CN110030580A - 控制用于燃烧器单元的再热燃烧器中的燃料喷射的方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于控制燃气涡轮燃烧器组件的再热燃烧器中的燃料喷射的方法，该再热燃烧器包括限定气流通道的燃烧器壳和分布在气流通道中或周围的多个喷射喷嘴；该方法包括根据非均匀分配模式将燃料分配在喷射喷嘴之间的步骤。

Description

控制用于燃烧器单元的再热燃烧器中的燃料喷射的方法
相关申请的交叉引用
本申请请求享有2017年11月20日提交的美国专利申请No.15/817,861的优先权，其公开通过引用被并入。
技术领域
本发明涉及一种控制用于发电站的连续燃气涡轮的再热燃烧器中的燃料喷射的方法。具体而言，本发明涉及控制至再热喷射喷嘴的流体供应，以便最小化热声脉动。
背景技术
如已知，用于发电站的燃气涡轮(在下文中，仅为"燃气涡轮")包括上游压缩机、燃烧器组件，以及下游涡轮。涡轮包括转子，该转子包括压缩机区段和涡轮区段。
如本文中使用的用语下游和上游是指穿过燃气涡轮的主气流的方向。
具体而言，压缩机包括供应有空气的入口，以及压缩经过的空气的多个叶片。离开压缩机的压缩空气流动到仓室，即，封闭容积中，并且从该处进入燃烧器，其中，压缩空气与至少一种燃料混合。燃料和压缩空气的混合物流动到燃烧器内的燃烧室中，其中该混合物燃烧。所得的热气体离开燃烧器，并且在涡轮中膨胀，在转子上产生机械功。
为了实现高效率，需要高涡轮入口温度。然而，由于该高温，故生成高NOx排放。
为了减小这些排放并且提高操作灵活性，开发包括执行连续燃烧循环的燃烧器组件的燃气涡轮。
大体上，连续燃烧器组件包括串联的两个燃烧器，其中每个燃烧器设有相应的焚烧器和燃烧室。沿着主气流方向，上游燃烧器称为"预混"燃烧器，并且由压缩空气供给。下游燃烧器称为"连续"或"再热"燃烧器，并且由离开第一燃烧室的热气体供给。
根据第一已知构造，两个燃烧器由高压涡轮物理地分离。沿着主气流，该第一构造包括压缩机、预混燃烧器、高压涡轮、再热燃烧器和低压涡轮。
根据第二已知构造，预混和再热燃烧器在公共壳(具体是筒形壳)内直接地布置成一个在另一个下游，并且未使用高压涡轮。根据该类型的连续燃气涡轮，提供了多个筒形燃烧器，该多个筒形燃烧器围绕涡轮轴线分布。
每个筒形燃烧器设有热气流通道、收纳在流动通道中的再热焚烧器，以及流动通道在再热焚烧器下游所开入的再热燃烧室。布置在再热燃烧室下游的过渡管朝涡轮引导离开再热燃烧器的热气体。
再热焚烧器可包括呈基本上平行的轨道或"指部"形式的多个喷射单元，其在热气流通道内并排布置并且相对于彼此间隔。喷射单元中的每个具有沿正交于气流方向的第一方向延伸横跨气流通道的本体，并且具有带前缘和后缘的沿气流方向的流线形状。每个指部在其后缘处承载多个燃料喷射喷嘴，其沿第一横向方向在彼此之间间隔。
根据已知实施例，喷射单元具有集成的混合装置，其构造用于使喷射燃料与经过的热气流混合。混合装置可由在每个喷嘴上游从喷射单元的侧部延伸的呈三角形附件形式的涡流发生器构成，或者由后缘的波状轮廓构成。
在某些操作条件下，再热焚烧器火焰生成自激励热声脉动，其可超过可接受的脉动极限，并且不合乎需要地约束燃气涡轮操作范围。这可削弱燃气涡轮的操作灵活性。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种用于减小火焰脉动的方法，其为成本有效的并且不影响NOx排放。
根据本发明，该目的通过控制燃气涡轮的燃烧器组件的再热燃烧器中的燃料喷射的方法达到，再热燃烧器包括：
限定气流通道和燃烧室的燃烧器壳，以及
分布在气流通道中或周围的多个燃料喷射喷嘴；
其中该方法包括根据非均匀分配模式将燃料分配在喷射喷嘴之间的步骤。通过根据非均匀分配模式将燃料分配至喷射喷嘴，当出现易于有非期望的热声脉动的操作条件时，可控制火焰行为并且防止或降低不稳定性。
