CN112088277B - 提高燃气涡轮中的燃烧稳定性的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于燃气涡轮发动机的燃烧器，燃气涡轮发动机具有位于燃烧器上游的压缩机和位于燃烧器下游的涡轮。燃烧器还包括燃烧器腔室；氧‑燃料引燃喷燃器（104），该氧‑燃料引燃喷燃器在燃烧器腔室的端部处居中定位；和空气‑燃料预混喷燃器，该空气‑燃料预混喷燃器被配置成至少部分地对空气和燃料进行预混合。空气‑燃料预混喷燃器以环形配置环绕氧‑燃料引燃喷燃器（104）。

Description

提高燃气涡轮中的燃烧稳定性的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求在2018年5月15日提交的美国临时专利申请No.62/671,861的优先权，该美国临时专利申请以引用方式全文并入本文中。

背景技术

据本发明人所知，关于燃气涡轮燃烧器中的氧气使用的现有技术文献只考虑了燃烧空气大量富集有氧气。然而，显著提高燃气涡轮发动机中的燃烧稳定性所需的燃烧空气的大量富氧量a）对于实际涡轮发动机操作来说不是具有成本效益的选择，并且b）会增加NOx排放。此外，燃烧器通常在贫燃料状况下运行，因此氧化剂流中已经存在过量的氧气。

图1所示通常用于工业发电的燃气涡轮发动机的基本配置包括以压缩机为特征的冷段，随后是以燃烧器段和涡轮为特征的热段。冷段包括空气引入口，其任选地包括一组周向间隔开的入口导向叶片，随后是将高压空气递送至燃烧器段的多级轴流式压缩机。燃烧器段下游的涡轮经由轴提供动力来驱动压缩机。涡轮的操作压力比（其被定义为压缩机出口处的空气压力与压缩机引入口处的空气压力之比）通常小于约18:1。

虽然燃烧器设计根据制造商、尺寸和应用而变化，但许多燃烧器，尤其是多罐型（如图2所示）和罐环型（如图3所示）燃烧器经由围绕涡轮轴周向设置的一系列圆柱形管或“罐”进行燃烧。这两种燃烧器配置之间的主要区别在于，在多罐型燃烧器中，每个罐的空气引入口机械地耦合至压缩机的对应出口孔，而在罐环型燃烧器中，每个罐的空气引入口通向连接至压缩机出口的共同的单个环带。在任一种情况下，燃烧产物通过过渡导管从每个罐中排出，在过渡导管中，该产物然后围绕360°弧分布至轴流式涡轮段的第一级中。

每个单独的罐式燃烧器通常具有由一个或多个空气-燃料喷嘴进料的燃烧器腔室，该空气-燃料喷嘴以环形配置围绕罐式燃烧器的入口平面的圆周设置。空气-燃料喷嘴通常以一定预混度将空气和燃料引入燃烧器腔室。在许多情况下，空气-燃料引燃喷燃器另外沿着燃烧器轴线设置。用于增强燃烧稳定性的空气-燃料引燃喷燃器可以是预混设计或喷嘴混合（即扩散或非预混）设计。预混喷嘴和引燃喷燃器的组合在本文中被统称为燃气涡轮喷燃器，并且每个罐式燃烧器包括其自己的燃气涡轮喷燃器。

图4和图5分别提供用于多喷嘴配置和环形喷嘴配置的燃气涡轮喷燃器入口平面的示意图，其中每一个配置均使用中央空气-燃料引燃喷燃器。在如图4所示的燃气涡轮喷燃器500中，多个离散的预混喷嘴502围绕中央空气-燃料引燃喷燃器504以环形配置排列，每个预混喷嘴具有排出至对应空气流中的燃料喷射器。在如图5所示的燃气涡轮喷燃器510中，环形喷嘴512包括一个或多个燃料喷射器516，该一个或多个燃料喷射器布置成被围绕中央空气-燃料引燃喷燃器514的空气环带518环绕的环形配置。

发明内容

方面1. 一种用于燃气涡轮发动机的燃烧器，所述燃气涡轮发动机包括位于所述燃烧器上游的压缩机和位于所述燃烧器下游的涡轮，所述燃烧器包括：燃烧器腔室；氧-燃料引燃喷燃器，所述氧-燃料引燃喷燃器在所述燃烧器腔室的端部处居中定位；和空气-燃料预混喷燃器，所述空气-燃料预混喷燃器被配置成至少部分地对空气和燃料进行预混合，所述空气-燃料预混喷燃器以环形配置环绕所述氧-燃料引燃喷燃器。

方面2. 根据方面1所述的燃烧器，所述氧-燃料引燃喷燃器包括：中央燃料喷嘴，所述中央燃料喷嘴具有出口端部；和环形氧气喷嘴，所述环形氧气喷嘴环绕所述燃料喷嘴。

方面3. 根据方面2所述的燃烧器，所述氧-燃料引燃喷燃器进一步包括：引燃喷燃器喷嘴，所述引燃喷燃器喷嘴定位成接收来自所述中央燃料喷嘴和所述环形氧气喷嘴的流，所述引燃喷燃器喷嘴具有喉部，其中所述中央燃料喷嘴的出口端部位于所述喉部的上游。

