CN114877372A - 燃气涡轮发动机的燃烧器 - Google Patents

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Abstract

一种燃气涡轮发动机的燃烧器，包括燃烧室、被构造为仅向燃烧室中的火焰稳定区域供应辅助燃料的引燃燃料供应单元、被构造为调节从引燃燃料供应单元供应的辅助燃料的量的第一辅助燃料量调节单元、被构造为向燃烧室中与火焰稳定区域连续的未燃气体燃烧区域供应未燃气体和辅助燃料的主燃料供应单元，以及被构造为调节辅助燃料的量的第二辅助燃料量调节单元，其中，第一辅助燃料量调节单元被构造为将从引燃燃料供应单元供应的辅助燃料的量调节为在燃气涡轮发动机的整个运行过程中用于火焰稳定区域中的火焰稳定的量。

Description

燃气涡轮发动机的燃烧器
技术领域
本发明涉及一种燃气涡轮发动机，并且更具体地涉及一种被用于处理未燃气体的燃气涡轮发动机的燃烧器。
背景技术
作为一种用于处理从工厂或各种工业机械排出的气体中的未燃气体(例如具有燃烧空间的气体，如来自焦炉的废气、VOC气体、CO、HC或NO)的方法，已知这样一种结构，其中未燃气体被作为燃气涡轮发动机的燃料燃烧，并且通过燃烧获得的能量作为电能或机械能被回收。在这样的结构中，如上所述，未燃气体一般具有小热值并且很难通过自身稳定地驱动燃气涡轮发动机。因此，通常情况下，将未燃气体与具有较高热值的燃料(辅助燃料、助燃燃料)混合并且供应给燃气涡轮发动机。在这样的技术中，例如，在日本未审查专利申请公开第2010-216319号(JP 2010-216319 A)中，作为为了处理在炼铁工艺期间在高炉中产生的具有低热值的高炉煤气而将高炉煤气和助燃燃料(如具有较高热值的焦炉煤气)相混合的气体用作燃气涡轮发动机的燃料的结构，提出了这样一种结构，其中基于混合和压缩后的燃料气体的温度和燃气涡轮负荷，调节具有不同热值的多种类型的燃料气体的流量，以将助燃燃料的使用量抑制到最小量。此外，在JP 2010-216319 A中的结构中，当燃气涡轮发动机被启动时，燃气涡轮发动机用启动用的燃料(如轻油)旋转，燃气涡轮发动机的旋转达到空载额定转速，然后将供应的气体切换为高炉煤气和助燃燃料(焦炉煤气)相混合的气体。
发明内容
如上所述，在通过将未燃气体作为燃气涡轮发动机的燃料供应并燃烧所供应的未燃气体来处理未燃气体并回收能量的结构中，从有效利用资源、降低运行成本等角度来看，希望在燃烧处理中使与未燃气体一起使用的辅助燃料的量能够尽可能地减少。在这方面，为了使燃气涡轮发动机稳定地运行，在燃烧器中，空气流量和燃料成分的比率(当量比)需要为适合于火焰稳定(flame holding)的当量比，以便不引起喷发。然而，在如JP 2010-216319 A中的结构那样将未燃气体和辅助燃料在供应管线中混合并将混合物供应给燃烧室的情况下，未燃气体和辅助燃料从燃料喷嘴以混合状态被供应，因此很难将辅助燃料的量减少到最小量。此外，为了使燃气涡轮发动机继续稳定地旋转，或者为了响应于燃气涡轮发动机的负荷请求(发电请求等)而处理负荷波动，希望在保持火焰稳定状态的同时能够增加或减少供应给燃烧室的辅助燃料的量。
因此，本发明是为了提供一种结构，其中为了处理未燃气体，在未燃气体被作为燃料供应的燃气涡轮发动机的燃烧器中，与未燃气体一起供应给燃烧器的辅助燃料的量能够尽可能地减少。
此外，本发明是为了提供一种结构，其能够在上述燃气涡轮发动机的燃烧器中使用于火焰稳定的辅助燃料的量尽可能地减少。
本发明的一个方案涉及燃气涡轮发动机的燃烧器，在该燃烧器中，未燃气体和辅助燃料被供应和燃烧。该燃烧器包括：燃烧室，在该燃烧室中，未燃气体、辅助燃料和压缩空气被供应，并且未燃气体和辅助燃料被燃烧；引燃燃料(pilot fuel)供应单元，其被构造为仅向燃烧室中的火焰稳定区域供应辅助燃料；第一辅助燃料量调节单元，其被构造为调节从引燃燃料供应单元供应的辅助燃料的量；主燃料供应单元，其被构造为向燃烧室中与火焰稳定区域连续的未燃气体燃烧区域供应未燃气体和辅助燃料，以及第二辅助燃料量调节单元，其被构造为调节从主燃料供应单元供应的辅助燃料的量。第一辅助燃料量调节单元被构造为将从引燃燃料供应单元供应的辅助燃料的量调节为在燃气涡轮发动机的整个运行过程中用于在火焰稳定区域中的火焰稳定的量。
