在非预混模式中操作干式低NOx燃烧器的系统和方法与流程

本申请主张在2015年8月27日提交的美国临时专利申请序列号No. 62/210,611的权益，该申请内容通过引用而整体并入本文中。

技术领域

本发明涉及用于燃气涡轮的干式低NOx(DLN: Dry Low NOx)型燃烧器。更具体而言，本发明涉及用于在非预混模式中操作DLN-1型燃烧器的系统和方法。

背景技术：

燃气涡轮大体上包括进入区段、压缩机区段、燃烧区段、涡轮区段和排出区段。进入区段清洁且调节工作流体(例如，空气)，且将该工作流体供应至压缩机区段。压缩机区段逐渐地增大工作流体的压力，且将压缩的工作流体供应至燃烧区段的多个环形地布置的燃烧器。压缩的工作流体和燃料(诸如天然气)混合且在燃烧器内焚烧，以便生成处于高温和高压的燃烧气体。燃烧气体被从燃烧器发送至涡轮区段中，在此它们膨胀以产生功。例如，燃烧器在涡轮区段中的膨胀可导致连接于发电机的轴旋转，从而产生电。

对来自燃气涡轮发电厂的低排放的监管要求在这些年不断变得更严苛。全世界的环境机构现在要求来自新的和现有的燃气涡轮二者的氮的氧化物(NOx)和其他污染物的甚至更低的排放速率。为了使燃料效率与排放要求平衡，各种类型的燃气涡轮利用干式低NOx(DLN)燃烧系统。General Electric Co.的DLN-1或DLN-1+类型燃烧器是两级预混燃烧器，其设计成用于与天然气燃料一起使用，且可能能够利用液体燃料来操作。DLN-1或DLN-1+类型燃烧器提供燃料喷射系统，该燃料喷射系统包括定位在燃烧器中心轴线上的副燃料喷嘴，该副燃料喷嘴由围绕副燃料喷嘴环形地布置的多个主燃料喷嘴环绕。

在满负载的大约百分之七十到满负载的大约百分之一百之间下，DLN-1或DLN-1+类型燃烧器利用贫预混燃料/空气构思来维持非常低的排出排放物水平，同时维持高水平的效率。通过在燃烧器的预混操作期间在燃烧区处或燃烧区的下游将水或蒸汽喷射到燃烧气体中，可至少部分地维持低排放物水平，特别是NOx排放物水平。然而，这些方法在解决在DLN-1或DLN-1+的主要操作和贫-贫操作期间生成的排放水平，特别是NOx排放水平方面一般是较不有效的，主要操作在点燃之间发生且大约百分之三十五负载之间，该贫-贫操作发生在负载的大约百分之三十五和大约百分之七十五之间。因此，需要提供一种DLN-1或DLN-1+燃烧器，其具有用于在非预混操作期间的降低的或低的排放性能的能力。

技术实现要素：

本发明的方面和优点将在下列描述中阐述，或可从描述变得明显，或可通过本发明的实践而习得。

本发明的一个实施例是用于在非预混操作模式中操作燃烧器的系统。该系统包括：燃烧器，其包括围绕中心燃料喷嘴环形地布置的多个主燃料喷嘴；燃料供应系统，其流体地联接于多个主燃料喷嘴和中心燃料喷嘴；蒸汽喷射系统，其流体地联接于燃料供应系统且联接于多个主燃料喷嘴或中心燃料喷嘴中的至少一者；和控制器。控制器电子地联接于燃料供应系统和蒸汽喷射系统。控制器被编程为启动蒸汽喷射系统以在燃烧器的非预混操作模式期间在多个主燃料喷嘴或中心燃料喷嘴中的至少一者的上游将过热蒸汽流喷射到来自燃料供应系统的燃料流中。

