CN115605675A

CN115605675A - 用于吹扫具有反应性气体的燃料的***

Info

Publication number: CN115605675A
Application number: CN202180035164.6A
Authority: CN
Inventors: 皮埃尔·蒙塔涅
Original assignee: GE Energy Products France SNC
Current assignee: GE Energy Products France SNC
Priority date: 2020-05-14
Filing date: 2021-05-11
Publication date: 2023-01-13
Also published as: FR3110197A1; US20230184170A1; JP2023524844A; WO2021228820A1; EP4150198A1; FR3110197B1

Abstract

用于吹扫含氢燃料的***，包括燃气涡轮。所述燃气涡轮包括至少一个燃烧室(20)、排气部分和热气回路，所述燃烧室(20)设置有所述燃料的至少一个注入器(52)，所述热气回路从所述燃烧室(20)通向所述排气部分。所述***包括位于所述热气回路上的空气和/或惰性气体的至少一个注入点(A、A’)。

Description

用于吹扫具有反应性气体的燃料的***

技术领域

本发明涉及一种用于吹扫(purging)燃料的***，该燃料特别是用于供给燃气涡轮(gas turbine)的，基于诸如氢(更具体地说是分子氢)等反应性气体(reactive gas)的燃料。

本发明属于燃烧***领域，尤其是包括用于燃烧气体(combustion gases)的燃烧室和热空气通道的燃气涡轮的领域。

背景技术

燃气涡轮通常主要由包括一个或多个压缩级(stage)的空气压缩部分组成。

大部分压缩空气与通过注入器(喷射器，injector)注入到至少一个燃烧室中的气态或液态燃料混合，以便进行燃烧。通常，燃烧***是环形类型的或者是包括若干燃烧室的类型，燃烧***与源自压缩机的空气连通。

在燃烧中产生的热气流随后在被排放到排气部分或回收锅炉之前穿过热气体腔向上到达包括一个或多个膨胀级的膨胀涡轮(expansion turbine)。通过涡轮部分的通道引起旋转，由此使得可以回收转子中的机械能。一部分转动能量用于转动压缩机的转子部分以及交流发电机。由于极端温度、热气体的速度以及转子的速度，有必要通过叶片的内部冷却来减轻热应力。

膨胀涡轮由相对于转子以固定方式装配的至少一排或一级叶片组成。已知的是，叶片是中空的，从而这些叶片的空腔使得可以形成内部冷却回路，该内部冷却回路使得可以将源自压缩机的压缩空气送至固定叶片。这些叶片中的每一个都包括空气动力学轮廓，该空气动力学轮廓具有经受流动压力的一侧和通过后缘连接的吸力侧。

文献US-A-5 491 970描述了能够减少氮氧化物或一氧化碳排放的燃烧室，该燃烧室包括用于燃油/空气混合物、低负荷燃烧模式(扩散模式)或全负荷燃烧模式(预混合模式)的注入器。

文献US-A-2018 187893也描述了一种燃烧室，其包括多个燃烧级，主燃烧区或主部分以及副燃烧区或副部分，副燃烧区或副部分沿燃烧气体的流动方向轴向地布置在主部分的下游。副部分包括用于空气/燃油混合物的附加入口。

文献US-A-2015 096306描述了燃气涡轮的压缩机部分和涡轮部分，包括成排的移动叶片，这些移动叶片装配在涡轮的转子上，间隔开并被装配在定子上的固定叶片分开，所有这些叶片都可以被冷却。

此外，使用诸如天然气等气体燃料的混合物，其中可以包括诸如氢气等反应性气体组分，这表现出许多优点，特别是更浓的混合物和二氧化碳排放的减少。例如，燃料与30％氢气的混合物使得可以减少10％的二氧化碳排放。

特别地，在错误启动(false start)之后使用可能包含一定百分比(可高至100％)的氢气或者包含反应性气体组分(诸如氢气)的燃料或燃料混合物进行的涡轮启动期间，有必要对燃料供给管以及在涡轮部分的腔体中进行吹扫操作，以便驱除未烧尽的燃料。这是因为燃料中的氢组分可形成空气/燃料混合物，该空气/燃料混合物可具有比天然气低的最小点火能量并且可以容易地点燃。

