[發明專利]具有沿徑向分級的經預混合母火以改進可操作性的燃燒器

有效

• 申請號: 201380051362.7
• 申請日: 2013-09-30
• 公開（公告）號: CN104662368A
• 公開（公告）日: 2015-05-27
• 發明（設計）人: P.J.斯圖塔福德;S.喬根森;Y.陳;H.里茲卡拉;K.奧梅喬德;J.梅特尼奇
• 申請（專利權）人: 阿爾斯通技術有限公司
• 主分類號: F23R3/28
• 分類號: F23R3/28;F23R3/34;F23R3/14
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 李強;肖日松

技術領域

本發明大體涉及用于提高燃燒穩定性和減少燃氣渦輪燃燒器中的排放的系統和方法。更特別地，對燃燒器預混合器和燃料噴射位置提供改進。

背景技術

為了減少來自燃氣渦輪的污染排放量，政府機構已經頒布了許多法令，要求減少氮氧化物(NOx)和一氧化碳(CO)的量。較低的燃燒排放通常可歸因于較高效的燃燒過程，尤其是關于燃料噴射器位置、空氣流率和混合有效性。

早期的燃燒系統利用擴散型噴嘴，其中，燃料通過擴散在火焰區附近與燃料噴嘴外部的空氣混合。擴散型噴嘴產生高排放，因為燃料和空氣以化學計量的方式在高溫下燃燒，以保持充分的燃燒器穩定性和低的燃燒動態。

一種燃燒技術改進是利用預混合，使得燃料和空氣在燃燒之前混合，形成均勻的混合物，混合物在比擴散型火焰更低的溫度下燃燒，并且產生較低的NOx排放。預混合可在燃料噴嘴的內部或外部進行，只要它在燃燒區的上游即可。在圖1中顯示現有技術的預混合燃燒器的示例。燃燒器8具有多個燃料噴嘴18，它們各自將燃料噴射到預混合腔體19中，在那里，燃料與來自穩壓室10的壓縮空氣6混合，然后進入燃燒室20。在燃燒之前將燃料和空氣預混合在一起允許燃料和空氣形成較均勻的混合物，混合物將較完全地燃燒，從而產生較低的排放。但是，在這個構造中，燃料相對而言在燃燒器的同一平面上噴射，而且防礙通過改變混合長度來進行改進的任何可能性。

可通過多個燃燒級來實現預混合和減少排放的備選手段，多個燃燒級允許隨著負載增加而增強預混合。現在參照圖2，顯示了現有技術的多級燃燒器的示例。燃燒器30具有由文丘里管(venturi)33分開的第一燃燒室31和第二燃燒室32，文丘里管33具有狹窄的喉部區域34。雖然取決于負載狀況，可在第一或第二燃燒室或這兩個燃燒室中進行燃燒，但當通過噴嘴區域35噴射的燃料在第二燃燒室32中燃燒之前在第一燃燒室31中與壓縮空氣完全混合時，出現最低排放水平。因此，具有文丘里管的這個多級燃燒器在較高的負載狀況下更有效。

要求燃氣渦輪發動機以多種功率設置運行。在燃氣渦輪發動機聯接以驅動發電機時，通常根據發電機上的負載量或發電機必須產生的功率來測量發動機的所需輸出。全負載狀況是其中從發電機中抽取最高發電容量的點。這對于用來發電的陸上燃氣渦輪是最普遍的運行點。但是，電需求常常不需要發電機的全容量，而且運營者想以較低的負載設置運行發動機，使得僅產生要求的負載，從而節約燃料和降低運行成本。已經了解到現有技術的燃燒系統在較低的負載設置下變得不穩定，尤其是低于50%的負載，同時還產生不可接受的NOx和CO排放水平。這主要是因為大多數燃燒系統分級，以在高負載設置下實現最高效的運行。可能不穩定的燃燒和較高的排放的結合常常防礙發動機運營者以較低的負載設置運行發動機，迫使發動機要么以較高的設置運行，從而燃燒額外的燃料，要么停機，并且從而損失原本根據部分負載需求就可產生的寶貴收入。

關于使發動機停機的另一個問題是發動機硬件引起額外的循環。循環通常被定義為發動機經過正常的作業范圍。發動機廠商典型地根據運行時間或等效運行循環來評價硬件壽命。因此，引起額外的循環可減少硬件壽命，需要發動機運營者支付過早維修或更換的費用。需要這樣的系統：該系統可在部分負載狀況和全負載狀況下提供火焰穩定性和低排放的好處，使得發動機可在較低的負載狀況下高效地運行，從而消除在不要求高負載運行時的燃料浪費，或者消除在停機時對發動機引起額外的循環。

發明內容

本發明公開一種混合器，其用于在多個運行負載條件下在燃燒以及通往燃燒器的燃料流的精確分級之前預混合燃料和空氣，以便減少排放。混合器運行來以便選擇性地增加通往母火火焰的邊界層的燃料流，從而提高用于點燃噴射到燃燒器中的其它燃料的母火火焰的穩定性。更特別地，在本發明的實施例中，公開一種用于燃氣渦輪燃燒器的預混合器。預混合器包括端蓋，端蓋具有包含在其中的多個燃料穩壓室和徑向進流旋流器。徑向進流旋流器包括定向成至少部分地垂直于燃燒器的縱向軸線的多個導葉。多個導葉各自具有與端蓋的多個燃料穩壓室處于流體連通的多個燃料噴射器。預混合器進一步包括內壁和外壁，它們兩者從大體垂直于縱向軸線的方向延伸，并且過渡到大體平行于縱向軸線的方向。