CN105102894B - 燃烧器组件、包括所述燃烧器组件的燃烧室以及将燃料供应到所述燃烧器组件的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于燃气轮机机组的燃烧室的燃烧器组件，其提供有：·被配置为生成具有主对流时间的主燃烧区域的主燃烧器；·被配置为至少生成具有次级对流时间的次级燃烧区域的次级燃烧器；·该次级燃烧器被配置以便次级对流时间与主对流时间不同。

Description

燃烧器组件、包括所述燃烧器组件的燃烧室以及将燃料供应 到所述燃烧器组件的方法

技术领域

本发明涉及燃烧器组件、包括所述燃烧器组件的燃烧室和将燃料供应到所述燃烧器组件的方法。尤其是，本发明涉及用于能量产生机组的气体管道的燃烧室。

背景技术

已知燃烧器组件通常包括主要的低温燃烧部和次级的高温燃烧部，其稳定通过主要部所生成的火焰。

由于在燃烧系统中总是存在热声不稳定，所以需要次级部的稳定动作。热声不稳定是通过热声火焰振荡的存在所特征化的现象，其生成压力波。在燃烧室中传播的如此压力波，在燃烧室的壁上反射并且反作用在火焰上。这些热声振荡可以增加不稳定性直到损坏燃烧室的壁，或者它们可以减弱。

由此，当通过燃烧处理激发热声振荡并且它们以振幅增加时，存在不稳定的严峻条件。

根据通过Tim lieuwen等人的文章"A Mechanism of Combustion Instabilityin Lean Premixed Gas Turbine Combustors(在贫预混燃气轮机燃烧室中的燃烧不稳定性的机制)",Transaction of ASME(美国机械工程师协会会报),Vol(卷).123,2001所定义的，当热释放波动与压力波动同相时，存在燃烧不稳定性。因此，通过在压力振荡和热声振荡之间的延时T管理不稳定性。

通过“对流时间”τ显著地影响延迟时间T，其是在燃烧器组件中的每个燃料供应线的特有的。尤其是，通过下面的关系来约束延迟时间T和对流时间τ：

T/Tperiod＝f(τ，火焰长度，运动学化学反应)

其中

T是延迟时间；并且

Tperiod是与燃烧室中波动的完全振荡对应的时间。其中将波动期望为热波动和压力波动这两者，其具有相同的周期但不同的相。

可以通过实验研究或通过大涡模拟(LES)计算方法执行T的准确评价。

在具有“贫预混(lean premix)”技术的燃烧系统中，其中实施了预混火焰，通过由混合实施的时间将对流时间τ定义为行进在燃料喷射点和火焰基座之间的空间，根据下面的关系：

τ＝Linj/Uavg

其中：

Linj是在燃料喷射点和火焰基座之间的距离；

Uavg是在伸展的Linj中的混合中的平均速度。

由于高燃烧温度，次级部对大多数污染排放负责。根据燃烧温度，指向实际污染物形成的化学反应的动力学表示取决于不是高线性的温度，以及污染物的指数增加。

相应地，限制供应到次级部的燃料的质量以防止超过与污染排放相关的法律限制。这也包含供应到主要部的燃料流速的随后限制，其需要稳定次级部的动作以能够无需生成不稳定地燃烧。