方面4. 根据方面1至4中任一项所述的燃烧器，所述氧-燃料引燃喷燃器包括：引燃喷燃器喷嘴，所述引燃喷燃器喷嘴具有喉部；中央喷嘴，所述中央喷嘴被配置成使第一反应物流过，所述中央喷嘴具有位于所述喉部上游的出口端部；和环形喷嘴，所述环形喷嘴被配置成使第二反应物流过；其中所述第一反应物和所述第二反应物中的一者是燃料，并且所述第一反应物和所述第二反应物中的另一者是氧化剂。

方面5. 根据方面2至4中任一项所述的燃烧器，所述中央燃料喷嘴包括被配置成以所述局部声速排出燃料的会聚喷嘴。

方面6. 根据方面3或方面4所述的燃烧器，其中所述引燃喷燃器喷嘴是终止于所述喉部的会聚喷嘴，并且被配置成以所述局部声速排出氧-燃料火焰。

方面7. 根据方面2至4中任一项所述的燃烧器，所述中央燃料喷嘴包括被配置成以大于所述局部声速的速度排出燃料的会聚-扩张喷嘴。

方面8. 根据方面3或方面4所述的燃烧器，其中所述引燃喷燃器喷嘴是被配置成以大于所述局部声速的速度排出氧-燃料火焰的会聚-扩张喷嘴。

方面9. 根据方面1至8中任一项所述的燃烧器，所述空气-燃料预混喷燃器包括处于环形配置的多个空气-燃料预混喷嘴。

方面10. 根据方面1至8中任一项所述的燃烧器，所述空气-燃料预混喷燃器包括多个燃料喷射器；每一者均被空气环带环绕。

方面11. 一种燃气涡轮发动机，包括：空气压缩机，所述空气压缩机用于压缩吸入所述燃气涡轮发动机的空气；根据方面1至10中任一项所述的燃烧器，所述燃烧器定位在所述空气压缩机的下游并被配置成利用由所述空气压缩机提供的压缩空气燃烧燃料以产生高压燃烧气体；初级热交换器，所述初级热交换器定位在所述压缩机与所述燃烧器之间，并被配置成向由所述压缩机提供的压缩空气供热；热源；和传热流体回路，所述传热流体回路用于在所述初级热交换器与所述热源之间输送传热流体，以在所述压缩空气进入所述燃烧器之前将热量从所述热源传递至所述压缩空气。

方面12. 根据方面11所述的燃气涡轮发动机，其中所述热源是定位在所述涡轮下游并被配置成从涡轮废气中提取热量的次级热交换器；并且其中所述传热流体回路被配置成用于在所述初级热交换器与所述次级热交换器之间输送传热流体，以在所述压缩空气进入所述燃烧器之前将热量从涡轮废气流传递至所述压缩空气。

方面13. 根据方面11所述的燃气涡轮发动机，其中所述热源包括来自炉或燃烧过程的废热源。

方面14. 一种操作根据方面1至10中任一项所述的用于燃气涡轮发动机的燃烧器的方法，包括：使燃料和氧气流至所述氧-燃料引燃喷燃器，氧气与燃料摩尔比低于化学计量燃烧所需的氧气与燃料摩尔比。

方面15. 根据方面14所述的方法，进一步包括：以为化学计量燃烧所需的氧气与燃料摩尔比的30%至60%的氧气与燃料摩尔比来操作所述氧-燃料引燃喷燃器。

方面16. 根据方面14或方面15所述的方法，进一步包括：计算流向所述燃烧器的总燃料流量，作为流向所述氧-燃料引燃喷燃器的燃料和流向所述空气-燃料预混喷燃器的燃料的总和；和控制流向所述氧-燃料引燃喷燃器的燃料和流向所述空气-燃料预混喷燃器的燃料中的一种或多种，使得流向所述氧-燃料引燃喷燃器的燃料小于或等于流向所述燃烧器的总燃料流量的10%。

方面17. 根据方面14至16中任一项所述的方法，进一步包括：控制流向所述氧-燃料引燃喷燃器的燃料和流向所述空气-燃料预混喷燃器的燃料中的一种或多种，使得流向所述氧-燃料引燃喷燃器的燃料小于或等于流向所述燃烧器的总燃料流量的6%。

方面18. 根据方面14所述的方法，进一步包括：使燃料和空气流向所述空气-燃料预混喷燃器；计算所述燃烧器的富氧水平；和将所述富氧水平控制成小于或等于0.5%；其中总氧化剂流量被定义为所述氧-燃料引燃喷燃器的氧气流量和所述空气-燃料预混喷燃器的空气流量之和；并且其中所述富氧水平被定义为分子氧总氧化剂流量除以总氧化剂流量，减去流向所述空气-燃料预混喷燃器的空气中的分子氧的浓度。

方面19. 根据方面18所述的方法，进一步包括将所述富氧水平控制成小于或等于0.3%。

方面20. 一种燃气涡轮发动机，包括：空气压缩机，所述空气压缩机用于压缩吸入所述燃气涡轮发动机的空气；根据方面1至10中任一项所述的燃烧器，所述燃烧器定位在所述空气压缩机的下游，并被配置成利用由所述空气压缩机提供的压缩空气燃烧燃料以产生高压燃烧气体；和涡轮，所述涡轮位于所述燃烧器下游，所述涡轮用于用所述高压燃烧气体发电，其中跨越所述涡轮的压力比大于或等于约20:1；其中所述燃烧器包括燃烧器腔室；氧-燃料引燃喷燃器，所述氧-燃料引燃喷燃器定位在所述燃烧器腔室的端部处；和空气-燃料预混喷燃器，所述空气-燃料预混喷燃器以环形配置环绕所述氧-燃料引燃喷燃器。

