具有稀释气体的顺序燃烧组件的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于燃气涡轮的顺序燃烧器组件，其中将稀释气体掺合到顺序燃烧器组件中。本发明另外涉及用于运行燃气涡轮的方法，其中将稀释气体掺合到顺序燃烧器组件中。
【背景技术】
[0002]由于不稳定的可再生能源如风能或太阳能的发电量的增加，现有的基于燃气涡轮的发电站越来越多地用来平衡电力需求和稳定电网。因而需要改进的运行灵活性。这表示燃气涡轮通常以比基本负载设计点更低的负载运行，即在较低的燃烧器入口和燃烧温度下运行。
[0003]同时，排放极限值和总体排放许可变得越来越严格，使得需要以较低的排放值运行，还在部分负载运行时和在过渡期间保持低排放，因为这些也会关系到累计排放极限。
[0004]现有技术燃烧系统设计成例如通过调节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割而应对运行状况的某些变化。但是，这不足以满足新的需求。
[0005]为了进一步减少排放和增加运行灵活性，在DE 10312971 Al中提出了顺序燃烧。取决于运行状况，具体而言取决于第一燃烧室的热气温度，必须在允许热气进入到第二喷燃器(也称为顺序喷燃器)之前冷却热气。这个冷却可有利于允许燃料喷射和在第二喷燃器中预混合喷射的燃料与第一燃烧器的热烟道气。
[0006]第二燃烧室的入口温度的良好的控制和喷射在第二喷燃器中的燃料与离开第一燃烧器的气体的良好的混合对于具有低排放值的稳定燃烧是必需的。
【发明内容】
[0007]本公开的目标是提供一种顺序燃烧器组件，其包括在第一燃烧室和第二燃烧室之间的用于掺合稀释气体和第二燃料的器件。对于燃气涡轮的宽运行范围，这种“稀释喷燃器”必须对第二燃烧室提供恰当的入口流状况。基本上，对于第二燃烧器运行所处的所有运行状况必须确保预先限定的入口状况。具体而言，热气冷却到预先确定的热气温度。进一步，针对第二燃烧室，可利用恰当地掺合稀释气体来调节速度分布、氧和燃料含量(例如控制到规定的分布)。
[0008]相对于规定的入口温度的偏差可导致高排放(例如，NOx, CO和未燃烧的烃)和/或在稀释喷燃器中的逆燃。由于高入口气体温度或高氧浓度，逆燃和NOx由喷射的燃料的减少的自燃时间引起，高入口气体温度或高氧浓度导致较早的点燃(导致逆燃)或减少燃料空气混合的时间，从而导致燃烧期间的局部热点且因此导致增加的NOx排放。低温区域可产生CO排放，由于增加了自燃时间。这可减少CO完全烧成0)2的时间，以及降低局部火焰温度，这可进一步减慢CO完全烧成C02。最终，局部热点可导致混合器的下游的某些区域中的过热。
[0009]稀释气体可例如为压缩空气或空气和燃气涡轮的烟道气的混合物。而且压缩烟道气可用作稀释气体。
[0010]根据顺序燃烧器组件的第一实施例，顺序燃烧器组件包括第一燃烧器，其具有在运行期间允许第一燃料燃烧器进入到入口气体中的第一喷燃器，以及用于燃烧第一燃料与燃烧器入口气体的第一燃烧室。典型地，燃烧器入口气体为压缩空气。取决于应用，其可为另一种气体或气体混合物，诸如例如空气和烟道气的混合物。顺序燃烧器组件进一步包括用于将稀释气体掺合到离开第一燃烧室的第一燃烧器燃烧产物的稀释气体掺合器，以及用于掺合第二燃料的第二喷燃器，以及第二燃烧室。第二燃料可在第二燃烧室中与第一燃烧产物和空气的混合物燃烧。第一燃烧器、稀释气体掺合器、第二喷燃器和第二燃烧室在流体流连接方面按顺序布置。为了确保稀释空气与第一燃烧器燃烧产物的良好的混合，第一燃烧器的压力损失与稀释气体掺合器中的热气的压力损失的比率在2至12的范围中。压力损失的比率可通过将第一燃烧器设计成具有燃烧器的压力损失系数和将混合器设计成具有混合器的压力损失系数来实现。可使用在第一燃烧室的出口处的横截面作为第一燃烧器和混合器的压力损失系数的基准横截面。将第一燃烧器和稀释气体掺合器设计成具有在2至12的范围中的压力损失比率允许在热燃烧产物和稀释气体流之间有几乎恒定的动量通量比率的情况下运行混合器。因而在顺序喷燃器入口平面处的入口温度分布对于不同的运行状况基本保持几乎相同。
