涡轮机和涡轮机的分级燃烧系统的制作方法

涡轮机和涡轮机的分级燃烧系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开一种涡轮机和涡轮机的分级燃烧系统。所述涡轮机包括：燃烧器，燃料可在所述燃烧器中燃烧产生工作流体；涡轮段，所述涡轮段接收所述工作流体用于发电操作；附加燃料可在其中燃烧的过渡连接件，所述过渡连接件设置用于将所述工作流体从所述燃烧器运输到所述涡轮段；以及分级燃烧系统，所述分级燃烧系统连接到所述燃烧器和所述过渡连接件。所述分级燃烧系统配置用于以多个模式混合所述燃料和所述附加燃料的组分。
【专利说明】涡轮机和涡轮机的分级燃烧系统

【技术领域】
[0001] 本说明书公开的本实用新型涉及涡轮机和涡轮机的分级燃烧系统。

【背景技术】
[0002] 涡轮机可以包括燃烧器、涡轮段和过渡连接件。燃烧器是形成用于限定其中燃料 和空气可燃以便产生工作流体的内部。涡轮段设置在燃烧器下游并且形成用于至少接收燃 烧器中所产生的工作流体用于发电操作。过渡连接件以流体方式介于燃烧器与涡轮段之 间。由此，将过渡连接件配置用于使工作流体从燃烧器20运输到涡轮段。
[0003] 涡轮机所用燃料通常可能昂贵、无法充分挥发用于给定涡轮机操作或者针对给定 涡轮机操作过度挥发。然而，总体来说，涡轮机缺乏将会缓和这些问题的燃料灵活性。 实用新型内容
[0004] 根据本实用新型的一个方面，提供一种涡轮机，并且所述涡轮机包括：于其中燃料 可燃以便产生工作流体的燃烧器；涡轮段，所述涡轮段接收所述工作流体用于发电操作； 于其中附加燃料可燃的过渡连接件，所述过渡连接件是设置用于将所述工作流体从所述燃 烧器运输到所述涡轮段；以及分级燃烧系统，所述分级燃烧系统连接到所述燃烧器和所述 过渡连接件。所述分级燃烧系统经配置用于在多个模式中使得所述燃料和所述附加燃料的 组分共混。
[0005] 根据本实用新型的另一方面，提供一种涡轮机分级燃烧系统。所述涡轮机包括：于 其中燃料可燃以产生工作流体的燃烧器；涡轮段，所述涡轮段接收所述工作流体用于发电 操作；以及于其中附加燃料可燃的过渡连接件。所述过渡连接件是设置用于将所述工作流 体从所述燃烧器运输到所述涡轮段，并且包括可设置成将以多个模式共混的燃料输送到所 述燃烧器的头端的头端喷射器、以及可设置成将以多个模式共混的附加燃料输送到所述燃 烧器的下游段和所述过渡连接件的轴向分级喷射器。
[0006] 根据本实用新型的又一方面，提供一种涡轮机操作方法，并且所述方法包括：在燃 烧器中燃烧燃料以产生工作流体；从所述燃烧器运输所述工作流体并使其通过过渡连接 件；在所述过渡连接件中燃烧附加燃料；以及在多个模式中使得所述燃料和所述附加燃料 的组分共混。
[0007] 结合附图，通过以下描述将更清楚这些和其他优点及特征。

【专利附图】

【附图说明】
[0008] 本说明书所附权利要求书中具体指出并且明确主张作为本实用新型的主题。结合 附图，通过以下详细描述可以清楚本实用新型的上述和其他特征及优点，在附图中：
[0009] 图1是涡轮机的侧视示意图；
[0010] 图2是过渡连接件和涡轮机的分级燃烧系统的部件的透视图；
[0011] 图3是图1的涡轮机的燃料回路的示意图解；
[0012] 图4是图1的涡轮机的另一燃料回路的示意图解；
[0013] 图5是根据各实施例示出燃料注射模式的流程图；
[0014] 图6是对Wobbie索引操作窗口中的改进的图像描绘；以及 [0015] 图7是对火焰保持能力中的改进的图像描绘。
[0016] 详细描述参照附图借助实例说明本实用新型的实施例以及优点和特征。

【具体实施方式】
[0017] 根据各个方面，提供一种涡轮机和涡轮机的轴向分级燃烧系统。这将允许实现燃 料灵活性增加的涡轮机操作、带有相对广的Wobbie索引的涡轮机操作、经增加的回火界限 以及经增加的热声控制。
