专利名称：用于超低发热燃料用燃烧器燃料回路的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明的领域一般地涉及超低发热燃料的使用，并且更特别地，涉及用此类燃料 来生产能量的方法和装置。
背景技术：
超低发热燃料，也就是具有约40兆焦/千克或更少的热值的燃料，其可包括炉内 气体、生物质汽化、或CH4含量少于10%、H2含量少于10%以及N2含量大于40%的燃料， 这些燃料典型地是“机会”燃料，它们可作为废液或作为炼油厂或制造厂的副产品而得到。 这些燃料的示例是产生于铁的熔炼的所谓的“高炉”气体(Bre)和“炼焦炉”气体(COG)。 即使此类燃料基本上是“免费的”，但存在将它们用在燃气涡轮机中的压缩费用。超低发热 燃料在燃气涡轮机中的燃烧一般呈现出显著的设计挑战，已知对于特定的能量输入和燃料 的低反应性需要大体积的燃料流。为容纳这些燃料，至少一些已知的燃烧系统包括足够大 的燃料喷射器来通过所需的现场特定燃料体积，使得空气和燃料速度对于火焰稳定性足够 低。此外，一些已知的燃烧系统依赖于与更具反应性的燃料混合的燃料，这使气体的燃烧能 够在现有的低到中发热燃料燃烧器中进行。因此，期望的是提供一种燃烧器或燃烧系统，其能够按需要利用超低发热燃料和 更高能量的燃料，而不必依赖于被设计以通过对每种类型的燃料所需的整个燃料体积的喷 射器，以及提供一种不依赖于燃料混合来燃烧超低发热燃料的燃烧系统。
发明内容
一方面，本公开内容的一些实施例提供一种用于控制燃气涡轮机燃烧系统的方 法。该方法包括通过第一燃料回路将超低发热燃料供应至燃烧系统的燃烧器，按需要控制 通过第二燃料回路的超低发热燃料的供应来控制通过燃烧器的超低发热燃料的体积流量， 并在燃烧器中燃烧超低发热燃料。另一方面，本公开内容的一些实施例提供一种扩散燃烧系统。该扩散燃烧系统包 括具有一个或多个燃料进口的燃烧器、端盖、燃烧外壳和燃烧衬里。燃烧器构造为接收通过 第一燃料回路的超低发热燃料，按需要控制通过第二燃料回路的超低发热燃料的供应来控 制通过燃烧器的超低发热燃料的体积流量，并在燃烧器中燃烧超低发热燃料。
图1是示例性燃烧器的横截面视图。图2是可用于控制图1的燃烧器的示例性控制回路的原理框架图。部件列表100 IGCC 燃烧系统102 燃烧器(MNQC)104 第一燃料回路或燃料进口
106稀释剂进口108端盖110燃烧外壳112燃烧衬里114流套筒116过渡件118燃料喷嘴122四元栓(Quat Peg)124四元歧管126第二燃料回路202阀204燃料流206计算机或电子装置
具体实施例方式本公开内容的实施例调节(leverage) —种四元燃料系统架构来促进增加对设计 师可用的物理燃料通流面积(flow area)。例如，此架构使得能够将低到中发热燃料燃烧器 用于宽范围的超低发热燃料，而无需通过调节燃烧器外壳燃料回路来对主燃料喷嘴进行现 场特定的大小调整。该四元燃料系统架构允许使用这些燃料而无燃料混合且无需对现场特 定地调整大小的主燃烧喷嘴进行确认。由该四元系统提供的额外的燃料通流面积和适应性 使得能够以正确的压力比引入燃料，而不管变化的热值如何。因此，不仅燃料压缩的额外费 用被减少，而且也促进降低从主燃料喷嘴的注射速度。通过主燃料喷嘴的速度的降低有助 于对扩散火焰的稳定性产生影响，扩散火焰的稳定性是这些系统的特征。此外，通过将燃料 的一部分和主燃料喷嘴上游的空气预混合，还有助于减小火焰的长度，从而有效地产生对 于燃烧过程更长的驻留时间。更具体而言，并且参考附图1，在该示例性实施例中，整体煤气化联合循环(IGCC) 燃烧系统包括具有一个或多个燃料进口 104的多喷嘴安静燃烧器(MNQC) 102、天然气和/ 或稀释剂进口 106、端盖108、燃烧器外壳110和燃烧器衬里112。MNQC 102还包括流套筒 114，过渡件116，以及一级喷嘴。在不同的实施例中，多个四元栓122与在端盖108附近提供的四元歧管124成流体连通联接。