CN107110505A

CN107110505A - 具有多流体燃料供应的燃气轮机单元和供应燃气轮机单元的燃烧器的方法

Info

Publication number: CN107110505A
Application number: CN201580069559.2A
Authority: CN
Inventors: 恩里科·戈塔尔多
Original assignee: Ansaldo Energia SpA
Current assignee: Ansaldo Energia SpA; ASEN Ansaldo Sviluppo Energia SRL
Priority date: 2014-10-20
Filing date: 2015-10-20
Publication date: 2017-08-29
Anticipated expiration: 2035-10-20
Also published as: WO2016063222A9; EP3209941A1; EP3209941B1; WO2016063222A1; CN107110505B

Abstract

一种燃气轮机单元，包括提供有多个燃烧器组件(15)的燃烧室(5)，以及用于向燃烧器组件(15)供应燃料的供应系统(8)。每个燃烧器组件(15)包括各自的喷枪喷射器(20；120)，该喷枪喷射器(20；120)具有多个第一喷嘴(60；160)和与第一喷嘴(60；160)流体地耦合的第一内部流体管线(58；158)。供应系统(8)包括第一燃料供应管线(10)和惰性供应管线(12)，用于通过第一内部流体管线(58；158)向第一喷嘴(60；160)分别供应主燃料和惰性流体。

Description

具有多流体燃料供应的燃气轮机单元和供应燃气轮机单元的燃烧器的方法

技术领域

本发明涉及一种具有多流体燃料供应的燃气轮机单元和一种供应燃气轮机单元的燃烧器的方法。

背景技术

众所周知，在能源生产领域，特别是通过燃气轮机设备的电力生产，越来越需要减少污染物排放，尤其是氮氧化物(NOx)。还知道的是，向燃烧室提供燃料的方法和燃烧器的特性在确定污染物排放水平中起着至关重要的作用。

伴随着最小化污染物排放的需要，需要在宽范围的操作条件下维持足够的火焰稳定性，为了不降低设备性能。

在某些情况下，上述需求可能会推向相互冲突的方向，因此并不总是能够达到令人满意的折中。

例如，使用扩散引燃燃烧器确保了在火焰稳定性方面的显着优点，但是以污染物排放恶化为代价。在某些操作条件下，引燃燃烧器利用火焰来帮助燃烧稳定性，这对于总热能仅贡献几个百分点，但是对于大多数的NOx排放负责。另一方面，从排放的角度来说更好的部分预混引燃燃烧器在稳定燃烧方面效果较差。除了别的以外，即使在部分预混引燃燃烧器中，一部分供应的燃料流仍然产生不受控制的扩散火焰，这可能对污染物排放产生负面影响。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种燃气轮机单元和一种提供燃气轮机单元的燃烧器的方法，其能够克服所述限制，并且尤其能够减少污染物的排放而不损失火焰稳定性。

根据本发明，提供了分别如权利要求1和权利要求14所限定的一种燃气轮机单元和一种供应燃气轮机单元的燃烧器的方法。

附图说明

现在将参考附图来描述本发明，附图示出一些非限制性实施例，其中：

-图1是根据本发明的一个实施例的燃气轮机单元的简化框图；

-图2是图1中燃气轮机单元的一部分的更详细的框图；

-图3是图1中燃气轮机单元的燃烧器组件沿轴向纵向平面的剖面侧视图；

-图4是图3中燃烧器组件的放大细节沿着轴向纵向平面的剖面侧视图；

-图5是图4中的细节的前视图；

-图6是根据本发明的不同实施例用于燃气轮机单元的燃烧器组件的细节的沿轴向纵向平面的剖面侧视图；以及

-图7是图6中细节的前视图。

具体实施方式

图1示意性示出燃气轮机单元1和用于燃气轮机单元1的控制设备2。

Il燃气轮机单元1包括压缩机3、环形燃烧室5、轮机7，以及用于向燃烧室5供应燃料的供应系统8。

传感器9.1，...，9.N测量各个设备的数量，并向控制设备2提供相应的测量信号S_M1，...，S_MN。

供应系统8向燃烧室5提供一种或多种类型的燃料的调节流，例如并且作为非限制性示例，天然气、HFO(重燃料油)、燃料油、合成气和柴油燃料。在一个实施例中，根据操作条件，燃烧室5使用天然气作为主燃料，而使用柴油燃料作为次级或备用燃料。初级燃料和次级燃料分别通过彼此独立的第一燃料供应管线10和第二燃料供应管线11供应到燃烧室5。

