CN1938549B - 用于燃烧室的运行的多级燃烧器装置以及用于运行该多级燃烧器装置的方法 - Google Patents

Abstract

一种多级燃烧器装置以及用于运行这种具有多个构造成预混燃烧器(1)的单燃烧器的多级燃烧器装置的方法，这些单燃烧器用于使热机的燃烧室点火且各具有一个涡流室(3)，燃烧用进入空气以及燃料在形成涡旋流动的情况下可被输入到所述涡流室(3)中，其中该涡旋流动在预混燃烧器(1)的下游在燃烧室内部形成一个回流区，在该回流区形成燃烧器火焰。本发明的特征在于，预混燃烧器(1)可通过至少一个第一和一个第二燃料管道(7、8)被供给燃料，燃料可通过这些燃料管道输入到涡流室(3)内以形成涡旋流动；每个预混燃烧器的每个第一燃料管道(7)与一个第一环形管道(12)连接，每个预混燃烧器的第二燃料管道(8)与一个第二环形管道(13)连接；至少在预混燃烧器的一个第一组中，在这些燃料管道(7、8)的至少一个中设有一个影响燃料供给的调节单元(15)。

Description

用于燃烧室的运行的多级燃烧器装置以及用于运行该多级燃烧器装置的方法

技术领域

本发明涉及一种具有多个被构造成预混燃烧器的单燃烧器的多级燃烧器装置，这些单燃烧器用于使一个热机、特别是一个燃气轮机装置的燃烧室点火并且各具有一个涡流室，燃烧用供入空气及燃料在形成涡旋流动的情况下被供入到涡流室中，其中涡旋流动在预混燃烧器的下游在燃烧室内部形成一个空间上非常稳定的回流区，在该回流区中在燃料-空气混合物被点燃后产生燃烧火焰。本发明还涉及一种用于运行这样的多级燃烧器装置的方法。

背景技术

多级燃烧器装置特别是由于生态学的观点得以实现，因为废气中的氮氧化物的形成在大的空气过剩的情况下由于较低的火焰温度而保持较低。在此特别是所谓的环形燃烧室能够得以开发，该环形燃烧室被用于驱动燃气轮机装置，并且设有多个围绕燃气轮机的旋转部件在圆形布置的单预混燃烧器，该燃气轮机的热气体通过一个被构造成环形的气流通道直接地被输送给设在后面的涡轮级。

一个如此的环形燃烧室结构例如可从EP 597 138 B1中获悉，该环形燃烧室设有多个环形设置的预混燃烧器，它例如可从EP 387 532A1中获知，并且分别被构造成双锥形燃烧器，该燃烧器设有一个由两个空心的锥形的部分体(Teilkoerper)在径向侧包围的涡流室，这些部分体的中轴线被彼此错开地设置，使得两个部分锥壳的相邻的壁在它们延伸上包围用于燃烧用空气的切向槽。液体燃料通过一个很大程度上设在涡流室内中心处的燃料喷嘴被供入到沿轴线方向锥形扩展的涡流室中。同样，预混燃烧器可通过沿在两个部分锥壳的壁的内部的切向槽分布的空气进入口被供给气体形式的燃料。因此在入口槽的区域已经形成一个与燃烧用进入空气的混合形态，其中沿在轴向上在涡流室内部传播的涡旋流动在涡流室的整个横截面上形成一个尽可能均匀的燃料浓度。在燃烧器出口出现一个被定义的球缺形的回流区，在该回流区的顶端在形成在该区域内部在空间上稳定的燃烧火焰的情况下进行点火。

在此类的燃气轮机装置运行时，通常在燃气轮机启动以及在低的负荷范围时对每一个单预混燃烧器通过一个所谓的引燃级(Pilotstufe)进行燃料供给，该引燃级根据预混燃烧器的构造被构造成一个中心的燃烧器喷枪，如它在DE 196 52 899 A1中描述的那样，或者构造成一个直接在燃烧器出口沿流动方向在燃烧室前设置的引燃气体供入。

在两种情况下，燃料被直接供入用于使火焰稳定必需的气流区域中，但该燃料对于有害物质排放以一种极其不利的混合比例在接近化学计量的条件下燃烧。由于在所谓的引燃运行中在NO2、CO和NO_X方面高的排放值，因此特别在燃气轮机装置的中高负荷范围需要使通过每个引燃级的燃料供给节流并且所谓的预混合级范围内的燃料供给、即气态燃料的供入沿着进空气口通过部分锥壳的壁进行。为了避免火焰回弹到引燃级中，在一个引燃燃料供给完全关闭后必须将可燃的残留物从引燃管道中清除。这样就需要技术上费事的扫气方法。此外，从引燃工况向预混工况的转换过程或相反的转换过程是不期望的，因为由此会激起燃烧器内部的脉动，该脉动视标记(Auspraegung)而定使得参与燃烧过程的设备部件被机械地强烈地加载。

