低排放燃烧器及其运行方法.pdf

提供一种燃烧器(30)。所述燃烧器(30)包括燃烧器衬管(32)和设置在燃烧器衬管(32)头部的涡旋形预混器(34)，并且所述涡旋形预混器设置成将燃料－空气混合物提供给燃烧器(30)。燃烧器(30)还包括设置在燃烧器衬管(32)上、涡旋形预混器(34)下游的多个切向分级喷射器(36)，其中多个喷射器(36)中的每一个设置成沿燃烧器(30)纵轴(44)的横向方向引入燃料－空气混合物，并且顺序地点燃来自于相邻的切向喷射器(36)的燃料－空气混合物。

1、  一种燃烧器(30)，包括：
燃烧器衬管(32)；
设置在燃烧器衬管(32)头部的涡旋形预混器(34)，并且所述涡旋形预混器(34)设置成将燃料-空气混合物提供给燃烧器(30)；和
设置在燃烧器衬管(32)上、涡旋形预混器(34)下游的多个切向分级喷射器(36)；其中多个喷射器(36)中的每一个设置成沿燃烧器(30)纵轴(44)的横向方向引入燃料-空气混合物，并且顺序地点燃来自于相邻的切向喷射器(36)的燃料-空气混合物。

2、  如权利要求1所述的燃烧器(30)，其特征在于，通过多个喷射器(36)引入的燃料混合物被来自于喷射器(36)的在前燃烧气体放出的热量点燃。

3、  如权利要求1所述的燃烧器(30)，其特征在于，多个喷射器(36)设置成在燃烧器(30)内部引起环形的动量，以促进火焰的稳定。

4、  如权利要求1所述的燃烧器(30)，其特征在于，涡旋形预混器(34)设置成在燃烧器(30)的启动、或加速、或停机状态期间，在燃烧器(30)内部引起燃料-空气混合物的中心旋涡。

5、  如权利要求1所述的燃烧器(30)，其特征在于，燃料包括天然气、或者氢气、或者合成气、或者碳氢化合物、或者一氧化碳、或者蒸馏燃料或者其组合。

6、  如权利要求1所述的燃烧器(30)，其特征在于，多个喷射器(36)设置成在燃烧器衬管(32)上的交错结构，以在燃烧器(30)内实现燃料分级。

7、  一种燃气轮机系统(10)，包括：
用于压缩环境空气的压缩机(14)；
与压缩机(14)进行流体连通的燃烧器(12)，所述燃烧器(12)设置成从压缩机(14)接收压缩后的空气，并燃烧燃料流以产生燃烧器排出气体流；其中燃烧器(12)包括：
设置在燃烧器(12)头部的涡旋形预混器(34)，所述涡旋形预混器(34)在燃烧器(12)内引起燃料-空气混合物的中心旋涡；以及
设置在涡旋形预混器(34)下游的多个切向喷射器(36)；其中多个切向喷射器(36)中的每一个设置成沿燃烧器(12)纵轴(44)的横向方向引入燃料-空气混合物，以促进通过喷射器(36)的燃料-空气混合物的连续点燃；以及
位于燃烧器(12)下游的涡轮机(16)，并且所述涡轮机(16)用于使燃烧器排出气体流膨胀。

8、  一种运行燃烧器的方法，包括：
通过设置在燃烧器头部的涡旋形预混器，在燃烧器内产生燃料-空气混合物的中心旋涡；
通过多个喷射器横向地引入涡旋形预混器下游的燃料-空气混合物；以及
利用来自于相邻喷射器的在前燃烧气体产生的热量，顺序地点燃通过每个喷射器引入的燃料-空气混合物。

9、  一种减少燃烧器排放物的方法，包括：
在燃烧器的头部设置涡旋形预混器，用于为燃烧器提供燃料-空气混合物的中心旋涡流；以及
在涡旋形预混器的下游配置多个切向分级喷射器，用于沿燃烧器纵轴的横向方向引入燃料-空气混合物，并用于促进通过喷射器的燃料-空气混合物的顺序点燃。

10、  一种燃烧器(30)，包括：
燃烧器壳体(32)；
设置在燃烧器壳体(32)头部的涡旋形预混器(34)，并且所述涡旋形预混器(34)设置成将燃料-空气混合物提供给燃烧器(30)；以及
设置在燃烧器壳体(32)上、涡旋形预混器(34)下游的多个切向分级喷射器(36)；其中多个喷射器(36)中的每一个设置成沿燃烧器(30)纵轴(44)的横向方向引入燃料-空气混合物，并且顺序地点燃来自于相邻切向喷射器(36)的燃料-空气混合物。

