燃烧器和燃烧器的工作方法.pdf

本发明涉及一种燃烧器的工作方法，该燃烧器包括具有至少两个扇形区(8a、8b、9a、9b)的燃烧器出口(4)，其中，为每个扇形区(8a、8b、9a、9b)配设至少一个燃料喷嘴。本方法的特征在于，单独将燃料供给不同扇形区(8a、8b、9a、9b)的燃料喷嘴。此外本发明还涉及一种燃烧器，其包括至少两个扇形区(8a、8b、9a、9b)，其中，为每个扇形区(8a、8b、9a、9b)配设至少一个燃料喷嘴。此燃烧器的特征在于，存在至少两条独立的燃料输入管，以及存在一个用于调整流动通过各自燃料输入管的燃料质量流量的装置，以及燃料输入管将燃料供应给不同扇形区(8a、8b、9a、9b)的燃料喷嘴。此外公开了一种燃气轮机，它配备有至少一个按照本发明的燃烧器。

1.  一种燃烧器(107)的工作方法，该燃烧器包括具有至少两个扇形区(8a、8b、9a、9b)的燃烧器出口(4)，其中，为每个扇形区(8a、8b、9a、9b)对应配设至少一个燃料喷嘴，其特征为：分别单独地将燃料供给不同扇形区(8a、8b、9a、9b)的燃料喷嘴。

2.  按照权利要求1所述的方法，其特征为，按0∶100与100∶0之间的比例，将燃料供给不同扇形区(8a、8b、9a、9b)的燃料喷嘴。

3.  按照权利要求2所述的方法，其特征为，按0∶100与35∶65之间的比例，将燃料供给不同扇形区(8、9)的燃料喷嘴。

4.  按照权利要求1至3之一所述的方法，其特征为，所述燃烧器装在燃烧室(1)内，该燃烧室具有一条中心线，相对于燃烧室(1)的中心线而言，所述燃烧器具有径向(6)和切向(7)，以及供给沿燃烧器切向(7)布置的配属扇形区(8a、8b)的燃料喷嘴的燃料，比供给沿燃烧器径向(6)布置的配属扇形区(9a、9b)的燃料喷嘴的燃料少。

5.  按照权利要求4所述的方法，其特征为，将供给燃烧器总燃料量的20％供给沿燃烧器切向布置的配属扇形区(8a、8b)的燃料喷嘴，将供给燃烧器总燃料量的80％供给沿燃烧器径向(6)布置的配属扇形区(9a、9b)的燃料喷嘴。

6.  一种燃烧器(107)，它包括具有至少两个扇形区(8a、8b、9a、9b)的燃烧器出口(4)，其中，为每个扇形区(8a、8b、9a、9b)配设至少一个燃料喷嘴，其特征为：存在至少两条独立地引向不同扇形区(8a、8b、9a、9b)燃料喷嘴的燃料输入管，以及存在用于调整流动通过各自燃料输入管的燃料质量流量的装置。

