渦輪機和渦輪機的分級燃燒系統的制作方法

渦輪機和渦輪機的分級燃燒系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開一種渦輪機和渦輪機的分級燃燒系統。所述渦輪機包括：燃燒器，燃料可在所述燃燒器中燃燒產生工作流體；渦輪段，所述渦輪段接收所述工作流體用于發電操作；附加燃料可在其中燃燒的過渡連接件，所述過渡連接件設置用于將所述工作流體從所述燃燒器運輸到所述渦輪段；以及分級燃燒系統，所述分級燃燒系統連接到所述燃燒器和所述過渡連接件。所述分級燃燒系統配置用于以多個模式混合所述燃料和所述附加燃料的組分。
【專利說明】渦輪機和渦輪機的分級燃燒系統

【技術領域】
[0001] 本說明書公開的本實用新型涉及渦輪機和渦輪機的分級燃燒系統。

【背景技術】
[0002] 渦輪機可以包括燃燒器、渦輪段和過渡連接件。燃燒器是形成用于限定其中燃料 和空氣可燃以便產生工作流體的內部。渦輪段設置在燃燒器下游并且形成用于至少接收燃 燒器中所產生的工作流體用于發電操作。過渡連接件以流體方式介于燃燒器與渦輪段之 間。由此，將過渡連接件配置用于使工作流體從燃燒器20運輸到渦輪段。
[0003] 渦輪機所用燃料通常可能昂貴、無法充分揮發用于給定渦輪機操作或者針對給定 渦輪機操作過度揮發。然而，總體來說，渦輪機缺乏將會緩和這些問題的燃料靈活性。 實用新型內容
[0004] 根據本實用新型的一個方面，提供一種渦輪機，并且所述渦輪機包括：于其中燃料 可燃以便產生工作流體的燃燒器；渦輪段，所述渦輪段接收所述工作流體用于發電操作； 于其中附加燃料可燃的過渡連接件，所述過渡連接件是設置用于將所述工作流體從所述燃 燒器運輸到所述渦輪段；以及分級燃燒系統，所述分級燃燒系統連接到所述燃燒器和所述 過渡連接件。所述分級燃燒系統經配置用于在多個模式中使得所述燃料和所述附加燃料的 組分共混。
[0005] 根據本實用新型的另一方面，提供一種渦輪機分級燃燒系統。所述渦輪機包括：于 其中燃料可燃以產生工作流體的燃燒器；渦輪段，所述渦輪段接收所述工作流體用于發電 操作；以及于其中附加燃料可燃的過渡連接件。所述過渡連接件是設置用于將所述工作流 體從所述燃燒器運輸到所述渦輪段，并且包括可設置成將以多個模式共混的燃料輸送到所 述燃燒器的頭端的頭端噴射器、以及可設置成將以多個模式共混的附加燃料輸送到所述燃 燒器的下游段和所述過渡連接件的軸向分級噴射器。
[0006] 根據本實用新型的又一方面，提供一種渦輪機操作方法，并且所述方法包括：在燃 燒器中燃燒燃料以產生工作流體；從所述燃燒器運輸所述工作流體并使其通過過渡連接 件；在所述過渡連接件中燃燒附加燃料；以及在多個模式中使得所述燃料和所述附加燃料 的組分共混。
[0007] 結合附圖，通過以下描述將更清楚這些和其他優點及特征。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008] 本說明書所附權利要求書中具體指出并且明確主張作為本實用新型的主題。結合 附圖，通過以下詳細描述可以清楚本實用新型的上述和其他特征及優點，在附圖中：
[0009] 圖1是渦輪機的側視示意圖；
[0010] 圖2是過渡連接件和渦輪機的分級燃燒系統的部件的透視圖；
[0011] 圖3是圖1的渦輪機的燃料回路的示意圖解；
[0012] 圖4是圖1的渦輪機的另一燃料回路的示意圖解；