因此，在错误启动的情况下，穿过燃烧***并位于燃烧***下游的滞留的空气/燃料混合物表现出高的积聚和***风险，并且爆燃(deflagration)可损坏位于膨胀区下游的设备的零件，诸如排气管，实际上在联合循环的情况下甚至可损坏回收锅炉。

特别地，当氢气处于环境压力和环境温度时，其在空气中的点火范围在4％和75％之间，并且其最小点火能量作为氢和氧的浓度以及混合物的化学计量(针对每个氢分子有半个氧分子)的函数而变化。另一方面，氢自燃的自燃温度约为585℃/858K，因而高于大多数其它可燃气体的自燃温度。

反应性气体云的点燃可产生能量的突然释放，导致火焰前缘和***波的传播。氢气在空气中***的理论条件将基本上取决于其在燃料中的浓度，例如4％至8％的浓度，而从8％起将实现爆燃，并且在一些情况下，从11％起可发生爆轰(detonation)。

然而，氢组分的使用在对设备零件的适应性设计存在重要的挑战。当气体混合物由于其在空气中的高扩散能力而被限制在燃烧下游的涡轮的腔中时，尤其是当其被源自压缩部分的压缩空气推动时，情况尤其如此。

因此，在使用燃料混合物中的氢气来启动燃气涡轮的情况下，要考虑以下几点：

-限制在燃烧下游的气体体积中，特别是在排气中累积的能量，

-改变混合物的低位发热值(LHV)和高位发热值(HHV)，

-摆脱可燃性范围，

-提高自燃温度，

-增强设备零件的抗***性。

为了降低与涡轮的腔中存在的***性气体的体积相关联的风险，已经提出了若干方法，即：

-在设计设备的零件时，考虑在可能的爆燃期间释放的能量，

-在燃烧的下游用空气或惰性气体或燃烧抑制气体稀释氢气，

-在起动期间燃料量的减少，

-以一定的速率点燃火焰，该速率使得能够通过增加空气流和冲洗涡轮的腔来吹扫气体。

最简单和最经济的方法在于用空气或惰性气体稀释氢气混合物，以便改变混合物的LHV和HHV。然而，这种解决方案需要用于将惰性气体注入到燃烧下游的热气体腔和通道中的手段。

发明内容

本发明的目的是使燃料的反应性混合物(例如包含氢组分)能够被稀释，以便改变混合物的LHV和HHV以及吹扫(清除)可能存在于燃气涡轮的热气回路中的反应性燃料(特别是在错误起动的情况下)，而无需形成用于额外的空气流或惰性气体流的通道。

为了这个目的，本发明提供了一种用于吹扫含氢反应性燃料的***，包括燃气涡轮，该燃气涡轮包括至少一个燃烧室、排气部分和热气回路，该燃烧室设置有燃料的至少一个注入器、该热气回路从燃烧室通过膨胀涡轮到达排气部分，值得注意的是，该***包括位于热气回路上的空气和/或惰性气体和/或燃烧抑制剂的至少一个注入点(point ofinjection)。

因此，所提供的解决方案使得可以在燃烧室的腔中以及在燃烧室的下游添加吹扫***，该吹扫***使用额外的空气流和/或惰性气体流和/或燃烧抑制剂流。特别地，本发明试图在最佳条件下产生空气和/或惰性气体和/或燃烧抑制剂的流，以便在混合物中最多提供反应性气体组分(例如氢气)的稀释。可以通过热气体回路上的注入点的分布和/或位置来提供这种稀释。

可以考虑用于注入空气和/或惰性气体和/或燃烧抑制剂的至少两个部分：在火焰的下游注入，以避免燃烧中断，以及在膨胀涡轮的出口处的排气部分的入口处注入。优选地，为了提高稀释的有效性，所述两个注入应该以逆流的方式进行(carried out inreversed flows)。

