CN116379473A - 燃烧器组件、燃气涡轮组件和用于操作燃烧器组件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃烧器组件、燃气涡轮组件和用于操作燃烧器组件的方法。一种用于燃气涡轮组件(1)的燃烧器组件(3)，包括：至少一个燃烧器单元(10)，其设有预混合燃烧器(15)；水/蒸汽喷射组件(48)，其包括水/蒸汽源(49)和水/蒸汽回路(50)，水/蒸汽回路(50)构造成将水/蒸汽供应至燃烧器组件(3)的至少一个燃烧器单元(10)；对于每个燃烧器单元(10)而言，水/蒸汽回路(50)包括至少一个喷射布局(53)，其布置在燃烧器单元(10)的至少一个空气通道(42；44；31)中。

Description

燃烧器组件、燃气涡轮组件和用于操作燃烧器组件的方法

相关申请的交叉引用

本专利申请要求享有提交于2021年12月30日的欧洲专利申请No.21218413.9的优先权，该欧洲专利申请的全部公开通过引用并入本文中。

技术领域

本发明涉及一种用于燃气涡轮组件的燃烧器组件，并且涉及一种燃气涡轮组件，特别是发电厂的燃气涡轮组件。

本发明进一步涉及一种用于操作燃烧器组件的方法。

背景技术

如已知的，用于发电厂的燃气涡轮组件包括压缩机、燃烧器单元以及涡轮。

特别地，压缩机包括被供应以空气的入口，以及压缩经过的空气的多个叶片。离开压缩机的压缩空气流动到仓室(即，封闭的容积)中，并且从那里流动到燃烧器单元中，在燃烧器单元中，压缩空气与至少一种燃料混合并燃烧。所得的热气体离开燃烧器单元，并且在涡轮中膨胀，从而产生机械功。

传统上，供应至燃气涡轮组件的燃烧器单元的燃料为天然气或石油。

市场需要燃气涡轮组件在未来利用不同于天然气或石油的燃料操作；特别地，燃气涡轮组件应当能够利用氢(纯氢)或包含氢的混合物正确地操作。混合物中的氢量可为小的或大的，例如，混合物可包含大约10％或30％或50％或70％或80％或90％或95％或更多的氢，并且其余可为天然气。

由于氢燃料的较高反应性，利用增加比例的氢燃料操作的燃烧器单元带来针对火焰逆燃和燃料喷射器过热的风险。

此外，较高的氢反应性增加NOx排放。

为了减少NOx排放并且为了增加操作灵活性，已开发包括执行顺序燃烧循环的燃烧器单元的燃气涡轮组件。

大体上，顺序燃烧器单元包括串联的两个燃烧器，其中每个燃烧器设有相应的喷燃器和燃烧室。遵循主气体流方向，上游燃烧器被称为“预混合”燃烧器，并且由压缩空气供给。下游燃烧器被称为“顺序”或“再热”燃烧器，并且由离开第一燃烧室的热气体供给。

根据第一已知的构造，两个燃烧器由高压涡轮在物理上分离。遵循主气体流，该第一构造包括压缩机、预混合燃烧器、高压涡轮、再热燃烧器以及低压涡轮。

根据第二已知的构造，预混合燃烧器和再热燃烧器直接一个在另一个下游地布置在公共壳(特别是筒形壳)内部，并且不使用高压涡轮。根据这种顺序燃气涡轮组件，提供多个筒形燃烧器，它们围绕涡轮轴线分布。

每个再热燃烧器优选地设有再热喷燃器和再热燃烧室，来自预混合物的热流排出到该再热燃烧室中。过渡管道布置在再热燃烧室的下游，并且将离开再热燃烧器的热气体朝向涡轮导引。

再热喷燃器可包括多个相同的喷射单元，它们绕着再热燃烧室沿周向布置，并且设计成将燃料均一地喷射到再热燃烧室中。

然而，在具有包括预混合燃烧或至少部分预混合燃烧的顺序燃烧循环的燃烧器单元中，与增加比例的氢燃料相关联的操作问题变得特别严重。

与天然气或石油相比，一旦氢或包含氢的混合物已被供应到燃烧器单元中，高得多的反应性就使所述氢或包含氢的混合物更快地燃烧；结果是，由氢或包含氢的混合物生成的火焰比由天然气或石油生成的火焰锚定得更靠上游。因此，在燃烧期间生成的热气体在燃烧器中具有较长的火焰后驻留时间，并且NOx具有更多时间来生成。

