锥形扩宽。分体也可以在其流动方向上具有一个逐渐增大的锥形坡度。分体还可以在其流动方向上具有一个逐渐减小的锥形坡度。

本发明的主要优点在于将用于将空气进一步压缩的原理同样用在处理液体燃料上。根据这原理，燃气涡轮机组配置一个第二喷射器，液体燃料流过其收集喷嘴来推动一个燃烧器。该喷射器的工作喷嘴同样由在废热蒸汽发生器中产生的一部份蒸汽供气。通过这样的程序，对液体燃料产生了两方面的作用：在一方面，喷射器内的剪切力和内部旋涡使液体燃料雾化成非常小的微滴；在另一方面，蒸汽的温度使这些非常小的微滴极快地蒸发，从而给串接在喷射器后面的燃烧器提供一种燃料与蒸汽的最佳混合物，该混合物相当于一种贫燃气。在这种情况中，燃烧器最好设置成一种预混合燃烧器，其燃烧空气经受过经已评定的、通过另外的喷射器的进一步压缩。两个以蒸汽供气的喷射器的并联连接就有可能一方面保持效率的提高不受影响，另一方面，燃烧室可以由一个预混合燃烧器使用液体燃料来推动，这样，有害物质的散发、特别是NOx的散发、可以尽可能地降到最小。

如果燃气涡轮机组的燃烧室设计成一个环形的燃烧室，就可以得到一种有关空气在喷射器内再压缩的有利配置。这种喷射设施包括在压缩机的出口扩散段范围内设置一个连续环带的喷射器，这些喷射器通过一个设置在环形燃烧室壳体外面的环形管道供给。

下面将借助于附图对本发明的实施例进行详细描述。所有对本发明的直接理解并非必需的构件都被略去。各种介质的流动的方向用箭头指示。在各个不同的附图中，相同的构件标以相同的标号。在附图中：

图1是一个以示意图方式示出的带有一个废热蒸汽发生器和喷射器的燃气涡轮机组的线路图；

图2是一个带有环形燃烧室和带有不同喷射器的燃气轮机的实施例，其压缩机和涡轮装在一根轴上；

图3是一个双锥式燃烧器结构的燃烧器的透视图，部份地适当切开；

图4-6是截自燃烧器的不同平面的相应截面图。

图1示出一个燃气涡轮机组，在其中结合一个废热蒸汽发生器13和一个喷射器装置5。两个在后提到的组合在运行上跟燃气涡轮机组连接在一起。作为独立单元的燃气涡轮机组的组成件包含一个发电机1，一个压缩机2、一个燃烧室6和一个涡轮8。吸入的空气3在压缩机2内进行预压缩，然后经过压缩机2的出口扩散段4进入喷射器装置5的工作范围内。喷射器装置5、燃烧室6以及其燃烧器的特定设计将通过图2至6详细描述。在所述燃烧室6内径加热处理的燃烧空气作为热气体7向串接在后面的涡轮8供气。燃气轮机的废气9馈入废热蒸汽发生器13，在其中废气的能量被进一步利用。从这些废气9释放出的热能可以在一个高压蒸汽发生部份14中制成一股高压蒸汽10，它被输送至喷射器装置5并在那里分别供气给相应的工作喷嘴。由于这里涉及的是一个双压式废热蒸汽发生器13，因此将在另一个低压蒸汽发生部份16中提供一股低压蒸汽11，这种蒸汽的一部份11a将输入例如燃烧室6，并在那里用于进一步降低NOx放射；从低压蒸汽发生部份16排出的蒸汽的另一部份12可以用作涡轮8的冷却剂。经冷却的废气然后作为烟气18经由一个烟囱放入大气中。一个第一供水泵17设置来将介质供应到废热蒸汽发生器13中，而一个第二供水泵15设置来输送在低压与高压蒸汽发生部份之间的介质。对于这样一个线路涉及高压蒸汽10的应用的效应，可以参考图2。下面的说明在这里也是合适的：由于对喷射器装置5的供气使用了高压蒸汽，从涡轮8来的废气9就不能在相应的蒸汽发生部份14中充份地被利用。因此这第一级就有利地连接前面已提及过的低压蒸汽发生部份16，其蒸汽11如上面也简短地提及过的那样被馈入涡轮8作为冷却剂12与/或馈入燃烧室6内作为压抑过高的NOx排出的燃烧缓和剂介质11a。很自然这低压蒸汽11也有助于提高功率和效率。当然，图1所示的线路可以设计成一个联合设备，在其中从废热蒸汽发生器13产生的一部份蒸汽供气给一个未示出的串接在后面的汽轮机。这样一种配置可以有利地与在废气9管道内的、最迟在废热蒸汽发生器13本身内的附加点燃相结合。最后，废热蒸汽发生器可以配备更多的压力级，使设备达致最佳化。压力再低些的蒸汽可以例如送入上述汽轮机的低压部份，作为燃汽轮机最后各级的冷却剂。或者用于加热目的。