另外，供应系统8通过惰性供应管线12向燃烧室5提供惰性流体流。惰性流体是指不参与燃烧反应的液态或气态的流体。特别地，惰性流体基本上不含可燃组分或氧化(燃烧)剂。例如，提供给燃烧室5的惰性流体可以是氮气或去矿物质水。

如图2中示意性所示，燃烧室5设置有使用由供应系统8供应的燃料的多个燃烧器组件15(例如24个燃烧器组件15)。

供应系统8包括由各个调节器所控制的调节构件以控制到燃烧器组件15的主燃料、次级燃料和惰性流体的流量。每个燃烧器组件15包括主燃烧器17、部分预混合引燃燃烧器18和喷枪喷射器20，下面将更详细地描述喷枪喷射器20的结构。这里并且在下文中，喷枪喷射器是指通常具有细长形状的喷射器，具有主要的轴向纵向尺寸并由一个或多个同轴管状体来限定。特别地，这意味着指示设计为沿着燃烧器或燃烧器组件的主轴线插入的喷射器类型。此外，喷枪喷射器意在无差别地供应气体燃料(例如天然气、合成气)或液体燃料(例如柴油燃料、HFO或C燃料油)。喷枪喷射器还可以接收不参与燃烧的液体或气体惰性流体的流。

在一个实施例中，供应系统8的调节构件包括：第一主调节阀21，布置在第一燃料供应管线10与主燃烧器17之间并由第一主调节器22控制；第二主调节阀32，布置在第二燃料供应管线10和主燃烧器17之间，并由第二主调节器34控制；部分预混调节阀23，布置在第一燃料供应管线10与引燃燃烧器18之间，并由部分预混调节器24控制；第一喷枪调节阀26，布置在第一燃料供应管线10与喷枪供应管线25之间，其流体耦合到喷枪喷射器20；第二喷枪调节阀27，设置在惰性供应管线12和喷枪供应管线25之间；以及二次调节阀28，设置在第二燃料供给管线11与喷枪喷射器20之间。第一喷枪调节阀26和第二喷枪调节阀27由第一喷枪调节器30共同控制。定义“第一喷枪调节器”通常是指物理组件(硬件)和可能的程序代码部分(软件)的组装，其能够基于由控制设备2所确定的设定点和测量信号，经由第一喷枪调节阀25和第二喷枪调节阀27，执行调节到喷射器20的主燃料的流量和到喷枪的惰性流体的流量的功能。例如，可以包括处理模块，其用于基于所分配的负载条件来确定流体流速，并且基于所确定的流速来确定第一喷枪调节阀25和第二喷枪调节阀27的打开程度；以及执行构件，其能够操作以实现第一喷枪调节阀25和第二喷枪调节阀27的期望打开程度。此外，应当理解的是，该定义还包括为第一喷枪调节阀25和第二喷枪调节阀27提供以协调方式操作的单独的调节器设备的实施例。

次级调节阀28由第二喷枪调节器31控制。

供应系统8还可以包括未示出的其它元件，特别是用于将离开调节构件的流体流均匀分发到燃烧器组件15的歧管。

在图3中详细示出燃烧器组件15中的一个燃烧器组件15。应当理解的是，其他燃烧器组件15具有相同的结构。

燃烧器组件15沿着轴线A延伸，主燃烧器17围绕该轴A布置，并且引燃燃烧器18居中布置。喷枪喷射器20始终沿轴线A插入引燃燃烧器18内。

主燃烧器17是预混合型，布置在引燃燃烧器18周围，并配备有附图标记33所示的旋流器。

旋流器33径向地限定在主体35与基本上截头圆锥形的壁36之间。主体35具有圆柱形轴向空腔，并且外部还具有截头圆锥形状。旋流器33还包括多个叶片37，在它们之间限定相应的流动通道38，从而利用相对于轴线A的对角流动路径朝向燃烧室5传送燃烧空气流。

