CN1236227C - 预混合燃烧器的燃料供给方法和装置 - Google Patents

Abstract

预混合燃烧器的燃料供给方法和装置，该预混合燃烧器具有至少一个至少部分限定一个轴向延伸的预混合燃烧室的燃烧器壳(1，2)，使一个燃气轮机运转，带有一条指向燃烧器壳(1，2)上方的预混合燃烧室内的预混合气体输送管道(3)，其中，预混合气体(6)与燃烧供风混合并在下游预混合燃烧器的外部点火。本发明的特征在于，预混合气体输送通过至少两个沿着燃烧器壳(1，2)空间轴向分开的区域(S1，S2)分开进行，具有一个位于上游的区域(S1)和至少一个位于下游的第二区域(S2)，为了起动燃气轮机，全部预混合气体输送的60%以上是通过第一区域(S1)进行，为了使燃气轮机负荷继续增加直到全负荷，使预混合气体输送分段地或连续地再分配到第二区域(S2)上。

Description

预混合燃烧器的燃料供给方法和装置

技术领域

本发明涉及预混合燃烧器的燃料供给方法和装置，该预混合燃烧器具有至少一个至少部分界定一个轴向延伸的预混合燃烧室的燃烧器壳，使一个燃气轮机运转，带有一条指向燃烧器壳上方的预混合燃烧室内的预混合气体输送管道，其中，预混合气体与燃烧供风混合并在下游预混合燃烧器的外部点火。

背景技术

上述类型的预混合燃烧器用于使燃气轮机系统运转是已经详知的，并且具有各种不同的预混合燃烧器几何结构。在EP0 321 809 B1中公开了一种由多个燃烧器壳组成的圆锥形预混合燃烧器，所谓的双锥形燃烧器，其燃烧器壳这样组装，即：沿着燃烧器轴线构成燃烧供风的切向进气缝隙。在由此形成的燃烧器壳进气棱边上设置预混合气体的出口，这些出口沿着燃烧器轴线方向分布。由于燃烧器壳的几何结构，预混合气体沿着燃烧器壳进气棱边通过这些出口喷入与燃烧供风一起导致预混合气体以及燃烧供风的螺旋形混匀。

另一种预混合燃烧器几何结构在WO93/17279中描述，其中预混合燃烧器设计有一个附加的内锥体。在这种情况下，预混合气体也是经过沿着轴向进气缝隙布置的相应出口供入到预混合燃烧器内，在预混合燃烧器内预混合气体与燃烧供风混匀并在下游在燃烧室内部点火。

也可以通过适当选择出口的布置、大小、数量以及其相互间距来优化燃烧质量。从而特别是可以通过适当选择上述参数来主要影响排放值、在燃烧室内形成的火焰的灭弧特性、燃烧回流特性以及火焰稳定性。

但上述优化方案在人们想不仅在固定给出的燃烧器几何结构下而且在理想的燃烧状态下优化燃烧器性能时却没有办法。因此，出口结构预定地沿着燃烧器壳一定区域布置几乎不可能使燃烧性能在不同的负荷和环境条件下保持在近似一样的最优水平上。业已证明，用于预混合气体输送的出口在预混合燃烧器内部的优化布置对于某一种机型是最佳的，例如用在环形燃烧室时，而用于另一种机型时，如圆塔仓式燃烧室时却很差或者根本不能用。

在使用燃烧器过程中也会出现渐进的燃烧器系统变化，这是由疲劳现象引起的并会导致例如泄漏-空气流动的增加。但是通过本身没有或者只有可忽略不计的老化现象的预混合气体通道孔的固定布置不能补偿老化引起的变化，从而燃烧过程随着燃烧器运行时间的增加而变坏也无法补救。

现有的预混合气体输送系统通常使燃气轮机在中等负荷和高负荷范围在低排放值和阻止出现燃烧振荡方面得到优化。为了起动燃烧过程以及达到燃气轮机的中等负荷，通常采用前导阶段(pilotierungsstufe)。通常在预混燃烧器轴线的中央通过一个燃烧器喷枪将前导气体喷到预混合燃烧器的内部，该前导气体与燃烧供风混合并点火。只有达到一定的负荷范围后才中断前导气体输送，而输入预混合气体。在燃气轮机减速过程中以同样的方式进行这样一种转换，其中中断预混合气体输入接通前导气体输送。但在转换过程中在燃烧器系统内部会出现很高的燃烧振荡，从而产生强烈的压力波动，这又引起对燃气轮机负荷性能的直接干扰作用，结果造成很大的负荷波动。

