CN118273823A - 用于控制燃气涡轮发动机的顺序燃烧器的方法和燃气涡轮功率设备 - Google Patents
用于控制燃气涡轮发动机的顺序燃烧器的方法和燃气涡轮功率设备 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及用于控制燃气涡轮发动机的顺序燃烧器的方法和燃气涡轮功率设备。具体而言，一种用于控制燃气涡轮发动机的顺序燃烧器的方法所包括的方法包括向顺序燃烧器的第一燃烧器级供应第一空气/燃料混合物(M1)，以及向顺序燃烧器的第二燃烧器级供应第二空气/燃料混合物(M2)。第一空气/燃料混合物(M1)包含氨并且是化学计量的或亚化学计量的。
Description
相关申请的交叉引用
本专利申请请求享有2022年12月30日提交的欧洲专利申请第22217311.4号的优先权，其全部公开通过引用并入本文中。
技术领域
本发明涉及一种用于控制燃气涡轮发动机的顺序燃烧器的方法，并且涉及一种燃气涡轮功率设备。
背景技术
众所周知，氨是一种很有前景的燃料，其可用于运行燃气涡轮发动机并为脱碳提供巨大贡献。一方面，氨的燃烧实际上完全不含碳，且另一方面，氨是一种能量密集型燃料，适合高效且持久地储存大量化学能。例如与氢相比，所需的容积可能非常低，因为氨相当容易液化，并且甚至在环境温度下也可在相对低的压力下保持在液态。因此，可使不仅储存而且运输和配送高效、安全且成本效益合算。
然而，已知在燃气涡轮发动机的正常操作条件下，氨的燃烧产生大量的氮氧化物(NOx)。NOx的排放以及一氧化碳的排放是严重的，并且需要最小化。如果直接供应到燃气涡轮发动机，则氨和碳基燃料(诸如天然气或甲烷)的混合物可能无法满足当前对NOx排放的严格要求。因此，无碳或至少低碳燃烧的好处可能因NOx排放的对应增加而抵消。
此外，氨的反应性相对低并且代表难以在燃气涡轮发动机中使用氨的另一个障碍。
换句话说，如正常操作的燃气涡轮发动机与氨为仅有燃料或作为不同燃料的混合物的成分的供给不相容。
发明内容
本发明的目的在于提供一种允许克服或至少减少以上限制的用于控制燃气涡轮发动机的顺序燃烧器的方法和燃气涡轮功率设备。
根据本发明，提供了一种用于控制燃气涡轮发动机的顺序燃烧器的方法，该顺序燃烧器包括第一燃烧器级和第二级；
该方法包括向顺序燃烧器的第一燃烧器级供应第一空气/燃料混合物(M1)，以及向顺序燃烧器的第二级供应第二空气/燃料混合物；
第一空气/燃料混合物包含氨并且是化学计量的或亚化学计量的。
供应相对于空气氧过量的氨防止或至少强烈减少二氧化氮的形成，而二氧化氮的形成反而是依靠包含氨的贫空气/燃料混合物操作的常规发动机中的主要问题。此外，残余氨热分解成分子氮N2和分子氢H2，其因此适合恢复燃烧而不增加NOx的产生。
因此，该解决方案可利用氨作为用于燃气涡轮发动机的燃料的优势及其对脱碳的潜在贡献，而不产生诸如高NOx排放水平的不利影响。氨相对于其它无碳燃料的优势主要在于容易储存和运输，按量足够满足市场的需求。
根据本发明的一方面，第一空气/燃料混合物的燃料含量完全是氨。
因此确保了完全无碳燃烧，而没有与供应其它燃料相关联的缺点，其它燃料不如氨那样容易和安全地储存和配送(例如直接供应分子氢)。
根据本发明的一方面，该方法包括在来自第一燃烧器级的未燃烧氨分解所在的位置处将稀释空气在第一燃烧器级与第二级之间供应到顺序燃烧器中。
第一燃烧器级中的热引起未参与第一级燃烧的残余氨热分解成分子氮N2和分子氢H2，它们可在附加氧存在下恢复燃烧。在分子氨已分解且不再存在或以可忽略不计的量存在所在的位置处喷射稀释空气确定了用于恢复燃烧而不引起NOx的严重的产生的条件。稀释空气的喷射与供应到第一燃烧器级燃烧的第一燃料的量的控制一起还允许控制第二燃烧器级的入口处的气体的温度。
根据本发明的一方面，该方法包括在顺序燃烧器外侧分解附加氨。
根据本发明的一方面，该方法包括在第二空气/燃料混合物中将分解的附加氨供应到第二燃烧器级。
如果期望这样，则在顺序燃烧器外侧的附加氨的分解以及将此分解的附加氨供给到第二燃烧器级创造了仅依靠氨来运行燃气涡轮发动机的条件，而不会导致NOx的过量产生。
根据本发明的一方面，第二空气/燃料混合物包含氢、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷和任何其它气体燃料中的至少一种。