在上述结构中，“燃气涡轮发动机”可以是任意类型的燃气涡轮发动机，其被构造为由通过燃料和压缩空气在燃烧器中燃烧而获得的具有高温和高压的气体旋转地驱动涡轮以获得旋转力并驱动压缩器，压缩器压缩供应到燃烧器的空气。如上所述，“未燃气体”可以是工业机械或设施(如工厂)的运输机械的废气中具有燃烧空间的各种气体。“辅助燃料”可以是通常用作燃气涡轮发动机的燃料的燃料，或者可以是气体燃料(如城市煤气)或液体燃料(如煤油)。通过对压缩器从大气中吸入的空气进行压缩并输送压缩的空气，“压缩空气”以任何方式供应至燃烧室。“燃烧室”可以是燃料和压缩空气在燃气涡轮发动机的燃烧器中混合并燃烧的通常形式的腔室，并且在该腔室内部主要包括“火焰稳定区域”和“未燃气体燃烧区域”，“火焰稳定区域”为从“引燃燃料供应单元”供应的燃料被分散的区域，“未燃气体燃烧区域”为从“主燃料供应单元”供应的燃料被分散的区域。这里，如上所述，“火焰稳定区域”是由引燃燃料供应单元提供辅助燃料以便在燃气涡轮发动机的整个运行过程中保持火焰的区域，而“未燃气体燃烧区域”是提供未燃气体或未燃气体与辅助燃料并燃烧的区域。“在燃气涡轮发动机的整个运行过程中”是指包括燃气涡轮发动机被启动的状态和此后稳定地继续旋转运行的状态在内的运行状态。“引燃燃料供应单元”可以是将辅助燃料喷射或喷涂到“火焰稳定区域”的任意类型的喷嘴，而“主燃料供应单元”可以是将未燃气体与辅助燃料喷射或喷涂到“未燃气体燃烧区域”的任意类型的喷嘴。未燃气体和辅助燃料可以在主燃料供应单元中进行适当的混合和输送。“第一辅助燃料量调节单元”和“第二辅助燃料量调节单元”可以是分别调节从引燃燃料供应单元供应的辅助燃料的量(辅助燃料火焰稳定流量)和从主燃料供应单元供应的辅助燃料的量(辅助燃料额外流量)的任意单元，并且例如可以是用于调节供应的燃料通过的管线的流量的阀门。然后，第一辅助燃料量调节单元将从引燃燃料供应单元供应的辅助燃料的量调节为在燃气涡轮发动机的整个运行过程中用于火焰稳定区域的火焰稳定的量。
在根据本发明方案的燃烧器的上述结构中，只有辅助燃料被供应给燃烧室的“火焰稳定区域”，并且火焰在燃气涡轮的整个运行过程中得以保持。利用这种结构，无论供应给燃烧室的未燃气体的状态如何，或者甚至在供应的辅助燃料的总量由于燃气涡轮发动机的负荷波动而增加或减少的情况下，火焰都在燃烧室中得以保持，并且因此燃烧室中的燃烧状态得以维持。此外，由于分散在火焰稳定区域中的燃料大约为具有大热值的辅助燃料，因此与存在具有较低热值的未燃气体时相比，在请求用于火焰稳定的当量比中，辅助燃料相对于压缩空气量的量能够被减少。此外，由于火焰在火焰稳定区域得以保持，因此具有较低热值的未燃气体甚至在与火焰稳定区域连续的未燃气体燃烧区域也很容易被燃烧。因此，在本发明的上述结构中，只有辅助燃料作为燃料被供应给燃烧室，并形成了即使在各种运行状态下也能保持火焰的火焰稳定区域，从而可以减少维持燃烧状态所需的辅助燃料的量，而不会造成燃烧室的喷发。引燃燃料供应单元和火焰稳定区域的结构(几何形状)被适当地设计，以便用较少量的辅助燃料保持住火焰。通常，在燃烧室中，未燃气体燃烧区域可以围绕着火焰稳定区域，使得火焰稳定区域中的火焰很容易均匀地转移到未燃气体燃烧区域。
在根据本发明方案的燃烧器的上述结构中，由于供应给火焰稳定区域的燃料大致上仅为辅助燃料，因此用于在火焰稳定区域中实现火焰稳定所需的当量比的辅助燃料量(即辅助燃料火焰稳定流量)能够响应于流经火焰稳定区域的空气的量来决定。由于燃烧室中火焰稳定区域的几何结构是由设计决定的，因此流经火焰稳定区域的空气的量是燃烧室中入口处的压缩空气的压力和温度的函数。因此，辅助燃料火焰稳定流量可以基于燃烧室中入口处的压缩空气的压力和温度来决定。在该方案中，可以通过实验等提前制定用于响应于燃烧室中入口处的压缩空气的压力和温度而决定辅助燃料火焰稳定流量的映射，辅助燃料火焰稳定流量可以通过使用该映射参考燃气涡轮发动机运行时燃烧室中入口处的压缩空气的压力和温度的测量值来决定，并且第一辅助燃料量调节单元可以将从引燃燃料供应单元供应的辅助燃料调节为这样的辅助燃料火焰稳定流量。此外，如上所述，为了有效利用资源和降低运行成本，应使辅助燃料的供应量尽可能地减少，并且进一步地，为了稳定燃烧和减少NOx和CO，燃料的比率最好尽可能低。因此，从引燃燃料供应单元供应的辅助燃料火焰稳定流量可以是在火焰稳定区域保持火焰所需的最小量。只要本发明的作用和效果以及最小量的情况大约不受影响，辅助燃料火焰稳定流量可以是通过将预定量(可以适当设定)与该最小量相加而得到的量，并且应该理解这种情况也属于本发明的范围内。
