带有可调空气分流的延迟贫喷射 【相关申请的交叉引用】
该申请涉及以下申请：”Late Lean Injection with ExpandedFuel Flexibility”(“具有扩展燃料适应性的延迟贫喷射”)；”Late LeanInjectiion System Configuration”(“延迟贫喷射系统结构”)；”Late LeanInjection Fuel Injector Configuration”(“延迟贫喷射燃料喷射器结构”)；”Late Lean Injection Fuel Staging Configuration”(“延迟贫喷射燃料分级结构”)；”Late Lean Injection for Fuel Flexibility”(“用于燃料适应性的延迟贫喷射”和”Late Lean Injection Control Strategy”(“延迟贫喷射控制策略”)，这些申请均与本申请同时提交，并通过引用结合于本文。
【技术领域】
本发明的方面针对延迟贫喷射(LLI：late lean injection)燃料分级结构及其实现方法。
背景技术
目前，一些燃气轮机发动机未能以高效率操作，并产生不希望的空气污染排放物。通常，由燃烧传统碳氢燃料的涡轮产生的主要空气污染排放物为氮氧化物、一氧化碳和未燃烧的碳氢化合物。对此，由于燃气轮机发动机中例如分子氮的氧化取决于燃烧器中的高温和处于高温的反应物在燃烧器中的存留时间，所以通过将燃烧器温度维持在低于热NOx形成的水平，或通过限制处于高温的反应物的存留时间，使得NOx形成反应的时间不足，从而降低热NOx形成的水平。
一种温度控制方法涉及在燃烧之前预先混合燃料和空气以形成贫混合物。然而，已经看出，对于重型工业燃气轮机，即使使用预先混合的贫燃料，燃烧产物的所需温度也太高，以致燃烧器必须在反应区以超出热NOx形成的阈值温度的峰值气体温度操作，导致大量NOx形成。
【发明内容】
根据本发明的一个方面，提供了一种燃气轮机发动机，其包括：燃烧器，具有第一内部，通过燃料回路供应给第一内部的第一燃料可在第一内部中燃烧；涡轮机，包括旋转涡轮叶片，至少可接收第一燃料的燃烧产物，以给涡轮叶片的旋转提供动力；过渡区，包括第二内部，通过燃料回路给第二内部供应的第二燃料和第一燃料的燃烧产物可在第二内部中燃烧，过渡区设置成将燃烧器和涡轮机彼此流体地联接；多个燃料喷射器，在结构上由过渡区支撑并联接在燃料回路上，且构造成给单轴向级、多轴向级、单轴向圆周级和多轴向圆周级中的任一个的第二内部供应第二燃料；压缩机，流体地联接在燃烧器和过渡区上，通过压缩机将空气供应给第一内部和第二内部，用于在第一内部和第二内部中燃烧；和控制系统，联接在燃料回路上并构造成控制给第一内部和第二内部的空气的相对量和由燃料回路供应给第一内部和第二内部的第一燃料和第二燃料的相对量。
根据本发明的另一方面，提供了一种燃气轮机发动机，其包括：燃烧器，具有第一内部，通过燃料回路给所述第一内部供应的第一燃料可在第一内部中燃烧；和涡轮机，包括旋转涡轮叶片，至少可接收第一燃料的燃烧产物，以给涡轮叶片的旋转提供动力，所述燃气轮机发动机包括：过渡区，包括第二内部，由燃料回路给所述第二内部供应的第二燃料和第一燃料的燃烧产物可在第二内部中燃烧，过渡区设置成将燃烧器和涡轮机彼此流体地联接；多个燃料喷射器，在结构上由过渡区支撑并联接在燃料回路上，且构造成给单轴向级、多轴向级、单轴向圆周级和多轴向圆周级中的任一个的第二内部供应第二燃料；压缩机，流体地联接在燃烧器和过渡区上，通过压缩机将空气供应给第一内部和第二内部，用于在第一内部和第二内部中燃烧；和控制系统，联接在燃料回路上，并构造成控制给第一内部和第二内部的空气的相对量和由燃料回路供应给第一内部和第二内部的第一燃料和第二燃料的相对量。
