专利名称：涡轮热气通路沉积物通过压力脉动的在线清除的制作方法
技术领域：
本文所公开的主题涉及一种容许使用由脉冲爆震所产生的高压脉冲从处于燃烧 运行的系统热流体通路中在线除去涡轮热气通路沉积物的设备。
背景技术：
用以从燃烧煤和产生灰烬的其它燃料的大规模蒸汽锅炉中移除烟炱和灰烬累积 物的基于爆震波的吹灰设备已经取得了一些进展。燃烧重质液体的燃气涡轮机也会经历 热气通路受到烟炱和灰烬沉积物的污染，这些烟炱和灰烬沉积物必须通过离线水洗定期除 去。涡轮在注入水和溶剂之前冷却下来并执行离线洗涤所需的时间限制了燃烧重质燃料油 (HFO)的这些燃气涡轮机的可用性。燃烧原油、重质燃料油或产生灰烬的其它燃料的工业燃气涡轮机必须在燃料中混 合氧化镁(MgO)或别的化合物作为钒吸气剂来避免对热气通路的热腐蚀。这些燃料中的 MgO和其它化合物，以及惰性物质(二氧化硅)会在热气通路上产生渣料和灰烬沉积物。如 果不经常除去这些沉积物，则涡轮的空气动力性能变化得足以使系统不能运行；其几乎变 得由沉积物堵塞。当前的实施办法是采用离线水洗，以每天一次或至少每周一次的频度除 去沉积物。涡轮必须离线、显著地冷却下来直至接近环境温度用以避免水对金属零件的热 冲击，而之后再用水和溶剂进行水洗。小体积物体(nutshell)和其它相对易碎的物件可采 用气动方式注入系统中，同时转子快速转动曲柄以进一步吹走热气零件(HGP)的沉积物。因此，期望的是在系统处于燃烧运行的同时从系统的流体通路中除去灰烬沉积 物。还期望的是能够在系统以大于大气压力的压力运行的同时从系统的流体通路中除去灰 烬沉积物而无需水或溶剂。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种通过压力脉冲从系统中除去热气沉积物的方 法。该方法包括调节爆震流体和氧化剂的混合物进入膨胀室中的流动；以及通过点燃膨胀 室中的爆震流体和氧化剂的混合物而在膨胀室内引发爆震，从而产生高压波，该高压波以 超音速沿系统的流体通路传播，从而在系统处于燃烧运行的同时除去流体通路中的热气沉 积物，该膨胀室朝向系统的流体通路弓I导高压波。根据本发明的另一个方面，提供了一种用于通过压力脉冲从系统中除去热气沉积 物的设备。该设备包括膨胀室，其构造成用以收容爆震流体和氧化剂的混合物；以及引发 器，其构造成用以点燃膨胀室中的爆震流体和氧化剂的混合物，在膨胀室内引发爆震，从而 产生高压波，该高压波以超音速沿系统的流体通路传播，从而在系统处于燃烧运行的同时 除去流体通路中的热气沉积物，该膨胀室朝向系统的流体通路引导高压波。根据本发明的又一个方面，提供了 一种用于通过压力脉冲从燃气涡轮机流体通路 中除去涡轮热气通路沉积物的系统。该系统包括设置在燃气涡轮机的燃烧室内的膨胀室， 该膨胀室构造成用以收容爆震流体和氧化剂的混合物；以及引发器，其构造成用以点燃膨胀室中的爆震流体和氧化剂的混合物，在膨胀室内引发爆震，从而形成高压波，该高压波传 播到燃烧室中并以超音速沿燃气涡轮机的流体通路传播，从而在燃气涡轮机处在大于大气 压力的压力下运行的同时除去流体通路中的涡轮热气通路沉积物，该高压波引入燃烧室中 并通过膨胀室穿过燃气涡轮机的流体通路。通过结合附图的如下描述，这些及其它优点和特征将变得更为明显。
在权利要求中具体地示出且明确地主张了认作是本发明的主题。通过结合附图的 如下详细描述，本发明的前述及其它特征和优点将变得明显，在附图中图1为根据本发明的一个示例性实施例的具有用于从燃气涡轮机的热气通路中 除去涡轮热气通路沉积物的设备的燃气涡轮机的截面视图；图2为根据本发明的一个示例性实施例的用于从燃气涡轮机的热气通路中除去 涡轮热气通路沉积物的设备的简图；图3为根据本发明的一个示例性实施例的设置在燃气涡轮机的燃烧器室内的设 备的截面透视图；以及图4为根据本发明的一个示例性实施例的在一个燃烧器室内结合该设备的燃气 涡轮机的燃烧器组件的截面视图。本详细说明通过举例的方式参照附图阐述了本发明的实施例以及优点和特征。
