用于运行燃气涡轮机的燃烧器组件的方法
技术领域
本发明涉及一种用于运行热力发动机、特别是燃气涡轮机的燃烧器组件的方法，燃烧器组件具有多个燃烧器，燃烧器分别包括至少一个引燃燃烧器和至少一个主燃烧器。
背景技术
多重燃烧器组件在燃气涡轮机功率较高时实现相对均匀的温度曲线，该温度曲线使氮氧化物的排放最小化。这从生态角度来看在较高的机器功率下是很重要的，因为具有较小空气系数的热线束会增加氮氧化物(NOx)的排放量。
在燃气涡轮机功率较低的情况下，燃料量大大减少，并且由于燃料/空气混合物的变化，燃烧器以较冷的火焰运行。这种效应导致燃料燃烧不良和废气中较高的一氧化碳(CO)排放。
目前，通过减少整个燃烧室中参与燃烧的空气量来解决空气系数较高和燃烧温度相对较低的问题。其中的困难在于，不可任意减少空气量，以便不会超过导致高CO排放和燃料燃烧不良的临界空气系数。结果，当功率输出较低时排放增加，或者最小功率输出受到允许的排放的限制。
US2014/0123651A1提出了一种方法，其中检测燃气涡轮机燃烧时的排放，并且基于测量值重新设置多级燃烧器的各个级的燃料量，以便调整燃烧器的排放值。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种对热力发动机、特别是燃气涡轮机的燃烧器组件在CO排放方面得到改善的运行方式，该运行方式在较低的功率输出下运行。
根据本发明，该目的通过一种用于运行热力发动机、特别是燃气涡轮机的燃烧器组件的方法来实现，该燃烧器组件具有多个燃烧器，燃烧器分别包括至少一个引燃燃烧器和至少一个主燃烧器，其中取决于负荷地基于热力发动机的预设运行：
–供给到燃烧器的燃料总量基本保持恒定，
–在第一组燃烧器中，对于每个燃烧器都既向引燃燃烧器又向主燃烧器供给燃料，
–在第二组燃烧器中，向主燃烧器的燃料供给被中断，其中引燃燃烧器仍然运行，并且
–通过中断向第二组主燃烧器的燃料供给而剩余的燃料量被重新分配给第一组的仍在工作的主燃烧器。
在此，“取决于负荷”是指对于预定的或设定的负荷，燃料的总量保持相同。“取决于负荷”特别是指从达到热力发动机的额定转速起的任何负荷。如果负荷发生变化，则必要时需要不同总量的燃料。只要负荷不发生变化，新的总量同样在技术上可能的公差范围内保持恒定。通常仅在改善燃尽(即燃尽)的情况下才设置与恒定质量流量的微小偏差，即减少CO排放或进一步燃尽在恒定的功率下可导致更少的燃料量。热力发动机的预设运行例如可以是所有引燃燃烧器和所有主燃烧器都被供以燃料的标准运行，然而根据本发明的方法并不限于该初始状态。
在此，“多个燃烧器”是指设置至少两个燃烧器，然而优选为大量燃烧器。燃烧器分别包括一个或多个引燃燃烧器以及一个或多个主燃烧器。主燃烧器可以被实施为预混燃烧器，其中燃料和燃烧空气在燃烧器火焰的上游混合。引燃燃烧器可实施为预混燃烧器、扩散燃烧器及其组合。除了启动燃气涡轮机之外，引燃燃烧器还可以在部分负荷和满负荷运行中用于特别是预混火焰的稳定燃烧。
在此，“中断第二组主燃烧器的燃料供给”可以理解为将燃料供给设为零。这例如通过相应燃料管路中的切断装置来进行。特别是，不是仅仅减少或改变对第二组主燃烧器的燃料供给。
燃料的重新分配特别是指均匀的重新分配，其中向每个仍在工作的主燃烧器供应相同比例的剩余燃料量。
本发明基于以下想法：特别是在热力发动机的功率输出较低时，通过将燃料适当地分配给各个燃烧器来减少CO排放并且同时改善燃料的整体燃尽。根据燃烧器的运行方式，将燃烧器分为至少两组，其中一组可以包括多个燃烧器或仅一个燃烧器。