根据本发明的再一方面，提供了一种操作燃气轮机发动机的方法，其中涡轮机通过过渡区流体地联接在燃烧器上，过渡区介于涡轮机和燃烧器之间，且其中，压缩机给燃烧器和过渡区供应空气，所述方法包括：给燃烧器中的第一内部供应第一燃料；在燃烧器中的第一内部中燃烧第一燃料；给单轴向级、多轴向级、单轴向圆周级和多轴向圆周级中的任一个的过渡区中的第二内部供应第二燃料；在过渡区的第二内部中燃烧第二燃料和从第一内部接收的燃烧产物的流；和控制供应给第一内部和第二内部的空气和第一燃料和第二燃料的相对量。
在结合附图的以下描述中，这些和其它优点、特征将变得更加清楚。
【附图说明】
将具体指出被认作是本发明的主题，并在说明书结尾的权利要求中清楚地要求保护该主题。在结合附图地随后详细描述中，本发明的前述和其它特征、优点是明显的，其中：
图1为包括延迟贫喷射能力的涡轮机的侧剖面图；
图2为图示头端燃料分流百分比对图1中涡轮机的点火温度的图的图表；
图3为图示操作图1中涡轮机的方法的流程图；
图4A-4D为各种头端结构的侧剖面图；和
图5A-5D为各种燃料喷射器结构的透视图。
以下详细描述将参照附图以举例的方式解释本发明的实施例和其优点、特征。
标号列表
10燃气轮机发动机
11头端
12多个预先混合喷嘴
13标准燃烧器结构
14 DLN 1+燃烧器结构
15 DLN 2+燃烧器结构
16 DLN 2.6/2.6+燃烧器结构
20燃烧器
21第一内部
30压缩机
40套筒
41第二内部
42稀释孔
43过渡区
50涡轮机
60燃料喷射器
61阀
70燃料回路
71，72支路
80控制器
90源
91炼厂气体阀
100热偶/压力计
1103通阀
120催化部分氧化反应器
125管中管喷射器结构
130管
140冲击套筒表面
145套筒
150接口部
155旋流喷射器
160歧管
165吹洗件
170旋流器
175浓催化喷射器结构
180浓催化元件
185多管/喷头喷射器结构
190多个管
300操作涡轮机
310启动LLI
320确定
330降低LLI水平
340增加LLI水平
350继续操作LLI
【具体实施方式】
参照图1，提供了一种燃气轮机发动机10，该燃气轮机发动机10包括：燃烧器20，具有第一内部21，由燃料回路70供应给第一内部21的第一燃料可在第一内部21中燃烧；压缩机30，通过压缩机30压缩入口空气，并将其至少提供给燃烧器20和过渡区43；和涡轮机50，涡轮机50包括旋转涡轮叶片，其中至少可接收第一燃料的燃烧产物，以给涡轮叶片的旋转提供动力。过渡区43设置为将燃烧器20和涡轮机50流体联接，并包括第二内部41，由燃料回路70给第二内部41供应第二燃料和第一燃料的燃烧产物可在第二内部41中燃烧。如图所示，燃烧器20和过渡区43彼此组合而大致具有头端11的形式，头端11可具有各种结构，如下面所讨论的那样。
如图1所示，头端11可包括多个预先混合喷嘴12。然而，如图4A-4D所示，其它的头端11结构也是可能的。这些替代结构包括但不限于：图4A中的标准燃烧器结构13，图4B中的干式低NOx(DLN)1+燃烧器结构14，图4C中的DLN 2+燃烧器结构15，和图4D中的DLN 2.6/2.6+燃烧器结构16。此外，其它燃烧器结构还包括整体气化联合循环(IGCC)头端、催化头端、扩散型头端和多喷嘴静音燃烧(MNQC)型头端。
对于上述头端11的各结构，应当理解，这些结构的型式可以是延迟贫喷射(LLI)兼容的。LLI兼容燃烧器可以为具有超过2500℉的出口温度或以大于10ms的热侧存留时间处理含反应性比甲烷强的成分的燃料的任意燃烧器。作为举例，DLN 1+燃烧器结构14的LLI兼容型式可具有低于2500℉的出口温度但可处理含反应性比甲烷强的成分的燃料。扩散型头端燃烧器的LLI兼容型式可具有超过2500℉的出口温度，并可处理含反应性比甲烷强的成分的燃料。类似地，DLN 2.0/DLN 2+燃烧器结构15的LLI兼容型式可具有超过2500℉的出口温度，并可处理含反应性比甲烷强的成分的燃料，同时，催化头端或DLN 2.6/2.6+燃烧器结构16的LLI兼容型式可具有超过2500℉的出口温度，并可处理含反应性比甲烷强的燃料。
