催化燃烧空气加热系统的制作方法

催化燃烧空气加热系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种催化燃烧空气加热系统，用于对燃烧器内的工作流体进行预加热，所述系统包括用于向所述燃烧器提供所述工作流体的压缩机。外壳设置在所述压缩机的下游。所述外壳至少部分地限定至少部分地围绕燃烧器的高压气室。燃烧室限定在所述燃烧器内，在所述高压气室的下游。催化燃烧器设置在所述高压气室内，在所述燃烧室的上游，以便向所述燃烧室上游的所述工作流体提供热能。
【专利说明】催化燃烧空气加热系统

【技术领域】
[0001] 本发明总体上涉及一种燃气轮机。更具体地说，本发明涉及一种用于加热位于限 定于燃气轮机的燃烧器内的燃烧室上游的工作流体的催化燃烧空气加热系统。

【背景技术】
[0002] 典型燃气轮机包括入口段、压缩机段、燃烧段、涡轮段和排气段。入口段清洁并且 调节"工作流体"（例如，空气)并且将工作流体供应至压缩机段。压缩机段逐渐增加工作流 体的压力，并且将压缩工作流体供应至燃烧段。压缩工作流体与燃料在燃烧段内混合并且 在燃烧室中燃烧，以生成具有高温高压的燃烧气体。燃烧气体通过热气通路被输送至涡轮 段中，在涡轮段处，燃烧气体膨胀以做功。例如，燃烧气体在涡轮段中的膨胀可使连接至发 电机的轴转动以发电。
[0003] 燃烧段通常包括环形地布置并设置在压缩机段与涡轮段之间的一个或多个燃烧 器。多个参数影响燃烧器的设计及运行。例如，燃气轮机制造商经常承担在不产生不希望 的空气污染排放物的情况下提高燃气轮机效率的任务。典型地由燃气轮机燃烧常规烃燃料 产生的主要空气污染排放物是氮氧化物（NOx )、一氧化碳（C0)和未燃烧的烃（UHC)。吸气式 发动机(如燃气轮机)中的分子氮的氧化和因此造成的NOx的形成是温度的指数函数。燃烧 气体的温度越高，不希望的NOx排放物的形成速率越高。
[0004] 降低燃烧气体的温度从而控制NOx的形成的一种方式是采用贫预混燃烧系统。贫 预混燃烧系统通过使燃料与工作流体预混合以向燃烧室提供贫(或富空气）预混可燃混合 物来运行。这样，在燃烧期间，存在于富空气或贫可燃混合物中的过量空气的热容量或热容 允许在燃烧室内吸收热量，从而降低燃烧气体的温度，因此减少NOx排放物的形成。
[0005] 决定贫预混燃烧系统在贫预混模式下的可操作性范围的一个因素是压缩工作流 体在其进入燃烧室时的温度。例如，如果进入燃烧室的压缩工作流体的温度下降至低于 某些温度，那么当贫预混可燃混合物燃烧时，在燃烧室内和整个燃烧系统上可能出现大幅 温度上升和大量热量释放。结果，燃烧器内的各种压力脉动的幅度(也称为燃烧动态）可 能增大。此外，大幅温度上升和大量热量释放还可能导致产生可能超过排放物合规标准 (emissions compliance standard)的 CO〇
[0006] 压缩工作流体的温度通常受燃气轮机的运行模式影响，并且受在通向压缩机的 入口处的局部环境温度影响。大多数贫预混燃烧系统设计用于在ISO标准日条件（ISO standard day conditions)下在贫预混模式下运行，在电力工业中，ISO标准日条件对应于 59华氏度的环境温度。一般来说，当燃气轮机在低于全速/满载条件下(诸如在压缩机以小 于全容量运行的部分负载运行期间）运行时，局部环境温度对燃烧室动态和C0水平具有最 大影响。这样，当工作流体通过压缩机流动至燃烧器时，有较少热能传递至所述工作流体。 因此，一种用于加热在燃烧器内位于燃烧室上游的压缩工作流体的系统将是有用的。


【发明内容】

[0007] 本发明的各个方面和优点在以下说明中阐明，或者这些方面和优点在说明中可能 是显而易见的，或者可以通过实践本发明而知晓。
