專利名稱：用于超低發熱燃料用燃燒器燃料回路的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明的領域一般地涉及超低發熱燃料的使用，并且更特別地，涉及用此類燃料 來生產能量的方法和裝置。
背景技術：
超低發熱燃料，也就是具有約40兆焦/千克或更少的熱值的燃料，其可包括爐內 氣體、生物質汽化、或CH4含量少于10%、H2含量少于10%以及N2含量大于40%的燃料， 這些燃料典型地是“機會”燃料，它們可作為廢液或作為煉油廠或制造廠的副產品而得到。 這些燃料的示例是產生于鐵的熔煉的所謂的“高爐”氣體(Bre)和“煉焦爐”氣體(COG)。 即使此類燃料基本上是“免費的”，但存在將它們用在燃氣渦輪機中的壓縮費用。超低發熱 燃料在燃氣渦輪機中的燃燒一般呈現出顯著的設計挑戰，已知對于特定的能量輸入和燃料 的低反應性需要大體積的燃料流。為容納這些燃料，至少一些已知的燃燒系統包括足夠大 的燃料噴射器來通過所需的現場特定燃料體積，使得空氣和燃料速度對于火焰穩定性足夠 低。此外，一些已知的燃燒系統依賴于與更具反應性的燃料混合的燃料，這使氣體的燃燒能 夠在現有的低到中發熱燃料燃燒器中進行。因此，期望的是提供一種燃燒器或燃燒系統，其能夠按需要利用超低發熱燃料和 更高能量的燃料，而不必依賴于被設計以通過對每種類型的燃料所需的整個燃料體積的噴 射器，以及提供一種不依賴于燃料混合來燃燒超低發熱燃料的燃燒系統。
發明內容
一方面，本公開內容的一些實施例提供一種用于控制燃氣渦輪機燃燒系統的方 法。該方法包括通過第一燃料回路將超低發熱燃料供應至燃燒系統的燃燒器，按需要控制 通過第二燃料回路的超低發熱燃料的供應來控制通過燃燒器的超低發熱燃料的體積流量， 并在燃燒器中燃燒超低發熱燃料。另一方面，本公開內容的一些實施例提供一種擴散燃燒系統。該擴散燃燒系統包 括具有一個或多個燃料進口的燃燒器、端蓋、燃燒外殼和燃燒襯里。燃燒器構造為接收通過 第一燃料回路的超低發熱燃料，按需要控制通過第二燃料回路的超低發熱燃料的供應來控 制通過燃燒器的超低發熱燃料的體積流量，并在燃燒器中燃燒超低發熱燃料。
圖1是示例性燃燒器的橫截面視圖。圖2是可用于控制圖1的燃燒器的示例性控制回路的原理框架圖。部件列表100 IGCC 燃燒系統102 燃燒器(MNQC)104 第一燃料回路或燃料進口
106稀釋劑進口108端蓋110燃燒外殼112燃燒襯里114流套筒116過渡件118燃料噴嘴122四元栓(Quat Peg)124四元歧管126第二燃料回路202閥204燃料流206計算機或電子裝置
具體實施例方式本公開內容的實施例調節(leverage) —種四元燃料系統架構來促進增加對設計 師可用的物理燃料通流面積(flow area)。例如，此架構使得能夠將低到中發熱燃料燃燒器 用于寬范圍的超低發熱燃料，而無需通過調節燃燒器外殼燃料回路來對主燃料噴嘴進行現 場特定的大小調整。該四元燃料系統架構允許使用這些燃料而無燃料混合且無需對現場特 定地調整大小的主燃燒噴嘴進行確認。由該四元系統提供的額外的燃料通流面積和適應性 使得能夠以正確的壓力比引入燃料，而不管變化的熱值如何。因此，不僅燃料壓縮的額外費 用被減少，而且也促進降低從主燃料噴嘴的注射速度。通過主燃料噴嘴的速度的降低有助 于對擴散火焰的穩定性產生影響，擴散火焰的穩定性是這些系統的特征。此外，通過將燃料 的一部分和主燃料噴嘴上游的空氣預混合，還有助于減小火焰的長度，從而有效地產生對 于燃燒過程更長的駐留時間。更具體而言，并且參考附圖1，在該示例性實施例中，整體煤氣化聯合循環(IGCC) 燃燒系統包括具有一個或多個燃料進口 104的多噴嘴安靜燃燒器(MNQC) 102、天然氣和/ 或稀釋劑進口 106、端蓋108、燃燒器外殼110和燃燒器襯里112。MNQC 102還包括流套筒 114，過渡件116，以及一級噴嘴。在不同的實施例中，多個四元栓122與在端蓋108附近提供的四元歧管124成流體連通聯接。