7.  按照权利要求6所述的燃烧器(107)，其特征为，所述燃烧器出口(4)具有圆形横截面。

8.  按照权利要求6或7所述的燃烧器(107)，其特征为，所述燃料喷嘴相对于燃烧器出口(4)的中心点环状地排列。

9.  按照权利要求8所述的燃烧器(107)，其特征为，各彼此相对置的燃料喷嘴对应于同一条燃料输入管。

10.  按照权利要求6至9之一所述的燃烧器(107)，其特征为，不同扇形区(8a、8b、9a、9b)由角度在70°与110°之间的圆段构成。

11.  按照权利要求10所述的燃烧器(107)，其特征为，不同扇形区(8a、8b、9a、9b)由90°角的圆段构成。

12.  按照权利要求10或11所述的燃烧器(107)，其特征为，彼此相对置的圆段的燃料喷嘴对应于同一条燃料输入管。

13.  按照权利要求6至12之一所述的燃烧器(107)，其特征为，所述用于调整流动通过各自燃料输入管的燃料的装置涉及装在各自燃料输入管内的可调阀。

14.  一种燃气轮机，它包括至少一个按照权利要求6至13中任一项所述的燃烧器。

燃烧器和燃烧器的工作方法
技术领域
本发明涉及一种燃烧器的工作方法、一种燃烧器和一种低CO和低NO_X排放的燃气轮机。
背景技术
对当代燃烧器，尤其在燃气轮机领域内使用的燃烧器一个重要的要求是，在排放尽可能低的同时覆盖尽可能大的功率范围。不希望的排放尤其涉及一氧化碳排放(CO排放)和一氧化氮排放(NO_X排放)。燃烧器功率几乎基本上与火焰温度和与空气质量流量成比例。以小功率工作意味着低的火焰温度，此时CO排放明显上升。此外在这里火苗较长，在冷却式燃烧室壁的情况下这导致猝灭效应，由此同样增大CO排放。
对于燃气轮机，这可在整个工作范围内导致热声学不稳定性，其结果是可能危及燃烧装置的安全运行。这种热声学不稳定性也经常称为“低鸣(Brummen)”，以及尤其可发生在如今常见的预混式燃烧器中。
通常在关键的温度极限以下必须关闭燃气轮机的燃烧器，因为此时火焰不稳定或CO排放过高。必要时其他燃烧器级必须工作，通常是扩散式燃烧器，但是它们会造成高的NO_X排放。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种有利的燃烧器工作方法。本发明另一个技术问题在于，提供一种有利的燃烧器和一种有利的燃气轮机。
上述技术问题通过一种按照权利要求1所述方法、一种按照权利要求6所述燃烧器以及一种权利要求14所述燃气轮机得以解决。从属权利要求含有本发明其他有利的扩展设计。
按照本发明的方法涉及一种燃烧器，它包括具有至少两个扇形区的燃烧器出口，其中，为每个扇形区配设至少一个燃料喷嘴。单独将燃料供给不同扇形区的燃料喷嘴。燃烧器的这种工作方法尤其适用于燃气轮机燃烧器的工作运行。将燃料单独供给燃烧器出口不同扇形区的燃料喷嘴，可例如借助阀控制。
通过按照本发明的方法，可以实现降低燃烧器部分负荷工作时CO和/或NO_X排放。例如可以按可调的在0∶100与100∶0之间，尤其在0∶100与35∶65之间的比例，将燃料供给燃烧器出口不同扇形区的燃料喷嘴。
通常燃烧器装在燃烧室内。燃烧室有一条中心线。此外，就燃烧室的中心线而言，燃烧器具有径向和切向。其中燃烧器径向的特征为，它与燃烧室的中心线相交。燃烧器的切向垂直于燃烧器的径向，并且与一个围绕燃烧室中心线的假想圆相切地延伸。
