CN114041006B - 用于减排的燃气涡轮机注水 - Google Patents

Abstract

一种用于输送要注入燃气涡轮发动机燃烧室(4)中的水的水输送系统(18)，其包括离心泵(19)和计量阀(23)。离心泵(19)具有连接到水源的入口(20)和连接到供水管线(22)的排放口(21)。计量阀(23)连接到离心泵(19)的排放口(21)下游的供水管线(22)。供水管线(22)连接到计量阀(23)下游的喷射器喷嘴(14)。计量阀(23)能够操作成调节供水管线(22)中的水的流速，从而对供应给喷射器喷嘴(14)的水的量进行计量。

Description

用于减排的燃气涡轮机注水

背景技术

1.技术领域

本公开内容涉及燃气涡轮发动机领域，并且具体地涉及用于将水注入燃气涡轮发动机的燃烧部分中以减少排放物的系统和方法。

2.相关技术的描述

随着技术的不断改进，政府和环保机构对正在创造的产品提出了更多要求。在燃气涡轮发动机的背景下，随着燃烧技术的改进，由发动机产生的总排放量的限制会越来越低。目前受调节的燃烧副产品包括氮氧化物(NOx)等。减少NOx排放物通常是整个发动机设计的要求。

存在若干已知的方法用于减少来自燃气涡轮发动机的排放。例如，可以使用选择性的催化还原系统从燃气轮机排气管中去除NOx。另一方法可以包括使用特定的燃烧室设计和/或技术——例如在燃烧过程中冷却空气或将水与燃料一起注入，两者都导致较低的整体火焰温度——来防止或最小化在燃烧过程期间产生的NOx。

发明内容

简而言之，本公开内容的方面涉及用于在燃气涡轮发动机的燃烧部分中注入水以减少排放物的改进的系统和方法。

根据第一方面，提供了一种用于输送要注入燃气涡轮发动机的燃烧室中的水的水输送系统。水输送系统包括离心泵，该离心泵具有连接到水源的入口和将加压的水输送到供水管线的排放口。水输送系统还包括连接到离心泵的排放口下游的供水管线的计量阀。供水管线连接到计量阀下游的喷射器喷嘴。计量阀能够操作成调节供水管线中的水的流速，从而对供应给喷射器喷嘴以供注入燃烧室中的水的量进行计量。

根据第二方面，提供了一种用于燃气涡轮发动机的燃烧系统。燃烧系统包括燃料供应管线，该燃料供应管线用于将来自燃料源的燃料供应给一个或更多个燃料喷射器喷嘴以供注入燃气涡轮发动机的燃烧室中。燃烧系统还包括如上所述的水输送系统，该水输送系统用于输送要注入燃烧室中的计量的水。燃烧系统还包括操作上耦接至水输送系统的计量阀的控制单元，该控制单元用于根据供应给一个或更多个燃料喷射器喷嘴的燃料的量来调整注入燃烧室中的水的流速。

根据第三方面，提供了一种用于输送要注入燃气涡轮发动机的燃烧室中的水的方法。该方法包括操作离心泵，该离心泵具有连接到水源的入口和将加压的水输送到供水管线的排放口。计量阀连接到离心泵的排放口下游的供水管线。供水管线连接到计量阀下游的喷射器喷嘴。该方法还包括控制计量阀以调节供水管线中的水的流速，从而对供应给喷射器喷嘴以供注入燃烧室中的水的量进行计量。

根据第四方面，提供了一种用于控制注入燃气涡轮发动机的燃烧室中的水的量以减少由燃气涡轮发动机产生的排放物的计算机实现的方法。该方法包括确定发动机操作状态的变化并且响应于发动机操作状态的变化来调整燃烧室的燃料需求。该方法还包括响应于发动机操作状态的变化和燃料需求的调整而动态地确定要注入燃烧室中的水的流速。该方法还包括生成控制信号以致动水输送系统的计量阀来实现注入燃烧室的水的所确定的流速。水输送系统包括离心泵和计量阀，计量阀连接到离心泵的排放口用于将计量的加压的水输送到喷射器喷嘴。