低排放燃烧器及其运行方法
技术领域
本发明一般涉及燃烧器，并且更特别地，涉及一种低排放燃烧器及其运行方法。
背景技术
众所周知有多种燃气轮机系统并且都在使用。例如，将航空派生的燃气轮机应用到例如：发电、船舶推进、气体压缩、废热发电、海上平台动力等等之上。典型地，燃气轮机包括：压缩机和燃烧器，所述压缩机用于压缩空气流，并且所述燃烧器将压缩后的空气与燃料混合并且点燃混合物以产生工作气体。而且，工作气体通过涡轮机膨胀用于发电。典型地，燃烧器部分与压缩机和涡轮机部分同轴设置。而且可以根据燃气轮机的运行配置来选择燃烧器部分的设计。例如，在特定燃气轮机内使用的燃烧器可以是筒形燃烧器、环形燃烧器或者环管式燃烧器。
另外，燃气轮机的燃烧器设计成使排放物最小化，这些排放物例如是NO_X和一氧化碳排放物。在某些系统中，使用贫气预混燃烧技术来减少这些系统中的排放物。典型地，通过在燃烧器的反应区内降低火焰温度来控制NO_X排放物。在运行中，通过在燃烧前将燃料和空气预混来获得低火焰温度。遗憾地是，这种燃烧器的可操作性窗口变得非常小，并且该燃烧器需要在远离贫气吹熄极限的情况下运行。因此，很难在其设计空间外操作燃烧器中使用的预混器。而且，当非常不饱和的火焰受到动力设置的改变、流动干扰或者燃料成分变化的影响时，所产生的当量比波动会导致燃烧的损失。这种吹熄会导致动力和固定式涡轮机内昂贵的停机时间的损失。
而且，贫气预混燃烧会导致放热区位置的波动，该波动将导致压力的高波动。这种波动会达到高振幅并且实质上导致更高的NO_X排放，从而会破坏燃烧器设备。
因此，需要提供一种燃烧器，该燃烧器在满负荷运行时能够减少NO_X排放物。而且提供一种燃气轮机用的燃烧器也是有好处的，所述燃烧器可以在多种燃料下运行，而且在涡轮机的负荷下保持可以接受的压力波动水平。
发明内容
简要地，根据一个实施例，提供一种燃烧器。所述燃烧器包括燃烧器衬管和设置在燃烧器衬管头部的涡旋形预混器，并且所述涡旋形预混器设置成将燃料-空气混合物提供给燃烧器。所述燃烧器还包括：设置在燃烧器衬管上、涡旋形预混器下游的多个切向分级喷射器；其中多个喷射器中的每一个设置成沿燃烧器纵轴的横向方向引入燃料-空气混合物，并且顺序地点燃来自于相邻的切向喷射器的燃料-空气混合物。
在另一个实施例中，提供一种燃气轮机系统。所述燃气轮机系统包括：用于压缩环境空气的压缩机和与压缩机进行流体连通的燃烧器，所述燃烧器设置成从压缩机接收压缩后的空气，并燃烧燃料流以产生燃烧器排出气体流。所述燃气轮机系统还包括：位于燃烧器下游的涡轮机，并且该涡轮机用于使燃烧器排出气体流膨胀。所述燃烧器包括：设置在燃烧器头部的涡旋形预混器，所述涡旋形预混器用于在燃烧器内引起燃料-空气混合物的中心旋涡，和设置在涡旋形预混器下游的多个切向喷射器；其中多个喷射器中的每一个设置成沿燃烧器纵轴的横向方向引入燃料-空气混合物，以促进通过喷射器的燃料-空气混合物的顺序点燃。
在另一个实施例中，提供一种运行燃烧器的方法。该方法包括：通过设置在燃烧器头部的涡旋形预混器，在燃烧器内产生燃料-空气混合物的中心旋涡，并且通过多个喷射器，引入涡旋形预混器下游的燃料-空气混合物。该方法还包括通过利用相邻喷射器的在前燃烧气体的热量，顺序地点燃每个喷射器引入的燃料-空气混合物。
附图说明
当参照附图来阅读下面的详细描述时，会更好的理解本发明的这些和其他的特征、方面和优点，其中在所有附图中用相同的特征来表示相同的部件，其中：
图1是根据本发明具有低排放燃烧器的燃气轮机的图示；
图2是根据本发明的图1中燃气轮机运行过程的图示；
图3是根据本发明的图1中低排放燃烧器的图示；
图4是根据本发明的图3燃烧器中使用的切向喷射器和位于头部的轴向涡旋形预混器结构的图示；
图5是根据本发明另一个实施例燃烧器的横剖面视图；和
图6是根据本发明通过图3中切向喷射器和头部的涡旋形预混器获得的燃料分级和连续引燃的区域图示。
部件列表
