利用稀釋氣體混合器的連續(xù)燃燒的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于燃?xì)鉁u輪的連續(xù)燃燒器布置，其中將稀釋氣體摻合到連續(xù)燃燒器布置中。本發(fā)明另外涉及一種用于操作燃?xì)鉁u輪的方法，其中將稀釋氣體摻合到連續(xù)燃燒器布置中。
【背景技術(shù)】
[0002]由于由非穩(wěn)定可再生來(lái)源如風(fēng)或太陽(yáng)能增加的發(fā)電，故現(xiàn)有的基于燃?xì)鉁u輪的發(fā)電設(shè)備日益用于平衡功率需求和穩(wěn)定電網(wǎng)。因此，需要改進(jìn)的操作靈活性。這隱含了燃?xì)鉁u輪通常在低于基本負(fù)載設(shè)計(jì)點(diǎn)的負(fù)載下操作，即，在低燃燒器入口和點(diǎn)燃溫度下。
[0003]同時(shí)，排放極限值和總體排放許可變得更嚴(yán)格，以使需要在較低的排放值下操作，還在部分負(fù)載操作下和瞬變期間保持低排放，因?yàn)檫@些還解決了累積排放極限。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)的燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)成在操作狀態(tài)下應(yīng)對(duì)某些可變性，例如，通過(guò)調(diào)整壓縮機(jī)入口質(zhì)量流或控制不同焚燒器、燃料級(jí)或燃燒器之間的燃料分流。然而，這不足以滿足新的要求。
[0005]為了進(jìn)一步減小排放和增大操作靈活性，DE10312971A1中已經(jīng)提出了連續(xù)燃燒。取決于操作狀態(tài)，具體是第一燃燒室的熱氣體溫度，可必要的是在它們被容許進(jìn)入第二焚燒器(也稱為連續(xù)焚燒器)之前冷卻熱氣體。該冷卻可對(duì)允許燃料噴射和噴射的燃料與第一燃燒器的熱煙道氣體在第二焚燒器中的預(yù)混而言為有利的。
[0006]為了燃?xì)鉁u輪使用此類連續(xù)燃燒器布置的安全且有效的操作，需要具有冷卻氣體的低消耗的燃燒室的良好冷卻。常規(guī)冷卻方法需要熱交換器結(jié)構(gòu)，其導(dǎo)致主熱氣流中的高壓降，或者提出了冷卻介質(zhì)從側(cè)壁噴射。冷卻氣體的噴射相對(duì)于總質(zhì)量流減少了第一燃燒器中的主流，這對(duì)以此類連續(xù)燃燒器布置操作的燃?xì)鉁u輪的效率不利，并且全部流的受控冷卻為困難的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本公開(kāi)的目的在于提出一種用于具有混合區(qū)段的連續(xù)燃燒器布置的冷卻方案，該混合區(qū)段用于稀釋氣體在第一燃燒室與第二焚燒器之間摻合。稀釋氣體在混合區(qū)段中摻合，以提供對(duì)于第二焚燒器的適合的入口流狀態(tài)。具體而言，熱氣體冷卻至預(yù)定熱氣體溫度。此外，速度和含氧量可針對(duì)第二燃燒器調(diào)節(jié)。
[0008]偏離規(guī)定入口溫度可導(dǎo)致第二焚燒器中的高排放(例如，NOx、CO和未燃烴)和/或逆燃。逆燃和NOx由高入口氣體溫度或高氧濃度引起的噴射燃料的縮短的自燃時(shí)間引起，這引起較早點(diǎn)燃(導(dǎo)致逆燃)或縮短的燃料空氣混合時(shí)間，導(dǎo)致燃燒期間的局部熱點(diǎn)，并且因此增加NOx排放。由于延長(zhǎng)的自燃時(shí)間，故低溫區(qū)域可引起CO排放。這可減小CO到CO2燃盡的時(shí)間，以及降低的局部火焰溫度，這可進(jìn)一步減慢CO到CO 2的燃盡。最終，局部熱點(diǎn)可導(dǎo)致混合器下游的某些區(qū)域中的過(guò)熱。
