采用分级式燃料喷入的燃烧装置及其运行方法

专利名称：采用分级式燃料喷入的燃烧装置及其运行方法
技术应用领域本发明涉及一种采用分级式燃料喷入的燃烧装置和一种所属的运行方法。所述燃烧装置主要包括一个燃烧器，具有一个用于助燃空气气流的涡流发生器和用于将燃料输送到助燃空气气流中的装置，所述将燃料输送到助燃空气气流中的装置至少包括一个第一燃料输入口，该燃料输入口具有第一组用于第一批预混燃料的燃料输出口，还包括一个第二燃料输入口，该燃料输入口具有第二组用于第二批预混燃料的燃料输出口，该燃料输出口位于所述第一组燃料输出口的下游。这种燃烧装置的一个优选的应用领域是燃气轮机和汽轮机技术。
已有技术欧洲专利文献EP 0321809 B1中公开了一种由多个外壳组成的锥形燃烧器，即一种所谓的双锥燃烧器。通过由多个外壳组成的锥形，涡流发生器可在锥头内产生一个封闭的涡流流动，该涡流流动由于沿锥顶增加的涡流而成不稳定状态，而且在核心部分与回流一起过渡成一种阿努拉(anulare)涡流流体。所述涡流发生器的组成方式是，沿燃烧器轴线构成助燃空气的切向空气入口缝隙。在由此而产生的锥壳入口边缘上设置预混合气的入口，即气态燃料输入口，还具有沿燃烧器轴线方向分布的预混合气出口。气体穿过出口或开口垂直于空气入口缝隙喷入。该喷入的气体与涡流腔内产生的助燃空气－燃烧气体流的涡流相结合形成了一种充分混合的气体，它由燃烧气体或预混合气体与助燃空气组成。在这种预混合燃烧气中，充分的混合是在燃烧过程中获得低NOX值的前提。
这种燃烧器的进一步改进见欧洲专利文献EP 0280629 A2，其中公开了一种热能发生器的燃烧器，它与涡流发生器相连，具有一个附加的混合段，用于燃料和助燃空气的进一步混合。该混合段例如可以作为后置管道构成，其中从涡流发生器输出的流体穿过时并不会出现明显的流动损失。通过这种附加的混合段可进一步提高混合率，从而降低有害物质排放。


图1表示的是这种燃烧器的一个实例示意图，其中燃料经过出口沿燃烧器轴线进入涡流体1内设置的进气道，与进入的助燃空气混合。在图中表示出所述燃烧器的锥形涡流体1，在燃料输入口上或在其内具有沿燃烧器轴线布置的输出口2，在图中是用喷入燃料的箭头表示的。所述燃料输入口通常是作为独立通道构成的，它具有沿燃烧器轴线固定分布的燃料输出口2。此外在图中还表示出一个引导喷管3，通过该管可在燃烧器启动时将燃料直接喷入涡流室。随着负荷的增加，该引导阶段将转换到预混合工作状态，此时燃料经所述燃料输出口2与流入的助燃空气相混合。
另一种公知的预混燃烧器的燃烧器几何形状见专利文献WO93/17279。该装置中设置了一个具有附加锥形内置体的圆柱形涡流发生器。预混合气体同样经具有相应输出口的输入口喷入涡流室，所述涡流室沿轴向布置的空气入口缝隙设置。该燃烧器的引导喷管设置在锥形内置体的端部。但是所述引导装置会提高NOX排放，因为该运行方式无法实现与助燃空气的充分混合。
在所有公知的燃烧装置中，均设置了一种预混合工况下的单级燃料输入。所述燃料输入口沿燃烧器轴线布置的输出口的大小、分布、结构、间隔以及数量必须进行优化，以满足低排放、灭火极限、反冲极限的要求，以及燃烧稳定性的要求。其中几乎没有可能用固定分布的输出口满足以上所有要求，同时考虑交替变化的工作条件和环境条件。喷射的特性考虑到燃气射流的喷射深度和混合性能以及沿空气入口缝隙和燃烧器轴线的燃料分布，可通过选择所列举的参数加以确定。对于一种特定的设备类型，例如具有环形燃烧室的装置，输出口分布的优化方式对于另一种设备类型，例如具有丝罗(Silo)燃烧室的装置则并不是最佳的。此外设备的工作条件也会随时间而改变，因为随着老化效应，将增加泄漏的可能。固定设置的输出口分布将不能补偿这种老化现象。
