專(zhuān)利名稱(chēng)：帶有可調(diào)空氣分流的延遲貧噴射的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的方面針對(duì)延遲貧噴射(LLI :late lean injection)燃料分級(jí)結(jié)構(gòu)及其實(shí) 現(xiàn)方法。
背景技術(shù)：
目前，一些燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)未能以高效率操作，并產(chǎn)生不希望的空氣污染排放物。通常，由燃燒傳統(tǒng)碳?xì)淙剂系臏u輪產(chǎn)生的主要空氣污染排放物為氮氧化物、一氧化碳和未燃燒的碳?xì)浠衔?。?duì)此，由于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中例如分子氮的氧化取決于燃燒器中的高溫和處于高溫的反應(yīng)物在燃燒器中的存留時(shí)間，所以通過(guò)將燃燒器溫度維持在低于熱N0x形成的水平，或通過(guò)限制處于高溫的反應(yīng)物的存留時(shí)間，使得N0x形成反應(yīng)的時(shí)間不足，從而降低熱N0x形成的水平。
—種溫度控制方法涉及在燃燒之前預(yù)先混合燃料和空氣以形成貧混合物。然而，已經(jīng)看出，對(duì)于重型工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)，即使使用預(yù)先混合的貧燃料，燃燒產(chǎn)物的所需溫度也太高，以致燃燒器必須在反應(yīng)區(qū)以超出熱NOx形成的閾值溫度的峰值氣體溫度操作，導(dǎo)致大量N0x形成。

發(fā)明內(nèi)容

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，其包括燃燒器，具有第一內(nèi)部，通過(guò)燃料回路供應(yīng)給第一內(nèi)部的第一燃料可在第一內(nèi)部中燃燒；渦輪機(jī)，包括旋轉(zhuǎn)渦輪葉片，至少可接收第一燃料的燃燒產(chǎn)物，以給渦輪葉片的旋轉(zhuǎn)提供動(dòng)力；過(guò)渡區(qū)，包括第二內(nèi)部，通過(guò)燃料回路給第二內(nèi)部供應(yīng)的第二燃料和第一燃料的燃燒產(chǎn)物可在第二內(nèi)部中燃燒，過(guò)渡區(qū)設(shè)置成將燃燒器和渦輪機(jī)彼此流體地聯(lián)接；多個(gè)燃料噴射器，在結(jié)構(gòu)上由過(guò)渡區(qū)支撐并聯(lián)接在燃料回路上，且構(gòu)造成給單軸向級(jí)、多軸向級(jí)、單軸向圓周級(jí)和多軸向圓周級(jí)中的任一個(gè)的第二內(nèi)部供應(yīng)第二燃料；壓縮機(jī)，流體地聯(lián)接在燃燒器和過(guò)渡區(qū)上，通過(guò)壓縮機(jī)將空氣供應(yīng)給第一內(nèi)部和第二內(nèi)部，用于在第一內(nèi)部和第二內(nèi)部中燃燒；和控制系統(tǒng)，聯(lián)接在燃料回路上并構(gòu)造成控制給第一內(nèi)部和第二內(nèi)部的空氣的相對(duì)量和由燃料回路供應(yīng)給第一內(nèi)部和第二內(nèi)部的第一燃料和第二燃料的相對(duì)量。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，其包括燃燒器，具有第一內(nèi)部，通過(guò)燃料回路給所述第一內(nèi)部供應(yīng)的第一燃料可在第一內(nèi)部中燃燒；和渦輪機(jī)，包括旋轉(zhuǎn)渦輪葉片，至少可接收第一燃料的燃燒產(chǎn)物，以給渦輪葉片的旋轉(zhuǎn)提供動(dòng)力，所述燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)包括過(guò)渡區(qū)，包括第二內(nèi)部，由燃料回路給所述第二內(nèi)部供應(yīng)的第二燃料和第一燃料的燃燒產(chǎn)物可在第二內(nèi)部中燃燒，過(guò)渡區(qū)設(shè)置成將燃燒器和渦輪機(jī)彼此流體地聯(lián)接；多個(gè)燃料噴射器，在結(jié)構(gòu)上由過(guò)渡區(qū)支撐并聯(lián)接在燃料回路上，且構(gòu)造成給單軸向級(jí)、多軸向級(jí)、單軸向圓周級(jí)和多軸向圓周級(jí)中的任一個(gè)的第二內(nèi)部供應(yīng)第二燃料；壓縮機(jī)，流體地聯(lián)接在燃燒器和過(guò)渡區(qū)上，通過(guò)壓縮機(jī)將空氣供應(yīng)給第一內(nèi)部和第二內(nèi)部，用于在第一 內(nèi)部和第二內(nèi)部中燃燒；和控制系統(tǒng)，聯(lián)接在燃料回路上，并構(gòu)造成控制給第一 內(nèi)部和第二內(nèi)部的空氣的相對(duì)量和由燃料回路供應(yīng)給第一內(nèi)部和第二內(nèi)部的第一燃料和第二燃料的相對(duì)量。