总之，因为控制用于减少排放或反之的不稳定燃烧器的方法，所以限制已知类型的燃烧器组件的性能。

只有在给定的情况下(其中，通常燃烧系统的复杂性显著增加)，可以超过在已知的燃烧器组件中的稳定限制。

发明的公开

本发明的一个目的是使高性能燃烧器组件能够发生稳定燃烧并且在同时能够符合与污染排放相关的法律限制。

尤其是，本发明的一个目的是使特别灵活的燃烧器组件能够增加容量范围，在其中机组可以运行并且同时将排放保持在法律限制以下。

根据如此的目的，本发明涉及根据权利要求1的燃气轮机机组的燃烧室的燃烧器组件。

本发明的另外的目的是使高性能燃烧室能够生成稳定燃烧并且能够符合与污染排放相关的法律限制。

根据如此的目的，本发明涉及如权利要求12所述的燃烧室。

最后，本发明的另外的目的是提供一种将燃料供应到燃烧器组件的方法，该燃烧器组件能够有助于生成稳定燃烧并且能够符合与污染排放相关的法律限制。

根据如此目的，本发明涉及如权利要求13所述的将燃料供应到燃烧组件的方法。

附图的简要说明

根据其非限制性实施例的下面的描述、参照附图的图示本发明的另外的特征和优点将变得更加显而易见，其中：

图1是包括根据实施例的燃烧室的燃气轮机机组1的图解视图；

图2是根据本发明的燃烧器的、具有为了清晰被移除的部分的横截面视图。

用于实施本发明的最佳方式

在图1中的标号1指示具有沿着轴A延伸的气体管道2、压缩机3、燃烧室4、用于将燃料供应到燃烧室4的组件6以及发电机7的动力机组，该发电机将通过气体管道2供应的机械动力变换为电力。

燃烧室4包括多个座接(seat)8，每一个适用于被燃烧器组件9所采用(更好地表示在图2中)。沿着接近于燃烧室4的周边边缘的圆形路径布置座接8。在此描述并且示出的非限制性示例中，燃烧室4是环形类型并且存在二十四个座接8和燃烧器组件9。

参照图2，每个燃烧器组件9沿着轴B延伸并且包括主燃烧器10和次级燃烧器11。

次级燃烧器11实质上沿轴B延伸，并且主燃烧器10在与轴B平行的次级燃烧器11的周围延伸。

主燃烧器10被配置为供应空气-燃料混合物并且定义主燃烧区域12(用点划线示意性地示出在图中)。

沿着指向燃烧室4的内部的供应方向D1供应空气和燃料。

尤其是，主燃烧器10包括空气供应环形导管13和燃料供应环形导管14。

空气供应环形导管13从压缩机3接收空气并且具有在供应方向D1中的降低径向高度以便生成实质上截锥形状的导管。

燃料供应环形导管14平行于轴B延伸并且终结于多个喷嘴15，其直接面向空气供应环形导管13。

在平行于轴B延伸的、具有圆柱形外部元件18的端部16提供空气供应环形导管13。

沿着供应环形导管13(优选地喷嘴15的下游)布置旋流器17，其被配置为提升涡流的生成以促进在空气和燃料之间的混合。尤其是，旋流器17适于使流经其的混合物绕轴B旋转以便稳定所生成的火焰并且允许更好的控制位于燃烧室4的内部的火焰。

旋流器(swirler)17包括多个刀刃(在附图中未示出)，其固紧于定义空气供应环形导管13的壁。

接近于空气供应环形导管13的端部16和圆柱形外部元件18延伸的是主燃烧区域12，其中空气-燃料混合物的燃烧发生发源于空气供应环形导管13。

主燃烧区域12具有主对流时间τ_p。根据上述定义，主对流时间τ_p是通过燃料实施的、行进在喷嘴15和主燃烧区域12之间的距离的时间。

主对流时间τ_p取决于主燃烧器10的几何体，取决于燃料发射喷嘴15的位置并且取决于确定主燃烧区域12的位置的流体动力学和运动学条件。

虽然对于污染排放的低生产有责任(由于低燃烧温度)，但是主燃烧区域12特征为低燃烧稳定性。贫燃烧稳定性包括在其中局部化热释放的全体主燃烧区域12。

以主燃料流速QP供应燃料供应环形导管14(见图1)，如下面的细节所示便利地通过组件6的控制设备19对其调整用于供应燃料(图1)。次级燃烧器11被配置为提供部分预混合的空气-燃料混合物并且定义一个或更多的次级燃烧区域20(示意性地示出在具有虚线的图中)。

