CN112344370A - 用于燃气涡轮组件的顺序燃烧器组件及其运行方法 - Google Patents

用于燃气涡轮组件的顺序燃烧器组件及其运行方法 Download PDF

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Abstract

一种用于燃气涡轮组件的顺序燃烧器组件包括：包括至少一个第一喷燃器的第一级燃烧器，第一喷燃器被供给至少一种第一燃料且构造成在使用中产生至少一个第一火焰；第二级燃烧器，其布置于第一级燃烧器下游且被供给离开第一级燃烧器的热气，第二级燃烧器包括至少一个第二喷燃器，第二喷燃器被供给至少一种第二燃料且构造成在使用中产生第二火焰；空气供应回路，其包括：第一管路，其构造成将空气供应到第一级燃烧器的至少一个第一喷燃器；第二管路，其构造成在至少一个第一火焰下游且在第二级燃烧器上游供应空气；调整装置，其构造成调整第一管路中的第一空气流率和第二管路中的第二空气流率，以便控制第一空气流率与第二空气流率之间的比率。

Description

用于燃气涡轮组件的顺序燃烧器组件及其运行方法
与相关申请的交叉引用
本专利申请要求提交于2019年8月8日的欧洲专利申请No. 19190692.4的优先权，该欧洲专利申请的整个公开通过引用而合并于本文中。
技术领域
本发明涉及一种用于燃气涡轮组件的顺序燃烧器组件，并且涉及一种用于运行所述顺序燃烧器组件的方法。
根据本发明的用于运行用于燃气涡轮的顺序燃烧器的方法在上文的顺序燃烧器组件被供给高反应性燃料(例如，包括氢的燃料)时特别地有用。
背景技术
如所知的，用于产生电能的发电厂的燃气涡轮组件包括压缩机、燃烧器组件以及至少一个涡轮。
特别地，压缩机被供应空气，并且包括压缩所供应的空气的多个叶片。离开压缩机的压缩空气流动到气室(即，由外壳界定的封闭容积)中，并且从气室流动到燃烧器组件中。在燃烧器组件中，燃烧压缩空气和至少一种燃料。
得到的热气离开燃烧器组件，并且在涡轮中膨胀，从而做功。
为了实现高效性，在燃烧期间需要高温。然而，由于这些高温的原因，产生高NOx排放。
为了减少这些排放并且提高运行灵活性，可使用顺序燃烧器组件。
大体上，顺序燃烧器组件包括串联的两个燃烧器：第一级燃烧器；和第二级燃烧器，其沿着气流布置于第一级燃烧器下游，并且被供给离开第一级燃烧器的热气。
主要已知两种不同种类的顺序燃烧器组件：环形类型和筒类型。
在环形燃烧器组件中，第一级燃烧器和第二级燃烧器是环形形状的，并且通过被称为高压涡轮的涡轮叶片级而物理地分开。
在筒类型中，燃烧器组件包括多个筒状壳体，多个筒状壳体中的每个包括第一级燃烧器和第二级燃烧器，第一级燃烧器和第二级燃烧器在共同的筒状壳体内部布置成一个位于另一个下游。优选地，混合器布置于第一级燃烧器与第二级燃烧器之间。
在两个实施例中，第一级燃烧器和第二级燃烧器被供应燃料。
从上文中所提到的顺序燃气涡轮结构出发，如今提出了改进燃料灵活性的需要。然而，考虑到排放应当保持低于极限并且发电厂应当保持高性能，应当作出对燃料种类的改变。
特别地，最重要的挑战之一是使用例如具有大量的氢(H2)或更高反应性的烃(例如，乙烷、丙烷)的高反应性燃料。
同时，由于更多地使用液化天然气以及更广泛的范围的气体源和提取方法的原因，考虑在燃气涡轮内使用的天然气的组成变得显著地更易变。
此外，具有非常低的热值并且来自废物处理或生物质气化的燃料越来越受到关注。
因此，在现代的燃气涡轮开发中，燃料灵活性极其重要。
燃料反应性的改变意味着火焰位置的改变。特别地，较高的燃料反应性(如氢基燃料)迫使火焰向上游移动，从而增加NOx排放，并且可能使喷燃器变得过热，而较低的燃料反应性导致相反的情况，并且将火焰向下游推动，由于燃尽时间不足而增加CO排放和未燃烃排放。