附图说明

借助于附图更详细地示出了本发明。附图示出了优选配置并且不限制本发明的范围。

图1是燃气涡轮发动机的示意图；

图2是根据第一示例实施方式的其中注水的燃烧系统的一部分的示意图；

图3是根据第二示例实施方式的其中注水的燃烧系统的一部分的示意图；以及

图4是示出根据本公开内容的方面的示例控制方法的流程图。

具体实施方式

在优选实施方式的以下详细描述中，对形成详细描述的一部分的附图进行参照，并且在附图中通过说明而非限制的方式示出了可以实践本发明的特定实施方式。应当理解，可以利用其他实施方式，并且可以在不背离本发明的精神和范围的情况下做出改变。

参照图1，燃气涡轮发动机1通常包括压缩机部分2、燃烧室部分4和涡轮机部分8。在操作中，压缩机部分2引入通常包括环境空气3的氧化剂并且压缩该氧化剂。来自压缩机部分2的压缩空气进入燃烧室部分4中的一个或更多个燃烧室。压缩空气与燃料5混合，并且空气-燃料混合物在燃烧室中燃烧形成燃烧产物6。燃烧产物6被输送到涡轮机部分8，在涡轮机部分8中燃烧产物6通过交替行的静止翼型件和旋转翼型件而膨胀并且用于产生可以驱动涡轮机转子7的机械动力。涡轮机转子7可以连接到发电机(未示出)并且用于发电。膨胀的流体构成废气10，废气10经由涡轮机排气管部分9离开发动机。

期望限制或最小化废气10的排放的总体水平。本公开内容的方面涉及以下目标，减少废气10的排放量。在所描述的实施方式中，该目标通过以下方式实现：将水注入燃烧室，这导致更低的火焰温度，从而限制燃烧过程中形成排放产物如NOx。

使用注水以降低燃烧火焰温度的燃烧系统通常采用加压装置如容积泵以将高压水输送到燃烧室中。这种系统通常需要多个泵和大型马达以克服燃烧压力并且满足减少燃烧过程中NOx的形成所需的高水燃料比(water-to-fuel ratio)。此外，为了保持排放水平同时确保发动机贯穿不同的发动机操纵不会熄火，期望根据供应给燃烧室的燃料的量动态地调整注入燃烧室的水的量。在使用容积泵的常规的水输送系统中，通常通过响应于发动机负荷或功率的改变而改变泵的速度和/或通过操作更多或更少数目的泵来实现注入燃烧室的水的流速的改变。本发明人认识到这种系统缺乏持续发动机操作的瞬态响应度，特别是在发动机负荷或功率的急剧变化期间。

现在转向图2，示出了根据第一示例实施方式的燃烧系统11的一部分。燃烧系统11包括连接到燃料源13的燃料供应管线12，燃料供应管线12用于将燃料输送到至少一个燃料喷射器14，通常多个燃料喷射器14，如图2中所示。每个燃料喷射器14可以被配置为用于将燃料射流排放到燃烧室中的喷嘴，在燃烧室中燃料射流与来自压缩机部分的压缩空气反应以形成燃烧产物。为此，燃料供应管线12可以由主管线12a和与每个相应的喷射器14相关联的多个分支管线12b形成。通过燃料供应管线12的燃料流可以通过至少一个燃料阀15来调节。在示出的配置中，燃料阀15布置在主管线12a上。在其他配置中，每个分支管线12b可以设置有相应的燃料阀，用于独立地控制供应给每个燃料喷射器14的燃料。

供应给燃料喷射器14的燃料的量可以由控制单元16根据发动机的燃料需求来控制。发动机的燃料需求可以由控制单元16基于多个发动机操作参数来确定，以实现期望的发动机负荷。控制单元16可以能够操作地耦接至燃料阀15并且被配置成产生控制信号17以控制燃料阀15的打开，从而基于计算的燃料需求改变通过燃料供应管线12的燃料的流速。

