專利名稱：具有提高的混合能力的用于頭端直接空氣噴射的設備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于燃氣渦輪發(fā)動機的燃燒系統(tǒng)，更確切地說，涉及改善的燃燒室設計以及使用直接空氣噴射和例如排氣再循環(huán)流(“EGR”)的大體惰性的氣體進料用作主要工作流體的方法。(術(shù)語“惰性氣體流”和“大體惰性的氣體流”在本說明書中可替換使用，用來指具有少的、殘余量的氧氣的EGR類型的氣體流)。根據(jù)本發(fā)明的方法和設備減少來自燃氣渦輪發(fā)動機的不需要氣體排放物的形成，同時增加燃燒室的總效率。
背景技術(shù)：
大體惰性的氣體大體惰性的氣體燃氣渦輪發(fā)動機通常包括壓縮機部分、燃燒室部分和旋轉(zhuǎn)以產(chǎn)生電能的渦輪機。壓縮機將較高壓的氣體直接排入燃燒室中，在所述燃燒室中，烴燃料被噴射、混合并且燃燒以產(chǎn)生熱能和動能。隨后，燃燒氣體被引導到并且通過渦輪機的一個或多個級，所述渦輪機的一個或多個級從排氣中提取旋轉(zhuǎn)能，所述旋轉(zhuǎn)能隨后用于產(chǎn)生電能。大部分現(xiàn)有的燃氣渦輪發(fā)動機包括圍繞旋轉(zhuǎn)軸周向定位的多個燃燒室。為了實現(xiàn)最高的運行效率，燃燒室在不同的燃料成分、壓力、溫度和燃料/空氣比的寬的范圍上運行，優(yōu)選是既能使用液態(tài)燃料又能使用氣態(tài)燃料。大部分的燃氣渦輪發(fā)動機還傾向于在稍微“富余(rich) ”的模式下運行，即，進料中具有比燃燒完所有的烴燃料混合物所需的精確化學計量更少量的氧氣，這導致至少一些不完全燃燒，并且因此產(chǎn)生一氧化碳和其它副廣品。在大部分系統(tǒng)中，一些CO2分解為CO和02，燃燒排氣總是含有少量多余的CO和氧氣，這取決于具體的燃燒室運行環(huán)境。除非被移除，;否則，當流入并且穿過例如渦輪機和熱回收蒸汽發(fā)生器的燃燒室下游的部件時，上述成分(包括殘余量的氧氣)將存留在系統(tǒng)中。結(jié)果，來自常規(guī)燃氣渦輪發(fā)動機的最終排氣流包括N2和CO2，還有少量的CO，O2以及氮氧化物，所有這些排氣流最終必須在下游操作中被移除或發(fā)生反應(例如用催化劑處理)，從而保持所需的燃氣渦輪機效率。具有改善排放物的燃燒室的需要是對空氣污染關(guān)注的直接結(jié)果，其產(chǎn)生于更嚴厲的國內(nèi)和國際污染控制標準，例如由美國國家環(huán)境保護局(Environmental ProtectionAgency)發(fā)布的管制氮氧化物、未燃燒的烴和一氧化碳排放的污染控制標準。不需要的排放物通常分為兩大種類:由高火焰溫度導致的排放物(例如NOx);以及由較低火焰溫度形成的排放物，例如CO，所述較低火焰溫度不可讓基本的燃料-空氣反應完全。為了減少NOx排放物而在低燃燒溫度下運行可導致不完全的或部分不完全的燃燒，這會轉(zhuǎn)而導致過量的未燃燒的烴和一氧化碳的產(chǎn)生，還會導致較低的能量輸出和較低的發(fā)動機熱效率。另一方面，較高的燃燒溫度趨向于提高熱效率并且降低未燃燒的烴和CO的量，但是如果燃燒混合物和運行環(huán)境沒有合適地得到監(jiān)視和控制，那么也能產(chǎn)生較多量的N0X。兩個額外的實際問題會影響對形成于渦輪機排氣中的不需要排放物的量的控制的需要。首先，由于在多燃燒室設計中對送至每個燃燒室的燃料的精確量的控制能力有限，因此燃料-空氣比的控制也是有限的。第二，個別的燃燒室趨向于用稍微不同的燃料-空氣比來運行，從而導致基于“罐-罐(can) ”的排放物的不同。