[0008] 本发明的一个实施例是一种用于加热燃烧器内的压缩工作流体的系统。所述系统 包括用于向所述燃烧器提供压缩工作流体的压缩机。外壳设置在所述压缩机的下游。所述 外壳至少部分地限定至少部分地围绕所述燃烧器的高压气室。燃烧室在所述燃烧器内限定 在所述高压气室的下游。催化燃烧器在所述燃烧室的上游设置在所述高压气室内。所述催 化燃烧器向所述燃烧室上游的工作流体提供热能。
[0009] 本发明的另一实施例是一种用于燃气轮机的燃烧器。所述燃烧器包括燃烧衬管和 至少部分地限定在所述燃烧衬管内的燃烧室。燃料喷嘴设置在所述燃烧室的上游。所述燃 料喷嘴至少部分地限定位于所述燃烧室上游的预混流室（pre-mix flow chamber)。外壳至 少部分地围绕所述燃烧衬管的至少一部分。高压气室在所述外壳内限定在所述预混流室的 上游。催化燃烧器在所述高压气室内设置在所述预混流室的上游。
[0010] 本发明的另一实施例包括一种燃气轮机。所述燃气轮机包括用于提供压缩工作流 体流的压缩机。燃烧段设置在所述压缩机的下游，并且包括限定高压气室的外壳。涡轮设 置在所述燃烧段的下游。所述燃烧段进一步包括在所述高压气室内延伸的燃烧器。所述燃 烧器包括：燃烧衬管、在所述高压气室下游限定在所述燃烧衬管内的燃烧室，以及设置在所 述燃烧室上游的燃料喷嘴。所述燃气轮机进一步包括在所述高压气室内设置所述燃烧室上 游的催化燃烧器，以便向所述压缩工作流体流提供热能。
[0011] 所属领域的普通技术人员通过查看说明书将更好地了解此类实施例的特征和方 面及其他内容。

【专利附图】

【附图说明】
[0012] 在说明书剩余部分中向所属领域的技术人员更具体地阐述了本发明的完整和实 践内容，包括本发明的最佳模式，其中参考附图进行阐述，在附图中：
[0013] 图1是本发明的范围内的示例性燃气轮机的功能框图；
[0014] 图2是可以涵盖本发明多个实施例的示例性燃气轮机的一部分的截面侧视图；
[0015] 图3是根据本发明的至少一个实施例的示例性燃烧器的功能框图；
[0016] 图4是根据本发明的至少一个实施例的如图2中所示的示例性燃气轮机的一部分 的截面侧视图；以及
[0017] 图5是根据本发明的至少一个实施例的如图2中所示的示例性燃气轮机的一部分 的截面侧视图。

【具体实施方式】
[0018] 现在将详细参考本发明的各实施例，这些实施例的一个或多个实例在附图中进行 了图示。【具体实施方式】部分使用数字和字母标号来指代附图中的特征。附图和说明中相同 或类似的标号用于指代本发明相同或类似的部分。
[0019] 本说明书所用的术语"第一"、"第二"和"第三"可以互换使用以区分不同部件，并 且这些术语并不旨在表示单个部件的位置或重要性。术语"上游"、"下游"、"径向"和"轴向" 是指相对于流体通道中的流体流的相对方向。例如，"上游"是指流体流动的来向，而"下游" 是指流体流动的去向。类似地，"径向"是指大体垂直于流体流动的相对方向，而"轴向"是 指大体平行于流体流动的相对方向。术语"周向"是指围绕特定部件的轴向中心线延伸的 相对方向。
[0020] 每个实例用以解释本发明而非限制本发明。事实上，所属领域的技术人员容易了 解，在不脱离本发明的范围或精神的前提下，可以对本发明做出各种修改和变化。例如，作 为一个实施例的一部分进行说明或描述的特征可用于另一实施例，从而得到又一实施例。 因此，本发明意在涵盖所附权利要求书及其等效物的范围内的此类修改和变化。