燃气轮机10、燃烧器12、压缩机14、涡轮机16、轴18、环境空气20、压缩空气22、燃料流24、燃烧器排出气体流26、废气28、燃烧器30、燃烧器衬管32、涡旋形预混器34、切向喷射器36-42、燃烧器轴44、入口46-52、燃烧器部分60、空气流62、喷射器64、空气流66、燃料68、火焰70、燃料分级区80、预混区82、混合区86、反应区88、燃尽区90。
具体实施方式
如下面详细所述，本发明实施例的目的是降低燃烧器内的排放物，这些燃烧器例如是燃气轮机内使用的筒形燃烧器和环管式燃烧器。特别地，本发明包括在燃烧器内使用贫气预混燃料分级和废气再循环，以使均匀燃烧的燃烧器能够贫气运行，从而使排放物，例如：NO_X的排放物最小化。在本实施例中，贫气预混燃料分级能够在燃烧器内以相当低的火焰温度进行稳定的燃烧，以使排放物最小化。现在转到附图并且首先参见图1，该图描述了具有低排放燃烧器12的燃气轮机10。燃气轮机10包括用于压缩环境空气的压缩机14。燃烧器12与压缩机14进行流体连通，并且所述燃烧器12设置成用于接收压缩机14的压缩后的空气，和用于燃烧燃料流以产生燃烧器的排出气体流。另外，燃气轮机10包括位于燃烧器12下游的涡轮机16。涡轮机16设置成将燃烧器排出气体流膨胀以驱动外部负荷。在所述的实施例中，压缩机16由涡轮机16通过轴18产生的动力驱动。
图2描述了图1中燃气轮机10运行的过程。在运行中，压缩机14接收环境空气流20，并且压缩环境空气流20以产生压缩后的空气流22。在某些实施例中，可以使用增压压缩机来接收和压缩环境空气流20。而且，增压压缩机中出来的压缩后的空气流被导入压缩机14进行更进一步的压缩。值得所属领域的技术人员推荐的是，根据运行的配置，压缩机14可以包括用于增大燃气轮机10的输出功率的多个压缩机。例如，燃气轮机10可以包括低压压缩机和高压压缩机。可选择的是，燃气轮机10可以包括低压压缩机、中压压缩机和高压压缩机。接着，将从压缩机14出来的压缩后的空气流22导入燃烧器12，用于与燃料流24混合和燃烧，以产生燃烧器排出气体流26。在一个实施例中，燃烧器12包括筒形燃烧器。在另一个实施例中，燃烧器12包括环筒式燃烧器。而且，燃烧器排出气体流26通过涡轮机16膨胀用于驱动外部负荷。在所述实施例中，燃烧器12通过多个横向喷射器进行燃料流24的燃料分级，下面将参见附图3-6进行详细描述。如这里使用的，术语“燃料分级”表示当通过燃烧器12时燃料-空气混合物在不同点的点燃。
图3是图1中低排放燃烧器30的图示。在所述实施例中，燃烧器30包括燃烧器衬管32和位于燃烧器衬管32头部的涡旋形预混器34。涡旋形预混器34设置成将燃料-空气混合物提供给燃烧器30，并且在燃烧器30内引起燃料-空气混合物的中心旋涡。在一个实施例中，燃烧器30包括干式低NO_X(DLN)燃烧器。在某些实施例中，涡旋形预混器34用于在燃烧器30的启动、或加速，或停机状态期间运行，以在燃烧器30内引起燃料-空气混合物的中心旋涡。
而且，燃烧器30包括多个切向的分级喷射器，例如用标号36、38、40和42表示。在所述的实施例中，燃烧器30包括四个切向的分级燃烧器36、38、40和42。然而，燃烧器30可以使用更少或者更多数量的喷射器。而且，多个喷射器36、38、40和42设置在燃烧器衬管32上的圆周分级结构中，以在燃烧器30内实现燃料分级。在一个实施例中，多个喷射器36、38、40和42轴向分级，以在燃烧器30内实现轴向燃料分级。在所述实施例中，多个喷射器36、38、40和42中的每一个设置成沿燃烧器30纵轴44的横向方向引入新鲜燃料空气混合物，并且顺序地点燃燃料-空气混合物。如这里使用的，术语“横向的”表示与燃烧器30的纵轴44成直角但是远离燃烧器30中心线的方向。在某些实施例中，喷射器36、38、40和42可以将燃料-空气混合物以与纵轴成某个角度的方向导入。通过多个喷射器36、38、40和42喷射的燃料包括天然气、或者氢气、或者合成气、或者碳氢化合物、一氧化碳、或者它们的混合物。然而，可以设想多种其他的燃料。在某些实施例中，喷射器36、38、40和42中的每一个具有双燃料或者多燃料的能力并且使用燃料的预混-预蒸发特征。多种燃料能力有利于促进备用燃料的能力，特别是对于液体燃料，例如蒸馏物。