多个燃料喷射器60各在结构上由过渡区43的外壁或由绕过渡区43的套筒40的外壁支撑，并延伸进入第二内部41至不同深度。利用这种构造，各燃料喷射器60构造成提供LLI燃料分级能力。就是说，各燃料喷射器60构造成通过例如沿一个方向(其通常横切于通过过渡区43的主要流向)喷射燃料来将第二燃料(即LLI燃料)供应给单轴向级、多轴向级、单轴向圆周级和多轴向圆周级中的任何一个的第二内部41。这样，对在燃烧器20和过渡区43中的情况进行分级，以生成稳定燃烧的局部区域。
参照图5A-5D，可以看出燃料喷射器60可以具有各种特征和功能。例如，如图5A所示，燃料喷射器60可以包括管中管(tube-in-tube)喷射器结构125。在该结构中，通过管130中喷嘴，将燃料主动地送入过渡区43的内部41，并通过管130和套筒145之间的环形空间将空气被动地送入，套筒145从冲击套筒表面140延伸到接口部150。如图5B所示，燃料喷射器60还可以包括旋流喷射器155。在该结构中，通过歧管160将燃料主动地送入过渡区43的内部41，并通过中央吹洗件(central purge)165和/或通过旋流器170将空气被动地送入。此外，如图5C和5D所示，燃料喷射器60结构的其它举例包括：浓催化喷射器(rich catalytic injector)结构175，其包括浓催化元件180；和多管/喷头喷射器结构185，其包括多个管190，通过多个管190将燃料送入过渡区43。应当理解，在各种这些情况中，燃料喷射器60可以在对应于过渡区43的外表面上的之前存在的稀释孔42(如果存在的话)的位置联接到过渡区43。以这种方式，由于不需要将附加孔钻入过渡区43的外表面，所以限制了或大大地减少了制造成本和负面的性能效果。如果稀释孔42已经不存在，那么燃料喷射器60可根据需要放置在过渡区43的外部。
根据实施例，单轴向级包括当前操作的单个燃料喷射器60，没有用于多个的先行基础的多轴向级包括多个当前操作的燃料喷射器60，多个当前操作的燃料喷射器60分别设置在过渡区43的多个轴向位置，单轴向圆周级包括分别绕过渡区43的单个轴向位置的圆周设置的多个当前操作的燃料喷射器60，而多轴向圆周级包括多个当前操作的燃料喷射器60，所述多个当前操作的燃料喷射器60绕过渡区43的圆周设置在过渡区43的多个轴向位置上。
这里，在多个燃料喷射器60绕过渡区43的圆周设置的地方，燃料喷射器60可基本上均匀地或不均匀地彼此隔开。作为举例，八个或十个燃料喷射器60可应用在特定的圆周级，2、3、4或5个燃料喷射器60安装成在过渡区43的上半部和下半部(northern andsouthern hemispheres)上具有彼此分离的变化的角度。另外，在多个燃料喷射器60设置在过渡区43的多个轴向级的地方，燃料喷射器60可相对于彼此排列成行和/或交错。
在燃气轮机发动机10的操作期间，各燃料喷射器60可联合地或分离地被激励(activate)或被去激励(deactivate)，使得形成单轴向级、多轴向级、单轴向圆周级和多轴向圆周级中的当前有效的一个。为此，应当理解，可通过燃料回路70借助于设置在对应的燃料喷射器60和燃料回路70的支路71或72之间的阀61给各燃料喷射器60供应LLI燃料。阀61与发送信号给阀61的控制器80信号通信，以便使阀61打开或关闭，并由此激励或去激励对应的燃料喷射器60。
因而，如果当前希望各燃料喷射器60当前被激励(即，多轴向圆周级)，那么控制器80发送信号给各阀61，并使这些阀61打开，并由此激励各燃料喷射器60。相反地，如果当前希望过渡区43的特定轴向级的各燃料喷射器60当前被激励(即，单轴向圆周级)，那么控制器80仅发送信号给对应于单轴向圆周级的燃料喷射器60的各阀61，并使这些阀61打开，并由此激励各燃料喷射器60。当然，该控制系统仅仅是示范性的，应当理解，燃料喷射器结构的多种组合是可能的，用于控制燃料喷射器60的激励和去激励中的至少一个的其它系统和方法是可获得的。