此外，在根据本发明的方案的燃烧器的上述结构中，要供应给燃烧室的燃料的总量(辅助燃料的总量和未燃气体的总量之和)是响应于燃气涡轮发动机的运行状态来决定的。例如，在主要目的是处理未燃气体的情况下，燃料(辅助燃料和未燃气体)只需要向燃烧室供应，使得燃料足以燃烧未燃气体并且燃气涡轮发动机能够维持稳定的旋转状态。可替代地，在燃气涡轮发动机的输出被用于各种应用的情况下，当燃气涡轮发动机的负荷响应于来自应用的输出的请求被控制时，燃料可以被供应给燃烧室，以使得可以实现所请求的输出量。另一方面，希望控制供应给燃烧室的燃料量，以使燃烧室的温度不会过高。燃烧室的温度受入口处的压缩空气的温度、未燃气体的温度等的影响(更具体地，燃烧室的温度大多被估算为通过将由于通过燃料燃烧产生的热值引起的温度的温升与压缩空气的温度相加得到的值)。因此，基于燃气涡轮发动机的输出状态(例如转速、输出转矩和燃烧室的温度)，供应给燃烧室的燃料的总量可以响应燃气涡轮发动机的使用状态通过任意方法来决定，从而实现燃气涡轮发动机的期望旋转状态，并且燃烧室的温度不会过高。由于通常难以直接测量燃烧室的温度，在该方案中，可以参照燃烧室入口处的压力和温度(这些是燃烧室的温度的决定因素)来决定要供应给燃烧室的燃料的总量。
在这样的结构中，要供应给燃烧室的辅助燃料的总量是基于要供应给燃烧室的燃料的总量和未燃气体的供应量来决定的，但是从引燃燃料供应单元供应的辅助燃料的量是如上所述基于燃烧室的入口处的压缩空气的压力和温度来决定的。因此，从主燃料供应单元供应的辅助燃料的量可以是通过从要供应给燃烧室的辅助燃料的总量中减去从引燃燃料供应单元供应的辅助燃料的量而得到的量。此外，由于在辅助燃料和未燃气体之间的单位量的热值不同，因此要供应给燃烧室的辅助燃料的总量可以是与通过从要供应给燃烧室的燃料的总热值中减去从主燃料供应单元供应的未燃气体的热值得到的热值相当的燃料的量。因此，可以预期，响应于燃气涡轮发动机的使用状态，辅助燃料将以更合适的量被供应给火焰稳定区域和未燃气体燃烧区域。
在上述辅助燃料的供应量的控制中，由于从引燃燃料供应单元供应的辅助燃料的量响应于用于火焰稳定的燃烧室的入口处的压缩空气的压力和温度而决定，因此当燃气涡轮发动机的负荷波动时，从主燃料供应单元供应的辅助燃料的量被改变。因此，在根据本发明的方案的燃烧器中，从主燃料供应单元供应的辅助燃料的量可以响应于燃气涡轮发动机的负荷而增加或减少。
在上述结构中，当可以直接测量流量时，可以通过流量测量未燃气体的供应量，但是在难以直接测量流量的情况下，可以从与未燃气体的流量具有相关性的参数(温度、压力等)估算未燃气体的供应量。此外，在上述结构中，在未燃气体流入燃烧室的过程过多的情况下，例如，在响应于未燃气体的流入量的热值超过与从要供应给燃烧室的燃料总量中减去辅助燃料火焰稳定流量而得到的量相当的热值的情况下，希望能限制未燃气体流入燃烧室的量。因此，在根据上述本发明的方案的燃烧器中，可以提供未燃气体调节单元，该未燃气体调节单元被构造为调节从主燃料供应单元供应的未燃气体的量，并且可以适当地控制未燃气体流入燃烧室。未燃气体调节单元可以是用于调节未燃气体供应所经过的管线的流量的阀门。