[0018] 参照图1和2,提供一种涡轮机10。涡轮机包括燃烧器20、涡轮段30、过渡连接件 40和轴向分级燃烧系统50。燃烧器20包括内衬21和导流套筒22。内衬21形成用于限定 其中燃料和空气可燃以产生工作流体的内部23。导流套筒22围绕内衬21设置以便限定 第一气流路径24。涡轮段30是设置在燃烧器20的下游，并且形成用于至少接收燃烧器20 中所产生的工作流体用于发电操作。
[0019] 过渡连接件40以流体方式介于燃烧器20的下游段25与涡轮段30的前级31之 间。由此，将过渡连接件40配置用于使工作流体从燃烧器20运输到涡轮段30。过渡连接 件40包括内衬41和冲击套筒42。内衬41形成用于限定内部43,工作流体从燃烧器20通 过所述内部运输到涡轮段30上。冲击套筒42围绕内衬41设置以便限定第二气流路径44， 所述第二气流路径可与第一气流路径24连通。
[0020] 如图2所示，过渡连接件40包括：前端45,所述前端可连接到燃烧器20、并总体与 通过燃烧器20限定的流路的主导方向对准；后端46,所述后端可连接到涡轮段30、并总体 与通过涡轮段30的流路的主导方向对准；以及中间部分47。中间部分47从前端45延伸 到后端46。前端45在形状上可为总体环状，这个形状与燃烧器20的下游段25的类似形状 对应。后端46可以相对于涡轮机10的转子在周向尺寸上为纵长状。中间部分47形成用 于使前端45的环状形状逐渐变成后端46所具有的细长形状（elongate shape)。另外，中 间部分47可以包括相对于转子的径向曲部，以使后端46设置在前端45的径向外侧。
[0021] 根据各实施例，通过燃烧器20的流路可以与通过涡轮段30的流路偏离。无论偏 离情况如何，过渡连接件40的曲形构型都会允许流体从燃烧器20流到涡轮段30。
[0022] 涡轮机10可以经配置用于在燃烧器20的下游段25和过渡连接件40中执行燃料 和/或空气的轴向分级注射或晚贫注射（LLI)。在此类情况中，附加燃料可以由燃烧器20 的下游段25和过渡连接件40的内部43接收、并在其内燃烧。使用轴向分级注射或LLI技 术的结果在于，比起其他可能情况，可以实现燃料和附加燃料的更完全的燃烧。这可允许在 燃烧器20和过渡连接件40中使用高和/或低热值的燃料，以便减少涡轮机10操作中的燃 料成本并且导致来自涡轮机10的污染物(例如，氮氧化物)排放整体减少，即使燃烧器20中 使用的是低热值的燃料也是如此。
[0023] 轴向分级燃烧系统50可以连接到燃烧器20和过渡连接件40中的一者或两者。轴 向分级燃烧系统50经配置用于在涡轮机10操作中的多个模式中将燃料和附加燃料两者的 组分共混，从而使燃料和附加燃料可以有利地注射到燃烧器20和过渡连接件40。轴向分 级燃烧系统50包括头端喷射器51和轴向分级喷射器52。头端喷射器51可设置成将燃料 输送到燃烧器20的头端26,所述头端限定在燃烧器20的下游段25的上游处。头端26可 以包括端盖260,通过各种配置即可将头端喷射器51附接到所述端盖。轴向分级喷射器52 可设置成将附加燃料输送到燃烧器20的下游段25,并输送到所述过渡连接件40上。
[0024] 可以将轴向分级喷射器52布置在至少第一级520和第二级521上，第二级是设置 在第一级520下游处。可以将三个或更多个轴向分级喷射器52设置在第一级520上，并且 可以使其围绕燃烧器20的下游段25以实质均匀的周向分布进行布置。第一燃料歧管53 可以提供用于对第一级520的轴向分级喷射器52供应附加燃料。类似地。可以将三个或 更多个轴向分级喷射器52设置在第二级521上，并且可以使其围绕过渡连接件40来以实 质均匀的周向分布进行布置。第二燃料歧管54可以提供用于对第二级521的轴向分级喷 射器52供应附加燃料。如图2所示，第二燃料歧管54和第二级521的轴向分级喷射器52 可以设置在轴向位置处，正好位于过渡连接件40的径向曲部开始位置前方。
[0025] 根据各实施例，第一和第二燃料歧管53和54可以彼此连接、并连接到燃料回路， 所述燃料回路将在下文进行描述并且也可连接到头端喷射器51上。所述燃料回路可以配 置用于接取多种类型燃料并将各种类型燃料提供到头端喷射器51和轴向分级喷射器52 上。由此，所述燃料回路可以经配置用于将燃料的共混物提供到头端喷射器51上，并且将 附加燃料的各共混物提供到轴向分级喷射器上。根据各实施例，供应到第一级520的轴向 分级喷射器52上的各种附加燃料的共混物可以类似于、或不同于供应到第二级521的轴向 分级喷射器52上的各种附加燃料的共混物。