此外，通过具有多个燃料喷射器结构的多个燃料喷射器60的存在，如上所述，控制器80可进一步构造成在任意时间仅激励具有特定燃料喷射器结构的那些燃料喷射器60。因而，如果当前希望具有管中管喷射器结构125的各燃料喷射器60当前被激励，那么控制器80发送信号给对应于那些燃料喷射器60的各阀61，并使这些阀61打开。相反地，如果当前希望激励包括旋流喷射器155的各燃料喷射器60，那么控制器80仅发送信号给对应于包括旋流喷射器155的燃料喷射器60的各阀61，并使这些阀61打开。
根据本发明的另一方面，提供了一种操作燃气轮机发动机10的方法，其中，涡轮机50通过介于涡轮机50与燃烧器20之间的过渡区43而流体联接到燃烧器20。该方法包括：给燃烧器20内的第一内部21供应第一燃料；在燃烧器20内的第一内部21中燃烧第一燃料；给单轴向级、多轴向级、单轴向圆周级和多轴向圆周级中任一个的过渡区43内的第二内部41供应第二燃料；以及在过渡区内的第二内部41中燃烧第二燃料和从第一内部21接收的燃烧产物的流。
这里，给在单轴向级中的第二内部41供应第二燃料包括激励单个燃料喷射器60，给在多轴向级中的第二内部41供应第二燃料包括激励分别设置在过渡区43的多个轴向位置的多个燃料喷射器60，给在单轴向圆周级中的第二内部41供应第二燃料包括激励分别绕过渡区43的圆周设置在过渡区43的单个轴向位置的多个燃料喷射器60，而给在多轴向圆周级中的第二内部41供应第二燃料包括激励分别绕过渡区43的圆周设置在过渡区43的多个轴向位置的多个燃料喷射器60。
参照图2，可以看出，图2提供了用于燃料分流控制的各种选择的图表图示。在图2中，绘制了相对于Tfire值的头端燃料分流的百分比，Tfire值为燃烧器20和/或过渡区43中温度的测量。由于控制器80进一步构造成控制第一燃料和第二燃料朝头端11和/或燃料喷射器60的流向，所以可以看出LLI燃料分级还可以根据图2中显示的控制选择由控制器80进行进一步控制。为此，控制器80联接在阀61上，如上面所讨论的那样，并联接在阀73上，以控制给燃料喷射器60的第二燃料的输送和控制给头端11的第一燃料和/或LLI燃料的输送。
如图2所示，用于这种控制的第一选择采用固定头端分流，其中，一旦达到Tfire的预先选择的值，便将某百分比(＜100％)的第一燃料和/或LLI燃料输送给过渡区43，用于LLI燃料分级。从这一点来说，输送给过渡区43的燃料的百分比保持基本上恒定。第二选择采用头端分流规划(head end split schedule)。在该情况下，随着Tfire值增加到超出预先选择的值，LLI燃料的百分比成比例地或基于一些其它适当的函数而增加。第三选择为将LLI燃料的百分比作为燃烧器20、压缩机30、过渡区43和/或涡轮机50的内部环境的若干特性中的任意一个或多个的函数。例如，百分数可以是Tcd或Pcd(测得的压缩机排放温度和压力条件)的函数；燃烧器20、压缩机30或过渡区43内的湿度读数的函数；燃气轮机排气温度和/或T39(计算所得的燃烧器出口温度)的函数。
以上讨论的第三选择还可变更，以适应当前修正的沃泊指数(MWI)。在该情况下，由于已知MWI计量燃料的能量密度，且对于给定的燃料喷嘴区域，较低的MWI指示头端燃料喷嘴上压力比率的增加，而压力比率的增加可能造成不希望的动力学特性(dynamics)，且LLI燃料喷嘴对动力学特性不灵敏，所以LLI燃料的百分比也可以是MWI的函数。以这种该方式，随着MWI增加，更大百分比的LLI燃料转向过渡区43。根据这些选择中的各选择，应当理解，热偶/压力计100或任何其它适当的环境测量装置可安装在燃烧器20、压缩机30、过渡区43和/或涡轮机50中，这被认为是测量燃烧器20、压缩机30、过渡区43和涡轮机50中的温度和压力所需要的。
参照图3，可以看出，控制具有LLI能力的涡轮的方法包括在步骤300操作涡轮机、在步骤310，在特定时间段之后或一旦达到Tfire的预先选择的值时启动LLI，和在步骤350根据第一选择在相同水平继续操作LLI。相反地，根据第二选择，该方法包括在步骤350以增加的水平继续操作LLI。同时，根据第三选择，在步骤320确定燃烧器20、压缩机30和/或过渡区域43的任何特定的测量特征是否高于或低于确定的参数，并且基于确定的结果，在步骤330降低LLI水平、在340增加LLI水平、或在步骤350维持并随后继续LLI操作。
