具有稀釋氣體混合器的順序燃燒的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及用于燃氣渦輪的順序燃燒器組件，其中將稀釋氣體混入到燃燒器組件中。本發明另外涉及用于運行將稀釋氣體混入到燃燒器組件中的燃氣渦輪的方法。
【背景技術】
[0002]由于不穩定的可再生能源(諸如風能或太陽能)產生的發電量增大，基于現有燃氣渦輪的發電廠越來越多地用來平衡電力需求和穩定電網。因而需要改進運行靈活性。這表示燃氣渦輪通常以低于基本負載設計點的負載運行，即以較低的燃燒器入口和燃燒溫度運行。
[0003]同時，排放極限值和總排放許可變得越來越嚴格，使得需要其以更低的排放值運行，而且在部分負載運行下和在瞬態期間保持低排放，因為這些也會增加累積排放極限。
[0004]現有技術的燃燒系統設計成處理運行狀況的某些可變性，例如通過調節壓縮機入口質量流量或控制燃料在不同的噴燃器、燃料級或燃燒器之間的劃分。但是，這不足以滿足新的要求。
[0005]為了進一步減少排放和運行靈活性，在DE 10312971 Al中推薦了順序燃燒。取決于運行狀況，具體而言取決于第一燃燒室的熱氣溫度，可能需要在允許熱氣進入第二噴燃器(也稱為順序噴燃器)之前冷卻熱氣。這個冷卻可有利于允許燃料噴射和噴射的燃料與第一燃燒器的熱的煙道氣在第二噴燃器中預混合。
[0006]傳統的冷卻方法需要在主熱氣流中導致高壓降的熱交換器結構，或建議從側壁噴射冷卻介質。為了從側壁噴射冷卻介質，需要高壓降，這對于以這種燃燒器組件運行的燃氣渦輪的效率是有害的，并且整個流的受控制的冷卻是困難的。

【發明內容】

[0007]本公開的目標是提供一種順序燃燒器組件，其具有混合區段，以在第一燃燒室和第二噴燃器之間混入稀釋氣體。稀釋氣體在混合區段中混入，以為第二噴燃器提供適當的入口流狀況。具體而言，熱氣被冷卻。
[0008]高入口溫度可導致高排放(具體而言，N0x、C0和未燃燒的烴)和/或在第二噴燃器中的逆燃。逆燃和NOx由噴射的燃料的減少的自燃時間引起，這是由于入口氣體溫度高或氧濃度高，這導致更早點燃(導致逆燃)或導致減少燃料空氣的混合時間，從而導致在燃燒期間有局部熱點且因此增大NOx排放。低溫度區域可導致CO排放，因為增大了自燃時間。這可減少CO燃燒成CO2的時間，并且降低局部火焰溫度，這可進一步減慢CO燃燒成C02。最終，局部熱點可導致混合器下游的某些部分過熱。
[0009]根據本公開的一種順序燃燒器組件，包括第一噴燃器、第一燃燒室、在運行期間將稀釋氣體混入到離開第一燃燒室的熱氣的混合裝置、第二噴燃器和第二燃燒室，它們在流體流連接方面按順序布置，其中混合器適于在延伸于第一燃燒室和第二噴燃器之間的熱氣流路徑中引導燃燒氣體，所述熱氣流路徑包括導管，所述導管具有在上游端處的、適于連接到第一燃燒室上的入口和在下游端處的、適于連接到第二噴燃器上的出口。
[0010]局部高氧濃度可與局部高溫具有類似作用，例如減小混合時間的快速反應、高燃燒溫度、增大NOx排放和可能的逆燃。局部低氧濃度可與局部低溫具有類似作用，例如慢的反應，從而導致增大CO和UHC (未燃燒的烴)排放。
[0011 ] 高或低入口速度可導致增大或減小在第二噴燃器和后續第二燃燒室中的停留時間，這與不均勻的自燃時間具有類似負面作用，例如減小第二噴燃器中的停留時間可導致不完全的混合和高N0X。減小在第二燃燒器中的停留時間可導致不完全燃燒，從而增大CO排放。減小第二噴燃器中的流速可導致過早點燃和逆燃。
[0012]從空氣動力學觀點看，另外的重要要求是最大程度地減少熱氣路徑和稀釋氣體供應中的壓力損失。它們可影響以這種燃燒器組件運行的燃氣渦輪的性能。
[0013]根據第一實施例，混合器包括從導管的壁指向內的多個噴射管，其用于混入稀釋氣體，以冷卻離開第一燃燒室的熱的煙道氣，以對第二噴燃器提供適當的入口狀況。
[0014]這些管的直徑、長度和數量設計成將稀釋氣體混入到熱氣流中，使得以低壓降實現所需要的局部質量流量和降溫。典型地噴射管允許以在混入之前的稀釋氣體壓力的總壓力的0.4%至2%的壓降混入稀釋氣體。在噴射管的入口處的壓降低的情況下，在混入之前的稀釋氣體壓力的總壓力的0.2%至1%的壓降可為足夠的。為了減小入口壓降，可使用經倒圓的管入口。
[0015]根據實施例，燃燒器組件包括第一噴射管和第二噴射管，第一噴射管具有進入熱氣流的、垂直于側壁的第一侵入深度，而第二噴射管具有進入熱氣流的、垂直于側壁的第二侵入深度。第二噴射管的侵入深度可小于第一噴射管的侵入深度。