另外这样的热声振荡也尤其出现在预混工况，也就是说，在中高负荷范围中出现，通过该振荡使得在燃烧室内部形成的火焰稳定性被大大地削弱。

通常在使用环形燃烧室点火的燃气轮机中所有的预混燃烧器在预混工况期间被以相同的方式供给气体形式的燃料。但是，在燃气轮机装置的不同负荷条件下形成一些运行范围，在这些运行范围中出现强烈的燃烧室脉动、不完全的燃烧以及与之相关的高一氧化碳值和高数值的不饱和碳氢化合物，并且可出现单预混燃烧器的不良的横向点火行为。

为了克服这一问题，在DE 101 08 560 A1中建议，为了有效地降低燃烧室脉动的出现，在所有设置在多级燃烧器装置中的预混燃烧器的燃料供给中迄今为止应用的对称被有针对地取消。在此至少一个预混燃烧器这样运行，即在燃料-空气混合物内部该至少一个预混燃烧器具有一个与所有其它设置在多级燃烧器装置中的预混燃烧器不同的、空间上的混合轮廓(Mischungsprofil)。在此，至少一个预混燃烧器设有一个在构造上与所有其它预混燃烧器有偏差的燃料供给，用于沿着在径向上限定锥形涡流室的部分锥壳供给气体形态的燃料。虽然这一措施有助于减弱在燃气轮机装置的高负荷范围通常以共振形式产生的周期性地在一个环形燃烧室中传播的脉动，然而对燃烧器性能的在燃气轮机装置在不同的负荷状态下的运行方面以及在考虑到其它的、影响相应的预混燃烧器内部的燃烧过程的参数、例如在气体涡轮的功率增加时在燃烧用空气中强烈变化的湿度比例、环境温度、燃料成分的改变以及所有燃气轮机装置的老化现象的其它影响受到限制。此外前面描述的建议不可能在已经存在的燃气轮机装置中进行事后的改进，因此该公开的措施仅可在新添置的燃气轮机装置上实现。

发明内容

本发明的任务在于，这样地改进根据具有多个构造成预混燃烧器单燃烧器的多级燃烧器装置，尤其是用于一个燃气轮机装置的运行，使得多个单预混燃烧器的运行尽可能柔性及可变地根据相应的负荷状态及影响燃烧过程的参数得到优化，如前面所提到的。特别是提供一个调节可能性，它使一个多级燃烧器装置的在有害物质排放方面的运行被优化以及在所有负荷范围内明显降低由燃烧导致的脉动。

在说明书中给出了作为本发明任务的基础的方案。本发明的另一主题是一个用于运行多级燃烧器装置的方法，它例如适合于一个环形燃烧室的运行。

本发明的多级燃烧器装置的特征在于有目的地应用在可分级驱动的预混燃烧器系统中，所述系统具有对于预混工况将燃料分级地喷入涡流室中的装置。为此每个单个的、设置在各级燃烧器构造中的预混燃烧器通过至少两个分开的燃料管道、即一个所谓的第一和一个第二燃料管道供给燃料、优选气态燃料，燃料通过这些燃料管道被供入到涡流室中，以进一步形成涡流。每一个预混燃烧器的各第一燃料管道与一个第一环形管道连接，第一燃料管道通过该环形管道对所有在多级燃烧器装置内的预混燃烧器供给燃料。此外还设有一个第二环形管道，它各与每个单的、设置在多级燃烧器装置内的预混燃烧器的第二燃料管道相连接。目前重要的是，在第一组预混燃烧器——其数量优选被选择地少于设在多级燃烧器装置中的总数的一半——中，在燃料管道的至少一个中设有一个影响燃料供给的调节单元，例如一个节流阀。通过在一个选择出的预混燃烧器组方面的燃料供给的被调节的的节流，一方面可沿一个环形的预混燃烧器排布例如在一个环形燃烧室装置的范围内实现一个有目的地不对称的温度轮廓及由此有效地抵制制约燃烧器的热声振荡。另一方面，可调节的燃料节流允许燃烧器性能的一个个别的、基于所有影响燃烧过程的参数的协调。