再参照图1，控制器80进一步构造成控制3通阀110，和在一些实施例中，控制绕燃料喷射器60设置在歧管上的附加阀或上述阀61。因此，控制器80能够控制由压缩机30输送至燃烧器20和过渡区43或各燃料喷射器60的入口空气的空气分流。通过这种方式，控制器80能够同时改变燃料分流和空气分流。因此，控制器80因此能产生用于燃烧系统的操作路径，其注重燃烧系统的最优的燃料与空气的比率。根据本发明的不同实施例，3通阀110可进一步集成为整体空气冷却剂系统、广义调节规划(extended turndown efforts)和/或能源部(DoE)计划的一部分。
如上所述，实现了3通阀110的控制，用来优化燃烧系统的燃料对空气的比率。这些比率可基于燃烧器20和过渡区43的规格或可基于当前环境条件进行预先选择。在该情况下，控制器80可基于安装在燃烧器20、压缩机30、过渡区43和涡轮机50中的热偶/压力计100的温度和/或压力读数，增加燃烧器20或过渡区43中的燃料对空气的比率。
延迟贫喷射(LLI)还可允许将包括诸如炼厂气体的替代气体的多种气体流喷施进入过渡区43，通常这是非LLI燃烧器不能处理的。由于关注预先混合器中不希望的驻焰，所以诸如炼厂气体的强反应性气体典型地不能通过预先混合的燃烧器处理。另一方面，可将在特定情况下可以或不可以与天然气混合的炼厂气体直接喷射进入过渡区43，而没有此类问题，尤其是在燃料喷射器60容许驻焰的情况下。这里，在炼厂气体与天然气混合时，使用的天然气的量可以是上述Tcd、Pcd和T39的函数。另外，应当理解，在将炼厂气体喷射进入过渡区43时，可在头端11采用对驻焰灵敏的预先混合器，以防止或极大地减少驻焰事故的可能性。
如图1所示，可以借助于由控制器80控制的炼厂气体阀91，将替代气体从源90喷射进入燃料回路70的支路71或72。以这种方式，当确定已将替代气体喷射进入过渡区43时，控制器80可以打开炼厂气体阀91，使得替代气体可以通过燃料回路70向燃料喷射器61传播。
作为进一步的实施例，应当理解，替代气体可以与天然气混合，以形成第一燃料，其组成反映使用的具体头端11的容许度。替代气体可以提供具有或不具有这样的混合，以形成第二燃料。
此外，还应当理解，替代气体可包括上述由燃料回路70从源90接收的炼厂气体和由反应性比甲烷强的成分组成的气体。更具体地说，替代气体可包括含约0.5％(体积)以上的量的氢、约5％(体积)以上的量的乙烷、约10％(体积)以上的量的丙烷、约5％(体积)的以上的量丁烷或量丁烷以上的碳氢化合物的气体。
燃料回路70也可结合多个支路71和72以适应燃料流的改变。多个支路71和72然后也可用来通过提供额外的燃料流区域，或通过以产生分离的燃烧模式(即扩散和预混合)的方式引入燃料而允许燃料成分的大的变化。支路71和72也可允许燃料沃泊值、燃料成分的变化以及动态调整。燃料回路70的支路71和72可实施为燃料回路70的支路，过渡区43中的附加燃料喷嘴或这些选择的组合以及其它合适的选择。
支路71和72可进一步包括沿其长度方向设置的催化部分氧化反应器(CPCR)120。CPCR120将第一燃料或第二燃料中的甲烷转化成氢，和/或部分地氧化甲烷而不生成氮氧化物。结果，由于用于LLI的已反应燃料已经部分地氧化，燃料可甚至晚于其在其它情况下将要喷射的时间而喷射到过渡区43中。
尽管已经结合有限数量的实施例，对本发明进行了详细描述，但容易理解的是，本发明不限于这些公开的实施例。本发明可以修改成结合以上未描述的任意数量的变型、变更、替代或等同配置，这些变型、变更、替代或等同配置虽未作描述，但其属于本发明的精神和范围。此外，尽管对本发明的各种实施例进行了描述，但是应当理解，本发明的方面可能仅包括其中一些描述的实施例。因此，本发明不限于上述描述，而是仅由权利要求的范围限定。