如上所述，在過去，那些設計問題促進了用稍微過量的燃料來使燃氣渦輪發(fā)動機運行的需求，其中排氣中出現(xiàn)的所有的(或近乎所有的)氧氣使用催化劑處理以最終消耗掉和/或消除掉。然而，在最初燃燒期間，要控制產(chǎn)生的CO的精確量是有困難的，尤其是基于個別的燃燒室的情況。盡管在過去幾年間提出了許多燃燒室設計來提高燃燒之前燃料與空氣的混合，但是改善燃燒室構(gòu)造的需求仍然存在，以便當火焰溫度偶爾變得過高時或當燃燒不完全而在排氣中留有殘余的氧氣和CO時，減少NOx等不需要成分的形成。因此，該產(chǎn)業(yè)仍在尋找預燃燒系統(tǒng)，該預燃燒系統(tǒng)提供燃燒室上游處的改善的燃料/空氣混合和更高的熱效率，且同時減少燃燒發(fā)生期間和之后產(chǎn)生的NOx和未燃燒烴排放物。本發(fā)明通過提供新方法以解決以上問題，該方法使用與例如空氣或“氧化燃料(oxyfuel) ”的氧化劑一起燃燒的烴燃料來減少和控制燃氣渦輪機燃燒室中的CO和氧氣排放物。重要的是，本發(fā)明包括使用大量的低至近零氧含量的氣體，例如來自燃氣渦輪發(fā)動機的排氣再循環(huán)流(“EGR”)，作為工作流體的主要部分。使用惰性的燃燒室進料在應用中具有特定的優(yōu)勢，在所述應用中燃氣渦輪機系統(tǒng)經(jīng)設計以實現(xiàn)化學計量的排氣再循環(huán)流，從而達到目標排放物的目的。如以下詳細描述，已發(fā)現(xiàn)可通過改變主要工作流體的種類和成分以及在點燃之前將主要工作流體送至燃燒室頭端的方式來顯著提高燃燒動力學，從而產(chǎn)生改善的排放物(燃燒期間形成更少的氧氣和CO)，而不降低發(fā)動機效率。

發(fā)明內(nèi)容
以下描述的本發(fā)明包括一種新方法，以用于減少燃氣渦輪發(fā)動機的烴燃燒室中一氧化碳和氧氣排放物的量，所述方法使用以下基本步驟:將烴燃料和氧化劑成分(例如空氣)直接送至燃燒室的頭端中，同時將指定量的大體惰性的氣體(名義上是排氣再循環(huán)流或“EGR”)與燃料和氧化劑一起直接噴射到燃燒室頭部中；點燃燃料混合物以形成包括EGR的燃燒室排氣流；使用圍繞燃燒室殼而循環(huán)并且隨后從系統(tǒng)中排出的相同EGR的一部分來冷卻燃燒室排氣；對出現(xiàn)于燃燒室排氣中的一氧化碳和氧氣的量進行檢測；以及基于檢測到的一氧化碳和氧氣的量來調(diào)節(jié)燃料、氧化劑和惰性氣體進料的量。本發(fā)明可并入燃氣渦輪發(fā)動機中，所述燃氣渦輪發(fā)動機包括:燃氣壓縮機；如上所描述的一個或多個燃燒室；由來自燃燒室的膨脹排氣來驅(qū)動的渦輪機；將烴燃料和空氣送至每個燃燒室的燃燒室的主燃料回路；用于將大體惰性的氣體流送至每個燃燒室中的裝置；布置在排氣流中的一氧化碳和氧氣傳感器；以及控制器，用于根據(jù)檢測到的一氧化碳和氧氣的量來確定送至每個燃燒室的燃料、空氣和大體惰性的氣體流的量。因此，本發(fā)明包括方法和燃燒室構(gòu)造，所述方法和燃燒室構(gòu)造將直接空氣噴射與惰性進料混合作為工作流體，所述直接空氣噴射進入所述燃燒室的頭端，所述惰性進料即為很低氧氣含量的氣體再循環(huán)流。在示例性的實施例中，在啟動后燃燒室到達所需運行水平之后，外部空氣和燃氣渦輪機排氣(具有少量或沒有氧氣出現(xiàn)并且溫度降低)的一部分經(jīng)混合以形成主要工作流體。較低溫度的惰性氣體流(主要包括氮和CO2)用于改善燃燒的化學計量，同時用作燃燒室本身的冷卻介質(zhì)。如下結(jié)合圖1到6所描述的方法包括兩種主要的運行模式:(a)使用包括空氣和惰性排氣再循環(huán)流的主要工作流體，所述惰性排氣再循環(huán)流大約占燃燒室總進料體積的50%，EGR流從燃氣渦輪壓縮機供應到燃燒室；以及(b)使用相同的大體惰性的氣體(EGR)作為燃燒室的熱部分的冷卻劑并且?guī)椭刂迫紵一鹧鏈囟取Ｈ缟纤?