[0009]為了實(shí)現(xiàn)以連續(xù)燃燒器布置操作的燃?xì)鉁u輪的高效率，需要高燃燒溫度和特別是高燃燒器出口溫度。為了允許高燃燒溫度，良好的冷卻方案是先決條件。冷卻氣體必須高效地使用，并且由冷卻氣體獲取的熱可有利地用于燃燒過(guò)程中。
[0010]根據(jù)實(shí)施例，一種連續(xù)燃燒器布置包括以流體流動(dòng)連接連續(xù)地布置的第一焚燒器、第一燃燒室、用于使稀釋氣體與在操作期間離開(kāi)第一燃燒室的熱氣體摻合的混合裝置、第二焚燒器，以及第二燃燒室，其中混合器適于以在第一燃燒室與第二焚燒器之間延伸的熱氣體流動(dòng)通路來(lái)引導(dǎo)燃燒氣體。此類混合器包括導(dǎo)管，其具有適于連接于第一燃燒室的上游端處的入口，以及適于連接于第二焚燒器的下游端處的出口。連續(xù)燃燒器布置還包括四個(gè)冷卻區(qū):
具有第一冷卻通道的第一燃燒室冷卻區(qū)，該第一冷卻通道由第一燃燒室壁和第一護(hù)套界定，該第一護(hù)套包圍第一燃燒室壁。
[0011]具有第二冷卻通道的混合器冷卻區(qū)，該第二冷卻通道由混合器壁和第二護(hù)套界定，該第二護(hù)套包圍混合器壁。
[0012]具有第三冷卻通道的第二焚燒器冷卻區(qū)，該第三冷卻通道由第二焚燒器壁和第三護(hù)套界定，該第三護(hù)套包圍第二焚燒器壁。
[0013]具有第四冷卻通道的第二燃燒室冷卻區(qū)，該第四冷卻通道由第二燃燒室壁和第四護(hù)套界定，該第四護(hù)套包圍第二燃燒室壁。
[0014]冷卻氣體在操作期間流過(guò)冷卻通道。
[0015]對(duì)于吸氣的燃?xì)鉁u輪，冷卻氣體典型地是空氣。例如，對(duì)于具有煙道氣體再循環(huán)的燃?xì)鉁u輪，壓縮機(jī)的入口空氣為包括空氣和煙道氣體的混合物的氣體。因此，冷卻氣體包括空氣和煙道氣體的混合物。冷卻氣體還可包括蒸汽或其它成分。在閉合回路的燃?xì)鉁u輪中，冷卻氣體例如可為C02或N2。
[0016]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，至少一個(gè)冷卻通道流體地連接于相鄰的冷卻通道，使得用于在一個(gè)冷卻通道中冷卻的冷卻氣體的至少一部分還用于在操作期間在相鄰的冷卻通道中冷卻。
[0017]在另一個(gè)實(shí)施例中，至少三個(gè)冷卻通道成排地流體地連接于彼此，使得用于在一個(gè)冷卻通道中冷卻的冷卻氣體的至少一部分還用于在操作期間連續(xù)地冷卻其它兩個(gè)冷卻通道。
[0018]在又一個(gè)實(shí)施例中，所有四個(gè)冷卻通道成排地流體地連接于彼此，使得用于在一個(gè)冷卻通道中冷卻的冷卻氣體的至少一部分還用于在操作期間連續(xù)地冷卻其它冷卻通道。
[0019]冷卻通道的串行布置允許了冷卻氣體的有效再使用。因此，更多壓縮機(jī)排出氣體可直接給送到燃燒器中，而不同于其中冷卻通道以冷卻氣體平行給送的布置。
[0020]根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，至少兩個(gè)冷卻通道直接連接于壓縮機(jī)的出口，使得離開(kāi)壓縮機(jī)的壓縮氣體被容許直接進(jìn)入至少兩個(gè)冷卻通道。該布置避免了插置區(qū)中的冷卻氣體的預(yù)先熱獲取。因此，冷卻氣體可在相對(duì)低溫度下提供至相應(yīng)的冷卻通道。此外，對(duì)單獨(dú)的冷卻通道的直接冷卻氣體供應(yīng)相對(duì)于具有連續(xù)冷卻的方案減小了冷卻氣體的壓力要求。冷卻氣體僅需要在克服與流過(guò)一個(gè)冷卻通道相關(guān)聯(lián)的壓力損失所需的壓力下。