主燃烧器17通过第一预混导管39接收由第一主调节阀21供应的主燃料流，第一预混导管39围绕轴线A延伸并且终止于环形歧管，该环形歧管形成在主体35内部，并且与流动通道38通过在叶片37中形成的旁路连通。

第二预混导管40接收由第二主调节阀32供应的燃料流并将其喷射到叶片37的下游。

旋流器33提供在流动通道38中形成的空气和燃料流的剧烈混合，其中空气的量超过理论化学计量比以产生贫预混火焰。

引燃燃烧器18包括第一截头圆锥体41和第二截头圆锥体42，其间限定轴向类型的旋流器43(图1和图3)。第一截头圆锥体41围绕轴线A延伸并且具有轴向通孔，其中容纳喷枪20。第二截头圆锥体42是中空的，其围绕第一截锥形体41布置且与后者共轴，并连接到主体35的外截头锥形表面。

旋流器43包括多个叶片45，它们布置在第一截头圆锥体41和第二截头圆锥体42之间的空间中。流动通道44限定在相邻的叶片对45之间。在一个实施例中，叶片45延伸出第一截头圆锥体41的前边缘，直到第二截头圆锥体42的前边缘。因此，叶片45的径向内边缘在一段距离上不受限制，而径向外边缘靠近第二截头圆锥体42的前边缘。

引燃燃烧器18设置有其分开的喷嘴系统，并且通过围绕轴线A同心的部分预混管道46、47，接收来自部分预混调节阀23的主燃料流。或者，引燃燃烧器18仅由部分预混导管46来供应。

参考图4和图5，喷枪喷射器20包括沿着轴线A延伸的外管状体50。内管状体51容纳在管体50的轴向通孔中，并且限定次级输送管线52和次级回流管线53。更精确地，次级输送管线52由内管状体51来限定，并且通过连接器54耦接到第二燃料供应管线11的相应分支。次级回流管线53由外管状体50和内管状体51之间的环形空气空间来限定。放置在喷枪喷射器20的喷射尖部的端子元件55形成连接次级输送管线52和次级回流管线53的腔室。端子元件55还具有形成为在燃烧室5中产生扩散火焰的一个或多个中心喷嘴56。

外管状体50容纳内部供应管线58，该内部供应管线58围绕次级输送管线52和次级回流管线53同心地布置。根据第一喷枪调节器30的设置，该设置根据燃气轮机单元1的操作环境来确定，内部供应管线58通过连接器59与喷枪供应管线12进行流体耦合，以接收主燃料、惰性流体或主燃料和惰性流体的混合物。

内部供应管线58能够由外管状体50中的环形空气空间或多个分开的导管来限定。在这两种情况下，围绕轴线A布置成环的多个外围喷嘴60和中心喷嘴56能够将通过内部供应管线58所接收的流体流注入到燃烧室5。特别地，当由第一喷枪调节器30所确定的流体流包含燃料部分时(实际上当第一喷枪调节阀26不完全关闭时)，外围喷嘴60成形为在燃烧室5中产生扩散火焰。

如上所述，通过内部供给管线58供应到燃烧室5的流体的组分由第一喷枪调节器30根据操作条件来控制。特别地，注入流速受控的惰性流体使得能够控制燃烧器的中心区域(其中火焰是扩散型的)中的燃烧条件，特别是温度。这样可以实现利于引燃火焰的污染物排放水平并且保持燃烧稳定性的效果。

在一种操作模式中，经由柴油燃料通过中心喷嘴56的喷射来产生扩散火焰。在这种情况下，第一喷枪调节器30能够仅供应受控流速的惰性流体，其局部地冷却扩散火焰区域，特别是在火焰的底部。因此，外围喷嘴60专门用于控制火焰温度和减少污染物排放水平，同时由中心喷嘴56来执行稳定功能。