方面21. 根据方面20所述的燃气涡轮发动机，所述氧-燃料引燃喷燃器包括：中央燃料喷嘴；和环形氧气喷嘴，所述环形氧气喷嘴环绕所述燃料喷嘴。

方面22. 根据方面21所述的燃气涡轮发动机，所述中央燃料喷嘴包括被配置成以局部声速递送燃料的会聚喷嘴。

方面23. 根据方面21所述的燃气涡轮发动机，所述中央燃料喷嘴包括被配置成以大于所述局部声速的速度递送燃料的会聚-扩张喷嘴。

方面24. 根据方面20所述的燃气涡轮发动机，所述空气-燃料预混喷燃器包括处于环形配置的多个空气-燃料预混喷嘴。

方面25. 根据方面20所述的燃气涡轮发动机，所述空气-燃料预混喷燃器包括被空气环带环绕的多个燃料喷射器。

附图说明

下文将结合附图描述本发明，其中相同的附图标记表示相同的元件：

图1是传统燃气涡轮的侧视截面图。

图2是如图1所示燃气涡轮的多罐式燃烧器段的正视透视图。

图3是如图1所示燃气涡轮的一罐式燃烧器段的正视透视图。

图4是可用于图2和图3的配置中的罐式燃烧器的燃气涡轮喷燃器的实施例的前端示意图，该罐式燃烧器具有呈环形布置的多个预混空气-燃料喷嘴，其带有空气-燃料引燃喷燃器。

图5是可用于图2和图3的配置中的罐式燃烧器的燃气涡轮喷燃器的另一个实施例的前端示意图，该罐式燃烧器具有环形预混空气-燃料喷嘴布置，其带有空气-燃料引燃喷燃器。

图6是使用氧-燃料引燃喷燃器的图4的燃气涡轮喷燃器的实施例的前端示意图。

图7是使用氧-燃料喷燃器引燃喷燃器的图5的燃气涡轮喷燃器的实施例的前端示意图。

图8是具有直喷嘴的氧-燃料引燃喷燃器的实施例的侧视截面示意图和端视图。

图9是具有会聚喷嘴的氧-燃料引燃喷燃器的实施例的侧视截面示意图和端视图。

图10是具有会聚-扩张喷嘴的氧-燃料引燃喷燃器的实施例的侧视截面示意图和端视图。

图11是如图7或图8所示罐式燃烧器的燃气涡轮喷燃器的侧视截面示意图，其示出中央氧-燃料引燃火焰对环形预混空气-燃料火焰的夹带。

图12是燃气涡轮的实施例的示意图，该燃气涡轮与燃烧器上游的热交换器和附加压缩相组合而使用带有氧-燃料引燃喷燃器的燃气涡轮喷燃器，以匹配使用空气-燃料引燃喷燃器的对应传统燃气涡轮喷燃器的涡轮入口温度，从而实现更大的热效率。

图13是燃气涡轮的实施例的示意图，该燃气涡轮与输入热交换器相组合而使用带有氧-燃料引燃喷燃器的燃气涡轮喷燃器，以匹配使用空气-燃料引燃喷燃器的对应传统燃气涡轮喷燃器的涡轮入口温度，从而实现更大的热效率。

图14是根据本发明的引燃喷燃器的实施例的示意性端视图，该引燃喷燃器具有用于次级空气的外部旋流叶片。

图15是用于燃气涡轮喷燃器的引燃喷燃器的另一实施例的示意性侧视截面图，其中中央导管的出口平面位于引燃喷燃器喉部的上游（以便于在火焰通过喉部排出之前进行部分预混合和点火）。

图16是带有单个预混喷嘴的引燃喷燃器的示意性端视图，该预混喷嘴在喷嘴下游具有旋流叶片。

图17是类似于图16所示的引燃喷燃器的引燃喷燃器的示意性端视图，但是在引燃喷燃器与旋流叶片之间具有另一个环带，其中紧紧环绕引燃喷燃器的环带没有旋流叶片，并且其中单个空气/燃料预混流分流，一部分通过外部旋流器，并且一部分通过紧紧环绕引燃喷燃器的非旋流环带。

图18是由图17的燃气涡轮燃烧器配置产生的流场的示意性侧视截面图。

具体实施方式

如本文所述和测试的，氧气被引入轴流式燃气涡轮发动机的燃烧器段中的燃气涡轮喷燃器中，以提高主预混空气-燃料燃烧的燃烧稳定性，从而扩大操作范围并有利于NOx排放的减少和热力学效率的增加。这是通过采用具有某些特征的氧-燃料喷燃器作为燃气涡轮喷燃器中的引燃喷燃器来实现的。