[0013] 圖5是根據各實施例示出燃料注射模式的流程圖；
[0014] 圖6是對Wobbie索引操作窗口中的改進的圖像描繪；以及 [0015] 圖7是對火焰保持能力中的改進的圖像描繪。
[0016] 詳細描述參照附圖借助實例說明本實用新型的實施例以及優點和特征。

【具體實施方式】
[0017] 根據各個方面，提供一種渦輪機和渦輪機的軸向分級燃燒系統。這將允許實現燃 料靈活性增加的渦輪機操作、帶有相對廣的Wobbie索引的渦輪機操作、經增加的回火界限 以及經增加的熱聲控制。
[0018] 參照圖1和2,提供一種渦輪機10。渦輪機包括燃燒器20、渦輪段30、過渡連接件 40和軸向分級燃燒系統50。燃燒器20包括內襯21和導流套筒22。內襯21形成用于限定 其中燃料和空氣可燃以產生工作流體的內部23。導流套筒22圍繞內襯21設置以便限定 第一氣流路徑24。渦輪段30是設置在燃燒器20的下游，并且形成用于至少接收燃燒器20 中所產生的工作流體用于發電操作。
[0019] 過渡連接件40以流體方式介于燃燒器20的下游段25與渦輪段30的前級31之 間。由此，將過渡連接件40配置用于使工作流體從燃燒器20運輸到渦輪段30。過渡連接 件40包括內襯41和沖擊套筒42。內襯41形成用于限定內部43,工作流體從燃燒器20通 過所述內部運輸到渦輪段30上。沖擊套筒42圍繞內襯41設置以便限定第二氣流路徑44， 所述第二氣流路徑可與第一氣流路徑24連通。
[0020] 如圖2所示，過渡連接件40包括：前端45,所述前端可連接到燃燒器20、并總體與 通過燃燒器20限定的流路的主導方向對準；后端46,所述后端可連接到渦輪段30、并總體 與通過渦輪段30的流路的主導方向對準；以及中間部分47。中間部分47從前端45延伸 到后端46。前端45在形狀上可為總體環狀，這個形狀與燃燒器20的下游段25的類似形狀 對應。后端46可以相對于渦輪機10的轉子在周向尺寸上為縱長狀。中間部分47形成用 于使前端45的環狀形狀逐漸變成后端46所具有的細長形狀（elongate shape)。另外，中 間部分47可以包括相對于轉子的徑向曲部，以使后端46設置在前端45的徑向外側。
[0021] 根據各實施例，通過燃燒器20的流路可以與通過渦輪段30的流路偏離。無論偏 離情況如何，過渡連接件40的曲形構型都會允許流體從燃燒器20流到渦輪段30。
[0022] 渦輪機10可以經配置用于在燃燒器20的下游段25和過渡連接件40中執行燃料 和/或空氣的軸向分級注射或晚貧注射（LLI)。在此類情況中，附加燃料可以由燃燒器20 的下游段25和過渡連接件40的內部43接收、并在其內燃燒。使用軸向分級注射或LLI技 術的結果在于，比起其他可能情況，可以實現燃料和附加燃料的更完全的燃燒。這可允許在 燃燒器20和過渡連接件40中使用高和/或低熱值的燃料，以便減少渦輪機10操作中的燃 料成本并且導致來自渦輪機10的污染物(例如，氮氧化物)排放整體減少，即使燃燒器20中 使用的是低熱值的燃料也是如此。
[0023] 軸向分級燃燒系統50可以連接到燃燒器20和過渡連接件40中的一者或兩者。軸 向分級燃燒系統50經配置用于在渦輪機10操作中的多個模式中將燃料和附加燃料兩者的 組分共混，從而使燃料和附加燃料可以有利地注射到燃燒器20和過渡連接件40。軸向分 級燃燒系統50包括頭端噴射器51和軸向分級噴射器52。頭端噴射器51可設置成將燃料 輸送到燃燒器20的頭端26,所述頭端限定在燃燒器20的下游段25的上游處。頭端26可 以包括端蓋260,通過各種配置即可將頭端噴射器51附接到所述端蓋。軸向分級噴射器52 可設置成將附加燃料輸送到燃燒器20的下游段25,并輸送到所述過渡連接件40上。
