CN102575853B

CN102575853B - 一种操作多燃料燃烧系统的方法

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Publication number: CN102575853B
Application number: CN201080045929.6A
Authority: CN
Inventors: V.巴维; J.吴; U.沃兹; J.范卡姆彭
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2009-10-20
Filing date: 2010-10-18
Publication date: 2014-09-17
Anticipated expiration: 2030-10-18
Also published as: US20120227412A1; JP5319018B2; WO2011048035A1; JP2013508603A; EP2491310B1; US8375724B2; EP2491310A1; CN102575853A; US20110091824A1

Abstract

本发明解释了一种操作多燃料燃烧系统的方法。它由第一阶段和第二阶段构成，其中第一阶段包括：对燃烧室火焰筒提供点火装置以点燃第一种燃料，在那里第一种燃料通过第一管道供应到燃烧室火焰筒。同时，在第一阶段中，除了第一种燃料，蒸汽也被供应到第一管道以及在点火之后，供应蒸汽到第二管道。在第二阶段中，在第一燃料点火之后，通过第二管道向燃烧室火焰筒供应第二种燃料，同时停止供应第一燃料。

Description

一种操作多燃料燃烧系统的方法

技术领域

本发明在于燃气轮机领域，特别地用于产生电能，更特别地，操作燃烧室系统的方法。

背景技术

未来的能源需求，可得燃料的缺乏以及环境规范对电力设备制造商施加压力以实现用安全、高效以及清洁的方式来产生电力的方案。燃料的缺乏主要在于油以及更少地延伸至天然气。使用充足的可得到的煤，从煤产生电主要使用蒸汽电力设备完成。从煤产生电的更干净和更高效的选择是在整体煤气化联合循环发电系统(IGCC：intergrated gasification combine cycle)中使用它们。在IGCC中，煤被首先气化以产生主要包括CO(一氧化碳)和H₂(氢气)的合成气。

与传统的天然气燃料相比，合成气典型地具有明显低的生热值。通过在燃烧合成气之前从合成气移除CO含量，也具有用于CO₂(二氧化碳)捕获的有效的方式。使用预燃烧CO₂捕获的IGCC原理是未来生产电力以及避免CO₂排放的最具成本效益方式之一。当天然气价格比预期上涨快或者使用增加的碳税规则时，具有CO2捕获的IGCC电厂的经济潜力可以更进一步提高。

由于低生热值和高氢含量，合成气燃料的燃烧需要改进的或者完全新的燃烧系统的研制，该燃烧系统能够处理宽范围的合成气燃料，产生很少的排放以及可以处理燃料的高活性。

合成气燃料的组成取决于所使用的气化器的类型以及取决于CO是否从燃料分离。除了合成气燃料，燃烧系统可以基于第二传统燃料运行，以用于备份和启动。该理想的可能性是通过一个燃烧系统通过执行适合的燃烧方法，使所有不同类型的燃料以稳定的方式燃烧，以增加效率和弥补由于气化所带来的效率损失。

发明内容

鉴于上文，在此的实施例包括操作多燃料燃烧系统的方法，包括：第一阶段和第二阶段，其中所述第一阶段包括：对燃烧室火焰筒(basket)提供点火以点燃第一种燃料，在那里第一种燃料通过第一管道供应到燃烧室火焰筒；除了第一种燃料，供应蒸汽到第一管道，并且在点火之后，供应蒸汽到第二管道；以及其中第二阶段包括：在第一燃料点火之后，通过第二管道向燃烧室火焰筒供应第二种燃料，同时停止供应第一燃料。

