具有稀釋氣體的順序燃燒組件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于燃?xì)鉁u輪的順序燃燒器組件，其中將稀釋氣體摻合到順序燃燒器組件中。本發(fā)明另外涉及用于運(yùn)行燃?xì)鉁u輪的方法，其中將稀釋氣體摻合到順序燃燒器組件中。
【背景技術(shù)】
[0002]由于不穩(wěn)定的可再生能源如風(fēng)能或太陽(yáng)能的發(fā)電量的增加，現(xiàn)有的基于燃?xì)鉁u輪的發(fā)電站越來(lái)越多地用來(lái)平衡電力需求和穩(wěn)定電網(wǎng)。因而需要改進(jìn)的運(yùn)行靈活性。這表示燃?xì)鉁u輪通常以比基本負(fù)載設(shè)計(jì)點(diǎn)更低的負(fù)載運(yùn)行，即在較低的燃燒器入口和燃燒溫度下運(yùn)行。
[0003]同時(shí)，排放極限值和總體排放許可變得越來(lái)越嚴(yán)格，使得需要以較低的排放值運(yùn)行，還在部分負(fù)載運(yùn)行時(shí)和在過(guò)渡期間保持低排放，因?yàn)檫@些也會(huì)關(guān)系到累計(jì)排放極限。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)成例如通過(guò)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)入口質(zhì)量流量或控制在不同的噴燃器、燃料級(jí)或燃燒器之間的燃料分割而應(yīng)對(duì)運(yùn)行狀況的某些變化。但是，這不足以滿足新的需求。
[0005]為了進(jìn)一步減少排放和增加運(yùn)行靈活性，在DE 10312971 Al中提出了順序燃燒。取決于運(yùn)行狀況，具體而言取決于第一燃燒室的熱氣溫度，必須在允許熱氣進(jìn)入到第二噴燃器(也稱為順序噴燃器)之前冷卻熱氣。這個(gè)冷卻可有利于允許燃料噴射和在第二噴燃器中預(yù)混合噴射的燃料與第一燃燒器的熱煙道氣。
[0006]第二燃燒室的入口溫度的良好的控制和噴射在第二噴燃器中的燃料與離開(kāi)第一燃燒器的氣體的良好的混合對(duì)于具有低排放值的穩(wěn)定燃燒是必需的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本公開(kāi)的目標(biāo)是提供一種順序燃燒器組件，其包括在第一燃燒室和第二燃燒室之間的用于摻合稀釋氣體和第二燃料的器件。對(duì)于燃?xì)鉁u輪的寬運(yùn)行范圍，這種“稀釋噴燃器”必須對(duì)第二燃燒室提供恰當(dāng)?shù)娜肟诹鳡顩r?；旧希瑢?duì)于第二燃燒器運(yùn)行所處的所有運(yùn)行狀況必須確保預(yù)先限定的入口狀況。具體而言，熱氣冷卻到預(yù)先確定的熱氣溫度。進(jìn)一步，針對(duì)第二燃燒室，可利用恰當(dāng)?shù)負(fù)胶舷♂寶怏w來(lái)調(diào)節(jié)速度分布、氧和燃料含量(例如控制到規(guī)定的分布)。
[0008]相對(duì)于規(guī)定的入口溫度的偏差可導(dǎo)致高排放(例如，NOx, CO和未燃燒的烴)和/或在稀釋噴燃器中的逆燃。由于高入口氣體溫度或高氧濃度，逆燃和NOx由噴射的燃料的減少的自燃時(shí)間引起，高入口氣體溫度或高氧濃度導(dǎo)致較早的點(diǎn)燃(導(dǎo)致逆燃)或減少燃料空氣混合的時(shí)間，從而導(dǎo)致燃燒期間的局部熱點(diǎn)且因此導(dǎo)致增加的NOx排放。低溫區(qū)域可產(chǎn)生CO排放，由于增加了自燃時(shí)間。這可減少CO完全燒成0)2的時(shí)間，以及降低局部火焰溫度，這可進(jìn)一步減慢CO完全燒成C02。最終，局部熱點(diǎn)可導(dǎo)致混合器的下游的某些區(qū)域中的過(guò)熱。
