CN1080044A - 非基本运转工况下隔离流速场的涡流火焰稳定器 - Google Patents

Abstract

一种燃烧器，包括内、外组普通V形、径向延伸、 圆周间隔、沿圆周方向彼此倾斜以便在其下游产生同 心、隔离沿圆周反向流的火焰稳定器，在基本负荷运 转时采用稀薄预混合燃烧模式，在非基本负荷运转 时，特别在低负荷运转工况下，通过将燃料直接喷入 供给隔离流场中的一个流场内，最好径向内流场内的 空气中来采用扩散燃烧模式，以产生稳定、局部猛烈 火焰，导致比非基本负荷运转工况下采用稀薄预混合 燃烧模式较高的燃烧效率和低排放。

Description

本发明涉及透平燃烧器，尤其涉及在别的稀薄预混合火焰稳定器的稳定燃烧系统中用于非基本负荷运转工况下增强燃烧的装置和方法。

一般说来，在透平燃烧器中，过去一直采用两种燃烧技术。一种称为扩散火焰技术，包括将燃料喷入流径燃烧器的空气流内，并在它们混合后将燃料燃烧。该扩散火焰燃烧技术的优点包括自调节，并在工况宽广变化下具有火焰稳定性。因此，设计了采用扩散燃烧技术的燃烧器，以使火焰保持在某一特定位置，避免熄灭和沿上游或下游移动。然而，扩散火焰技术引起极高的火焰温度，它又造成不希望的排放，如高NOX排放。由于目前强调低污染、低排放透平，一种降低扩散燃烧过程中高火焰温度从而降低排放值的方法是提供为完全燃烧所需的还多的过量空气。在该技术中，燃料和空气在燃烧器燃烧区上游预混合成一种极稀薄的燃料/空气混合物。当该稀薄预混合燃料的空气被引入该燃烧区时，该混合物点燃和燃烧，导致火焰温度降低，因为有过量空气。

由于在稀薄预混合燃烧系统中火焰温度较低，因此火焰也比扩散燃烧系统中不稳定。为在稀薄预混合燃烧系统中保持火焰稳定性，在燃烧区上游常采用火焰稳定器，以形成低速回流区，从而在火焰稳定器下游的这些火焰稳定器涡区中保持火焰。这样，在稀薄预混合燃烧过程中采用火焰稳定器以使燃烧过程稳定，同时保持较低的火焰温度，具有较低的排放。

透平通常以预定的燃料/空气比按稀薄预混合燃烧方式在基本负荷工况下运转。在例如用于驱动发电机发电的透平中，燃料/空气比随负荷而变化。因此，在以一种转速和恒定的流经燃烧系统的空气流量运转的工业燃气透平中，任何负荷减小都要求相应减小燃料。当透平为获得最高效率在基本负荷工况下运转时，有诸如点火、转子加速、转子跟发电机同步，或低负荷运转，这些情况存在着非基本运转工况。

在这些非基本负荷、通常为低负荷工况下，那里采用了低燃料/空气比，预混合稀薄燃烧过程可潜在地变得不稳定和效率低，且接近或越过在那里出现熄火的稀薄可燃极限。因此，在这些非基本负荷工况下，业已发现需要采用扩散燃烧过程而不是稀薄预混合燃烧过程，因为在低负荷时，扩散燃烧过程是有效且稳定的。这样，燃料可以，例如，从用于稀薄预混合运转的火焰稳定器或稳定器的叶毂处直接喷入该气流内。然而，如果扩散燃烧过程被用于其几何形状为稀薄预混合燃烧设计的某个系统中，被喷燃料混入为稀薄预混合运转所需的过量空气中，导致不希望的排放，包括一氧化碳和未燃碳氢化合物。因此，在本发明的形成过程中，业已发现，虽然稀薄预混合燃烧器以基本负荷运转时要求过量的空气，然而当把扩散燃烧过程引入其几何形状为稀薄预混合燃烧设计的某一确定的燃烧器内时，特别在低燃料/空气比时，使火焰无效和燃料不完全燃烧，从而析出未燃碳氧化合物和一氧化碳。

按照本发明，采用了稀薄预混合燃烧器系统的几何形状未稳定火焰以便在燃烧器中产生利用扩散燃烧过程增强非基本负荷或低负荷燃烧过程的流动条件。在本发明中，这是这样实现的：通过隔离经燃烧器流入独立流速场的气流，每一流速场仅包含流过该火焰稳定器的总流量的一部分，该火焰稳定器被用于稳定稀薄预混合燃烧过程中的火焰;在有限数量的独立流场中采用扩散燃烧过程。这样由于形成局部高燃料/空气比，有助于点燃和以低燃料/空气比运转，和所有空气直接卷入燃烧室相比，能出现更强烈和更完全的燃烧。局部强烈的燃烧产生较少的一氧化碳和未燃的碳氢排放物，同时保持火焰稳定性。这样，本发明采用了应用于稀薄预混合燃烧过程的火焰稳定器，使火焰稳定以形成独立的流速场，当在另一具有确定几何形状的用于稀薄预混合燃烧运转的燃烧室中采用扩散燃烧过程时，它们同时提供火焰稳定性和高的燃烧效率。

