CN1076014A - 燃烧器外部的空气分级装置 - Google Patents

Abstract

一种燃气涡轮的燃烧系统，包括在一压力容器内 的一组燃烧器，每个燃烧器包括一个确定了一个具有 反应区和一个稀释区的燃烧套筒，该套筒在稀释区部 位圆周配置有一组稀释空气供给孔，一个流体防护罩 围绕着每个燃烧套筒，在该处径向配置，用来供给压 缩空气到燃烧室。空气分级装置直接控制经稀释空 气供给孔到每个燃烧室。稀释区的压缩空气量。该 装置包括一组压力容器排出孔和连接管，来引导压缩 空气进入到该组燃烧器共有的第一集气管。一稀释 空气控制阀配置在每一排气孔和第一集气管之间，和 一个第二环形集气管围绕在流体防护罩上，并包括连 接第二集气管到燃烧器中每个稀释空气供给孔上的 供给管。

Description

本发明一般涉及燃烧控制的改进，特别是涉及到用于燃气涡轮的空气分级控制系统。该系统能燃烧气体燃料，同时能把氧化氮、烟和其它不需要的污染物质的排放减少到最低限度。

燃气涡轮的特性是，它们排放少量不需要的污染物质到周围的大气中。虽然燃气涡轮的排放物中，烟，过量的一氧化碳和没燃烧的碳氢化合物都是污染物质的成份，但是过量的氧化氮（NO_X）排放物的有害作用引起了人们特别的担心。

众所周知，降低燃烧温度会减少涡轮排放物中氧化氮的浓度。已证明，在过量空气中燃烧燃料，例如在燃烧过程中采用稀释燃料的混合物会降低燃烧温度。然而。在满负荷时使火焰温度降低的所需贫油的燃料-空气混合物，不能在低负荷和起动条件下维持满意的火焰。当后者工况经常发生时，如果在满负荷时采用相同的燃料混合比，则涡轮将在低的燃烧效率下工作，或者根本不能运行。燃料混合物将产生不完全燃烧，其将会引起在涡轮排放物中存在过量的一氧化碳和没有燃烧的碳氢化合物。

在涡轮中得到低排放物含量的现有技术包括：

把水喷射到燃烧室中，附加在用户的运行费上。见美国专利NO4337618;4290558;4259837;4160362;

清理排气烟道，附加在安装和运行费上;

在一个有限的稳定的运行范围内，干燥低氧化氮技术（在燃烧器中燃料分级）。见美国专利NO4292801和4982570。

现有的燃烧控制系统是利用变化几何结构来解决氧化氮排放的问题，以燃料与过量的空气一起燃烧，在横跨燃烧室的压力降有相当大的变化下频繁地运行。这种变化发生在涡轮负荷变化时，并且在整个运行过程中产生不利的影响。此外，由于所用的控制装置通常与燃烧器构成一个整体，因此整体结构在机械上是复杂的，并且造价和保养费用昂贵。还要理解的是，燃烧器在苛刻的外部周围环境下运行，温度高达1000F和250磅/英寸²压力，况且燃烧系统用一个压力容器包围着，该压力容器很贵而且保养拆装又很困难，在它周围设置的机械装置和传感器的可靠性证明也是有问题的。另一个缺点事实上也存在，就是目前的燃烧器很难结合这种类型的控制系统进行改造。

作为动力设备允许排放污染物的含量，在全球范围内将继续减少。然而如上所述，稀释，预混合燃烧技术导致燃烧器仅能在一个很窄的范围内稳定运行。在这个窄的范围内运行是很困难的，因为作为产生动力的燃气涡轮，需要在一个很宽的范围内供给动力而不是在单一工作点上。

预混合燃烧器的运行范围，通过空气分级能够扩大。空气分级的一般定义为：在运行期间，以一种控制方式改变进入燃烧器的空气分配。在美国专利NO4255927中，公开了一种用于燃气涡轮的燃烧系统，其中来自压气机的气流，以一种形式被导入反应区和下游稀释区，它允许供应给这个区域的空气的比例呈反比变化。然而为这些区域之间的空气流的分配，在该系统中要求有重要的金属构件。

在美国专利NO4944149中，公开了一种空气分级装置，其中提供了一个具有一组孔的一个环，相对于燃烧筒轴向调节，以便有选择地盖住或不盖住在筒上的稀释空气孔，以此来调整空气进入稀释区的量。由于在筒上配置了可移动的金属构件，使得保养出现问题。

本发明的主要目的是，提供一种简单而又新颖的用于提供空气分级的装置，它不降低装置的可靠性，也不增加保养费用。

更准确地说，本发明的目的是克服现有技术的缺点，而不妨碍保养和在压力容器内利用机构来控制空气分级的可靠性。由于把外部的空气分级加到现有的干燥低氧化氮（NOx）的燃烧器上，扩大了燃烧室稳定运行的范围。这种范围的扩大正是所希望的，因为用于产生动力的燃气涡轮必须在一个很宽的工况范围内运行，而不仅是在一个工况点上。