如果气体输送系统不仅在燃气轮机加速过程而且在减速过程都能断开，则必需用惰性气体清洗断开的气体输送管道，以排除输送管道中的回火从而避免其损坏。为了清洗气体输送管道所必需的惰性气体量显著增加，也会导致这种燃烧器系统的运转成本过高。

最后，用目前已知的预混合燃烧器几乎不可能使预混合燃烧器用不同的燃料类型例如液态的或气态的燃料工作，特别是通常布置在燃烧器轴线中央的用来输送前导气体的燃烧器喷枪空间上靠近中央的液体燃料喷嘴附近，所述前导气体如前所述是燃气轮机加速以及低负荷范围所必需的。在两个燃料出口之间的不希望有的点火相互作用无法排除。

两篇文献DE-A1-44 46 945和EP-A1-0 592 717公开了气体工作的预混合燃烧器，其中燃烧用空气至少近似切向地输入到燃烧器的预混合室中。燃料通过多个分布在预混合室纵向的喷嘴喷入并与燃烧用空气混合。这些喷嘴分成至少两组，其燃料输入不同。

发明内容

本发明的目的是改进预混合燃烧器的燃料供给方法和装置，避免了前面对现有技术所列举的缺点。改进措施尤其涉及预混合燃烧器，从而使预混合燃烧器性能在燃气轮机整个负荷范围内都能最佳匹配。这一点尤其是无需太高的技术和结构费用即可完成，而是花很少的费用就可实现。

本发明提出的技术问题的解决方案在于一种用于使燃气轮机运转的预混合燃烧器的燃料供给方法，其中该预混合燃烧器具有至少一个燃烧器壳，该燃烧器壳至少部分限定一个轴向延伸的预混合燃烧室，还有一条指向燃烧器壳上方的预混合燃烧室内的预混合气体输送管道，

-其中，预混合气体与燃烧供风在预混合室中混合，并且

-在下游预混合燃烧器的外部点火，

-其中预混合气体输送通过至少两个沿着燃烧器壳空间轴向分开的区域分开进行，具有一个位于上游的区域和至少一个位于下游的第二区域，为了起动燃气轮机，全部预混合气体输送的60％以上是通过第一区域进行，为了使燃气轮机负荷继续增加直到全负荷，使预混合气体输送分段地或连续地再分配到第二区域上。

本发明提出的技术问题的解决方案还在于一种用于使燃气轮机运转的预混合燃烧器的燃料供给装置，其中该预混合燃烧器具有至少一个燃烧器壳，该燃烧器壳至少部分限定一个轴向延伸的预混合燃烧室，还有一条指向燃烧器壳上方的预混合燃烧室内的预混合气体输送管道，其中，沿着燃烧器壳轴向设置至少两个空间分开的区域，预混合气体可以通过这些区域供入到预混合燃烧室中并与分开的预混合气体输送管道相连，其中在燃烧器壳中位于预混合燃烧器上游设置一个第一区域，在预混合燃烧器中相对第一区域位于下游设置一个第二区域，还设置一个调整或控制单元，该调整或控制单元与预混合气体输送管道相连，其中，第一区域的预混合输送管道设置有一个节流阀，在节流阀和第一区域之间设置一个交叉点，一条输送管道从该交叉点导向第二区域，在交叉点和第二区域之间设置调整或控制单元。

本发明的总构思是，通过将燃烧器壳分成至少两个轴向前后布置的区域，其各自通过相互分开的预混合气体输送管道供给预混合气体，实现沿着燃烧器壳轴向分段输送预混合气体。沿着燃烧器壳相互分开的区域在预混合燃烧器的流通方向上轴向前后布置，其中根据本发明为了起动燃气轮机应使整个预混合气体输送的60％以上通过上游第一区域进行，为使燃气轮机负荷继续增加直到全负荷，将预混合气体输送分段地或者连续地再分配在邻接于第一区域下游后面的区域上。