业已表明有利的是，供给沿燃烧器切向布置的配属一个扇形区的燃料喷嘴的燃料，比供给沿燃烧器径向布置的配属一个扇形区的燃料喷嘴的燃料少。例如将供给燃烧器总燃料量的20％供给沿燃烧器切向布置的配属一个扇形区的燃料喷嘴。在这种情况下将供给燃烧器总燃料量的80％供给沿燃烧器径向布置的配属一个扇形区的燃料喷嘴。
通过例如用一些分开的可调阀单独地控制向燃烧器各扇形区的燃料供给，在部分负荷工作时在燃烧室中有意识地造成较热和较冷区域。在较热区域形成少量一氧化碳。较热区域也尤其可以布置在要不然预期会有最大猝灭效应的地方。较冷区域则可以布置在那种应提供最长时间用于燃料燃尽的地方，从而尽管在这里温度较低，也不会形成附加的一氧化碳或仅形成不很多的一氧化碳。因此，当总燃料量保持相同并因而功率也保持相同时，降低产生的CO总排放量。
在极端情况下个别扇形区也可以彻底关闭，由此在这些扇形区因为没有燃料而不会产生一氧化碳。与此同时另一些扇形区温度很高，以致它们几乎不产生一氧化碳。当然，即使在这种情况下也始终存在热区与冷区之间的过渡层，在这里出现CO排放。
此外，通过采用按照本发明的方法改变温度场并与此同时改变燃料从喷嘴出口至火焰前缘的时间，影响所使用的燃烧室的热声学特性。因此向扇形区单独的燃料供应，还可利用于有目的地正面影响热声学特性。
在满负荷工作时，通常期望均匀的温度分布，因为这意味着构件承受的负荷最低和NO_X排放最少。也就是说此时优选地对所有的扇形区重新均匀地供给燃料。
按照本发明的燃烧器包括具有至少两个扇形区的燃烧器出口，其中，为每个扇形区配设至少一个燃料喷嘴。按照本发明的燃烧器其特征在于，存在至少两条独立引向不同扇形区的燃料喷嘴的燃料输入管，以及存在用于调整流动通过各自燃料输入管的燃料质量流量的装置。因此每条燃料输入管将燃料供给不同的扇形区的燃料喷嘴。
燃烧器出口可尤其具有圆形横截面。按照本发明燃烧器的燃料喷嘴可例如相对于燃烧器出口的中心点环状地排列。此外，彼此相对置的各燃料喷嘴可对应于同一条燃料输入管。不同扇形区可由角度在70°与110°之间的燃烧器出口的圆段构成。若例如存在四个同样大小的区段，则它们分别有90°角。彼此相对置的区段的燃料喷嘴尤其也可以对应于同一条燃料输入管。
原则上所述用于调整流动通过各自燃料输入管的燃料的装置涉及装在各自燃料输入管内的可调阀。
采用按照本发明的燃烧器可以实施按照本发明的方法，从而可以获得针对本发明的方法所说明的优点。
按照本发明的燃气轮机包括至少一个按照本发明的燃烧器。
总之，本发明可以在大的工作范围内遵守规定的排放极限值。此外，燃烧器可以在大的工作范围内热声学稳定地运行工作，或在工作范围保持相同的情况下低NO_X排放地工作。因此本发明促使在总体上扩展燃烧器的工作范围。此外，本发明通过在燃料分配方面提供一种附加的自由度，展现出对燃烧器工作有更宽广的调整可能性。例如在保持燃料总量相同时，附加的工作阶段的燃料份额可以作为闭式调整回路中的调节参数，用于调节热声学特性或排放。
附图说明
下面参见附图借助实施例说明本发明其他特征、特性和优点。
图1以纵向部分剖面图示意性地表示燃气轮机；
图2示意性地表示出燃气轮机燃烧室的透视图；
圆3示意性表示出通过部分环形燃烧室剖开示出的剖面；
图4表示按照本发明的燃烧器在不同工作阶段的CO排放和NO_X排放；
图5表示另一种按照本发明的燃烧器在不同工作阶段的CO排放和NO_X排放；以及
图6表示CO排放与不同燃烧器火焰温度的关系。
具体实施方式
图1以纵向部分剖面图举例表示燃气轮机100。
燃气轮机100在内部有一个绕旋转轴线102旋转地支承的转子103，它也称为涡轮转子。