因此，在一个具体实施例中，至少一个注入点位于燃料的至少一个注入器的下游，优选地在火焰区的下游注入。

在该具体实施例中，至少一个注入点可以位于排气部分的入口处。

在另一具体实施例中，膨胀涡轮还包括具有固定叶片的冷却回路，该冷却回路位于热气回路上，至少一个注入点位于该冷却回路上。

在另一具体实施例中，吹扫***还包括分配环，该分配环在排气部分的下游设置在排气装置内，至少一个注入点位于该分配环上。

在所有这些具体实施例中，吹扫***的至少一个注入点可以连接到外部供给源。

吹扫***所用的惰性气体可以是氮气或二氧化碳或蒸汽。

该吹扫***所使用的燃烧抑制气体可以是溴甲烷、四氯甲烷或卤素烃，甚至可以是氢氟烃。

在另一个实施例中，所述至少一个注入点可以包含以下物质的混合物：空气、惰性气体、燃烧抑制气体。

用空气或诸如二氧化碳、氮气或蒸汽等惰性气体来稀释可燃混合物可以改变或降低***下限(LEL)，以使所用的惰性气体的体积最小化并提高该方法的经济性。

另一方面，如果希望处理爆轰问题(因为可能具有不均匀稀释的累积的风险)，则优选组合使用空气和惰性气体，以便使用惰性气体来抑制可燃混合物的爆轰性质，而使用燃烧抑制剂可以使可能的爆燃爆轰传播停止。

该***可包括位于热气回路上的不同位置处的若干注入点。

附图说明

通过阅读以下参照附图对以非限制性示例方式给出的具体实施例的详细描述，本发明的其他方面和优点将变得显而易见，在附图中：

图1是表示在根据本发明的吹扫***的以氮气为所添加的惰性气体的具体实施例中，针对空气和氢气的可燃混合物的作为惰性气体添加百分比的函数的爆轰和可燃性曲线的曲线图。

图2是表示在根据本发明的吹扫***的以二氧化碳为所添加的惰性气体的具体实施例中，针对空气和氢气的可燃混合物的作为惰性气体添加百分比的函数的爆轰和可燃性曲线的曲线图。

图3是传统燃气涡轮的纵向截面的示意图，示出了传统燃气涡轮的主要部件以及热气回路。

图4是膨胀涡轮中的热气通道的细节的示意图。

图5是示出本发明的第一实施例的示意图。

图6是示出本发明的第二实施例的示意图。

图7是示出本发明的第三实施例的示意图。

具体实施方式

在图1的曲线图中，横坐标轴是在空气和氢气的可燃混合物中添加的氮气的体积百分比，而其中氢气的体积百分比在纵坐标轴上示出。

实曲线表示可燃区的极限，并且虚曲线表示爆轰区的极限。

在点D处，可燃混合物包括30体积％的氢气和70体积％的空气。可以看出，在点C处，如果通过加入58体积％的氮气将氢气浓度降低到13体积％，则可以从爆轰区离开，在这种情况下混合物包含29体积％的空气。

在图2的曲线图中，横坐标轴是在空气和氢气的可燃混合物中添加的二氧化碳的体积百分比，其中氢气的体积百分比在纵坐标轴上示出。

实线曲线代表可燃区的极限，并且虚线曲线代表爆轰区的极限。

在点D处，可燃混合物包括30体积％的氢气和70体积％的空气。在点C处可以看出，如果通过加入30体积％的二氧化碳将氢气浓度降低到13体积％，则可以从爆轰区离开，在这种情况下混合物包含57体积％的空气。

图3示意性地示出了传统燃气涡轮10的纵向截面图。燃气涡轮10的主要部件如下：压缩部分12，其包括压缩机16、空气入口14和压缩空气出口38；燃烧***18的一部分，被称为热气体的燃烧气体流40从该部分逸出；膨胀部分或涡轮22，其包括固定叶片和移动叶片，移动叶片装配在具有旋转轴线28的转子26上，转子26将压缩部分12、膨胀涡轮22以及一个或多个燃烧室20连接起来，热气体流40穿过膨胀涡轮24的各级(在膨胀部分22中)到达排气部分30的入口。

图4示出了热气体40所穿过的膨胀涡轮24的上部的细节。各级叶片32A、32B和32C固定到定子，而移动叶片34A、34B和34C固定到图3所示的转子26。这样，在图3所示的排气部分30的上游形成了用于从图3所示的燃烧室20离开的热气体的通道和腔。

图5示出了本发明的第一实施例，其中吹扫***包括空气和/或惰性气体和/或燃烧抑制剂注入燃烧***的注入点“A和A’”，注入点优选地在燃烧室中的火焰区或燃烧区的下游。

考虑含有预定量的氢气的燃料。

根据本发明的吹扫***包括以上参照图3所描述的燃气涡轮10类型的燃气涡轮。特别地，燃气涡轮10包括至少一个燃烧室20，燃烧室20设有至少一个上述燃料的注入器52。燃气涡轮10还包括排气部分30(见图3)和从燃烧室20通向排气部分30的热气回路40。