根據(jù)本發(fā)明的再一方面，提供了一種操作燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的方法，其中渦輪機(jī)通過(guò)過(guò)渡區(qū)流體地聯(lián)接在燃燒器上，過(guò)渡區(qū)介于渦輪機(jī)和燃燒器之間，且其中，壓縮機(jī)給燃燒器和過(guò)渡區(qū)供應(yīng)空氣，所述方法包括給燃燒器中的第一內(nèi)部供應(yīng)第一燃料；在燃燒器中的第一內(nèi)部中燃燒第一燃料；給單軸向級(jí)、多軸向級(jí)、單軸向圓周級(jí)和多軸向圓周級(jí)中的任一個(gè)的過(guò)渡區(qū)中的第二內(nèi)部供應(yīng)第二燃料；在過(guò)渡區(qū)的第二內(nèi)部中燃燒第二燃料和從第一內(nèi)部接收的燃燒產(chǎn)物的流；和控制供應(yīng)給第一內(nèi)部和第二內(nèi)部的空氣和第一燃料和第二燃料的相對(duì)量。
在結(jié)合附圖的以下描述中，這些和其它優(yōu)點(diǎn)、特征將變得更加清楚。



將具體指出被認(rèn)作是本發(fā)明的主題，并在說(shuō)明書(shū)結(jié)尾的權(quán)利要求中清楚地要求保護(hù)該主題。在結(jié)合附圖的隨后詳細(xì)描述中，本發(fā)明的前述和其它特征、優(yōu)點(diǎn)是明顯的，其中
圖1為包括延遲貧噴射能力的渦輪機(jī)的側(cè)剖面圖；
圖2為圖示頭端燃料分流百分比對(duì)圖1中渦輪機(jī)的點(diǎn)火溫度的圖的圖表；
圖3為圖示操作圖1中渦輪機(jī)的方法的流程
圖4A-4D為各種頭端結(jié)構(gòu)的側(cè)剖面圖；禾口

圖5A-5D為各種燃料噴射器結(jié)構(gòu)的透視圖。
以下詳細(xì)描述將參照附圖以舉例的方式解釋本發(fā)明的實(shí)施例和其優(yōu)點(diǎn)、特征。 標(biāo)號(hào)列表 IO燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī) 11頭端 12多個(gè)預(yù)先混合噴嘴 13標(biāo)準(zhǔn)燃燒器結(jié)構(gòu) 14 DLN 1+燃燒器結(jié)構(gòu) 15 DLN 2+燃燒器結(jié)構(gòu)
16 DLN 2. 6/2. 6+燃燒器結(jié)構(gòu) 20燃燒器 21第一內(nèi)部 30壓縮機(jī) 40套筒 41第二內(nèi)部 42稀釋孔 43過(guò)渡區(qū) 50渦輪機(jī) 60燃料噴射器 61閥 70燃料回路 71，72支路 80控制器 90源 91煉廠氣體閥 100熱偶/壓力計(jì) 1103通閥 120催化部分氧化反應(yīng)器 125管中管?chē)娚淦鹘Y(jié)構(gòu) 130管 140沖擊套筒表面 145套筒 150接口部 155旋流噴射器 160歧管 165吹洗件 170旋流器 175濃催化噴射器結(jié)構(gòu) 180濃催化元件 185多管/噴頭噴射器結(jié)構(gòu) 190多個(gè)管 300操作渦輪機(jī) 310啟動(dòng)LLI 320確定 330降低LLI水平 340增加LLI水平 350繼續(xù)操作LLI
具體實(shí)施例方式
參照?qǐng)Dl，提供了一種燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)IO，該燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)10包括燃 燒器20，具有第一內(nèi)部21，由燃料回路70供應(yīng)給第一內(nèi)部21的第一燃料可在第一內(nèi)部21 中燃燒；壓縮機(jī)30，通過(guò)壓縮機(jī)30壓縮入口空氣，并將其至少提供給燃燒器20和過(guò)渡區(qū) 43 ;和渦輪機(jī)50，渦輪機(jī)50包括旋轉(zhuǎn)渦輪葉片，其中至少可接收第一燃料的燃燒產(chǎn)物，以給 渦輪葉片的旋轉(zhuǎn)提供動(dòng)力。過(guò)渡區(qū)43設(shè)置為將燃燒器20和渦輪機(jī)50流體聯(lián)接，并包括第 二內(nèi)部41，由燃料回路70給第二內(nèi)部41供應(yīng)第二燃料和第一燃料的燃燒產(chǎn)物可在第二內(nèi) 部41中燃燒。如圖所示，燃燒器20和過(guò)渡區(qū)43彼此組合而大致具有頭端11的形式，頭端 11可具有各種結(jié)構(gòu)，如下面所討論的那樣。