用語“四元”已被用于與GE Power System的DLN-2燃燒裝置結合使用來表 示預混合的歧管和栓，通過該歧管和栓，燃料或燃料混合物可被注入以促進消除動態變化 (dynamics)。在本公開內容中，用語“四元”用于指示能促進增加對設計師可用的物理燃料 通流面積的架構，因此使得低到中發熱燃料燃燒器無需現場特定地調整主燃料噴嘴的大小 就能以廣范圍的超低發熱燃料來運行。更具體地說，包括四元栓122和位于噴嘴118上流 的四元歧管124的額外燃料回路被提供用于將燃料引向燃燒器102。在一些實施例中，十五 或十六個四元栓122周向地圍繞燃燒器外殼110隔開。備選地，在其它實施例中可包括多 于或少于十五個栓122。在該示例性實施例中，四元栓122是四元歧管124的注入系統的一 部分，盡管在其它的實施例中，可使用不同于栓122的噴射器，只要噴射器構造為將燃料引入到燃燒系統的流徑中。通過四元栓122或其它噴射器的燃料注入依賴于壓力比時間表，使得當正常燃料 回路中的有效區對正在使用的燃料不充分時，控制系統(未在圖1中顯示)將引導額外的 燃料流通過額外的燃料回路。對于到渦輪機的指定的能量輸入對于超低發熱燃料而言需要 非常大體積的燃料流，這是為什么需要額外的燃料回路來提供額外的燃料噴嘴區的原因。 因此，本公開內容的不同實施例使用可用于其它類型的燃燒系統上的燃料回路來進行動態 變化控制，并且使其可作為額外的燃料回路用在擴散燃燒系統中，以提供額外的燃料通流 面積。現參考附圖2，本公開內容的一些實施例包括控制燃料流204的閥202。閥202由 適當的電子裝置206控制，例如，該裝置可以是計算機、處理器或控制器。(為方便起見，“電 子裝置206”在下文將不失一般性地稱為“計算機206” )更具體地說，MNQC燃料流204被 控制到目標燃氣渦輪機的輸出，使得計算機206起到反饋控制器的作用，也就是說，燃料流 204以壓力極限為條件而調整以控制燃氣渦輪機的輸出。總而言之，本公開內容的一些實施例提供了一種用于控制IGCC燃燒系統100的方 法。該方法包括通過第一燃料回路104將超低發熱燃料供至燃燒系統100的燃燒器102，按 需要控制通過第二燃料回路126的超低發熱燃料的供應，以控制通過燃燒器102的超低發 熱燃料的體積流量，并在燃燒器102中燃燒超低發熱燃料。在一些實施例中，控制通過第二燃料回路126的超低發熱燃料的供給包括通過多 個四元栓122或其它噴射器注入燃料，以將燃料流引入燃燒器102的流徑。同樣在一些實 施例中，控制通過第二 燃料回路126的超低發熱燃料的供應包括控制進入與四元栓122成 流體流通聯接的歧管124的燃料流。控制進入歧管124的燃料流還可包括控制進入與四元 栓122成流體流通聯接的歧管124的燃料流。控制進入與四元栓122成流體流通聯接的歧 管124的燃料流還可包括控制進入與周向地圍繞燃燒器102的燃燒器外殼110隔開的四元 栓122成流體流通聯接的歧管124的燃料流。在一些實施例中，歧管124和四元栓122還 可緊鄰端蓋108定位。同樣，在一些實施例中，按需要控制超低發熱燃料第二燃料回路126 的供給來控制通過燃燒器102的超低發熱燃料的體積流量，還包括利用計算機206來調整 通過第二燃料回路126的燃料流，來以壓力極限為條件控制燃氣渦輪機的輸出或速度。另一方面，本公開內容的一些實施例提供一種擴散燃燒系統100。該擴散燃燒系統 包括燃燒器102，該燃燒器102包括一個或多個燃料進口 104、端蓋108、燃燒器外殼110和 燃燒器襯里112。燃燒器102可用通過第一燃燒回路104的超低發熱燃料操作，并按需要控 制通過第二燃料回路126的超低發熱燃料的供應，以控制通過燃燒器102的超低發熱燃料 的體積流量，并在燃燒器102中燃燒超低發熱燃料。在其中一些系統實施例中，為控制通過第二燃料回路126的超低發熱燃料的供 應，燃燒器102通過四元栓122注入燃料來將燃料流引入燃燒器102的流徑。同樣，為控制 通過第二燃料回路126的超低發熱燃料的供應，燃燒器102控制進入與四元栓122成流體 流通聯接的歧管124的燃料流。