更具体来说，氧-燃料引燃喷燃器位于罐式或罐环式燃气涡轮燃烧器的轴线上或附近。在已经采用空气-燃料引燃喷燃器的传统燃气涡轮发动机的改型中，来自空气-燃料引燃喷燃器的现有空气环带可以保留，并且如果是这样，虽然不是必需的，但可用于使空气环绕氧-燃料喷燃器流动。在下面的描述中，被空气环带环绕的氧-燃料喷燃器的组合可被称为氧-空气-燃料引燃喷燃器，即使氧-燃料喷燃器用作初级喷燃器，并且环形“次级”空气可主要为引燃喷燃器和附带的燃烧氧气提供冷却流，同时还根据需要用于调改火焰特性，以优化引燃喷燃器与燃烧器主空气-燃料流之间的混合。例如，如果燃烧器主空气燃料喷嘴包括旋流叶片，则环绕引燃器的氧-燃料芯的环形空气也可包括旋流叶片，特别是在与主空气-燃料喷嘴旋流叶片相同的方向上产生周向流的旋流叶片（例如，参见图14）。

在空气-氧-燃料喷燃器中使用低至30%的氧浓度可提高稳定性。这可通过例如使引燃器中约13%的组合氧化剂流作为纯氧在氧-燃料喷燃器中流动，并且剩余的87%作为空气在空气环带中流动（具有20.9%的氧气）来实现。优选地，使用至少50%的氧浓度水平，对应于约38%的组合氧化剂流作为氧气在氧-燃料喷燃器中流动，并且62%作为空气在环带中流动。引燃喷燃器也可以在没有任何空气的情况下操作。

图6和图7分别示出与燃气涡轮喷燃器的多喷嘴配置和环形喷嘴配置组合的氧-燃料引燃喷燃器的使用。在图6中，除了提供中央氧-燃料喷燃器104之外，如在图4的配置中一样，引燃喷燃器100具有多个预混喷嘴102。类似地，在图7中，除了提供中央氧-燃料喷燃器114之外，如在图5的配置中一样，引燃喷燃器110具有环形喷嘴112，该环形喷嘴具有被空气环带118环绕的多个燃料喷射器116。因此，在两种配置中，使用定位在中央的氧-燃料喷燃器代替空气-燃料引燃喷燃器，以利用氧-燃料火焰固有的强燃烧稳定性。定位在中央的氧-燃料引燃喷燃器产生火焰。当专门为本应用设计和操作时，该火焰能够提高罐式燃烧器腔室内的周围空气-燃料预混合物的燃烧稳定性。这会获得使用空气-燃料引燃喷燃器无法获得的罐式燃烧器的有益操作状况。

为了使燃气涡轮发动机中的富氧经济，每个罐式燃烧器（即，每个燃气涡轮喷燃器）中的有效富氧水平优选小于或等于0.5%，并且更优选小于或等于0.3%。如本文所使用，富氧水平被定义为复合燃烧氧化剂（包括预混喷嘴中的空气、环带中的次级空气，加上被供应给氧-燃料引燃喷燃器的工业级氧气中的氧分子）中分子氧的摩尔分数超过空气中单独的氧的摩尔分数的增加量；例如，99.5%空气和0.5%工业级氧气的复合氧化剂流将具有约0.4%的富集水平。此外，通过氧-燃料引燃喷燃器引入的燃料应小于或等于递送至罐式燃烧器（或燃气涡轮喷燃器）的总燃料的10%，并且优选地小于或等于总燃料的6%。

在示例性实施例中，如下表1所示，燃气涡轮喷燃器在约0.15%的总富氧水平下操作，空气-氧-燃料引燃喷燃器本身在约55%的氧浓度下操作，其中氧-燃料引燃喷燃器中的纯氧流被现有环带中的空气环绕，纯氧流与空气流的比率为约0.75（即，约43%的氧化剂流为氧气，并且约57%的氧化剂流为空气）。这对应于氧-燃料引燃喷燃器的氧流量仅为燃气涡轮喷燃器的总氧化剂流量的约0.19%，或燃气涡轮喷燃器的总分子氧流量的约0.89%。同时，由于氧-燃料引燃喷燃器富燃料操作，而空气-燃料预混喷嘴贫燃料操作，因此燃气涡轮喷燃器中总燃料的约4.9%通过氧-燃料引燃喷燃器引入。

对多喷嘴和环形喷嘴两种类型的燃气涡轮喷燃器进行了测试，并且这些测试的结果在此处作出总结。

喷燃器描述。

期望各种氧-燃料喷燃器可用作氧-燃料引燃喷燃器。氧-燃料引燃喷燃器40的一个实施例具有喷嘴混合（即，非预混）式同轴管中管设计，燃料F流过中心管道42，并且氧化剂O流过周围的环形管道46，如图8所示，其中燃料从燃料喷嘴44涌出。优选地，燃料喷嘴内部通道的轮廓被设计为会聚设计（图9，具有会聚喷嘴44a）或会聚-扩张设计（图10，具有会聚-扩张喷嘴44b）。在足够的供应压力下，会聚设计使离开喷嘴的燃料速度能够等于局部声速。以相似的方式，在足够的供应压力下，会聚-扩张设计使离开喷嘴的燃料速度能够超过局部声速。