[0026] 根据涡轮机10操作所用多个模式中当前有效的一者，即可确定将燃料和附加 燃料的一个或多个对应共混物供应到头端喷射器51还是轴向分级喷射器52上。可以 彼此互换采用涡轮机10操作所用多个模式中的每者，或者根据预定计划（pre-defined schedules)和/或指定涡轮机10负载采用所述模式。涡轮机10在涡轮机10操作的多个 模式中操作的能力实现燃料灵活性、在相对广的Wobbie索引下进行操作，并且使得回火接 线增加。
[0027] 根据各实施例，所述多个模式包括至少一至四种模式中的一或多者。在第一模式 中，所述头端喷射器51将天然气作为所述燃料输送到所述燃烧器20的所述头端26上，并 且所述轴向分级喷射器52将合成气或低热值的气体作为所述附加燃料输送到所述燃烧器 20的下游段25和所述过渡连接30上。在第二模式中，所述头端喷射器51将天然气和合成 气作为所述燃料输送到所述燃烧器20的所述头端26上，并且所述轴向分级喷射器52将低 热值的气体作为所述附加燃料输送到所述燃烧器20的下游段25和所述过渡连接件40上。 在第三模式中，所述头端喷射器51将低热值的气体作为所述燃料输送到所述燃烧器20的 所述头端26上，并且所述轴向分级喷射器52将天然气或低热值的气体作为所述附加燃料 输送到所述燃烧器20的下游段25和所述过渡连接30上。在第四模式中，所述头端喷射器 51将天然气和低热值的气体的第一共混物(例如，约10%至50%天然气的共混水平)作为所 述燃料输送到所述燃烧器20的所述头端26上，并且所述轴向分级喷射器52将天然气或低 热值的气体的第二共混物(例如，约10%至50%天然气的共混水平）作为所述附加燃料输送 到所述燃烧器20的下游段25和所述过渡连接件40上。
[0028] 根据替代实施例并参照图3至5,示出燃料回路和涡轮机10的另外操作模式。
[0029] 参照图3,可以吹扫气体燃料1，从而经由初级、次级或三级布置中的头端喷射器 51提供用于燃烧和/或经由轴向分级喷射器52提供用于燃烧。气体燃料1可以包括一个 或多种类型的高热值的燃料，如天然气或者甲烷。初级、次级以及三级布置是指头端燃料喷 射器51的多组燃料喷嘴，所述多组燃料喷嘴同时激活、并且达到燃料喷嘴激活水平（S卩，中 间燃烧器可激活，外部环状燃烧器可激活或中间燃烧器和外部环状燃烧器都可激活)。
[0030] 参照图4,可以吹扫气体燃料2,从而经由初级A (primary A)或初级B布置中的 头端喷射器51提供用于燃烧。气体燃料2可以包括一个或多种类型的低热值的燃料，如合 成气。如上所述，初级A和初级B布置是指头端燃料喷射器51的多组燃料喷嘴，所述多组 燃料喷嘴同时激活并且达到燃料喷嘴激活水平（即，中间燃烧器可激活，外部环状燃烧器可 激活或中间燃烧器和外部环状燃烧器都可激活)。
[0031] 参照图5,涡轮机10可以在模式Ml、M3、M4、M6和M6. 4中操作。模式M2和M5未 示出但可了解作为中间模式，其中分别使得模式Ml与M3重合并且M4与M6重合。
[0032] 在其中可在高达约81%的涡轮机10速度下生效的Ml (S卩，第一或者启动)模式中， 气体燃料1经由次级布置中的头端喷射器51来被提供用于燃烧(例如，在燃烧器20中燃 烧)。如图5所示，次级布置包括激活中心燃料喷嘴中的中心燃烧器和头端喷射器51的两 个外部燃料喷嘴。
[0033] 在其中可在燃烧时的火焰温度达到约2, 200 °F后生效的M3 (S卩，第二或者另外启 动)模式中，气体燃料1经由次级布置中的头端喷射器51来被提供用于燃烧，并且气体燃料 2经由初级A布置中的头端喷射器51来被提供用于燃烧。如图5所示，初级A布置包括激 活中心燃料喷嘴的外部环状燃烧器、并且激活头端喷射器51的剩余三个外部燃料喷嘴的 中心燃烧器和外部环状燃烧器。