尤其是，这些火焰稳定器被配置成产生反转的同心流场。也就是说，火焰稳定器被配置成用于稀薄预混合燃烧运转的常见的径向组，但在不同的径向位置上被转动或倾斜，以便在相反的圆周方向上形成流速分量，从而建立相应的独立流速场。因此，在燃烧壳体内形成同心反转涡流场。这些流速场形成一个界面或剪切层，它将这些流动相互隔离。因此，燃料可直接喷入总流量场的子组中，通常是径向最内的流速场，其中仅利用流经该燃烧器的总空气流中的一部分在上述总流速场的子组中可建立扩散燃烧过程。也就是说，该燃料被直接喷入具有强涡旋空气的区域中，通过独立流速场之间形成的剪切层跟流经燃烧器的其余气流隔离。

此外，对于内、外火焰稳定器组提供了同心和独立的流速场，可以理解，径向内流速度具有高度密集的火焰稳定器区，因此有较高的经燃烧器的流动阻塞。这允许在下游流速场内有较大的再循环，因此提高了火焰稳定性，并允许有更多的时间用于扩散过程中燃烧引入的燃料。

按照本发明，在一个优先的实施例中，设有一透平燃烧器，包括一个在以透平基本负荷运转时用于产生低排放物的燃烧区中，用于接收稀薄预混合燃料和空气及其燃烧流的外壳，和一个配置于燃烧区上游外壳内的火焰稳定器组，该稳定器具有一个细长的顶部和沿下游方向从那里扩展延伸的表面，以稳定燃烧预混合燃料和空气时燃烧区内的火焰。该火焰稳定器组成形和配置成把流经稳定器组下游的外壳进入至少两独立的流速场的流动隔离，每一流速场包含流过稳定器的总流量的一部分。设置一些装置，用于在透平以非基本负荷运转工况运转期间把燃料引入一个或多个独立的流速场内，以便在一个独立的流体流速场内产生扩散过程燃烧，其局部高的燃料/空气比在非基本负荷工况下能更强烈和更完全的燃烧。

按照本发明，在另一优先实施例中，设有一透平燃烧室，包括一个在以透平基本负荷运转时用于产生低排放物的燃烧区中，用于接收稀薄预混合燃料和空气及其燃烧流的外壳，在外壳中用于稳定当燃烧预混合燃料和空气时燃烧区中火焰的装置以及用于把经外壳流入至少两个独立的流速场内的流动隔离装置，每一流速场包含流经外壳的总流量的一部分。设置一些装置，用以在透平以非基本负荷工况运转期间把燃料引入至少一个独立的流速场内，以便在至少一个独立的流体流速场内产生扩散过程燃烧，其局部高的燃料/空气比在非基本负荷工况下能更强烈和更完全的燃烧。

按照本发明，在另一个优先实施例中，提供一种操作透平燃烧器的方法，包括如下步骤：提供一个具有一外壳、一燃烧区和一组在燃烧区上游的火焰稳定器的燃烧器;提供一个流过该组火焰稳定器、用以在燃烧区内燃烧、从而在基本负荷工况下为透平提供稀薄预混合低排放运转的稀薄预混合燃料和空气流;在该稳定器下游的外壳内形成至少两个独立的流速场，每一流速场包含流过该排稳定器的总流量的一部分;将流速场彼此隔离以形成一隔离的燃烧区，并在非基本负荷运转工况下将燃料供给隔离的燃烧区，以便在隔离的燃烧区内形成局部高燃烧/空气比，跟所有流动被卷入整个燃烧区内的燃烧相比，能更强烈和更完全的燃烧。

按照本发明，在另一个优先实施例中，提供一种操作透平燃烧器的方法，包括以下步骤：提一个具有一外壳和一燃烧区的燃烧器;将稀薄预混合燃料和空气流供给用于在其内燃烧的燃烧区、从而在基本负荷工况下为透平提供稀薄预混合低排放运转;在外壳内形成至少两个独立的流速场，每一流速场包含流经该外壳的总流量的一部分;将流速场彼此隔离，以形成一隔离的燃烧区;并在非基本负荷运转工况下将燃料供给隔离的燃烧区，跟所有流量被卷入整个燃烧区内的燃烧相比，能在其内更强烈和更完全的燃烧。