示出的燃烧系统11还包括水输送系统18，其用于将水输送到燃烧系统11的燃烧室中。水输送系统18包括离心泵19，离心泵19具有入口20和排放口21。离心泵的入口20连接到水源，例如脱矿质单元(未示出)。离心泵19的排放口21将加压的水供应给供水管线22。计量阀23连接到离心泵19的排放口21下游的供水管线22。供水管线22连接到计量阀23下游的一个或更多个喷射器喷嘴(在该示例中，燃料喷射器14)用于将水注入燃烧室中。计量阀23能够操作以调节供水管线12中的水的流速，从而计量供应给喷射器喷嘴14要注入燃烧室中的水的量。

计量阀23可以操作上耦接至控制单元16，控制单元16根据供应给燃料喷射器14的燃料的量调节注入燃烧室中的水的流速。为此，控制单元16可以基于水需求生成致动计量阀23的控制信号24，该水需求可以根据发动机的操作状态和燃料需求来确定。计量阀23可以包括例如连接到致动器的杆，该致动器从控制单元16接收控制信号24，控制信号24指示致动器将杆升高或转动多远以影响水的流速。在非限制性实施方式中，计量阀23可以包括电磁气动阀。控制信号24可以是例如电气电压的形式。

因此，上述实施方式提供了一种通过经由计量阀23调整离心泵19下游的流量来控制注入燃烧室中的水的量，而无需离心泵19的转速改变的机制。在一个实施方式中，因此离心泵19可以在计量阀23的操作期间始终以恒定的转速操作以改变通过供水管线22的水的流速。计量阀23是快速作用的，从而与变化的泵速度相比提供显著改进的瞬态响应以控制注入燃烧室中的水的量。计量阀23可以被配置为使用反馈控制(例如，利用流量传感器，未示出)以精确控制水的流速的调整阀。

在本公开内容中，术语离心泵在广义上使用以涵盖通过增加流体角动量来向流体增加能量的一类泵。离心泵提供在不改变泵的转速的情况下改变流速的能力。在示出的实施方式中，泵19是皮托管泵。如上所述，皮托管泵本质上是最广义的离心泵，但是与典型的离心泵(也称为“叶轮泵”)不同之处在于，皮托管泵使用将离心力传递给流体的旋转壳体，并且使用位于旋转壳体中的固定皮托管来捕获排放流。本发明人已经认识到皮托管泵提供了使其特别适合于本应用的特定特征。作为第一特征，皮托管泵是能够提供比具有相同速度和尺寸的常规的离心泵显著更高的排放压力。此外，与常规的离心泵相比，皮托管泵在宽的操作范围内具有基本平坦的泵曲线，由此排放压力基本上是恒定的并且与流速无关。因此，可以操作根据示出的实施方式的采用皮托管泵19的水输送系统18，用于在宽的发动机操作范围内始终以恒定的高压输送水。此外，单个皮托管泵可能能够提供非常高的调整(例如，从100％到5％负荷的瞬时转变)，由此消除对大量的泵和马达的需要。因此，在示出的实施方式中，发动机的整个燃烧系统可以仅使用单个皮托管泵19。因此，与用于注水的常规输送系统相比，示出的实施方式提供了减小的占用空间和改进的瞬态响应。

作为附加的安全特征，可以在供水管线22上设置截止阀25。截止阀25可以例如通过来自控制单元16的控制信号26能够操作成在发动机甩负荷时暂时截止供水管线22中的流动。截止可以是瞬时的，并且水可以例如在数秒内再引入到供水管线22中，以持续地将NOx排放保持在所需限度以下。在示出的实施方式中，水输送系统18还包括连接到供水管线22的排出管线27，用于将泵排放口21下游的一部分流量反馈回到泵入口20。可以具有固定设置的流量阀28被布置在排出管线27上，以允许排出管线中的水的恒定流速。特别地，流量阀28可以被预置为允许通过排出管线27的恒定低流量，以确保在供水管线22通过截止阀25截止时离心泵不会跳闸。