在次级燃烧区域20中的燃烧温度大于在主燃烧区域12中的燃烧温度并且特征在于低温度可变性。

优选地次级燃烧器11被配置以便次级燃烧区域20至少部分地重叠主燃烧区域12。优选地，次级燃烧区域20实质上整体地包含于主燃烧区域12中。

次级燃烧区域20具有次级对流时间τ_s。根据上述的定义，次级对流时间τ_s是通过燃料所实施的、行进在用于供应次级燃烧器11和次级燃烧区域20的燃料的喷嘴之间的距离的时间。

次级对流时间τ_s取决于次级燃烧器11的几何体，取决于将燃料发射到次级燃烧器11的喷嘴的位置并且取决于确定主燃烧区域20的位置的流体动力学和运动学条件。

次级燃烧器11被配置为供应具有不同于主对流时间τ_p的次级对流时间τ_s的次级燃烧区域20。

通过主燃烧器10所生成的热声波和通过次级燃烧器11所生成的热声波独立地相互传播。

二次燃烧器11的适当配置允许变动对流时间τ_s以便通过二次燃烧器11所生成的热声波不引起相长干涉，其能导致增加的不稳定性并且相应地导致燃烧室4的损坏。

优选地，配置次级燃烧器11以便在由主燃烧器10所生成的热声波和由次级燃烧器11所生成的热声波之间存在破坏性干涉。本质上，防止通过次级燃烧器11所生成的热声波与通过主燃烧器10所生成的热声波同相并且引起相长干预是重要的。如果次级对流时间τ_s和主对流时间τ_p不同则满足如此的情形。从而，全部的延迟时间T与单独的主要少区域的延迟时间不同并且可以通过变动次级对流时间τ_s的方式对其调制。

在此处描述并示出的非限制性示例中，次级燃烧器11包括第一辅助燃烧器24和第二辅助燃烧器25，这两者都能够生成部分预混合的扩散燃烧。

尤其是，第一辅助燃烧器24在各个第一辅助燃烧区域27(用虚线表示)生成部分预混合的扩散燃烧，同时第二辅助燃烧器25在各个第二辅助燃烧区域28(用虚线表示)生成部分预混合的扩散燃烧。

第一辅助燃烧区域27和第二辅助燃烧区域28有助于定义次级燃烧区域20。如上述，优选地第一辅助燃烧区域27和第二辅助燃烧区域28被完全地包含于主燃烧区域12中。

第一辅助燃烧区域27具有第一辅助对流时间τ_s1并且从圆柱形外部元件18延伸到距离d1，同时第二辅助燃烧区域28具有第二辅助对流时间τ_s2并且从圆柱形外部元件18延伸到距离d2。

优选地，距离d2大于距离d1。

根据上面所定义的，第一辅助对流时间τ_s1是通过供应到第一辅助燃烧器24的燃料到达第一辅助燃烧区域27的时间，同时第二辅助对流时间τ_s2是通过供应到第二辅助燃烧器25的燃料到达第二辅助燃烧区域28的时间。

优选地，第二辅助对流时间τ_s2和第一辅助对流时间τ_s1不同大约1-2ms，同时第一辅助对流时间τ_s1和主对流时间τ_p不同大约2-3ms。

已经实验性地发现对于稳定的目的，通过第一辅助燃烧器24和通过第二辅助燃烧器25所引起的效果是补充的并且特征在于基于负载条件的不同效能。优选地第一辅助燃烧器24被设计为在满负载运行条件下稳定主燃烧区域12，同时第二辅助燃烧器25被设计为在低负载稳定主燃烧区域12。

关于火焰16的温度的分布的研究表示第二辅助燃烧器25也能够促进通过主燃烧区域12中的第一辅助燃烧器24所引起的稳定动作。这确定在主燃烧区域12中升高的温度的均匀性。

下面描述第一辅助燃烧器24的第一实施例以及第二辅助燃烧器25的第一实施例。

通过非限制性示例的方式描述如此实施例。实际上，存在适用于分别在第一辅助燃烧区域中和在第二辅助燃烧区域中生成部分预混合的扩散燃烧的第一辅助燃烧器和第二辅助燃烧器的其他实施例。第一辅助燃烧区域和第二辅助燃烧区域至少部分地包含在主燃烧区域中。第一辅助对流时间τ_s1和第二辅助对流时间τ_s2与主对流时间τ_p不同。