在又另一個實施例中，為控制進入與四元栓122成流體流 通聯接的歧管124的燃料流，燃燒器102控制進入與四元栓122成流體流通聯接的歧管124 的燃料流。在一些實施例中，多個四元栓122周向地圍繞燃燒器102的燃燒器外殼110隔 開。同樣，一些實施例還包括計算機206，該計算機206以壓力極限為條件調整通過第二燃料回路126的燃料流以控制燃氣渦輪機的輸出或速度。 此書面描述使用示例來公開本發明，包括最佳模式，并且還使得任何本領域中的技術人員能夠實踐本發明，包括制造和使用任何裝置或系統，以及執行任何結合的方法。本 發明可授予專利權的范圍由權利要求限定，并可包括由那些本領域中的技術人員想到的其 它示例。如果此類其它示例具有并非不同于權利要求字面語言的結構性要件，或如果它們 包含與權利要求的字面語言沒有實質性區別的等價結構性要件，則此類其它示例意在屬于 權利要求的范圍內。
權利要求
一種擴散燃燒系統(100)，包括燃燒器(102)，其包括至少一個燃料進口、端蓋(108)、燃燒器外殼(110)和燃燒器襯里(112)，所述燃燒器構造為接收通過第一燃料回路(104)供應的超低發熱燃料；按需要控制通過第二燃料回路(126)的超低發熱燃料的供應，以控制通過所述燃燒器的所述超低發熱燃料的體積流量；并且在所述燃燒器中燃燒所述超低發熱燃料。
2.根據權利要求1所述的系統(100)，其特征在于，為控制通過第二燃料回路(126)的 所述超低發熱燃料的供應，所述燃燒器(102)構造為通過燃料噴射器(126)注射燃料，以將 燃料流引入所述燃燒系統中的流徑。
3.根據權利要求2所述的系統(100)，其特征在于，為控制通過第二燃料回路(126)的 所述超低發熱燃料的供應，所述燃燒器(102)構造為控制進入與所述燃料噴射器(126)成 流體流通聯接的歧管(124)的燃料流。
4.根據權利要求3所述的系統(100)，其特征在于，為控制進入與所述燃料噴射器 (126)成流體流通聯接的歧管(124)的燃料流，所述燃燒器(102)構造為控制進入與多個四 元栓(122)成流體流通聯接的歧管的燃料流。
5.根據權利要求4所述的系統(100)，其特征在于，所述多個四元栓(122)周向地圍繞 所述燃燒器外殼(110)隔開。
6.根據權利要求1所述的系統(100)，其特征在于，所述系統還包括計算機，所述計算 機配置為調整通過所述第二燃料回路(126)的燃料流，從而以壓力極限為條件控制燃氣渦 輪機的輸出或速度。
7.根據權利要求6所述的系統(100)，其特征在于，為控制通過第二燃料回路(126)的 所述超低發熱燃料的供應，所述燃燒器(102)構造為通過構造為將燃料流引入所述燃燒系 統的流徑的多個燃料噴射器(126)而注入燃料。
8.根據權利要求7所述的系統(100)，其特征在于，為控制通過第二燃料回路(126)的 所述超低發熱燃料的供應，所述燃燒器(102)構造為控制進入與所述燃料噴射器(126)成 流體流通聯接的歧管(124)的燃料流。
9.根據權利要求8所述的系統(100)，其特征在于，所述燃料噴射器(126)包括多個四 元栓(122)。
10.根據權利要求9所述的系統(100)，其特征在于，所述四元栓(122)周向地圍繞所 述燃燒器(102)的燃燒器外殼(110)隔開。
全文摘要
本發明涉及用于超低發熱燃料用燃燒器燃料回路的方法和裝置，具體而言，提供一種包括燃燒器(102)的擴散燃燒系統(100)。該燃燒器包括至少一個燃料進口、端蓋(108)、燃燒器外殼(110)和燃燒器襯里(112)。燃燒器構造為接收通過第一燃燒回路(104)供應的超低發熱燃料，按需要控制通過第二燃燒回路(126)的超低發熱燃料的供應，以控制通過燃燒器的超低發熱燃料的體積流量，并在燃燒器中燃燒該超低發熱燃料。
文檔編號F02C9/40GK101936224SQ20101022691
公開日2011年1月5日 申請日期2010年6月30日 優先權日2009年6月30日
發明者L·B·小戴維斯, W·S·齊明斯基 申請人:通用電氣公司