本公开的另一个实施例包括发电站。该发电站包括燃气涡轮，该燃气涡轮具有压缩机、在压缩机下游的燃烧器、和配置在燃烧器下游的涡轮。燃烧器包括围绕中心燃料喷嘴环形地布置的多个主燃料喷嘴。燃料供应系统流体地联接于多个主燃料喷嘴且联接于中心燃料喷嘴。余热回收蒸汽发生器配置在涡轮的下游，且用于在非预混操作模式中操作燃烧器的系统联接于燃烧器。系统包括蒸汽喷射系统，该蒸汽喷射系统流体地联接于燃料供应系统且联接于多个主燃料喷嘴或中心燃料喷嘴中的至少一者。该发电站还包括控制器，该控制器电子地联接于燃料供应系统和蒸汽喷射系统。控制器启动蒸汽喷射系统以在燃烧器的非预混操作模式期间在多个主燃料喷嘴或中心燃料喷嘴中的至少一者的上游将过热蒸汽流喷射到来自燃料供应系统的燃料流中。

本公开的另一实施例包括用于在非预混操作模式中操作燃烧器的方法。该方法包括：启动该燃烧器的非预混操作模式和将过热蒸汽从蒸汽喷射系统喷射到燃烧器的多个主燃料喷嘴中的一个或更多个主燃料喷嘴或中心燃料喷嘴中。

本发明的第一技术方案提供了一种用于在非预混操作模式中操作燃烧器的系统，包括：燃烧器，其包括围绕中心燃料喷嘴环形地布置的多个主燃料喷嘴；燃料供应系统，其流体地联接于所述多个主燃料喷嘴和所述中心燃料喷嘴；蒸汽喷射系统，其流体地联接于所述燃料供应系统且联接于所述多个主燃料喷嘴或所述中心燃料喷嘴中的至少一者；以及控制器，其电子地联接于所述燃料供应系统和所述蒸汽喷射系统，其中所述控制器启动所述蒸汽喷射系统以在所述燃烧器的非预混操作模式期间在所述多个主燃料喷嘴或所述中心燃料喷嘴中的至少一者的上游将过热蒸汽流喷射到来自所述燃料供应系统的燃料流中。

本发明的第二技术方案是在第一技术方案中，还包括流体地联接于所述蒸汽喷射系统的燃气涡轮的压缩机，其中所述压缩机提供热能至所述蒸汽喷射系统。

本发明的第三技术方案是在第一技术方案中，还包括流体地联接于所述蒸汽喷射系统的余热回收蒸汽发生器，其中所述余热回收蒸汽发生器提供热能至所述蒸汽喷射系统。

本发明的第四技术方案是在第一技术方案中，还包括流体地联接于所述蒸汽喷射系统的余热回收蒸汽发生器，其中所述余热回收蒸汽发生器提供过热蒸汽至所述蒸汽喷射系统。

本发明的第五技术方案是在第一技术方案中，还包括流体地联接于所述蒸汽喷射系统的燃气涡轮的涡轮，其中所述涡轮提供热能至所述蒸汽喷射系统。

本发明的第六技术方案是在第一技术方案中，还包括流体地联接于所述蒸汽喷射系统的蒸汽涡轮，其中所述蒸汽涡轮提供热能至所述蒸汽喷射系统。

本发明的第七技术方案是在第一技术方案中，还包括流体地联接于所述蒸汽喷射系统的蒸汽涡轮，其中所述蒸汽涡轮提供过热蒸汽至所述蒸汽喷射系统。

本发明的第八技术方案是在第一技术方案中，所述燃烧器还包括燃烧衬套，其具有文氏管和由所述燃烧衬套在所述文氏管的下游限定的副燃烧区。

本发明的第九技术方案提供了一种发电厂，包括：燃气涡轮，其具有压缩机、在所述压缩机下游的燃烧器、和配置在所述燃烧器下游的涡轮，所述燃烧器包括围绕中心燃料喷嘴环形地布置的多个主燃料喷嘴；燃料供应系统，其流体地联接于所述多个主燃料喷嘴和所述中心燃料喷嘴；余热回收蒸汽发生器，其配置在所述涡轮的下游；以及用于在非预混操作模式中操作燃烧器的系统，所述系统包括：蒸汽喷射系统，其流体地联接于所述燃料供应系统且联接于所述多个主燃料喷嘴或所述中心燃料喷嘴中的至少一者；以及控制器，其电子地联接于所述燃料供应系统和所述蒸汽喷射系统，其中所述控制器启动所述蒸汽喷射系统以在所述燃烧器的非预混操作模式期间在所述多个主燃料喷嘴或所述中心燃料喷嘴中的至少一者的上游将过热蒸汽流喷射到来自所述燃料供应系统的燃料流中。

