CN1317634A - 降低燃气轮机排放的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

燃烧轮机(10)包含一燃烧器装置，后者包含一稀薄预混合燃烧器(16)和一供水装置(130)。该燃烧器能以小于1的燃料/空气混合当量比运转，而该供水装置被构形成将水和蒸汽中的至少一种供给该燃气轮机，从而将水或蒸汽喷入该燃烧器，以控制由该燃烧器所产生的排放物。结果，相对于规定的透平运转功率值的氧化氮排放物减少了。

Description

降低燃气轮机排放的方法和装置
本发明总的涉及燃气轮机，尤其涉及燃气轮机的燃烧室。
全球范围内对空气污染的关注已导致了严格的排放标准。这些标准规定了由于燃气轮机工作产生的氮氧化物(Nox)，未燃碳氢化合物(HC)和一氧化碳(CO)的排放量。尤其是由于燃烧室内高火焰温度在燃气轮机中形成氧化氮。在努力减少氧化氮排放量方面对燃气轮机作出种种改进对相关燃气轮机的工作性能往往具有有害的影响。
在燃气轮机中，在运转状态下，提示流过燃气轮机燃烧室的空气流量可减少氧化氮排放量。燃气轮机包含预定的工作参数，而这种空气流量的任何增加受到包括透平喷嘴冷却参数的预定工作参数的限制。结果，为在燃气透平燃烧室内提高空气流量，该燃气轮机和有关部件应当修改，以便以新的工作参数运转。
由于这种燃气轮机的修改是密集型劳动且费时的，用户常常限于降低燃气轮机额定的运转功率，并防止以全负荷运转燃气轮机。这种降低并不限制由于发动机以全负荷运转而形成的氧化氮排放量，而却限制了燃气轮机的运转功率。
在一个示例性实施例中，燃气轮机包含一个减少由燃气轮机产生的氧化氮排放量的燃烧器装置。该燃烧器装置包含一燃烧器和一燃料与水供应装置。该燃烧器为一稀薄预混合燃烧器，包含若干预混合器，并可以小于1的燃料/空气混合当量比工作。该水供应装置将水或蒸汽中的至少一种供给燃气轮机，以便将水或蒸汽喷入燃烧器。
在燃气轮机正常运转期间，将燃料与空气流量或成比例地供给燃烧器，使燃烧器以小于1的燃料/空气混合当量比工作。随着燃气轮机运转速度提高和额外的燃料与空气供给燃烧室，水供给子装置将水或蒸汽供给燃烧器。由于额外的燃料在燃烧器内燃烧引起的燃烧区火焰温度的升高在水或蒸汽供给该燃烧器的情况下被限制到最小。换一种说明，对于其一规定的氧化氮排放值，燃气轮机可达到增高的运转功率值。
图1是燃气轮机的简明表示；
图2是和图1中所示燃气轮机一起使用的燃烧器的横剖视图。
图1是燃气轮机10的简明表示，包含一低压压气机12，一高压压气机14和一燃烧器16。发动机10还包含一高压透平18和一低压透平20。燃烧器16为一稀薄预混合燃烧器。燃烧器12的透平20由第一轴21联接。而压气机14和透平18由第二轴22联接。负载(未示)藉第一轴21与燃气轮机10耦合。在一个实施例中，燃气轮机10是可以Gereral Electric Aireraft Engines,Cincinnati,Ohio买到的LM6000。或者，燃气轮机10是可从Genord Electric AircraftEngines,Cincinnati,Ohio买到的LM2500。
在运转中，空气流经低压压气机12，而压缩空气由低压压气机12供给高压压气机14。该高压空气被输送到燃烧器16。来自燃烧器16的空气流驱动透平18和20，并经喷嘴24从燃气轮机10排出。
图2是应用于燃气轮机10(图1所示)中的燃烧器16的横剖视图。由于燃烧器16是一稀薄预混合燃烧器，供给燃烧器16的燃料/空气混合物包含的空气多于为完全燃烧该燃料所需的。因此，燃烧器16的燃料/空气混合当量比小于1。由于燃烧器16将燃料与空气预混合。因此，燃烧器是一种稀薄预混合燃烧器。燃烧器16分别包含一圆环形对衬40，一圆环形内衬42和在内外衬42和40之间延伸的拱形端44。外衬40与内衬42和燃烧器外壳136径向间隔，并限定一燃烧器46。燃烧器外壳136大致为圆环形，并自扩压器48向下游延伸。燃烧器46大致为圆环形，并自衬40和42径向向内配置。外衬40和燃烧器外壳136界定一外通道52，而内衬42和燃烧器外壳136界定一内道道54。内外衬42和42延伸到配量在扩压器48下游的透平喷嘴55。