[0021] 现在参照附图，其中在整个附图中，相同数字指示相同元件，图1提供可以涵盖本 发明的各实施例的示例性燃气轮机10的功能框图。如图所示，燃气轮机10通常包括入口 段12,所述入口段12可包括一系列过滤器、冷却盘管、去湿器和/或其他装置，以净化和以 其他方式调节进入燃气轮机10的工作流体(例如，空气)14。工作流体14流动至压缩机段， 在所述压缩机段处，压缩机16逐渐赋予工作流体14以动能和热能，以产生处于高度激励状 态的压缩工作流体18。
[0022] 压缩工作流体18从压缩机流动至燃烧段20,在所述燃烧段20处，压缩工作流体 18与来自燃料供应系统24的燃料22混合，以便在一个或多个燃烧器26内形成可燃混合 物。所述可燃混合物燃烧以产生具有高温高压的燃烧气体28。燃烧气体28流动穿过涡轮 段的涡轮30以做功。例如，涡轮30可连接至轴32,这样使得涡轮28的转动驱动压缩机16 以产生压缩工作流体18。或者或此外，轴32可将涡轮30连接至发电机34以用于发电。废 气36从涡轮30流动穿过排气段38,所述排气段38将涡轮30连接至所述涡轮30下游的排 气管40。排气段38可包括(例如）热回收蒸汽发生器(未示出），以用于在将废气36释放到 环境中之前从所述废气36中清除并提取额外热量。
[0023] 燃烧器24可包括所属领域中已知的任何类型的燃烧器，并且本发明不限于任何 特定燃烧器设计，除非权利要求书中明确指出。例如，燃烧器24可以是罐形或环罐形燃烧 器。图2提供可涵盖本发明的各种实施例的包括压缩机16的一部分和燃烧段20的示例性 燃气轮机10的一部分的截面侧视图。如图2中所示，燃烧段20通常包括设置在压缩机16 的排出口 52下游的外壳50。外壳50至少部分地限定用于接收来自压缩机16的压缩工作 流体18的高压气室54。
[0024] 燃烧器26通常包括连接至外壳50的端盖56。端盖56可至少部分地限定高压气 室54。至少一个燃料喷嘴58从端盖56向下游和/或从高压气室54向下游延伸。
[0025] 燃烧衬管60从外壳50内的燃料喷嘴58向下游延伸并至少部分地穿过高压气室 54。燃烧室62限定在高压气室54的下游。在一个实施例中，燃烧室62至少部分地限定在 燃烧衬管60内。燃烧室62设置在燃烧喷嘴58的下游。过渡管道64从燃烧衬管60和/或 燃烧室62向下游延伸。过渡管道64通常在邻近涡轮30 (图1)的入口 66处终止。如图2 中所示，燃烧衬管60和过渡管道64至少部分地限定热气通路68,以用于通过高压气室54 朝向涡轮30 (图1)的入口 66输送燃烧气体28。
[0026] 在一个实施例中，燃烧器24包括至少部分地围绕燃烧衬管60的至少一部分的导 流套筒70。导流套筒70与燃烧衬管60径向地分离，以便在两者之间限定流道72。通向流 道72的入口 74限定在导流套筒70的上游端76处。流道72提供压缩工作流体18在高压 气室54与燃烧室62之间的流体连通。在一个实施例中，流道72通过燃料喷嘴58提供高 压气室54与燃烧室62之间的流体连通。
[0027] 图3提供根据本发明的至少一个实施例的包括预混室78的示例性燃烧器26的功 能框图。如图3中所示，预混室78限定在高压气室54的下游。在一个实施例中，预混室设 置在流道72的下游并且在燃烧室66的上游。预混室78可至少部分地由燃料喷嘴58限定。
[0028] 图4和图5提供根据本发明的各个实施例的如图2中所示的示例性燃气轮机10 的截面侧视图。如图2、图3、图4和图5中所示，催化燃烧器或加热器80设置在燃烧室62 上游和/或预混室78上游的高压气室54内和/或流道72内，以便向来自燃烧室66上游 和/或预混室78上游的工作流体18提供热能。催化燃烧器80可包括适用于燃料氧化的 任何催化剂，以便在高压气室54内和/或在预混室78上游释放热量或热能。例如，所述催 化剂可以是陶瓷催化剂和/或金属催化剂。金属催化剂可包括钼族金属中的至少一种，如 钌、铑、钯、锇、铱和钼。此外或在替代方案中，金属催化剂可包括钙钛矿、六铝酸盐或沸石或 任何其他合适催化剂。
