[发明专利]被动空气-燃料混合预燃室

说明书

关于政府资助研究和开发的声明

本发明是利用合同号为DE-FC26-08NT05868的美国政府资助完成的。政府具有本发明中的某些权利。

技术领域

本发明大体上涉及燃气涡轮燃烧系统，并且更具体而言涉及使得能在燃气涡轮燃烧系统中有较宽的燃料灵活性的被动空气-燃料混合预燃室。

背景技术

贫预混燃烧系统中的燃料灵活性对于燃气涡轮而言是重要挑战，因为最终用户期望利用除天然气体之外的多种可用燃料源。这些各种备选燃料具有不同的燃烧特性，并且可用量和成分随季节变化。真正燃料灵活的燃烧系统必须能够适应这些变化(利用理想地仅仅燃料控制设置方面的改变)。

以气态燃料(最常见的是天然气)操作的现代燃气涡轮依靠贫预混燃烧以便高效地实现政府法规所要求的低NOx排放水平。燃料-空气预混过程通常发生在位于燃烧室正上游的预混器内。在预混器中，燃料被喷射到大得多的空气流动流中。燃料喷射通常发生为交叉流动射流的布置；然而，也可使用许多其它的方案。燃料通过流体流中的湍流结构混入空气中。

预混过程对许多因素敏感。在交叉流动射流混合的情况下，射流穿透对于燃料射流相对于主射流的动量通量比很敏感。如果射流动量通量太高，射流会过度穿透主射流。这种较强的射流不但会在空气通路中产生歪斜的燃料分布，而且射流还表现得类似于非流线体，从而产生强烈尾流的区域，其可为预混器内不期望的火焰稳定的潜在位置。相反，如果射流动量通量太低，则燃料从其孔中滴出且不会推出到主射流中，从而又导致歪斜的燃料分布。最终，较弱的预混导致带有比平均值高和低的燃料/空气比的区域。较高的燃料/空气比将促进过多的NOx产生，并且使火焰可能逆燃到预混器中；并且较低的燃料/空气比可导致局部熄灭的火焰前缘。

燃料-空气预混器设计成在特定的燃气涡轮条件设置下工作并带有特定燃料特性工作。一个重要的燃料特性在于较低的热值(LHV)，热值等于每单位体积燃料的能量含量或反应热。当LHV降低时，燃气涡轮需要较高的燃料体积流率以便保持相同的功率输出。然而，由于本文所述的一些挑战，预混器被优化在特定LHV值并且因此特定体积流率附近。预混器可合理地操作得远超过较窄的LHV范围；然而，如果燃料LHV变化得大于少许百分比，预混质量会恶化。此外，当更大的体积流率被输送穿过固定孔口时，驱动燃料喷射所需的压降大致随体积流率的平方增大。已发现燃料压降的较大变化会增加某些燃烧动态状况的敏感度。此外，增大燃料压力将驱动额外的燃料压缩设备要求，并且因此导致系统中的额外的成本和性能损失。

目前，有时通过增加额外的燃料喷射回路来实现更宽的燃料灵活性。通常，需要这样以便允许与低LHV燃料相关的高体积流率，同时不导致压降以及因此燃料输送压力增大。不利的是，任何额外的燃料回路都需要对燃料之间的切换的额外控制，以及在回路未使用时利用空气或惰性气体来净化回路。此外，由于典型的燃料喷射策略围绕较窄的燃料范围设计，任何额外回路只会增大在一个另外较窄的燃料范围上(现在集中在不同LHV处)操作的能力。

鉴于上述问题，有利的是提供一种被动空气-燃料混合预燃室，以便使燃气涡轮燃烧系统中能够有更宽的燃料灵活性，因而在单件燃烧器硬件内提供较宽的燃料能力，从而接近燃料灵活性较宽的贫预混燃气涡轮。该预燃室将：1)在预混器内提供被动补偿以对于燃料体积流率的变化调整和控制压降，2)对于燃料预混过程对燃料LHV的变化提供降低的敏感度，以及，3)一旦用于范围较宽的燃料的应用，提供优化预混器(燃料喷射)设计的能力。

发明内容

简言之，根据一个实施例，提供了一种被动空气-燃料混合预燃室，其使得燃气涡轮燃烧系统中能够有较宽的燃料灵活性。该预燃室包括：

一个或多个燃料通路，每个燃料通路包括上游部分，并且还包括下游部分，该下游部分包括至少一个燃料喷射孔口；以及

一个或多个流体管道，每个流体管道使上游部分的燃料通路与一个或多个空气通路相连，使得穿过燃料通路的燃料在与穿过一个或多个相应流体管道的空气混合时，在从大约150Btu/scf至大约900Btu/scf的较宽范围的燃料低热值(LHV)内，跨过每个燃料喷射孔口的压降与相应空气通路压降自平衡。

附图说明

当参照附图来阅读下述详细描述时，本发明的这些与其它特征、方面和优点将变得更好理解，所有附图中的相似标号表示相似部件，在附图中：

图1为示出根据一个实施例的带有空气-燃料混合预燃室的燃料灵活的预混器的简图；