附图说明

本发明参照在附图中示出的示例性实施例在下文进一步进行说明，在附图中：

图1示出了基于本发明的实施例的多燃料燃烧系统的纵向横截面；

图2示出了在第一和第二管道的喷嘴区域处的燃料喷射孔；

图3示出了连同燃料喷射孔一起的第一管道和第二管道的侧视图；

图4示出了说明了基于本发明的一个实施例的多燃料燃烧系统的操作的第一阶段的曲线表示；

图5示出了说明了基于本发明的一个实施例的多燃料燃烧系统的操作的连同第一阶段一起的第二阶段的曲线表示；

具体实施方式

概括地，燃气轮机包括三部分：压缩器段、具有典型的燃烧室火焰筒的燃烧室段以及涡轮段。吸入压缩器段的空气被压缩。来自于压缩器段的压缩空气流动通过燃烧室段，在那里，在燃料燃烧之后，空气质量的温度得以进一步增加。来自于燃烧室段的热受压气体流动进入涡轮段，在那里膨胀气体的能量被转变成驱动发电机的涡轮转子的转动运动。

合成气燃料的低生热值以及也运行用于类似于天然气的备份燃料的燃烧器的需要，明显地影响了燃烧器的设计。燃烧器应该能够处理大燃料质量流(mass flow)，并因此燃料通道需要具有大的容量。太小的容量导致高燃料压力降。由于所涉及的大燃料质量流，与典型的天然气燃烧引擎(engine)相比，高压力降在引擎的整个效率上具有非常大的影响。

图1说明了根据本发明的一个实施例的多燃料燃烧系统10的横截面视图。多燃料燃烧系统10包括燃烧室火焰筒12。燃烧室火焰筒12的壁16由在过渡处彼此重叠布置的多个圆柱形区域14构成并且从燃烧室火焰筒的上游端20延伸至下游端22。燃烧室火焰筒的上游端20接近燃料管道通常供应燃料用于燃烧的区域，下游端是燃烧之后的气体向着涡轮段流出燃烧室火焰筒的区域。燃烧系统10设计为燃烧至少两种燃料，例如天然气和合成气。可以被使用的燃料的种类不限于天然气和合成气，因此燃烧系统10可以使用用于燃烧的其它燃料。

图1进一步示出了适于将例如天然气的第一种燃料直接提供至燃烧室火焰筒12的第一管道24，以及适于将例如合成气体的第二种的燃料直接提供至燃烧室火焰筒12的第二管道26。还存在最后一个第三管道25，其适于将第一种燃料和第二种燃料中的至少一种通过一个或者多个开口18喷射进入燃烧室火焰筒12。基于设计和需求，还可以存在多于一个管道以提供每种燃料至燃烧室火焰筒12。例如，可以存在多个第三管道25以通过多个开口18供应燃料到燃烧室火焰筒12中。还基于燃烧室火焰筒12的运行模式，每个管道适于处理不同的燃料。甚至管道可以在同一时间点处理多种燃料。为了有效地传输燃料，第二管道26被定位以围绕第一管道24或者同心地布置。第一管道24与更大直径的第二管道26同轴定位，且在第二管道26内部。由于第二管道26的直径大于第一管道24，所述第二管道26可以处理更大体积的低生热值燃料，因为大燃料质量流被需要以实现特定热能量输入。

第三管道25适于将第一种燃料和第二种燃料的至少其中一种注射进入压缩器排出空气，其流动通过与至少其中一个圆柱形区域14关联的至少其中一个开口18。第三管道25在端部处具有燃料注射喷嘴27，该端部具有以0至90°相对于开口18的中心线对准的1至5个喷射孔。在作为用于燃料的喷射器的管道的喷嘴的28的区域处，所考虑的第一管道24和第二管道26由圆形孔的同心圆构成。喷嘴28有利于将各种燃料直接喷射进入燃烧室火焰筒12并且喷嘴28定位在燃烧室火焰筒12的上游端部20处。

图2明确地示出了在喷嘴28的区域处的这两排同心孔。这些排的每个圆与管道相关联。孔21的内部排对应于第一管道24，孔23的外部排对应于第二管道26。在每个管道中的喷射器的数目可以不同，例如在8至18个孔之间，但是不限于这个数目。在图2中示出具有用于两个管道的14个喷射器的优选实施例。这些孔可以相对于彼此顺时针排列或者可以排成行。