零件清单
10系统
12脉冲发生器
14燃烧器组件
16燃气涡轮机
18热气通路
20喷嘴
22燃烧器室
30膨胀室
32第一输入端口
34第二输入端口
37第一源
38第二源
40第二阀
42第二阀
44喷嘴端
46反应区
48节流点
50燃料喷射器接口(interface)
60控制器
具体实施例方式示例性实施例涉及一种设备，其容许通过由脉冲爆震所产生的高压波或脉冲从系 统(例如，燃气涡轮机)的热流体通路中在线除去热气沉积物，或更具体而言是涡轮热气通 路沉积物(烟炱、渣块、灰烬、渣料以及燃料和空气所产生的其它燃料副产物，下文称为" 灰烬沉积物")。本文所描述的系统可为燃烧重质燃料油、粉煤或产生灰烬的其它燃料的 任何类型的系统。示例性实施例还涉及一种设备，该设备可在周期模式或清除模式下运行， 以便通过由爆震液体(例如，乙烯)和氧化剂(例如，压缩空气)的混合物的周期性爆震所 产生的高压脉冲从系统的热流体通路中移除或除去灰烬沉积物，或可通过在连续模式下运 行而作为点火系统或扩散引燃器(Pilot)进行工作。示例性实施例还涉及一种系统，该系 统结合了用于通过由脉冲爆震引起的高压脉冲在线除去灰烬沉积物的这些示例性设备。此 外，在这些实施例中，该系统包括处理器，该处理器用于使设备能够作为清除器和用于启动 的火炬点火系统来运行，或作为用于改善处于部分负载下的可操作性的扩散焰引燃器进行 工作。根据一个示例性实施例，该设备容许使用由周期性压力增益燃烧或脉冲爆震所产 生的高压波或压力脉冲从燃烧重质燃料油、粉煤或产生灰烬的其它燃料的系统的热气通路 中在线除去灰烬。在一个非限制的示例性实施例中，设备设置在燃料燃烧系统的燃烧组件 中。例如，该设备可设置在燃气涡轮机的燃烧器室内。在该实例中，该设备包括与燃料/空 气计量装置相关联且定位在燃烧器室外侧的电磁阀或回转阀，用于调节燃料/空气进入爆 震管或膨胀室中的流动，该爆震管或膨胀室引导或导引高压波进入燃烧室中并有效地沿着 燃气涡轮机的热气通路。使用该相同的实例，设备可由处理系统控制，该处理系统使设备能 够在第一运行模式(例如，周期性供送燃料和空气)或第二运行模式(例如，连续供送燃料 和/或空气)下运行。现参看附图，图1为根据一个示例性实施例的用于从燃气涡轮机的流体通路或热 气通路中除去灰烬沉积物的系统10的简图。系统10大体上包括设备12，该设备12结合到 燃气涡轮机16的燃烧器组件14中，且构造成用以从燃气涡轮机16的热气通路(大体上由 虚线箭头18所示)中除去灰烬沉积物。根据一个示例性实施例，热气通路18限定在燃烧器 组件14与燃气涡轮机16的输出端之间。根据一个示例性实施例，设备12为脉冲发生器， 该脉冲发生器可作为多功能装置(火炬点火器、火焰引燃器和脉冲喷射式清除器)运行。根据本发明的示例性实施例的脉冲发生器12可结合到具有可变构造的燃烧器组 件14中，且不应当限于图1中所示的构造。通常，高压气体供送给燃烧器组件14，且在喷 嘴20中与燃料(例如过程气体和/或合成气体)相混合。燃料/空气或可燃混合物传递 到燃烧器室22中且由火花塞22点燃，以形成高温高压的燃烧气流。然而，根据本发明的一 个示例性实施例，脉冲发生器12可用于点燃燃烧器室22中的燃料/空气混合物，或在燃烧 器室22中引燃燃烧过程，这将在下文中更为详细地描述。该实施例消除了对用于点燃或再 点燃燃烧器组件中的燃烧室的常规火花塞和通常用于点燃燃烧组件的其它燃烧室的连焰 管的需要。现参看图2，脉冲发生器12的基本元件大体上包括膨胀室30、第一输入端口 32、第 二输入端口 34，以及引发器36。