通过将预混合气体输送沿着预混合燃烧器的燃烧器壳轴向划分预混合气体输送，尤其是为单个区域分段供给预混合气体，使得即使在燃气轮机起动以及低负荷范围时也完全可以取消前导气体的输入。

通过取消前导气体阶段产生一系列优点，特别是通过取消从前导气体向预混合气体输入转换引起的燃烧室振荡产生了这一系列优点。

借助本发明的预混合燃烧器工作方式首先使燃气轮机从起动到全负荷都可以不用前导气体阶段。预混合气体到达预混合燃烧器内部所经过的各个区域的连续或者分段地接通，借助在各输入管道中设置控制或调整单元实现，最简单的情况是可调整的节流阀。

通过有利地取消了前导气体输入，尤其是可以通过一个伸到燃烧器口中的中央喷油嘴雾化液态燃料，液态燃料本身由软管形的燃烧空气流包围。

下面借助附图描述根据本发明设计的为预混合燃烧器的分成不同区域的燃烧器壳进行适当的预混合气体流入调节的实施形式。本发明方法及后面将详述的装置的要点是将预混合气体分开地、按计量地输送到沿着燃烧器壳轴向前后布置的各区域中，通过这些区域将预混合气体喷入到预混合燃烧器内部。

附图说明

下面借助实施例参照附图举例说明本发明，但不限制本发明的总构思。图示：

图1锥形设计的预混合燃烧器的横截面示意图，

图2图1所示实施形式的工作方式图解，

图3从输送管道到为预混合燃烧器供给预混合气体的流程示意图，

图4一种调整阀的实施例。

具体实施方式

图1中示出了锥形设计的预混合燃烧器的纵截面示意图。预混合燃烧器设计为锥形并具有两个相对布置的燃烧器壳1，2，沿着燃烧器壳相对燃烧器纵轴线轴向分布流出孔3，通过这些流出孔可以将预混合气体输入到预混合燃烧器的内部。燃烧器壳1，2分成两个不同的分开的区域S1段、S2段，它们由不同的预混合气体输入管道4，5供给预混合气体。至少将一部分预混合气体供入预混合燃烧室中的燃烧器壳1、2的第一区域S1布置在锥形横截面最窄的区域并延伸到预混合燃烧器的横截面逐渐变大的区域中。几乎沿着锥形的切向通过图1中未示出的进气缝隙将供风导入预混合燃烧器内部，该供风与预混合气体6混合成一种燃料空气混合物。

也可以在预混合燃烧室的中央设置一个液态燃料雾化机构7，其允许混合工作状态或者从气态燃料转换成液态燃料。液态燃料的输入借助一种本身公知的雾化喷嘴完成，该雾化喷嘴在预混合燃烧器内部产生一种锥形扩展的雾化云。为了保护不受预混合流出孔3的影响以及保证形状稳定性，扩展的液态燃料云由一个保护空气罩包围。

为了起动燃气轮机，也就是点燃预混合燃烧器，不象现有技术通常进行一种前导过程(pedotierung)，而是对图示实施例中示出的的两段式预混合燃烧器单元，燃烧器壳的每个区域由一条在上游布置在预混合燃烧器内部的预混合气体输入管道供给。在该实施例中是区域1段，该段用整个预混合气体输送的60％以上工作，用于起动预混合燃烧器以及使预混合燃烧器在低负荷范围内工作。

图2给出了一个简明图解，从该图解中可以看出区域S1和区域S2之间的预混合气体分配的百分比分布。涂黑的部分对应经区域1流出的预混合气体部分，浅色的部分对应经预混合燃烧器的区域S2流到燃烧器内部的预混合气体部分。如前所述，在点火时，整个预混合气体输送的最大部分(也就是大于90％)是经区域1输入到预混合燃烧器内部的。在低负荷范围(怠速)时，经区域2流出的预混合气体部分略有增加。在半负荷状态下，两个区域S1和S2供给大致相等的预混合气体。在全负荷条件下向预混合燃烧器输送的全部预混合气体的至少50％经第二区域(S2)或者说位于下游的区域输送。图2所示的预混合气体在区域S1和S2的分配借助一个调整单元完成，该调整单元可以分段地或连续地调整预混合气体在区域S1和S2上分配的分配比例。最简单的情况是分别设置在单个输入管道4和5中的耦合的节流阀。

