具有稀释气体的连续燃烧的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于燃气涡轮的连续燃烧器布置，其具有进入燃烧器布置中的掺合稀释气体。本发明附加地涉及一种用于操作具有进入燃烧器布置中的掺合稀释气体的燃气涡轮的方法。
【背景技术】
[0002]由于由非稳定的可再生源如风或太阳光发电的增加，基于现有燃气涡轮的发电站日益用于平衡功率需求和稳定电网。因此，需要改进的操作灵活性。这隐含了燃气涡轮通常在低于基本负载设计点的负载下操作，即，在较低燃烧器入口和燃烧温度下。
[0003]同时，排放极限值和总体排放许可变得更严格，以使需要在较低排放值下操作，还在部分负载操作下且在瞬变期间保持低排放，因为这些也对累积的排放限值有价值。
[0004]现有技术的燃烧系统设计成例如通过调整压缩机入口质量流或控制不同焚烧器、燃料级或燃烧器间的燃料分流来应对操作状态中的某一变化性。然而，这不足以满足新的要求。
[0005]为了进一步减小排放和操作灵活性，在DE 10312971A1中提出了连续燃烧。取决于操作状态，特别是第一燃烧室的热气体温度，可必要的是在热气体被允许进入第二焚烧器(也称为连续焚烧器)之前冷却热气体。该冷却可有利地允许燃料喷射和喷射燃料与第一燃烧器的热烟道气体在第二焚烧器中的预混。
[0006]常规冷却方法需要换热器结构，其导致主热气流中的高压降或提出了从侧壁的冷却介质喷射。为了从侧壁喷射冷却介质，需要高压降，其不利于利用此类燃烧器布置操作的燃气涡轮的效率，并且整个流动的受控冷却为困难的。
【发明内容】
[0007]本公开的目的在于提出一种连续燃烧器布置，其具有用于在第一燃烧室与第二焚烧器之间掺合稀释气体的混合区段。稀释气体在混合区段中掺合，以提供用于第二焚烧器的适当的入口流动状态。具体而言，热气体冷却至预定温度曲线。
[0008]高局部入口温度可导致高排放(特别是N0x、C0和未燃烃)和/或第二焚烧器中的逆燃。逆燃和NOx由高入口气体温度或高氧浓度引起的喷射燃料的减少的自燃时间引起，这引起过早点燃(导致逆燃)或燃料空气混合时间缩短，导致在燃烧期间的局部热点，并且因此增加NOx排放。低温区域可由于增加的自燃时间引起CO排放。这可减少CO到0)2的烧尽的时间，以及降低的局部火焰温度，其可进一步减慢CO到0)2的烧尽。最终，局部热点可导致混合器下游的某些部分的过热。
[0009]根据公开的连续燃烧器布置包括按流体流连接按顺序布置的第一焚烧器、第一燃烧室、用于将稀释气体掺合至在操作期间离开第一燃烧室的热气体的混合装置、第二焚烧器，以及第二燃烧室，其中混合器适于在第一燃烧室与第二焚烧器之间延伸的热气流通路中引导燃烧气体，包括导管，其具有适于连接于第一燃烧室的上游端处的入口和适于连接于第二焚烧器的下游端处的出口。
[0010]局部高氧浓度可具有与局部高温类似的效果，例如，减少混合时间的快速反应、高燃烧温度、增加的NOx排放和可能的逆燃。局部低氧浓度可具有与局部低温类似的效果，例如，慢反应，其导致增加的CO和UHC (未燃烃)的排放。
[0011 ] 高或低的局部入口速度可导致第二焚烧器和随后第二燃烧室中的增加或减少的停留时间，这具有与不均一的自燃时间类似的消极效果，例如，第二焚烧器中的减少的停留时间可导致不完全的混合和高NOx。第二燃烧器中的减少的停留时间可导致不完全燃烧，从而导致增加的CO排放。第二焚烧器中的减小的流动速度可导致过早点燃和逆燃。
[0012]此外，从空气动力学观点的重要要求为热气体通路中的最小化压力损失和稀释气体供应。两者可影响利用此类连续燃烧器布置操作的燃气涡轮的性能。
[0013]混合器包括多个喷射管(也称为喷射管道)，其从导管的壁指向内用于掺合稀释气体来冷却离开第一燃烧室的热烟道气体，以将适当的入口状态提供至第二焚烧器。
[0014]这些管的直径、长度和数量设计成将稀释气体掺合到热气流中，使得所需的局部质量流和温度下降以低压降实现。典型地，喷射管允许稀释气体以掺合之前的稀释气体压力的总压力的0.4%到2%的压降掺合。关于喷射器管的入口处的低压降，掺合之前的稀释气体压力的总压力的0.2%到1%的压降可足够。为了减小入口压降，可使用圆形管入口。
[0015]根据实施例，连续燃烧器布置包括从混合器的侧壁指向内的至少三组喷射管，用于掺合稀释气体来冷却离开第一燃烧室的热烟道气体。各组的喷射管沿混合器的侧壁周向分布布置，并且其中第一组的第一喷射管具有进入热气流通路中的第一凸出深度，第二组的第二喷射管具有凸出深度，并且第三组的第三喷射管具有第三凸出深度。