可以用于喷射器装置5的蒸汽不一定必须来自一个废热蒸汽发生器。只要蒸汽在质量和数量上都足够，就可以用于推动喷射器装置。

图2示出喷射器5a和56在设计成环形燃烧室的燃烧室6区域内的工作方式。压缩机2和涡轮8都支承在一根共同的轴上。紧接压缩机2的下游，在其出口扩散段4处，经预压缩的空气由于喷射器5a的作用被进一步地压缩。在废热蒸汽发生器13中产生的高压蒸汽10供气给这喷射器5a的工作喷嘴使来自压缩机2的经预压缩的空气再进一步被压缩，在这里出口扩散段4作为喷射器5a的收集喷嘴。这样，燃烧在一个较高的压力级进行；涡轮8由一个不能由压缩机2单独形成的压头供气。这样在废热蒸汽发生器中发生的蒸汽中固有的有效能将被更好地利用，由此使功率与效率跟现有的带有简单蒸汽吹入的设备比较都有所提高。从操作的观点来看，喷射器5a的作用所提供的优点是使在涡轮8上游的压力随着增长的蒸汽流10增大，而不会使压缩机2的反压增加到不能容许的程度。这样就可以保证一个足够大的、压缩机2的泵吸溶量。在这里所示的其燃烧室是一个环形燃烧室6的情况中，一个闭合的喷射器环带设置在出口扩散段4的部位内。从馈入喷射器5a的蒸汽10中分出一个部份10a，馈送到另一喷射器5b的工作喷嘴。这个喷射器5b设在燃烧器100的上游。一种液体燃料112流入这喷射器5b的收集喷嘴中。通过这个程序，就可以对液体燃料112产生两方面的作用：在一方面，喷射器5b内的剪切力和内部旋涡将液体燃料112雾化成非常小的微滴；在另一方面，输入的蒸汽10a的温度使这些非常小的微滴极快地蒸发，这样就使得燃料与蒸汽的最佳混合物在所述混合物进一步跟燃烧空气115混合之前被注入到串接在后面的燃烧器100中。在这里，如果所需要的喷射器5b能形成一个闭合的环带将也是有利的。

为了更好地理解燃烧器100的结构，如果在参考图3的同时也参考图4至6中的各个截面图将是有利的。此外，为了避免使图3无必要地复杂化，在图4至6中示意地示出的导板121a,121b仅在图中概略地指出。在下文中对图3的描述，需要时都可参看图4至6。

图3所示燃烧器是一个预混合燃烧器，它包含两个空心锥形部分体101、102，这两个锥形分体错开地相互套装在一起。锥形分体101、102各自的中心轴线或纵向对称轴线101b、102b彼此相对地错开成镜象对称设置以在两侧分别提供一个切向空气入口缝隙119、120(图4至6)，燃烧空气115通过这两缝隙流入燃烧器100的内部，也就是流入锥形空腔114内。所示分体101、102的锥形构形在流动的方向上具有一个特定的固定角度。当然，根据操作使用，分体101、102在流动方向上可以具有增大或缩小的锥度，就像一个喇叭或郁金香花那样。两个刚才提到的形状在图中未有示出，这是因为它们都属于业内人士不加思索就能想象得到的。两个锥形分体101、102各有一个圆筒形起始部份101a、102a，它们跟锥形分体101、102一样相对错开地伸展，使切向空气入口缝隙119、120存在在燃烧器100的整个长度上。在圆筒形起始部份区域内配置有一个喷嘴103，其喷射喷口104大致与由锥形分体101、102构成的锥形空腔114的最窄截面相重合。这喷嘴103的喷嘴能力及其特性取决于相应燃烧器100的预定参数。当然，燃烧器可以是单纯锥形的，也就是说设计成没有圆筒形起始部份101a、102a。此外，锥形分体101、102各有一个相应的燃料管道108、109，这些管道沿着切向入口缝隙119、120设置并且配置有喷射孔117，通过这些喷射孔将最好是一种气体燃料113喷入流经那里的燃烧空气115中，如箭头116所示。这些燃料管道108、109最好是最晚在进入锥形空腔114之前放置在切向流入的终点处，这是为了能获得一个最佳的空气/燃料混合物。在燃烧空间122一侧，燃烧器100的出口开口转入一个前壁110，其上设有多个通孔110a。上面最后提到的部份按要求进行工作，将稀释空气或冷却空气110b送至燃烧空间122的前面部份。此外，这个输入空气可以保持在燃烧器100的出口处的火焰稳定性。这种火焰稳定性，在其目标是要通过径向整平来获得火焰的密致性时是很重要的。通过喷嘴103供应的燃料是一种液体燃料112和蒸汽10的混合物112a(参看图2)。这种燃料/蒸汽混合物112a以一个锐角角度喷射至锥形空腔114内。这样从喷嘴103形成一个由切向流入的旋转燃烧空气115所包围住的锥形燃料纵断面。在轴向上，燃料/蒸汽混合物112a的浓度连续地通过燃烧空气115的流入而降低，以求达致最佳的混合。如果一种气体燃料113经由喷射孔117输入，燃料/空气混合物就直接形成在空气入口缝隙119、120的端头处。在燃料/蒸汽混合物112a的喷入中，在旋涡的脱出部位、也就是在回流区106的部位，在整个横截面上达致最佳的、均匀的燃料浓度。点火发生在回流区106的尖端。只有在这个地方才能产生一个稳定的火焰前锋107。火焰回火到燃烧器100内部的现象、如潜在在公知的预混合级的情况那样，在复杂的火焰稳定器上寻找补救的办法，但在这里就无需担心。如果燃烧空气115经额外地预热或者得到回流废气加浓，就能在到达燃烧区之前对液体燃料112的蒸发给予持续的支持。这种考虑同样适用于液体燃料经由管道108、109输入的情况。跟锥角与切向空气入口缝隙119、120的宽度相关的锥形分体101,102的结构设计要遵守很严格的限制，使所要求的燃烧空气115的流场连同流区106可以建立在燃烧器的出口处。一般来说，将切向空气入口缝隙119、120缩小一些就能将回流区106再往上游方向推移，由此，混合物就能更早一些点火。不管怎样，这点可以确定，固定住的回流区106本身就是位置稳定的，因为在燃烧器100的锥形区域内的涡旋率是沿着流动方向逐渐增加的。在燃烧器100内的轴向速度可以通过轴向燃烧空气流的一个图中未示出的相应输入加以改变。此外，燃烧器100的结构特别适合于改变切向空气入口缝隙119、120的大小，使得在不改变燃烧器100的长度的情况下就可能获得一个较大的操作带宽。

