带有混合器的顺序燃烧器组件的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于燃气涡轮的顺序燃烧器组件，其将稀释气体掺和到燃烧器组件中。本发明另外涉及用于通过将稀释气体掺和到燃烧器组件而运行燃气涡轮的方法。
【背景技术】
[0002]由于通过诸如风能或太阳能的不稳定可再生资源增加的功率发生，现有的燃气涡轮基发电装置越来越多地用来平衡功率需求和稳定电网。因此，需要改善的运行灵活性。这意味着燃气涡轮常常在比基本负载设计点低的负载下(即，在较低的燃烧器入口和点火温度下)运行。
[0003]同时，排放限值和总排放许可证正变得更加严格，从而需要在较低排放值下运行，在部分负载运行和在瞬态期间也保持低排放，因为这些也计入累计排放限值。
[0004]现有技术的燃烧系统设计用于应对运行条件中的某种波动，例如，通过调整压缩机入口质量流量或控制在不同的喷燃器、燃料级或燃烧器之间的燃料分配。然而，这不足以满足新的要求。
[0005]为了进一步减少排放和运行灵活性，在DE 10312971 Al中已提出顺序燃烧。根据运行条件，特别是根据第一燃烧室的热气体温度，可能有必要在热气体进入第二喷燃器(也称为顺序喷燃器)之前冷却热气体。这种冷却可能是有利的，以允许喷射燃料和喷射的燃料在第二喷燃器中与第一燃烧器的热烟道气体预混合。
[0006]常规的冷却方法要么需要在主要热气体流中导致高压降的热交换器结构，要么建议从侧壁喷射冷却介质。对于从侧壁喷射冷却介质来说，需要不利于利用这样的燃烧器组件运行的燃气涡轮的效率的高压降，并且整个流的受控冷却是困难的。
[0007]参照WO 2014/063835 Al，顺序燃烧器组件包括混合器，该混合器适于在延伸于第一燃烧室和第二喷燃器之间的热气体流动路径中引导燃烧气体。混合器包括从混合器的侧壁向内指向的多个喷射管，以用于掺和稀释气体以冷却离开第一燃烧室的热烟道气体。
[0008]混合器包括从管道的侧壁向内指向的多个喷射管，以用于供应稀释气体以冷却离开第一燃烧室的热烟道气体。
【发明内容】
[0009]本发明的目的是提出一种与混合段结合的冷却和混合增强装置，混合段带有混合器管以用于顺序燃烧器组件。混合器管冷却和混合性能通过混合器管的流导向器的实施来改善。这些特征将显著地有助于避免混合器管内的流分离，并且改善周向混合流分布。
[0010]根据本公开的顺序燃烧器组件包括在流体流连接方面按顺序布置的第一喷燃器、第一燃烧室、用于在运行期间将稀释气体掺和到离开第一燃烧室的热气体的混合装置、第二喷燃器和第二燃烧室，其中，混合器适于在延伸于第一燃烧室和第二喷燃器之间的热气体流动路径中引导燃烧气体，包括管道，该管道具有在上游端处适于连接到第一燃烧室的入口和在下游端处适于连接到第二喷燃器的出口。
[0011]混合器包括多个喷射管(也称为喷射管道)，其从管道的壁向内指向以用于掺和稀释气体以冷却离开第一燃烧室的热烟道气体，从而将合适的入口条件提供给第二喷燃器。顺序燃烧器组件包括从混合器的侧壁向内指向的至少一组喷射管，以用于掺和稀释气体，以冷却离开第一燃烧室的热烟道气体。每一组的喷射管布置成沿着混合器的侧壁沿周向分布。管道壁至少部分地封闭混合器的侧壁，从而界定连接管道，以用于冷却混合器侧壁和用于将稀释气体进给到喷射管。混合器还包括在连接管道和/或喷射管内的流导向器，以用于将稀释气体流引导进喷射管中。
[0012]结合本发明的特征的混合器概念用来通过将稀释和冷却空气与来自第一燃烧器的热气体流混合而形成合适的顺序喷燃器入口分布。一般来讲，混合器壁和混合器射流管利用对流冷却技术和/或发散冷却技术和/或冲击冷却技术来冷却。
[0013]辅助的发散冷却技术被应用在混合器上，不仅是因为混合器壁的良好冷却，而且提供冷却空气与主热气体流的混合，以便为再热燃烧提供合适的入口热气体分布。