[0024] 可以將軸向分級噴射器52布置在至少第一級520和第二級521上，第二級是設置 在第一級520下游處。可以將三個或更多個軸向分級噴射器52設置在第一級520上，并且 可以使其圍繞燃燒器20的下游段25以實質均勻的周向分布進行布置。第一燃料歧管53 可以提供用于對第一級520的軸向分級噴射器52供應附加燃料。類似地。可以將三個或 更多個軸向分級噴射器52設置在第二級521上，并且可以使其圍繞過渡連接件40來以實 質均勻的周向分布進行布置。第二燃料歧管54可以提供用于對第二級521的軸向分級噴 射器52供應附加燃料。如圖2所示，第二燃料歧管54和第二級521的軸向分級噴射器52 可以設置在軸向位置處，正好位于過渡連接件40的徑向曲部開始位置前方。
[0025] 根據各實施例，第一和第二燃料歧管53和54可以彼此連接、并連接到燃料回路， 所述燃料回路將在下文進行描述并且也可連接到頭端噴射器51上。所述燃料回路可以配 置用于接取多種類型燃料并將各種類型燃料提供到頭端噴射器51和軸向分級噴射器52 上。由此，所述燃料回路可以經配置用于將燃料的共混物提供到頭端噴射器51上，并且將 附加燃料的各共混物提供到軸向分級噴射器上。根據各實施例，供應到第一級520的軸向 分級噴射器52上的各種附加燃料的共混物可以類似于、或不同于供應到第二級521的軸向 分級噴射器52上的各種附加燃料的共混物。
[0026] 根據渦輪機10操作所用多個模式中當前有效的一者，即可確定將燃料和附加 燃料的一個或多個對應共混物供應到頭端噴射器51還是軸向分級噴射器52上。可以 彼此互換采用渦輪機10操作所用多個模式中的每者，或者根據預定計劃（pre-defined schedules)和/或指定渦輪機10負載采用所述模式。渦輪機10在渦輪機10操作的多個 模式中操作的能力實現燃料靈活性、在相對廣的Wobbie索引下進行操作，并且使得回火接 線增加。
[0027] 根據各實施例，所述多個模式包括至少一至四種模式中的一或多者。在第一模式 中，所述頭端噴射器51將天然氣作為所述燃料輸送到所述燃燒器20的所述頭端26上，并 且所述軸向分級噴射器52將合成氣或低熱值的氣體作為所述附加燃料輸送到所述燃燒器 20的下游段25和所述過渡連接30上。在第二模式中，所述頭端噴射器51將天然氣和合成 氣作為所述燃料輸送到所述燃燒器20的所述頭端26上，并且所述軸向分級噴射器52將低 熱值的氣體作為所述附加燃料輸送到所述燃燒器20的下游段25和所述過渡連接件40上。 在第三模式中，所述頭端噴射器51將低熱值的氣體作為所述燃料輸送到所述燃燒器20的 所述頭端26上，并且所述軸向分級噴射器52將天然氣或低熱值的氣體作為所述附加燃料 輸送到所述燃燒器20的下游段25和所述過渡連接30上。在第四模式中，所述頭端噴射器 51將天然氣和低熱值的氣體的第一共混物(例如，約10%至50%天然氣的共混水平)作為所 述燃料輸送到所述燃燒器20的所述頭端26上，并且所述軸向分級噴射器52將天然氣或低 熱值的氣體的第二共混物(例如，約10%至50%天然氣的共混水平）作為所述附加燃料輸送 到所述燃燒器20的下游段25和所述過渡連接件40上。