，新燃燒室設計和相關(guān)的方法能夠支持化學計量的燃燒，同時所得的O2和CO排放物最少。NOx和CO排放物的量也可通過將額外的稀釋物(例如氮)直接噴射到燃燒室頭端中而進行調(diào)節(jié)。此外，以下所描述的與頭端一起使用的燃燒室噴嘴設計導致將混合物噴射到燃燒室之前燃料、空氣和EGR混合的改善。本發(fā)明還包括燃氣渦輪發(fā)動機的整合的燃料和空氣燃燒系統(tǒng)，所述整合的燃料和空氣燃燒系統(tǒng)包括:一個或多個燃燒室；改進的燃料供應，以用于將烴燃料提供至燃燒室；燃燒室的壓縮的外部空氣供應(例如由主空氣壓縮機產(chǎn)生的)；用于將惰性排氣再循環(huán)流提供至燃燒室的裝置；以及改進的燃料和空氣噴嘴，其定位在燃燒室的頭端中，以用于在點燃之前提供各成分所需的混合。


圖1是示例性燃氣渦輪發(fā)動機的過程流程圖，其圖示了根據(jù)本發(fā)明使用新的燃燒室設計而執(zhí)行的方法的基本部件和過程步驟；圖2是根據(jù)本發(fā)明的燃燒室的示例性實施例的橫截面，所圖示的裝置用于將空氣、大體惰性的排氣再循環(huán)流和烴燃料的混合物噴射到燃燒室中以形成主要工作流體，惰性氣體流還用作燃燒室的冷卻介質(zhì)；圖3是圖2中圖示的示例性燃燒室設計的頭端的橫截面，其更詳細地描繪了用于將空氣、燃料和大體惰性的氣體流送至燃燒室中的配置和流動型態(tài)(f1wpattern)；圖4部分透視地顯示了根據(jù)本發(fā)明用于將空氣、燃料和一定量的排氣再循環(huán)噴射到燃燒室中的示例性混合防護罩的橫截面；圖5部分透視地顯示了用于將空氣、EGR和燃料噴射到燃燒室中的另一示例性混合防護罩的橫截面；以及圖6提供了兩個對比的流程框圖，其圖示了根據(jù)本發(fā)明的方法的基本運行模式，即在啟動和關(guān)閉期間使用流入燃燒室的空氣、燃料和惰性氣體流，與在啟動后的化學計量運行模式期間的使用進行比較。兀件符號列表:
權(quán)利要求
1.一種用于減少燃氣渦輪發(fā)動機烴燃燒系統(tǒng)中一氧化碳和氧氣排放量的方法，所述方法包括: (a)將指定量的烴燃料和氧化劑成分直接送至所述烴燃燒系統(tǒng)中的至少一個燃燒室的頭端中； (b)將指定量的大體惰性的氣體送至所述燃燒室，同時送入烴燃料和所述氧化劑成分； (C)將所述烴燃料和所述氧化劑成分的混合物點燃，以形成燃燒室排氣流； (d)使用所述大體惰性的氣體的一部分來冷卻所述燃燒室排氣流，以冷卻所述燃燒室; (e)對所述燃燒室排氣流中存在的一氧化碳和氧氣量進行檢測；以及 (f)基于檢測到的一氧化碳和氧氣量來調(diào)節(jié)至所述燃燒室燃料、氧化劑和大體惰性的氣體的進料量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述大體惰性的氣體流包括排氣再循環(huán)流，所述排氣再循環(huán)流含有氮、二氧化碳以及殘余量的一氧化碳和氧氣。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述氧化劑成分包括空氣。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，送至所述燃燒室中的所述大體惰性的氣體流的量最高是送至所述燃燒室的所述燃料和空氣混合進料的50%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法進一步包括將固定量的稀釋劑成分噴射到所述燃燒室的所述頭端中的步驟。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法進一步包括在噴射到所述燃燒室之前降低所述排氣再循環(huán)流的溫度的步驟。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述燃燒系統(tǒng)包括多個燃燒室的陣列，每個所述燃燒室包括混合的進料流，所述混合的進料流包括所述大體惰性的氣體流的一部分。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述排氣再循環(huán)流的大部分通過噴射到與所述燃燒室殼構(gòu)成一體的流通道中而用于冷卻所述燃燒室，并且隨后從所述流通道中排出。