如圖1所示，頭端11可包括多個(gè)預(yù)先混合噴嘴12。然而，如圖4A-4D所 示，其它的頭端11結(jié)構(gòu)也是可能的。這些替代結(jié)構(gòu)包括但不限于圖4A中的標(biāo)準(zhǔn)燃燒器結(jié) 構(gòu)13，圖4B中的干式低NOx (DLN) 1+燃燒器結(jié)構(gòu)14，圖4C中的DLN 2+燃燒器結(jié)構(gòu)15，和 圖4D中的DLN 2. 6/2. 6+燃燒器結(jié)構(gòu)16。此外，其它燃燒器結(jié)構(gòu)還包括整體氣化聯(lián)合循環(huán) (IGCC)頭端、催化頭端、擴(kuò)散型頭端和多噴嘴靜音燃燒(MNQC)型頭端。

對(duì)于上述頭端11的各結(jié)構(gòu)，應(yīng)當(dāng)理解，這些結(jié)構(gòu)的型式可以是延遲貧噴射 (LLI)兼容的。LLI兼容燃燒器可以為具有超過(guò)2500 。F的出口溫度或以大于10ms的熱側(cè) 存留時(shí)間處理含反應(yīng)性比甲烷強(qiáng)的成分的燃料的任意燃燒器。作為舉例，DLN 1+燃燒器結(jié) 構(gòu)14的LLI兼容型式可具有低于2500下的出口溫度但可處理含反應(yīng)性比甲烷強(qiáng)的成分的 燃料。擴(kuò)散型頭端燃燒器的LLI兼容型式可具有超過(guò)2500下的出口溫度，并可處理含反應(yīng) 性比甲烷強(qiáng)的成分的燃料。類(lèi)似地，DLN 2.0/DLN 2+燃燒器結(jié)構(gòu)15的LLI兼容型式可具有 超過(guò)2500下的出口溫度，并可處理含反應(yīng)性比甲烷強(qiáng)的成分的燃料，同時(shí)，催化頭端或DLN 2. 6/2. 6+燃燒器結(jié)構(gòu)16的LLI兼容型式可具有超過(guò)2500 °F的出口溫度，并可處理含反應(yīng) 性比甲烷強(qiáng)的燃料。
多個(gè)燃料噴射器60各在結(jié)構(gòu)上由過(guò)渡區(qū)43的外壁或由繞過(guò)渡區(qū)43的套 筒40的外壁支撐，并延伸進(jìn)入第二內(nèi)部41至不同深度。利用這種構(gòu)造，各燃料噴射器60 構(gòu)造成提供LLI燃料分級(jí)能力。就是說(shuō)，各燃料噴射器60構(gòu)造成通過(guò)例如沿一個(gè)方向(其 通常橫切于通過(guò)過(guò)渡區(qū)43的主要流向)噴射燃料來(lái)將第二燃料(即LLI燃料)供應(yīng)給單 軸向級(jí)、多軸向級(jí)、單軸向圓周級(jí)和多軸向圓周級(jí)中的任何一個(gè)的第二內(nèi)部41。這樣，對(duì)在 燃燒器20和過(guò)渡區(qū)43中的情況進(jìn)行分級(jí)，以生成穩(wěn)定燃燒的局部區(qū)域。

參照?qǐng)D5A-5D，可以看出燃料噴射器60可以具有各種特征和功能。例如， 如圖5A所示，燃料噴射器60可以包括管中管(tube-in-tube)噴射器結(jié)構(gòu)125。在該結(jié)構(gòu) 中，通過(guò)管130中噴嘴，將燃料主動(dòng)地送入過(guò)渡區(qū)43的內(nèi)部41，并通過(guò)管130和套筒145之 間的環(huán)形空間將空氣被動(dòng)地送入，套筒145從沖擊套筒表面140延伸到接口部150。如圖 5B所示，燃料噴射器60還可以包括旋流噴射器155。在該結(jié)構(gòu)中，通過(guò)歧管160將燃料主 動(dòng)地送入過(guò)渡區(qū)43的內(nèi)部41，并通過(guò)中央吹洗件(central purge) 165和/或通過(guò)旋流器 170將空氣被動(dòng)地送入。此外，如圖5C和5D所示，燃料噴射器60結(jié)構(gòu)的其它舉例包括濃 催化噴射器(rich catalytic injector)結(jié)構(gòu)175，其包括濃催化元件180 ;和多管/噴頭 噴射器結(jié)構(gòu)185，其包括多個(gè)管190，通過(guò)多個(gè)管190將燃料送入過(guò)渡區(qū)43。應(yīng)當(dāng)理解，在 各種這些情況中，燃料噴射器60可以在對(duì)應(yīng)于過(guò)渡區(qū)43的外表面上的之前存在的稀釋孔42(如果存在的話)的位置聯(lián)接到過(guò)渡區(qū)43。以這種方式，由于不需要將附加孔鉆入過(guò)渡 區(qū)43的外表面，所以限制了或大大地減少了制造成本和負(fù)面的性能效果。如果稀釋孔42 已經(jīng)不存在，那么燃料噴射器60可根據(jù)需要放置在過(guò)渡區(qū)43的外部。