结果，当燃烧高反应性燃料(例如，含有更大量的更高反应性的烃或氢的燃料)时，与天然气的情况相比，火焰向上游移动，因而增加逆燃的风险。然而，在燃烧低反应性燃料时，火焰向下游移动，从而增加CO排放和未燃烃排放。
第二级燃烧器中的火焰的位置可被第二级燃烧器的入口处的温度(自燃/自发点火)控制。通过降低/提高入口温度，因此有可能使火焰向下游/向上游移动。
在固定的空气分配的情况下，第一级火焰温度和/或第二级入口温度的改变可能受限。
在这样的情况下，由于太窄的运行窗的原因或由于排放或喷燃器局部温度的原因，不可使用具有特别高或低的反应性的燃料。
发明内容
因此，本发明的目标是，提供一种顺序燃烧器组件，其使得能够避免或至少减轻所描述的缺陷。
特别地，本发明的目标是，提供一种顺序燃烧器组件，其构造成允许对第二级燃烧器的入口处的温度进行可靠控制。
根据本发明，提供了一种顺序燃烧器组件，其包括：
•第一级燃烧器，其包括至少一个第一喷燃器，至少一个第一喷燃器被供给至少一种第一燃料，并且构造成在使用中产生至少一个第一火焰；
•第二级燃烧器，其布置于第一级燃烧器下游，并且被供给离开第一级燃烧器的热气；第二级燃烧器包括至少一个第二喷燃器，至少一个第二喷燃器被供给至少一种第二燃料，并且构造成在使用中产生第二火焰；
•空气供应回路，其包括：
-第一管路，其构造成将空气供应到第一级燃烧器的至少一个第一喷燃器；
-第二管路，其构造成在至少一个第一火焰下游且在第二级燃烧器上游供应空气；
-调整装置，其构造成调整第一管路中的第一空气流率和第二管路中的第二空气流率，以便控制第一空气流率与第二空气流率之间的比率。
以此方式，供给到燃烧器组件的燃料可显著地改变，从而扩宽运行窗并且进一步扩展燃料反应性可接受范围。
根据本发明的实施例，燃烧器组件包括控制装置，控制装置配置成基于第一燃料和第二燃料的种类并且基于顺序燃烧器组件的运行状况而设定第一空气流率与第二空气流率之间的期望比率。
以此方式，燃料组成可无任何风险地改变，因为控制装置能够甚至实时地调整比率。
根据本发明的实施例，控制装置配置成设定第一空气流率与第二空气流率之间的期望比率，以便使第二级燃烧器的入口处的气体获得期望温度。
以此方式，第二级燃烧器中的火焰位置被可靠地控制。
根据本发明的实施例，第二管路将空气供应到布置于第一级燃烧器与第二级燃烧器之间的混合器中。
根据本发明的实施例，第二管路将空气供应到布置于第一级燃烧器与第二级燃烧器之间的高压涡轮中。
根据本发明的实施例，调整装置包括在第一管路上的第一调节阀。
根据本发明的实施例，调整装置包括在第二管路上的第二调节阀。
根据本发明的实施例，调整装置包括三通阀，三通阀构造成调整第一管路中的第一空气流率和第二管路中的第二空气流率。
根据本发明的实施例，调整装置包括旁通管路和在旁通管路上的旁通阀；旁通管路布置成与第一管路并联和/或与第二管路并联。
本发明的另一目标是提供一种用于运行顺序燃烧器组件的方法，其允许对第二级燃烧器的入口处的温度进行可靠控制。
根据本发明，提供了一种用于运行用于燃气涡轮组件的顺序燃烧器组件的方法，其包括：
提供顺序燃烧器组件，其包括：
•第一级燃烧器，其包括至少一个第一喷燃器；
•第二级燃烧器，其布置于第一级燃烧器下游，并且包括至少一个第二喷燃器；第二级燃烧器和第一级燃烧器被连接，以便第二级燃烧器被供给离开第一级燃烧器的热气；
将至少一种第一燃料供应到至少一个第一喷燃器，以便产生至少一个第一火焰；
将至少一种第二燃料供应到至少一个第二喷燃器，以便产生至少一个第二火焰；
将第一空气流率供应到至少一个第一喷燃器；
在至少一个第一火焰下游并且在第二级燃烧器上游供应第二空气流率；
调整第一空气流率和第二空气流率，以便控制第一空气流率与第二空气流率之间的比率。
根据本发明的实施例，方法包括基于第一燃料和第二燃料的种类并且基于顺序燃烧器组件的运行状况而设定第一空气流率与第二空气流率之间的期望比率。