根据本发明的优选实施例，非均匀分配模式包括至将燃料喷射到燃烧室中的不同火焰区域中的喷射喷嘴的不同燃料供应速率。因此，可能的是，通过使燃烧室的核心部分(即，其中火焰传播稳定的自动稳定火焰区，或燃烧室的外(再循环)部分)富集来影响火焰稳定性。
优选地，再热燃烧器包括多个喷射单元，每个喷射单元具有：
本体，其沿正交于气流方向的第一方向延伸横跨气流通道，并且具有带前缘和后缘的沿气流方向的流线形状，以及
多个燃料喷射喷嘴，其沿第一方向间隔。
在该情况下，非均匀模式可包括至喷射单元中的至少一个的相对于其它喷射单元的不同燃料供应速率。
具体而言，可选择非均匀模式，其包括朝传播稳定的火焰区域喷射燃料的两个外部喷射单元与朝燃烧室的自动点燃稳定火焰区域喷射燃料的一个或更多个中心喷射单元之间的不同燃料供应速率。
优选地，至侧部喷射单元的燃料供应速率大于至至少一个中心喷射单元的燃料供应速率。已发现，该分配模式对某些脉动频率具有有利影响，而不影响排放。
尽管使喷射单元之间的燃料分配差异化证实在大多数情形中有效，但是包括喷射单元中的一个或更多个中的燃料喷射之间的不同独立燃料供应速率的更复杂模式可为可能的，并且包含在如由权利要求限定的本发明的范围中。
根据另一方面，本发明涉及一种燃气涡轮的再热燃烧器，其包括燃料喷射控制单元，该燃料喷射控制单元控制至喷射喷嘴的燃料供应速率，并且构造成根据如以上提到的非均匀分配模式将燃料选择性地分配在喷射喷嘴之间。
优选地，喷射单元具有集成的混合装置，其构造用于使喷射的燃料与经过的热气流混合。混合装置可由在每个喷嘴上游从喷射单元的侧部延伸的、呈成形附件形式的涡流发生器构成，或者由喷射单元的后缘的波状轮廓构成。
附图说明
为了本发明及其优点的更好理解，在下面连同附图描述了本发明的示例性实施例，在该附图中：
图1为根据本发明的设有再热燃烧器的用于发电站的燃气涡轮的示意图；
图2为根据本发明的包括预混燃烧器和再热燃烧器的筒形燃烧器的示意图；
图3为图2的筒形燃烧器的再热燃烧器的示意性下游视图；
图4为图3的再热燃烧器的喷射单元的示意性侧视图；
图5为图4的喷射单元的示意性平面视图；
图6为喷射单元的备选实施例的示例性下游视图；
图7为再热燃烧器的燃料喷射控制系统的框图；
图8为处于均匀燃料分配状态的图3的再热燃烧器的示意性纵截面；
图9为根据第一非均匀分配模式的图3的再热燃烧器的示意性纵截面；
图10为示出相对于燃料速率分布的脉动幅度和NOx排放的图表；以及
图11为根据第二非均匀分配模式的图3的再热燃烧器的示意性纵截面。
具体实施方式
图1为根据本发明的可设有再热燃烧器的用于发电站的燃气涡轮1的示意图。
燃气涡轮1包括压缩机2、燃烧器组件3和涡轮4。压缩机2和涡轮4具有公共轴线A，并且形成能够绕着轴线A旋转的转子5的相应区段。
如已知的，周围空气6进入压缩机2，并且被压缩。压缩空气7离开压缩机2，并且进入仓室8，即，由外壳9限定的容积。压缩空气7从仓室8进入燃烧器组件3，燃烧器组件3包括围绕轴线A环状地布置的多个筒形燃烧器10。此处喷射至少一种燃料，并且空气/燃料混合物点燃，产生热气体11，热气体11传送至涡轮4。
如图2中更好地示出的，每个筒形燃烧器10收纳在外壳9的相应入口孔11中，并且具有轴线B。筒形燃烧器10包括沿气流M串联的第一或预混燃烧器15，以及第二或再热燃烧器16。
具体而言，预混燃烧器15包括预混焚烧器17和第一燃烧室18。再热燃烧器16包括限定通道21(在图3和7中更好地示出)的壳体20、收纳在通道21内的再热焚烧器22，以及第二燃烧室23。
再热焚烧器22包括共同标为26且单独标为261,262,263,264的多个(例如，四个)喷射单元。喷射单元26布置成横跨通道21用于将燃料喷射到热气流中。
根据未示出的变型，喷射单元可围绕通道布置用于将燃料喷射到热气流中。
图3为筒形燃烧器10的再热焚烧器22的下游示意图，即，沿轴线B(与热气流方向相反)看到再热焚烧器22。
通道21具有正方形/矩形截面，以及会聚形状。