发明内容

因此，本发明的主要目的在于提供一种具有顺序燃烧循环的燃烧器单元，其中可使用氢燃料，而不影响燃烧器单元的可靠性，并且保证在法律限制之下的NOx排放。

根据本发明，通过一种用于燃气涡轮组件的燃烧器组件来实现该目的，该燃烧器组件包括：

·至少一个燃烧器单元，其设有沿着气体流方向串联地布置的预混合燃烧器和再热燃烧器；

·水/蒸汽喷射组件，其包括水/蒸汽源和水/蒸汽回路，该水/蒸汽回路构造成将水/蒸汽供应至燃烧器组件的至少一个燃烧器单元；对于每个燃烧器单元而言，水/蒸汽回路包括至少一个喷射布局，其布置在燃烧器单元的至少一个空气通道中。

本发明的另一目的还在于提供一种燃气涡轮组件，其中可使用氢燃料，从而保证燃气涡轮组件的可靠性，并且同时不影响NOx排放。

根据这些目的，本发明涉及一种如权利要求14中所要求保护的燃气涡轮组件。

本发明的另一目的还在于提供一种用于操作燃烧器单元的方法，该方法允许以可靠且成本有效的方式使用氢燃料，并且同时不影响NOx排放。

根据这些目的，本发明涉及一种如权利要求15中所要求保护的用于操作燃烧器单元的方法。

附图说明

为了更好地理解本发明及其优点，下面结合附图描述本发明的示例性实施例，在附图中：

-图1为根据本发明的设有燃烧器单元的燃气涡轮组件的示意性视图，其中为了清楚起见而移除部分；

-图2为根据本发明的燃烧器单元的示意性侧向截面视图，其中为了清楚起见而移除部分；

-图3为图2的燃烧器单元的细节的示意性透视图；

-图4为根据第一变体的图3的细节的示意性透视图；

-图5为根据第二变体的图3的细节的示意性透视图。

具体实施方式

图1为根据本发明的用于发电厂的燃气涡轮组件1的示意性视图。

燃气涡轮组件1包括压缩机2、燃烧器组件3以及涡轮4。压缩机2和涡轮4具有公共轴线A，并且形成能够绕着轴线A旋转的转子5的相应区段。

如已知的，周围空气6进入压缩机2中并被压缩。压缩空气7离开压缩机2并进入仓室8(即，由主壳9限定的容积)。压缩空气7从仓室8进入燃烧器组件3，燃烧器组件3包括多个燃烧器单元10，它们围绕轴线A环形地布置。燃烧器单元10通常限定为“筒形燃烧器”。在燃烧器单元10中，至少一种燃料被喷射，并且空气/燃料混合物被点燃，从而产生输送至涡轮4的热气体11。

如图2中更好地示出的，每个燃烧器单元10容纳在主壳9的相应的入口孔中，并且具有轴线B。

燃烧器单元10包括沿着气体流M串联的第一或预混合燃烧器15、混合器17、第二或再热燃烧器16以及过渡管道19，过渡管道19将离开再热燃烧器16的热气体朝向涡轮4(在图2中未示出)导引。