尤其是，第一辅助燃烧器24提供有直接流入到燃烧室4的空气供应环形通道30以及燃料供应环形通道31，其中该燃料供应环形通道与轴B平行地延伸并且流入与环形通道30的外部边缘33接近的环形通道30的端部。

将旋流器34布置在环形通道30的外部边缘33和环形通道31的边缘，其被配置为生成涡流并且促进分别发源于环形通道30和环形通道31的空气和燃料之间的混合。尤其是，旋流器34适于使流经它的混合物绕轴B旋转以稳定所生成的火焰并且允许更好的控制位于在燃烧室4内部的火焰。

如将在以下详细见到的，在组件6的控制设备19的控制下，以第一辅助燃料流速QA1供应环形导管31来提供燃料(图1)。

第二辅助燃烧器25提供有燃烧供应环形通道35，其直接流入主燃烧器10的空气供应环形导管13。

尤其是，环形通道35提供有多个喷嘴35，其沿着空气供应环形导管13的内壁被布置在包含在喷嘴15的喷射点和圆柱形外部元件18之间的位置处。

优选地，在旋流器17的下游布置喷嘴36。

喷嘴36的位置影响第二辅助对流时间τ_s2。尤其是，随设计步骤和实验步骤来建立喷嘴36的位置。

在设计步骤采用计算工具，其能够考虑气动的、声学的和化学的运动学条件。用CFD(计算流体动力学)模拟程序来通常评估流体动力学影响。

实验步骤涉及执行被设计为优化并选择由前面的设计步骤所形成的方案的现场调整和一系列测试。

在此处描述并表示的非限制性示例中，以到旋流器17和到圆柱形外部元件18实质上等距地布置喷嘴36。

在此处描述并表示的非限制性示例中，喷嘴36具有圆形区域并且均匀地沿主燃烧器10的空气供应环形导管13分布。变体(未示出)提供具有被配置为防止声音分布的传输的适当窄带以及具有增加的直径的喷嘴36的实施。优选地，在喷嘴36和环形通道35之间插入窄带以调节第二辅助对流时间τ_s2。

在组件6的控制设备19的控制下向环形通道35供应第二辅助燃料流速QA2以提供燃料(图1)。

控制设备19被配置为调节主燃料流速QP、第一辅助燃料流速QA1以及第二辅助燃料流速QA2。尤其是，控制设备19调节燃料流速以便遵循第二辅助燃料流速QA2和总燃料流速QTOT的给定比率。

将总燃料流速QTOT定义为主燃料流速QP和次级燃料流速QS的总和。同时次级燃料流速QS被定义为第一辅助燃料流速QA1和第二辅助燃料流速QA2的总和。

尤其是，控制设备19调节燃料流速以便基于机组1所排放的容量来遵循在第二辅助燃料流速QA2和总燃料流速QTOT之间的给定比率。

实际上，当机组运行在低负载时控制设备19被配置为提供等于总流速QTOT的大约40％的第二辅助流速QA2，同时当机组1运行在中间负载时，其被配置为供应相对于供应到低负载的流速而减小的第二辅助流速QA2(其通常等于总流速QTOT的大约10％)。

实际上，在低负载主要问题是污染排放，尤其是CO。第二辅助燃烧器25生成能够引起在主燃烧区域12中均匀温度分布以及燃料的完全燃烧的第二辅助燃烧区域28。实际上，不完全燃烧是CO排放出现的主要原因。

从而，相对于可以在已知机组中获取的值可以减少技术最低环境负载而无需陷入CO排放的不期望增加。

在中间负载，在燃烧室4中的温度高并且允许CO的完全氧化。另外，在中间负载的热-声不稳定性不高。在此配置中，第二辅助燃烧器25对优化燃烧没有帮助并且因此显著地降低了第二辅助燃料流速QA2。