运行公知的预混燃烧器的方法的另一个缺点是，该装置在全满载条件下对低排放和低燃烧波动进行了优化。为了启动燃烧器以及启动燃气轮机，要使用一个附加的引导级。在特定的工作负荷下，燃烧可能保持在预混合状态中，燃烧器将从引导级转换到预混合级。同样的情况也出现在燃气轮机降低负荷的运行，要从预混合状态切换到引导状态。这种切换过程将导致强烈的燃烧波动以及很大的负荷变化。此外要使用较多数量的情性气体，以清理燃料输入口，因为它在切换后将不再工作。这是必要的，其目的是避免由于循环的热气使不用的燃料输入口被点火。
此外，从液态燃料切换到气态燃料的过程或者反之，采用已有燃料喷射技术，由于液体燃料喷嘴接近引导输出口而难以实现。
本发明的任务是，提供一种燃烧装置以及一种燃烧器的运行方法，它们没有以上所述缺点，并且在交变的运行条件或环境条件下能够实现运行的优化。
对发明的描述以上任务的解决方案体现在权利要求1和8所述的燃烧装置和方法中。所述燃烧装置和方法的有益构成是从属权利要求的主题。
根据本发明，所述燃烧装置主要包括一个燃烧器，具有一个用于助燃空气气流的涡流发生器和用于将燃料输送到助燃空气气流中的装置，所述将燃料输送到助燃空气气流中的装置至少包括一个第一燃料输入口，该燃料输入口具有第一组用于第一批预混燃料的燃料输出口(第一级)，还包括一个第二燃料输入口，该燃料输入口具有第二组用于第二批预混燃料的燃料输出口(第二级)，该燃料输出口位于所述第一组燃料输出口的下游。不言而喻，也可设置用于下一批预混合燃料的下一组燃料输出口，它独立于所述第一组和第二组输出口。此外通常有多个第一和第二燃料输入口用于相应各级的输出口，并沿涡流体圆周分布，如上述公知的单级系统的结构。所述燃烧装置还包括一个第一测量值采集器，它可测量所述燃烧器产生的燃烧波动，和/或一个第二测量值采集器，它可测量燃烧的排放值。所述测量值采集器与一个控制器相连，以获得来自测量值采集器的测量数据，并且燃料经所述第一和第二燃料输入口，以及必要时增加其他燃料输入口的输入与所述测量值采集器提供的测量数据相关。所述控制按照所要求的预设值进行。
当然也可以设置一个以上的测量值采集器，用于采集波动和/或排放值。
在最简单的情况下，这样一种燃烧装置的所有或若干燃料输入口被划分成至少两个相互独立的燃料通道，所述燃料输入口在单级装置中是作为涡流体构成的，而在本例中则构成了不同的级数。当然也可以设置多个并列布置的燃料输入口，其输出口相应地沿纵轴线相互错开布置，从而得到分离的级数。对将涡流体上不同组别的输出口沿燃烧器轴线设置，本领域技术人员可有多种选择，它们相互独立地获得燃料供应。按照预设值，各个级数的燃料输入经控制装置根据波动和/或排放值进行控制或调节。优选经设置在第一和第二燃料输入口的供应管道内的控制阀进行控制。
合适的测量值采集器对于本领域技术人员是已知的，该采集器设置在火焰区内，用于采集燃烧波动，或设置在燃烧室出口用于测量排放值。其中有许多种传感器可测量排放值，并且通常采用声波传感器测量波动。
通过控制装置对燃料输入的控制优选采用比较数据进行，后者被存储在控制装置的一个存储器中。所述控制装置将测量数据与比较数据进行对比，从而能够确定燃烧装置的实际工作点，并且朝预定工作点的方向，对燃料输入进行控制。