[0014]因此，本发明的主要目的是提出带有混合段的顺序燃烧器组件，该混合段在第一燃烧室和第二喷燃器之间用于掺和稀释气体。稀释气体在混合段中掺和，以便为第二喷燃器提供正确的入口流动条件。特别地，热气体被冷却至预定的温度分布。
[0015]本发明涉及的其它成果:
高的局部入口温度可导致高排放(特别是NOx、CO和未燃烧的烃类)和/或在第二喷燃器中的逆燃。逆燃和NOx由高的入口气体温度或高的氧浓度导致的喷射燃料的减少的自燃时间所引起，这导致较早点燃(导致逆燃)或减少的燃料空气混合时间，从而在燃烧期间导致局部过热点并因此增加NOx排放。由于增加自燃时间，低温区域可导致CO排放。这可以减少用于CO燃尽成CO2的时间，并且降低局部火焰温度，这会进一步减缓CO燃尽成CO 2。最后，局部过热点可导致混合器下游的某些部件的过热。
[0016]此外，为了增加燃气涡轮效率和性能，循环通过再热喷燃器的热气体的温度应增加。这样的温度增加导致在与混合器有关的所有参数之间的精确平衡。
[0017]从空气动力学角度来看的另外的重要要求是使热气体路径和稀释气体源中的压力损失最小化。两者都可影响利用这样的顺序燃烧器组件运行的燃气涡轮的性能。稀释气体压力损失可通过布置在连接管道中的流导向器来减小。
[0018]通常但无任何限制地，喷射管允许稀释气体的掺和具有在掺和之前的稀释气体压力的总压力的0.4%至2%的压降。在例如利用流导向器在喷射管的入口处具有较低压降的情况下，在掺和之前的稀释气体压力的总压力的0.2%至1%的压降可能是足够的。
[0019]根据一个实施例的混合器的流导向器包括壁，其布置在喷射管内部并且沿着喷射管的突出方向延伸。
[0020]壁相对于混合器中的热气体流布置在距喷射管的横截面的上游端一定距离处。根据又一个实施例，此距离与喷射管的直径的比率在0.2至0.5的范围内。
[0021]根据顺序燃烧组件的另一个实施例，流导向器包括偏转器，其在连接管道中设置在喷射管的入口上方。
[0022]根据还有另一实施例，偏转器包括单个套环状主体，其在周向方向上围绕混合器跨越。
[0023]混合器优选地布置有具有环形流动段的连接管道，而环形流动段的高度是连接管道的管道壁的直径与混合器的侧壁的直径之间的差值。
[0024]偏转器的相对于其径向高度(hdJ的尺寸取决于连接管道的流动横截面(hpl)。
[0025]径向偏转器高度(hde)等于稳压室高度(hpl)减去连接管道的剩余流动横截面的高度(W3)。连接管道的流动横截面的高度(hpl)对应于喷射管的直径(D)的< 2.5倍，该喷射管延伸进入对应的喷燃器下游的第一燃烧器的热气体流中。管进入热气体流的长度(L)选择成使得确保喷射的稀释气体与离开第一燃烧室的热气体的良好混合。
[0026]根据一个实施例，偏转器包括从管道壁朝混合器壁延伸的直侧翼。在直侧翼和管道壁之间的角度可以在0°和90°之间，优选地在10°和70°之间，并且更优选地在25°和60°之间。
[0027]在还有另一实施例中，为了优化分流和最小化稀释气体的压力损失，偏转器的起点(例如，直侧翼)布置在喷射管的入口上方，并且在混合器中的热气体的流动方向上相对于喷射管的横截面的上游端偏移第一位移。第一位移与喷射管的直径的比率在0.2至0.6的范围内。备选地或组合地，偏转器的下游端(例如，直侧翼)布置在喷射管下游并且在稀释气体的流动方向上相对于喷射管的横截面的下游端偏移第二位移。第二位移与喷射管的直径的比率在0.1至0.45的范围内。
[0028]根据又一个实施例，顺序燃烧组件包括封闭混合器段的侧壁的端壁，其在流导向器的下游(相对于在连接管道中流动的冷却/稀释气体)，形成环形端部管道以用于冷却混合器的入口段，即，在热气体流入混合器处的混合器的部段。为了优化稀释气体喷射，端部管道的高度与喷射管的直径(D)的比率在0.025至0.2的范围内。