CN102510977B - 燃烧设备 - Google Patents

Abstract

一种燃烧设备，包括：空气入口（1）；用于测量所述空气入口（1）中的气体量的第一测量装置（51）；至少一个燃烧器（5）；至所述燃烧器（5）的多个燃料供应管线（17，19）；排气口（13）；用于测量所述排气口（13）中的气体量的第二测量装置（15）；和设置成改变所述多个燃料供应管线（17，19）中的燃料供应以便控制所述排气口（13）中的气体量的控制单元（25），该改变是根据测量的所述空气入口（1）中的气体量和所述排气口（13）中的气体量进行的。

Description

燃烧设备

技术领域

本发明涉及一种燃烧设备。

更具体地，本发明涉及的燃烧设备包括：空气入口；至少一个燃烧器；至所述燃烧器的多个燃料供应管线；排气口；用于测量排气口中气体量的测量装置；和设置成改变多个燃料供应管线中燃料供应以便控制排气口中气体量的控制单元，该改变是根据所测量的排气口中的气体量进行的。

背景技术

一个这样的燃烧设备示于附图的图1中，该燃烧设备包括燃气涡轮发动机，图1是穿过该发动机的一个纵向横截面。

发动机包括空气入口1、压缩机级3、燃烧器5、一系列转子叶片9、转子轴11和排气口13。空气进入空气入口1，在压缩机级3中被压缩，并与燃料混合，混合物在燃烧器5中燃烧。燃烧产生的热气体驱动转子叶片9，由此驱动转子轴11。转子轴11：i）提供了机械转矩以便传送发动机所作的功，而且ii）驱动压缩机级3，以便通过空气入口1吸入另外的空气。跟随着转子叶片9，热气体通过排气口13离开发动机。

发动机进一步包括发动机燃料供应管线21、燃料分流阀23、连接至每个燃烧器5的一个或多个燃料供应管线17和引燃燃料供应管线19（图1只示出了至一个燃烧器的主燃料供应管线和引燃燃料供应管线）、位于排气口13中用来测量排气口中的氮氧化物（NOx）的量的测量装置15和基于所测量的排气口中NOx的量来调节燃料分流阀23设置的控制单元25。燃料分流阀23将发动机燃料供应管线21上接收的燃料在至每个燃烧器5的主燃料供应管线17和引燃燃料供应管线19之间分配。附图的图2示出了燃料通过燃料分流阀23供应到燃烧器5。控制单元25调节燃料分流阀23的设置，以控制排气口中NOx的量。

附图的图3和图4更详细地示出了燃烧器5，图3是穿过燃烧器的一个纵向横截面，图4是图3中直线IV-IV上的横截面。

燃烧器5包括前端部27、径向旋流器29、前室（pre-chamber）31和燃烧室33。主燃料供应管线17上接收的主燃料传递到位于流动槽39底部37中的主燃料喷嘴35，流动槽39被限定在径向旋流器29的相邻楔形轮叶41之间。主燃料进入流动槽，在此它与沿着流动槽大致在径向方向上向内移动的空气混合。主燃料和空气的混合物沿着流动槽向内移动，在径向旋流器的中央区域43中产生主燃料和空气的旋涡混合物。引燃燃料供应管线19上接收的引燃燃料传递到前端部27的端面47中的引燃燃料喷嘴45，引燃燃料还由此进入中央区域43。i）主燃料和空气的混合物以及ii）进入中央区域43的引燃燃料，i）和ii）这两者的供应保持了燃烧器前室31和燃烧室33中的燃烧。

进入中央区域43时主燃料与空气的混合物包括用于燃烧的供应物的预混合贫燃组分。进入中央区域43时引燃燃料包括用于燃烧的供应物的未预混合的富燃组分。预混合贫燃组分的优点在于，它会产生相对低的NOx；但缺点是，它会产生相对不稳定的燃烧（相对不稳定的火焰）。未预混合的富燃组分的优点在于，它会产生相对稳定的燃烧（相对稳定的火焰）；但缺点是，它会产生相对较高的NOx。