在额定负载重新增加第二辅助燃料流速QA2直到其达到总流速QTOT的20％。实际上，在正常负载条件下，在燃烧室中热-声振荡增加。第二辅助燃料流速QA2的增加和第二辅助对流时间τ_s2的调制允许要被控制的如此振荡。

一个变体(未示出)提供以结合在要被配置的燃烧器组件的主燃烧器和次级燃烧器之间以便在主燃烧区域12中生成无火焰燃烧处理。将无火焰燃烧处理期望为当空气-燃料混合物高于可燃性限制并超过自燃温度时氧化处理发生的燃烧处理。可以通过预热助燃空气并且再循环所燃烧的气体的方式来获取这些条件。通过再循环烟气来获取用于预热空气的条件。实际上，从而将热从产品传送到反应物并且以燃料和燃烧产品来稀释助燃剂。可以通过由燃烧器的特定流体动力学属性所管理的、在燃烧室以外和在燃烧室以内的再循环来建立烟气的再循环。“无火焰”定义源于在发生燃烧反应期间相对于燃烧体积的延长具有减小的厚度并且不存在所定义的火焰锋。

有利地，在污染排放相等的情况下，根据本发明的燃烧器组件9能够相对于现有技术的燃烧器组件确保所增加的燃烧稳定性。

这允许相对于用由现有技术的燃烧器组件所获取的那些更快地获取热释放变化。从而，根据本发明的燃烧器组件9能够快速地达到通过机组1所需的容量变化。

尤其是，燃烧的增加的稳定性主要由于配置次级燃烧器11以使次级对流时间τ_s与主对流时间τ_p不同的事实。实际上，通过次级燃烧器11的反作用减少了主燃烧器10的热声振荡。

另外，次级燃烧器11包括第一辅助燃烧器25和第二辅助燃烧器28(通过各自的燃料供应线路对其独立供应)的事实，生成与多个燃料资源相关的不同对流时间的均质分布。相对于在其中仅有一个对流时间与主燃烧器关联的燃烧器组件中所获取的燃烧，对流时间的均质分布生成更稳定的燃烧。实际上，对流时间的均质分布允许要被调节的延迟时间以便抵消热声不稳定性的影响。

另外，配置次级燃烧器11以便次级燃烧区域20完全包含在主燃烧区域12之内的事实引起燃烧温度变化减少(就污染排放方面具有显著的优点)，以及全体燃烧区域的高效稳定。

根据本发明，稳定效果至少部分地被指派为调制对流时间，同时排放的减少被指派为改善燃烧区域中的温度分布。

已知燃烧器组件通常将燃烧稳定分配到控制燃烧器。然而，控制燃烧器包括具有高温度的燃烧区域的存在并且相应地污染。

最后，基于通过机组1所排放的容量，通过控制设备19所执行的燃料流速的调节确保遵循第二辅助流速QA2和总燃烧流速QTOT之间的给定比率。从而，在机组1的所有运行条件下确保了燃烧的稳定。

最后，在不脱离所附权利要求的范围的情况下，显然可以对本文描述的燃烧器组件、对燃烧室和对用于供应所述燃烧器组件的方法做出各种修改和变型。

Claims (17)