根据未示出的变体，燃烧器单元10不包括预混合燃烧器15与再热燃烧器16之间的混合器。

根据未示出的变体，燃烧器单元10不包括预混合燃烧器15与再热燃烧器16之间的混合器，并且包括布置在预混合燃烧器15与再热燃烧器16之间的高压涡轮。

根据未示出的变体，燃烧器单元10可包括单级燃烧器。换句话说，不存在再热燃烧器。

特别地，预混合燃烧器15包括至少一个预混合喷燃器20和第一燃烧室22。

在此处公开和图示的非限制性示例中，预混合燃烧器15包括多个预混合喷燃器20(在图2中仅两个可见)。

再热燃烧器16包括再热燃烧室23和至少一个再热喷燃器24。

在此处公开和图示的非限制性示例中，再热燃烧器16包括一个再热喷燃器24。根据未示出的变体，再热燃烧器16包括多个再热喷燃器。

混合器17包括混合室25。

过渡管道19包括过渡室26。

在使用中，热气体从第一燃烧室22流动到混合室25中，然后流动到再热燃烧室23和过渡室26中。

第一燃烧室22由双壁预混合衬套27限定，其中形成冷却空隙28。

混合室25由双壁混合衬套30限定，其中形成冷却空隙31。

再热燃烧室23由双壁再热衬套32限定，其中形成冷却空隙33。

过渡室26由双壁过渡衬套35限定，其中形成冷却空隙36。

在此处公开和图示的非限制性示例中，双壁混合衬套30和双壁再热衬套32连接成以便冷却空隙31和冷却空隙33产生公共空隙。

第一燃烧器15和混合器17布置在外壳39中，外壳39包括管状部分40和罩41。

管状部分40包绕双壁预混合衬套27和双壁混合衬套30，从而留有限定环形室42的间隙。

罩41固定在管状部分40的一个端部处，以将其封闭。罩41基本上容纳第一燃烧器15的两个预混合喷燃器20。

罩41包括罩环形室44，其与管状部分40的环形室42流体连通。在此处公开和图示的非限制性示例中，罩环形室44直接地连接到环形室42。

优选地，环形室42与双壁预混合衬套27的冷却空隙28流体连通。

仓室8中的空气通过相应的开口供给至环形室42，至双壁过渡衬套35的冷却空隙36和双壁再热衬套32的冷却空隙33(见图2中指示空气流的箭头)。

在环形室42中流动的空气到达罩环形室44和双壁预混合衬套27的冷却空隙28。

在双壁再热衬套32的冷却空隙33中流动的空气到达双壁再热衬套32的冷却空隙31。

来自仓室8的空气通过面对环形室42的孔45供应至第一燃烧室22。

来自仓室8的空气通过罩环形室44供应至预混合燃烧器15的预混合喷燃器20。

来自仓室8的空气通过面对双壁混合衬套30的冷却空隙31的孔46供应至混合室25。

燃烧器组件3还包括水/蒸汽喷射组件48，其包括水/蒸汽源49和水/蒸汽回路50，水/蒸汽回路50构造成将水蒸汽供应至燃烧器组件3的燃烧器单元10。

表述“水/蒸汽”在下文中应当旨在作为水和/或蒸汽。换句话说，水/蒸汽喷射组件48可供应水或蒸汽或包括水和蒸汽的混合物。

对于每个燃烧器单元10而言，水/蒸汽回路50包括至少一个喷射布局53。

至少一个喷射布局53布置在燃烧器单元10的至少一个空气通道中，从而将空气供应至燃烧器单元10。优选地，水/蒸汽喷射在空气流中，所述空气流去往第一燃烧器15和/或混合器17(或者如果不存在混合器，则去往再热燃烧器16)。

特别地，喷射布局53可布置在环形室42中或罩环形室44中，以用于将蒸汽/水供应至第一燃烧器15，和/或布置在双壁混合衬套30的冷却空隙31中，以用于将蒸汽/水供应至再热燃烧器16。

根据变体，喷射布局53可布置在环形室42中和罩环形室44中。

在图2中，两个喷射布局53分别布置在罩环形室44中和冷却空隙31中。

优选地，喷射布局53沿着气体流方向D在孔46的上游布置在冷却空隙31中。

在环形室42中，喷射布局53用虚线表示，从而为任选的。

根据未示出的变体，水/蒸汽喷射组件48可包括仅一个或两个喷射布局53。

根据未示出的另一变体，水/蒸汽喷射组件48可包括至少一个另外的喷射布局53，其布置在燃烧器10的其它空气通道中，例如，在双壁再热衬套32的冷却空隙33中，在双壁预混合衬套27的冷却空隙28中，和/或在双壁过渡衬套35的冷却空隙36中。