本发明的具有一个可调节的燃料节流的燃烧器方案至少在一个多级燃烧器装置内部的有目的地选出的预混燃烧器中既可在带燃烧器喷枪的预混燃烧器中又可用外部的引燃供入来实现。

在具有一个至少部分地在中心伸入涡流室的燃烧器喷枪的预混燃烧器的应用中，在燃气轮机的启动工况或在低负荷工况时，优选气态燃料的大部分被通过燃烧器喷枪供入到涡流室中。为此各燃烧器喷枪与各第一燃料管道连接，这些燃料管道分别由一个共同的环形管道供给燃料。相反，在中高负荷时，多级燃烧器装置被这样运行，即气体形态的燃料的多半通过各个第二燃料管道经燃料出口供入到预混燃烧器，所述燃料出口沿进空气口延伸。这通过接通经第二环形管道的燃料供给可能实现，通过该环形管道单预混燃烧器的各个第二燃料管道被供给燃料，其中根据需求可使经第一环形管道的燃料供入被节流。这具有优点，即与燃气轮机装置的工作点无关地总是可以产生理想的空气-燃料混合物，其中各个燃料级(brennstoffstufe)根据燃气轮机装置的负荷情况被不同地供给燃料，并且以这种方式在有害物质排放和脉动现象方面得到了燃烧特性的优化，因此燃气轮机的运行范围可大大拓宽。

以相同的方法，即燃料的分级通过一个在中心至少部分地伸入涡流室的燃烧器喷枪实现，也可能的是，沿燃烧用空气的进入槽进行燃料分级。还可以考虑，通过一个在外部引导的引燃级实现燃料分级，该引燃级被设置在燃烧室上游的燃烧器出口上。

与所使用的预混燃烧器的各构造形式及环形管道和与之相连的第一和第二燃料管道间的可由负荷状态调节的燃料供给关系无关地，本发明的燃烧器方案使得通过沿从一个环形管道岔出的燃料管道设置附加的调节单元仅在一个选出的、设置在多级燃烧器中的预混燃烧器的组中一个有目的的、沿着在燃烧室内部形成的火焰的温度分布方面的对称被取消，由此可对在燃烧室内部形成的热声振荡的降低产生决定性的影响。同样，允许设置在燃料管道中的、优选被构造成节流阀的调节单元根据影响燃烧过程的参数、例如燃烧用空气中的根据燃气轮机装置的负荷范围变化的湿度比例、环境温度、燃料组份的改变以及燃气轮机部件的老化主动地调节或控制。

附图说明

本发明在下面在不限制一般的发明构思的情况下依据实施例参考附图进行举例说明。

图1分级的预混燃烧器的示意图

图2替代方案的用于预混燃烧器的燃料供给的燃料管道的视图，

图3a，b用于使一个两次分级的预混燃烧器装置点火的两个环形管道的布置，

图4用于使一个环形燃烧室点火的预混燃烧器的环状布置示意图。

具体实施方式

图1示出了一个具有分级的燃料供给的预混燃烧器1的纵剖面以及一个逆着流动方向S定向的前视图。被锥形地构造的预混燃烧器1以它的这些在图1中示出的、非常简化的部分锥壳2包围一个锥形地构造的涡流室3。这些部分锥壳2由于它们的彼此上下重叠的排布分别包围多个进空气口4，燃料供入口5沿着所述空气进入口分布地设置，气态的燃料通过这些燃料供入口被输入涡流室3中，以便形成涡旋流动。

在中心至少部分地伸入涡流室3地设置了一个燃烧器喷枪6，该喷枪6也具有一些燃料出口，燃料可通过这些燃料出口被供入到涡流室3中。通过喷枪6的燃料供给最好在燃气轮机装置的启动时及低负荷范围时进行。相反，如果燃气轮机处于中或高负荷范围时，燃料供给主要通过沿着部分锥壳延伸的燃料供入口5进行。

图2a示意性示出了在一个单的、根据图1所示的实施例方式的类型的预混燃烧器上的燃料供给。一个第一燃料管道7与喷枪6连接，而一个第二燃料管道8与燃料供入口5连接，这些燃料供入口5沿部分锥壳2内部的进空气口4延伸。

代替前面描述的预混燃烧器的方案，也可能使一个根据图2b的图示分级地构造的预混燃烧器沿两个向上错开的燃料供入区域9，10单独地通过燃料管道7，8供给燃料。

另一个燃料供给的方案在图2c中示出，其中，一个第一燃料级通过一个外部的引燃级11产生，该引燃级11与燃烧器出口连接，并且设置在燃烧室BK的上游，第二燃烧器级相应于图2b中的沿部分锥壳2及沿进空气口4分布的燃料供入口5。