因此，当测量装置15测量到不可接受的高水平的NOx时，控制单元25调节燃料分流阀23的设置，以降低提供给引燃燃料供应管线19的燃料份额，因此相应增加提供给主燃料供应管线17的燃料份额。这有降低NOx的效果，但风险是可能产生不稳定的燃烧。

已经发现，对于图1-4的燃气涡轮发动机，有时，当供应到引燃燃料供应管线的燃料份额降低到NOx通常会下降到可接受水平的这样一种水平时，结果是，控制单元进一步降低该份额，从而导致不稳定燃烧和发动机故障，而这并非偶然事件。

发明内容

根据本发明，提供了一种燃烧设备，包括：空气入口；用于测量空气入口中气体量的第一测量装置；至少一个燃烧器；多个至所述燃烧器的燃料供应管线；排气口；用于测量排气口中气体量的第二测量装置；和设置成改变多个燃料供应管线中燃料供应以便控制排气口中气体量的控制单元，该改变是根据所测量的空气入口中的气体量和所测量的排气口中的气体量两者进行的。

附图说明

现在将参照附图以示例方式来描述本发明，附图中：

已被提到的图1示出了穿过燃气涡轮发动机的一个纵向横截面； 

已被提到的图2示出了燃料通过图1发动机的燃料分流阀供应到图1发动机的燃烧器中；

已被提到的图3是穿过图1发动机的燃烧器的一个纵向横截面；

已被提到的图4是图3中的直线IV-IV上的横截面； 

图5是穿过本发明燃气涡轮发动机的一个纵向横截面；

图6示意性示出了可用在图5发动机中的第一类测量装置；

图7示意性示出了可用在图5发动机中的第二类测量装置；和

图8是燃气涡轮发动机净排放与发动机负荷的曲线图，其包括三条极限曲线：净排放极限曲线、动力学极限曲线和温度极限曲线。

具体实施方式

根据图5中本发明的燃气涡轮发动机除以下方面外，与图1-4的燃气涡轮发动机相同：i）测量装置51位于空气入口1中，以测量空气入口中的NOx的量，和ii）控制单元25，以便控制排气口中的NOx的量，基于测量的排气口中的NOx的量与测量的空气入口中的NOx的量的差调节燃料分流阀23的设置。

已认识到，上面提到的关于图1-4发动机故障的问题是由于发动机工作环境中空气中NOx的水平造成的。除了发动机产生的NOx之外，这种背景NOx也会存在于发动机的排气中。当与发动机需要产生的NOx的量相比，如果此背景NOx是可感知的，则此背景NOx在控制发动机时必须考虑，因为如果不这样做，会导致对发动机提出过分要求，即如果不这样做，会造成供应到引燃燃料供应管线19的燃料份额降低太多，导致不稳定燃烧和发动机故障。例如，如果背景NOx比如是1ppm，发动机需要产生的NOx的量比如是5ppm，则背景NOx与要求发动机产生的NOx的量相比是可感知的，在控制发动机时应该予以考虑。

图5的发动机通过基于发动机实际产生的NOx(该NOx是排气口中的NOx与空气入口中的NOx（背景NOx）之差)来调节燃料分流阀23，从而聚焦在发动机实际产生的NOx上。当所述测量的排气口中的NOx与所测量的空气入口中的NOx的差产生不可接受的高水平NOx时，为了降低该水平，控制单元25调节燃料分流阀23的设置，以降低提供给引燃燃料供应管线19的燃料份额（当然，这也相应地增加了提供给主燃料供应管线17的燃料份额）。

图5发动机的测量装置15、51可包括图6所示的第一类测量装置。第一类测量装置包括跨管道测量装置，包括i）位于管道65（排气管或空气入口管）的相对两侧上的发射器61和接收器63，或ii）位于管道65的一侧上的发射器67和位于管道的相对侧上的反射镜69。

光由发射器61传送到接收器63，或者通过发射器67传送到反射镜69然后返回发射器67。沿管道65通行的气体吸收了一些光，结果是发射的光的强度和接收光的强度之间存在差异。此强度的不同是沿着管道通行的气体量的测量值—强度差异越大，通过的气体量越大。