根据一个实施例，室30分别经由第一输入端口 32和第二 输入端口 34而供有爆震流体和氧化剂(例如，空气)的混合物。根据一个实施例，爆震流体从第一源36 (例如，计量燃料供送源)供送，而氧化剂从第二源38 (例如，压缩空气供送 源)供送。在一个备选实施例中，爆震流体从将燃料供送给燃烧器组件的相同源供送。在 一个实施例中，供送给膨胀室30的爆震流体的量小于供送给燃烧器组件的燃料量，举例来 说，例如为主要涡轮燃烧流的大约百分之一。换言之，维持膨胀室内的爆震所需的爆震流体 小于维持燃气涡轮机的主要燃烧所需燃料的量。根据一个实施例，设备12还包括分别调节进入室22中的爆震流体和氧化剂的流 动用以改变压力波的频率和振幅的第一阀40和第二阀42。尽管如图2中所示只有一个阀 与各供送源相关联，但应当理解的是，位于不同位置上的阀的组合也可用于调节或改变爆 震流体和氧化剂进入室22的流动。在一个实施例中，第一阀40和第二阀42定位在室22 的外侧。第一阀40和第二阀42可分别为构造成用以调节爆震流体和氧化剂进入膨胀室30 中的流动的任何类型的阀或控制装置。例如，第一阀40和第二阀42为具有例如由可变电 动马达驱动的旋转鼓的常规回转阀。第一阀40可取决于运行模式能使爆震流体进入室22 的流动为周期性的或连续的。类似的是，第二阀42可取决于运行模式能使氧化剂进入室22 的流动为周期性的或连续的。第二阀42还可取决于运行模式而有选择地防止氧化剂流入 室22中，这将在下文中更为详细地描述。根据一个示例性实施例，引发器36构造成用以点燃膨胀室30中的爆震流体和氧 化剂的混合物，从而在膨胀室30内产生爆震事件。膨胀室30内的爆震快速地升高膨胀室 30内的压力并形成高压波。由膨胀室30内的压力增益燃烧事件(爆震)所产生的高压波 以超音速传播经过限定在膨胀室30 —端处的喷嘴44，进入燃烧器室22中，且沿着燃气涡 轮机16的热气通路18移除灰烬沉积物并离开燃气涡轮机16的排放输出端。灰烬沉积物 然后通过总体流动传送出涡轮。高压波从热气通路18中且有效地从燃气涡轮机的静止构 件(例如，第一级喷嘴)中移除或除去灰烬沉积物或不需要的烟炱。根据一个非限制的示 例性实施例，引发器36为火花塞。在另一个非限制的示例性实施例中，引发器36为等离子 喷灯。当然，根据其它示例性实施例，引发器36可以是构造成用以使膨胀室30中的爆震流 体和氧化剂的混合物爆炸的任何装置。根据一个示例性实施例，膨胀室30为圆柱管，该圆柱管将高压波引入燃烧室22 中，且构造成用以在限定于根据一个示例性实施例的膨胀室30内的内部中空空间或反应 区46中引发爆震。在一个示例性实施例中，如图3和图4中所示，脉冲发生器12的膨胀室 30沿轴向设置在燃烧器室22内。在一个非限制的示例性实施例中，膨胀室30设置在燃烧 器室22的中心线处，且由燃烧器室22的许多燃料喷射器接口 50所包绕。当然，膨胀室30 可采用可变构造插入燃烧器室22内而不应当限于所示的布置。收容膨胀室30的燃烧器室 22可为管型、环形燃烧室等。根据一个非限制的示例性实施例，膨胀室30的直径尺寸为一英寸。当然，膨胀室 30的直径尺寸可取决于应用而大于或小于一英寸。根据其它示例性实施例，膨胀室30可为 任何尺寸或构造，且不应当限于本文所述的构造。在一个实施例中，膨胀室30包括限定在 膨胀室30的一端(邻近引发器的封闭端)与膨胀室30另一端或膨胀室30的喷嘴端44之 间的节流点48。根据一个实施例，节流点48有助于限制流体流动和增大膨胀室30内的压 力，这使得高压波能够达到超音速。膨胀室30的构造使得一旦将爆震流体和氧化剂的混合 物注入膨胀室30中且引发器点燃混合物，则在膨胀室30内发生爆震或爆震事件，从而形成高压波，该高压波由于膨胀室30反应区中的能量释放而通过膨胀室30中的流体进行传播。 