通过使用具有分级式燃料喷入的燃烧装置，和单级式燃烧装置相比，可明显扩大工作范围。通过供应管道至各个级数燃烧输入口的适当构造，可省掉额外的独立燃料循环。至少两级燃烧装置的独立控制方式结合控制装置，可实现从点火到基础负荷之间的低波动以及NOX的低排放。在这种燃烧装置中也不需要引导级，所以也没有切换过程以及所带来的波动或负荷变化。该燃烧装置的运行并不需要用惰性气体，如用氮气进行清理。这样便可同时降低装置的运行成本。由于省掉了引导级，所以能够实现简单的切换，从燃料油转换到燃烧气体运行或者反之。
所建议的燃烧装置的一个特殊优点是，用控制装置提供了动态的控制能力，其中对每一种装置类型、每一种环境条件、每一种使用年限以及每一种泄漏强度都可实现最佳的工作点。特别是该工作点可根据所列举的参数在装置的运行期间进行连续匹配。该燃烧装置以及所属的运行方法可在各种不同的工作条件和环境条件下实现装置的最佳运行。
在所述燃烧装置的一个优选的实施例中，所述第二级燃料输入口的供应管道是所述第一级燃料输入口的供应管道的支管，或者反之。在这种情况中，所述燃烧装置只能经一个控制阀的控制，该阀可影响通向两个燃料输入口的燃料数量的分配。在燃料输入总量已经预先给定的条件下，两级之间的分配是通过该阀控制的。所述控制装置此时仅与该阀相连。
在所述燃烧装置的一个优选的运行方式中，对进入第一和第二级的燃料输入量的控制方式是使波动和/或排放值最小化。有利的控制方式是通过对比较数据进行的比较实现的，所述比较数据是在预试验中确定的，它显示波动和/或排放值进入第一和第二级的燃料输入量之间的相关性。显然，两级以上的装置也可采用相同的方式运行。
以下方法可显示出良好的运行特性，即在固定式运行中对燃料输入量的控制方式是，根据第一级的燃料输入，工作点位于波动最大值以下，并且在移动式运行中工作点位于波动最大值以上。
在本专利申请中，输出口的精确尺寸、其结构、其间距以及其分布都没有详细说明，即使如此，本领域技术人员也能毫无问题地找到合适的几何形状和分布方式，仅仅按以下方式即可做到这点，即已有的单级燃烧器上设置的输出口在涡流体上沿燃烧器轴线的布置也能以同样方式在本燃烧装置上实现，其中燃料输入通道仅需独立地进入构成第一和第二级的两个部分。对于本领域技术人员而言，输出口分布的优化和匹配的可能性，可从单级式燃烧器中得知。
对附图的简要说明下面对照附图所示实施例作进一步的说明，该说明对本发明的一般发明思想并未作任何限制。
图1表示已有技术中的一种单级式燃烧装置；图2表示本燃烧装置的一个实例的示意图；图3表示本发明所述燃烧装置的一个实例，给出了波动和排放值与第一级燃料输入的相关性；并且图4表示本燃烧装置的两级根据工作负荷采取的运行方式的一个实例。
本发明的实施方式图1表示一个已有技术中公知的单级式燃烧装置，它已在本说明书的引言部分做了说明。和该装置相比，本发明使用了一种至少是两级的燃烧装置，见图2的示意图所示。该燃烧装置的锥形涡流体1和位于该涡流体1上的燃料输入口4a和4b一样，只是用非常简化的方式表达的。从该图中可以看到两级的结构，它们是通过独立的燃料输入口4a和4b与对应的未画出的输出口构成的。在每种情况中，该燃烧装置的主要特征是，两级独立的装置沿燃烧器纵轴线布置。在所述燃烧器上连接有燃烧室5，在该室内通过预混合产生的燃料与助燃空气混合物产生燃烧。