在所述的实施例中，切向的喷射器36、38、40和42中的每一个包括燃料入口46、48、50和52，这些入口用于分别为切向的喷射器36、38、40和-42提供燃料-空气混合物。另外，喷射器36、38、40和42可以包括相关的阀门以控制供应到喷射器36、38、40和42的燃料。在某些实施例中，喷射器36、38、40和42可以产生旋涡流来加速预混的过程。在运行中，由喷射器36、38、40和42导入的燃料-空气混合物通过利用从喷射器36、38、40和42喷出的在前燃烧的气体产生的热量和通过头部涡旋式喷嘴的旋转稳焰反应释放的热量点燃。
而且，多个喷射器36、38、40和42设置成在燃烧器30内部引起切向动量以促进燃烧器30内的火焰稳定，并且补充由头部涡旋式喷嘴34产生的旋涡流。因此，燃烧器30的中心保持旋涡运动，并且新鲜的贫气混合物以垂直于燃烧器30的轴44的方向供应。另外，这种燃料和空气的新鲜混合物的低旋涡和切向的动量导致速度非常高，足以防止火焰保持在燃烧器衬管32上或者切向的喷射器36、38、40和42上，并且足以促进通过喷射器36、38、40和42提供的新鲜贫气混合物的点燃。在所述的实施例中，燃烧器30包括位于喷射器36、38、40和42下游的多个稀释孔54，用于引入稀释空气来加快燃烧器衬管32壁面的冷却。下面将参见图4-6描述通过喷射器36、38、40和42提供的燃料-空气混合物的顺序点燃。
图4是图3中燃烧器30使用的切向喷射器的示例结构56的图示。如所述，涡旋形预混器34设置在燃烧器30的头部(如图3所示)，并且多个喷射器例如36、38、40和42设置成交错的圆周形或者轴向的结构，以在燃烧器30内获得燃料的分级。多个喷射器36、38、40和42设置成除了由涡旋形预混器34产生的中心旋涡之外，还通过燃料分级导致燃料-空气混合物进行环形运动。特别地，这种分级由新鲜的燃料-空气混合物通过喷射器36、38、40和42的切向喷射实现。在所述的实施例中，喷射器36、38、40和42以垂直于燃烧器纵轴的方向引入燃料-空气混合物。可选择地，喷射器36、38、40和42可以以相对于纵轴0°-45°的角度方向引入燃料-空气混合物。在某些实施例中，喷射器36、38、40和42可以设置成交错的结构，以使燃烧器30内的动力能够减少。在一些实施例中，通过操作期望数量的喷射器36、38、40和42可以在燃烧器30内实现负荷分级的能力。在运行中，可以开启所选数量的喷射器36、38、40和42，而同时其他喷射器冷却运行，以简化燃烧器的关闭状态。
在运行中，由涡旋形预混器34产生的中心旋涡促进了燃烧器30内的火焰稳定，并且当切向的喷射器36、38、40和42没有运行并且只有空气供应给后者时，所述的中心旋涡能够启动燃烧器30。如下面图5和图6所述，一旦使用燃烧器30头部的涡旋形预混器34已经稳定火焰，并且可能是引燃火焰，涡旋形预混器34就会促进从涡旋形预混器34到喷射器36、38、40和42的点燃传播。而且，一旦点燃传播到喷射器36、38、40和42，燃烧器头部燃料会减到最少，从而实现接近于预混器贫气吹熄点的高度预混运行模式，同时燃料通过切向喷射器36、38、40和42以满运行供应。