[0028] 根據替代實施例并參照圖3至5,示出燃料回路和渦輪機10的另外操作模式。
[0029] 參照圖3,可以吹掃氣體燃料1，從而經由初級、次級或三級布置中的頭端噴射器 51提供用于燃燒和/或經由軸向分級噴射器52提供用于燃燒。氣體燃料1可以包括一個 或多種類型的高熱值的燃料，如天然氣或者甲烷。初級、次級以及三級布置是指頭端燃料噴 射器51的多組燃料噴嘴，所述多組燃料噴嘴同時激活、并且達到燃料噴嘴激活水平（S卩，中 間燃燒器可激活，外部環狀燃燒器可激活或中間燃燒器和外部環狀燃燒器都可激活)。
[0030] 參照圖4,可以吹掃氣體燃料2,從而經由初級A (primary A)或初級B布置中的 頭端噴射器51提供用于燃燒。氣體燃料2可以包括一個或多種類型的低熱值的燃料，如合 成氣。如上所述，初級A和初級B布置是指頭端燃料噴射器51的多組燃料噴嘴，所述多組 燃料噴嘴同時激活并且達到燃料噴嘴激活水平（即，中間燃燒器可激活，外部環狀燃燒器可 激活或中間燃燒器和外部環狀燃燒器都可激活)。
[0031] 參照圖5,渦輪機10可以在模式Ml、M3、M4、M6和M6. 4中操作。模式M2和M5未 示出但可了解作為中間模式，其中分別使得模式Ml與M3重合并且M4與M6重合。
[0032] 在其中可在高達約81%的渦輪機10速度下生效的Ml (S卩，第一或者啟動)模式中， 氣體燃料1經由次級布置中的頭端噴射器51來被提供用于燃燒(例如，在燃燒器20中燃 燒)。如圖5所示，次級布置包括激活中心燃料噴嘴中的中心燃燒器和頭端噴射器51的兩 個外部燃料噴嘴。
[0033] 在其中可在燃燒時的火焰溫度達到約2, 200 °F后生效的M3 (S卩，第二或者另外啟 動)模式中，氣體燃料1經由次級布置中的頭端噴射器51來被提供用于燃燒，并且氣體燃料 2經由初級A布置中的頭端噴射器51來被提供用于燃燒。如圖5所示，初級A布置包括激 活中心燃料噴嘴的外部環狀燃燒器、并且激活頭端噴射器51的剩余三個外部燃料噴嘴的 中心燃燒器和外部環狀燃燒器。
[0034] 在其中可在渦輪機10達到100%速度后生效的M4 (S卩，第三或者完全啟動）模式 中，氣體燃料1經由次級布置中的頭端噴射器51來被提供用于燃燒，并且氣體燃料2經由 初級A布置中和初級B布置中的頭端噴射器51來被提供用于燃燒。如圖5所示，初級B布 置包括激活頭端噴射器51的每個燃料噴嘴的中心燃燒器和外部環狀燃燒器。
[0035] 在M6 (S卩，第四或者基載)模式中，氣體燃料1和2經由三級、初級A和初級B布置 中的頭端噴射器51被提供用于燃燒，而氣體燃料1是進一步地提供到軸向分級噴射器52。 如圖5所示，三級、初級A和初級B布置是包括激活頭端噴射器51的每個燃料噴嘴的外部 環狀燃燒器。
[0036] 在M6. 4 (S卩，第五或過度燃燒）模式中，氣體燃料1和2經由初級、次級、三級 (tertiary)、初級A和初級B布置中的頭端噴射器51被提供用于燃燒，而氣體燃料1是進 一步地被提供到軸向分級噴射器52。如圖5所示，初級、次級、三級、初級A和初級B布置是 包括激活每個燃料噴嘴的外部環狀燃燒器、并且另外激活頭端噴射器51的中心燃料噴嘴 的中心燃燒器。
[0037] 在渦輪機10從采用M6模式的操作的關閉過程中，渦輪機10可以從M6模式轉入 M4模式，并且從M4模式轉入M3模式。