燃料输入第一级4a是通过一个燃料分配系统6a实现的。燃料的输入经一个控制阀7a调节。以相同的方式，燃料输入第二级4b是通过另一个燃料分配系统6b与控制阀7b实现的。两个燃料分配系统在本例中是相互独立设置的。为采集燃烧的波动，在燃烧室内的燃烧中心区设置了一个波动传感器8，它向控制器传输波动强度的测量值。此外在燃烧室的出口区设置了一个排放值的传感器9，它同样将其数据传输给控制器10。在所述控制器10内将所测量的数据与比较数据进行对比，并控制两个控制阀7a和7b，根据排放值和波动情况，保持或达到预定的工作点。
在一个有利的实施例中，例如其中第一个燃料分配系统6a直接从第二个燃料分配系统6b上分出，所以控制装置10只需要控制和调节所述控制阀7a。通过对控制阀7a的控制，可以影响经控制阀7b给定的燃料输入总量在两级中的燃料分配。通过这种简化的技术可以以相同的方式实现设备运行方式的优化，并考虑各种不同的运行条件和环境条件。特别是这种实施例不要求第一级有独立的燃料输入系统。已有的系统可以用简单的方法经一个合适的分支装置改装。此外这种内部控制阀7a的控制方式是，随时都有一个极小的燃料流量在任何工作负荷下穿过第二级，所以不需要用惰性气体进行清理。仅用一个控制阀进行控制的方式也简化了整个控制技术。
图3表示的是本发明所述燃烧装置的波动和排放值作为进入第一级的燃料份额的函数曲线，该份额的基础是燃料的总输入量。其中一方面可看到NOX排放的一个最小值，但此时也有一个最大波动值。这种相关性可通过预先试验得知。这种相关性或这条曲线的数据优选存储在控制器10内，或者编入其程序中。经过编程的数据由控制装置10在运行中作为决策基础使用，以决定向各级输入的燃料数量。从而保持或达到最小的排放和最小的波动。
其中优选将测量值采集器8、9得到的数据与所存储的比较数据进行对比，从而得到燃烧装置的工作点，见图3中左侧或右侧显示的波动峰值。在固定方式运行中，优选左侧的数值以得到较低的排放值。在移动方式运行中，稳定的燃烧器动态特性要优先于排放考虑，所以优选右侧的波动峰值。
通过以上方式，仅使用唯一一个控制阀即可使燃气轮机从点火直到基础负荷无需特别的引导级即可运行。图4表示一个运行方式的实例，其中的两级在燃烧装置中的分级关系为50％。通过控制阀可有控制地向两级分配输入的然料流体的总量。在燃烧装置或燃气轮机的点火或启动过程中，燃料几乎全部进入第一级，所以该关系在空载运行时将改变，从50％的负荷增加到100％的负荷。在100％的负荷下，第二级得到的燃料供应比第一级稍多。在这种运行方案中，燃烧装置可实现稳定的运行方式，而无需采用一个引导级。显而易见，在装置的运行期间，所述的燃料分配可根据环境条件和使用年限，通过控制器进行移动。
权利要求
1.采用分级式燃料喷入的燃烧装置，主要包括—一个燃烧器，具有一个用于助燃空气气流的涡流发生器(1)和用于将燃料输送到助燃空气气流中的装置，所述将燃料输送到助燃空气气流中的装置至少包括一个第一燃料输入口(4a)，该燃料输入口具有第一组用于第一批预混燃料的燃料输出口，还包括一个第二燃料输入口(4b)，该燃料输入口具有第二组用于第二批预混燃料的燃料输出口，该燃料输出口位于所述第一组燃料输出口的下游，—一个第一测量值采集器(8)，它可测量所述燃烧器产生的燃烧波动，和/或一个第二测量值采集器(9)，它可测量燃烧的排放值，以及—一个控制器(10)，它与所述测量值采集器(8，9)相连，以获得测量数据，并且燃料经所述第一和第二燃料输入口(4a，4b)的输入受到所述测量值采集器(8，9)提供的测量数据的控制调节。