根据本发明的实施例，进行所述设定，以使第二级燃烧器的入口处的气体获得期望温度。
根据本发明的实施例，第一燃料和第二燃料是高反应性燃料。
根据本发明的实施例，第一燃料和第二燃料是低反应性燃料。
附图说明
现在将参考附图而描述本发明，附图示出一些非限制性实施例，其中：
- 图1是燃气涡轮组件的示意性图示；
- 图2是根据本发明的燃烧器组件的侧视示意图，为了清楚起见，部分以截面显示，并且，部分被移除；
- 图3是根据本发明的第一实施例的燃烧器组件的细节的侧视示意图，为了清楚起见，部分以截面显示，并且，部分被移除；
- 图4是根据本发明的第二实施例的燃烧器组件的细节的侧视示意图，为了清楚起见，部分以截面显示，并且，部分被移除；
- 图5是根据本发明的第三实施例的燃烧器组件的细节的侧视示意图，为了清楚起见，部分以截面显示，并且，部分被移除；
- 图6是根据本发明的第四实施例的燃烧器组件的细节的侧视示意图，为了清楚起见，部分以截面显示，并且，部分被移除。
具体实施方式
在图1中，参考数字1指示燃气涡轮组件。燃气涡轮组件1包括压缩机2、顺序燃烧器组件3以及涡轮5。压缩机2和涡轮5沿着主轴线A延伸。
在使用中，在压缩机2中被压缩的空气流与燃料混合，并且在顺序燃烧器组件3中燃烧。然后，燃烧的混合物在涡轮5中膨胀，并且通过轴6而转换成机械动力，轴6连接到交流发电机(未显示)。
在此处公开并且示出的非限制性示例中，顺序燃烧器组件3为筒型，并且包括多个筒7(在图1中图示仅一个)。每个筒7沿着主轴线B延伸，并且包括沿着气流方向G按顺序布置的第一级燃烧器8和第二级燃烧器9。换而言之，第二级燃烧器9沿着气流方向G布置于第一级燃烧器8下游。
优选地，在第一级燃烧器8与第二级燃烧器9之间，布置有混合器11。
第一级燃烧器8限定第一燃烧室14，第二级燃烧器9限定第二燃烧室16，而混合器11限定混合室17。
第一燃烧室14、第二燃烧室16以及混合室17处于流体连通，并且由沿着纵向轴线B延伸的衬套18(参见图2)限定。
参考图2，第一级燃烧器8包括至少一个第一喷燃器20，并且，第二级燃烧器9包括至少一个第二喷燃器21。
在此处公开并且示出的非限制性示例中，第一级燃烧器8包括多个第一喷燃器20(由方框示意性地图示)，并且，第二级燃烧器包括多个第二喷燃器21(由方框示意性地图示)。
在使用中，第一喷燃器20产生由具有参考标号22的区域示意性地图示的第一火焰，并且，第二喷燃器21产生由具有参考标号23的区域示意性地图示的第二火焰。
顺序燃烧器组件3还包括燃料供应回路24和空气供应回路25以及控制装置26。
燃料供应回路24构造成将至少一种第一燃料供应到第一喷燃器20并且将至少一种第二燃料供应到第二喷燃器21，并且包括促动器组件27(示意性地图示)，促动器组件27构造成在控制装置26的控制下调节供应到第一喷燃器20的燃料和供应到第二喷燃器21的燃料的量。
在此处公开并且示出的非限制性示例中，第一燃料和第二燃料完全相同。
空气供应回路25连接到空气气室28(在图2中示意性地图示)，并且包括：第一管路30，其构造成将空气供应到第一级燃烧器8的至少一个第一喷燃器20；第二管路31，其构造成在至少一个第一火焰22下游且在第二级燃烧器9上游供应空气；以及调整装置33，其构造成在控制装置26的控制下调整第一管路30中的第一空气流率和第二管路31中的第二空气流率。
优选地，第二管路31构造成将空气供应到混合器11。
根据变型(未示出)，第二管路31将空气供应到布置于第二级燃烧器9上游的高压涡轮。
特别地，控制装置26调节调整装置33，以控制第一空气流率与第二空气流率之间的空气比率。空气比率被控制，以便第二级燃烧器9的入口处的热气具有期望温度。