由于两个主要原因，音速（1马赫，或等于声速）或超音速（大于1马赫，或大于声速）的离开燃料速度是优选的。首先，已知达到声速或超过声速的喷嘴气体离开速度需要喷嘴“喉部”（最小流动面积）处的流动被阻塞。从适当设计的喷嘴出射的所谓“被阻塞”流的特征在于喷嘴离开流状况对来自罐式燃烧器内的扰动的向上游传播不敏感。因此，燃烧器内的压力波动不能影响引燃燃料的流速，从而进一步增强引燃喷燃器朝向整个燃烧器操作的稳定性。第二，为局部声速或超过局部声速的离开燃料速度会确保从氧-燃料引燃喷燃器出射的喷射火焰在局部流场中具有主导速度（在环带中从罐出射的火焰速度是亚音速或速度小于局部声速）。因此，在氧-燃料引燃喷射火焰的尾流中形成的压力不足将引起由空气-燃料预混喷嘴产生的周围流场流线的径向向内偏转，如图11所示。在图11中，箭头52定性地表示空气-燃料预混流场朝向高速氧-燃料引燃喷燃器火焰向内偏转。这会增强由氧-燃料引燃火焰产生的充足供应的高温、高活性火焰自由基与周围空气-燃料预混合物（和燃烧反应产物）之间的接触，这最终会促进和加强罐式燃烧器内持续稳定燃烧所需的链反应的传播。

在配置氧-燃料引燃喷燃器时，几个考虑因素表明优先使燃料在中央管或射流中流动，并且使氧化剂在环带中流动。被氧环绕的燃料构成正常扩散火焰，本领域中的技术人员已知该正常扩散火焰比所谓的反向扩散火焰（氧被燃料环绕）具有更高的固有稳定性。此外，为了优化添加氧气的效率（或者换句话说，为了最小化获得期望稳定性和整体燃烧器效率提高所需的氧气量），氧-燃料引燃喷燃器将可能富燃料操作，使得氧化剂对燃料流量之比将低于（或许显著低于）完全燃烧所需的化学计量比。由于中央射流的速度控制火焰射流动量，因此中央管中流动的燃料预期会产生比中央管中流动的氧化剂更高动量的火焰。

图15示出了引燃喷燃器140的另一个实施例，其中燃料和氧气在通过喷嘴喉部之前被共混合并点燃。具体来说，使第一反应物R1（优选为燃料）流动的中央导管被使第二反应物R2（优选为氧化剂）流动的环形导管146环绕，并且中央导管终止于界定中央导管142的出口端部的中央喷嘴144。来自中央导管142和环形导管146的燃料和氧化剂流入具有喉部150的引燃喷燃器喷嘴148。重要的是，中央导管142的出口端部或中央喷嘴144定位在引燃喷燃器喷嘴148的喉部150上游距离L处。

经适当设计，阻塞的高温高速反应射流火焰从引燃喷燃器喷嘴148出射至涡轮燃烧器中。除了喷嘴混合实施例的有利特征之外，这种“部分预混”引燃喷燃器实施例会产生射流，该射流防止燃烧器扰动的向上游传播影响引燃燃料和氧气流两者，并且因此为燃烧器提供更高程度的稳定性增强。此外，当反应射流通过喷嘴喉部时，反应射流的“混合”或平均温度可超过1000℃、1500℃或更高。由于声速与喉部处的（绝对）温度的平方根成比例，因此引燃火焰的速度可能比喷嘴混合引燃喷燃器中的中心射流的速度高若干倍。因此，来自“部分预混”实施例的引燃火焰，由于其高得多的喉部温度而将具有相对于喷嘴混合引燃喷燃器增强的反应性和动量。燃料和氧气在喉部上游如何混合的特性使得部分预混引燃喷燃器能够安全、长期操作。特别地，与喉部边界接触的一部分反应物（燃料或氧气）在通过喉部时需要保持未反应（即，一部分反应物R2将紧靠导管146的外壁并保持未反应，以便冷却喷嘴148）。本领域中的技术人员将会理解，可实现此种情况的方式众多，甚至无法开始规定。因此，部分预混引燃喷燃器的几何形状的唯一限制是，中央反应物（无论是燃料还是氧气）的出口平面必须在喉部的上游（参见图15）。

进一步有利的是，在富燃料操作模式下运行氧-燃料引燃喷燃器，以产生高百分比的含有碳和/或氢的活性化学自由基，然后该活性化学自由基可有利地与空气-燃料预混合物反应。这是因为罐或罐环带中的空气-燃料预混合物是贫燃料的，并且因此具有过量的氧气，以更好地补充氧-燃料喷燃器混合物中过量的燃料。

测试结果。

在第一系列实验室测试中，在空气-燃料预混喷嘴中有旋流叶片和无旋流叶片情况下，对使用单预混喷嘴和多空气-燃料预混喷嘴设计两者的模型罐式燃烧器进行了测试。当使用时，旋流叶片被设计成将20°或40°周向旋流角赋予围绕预混喷嘴的轴线流动的预混流。注意，在单预混喷嘴配置的情况下，喷嘴轴线与每个罐轴线重合（图6），而在多预混喷嘴配置中，喷嘴轴线与引燃喷燃器轴线重合（图7）。这些测试的主要目标如下。