高压波以超音速传播到燃烧器室22中且沿着燃气涡轮机16的热气通路18，从而将灰烬沉 积物从热气通路18中移除。回来参看图2，控制器60与脉冲发生器12连通，用于使脉冲发生器12能够在脉 冲发生器12用作清除装置的第一运行模式(周期模式)或在脉冲发生器12可用作火炬点 火系统或火焰引燃器的第二运行模式(连续模式)下运行。在一个实施例中，控制器60在 膨胀室30外，且根据一个示例性实施例，通过线缆联接到第一阀40、第二阀42和引发器36 上。可构思出的是，在其它示例性实施例中，控制器60构造成用以与阀和引发器或其它装 置进行无线通信，以便使脉冲发生器12能在或清除模式或在其中脉冲发生器12用作整体 式点火器或扩散引燃器的连续模式下运行。在第一运行模式期间，脉冲发生器12通过由周期爆震所产生的周期性高压脉冲 或高压波从燃气涡轮机16的热气通路18中移除或除去灰烬沉积物。通过向脉冲发生器12 的膨胀室30间断地供送爆震流体和空气并周期性地点燃供送到室30中的燃料/空气，产 生了周期性的爆震。第一阀40和第二阀42分别使爆震流体和氧化剂能够在第一运行模式 期间周期性地流入室30中，这能够形成由脉冲爆震所产生的压力波。这种振荡供送燃料/ 空气和出现这些周期性爆震或脉冲爆震事件形成了高压波，这些高压波用于从燃气涡轮机 16的热气通路18中移除灰烬沉积物。根据一个示例性实施例，燃气涡轮机16在第一运行 模式、第二运行模式或两者期间处于燃烧运行中。在一个非限制的示例性实施例中，燃气涡 轮机16在清除模式或连续模式期间在大于大气压力的压力下运行。因此，爆震清除可在燃 气涡轮机在负载下运行的情况下发生，这可有效地显著减少系统停机时间。根据一个示例性实施例，控制器60可形成可变频率脉动用于在燃烧室22及燃气 涡轮发动机的其它燃烧室(未示出)中除去灰烬，其它燃烧室也使用根据一个实施例的其 自身的脉冲发生器。换言之，根据一个示例性实施例，控制器60构造成用以独立地控制燃 气涡轮发动机各室中的脉冲频率，以避免相干脉动。控制器60通过控制阀40、42和引发器 36的运行来控制室22中的脉冲频率。在一个实施例中，控制器60改变压力振荡或压力波 用以有助益地干扰燃烧室22中的动压振荡，从而增大振幅用以更为有效地清除，或调整压 力振荡的频率和相位来破坏性地干扰动压振荡用以减小振幅。压力振荡的可变频率可用于 优化热气通路的清洁，同时避免可破坏沿热气通路的下游零件的频率。例如，控制器60可 调整压力振荡的频率，以便与热气通路中的构件(例如，第一级喷嘴)的共振频率匹配，以 便于除去构件上的灰烬/烟炱。在第二运行模式期间，脉冲发生器12在连续模式下运行。在第二运行模式中，脉 冲发生器12可用作火炬点火器来启动燃气涡轮机，或再点燃吹出式燃烧室或用作火焰引 燃器来稳定燃烧室。当脉冲发生器12用作火炬点火器时，第一阀40和第二阀42锁定在容 许爆震流体和氧化剂连续地流入室30中的连续流动位置。当脉冲发生器用作启动喷灯时， 引发器36点燃室30中的爆震流体和氧化剂的混合物。根据一个实施例，这引发了燃烧室 22中的燃烧过程，且无需常规火花塞而启动了燃气涡轮机。当脉冲发生器12在恒定的爆 燃(稳定火焰)模式中用作火焰引燃器时，第一阀40使爆震流体能够连续地流入室30中， 而第二阀42也使氧化剂能够连续地流入室30中用于更稀薄的混合物，或如图2中的虚线 所示那样有选择地防止氧化剂流入室30中。火焰引燃器使假定为正在运行的燃烧室22稳定。因此，这消除了对引发器的需要。换言之，引发器在第二运行模式期间首先点燃爆震流 体和氧化剂的混合物，且一旦引发器点燃该混合物，便不再需要引发器，因为可通过爆震流 体的连续流动来稳定火焰。根据一个示例性实施例，根据应用情形，控制器60可与燃气涡轮发动机的运行系 统(未示出)或运行系统的组成部分进行信号通信。