发射光的波长范围是根据特定组分或待测量气体中的组分选择的。例如，在NOx情况下，可使用红外光。接收器63或发射器67接收的光被分析，以对光中存在的不同波长，确定发射光和接收光之间的强度差异。这提供了所测量的（一种或多种）气体组分的量。此信息被提供给控制单元25。

图5发动机的测量装置15、51可包括图7所示的第二类测量装置。第二类测量装置包括探测器测量装置，除了以下不同之外它与图6的跨管道测量装置相同：发射器61/收发器67和接收器63/反射镜69位于插入气体通道中的探测器73的相对两端71。

探测器测量装置相比跨管道测量装置具有优点：对于探测器测量装置，不需要将发射器和接收器或收发器与反射镜的对齐。不过，探测器测量装置具有缺点：它测量较少量的通过气体。

跨管道测量装置和探测器测量装置两者都现场测量通过的气体，即不用从管道内将气体样本提取到分析样本的其它地方。这在图5发动机的控制单元25对于NOx水平的变化作出快速响应方面是有利的：样本提取花费时间，这意味着基于样本分析由控制单元25调节燃料分流阀23相对于基于不需要提取而进行分析的调节，会有延迟。提取还具有缺点：用于执行提取的设备可改变提取样本的化学组成。而且，提取需要经常重新校准，维修密集，且昂贵。

在上文的描述中，NOx增加是通过调节燃料分流阀23来降低引燃燃料供应管线19供应的燃料来抵消的。此降低伴随着主燃料供应管线17供应的燃料量的相应增加，使得供应到所有燃烧器5和到每个单独的燃烧器5的燃料总量保持相同。这种变化会使供应到每个单独的燃烧器的燃料总量变化，而仍确保供应到所有燃烧器的燃料总量保持相同。下面的段落是这样一个例子。

供应到所有燃烧器中前一半的引燃燃料通过降低供应到此前一半中的每个燃烧器的燃料的总量降低。供应到所有燃烧器的后一半中每个燃烧器的燃料总量相应增大，以确保供应到所有燃烧器的燃料总量不会降低。假设供应到后一半的每个燃烧器的燃料总量现在是“X”。对于后一半中的每个燃烧器，燃烧器的主供应和引燃供应之间的分支X被调节以降低引燃供应，相应增大主供应。

在上面的描述中，每个燃烧器5具有主燃料供应和引燃燃料供应。此替代方式是：i）每个燃烧器具有两个主燃料供应和一个引燃燃料供应，和ii）每个燃烧器具有两个主燃料供应，没有引燃燃料供应，只要在i）和ii）中可以改变给燃烧器的供应中的一个以控制NOx。

在上文的描述中，是在空气入口和排气口两者中测量NOx，目的是要基于测量值来控制发动机，从而控制NOx。被控制的气体不一定是NOx，也可以是例如一氧化碳（CO）或甲烷（CH4），在这种情况下，在空气入口和排气口两者中测量所关心的气体，并且基于这些测量值来控制发动机，从而控制所关心的气体。而且，可控制多种气体，在这种情况下，所关心的所有气体的测量是在空气入口和排气口两者中进行的，并且基于这些测量值来控制发动机，从而控制所关心的气体。

曲线图图8涉及多种气体的控制。图8是所谓燃气涡轮发动机排放相对于发动机负荷的曲线图。排放包括许多种气体：NOx，CO，CH4等等。该曲线图的排放轴上的值是净排放值，即排气口中的排放测量值与空气入口中的排放测量值之差。该曲线图包括3条极限曲线：净排放极限曲线、动力学极限曲线和温度极限曲线。净排放极限曲线包括要求发动机不能超过的净排放——可以看出，这对于所有负荷都是相同的。动力学极限曲线涉及发动机燃烧器内的压力变化（如先前提到的，其是对燃烧器中燃烧稳定性的一种度量）。净排放一定不能降低到动力学极限曲线之下，否则可导致不稳定的燃烧。温度极限曲线涉及发动机中的温度，净排放一定不能上升到温度极限曲线之上，否则可导致发动机内过热。可看出，发动机必须被控制成将净排放保持在界定在动力学极限曲线和净排放极限曲线/温度极限曲线之间的包围区域内。