1.一种燃烧器组件(9)，用于燃气轮机机组(1)的燃烧室(4)，所述燃烧器组件(9)包括：

主燃烧器(10)，被配置为生成具有主对流时间(τ_p)的主燃烧区域(12)；和

次级燃烧器(11)，被配置为至少生成具有次级对流时间(τ_s)的次级燃烧区域(20)；

所述次级燃烧器(11)被配置以便次级对流时间(τ_s)与主对流时间(τ_p)不同；

其中主对流时间(τ_p)和次级对流时间(τ_s)引起在主燃烧器(10)的热声波和次级燃烧器(11)的热声波之间的破坏性干涉。

2.根据权利要求1所述的燃烧器组件，其中次级对流时间(τ_s)小于主对流时间(τ_p)。

3.根据权利要求1所述的燃烧器组件，其中次级燃烧区域(20)至少部分地包含在主燃烧区域(12)中。

4.根据权利要求1所述的燃烧器组件，其中次级燃烧区域(20)完全包含在主燃烧区域(12)中。

5.根据权利要求1所述的燃烧器组件，其中主燃烧器(10)在次级燃烧器(11)周围延伸并且包括空气供应环形导管(13)和燃料供应环形导管(14)。

6.根据权利要求5所述的燃烧器组件，其中次级燃烧器包括第一辅助燃烧器(24)和第二辅助燃烧器(25)，第一辅助燃烧器(24)被配置为生成具有第一辅助对流时间(τ_s1)的第一辅助燃烧区域(27)，第二辅助燃烧器(25)被配置为生成具有第二辅助对流时间(τ_s2)的第二辅助燃烧区域(28)；第一辅助对流时间(τ_s1)和第二辅助对流时间(τ_s2)与主对流时间(τ_p)不同。

7.根据权利要求6所述的燃烧器组件，其中第一辅助对流时间(τ_s1)和第二辅助对流时间(τ_s2)小于主对流时间(τ_p)。

8.根据权利要求7所述的燃烧器组件，其中第一辅助对流时间(τ_s1)小于第二辅助对流时间(τ_s2)。

9.根据权利要求6所述的燃烧器组件，其中第二辅助燃烧器(25)包括燃料供应环形通道(35)，其直接流入主燃烧器(10)的空气供应环形导管(13)。

10.根据权利要求9所述的燃烧器组件，其中燃料供应环形通道(35)提供有多个喷嘴(36)，其沿着空气供应环形导管(13)的内壁被布置在主燃烧器(10)的燃料喷射点和主燃烧器(10)的外部边缘(18)之间的位置处。

11.一种燃烧室，包括至少一个如权利要求1所述的燃烧器组件(9)。

12.一种用于将燃料供应到如前述权利要求中的任一项所述的燃气轮机机组(1)的燃烧室(4)的燃烧器组件(9)的方法；所述方法包括以下步骤：

将主燃料流速(QP)供应到主燃烧器(10)；

将次级燃料流速(QS)供应到次级燃烧器(11)；

基于机组(1)的负载来调节次级燃料流速(QS)。

13.根据权利要求12所述的方法，其中次级燃烧器(11)包括被配置为生成第一辅助燃烧区域(27)的第一辅助燃烧器(24)和被配置为生成第二辅助燃烧区域(28)的第二辅助燃烧器(25)；所述方法包括以下步骤：

向第一辅助燃烧器(24)供应第一辅助燃料流速(QA1)；

向第二辅助燃烧器(25)供应第二辅助燃料流速(QA2)；

基于机组(1)的负载来调节第二辅助燃料流速(QA2)。

14.根据权利要求13所述的方法，其中基于机组(1)的负载来调节第二辅助燃料流速(QA2)的步骤包括当机组(1)的负载增加时降低第二辅助燃料流速(QA2)。

15.根据权利要求13所述的方法，其中调节第二辅助燃料流速(QA2)的步骤包括当负载小于第一阈值时，供应等于总燃料流速(QTOT)的40％的第二辅助燃料流速(QA2)，该总燃料流速(QTOT)为主燃料流速(QP)和次级燃料流速(QS)的总和。

16.根据权利要求13所述的方法，其中调节第二辅助燃料流速(QA2)的步骤包括当负载在第一阈值和第二阈值之间时，供应等于总燃料流速(QTOT)的20％的第二辅助燃料流速(QA2)，该总燃料流速(QTOT)为主燃料流速(QP)和次级燃料流速(QS)的总和。

17.根据权利要求13所述的方法，其中调节第二辅助燃料流速(QA2)包括当负载大于第二阈值时，供应等于总燃料流速(QTOT)的10％的第二辅助燃料流速(QA2)，该总燃料流速(QTOT)为主燃料流速(QP)和次级燃料流速(QS)的总和。