在不同的操作模式中，可以悬挂柴油燃料的喷射，并且周边喷嘴60能够用于产生扩散火焰。此外，第一喷枪调节器30根据燃气轮机单元1的所需负载条件来确定主燃料的流量与惰性流体的流量之间的比例。第一喷枪调节器30通过作用于第一喷枪调节阀26以调节主燃料的流速来平衡根据所需功率的稳定效果；并通过作用在第二喷枪调节阀27上以调节惰性流体的流速来实现火焰温度控制效果。在一些操作条件下，喷枪调节器30可以中断惰性流体的供应并且仅提供主燃料。在这种情况下，考虑到外围喷嘴60位于燃烧器组件15的轴线A附近的位置，由喷枪喷射器20与主燃料产生的火焰纯粹是扩散的，而是非常小的尺寸。

独立于次级燃料、主燃料和惰性流体的供应，当存在两个流时，它们在喷枪调节阀26,27与外围喷嘴60之间的流体回路部分(分别在喷枪20的上游和内部的喷枪供应管线25和内部供应管线58)中混合在一起。

通常，以受控比例靠近燃料组件15的轴线A喷射的燃料和惰性流体的混合物使得可以将扩散火焰的污染物排放减少到燃烧器组件15的稳定极限所允许的最小值，同时，得到改善。

此外，以不同模式使用喷枪喷射器20内部的内部线路的可能性使得能够使整个燃烧器组件15更加高效和灵活，而不会损害体积。

根据本发明的不同实施例，图6和图7指的是，燃烧器组件15包括设置成喷射主燃料和惰性流体(或两者的混合物)的喷枪喷射器120，并且不具有用于注入次级燃料的线路和喷嘴。在这种情况下，特别地，每个喷枪喷射器120包括管状体150，其沿着轴线A'延伸并具有空的轴向通孔151。管状体151容纳内部供应管线158，该内部供应管线158通过连接器159与喷枪供应管线12流体连接，以根据第一喷枪调节器的设置接收主燃料、惰性流体或主燃料和惰性流体的混合物30，其中的第一喷枪调节器的设置根据燃气轮机单元1的操作条件来确定。如果需要，轴向空腔151可用于允许冷却空气的通过，特别是为了避免管状体151靠近火焰区域的过热。

围绕轴线A'布置成环的外围喷嘴160使得能够将通过内部供应管线158所接收到的流体流喷射到燃烧室5。特别地，当由第一喷枪调节器30所确定的流体流包含燃料部分时，外围喷嘴160成形为在燃烧室5中产生扩散火焰。

对于图2所示的方案，利用喷枪喷射器120、第二燃料供应管线11、次级调节阀28以及第二喷枪调节器31是多余的并且可以省略。

最后，清楚的是，在不脱离所附权利要求所限定的本发明的范围的情况下，可以对于所描述的燃气轮机单元和方法进行修改和变型。

Claims

1.一种燃气轮机单元，包括：

提供有多个燃烧器组件(15)的燃烧室(5)；以及

供应系统(8)，用于向所述燃烧器组件(15)供应燃料；

其中每个燃烧器组件(15)包括各自的喷枪喷射器(20；120)，所述喷枪喷射器(20；120)具有多个第一喷嘴(60；160)和与所述第一喷嘴(60；160)流体地耦合的第一内部流体管线(58；158)；

并且其中所述供应系统(8)包括第一燃料供应管线(10)和惰性供应管线(12)，用于通过所述第一内部流体管线(58；158)向所述第一喷嘴(60；160)分别供应主燃料和惰性流体。

2.根据权利要求1所述的燃气轮机单元，包括调节构件(26,27,30)，所述调节构件(26,27,30)用于调节到所述第一喷嘴(60)的主燃料的第一流量和惰性流体的第二流量。