用语“四元”已被用于与GE Power System的DLN-2燃烧装置结合使用来表 示预混合的歧管和栓，通过该歧管和栓，燃料或燃料混合物可被注入以促进消除动态变化 (dynamics)。在本公开内容中，用语“四元”用于指示能促进增加对设计师可用的物理燃料 通流面积的架构，因此使得低到中发热燃料燃烧器无需现场特定地调整主燃料喷嘴的大小 就能以广范围的超低发热燃料来运行。更具体地说，包括四元栓122和位于喷嘴118上流 的四元歧管124的额外燃料回路被提供用于将燃料引向燃烧器102。在一些实施例中，十五 或十六个四元栓122周向地围绕燃烧器外壳110隔开。备选地，在其它实施例中可包括多 于或少于十五个栓122。在该示例性实施例中，四元栓122是四元歧管124的注入系统的一 部分，尽管在其它的实施例中，可使用不同于栓122的喷射器，只要喷射器构造为将燃料引入到燃烧系统的流径中。通过四元栓122或其它喷射器的燃料注入依赖于压力比时间表，使得当正常燃料 回路中的有效区对正在使用的燃料不充分时，控制系统(未在图1中显示)将引导额外的 燃料流通过额外的燃料回路。对于到涡轮机的指定的能量输入对于超低发热燃料而言需要 非常大体积的燃料流，这是为什么需要额外的燃料回路来提供额外的燃料喷嘴区的原因。 因此，本公开内容的不同实施例使用可用于其它类型的燃烧系统上的燃料回路来进行动态 变化控制，并且使其可作为额外的燃料回路用在扩散燃烧系统中，以提供额外的燃料通流 面积。现参考附图2，本公开内容的一些实施例包括控制燃料流204的阀202。阀202由 适当的电子装置206控制，例如，该装置可以是计算机、处理器或控制器。(为方便起见，“电 子装置206”在下文将不失一般性地称为“计算机206” )更具体地说，MNQC燃料流204被 控制到目标燃气涡轮机的输出，使得计算机206起到反馈控制器的作用，也就是说，燃料流 204以压力极限为条件而调整以控制燃气涡轮机的输出。总而言之，本公开内容的一些实施例提供了一种用于控制IGCC燃烧系统100的方 法。该方法包括通过第一燃料回路104将超低发热燃料供至燃烧系统100的燃烧器102，按 需要控制通过第二燃料回路126的超低发热燃料的供应，以控制通过燃烧器102的超低发 热燃料的体积流量，并在燃烧器102中燃烧超低发热燃料。在一些实施例中，控制通过第二燃料回路126的超低发热燃料的供给包括通过多 个四元栓122或其它喷射器注入燃料，以将燃料流引入燃烧器102的流径。同样在一些实 施例中，控制通过第二 燃料回路126的超低发热燃料的供应包括控制进入与四元栓122成 流体流通联接的歧管124的燃料流。控制进入歧管124的燃料流还可包括控制进入与四元 栓122成流体流通联接的歧管124的燃料流。控制进入与四元栓122成流体流通联接的歧 管124的燃料流还可包括控制进入与周向地围绕燃烧器102的燃烧器外壳110隔开的四元 栓122成流体流通联接的歧管124的燃料流。在一些实施例中，歧管124和四元栓122还 可紧邻端盖108定位。同样，在一些实施例中，按需要控制超低发热燃料第二燃料回路126 的供给来控制通过燃烧器102的超低发热燃料的体积流量，还包括利用计算机206来调整 通过第二燃料回路126的燃料流，来以压力极限为条件控制燃气涡轮机的输出或速度。另一方面，本公开内容的一些实施例提供一种扩散燃烧系统100。该扩散燃烧系统 包括燃烧器102，该燃烧器102包括一个或多个燃料进口 104、端盖108、燃烧器外壳110和 燃烧器衬里112。燃烧器102可用通过第一燃烧回路104的超低发热燃料操作，并按需要控 制通过第二燃料回路126的超低发热燃料的供应，以控制通过燃烧器102的超低发热燃料 的体积流量，并在燃烧器102中燃烧超低发热燃料。在其中一些系统实施例中，为控制通过第二燃料回路126的超低发热燃料的供 应，燃烧器102通过四元栓122注入燃料来将燃料流引入燃烧器102的流径。同样，为控制 通过第二燃料回路126的超低发热燃料的供应，燃烧器102控制进入与四元栓122成流体 流通联接的歧管124的燃料流。