本发明的第十技术方案是在第九技术方案中，所述压缩机流体地联接于所述蒸汽喷射系统，其中所述压缩机提供热能至所述蒸汽喷射系统。

本发明的第十一技术方案是在第九技术方案中，所述余热回收蒸汽发生器流体地联接于所述蒸汽喷射系统，其中所述余热回收蒸汽发生器提供热能所述蒸汽喷射系统。

本发明的第十二技术方案是在第九技术方案中，所述余热回收蒸汽发生器流体地联接于所述蒸汽喷射系统，其中所述余热回收蒸汽发生器提供过热蒸汽至所述蒸汽喷射系统。

本发明的第十三技术方案是在第九技术方案中，所述涡轮流体地联接于所述蒸汽喷射系统，其中所述涡轮提供热能至所述蒸汽喷射系统。

本发明的第十四技术方案是在第九技术方案中，还包括流体地联接于所述蒸汽喷射系统的蒸汽涡轮，其中所述蒸汽涡轮提供热能至所述蒸汽喷射系统。

本发明的第十五技术方案是在第九技术方案中，还包括流体地联接于所述蒸汽喷射系统的蒸汽涡轮，其中所述蒸汽涡轮提供过热蒸汽至所述蒸汽喷射系统。

本发明的第十六技术方案是在第九技术方案中，所述燃烧器还包括燃烧衬套，其具有文氏管和由所述燃烧衬套在所述文氏管的下游限定的副燃烧区。

本发明的第十七技术方案提供了一种用于在非预混操作模式中操作燃烧器的方法，包括：启动所述燃烧器的非预混操作模式；以及将过热蒸汽从蒸汽喷射系统喷射到所述燃烧器的多个主燃料喷嘴中的一个或更多个主燃料喷嘴或中心燃料喷嘴中。

本发明的第十八技术方案是在第十七技术方案中，将所述过热蒸汽喷射到所述多个主燃料喷嘴中和所述中心燃料喷嘴二者中。

本发明的第十九技术方案是在第十七技术方案中，还包括将来自余热回收蒸汽发生器和蒸汽涡轮中的至少一者的所述过热蒸汽引导至所述蒸汽喷射系统。

本发明的第二十技术方案是在第十七技术方案中，还包括将来自压缩机、涡轮、和余热回收蒸汽发生器中的至少一者的热能引导至所述蒸汽喷射系统，以产生所述过热蒸汽。

在阅读说明书之后，本领域技术人员将更好地理解此种实施例和其他实施例的特征和方面。

附图说明

本发明的完整和能实现的公开(包括其对本领域技术人员而言的最佳模式)在说明书的剩余部分(包括参考附图)中更具体地阐述，在附图中：

图1是在本发明的范围内的示例性基于燃气涡轮的发电厂的功能框图；

图2是可结合本发明的至少一个实施例的示例性干式低NOx燃烧器的简化截面侧视图；

图3是可结合本发明的至少一个实施例的示例性干式低NOx燃烧器的简化截面侧视图；

图4是可结合本发明的至少一个实施例的示例性干式低NOx燃烧器的简化截面侧视图；以及

图5是根据本发明的一个实施例的用于在非预混操作模式中操作燃烧器的方法的框图。

部件列表

10 燃气涡轮

12 进入区段

14 工作流体

16 压缩机

18 压缩的工作流体

20 燃料

22 燃料供应源

24 燃烧器

26 燃烧气体

28 涡轮

30 轴

32 发电机/马达

34 排出气体

36 排出区段

38 排气器

40 HRSG

42 热交换器

44 过热蒸汽

46 蒸汽涡轮

48 燃料歧管

44 燃料供应源/源

46 天然气

48 燃料分配歧管

49-100 未使用

100 DLN燃烧器

102 副/中心燃料喷嘴

104 主燃料喷嘴

106 主燃烧室/混合室

108 文氏管

110 燃烧衬套

112 副/预混燃烧区

114 阀

116 控制器

118 燃料/空气混合物

119-199 未使用

200 系统

202 蒸汽供应源

204 过热蒸汽

300 方法

302 步骤

304 步骤。

具体实施方式

现在将详细地参照本发明的实施例，其一个或更多个实例在附图中例示出。详细的说明使用数字和字母标号来指示图中的特征。图和说明中的相似或类似的标号用于指示本发明的相似或类似的部分。如在本文中所使用的，用语“第一”、“第二”和“第三”可以可互换地使用，以将一个构件与另一个构件区分，且不意图表示单独的构件的位置或重要性。用语“上游”和“下游”指相对于流体路径中流体流的相对方向。例如，“上游”指流体流自的方向，且“下游”指流体流至的方向。