图5是具有切向燃料喷射的另一个实施例的燃烧器60的横剖面视图。如上所述，燃烧器60接收空气62的中心旋涡。在这个实施例中，预混器34位于燃烧器60的中心并且与中心线44排成一行。预混器34设置成在燃烧器60内引入燃料-空气混合物。在某些实施例中，燃烧器可以包括点火器(图中未示出)，用于在燃烧器60的启动状态下点燃燃料-空气混合物。另外，通过多个喷射器将新鲜燃料-空气混合物沿燃烧器60的轴44的横向方向引入，这些喷射器例如用位于涡旋形预混器34下游的标号64表示。在所述实施例中，多个喷射器64中的每一个接收如标号66和68表示的燃料和空气，并且这种预混的混合物通过每个喷射器64导入燃烧器60内。燃料-空气混合物通过多个喷射器64和头部的涡旋形预混器34的喷射引入了燃烧器60中心内的混合物的切向动量。在本实施例中，燃烧器60的上游增压起大型预混器的作用并且反应发生在上游增压的下游。
另外，燃料-空气混合物连续地被从相邻喷射器喷出的在前燃烧的气体和由头部的涡旋式预混器34的旋转稳定火焰70反应释放的热量点燃。而且，燃烧过程在燃尽区完成，这里可以引入任何平衡燃烧空气。在所述的实施例中，燃烧器内燃料-空气混合物的环形运动促进了火焰的稳定。另外，下面将参见图6描述，燃料-空气混合物的横向喷射促进了燃烧器60内的自续式点燃。
图6是通过图4中切向喷射器获得的燃料分级和顺序点燃的区域80的图示。在所述实施例中，通过燃烧器内预混-反应-点燃机构实现顺序点燃。燃烧器内具有旋涡和环形动量的顺序点燃充分地减少了燃烧器排出的排放物，并且提高了在相对更大的温度窗口的运行能力。
在所述实施例中，对于每个喷射器36、38、40和42，点燃可以以四个区域80为特征，所述区域促进了燃烧器内的火焰稳定和废气的再循环。例如，通过喷射器40引入的燃料和空气在预混区82并且随后在混合区84内预混。而且，燃料-空气混合物在点燃区86点燃。一旦点燃区86的温度足够高以维持燃烧，化学反应就会在反应区88发生。接着，从反应区88出来的气体进入燃尽区90。同样，对于每个喷射器36、38、40和42，通过上述的预混-反应点火机构来促进点火。
在所述实施例中，从每个切向预混器36、38、40和42中出来的预混气体和空气的速度比局部火焰速度大得多，因此防止火焰回火进入切向预混器中。而且，在提供给每个预混器36、38、40和42的燃料和空气之间，预混在预混区82中继续进行。另外，与燃烧器中心燃烧产生的热气体混合在混合区84中发展。因此，新鲜的混合物达到点燃条件时就会自然地点燃。而且，动量携带燃烧的气体并且将它们和中心完全混合，从而在反应区88内实现均匀和完全的反应，其中该中心沿着轴44具有高得多的轴向动量(参见图3)。这可以通过在切向预混管中引起低旋涡和大的轴向动量(例如低旋涡数)来实现。值得注意的是，使用这种设计，动量能促进中心内的旋涡运动和火焰稳定。中心火焰70因此不会冲刷衬管42的壁面，并且因此所述衬管42的壁面保持更低温度。
在所述的实施例中，在每个位置引入的燃料-空气混合物连续地由在前的燃烧气体点燃，因此促进了燃烧器内的自续式点燃。而且，当防止热气体冲刷衬管和燃烧器的圆盘时，由喷射器36、38、40和42使用的预混-反应-点燃机构促进了燃烧器中心或者热中心内的稳定火焰。可以使用切向喷射器36、38、40和42来顺序点燃，以相对于不同的燃料-空气比率来控制稳定性、部分或完全的燃烧气体的废气再循环。通过引入自续式点燃可以实现减少排放物和消除空气动力的火焰稳定要求。
上述方法的不同方面实用于不同的应用，这些不同的应用例如在燃气轮机内使用的燃烧器。如上所述，通过燃烧器内燃料-空气混合物的横向引入，实现燃烧器内的燃料分级，该燃料分级增强了远离燃烧器壁面的火焰稳定性。而且，本发明减少了这些燃烧器的排放物特别是NO_X排放物，从而促进燃气轮机以合乎环境要求的友好方式运行。另外，上述的燃料分级可用于多种燃料，因此当在要求的涡轮机负荷范围内维持可接受的压力波动级别时，提供了系统的燃料灵活性。而且，可以在已有的筒形或者环筒式燃烧器中使用上述的技术，以减少排放物并实现相对高的火焰稳定性。
虽然本文仅仅描述和举例说明了本发明的某些特征，但是所属领域的技术人员会想到很多的改进和变形。因此，可以理解的是，附加权利要求意于覆盖本发明真实精神范围内的所有改进和变型。