图5所示的燃烧室20通常一方面在入口处受到盖51的限制，在盖51处设有用于燃料注入器52的入口连接件，另一方面在出口处受到朝向膨胀涡轮24的级(图5中未示出，但在图3中可见)伸出的过渡件53的限制。

在燃烧室20内，衬套56使得源自压缩机16(图3所示)的压缩空气57能够流到燃料注入器52的入口。在燃烧室20内，可以在操作中形成燃烧区54和混合区(dilution zone)55。

在该第一实施例中，附图标记A和A’表示空气和/或惰性气体和/或燃烧抑制剂的至少一个注入点。该注入点在热气回路上，且紧接在(在启动点火的情况下)火焰预计所处的区域的下游。因此，注入点A和A’位于燃料注入器52的下游。

在图5的具体实施例中，注入点A和A’位于燃烧区54。因此，当燃气涡轮配备有控制器(未示出)时，控制器使得能够打开阀以控制反应性气体流，从而能够启动燃烧***。在该启动的同时，控制器还使吹扫***在该启动的同时或之前起作用，以注入空气和/或惰性气体，从而产生与燃烧室20中和涡轮的热气回路中的氢基燃料混合的流F。

图6示出了本发明的第二实施例，其中燃气涡轮包括具有固定叶片的冷却回路。在该第二实施例中，空气和/或惰性气体的注入可以通过冷却回路进行。为此，使冷却回路50上有至少一个空气和/或惰性气体的注入点可用就足够了。

冷却回路50包括多个固定叶片，包括在图6中以附图标记S1N和S2N表示的那些叶片。这些叶片在热气体通道和腔40处固定到定子。此外，待注入到冷却回路中的源可以是从压缩机16抽出的空气或者是空气和/或惰性气体和/或燃烧抑制剂的外部源60。

图7示出了本发明的第三实施例，其中燃气涡轮包括一个分配环75，该分配环75放置在紧接在膨胀涡轮24下游的排气部分74内。在该第三实施例中，空气和/或惰性气体和/或燃烧抑制剂的注入可以通过分配环75进行。为此，使分配环75上有至少一个注入点可用就足够了。此外，待注入到分配环75中的源可以是空气和/或惰性气体和/或燃烧抑制剂的外部源77。

在上述所有实施例中，作为非限制性示例，用于吹扫的惰性气体可以是氮气或二氧化碳或蒸汽。

当然，在所有上面描述的实施例中，选择注入的空气和/或惰性气体和/或燃烧抑制剂的体积和流量取决于燃料中的氢组分以及为错误起动而注入的燃料的体积，或者还取决于涡轮的热气回路中的体积。

此外，所述的三个实施例可以组合以便提供能够将空气和/或惰性气体与包括氢组分的燃料混合的有效的解决方案。

Claims

1.一种用于吹扫含氢燃料的吹扫***，包括燃气涡轮(10)，所述燃气涡轮(10)包括至少一个燃烧室(20)、排气部分(30)和热气回路(40)，所述燃烧室(20)设置有所述燃料的至少一个注入器(52)，所述热气回路(40)从所述燃烧室(20)通向所述排气部分(30)，其特征在于，所述吹扫***包括位于所述热气回路上的空气和/或惰性气体和/或燃烧抑制剂的至少一个注入点(A、A’)。

2.根据权利要求1所述的吹扫***，其特征在于，所述至少一个注入点(A、A’)位于所述燃料的所述至少一个注入器(52)的燃烧区的下游。

3.根据权利要求1所述的吹扫***，还包括具有固定叶片(S1N、S2N)的冷却回路，所述冷却回路位于所述热气回路(40)上，其特征在于，所述至少一个注入点(A、A’)位于所述冷却回路(50)上。

4.根据权利要求1所述的吹扫***，其特征在于，所述吹扫***还包括分配环(75)，所述分配环在所述排气部分(30)的下游设置在排气装置(74)内，所述至少一个注入点位于所述分配环(75)上。

5.根据权利要求3或4所述的吹扫***，其特征在于，所述至少一个注入点连接到外部供给源(60；77)。

6.根据前述权利要求中任一项所述的吹扫***，其特征在于，所述惰性气体是氮气。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的吹扫***，其特征在于，所述惰性气体是二氧化碳。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的吹扫***，其特征在于，所述惰性气体是蒸汽。