参考图3，喷射布局53包括设有多个喷嘴56的环形歧管55。

优选地，喷嘴56沿着环形歧管55均匀地分布。

如果喷射布局53布置在环形室42中从而将空气供应至第一燃烧室22，则多个喷嘴56围绕第一燃烧室22分布。

如果喷射布局53布置在罩环形室44中，则多个喷嘴56围绕第一喷燃器20分布。

如果喷射布局53布置在双壁混合衬套30的冷却空隙31中，则多个喷嘴56围绕混合室25分布。来自仓室8的空气通过面对环形室42的孔45供应至第一燃烧室22。

来自仓室8的空气通过罩环形室44供应至预混合燃烧器15的预混合喷燃器20。

来自仓室8的空气通过面对双壁混合衬套30的冷却空隙31的孔46供应至混合室25。

在图4中，示出喷射布局53的变体。根据该变体，喷嘴56围绕混合室25不均匀地分布。

优选地，喷嘴56以喷嘴56的组57布置(在非限制性示例中，每个组57由三个喷嘴56组成)。组57优选地均匀地分布。换句话说，组57均等地隔开。

在图5中，示出喷射布局53的另外的变体。根据该变体，歧管55环形地布置，但是其不限定公共环形通道。歧管55包括两个分支58，它们为弯曲的并且沿着环形路径延伸。每个分支58设有多个喷嘴56。

以该方式，喷嘴56可集中在其中需要较大量的蒸汽/水的区中。

以该方式，水/蒸汽流分开在两个分支58中，并且通过喷嘴56喷射。

有利地，该构造可改进流分布和可制造性。此外，由于歧管55在两个分支58中的分离，热膨胀被更好地容许。

根据未示出的变体，喷嘴56可以以不同的方式取向和定位，以便区分空气通道中的蒸汽/水的喷射。例如，一些(或所有)喷嘴可朝向与气体流方向D相反的方向或朝向与气体流方向D一致的方向喷射蒸汽/水。

例如，呈相反流的喷射可帮助喷射的蒸汽/水的雾化和蒸发。

根据未示出的另一变体，喷嘴可朝向横向于气体流方向D的方向喷射蒸汽/水，以用于最佳的混合、分布、雾化，且最终地，用于以最佳的方式面对逆燃和NOx排放。

例如，喷嘴可布置成垂直于气体流方向D，或者可相对于气体流方向D适当地倾斜。

喷射布局53的其它变体涉及歧管的不同几何布局(取决于其中布置该布局的通道的形状)，或者涉及喷嘴56沿着歧管的不同分布，使得水/蒸汽局部地分布成在其中该水/蒸汽最有益地减轻逆燃和NOx形成的区域中与空气混合。例如，喷射布局53可包括具有不同形状的歧管，以使水/蒸汽在需要其的地方局部地分布。此外，取决于至喷燃器的燃料分布，水/蒸汽喷嘴的周向分布可变化，例如，歧管的一个扇区可不具有喷嘴。

根据未示出的另一变体，可提供歧管中的多于一个入口。

有利地，水/蒸汽喷射到预混合燃烧器15或再热燃烧器16的空气路径中增加空气和燃料混合物的惰性质量。惰性质量使峰值火焰温度下降。针对预混合燃烧器15或再热燃烧器16上的逆燃的主要驱动因素之一为峰值火焰温度。因此，水/蒸汽的喷射可用作逆燃减轻。

在顺序燃烧组件3中，水/蒸汽喷射可对预混合燃烧器15或再热燃烧器16更有益。因此，如上面描述的喷射布局53有利地布置在以便使水/蒸汽分布至预混合燃烧器15和/或再热燃烧器16的位置中。

有利地，上述喷射布局53可布置在特定的位置中，并且可构造成以便执行期望的喷射分布。以该方式，水/蒸汽喷射在其最佳地减轻火焰逆燃的风险的地方。

尽管已关于如上面提到的本发明的优选实施例来解释本发明，但是将理解的是，在不脱离所附权利要求书的范围的情况下，可作出许多其它可能的修改和变型。

Claims (15)