[0034] 在其中可在涡轮机10达到100%速度后生效的M4 (S卩，第三或者完全启动）模式 中，气体燃料1经由次级布置中的头端喷射器51来被提供用于燃烧，并且气体燃料2经由 初级A布置中和初级B布置中的头端喷射器51来被提供用于燃烧。如图5所示，初级B布 置包括激活头端喷射器51的每个燃料喷嘴的中心燃烧器和外部环状燃烧器。
[0035] 在M6 (S卩，第四或者基载)模式中，气体燃料1和2经由三级、初级A和初级B布置 中的头端喷射器51被提供用于燃烧，而气体燃料1是进一步地提供到轴向分级喷射器52。 如图5所示，三级、初级A和初级B布置是包括激活头端喷射器51的每个燃料喷嘴的外部 环状燃烧器。
[0036] 在M6. 4 (S卩，第五或过度燃烧）模式中，气体燃料1和2经由初级、次级、三级 (tertiary)、初级A和初级B布置中的头端喷射器51被提供用于燃烧，而气体燃料1是进 一步地被提供到轴向分级喷射器52。如图5所示，初级、次级、三级、初级A和初级B布置是 包括激活每个燃料喷嘴的外部环状燃烧器、并且另外激活头端喷射器51的中心燃料喷嘴 的中心燃烧器。
[0037] 在涡轮机10从采用M6模式的操作的关闭过程中，涡轮机10可以从M6模式转入 M4模式，并且从M4模式转入M3模式。
[0038] 参照图6,示出对如上所述涡轮机10操作所提供的Wobbie索引操作窗口中的改 进的图像描绘。如图6所示，当燃烧器20和过渡连接件40内的燃料/空气比率增加时，涡 轮机10操作温度急剧增加，达到高温并且随后几乎急剧减小。在减小期间中，根据Wobbie 索引值，可以采用低热值的燃料在第一相对高温窗口 60中进行燃烧，然而，可以在第二相 对低温窗口 61中采用高热值的燃料。上述涡轮机10对燃料柔性操作进行实施的能力使得 涡轮机10可能沿着宽的温度窗口 62进行有效操作，所述温度窗口从第一相对高温窗口 60 的开始位置延伸到第二相对低温窗口 61的终止位置。
[0039] 参照图7,示出对如上所述涡轮机10操作所提供的火焰保持能力中的改进的图像 描绘。如7所示，在两条点线之间可以看到高回火风险与天然气基线之间的操作区域。下 方点线与虚线以及实线之间的对应区域分别表示与具有给定百分率的高热值的燃料的燃 料类型关联的回火界限（flashback margins)，所述具有给定百分率的高热值的燃料为如 10%和20%的天然气。这些区域的大小和形状指示：在给定天然气百分率情况下，回火界限 随着初级分流百分率减少且烧尽时间增加而来增加。实际来说，随着天然气百分率减少，效 果将会更为明显。因此，可以看出，涡轮机10采用燃料灵活性，并由此在燃料类型中使用经 减少的天然气百分率的能力使回火或者火焰保持风险降低。
[0040] 尽管本实用新型是仅仅结合有限数量的实施例进行详细描述，但应易于了解，本 实用新型不限于此类公开的实施例。相反，本实用新型可经修改以并入在此之前并未描述 但与本实用新型的精神和范围相符的任何数量的变化、更改、替换或等效布置。另外，尽管 已经对本实用新型的各种实施例进行描述，但将理解，本实用新型的方面可以仅仅包括所 述实施例中的一些实施例。因此，本实用新型不应视为受到前述描述限制，而仅受到所附权 利要求书的范围限制。
【权利要求】
1. 一种涡轮机，所述涡轮机包括： 燃烧器，燃料在其中燃烧产生工作流体； 涡轮段，所述涡轮段接收所述工作流体用于发电操作； 过渡连接件，附加燃料在其中燃烧，所述过渡连接件设置用于将所述工作流体从所述 燃烧器运输到所述涡轮段；以及 分级燃烧系统，所述分级燃烧系统连接到所述燃烧器和所述过渡连接件，所述分级燃 烧系统经配置用于以多个模式混合所述燃料和所述附加燃料的组分。
2. 根据权利要求1所述的涡轮机，其中所述过渡连接件为曲形。
3. 根据权利要求1所述的涡轮机，其中通过所述燃烧器的流路偏离通过所述涡轮段中 的流路，所述过渡连接件包括： 前端，所述前端与通过所述燃烧器的所述流路对准；以及 后端，所述后端与通过所述涡轮段中的所述流路对准。