燃烧器拱形端44包含若干排列成三部分圆环形结构的钟形罩56。或者说，燃烧器拱形端44包含一个双圆环形结构。在另一实施例中，燃烧器拱形端44包含单个圆环形结构。一外钟形罩58包含一固定连接于燃烧器外衬40的外端60和一固定连接于燃烧器中间钟形罩64的内端62。中间钟形罩64包含一连接于外钟形罩内端62的外端66和一连接于内钟形罩70的内端68。因此，中间钟形罩64处在内外钟形罩70和58之间。内钟形罩70包含一连接于中间钟形罩内端68的内端72和一固定于连接于燃烧器内衬42的外端74。
燃烧器拱形端44还包含一外钟形罩隔热屏76。一中间钟形罩隔热罩78和一内钟形罩隔热屏80，以使各钟形罩58、64和70分别和燃烧器46中燃烧的火焰隔离。外钟形罩隔热屏76包含一圆环形端体82，将燃烧器外衬40和外主燃区84内燃烧的火焰隔离。中间钟形罩隔热屏78包含圆环形中间体86和88，分别将中间钟形罩64和内外钟形罩70与58隔开。中间钟形罩中间体86和88自中间主燃烧区90径向向外配置。内钟形罩隔热屏80包含一圆环形端体92，将燃烧器内衬42和内主燃烧区94中燃烧的火焰隔开。点火器96穿过燃烧器外壳136，配置在外钟形罩隔热屏端体82的下游。
经一预混合器和组装的岐管装置(未示)将燃料和空气供给钟形罩58、64和70。若干燃料102在燃料源(未示)和多个钟形罩之间延伸。具体地说，一外钟形罩燃料管106将燃料供给配置在中间钟形罩64内的预混合杯108。而内钟形罩燃料管110将燃料供给配置在内钟形罩70内的预混合杯112。
燃烧器16还包含一供水装置130，将水供给燃气轮机10，因此将水喷入燃烧器16。供水装置130包含若干与水源(未示)连接的水喷嘴134。水喷嘴134与预混合杯104、108和112或流体连通，将雾化水雾喷入在预合杯104、108和112中形成的燃料/空气混合物中。在另一实施例中，喷嘴134与蒸汽源(未示)连接，并利用喷嘴134将蒸汽喷入该燃料/空气混合物中。
在燃气轮机10运转期间，空气和燃料在预混合杯104、108和112内混合，并分别将燃料/空气混合物导入钟形罩58、64和70内。该混合物在激活的钟形罩58、64和70的主燃区84、90和94内燃烧。在高功率燃气轮机运转中，进入预混合杯108的燃料增加，导致钟形罩64内的高燃料/空气混合比。
已知中间钟形罩64为先导钟形罩，在发动机10整个运转周期内，有燃料供应。按照燃气轮机10的运转功率需要对钟形罩58和进行燃料供应。随着燃气轮机运转功率要求的增加，也将水供给钟形罩58，64和70。按照满足氧化氮排放需要的要求，燃气轮机10有一额定的发动机运转功率。如在高于90％发动机额定运转功率时使燃气轮机运转，将额外的燃料仅供给燃烧器的中间钟形罩64。在这样的发动机功率运转时，水供应装置130将额外的水供给中间钟形罩64，使由于在燃烧器中间钟形罩64内燃烧额外的燃料而引起的温度提增最少。
具体地说，当燃气轮机10在高于约90％的额定发动机功率运转时，由于内、外钟形罩火焰温度由动压或声界的限制将额外燃料仅供给燃烧器中间钟形罩64。当燃气轮机10以这一功率运转时，供水装置130将水供给燃烧器16，使在中间钟形罩64内产生的火焰温度大体保持等于在内、外钟形罩70和58内产生的火焰温度。而且，将在中间钟形罩64内产生的氧化氮排放值保持在大体基于在内、外钟形罩70和58内产生的排放值。此外，在这种发动机运转期间由于将额外的水仅供给中间钟形罩64，在燃烧器16内产生额外一氧化碳排放的潜在有害影响被氧化氮排放的减少和运转功率的增加所弥补。或者说，燃气轮机10的运转功率相对于规定的氧化氮排放值增加了。