根據(jù)實(shí)施例，單軸向級(jí)包括當(dāng)前操作的單個(gè)燃料噴射器60，沒(méi)有用于多個(gè) 的先行基礎(chǔ)的多軸向級(jí)包括多個(gè)當(dāng)前操作的燃料噴射器60，多個(gè)當(dāng)前操作的燃料噴射器 60分別設(shè)置在過(guò)渡區(qū)43的多個(gè)軸向位置，單軸向圓周級(jí)包括分別繞過(guò)渡區(qū)43的單個(gè)軸向 位置的圓周設(shè)置的多個(gè)當(dāng)前操作的燃料噴射器60，而多軸向圓周級(jí)包括多個(gè)當(dāng)前操作的燃 料噴射器60，所述多個(gè)當(dāng)前操作的燃料噴射器60繞過(guò)渡區(qū)43的圓周設(shè)置在過(guò)渡區(qū)43的多 個(gè)軸向位置上。
這里，在多個(gè)燃料噴射器60繞過(guò)渡區(qū)43的圓周設(shè)置的地方，燃料噴射器 60可基本上均勻地或不均勻地彼此隔開(kāi)。作為舉例，八個(gè)或十個(gè)燃料噴射器60可應(yīng)用在特 定的圓周級(jí)，2、3、4或5個(gè)燃料噴射器60安裝成在過(guò)渡區(qū)43的上半部和下半部(northern andsouthern hemispheres)上具有彼此分離的變化的角度。另外，在多個(gè)燃料噴射器60設(shè) 置在過(guò)渡區(qū)43的多個(gè)軸向級(jí)的地方，燃料噴射器60可相對(duì)于彼此排列成行和/或交錯(cuò)。

在燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)10的操作期間，各燃料噴射器60可聯(lián)合地或分離地被 激勵(lì)(activate)或被去激勵(lì)(deactivate)，使得形成單軸向級(jí)、多軸向級(jí)、單軸向圓周級(jí) 和多軸向圓周級(jí)中的當(dāng)前有效的一個(gè)。為此，應(yīng)當(dāng)理解，可通過(guò)燃料回路70借助于設(shè)置在 對(duì)應(yīng)的燃料噴射器60和燃料回路70的支路71或72之間的閥61給各燃料噴射器60供應(yīng) LLI燃料。閥61與發(fā)送信號(hào)給閥61的控制器80信號(hào)通信，以便使閥61打開(kāi)或關(guān)閉，并由 此激勵(lì)或去激勵(lì)對(duì)應(yīng)的燃料噴射器60。
因而，如果當(dāng)前希望各燃料噴射器60當(dāng)前被激勵(lì)(S卩，多軸向圓周級(jí))，那 么控制器80發(fā)送信號(hào)給各閥61，并使這些閥61打開(kāi)，并由此激勵(lì)各燃料噴射器60。相反 地，如果當(dāng)前希望過(guò)渡區(qū)43的特定軸向級(jí)的各燃料噴射器60當(dāng)前被激勵(lì)(即，單軸向圓周 級(jí))，那么控制器80僅發(fā)送信號(hào)給對(duì)應(yīng)于單軸向圓周級(jí)的燃料噴射器60的各閥61，并使這 些閥61打開(kāi)，并由此激勵(lì)各燃料噴射器60。當(dāng)然，該控制系統(tǒng)僅僅是示范性的，應(yīng)當(dāng)理解， 燃料噴射器結(jié)構(gòu)的多種組合是可能的，用于控制燃料噴射器60的激勵(lì)和去激勵(lì)中的至少 一個(gè)的其它系統(tǒng)和方法是可獲得的。
此外，通過(guò)具有多個(gè)燃料噴射器結(jié)構(gòu)的多個(gè)燃料噴射器60的存在，如上所 述，控制器80可進(jìn)一步構(gòu)造成在任意時(shí)間僅激勵(lì)具有特定燃料噴射器結(jié)構(gòu)的那些燃料噴 射器60。因而，如果當(dāng)前希望具有管中管?chē)娚淦鹘Y(jié)構(gòu)125的各燃料噴射器60當(dāng)前被激勵(lì)， 那么控制器80發(fā)送信號(hào)給對(duì)應(yīng)于那些燃料噴射器60的各閥61，并使這些閥61打開(kāi)。相反 地，如果當(dāng)前希望激勵(lì)包括旋流噴射器155的各燃料噴射器60，那么控制器80僅發(fā)送信號(hào) 給對(duì)應(yīng)于包括旋流噴射器155的燃料噴射器60的各閥61，并使這些閥61打開(kāi)。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種操作燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)10的方法，其 中，渦輪機(jī)50通過(guò)介于渦輪機(jī)50與燃燒器20之間的過(guò)渡區(qū)43而流體聯(lián)接到燃燒器20。 該方法包括給燃燒器20內(nèi)的第一內(nèi)部21供應(yīng)第一燃料；在燃燒器20內(nèi)的第一內(nèi)部21 中燃燒第一燃料；給單軸向級(jí)、多軸向級(jí)、單軸向圓周級(jí)和多軸向圓周級(jí)中任一個(gè)的過(guò)渡區(qū) 43內(nèi)的第二內(nèi)部41供應(yīng)第二燃料；以及在過(guò)渡區(qū)內(nèi)的第二內(nèi)部41中燃燒第二燃料和從第 一內(nèi)部21接收的燃燒產(chǎn)物的流。
8

