專利名稱：燃氣輪機燃燒器及其運行方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種燃氣輪機燃燒器，該燃燒器帶有燃燒區(qū)，該燃燒區(qū)用于燃
燒由添加了燃料氣體的燃燒尾氣形成的混合物；還帶有燃料混入設備，該燃料 混入設備具有用于將燃料氣體噴射到燃燒尾氣內的燃料噴嘴。此外，本發(fā)明涉 及一種帶有燃燒區(qū)的燃氣輪機燃燒器的運行方法，在該燃燒區(qū)內燃燒添加了燃
料氣體的燃燒尾氣，其中，以燃料噴嘴將燃料氣體噴入燃燒尾氣內。
背景技術：
為實現(xiàn)在燃氣輪機中的安靜和穩(wěn)定的燃燒，已知將燃料氣體噴入熱的燃燒 尾氣內，使得形成其溫度在自燃溫度以上的氣體混合物。
從US 5,617,718 A中已知用于帶有次級燃燒區(qū)的燃氣輪機燃燒器的燃燒系
燃氣輪機的初級燃燒區(qū)的由添加了燃料氣體的燃燒尾氣形成的混合物發(fā)生燃 燒。
從US 2005/0229581中已知了帶有燃料噴嘴的燃料混入設備，該燃料噴嘴 用于將燃料氣體噴入次級燃燒區(qū)的燃燒尾氣內。燃燒尾氣通過聲屏障導入到次 級燃燒區(qū)內，以便在其中布置了燃燒噴嘴的混合管內以及在燃燒室內衰減聲脈 動。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題特別地在于提供一種可以保證低污染燃燒的 燃氣輪機燃燒器及其運行方法。
燃燒尾氣內。通過至少對應于0.2馬赫數(shù)(Ma=0.2)的速度，可以達到束的堅 固性，以此達到了在束的邊緣區(qū)域內的較高的剪切梯度，即從束內向束外越過
邊緣區(qū)域明顯降低的速度。剪切梯度例如可以通過按照關于束的中心軸線的橫 向或徑向方向對流體或氣體速度在束的縱向方向上的分量求導而定量化。在帶 有高的剪切梯度的區(qū)域內，燃燒反應可以不發(fā)生，使得與帶有堅固性較小的邊 緣的束相比，混合物較晚點燃。通過此效應使燃燒延遲，且可以保證燃燒尾氣 與燃料氣體的良好混合。
在常規(guī)的再加熱燃燒系統(tǒng)中，燃燒已在0.3ms或更短的時間后點燃，使得 燃料可能與燃燒尾氣混合得很少。因此形成了不利的擴散火焰，它導致不可接 受的NOx排放。擴散火焰是無空氣預混合而燃燒的火焰。燃燒所需的氧以及所 有其他的空氣成分擴散越過火焰邊緣到火焰內，因此越向火焰核內的火焰的供 氧就越差且因此燃料燃燒更緩慢。
與此相反，通過根據(jù)本發(fā)明的再加熱燃燒系統(tǒng)，作為可見的火焰前鋒的替 代實現(xiàn)了不發(fā)光的燃燒，該燃燒也已知為溫和燃燒、無色燃燒或體積燃燒，且 該燃燒特別是低污染的。氣體在其剪切梯度高于臨界剪切梯度的區(qū)域內為自燃 而與尾氣混合，且僅在對流地運輸?shù)狡渲屑羟刑荻鹊闹档陀谂R界剪切梯度值的 區(qū)域內時才點燃。實現(xiàn)了大體積的火焰區(qū)，其中燃燒近似均勻地進行。通過合 適地選擇燃料氣體的組成，可以進一步實現(xiàn)很稀薄的燃燒，這最終導致在次級 燃燒尾氣內的例如NOx或CO的有害排放成分的量很低。
根據(jù)本發(fā)明的解決方案的重要的參數(shù)是束相對于參考系統(tǒng)的速度。參考系 統(tǒng)可以是靜止的燃燒室，特別是當所要噴入到的燃燒尾氣緩慢地流動時，使得 燃燒尾氣的速度可忽略。如果所要噴入到的熱氣也較快移動，則參考系統(tǒng)可選 擇為與包圍了束的燃燒尾氣一起移動的參考系統(tǒng)。則燃料氣體噴入燃燒尾氣的 速度優(yōu)選是相對于與燃燒尾氣一起移動的參考系統(tǒng)的。聲速在此合適地視作從 噴嘴出來的未燃燒的含有燃料的燃料混合物(在下文中也簡稱為燃料氣體)的 聲速，它取決于燃料氣體的溫度和壓力。燃料氣體可以因此與束一起噴入燃燒 尾氣內，該束的速度至少為燃料氣體內的聲速的0.2倍。