[0011]燃烧器的压力损失可在较大的程度上通过使用的喷燃器的类型和所需要的热气温度确定。掺合器引起的小的额外压力损失会减少顺序燃烧器组件的总的压力损失。但是，在掺合器中的小的压力损失会增大第一燃烧器与稀释气体掺合器的压力损失系数的比率。如果第一燃烧器与稀释气体掺合器的压力损失的比率太大，例如超过12，则混合品质可由于第一和第二燃烧室的运行状况中的变化而改变，并且具体而言可对第二燃烧室中的燃烧具有不利影响。这可导致高排放或燃烧不稳定性，诸如脉动。
[0012]掺合器的压力损失的增大为掺合稀释气体提供稳定边界条件。但是，在掺合器中的较大的压力损失会增大顺序燃烧器组件的中的压力损失。如果应用于燃气涡轮中，这种较大的压力损失可对总功率和效率具有显著的不利影响。因此第一燃烧器的压力损失与稀释气体掺合器的压力损失的比率应当保持高于2。因此，第一燃烧器的压力损失系数与稀释气体掺合器的压力损失系数的比率应当保持高于2。
[0013]根据顺序燃烧器组件的进一步实施例，第一燃烧器的压力损失与稀释气体掺合器的压力损失的比率在3至10的范围中。
[0014]对应地，第一燃烧器的压力损失系数与稀释气体掺合器的压力损失系数的比率在3至10的范围中。
[0015]根据顺序燃烧器组件的又一个实施例，第一燃烧器的压力损失与稀释气体掺合器的压力损失的比率在5至8的范围中。
[0016]对应地，第一燃烧器的压力损失系数与稀释气体掺合器的压力损失系数的比率在5至8的范围中。
[0017]顺序燃烧器组件的掺合器可具有布置在侧壁上的开口或喷嘴，以将稀释空气喷射到第一燃烧器燃烧产物中。稀释气体掺合器可还包括至少一个流线型本体，其布置在稀释气体掺合器中，以在运行期间将稀释气体引入到离开第一燃烧室的第一燃烧产物中。可通过布置在流线型本体的壁上的至少一个喷嘴允许稀释气体进入到第一燃烧器燃烧产物中。流线型本体可例如为在一个表面或后缘上具有喷嘴的型材。其可为延伸到第一燃烧器燃烧产物流中的简单的管道，其具有开口端，以掺合稀释气体。掺合器可还包括壁喷嘴和至少一个流线型本体的组合，用于允许稀释气体的进入。
[0018]根据顺序燃烧器组件的实施例，其包括用于稀释气体的馈送器。这个馈送器将稀释气体掺合器连接到压缩机气室，稀释气体从压缩机气室馈送到掺合器。
[0019]根据顺序燃烧器组件的进一步实施例，稀释气体控制阀布置在稀释气体馈送器中。通过控制第二燃烧室的入口状况，这种控制阀可增加顺序燃烧器组件的运行灵活性。
[0020]除了顺序燃烧器组件，具有这种顺序燃烧器组件的燃气涡轮和运行具有这种顺序燃烧器组件的燃气涡轮的方法是本公开的目的。
[0021]这种燃气涡轮包括压缩机、涡轮和置于压缩机和涡轮之间的顺序燃烧器组件。顺序燃烧器组件具有:第一燃烧器，其包括在运行期间允许第一燃料进入到燃烧器入口气体中的第一喷燃器，以及用于燃烧第一燃料的第一燃烧室；稀释气体掺合器，其用于在运行期间将稀释气体掺合到离开第一燃烧室的第一燃烧器燃烧产物；第二喷燃器；以及第二燃烧室。第一燃烧器、稀释气体掺合器、第二喷燃器和第二燃烧室在流体流连接方面按顺序布置。在这种顺序燃烧器组件中，第一燃烧器与稀释气体掺合器的压力损失的比率在I至6的范围中。
[0022]燃气涡轮的进一步实施例包括在顺序燃烧器组件的前述实施例中描述的顺序燃烧器组件。
[0023]一种运行这种燃气涡轮的方法，包括以下步骤:
-在压缩机中压缩入口气体，
-在第一喷燃器中将第一燃料掺合到压缩气体的至少一部分，
-在第一燃烧室中燃烧混合物，以获得第一燃烧器燃烧产物。
[0024]在这些传统的步骤之后，第一燃烧产物被允许以第二动量通量进入到稀释气体掺合器。为了冷却第一燃烧器燃烧产物，稀释气体流被允许以第一动量通量进入到流过掺合器的第一燃烧器燃烧产物中。为了在掺合器的出口处获得混合气体的限定温度分布，稀释气体的动量通量保持在一定水平，使得第一动量通量与第二动量通量的比率相