這里，給在單軸向級(jí)中的第二內(nèi)部41供應(yīng)第二燃料包括激勵(lì)單個(gè)燃料噴 射器60，給在多軸向級(jí)中的第二內(nèi)部41供應(yīng)第二燃料包括激勵(lì)分別設(shè)置在過(guò)渡區(qū)43的多 個(gè)軸向位置的多個(gè)燃料噴射器60，給在單軸向圓周級(jí)中的第二內(nèi)部41供應(yīng)第二燃料包括 激勵(lì)分別繞過(guò)渡區(qū)43的圓周設(shè)置在過(guò)渡區(qū)43的單個(gè)軸向位置的多個(gè)燃料噴射器60，而給 在多軸向圓周級(jí)中的第二內(nèi)部41供應(yīng)第二燃料包括激勵(lì)分別繞過(guò)渡區(qū)43的圓周設(shè)置在過(guò) 渡區(qū)43的多個(gè)軸向位置的多個(gè)燃料噴射器60。
參照?qǐng)D2，可以看出，圖2提供了用于燃料分流控制的各種選擇的圖表圖 示。在圖2中，繪制了相對(duì)于Tfire值的頭端燃料分流的百分比，Tfire值為燃燒器20和 /或過(guò)渡區(qū)43中溫度的測(cè)量。由于控制器80進(jìn)一步構(gòu)造成控制第一燃料和第二燃料朝頭 端11和/或燃料噴射器60的流向，所以可以看出LLI燃料分級(jí)還可以根據(jù)圖2中顯示的 控制選擇由控制器80進(jìn)行進(jìn)一步控制。為此，控制器80聯(lián)接在閥61上，如上面所討論的 那樣，并聯(lián)接在閥73上，以控制給燃料噴射器60的第二燃料的輸送和控制給頭端11的第 一燃料和/或LLI燃料的輸送。
如圖2所示，用于這種控制的第一選擇采用固定頭端分流，其中，一旦達(dá)到 Tfire的預(yù)先選擇的值，便將某百分比(< 100%)的第一燃料和/或LLI燃料輸送給過(guò)渡 區(qū)43，用于LLI燃料分級(jí)。從這一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，輸送給過(guò)渡區(qū)43的燃料的百分比保持基本上恒 定。第二選擇采用頭端分流規(guī)劃(head end split schedule)。在該情況下，隨著Tf ire值 增加到超出預(yù)先選擇的值，LLI燃料的百分比成比例地或基于一些其它適當(dāng)?shù)暮瘮?shù)而增加。 第三選擇為將LLI燃料的百分比作為燃燒器20、壓縮機(jī)30、過(guò)渡區(qū)43和/或渦輪機(jī)50的 內(nèi)部環(huán)境的若干特性中的任意一個(gè)或多個(gè)的函數(shù)。例如，百分?jǐn)?shù)可以是Tcd或Pcd(測(cè)得的 壓縮機(jī)排放溫度和壓力條件)的函數(shù)；燃燒器20、壓縮機(jī)30或過(guò)渡區(qū)43內(nèi)的濕度讀數(shù)的 函數(shù)；燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度和/或T39 (計(jì)算所得的燃燒器出口溫度)的函數(shù)。

以上討論的第三選擇還可變更，以適應(yīng)當(dāng)前修正的沃泊指數(shù)(麗I)。在 該情況下，由于已知麗I計(jì)量燃料的能量密度，且對(duì)于給定的燃料噴嘴區(qū)域，較低的麗I 指示頭端燃料噴嘴上壓力比率的增加，而壓力比率的增加可能造成不希望的動(dòng)力學(xué)特性 (dynamics)，且LLI燃料噴嘴對(duì)動(dòng)力學(xué)特性不靈敏，所以LLI燃料的百分比也可以是麗I的 函數(shù)。以這種該方式，隨著麗I增加，更大百分比的LLI燃料轉(zhuǎn)向過(guò)渡區(qū)43。根據(jù)這些選 擇中的各選擇，應(yīng)當(dāng)理解，熱偶/壓力計(jì)100或任何其它適當(dāng)?shù)沫h(huán)境測(cè)量裝置可安裝在燃燒 器20、壓縮機(jī)30、過(guò)渡區(qū)43和/或渦輪機(jī)50中，這被認(rèn)為是測(cè)量燃燒器20、壓縮機(jī)30、過(guò) 渡區(qū)43和渦輪機(jī)50中的溫度和壓力所需要的。
參照?qǐng)D3，可以看出，控制具有LLI能力的渦輪的方法包括在步驟300操作 渦輪機(jī)、在步驟310，在特定時(shí)間段之后或一旦達(dá)到Tfire的預(yù)先選擇的值時(shí)啟動(dòng)LLI，和在 步驟350根據(jù)第一選擇在相同水平繼續(xù)操作LLI。相反地，根據(jù)第二選擇，該方法包括在步 驟350以增加的水平繼續(xù)操作LLI。同時(shí)，根據(jù)第三選擇，在步驟320確定燃燒器20、壓縮 機(jī)30和/或過(guò)渡區(qū)域43的任何特定的測(cè)量特征是否高于或低于確定的參數(shù)，并且基于確 定的結(jié)果，在步驟330降低LLI水平、在340增加LLI水平、或在步驟350維持并隨后繼續(xù) LLI操作。