本文中使用的用语仅出于描述特定实施例的目的，且不意图限制本发明。如在本文中使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”也意图包括复数形式，除非上下文另外清楚地指出。还应理解的是，当在本说明书中使用时，用语“包括”和/或“包含”规定所声明的特征、整体、步骤、操作、元件、和/或构件的存在，但不排除一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、构件和/或它们的组合的存在或增加。

各实例是作为本发明的解释而非本发明的限制来提供的。事实上，对于本领域专业人员将是显而易见的是，在本发明中可进行更改和变化而不脱离其精神或范畴。例如，作为一个实施例的一部分而例示或描述的特征可用在另一实施例上，以产生又一实施例。因此，意图当更改和变化在所附权利要求和它们的等同物的范围内时，本发明覆盖这种更改和变化。

本发明的实施例采用用于在非预混操作模式中将过热蒸汽从蒸汽喷射系统喷射到干式低NOx或DLN类型燃烧器(诸如DLN-1和/或DLN-1+燃烧器)中以在燃烧器的非预混模式操作期间减少NOx排放水平的系统和方法的形式。本发明的各种实施例具有通过减少氮氧化物“NOx”的排放来扩展预混操作模式下的燃烧器可操作性限制范围的技术效果。本发明可在气体燃料在燃烧器的多个主燃料喷嘴和/或中心燃料喷嘴的上游进入燃烧系统之前将一定量的过热蒸汽喷射到气体燃料供应管线中。

现在参考附图，其中贯穿附图，相同标号指示相同的元件，图1提供示例性发电站的功能框图，该发电站包括燃气涡轮10，该燃气涡轮10可结合本发明的各种实施例。如图所示，燃气涡轮10大体上包括进入区段12，进入区段12可包括一系列过滤器、冷却盘管、水分分离器、和/或其他装置以净化和以其他方式调节进入燃气涡轮10的空气14或其他工作流体。空气14流动至压缩机区段，在此，压缩机16渐进地对空气14施加动能，以产生压缩的空气18。

压缩的空气18与来自燃料供应系统22的燃料20(诸如天然气)混合，以在一个或更多个燃烧器24内形成可燃混合物。该可燃混合物被焚烧以产生具有高温、高压和高速率的燃烧气体26。燃烧气体26流过涡轮区段的涡轮28，以产生功。例如，涡轮28可连接于轴30，使得涡轮28的旋转驱动压缩机16以产生压缩的空气18。备选地或此外，轴30可将涡轮28连接于发电机32以用于产生电。来自涡轮28的排出气体34流过排出区段36，排出区段36将涡轮28连接于涡轮28下游的排气器38。排出区段36可包括例如余热回收蒸汽发生器(HRSG)40，以用于在释放至环境之前清洁排出气体34且从排出气体34提取额外的热。例如，HRSG40可包括一个或更多个热交换器42，该一个或更多个热交换器42与排出气体34热连通且生成如由箭头44示意地指示的过热蒸汽。过热蒸汽然后可被送至发电厂地点处的各种构件，诸如至一个或更多个蒸汽涡轮46。

如图1中所示，燃料供应系统可包括各种燃料分配歧管或环48，燃料分配歧管或环48各自适于接收来自燃料供应系统22的燃料，且将该燃料分配至在各燃烧器24内限定的各种燃料回路(未示出)。各种燃料回路可允许至定位在燃烧器内的一个或更多个燃料喷嘴的更大的燃料控制灵活性。例如，一个燃料分配歧管48可提供燃料20的一部分至燃烧器24内的主燃料回路，而另一燃料分配歧管48可提供燃料至燃烧器24内的副或中心燃料回路。