[0038] 參照圖6,示出對如上所述渦輪機10操作所提供的Wobbie索引操作窗口中的改 進的圖像描繪。如圖6所示，當燃燒器20和過渡連接件40內的燃料/空氣比率增加時，渦 輪機10操作溫度急劇增加，達到高溫并且隨后幾乎急劇減小。在減小期間中，根據Wobbie 索引值，可以采用低熱值的燃料在第一相對高溫窗口 60中進行燃燒，然而，可以在第二相 對低溫窗口 61中采用高熱值的燃料。上述渦輪機10對燃料柔性操作進行實施的能力使得 渦輪機10可能沿著寬的溫度窗口 62進行有效操作，所述溫度窗口從第一相對高溫窗口 60 的開始位置延伸到第二相對低溫窗口 61的終止位置。
[0039] 參照圖7,示出對如上所述渦輪機10操作所提供的火焰保持能力中的改進的圖像 描繪。如7所示，在兩條點線之間可以看到高回火風險與天然氣基線之間的操作區域。下 方點線與虛線以及實線之間的對應區域分別表示與具有給定百分率的高熱值的燃料的燃 料類型關聯的回火界限（flashback margins)，所述具有給定百分率的高熱值的燃料為如 10%和20%的天然氣。這些區域的大小和形狀指示：在給定天然氣百分率情況下，回火界限 隨著初級分流百分率減少且燒盡時間增加而來增加。實際來說，隨著天然氣百分率減少，效 果將會更為明顯。因此，可以看出，渦輪機10采用燃料靈活性，并由此在燃料類型中使用經 減少的天然氣百分率的能力使回火或者火焰保持風險降低。
[0040] 盡管本實用新型是僅僅結合有限數量的實施例進行詳細描述，但應易于了解，本 實用新型不限于此類公開的實施例。相反，本實用新型可經修改以并入在此之前并未描述 但與本實用新型的精神和范圍相符的任何數量的變化、更改、替換或等效布置。另外，盡管 已經對本實用新型的各種實施例進行描述，但將理解，本實用新型的方面可以僅僅包括所 述實施例中的一些實施例。因此，本實用新型不應視為受到前述描述限制，而僅受到所附權 利要求書的范圍限制。
【權利要求】
1. 一種渦輪機，所述渦輪機包括： 燃燒器，燃料在其中燃燒產生工作流體； 渦輪段，所述渦輪段接收所述工作流體用于發電操作； 過渡連接件，附加燃料在其中燃燒，所述過渡連接件設置用于將所述工作流體從所述 燃燒器運輸到所述渦輪段；以及 分級燃燒系統，所述分級燃燒系統連接到所述燃燒器和所述過渡連接件，所述分級燃 燒系統經配置用于以多個模式混合所述燃料和所述附加燃料的組分。
2. 根據權利要求1所述的渦輪機，其中所述過渡連接件為曲形。
3. 根據權利要求1所述的渦輪機，其中通過所述燃燒器的流路偏離通過所述渦輪段中 的流路，所述過渡連接件包括： 前端，所述前端與通過所述燃燒器的所述流路對準；以及 后端，所述后端與通過所述渦輪段中的所述流路對準。
4. 根據權利要求1所述的渦輪機，其中所述分級燃燒系統包括： 設置成將所述燃料輸送到所述燃燒器的頭端的頭端噴射器；以及 設置成將附加燃料輸送到所述燃燒器的下游段和所述過渡連接件的軸向分級噴射器。
5. 根據權利要求4所述的渦輪機，其中所述軸向分級噴射器布置在第一級和設置在所 述第一級的下游的第二級中。
6. 根據權利要求5所述的渦輪機，其進一步包括： 第一燃料歧管，所述第一燃料歧管用于對所述第一級的所述軸向分級噴射器供應所述 附加燃料；以及 第二燃料歧管，所述第二燃料歧管用于對所述第二級的所述軸向分級噴射器供應所述 附加燃料。