现有的燃气涡轮，压气机排出的空气近90%必须在全部时间内流过燃烧器（剩下的10%被泄漏或冷却热的燃气管道）。而本发明的外部空气分级装置允许导入燃烧器的空气这样分配，就是约有一个较大百分比的空气量（近似20%）能够利用经稀释区中的稀释孔进入燃烧室，而绕过燃烧反应区。

根据本发明的一个典型的实施例，所提供的空气分级不需要内部的机械装置和传感器。该系统设计成使这些部件配置在压力容器的外部，它显示出有高的可靠性并且容易保养。按照本发明，用于空气分级的压气机排出的空气最好从位于压力容器周围的4至6个位置之间的压力容器中排出。空气流经相应数目的管道输送到空气稀释控制阀，该阀控制压气机排出的空气量。接着空气导入到一个普通的集气管中，该集气管分配空气给压力容器中的每个燃烧器。到此结束。每个燃烧器有一个环状集气管，把空气经一组稀释空气供给管道输送到燃烧室。

因此，本发明所提供的主要方面是：在一个燃气涡轮的燃烧系统中，它包括有：一组位于一个压力容器内部的燃烧器，每一燃烧器包括确定了一个具有一个反应区和一个稀释区的燃烧室的一个燃烧套筒;该套筒在稀释区部位有一组沿圆周布置的稀释空气进入孔;一个流体防护罩围绕在每个燃烧套筒的周围，径向有间隔地配置在此，用于将压气机排出的空气输送到燃烧室;其改进包括：用于控制经所述稀释区空气供给孔输送到每个燃烧室稀释区的，压气机排出空气量的空气分级装置;包括位于燃烧套筒下游的一组压力容器排出孔，用来引导压气机排出的空气进入到围绕在压力容器外部的一个第一集气管;一个单一的集气管的进口管，其连接在第一集气管和每个燃烧套筒之间。

主要地，由于空气分级控制系统的所有金属构件都配置在压力容器的外部，因此容易保养拆装，减少了费用。

本发明的其他目的和优点，将从以下的详细叙述中变得更明显。

图1是本发明的一台典型的，具有外部空气分级装置的燃气涡轮燃烧器的横截面图。

图2是图1的局部放大图。

参照图1和图2，根据本发明的一个燃烧系统的一个燃烧器，用10表示。该燃烧系统包括一个燃烧套筒，其通常为圆筒形，由它确定了一个燃烧室14。端壁16接于燃烧室14的一端，并有一喷油嘴（未画出）将燃油以通常的方式输入燃烧室。燃烧室的另一端敞开，接至一过渡段18。该过渡段将燃烧室开口20连接到涡轮的入口。在这里用涡轮叶片22来表示。

一个外壳或一个气流防护罩24径向有间隔地围绕着燃烧套筒12，允许来自压气机的排出空气围绕燃烧套筒12反向流动，并利用一个属于喷油嘴一部分的旋流器使空气以一般的方式流入到燃烧室14。一个压力容器27的外壳26围绕着燃烧室14，在靠近过渡段18的位置确定了一个腔室28。在该腔室中，压气机排出的空气反向流动，流回喷油嘴。在此，通过向燃烧套筒12导入空气，最后为燃烧过程提供空气。

应当理解，实际上一个单级涡轮不只有一个燃烧器。例如，每个涡轮在一个压力容器内，可以有6至18个燃烧器。

正如现有技术所知，燃烧室包括一个反应区14R和一个下游区的稀释区14D。按照本发明的一个典型实施例，一个空气分级的压气机排出空气从腔室28在一组容器排出口30处排出（表示出一个）。但应清楚，可以有4至6个排出口配置在压力容器27的周围，它们围绕着所有的燃烧器。

流入到每个排出口30的排出空气，通过连接管道32输入到一个稀释空气控制阀34，并从那里经管道36输送到一个集气管38，该集气管由所有燃烧室共用。

在涡轮中，围绕着所有燃烧室的集气管38，经过各自的集气管连接管40分配空气进入到每个燃烧室。每个连接管40依次提供空气给一个环状稀释空气集气管42，每一个集气管42围绕着一个燃烧器的流体防护罩24。稀释集气管42通过从在其上面的相应数量的孔48上伸出的一组稀释空气供给管道46，输送空气给燃烧室14的稀释区14D。该供给管道46横跨在流体防护罩24和套筒12之间，从相对应的集气管42的孔48到相对应的稀释区空气孔44。空气供给管道46最好采用一般的可拆卸连接，如图2所示。其它方式的连接也适用。