[0021]穿過(guò)第一焚燒器的氣流可通過(guò)使用冷卻氣體和稀釋氣體來(lái)顯著地減少。為了增加穿過(guò)第一焚燒器的流動(dòng)，在一個(gè)實(shí)施例中，稀釋氣體入口可流體地連接于冷卻通道的出口。在此類布置中，用于在一個(gè)冷卻通道中冷卻的冷卻氣體的至少一部分在操作期間在混合器中與熱氣體摻合。冷卻氣體作為稀釋氣體的該再使用有效地減少了壓縮氣體的量，該壓縮氣體圍繞第一焚燒器旁通。
[0022]根據(jù)實(shí)施例，第二冷卻通道在第二燃燒氣體噴射上游流體地連接于第二焚燒器的熱氣體流動(dòng)通路。在該布置中，冷卻氣體的至少一部分在操作期間流過(guò)第二冷卻通道的至少一部分之后在第二燃料噴射上游給送到第二焚燒器中。
[0023]根據(jù)又一個(gè)實(shí)施例，第一焚燒器流體地連接于第一冷卻通道的出口。在該布置中，冷卻氣體的至少一部分在操作期間流過(guò)第一冷卻通道的至少一部分之后給送到第一焚燒器中。
[0024]在又一個(gè)實(shí)施例中，至少一個(gè)冷卻通道具有相對(duì)于熱氣體的流動(dòng)方向的下游端處的入口，以及相對(duì)于熱氣體的流動(dòng)方向的冷卻通道的上游端處的出口開(kāi)口。在此類布置中，在操作期間，冷卻氣體的至少一部分以與熱氣體流動(dòng)方向的逆流流動(dòng)。
[0025]此外或作為備選，至少一個(gè)冷卻通道具有在相對(duì)于熱氣體的流動(dòng)方向的上游端處的入口，以及相對(duì)于熱氣體的流動(dòng)方向的冷卻通道的下游端處的出口開(kāi)口。在此類布置中，冷卻氣體的至少一部分在操作期間以與熱氣流的同向流流動(dòng)。
[0026]冷卻區(qū)中的冷卻流不需要限于整個(gè)區(qū)的一個(gè)方向。在一個(gè)實(shí)施例中，至少一個(gè)冷卻通道具有相對(duì)于熱氣體的流動(dòng)方向在下游端與上游端之間的入口。冷卻通道還具有相對(duì)于熱氣體的流動(dòng)方向在冷卻通道的上游端處的出口開(kāi)口，以及相對(duì)于熱氣體的流動(dòng)方向在冷卻通道的下游端處的出口開(kāi)口。在操作期間，冷卻氣體的至少一部分以與熱氣體流動(dòng)方向的逆流從入口流至上游出口，并且其中冷卻氣體的至少一部分以與熱氣流的同向流從入口流至下游出口。
[0027]例如，如果朝下游出口流動(dòng)的冷卻氣體用于密封和冷卻燃燒室與渦輪之間的界面，則這可對(duì)于第二燃燒室冷卻區(qū)是有利的。朝上游出口流動(dòng)的冷卻氣體可進(jìn)一步用于冷卻混合器。此外，其還可用作稀釋空氣和/或用于進(jìn)一步冷卻。
[0028]如果朝上游出口流動(dòng)的冷卻氣體給送至第一焚燒器，則布置具有上游端處的出口和下游端處的出口的冷卻區(qū)例如還可對(duì)于第一燃燒室冷卻區(qū)有利。朝下游出口流動(dòng)的冷卻氣體可進(jìn)一步用于冷卻混合器。此外，其還可用作稀釋空氣。
[0029]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，冷卻通道的出口流體地連接于第一焚燒器。在操作期間，冷卻氣體的至少一部分在穿過(guò)該冷卻通道之后經(jīng)由第一焚燒器引入第一燃燒室中。
[0030]根據(jù)又一個(gè)實(shí)施例，混合器的稀釋氣體入口直接連接于壓縮機(jī)的出口。在操作期間，離開(kāi)壓縮機(jī)的壓縮氣體可直接給送至