在又另一个实施例中，为控制进入与四元栓122成流体流 通联接的歧管124的燃料流，燃烧器102控制进入与四元栓122成流体流通联接的歧管124 的燃料流。在一些实施例中，多个四元栓122周向地围绕燃烧器102的燃烧器外壳110隔 开。同样，一些实施例还包括计算机206，该计算机206以压力极限为条件调整通过第二燃料回路126的燃料流以控制燃气涡轮机的输出或速度。 此书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使得任何本领域中的技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法。本 发明可授予专利权的范围由权利要求限定，并可包括由那些本领域中的技术人员想到的其 它示例。如果此类其它示例具有并非不同于权利要求字面语言的结构性要件，或如果它们 包含与权利要求的字面语言没有实质性区别的等价结构性要件，则此类其它示例意在属于 权利要求的范围内。
权利要求
一种扩散燃烧系统(100)，包括燃烧器(102)，其包括至少一个燃料进口、端盖(108)、燃烧器外壳(110)和燃烧器衬里(112)，所述燃烧器构造为接收通过第一燃料回路(104)供应的超低发热燃料；按需要控制通过第二燃料回路(126)的超低发热燃料的供应，以控制通过所述燃烧器的所述超低发热燃料的体积流量；并且在所述燃烧器中燃烧所述超低发热燃料。
2.根据权利要求1所述的系统(100)，其特征在于，为控制通过第二燃料回路(126)的 所述超低发热燃料的供应，所述燃烧器(102)构造为通过燃料喷射器(126)注射燃料，以将 燃料流引入所述燃烧系统中的流径。
3.根据权利要求2所述的系统(100)，其特征在于，为控制通过第二燃料回路(126)的 所述超低发热燃料的供应，所述燃烧器(102)构造为控制进入与所述燃料喷射器(126)成 流体流通联接的歧管(124)的燃料流。
4.根据权利要求3所述的系统(100)，其特征在于，为控制进入与所述燃料喷射器 (126)成流体流通联接的歧管(124)的燃料流，所述燃烧器(102)构造为控制进入与多个四 元栓(122)成流体流通联接的歧管的燃料流。
5.根据权利要求4所述的系统(100)，其特征在于，所述多个四元栓(122)周向地围绕 所述燃烧器外壳(110)隔开。
6.根据权利要求1所述的系统(100)，其特征在于，所述系统还包括计算机，所述计算 机配置为调整通过所述第二燃料回路(126)的燃料流，从而以压力极限为条件控制燃气涡 轮机的输出或速度。
7.根据权利要求6所述的系统(100)，其特征在于，为控制通过第二燃料回路(126)的 所述超低发热燃料的供应，所述燃烧器(102)构造为通过构造为将燃料流引入所述燃烧系 统的流径的多个燃料喷射器(126)而注入燃料。
8.根据权利要求7所述的系统(100)，其特征在于，为控制通过第二燃料回路(126)的 所述超低发热燃料的供应，所述燃烧器(102)构造为控制进入与所述燃料喷射器(126)成 流体流通联接的歧管(124)的燃料流。
9.根据权利要求8所述的系统(100)，其特征在于，所述燃料喷射器(126)包括多个四 元栓(122)。
10.根据权利要求9所述的系统(100)，其特征在于，所述四元栓(122)周向地围绕所 述燃烧器(102)的燃烧器外壳(110)隔开。
全文摘要
本发明涉及用于超低发热燃料用燃烧器燃料回路的方法和装置，具体而言，提供一种包括燃烧器(102)的扩散燃烧系统(100)。该燃烧器包括至少一个燃料进口、端盖(108)、燃烧器外壳(110)和燃烧器衬里(112)。燃烧器构造为接收通过第一燃烧回路(104)供应的超低发热燃料，按需要控制通过第二燃烧回路(126)的超低发热燃料的供应，以控制通过燃烧器的超低发热燃料的体积流量，并在燃烧器中燃烧该超低发热燃料。
文档编号F02C9/40GK101936224SQ20101022691
公开日2011年1月5日 申请日期2010年6月30日 优先权日2009年6月30日
发明者L·B·小戴维斯, W·S·齐明斯基 申请人:通用电气公司