在另一个优选实施例中，在第一管道24的喷嘴28的区域中的孔包括多个孔，这些孔定位在距离用于将燃料流喷射进入燃烧室火焰筒12的燃烧区域中的喷嘴中心的至少两个不同半径距离处。这种喷嘴设计促进了向着喷嘴中心的更大量的燃料流，其以成本效益以及简单的方式冷却了喷嘴。更重要地，这种孔布置保持了喷嘴的空气动力学性能。

图3示出了连同燃料喷射孔一起的第一管道和第二管道的侧视图。在第一管道24和第二管道26的喷嘴区28中的燃料喷射孔32可以相对于燃烧器轴34以0至45度之间的角度X径向定位。

回到图1，燃烧室火焰筒12的圆周壁16包括多个开口18。更接近燃烧室火焰筒12的上游端部20的至少两个圆柱形区域14a和14b进一步包括沿着各自的圆柱形区域的圆周分布的多个开口18。该多个开口18允许来自于压缩器段的压缩器排出空气向着燃烧室火焰筒中的燃烧区域流动。同时，接近燃烧室火焰筒10的下游端22的至少其中一个圆柱形区域也可以包括沿着圆柱形区域的圆周分布的多个开口18以允许压缩器排出空气向着燃烧室火焰筒12中的燃烧区域流动。燃烧系统10进一步包括与燃烧室火焰筒12以及第一、第二和第三管道连接的盖板29。这使得燃烧室火焰筒以及管道能够被连接至机壳。多燃料燃烧系统10进一步包括流动调节装置45，该流动调节装置45被定位以围绕燃烧室火焰筒12，并具有圆锥形段46和圆柱形段47，其具有适于允许压缩器排出空气向着燃烧室火焰筒12中的燃烧区域流动的多个孔48。流动调节装置45被用于获得为了冷却所需的压力降，以及被用于向燃烧室火焰筒12中的燃烧区域提供均匀的空气流。在圆柱形段47和圆锥形段46二者中的孔48被用作用于空气的流动通道。图1的多燃料燃烧系统1进一步包括在燃烧室火焰筒12的下游端22处的出口圆锥35，其具有与至少其中一个圆柱形区域14相关联的多个开口18对齐的多个槽37。该出口圆锥35意在改进热燃烧气体和来自于弹簧夹(spring-clip)通道39的冷空气流的混合。在这些气流之间的改进的混合导致了更好的CO排放。与通气口(scoop)18对齐的出口圆锥槽37防止了出口圆锥35的过热。

现在说明操作多燃料燃烧系统10的方法。该操作可以被分成两个主要的阶段：第一阶段和第二阶段。图4示出了说明了基于本发明的一个实施例的多燃料燃烧系统的操作的第一阶段的曲线图40。X轴表示了燃烧系统的负载的百分比，其中0表示空转阶段，100表示满载。Y轴表示了通过管道的喷嘴的燃料流。

在第一阶段期间，通过点火线圈向燃烧室火焰筒12提供点火，以点燃被供应至通过第一管道24的例如天然气的第一种燃料。线41表示通过第一管道24的第一种燃料流。在该第一阶段开始的期间，天然气可以被用作第一种燃料。在这点，可以没有用于净化第二管道26的需要。

该方法进一步包括，在第一阶段期间，为了稳定燃烧系统10，为了在燃烧室火焰筒12中的任何压力差，供应介质，例如惰性气体，氮气或者蒸汽或者密封空气至第二管道26。在典型的工业布置中，燃烧系统包括多个燃烧室火焰筒，以及在运行中，在这些燃烧室火焰筒之间会构建压力差。介质的供应也考虑到由于这种布置类型在燃烧室火焰筒中的压力差。在曲线图40中的线42表示了介质的供应。该方法也包括除了第一种燃料外还供应蒸汽至第一管道24并在点燃之后供应蒸汽至第二管道26。线43表示通过第一管道24的蒸汽供应，线44表示通过第二管道26的蒸汽供应。因此，在第一管道24中，蒸汽与第一种燃料混合。在提供给第一管道24的蒸汽更早的时间，蒸汽被提供至第二管道。通过利用存在于系统中的压力差，介质，例如密封气体可以从燃烧系统10取得。大约25％的蒸汽被注射通过第一管道24以及剩下的通过第二管道26。在基本负载处，当使用第一种燃料时，总的蒸汽质量流喷射率增加至最大。在第一管道24和第二管道26之间的蒸汽比率可以在10/90％和40/60％之间改变。在曲线图40中的线45表示在两个管道中的组合的总的蒸汽流。通常，当燃烧系统负载在它的总工作容量的25％和40％之间时，开始供应蒸汽进入第一管道和第二管道。基于运行条件或者基于设计或者需求，这也可以不同。同时，在运行的第一阶段期间，一旦在第一管道24和第二管道26中蒸汽供应稳定，在第二管道26中的介质的供应被关闭。