[0009]稀釋氣體可例如為壓縮空氣或空氣和燃?xì)鉁u輪的煙道氣的混合物。而且壓縮煙道氣可用作稀釋氣體。
[0010]根據(jù)順序燃燒器組件的第一實(shí)施例，順序燃燒器組件包括第一燃燒器，其具有在運(yùn)行期間允許第一燃料燃燒器進(jìn)入到入口氣體中的第一噴燃器，以及用于燃燒第一燃料與燃燒器入口氣體的第一燃燒室。典型地，燃燒器入口氣體為壓縮空氣。取決于應(yīng)用，其可為另一種氣體或氣體混合物，諸如例如空氣和煙道氣的混合物。順序燃燒器組件進(jìn)一步包括用于將稀釋氣體摻合到離開(kāi)第一燃燒室的第一燃燒器燃燒產(chǎn)物的稀釋氣體摻合器，以及用于摻合第二燃料的第二噴燃器，以及第二燃燒室。第二燃料可在第二燃燒室中與第一燃燒產(chǎn)物和空氣的混合物燃燒。第一燃燒器、稀釋氣體摻合器、第二噴燃器和第二燃燒室在流體流連接方面按順序布置。為了確保稀釋空氣與第一燃燒器燃燒產(chǎn)物的良好的混合，第一燃燒器的壓力損失與稀釋氣體摻合器中的熱氣的壓力損失的比率在2至12的范圍中。壓力損失的比率可通過(guò)將第一燃燒器設(shè)計(jì)成具有燃燒器的壓力損失系數(shù)和將混合器設(shè)計(jì)成具有混合器的壓力損失系數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)?？墒褂迷诘谝蝗紵业某隹谔幍臋M截面作為第一燃燒器和混合器的壓力損失系數(shù)的基準(zhǔn)橫截面。將第一燃燒器和稀釋氣體摻合器設(shè)計(jì)成具有在2至12的范圍中的壓力損失比率允許在熱燃燒產(chǎn)物和稀釋氣體流之間有幾乎恒定的動(dòng)量通量比率的情況下運(yùn)行混合器。因而在順序噴燃器入口平面處的入口溫度分布對(duì)于不同的運(yùn)行狀況基本保持幾乎相同。
[0011]燃燒器的壓力損失可在較大的程度上通過(guò)使用的噴燃器的類型和所需要的熱氣溫度確定。摻合器引起的小的額外壓力損失會(huì)減少順序燃燒器組件的總的壓力損失。但是，在摻合器中的小的壓力損失會(huì)增大第一燃燒器與稀釋氣體摻合器的壓力損失系數(shù)的比率。如果第一燃燒器與稀釋氣體摻合器的壓力損失的比率太大，例如超過(guò)12，則混合品質(zhì)可由于第一和第二燃燒室的運(yùn)行狀況中的變化而改變，并且具體而言可對(duì)第二燃燒室中的燃燒具有不利影響。這可導(dǎo)致高排放或燃燒不穩(wěn)定性，諸如脈動(dòng)。
[0012]摻合器的壓力損失的增大為摻合稀釋氣體提供穩(wěn)定邊界條件。但是，在摻合器中的較大的壓力損失會(huì)增大順序燃燒器組件的中的壓力損失。如果應(yīng)用于燃?xì)鉁u輪中，這種較大的壓力損失可對(duì)總功率和效率具有顯著的不利影響。因此第一燃燒器的壓力損失與稀釋氣體摻合器的壓力損失的比率應(yīng)當(dāng)保持高于2。因此，第一燃燒器的壓力損失系數(shù)與稀釋氣體摻合器的壓力損失系數(shù)的比率應(yīng)當(dāng)保持高于2。
[0013]根據(jù)順序燃燒器組件的進(jìn)一步實(shí)施例，第一燃燒器的壓力損失與稀釋氣體摻合器的壓力損失的比率在3至10的范圍中。