[0016]對于布置成垂直于側壁的管，延伸到熱氣路徑中的管的長度等于侵入深度。
[0017]根據進一步實施例，第一噴射管的侵入深度與第二噴射管的侵入深度的比率大于2。在又一個實施例中，第一噴射管的侵入深度與第二噴射管的侵入深度的比率大于3。
[0018]根據又一個實施例，至少長度在第一和第二噴射管的長度之間的第三噴射管布置在混合器中。第三噴射管可例如布置在第一噴射管的上游或下游，并且具有的長度為第一噴射管的60%至80%。
[0019]根據一個實施例，在混合器中的第一噴射管的位置處的流路徑的橫截面的等效直徑與第一噴射管的侵入深度的比率的范圍為2.5至8。在又一個實施例中，在混合器中的第一噴射管的位置處的流路徑的橫截面的等效直徑與第一噴射管的侵入深度的比率的范圍為3至6。對于呈罐結構的混合器，等效直徑為圓形導管或管的直徑，其提供與流導管的面積相同的橫截面積。對于呈環形結構的混合器，等效直徑為環形導管的高度(即外半徑減去內半徑)。
[0020]根據一個實施例，第二噴射管的長度與第二噴射管的直徑的比率小于1/4。對于這個實施例，稀釋氣體可在側壁附近混入，壓力損失最小。這個短管允許混入的稀釋氣體穿透超過側壁的邊界層且混入到主流中。
[0021]根據進一步實施例，混合器包括第一噴射管和噴射孔，其沿著側壁布置。第一噴射管布置成將稀釋氣體混入到熱氣流路徑的中心區域，并且噴射孔布置成將稀釋氣體混入到熱氣流路徑的壁區域中。
[0022]為了最大程度地減小熱氣流路徑中的壓降，可為有利的是將第二噴射管或噴射孔布置在第一噴射管附近。噴射自第一噴射管附近的第二噴射管或噴射孔的稀釋氣體可減小壓降。具體而言第二噴射管或噴射孔可布置在第一噴射管的下游或相反，即第一噴射管或孔可布置在第二噴射管或噴射孔的下游。如果第二噴射管布置在第一噴射管下游，則其可補償第一噴射管的尾流，因而減小第一噴射管引起的壓力損失。如果第二噴射管布置在第一噴射管上游，則第一噴射管附近的流速被減小，因為第二噴射管的尾流和第二噴射管噴射的稀釋空氣，因而還減小壓降。
[0023]根據進一步實施例，在熱氣流向上在第一噴射管和第二噴射管(相應地，噴射孔)之間的距離小于第一噴射管的直徑的三倍，優選小于第一噴射管的直徑的兩倍半。短的距離減小混合器的總長度且允許有效地噴射到尾流中。
[0024]根據一個實施例，一定長度的管(例如第一噴射管)布置成沿著混合器的壁沿周向分布在垂直于流過混合器的熱氣的主流向的一個平面中。
[0025]根據進一步實施例，管布置成沿著混合器的壁沿周向分布，并且相對于垂直于流過混合器的熱氣的主流向的平面交錯。交錯會減小延伸到熱氣流路徑中的管的阻力。為了使混合器長度保持較短，交錯可小于管直徑的一半。為了有效地減小阻力，交錯應當優選大于管直徑的10%，且更有選地大于管直徑的25%。
[0026]混合器的管暴露于離開第一燃燒室的熱氣。管固有地通過流過其中的稀釋氣體冷卻。但是，為了增大管的壽命，可應用額外的措施來降低管的溫度。
[0027]在一個實施例中，在管道的內側的熱傳遞系數增大。為了增大熱傳遞，冷卻肋和/或銷場可布置在噴射管的內表面上。
[0028]在另一個實施例中，管的外表面涂覆有隔熱涂層(TBC)。在進一步實施例中，隔熱涂層應用在管的前緣區域上。這可例如為相對于前緣+/-45°的區域。與TBC組合或作為TBC的備選方案，擴散冷卻孔可應用在管上，使得稀釋氣體的一部分通過冷卻孔排出，并且從而減小管壁的熱負載。優選地，擴散冷卻孔布置在管的下游側上。稀釋氣體可相對于熱氣的總壓力以低壓差噴射。因此，在前緣處的噴射可能不可行。另外，通過下游側的擴散冷卻，可至少部分地減小管尾流對混合器壓降的負面作用。
[0029]本公開的一個目標是提供一種混合器，其允許在熱氣流路徑中以低壓降混入稀釋氣體。為了減小壓降，低流速是有利的。根據一個實施例，燃燒器組件的混合器包括在稀釋氣體混入部上游的擴散器區段，以減小熱氣的流速。備選地或另外，混合器包括在稀釋氣體混入部的區域中的擴散器區段，以隨著體積流量由于混入稀釋氣體增大而增大流動面積。流動面積的增大可與體積流量的增大具有相同比率，以使軸向流速保持恒定。在進一步實施例中，流動面積的增大選擇成使得平均軸向速度的增大保持在混入位置上游的軸向速度的20%內ο
[0030]在進一步實施例中，噴射管相對于熱氣的流向以小于90°的角度傾斜，使得離開管的稀釋氣體在噴射位置處在熱氣流的方向上具有流分量。
[0031]優選噴射管以一角度傾斜，使得離開管的稀釋氣體的軸向分量等于在噴射位置處的熱氣流的軸向流速或在其+/-50%內。