诸如天然气或合成气的常规燃料可在顺序燃烧器的第二燃烧器级中使用，以用于燃气涡轮发动机的混合操作。
根据本发明的一方面，第二空气/燃料混合物(M2)是过化学计量的(贫的)。
如果第二燃料(例如天然气或合成气)中存在碳氢化合物，则过量的氧允许一氧化碳的产生保持很低。取而代之的是，在氨分解的产物燃烧的情况下，甚至在贫空气/燃料混合物中，分子氨的缺乏防止NOx的严重的产生。
根据本发明的一方面，该方法包括控制第一级火焰的温度、第一级的当量比以及第一级的燃料质量流量，使得第二空气/燃料混合物在第二燃烧器级中自动点燃。
根据本发明，还提供了一种燃气涡轮功率设备，其包括：
燃气涡轮发动机，其提供有具有第一燃烧器级和第二燃烧器级的顺序燃烧器；
第一燃料源，其联接到第一燃烧器级并且提供第一燃料；
第二燃料源，其联接到第二燃烧器级并且提供第二燃料；
控制系统，其配置成控制到第一燃烧器级和到第二燃烧器级的燃料供应，由此包含第一燃料的第一空气/燃料混合物供应到第一燃烧器级，并且包含第二燃料的第二空气/燃料混合物供应到第二燃烧器级；
其中第一燃料包含氨，并且控制系统配置成控制第一燃料的供应，使得第一空气/燃料混合物是化学计量的或亚化学计量的。
根据本发明的一方面，第一空气/燃料混合物的含量完全是氨。
根据本发明的一方面，燃气涡轮功率设备包括混合器，该混合器构造成在来自第一燃烧器级的未燃烧氨分解所在的位置处，沿第一燃烧器级与第二燃烧器级之间的流径添加稀释空气。
根据本发明的一方面，第二燃料源包括反应器，该反应器联接到第一燃料源以接收第一燃料，并且构造成分解第一燃料中的氨，并且将分解的氨作为第二燃料供给到第二燃烧器级。
根据本发明的一方面，第二燃料包含氢、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷或任何其它气体燃料中的至少一种。
根据本发明的一方面，第二空气/燃料混合物是过化学计量的。
根据本发明的一方面，控制系统配置成控制第一级火焰的温度、第一级的当量比以及第一级的燃料质量流量中的至少一者，使得第二空气/燃料混合物在第二燃烧器级中自动点燃。
附图说明
现在将参考附图描述本发明，附图示出了本发明的数个非限制性实施例，在附图中：
-图1是根据本发明的实施例的燃气涡轮发动机的简化框图；
-图2是图1的燃气涡轮发动机的一部分的示意图；
-图3是根据本发明的另一个实施例的燃气涡轮发动机的简化框图；
-图4是图3的燃气涡轮发动机的一部分的示意图；
-图5是根据本发明的另一实施例的燃气涡轮发动机的简化框图；
-图6是图5的燃气涡轮发动机的一部分的示意图。
具体实施方式
在下文中，在处理燃料和空气的混合物时，将参考空气与燃料比λ。因此，用语“亚化学计量”和“过化学计量”在任何情况下将理解为表示与化学计量比λST相比，混合物中分别有过量的燃料和过量的空气。
参考图1，标号1作为整体限定燃气涡轮设备，其包括燃气涡轮发动机2、第一燃料供应管线3、第二燃料供应管线4和控制系统5。
控制系统5配置成确定燃气涡轮发动机2对于期望操作条件的设定点，并且使用燃气涡轮发动机2的致动器，使得可实现设定点。
燃气涡轮发动机2继而又包括压缩机6、燃烧器组件7和膨胀区段或涡轮8。此外，传感器9布置和构造成感测燃气涡轮发动机2的操作量，并且将测量信号发送至控制系统5。
压缩机6向燃烧器组件7供给从外侧抽取的空气流。
燃烧器组件7包括多个顺序燃烧器10，其引起空气和燃料的混合物的燃烧。联接到顺序燃烧器10的空气仓室11通过压缩机6而供应有压缩空气，并且限定用于顺序燃烧器10的压缩空气源。
涡轮8接收并且膨胀来自燃烧器组件7的燃烧过的热气体流以提取机械功，机械功传递到这里未示出的外部用户，通常是发电机。
第一供应管线3供应第一燃料F1，其包含分子氨并且在一个实施例中仅有氨。
第二供应管线4供应第二燃料F2，其包含氢和甲烷或其混合物中的一者。例如，第二燃料F2可为天然气或合成气并且包含乙烷、丙烷、丁烷、戊烷或任何其它气体燃料中的一种或多种。
图2示意性地示出了顺序燃烧器10中的一个，理解的是，其它顺序燃烧器10具有基本上相同的结构。
顺序燃烧器10包括沿气体流径15顺序布置的第一燃烧器级12和第二燃烧器级13。混合器16沿气体流径15布置在第一燃烧器级12和第二燃烧器级13之间，并且构造成将受控量的稀释空气A添加到流过气体流径15的气体中。