因此，根据上述的本发明，在具有如下结构的燃烧器中，即无论未燃气体的状态或燃气涡轮发动机的负荷波动如何，都通过构造只有辅助燃料被供应以保持燃烧室中的火焰的火焰稳定区域而使未燃气体被燃气涡轮发动机处理，可以减少用于火焰稳定的辅助燃料的使用量，并且在未燃气体的处理和能量回收的方面可以进一步预期有效利用资源和降低运行成本。此外，在本发明的结构中，在决定用于燃烧室中的火焰稳定的燃料的量时，只需考虑只有辅助燃料被供应的火焰稳定区域中的当量比，并且可以预期的是，与辅助燃料的供应量被决定以便在具有不同热值的未燃气体混入辅助燃料的状态下不会引起喷发的情况相比，能够更加容易地决定用于火焰稳定所需的燃料的量。此外，在燃气涡轮发动机的负荷波动的情况下，最终，除了用于火焰稳定的燃料量之外，供应给未燃气体燃烧区域的辅助燃料的量只需要响应于燃气涡轮发动机的负荷而增加或减少，并且可以预期的是，辅助燃料的量将容易控制。本发明的结构可有利地用于处理来自工业机械或设施(例如工厂)的运输机械的废气。
本发明的其他目的和优点将从以下对本发明的优选实施例的描述中明确。
附图说明
下面将参照附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业意义，在附图中，相同标号表示相同元件，并且其中：
图1A为示出应用了根据本实施例的燃烧器的燃气涡轮发动机的示意性结构的示意图；
图1B为示出根据本实施例的燃烧器的一个方案的示意性结构的图；
图2为示出决定在根据本实施例的燃烧器中辅助燃料的供应流量的处理的一个方案的配置的框图；
图3为示出决定在根据本实施例的燃烧器中辅助燃料的供应流量的处理的另一个方案的配置的框图；
图4A为示出根据本实施例的燃烧器的另一个方案的示意性结构的图；并且
图4B为示出决定在图4A的方案中的燃烧器中辅助燃料的供应流量的处理的一个方案的配置的框图。
具体实施方式
燃气涡轮发动机的结构
参照图1A，根据本实施例的燃烧器被应用于燃气涡轮发动机1，其中未燃气体作为燃料的一部分被供应以用于处理未燃气体。类似于本领域使用的相关技术中的普通燃气涡轮发动机，燃气涡轮发动机1包括燃烧器2、涡轮机3和压缩机4。在燃烧器2中，作为燃料，未燃气体从未燃气体供应管线5供应，并且辅助燃料从辅助燃料供应管线6(6p，6r)供应，这些燃料通过使用从压缩机4的压缩空气供应管线7供应的压缩空气进行燃烧，并且具有高温和高压的燃烧气体被输送到燃烧气体输送管线8。如“发明内容”一栏所述的，未燃气体可以是工业机械或设施(如工厂)的运输机械的废气中具有燃烧空间的任意气体，例如来自焦炉的废气、VOC气体、CO、HC或NO。由于上述未燃气体一般具有较小的热值，因此供应了具有较大热值的辅助燃料，从而使燃气涡轮发动机能够可靠地运行。如上所述，辅助燃料可以是通常用作用于燃气涡轮发动机的燃料的燃料，或者可以是气体燃料(如城市煤气)或液体燃料(如煤油)。涡轮机3通过来自燃烧气体输送管线8的燃烧气体进行旋转，并且压缩机4由于该旋转而旋转，压缩从大气中吸入的空气At，并将压缩的空气At输送到压缩空气供应管线7。此外，通常为发电机的任意机械设备(未示出)与涡轮机3的旋转轴3a连接，并且涡轮机3的转动能被机械设备(如发电机)回收或用作机械运行的能量。此外，由于从涡轮机3排出的废气具有高温，因此可以采用这样的结构：其热能被用来提高提供给燃烧器2的压缩空气的温度，废气流经的排气管线9和压缩空气供应管线7穿过热交换器10，并且废气的热能被转移到压缩空气中，从而可以提高能源效率。如下所述，为了控制供应给燃烧器2的辅助燃料的流量和未燃气体的流量，可以通过温度测量仪器7a和压力测量仪器7b分别测量燃烧器2的入口处的压缩空气的温度T35和压力P35，并且可以通过流量测量仪器5a和温度测量仪器(未示出)分别测量未燃气体流量Gug和未燃气体温度Tug。
在上述结构中，辅助燃料的供应量的控制由控制装置50执行。控制装置50可以由计算机装置进行配置，该计算机装置包括计算机以及驱动电路，该计算机具有以通常类型通过双向公共总线彼此连接的CPU、ROM、RAM和输入/输出端口装置，并且控制装置50的操作可以通过计算机装置响应于程序的操作来实现。控制装置50可以被配置成参照来自温度测量仪器7a和压力测量仪器7b的压缩空气的状态、分别来自流量测量仪器5a和温度测量仪器(未示出)的未燃气体的流量和温度、来自检测涡轮机的输出的涡轮机旋转测量仪器3b的涡轮机3的转速和转矩等，来调节下文描述的引燃辅助燃料流量控制阀6a和辅助燃料额外流量控制阀6b中辅助燃料的流量(此外，在如下文所述的另一个实施例中，未燃气体的流量可由未燃气体流量控制阀5b控制(见图4A))。
