[发明专利]DLN双燃料主喷嘴

说明书

技术领域

本发明大致涉及用于DLN燃气轮机的燃烧器的主喷嘴(primary nozzle)，且更具体地涉及主喷嘴以天然气和合成气操作的双气体燃料性能。

背景技术

多年来，对燃气轮机动力设备低排放的规章性要求变得越来越严格。现在，全世界的环境机构甚至还要求新型燃气轮机和现有燃气轮机的NOx和其它污染物的更低的排放率。减少燃烧涡轮的NOx排放的传统方法(水和蒸汽喷射)在达到许多地区所要求的极低水平的能力上受到了限制。

通用电气公司的干式低NOx(Dry Low NOx，DLN)系统结合分级的预先混合燃烧过程和燃气轮机的SPEEDTRONIC^TM来控制燃料和关联的系统。这种系统可包括两种主要的性能评价方式。第一种评价为满足气体和油燃料两者的基底负载下所要求的排放水平，同时控制跨越燃气轮机负载范围的这些水平的变化。第二种评价为系统的操作性。DLN燃烧系统的设计还要求硬件特征和操作方法同时地允许在火焰区中的当量比和停留时间(排放控制的关键燃烧参数)足够低，以实现低NOx排放，但可带有可接受的燃烧噪声(动力学)水平、在部分负载操作时的稳定性和用于CO燃尽的充足时间。

通用电气公司的DLN-1燃烧器为设计成使用天然气燃料并能够以液体燃料进行操作的两级预先混合燃烧器。燃烧器提供有包括副燃料喷嘴的燃料喷射系统，副燃料喷嘴定位在燃烧器的中心轴线上，中心轴线由多个主燃料喷嘴环绕，主燃料喷嘴绕副燃料喷嘴对称地配置。DLN-1燃烧器在利用贫预先混合概念维持高效率水平的同时，维持非常低的废气排放水平。在贫预先混合燃烧过程中，分别从相对于预先混合区具有不同动态特性的供应源输送燃料和空气。这种贫预先混合燃烧过程经受着可能增大的微弱的限制波动周期，导致气体压力和温度的大的波动，这在燃烧动力学中是公知的。过度燃烧动态压力可能导致燃烧器的损坏。通过使燃料和空气供应系统的动态响应和预先混合器匹配，可以降低贫预先混合燃烧系统的燃烧动态压力水平。通过基本上平衡空气和燃料入口至预先混合器区的压力降，DLN-1燃烧器主喷嘴减少燃烧器预先混合器区中的动态压力波动。部分地通过在从燃料室到预先混合器的排放孔上游包括在主喷嘴的燃料室中的孔而实施均衡。上游孔提供燃料室中的与空气入口的压力相当的燃料压力，且排放孔提供与空气供应压力降相等的燃料压力降。基本上降低或者消除了由燃料/空气浓度波动导致的预先混合器区中的压力波动，如布莱克所描述的那样(US 5,211,004)。

DLN-1燃烧器受到广泛应用。然而，这些燃烧器主要设计成用于天然气燃烧。鉴于可选的气体燃料的可利用性和天然气燃料成本的增加，新顾客要求燃烧器具有更大的燃料灵活性。更具体地说，顾客希望燃烧器能够以混合合成气运行，且还能够单独以天然气运行(灵活的双燃料)。合成气(合成气体的简称)是指氢气和一氧化碳(有时还含有二氧化碳)的混合物。混合的合成气可为天然气/氢气/一氧化碳的混合物。合成气是可燃烧的，并经常作为燃料源使用，但是体积能量密度比天然气的一半还少。由于合成气的体积流率必须是天然气的体积流率值的两倍以上才能得到相同的燃烧火焰温度，所以若还将现在用于天然气燃料的相同主喷嘴用于合成气的操作，则合成气燃料压力比率将非常高(超过1.7)。这种高燃料压力比率可能要求增加用于燃料供应的压缩机。

之前的双燃料喷嘴设计致力于气态和液态的双燃料应用，而不是具有大范围变化的沃泊值的双气态燃料。这里，用每标准立方英尺的英热单位(British thermal unit，Btu)的气体的高热值除以其相对于空气的比重的平方根来定义燃料的沃泊值。气体的沃泊值越高，气体量的热值越大。包括Martling的US 6837052在内的其它双燃料专利采用增加附加喷嘴的方式，其需要重新构造燃烧器的几何形状。

因此，需要提供具有以双燃料进行操作的性能的DLN-1燃烧器，其中双燃料包括带有迥然不同的沃泊值的双气态燃料。而且还需要提供这种双燃料性能而对整个燃烧器结构不进行较大改动。而且，喷嘴设计应当不会负面影响天然气的操作性，并应当确保合成气燃烧在流动、混合、动力学和排放模式方面提供与天然气燃烧相当的性能。

发明内容