1.一种用于燃气涡轮组件(1)的燃烧器组件(3)，包括：

·至少一个燃烧器单元(10)，其设有预混合燃烧器(15)；

·水/蒸汽喷射组件(48)，其包括水/蒸汽源(49)和水/蒸汽回路(50)，所述水/蒸汽回路(50)构造成将水/蒸汽供应至所述燃烧器组件(3)的所述至少一个燃烧器单元(10)；对于每个燃烧器单元(10)而言，所述水/蒸汽回路(50)包括至少一个喷射布局(53)，其布置在所述燃烧器单元(10)的至少一个空气通道(42；44；31)中。

2.根据权利要求1所述的燃烧器组件，其中，所述至少一个燃烧器单元(10)设有再热燃烧器(16)，其沿着气体流方向(D)布置在所述预混合燃烧器(15)的下游。

3.根据权利要求1或2所述的燃烧器组件，其中，所述燃烧器单元(10)的所述至少一个空气通道(42；44)将空气供应至所述第一燃烧器(15)。

4.根据权利要求2或3所述的燃烧器组件，其中，所述燃烧器单元(10)的所述至少一个空气通道(31)将空气供应至所述再热燃烧器(16)。

5.根据权利要求2至4中的任一项所述的燃烧器组件，其中，所述燃烧器单元包括布置在所述第一燃烧器(15)与所述再热燃烧器(16)之间的混合器(17)；所述燃烧器单元(10)的所述至少一个空气通道(31)将空气供应至所述混合器(17)。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的燃烧器组件，其中，所述预混合燃烧器(15)包括至少一个预混合喷燃器(20)和第一燃烧室(22)；所述喷射布局(53)布置在空气室(42；44)中，从而将空气供应至所述至少一个预混合喷燃器(20)。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的燃烧器组件，所述燃烧器组件包括外壳(39)，其包括管状部分(40)和罩(41)；所述罩(41)固定在所述管状部分(40)的一个端部处，以将其封闭；所述管状部分(40)包绕限定所述第一燃烧室(22)的壁预混合衬套(27)，从而留有限定环形室(42)的间隙；其中所述罩(41)固定在所述管状部分(40)的一个端部处，以将其封闭，并且基本上容纳所述至少一个预混合喷燃器(20)；所述罩(41)包括与所述环形室(42)流体连通的罩环形室(44)。

8.根据权利要求7所述的燃烧器组件，其中，所述喷射布局(53)布置在所述环形室(42)中或所述罩环形室(44)中。

9.根据权利要求5至8中的任一项所述的燃烧器组件，其中，所述混合器(17)包括由双壁混合衬套(30)限定的混合室(25)，其中形成冷却空隙(31)；所述喷射布局(53)布置在所述冷却空隙(31)中。

10.根据权利要求9所述的燃烧器组件，其中，所述双壁混合衬套(30)包括连接所述冷却空隙(31)和所述混合室(25)的孔(46)；所述喷射布局(53)沿着所述气体流方向(D)在所述孔(46)的上游布置在所述冷却空隙(31)中。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的燃烧器组件，其中，所述喷射布局(53)包括设有多个喷嘴(56)的歧管(55)。

12.根据权利要求11所述的燃烧器组件，其中，所述歧管(55)包括两个分支(58)。

13.根据权利要求9至11中的任一项所述的燃烧器组件，其中，所述喷嘴(56)均匀地分布在所述歧管(55)上。

14.燃气涡轮组件，包括压缩机(2)、涡轮(4)以及根据前述权利要求中的任一项所述的燃烧器组件(3)。

15.用于操作用于燃气涡轮组件(1)的燃烧器组件(3)的方法；所述燃烧器组件(3)包括：

·至少一个燃烧器单元(10)，其设有沿着气体流方向(D)串联地布置的预混合燃烧器(15)和再热燃烧器(16)；

·水/蒸汽喷射组件(48)，其包括水/蒸汽源(49)和水/蒸汽回路(50)；

所述方法包括以下步骤：借助于所述水/蒸汽回路(50)的至少一个喷射布局(53)，在所述燃烧器单元(10)的至少一个空气通道(42；44；31)中供应水/蒸汽。

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