在示出的示例中，供水管线22连接到燃料喷射器14以向燃料喷射器14输送计量的水，由此水在注入燃烧室中之前与燃料在燃料喷射器14中预混合。这种配置可以特别地适用于利用液体燃料的燃烧系统。在替代的实施方式中，水和燃料可以通过单独的喷射器喷嘴注入燃烧室中。

图3示出了根据第二示例实施方式的燃烧系统11的一部分。图3的实施方式涉及能够用液体燃料和气体燃料操作的双燃料燃烧系统。在图3中，为简洁起见，根据图2保留了类似元件的附图标记。液体燃料的燃料分布元素由下标的字母L标识，而气体燃料的燃料分布元素由下标的字母G标识。如示出的，本文中的燃烧系统11包括第一燃料供应管线12_L，其用于将来自液体燃料源13_L的液体燃料供应给一个或更多个(通常为多个)第一燃料喷射器14_L。燃烧系统11还包括第二燃料供应管线12_G，其用于将来自气体燃料源13_G的气体燃料供应给一个或更多个(通常为多个)第二燃料喷射器14_G。燃料供应管线12_L和12_G中的每个设置有相应的燃料阀15_L和15_G。控制单元16可以操作上耦接至燃料阀15_L和15_G以在液体燃料操作模式与气体燃料操作模式之间切换。此外，控制单元16可以被配置成基于在给定操作模式下计算的发动机的燃料需求来控制燃料阀15_L和15_G。

示出的双燃料燃烧系统11还包括类似于图2中所示出的水输送系统18的水输送系统18，将不再重复描述。在本实施方式中，水输送系统18的供水管线22连接到第一燃料喷射器14_L。在液体燃料操作模式下，对第二燃料阀15_G进行操作以截止向喷射器14_G供应气体燃料，同时第一燃料阀15_L保持打开。在这种模式下，液体燃料在注入燃烧室中之前与水在第一燃料喷射器14_L中预混合。在气体燃料操作模式下，对第一燃料阀15_L进行操作以截止向喷射器14_L供应液体燃料，同时第二燃料阀15_G保持打开。在这种模式下，水和气体燃料分别经由喷射器14_L和14_G单独注入燃烧室中。

图4是示出用于控制注入燃气涡轮发动机的燃烧室中的水的量以减少由燃气涡轮发动机产生的排放物的示例性计算机实现的方法30的流程图。方法30可以由上述实施方式的控制单元执行。为此，控制单元可以包括硬件和软件的组合，所述软件包括实现方法30的特定算法。在框31，该方法包括确定发动机的操作状态的变化。操作状态的变化可以包括例如发动机功率/负荷和/或轴速度的变化。在框32，该方法包括响应于发动机操作状态的变化来调整燃烧室的燃料需求。燃料需求可以基于多个发动机操作参数来确定，以实现期望的操作状态。操作参数的非限制性示例包括测量的或计算的值：环境空气温度、压缩机入口处温度、涡轮机排气管出口处温度、涡轮机入口处温度、燃烧室入口处温度、燃烧区温度、燃料空气比率等。在框33，该方法包括生成控制信号以致动燃料阀来调节供应给燃料喷射器的燃料的量。在框34，该方法包括动态地确定水需求的调整，该水需求是响应于操作状态的变化和燃料需求的调整而要注入燃烧室中的水的流速。例如，可以基于定义燃料流速、操作状态与水流速之间的关系的查找表或任何其他数学或分析工具来确定水需求，以使得实现对由燃烧过程产生的排放产物的定义的限制。例如，在发动机启动期间水需求通常低以防止熄火，而在基本负荷操作时水需求高。在框35，该方法包括生成控制信号以致动水输送系统的计量阀来实现注入燃烧室中的水的所确定的流速。在该方法的执行期间，注水的离心泵可以以基本上恒定的转速操作。