在一个示例性实施例中，控制器60基 于有关燃气涡轮机燃烧器组件的良好状况、状态和/或条件的输入数据，有选择地将脉冲 发生器12设定在周期清除模式。例如，如果燃气涡轮机的输出很低，则脉冲发生器12可设 置为第一运行模式。类似的是，如果燃气涡轮机需要启动，或燃烧器室需要再点燃，则脉冲 发生器12可设置为第二运行模式。根据一个实施例，控制器可从各种源(例如，传感器)接收各种输入数据，以便控 制阀40、42的速度(频率)以及引发器36的运行/功能(例如，定时、电流、电压等)。由 控制器所接收的输入数据例如可包括负载、燃烧温度、压缩机排放压力和温度、燃烧器静 压、动压振幅和频率、膨胀室壁温、主火焰检测器状态、膨胀室火焰检测器状态、膨胀室状态 压力、燃烧器运行模式、自上次清除循环的燃烧小时数，或它们的组合。当然，控制器可接收 有关燃烧器组件或燃气涡轮机的良好状况、状态和/或条件的其它类型的输入数据，且不 应当限于上述实例。根据一个示例性实施例，脉冲发生器12中使用的爆震流体包括挥发性液体燃料 的一种或其组合。更具体而言，膨胀室30可供有单一的或组合的挥发性液体燃料或气体燃 料，如氢气、天然气、丙烷、丁烷和汽油以及瓶装气体。当然，根据其它示例性实施例，其它挥 发性燃料(例如，乙烯、甲醇或丙烷)可用于与爆震流体一起供送给膨胀室30，且不应当限 于本文所述的实例。可构思出的是，根据其它示例性实施例，可容易地以液态保存的其它烃 气可用作脉冲发生器的爆震流体。脉冲发生器12的示例性实施例容许更为频繁的清洁，这会改善净性能且能实现 更高的燃烧温度、输出和效率。脉冲发生器12的示例性实施例可用作如所述的点火喷灯和 高温引燃器，这在尝试以既不像常规柴油那样容易挥发也不容易雾化成可点燃喷雾的残油 运行时可作为有用的器件。本文所述的脉冲发生器12的示例性实施例消除或减小了对通 常用来清除燃气涡轮机中的灰烬沉积物的水或溶剂的需要。本文所述的脉冲发生器的示例 性实施例还使涡轮能够在燃气涡轮机处于燃烧运行的同时通过压力脉冲进行清洁。由设备 所耗用的爆震燃料的量很少(例如，涡轮燃料流的1/50)，且释放的清洁能量可在燃气涡轮 机中部分地回收。应当理解的是，连续模式下的清洁过程容许由爆震流体所释放的能量在燃气涡轮 机和相关的联合循环中部分地回收。尽管本发明仅结合有限数量的实施例进行了详细描述，但应当容易理解，本发明 并不限于这些公开的实施例。确切而言，本发明可进行修改，以结合任意数目的此前并未描 述但与本发明的精神和范围相匹配的变型、备选方案、替换方案或等效布置。此外，尽管已 经描述了本发明的多种实施例，但应当理解，本发明的方面可仅包括所述实施例中的一些。 因此，本发明不应看作是由以上说明限制，而是仅由所附权利要求的范围来限制。
权利要求
一种用于通过压力脉冲从系统(10)除去热气沉积物(18)的方法，包括调节爆震流体(36)和氧化剂(38)的混合物进入膨胀室(30)中的流动；以及通过在所述膨胀室(30)中点燃所述爆震流体(36)和氧化剂(38)的混合物而在所述膨胀室(30)内引发爆震，产生高压波，所述高压波以超音速沿所述系统的流体通路传播，从而在所述系统(10)处于燃烧运行的同时除去所述流体通路中的热气沉积物(18)，所述膨胀室(30)将所述高压波朝向所述系统(10)的流体通路引导。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第一控制装置(40)和第二控制装置(42) 分别调节所述爆震流体(36)和氧化剂(38)的混合物进入所述膨胀室(30)的流动，所述第 一控制装置(40)和所述第二控制装置(42)有选择地以第一运行模式和第二运行模式运 行。