燃烧器的结构
更具体地，如图1B所示，根据本实施例的燃烧器2被构造为在燃烧室12中，未燃气体从未燃气体供应管线5供应，并且辅助燃料从辅助燃料供应管线6供应，压缩空气从压缩空气供应管线7(在图1B中未示出)流入，并且未燃气体和辅助燃料被燃烧。在这样的结构中，采用了这样的结构：辅助燃料供应管线6被分为连接到引燃辅助燃料供应喷嘴13(引燃燃料供应单元)的辅助燃料火焰稳定流量供应管线6p以及连接到辅助燃料与未燃气体供应喷嘴14(主燃料供应单元)的辅助燃料额外流量供应管线6r，引燃辅助燃料流量控制阀6a和辅助燃料额外流量控制阀6b分别设置在这些管线上，并且控制供应给各个喷嘴的辅助燃料的流量。此外，通常，未燃气体供应管线5可以进一步连接到辅助燃料与未燃气体供应喷嘴14，未燃气体和辅助燃料可以适当地混合并被从辅助燃料与未燃气体供应喷嘴14供应。从引燃辅助燃料供应喷嘴13以及辅助燃料与未燃气体供应喷嘴14供应燃料可以通过喷射或喷涂各种燃料来实现，从而使燃料适当地分散(然而，燃料供应的方案不限于此)。然后，在燃烧室12内部，燃烧室12的结构被设计和形成为，使得来自引燃辅助燃料供应喷嘴13的辅助燃料被供应以便主要地分散在区域PB上，并且来自辅助燃料与未燃气体供应喷嘴14的辅助燃料和未燃气体被供应以便主要地分散在区域MB上。在图1B中，区域PB被绘制成与区域MB重叠，但实际上，燃烧室12具有主要呈筒状的结构，区域PB和区域MB被分割以使它们的边界相互接触。通常，如将在下面描述的那样，区域MB可以围绕区域PB，使得在区域PB中产生的火焰尽可能均匀地转移到区域MB中。
在上述燃烧器2的结构中，大致上只有辅助燃料被分散在区域PB中，并且具有比辅助燃料的热值小的热值的未燃气体被分散在区域MB中。然后，在区域PB中，在燃气涡轮发动机的整个运行过程中，即在除了发动机被启动时以外的正常运行状态下，特别是甚至在燃气涡轮发动机的负荷会大幅波动的状态下，辅助燃料也被供应以使得火焰被保持，因而区域PB中的火焰被转移到区域MB，并且在区域MB中，未燃气体被可靠地燃烧。因此，区域PB被称为“火焰稳定区域”，而区域MB被称为“未燃气体燃烧区域”。此外，当相较于供应给火焰稳定区域PB的量需要增加辅助燃料的量以获得燃气涡轮发动机的稳定旋转状态或响应于连接到涡轮机的机械设备(如发电机)的请求而增加燃气涡轮发动机的负荷时，如下文所述的那样，辅助燃料的这种增量与未燃气体一起供应给区域MB。
利用上述燃烧器2的结构，由于火焰在火焰稳定区域PB中得以保持，而不管负荷状态的变化或未燃气体状态的变化，因此即使在存在负荷状态的变化或未燃气体状态的变化时，也能避免燃烧室中的喷发状态。此外，当火焰在火焰稳定区域PB中得以保持时，仅仅具有大热值的辅助燃料被作为燃料大致地分散在这样的火焰稳定区域PB中，使得与辅助燃料和具有小热值的未燃气体一起被分散的情况相比，辅助燃料的点燃量较小，并且火焰能够得以保持。因此，通过向火焰稳定区域PB供应辅助燃料以使得只有辅助燃料被大致地分散，可以进一步减少针对火焰稳定进行优化的当量比的辅助燃料的量(与辅助燃料与未燃气体一起分散的情况相比)。此外，由于只有辅助燃料被分散在火焰稳定区域PB中，因此火焰稳定区域PB可以被设计和形成为使得可以获得这样的当量比，即使得在辅助燃料的量尽可能地减少的状态下能够保持住火焰，而由于响应于燃气涡轮发动机的负荷波动而带来的辅助燃料的增量被供应给未燃气体燃烧区域MB，因此即使在这种情况下，火焰稳定区域PB中的燃料也不处于富余状态，而且还有利实现了稳定燃烧并抑制了NOx或CO的生成。
辅助燃料的流量的控制
在上述的本实施例的燃烧器2中，未燃气体和辅助燃料作为燃料被供应给燃烧室12，在一个方案中，未燃气体从其排放源排出，然后原样从未燃气体供应管线5供应给燃烧室12，而关于辅助燃料，可以鉴于图2的框图中所示的方案中的燃气涡轮发动机的运行状态，在控制装置50中分别决定供应给火焰稳定区域PB和未燃气体燃烧区域MB的流量(火焰稳定流量和额外流量)。控制装置50可以包括燃料总流量计算单元、辅助燃料火焰稳定流量计算单元以及辅助燃料额外流量计算单元，燃料总流量计算单元决定供应给燃烧室12的混合有未燃气体和辅助燃料的燃料的总燃料流量Gsf，辅助燃料火焰稳定流量计算单元决定供应给火焰稳定区域PB的辅助燃料流量(火焰稳定流量)Gsfmin，辅助燃料额外流量计算单元决定供应给未燃气体燃烧区域MB的辅助燃料流量(额外流量)Gsfre。