只要聲速的頻率相關性決定了擴散效應，那么其值就可考慮為數(shù)百赫茲。 噴入速度可以在束中間測量，或在束的整個截面或截面的部分上平均地測量。
燃氣輪機燃燒器合適地是后燃燒器系統(tǒng)或再加熱燃燒系統(tǒng)或其一部分。燃 料氣體合適地含有燃料成分，燃料成分是充分的，以使燃燒尾氣以預先給定的 溫度積聚燃料使其自燃。燃料可以是所有可在燃氣輪機中使用的燃料，例如燃 油、合成氣、天然氣、曱醇或純氫氣以及氣體混合物?？赏ㄟ^高的噴入速度達
立性為特征。
在本發(fā)明的一種有利的構造中，燃氣輪機燃燒器包括初級燃燒室，其中燃 燒區(qū)在尾氣流中布置在初級燃燒室的后方，且提供了用于將燃料氣體噴入到來 自于初級燃燒室的燃燒尾氣內的燃料混入設備。燃料氣體可以噴入到燃燒尾氣 內而不需要燃燒尾氣的循環(huán)，.以此可實現(xiàn)帶有高的剪切梯度的穩(wěn)定的噴入束。
在本發(fā)明的一種擴展中建議將燃料混入設備設計為使得燃料氣體(4)以
至少0.4倍聲速噴入到燃燒尾氣(6)內。 一般地，其中的剪切梯度值高于臨界 值的區(qū)域越大，則束越快且越堅固。通過技術上簡單且可廉價實現(xiàn)的以0.4馬 赫數(shù)的噴入，可實現(xiàn)自燃的明顯延遲，這最終導致在次級燃燒尾氣內的有害物 濃度的滿意的降低。
如果將燃料混入設備設計為使得燃料氣體以小于燃燒尾氣內的聲速的0.9 倍的速度噴入到燃燒尾氣內，則可實現(xiàn)在一方面對于更高的速度的要求且另一 方面對于廉價的燃料混入設備的要求之間的滿意的平衡。
如果燃料混入設備包括用于將燃料氣體與含氧氣體混合的預混合單元，則 可以實現(xiàn)在燃燒產(chǎn)物中帶有較少有害物濃度的稀薄的柔和的燃燒。由預混合得 到的混合產(chǎn)物是噴入到尾氣內的燃料氣體。
特別地建議將預混合單元設計為使得燃料氣體因此與含氧氣體預混合，使 得燃料分子數(shù)與氧分子數(shù)之間的比值在0.2至10之間。只要將預混合單元設計 為使得燃料氣體以燃料分子數(shù)與氧分子數(shù)之間的比值在1.0以下的方式與含氧燃燒。
替代地或補充地，可向燃料中混入惰性物質，其中合適地也考慮到以上給 出的比值，不過現(xiàn)在以惰性物質來替代含氧氣體。惰性物質特別地合適地包括 水蒸氣、C02或氮氣。惰性物質的微粒量數(shù)(Anzahlteilchenmenge)可以是燃料 量的直至十倍。燃料也可以在不混合含氧氣體或惰性物質的情況下作為燃料氣 體噴入。
如果在噴嘴出口的前方(即在噴嘴出口的下游處)的區(qū)域內的束的邊緣區(qū) 域內的剪切梯度在支持自燃的臨界剪切梯度以下，則可以保證自燃的延遲。
因此有利的是，其中的剪切梯度在支持自燃的臨界剪切梯度以上的噴嘴出 口前方的區(qū)域的長度至少為10 cm。區(qū)域的長度當然取決于束的速度和燃燒尾
氣的速度，且特別地有利的是這樣選擇區(qū)域的長度，使得自燃至少延遲lms。
高20%,特別是高50%的壓力噴入到燃燒尾氣內，則可以以特別地簡單的方式
實現(xiàn)束。 一般地，束壓力和燃燒尾氣的壓力之間的壓力差與燃燒尾氣的壓力的