7. 根據權利要求4所述的渦輪機，其中所述多個模式包括以下一者或多者： 第一模式，其中所述頭端噴射器將天然氣作為所述燃料輸送到所述燃燒器的所述頭端 上，并且所述軸向分級噴射器將合成氣或低熱值的氣體作為所述附加燃料輸送到所述燃燒 器的下游段和所述過渡連接件上； 第二模式，其中所述頭端噴射器將天然氣和合成氣作為所述燃料輸送到所述燃燒器的 所述頭端上，并且所述軸向分級噴射器將低熱值的氣體作為所述附加燃料輸送到所述燃燒 器的下游段和所述過渡連接件上； 第三模式，其中所述頭端噴射器將低熱值的氣體作為所述燃料輸送到所述燃燒器的所 述頭端上，并且所述軸向分級噴射器將天然氣或低熱值的氣體作為所述附加燃料輸送到所 述燃燒器的下游段和所述過渡連接件上；以及 第四模式，其中所述頭端噴射器將天然氣和低熱值的氣體作為所述燃料輸送到所述燃 燒器的所述頭端上，并且所述軸向分級噴射器將天然氣和低熱值的氣體作為所述附加燃料 輸送到所述燃燒器的下游段和所述過渡連接件上。
8. 根據權利要求1所述的渦輪機，其中所述多個模式包括啟動模式、基載模式以及過 燃模式。
9. 一種渦輪機分級燃燒系統，所述分級燃燒系統包括：燃燒器，燃料在所述燃燒器中 燃燒產生工作流體；渦輪段，所述渦輪段接收所述工作流體用于發電操作；以及附加燃料 在其中燃燒的過渡連接件，所述過渡連接件設置用于使所述工作流體從所述燃燒器運輸到 所述渦輪段，并且包括： 設置成將以多個模式共混的燃料輸送到所述燃燒器的頭端的頭端噴射器；以及 設置成將以多個模式共混的附加燃料輸送到所述燃燒器的下游段和所述過渡連接件 的軸向分級噴射器。
10. 根據權利要求9所述的分級燃燒系統，其中所述軸向分級噴射器布置在第一級和 設置在所述第一級的下游的第二級中。
11. 根據權利要求10所述的分級燃燒系統，其進一步包括： 第一燃料歧管，所述第一燃料歧管用于對所述第一級的所述軸向分級噴射器供應所述 附加燃料；以及 第二燃料歧管，所述第二燃料歧管用于對所述第二級的所述軸向分級噴射器供應所述 附加燃料。
12. 根據權利要求9所述的分級燃燒系統，其中所述多個模式包括以下一者或多者： 第一模式，其中所述頭端噴射器將天然氣作為所述燃料輸送到所述燃燒器的所述頭端 上，并且所述軸向分級噴射器將合成氣或低熱值的氣體作為所述附加燃料輸送到所述燃 燒器的下游段和所述過渡連接件上； 第二模式，其中所述頭端噴射器將天然氣和合成氣作為所述燃料輸送到所述燃燒器的 所述頭端上，并且所述軸向分級噴射器將低熱值的氣體作為所述附加燃料輸送到所述燃燒 器的下游段和所述過渡連接件上； 第三模式，其中所述頭端噴射器將低熱值的氣體作為所述燃料輸送到所述燃燒器的所 述頭端上，并且所述軸向分級噴射器將天然氣或低熱值的氣體作為所述附加燃料輸送到所 述燃燒器的下游段和所述過渡連接件上；以及 第四模式，其中所述頭端噴射器將天然氣和低熱值的氣體作為所述燃料輸送到所述燃 燒器的所述頭端上，并且所述軸向分級噴射器將天然氣和低熱值的氣體作為所述附加燃料 輸送到所述燃燒器的下游段和所述過渡連接件上。
13. 根據權利要求9所述的分級燃燒系統，其中所述多個模式包括啟動模式、基載模式 以及過燃模式。
【文檔編號】F02C9/26GK203847250SQ201320717464
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2013年11月14日 優先權日:2012年11月14日
【發明者】陳偉, A.R.罕, D.W.西蒙斯 申請人:通用電氣公司