沿转子103彼此相继地有进气机匣104、压气机105、例如花托状有多个同轴排列的燃烧器107的燃烧室110，尤其环形燃烧室106、涡轮108和排气机匣109。
环形燃烧室110与一个例如环形的热燃气通道111连通。在那里例如四个串联的涡轮级112构成涡轮108。
每个涡轮级112由两个叶片环构成。沿工质113的流向看，在热燃气通道111内随导向叶片环115之后的是一个由工作叶片120组成的叶片环125。
在这里，导向叶片130固定在静子143的内机匣138上，反之，叶片环125的工作叶片120例如借助涡轮盘133安装在转子103上。
在转子103上连接发电机或做功机械(图中未表示)。
在燃气轮机100运行期间，由压气机105通过进气机匣104吸入并压缩空气135。在压气机105的在涡轮一侧的端部制备好的压缩空气供入燃烧器107，并在那里与燃料混合。然后此混合物为了形成工质113在燃烧室110内燃烧。工质113从那里流出，沿热燃气通道111经过导向叶片130和工作叶片120。工质113在工作叶片120处膨胀，传递冲量，因此工作叶片120推动转子103，以及转子驱动与它连接的做功机械。
遭遇热工质113的构件在燃气轮机100运行期间承受到热负荷。除了作为环形燃烧室106衬垫的热屏元件106外，沿工质113流向看第一级涡轮级112的导向叶片130和工作叶片120热负荷最大。为了承受住那里存在的温度，可借助冷却剂冷却它们。
图2表示燃气轮机的燃烧室110。此燃烧室110例如设计为所谓的环形燃烧室，其中多个沿周向绕旋转轴线102排列的燃烧器107汇入一个公共的燃烧室腔内，它们产生火焰。为此，燃烧室110总体上设计为环形结构，它围绕着旋转轴线102定位。
为了达到比较高的效率，燃烧室110针对工质M比较高的约1000℃至1600℃温度设计。为了即使在这种对于材料不利的运行参数下仍能有比较长的工作寿命，燃烧室壁153在其面朝工质M那一侧设置一种由热屏元件155构成的内衬。
图3表示通过部分环形燃烧室1剖开示出的剖面，燃烧室1有端壁21、外壁2和内壁3。不仅外壁2而且内壁3都进行冷却。由此存在的危险是，在燃烧室工作时发生所谓的猝灭效应。燃烧器107安装在环形燃烧室1的端壁21中。图3表示其中一个燃烧器107的燃烧器出口4或燃烧器排出口的俯视图。燃烧器出口4有圆形横截面。热燃气的流动方向5在本例中垂直地从图纸平面向外延伸。
图3所示的燃烧器107涉及预混式燃烧器，其中在燃料与空气燃烧前借助涡旋发生器扭转为燃料-空气混合物。在图3中用箭头10表示如此产生的涡旋的方向。图3所示的本发明的燃烧器107包括四个扇形区8a、8b和9a、9b。这些扇形区是燃烧器出口4横截面的一些区段，其中每个区段构成四分之一横截面。这些扇形区8a与8b或9a与9b分别彼此相对置。
按图3所示的例子，彼此相对置的扇形区9a和9b沿径向6布置。因此扇形区9a和9b处于外壁2或内壁3附近。两个扇形区8a和8b沿切向7布置。不仅两个扇形区8a和8b而且两个扇形区9a和9b分别构成四分之一个圆。
涉及图3中没有表示的通过环形燃烧室1的纵轴线，存在一个垂直于所述纵轴线并与此纵轴线相交的径向6，它延伸通过燃烧器出口4的中点。切向7与此径向6垂直地通过燃烧器出口4的中点延伸。