同样，由于发动机性能随着时间而恶化，与未变坏的发动机相比，为产生相同的发动机输出需要额外的燃料。由于上述原因，将额外的燃料供给燃烧器中间钟形罩64。在这种发动机运转中，供水装置130将水以增加的流量率供给中间钟形罩64，以保持该中间钟形罩火焰温度，并控制因增加的燃料流量而引起的排放量生成。
在又一个实施例中，供水装置130可有选择地在第一运转模式和第二运转模式之间运转。在燃气轮机10高于发动机怠速运转的所有运转周期内，起动供水装置130的第一运转模式。通常，供水装置130按第一运转模式以大致相同的速率将水按比例供给全部三个钟形罩58、64和70。
当燃气轮机10在高于90％额定发动机运转功率下运转时，起动供水装置130的第二运转模式。当供水装置130按第二运转模式运转时，以比在供水装置130处于第一运转模式时供给钟形罩64高的水流量率将水供给中间钟形罩64。在第二运转模式期间增加的供水率减少了燃气轮机10的氧化氮排放。
在另一实施例中，当燃气轮机10在高于90％额定发动机运转功率运转时，将蒸汽添加到燃烧器16上游的燃料中。在又一个实施例中，当燃气轮机在高于怠速功率运转时，将蒸汽添加到燃烧器16上游的燃料中。将蒸汽/燃料混合物仅供给燃烧器中间钟形罩64，因为内、外钟形罩火焰温度受动压或声界的限制。该蒸汽/燃料混合物在输送到中间钟形罩64之前被加热，以防止被喷入燃烧器中间钟形罩64之前冷凝和完全混合。额的蒸汽允许在中间钟形罩64内产生的火焰温度被保持在大致等于在内外钟形罩70和58内产生的火焰温度。结果，在中间钟形罩64内产生的氧化氮排放值被保持在大致等于在内、外钟形罩70与58内产生的排放值。此外，因为额外的蒸汽仅供给中间钟形罩64，在燃烧器内产生的额外的一氧化碳排放物的潜在有害影响被氧化氮排放的减少和发动机运转额定功率的提高所弥补。
燃气轮机的上述燃烧器装置是价廉而可靠的。该燃料器装置包含一个能以燃料/空气混合物当量比小于1运转的燃料器和一个将水和/或蒸汽喷入燃烧器以减少在燃烧轮机运转期间产生的氧化氮排放物的供水装置。结果，相对于规定的透平运转功率值的氧化氮排放物减少了。换句话说，相对于规定的氧化氮排放值可提高燃气轮机的运转功率值。
在就各种特定的实施例说明本发明的同时，熟悉该技术的业内人士应明白，本发明可通过修改来实施，而这种修改均处在权利要求书的精神和范围内。

Claims (20)

1．一种利用供水装置(130)减少燃气轮机燃烧器(16)中排放量的方法，该燃气轮机包含一稀薄预混合型燃烧器，能以小于1的燃料/空气混合当量比运转，还包含供水装置，与燃气轮机(10)连接，所述方法包括如下步骤：
操作具有小于1的燃料/空气混合当量比的燃烧器的燃气轮机；
将水和蒸汽中的至少一种输入具有供水装置的燃气轮机，以便将水和蒸汽中的至少一种喷入该燃烧器。
2．按权利要求1所述的方法，其特征在于燃烧器(16)包含若干钟形罩(56)，所述供给水和蒸汽中的至少一种的步骤还包括将水和蒸汽中的至少一种供给多个钟形罩中的至少一个的步骤。
3．按权利要求1所述的方法，其特征在于燃烧器(56)包含一个第一钟形罩(60)，一个第二钟形罩(64)和一个第三钟形罩(70)，该第二钟形罩自第一和第三钟形罩径向内配置，所述供给水和蒸汽中的至少一种的步骤还包括将水和蒸汽中的至少一种供给该燃烧器第二钟形罩的步骤。
4．按权利要求1所述的方法，其特征在于燃烧器(16)包含至少一个二联的燃料喷嘴(134)，所述供给水和蒸汽中至少一种的步骤还包括将水和蒸汽中的至少一种经至少一个二联的燃料喷嘴供给该燃烧器的步骤。
5．按权利要求1所述的方法，其特征在于燃气轮机(10)具有额定发动机运转功率，所述供给水和蒸汽中至少一种的步骤还包括当发动机以大于约90％发动机额定功率的运转速度运转时，将水和蒸汽中的至少一种供给燃气轮机的步骤。