再參照?qǐng)D1，控制器80進(jìn)一步構(gòu)造成控制3通閥IIO，和在一些實(shí)施例中， 控制繞燃料噴射器60設(shè)置在歧管上的附加閥或上述閥61。因此，控制器80能夠控制由壓縮機(jī)30輸送至燃燒器20和過(guò)渡區(qū)43或各燃料噴射器60的入口空氣的空氣分流。通過(guò)這 種方式，控制器80能夠同時(shí)改變?nèi)剂戏至骱涂諝夥至?。因此，控制?0因此能產(chǎn)生用于燃 燒系統(tǒng)的操作路徑，其注重燃燒系統(tǒng)的最優(yōu)的燃料與空氣的比率。根據(jù)本發(fā)明的不同實(shí)施 例，3通閥110可進(jìn)一步集成為整體空氣冷卻劑系統(tǒng)、廣義調(diào)節(jié)規(guī)劃(extended turndown efforts)和/或能源部(DoE)計(jì)劃的一部分。
如上所述，實(shí)現(xiàn)了 3通閥110的控制，用來(lái)優(yōu)化燃燒系統(tǒng)的燃料對(duì)空氣的比 率。這些比率可基于燃燒器20和過(guò)渡區(qū)43的規(guī)格或可基于當(dāng)前環(huán)境條件進(jìn)行預(yù)先選擇。 在該情況下，控制器80可基于安裝在燃燒器20、壓縮機(jī)30、過(guò)渡區(qū)43和渦輪機(jī)50中的熱 偶/壓力計(jì)100的溫度和/或壓力讀數(shù)，增加燃燒器20或過(guò)渡區(qū)43中的燃料對(duì)空氣的比率。
延遲貧噴射(LLI)還可允許將包括諸如煉廠氣體的替代氣體的多種氣體 流噴施進(jìn)入過(guò)渡區(qū)43，通常這是非LLI燃燒器不能處理的。由于關(guān)注預(yù)先混合器中不希望 的駐焰，所以諸如煉廠氣體的強(qiáng)反應(yīng)性氣體典型地不能通過(guò)預(yù)先混合的燃燒器處理。另一 方面，可將在特定情況下可以或不可以與天然氣混合的煉廠氣體直接噴射進(jìn)入過(guò)渡區(qū)43， 而沒(méi)有此類(lèi)問(wèn)題，尤其是在燃料噴射器60容許駐焰的情況下。這里，在煉廠氣體與天然氣 混合時(shí)，使用的天然氣的量可以是上述Tcd、 Pcd和T39的函數(shù)。另外，應(yīng)當(dāng)理解，在將煉廠 氣體噴射進(jìn)入過(guò)渡區(qū)43時(shí)，可在頭端11采用對(duì)駐焰靈敏的預(yù)先混合器，以防止或極大地減 少駐焰事故的可能性。
如圖1所示，可以借助于由控制器80控制的煉廠氣體閥91，將替代氣體從 源90噴射進(jìn)入燃料回路70的支路71或72。以這種方式，當(dāng)確定已將替代氣體噴射進(jìn)入過(guò) 渡區(qū)43時(shí)，控制器80可以打開(kāi)煉廠氣體閥91，使得替代氣體可以通過(guò)燃料回路70向燃料 噴射器61傳播。
作為進(jìn)一步的實(shí)施例，應(yīng)當(dāng)理解，替代氣體可以與天然氣混合，以形成第一 燃料，其組成反映使用的具體頭端ll的容許度。替代氣體可以提供具有或不具有這樣的混 合，以形成第二燃料。
此外，還應(yīng)當(dāng)理解，替代氣體可包括上述由燃料回路70從源90接收的煉廠 氣體和由反應(yīng)性比甲烷強(qiáng)的成分組成的氣體。更具體地說(shuō)，替代氣體可包括含約O. 5% (體 積)以上的量的氫、約5% (體積)以上的量的乙烷、約10% (體積)以上的量的丙烷、約 5%(體積)的以上的量丁烷或量丁烷以上的碳?xì)浠衔锏臍怏w。
燃料回路70也可結(jié)合多個(gè)支路71和72以適應(yīng)燃料流的改變。多個(gè)支路 71和72然后也可用來(lái)通過(guò)提供額外的燃料流區(qū)域，或通過(guò)以產(chǎn)生分離的燃燒模式(即擴(kuò)散 和預(yù)混合)的方式引入燃料而允許燃料成分的大的變化。支路71和72也可允許燃料沃泊 值、燃料成分的變化以及動(dòng)態(tài)調(diào)整。燃料回路70的支路71和72可實(shí)施為燃料回路70的 支路，過(guò)渡區(qū)43中的附加燃料噴嘴或這些選擇的組合以及其它合適的選擇。

支路71和72可進(jìn)一步包括沿其長(zhǎng)度方向設(shè)置的催化部分氧化反應(yīng)器 (CPCR) 120。 CPCR120將第一燃料或第二燃料中的甲烷轉(zhuǎn)化成氫，和/或部分地氧化甲烷而 不生成氮氧化物。結(jié)果，由于用于LLI的已反應(yīng)燃料已經(jīng)部分地氧化，燃料可甚至晚于其在 其它情況下將要噴射的時(shí)間而噴射到過(guò)渡區(qū)43中。
