[发明专利]非基本运转工况下隔离流速场的涡流火焰稳定器

说明书

本发明涉及透平燃烧器，尤其涉及在别的稀薄预混合火焰稳定器的稳定燃烧系统中用于非基本负荷运转工况下增强燃烧的装置和方法。

一般说来，在透平燃烧器中，过去一直采用两种燃烧技术。一种称为扩散火焰技术，包括将燃料喷入流径燃烧器的空气流内，并在它们混合后将燃料燃烧。该扩散火焰燃烧技术的优点包括自调节，并在工况宽广变化下具有火焰稳定性。因此，设计了采用扩散燃烧技术的燃烧器，以使火焰保持在某一特定位置，避免熄灭和沿上游或下游移动。然而，扩散火焰技术引起极高的火焰温度，它又造成不希望的排放，如高NOX排放。由于目前强调低污染、低排放透平，一种降低扩散燃烧过程中高火焰温度从而降低排放值的方法是提供为完全燃烧所需的还多的过量空气。在该技术中，燃料和空气在燃烧器燃烧区上游预混合成一种极稀薄的燃料/空气混合物。当该稀薄预混合燃料的空气被引入该燃烧区时，该混合物点燃和燃烧，导致火焰温度降低，因为有过量空气。

由于在稀薄预混合燃烧系统中火焰温度较低，因此火焰也比扩散燃烧系统中不稳定。为在稀薄预混合燃烧系统中保持火焰稳定性，在燃烧区上游常采用火焰稳定器，以形成低速回流区，从而在火焰稳定器下游的这些火焰稳定器涡区中保持火焰。这样，在稀薄预混合燃烧过程中采用火焰稳定器以使燃烧过程稳定，同时保持较低的火焰温度，具有较低的排放。

透平通常以预定的燃料/空气比按稀薄预混合燃烧方式在基本负荷工况下运转。在例如用于驱动发电机发电的透平中，燃料/空气比随负荷而变化。因此，在以一种转速和恒定的流经燃烧系统的空气流量运转的工业燃气透平中，任何负荷减小都要求相应减小燃料。当透平为获得最高效率在基本负荷工况下运转时，有诸如点火、转子加速、转子跟发电机同步，或低负荷运转，这些情况存在着非基本运转工况。

在这些非基本负荷、通常为低负荷工况下，那里采用了低燃料/空气比，预混合稀薄燃烧过程可潜在地变得不稳定和效率低，且接近或越过在那里出现熄火的稀薄可燃极限。因此，在这些非基本负荷工况下，业已发现需要采用扩散燃烧过程而不是稀薄预混合燃烧过程，因为在低负荷时，扩散燃烧过程是有效且稳定的。这样，燃料可以，例如，从用于稀薄预混合运转的火焰稳定器或稳定器的叶毂处直接喷入该气流内。然而，如果扩散燃烧过程被用于其几何形状为稀薄预混合燃烧设计的某个系统中，被喷燃料混入为稀薄预混合运转所需的过量空气中，导致不希望的排放，包括一氧化碳和未燃碳氢化合物。因此，在本发明的形成过程中，业已发现，虽然稀薄预混合燃烧器以基本负荷运转时要求过量的空气，然而当把扩散燃烧过程引入其几何形状为稀薄预混合燃烧设计的某一确定的燃烧器内时，特别在低燃料/空气比时，使火焰无效和燃料不完全燃烧，从而析出未燃碳氧化合物和一氧化碳。

按照本发明，采用了稀薄预混合燃烧器系统的几何形状未稳定火焰以便在燃烧器中产生利用扩散燃烧过程增强非基本负荷或低负荷燃烧过程的流动条件。在本发明中，这是这样实现的：通过隔离经燃烧器流入独立流速场的气流，每一流速场仅包含流过该火焰稳定器的总流量的一部分，该火焰稳定器被用于稳定稀薄预混合燃烧过程中的火焰;在有限数量的独立流场中采用扩散燃烧过程。这样由于形成局部高燃料/空气比，有助于点燃和以低燃料/空气比运转，和所有空气直接卷入燃烧室相比，能出现更强烈和更完全的燃烧。局部强烈的燃烧产生较少的一氧化碳和未燃的碳氢排放物，同时保持火焰稳定性。这样，本发明采用了应用于稀薄预混合燃烧过程的火焰稳定器，使火焰稳定以形成独立的流速场，当在另一具有确定几何形状的用于稀薄预混合燃烧运转的燃烧室中采用扩散燃烧过程时，它们同时提供火焰稳定性和高的燃烧效率。

尤其是，这些火焰稳定器被配置成产生反转的同心流场。也就是说，火焰稳定器被配置成用于稀薄预混合燃烧运转的常见的径向组，但在不同的径向位置上被转动或倾斜，以便在相反的圆周方向上形成流速分量，从而建立相应的独立流速场。因此，在燃烧壳体内形成同心反转涡流场。这些流速场形成一个界面或剪切层，它将这些流动相互隔离。因此，燃料可直接喷入总流量场的子组中，通常是径向最内的流速场，其中仅利用流经该燃烧器的总空气流中的一部分在上述总流速场的子组中可建立扩散燃烧过程。也就是说，该燃料被直接喷入具有强涡旋空气的区域中，通过独立流速场之间形成的剪切层跟流经燃烧器的其余气流隔离。

此外，对于内、外火焰稳定器组提供了同心和独立的流速场，可以理解，径向内流速度具有高度密集的火焰稳定器区，因此有较高的经燃烧器的流动阻塞。这允许在下游流速场内有较大的再循环，因此提高了火焰稳定性，并允许有更多的时间用于扩散过程中燃烧引入的燃料。