虽然已经详细描述了特定实施方式，但是本领域中普通技术人员将理解，可以根据本公开内容的总体教导对那些细节开展各种修改和替代。因此，所公开的特定布置意在仅为说明性的而非对本发明的范围限制，本发明的范围由所附权利要求及其任何和所有等同方案的全部范围给出。

Claims (2)

1.一种用于燃气涡轮发动机的双燃料燃烧系统，包括：

液体燃料供应管线，其用于将来自液体燃料源的液体燃料供应给一个或更多个液体燃料喷射器喷嘴以供注入所述燃气涡轮发动机的燃烧室中，

气体燃料供应管线，其用于将来自气体燃料源的气体燃料供应给一个或更多个气体燃料喷射器喷嘴以供注入所述燃气涡轮发动机的燃烧室中，

水输送系统，所述水输送系统被连接以输送要注入所述燃烧室中的计量的水，以及

控制单元，其操作上耦接至所述水输送系统的计量阀用于根据供应给所述一个或更多个液体燃料喷射器喷嘴的液体燃料的量或供应给所述一个或更多个气体燃料喷射器喷嘴的气体燃料的量来调节注入所述燃烧室中的水的流速，

其中，所述液体燃料供应管线和所述气体燃料供应管线分别设置有液体燃料阀和气体燃料阀，

其中，所述控制单元操作上耦接至所述液体燃料阀和所述气体燃料阀以在液体燃料操作模式与气体燃料操作模式之间切换，

由此，

在所述液体燃料操作模式下，所述液体燃料在注入所述燃烧室中之前与所述水在所述一个或更多个液体燃料喷射器喷嘴中预混合，以及

在所述气体燃料操作模式下，所述水和所述气体燃料分别经由所述一个或更多个液体燃料喷射器喷嘴和所述一个或更多个气体燃料喷射器喷嘴单独地注入所述燃烧室中。

2.一种用于控制用于燃气涡轮发动机的双燃料燃烧系统的计算机实现的方法，

其中，所述双燃料燃烧系统包括：

液体燃料供应管线，其用于将来自液体燃料源的液体燃料供应给一个或更多个液体燃料喷射器喷嘴以供注入所述燃气涡轮发动机的燃烧室中，

气体燃料供应管线，其用于将来自气体燃料源的气体燃料供应给一个或更多个气体燃料喷射器喷嘴以供注入所述燃气涡轮发动机的燃烧室中，

水输送系统，所述水输送系统被连接以输送要注入所述燃烧室中的计量的水，以及

控制单元，其操作上耦接至所述水输送系统的计量阀用于根据供应给所述一个或更多个液体燃料喷射器喷嘴的液体燃料的量或供应给所述一个或更多个气体燃料喷射器喷嘴的气体燃料的量来调节注入所述燃烧室中的水的流速，

其中，所述液体燃料供应管线和所述气体燃料供应管线分别设置有液体燃料阀和气体燃料阀，

其中，所述控制单元操作上耦接至所述液体燃料阀和所述气体燃料阀以在液体燃料操作模式与气体燃料操作模式之间切换，

所述方法包括：

确定发动机操作状态的变化，

响应于所述发动机操作状态的变化来调整所述燃烧室的燃料需求，

响应于所述发动机操作状态的变化和所述燃料需求的调整，动态地确定要注入所述燃烧室中的水的流速，

生成控制信号以致动所述水输送系统的计量阀来实现要注入所述燃烧室中的水的所确定的流速，

其中，

在所述液体燃料操作模式下，所述液体燃料在注入所述燃烧室中之前与所述水在所述一个或更多个液体燃料喷射器喷嘴中预混合，以及

在所述气体燃料操作模式下，所述水和所述气体燃料分别经由所述一个或更多个液体燃料喷射器喷嘴和所述一个或更多个气体燃料喷射器喷嘴单独地注入所述燃烧室中。