2.如权利要求1所述的燃烧装置，其特征是，所述控制器(10)包含一个程序，该程序通过将所述测量值采集器(8，9)提供的数据与控制器(10)的存储器内存储的比较数据进行比较，而提供控制信号，用于控制第一和第二燃料输入口(4a，4b)的燃料输入。
3.如权利要求1或2所述的燃烧装置，其特征是，在供应管道(6a，6b)内，为所述第一和第二燃料输入口(4a，4b)设置一个或多个控制阀(7a，7b)，用于调节燃料输入。
4.如权利要求3所述的燃烧装置，其特征是，所述控制阀(7a，7b)由所述控制器(10)控制。
5.如权利要求3或4之一所述的燃烧装置，其特征是，所述第二燃料输入口(4b)的供应管道(6b)是所述第一燃料输入口(4a)的供应管道(6a)的支管，或者反之。
6.如权利要求5所述的燃烧装置，其特征是，在所述供应管道(6a，6b)之间设置一个用于分配燃料数量的控制阀，该阀由所述控制器(10)控制。
7.如权利要求1或6之一所述的燃烧装置，其特征是，所述涡流发生器(1)上的第一和第二组燃料输出口基本上沿燃烧器轴线方向布置。
8.运行分级式燃料喷入燃烧器的方法，所述燃烧器具有用于将燃料输送到助燃空气气流中的至少一个第一级和一个位于所述第一级下游的第二级，所述方法特别用于运行如以上权利要求中任何一项所述的燃烧装置，本发明的特征是，对所述燃烧器产生的燃烧波动和/或燃烧的排放值进行测量，并且根据所采集的波动和/或排放值，对进入第一和第二级的燃料输入量进行控制。
9.如权利要求8所述的方法，其特征是，对进入第一和第二级的燃料输入量的控制方式是使波动和/或排放值最小化。
10.如权利要求8或9所述的方法，其特征是，经设置在第一和第二级的供应管道内的控制阀对燃料输入量进行控制。
11.如权利要求8或9所述的方法，其特征是，经一个控制阀对燃料输入量进行控制，该阀用于控制所述两级的供应管道之间的燃料分配。
12.如权利要求8至11中任何一项所述的方法，其特征是，所述控制是通过对比较数据进行的比较实现的，所述比较数据是在预试验中确定的，它显示波动和/或排放值进入第一和第二级的燃料输入量之间的相关性。
13.如权利要求12所述的方法，其特征是，在固定式运行中对燃料输入量的控制方式是，工作点位于波动最大值以下。
14.如权利要求11或12所述的方法，其特征是，在移动式运行中对燃料输入量的控制方式是，工作点位于波动最大值以上。
全文摘要
本发明涉及一种采用分级式燃料喷入的燃烧装置,主要包括一个燃烧器,具有一个用于助燃空气气流的涡流发生器(1)和用于将燃料输送到助燃空气气流中的装置,所述将燃料输送到助燃空气气流中的装置至少包括两个独立的燃料输入口(4a,4b),该燃料输入口具有成组的用于相应预混燃料的燃料输出口,其中在第一组的下游设置第二组。所述燃烧装置还包括测量值采集器(8,9),以测量燃烧波动和排放值,还包括一个控制器(10),它根据所测定的测量值控制两级(4a,4b)的燃料输入。所述燃烧装置可在交变的运行条件或环境条件下实现运行方式的优化。
文档编号F23R3/30GK1357706SQ0114563
公开日2002年7月10日 申请日期2001年11月13日 优先权日2000年11月13日
发明者A·埃罗格卢, P·斯图贝尔, C·O·帕舍雷特, H·P·克内普菲尔 申请人:阿尔斯托姆电力有限公司