9.一種燃氣渦輪發(fā)動機,其包括: 燃氣壓縮機； 至少一個燃燒室； 由來自所述燃燒室的膨脹排氣來驅(qū)動的渦輪機； 所述燃燒室的主燃料回路，所述燃料回路包括用于將烴燃料和空氣送至每個燃燒室的裝置； 用于將大體惰性的氣體流送至所述燃燒室中的裝置； 設在所述燃燒室的所述排氣流中的一氧化碳和氧氣傳感器；以及控制裝置，所述控制裝置用于基于所述檢測到的一氧化碳和氧氣的量來確定要送至所述燃燒室中的燃料、空氣和大體惰性的氣體流的量。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的燃氣渦輪發(fā)動機，其特征在于，所述燃氣渦輪發(fā)動機進一步包括外部流通道，所述外部流通道與所述燃燒室殼構(gòu)成一體并且其大小可接納足夠用于冷卻所述燃燒室排氣的所述排氣再循環(huán)流的一部分。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的燃氣渦輪發(fā)動機，其特征在于，所述外部流通道包括多個孔，所述多個孔足夠?qū)⒍噙_50%的所述排氣再循環(huán)流噴射到所述燃燒室的內(nèi)部中。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的燃氣渦輪發(fā)動機，其特征在于，所述燃氣渦輪發(fā)動機進一步包括用于將額外的稀釋材料噴射到所述燃燒室的所述頭端中的裝置。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的燃氣渦輪發(fā)動機，其特征在于，所述燃氣渦輪發(fā)動機進一步包括壓縮機，用于在噴射到所述燃燒室中之前增加所述大體惰性的氣體流的壓力。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的燃氣渦輪發(fā)動機，其特征在于，額外的燃燒室形成圍繞中心軸布置的等距燃燒室的陣列，每個所述燃燒室具有用于噴射空氣、燃料和所述排氣再循環(huán)流的混合物的裝置。
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的燃氣渦輪發(fā)動機，其特征在于，所述燃氣渦輪發(fā)動機進一步包括多個噴嘴，所述多個噴嘴 用于將所述空氣和燃料噴射到所述燃燒室中。
全文摘要
本發(fā)明公開一種具有提高的混合能力的用于頭端直接空氣噴射的設備及方法，所述方法通過將烴燃料和氧化劑成分送至燃燒室的頭端中，同時還將大體惰性的氣體連同燃料和氧化劑一起噴射到所述燃燒室中；形成與再循環(huán)流混合的燃燒室排氣流；冷卻所述燃燒室排氣；檢測所述排氣中的一氧化碳和氧氣的量，并且基于所述檢測量來調(diào)節(jié)燃料、氧化劑和惰性氣體的進料量。
文檔編號F02C3/34GK103089453SQ20121036609
公開日2013年5月8日 申請日期2012年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月6日
發(fā)明者I.A.斯羅博彥斯基, G.O.克雷默, L.Y.吉涅辛, D.V.特雷亞科夫, A.P.蘇博塔 申請人:通用電氣公司