6．一种具有额定的发动机功率的燃气轮机(10)的燃烧装置，包括：
一种稀薄型燃烧器(16)，被构形成能以小于1的燃料/空气混合当量比工作；
一种供水装置(130)，与燃气轮机连接，被构形成能将水和蒸汽中的至少一种供给燃气轮机，从而将水和蒸汽中的至少一种喷入该燃烧器。
7．按权利要求6所述的燃烧装置，其特征在于所述燃烧器(16)包括多个钟形罩(56)。
8．按权利要求7所述的燃烧装置，其特征在于所述供水子装置还被构形成能将水和蒸汽中的至少一种供给所述燃烧器(16)中的至少一个钟形罩(56)。
9．按权利要求8所述的燃烧装置，其特征在于所述燃烧器(16)还包括至少一个二联的燃料喷嘴(134)，所述供水子装置(130)还被构形成能将水和蒸汽中的至少一种经至少一个二联的燃料喷嘴供给所述燃烧器。
10．按权利要求8所述的燃烧装置，其特征在于所述燃烧器(16)还包括至少一个预混合器(108)，与所述供水子装置(130)成流体连通。
11．按权利要求6所述的燃烧装置，其特征在于所述燃烧器(16)包括一个第一钟形罩(58)，一个第二钟形罩(64)和一个第三钟形罩(70)，所述第二钟形罩配置在所述第一和第三钟形罩之间，所述供水子装置(130)还被构成能将水和蒸汽中的至少一种供给所述燃烧器第二钟形罩。
12．按权利要求6所述的燃烧装置，其特征在于所述供水子装置(130)可在第一和第二模式之间有选择地工作，所述供水子装置还被构形成当处在第一运转模式时以第一流量率将水供给所述燃烧器(16)，而当处在第二运转模式时以较高的流量率将水供给所述燃烧器。
13．按权利要求12所述的燃烧装置，其特征在于所述供水子装置(130)还被构形成当燃气轮机(10)在低于预定百分比的发动机额定功率运转时以第一运转模式供水，而当燃气轮机在高于预定百分比的发动机额定功率运转时，以第二运转模式供水。
14．一种燃气轮机(10)，包括一个被构形成能减少所述燃气轮机排放物的燃烧器装置，后者包括一燃烧器(16)和一供水子装置(130)，所述燃烧器为一稀薄预混合燃烧器，被构形成能以小于1的燃料/空气混合当量比运转，所述供水子装置与所述燃气轮机连接，并被构形成能将水和蒸汽中的至少一种供给该燃气轮机，从而将水和蒸汽中的至少一种喷入该燃烧器。
15．按权利要求14所述的燃气轮机(10)，其特征在于所述燃烧器(16)包括至少一个预混合器(108)，所述供水子装置(130)还被构形成能将水和蒸汽中的至少一种供给所述燃烧器中的至少一个预混合器。
16．按权利要求14所述的燃烧装置，其特征在于所述燃烧器(16)包括多个钟形罩(56)，所述供水子装置还被构形成能将水和蒸汽中的一种供给所述燃烧器中的至少一个钟子罩。
17．按权利要求16所述的燃烧装置，其特征在于所述燃烧器(16)还包括一个第一钟形罩(58)，一个第二钟形罩(64)和一个第三钟形罩(70)，所述第二钟形罩配置在所述第一和第三钟形罩之间，所述供水子装置还被构形成能将水和蒸汽中的至少一个供给所述燃烧器第二钟形罩。
18．按权利要求14所述的燃烧装置，其特征在于所述供水子装置(130)可在第一和第二模式之间有选择地工作，所述供水子装置还被构形成当处于第一运转模式时以第一流量率将水供给所述燃烧器，而当处于第二运转模式时，以较高的流量率将水供给所述燃烧器。
19．按权利要求18所述的燃烧装置，其特征在于所述燃气轮机具有额定的发动机功率，所述供水子系统(130)还被设计成当燃气轮机在低于预定百分比的发动机额定功率运转时以第一运转模式供水，而当在高于预定百分比的发动机额定功率运转时，以第二运转模式供水。
20．按权利要求19所述的燃烧装置，其特征在于所述供水子装置(130)还被构形成当燃气轮机以大于约90％百分比的发动机额定功率的运转速度运转时，以第二运转模式供水。
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