盡管已經(jīng)結(jié)合有限數(shù)量的實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)描述，但容易理解的是，本發(fā)明不限于這些公開(kāi)的實(shí)施例。本發(fā)明可以修改成結(jié)合以上未描述的任意數(shù)量的 變型、變更、替代或等同配置，這些變型、變更、替代或等同配置雖未作描述，但其屬于本發(fā) 明的精神和范圍。此外，盡管對(duì)本發(fā)明的各種實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的 方面可能僅包括其中一些描述的實(shí)施例。因此，本發(fā)明不限于上述描述，而是僅由權(quán)利要求 的范圍限定。
權(quán)利要求
燃?xì)廨啓C(jī)(10)發(fā)動(dòng)機(jī)，包括燃燒器(20)，具有第一內(nèi)部(21)，由燃料回路(70)供應(yīng)給所述第一內(nèi)部(21)的第一燃料可在所述第一內(nèi)部(21)中燃燒；渦輪機(jī)(50)，包括旋轉(zhuǎn)渦輪葉片，所述旋轉(zhuǎn)渦輪葉片至少可接收所述第一燃料的燃燒產(chǎn)物，以便為所述渦輪葉片的旋轉(zhuǎn)提供動(dòng)力；過(guò)渡區(qū)(43)，包括第二內(nèi)部(41)，由所述燃料回路(70)給所述第二內(nèi)部(41)供應(yīng)的第二燃料和所述第一燃料的燃燒產(chǎn)物可在所述第二內(nèi)部(41)中燃燒，所述過(guò)渡區(qū)(43)設(shè)置成將所述燃燒器(20)和所述渦輪機(jī)(50)彼此流體聯(lián)接；多個(gè)燃料噴射器(60)，在結(jié)構(gòu)上由所述過(guò)渡區(qū)(43)支撐，并聯(lián)接在所述燃料回路(70)上，且構(gòu)造成給單軸向級(jí)、多軸向級(jí)、單軸向圓周級(jí)和多軸向圓周級(jí)中的任一個(gè)的所述第二內(nèi)部(41)供應(yīng)所述第二燃料；壓縮機(jī)(30)，流體聯(lián)接在所述燃燒器(20)和所述過(guò)渡區(qū)(43)上，通過(guò)所述壓縮機(jī)(30)將空氣供應(yīng)給所述第一內(nèi)部和第二內(nèi)部(21，41)，用于在所述第一內(nèi)部和第二內(nèi)部(21，41)中燃燒；和控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)聯(lián)接在所述燃料回路(70)上并構(gòu)造成控制至所述第一內(nèi)部和第二內(nèi)部(21，41)的空氣的相對(duì)量和由所述燃料回路(70)供應(yīng)給所述第一內(nèi)部和第二內(nèi)部(21，41)的所述第一燃料和第二燃料的相對(duì)量。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)(IO)，其特征在于，所述控制系統(tǒng)包括閥(110)的系統(tǒng)，所述閥(110)的系統(tǒng)的至少一部分設(shè)置成靠近所述壓縮機(jī)(30)的出 口并介于所述壓縮機(jī)(30)、所述燃燒器(20)和所述過(guò)渡區(qū)(43)之間；禾口控制器(80)，聯(lián)接在所述閥(110)的系統(tǒng)上，并構(gòu)造成打開(kāi)和關(guān)閉獨(dú)立的閥(IIO)，用 于至少增加或減少供應(yīng)給所述第一內(nèi)部(21)和第二內(nèi)部(41)的空氣的相對(duì)量。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)(IO)，其特征在于，所述控制系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先 選擇的燃料對(duì)空氣的比率來(lái)控制供應(yīng)給所述第一 內(nèi)部和第二內(nèi)部的空氣的相對(duì)量。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)(IO)，其特征在于，所述控制系統(tǒng)根據(jù)所述 燃燒器(20)、所述壓縮機(jī)(30)、所述過(guò)渡區(qū)(43)和所述渦輪機(jī)(50)中的當(dāng)前環(huán)境條件來(lái) 控制供應(yīng)給所述第一 內(nèi)部和第二內(nèi)部的空氣的相對(duì)量。
5. 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)(IO)，包括燃燒器(20)，所述燃燒器(20)具有第一內(nèi)部(21)，由 燃料回路(70)供應(yīng)給所述第一內(nèi)部(21)的第一燃料可在所述第一內(nèi)部(21)中燃燒；和渦 輪機(jī)(50)，包括旋轉(zhuǎn)渦輪葉片，所述旋轉(zhuǎn)渦輪葉片至少可接收所述第一燃料的燃燒產(chǎn)物，以 給所述渦輪葉片的旋轉(zhuǎn)提供動(dòng)力，所述燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)(10)包括過(guò)渡區(qū)(43)，包括第二內(nèi)部(41)，由所述燃料回路(70)給所述第二內(nèi)部(41)供應(yīng)的 