另一种控制预混合气体向预混合燃烧器的分开的区域输入的方案从图3中可以看出。在图3所示实施例中也涉及一种锥形的预混合燃烧器，该预混合燃烧器通过两个区域S1和S2拼接，分开的预混合气体通过这两个区域流入预混合燃烧器的内部。在一条将预混合气体输送到预混合燃烧器中的公共的输入管道8中设置了一个设计为节流阀的主控阀9。通过该主控阀9，可以调整预混合气体向预混合燃烧器的区域S1的直接流入。在主控阀9和预混合燃烧器的流出区域S1之间的输送管道中设置一个交叉点10，在该交叉点预混合气体的一部分分流到一个分支管道11中。在分支管道11中又设置了另一个弹力作用的过压阀12形式的调整单元，下面将参照图4进一步描述。流动横截面很小一条旁通管道13或者在其中设置了一个相应的节流元件14的一条旁通管道13用于在过压阀12关闭时可以向预混合燃烧器的区域S2输送少量的预混合气体流。

图3示出的将预混合气体输送到预混合燃烧器的两个区域S1和S2的输送系统具有以下功能。在主控阀9打开后，预混合燃烧器的区域S1供给预混合气体。向区域S1供给预混合气体的输入管道中的气压以及分支管道11中的气压还不能使弹力作用的过压阀开启。只有很少部分的预混合气体经旁通管道13到达预混合燃烧器的区域S2并从那里流出到预混合燃烧器的内部。这对应于燃气轮机起动时的状态或者预混合燃烧器点火时的状态。在起动阶段之后，分支管道11中的预混合气体气压升高，该气压能使弹力作用的过压阀12持续开启，从而流经主控阀9的预混合气体中越来越多的部分通过过压阀12流入区域S2中。管道气压继续升高，则过压阀12完全开启，从而大部分预混合气体可以到达预混合燃烧器的区域S2中。通过改变分支管道11的尺寸以及调节过压阀12的使用性能，可以优化预混合燃烧器的排放性能和振荡性能。因此可以在无需前导气体输入的情况下只采用一个单个的调整阀也就是过压阀12实现一种使燃气轮机在全部负荷范围内工作的预混合燃烧器。

在图4中示出了这样一种过压阀的优选实施形式。过压阀12具有一个锥形的活塞15，该活塞通过一个弹簧16加载弹力气密地靠到一个对应轮廓17上。如果活塞15借助气压(见节流阀左边的箭头)加压，则作用在活塞15上的气压将弹簧16一起压向一个挡块18。这里，活塞15和对应轮廓17之间的间隙开启，气体可以通过该间隙经过压阀向右流出。根据弹簧16弹力的选择以及活塞尺寸大小的选择可以单独调节预混合气体经过过压阀12的与气压有关的流通速率。借助适当改变过压阀12的尺寸以及参与预混合气体供给的分支管道11和旁通管道13的尺寸，可以按本身公知的方式优化燃烧过程。图3所示的实施例中也可以按照图2所示图解示意图将预混合气体适当分配给预混合燃烧器的燃烧器壳的S1段和S2段。

本发明的为预混合燃烧器供给燃料的方法和装置有一系列优点：通过预混合气体分段地输入到预混合燃烧器中与只有一段的预混合燃烧器相比可以在明显较大的范围界限内使用。

借助图3所示的实施形式只需要一条预混合气体输入管道。

通过使用一个设计为过压阀的调整单元可以只需要一个调整单元来操纵预混合燃烧器。

将本发明的方法用于现有的预混合燃烧系统上可以很简单地实施，特别是不需要使用两个或更多个分开的预混合气体输入管道系统。

通过旁通管道适当输入最小部分的预混合气体到预混合燃烧器的第二区域中，就不需要用惰性气体清洗该输入管道。试验表明，本发明的系统只引起很小的起动性能波动。借助为预混合燃烧器的不同区域分配单独的预混合气体输入管道，可以在即使出现老化现象时也能相应进行优化。