[0016]对于布置成正交于侧壁的管，延伸到热气体通路中的管的长度等于凸起深度。
[0017]根据连续燃烧器布置的另一个实施例，第一喷射管的中点与第二喷射管的中点之间沿流动方向的距离为第一喷射管的直径的0.1到2倍之间。
[0018]根据又一个实施例，第二喷射管的中点与第三喷射管的中点之间沿流动方向的距离为第二喷射管的直径的0.1到2倍之间。
[0019]典型地，两个相邻组的喷射管并未直接地布置在彼此下游，而是沿周向方向偏移，因此小于喷射管的直径的轴向方向上的距离是可能的。
[0020]根据连续燃烧器布置的一个实施例，导管壁至少部分地泻流冷却。由于稀释气体的掺合，混合器中的热气体的平均温度在喷射管下游降低。典型地，预期降低冷却要求和较少扩散冷却。然而，由于局部增大的湍流，故喷射管的下游的侧壁上的热负载可增大。因此，在各个第一喷射管下游和随后的第三喷射管的阵列上游的第一泻流冷却区域中，每单位面积的泻流冷却孔的数量可增加。例如，其比在第一喷射管上游延伸的第二区域中的每单位面积的泻流冷却孔的数量大至少30%。典型地，第二区域在第一喷射管上游延伸第一喷射管的一到三个直径。
[0021]在最后的喷射管下游，热气体温度可减小到不需要扩散冷却或应用其它冷却方法的水平。因此，没有泻流冷却的第三区域可朝混合器的出口布置。
[0022]根据另一个实施例，第一泻流冷却区域具有梯形形状，其中基部正交于热气体的主流动方向，并且其中梯形第一区域的下游基部比梯形第一区域的上游基部更长。
[0023]梯形第一区域的上游基部的长度例如可为第一喷射管的直径的大约I到2倍。
[0024]第一区域例如可具有等腰梯形形状。
[0025]在又一个实施例中，泻流冷却孔具有范围从0.5到1.2mm的直径。此外，相邻泻流冷却孔之间的距离在第一区域中范围从3到10mm，并且在第二区域中范围从6到20mm。
[0026]根据连续燃烧器布置的一个实施例，第一喷射管布置在第二喷射管上游和第三喷射管上游。此外，第三喷射管可布置在第二喷射管下游。
[0027]此类布置允许以由不同喷射管喷射的稀释气体之间的最小干扰将稀释气体喷射至混合器的不同区域。
[0028]根据连续燃烧器布置的备选实施例，第三喷射管布置在第二喷射管上游和第一喷射管上游。此外，第一喷射管可布置在第二喷射管下游。在其中较短喷射管在较长喷射管上游的布置中，由短喷射管喷射的稀释气体首先减小随后的较长喷射管的热负载。具体而言，如果长喷射管处于上游喷射管的稀释气体的流动通路中，则长喷射管由于冷却淋浴效果而冷却。
[0029]根据连续燃烧器布置的一个实施例，第一喷射管的直径大于第二喷射管的直径。此外，组合或作为备选，第二喷射管的直径可大于第三喷射管的直径。
[0030]在连续燃烧器布置的又一个实施例中，第一喷射管在正交于流过混合器的热气体的主流动方向的平面中沿混合器的侧壁周向分布布置，并且第二喷射管在正交于流过混合器的热气体的主流动方向的一个平面中沿混合器的侧壁周向分布布置。
[0031 ] 此外，在一个实例中，第二喷射管的数量可等于第一喷射管的数量。第二喷射管可布置在第一喷射管的下游或上游，其中在径向方向上，它们在两个第一喷射管之间的中心。
[0032]在又一个实施例中，第三喷射管沿混合器的侧壁周向分布布置，并且关于正交于流过混合器的热气体的主流动方向的平面交错。喷射管的交错减少了由喷射管引起的流动堵塞。例如，交错可在第三喷射管的直径的0.1到3.5倍的范围中。
[0033]混合器的管暴露于离开第一燃烧室的热气体。管由流过它们的稀释气体固有地冷却。然而，为了延长管的寿命，可施加用以降低管的温度的附加措施。因此，根据连续燃烧器布置的一个实施例，喷射管的外表面的至少一部分涂覆有TBC。此外，混合器的侧壁的内表面的至少一部分可涂覆有TBC，以减小壁的冷却要求，并且从而避免离开混合器的热气流的冷却外周区域。
[0034]在一个实施例中，管的内侧上的热传递系数增大。对于增大的热传递，冷却肋条和/或销场可布置在喷射管的内表面上。
[0035]根据又一个实施例，混合器还包括沿侧壁布置的喷射孔。第一、第二和第三喷射管布置成朝热气流通路的中心区域掺合稀释气体，并且喷射孔布置成将稀释气体掺合到热气流通路的壁区域中。
[0036]在又一个实施例中，喷射管以关于热气体的流动方向的小于90°的角倾斜，使得离开管的稀释气体具有喷射位置处的沿热气流的方向的流动分量。
[0037]喷射管可成角倾斜，使得离开管的稀释气体的轴向分量等于或在喷射位置处的热气流