第二燃料和所述第一燃料的燃燒產(chǎn)物可在所述第二內(nèi)部(41)中燃燒，所述過(guò)渡區(qū)(43)設(shè) 置成將所述燃燒器(20)和所述渦輪機(jī)(50)彼此流體聯(lián)接；多個(gè)燃料噴射器(60)，在結(jié)構(gòu)上由所述過(guò)渡區(qū)(43)支撐，并聯(lián)接在所述燃料回路(70) 上，且構(gòu)造成給單軸向級(jí)、多軸向級(jí)、單軸向圓周級(jí)和多軸向圓周級(jí)中的任一個(gè)的所述第二 內(nèi)部(41)供應(yīng)所述第二燃料；壓縮機(jī)(30)，流體聯(lián)接在所述燃燒器(20)和所述過(guò)渡區(qū)(43)上，通過(guò)所述壓縮機(jī) (30)將空氣供應(yīng)給所述第一內(nèi)部和第二內(nèi)部(21，41)，用于在所述第一內(nèi)部和第二內(nèi)部(21，41)中燃燒；禾口控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)聯(lián)接在所述燃料回路(70)上并構(gòu)造成控制至所述第一內(nèi)部 和第二內(nèi)部(21，41)的空氣的相對(duì)量和由所述燃料回路(70)供應(yīng)給所述第一內(nèi)部和第二 內(nèi)部(21，41)的所述第一燃料和第二燃料的相對(duì)量。
6. 操作燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)(10)的方法，其中，渦輪機(jī)(50)通過(guò)過(guò)渡區(qū)流體地聯(lián)接到燃 燒器(20)，所述過(guò)渡區(qū)介于所述渦輪機(jī)(50)和所述燃燒器(20)之間，且其中，壓縮機(jī)(30) 給所述燃燒器(20)和所述過(guò)渡區(qū)(43)供應(yīng)空氣，所述方法包括給所述燃燒器(20)中的第一內(nèi)部(21)供應(yīng)第一燃料； 在所述燃燒器(20)中的所述第一內(nèi)部(21)中燃燒所述第一燃料； 給單軸向級(jí)、多軸向級(jí)、單軸向圓周級(jí)和多軸向圓周級(jí)中的任一個(gè)的所述過(guò)渡區(qū)(43)的第二內(nèi)部(41)供應(yīng)第二燃料；在所述過(guò)渡區(qū)(43)的所述第二內(nèi)部(41)中燃燒所述第二燃料和從所述第一內(nèi)部(21)接收的燃燒產(chǎn)物的流；禾口控制供應(yīng)給所述第一內(nèi)部和第二內(nèi)部(21，41)的空氣和所述第一燃料和第二燃料的相對(duì)量。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述控制根據(jù)預(yù)先選擇的燃料對(duì)空氣的 比率來(lái)實(shí)現(xiàn)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述控制根據(jù)在所述燃燒器(20)、所述壓 縮機(jī)(30)、所述過(guò)渡區(qū)(43)和所述渦輪機(jī)(50)中的當(dāng)前環(huán)境條件來(lái)實(shí)現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)(10)，其包括燃燒器(20)，具有第一內(nèi)部(21)，第一燃料可在第一內(nèi)部(21)中燃燒；渦輪機(jī)(50)，其至少可接收第一燃料的燃燒產(chǎn)物；過(guò)渡區(qū)(43)，包括第二內(nèi)部(41)，第二燃料和第一燃料的燃燒產(chǎn)物可在第二內(nèi)部(41)中燃燒；多個(gè)燃料噴射器(60)，構(gòu)造成給單軸向級(jí)、多軸向級(jí)、單軸向圓周級(jí)和多軸向圓周級(jí)中任一個(gè)的第二內(nèi)部(41)供應(yīng)第二燃料；壓縮機(jī)(30)，通過(guò)壓縮機(jī)(30)將空氣供應(yīng)給第一內(nèi)部和第二內(nèi)部，用于在第一內(nèi)部和第二內(nèi)部中燃燒；和控制系統(tǒng)，構(gòu)造成控制給第一內(nèi)部和第二內(nèi)部的空氣的相對(duì)量和供應(yīng)給第一內(nèi)部和第二內(nèi)部的第一燃料和第二燃料的相對(duì)量。
文檔編號(hào)F02C9/00GK101776018SQ20101000396
公開(kāi)日2010年7月14日 申請(qǐng)日期2010年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月7日
發(fā)明者G·D·邁爾斯, K·K·文卡塔拉曼, L·B·小戴維斯, W·S·齊明斯基 申請(qǐng)人:通用電氣公司