比值等于束速度和燃燒尾氣內的聲速的比值。
如果由燃料氣體形成的噴入束包括至少一個由含有燃料的氣體形成的內
束和由冷氣體形成的包圍內束的外束(其中冷氣體的溫度低于燃燒尾氣的溫
度)，則可以實現(xiàn)特別地有效的預混合，因為冷氣體通過使自燃溫度延遲達到而
進一步延遲了自燃。另外需注意的是剪切梯度的臨界值與溫度相關，使得該臨
界值由于冷氣體的添加而降低。這可以最終導致預混合區(qū)的放大，在該預混合
區(qū)內剪切梯度處在與局部溫度相關的臨界值之上。
如果冷氣體的溫度在200°C至400。C之間，則可以實現(xiàn)有效的冷卻。 如果由冷氣體形成的外束的速度等于內束的速度，則束邊沿的堅固性并不
由于附加的外束而降低，因此可實現(xiàn)更大的剪切梯度。
如果由冷氣體形成的外束的速度大于內束的速度，則可以進一步提高燃燒
延遲的優(yōu)點。可實現(xiàn)與僅以內束和環(huán)境相比在外束和環(huán)境之間的更高的剪切梯
度，從而可進一步將燃燒延遲。
如果另一方面由冷氣體形成的外束的速度小于內束的速度，則可以以廉價
的方式產(chǎn)生外束而不需昂貴的壓縮機和噴嘴。
如果冷空氣含有燃料，則可以實現(xiàn)在火焰區(qū)內的均質的燃料濃度。 通過使冷氣體至少基本上由空氣形成可以廉價地實現(xiàn)燃氣輪機燃燒器。 當燃燒尾氣的溫度在900。C至1600。C之間時，本發(fā)明的優(yōu)點因為在此溫度
范圍內特別快的自燃而特別地得以實現(xiàn)。
方法方面的技術問題通過用于運行以上所述的類型的燃氣輪機的方法來
由于以上所述的原因可以實現(xiàn)低排放的燃燒。


下面結合附圖中示出的實施例進一步解釋本發(fā)明，在附圖中
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的帶有次級燃燒區(qū)的燃氣輪機燃燒
器，
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一種替代設計的再加熱燃燒系統(tǒng)的燃料噴嘴，和 圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的另一種替代設計的構造為噴槍的再加熱燃燒系統(tǒng) 的燃料噴嘴。
具體實施例方式
圖1示出了用于燃氣輪機設備的再加熱燃燒系統(tǒng)2，該燃燒系統(tǒng)2具有帶 次級燃燒區(qū)6的燃氣輪機燃燒器4,在燃燒區(qū)6內由添加了燃料氣體8的燃燒 尾氣10形成的混合物發(fā)生燃燒。燃燒尾氣10來自燃氣輪機設備的在燃燒區(qū)6 的上游為燃燒尾氣IO設置的初級燃燒室12,初級燃燒室12通過燃氣輪機的渦 輪級14與燃燒區(qū)6分開，燃燒區(qū)6的動葉片16由來自燃燒室12的燃燒尾氣 10驅動。次級燃燒區(qū)2基本上是環(huán)形的且關于渦輪級14的未示出的旋轉軸線 旋轉對稱。流入次級燃燒區(qū)6內的燃燒尾氣10的溫度在90(TC至160(TC之間。 作為通過渦輪級14將次級燃燒區(qū)2與初級燃燒室12分開的替代，替代初級燃 燒室12在整個燃燒室內在次級燃燒區(qū)2的上游的燃燒前級也是可能的。
再加熱燃燒系統(tǒng)2包括帶有燃料噴嘴20的燃料混入設備18,通過該燃料 噴嘴20將燃料氣體8引入到相對于渦輪級14的旋轉軸線以徑向向內指向的方 向分量向次級燃燒區(qū)2內沿軸向流入的燃燒尾氣10內。