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在所述第一运行模式期 间，利用所述第一控制装置(40)使爆震流体(36)能够周期性地流入所述室(30)中，利用 所述第二控制装置(42)使氧化剂(38)能够周期性地流入所述室(30)中，使得能够形成通 过脉冲爆震事件所产生的高压波。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在所述第二运行模式期 间，利用所述第一控制装置使爆震流体(36)能够连续地流入所述室(30)中，以及或者使氧 化剂(38)能够连续地流入所述室(30)中或者有选择地阻止氧化剂(38)流入所述室(30) 中。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述系统(10)为在处于燃烧运行的同时 以大于大气压力的压力进行工作的燃气涡轮机(16)。
6.一种用于通过压力脉冲从系统(10)除去热气沉积物(18)的设备，包括膨胀室(30)，其构造成用以收容爆震流体(36)和氧化剂(38)的混合物；以及引发器，其构造成用以在所述膨胀室(30)中点燃所述爆震流体(36)和氧化剂(38) 的混合物而在所述膨胀室(30)内引发爆震，产生高压波，所述高压波以超音速沿所述系统 (10)的流体通路传播，从而在所述系统(10)处于燃烧运行的同时除去所述流体通路中的 热气沉积物(18)，所述膨胀室(30)将所述高压波朝向所述系统(10)的流体通路引导。
7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述设备还包括构造成用以分别调节所 述爆震流体(36)和氧化剂(38)的混合物进入所述膨胀室(30)的流动的第一控制装置 (40)和第二控制装置(42)，所述第一控制装置(40)和所述第二控制装置(42)有选择地以 第一运行模式(40)和第二运行模式(42)运行。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，在所述第一运行模式(40)期间，所述第一 控制装置(40)使爆震流体(36)能够周期性地流入所述室(30)中，同时所述第二控制装置 (42)使氧化剂(38)能够周期性地流入所述室(30)中，使得能够形成通过脉冲爆震事件所 产生的高压波。
9.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述第一控制装置(40)和所述第二控制 装置(42)可操作地改变所述高压波的频率和振幅。
10.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，在所述第二运行模式(42)期间，所述第 一控制装置(40)使爆震流体(36)能够连续地流入所述室(30)中，以及所述第二控制装置 (42)或者使氧化剂(38)能够连续地流入所述室(30)中或者有选择地阻止氧化剂(38)流入所述室(30)中。
全文摘要
本发明涉及涡轮热气通路沉积物通过压力脉动的在线清除。具体而言，提供了一种用于通过压力脉冲从系统(10)中除去热气沉积物(18)的方法。该方法包括调节爆震流体(36)和氧化剂(38)的混合物进入膨胀室(30)中的流动；以及通过点燃膨胀室(30)中的爆震流体(36)和氧化剂(38)的混合物在膨胀室(30)内引发爆震，从而产生高压波，该高压波以超音速沿系统(10)的流体通路传播，从而在系统(10)处于燃烧运行的同时除去流体通路中的热气沉积物(18)，膨胀室(30)将高压波朝向系统(10)的流体通路引导。
文档编号B08B5/00GK101881218SQ201010178128
公开日2010年11月10日 申请日期2010年5月4日 优先权日2009年5月4日
发明者A·K·维, G·D·迈尔斯, M·J·休斯 申请人:通用电气公司