由于可以取消前导气体输入，在前导气体输入和预混合气体输入之间转换时出现的所有波动都可以避免了。

整个装置结构简单，制造成本低廉。

附图标记清单

1，2            燃烧器壳

3               预混合气体流出孔

4，5            输入管道

6               预混合气体

7               液态燃料雾化机构

8               输入管道

9               主控阀

10              交叉点

11              分支管道

12              过压阀

13              旁通管道

14              节流元件

15              活塞

16              弹簧

17              对应轮廓

18              挡块

S1，S2用于分段的预混合气体流出的区域1，2

Claims (9)

1.用于使燃气轮机运转的预混合燃烧器的燃料供给方法，其中该预混合燃烧器具有至少一个燃烧器壳(1，2)，该燃烧器壳至少部分限定一个轴向延伸的预混合燃烧室，还有一条指向燃烧器壳(1，2)上方的预混合燃烧室内的预混合气体流出孔(3)，

-其中，预混合气体(6)与燃烧供风在预混合室中混合，并且

-在下游预混合燃烧器的外部点火，

-其中预混合气体输送通过至少两个沿着燃烧器壳(1，2)空间轴向分开的区域(S1，S2)分开进行，具有一个位于上游的区域(S1)和至少一个位于下游的第二区域(S2)，

其特征在于，为了起动燃气轮机，全部预混合气体输送的60％以上是通过第一区域(S1)进行，为了使燃气轮机负荷继续增加直到全负荷，使预混合气体输送分段地或连续地再分配到第二区域(S2)上。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，预混合气体向第一区域(S1)和第二区域(S2)的输送相互独立进行。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在全负荷条件下向预混合燃烧器输送的全部预混合气体的至少50％经第二区域(S2)或者说位于下游的区域输送。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，预混合燃烧器设计为锥形并具有至少两个相对布置的燃烧器壳(1，2)，它们分别界定两个进气缝隙，通过该缝隙燃烧用空气进入锥形扩展的预混合燃烧室中，至少将一部分预混合气体供入预混合燃烧室中的燃烧器壳(1，2)的第一区域(S1)布置在锥形横截面最窄的区域并延伸到预混合燃烧器的横截面逐渐变大的区域中。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，用于预混合气体输送的轴向相互分开的区域(S1，S2)通过分开的输入管道供给预混合气体。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，预混合气体向各区域(S1，S2)的输送借助一个调整单元进行。

7.用于使燃气轮机运转的预混合燃烧器的燃料供给装置，其中该预混合燃烧器具有至少一个燃烧器壳(1，2)，该燃烧器壳至少部分限定一个轴向延伸的预混合燃烧室，还有一条指向燃烧器壳(1，2)上方的预混合燃烧室内的预混合气体流出孔(3)，其中，沿着燃烧器壳(1，2)轴向设置至少两个空间分开的区域(S1，S2)，预混合气体(6)可以通过这些区域供入到预混合燃烧室中并与分开的预混合气体输入管道(4，5)相连，其中在燃烧器壳(1，2)中位于预混合燃烧器上游设置一个第一区域(S1)，在预混合燃烧器中相对第一区域(S1)位于下游设置一个第二区域(S2)，还设置一个调整或控制单元，该调整或控制单元与预混合气体输入管道(4，5)相连，

其特征在于，第一区域(S1)的预混合输入管道(5)设置有一个节流阀，在节流阀和第一区域(S1)之间设置一个交叉点(10)，一条分支管道(11)从该交叉点导向第二区域(S2)，在交叉点(10)和第二区域(S2)之间设置调整或控制单元。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，调整或控制单元是一个弹力作用的过压阀。

9.根据权利要求7或8所述的装置，其特征在于，在交叉点(10)和第二区域(S2)之间设置一个旁通管道(13)，如果第一区域(S1)供给了预混合气体(6)，则该旁通管道(13)向第二区域(S2)供给预混合气体(6)以保证第二区域的最少供给。

Images