从图3中示意性得出用于各个燃料管道7，8的、用于燃料供给的管道方案，通过它，没有示出的预混燃烧器被以图2中给出的方式供给燃料。在此，所有预混燃烧器的燃料管道7与一个第一环形管道12连接，燃料管道8相应地与一个第二环形管道13连接。至少一个调节装置14用于调节环形管道12、13间的一个所期望的燃料供给比例及由此也调节与环形管道12、13相连接的燃料管道7、8间燃料供给比例，用该调节装置14可有目的地调节经由相应的环形管道12、13的燃料分配。此外，在一定数量的燃料管道7中，在这里是4个，设置了一些附加的调节单元15、尤其是可调节的节流阀，通过所述节流阀使得通过在实施例中每个第一燃料管道7的燃料供给的有目的的节流成为可能，该第一燃料管道最好与燃烧器喷枪相连接。

在图3示出的实施例中，十个被设置成环形结构的预混燃烧器(未示出)中有四个通过调节单元14的相应节流经各自的燃料管道7被节流地供给燃料，由此所涉及的预混燃烧器具有一个燃烧温度，该燃烧温度与所有其它的设在该环形结构中的未被节流的预混燃烧器的燃烧温度是不同的。如本文开头所述，这导致沿环状的预混燃烧器设置的温度分布的不对称，由此可有效地抵制在燃烧室内部的热声振荡的形成。由于被构造成节流阀的调节单元15的可调节性，可在考虑到最不同的、影响燃烧过程的参数的情况下优化燃烧过程。

在图4中示意性示出了用于使一个环形燃烧室点火的一个多级燃烧器装置。均匀分布地在一个环形面上设置了18个预混燃烧器，其中有一个黑点的预混燃烧器被无节流地运行，其它的、分别用一个圆圈标记的预混燃烧器被例如用一个节流的喷枪级节流地运行。因为如前面所描述的，燃料节流程度可被可变地调节并且最终用于每个单个的被节流地运行的预混燃烧器，所以可以调节不同的、在燃烧室的周围分布的不均匀的温度轮廓，该温度轮廓能够决定性地影响燃烧过程。通过有目的的在多级燃烧器装置中可被节流地运行的预混燃烧器施加一个可调节的影响，燃烧过程可直接在燃气轮机的运行中得到优化。

所以假设，在图4中被设置用于使一个环形燃烧室点火的18个预混燃烧器被设计有一个在燃烧器内部的、具有一个喷枪级和一个燃烧器级的燃料级(Brennstoffstufung)。在12个燃烧器中，两个燃烧器级被完全打开，而在其它6个剩余的燃烧器中各喷枪级被完全关闭。假如全部输送给燃烧器的燃料的10-50％总是通过喷枪引入，这种燃烧器构造原则上允许一个在有害物质排放方面可接受的运行范围。以这种方式，可能的是，在一个相对总输入燃料的16-30％的范围内调节贫油(mager)的包括燃烧器1、4、7、10、13、16的燃烧器组的方位燃烧器分组(azimuthale Brennergruppierung)。

本发明的燃烧器方案并不仅是被成功地用于环形燃烧室，而且还可用于这样的燃烧器装置，这些燃烧器装置面上设有均匀或不均匀分布的单燃烧器，例如用于使一个盆形燃烧室点火。因此，可能的是，通过被节流的预混燃烧器的相应的定位，除了已经描述的方位燃烧器分组的方案外，还可任意调节径向延伸的温度轮廓(Temperaturprofil)。同样可设想这种方案，在该方案中燃烧器装置轴向上一个接一个地设置，例如在轴向上分级的燃烧室中。

参考标号表

1     预混燃烧器

2     部分锥壳

3     涡流室

4     空气进入口

5     燃料口

6     喷枪，喷枪级

7，8  燃料管道

9，10 燃料供入区域

11    外部的引燃级

12，13第一及第二环形管道

14    调节装置

15    调节单元

Claims (11)