在图3中，燃烧器107的扇形区8a、8b和9a、9b排列为，使扇形区8a、8b和9a、9b之间的其中一条边界20，相对于径向6而言绕燃烧器出口4的中点旋转一个角度β＝45°布置。此外扇形区8和9互相旋转角度α₁＝α₂＝90°地排列。其中角度α₁表征燃烧器出口4的横截面积被与扇形区8对应的两个分区之一扫过的份额。角度α₂表征燃烧器出口4的横截面积被与扇形区9对应的两个分区之一扫过的份额。与图3所示例子不同，角度α₁和α₂也可以有其他任意值，当应存在n个同样大小的扇形区时例如为360°/n。然而扇形区也可以构成燃烧器出口的横截面积的不同大小的区段。在这种情况下α₁≠α₂。有利地，角度处于70°与110°之间。
其燃烧器出口4表示在图3中的燃烧器107包括一些燃料喷嘴。在图3中没有表示出这些燃料喷嘴。燃料喷嘴优选地相对于燃烧器出口4的中点环状排列，其中与每个扇形区8a、8b、9a、9b对应配设至少一个燃料喷嘴。此外，燃烧器107有两条单独的燃料输入管，其中之一将燃料供给扇形区8a和8b的燃料喷嘴，而另一条将燃料供给扇形区9a和9b的燃料喷嘴。每条燃料输入管配备有一个调整通过各自燃料输入管流动的燃料的装置。这种装置优选地涉及可调阀。
针对每一种功率，可以将一方面扇形区8a和8b与另一方面扇形区9a和9b之间调整为最佳的燃料比，最佳的燃料比导致最大可能地降低猝灭效应。在满负荷工作时，力求将燃料均匀地供给扇形区8a、8b和9a、9b。在扇形区同样大小的情况下，这相应于将燃料按比例50∶50分配给一方面扇形区8a和8b和另一方面扇形区9a和9b。
与满负荷工作相比，在部分负荷工作时如前言已提及的那样供给的总燃料量减小，从而可能导致较高的排放和降低热声学稳定性。在给扇形区8a、8b和9a、9b分配燃料时将所述的比例略作变动，便已经可以正面影响部分负荷工作时燃烧器107的热声学稳定性和排放。
原则上可以按本发明设计环形燃烧室1的多个或全部燃烧器107，亦即包括单独燃料输入管的多个扇形区。
图4表示一氧化碳排放和一氧化氮排放与供给图3所示各扇形区燃料比例的关系。在图4的中部首先概略表示出所研究的燃烧器107扇形区关于径向6的布局。被研究的燃烧器107有圆形横截面的燃烧器出口4，如已结合图3说明的那样，再将它分成四个扇形区8a、8b、9a、9b。扇形区8a和8b用A表示以及沿切向7排列。扇形区9a和9b用B表示以及沿径向6排列。扇形区边界20相对于径向6如在图3中那样布置。为用A和B表示的扇形区配设分开的燃料输入管。
图4中X轴表示供入扇形区A的燃料质量流量m_A与供给燃烧器107的总燃料质量流量，亦即供入扇形区A和B的燃料质量流量总和(m_A+m_B)的百分比。曲线11表示在使用的燃料-空气混合物中氧气份额为15％时，CO排放与上述百分比的关系。CO排放在这里表示采用任意单位。曲线11显示，当仅给扇形区B供应燃料时CO排放最低。如果给扇形区A同样供入燃料，则产生的CO排放连续增加直至最大值。当将输入燃烧器107的燃料质量流量中大体60％供入扇形区A时，CO排放达到其最大值。若将输入燃烧器107的总燃料质量流量的60％以上供给扇形区A，则形成的CO排放虽然重新略有下降，不过它们并没有降到在燃料质量流量均匀分配给扇形区A和B时达到的值以下。
曲线12表示燃烧器107在燃料-空气混合物内部的含氧量为15％时，NO_X排放与燃料给扇形区A和B分配的关系。仍然任意选择NO_X排放的单位。曲线12显示出一种盆形曲线走向。据此，在供给扇形区A的燃料份额大体处于输入燃烧器107的总燃料量的30％与60％之间时，一氧化氮排放最少。低于30％和高于60％，产生的一氧化氮排放连续增大，其中，当仅给扇形区A输入燃料时，一氧化氮的排放达到最大值。