图5示出了表示基于本发明的一个实施例的多燃料燃烧系统的操作的连同第一阶段一起的第二阶段的曲线图50。在操作的第二阶段，例如合成气体的第二种燃料通过第二管道26被供应到燃烧室火焰筒12，同时停止供应第一种燃料。如果在该设计中采用预燃烧CO₂捕获，那么供应的第二种燃料可以是H₂燃料。曲线图50中的线51示出了通过第二管道26供应第二种燃料。当燃烧系统的负载大约在它的总工作容量的30％和50％之间时，通过第二管道26供应第二种燃料至燃烧室火焰筒可以开始。

该方法进一步包括在第二阶段期间，通过第一管道24供应一部分第二种燃料至燃烧室火焰筒12。曲线图50中的线52表示通过第一管道24供应一部分第二种燃料至燃烧室火焰筒12。这增加了合成气体流动面积并降低了燃料供应压力需要，并且该部分第二种燃料也用作用于第一管道24的净化介质。如果第一管道不用于供应该部分第二种燃料，类似例如蒸汽、氮气或者空气的介质可以被用作净化介质。在40％和70％负载之间，该净化完成。第二种燃料的100％可以通过第二管道26以低负载供应。超过70％负载，第一管道24通常用于供应第二种燃料。在第二阶段期间，通过第一管道供应的该部分第二种燃料在0％和20％之间，但是优选地，在第二阶段期间，在燃烧系统的运行期间，供应的第二种燃料的总的质量流在1％和20％之间。从第一阶段，在第一管道24中蒸汽被持续地供应，直到在第二阶段期间，开始通过第一管道24供应该部分第二种燃料为止。在此，蒸汽也用作净化介质。

进一步，如果需要的话，第三管道25也可以被用于供应第一种或者第二种燃料其中之一，以通过开口18引入所述燃料，来实现有效且更完全的燃烧。这进一步有利于减少NOx排放。因为NOx控制，其是第二种燃料的合成气体得以稀释。该稀释量基于负载范围变化。

要指出的是，在第一阶段结束，第二阶段开始时，第一种燃料被停止，燃烧器系统10被设置有第二种燃料。在燃烧器系统10中发生燃料转换。为了这个目的，作为通过第二管道26的第二种燃料的合成气体的水平(level)从最小开始上升，并逐渐增加，而同时降低了通过第一管道24的作为第一种燃料的天然气的供应。为了保持在第一管道24中的压力降恒定且为了保持NOx目标，蒸汽通过第一管道24会被供应。如果在第二管道26处的燃料的低热值(LHV：lower heat value)高于需要的LHV，合成气体得以稀释。当天然气流接近最低时，天然气流被关闭，蒸汽被持续用作净化介质，或者另外使用N₂净化。当载荷等级高于70％时，则至20％的合成气体可以被指向第一管道24，在第一管道中的净化介质可以被关闭。