[0029] 在一个实施例中，如图2和图3中所示，催化燃烧器80在燃烧室66上游至少部分 地在流道72内延伸。在特定实施例中，如图3中所示，催化燃烧器80在高压气室54下游 并在预混室78上游至少部分地在流道72内延伸。催化燃烧器80可至少部分地延伸穿过 外壳50和/或导流套筒70。在替代方案中，催化燃烧器80可与导流套筒70的外表面(未 示出）热连通。催化燃烧器80可与外壳50整合。催化燃烧器80可至少部分地围绕外壳 50的一部分、燃烧衬管60的一部分或导流套筒70的一部分中的至少一个延伸。
[0030] 在替代实施例中，如图4中所示，催化燃烧器80在通向流道72的入口 74上游至 少部分地围绕燃烧衬管60的至少一部分。在此实施例中，催化燃烧器80设置成完全位于 高压气室54内。在另一实施例中，如图5中所示，催化燃烧器80靠近或邻近压缩机排出口 52地设置在高压气室54内并且完全设置在外壳50内。在此实施例中，催化燃烧器80可围 绕轴32 (图1)的至少一部分周向地延伸。在至少一个实施例中，如图5中所示，隔热屏82 设置在催化燃烧器80与燃烧衬管60和/或过渡管道66之间。
[0031] 在如图2至图5中所示并且如本说明书早先所公开的各示例性实施例中，催化燃 烧器80可连接至燃料供应装置84,以便向催化燃烧器80提供燃料86,如天然气。在特定 实施例中，催化燃烧器80连接至氧化剂供应装置88,以便向催化燃烧器80提供氧化剂90， 如压缩工作流体18的一部分。氧化剂供应装置88可包括高压气室54(图2、图4和图5)、 压缩机16 (图2)或外部氧化剂源(未示出），和/或可与其流体连通。在一个实施例中，氧 化剂供应装置88可包括高压泵92 (图3)和/或辅助压缩机94 (图4)、和/或与其流体连 通，以用于在将氧化剂90引入到催化燃烧器80中之前增大所述氧化剂90的压力。
[0032] 在运行中，如图3、图4和图5中所示，向催化燃烧器80供应燃料86和氧化剂90 以用于燃料氧化，从而使得在如图3中所示的流道72内和/或在如图4和图5中所示的高 压气室54内释放热能96。如图3、图4和图5中所示，可由燃料氧化或催化燃烧过程所造 成的废气提供额外热能96。当压缩工作流体18流动穿过或经过催化燃烧器80时，有热能 96传递至所述压缩工作流体18,从而使所述压缩工作流体18的温度升高并提供已加热的 压缩工作流体98,所述已加热压缩工作流体98从催化燃烧器80向下游流动并进入燃烧室 62中。
[0033] 可以将从催化燃烧器80传递至压缩工作流体18的热能96的量控制为燃气轮机 10的各种运行条件的函数，所述运行条件包括(但不限于）环境温度和燃气轮机10的负载 条件。例如，在部分负载运行期间，流动至燃烧器的压缩工作流体18的温度比在基本负荷 或全速/满载运行期间低得多，因而影响燃烧器26的预混可操作性范围。然而，催化燃烧 器80可向压缩工作流体18提供足够的热能96,以便扩大燃烧器在部分负载期间、和/或在 低环境温度条件期间的预混可操作性范围，从而改进排放性能。
[0034] 在特定实施方案中，如图3中所示，已加热压缩工作流体98被输送至预混室78 中，在预混室78处，已加热压缩工作流体98与来自燃料供应装置24的燃料22混合，以便 向燃烧室62提供已加热的贫预混可燃混合物100,所述混合物100在所述燃烧室62处燃 烧。这样，减少燃烧室62内和/或整个燃烧系统上的温度上升和热量释放，从而降低燃烧 动态的可能性并减少C0排放。