燃料混入設備18通過強力壓縮機和噴嘴幾何形狀設計為使得燃料氣體8 在脈動且快速的噴入束22內噴入到燃燒尾氣10內。噴入束22的速度可以根據(jù) 含有再加熱燃燒系統(tǒng)2的狀態(tài)的特征值的傳感器信號與檢測到的狀態(tài)柔性地匹 配，匹配通過由再加熱燃燒系統(tǒng)2的在此未示出的控制單元調節(jié)燃料混入設備 18的壓縮機壓力來進行。
然而，速度至少在以高剪切梯度進行燃燒的運行模式中處于燃燒尾氣10 內的聲速的0.4倍至0.9倍之間的區(qū)域內。為此，控制單元可以根據(jù)燃燒尾氣 10的壓力和溫度確定噴入束22的速度，或控制噴入束22的固定速度，該固定 速度在各種溫度和壓力情況下都超過了對應于0.4倍聲速的最小速度。
在以特別低污染的燃燒為特征的運行模式中，燃料混入設備18將燃料氣 體4以在燃燒尾氣10內的聲速的0.6倍至0.8倍之間的一個速度噴入燃燒尾氣 6內。
在此實施例中燃料噴嘴20設計為亞音速噴嘴，使得燃料混入設備18可以 將燃料氣體8以最大為燃燒尾氣10內的聲速的0.9倍的速度噴入燃燒尾氣10
內。
另外，燃料混入設備18包括在此僅示意地示出的用于將燃料氣體8與含
氧氣體或惰性物質預混合的預混合單元24。預混合單元24可以以可變的可調 節(jié)混合比將燃料氣體8與相應的氣體預混合?？赡艿幕旌媳鹊姆秶?，即燃料分 子數(shù)與氧分子數(shù)之間的可能的比值特別地包括0.2至2.0之間的范圍。
至少在具有高的剪切梯度的燃燒模式中，控制單元將預混合單元24控制 為使得預混合單元24將燃料氣體8與含氧氣體以這樣的比例預混合，使得燃料 分子數(shù)和氧分子數(shù)之比小于1.0。
噴入數(shù)22的速度的大小使得在噴嘴出口 28前方的區(qū)域內的脈動的束12 的邊緣區(qū)域26內的剪切梯度在支持自燃的臨界剪切梯度以上。在此，噴嘴出口 28前方的其中的剪切梯度在支持自燃的臨界剪切梯度以上的區(qū)域的長度至少 為10 cm。
為產(chǎn)生高的速度，燃料混入設備18包括在此未示出的壓縮機，使得燃料 混入設備18可以將燃料氣體8以至少高于次級燃燒區(qū)6內的燃燒尾氣10的平 均壓力20%的壓力噴入到燃燒尾氣10內。在圖示的實施例中，來自初級燃燒 區(qū)的燃燒尾氣6在次級燃燒區(qū)2內的壓力大約為20 bar,而燃料氣體4的壓力 為30 bar。
在此，由含有燃料的氣體形成的內束30和由冷氣體形成的包圍內束30的 外束32組成了由燃料氣體8形成的噴入束22。冷氣體的溫度在20(TC至600°C 之間，使得冷氣體的溫度低于從初級燃燒區(qū)流入到次級燃燒區(qū)6內的燃燒尾氣 10的溫度。
在再加熱燃燒系統(tǒng)運行期間，燃料氣體在初級燃燒區(qū)12內發(fā)生燃燒，且 熱的燃燒尾氣IO通過渦輪級14流入到次級燃燒區(qū)6內。在此尾氣流中，燃料 氣體8以至少為燃燒尾氣10內的0.2倍聲速的速度噴入束12內。在第一實施 例中，在此由冷氣體形成的外束32的速度與內束30的速度相等，使得在內束 30和外束32之間不產(chǎn)生剪切梯度。大的剪切梯度產(chǎn)生于外束32的外部邊緣和 包圍了整個噴入束22的燃燒尾氣10之間的過渡處的邊緣區(qū)域26內。
在構造上更廉價的替代構造中，由冷氣體形成的外束32的速度小于內束 30的速度。
冷氣體至少基本上包括例如氮氣、C02和水蒸氣的惰性物質，其中燃料混 入設備18可以以可調節(jié)的比例為冷氣體混合燃料，以使火焰均質化。替代地，