进行测试是为了确定具有富氧和没有富氧的罐式燃烧器的稳定性极限。稳定性极限在本文中被定义为下列事件中的一者的发生：（a）压力振荡的大幅度和/或不衰退增加；（b）明显不稳定的火焰脉动；（c）一氧化碳排放的大幅度和/或不衰退增加；和/或（d）火焰吹灭。

一旦确定了稳定性极限，便进行测试以确定在稳定性极限下的NOx排放。

此外，还进行了测试，以确定在稳定性极限和特定NOx排放下引起操作所需的氧气和燃料的近似最小量。

正如预期的那样，当配备40度旋流叶片时，两种燃气涡轮喷燃器类型都显示出最广泛的空气-燃料燃烧稳定性。因此，本文仅总结这些结果。此外，还确定了两种燃气涡轮喷燃器产生了数量上相似的结果。然而，由于对多预混喷嘴配置执行了更广泛的测试，因此这些结果在此处呈现出，并用作所研究的两种喷燃器类型的代表。

在复合燃烧速率（空气-燃料预混加氧-燃料）为3 MMBtu/hr至5 MMBtu/hr的状况下进行了测试。在所有测试运行期间，燃烧器压力约为大气压力。燃料是管道天然气，并且氧气是从商业纯液氧（LOX）中蒸发出来的。结果总结呈现在表1中。注意，当量比被定义为[（燃料流量/氧气流量）_实际/（燃料流量/氧气流量）_化学计量]的比率，其中氧气流量包括来自空气和高纯度氧气两者的氧气分子的贡献。实际氧气流量是指实际燃烧状况，而化学计量氧气流量是指假设化学计量燃烧的理论状况（即，恰好足够的氧气将碳氢化合物燃料完全燃烧成水和二氧化碳）。此外，富氧水平表示复合氧化剂（空气加氧气）的摩尔氧气浓度大于空气的摩尔氧气浓度的以氧气百分比计的量。最后，氧-燃料喷燃器的燃料喷嘴速度在所有情况下都等于局部声速（1马赫），或约1020 ft/sec。氧-燃料引燃喷燃器通常以小于1.5的富燃料O₂:燃料摩尔比运行，其中2.0是氧-甲烷燃烧的O₂:燃料摩尔比；更典型地，氧-燃料引燃喷燃器以0.6至1.2的氧-燃料比操作。高于约1.2的引燃喷燃器氧-燃料比似乎没有显著提高燃烧稳定性，而低于约0.6的引燃喷燃器氧-燃料比倾向于产生可见的烟灰颗粒，这对于涡轮操作可能成问题。

表1

参数	空气-燃料燃烧器（传统）	带有氧-燃料引燃喷燃器
			燃烧稳定性极限下的当量比	0.533	0.398（测试的最小值）
稳定性极限下的NOx排放（Ib/MMBtu）	0.043	0.032
			燃烧稳定性极限下的富氧水平	不适用	0.15%
氧-燃料喷燃器中消耗的燃料	不适用	总数的5%

注意，在表1总结的测试中，在氧-燃料喷燃器测试期间未达到燃烧稳定性极限。因此，所呈现的结果代表在使用可用设备进行测试期间获得稳定燃烧的最低当量比（即，总体上大多数贫燃料燃烧状况），但其可能不是稳定燃烧的最低可能当量比。

在约120 psig的燃烧器压力下，在带有单个空气-燃料预混喷嘴（参见图16）的模型罐式燃烧器上进行了第二系列测试。这些测试包括高频燃烧器压力测量，以用于增强的燃烧稳定性的定性和定量表征。与第一系列一样，非预混和部分预混引燃喷燃器两者都经过测试，并产生了相似的性能。此外，发现本发明的引燃喷燃器在延长燃烧器稳定性方面的总体效果类似于来自第一系列测试的大气压力测试的效果。特别是，在相似的引燃喷燃器燃料流量（约占总流量的5%）和富氧水平（约0.15%）下，由大于5%平均压力的rms压力波动所定义的燃烧器贫油吹灭极限下的当量比从约0.58降低至至少0.47。由于与喷燃器特性无关的限制，本发明的引燃喷燃器在使用中没有达到实际贫油吹灭极限。

此处未测试的另一种罐式燃烧器喷嘴配置是如图17所示配置。这种喷嘴包括三个基础组件；根据本发明的中央引燃喷燃器（任选地包括根据图14的实施例的次级空气流）、被配置成围绕引燃喷燃器递送本质上无旋流的第一部分空气-燃料混合物的第一（内部）环带，和被配置成通过一系列旋流叶片递送余量的空气-燃料混合物的第二（外部）环带。这种喷嘴设计的主要区别效果是，通过非旋流内部环带进入燃烧器的第一部分空气-燃料混合物比外部旋流部分更容易被夹带至高速、阻塞的引燃喷燃器火焰中。引燃火焰和第一空气-燃料部分的共混合和随后的反应有效地导致引燃火焰影响区域的扩大，如图18所示。通过第一环带进入燃烧器的第一部分空气-燃料混合物优选地含有在5%与25%之间的进入燃气涡轮燃烧器的燃料。