在运行当中，从腔室28经过孔30导入稀释区14D的压气机排出空气，可以利用稀释空气控制阀34仔细控制，该控制阀 控制允许进入到共用的集气管38的流量。这种预定的稀释空气量依次均匀地通连接管道40、集气管42和供给管道46输送到各个燃烧室。用这种方式，燃烧室的排污性能呈最佳状态，并使机械排污物含量减少。

根据一个典型的实施例，压气机排出的大约20%的空气，通过进入空气稀释孔，而绕过燃烧室的反应区。

至此，本发明描述了允许控制用于稀释的空气的百分比，同时也需要用最少的元件控制进入到燃烧反应区的空气百分比。为了保养容易，所有部件都配置在压力容器的外部。

同时，本发明已描述了目前被认为最实际和最好的实施例。很清楚，本发明不限于所描述的实施例。正相反，是想要概括各种变型和等效方案，包括其精神和附加权利要求的范围在内。

Claims (10)

1、在一个燃气涡轮的燃烧系统中，它包括：在一个压力容器内的一组燃烧器，每一个燃烧器包括确定了一个具有一个反应区和一个稀释区的燃烧室的一个燃烧套筒；该套筒的稀释区部位有一组圆周布置的稀释空气供给孔，一个流体防护罩围绕在一个燃烧套筒的周围，径向有间隔地配置在此，用来将压气机排出的空气输入给燃烧室，其特征在于包括有，用于控制经所述稀释空气供给孔输给每个燃烧室稀释区的，压气机排出空气量的空气分级装置，包括有一组位于燃烧套筒下游的压力容器排出孔，用来引导压气机排出空气进入围绕在压力容器外部的一个第一集气管；一个单一的集气管进口管，其在第一集气管和每个燃烧套筒之间延伸。

2、根据权利要求1所述的燃气涡轮燃烧系统，其特征是还包括一个第二集气管围绕所述的流体防护罩周围，用来将空气从单一集气管供给管经一组稀释空气供给孔均匀地输入所述稀释区。

3、根据权利要求1所述的燃气涡轮燃烧系统，其特征是所述压力容器具有4至6个排出孔。

4、根据要求1所述的燃气涡轮燃烧系统，其特征是包括一个稀释空气控制阀，其配置在每个排出孔和所述第一集气管之间。

5、根据权利要求4所述的燃气涡轮燃烧系统，其特征是所述的阀有效地将用于燃烧的约20%的压气机的排气转移输入到燃烧室的稀释区。

6、在一个燃气涡轮燃烧系统中，包括有在一个压力容器内的一组燃烧器，每个燃烧器包括确定了具有一个反应区和一个稀释区的一个燃烧室的一个燃烧套筒，该套筒在稀释区的部位有一组圆周布置的稀释空气供给孔;一个流体防护罩围绕在一个燃烧套筒上，相对该处径向有间隔地配置，用来输送压气机排气到燃烧室，其特征是包括有，用来直接控制经所述稀释空气供给孔输送到一个燃烧室稀释区的，压气机排气量的空气分级装置，所述装置包括一组压力容器排出孔和用来引导压气机排出空气进入一个为所述一组燃烧器所共用的第一集气管的连接导管;一个稀释空气控制阀配置在每个排出孔和所述第一集气管之间;一个第二环形集气管围绕着所述流体防护罩，并包括连接所述第二集气管到所述燃烧套筒内的每个稀释空气供给孔的连接管。

7、根据权利要求6所述的燃气涡轮燃烧系统，其特征是所述连接管，所述稀释空气控制阀和所述第一集气管配置在压力容器的外部。

8、根据权利要求6所述燃气涡轮系统，其特征是所述的第一和第二集气管是由一单一供给管道连接的。

9、根据权利要求6所述的燃气涡轮燃烧系统，其特征是所述的一组压力容器排出孔配置在所述燃烧套筒下游，在套管和所连接的涡轮之间的过渡区内。

10、一个燃气涡轮燃烧系统，包括有在一个压力容器内的一组燃烧器，每个燃烧器包括确定了一个具有一个反应区和一个稀释区的燃烧室的一个燃烧套筒，该套筒在稀释区部位有一组圆周布置的稀释空气供给孔;一个流体防护罩围绕在一个燃烧套筒周围，相对该处径向配置，用来输送压气机进入燃烧室;用来控制经过稀释空气供给孔输入到一个燃烧室稀释区的空气分级装置，该装置包括位于所述燃烧套筒下游的一组压力容器排出孔，用来引导压气机排出的空气进入到围绕在压力容器外部的一个第一集气管;一个集气进气管连接在所述第一和每个第二集气管之间;进一步包括一个稀释空气控制阀，其配置在每个外部排出孔和第一集气管之间。

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