在采用预燃烧CO₂捕获的设计中，当CO₂的隔离(sequestration)过程开始时，合成气体操作自动地改变为H₂操作。当CO₂的隔离过程结束时，H₂操作自动地改变为合成气体操作。稀释等级被监测和控制以满足NOx排放目标。如果需要的话，当载荷等级大于70％时，通过减少第二管道26中的合成气体/H₂，以及通过开始在第一管道24中供应天然气以补偿压力差，合成气体/H₂操作可以再次回到天然气操作。在第一管道24中的蒸汽注射用于保持压力降和控制NOx。在第二管道26中的蒸汽注射用于取代合成气体。当在第二管道26中的合成气体达到可允许的最低时，合成气体随后被关闭。

尽管本发明已经参照具体实施例进行说明，该说明书不意味着以限制性含义进行理解。当参照本发明的说明书时，公开的实施例的不同改进与本发明的可替换的实施例对于本领域技术人员变得明显。因此认为这些改进可以在不偏离如所限定的本发明的实施例得以进行。

Claims

1.一种操作多燃料燃烧系统的方法，包括：第一阶段和第二阶段，

其中所述第一阶段包括：

对燃烧室火焰筒提供点火以点燃第一种燃料，在那里所述第一种燃料通过第一管道供应到所述燃烧室火焰筒；

除了所述第一种燃料外，供应蒸汽到所述第一管道，并且在点火之后，供应蒸汽到第二管道；以及

其中所述第二阶段包括：

在所述第一种燃料点火之后，通过所述第二管道向所述燃烧室火焰筒供应第二种燃料，同时停止供应所述第一种燃料。

2.根据权利要求1所述的操作多燃料燃烧系统的方法，其中：在提供给所述第一管道的蒸汽更早的时间，蒸汽被提供至所述第二管道。

3.根据权利要求1所述的操作多燃料燃烧系统的方法，进一步包括在所述第一阶段期间，为了对于在所述第二管道和所述燃烧室火焰筒之间的任何压力差稳定所述燃烧系统，供应介质至所述第二管道。

4.根据权利要求3所述的操作多燃料燃烧系统的方法，进一步包括：在运行的第一阶段中，一旦在所述第一管道和所述第二管道中蒸汽供应稳定，在所述第二管道中的介质的供应被关闭。

5.根据权利要求1所述的操作多燃料燃烧系统的方法，进一步包括：在所述第二阶段期间，通过所述第一管道供应一部分所述第二种燃料至所述燃烧室火焰筒。

6.根据权利要求5所述的操作多燃料燃烧系统的方法，进一步包括：从所述第一阶段起，在所述第一管道中持续供应蒸汽，直到在所述第二阶段期间，开始通过所述第一管道供应该部分所述第二种燃料为止。

7.根据权利要求5所述的操作多燃料燃烧系统的方法，其中：在所述第二阶段操作期间，基于在所述第一管道中的该部分的所述第二种燃料流，调整在所述第二管道中的第二种燃料流。

8.根据权利要求5所述的操作多燃料燃烧系统的方法，其中：在所述第二阶段期间，通过所述第一管道供应的该部分所述第二种燃料是在所述第二阶段期间在所述燃烧系统的运行过程中所供应的所述第二种燃料的总质量流的1％和20％之间。

9.根据权利要求1所述的操作多燃料燃烧系统的方法，其中：所述第一种燃料是天然气。

10.根据权利要求1所述的操作多燃料燃烧系统的方法，其中：所述第二种燃料是合成气体。

11.根据权利要求1所述的操作多燃料燃烧系统的方法，其中：当所述燃烧系统负载在它的总工作容量的25％和40％之间时，开始供应蒸汽进入所述第一管道和所述第二管道。

12.根据权利要求1所述的操作多燃料燃烧系统的方法，其中：当所述燃烧系统负载在它的总工作容量的30％和50％之间时，在所述第二阶段，开始通过所述第二管道供应第二种燃料至所述燃烧室火焰筒。

13.根据权利要求1所述的操作多燃料燃烧系统的方法，其中：

所述第一种燃料和所述第二种燃料的至少其中之一使用第三管道供应至所述燃烧系统。

14.根据权利要求1所述的操作多燃料燃烧系统的方法，其中：所述燃烧系统使用预燃烧CO₂捕获过程。