[0035] 在另一实施例中，如图4中所示，压缩工作流体从压缩机出口 52流动至高压气室 54中。压缩工作流体18被输送穿过催化燃烧器80,并且当压缩工作流体18流动穿过催化 燃烧器80并进入流道74中时，有热能96传递至压缩工作流体18。然后，通过流道72朝 向端盖56输送已加热压缩工作流体98。然后，可引导已加热压缩工作流体98穿过燃料喷 嘴58和/或进入预混室78 (图3)并与燃料22混合，从而提高压缩工作流体18的温度并 向燃烧室62提供已加热贫预混可燃混合物100。
[0036] 在另一实施例中，如图5中所示，压缩工作流体从压缩机出口 52流动穿过催化燃 烧器80并进入高压气室54中。当压缩工作流体18流动穿过催化燃烧器80并进入高压气 室54中时，有热能96传递至压缩工作流体18。然后，通过流道72朝向端盖56输送已加热 压缩工作流体98。然后，引导已加热压缩工作流体98穿过燃料喷嘴58和/或进入预混室 78 (图3)、并与燃料22混合，从而向燃烧室62提供已加热贫预混可燃混合物100。
[0037] 如本说明书中所描述并且如图2、图3、图4和图5中所示的若干实施例提供超过 用于在低环境温度运行期间和/或在燃气轮机的部分负载运行期间提高燃烧器内的压缩 工作流体温度的现有技术的多个技术益处。例如，一个益处是燃气轮机燃烧器可在贫预混 模式下运行而无需入口抽汽加热（bleed heating)的协助。这在寒冷天气气候下尤其可取， 在寒冷天气气候下，需要入口抽汽加热方案以有效提高进入燃气轮机预混燃烧系统的空气 的温度，以防止燃烧系统在高动态压力脉动范围下运行。此外，催化燃烧器将局部且直接的 热量输入提供至压缩工作流体中，在低环境温度运行期间和/或在部分负载运行期间，该 热量输入可使燃烧室内的边界条件保持基本恒定，从而有可能降低降燃运行期间的NOx排 放和/或C0排放，并控制通常由燃烧室内的大幅热量上升和大量热量释放造成的燃烧室动 态压力水平。因此，在非高峰电力需求期间，燃气轮机更有可能保持配电或联机以将功率输 出至电力输电网上，从而通过减少燃气轮机启动周期的数量来减少运行和维护成本。此外， 可将由催化燃烧器提供的加热的量控制为各种运行条件的函数，所述运行条件包括(但不 限于）环境温度和燃气轮机的负载百分比。这允许更大的控制。
[0038] 本说明书使用各种实例来公开本发明，包括最佳模式，同时也让所属领域的任何 技术人员能够实践本发明，包括制造并使用任何装置或系统，以及实施所涵盖的任何方法。 本发明的保护范围由权利要求书界定，并可包含所属领域的技术人员想出的其他实例。如 果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或如果此类实例包含的等效结 构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，则此类实例也应在权利要求书的范围内。
【权利要求】
1. 一种用于对燃烧器内的工作流体进行预加热的系统，所述系统包括： a. 用于向所述燃烧器提供所述工作流体的压缩机； b. 设置在所述压缩机下游的外壳，其中所述外壳至少部分地限定至少部分地围绕所述 燃烧器的高压气室； c. 限定在所述燃烧器内的燃烧室，其中所述燃烧室设置在所述高压气室的下游；以及 d. 设置在所述高压气室内且位于所述燃烧室上游的催化燃烧器，其中所述催化燃烧器 向所述燃烧室上游的所述工作流体提供热能。
2. 如权利要求1所述的系统，其中所述压缩机包括在所述高压气室上游的排出口，其 中所述催化燃烧器设置成靠近所述排出口。
3. 如权利要求1所述的系统，其中所述催化燃烧器至少部分地延伸穿过所述外壳。