在各种实施例中，燃烧器24是干式低NOx(DLN)类型燃烧器。更具体而言，在具体实施例中，图1中所示的燃烧器24是由General Electirc Company制造的DLN-1或DLN-1+型燃烧器。图2、3和4提供可结合本公开的一个或更多个实施例的示例性DLN型燃烧器100的简化截面侧视图。如图2、3和4中所示，DLN燃烧器100包括副或中心燃料喷嘴102和围绕副燃料喷嘴102环形地组织的多个主或外燃料喷嘴104。主燃烧区或混合室106形成在各主燃料喷嘴104的下游和文氏管108的上游，该文氏管108至少部分地由一个或更多个燃烧衬套110形成。燃烧器100还包括副或预混燃烧区112，副或预混燃烧区112限定在主燃烧区106的下游和中心燃料喷嘴102的下游。

主燃料喷嘴104和中心燃料喷嘴102经由各种流体导管、流量控制阀114和联接件与燃料供应系统22流体地连通。如图2、3和4中所示，燃料供应系统22和/或阀114可电子地联接于控制器116。

燃料供应系统22可构造成提供相同的燃料类型(诸如天然气或液体燃料)至主燃料喷嘴104和中心燃料喷嘴102二者。在某些构造中，燃料供应系统22可构造成提供不同的燃料类型(诸如天然气和/或液体燃料)至主燃料喷嘴104和/或中心燃料喷嘴102。控制器116可被编程为指示燃料供应系统22，以当燃烧器100在各种操作模式(诸如主操作模式、贫-贫操作模式、副操作模式和预混操作模式)之间过渡时并且/或者在各种操作模式中操作时，在类似的流动速率下且在不同的流动速率下供应燃料20至主燃料喷嘴104和中心燃料喷嘴102。

如图2中例示的，在通常从点燃到满负载的大约百分之三十发生的主操作模式期间，控制器116可指示燃料供应系统22以提供至燃烧器100的总燃料流的百分之一百至主燃料喷嘴104。结果，主操作模式期间的燃烧主要在主燃烧区106中进行。

现在参照图3，在通常从满负载的大约百分之三十到大约百分之七十发生的贫-贫操作模式期间，控制器116可指示燃料供应系统22在主燃料喷嘴104和中心燃料喷嘴102之间分摊总燃料流。例如，控制器116可指示燃料供应系统22以提供总燃料流的大约百分之七十至主燃料喷嘴104，且提供总燃料流的大约百分之三十至中心燃料喷嘴102。结果，贫-贫操作模式期间的燃烧在主燃烧区106以及副燃烧区112二者中进行。

副操作模式在当燃烧器100在贫-贫操作模式与预混操作模式之间过渡时发生。在副操作模式期间，控制器116可指示燃料供应系统22将至主燃料喷嘴104的燃料流从至燃烧器100的总燃料流的大约百分之七十减少至大约百分之零，同时将至中心燃料喷嘴102的燃料流从总燃料流的大约百分之三十提高至大约百分之一百，从而允许与主燃烧区106相关的火焰熄灭，同时维持副燃烧区112中源自中心燃料喷嘴102的火焰。

现参照图4，在燃烧器100的预混操作模式期间，主燃料喷嘴104与中心燃料喷嘴102之间分摊的燃料可更改，使得主燃料喷嘴104接收至燃烧器100的总燃料流的大约百分之八十，而中心燃料喷嘴102可接收至燃烧器100的总燃料流的大约百分之二十。流至主燃料喷嘴104的燃料20在主燃烧区106内与来自压缩器16(图1)的压缩的空气18预混，以在主燃烧区106中形成燃料/空气混合物118。

预混的燃料/空气混合物118然后在由来自中心燃料喷嘴102的火焰点燃之前流过文氏管108且到主燃烧区112中。关于主、贫-贫、副和预混操作模式在此规定的各种燃料分摊和负载百分比是示例性的，且不意图是限制性的，除非在权利要求中另外指定。例如，其他因素(诸如来自燃气涡轮10或其他来源的放出热量是否被提供至燃烧器100)、燃料特性和燃烧硬件可影响与各种操作模式相关的燃料分摊和/或负载百分比。

