用于控制燃气涡轮机系统中的燃烧不稳定性的系统和方法 |
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| 申请号 | CN201210342118.3 | 申请日 | 2012-09-14 | 公开(公告)号 | CN102996259A | 公开(公告)日 | 2013-03-27 |
| 申请人 | 通用电气公司; | 发明人 | J.柯斯纳; R.M.瓦沙姆; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开一种用于控制燃气 涡轮 机系统中的燃烧不 稳定性 的系统和方法。该燃气 涡轮机 系统包括 压缩机 分段、连接至压缩机分段的涡轮分段、以及连接至压缩机分段和涡轮分段的 燃烧器 分段。燃烧器分段包括多个燃烧器。燃烧器分段进一步包括至少一个点火器以用于点燃多个燃烧器中的每一个燃烧器内的 燃料 -空气混合物从而形成热气体。该燃气涡轮机系统进一步包括控制系统，以用于通过对燃料-空气混合物的操作参数进行控制来控制多个燃烧器中的至少一个燃烧器中的热气体的速度。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种燃气涡轮机系统(10)，所述燃气涡轮机系统(10)包括： |
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| 说明书全文 | 用于控制燃气涡轮机系统中的燃烧不稳定性的系统和方法技术领域背景技术[0002] 燃气涡轮机系统广泛应用于例如发电的领域中。传统的燃气涡轮机系统包括压缩机分段、燃烧器分段和涡轮分段。在传统的燃气涡轮机系统中，压缩空气从压缩机分段被提供给燃烧器分段。进入燃烧器分段的空气与燃料混合并且进行燃烧。热燃烧气体从燃烧器分段流向涡轮分段，以驱动燃气涡轮机系统并且发电。 [0003] 近来，柔性燃料(flexible fuel)燃气涡轮机系统的发展已经改进了这种系统的性能。柔性燃料系统能够适于具有各种燃料成分和热容的范围广泛的燃料。这些系统已经实现了发电和效率的改进以及NOX排放物的减少。 [0004] 然而，柔性燃料燃气涡轮机系统的发展和使用已经造成了在操作期间燃烧不稳定性的增加。例如，使用高反应性燃料(reactive fuel)共混物已经造成了能够损坏或毁坏燃烧器分段和燃气涡轮机系统的燃烧不稳定性的增加，例如燃烧噪声、回火(flashback)和/或火焰保持。 [0005] 因此，改进的用于控制燃气涡轮机系统中的燃烧不稳定性的系统和方法将是本领域中所期望的。 发明内容[0006] 本发明的各个方面以及优点将会在以下的描述中进行阐述，或者是通过描述可以显而易见的，或者是可以通过实施本发明而知悉。 [0007] 在一个实施例中，公开一种燃气涡轮机系统。该燃气涡轮机系统包括压缩机分段、连接至压缩机分段的涡轮分段、以及连接至压缩机分段和涡轮分段的燃烧器分段。燃烧器分段包括多个燃烧器，多个燃烧器中的每一个燃烧器都包括外壳，该外壳在其中限定室。多个燃烧器中的每一个燃烧器都与压缩机分段流体连通以用于使空气流向多个室中的每一个室，并且进一步包括至少一个喷射器以用于将燃料喷射到室中，使得空气和燃料形成空气-燃料混合物。燃烧器分段进一步包括至少一个点火器，以用于点燃多个燃烧器中的每一个燃烧器内的燃料-空气混合物从而形成热气体。该燃气涡轮机系统进一步包括控制系统，以用于通过对燃料-空气混合物的操作参数进行控制来控制多个燃烧器中的至少一个燃烧器中的热气体的速度。 [0008] 进一步的，所述操作参数是燃料与空气比、燃料-空气混合物成分、或者燃料-空气混合物速度中的一个。 [0009] 进一步的，所述控制系统包括连接至所述燃烧器分段的加湿器。 [0010] 进一步的，所述加湿器直接连接至所述多个燃烧器中的至少一个燃烧器。 [0011] 进一步的，所述控制系统包括连接至所述燃烧器分段的废气再循环装置。 [0012] 进一步的，所述废气再循环装置直接连接至所述多个燃烧器中的至少一个燃烧器。 [0013] 进一步的，所述控制系统包括连接至所述燃烧器分段的惰性气体循环装置。 [0014] 进一步的，所述惰性气体循环装置直接连接至所述多个燃烧器中的至少一个燃烧器。 [0016] 进一步的，所述多个燃烧器中的至少一个燃烧器进一步包括多个喷射器。 [0017] 进一步的，所述多个文丘里喷嘴中的至少一部分文丘里喷嘴邻近所述燃烧器的入口以环形阵列布置，并且所述多个文丘里喷嘴中的所述一部分文丘里喷嘴中的每一个文丘里喷嘴都联接至所述多个喷射器中的一个喷射器。 [0018] 进一步的，所述多个文丘里喷嘴中的至少一部分文丘里喷嘴以轴向阵列布置。 [0019] 进一步的，所述多个文丘里喷嘴中的所述一部分文丘里喷嘴中的每一个文丘里喷嘴都联接至所述多个喷射器中的一个喷射器。 [0020] 进一步的，所述多个喷射器中的至少一部分喷射器是下游喷射器。 [0021] 在另一个实施例中，公开一种用于控制燃气涡轮机系统的燃烧分段中的燃烧不稳定性的方法。该方法包括确定燃烧分段的燃烧器中的热气体的速度，以及对燃料-空气混合物的操作参数进行调节。该燃烧器包括外壳，该外壳在其中限定室。燃烧器与涡轮机系统的压缩机分段流体连通以用于使空气流向室，并且进一步包括至少一个喷射器以用于将燃料喷射到室中，使得空气与燃料形成空气-燃料混合物。燃烧器分段进一步包括至少一个点火器，以用于点燃燃烧器内的燃料-空气混合物从而形成热气体。 [0022] 进一步的，所述操作参数是燃料与空气比、燃料-空气混合物成分、或者燃料-空气混合物速度中的一个。 [0023] 进一步的，调节步骤包括对连接至所述燃烧器分段的加湿器进行操作。 [0024] 进一步的，调节步骤包括对连接至所述燃烧器分段的废气再循环装置进行操作。 [0025] 进一步的，调节步骤包括对连接至所述燃烧器分段的惰性气体循环装置进行操作。 [0026] 进一步的，所述燃烧器进一步包括多个文丘里喷嘴。 [0028] 参照附图，说明书的其余部分更具体地阐述面向本领域普通技术人员的本发明(包括本发明的最佳模式)的完整公开，这种公开使得本领域普通技术人员能够实现本发明，在附图中： [0029] 图1是根据本发明的一个实施例的燃气涡轮机系统的示意图； [0030] 图2是根据本发明的另一个实施例的燃气涡轮机系统的示意图； [0031] 图3是根据本发明的一个实施例的燃气涡轮机系统的若干部分的横截面图； [0032] 图4是根据本发明的一个实施例的燃烧器的横截面图； [0033] 图5是根据本发明的另一个实施例的燃烧器的横截面图； [0034] 图6是根据本发明的另一个实施例的燃烧器的横截面图；以及 [0035] 图7是根据本发明的另一个实施例的燃烧器的横截面图。 [0036] 附图标记列表： [0037] 具体实施方式[0038] 现在将详细地参照本发明的实施例，其中的一个或多个示例示于附图中。详细的描述使用数字和字母名称来指代附图中的特征。附图和描述中相同或类似的名称用于指代本发明的相同或类似的部分。 [0039] 每个示例都以对发明进行解释的方式给出，并不对本发明构成限制。实际上，对于本领域普通技术人员而言显而易见的是，能够在不偏离本发明的范围或者精神的前提下对本发明进行改型和变型。例如，作为一个实施例的一部分示出或者进行描述的特征能够用于另一个实施例，从而产生又一个实施例。因此，本发明旨在覆盖落入所附权利要求及其等同形式的范围内的这些改型以及变型。 [0040] 图1和图2是燃气涡轮机系统10的各种实施例的示意图。系统10可以包括压缩机分段12、燃烧器分段14和涡轮分段16。压缩机分段12和涡轮分段16可以通过轴18联接。轴18可以是单个轴或者联接在一起以形成轴18的多个轴段。 [0041] 燃气涡轮机系统10的燃烧器分段14可以包括多个同样被称为燃烧器筒(combustor can)的燃烧器20(图3至图7中的每幅附图中都示出多个燃烧器20中的一个燃烧器20)。通常，燃烧器20围绕中心轴线以环形阵列定位。如以下所讨论的，空气和燃料可以被提供给燃烧器20中的每一个燃烧器20并且在其中混合。定位于燃烧器20的一个或多个燃烧器20中或者定位成邻近燃烧器20中的一个或多个燃烧器20的点火器(未示出)可以点燃空气-燃料混合物，从而使其进行燃烧形成热气体。 [0042] 如本领域内众所周知的，空气通常在经过压缩之后从压缩机分段12被提供给燃烧器分段14。燃料可以从燃料源22被提供给燃烧器分段中的燃烧器20中的每一个燃烧器20。燃料源可以是将合适的燃料提供给系统10的任何合适的源。根据本发明的合适的燃料包括任何合适的气体燃料或液体燃料，例如天然气或油。此外，合适的燃料包括可以用于柔性燃料燃气涡轮机系统中的燃料和燃料成分，例如包括氢、量相对较高的烃并且/或者具有相对较高的较低热值的燃料成分。 [0043] 系统10可以进一步包括发电机24。通过操作压缩机分段12、燃烧器分段14和涡轮分段16而产生的电力被提供给发电机24并且储存在发电机24中。在示例性实施例中，发电机24通过轴18联接至压缩机分段12和涡轮分段16。废气可以被排放到大体中、排放至合适的换热器(例如如图所示的热回收蒸汽发生器(“HRSG”)26)或者排放至任何其它合适的装置或设备。 [0044] 燃气涡轮机系统10进一步包括各种用于控制燃烧不稳定性(例如燃烧噪声、回火和/或火焰保持)的装置和设备。对这种燃烧不稳定性的控制将允许减少和控制不稳定性的出现，因此允许系统10的更安全操作。 [0045] 因此，本系统10进一步包括控制系统30。控制系统30对多个燃烧器20中的一个或多个燃烧器20中经过燃烧的热气体的速度进行控制。本发明的发明人已经发现了对这种热气体的速度的控制有利地允许对燃烧不稳定性进行控制。例如，对热气体的速度的控制可以进一步对造成燃烧不稳定性的热气体流的各种参数进行控制，例如幅度、频率和燃烧振荡的变化率。因此，就对系统10中的燃烧不稳定性进行控制以及使系统10中的燃烧不稳定性最小化而言，对热气体的速度进行控制是可实现的、高效和有效的。 [0046] 控制系统30可以可连通地联接至燃烧器分段14以及燃烧器分段14的一个或多个燃烧器，以用于对经过燃烧的热气体的速度进行控制。可连通联接可以通过物理联接(例如通过电线或者其它的管道或脐带式管路)实现，或者可以是无线联接(例如通过基于联接的红外、蜂窝、声波、光学或射频)实现。控制系统30可以包括处理器以及用于监测和控制热气体的速度的合适的硬件和软件。控制系统可以是完全或部分人工操作的，并且/或者可以是通过使用这种硬件和软件完全或部分自动的(例如合适的程序逻辑)。控制系统30可以包括在计算机或者适于对控制系统30进行操作的其它装置中。 [0047] 控制系统30通过对燃料-空气混合物的一个或多个操作参数进行控制来控制多个燃烧器中的一个或多个燃烧器中的热气体的速度。因此，控制系统30包括用于监测热气体的速度、监测操作参数、以及调节操作参数的硬件和软件，如上文所讨论的。这种硬件和软件可以包括传感器和其它合适的测量装置以及用于计算热气体速度、各种参数及其变化的合适的程序。 [0048] 在一些实施例中，操作参数可以是燃料-空气比。因此，可以根据需要通过控制系统30对被提供给燃烧器20以形成燃料-空气混合物的燃料的量和/或空气的量进行调节，以调节燃烧器中的热气体的速度。例如，能够根据需要增加或减少所供给的燃料的量并且/或者增加或减少所供给的空气的量。 [0049] 在其它实施例中，操作参数可以是燃料-空气混合物成分。因此，可以根据需要通过控制系统30对被提供给燃烧器20以形成燃料-空气混合物的燃料的成分进行调节，以调节燃烧器中的热气体的速度。例如，可以根据需要增加或减少天然气、油、氢、所包含的烃的量相对较高的燃料、具有相对较高的较低热值的燃料以及/或者构成燃料的其它合适的液体或气体的量。 [0050] 在进一步其它的实施例中，操作参数可以是燃料-空气混合物速度。因此，可以根据需要通过控制系统30对燃料、空气或者结合的燃料-空气混合物的速度进行调节，以调节燃烧器中的热气体的速度。例如，可以根据需要提高或降低燃料、空气或者结合的燃料-空气混合物的速度。 [0052] 应当理解，本发明的操作参数并不限于上文所公开的示例，相反，可以与燃烧器20中的热气体的速度相关的并且经过调节能够对燃烧器20中的热气体的速度进行调节的燃料-空气混合物的任何合适的操作参数都在本发明的范围和精神内。 [0053] 系统10可以进一步包括连接至燃烧器分段20的各种装置，以根据需要通过控制系统30对一个或多个操作参数进行调节。因此，每个装置都可连通地联接至控制系统30并且由此受到控制系统30的控制。 [0054] 例如，在一些实施例中，系统10可以包括加湿器32。加湿器32可以如图1所示地连接至燃料源22以及/或者连接至从压缩机12流向燃烧器14的空气，并且/或者如图2所示地直接连接至燃烧器分段14。例如，在加湿器32直接连接至燃烧器分段14的一些实施例中，加湿器32可以直接连接至一个或多个喷射器，或者如下文所讨论地通过外壳连接至一个或多个喷射器，或者另外地连接至燃烧器20中的一个或多个燃烧器20的一个或多个喷射器。加湿器32可以根据期望或者根据需要向空气-燃料混合物增加水和/或蒸汽，以对其操作参数进行调节。 [0055] 在其它实施例中，系统10可以包括废气再循环装置34。废气再循环装置34可以如图1所示地连接至燃料源22，并且/或者如图2所示地直接连接至燃烧器分段14。例如，在废气再循环装置34直接连接至燃烧器分段14的实施例中，废气再循环装置34可以直接连接至一个或多个喷射器，或者如下文所讨论地通过外壳连接至一个或多个喷射器，或者另外地连接至燃烧器20中的一个或多个燃烧器20的一个或多个喷射器。废气再循环装置34可以进一步连接至HRSG26，或者可以直接连接至来自发电机24的废气。废气再循环装置34可以根据期望或者根据需要向空气-燃料混合物增加从发电机24排放的废气，以对其操作参数进行调节。 [0056] 在进一步其它的实施例中，系统10可以包括惰性气体循环装置36。惰性气体循环装置36可以如图1所示地连接至燃料源22，并且/或者如图2所示地直接连接至燃烧器分段14。例如，在惰性气体循环装置36直接连接至燃烧器分段14的实施例中，惰性气体循环装置36可以直接连接至一个或多个喷射器，或者如下文所讨论地通过外壳连接至一个或多个喷射器，或者另外地连接至燃烧器20中的一个或多个燃烧器20的一个或多个喷射器。惰性气体循环装置36可以根据期望或者根据需要向空气-燃料混合物增加惰性气体(例如氦、氖、氩、氪、氙、氡、硫、六氟化物、氮或者任何其它合适的惰性气体)，以对其操作参数进行调节。 [0057] 燃烧器20中的一个或多个燃烧器20可以进一步包括能够布置成允许对其中的热气体的速度进行控制的各种新颖的特征。如图3至图7中所示，根据本发明的燃烧器20可以包括外壳40，外壳40在其中限定了室42。燃烧器20可以进一步包括一个或多个喷射器44。每个喷射器44都将燃料喷射到室42中。因此，每个喷射器44都可以连接至外壳40并且通过其中延伸，并且进一步连接至燃料源22，因此使燃料源22与燃烧器处于流体连通，以用于使燃料流过其中。此外，应当理解，由每个喷射器44喷射到燃烧器20的室42中的燃料所具有的成分和/或速度可以与由燃烧器20以及/或者燃烧分段14中的任何其它的喷射器44喷射到燃烧器20的室42中的燃料所具有的成分和/或速度相同或不同。 [0058] 因此，在一些实施例中，燃烧器20可以包括多个喷射器44。喷射器44中的一个或多个喷射器44可以定位成邻近燃烧器20的入口46。喷射器44中的另一个或者多个喷射器44可以是下游喷射器48，所述下游喷射器48是定位在入口46的下游处以向燃烧器20中提供燃料的延迟喷射的喷射器。 [0059] 根据本发明的燃烧器20可以进一步与压缩机分段12流体连通，以用于使空气流向多个室42中的每一个室42。例如，燃烧器20的外壳40或者其它合适的部件可以限定一个或多个孔50。孔50可以允许空气通过包绕燃烧器20的增压室52从压缩机12流过燃烧器20并且进入室42以用于与燃料混合，从而形成燃料-空气混合物。 [0060] 根据本发明的燃烧器20可以进一步有利地包括多个文丘里喷嘴60。文丘里喷嘴60是包括受限部分62以及上游部分64和/或下游部分66的喷嘴。此外，上游部分64和/或下游部分66朝向受限部分62大体逐渐变细，使得受限部分具有总体较小的横截面积，因此使得通过其中的流在受限部分内具有较低的压力和较高的速度。