4. 根据权利要求1所述的涡轮机，其中所述分级燃烧系统包括： 设置成将所述燃料输送到所述燃烧器的头端的头端喷射器；以及 设置成将附加燃料输送到所述燃烧器的下游段和所述过渡连接件的轴向分级喷射器。
5. 根据权利要求4所述的涡轮机，其中所述轴向分级喷射器布置在第一级和设置在所 述第一级的下游的第二级中。
6. 根据权利要求5所述的涡轮机，其进一步包括： 第一燃料歧管，所述第一燃料歧管用于对所述第一级的所述轴向分级喷射器供应所述 附加燃料；以及 第二燃料歧管，所述第二燃料歧管用于对所述第二级的所述轴向分级喷射器供应所述 附加燃料。
7. 根据权利要求4所述的涡轮机，其中所述多个模式包括以下一者或多者： 第一模式，其中所述头端喷射器将天然气作为所述燃料输送到所述燃烧器的所述头端 上，并且所述轴向分级喷射器将合成气或低热值的气体作为所述附加燃料输送到所述燃烧 器的下游段和所述过渡连接件上； 第二模式，其中所述头端喷射器将天然气和合成气作为所述燃料输送到所述燃烧器的 所述头端上，并且所述轴向分级喷射器将低热值的气体作为所述附加燃料输送到所述燃烧 器的下游段和所述过渡连接件上； 第三模式，其中所述头端喷射器将低热值的气体作为所述燃料输送到所述燃烧器的所 述头端上，并且所述轴向分级喷射器将天然气或低热值的气体作为所述附加燃料输送到所 述燃烧器的下游段和所述过渡连接件上；以及 第四模式，其中所述头端喷射器将天然气和低热值的气体作为所述燃料输送到所述燃 烧器的所述头端上，并且所述轴向分级喷射器将天然气和低热值的气体作为所述附加燃料 输送到所述燃烧器的下游段和所述过渡连接件上。
8. 根据权利要求1所述的涡轮机，其中所述多个模式包括启动模式、基载模式以及过 燃模式。
9. 一种涡轮机分级燃烧系统，所述分级燃烧系统包括：燃烧器，燃料在所述燃烧器中 燃烧产生工作流体；涡轮段，所述涡轮段接收所述工作流体用于发电操作；以及附加燃料 在其中燃烧的过渡连接件，所述过渡连接件设置用于使所述工作流体从所述燃烧器运输到 所述涡轮段，并且包括： 设置成将以多个模式共混的燃料输送到所述燃烧器的头端的头端喷射器；以及 设置成将以多个模式共混的附加燃料输送到所述燃烧器的下游段和所述过渡连接件 的轴向分级喷射器。
10. 根据权利要求9所述的分级燃烧系统，其中所述轴向分级喷射器布置在第一级和 设置在所述第一级的下游的第二级中。
11. 根据权利要求10所述的分级燃烧系统，其进一步包括： 第一燃料歧管，所述第一燃料歧管用于对所述第一级的所述轴向分级喷射器供应所述 附加燃料；以及 第二燃料歧管，所述第二燃料歧管用于对所述第二级的所述轴向分级喷射器供应所述 附加燃料。
12. 根据权利要求9所述的分级燃烧系统，其中所述多个模式包括以下一者或多者： 第一模式，其中所述头端喷射器将天然气作为所述燃料输送到所述燃烧器的所述头端 上，并且所述轴向分级喷射器将合成气或低热值的气体作为所述附加燃料输送到所述燃 烧器的下游段和所述过渡连接件上； 第二模式，其中所述头端喷射器将天然气和合成气作为所述燃料输送到所述燃烧器的 所述头端上，并且所述轴向分级喷射器将低热值的气体作为所述附加燃料输送到所述燃烧 器的下游段和所述过渡连接件上； 第三模式，其中所述头端喷射器将低热值的气体作为所述燃料输送到所述燃烧器的所 述头端上，并且所述轴向分级喷射器将天然气或低热值的气体作为所述附加燃料输送到所 述燃烧器的下游段和所述过渡连接件上；以及 第四模式，其中所述头端喷射器将天然气和低热值的气体作为所述燃料输送到所述燃 烧器的所述头端上，并且所述轴向分级喷射器将天然气和低热值的气体作为所述附加燃料 输送到所述燃烧器的下游段和所述过渡连接件上。
13. 根据权利要求9所述的分级燃烧系统，其中所述多个模式包括启动模式、基载模式 以及过燃模式。
【文档编号】F02C9/26GK203847250SQ201320717464
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2013年11月14日 优先权日:2012年11月14日
【发明者】陈伟, A.R.罕, D.W.西蒙斯 申请人:通用电气公司