因此，本发明的主要目的是提供新颖的和改善的便于透平燃烧器操作的装置和方法，这种燃烧器是为借助增强燃烧过程在基本运转工况下进行稀薄预混合火焰稳定器稳定燃烧设计的，此时，在非基本负荷工况下采用其它的稀薄预混合火焰稳定器稳定燃烧系统的几何形状按扩散燃烧模式运转的。

本发明的这些和其它的目的和优点在参照下列说明书、附录的权利要求书及附图后将变得更加明显。

图1是表示现有按燃烧器简图的纵剖面图;

图2A是径向延伸的火焰稳定器的侧视图，表示其在流动中的位置，用于将空气流偏转成沿圆周方向的分量，取自大致在图2E中的2A-2A线附近;

图2B是图2E中所示的燃烧器的侧向剖视图，取自大致在2B-2B线附近，表示按照本发明用于隔离流速场以增强在非基本负荷运转工况下的燃烧的涡流火焰稳定器配置;

图2C和2D是表示火焰稳定器的相应横剖面图，分别取自图2B中大致在2C-2C及2D-2D线附近;

图2E是类似于图1的视图，表示按照本发明在燃烧器中的涡流火焰稳定器配置。

现在详细参照本发明的优先实施例，在附图中表示了其中的一个例子。

参照图1，表示一种现有技术的燃烧器，由一个普通圆柱形壳体10组成，它具有一中央管12，中央管可包括一燃料喷咀以及若干径向延伸的沿圆周间隔的普通V型火焰稳定器14，后者配置于以直箭头表示的空气流内。在一种用作稀薄预混合燃烧的燃烧器中，V型火焰稳定器的顶端处于上游方向，其腿自顶端沿相反的圆周方向和下游以相等角度延伸，以便在火焰稳定器的下游形成一紊流涡区或尾迹，为稳定火焰建立一回流区。在管子12外围的外壳10内的区域中或在管子12中或在两者中，通过任何适当的手段在火焰稳定器的上游形成预混合的燃料和空气。稀薄预混合燃烧然后出现在火焰稳定器下游的某一燃烧区内。然而，按非基本负荷运转时，该系统的固定的几何形状会使效率降低，并使排放增高。

按照本发明，如图2A-2E所示，提供一种几何形状（E）固定的稀薄预混合燃烧器系统，在基本负荷工况下能以高效率和低排放运转，在非基本负荷，即低于基本负荷运转工况下还能借助扩散技术进行燃烧，从而显著改善燃烧效率和排放。为了做到这些，尤其是相对于图2B和2E，提供了一种燃烧器，它具有一个普通圆柱形外壳20;一个轴向延伸的中心管22，如下面所说的，可用于燃料喷射;若干径向延伸、沿圆周间隔的V型火焰稳定器，布置成径向内、外组，分别以26和28标记。每一个火焰稳定器26和28的几何形状制成V形，具有一个顶端（图2A）30和一对自顶端沿流径外壳20的气流的下游方向延伸的腿32和34。然而，V型火焰稳定器内组26是带角度和倾斜的，其腿34跟轴向气流的夹角大于另一腿跟轴向气流的夹角。在一个特定的优先实施例中，V型稳定器内组26的腿32大致平行于轴向气流而延伸。

同样，其径向外组V型稳定器28其腿跟轴向气流成一角度偏置。尤其是，在外组稳定器28中，每一稳定器的腿32跟轴向气流的夹角大于腿34跟轴向气流的夹角，后者最好平行于轴向气流而延伸。因此，V型稳定器26和28布置成这样：它们的腿沿相反方向、以其跟轴向气流的夹角大于另一腿跟轴向气流的夹角而延伸。由于使这些腿形成这样的角度状态，便能将火焰稳定器成形和配置得使气流沿相反的圆周方向产生流速分量，如箭头A和B所示，表示由于它们跟轴向气流成角度而使火焰稳定器下游沿圆周方向产生流动。结果，在火焰稳定器下游形成两个同心和隔离的反转流速场或区，每一个包含流过稳定器的总流量的一部分。可以理解，出于结构考虑，在外组稳定器28的内端处，在内组稳定器26的外端周围设置一中间件24。

参照图2B和2E，由于V型稳定器的方位和配置而产生的沿圆周方向相反旋转的同心流沿V型稳定器下游在该两个同心流之间形成一界面或剪切层，以Ⅰ表示。因此，在稳定器26和28的下游存在两个彼此隔离的独立流速场，每一个包含流过该稳定器的总流量的一部分。