根据本发明的燃烧器组件的运行方式基于以下特征：
在第一组燃烧器中，引燃燃烧器和主燃烧器都被供给燃料。此外，第一组燃烧器也称为“热”燃烧器。
在至少一个燃烧器中，例如通过在供给管路中的切断装置来中断向主燃烧器的燃料供给。该一个燃烧器或多个燃烧器形成第二组。第二组的引燃燃烧器保持运行。第二组燃烧器在下文中称为“暖”燃烧器。通过关闭第二组主燃烧器而剩余的燃料被重新分配给并未中断供给的第一组主燃烧器(“热”燃烧器)。这有利地促使“热”燃烧器在较小的空气系数和较高的燃烧温度下运行，从而降低了CO排放。
根据本发明，在此并不是调节压缩机的总空气量和整个燃烧室的空气量来实现燃烧器上的最佳空气系数，而是根据机器负荷利用燃烧器的特殊运行方式有针对性地对燃油量进行局部重新分配。这种运行方式使得特别是在低功率范围内可符合排放地额外减少功率输出或减少恒定功率下的排放。
根据一个优选的实施变型方案，在第三组燃烧器中不仅中断向主燃烧器的燃料供给而且中断向引燃燃烧器的燃料供给，并且将剩余的燃料量重新分配给仍在工作的第一组主燃烧器。这些燃烧器在下文中称为“冷”燃烧器。其中中断了对主燃烧器和引燃燃烧器的燃料供给的燃烧器不会排放废气。剩余的燃料被重新分配给未中断供给的其他主燃烧器。
由此，在机器功率较低的情况下，可相应地在具有低CO排放的最佳空气系数范围内运行燃烧器(“热”燃烧器)。在“冷”燃烧器的区域中不会产生CO排放，因为这些燃烧器未被供给燃料。在此，“热”燃烧器将燃烧器组件中的“热”区域与燃烧器组件中的“冷”区域隔开。
考虑到燃烧器组件可靠且无故障的运行，优选至多30％的燃烧器属于第三组。然而第三组也可以包括0个燃烧器，即省去“冷”燃烧器。有利的是，至多40％的燃烧器属于第二组。
根据另一优选的实施变型方案，第二组燃烧器的引燃燃烧器以比第一组引燃燃烧器更小的空气系数运行。为此需要安装附加的管路部件和配件，其在通向至少第二组引燃燃烧器的管路中特别是包括控制阀。在此也适用的是，以较低的空气系数燃烧会实现较高的燃烧温度，从而实现较低的CO排放。
特别是根据热力发动机的功率有利地改变至少部分中断燃料供给的燃烧器的数量。这意味着，在功率输出不变的时间段内，燃料总量大致保持恒定，然而考虑到热力发动机在CO排放方面的最佳运行，燃料会重新分配给工作的燃烧器。
此外，当负荷或功率输出发生变化时，可在另一时间段内再次进行燃料的重新分配。在此，“热”燃烧器、“暖”燃烧器和“冷”燃烧器的数量根据功率输出而变化，以便在“热”燃烧器处始终(不太热也不太冷地)设置对排放和硬件而言最佳的空气系数范围。在此，随着功率的减小优选减少“暖”燃烧器和“热”燃烧器的数量。
为了降低NOx排放，主燃烧器优选以预混合方式运行。
上述方法有利地应用于功率输出低于热力发动机的额定功率的情况，例如启动热力发动机时。
为了减少在低功率输出下的排放，可以将根据本发明的方法与其他措施组合。这种用于减少燃烧室中空气量的措施是，例如通过压缩机的进一步节流或空气旁路和引燃燃烧器/主燃烧器的重新设计来减少总空气量。
此外，根据本发明，该目的还通过一种用于热力发动机的燃烧系统来实现，该燃烧系统包括具有多个燃烧器的燃烧器组件和用于为燃烧器供给燃料的辅助系统以及控制器，燃烧器分别具有至少一个引燃燃烧器和至少一个主燃烧器。关于该方法已经提到的优点和优选的设计方案可类似地适用于燃烧系统。
在此，优选地在第一组燃烧器和第三组燃烧器之间设置至少一个第二组燃烧器。在此，第二组燃烧器主要用于将第一组和第三组燃烧器彼此屏蔽。如果一个“热”燃烧器由至少一个位于其旁边的“暖”燃烧器屏蔽，则相邻的燃烧器可“冷”运行。
根据一个优选的设计方案，燃烧器组件包括通向引燃燃烧器和主燃烧器的分开的燃料管路，其中至少在通向第二组主燃烧器和第三组主燃烧器的燃料管路中安装有切断装置。
主燃烧器优选被实施为预混燃烧器。
根据另一优选的设计方案，辅助系统包括第一子系统和第二子系统，其中第一子系统被设置用于供给第一组主燃烧器和引燃燃烧器，并且第二子系统被设置用于供给第二组引燃燃烧器。在此规定，由第一子系统向第一组引燃燃烧器供给的燃料的减少量刚好是由第二子系统向第二组引燃燃烧器供给的燃料量，从而确保了辅助系统内燃料的总质量流量保持恒定。
燃烧器组件有利地被设计为环形燃烧室。
最后，根据本发明，该目的通过具有上述燃烧系统的热力发动机、特别是燃气涡轮机来实现。关于方法和燃烧系统已经提到的优点和优选设计方案也可类似地适用于燃气涡轮机。
附图说明
下面参考附图说明本发明的实施例。其中：
图1示出了包括引燃燃烧器和主燃烧器的燃烧器的截面，
图2示意性地示出了第一情况下的环形燃烧器组件，其具有分成两组的燃烧器，
图3示意性地示出了第二情况下的根据图1的环形燃烧器组件，其具有分成三组的燃烧器，并且
图4示出了用于燃烧器组件的燃料供给的辅助系统。
在附图中相同的附图标记具有相同的含义。
具体实施方式
图1示出了一个燃烧器2，其与多个相同类型的燃烧器连接，例如用于未详细示出的燃气涡轮设备的燃烧室4中。
燃烧器2由内部、引燃燃烧器6和与之同心的外部、主燃烧器系统或主燃烧器8构成。引燃燃烧器6和主燃烧器8适用于以任何组合形式的气态和/或液态燃料的运行。
引燃燃烧器6包括围绕管道10同心布置的内部气体供给管道14(介质B)。内部气体供给管道14又被围绕燃烧器2的轴线同心布置的内部空气供给管道12(介质C)包围。在内部空气供给管道12中或在内部空气供给管道12处可设置合适的点火系统，对于点火系统已知许多实施可能性，因此在此省略其图示。
引燃燃烧器6可以以已知的方式运行，即主要用作扩散燃烧器。引燃燃烧器6的任务在于，使主燃烧器8保持在稳定的燃烧运行中，因为主燃烧器8通常以稀混合气运行，以减少有害物质的排放。
图2示出了具有多个燃烧器2的燃烧器组件16，燃烧器组件16特别是燃气涡轮机的环形燃烧室(未详细示出)的一部分。燃烧器组件16包括二十四个燃烧器2。形成第一组18(以实心圆示出)的二十个燃烧器作为“热”燃烧器运行，即对于每个燃烧器2既向引燃燃烧器6又向主燃烧器8供给燃料。另外四个燃烧器形成第二组20(以点圆示出)“暖”燃烧器2，其中中断对主燃烧器8的燃料供给，其中引燃燃烧器6仍然运行。为此，在通向主燃烧器8的管路中安装8个切断装置，切断装置在几秒钟之内(例如在2秒钟之内)中止燃料供给。通过中断对第二组20的主燃烧器8的燃料供给而剩余的燃料量被重新分配给第一组18的仍在工作的主燃烧器8。同时，第二组20的引燃燃烧器6的空气系数可以通过设置比第一组8的引燃燃烧器8更小的空气系数来进行调节。
图3示出了相同的燃烧器组件16，其中燃烧器2的运行方式是不同的。在24个燃烧器2中，只有18个属于第一组18，三个属于第二组20，并且另外三个形成第三组22的“冷”燃烧器(以圆圈示出)，其与燃料供给完全分离，因此第三组22的引燃燃烧器6和主燃烧器8都不被供给燃料。
在从一个情况到另一情况的过渡中，供给到燃烧器组件16的燃料总量根据负荷始终保持恒定。例如，在从仅使用“热”燃烧器的环形燃烧室的标准运行到根据本发明的使用“暖”燃烧器2且必要时还使用“冷”燃烧器2的情况的过渡中，燃料总量通常不变。使用“暖”燃烧器2和“冷”燃烧器2的运行特别是在低于额定功率的燃气涡轮机功率下进行。
使用“热”燃烧器2、“暖”燃烧器2和可能的“冷”燃烧器2的其他情况也是可行的，例如各个组可分布在多个位置。然而在此重要的是，始终通过“暖”燃烧器2将“热”燃烧器与“冷”燃烧器2隔离，即在第一组18的燃烧器2和第三组22的燃烧器2之间布置至少一个第二组20的燃烧器2。
图4示例性地示出了用于向燃烧器组件16供给燃料的辅助系统24，其中该辅助系统24和燃烧器组件16形成燃烧系统25。辅助系统24包括中央供给管路27。燃烧器组件16包括例如二十四个燃烧器，这些燃烧器被分为两个组18、20，两个组18、20在附图中由两个燃烧器2象征性地表示。
第一燃烧器组18的燃烧器2被设计为用作“热”燃烧器，并且第二组20的燃烧器2被设计为用作“暖”燃烧器。在所示的实施方式中，每个燃烧器2都包括一个两级引燃燃烧器，其中两级分别以P1、P2表示。此外，每个燃烧器2还包括一个两级主燃烧器，两级主燃烧器的两级分别以M1、M2表示。然而，也可考虑单级或多级的引燃燃烧器和/或主燃烧器的其他情况。
在所示的实施例中，通过将辅助系统24分成两个子系统26、28，以分别调节的供给来向两个燃烧器组18、20供给燃料。
第一子系统26包括用于两个燃烧器组18、20的引燃燃烧器级P1、P2的第一管路30和用于主燃烧器级M1、M2的第二管路31。第一和第二管路30、31中的燃料量通过第一控制元件32或第二控制元件34调节，其中控制元件32、34特别是设计为控制阀。管路30、31分别通向环形管路36中。从该处通过第一分支管路38供给所有引燃燃烧器的两个引燃燃烧器级P1、P2，并且通过第二分支管路40供给所有主燃烧器的两个主燃烧器级M1、M2。此外，在第二燃烧器组20的分支管路38、40中还安装有截止阀42。第一子系统26特别是被设置用于在现场运行中为燃烧器组件16的所有燃烧器2供给燃料。
第二子系统28具有类似的构造，并且包括其中安装有控制元件46的第三管路44、下游的环形管路48和通向第二组20的引燃燃烧器级P1、P2的其他分支管路50，其中在其他分支管路50中安装有截止阀52。
在两组18、20的燃烧器2的引燃燃烧器6和主燃烧器8都运行的标准运行中，第一子系统26的截止阀42打开并且第二子系统28的截止阀52关闭。在转变为“热”/“暖”运行时，在第二组20的分支管路38和40中的所有截止阀42都关闭，而截止阀52打开，由此第二组20的引燃燃烧器由第二子系统28供给燃料。
由于关闭了第二组20的主燃烧器的截止阀42，因此第一子系统26中的燃料被重新分配给第一组18的主燃烧器。在此，供给到第一组18的引燃燃烧器的燃料质量流量保持恒定。这通过以下方式进行，即通过控制阀32使供给到第一组18的引燃燃烧器的燃料量节流，以补偿不再需要的第二组20的引燃燃烧器的燃料量。在此，控制阀32使第一管路30中流量的减少量刚好是由第二子系统28向第二组20的引燃燃烧器供给的量。在完成切换之后，可以独立于第一组18的引燃燃烧器的燃料量来调节第二组20的引燃燃烧器的燃料量，并且根据负荷来设定最佳量。总之，辅助系统24中的燃料总量在此保持恒定。
通过所示的第二子系统28，燃烧器2既可以用作第二组20的燃烧器，又可以用作第三组22的燃烧器，即通过第二子系统28可以中断向该组的主燃烧器和引燃燃烧器的燃料供给。
燃烧系统25的可控制的配件由控制器74控制，控制器74在图4中象征性地示出。控制器74特别是燃烧系统25的一部分。