若不仅一氧化碳而且一氧化氮均应最低，则由图4的曲线11和12可以看出，供给扇形区A的燃料份额应大体在输入燃烧器107的总燃料量的15％与30％之间。
图5表示按扇形区A和B的另一种配置，一氧化碳排放和一氧化氮排放与分配给扇形区A和B的燃料的关系。图5左下方概略表示涉及径向6和切向7观察到的扇形区A和B的分布。在这里可以看出，扇形区A和B之间的边界20平行于径向6或平行于切向7延伸。这相应于角度β为0°。这意味着，扇形区A或B涉及其相对于外壁2或相对于内壁3的距离可认为是等值的。
图4中X轴仍表示供入扇形区A的燃料质量流量的份额m_A与供给燃烧器107的总燃料质量流量(m_A+m_B)的百分比。曲线13和曲线14分别采用任意单位表示在使用的燃料-空气混合物中氧气份额为15％时形成的CO排放和形成的NO_X排放与上述百分比的关系。借助曲线13可以看出，当将全部燃料供给扇形区A时一氧化碳的排放最低。当然在这种情况下，如曲线14所示，一氧化氮的排放达到其最大值。总之，曲线13、14表示，即使扇形区A和B按图5中概略表示的那样布局，产生的一氧化碳排放和一氧化氮排放，也与燃料给不同扇形区A和B的分配存在相关性，以及，通过将燃料质量流量恰当分配给扇形区A和B，可以对排放施加影响。
图6表示一氧化碳排放与传统燃烧器标准化火焰温度的关系，亦即一个如传统的燃烧器那样工作的按照本发明的燃烧器，也就是一个按照本发明以在扇形区A和B上的燃料分配比为50∶50工作的燃烧器；一个按照本发明具有结合图4说明的扇形区配置的燃烧器；以及一个按照本发明具有结合图5说明的扇形区配置的燃烧器。X轴表示标准化火焰温度。Y轴表示在使用的燃料-空气混合物中氧气份额为15％时形成的按ppm(part permillion)的CO排放。
曲线15表示按照本发明的燃烧器一氧化碳排放与火焰温度的关系，其中各个扇形区如结合图3和图4已说明的那样布置，此时燃料仅供给扇形区B。曲线16表示按照本发明的燃烧器的所述关系，其中各个扇形区如结合图5已说明的那样布置，此时燃料仅供给扇形区A。
图6中用三角形19表示的测量点对应于针对按照本发明的燃烧器测得的值，其中燃料给扇形区A和B均匀分配地供入到燃烧器内。用方块18表示的测量点相应于传统的燃烧器工作时产生的一氧化碳排放。在本例中，传统的燃烧器涉及一种没有所述扇形区的燃烧器。不仅在传统的燃烧器工作时，而且在燃料均匀供给按照本发明的燃烧器各扇形区时测得的一氧化碳排放，均清楚地通过曲线17说明。
曲线15、16、17三者的特征均在于，产生的一氧化碳排放随火焰温度提高连续减少。显然，曲线15的CO排放量在特定的火焰温度下低于曲线16的CO排放量和低于曲线17的CO排放量。曲线16的CO排放量也小于曲线17的CO排放量。据此，按照本发明的燃烧器体现在曲线15中的工作方式，与通过曲线16和17体现的燃烧器或工作方式相比，燃烧器在一氧化碳排放低的同时可以在较低的火焰温度下工作。
总之，结合图3和图4说明的在按照本发明的燃烧器107中扇形区A和B的布置，意味着是本发明的一项优选的扩展设计，其中有利地在部分负荷工作时将供入燃烧器107内总燃料的至少70％供给扇形区B。按此优选的扩展设计减小了猝灭效应以及燃烧器可以在较低的火焰温度下稳定工作。与此同时，尽管火焰温度较低，与满负荷工作相比，也不会产生附加的一氧化碳排放或仅产生不很多的一氧化碳排放。如果一氧化氮排放和一氧化碳排放应同时降低到最小化，有利的是将供入燃烧器107的70％与80％之间的燃料供给扇形区B。总之，在总燃料量保持相同并因而在功率保持相同的情况下，减少了一氧化碳的排放。