[0014]對(duì)應(yīng)地，第一燃燒器的壓力損失系數(shù)與稀釋氣體摻合器的壓力損失系數(shù)的比率在3至10的范圍中。
[0015]根據(jù)順序燃燒器組件的又一個(gè)實(shí)施例，第一燃燒器的壓力損失與稀釋氣體摻合器的壓力損失的比率在5至8的范圍中。
[0016]對(duì)應(yīng)地，第一燃燒器的壓力損失系數(shù)與稀釋氣體摻合器的壓力損失系數(shù)的比率在5至8的范圍中。
[0017]順序燃燒器組件的摻合器可具有布置在側(cè)壁上的開(kāi)口或噴嘴，以將稀釋空氣噴射到第一燃燒器燃燒產(chǎn)物中。稀釋氣體摻合器可還包括至少一個(gè)流線型本體，其布置在稀釋氣體摻合器中，以在運(yùn)行期間將稀釋氣體引入到離開(kāi)第一燃燒室的第一燃燒產(chǎn)物中?？赏ㄟ^(guò)布置在流線型本體的壁上的至少一個(gè)噴嘴允許稀釋氣體進(jìn)入到第一燃燒器燃燒產(chǎn)物中。流線型本體可例如為在一個(gè)表面或后緣上具有噴嘴的型材。其可為延伸到第一燃燒器燃燒產(chǎn)物流中的簡(jiǎn)單的管道，其具有開(kāi)口端，以摻合稀釋氣體。摻合器可還包括壁噴嘴和至少一個(gè)流線型本體的組合，用于允許稀釋氣體的進(jìn)入。
[0018]根據(jù)順序燃燒器組件的實(shí)施例，其包括用于稀釋氣體的饋送器。這個(gè)饋送器將稀釋氣體摻合器連接到壓縮機(jī)氣室，稀釋氣體從壓縮機(jī)氣室饋送到摻合器。
[0019]根據(jù)順序燃燒器組件的進(jìn)一步實(shí)施例，稀釋氣體控制閥布置在稀釋氣體饋送器中。通過(guò)控制第二燃燒室的入口狀況，這種控制閥可增加順序燃燒器組件的運(yùn)行靈活性。
[0020]除了順序燃燒器組件，具有這種順序燃燒器組件的燃?xì)鉁u輪和運(yùn)行具有這種順序燃燒器組件的燃?xì)鉁u輪的方法是本公開(kāi)的目的。
[0021]這種燃?xì)鉁u輪包括壓縮機(jī)、渦輪和置于壓縮機(jī)和渦輪之間的順序燃燒器組件。順序燃燒器組件具有:第一燃燒器，其包括在運(yùn)行期間允許第一燃料進(jìn)入到燃燒器入口氣體中的第一噴燃器，以及用于燃燒第一燃料的第一燃燒室；稀釋氣體摻合器，其用于在運(yùn)行期間將稀釋氣體摻合到離開(kāi)第一燃燒室的第一燃燒器燃燒產(chǎn)物；第二噴燃器；以及第二燃燒室。第一燃燒器、稀釋氣體摻合器、第二噴燃器和第二燃燒室在流體流連接方面按順序布置。在這種順序燃燒器組件中，第一燃燒器與稀釋氣體摻合器的壓力損失的比率在I至6的范圍中。
[0022]燃?xì)鉁u輪的進(jìn)一步實(shí)施例包括在順序燃燒器組件的前述實(shí)施例中描述的順序燃燒器組件。
[0023]一種運(yùn)行這種燃?xì)鉁u輪的方法，包括以下步驟:
-在壓縮機(jī)中壓縮入口氣體，
-在第一噴燃器中將第一燃料摻合到壓縮氣體的至少一部分，
-在第一燃燒室中燃燒混合物，以獲得第一燃燒器燃燒產(chǎn)物。
[0024]在這些傳統(tǒng)的步驟之后，第一燃燒產(chǎn)物被允許以第二動(dòng)量通量進(jìn)入到稀釋氣體摻合器。為了冷卻第一燃燒器燃燒產(chǎn)物，稀釋氣體流被允許以第一動(dòng)量通量進(jìn)入到流過(guò)摻合器的第一燃燒器燃燒產(chǎn)物中。為了在摻合器的出口處獲得混合氣體的限定溫度分布，稀釋氣體的動(dòng)量通量保持在一定水平，使得第一動(dòng)量通量與第二動(dòng)量通量的比率相