换而言之，控制装置26设定期望空气比率，以便使第二级燃烧器9的入口处的气体获得期望温度，并且，调整装置33调整第一空气流率和第二空气流率，以便获得期望空气比率。控制装置26构造成基于在第一喷燃器20中使用的燃料和在第二喷燃器21中使用的燃料的种类并且基于顺序燃烧器组件3的运行状况而设定第一空气流率与第二空气流率之间的期望比率。
在图2的下部部分中，呈现了公开在顺序燃烧器组件3运行时，气流的温度如何沿着轴向方向变化的图。
在图2中所示出的示例中，供应到第一喷燃器20的燃料和供应到第二喷燃器21的燃料是高反应性燃料(例如，氢基燃料)。在高反应性燃料的情况下，第二级燃烧器9的入口处的温度应当尽可能低，以便使第二火焰23向下游移动并且避免第二喷燃器21中的火焰逆燃。
如果供应到第一喷燃器20的燃料和供应到第二喷燃器21的燃料是低反应性燃料，则应当调节第二级燃烧器9的入口处的温度，以便使第二火焰23向上游移动，从而避免CO排放和未燃烃排放的增加。
换而言之，控制装置26构造成针对每种燃料类型而限定第一空气流率与第二空气流率之间的期望空气比率，以便在第二喷燃器26的入口处获得适当的温度。基于期望空气比率，调整装置33调节第一空气流率和第二空气流率。
在图3中，图示调整装置33的第一实施例。
调整装置33包括沿着第一管路30布置的第一调节阀35。
第一调节阀35由控制装置26控制。
来自空气气室28的空气的量取决于涡轮组件1的运行状况，并且是已知的。因此，调整第一调节阀35意味着也调节第二管路31中的空气流率。
根据未显示的变型，节流部可沿着第二管路31布置，以设定第二管路31中的期望流率。
在图4中，图示调整装置33的第二实施例。
调整装置33包括沿着第二管路30布置的第二调节阀36。
第二调节阀36由控制装置26控制。
来自空气气室28的空气的量取决于涡轮组件1的运行状况，并且是已知的。因此，调整第二调节阀36意味着也调节第一管路30中的空气流率。
根据未显示的变型，节流部可沿着第一管路30布置，以设定第一管路30中的期望流率。
在图5中，图示调整装置33的第三实施例。
调整装置33包括三通阀37，三通阀37布置于第一管路30与第二管路31之间的连接部处。三通阀37由控制装置26控制，并且调节第一管路30中的第一空气流率和第二管路31中的第二空气流率。
在图6中，图示调整装置33的第四实施例。
调整装置33包括旁通管路38和沿着旁通管路38布置的旁通阀39。旁通管路38布置成与第一管路30并联。
旁通阀39由控制装置26控制。
来自空气气室28的空气的量取决于涡轮组件1的运行状况，并且是已知的。因此，调整旁通阀39意味着也调节第一管路30中和第二管路31中的空气流率。
这样的实施例特别地适合于应用于已经存在的燃气涡轮组件上。添加旁通管路实际上使对已经存在的燃烧器组件的结构改变减到最低限度。
根据未显示的变型，旁通管路38布置成与第二管路31并联。
根据未显示的变型，节流部可沿着第一管路30和/或沿着第二管路31布置，以设定第一管路30中和/或第二管路31中的期望流率。
最后，清楚的是，在不脱离本发明的如所附权利要求书中所限定的范围的情况下，可对本文中所描述的燃烧器组件和方法作出修改和变型。

Claims (15)

1.一种顺序燃烧器组件，其包括：
第一级燃烧器(8)，其包括至少一个第一喷燃器(20)，所述至少一个第一喷燃器(20)被供给至少一种第一燃料，并且构造成在使用中产生至少一个第一火焰(22)；
第二级燃烧器(9)，其布置于所述第一级燃烧器(8)下游，并且被供给离开所述第一级燃烧器(8)的热气；所述第二级燃烧器(9)包括至少一个第二喷燃器(21)，所述至少一个第二喷燃器(21)被供给至少一种第二燃料，并且构造成在使用中产生第二火焰(23)；
空气供应回路(25)，其包括：
第一管路(30)，其构造成将空气供应到所述第一级燃烧器(8)的所述至少一个第一喷燃器(20)；
第二管路(31)，其构造成在所述至少一个第一火焰(22)下游且在所述第二级燃烧器(9)上游供应空气；