每个文丘里喷嘴60都定位在燃烧器20中，例如至少部分地定位在燃烧器20的室42中，以用于使燃料、空气或者燃料-空气混合物流过其中。例如，根据本发明的文丘里喷嘴60可以联接至喷射器44以用于使燃料流过其中，或者可以定位成邻近一个或多个孔以用于使空气流过其中，或者可以大体定位在室42内以用于使燃料-空气混合物流过其中。 [0061] 在一些实施例中，文丘里喷嘴60中的至少一部分文丘里喷嘴60可以以环形阵列布置，例如如图4、图6和图7所示地大体围绕室42的圆周布置。文丘里喷嘴60的环形阵列中的一个或多个文丘里喷嘴60可以联接至喷射器44(例如邻近入口46或下游喷射器48的喷射器44)，并且因此可以使燃料流过其中。除此之外或者备选地，文丘里喷嘴60的环形阵列中的一个或多个文丘里喷嘴60可以联接至孔50并且因此可以使空气流过其中。 [0062] 在其它实施例中，文丘里喷嘴60中的至少一部分文丘里喷嘴60例如如图5和图6所示地沿室42的一部分以轴向阵列布置。文丘里喷嘴60的轴向阵列中的一个或多个文丘里喷嘴60可以联接至喷射器44(例如邻近入口46或下游喷射器48的喷射器)，并且因此可以使燃料流过其中。除此之外或者备选地，文丘里喷嘴60的轴向阵列中的一个或多个文丘里喷嘴60可以联接至孔50并且因此可以使空气流过其中。 [0063] 例如，图4示出邻近入口46以环形阵列布置的多个文丘里喷嘴60。这些文丘里喷嘴60中的一个或多个文丘里喷嘴60可以联接至喷射器48。额外的文丘里喷嘴60定位在该环形阵列的下游处，如图所示。该文丘里喷嘴60使室42内的燃料和/或空气流过其中。 [0064] 图5示出以轴向阵列布置的多个文丘里喷嘴60。一个文丘里喷嘴60可以定位成邻近入口46，并且可以联接至喷射器48。另一个文丘里喷嘴60定位在下游处，如图所示。该文丘里喷嘴60使室42内的燃料和/或空气流过其中。 [0065] 图6示出以环形阵列和轴向阵列布置的多个文丘里喷嘴60。一个文丘里喷嘴60可以定位成邻近入口46，并且可以联接至喷射器48。其它的文丘里喷嘴60定位在下游处，并且可以联接至下游喷射器48。 [0066] 图7示出以环形阵列布置的多个文丘里喷嘴60。这些文丘里喷嘴60中的各个文丘里喷嘴60都可以联接至下游喷射器48。额外的文丘里喷嘴60可以定位在下游处并且与环形阵列连通，以用于使室42内的燃料和/或空气流过其中。 [0067] 本发明进一步涉及用于控制燃气涡轮机系统10的燃烧分段14和燃烧器20中的燃烧不稳定性的方法。该方法例如包括确定燃烧器中的热气体的速度，以及对被提供给燃烧器并且点燃从而形成热气体的燃料-空气混合物的一个或多个操作参数进行调节。根据本发明的这种调节可以影响速度的变化，从而可以实现对燃烧不稳定性的控制，如上文所讨论的。操作参数可以包括例如燃料与空气比、燃料-空气混合物成分、燃料-空气混合物速度、涡轮负载、废气温度、废气成分、压缩机气压、压缩机温度、燃烧温度、燃烧噪声频率、燃烧噪声幅度、燃烧噪声速度、和/或燃烧噪声加速度。 [0068] 在一些实施例中，调节步骤包括对连接至燃烧器分段20的加湿器32进行操作，如上文所讨论的。在其它实施例中，调节步骤包括对连接至燃烧器分段20的废气再循环装置34进行操作，如上文所讨论的。在进一步其它的实施例中，调节步骤包括对连接至燃烧器分段20的惰性气体循环装置36进行操作，如上文所讨论的。 [0069] 此外，在一些实施例中，根据本方法的燃烧器包括多个文丘里喷嘴60，如上文所讨论的。 [0070] 本书面描述使用示例对本发明(包括最佳模式)，进行公开并且还使本领域技术人员能够实施本发明(包括制造和使用任何装置或系统并且执行所包含的任何方法)。本发明的专利范围通过权利要求进行限定，并且可以包括本领域技术人员能够想到的其它的示例。如果这种其它的示例包括与权利要求的字面语言没有区别的结构元件，或者如果这种其它的示例包括与权利要求的字面语言没有实质区别的等同结构元件，则这种其它的示例旨在落入权利要求的范围中。 |
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