喷射单元26在侧视图(图4)中具有基本上矩形形状的本体27，其中，较长侧沿平行于通道21的一侧且正交于流动方向的第一方向延伸，并且较短侧沿空气流方向延伸。当沿第一方向看时(图5)，本体27具有流线形，其中，较宽的圆形前缘28限定本体27的较长侧之一，并且较窄的尖后缘29限定本体27的另一较长侧。
喷射单元26横跨通道21(图3和图8)并排布置，以便基本上平行于第一方向在其相对侧之间延伸，并且沿正交于第一方向的第二方向在彼此之间间隔。当沿第一方向看时(图7)，喷射单元26优选相对于彼此略微会聚，以便遵循穿过会聚通道21的空气的流线。
喷射单元26中的每个包括多个燃料喷射喷嘴30，其构造成在后缘29下游沿流动方向喷射燃料并且延伸，并且沿第一方向与彼此间隔。在下游视图(图3)中，喷射喷嘴30形成横跨通道21的区段的喷射点的矩形矩阵，该喷射点沿第一方向和第二方向间隔。
喷射单元26优选包括构造成改进燃料/空气混合的混合装置。
根据第一实施例(图3-5)，混合装置由涡流发生器31构成，涡流发生器31在每个燃料喷射喷嘴30上游从本体27沿侧向延伸。
优选地，涡流发生器31与每个喷射喷嘴30相关联。涡流发生器31在从本体27的相反侧向方向上交替地凸出；根据图3中所示的实施例，与第一、第三和第五燃料喷射喷嘴30相关联的涡流发生器31在一侧上凸出，而与第二、第四和第六喷射喷嘴(30)相关联的涡流发生器31在相对侧上凸出。
涡流发生器31具有基本上四面体形状，其中一侧靠在本体27的侧向侧上。
更具体而言，参照图4和5，每个涡流发生器31沿第一方向由两个三角形侧表面32,33界定，两个三角形侧表面32,33在本体27的侧表面处具有相应上游顶点34，并且朝垂直于第一方向且基本上垂直于流动方向的公共下游基部35会聚；每个涡流发生器31沿第二方向由三角形表面36界定，三角形表面36具有本体27的侧表面处的上游基部37，以及侧表面32,33的公共下游基部35的自由端部处的下游顶点38。
作为备选，混合装置可由后缘29(图6)的波状形状构成，后缘29由沿相反侧向方向延伸的凸起40形成。
凸起40可为圆形的，以便形成如图6中所示的基本上正弦轮廓，或矩形形状，以便形成基本上"方波"轮廓。
图8为常规操作状态的示意图，其中所有喷射喷嘴30以相同的燃料供应速率供应(均匀供应)。如可从示意性所示的燃料流线看到的，两个中心喷射单元262,263主要将燃料喷射到燃烧室23的中心自动点火稳定火焰区40中，而两个外部喷射单元261,264主要将燃料喷射到燃烧室23的再循环或传播稳定火焰区41。
根据本发明，根据预定模式，燃料供应非均匀地分配在喷射单元261-264和/或独立喷射喷嘴30之间。
预定模式可为固定的，即，对于所有都一次确定并且在燃气涡轮的操作期间保持，或者可变的。
在后一情况下，至喷射喷嘴30的燃料供应可由阀单元34调节，阀单元34由可编程控制单元35根据随操作条件(例如，负载)变化的预定模式中的一个或更多个控制(图7)。
阀单元可包括用于喷射单元26中的每个的一个阀36，在该情况下，给定喷射单元26的所有喷射喷嘴30接收相同燃料供应速率(图7)，或用于每个喷射喷嘴30的甚至一个阀36(未示出)，在该情况下，燃料供应速率可针对喷射矩阵的每个点来独立地控制。
根据本发明的一个实施例，燃料非均匀地分配在自动点火稳定火焰区域40与传播稳定火焰区域41之间，以便减小热声脉动。具体而言，分配模式包括至外部喷射单元261,264的较大燃料供应速率，以及至中心喷射单元262,263的较低燃料供应速率。如图9中示意性所示，结果为传播稳定区域中比自动点火区域中更富集的空气/流体混合物。
图10为一图表，其中，脉动幅度和NOx排放相对于燃料速率分布绘制，该燃料速率分布表达为至外喷射单元261,264的燃料速率与总燃料供应速率之间的百分比。
如可看到的，脉动随分布百分比增大而减小。
图11为示出相反的燃料分配的方案，其中在自动点火稳定火焰区域中产生较富集的混合物。其它分配是可能的，并且喷射喷嘴30的独立控制可允许2D分配模式。