实验室结果清楚地证明能够利用相对少量的氧气来产生相对大的燃烧器稳定性增加和相对大的NOx排放减少。这些对燃气涡轮设计和操作的实质性影响的主要有益效果如下：

（1）燃烧稳定性范围扩大，并且火焰吹灭和大规模压力振荡的风险以及燃烧不稳定性的其他有害后果降低。

（2）功率输出根据功率需求频繁变化的工业燃气涡轮的更可靠和无风险的负荷跟踪能力。

（3）涡轮操作对燃料质量变化的适应性更强，尤其是热值显著低于通常被分布用于工业用途的天然气的气体燃料。这包括空气-燃料气化过程产生的合成气体燃料，其热值可低至约150 Btu/scf。

（4）以比通常用于传统的空气-燃料动力燃气涡轮的燃烧当量比低的燃烧当量比操作，导致涡轮入口温度比目前使用的最先进的空气-燃料动力燃气涡轮（高达约2900至3000℉）更低，并且从而能够设计新的设备和循环，特别是那些包括更高的压缩机压力比（压缩机出口处的空气压力对压缩机入口处的空气压力之比）或压缩后热回收的设备和循环，并且导致更低的NOx排放，如下文在操作模式A和B中所述。然而，为了理解这些模式的有益效果，首先回顾燃气涡轮性能的一些热力学原理是有帮助的。

现代燃气涡轮发动机的操作遵循布雷登循环（Brayton Cycle），该循环包括以下步骤：a）绝热压缩；b）恒压热添加（在燃烧器中）；c）涡轮中的绝热膨胀；和d）理想化的气体恒压排热。由于燃气涡轮实际上不是循环运行的，而是稳定流、一次通过的过程，因此后一步；即d），实际上并没有发生，而是由连续进入压缩机的新填入的空气模拟的。本领域中的技术人员众所周知，根据布雷登循环操作的燃气涡轮的能量效率与压缩机压力比成比例，而功率输出与进入涡轮膨胀机的气体的绝对温度成比例。

操作模式A. 使用氧-燃料引燃喷燃器来获得前述燃烧稳定性的提高，使得燃气涡轮发动机以及因此燃烧器能够以比仅使用空气-燃料燃烧所能实现的显著更高的空气-燃料比（即，更低的当量比，更贫燃料的操作）来操作。在所有其他因素相同的情况下，这种更稀的燃烧自然会导致火焰温度更低，并且因此，与仅空气-燃料燃烧相比，涡轮入口温度更低。然而，随着燃烧器入口空气温度以及因此涡轮入口温度随着压缩机压力比的增加而增加，一种利用提高的燃烧稳定性的有利途径是修改涡轮循环以在比传统的空气-燃料动力燃气涡轮中使用的压缩机压力比更高的压缩机压力比下操作，并且特别是在将涡轮入口温度恢复至最先进的空气-燃料燃气涡轮中使用的操作温度极限或其附近的水平的压缩机压力比下操作。在一个实施例中，可使用至少33:1的压缩机压力比（参见表2）。更一般来说，压缩机压力比的增加将是通过使用如本文所述的氧-燃料引燃喷燃器而提供的燃烧空气-燃料比的增加的函数。

操作模式B. 使用氧-燃料引燃喷燃器还能够实现压缩后热回收，以将涡轮入口温度提高至最先进的空气-燃料燃气涡轮中使用的水平。如图12所示，这种概念的实施例使用位于压缩机下游和燃烧器上游的初级热交换器，以及位于涡轮（膨胀机）下游的次级热交换器。这两个热交换器通过传热流体（诸如空气、水、N₂、CO₂或任何其他具有合适热力学性质的传热流体）彼此能量连通，其中传热流体从次级热交换器内的涡轮废气中回收热能，并经由初级热交换器将该热能递送给压缩空气。应当理解，有许多其他实施例可被配置成产生空气温度的压缩后/燃烧器前增加。一般来说，这些将通过初级热交换器（如前所述）进行广泛分类，具有温度T1的传热流体流过该初级热交换器，温度T1是比压缩机空气出口温度高的温度。传热流体可通过不连接至涡轮排气流的方式加热至温度T1，并且在热交换器中将热能传递至压缩空气。例如，参见图13。这种方式的示例包括来自相邻炉过程的废热和来自用空气或其他合适的氧化剂直接燃烧废燃料的燃烧产物。注意，图12和图13两者中描绘的压缩机和涡轮不一定使用公共轴操作。

使用氧-燃料引燃喷燃器还能够实现与在传统的空气-燃料动力燃气涡轮中可获得的NOx排放相比更低的NOx排放。

表2

使用商业上可获得的ASPEN软件进行计算，用与额定标称净功率输出为180 MW的现有工业燃气涡轮发电机相关的设计和操作数据进行编程，以估计可能的提高的热效率，例如，经由上述操作模式A和B中建议的新颖设计和操作模式。表2中总结的计算结果表明，模式A的热效率比基线空气-燃料操作（相对）增加了大致10%，并且模式B的热效率比基线空气-燃料操作（相对）增加了17%。

注意，表2中规定的当量比在量值方面与在测试期间获得且表1中呈现的值不同，并且具体来说，表2中列出的当量比高于表1中相应的经验空气-燃料和氧-燃料当量比，表明燃烧空气-燃料比较低。这是因为模型计算是在实验室测试完成之前进行的。由于经验获得的空气-燃料和氧-燃料当量比相比于模型中假设的空气-燃料和氧-燃料当量比存在基本上更大的差距，因此可合理地假设，如果模型计算使用经验当量比作为输入，则氧-燃料情况下的计算效率增益会比其原本将具有的效率增益低。

