[发明专利]用于减少燃气轮机燃烧室中燃料对空气浓度的装置和方法

说明书

本发明涉及到在采用预混的贫油燃烧过程的燃气轮机燃烧室中，用以减小或消除由于预混器中燃料对空气浓度波动而引起的动态压力水准增高的装置和方法，特别是关于用于使燃料和空气供给系统中的动态响应特性与燃气轮机燃烧室匹配的装置和方法，维持大致不变的燃料对空气比率，使其基本上不受在贫油燃烧的燃气轮机燃烧室的预混器中的燃气温度和压力的脉动影响。

鉴于对环境的关注，燃气轮机的氮氧化物(Nox)和一氧化碳(CO)的允许排放值一直在而且还在稳定地降低。获得很低排放值，同时保持高效率的一种方法是，采用建立在所谓贫油预混概念上的燃烧系统。在此系统中，燃烧前燃料和空气被充分混合。采用多种方式可以完成这种混合，所得到的这种燃料对空气的混合物浓度足够的低，结果燃烧时其火焰温度相当低，以致使Nox的生成物为最少。该燃料对空气的浓度大约为计算配比浓度的一半，且稍大于这个浓度，在此浓度时反应不能自身维持(不稳定极限)，并且火焰将熄灭。

由于这些燃烧系统是在非常接近反应稀薄极限状态下工作，与通常以传统燃气轮机燃烧系统所采用的计算配比的燃料对空气浓度的扩散火焰工作的情况不同，燃烧的稳定性会有很大问题。这种不稳定性可能是由燃烧室内的振荡压力造成的，它还经常通过与整体燃烧系统设计相关连的各种物理机构被放大。如果这种动压力超过可以接受的程度，则燃气轮机的运行和/或燃烧系统的机械耐用度则会大受影响。

在预混合燃烧中，与高动态压力水准相关连设有某些物理机制，而这与那些扩散式火焰燃烧系统是相同的，从预混器的燃料对空气浓度波动中引起的高动态压力，对于贫油预混燃烧系统是唯一的。在一种典型的贫油预混燃烧系统中，具有一个预混区，一个火焰稳定和反应区，第一级燃气涡轮喷嘴，燃料和空气输送系统。在此预混的贫油燃烧过程中，燃料和空气以相对混合区不同的动态特性方式，由各自的供应源输送。经预混过的燃料对空气的混合物在进入到反应区后，由保持在火焰稳定器的掩蔽区内的热燃气点火。经过燃烧生成的热燃气流经第一级燃气轮机喷嘴，这样加速气流流过第一级涡轮叶片。顶换通过第一级涡轮喷嘴热燃气所需要的压力，是流量和流体温度的函数。而燃气流的温度取决于进入到反应区中的燃料对空气的浓度比。当该浓度超过维持反应所需时，燃烧温度随浓度的变化大体呈线性关系。但是在浓度接近并通过稀薄极限时，燃气温度随浓度的变化会变得大得多，直到最后喷出火焰。

一种稀薄极限振荡会在任何贫油预混系统中发生。该振荡的周期如下：(1)一种压力脉冲，它或是由基本燃烧的噪声引起的，或是由某种系统扰动引起的，通过该系统扩散到预混装置中。由于预混装置中的压力决定着供给预混装置的燃料和空气的量，这种压力上的变化即这种压力脉冲，会使燃料和空气的流量发生变化。由于该燃料和空气供给系统的动态响应是不同的，造成在该预混装置内的燃料对空气浓度的一种改变。(2)进入到反应区内的这种新的燃料对空气浓度的燃料和空气，在那里燃料燃烧产生一个新的，而且与前不同的热燃气温度。(3)该具有新的温度的燃烧生成气体进入到第一级燃气轮机的喷嘴。由于该喷嘴的背压取决于该气体的温度，因此背压也产生了一个变化。(4)该新压力扩散到预混装置，该循环自我重复进行。这样，当该预混装置内的平均燃料对空气浓度接近该稀薄极限时，燃料对空气浓度的微小变化，会导致燃气温度和压力大的波动。因此，当要求有令人满意的排放时，这种状态下的运行就特别的不稳定。据所知，尚无很明确的方法来使由这种稀薄极限振荡所引起的动压水准减小到最小。

根据本发明，在贫油预混燃烧系统中的这种动态压力水准，是通过排除由该稀薄极限振荡循环引起的放大而降低的。一般来说，上述的稀薄极限振荡循环是通过匹配预混器的燃料和空气供给系统的动态反响特性来实现破坏的。一旦燃料和空气供给系统能大体一致地反响于压力的干扰，该预混器浓度就会基本不变，结果该反应区的燃气温度稳定，并且燃烧室压力也就相对不变。