也可以構思為將空氣放入冷氣體內或將空氣作為冷氣體。
圖2示出了替代的再加熱燃燒系統(tǒng)的燃燒噴嘴34。燃燒噴嘴34包括內管 36和同心地包圍了內管36的外管38,外管38在流動方向上向前突伸出內管 36，且外管38在前部的混合區(qū)域40內具有錐形漸縮的截面，截面終止于燃料 噴嘴34的圓形的排氣口 42。
在內管36內引導純的燃料或至少富舍燃料的氣體，而在內管36和外管38 之間的區(qū)域內引導富氧的包圍流，在一個優(yōu)選的實施例中引導空氣。在中間區(qū) 域40內，富含燃料的氣體和富氧的包圍流混合為預混合燃料氣體8。
在燃料噴嘴34的錐形漸縮的前部混合區(qū)域40內燃料氣體8被加速，因為 在束外形上平均速度基本上與截面積成反比例。預混合的燃料氣體8最后通過 排氣口 42引入到次級燃燒區(qū)6內的噴入束22內。
圖3示出了替代的再加熱燃燒系統(tǒng)44,該替代的再加熱燃燒系統(tǒng)44與在 圖1和圖2中圖示的再加熱燃燒系統(tǒng)的區(qū)別在于構造為噴槍46的、突伸到來自 燃燒尾氣10的流中間的燃料噴嘴48。燃料氣體8被引導通過燃料噴嘴48的關 于渦輪級14的旋轉軸線徑向地突伸到次級燃燒區(qū)6內的管50。在管50的徑向 內端處連接有噴槍46,該噴槍46指向在次級燃燒區(qū)6內被引導的燃燒尾氣10 的流動方向，通過該噴槍46將燃料氣體8在噴入束22內以在優(yōu)選的范圍內在 0.4至0.9馬赫數(shù)的速度基本上沿燃燒尾氣10的流動方向噴入到燃燒尾氣10內。
權利要求
1. 一種燃氣輪機燃燒器(4)，該燃氣輪機燃燒器(4)帶有燃燒區(qū)(6)，該燃燒區(qū)(6)用于燃燒由添加了燃料氣體(8)的燃燒尾氣(10)形成的混合物；還帶有燃料混入設備(18)，該燃料混入設備(18)具有用于將所述燃料氣體(8)噴入所述燃燒尾氣(10)內的燃料噴嘴(20、34、48)，其特征在于所述燃料混入設備(18)設計為將所述燃料氣體(8)以至少0.2倍聲速噴入所述燃燒尾氣(10)內。
2. 根據(jù)權利要求1所述的燃氣輪機燃燒器(4),其特征在于初級燃燒室 (12),其中所述燃燒區(qū)(6)布置在所述初級燃燒室(12)下游的尾氣流內，且提供了用于將所述燃料氣體(8 )噴入來自所述初級燃燒室(12 )的所述燃燒 尾氣(10 )內的所述燃料混入設備(18 )。
3. 根據(jù)權利要求1或2所述的燃氣輪機燃燒器(4),其特征在于所述燃 料混入設備(18)設計為使得所述燃料氣體(8)以至少0.4倍聲速的速度噴入 到所述燃燒尾氣(10)內。
4. 根據(jù)權利要求1至3中任一項所述的燃氣輪機燃燒器(4),其特征在于 所述燃料混入設備(18 )設計為使得所述燃料氣體(8 )以小于所述燃燒尾氣(10 ) 內的聲速的0.9倍的速度噴入到所述燃燒尾氣(10 )內。
5. 根據(jù)權利要求1至4中任一項所述的燃氣輪機燃燒器(4 ),其特征在于 所述燃料混入設備(18 )包括用于將所述燃料氣體(8 )與含氧氣體或惰性物質 預混合的預混合單元(24)。
6. 根據(jù)權利要求5所述的燃氣輪機燃燒器(4),其特征在于所述預混合 單元(24 )設計為使得所述燃料氣體(8 )與所述含氧氣體這樣地預混合，以便 使燃料分子數(shù)與氧分子數(shù)之間的比值在0.2至10之間。
7. 根據(jù)權利要求5或6所述的燃氣輪機燃燒器(4),其特征在于所述預 混合單元(24)設計為使得所述燃料氣體(8)與所述含氧氣體這樣地預混合， 使得燃料分子數(shù)與氧分子數(shù)之間的比值在1 ，0以下。