本发明的范围不受示例中公开的具体方面或实施例的限制，这些示例旨在说明本发明的几个方面，并且任何功能等同的实施例都在本发明的范围内。除了本文示出和描述的那些之外，本发明的各种修改对于本领域中的技术人员来说将变得显而易见，并且旨在落入所附权利要求书的范围内。

Claims (13)

1.一种用于燃气涡轮发动机的燃烧器，燃气涡轮发动机包括位于燃烧器上游的压缩机和位于燃烧器下游的涡轮，燃烧器包括：

燃烧器腔室；

氧-燃料引燃喷燃器，氧-燃料引燃喷燃器在燃烧器腔室的端部处居中定位；和

空气-燃料预混喷燃器，空气-燃料预混喷燃器被配置成至少部分地对空气和燃料进行预混合，空气-燃料预混喷燃器以环形配置环绕氧-燃料引燃喷燃器；

其中，氧-燃料引燃喷燃器包括：

引燃喷燃器喷嘴，引燃喷燃器喷嘴具有喉部；

中央喷嘴，中央喷嘴被配置成使第一反应物流过，中央喷嘴具有位于喉部的上游的出口端部；和

环形喷嘴，环形喷嘴被配置成使第二反应物流过；

其中，第一反应物和第二反应物中的一者是燃料，并且第一反应物和第二反应物中的另一者是氧化剂；

其中，引燃喷燃器喷嘴是终止于喉部的会聚喷嘴，并且被配置成以局部声速排出氧-燃料火焰，或者，引燃喷燃器喷嘴是被配置成以大于局部声速的速度排出氧-燃料火焰的会聚-扩张喷嘴。

2.根据权利要求1所述的燃烧器，空气-燃料预混喷燃器包括处于环形配置的多个空气-燃料预混喷嘴。

3.根据权利要求1所述的燃烧器，空气-燃料预混喷燃器包括被空气环带环绕的多个燃料喷射器。

4.一种燃气涡轮发动机，包括：

空气压缩机，空气压缩机用于压缩吸入燃气涡轮发动机的空气；

根据权利要求1至3中任一项所述的燃烧器，燃烧器被定位在空气压缩机的下游，并被配置成利用由空气压缩机提供的压缩空气来燃烧燃料，以产生高压燃烧气体；

初级热交换器，初级热交换器定位在空气压缩机与燃烧器之间，并被配置成向由空气压缩机提供的压缩空气供热；

热源；和

传热流体回路，传热流体回路用于在初级热交换器与热源之间输送传热流体，以在压缩空气进入燃烧器之前将热量从热源传递至压缩空气。

5.根据权利要求4所述的燃气涡轮发动机，

其中热源是定位在涡轮下游并被配置成从涡轮废气中提取热量的次级热交换器；并且

其中传热流体回路被配置成用于在初级热交换器与次级热交换器之间输送传热流体，以在压缩空气进入燃烧器之前将热量从涡轮废气流传递至压缩空气。

6.根据权利要求4或5中任一项所述的燃气涡轮发动机，其中热源包括来自炉或燃烧过程的废热源。

7.一种操作根据权利要求1至3中任一项所述的燃烧器的方法，包括以下步骤：

以当量比将空气和燃料提供给燃烧器内的空气-燃料预混喷燃器，空气-燃料预混喷燃器被配置成至少部分地对空气和燃料进行预混合；

启动空气-燃料预混喷燃器中的空气-燃料燃烧；

调节空气流量和燃料流量中的一个或两者，以在空气-燃料预混喷燃器中实现大于或等于约0.5的当量比；

通过使燃料和氧气流至氧-燃料引燃喷燃器来启动引燃火焰，氧-燃料引燃喷燃器在燃烧器的燃烧腔室居中定位且被空气-燃料预混喷燃器环绕；和

调节空气流量和燃料流量中的一个或两者，以在燃烧器中实现小于约0.5的总当量比；

其中，氧-燃料引燃喷燃器被配置成产生具有等于或大于局部声速的第一速度的火焰。

8.根据权利要求7所述的方法，进一步包括：以为化学计量燃烧所需的氧气与燃料摩尔比的30%至60%的氧气与燃料摩尔比来操作氧-燃料引燃喷燃器。

9.根据权利要求7所述的方法，进一步包括：

计算流向燃烧器的总燃料流量，作为流向氧-燃料引燃喷燃器的燃料和流向空气-燃料预混喷燃器的燃料的总和；和

控制流向氧-燃料引燃喷燃器的燃料和流向空气-燃料预混喷燃器的燃料中的一种或多种，使得流向氧-燃料引燃喷燃器的燃料小于或等于流向燃烧器的总燃料流量的10%。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，进一步包括：

控制流向氧-燃料引燃喷燃器的燃料和流向空气-燃料预混喷燃器的燃料中的一种或多种，使得流向氧-燃料引燃喷燃器的燃料小于或等于流向燃烧器的总燃料流量的6%。

11.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，进一步包括将富氧水平控制成小于0.5%。

12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括将富氧水平控制成小于0.3%。

13.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，其中空气-燃料预混喷燃器被配置成产生具有小于第一速度的第二速度的火焰。

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