1.具有多个构造成预混燃烧器(1)的单燃烧器的多级燃烧器装置，这些单燃烧器用于使热机的燃烧室点火且各具有一个涡流室(3)，燃烧用进入空气以及燃料在形成涡旋流动的情况下可被输入到所述涡流室(3)中，其中该涡旋流动在预混燃烧器(1)的下游在燃烧室内部形成一个回流区，在该回流区形成燃烧器火焰，其特征在于，预混燃烧器(1)可通过至少一个第一和一个第二燃料管道(7、8)被供给燃料，燃料可通过这些燃料管道输入到涡流室(3)内以形成涡旋流动；每个预混燃烧器的每个第一燃料管道(7)与一个第一环形管道(12)连接，每个预混燃烧器的第二燃料管道(8)与一个第二环形管道(13)连接；至少在第一组的预混燃烧器中，在这些燃料管道(7、8)的至少一个中设有一个影响燃料供给的调节单元(15)；所述第一组的预混燃烧器的数量少于这多个预混燃烧器总数的一半，预混燃烧器(1)各具有一个部分锥形地构成的涡流室(3)，该涡流室由至少两个相互部分地上下重叠的、分别包围有切向的进空气口(4)的部分锥壳(2)在径向上构成边界；向着涡流室(3)中的燃料供入通过至少两个隔开的、各与一个燃料管道(7、8)连接的燃料供入区域实现，这些燃料供入区域在部分锥形地构造的涡流室(3)的轴向上被隔开或者轴向上部分地上下重叠地设置并且各与一个燃料管道(7、8)连接。

2.如权利要求1的多级燃烧器装置，其特征在于，调节单元(15)是一个节流板。

3.如权利要求1的多级燃烧器装置，其特征在于，轴向地到涡流室(3)中在涡流室的中心至少部分地伸入地设置一个燃烧器喷枪(6)；一个第一燃料供入区域被沿燃烧器喷枪(6)设置，及一个第二燃料供入区域被沿部分锥壳(2)、在进空气口(4)的区域中设置。

4.如权利要求1的多级燃烧器装置，其特征在于，一个第一燃料供入区域(9)沿部分锥壳(2)、在进空气口(4)的区域中被设置，并且一个第二燃料供入区域(10)在轴向上毗邻沿着部分锥壳(2)的第一燃料供入区域(9)地被设置。

5.如权利要求1或2的多级燃烧器装置，其特征在于，这多个预混燃烧器(1)被设置成环形布置的形式以使一个环形燃烧室点火或者被设置成圆面布置的形式以使一个盆形燃烧室被点火。

6.如权利要求1或2的多级燃烧器装置，其特征在于，在第一和/或第二环形管道(12、13)内部各设置一个调节装置(14)。

7.用于运行具有多个单燃烧器的多级燃烧器装置的方法，这些单燃烧器用于使一个热机的燃烧室点火并且被构造成预混燃烧器(1)，这些预混燃烧器(1)各具有一个涡流室(3)，燃烧用供入空气及燃料在形成一个涡旋流动的情况下被输入到涡流室(3)中，其中涡旋流动在预混燃烧器(1)的下游在燃烧室内部形成一个回流区，在该回流区中形成燃烧器火焰，其中预混燃烧器(1)被分成至少两组，这两组分别被供给不同的燃料量，其特征在于，预混燃烧器(1)通过至少一个第一和一个第二燃料管道(7、8)被供给燃料，燃料通过这些燃料管道供入到涡流室(3)内以形成涡旋流动，其中每个预混燃烧器的每个第一燃料管道(7)通过一个第一环形管道(12)并且每个预混燃烧器的第二燃料管道(8)通过一个第二环形管道(13)被供给燃料，并且至少在第一组的预混燃烧器中沿这些燃料管道中的至少一个所述燃料供给被节流地进行，所述第一组的预混燃烧器的数量少于这多个设在该多级燃烧器装置中的单燃烧器数量的一半，所述燃料供入通过至少两个沿每一个预混燃烧器的涡流室(3)的、轴向上分开的燃料供入区域进行。

8.如权利要求7的方法，其特征在于，燃料供入的节流被调节地或被控制地进行。

9.如权利要求8的方法，其特征在于，燃料节流的调节或控制根据热机的负荷状况以降低燃烧室内部形成的脉动、减少燃烧时出现的有害物质排放值为基础和/或根据燃料成分、环境温度和/或环境湿度进行。

10.如权利要求7的方法，其特征在于，通过一个设置在涡流室(3)内部中心的燃料喷枪(6)进行一个第一燃料供入，及沿在径向上构成涡流室(3)的边界的部分锥壳(2)进行一个第二燃料供入。

11.如权利要求7的方法，其特征在于，一个第一和第二燃料供入沿在径向上构成涡流室(3)的边界的部分锥壳(2)进行。

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