如在本文中使用的，用语“非预混操作模式”指主、贫-贫或副操作模式中的任一者到预混操作模式的过渡点的燃烧器100的操作模式。此外，“非预混操作模式”可包括在主、贫-贫和副操作模式之间发生的任何瞬态操作模式。

在燃烧器100的主操作期间并且/或者在贫-贫操作期间，燃烧器100可大体上在期望的氮氧化物或“NOx”排放水平之外操作。图2、3和4各自例示了用于在非预混操作模式或条件下操作DLN型燃烧器100的系统200。在各种实施例中，如图2、3和4中所示，系统200包括蒸汽喷射系统或供应源202，以用于在燃烧器100的非预混操作模式期间(诸如在主操作模式和/或贫-贫操作模式期间)如箭头204示意性地指示的那样提供过热蒸汽主燃料喷嘴104和/或至中心燃料喷嘴102。

在各种实施例中，蒸汽喷射系统202可电子地联接于控制器116。控制器116可被编程为促动各种流量控制阀206，流量控制阀206提供蒸汽喷射系统202与主燃料喷嘴104之间以及蒸汽喷射系统202与中心燃料喷嘴102之间的流体连通。蒸汽喷射系统202可构造成生成过热蒸汽204，或者可流体地联接于外部过热蒸汽源。例如，蒸汽喷射系统202可包括一个或更多个热交换器(未示出)，以用于将水源转换成过热蒸汽204。

在具体实施例中，如图2所示，蒸汽喷射系统202可经由各种流体导管和/或联接件接收来自HRSG 40的过热蒸汽204并且/或者可接收来自HRSG 40的热能。在其他实施例中，如图3所示，蒸汽喷射系统202可接收来自提取端口、压缩机排放壳体的热能205，该提取端口与压缩机16流体地连通，该压缩机排放壳体在压缩机或涡轮28的下游。在具体实施例中，如图4所示，蒸汽喷射系统202可接收来自蒸汽涡轮46和/或锅炉(未示出)的过热蒸汽204和/或热能。

在下面参照图5描述本发明，图5提供用于在非预混操作模式中操作DLN型燃烧器100的示例性方法300的框图。如图5所示，在步骤302处，方法300可包括在非预混操作模式中操作燃烧器100。在步骤304处，方法300可包括将过热蒸汽204喷射到燃烧器100的主燃料喷嘴104或中心燃料喷嘴106中的至少一者中。

在一个实施例中，步骤304可包括仅将过热蒸汽喷射到主燃料喷嘴104中。在一个实施例中，步骤304可包括仅将过热蒸汽喷射到中心燃料喷嘴102中。在一个实施例中，步骤304可包括将过热蒸汽喷射到主燃料喷嘴104和中心燃料喷嘴102二者中。

在具体实施例中，方法300可包括改变至主燃料喷嘴104或中心燃料喷嘴106中的至少一者的过热蒸汽204的流动速率。方法300还可包括仅改变至主燃料喷嘴104的过热蒸汽204的流动速率。方法300还可包括仅改变至中心燃料喷嘴106的过热蒸汽204的流动速率。

在具体实施例中，方法300可包括在开始预混操作模式之前切断过热蒸汽的流动。在具体实施例中，方法300可包括取消选择预混操作模式且通过控制器116来开始至主燃料喷嘴104或中心燃料喷嘴106中的至少一者的过热蒸汽204的流动。

应注意到的是，在一些备选实施方式中，在步骤中提到的功能可与在图中提到的顺序不同地发生。例如，取决于所涉及的功能性，连续地示出的两个步骤可实际上基本上同时地执行，或者步骤有时可以以相反的顺序执行。还将注意的是，步骤图和/或流程图例示的各步骤、以及步骤图和/或流程图例示中的步骤组合可通过专用的基于硬件的系统来实施，该系统执行特定功能或动作、或专用硬件和计算机指令的组合。

尽管已在本文中例示和描述了特定实施例，但将认识到的是，被认为实现相同目的的任何布置可替换所示出的特定实施例，且本发明具有其他环境中的其他应用。本申请意图覆盖本发明的任何改型或变形。所附权利要求决不意图将本发明的范围限于在本文中描述的特定实施例。