具体地，参照图2，首先，在燃料总流量计算单元中，混合有未燃气体和辅助燃料的燃料的总燃料流量Gsf被决定以实现燃气涡轮发动机中的稳定旋转运行。在这方面，供应的燃料的总量可以被限制以使得燃烧室12的温度不会过高。因此，具体地，可以通过监测涡轮机3的旋转轴3a的转速和输出转矩以及燃烧室12的温度来决定总燃料流量Gsf，从而使涡轮机3的旋转稳定且燃烧室12的温度不会过高。这里，关于涡轮机3的运行，涡轮机3的输出(负荷)可以是响应于未燃气体的燃烧处理而变化，在那种情况下，涡轮机3的旋转输出的目标值(目标输出)可以是涡轮机3的旋转稳定时的值，并且所需的燃料量可以被决定以使得涡轮机3的旋转达到这样的目标输出。可替代地，涡轮机3的输出可以响应于连接到涡轮机3的旋转轴3a的机械设备(如发电机)的请求而波动，在这种情况下，可以参照目标输出来供应所需的燃料量，从而使涡轮机3的输出达到响应于机械设备(如发电机)通过任意方法的请求而决定的目标值(目标输出)。此外，由于燃烧室12的温度是通过在燃烧室12的入口处将燃料的热值与压缩空气的热值相加来决定的，因此可以鉴于流进燃烧室12的燃料的热值，根据在燃烧室12的入口处测量的压缩空气的温度T35和压力P35来做出该估算。然后，代替直接测量燃烧室12的温度，如图2所示，可以基于燃烧室12的入口处压缩空气的温度T35和压力P35来限制所供应的燃料的总量。在这方面，在未燃气体被供应给燃烧室12的情况下，由于未燃气体本身的温度较高，燃烧室12的温度也较高，因此可以参照未燃气体温度Tug进一步决定所供应的总燃料流量Gsf(在未燃气体的流量小的情况下，未燃气体温度Tug的影响也小，从而可以忽略该参照)。
接下来，关于辅助燃料火焰稳定流量Gsfmin，如上所述，由于只有用于火焰稳定的辅助燃料被大致地供应给火焰稳定区域PB，因此辅助燃料火焰稳定流量Gsfmin可以被决定以便具有响应于流经火焰稳定区域PB的压缩空气的量的用于火焰稳定的最佳当量比。由于流经火焰稳定区域PB的压缩空气的量可以基于燃烧室12的入口处的压缩空气的温度T35和压力P35来决定，因此可以在辅助燃料火焰稳定流量计算单元中基于温度T35和压力P35来决定辅助燃料火焰稳定流量Gsfmin。在本实施例中，用于决定给出的最佳当量比的辅助燃料火焰稳定流量Gsfmin的映射可以通过提前通过实验等使用压缩空气的温度T35和压力P35作为变量来制定，并且在燃气涡轮发动机的运行过程中，可以通过使用依次测量的压缩空气的温度T35和压力P35由映射计算提供辅助燃料火焰稳定流量Gsfmin。辅助燃料火焰稳定流量Gsfmin被决定用来保持火焰，并且由这种流量的燃烧产生的热值构成燃气涡轮发动机的输出的一部分。如上所述，由于为了节省辅助燃料的用量、稳定燃烧并抑制NOx或CO的生成而希望辅助燃料火焰稳定流量Gsfmin尽可能小，因此辅助燃料火焰稳定流量Gsfmin可以是在火焰稳定区域PB中用于火焰稳定所需的最小量，但也可以是通过将预定量(可以适当设定)与这个最小量相加而得到的量，只要本发明的作用和效果以及最小量的情况大致上不受影响。
供应给未燃气体燃烧区域MB的辅助燃料额外流量Gsfre被供应以进一步补充所需的热值，以实现涡轮机3生成目标输出的状态或涡轮机3稳定旋转的状态，使得燃烧室12的温度相对于通过火焰稳定区域PB中的辅助燃料火焰稳定流量Gsfmin的燃烧和未燃气体燃烧区域MB中的未燃气体的燃烧而获得的热值不会过高。因此，辅助燃料额外流量Gsfre可以通过使用要供应给燃烧室12的总燃料流量Gsf、辅助燃料火焰稳定流量Gsfmin以及以热值换算的未燃气体当量流量Gug *来给出，这将在下面进行描述。
Gsfre＝Gsf-Gsfmin-Gug *…(1)
(未燃气体当量流量Gug *是由实际未燃气体流量Gug乘以单位流量的热值(辅助燃料热值/未燃气体热值)得到的值。)
因此，在辅助燃料额外流量计算单元中，如图2所示，辅助燃料额外流量Gsfre可以参考来自总燃料流量计算单元的总燃料流量Gsf、辅助燃料火焰稳定流量Gsfmin以及来自燃料总流量计算单元的未燃气体流量Gug通过公式(1)决定。
在本实施例中，总燃料流量Gsf、辅助燃料火焰稳定流量Gsfmin和辅助燃料额外流量Gsfre在燃气涡轮发动机的整个运行过程中被依次计算，并从控制装置50向引燃辅助燃料流量控制阀6a和辅助燃料额外流量控制阀6b发出控制指令，从而使辅助燃料分别以辅助燃料火焰稳定流量Gsfmin和辅助燃料额外流量Gsfre从引燃辅助燃料供应喷嘴13和辅助燃料与未燃气体供应喷嘴14供应。在本实施例中，如上所述，应当理解，在燃气涡轮发动机的整个运行过程中，也就是说，即使在除了发动机启动时以外的稳定运行状态下，只有辅助燃料以辅助燃料火焰稳定流量Gsfmin被供应给火焰稳定区域PB，并且火焰在火焰稳定区域PB得以保持。
在上述的辅助燃料的流量的控制中，当满足以下公式时，
Gsf-Gsfmin-Gug *＝0
Gsfmin＝Gsf-Gug *…(2)
发动机驱动力和负荷达到平衡且转速保持在固定值的状态为能够最有效地处理未燃气体的状态。然后，在上述控制中，在发动机的负荷增加的情况下，例如在发电请求或负荷请求从公式(2)的状态增加的情况下，为了维持响应于负荷的发动机转速，根据发动机的状态(如转速)通过反馈控制计算燃料的流量并输出。这里，在火焰稳定区域PB中，能够保持住火焰的当量比被适当地形成，以使辅助燃料火焰稳定流量为最小值，燃烧不处于富余状态，并且能够使NOx或CO的生成被抑制为尽可能小，并且辅助燃料额外流量Gsfre被供应给未燃气体燃烧区域而不是火焰稳定区域PB，即使当辅助燃料增加或减少时，火焰稳定区域PB的最佳状态也被维持，NOx或CO的生成被抑制为尽可能小的状态也被维持。
在上述辅助燃料的流量的控制中，未燃气体流量Gug不是由未燃气体供应管线5直接测量的值，但是与未燃气体的流量具有相关性的任意量都可以被测量并转换成未燃气体的流量，并且可以参考所测量的量。具体地，炉子的运行率、排放未燃气体的目标的输出等可以被看作这样的量，并且在未燃气体的成分改变的情况下，可以参考未燃气体成分的量。例如，在某些工厂无法测量未燃气体的流量的情况下，可以采用这种结构。
顺便说一下，如从图2的框图中能够理解的那样，辅助燃料火焰稳定流量Gsfmin是基于流进燃烧室12的压缩空气的温度和压力来决定的，而不参考燃气涡轮发动机的运行状态(转速等)，并且被调节以稳定燃气涡轮发动机的运行状态或响应于来自与涡轮机连接的机械(如发电机)的请求而使负荷波动的燃料的流量是辅助燃料额外流量Gsfre。此外，如下面将描述的另一个实施例中的那样，在不提供未燃气体的流量调节机构的情况下，未燃气体的流量由来自排放源的过程决定。因此，辅助燃料额外流量Gsfre可以通过燃气涡轮发动机的运行状态的反馈控制来进行实质性地调节。因此，如图3所示，辅助燃料额外流量Gsfre可以参照涡轮机的输出(如涡轮机转速或转矩)与辅助燃料火焰稳定流量Gsfmin分开地调节，以便达到目标输出。在这种情况下，通过调节辅助燃料额外流量Gsfre来吸收由于未燃气体的流量的波动而导致的涡轮机的旋转状态的变化。
未燃气体的流量能够被调节的模式
由于根据本实施例的燃气涡轮发动机的主要目的是处理未燃气体，所以未燃气体一般在不调节流量的情况下流进燃烧室12。然而，为了稳定燃气涡轮发动机的运行状态或避免燃烧器过热，如图4A中示意性地所示，未燃气体流量控制阀5b可以被设置为调节未燃气体的流量的单元。在调节未燃气体的流量的结构的情况下，在控制装置50中，如图4B的框图所示，在辅助燃料额外流量计算单元中提到了总燃料流量Gsf、辅助燃料火焰稳定流量Gsfmin和未燃气体流量Gug，并且决定了辅助燃料额外流量Gsfre以及在未燃气体流量控制阀5b中被控制的向燃烧室12的未燃气体供应量(未燃气体控制流量)Gugmax。如上所述，辅助燃料额外流量Gsfre由公式(1)决定，并且例如，在满足未燃气体当量流量Gug *大且Gsfre＜0的情况下，未燃气体控制流量Gugmax可被决定以使得Gsfre≥0得到满足(在满足Gsfre＜0的情况下，Gsf＜Gsfmin+Gug *得到满足，辅助燃料火焰稳定流量Gsfmin和未燃气体流量Gug之和超过了总燃料流量Gsf，该总燃料流量Gsf是考虑到燃气涡轮发动机的运行状态的稳定或避免燃烧器过热而被决定的，并且因此供应给燃烧室12的未燃气体的流量被限制)。然后，可以从控制装置50向未燃气体流量控制阀5b发出控制命令，使得实际供应给燃烧室12的未燃气体的流量变成未燃气体控制流量Gugmax。
因此，在上述的本实施例中，燃烧器被构造为执行未燃气体的燃烧处理，并在回收热值的燃气涡轮发动机中，将供应给燃烧室12以稳定其运行状态的辅助燃料以用于燃烧室中的火焰稳定的流量和用于实现响应于负荷波动的运行状态的流量分别供应给不同区域。利用这种结构，用于火焰稳定的辅助燃料的量可以尽可能地减少，并且可以响应于负荷波动实现燃气涡轮发动机的稳定运行状态，并且因此可以预期有效地利用资源和降低运行成本。
尽管上述描述是结合本发明的实施例进行的，但是很明显，本领域的技术人员可以很容易地做出很多修改和变化，而且本发明不限于仅仅是上述的实施例，并在不脱离本发明的概念的情况下应用于各种装置。

Claims (9)

1.一种燃气涡轮发动机的燃烧器，在所述燃烧器中，未燃气体和辅助燃料被供应和燃烧，所述燃烧器包括：
燃烧室，在所述燃烧室中，所述未燃气体、所述辅助燃料和压缩空气被供应，并且所述未燃气体和所述辅助燃料被燃烧；
引燃燃料供应单元，其被构造为仅向所述燃烧室中的火焰稳定区域供应所述辅助燃料；
第一辅助燃料量调节单元，其被构造为调节从所述引燃燃料供应单元供应的所述辅助燃料的量；
主燃料供应单元，其被构造为向所述燃烧室中与所述火焰稳定区域连续的未燃气体燃烧区域供应所述未燃气体和所述辅助燃料；以及
第二辅助燃料量调节单元，其被构造为调节从所述主燃料供应单元供应的所述辅助燃料的量，
其中，所述第一辅助燃料量调节单元被构造为将从所述引燃燃料供应单元供应的所述辅助燃料的所述量调节为在所述燃气涡轮发动机的整个运行过程中用于所述火焰稳定区域中的火焰稳定的量。
2.根据权利要求1所述的燃烧器，其中，所述火焰稳定区域中的火焰稳定所需的所述辅助燃料的所述量是基于所述燃烧室的入口处的所述压缩空气的压力和温度来决定的。
3.根据权利要求1或2所述的燃烧器，其中，从所述引燃燃料供应单元供应的所述辅助燃料的所述量是用于所述火焰稳定区域中的火焰稳定所需的最小量或通过将预定量与所述最小量相加而得到的量。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的燃烧器，其中，从所述主燃料供应单元供应的所述辅助燃料的所述量是通过从要供应给所述燃烧室的所述辅助燃料的总量中减去从所述引燃燃料供应单元供应的所述辅助燃料的所述量而得到的量。
5.根据权利要求4所述的燃烧器，其中，要供应给所述燃烧室的所述辅助燃料的所述总量是与通过从要供应给所述燃烧室的燃料的总热值中减去从所述主燃料供应单元供应的所述未燃气体的热值而得到的热值相当的燃料量。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的燃烧器，其中，从所述主燃料供应单元供应的所述辅助燃料的所述量响应于所述燃气涡轮发动机的负荷而增加或减少。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的燃烧器，其中，从所述主燃料供应单元供应的所述未燃气体的量是根据与所述未燃气体的流量具有相关性的参数估算的。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的燃烧器，还包括未燃气体调节单元，所述未燃气体调节单元被构造为调节从所述主燃料供应单元供应的所述未燃气体的量。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的燃烧器，其中，在所述燃烧室中，所述未燃气体燃烧区域围绕所述火焰稳定区域。
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