图4至6示出导板121a、121b的几何构形。它们具有导流作用，并根据它们的长度延长了锥形分体101、102的沿着相对于燃烧空气115的入流方向的相应端头。燃烧空气115在锥形空腔114内的流通状态可以通过使导板121a、121b围绕着一个设在这些通道进入锥形空腔114的入口部位的旋转中心123往外打开或朝里收拢而达致最佳化，如果切向空气入口缝隙119、120的原来隙口大小是可变的，这就更加必要了。当然，这种动态的辅助设施也可以设置成静态的，此时符合要求的导板跟锥形分体101、102构成一个固定的构件。燃烧器100也可以不带导板来进行操作，或者也可以设置用于此目的的其它辅助方法或设施。

Claims

1．一种动力设备，它主要包含至少一个压缩机、至少一个可由至少一个燃烧器运作的燃烧室、和至少一个在燃烧室下游工作的涡轮，其中在燃烧室上游有至少一个喷射器装置，其工作喷嘴可由一个发生器发生的蒸汽供气，其特征在于一个第一喷射器装置(5a)放置在压缩机(2)的出口扩散段(4)内，一个第二喷射器装置(5b)放置在燃烧器(100)的上游。

2．按权利要求1所述的动力设备，其特征在于蒸汽发生器(10)是一个串接在涡轮(8)后面的废热蒸汽发生器(13)。

3．按权利要求1所述的动力设备，其特征在于来自压缩机(2)的压缩空气流入第一喷射器装置(5a)的收集喷嘴中，而第二喷射器装置(5b)的收集喷嘴可以用一种液体燃料(112)在燃烧器(100)的上游推动。

4．按权利要求1所述的动力设备，其特征在于燃烧室(6)是一个配备有多个设置在端面上的燃烧器(100)的环形燃烧室。

5．按权利要求1所述的动力设备，其特征在于燃烧器(100)包含有至少两个空心锥形的、沿流动方向相互套装在一起的分体(101、102)，其各自的纵向对称轴线(101b、102b)彼此相对错开地伸展，分体(101、102)的相邻壁在它们的纵向长度上形成为燃烧空气(115)所用的切向通道(119、120)，在由分体(101、102)所形成的锥形空腔(114)中存在有至少一个燃料喷嘴(103)。

6．按权利要求5所述的动力设备，其特征在于在切向通道(119、120)的区域内、在其纵向长度上设置有另外的燃料喷射孔(117)。

7．按权利要求5所述的动力设备，其特征在于分体(101、102)在其流动方向上以一个固定角度呈锥形扩宽。

8．按权利要求5所述的动力设备，其特征在于分体(101、102)在其流动方向上具有一个逐渐增大的锥形坡度。

9．按权利要求5所述的动力设备，其特征在于分体(101、102)在其流动方向上具有一个逐渐减小的锥形坡度。