3.根据权利要求2所述的燃气轮机单元，其中所述调节构件(26,27,30)包括第一调节阀(26)，其布置在所述第一燃料供应管线(10)与所述第一内部流体管线(58；158)之间；第二调节阀(27)，其布置在所述惰性供应管线(12)与所述第一内部流体管线(58；158)之间；以及调节器(30)，用于分别通过所述第一调节阀(26)和所述第二调节阀(27)来调节主燃料的第一流速和惰性流体的第二流速。

4.一种燃气轮机单元，其中调节器(30)用于向第一喷嘴(58)供应：

在第一操作条件下，仅主燃料；

在第二操作条件下，仅惰性流体；

在第三操作条件下，主燃料和惰性流体的混合物。

5.根据前述权利要求中任一项所述的燃气轮机单元，其中所述第一喷嘴(60；160)成形以便在所述燃烧室(5)中产生扩散火焰。

6.根据前述权利要求中任一项所述的燃气轮机单元，其中在每个燃烧器组件(15)中，所述喷枪喷射器(20；120)包括沿轴线(A；A')延伸的管状体(50)。

7.根据权利要求6所述的燃气轮机单元，其中在每个燃烧器组件(15)中，所述喷枪喷射器(20)包括一个或多个第二喷嘴(56)和与所述一个或多个第二喷嘴(56)流体耦合的第二内部流体管线(52,53)；并且其中所述供应系统(8)包括第二燃料供应管线(11)，用于通过所述第二内部流体管线(52,53)向所述一个或多个第二喷嘴(56)供应次级燃料。

8.根据权利要求7所述的燃气轮机单元，其中所述第一内部流体管线(58)同心地布置在所述第二内部流体管线(52,53)的外部。

9.根据权利要求7或8所述的燃气轮机单元，其中所述第二内部流体管线(52,53)包括输送管线(52)和回流管线(53)，所述输送管线(52)和所述回流管线(53)同轴并且通过存在所述一个或多个第二喷嘴(56)的端子元件(55)相互连接。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的燃气轮机单元，其中所述第一喷嘴(60)围绕所述一个或多个第二喷嘴(56)布置。

11.根据前述权利要求中任一项所述的燃气轮机单元，包括预混主燃烧器(17)，所述预混主燃烧器(17)与所述喷枪喷射器(20)同轴并且提供有具有对角流动路径的第一旋流器(33)。

12.根据权利要求11所述的燃气轮机单元，包括引燃燃烧器(18)，所述引燃燃烧器(18)与所述喷枪喷射器(20)和所述主燃烧器(17)同轴并且提供有轴向第二旋流器(43)。

13.根据权利要求12所述的燃气轮机单元，其中所述引燃燃烧器(18)径向地包括在所述主燃烧器(17)和所述喷枪喷射器(20)之间。

14.一种提供燃气轮机单元的燃烧器组件的方法，所述燃烧器组件(15)包括喷枪喷射器(20；120)，所述喷枪喷射器(20；120)具有多个第一喷嘴(60；160)和与所述第一喷嘴(60；160)流体耦合的第一内部流体管线(58；158)；

所述方法包括通过所述第一内部流体管线(58；158)向所述喷枪喷射器(20；120)的第一喷嘴(60；160)供应主燃料和惰性流体。

15.根据权利要求14所述的方法，其中通过所述第一内部流体管线(58；158)向所述喷枪喷射器(20；120)的第一喷嘴(60；160)供应主燃料和惰性流体包括：

在第一操作条件下，向第一喷嘴(60)仅供应主燃料；

在第二操作条件下，向第一喷嘴(60)仅供应惰性流体；

在第三操作条件下，向第一喷嘴(60)供应主燃料和惰性流体的混合物。

16.根据权利要求14或15所述的方法，其中所述喷枪喷射器(20)包括多个第二喷嘴(56)和与一个或多个第二喷嘴(56)流体耦合的第二内部流体管线(52,53)，所述方法包括通过所述第二内部流体管线(52,53)向所述一个或多个第二喷嘴(56)供应次级燃料。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述第一内部流体管线(58)和所述第二内部流体管线(52,53)同轴，并且所述第一喷嘴(60)围绕所述一个或多个第二喷嘴(56)布置。