尽管关于如以上提到的其优选(多个)实施例说明本发明，但将理解的是，可作出许多其它可能的改型和变型，而不脱离所附权利要求的范围。

Claims (15)

1.一种控制燃气涡轮的燃烧器组件的再热燃烧器中的燃料喷射的方法，所述再热燃烧器包括：
限定气流通道和燃烧室的燃烧器壳，以及
分布在所述气流通道中或周围的多个燃料喷射喷嘴；
其中所述方法包括根据非均匀分配模式将燃料分配在所述喷射喷嘴之间的步骤。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述非均匀模式包括至将燃料喷射到所述燃烧室中的不同火焰区域中的喷射喷嘴的不同燃料供应速率。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述再热燃烧器包括多个喷射单元，每个喷射单元具有：
本体，其沿正交于气流方向的第一方向延伸横跨所述气流通道，并且具有带前缘和后缘的沿所述气流方向的流线形状，以及
多个燃料喷射喷嘴，其沿所述第一方向间隔；
所述非均匀模式包括至所述喷射单元中的至少一个的相对于其它喷射单元的不同燃料供应速率。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述非均匀模式包括朝传播稳定的火焰区域喷射燃料的两个外部喷射单元与朝所述燃烧室的自动点火稳定火焰区域喷射燃料的至少一个中心喷射单元之间的不同燃料供应速率。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，至所述外部喷射单元的所述燃料供应速率大于至所述至少一个中心喷射单元的所述燃料供应速率。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述非均匀燃料分配模式包括所述喷射单元中的至少一个中的所述喷射喷嘴之间的不同独立燃料供应速率。
7.一种用于燃气涡轮的燃烧器组件的再热燃烧器，包括：
限定气流通道和燃烧室的燃烧器壳；
分布在所述气流通道中或周围的多个燃料喷射喷嘴；以及
控制至所述喷射喷嘴(30)的所述燃料供应速率的燃料喷射控制单元(35)，
其中所述燃料喷射控制单元构造成根据非均匀分配模式将燃料分配在所述喷射喷嘴之间。
8.根据权利要求7所述的再热燃烧器，其特征在于，所述非均匀模式包括至将燃料喷射到所述燃烧室中的不同火焰区域中的喷射喷嘴的不同燃料供应速率。
9.根据权利要求7所述的再热燃烧器，其特征在于，所述再热燃烧器包括多个并排喷射单元，每个喷射单元具有：
本体，其沿正交于所述气流方向的第一方向延伸横跨所述气流通道，并且具有带前缘和后缘的沿所述气流方向的流线形状，以及
多个燃料喷射喷嘴，其沿所述第一方向间隔，
所述非均匀模式包括至所述喷射单元中的至少一个的相对于其它喷射单元的不同燃料供应速率。
10.根据权利要求9所述的再热燃烧器，其特征在于，所述非均匀模式包括朝传播稳定的火焰区域喷射燃料的两个外部喷射单元与朝所述燃烧室的自动点火稳定火焰区域喷射燃料的至少一个中心喷射单元之间的不同燃料供应速率。
11.根据权利要求9所述的再热燃烧器，其特征在于，至所述外部喷射单元的所述燃料供应速率大于至所述至少一个中心喷射单元的所述燃料供应速率。
12.根据权利要求7所述的再热燃烧器，其特征在于，所述非均匀燃料分配模式包括所述喷射单元中的至少一个中的所述燃料喷嘴之间的不同独立燃料供应速率。
13.根据权利要求7所述的再热燃烧器，其特征在于，所述喷射单元包括构造用于使所述喷射燃料与经过的热气流混合的集成混合装置。
14.根据权利要求13所述的再热燃烧器，其特征在于，所述混合装置由在每个喷射喷嘴上游从所述喷射单元的侧部延伸的、呈侧向附件形式的涡流发生器构成。
15.根据权利要求13所述的再热燃烧器，其特征在于，所述混合装置由形成其波状轮廓的每个喷射单元的所述后缘的凸起构成。
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