调整装置(33)，其构造成调整所述第一管路(30)中的第一空气流率和所述第二管路(31)中的第二空气流率，以便控制所述第一空气流率与所述第二空气流率之间的比率。
2.根据权利要求1所述的顺序燃烧器，包括控制装置(26)，所述控制装置(26)配置成设定所述第一空气流率与所述第二空气流率之间的期望比率，以便使所述第二级燃烧器(9)的入口处的气体获得期望温度。
3.根据权利要求2所述的顺序燃烧器，其中，所述控制装置(26)配置成基于第一燃料和第二燃料的种类并且基于所述顺序燃烧器组件(3)的运行状况而设定所述第一空气流率与所述第二空气流率之间的期望比率。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的顺序燃烧器，其中，所述第二管路(31)将空气供应到布置于所述第一级燃烧器(8)与所述第二级燃烧器(9)之间的混合器(11)中。
5.根据权利要求1至3中的任一项所述的顺序燃烧器，其中，所述第二管路(31)将空气供应到布置于所述第一级燃烧器(8)与所述第二级燃烧器(9)之间的高压涡轮中。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的顺序燃烧器，其中，所述调整装置(33)包括在所述第一管路(30)上的第一调节阀(35)。
7.根据权利要求6所述的顺序燃烧器，其中，所述调整装置(33)包括在所述第二管路(31)上的第二调节阀(36)。
8.根据权利要求1至5中的任一项所述的顺序燃烧器，其中，所述调整装置(33)包括三通阀(37)，所述三通阀(37)构造成调整所述第一管路(30)中的所述第一空气流率和所述第二管路(31)中的所述第二空气流率。
9.根据权利要求从1至5中的任一项所述的顺序燃烧器，其中，所述调整装置(33)包括旁通管路(38)和在所述旁通管路(38)上的旁通阀(39)；所述旁通管路(38)布置成与所述第一管路(30)并联和/或与所述第二管路(31)并联。
10.一种燃气涡轮组件，其包括压缩机(2)、涡轮(5)以及根据前述权利要求中的任一项所述的顺序燃烧器组件(3)。
11.一种用于运行用于燃气涡轮组件的顺序燃烧器组件(3)的方法，其包括：
提供顺序燃烧器组件(3)，其包括：
第一级燃烧器(8)，其包括至少一个第一喷燃器(20)；
第二级燃烧器(9)，其布置于所述第一级燃烧器(8)下游，并且包括至少一个第二喷燃器(21)；所述第二级燃烧器(9)和所述第一级燃烧器(8)被连接，以便所述第二级燃烧器(9)被供给离开所述第一级燃烧器(8)的热气；
将至少一种第一燃料供应到所述至少一个第一喷燃器(20)，以便产生至少一个第一火焰(22)；
将至少一种第二燃料供应到所述至少一个第二喷燃器(21)，以便产生至少一个第二火焰(23)；
将第一空气流率供应到所述至少一个第一喷燃器(20)；
在所述至少一个第一火焰(22)下游且在所述第二级燃烧器(9)上游供应第二空气流率；
调整所述第一空气流率和所述第二空气流率，以便控制所述第一空气流率与所述第二空气流率之间的比率。
12.根据权利要求11所述的方法，包括设定所述第一空气流率与所述第二空气流率之间的期望比率，以便使所述第二级燃烧器(9)的入口处的气体获得期望温度。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述设定基于第一燃料和第二燃料的种类并且基于所述顺序燃烧器组件(3)的运行状况而进行。
14.根据权利要求11或12所述的方法，其中，所述第一燃料和所述第二燃料是高反应性燃料。
15.根据权利要求11或12所述的方法，其中，所述第一燃料和所述第二燃料是低反应性燃料。
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