8. 根據(jù)權利要求1至7中任一項所述的燃氣輪機燃燒器(4 )，其特征在于 在噴嘴出口 (28)前方區(qū)域內的噴入束(22)的邊緣區(qū)域(26)內的剪切梯度 在支持所述燃料氣體(8)的自燃的臨界剪切梯度以上。
9. 根據(jù)權利要求8所述的燃氣輪機燃燒器(4)，其特征在于所述噴嘴出 口 (28)前方的其中的剪切梯度在支持自燃的臨界剪切梯度以上的區(qū)域的長度 至少為10cm。
10. 根據(jù)權利要求1至9中任一項所述的燃氣輪機燃燒器(4),其特征在 于所述燃料混入設備(18 )設計為使得所述燃料氣體(8 )以高于所述燃燒區(qū)(6)內的平均壓力至少20%的、特別是高于50%的壓力噴入所述燃燒尾氣(10) 內。
11. 根據(jù)權利要求1至10中任一項所述的燃氣輪機燃燒器(4 )，其特征在 于由所述燃料氣體(8)形成的所述噴入束(22)包括至少一個由含有燃料的 氣體形成的內束(30)和由冷氣體形成的包圍所述內束(30)的外束(32)，其 中所述冷氣體的溫度低于所述燃燒尾氣(10)的溫度。
12. 根據(jù)權利要求11所述的燃氣輪機燃燒器(4)，其特征在于所述冷氣 體的溫度在200 。C至600 。C之間。
13. 根據(jù)權利要求11或12所述的燃氣輪機燃燒器(4),其特征在于由 所述冷氣體形成的所述外束(32)的速度等于所述內束(30)的速度。
14. 根據(jù)權利要求11或12所述的燃氣輪機燃燒器(4)，其特征在于由 所述冷氣體形成的所述外束(32)的速度大于所述內束(30)的速度。
15. 根據(jù)權利要求11至14中任一項所述的燃氣輪機燃燒器(4),其特征 在于所述冷氣體含有燃料。
16. 根據(jù)權利要求11至14中任一項所述的燃氣輪機燃燒器(4),其特征 在于所述冷氣體至少基本上包括惰性物質和/或空氣。
17. 根據(jù)權利要求1至16中任一項所述的燃氣輪機燃燒器(4),其特征在 于在所述燃燒區(qū)(6)內的燃燒尾氣(3)的溫度在900。C至1600。C之間。
18. —種燃氣輪機燃燒器(4)的運行方法，該燃氣輪機燃燒器(4)帶有 燃燒區(qū)(6)，由添加了燃料氣體(8)的燃燒尾氣(10)形成的混合物在所述燃 燒區(qū)(6)內發(fā)生燃燒，其中，所述燃料氣體(8)以燃料噴嘴(20、 34、 48) 噴入所述燃燒尾氣(10)內，其特征在于所述燃料氣體(8)以至少02倍聲 速噴入所述燃燒尾氣(10 )內。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種燃氣輪機燃燒器(4)，該燃燒器(4)帶有燃燒區(qū)(6)，該燃燒區(qū)用于燃燒由添加了燃料氣體(8)的燃燒尾氣(10)形成的混合物的；還帶有燃料混入設備(18)，該燃料混入設備具有用于將燃料氣體(8)噴入燃燒尾氣(10)內的燃料噴嘴(20、34、48)。為實現(xiàn)低污染和均勻的燃燒，建議將燃料混入設備(18)設計為將燃料氣體(8)以至少0.2倍聲速噴入燃燒尾氣(10)內。
文檔編號F23R3/24GK101395428SQ200780007127
公開日2009年3月25日 申請日期2007年2月20日 優(yōu)先權日2006年2月28日
發(fā)明者安德烈亞斯·海洛斯, 杰亞普·范坎彭, 沃納·克雷布斯 申請人:西門子公司