内、外稳定器组26、28的普遍倾斜的外形起着跟采用稀薄预混合燃烧模式的现有燃烧系统中的V型稳定器大致相同的作用。这就是说，内、外稳定器组中的每一V型稳定器在其下游形成一循环紊流涡区，以使火焰稳定。在稀薄预混合模式中的反转流动的涡流作用对稀薄预混合燃烧过程不产生有害的影响。按照本发明使V型稳定器倾斜或形成角度，当希望采用扩散燃烧模式时，在非基本负荷运转工况下，为增强燃烧过程创造了条件。剪切层Ⅰ把构成独立流速场的两同心区隔离。这样，在非基本负荷运转工况下，可将燃料经中心管22直接喷入在分别由内、外稳定器组26和28限定的独立流速场中的一个内用于按扩散燃烧模式燃烧的空气流内。出于下面所讨论的理由，最好把燃料喷入由内稳定器组26限定的区域内。由于V型稳定器的存在，在扩散燃烧模式中火焰稳定性提高了。重要的是，在流经该外壳的空气总流量的仅一部分中形成了一个局部的高燃料/空气比，跟假如流经外壳20的所有空气被直接卷入燃烧的情况相比，能产生更强烈和更完全的燃烧。较高的局部火焰温度产生较少的一氧化碳与未燃的碳氢排放。注意当按稀薄预混合燃烧模式运转时，扩散燃烧模式仅在整个燃烧区的一部分中形成一隔离的燃烧区。无论按两种燃烧模式中的哪一种运转，不要求该系统的几何形状改变。

本发明的好处还通过在由内火焰稳定器组产生的隔离的流速场中而不是由外火焰稳定器组产生的流速场中采用扩散燃烧模式来提供。由于沿燃烧器的轴线的集中的稳定器区，内火焰稳定器组形成较大程度的空气流阻塞，从而提供较大的流经该区内燃烧器的气流再循环。这种再循环为在扩散燃烧模式期间引入要被燃烧的燃料提供额外的时间。然而，将会理解，可采用相反的外形，即在隔离的外流速场内通过增加阻塞，即增加最外组V型稳定器28的数量或区域，或两者来提供扩散燃烧模式。

虽然，连同目前被认为是最实用的以及优先实施例已叙述了本发明，应当理解，本发明并不被限于该公开的实施例，而却相反，意在覆盖各种修改和包括所附权利要求书的精神和范围。

Claims (9)

1、一种透平燃烧器，包括：

一个在基本负荷运转工况产生低排放的在燃烧区内用于接收稀薄预混合燃料和空气及其燃烧气流的外壳；

在所述外壳内用于在燃烧预混合的燃料和空气时稳定燃烧区内火焰的装置；

用于隔离经所述外壳流入至少两个独立的流速场的装置，每个流速场包含流经所述外壳的总流量的一部分；

用于在透平以非基本负荷工况运转期间将燃料引入所述独立流速场中的至少一个内以产生扩散技术燃烧、借助于局部高的燃料/空气比能在非基本负荷运转工况下更强烈更完全燃烧的装置。

2、按权利要求1所述的燃烧器，其特征在于所述隔离装置被配置成能环绕流经所述外壳的气流的轴线沿圆周方向产生一流速分量以限定所述一个流速场。

3、按权利要求2所述的燃烧器，其特征在于所述隔离装置在燃烧室内被定向成能环绕流经所述外壳的轴线沿两相反的圆周方向产生流速分量以限定两个独立的流速场，所述一个流速场由该两独立流速场的一个组成。

4、按权利要求3所述的燃烧器，其特征在于所述隔离装置配置成使分离的流速场基本上相互同心和邻接，在相反方向的流动之间形成一剪切流层，从而基本上使该两流速场相互隔离。

5、按权利要求4所述的燃烧器，其特征在于所述燃料引入装置将燃料引入该同心流速场的径向内流速场内。

6、一种操作透平燃烧室的方法，包括如下步骤：设置一个具有一外壳和一燃烧区的燃烧器;

将一个稀薄、预混合燃料和空气流输入用于在其内燃烧的所述燃烧区，从而在基本负荷工况下能使透平进行稀薄预混合低排放运转;

在所述外壳内形成至少两个独立的流速场，每一流速场包含流经所述外壳的总流量的一部分;

使所述流速场相互隔离，以形成一个隔离的燃烧区;

在非基本负荷运转工况下将燃料供给所述隔离的燃烧区以便在所述隔离的燃烧区内形成一局部高燃料/空气比，跟所述气流被卷入整个燃烧区内的燃烧相比，能在其内更强烈和更完全的燃烧。

7、按权利要求6所述的方法，其特征在于形成两个独立流速场的步骤包括沿某一圆周方向产生每个流速场的分量。

8、按权利要求6所述的方法，其特征在于形成两个独立流速场的步骤包括沿彼此相反的圆周方向产生所述流速场的分量。

9、按极利要求6所述的方法，其特征在于隔离流速场的步骤包括在两个流速场之间形成一剪切分界面以使流速场彼此隔离。

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