在上文的描述中，燃料分流阀23是基于空气入口和排气口中气体水平的测量值调节的。燃料分流阀23可另外基于发动机中的其它测量值调节，例如发动机温度和发动机中的压力，在这种情况下，控制单元25对燃料分流阀23的最终调节会基于如下考虑来确定，即控制单元25要处理气体水平、发动机温度和发动机内的压力的测量值。

控制单元25调节燃料分流阀23可考虑燃气涡轮发动机工作环境中的风速和风向。

Claims (11)

1.一种燃气涡轮发动机，包括：空气入口（1）；用于测量所述空气入口（1）中的气体量的第一测量装置（51）；至少一个燃烧器（5）；至所述燃烧器（5）的多个燃料供应管线（17，19）；排气口（13）；用于测量所述排气口（13）中的气体量的第二测量装置（15）；和设置成改变所述多个燃料供应管线（17，19）中的燃料供应以便控制所述排气口（13）中的气体量的控制单元（25），该改变是根据测量的所述空气入口（1）中的气体量和所述排气口（13）中的气体量进行的。

2.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中所述第一、第二测量装置（51，15）包括现场测量装置（图6，图7），其在现场测量气体量而不用从所述空气入口/排气口（1，13）将其提取出。

3.根据权利要求2所述的燃气涡轮发动机，其中所述现场测量装置（图6，图7）发射并接收光，以便分析接收到的光，从而确定被气体吸收的光的量，被吸收的光的量包括气体量的测量值。

4.根据权利要求1或权利要求2或权利要求3所述的燃气涡轮发动机，其中所述多个燃料供应管线（17，19）包括至少一个主燃料供应管线（17）和至少一个引燃燃料供应管线（19），改变所述多个燃料供应管线（17，19）中的燃料供应包括改变至少一个引燃燃料供应管线（19）中的燃料供应。

5.根据权利要求4所述的燃气涡轮发动机，其中在改变所述多个燃料供应管线（17，19）中的燃料供应时，所述多个燃料供应管线（17，19）供应的燃料总量保持相同。

6.根据权利要求5所述的燃气涡轮发动机，其中在改变所述多个燃料供应管线（17，19）中的燃料供应时，所述多个燃料供应管线（17，19）供应到所述或每个燃烧器（5）的燃料总量保持相同。

7.根据权利要求6所述的燃气涡轮发动机，其中所述或每个燃烧器（5）由主燃料供应管线（17）和引燃燃料供应管线（19）供应，而且改变所述多个燃料供应管线（17，19）中的燃料供应包括改变所述或每个燃烧器的引燃燃料供应管线（19）中的燃料供应，以及在相反意义上，相应改变所述或每个燃烧器的主燃料供应管线（17）中的燃料供应。

8.根据权利要求4所述的燃气涡轮发动机，其中通过所述主燃料供应管线（17）供应到所述燃烧器（5）的燃料在供应到发生燃烧的所述燃烧器（5）中的区域（43）之前，在所述燃烧器（5）中与空气混合，通过所述引燃燃料供应管线（19）供应到所述燃烧器（5）的燃料在供应到发生燃烧的所述燃烧器（5）中的区域（43）之前，不在所述燃烧器（5）中与空气混合。

9.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中改变所述多个燃料供应管线（17，19）中的燃料供应是根据测量的排气口（13）中的气体量减去测量的所述空气入口（1）中的气体量进行的。

10.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中所述气体是NOx。

11.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中所述气体包括多种气体，所述多个燃料供应管线（17，19）中燃料供应的变化将所述排气口（13）中所述多种气体的量控制成：

a）超过一极限，低于该极限，所述燃烧器（5）中会出现不稳定燃烧；和

b）低于一极限，超过该极限：i）所述多种气体的量会超过对其所设的极限，而且ii）所述设备中会出现过热。