第一燃烧器级12流体地联接到第一燃料供应管线3以接收一定量的第一燃料F1，该量可通过第一级燃料致动器18(例如燃料阀系统)调整。第一燃烧器级12还接收来自仓室11的气流，该气流继而又由压缩机6供给。第一燃料F1和来自仓室11的空气流形成第一空气/燃料混合物M1，其在第一燃烧器级12中燃烧。第一燃料F1的量由控制系统5通过第一级燃料致动器18控制，使得第一空气/燃料混合物M1对于第一燃料F1是化学计量的或亚化学计量的(富的)。在化学计量或亚化学计量两种条件下，第一燃料F1中的仅部分氨在第一燃烧器级12中燃烧，并且NOx的产生速率可在可接受限度内保持低。由于没有足够的氧可用而未燃烧的剩余部分热分解(或裂解)为分子氮N2和分子氢H2。因此，离开第一燃烧器级12的混合物中不再存在或存在可忽略不计的分子氨NH3。特别地，在混合器16将稀释空气A添加到流过气体流径15的气体中所在的位置处，氨已经燃烧或分解。喷射空气引起气体的温度下降。然而，分解的氨的氧化在混合器16的下游恢复，并且温度很快开始上升，直到稀释空气A和来自第一燃烧器级12的排气的混合物到达第二燃烧器级13。
第二燃烧器级13流体地联接到第二燃料供应管线4以接收一定量的第二燃料F2，该量可通过第二级燃料致动器19(例如燃料阀系统)调整。来自第二燃料供应管线4的第二燃料F2添加到稀释空气A和从第一燃烧器级12流过气体流径15的排气的混合物中，以形成第二空气/燃料混合物M2。因此，第二空气/燃料混合物M2的燃料含量可包括来自第一燃烧器级12的氢和氮以及来自第二燃料供应管线4的第二燃料F2。第二空气/燃料混合物M2中不存在或存在可忽略不计的未分解氨。
第二燃料F2的量由控制系统5通过第二级燃料致动器19控制，使得第二空气/燃料混合物M2是过化学计量的(贫的)。
控制系统5还控制第一燃烧器级12中的第一级火焰的温度、第一级的当量比和第一级的燃料质量流量以及通过混合器16的稀释空气A的供给中的至少一者，使得第二空气/燃料混合物M2在第二燃烧器级13中自动点燃，并且根据期望调整第二燃烧器级13的火焰前位置。如已经提到的，实际上，稀释空气A确定从第一燃烧器级流动的气体的温度下降和归因于分解的氨的燃烧的重新激活的温度上升两者。
根据图3和图4中所示的本发明的另一实施例，燃气涡轮设备100包括燃气涡轮发动机2、供应包含分子氨且在一个实施例中仅氨的第一燃料F1的(第一且这里仅有的)燃料供应管线3，以及如已经描述的控制系统5。此外，燃气涡轮设备100包括反应器或氨裂化器104，其联接到燃料源3并且构造成将氨分解成分子氮N2和分子氢H2。
燃气涡轮发动机2包括压缩机6、燃烧器组件7和膨胀区段或涡轮8。燃烧器组件7包括顺序燃烧器10，每个燃烧器具有相应的第一燃烧器级12和相应的第二燃烧器级13。
第一燃烧器级12联接到燃料供应管线3以接收第一燃料F1的总体供应的第一部分。第一燃料F1的供应由控制系统5控制，以在第一燃烧器级12中具有化学计量或亚化学计量的第一空气/燃料混合物M1。
氨裂化器104联接到燃料源3以从供应管线3接收第一燃料F1的第二部分，并且联接到第二燃烧器级13以供应第二燃料F2。具体地，氨裂化器104将所接收的第一燃料F的流中包含的分子氨分解成分子氮N2和分子氢H2。氨裂化器104将分解的氨作为第二燃料F2供应到第二燃烧器级13，以与来自第一燃烧器级12的排气和由混合器16提供的稀释空气A形成第二空气/燃料混合物M2。
第二燃料F2到第二燃烧器级13的供应由控制系统5通过第二级燃料致动器119控制，使得第二空气/燃料混合物M2是过化学计量的。
再次，控制系统5还控制第一燃烧器级12中的第一级火焰的温度、第一级的当量比和第一级的燃料质量流量以及通过混合器16的稀释空气A的供给中的至少一者，使得第二空气/燃料混合物M2在第二燃烧器级13中自动点燃，并且根据期望调整第二燃烧器级13的火焰前位置。
根据图5和图6中所示的另一个实施例，燃气涡轮设备200包括燃气涡轮发动机2、供应包含分子氨的第一燃料F1的第一燃料供应管线3、供应包含氢、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷或任何其它气体燃料的燃料流的第二供应管线4、控制系统5，以及此外联接到燃料源3并且构造成将氨分解成分子氮N2和分子氢H2的反应器或氨裂化器204。
第二燃烧器级13可从第二供应管线4或从氨裂化器204或甚至从两者接收第二燃料F2。控制系统5通过第二级燃料致动器19、219控制第二燃料F2的供应，使得第二空气/燃料混合物M2是过化学计量的，在第二燃烧器级13中自动点燃，并且根据期望调整第二燃烧器级13的火焰前位置。