4. 如权利要求1所述的系统，所述系统进一步包括至少部分地围绕所述燃烧室的燃烧 衬管，其中所述催化燃烧器至少部分地围绕所述燃烧衬管的一部分。
5. 如权利要求4所述的系统，所述系统进一步包括设置在所述催化燃烧器与所述燃烧 衬管之间的隔热屏。
6. 如权利要求4所述的系统，所述系统进一步包括围绕所述燃烧衬管的导流套筒，以 及限定在所述燃烧衬管与所述导流套筒之间的流道，所述流道为所述高压气室与所述燃烧 室之间提供流体通道，其中所述催化燃烧器设置在所述流道的上游。
7. 如权利要求1所述的系统，所述系统进一步包括设置在所述催化燃烧器下游并且在 所述燃烧室上游的预混流室。
8. 如权利要求1所述的系统，所述系统进一步包括与所述催化燃烧器流体连通的外部 氧化剂供应装置。
9. 如权利要求1所述的系统，所述系统进一步包括与所述催化燃烧器流体连通的高压 燃料供应装置。
10. -种用于燃气轮机的燃烧器，所述燃烧器包括： a. 燃烧衬管； b. 限定在所述燃烧衬管内的燃烧室； c. 设置在所述燃烧室上游的燃料喷嘴，其中所述燃料喷嘴至少部分地限定预混流室； d. 围绕所述燃烧衬管的外壳； e. 限定在所述外壳内的高压气室，其中所述高压气室位于所述预混流室的上游；以及 f. 设置在所述高压气室内且位于所述预混流室的上游的催化燃烧器。
11. 如权利要求10所述的燃烧器，其中所述高压气室与压缩机的排出口流体连通，所 述催化燃烧器设置成靠近所述排出口。
12. 如权利要求10所述的燃烧器，其中所述催化燃烧器至少部分地延伸穿过所述外 壳。
13. 如权利要求10所述的燃烧器，其中所述催化燃烧器至少部分地围绕所述燃烧衬管 的一部分。
14. 如权利要求10所述的燃烧器，所述燃烧器进一步包括设置在所述催化燃烧器与所 述燃烧衬管之间的隔热屏。
15. 如权利要求10所述的燃烧器，所述燃烧器进一步包括围绕所述燃烧衬管的导流套 筒，以及限定在所述燃烧衬管与所述导流套筒之间的流道，其中所述催化燃烧器在所述流 道上游的位置处至少部分地围绕所述燃烧衬管的一部分。
16. 如权利要求1所述的系统，所述系统进一步包括与所述催化燃烧器流体连通的外 部氧化剂供应装置，其中所述外部氧化剂供应装置包括辅助压缩机。
17. -种燃气轮机，所述燃气轮机包括： a. 用于提供压缩工作流体流的压缩机； b. 设置在所述压缩机下游的燃烧段，所述燃烧段具有限定高压气室的外壳； c. 设置在所述燃烧段下游的涡轮；并且 d. 其中所述燃烧段进一步包括： i. 在所述高压气室内延伸的燃烧器，所述燃烧器具有燃烧衬管、限定在所述燃烧衬管 内且位于所述高压气室下游的燃烧室，以及设置在所述燃烧室上游的燃料喷嘴；以及 ii. 设置在所述高压气室内且位于所述燃烧室的上游的催化燃烧器，其中所述催化燃 烧器向所述压缩工作流体流提供热能。
18. 如权利要求17所述的燃气轮机，其中所述催化燃烧器与所述外壳构成一个整体。
19. 如权利要求17所述的燃气轮机，其中所述催化燃烧器至少部分地围绕所述燃烧衬 管的一部分。
20. 如权利要求17所述的燃气轮机，所述燃气轮机进一步包括围绕所述燃烧衬管的导 流套筒，以及限定在所述燃烧衬管与所述导流套筒之间的流道，其中所述催化燃烧器在所 述流道上游的位置处至少部分地围绕所述燃烧衬管的一部分。
【文档编号】F23R3/02GK104100997SQ201410138748
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年4月8日 优先权日:2013年4月8日
【发明者】J.A.孔基里, R.M.瓦沙姆, G.O.克雷默 申请人:通用电气公司