最后，清楚的是，可对本文中描述的方法和功率设备进行修改和变型，而不脱离如所附权利要求书中限定的本发明的范围。
Claims (15)
1.一种用于控制燃气涡轮发动机的顺序燃烧器的方法，所述顺序燃烧器包括第一燃烧器级和第二燃烧器级；
所述方法包括向所述第一燃烧器级供应第一空气/燃料混合物(M1)，以及向所述第二燃烧器级供应第二空气/燃料混合物(M2)；
所述第一空气/燃料混合物(M1)包含氨并且是化学计量的或亚化学计量的。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一空气/燃料混合物(M1)的燃料含量完全是氨。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，包括在来自所述第一燃烧器级的未燃烧氨分解所在的位置处将稀释空气在所述第一燃烧器级与所述第二燃烧器级之间供应到所述顺序燃烧器中。
4.根据权利要求3所述的方法，包括在所述顺序燃烧器外侧分解附加氨。
5.根据权利要求4所述的方法，包括在所述第二空气/燃料混合物(M2)中将分解的附加氨供应到所述第二燃烧器级。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第二空气/燃料混合物(M2)包含氢、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和戊烷以及任何其它气体燃料中的至少一种。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第二空气/燃料混合物(M2)是过化学计量的。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括控制第一级火焰的温度、所述第一级的当量比以及所述第一级的燃料质量流量中的至少一者，使得所述第二空气/燃料混合物(M2)在所述第二燃烧器级中自动点燃。
9.一种燃气涡轮功率设备，包括：
燃气涡轮发动机，其提供有具有第一燃烧器级和第二燃烧器级的顺序燃烧器；
第一燃料源，其联接到所述第一燃烧器级并且提供第一燃料(F1)；
第二燃料源(4；104；4、204)，其联接到所述第二燃烧器级并且提供第二燃料(F2)；
控制系统，其配置成控制到所述第一燃烧器级和到所述第二燃烧器级的燃料供应，由此包含所述第一燃料(F1)的第一空气/燃料混合物(M1)供应到所述第一燃烧器级，并且包含所述第二燃料(F2)的第二燃料混合物(M2)供应到第二燃烧器级；
其中所述第一燃料(F1)包含氨，并且所述控制系统配置成控制所述第一燃料(F1)的供应，使得所述第一空气/燃料混合物(M1)是化学计量的或亚化学计量的。
10.根据权利要求9所述的燃气涡轮功率设备，其中，所述第一空气/燃料混合物(M1)的含量完全是氨。
11.根据权利要求9或权利要求10所述的燃气涡轮功率设备，包括混合器，所述混合器构造成在来自所述第一燃烧器级的未燃烧氨分解所在的位置处沿所述第一燃烧器级与所述第二燃烧器级之间的流径添加稀释空气。
12.根据权利要求9至权利要求11中任一项所述的燃气涡轮功率设备，其中，所述第二燃料源(104；204)包括反应器，所述反应器联接到所述第一燃料源以接收所述第一燃料(F1)，并且构造成分解所述第一燃料源中的氨并且将分解的氨作为所述第二燃料(F2)供给到所述第二燃烧器级。
13.根据权利要求9至权利要求12中任一项所述的燃气涡轮功率设备，其中，所述第二燃料(F2)包含氢、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和戊烷以及任何其它气体燃料中的至少一种。
14.根据权利要求9至权利要求13中任一项所述的燃气涡轮功率设备，其中，所述第二空气/燃料混合物(M2)是过化学计量的。
15.根据前述权利要求9至权利要求14中任一项所述的燃气涡轮功率设备，其中，所述控制系统配置成控制第一燃烧器级火焰的温度、第一级的当量比以及所述第一级的燃料质量流量中的至少一者，使得所述第二空气/燃料混合物(M2)在所述第二燃烧器级中自动点燃。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication |