專利名稱：用于加熱和熱回收系統(tǒng)的低btu燃料流量比導(dǎo)管燃燒器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體涉及與燃?xì)廨啓C(jī)和熱回收蒸汽發(fā)生(HRSG)系統(tǒng)一起使用的導(dǎo)管燃燒 器系統(tǒng)。更具體地，本發(fā)明涉及能夠燃燒低BTU(英國(guó)熱量單位)燃料源的導(dǎo)管燃燒器系統(tǒng) 和過(guò)程，其中應(yīng)用可變幾何結(jié)構(gòu)的特征和流量控制器來(lái)優(yōu)化可燃混合物的化學(xué)計(jì)量。
背景技術(shù)：
許多煉鋼廠、氣化廠和生產(chǎn)低BTU燃料的其它設(shè)施也使用HRSG系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行加熱及 功率傳輸。在一些情況下，燃燒低BTU燃料而不是燃燒天然氣或其它普通的高BTU燃料源 可歸類為使用可再生能源，且可實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)信譽(yù)。此外，在一些情況下，低BTU燃料不同地可 能不能作為燃料源而有用。因此，從操作立場(chǎng)和經(jīng)濟(jì)立場(chǎng)兩者來(lái)看，可證明使用低BTU燃料 來(lái)在HRSG系統(tǒng)中進(jìn)行補(bǔ)燃是有益的。 但是，由于幾個(gè)原因，也可證明使用低BTU燃料在HRSG系統(tǒng)中進(jìn)行補(bǔ)燃是有問(wèn)題 的。例如，點(diǎn)火設(shè)備的定制可能需要滿足燃料的物理屬性和化學(xué)屬性，以在可燃性的極限內(nèi) 進(jìn)行充分燃燒。此外，化學(xué)計(jì)量流量比率在這樣的補(bǔ)燃系統(tǒng)中通?？赡懿皇芸刂?。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)實(shí)施例中，提供了一種系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括構(gòu)造成以便接收來(lái)自燃?xì)廨啓C(jī) 的排氣的排氣導(dǎo)管。該系統(tǒng)還包括構(gòu)造成以便接收來(lái)自排氣導(dǎo)管的排氣的主流束(flow stream)的主導(dǎo)管。該系統(tǒng)進(jìn)一步包括構(gòu)造成以便接收來(lái)自排氣導(dǎo)管的排氣的副流束的副 導(dǎo)管。此外，該系統(tǒng)包括構(gòu)造成以便允許和限制主流束進(jìn)入主導(dǎo)管中的主可變幾何結(jié)構(gòu)分 流器。另外，該系統(tǒng)包括構(gòu)造成以便允許和限制副流束進(jìn)入副導(dǎo)管中的副可變幾何結(jié)構(gòu)分 流器。該系統(tǒng)還包括燃燒系統(tǒng)，該燃燒系統(tǒng)構(gòu)造成以便使副流束與至少一個(gè)低BTU燃料源 結(jié)合，以使副流束燃燒，以及將加熱了的副流束再噴入主導(dǎo)管中。該系統(tǒng)進(jìn)一步包括構(gòu)造成 以便將副流束吹過(guò)燃燒系統(tǒng)的鼓風(fēng)機(jī)。另外，該系統(tǒng)包括構(gòu)造成以便通過(guò)促動(dòng)主可變幾何 結(jié)構(gòu)分流器和副可變幾何結(jié)構(gòu)分流器來(lái)控制低BTU燃料源和副流束之間的化學(xué)計(jì)量流量 比率的控制器。 在另一個(gè)實(shí)施例中，提供了一種系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括構(gòu)造成以便在從燃?xì)廨啓C(jī)到熱 回收蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的排氣通道中操作的可變幾何結(jié)構(gòu)分流器。該可變幾何結(jié)構(gòu)分流器構(gòu)造 成以便將排氣的通道分成主排氣通道和副排氣通道。該系統(tǒng)還包括燃燒系統(tǒng)，該燃燒系統(tǒng) 構(gòu)造成以便使副排氣通道中的排氣與至少一個(gè)低BTU燃料源結(jié)合，以使副排氣通道中的排 氣燃燒，且將加熱了的氣體再噴入主排氣通道中。 在又一個(gè)實(shí)施例中，提供了一種方法。該方法包括使用可變幾何結(jié)構(gòu)分流器使氣 體在主導(dǎo)管和副導(dǎo)管之間分流。主流束分流到主導(dǎo)管中，且副流束分流到副導(dǎo)管中。該方 法還包括使用低BTU燃料來(lái)加熱燃燒系統(tǒng)中的副流束，以在燃燒系統(tǒng)中進(jìn)行燃燒。該方法 進(jìn)一步包括將加熱了的流束再噴入主導(dǎo)管中。


當(dāng)參照附圖閱讀以下詳細(xì)描述時(shí)，本發(fā)明的這些和其它特征、方面和優(yōu)點(diǎn)將得到 更好的理解，在附圖中，相同的字符在所有附圖中表示相同的部分，其中
圖1是可使用所公開的實(shí)施例的導(dǎo)管燃燒器系統(tǒng)和方法的示例性聯(lián)合循環(huán)發(fā)電 系統(tǒng)的示意性流程圖； 圖2是燃?xì)廨啓C(jī)、HRSG和導(dǎo)管燃燒器的示例性運(yùn)行的示意圖，其圖示了可根據(jù)所 公開的實(shí)施例來(lái)使用的基本原理； 圖3是根據(jù)所公開的實(shí)施例與燃?xì)廨啓C(jī)和HRSG —起使用的示例性導(dǎo)管燃燒器系 統(tǒng)的示意圖； 圖4是根據(jù)所公開的實(shí)施例與燃?xì)廨啓C(jī)和HRSG —起使用的另一個(gè)示例性導(dǎo)管燃 燒器系統(tǒng)的示意圖； 圖5是用于使用所公開的實(shí)施例來(lái)導(dǎo)管燃燒低BTU燃料源的示例性方法的流程 圖。
具體實(shí)施例方式
將在以下描述本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)特定的實(shí)施例。為了試圖提供對(duì)這些實(shí)施例的 簡(jiǎn)要描述，說(shuō)明書中可能并不會(huì)對(duì)實(shí)際具體實(shí)施的所有特征進(jìn)行描述。應(yīng)當(dāng)理解，在開展任 何這樣的實(shí)際具體實(shí)施時(shí)，例如在任何工程或設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，必須作出許多對(duì)具體實(shí)施而言 特定的決定，以實(shí)現(xiàn)開發(fā)者的特定目標(biāo)_例如符合系統(tǒng)相關(guān)和商業(yè)相關(guān)約束，該特定目標(biāo) 可能在一種具體實(shí)施與另一種具體實(shí)施之間有所不同。另外，應(yīng)當(dāng)理解，這樣的開展嘗試可 能是復(fù)雜且費(fèi)時(shí)的，但對(duì)于受益于本公開的普通技術(shù)人員而言仍然將是進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造和 生產(chǎn)的慣常工作。 在介紹本發(fā)明的各實(shí)施例的元件時(shí)，冠詞"一"、"該"和"所述"意圖表示存在一個(gè) 或多個(gè)該元件。用語(yǔ)"包含"、"包括"和"具有"意圖為包括性的，且表示除了所列出的元件 之外還可存在另外的元件。操作參數(shù)的任何實(shí)例不排除所公開的實(shí)施例的其它參數(shù)。
所公開的實(shí)施例中提供了一種構(gòu)造成以便使用低BTU燃料源的導(dǎo)管燃燒器系統(tǒng)。 在某些實(shí)施例中，該系統(tǒng)可包括構(gòu)造成以便接收來(lái)自排氣導(dǎo)管的排氣的主流束的主導(dǎo)管和 構(gòu)造成以便接收來(lái)自排氣導(dǎo)管的排氣的副流束的副導(dǎo)管。主可變幾何結(jié)構(gòu)分流器和副可變 幾何結(jié)構(gòu)分流器可構(gòu)造成以便分別允許和限制主流束和副流束。燃燒系統(tǒng)可接收副流束， 使副流束與至少一個(gè)低BTU燃料源結(jié)合，燃燒以加熱副流束，以及將加熱了的副流束再噴 入主導(dǎo)管中。鼓風(fēng)機(jī)可用于將副流束吹過(guò)燃燒系統(tǒng)。另外，系統(tǒng)控制器可用于通過(guò)促動(dòng)主 可變幾何結(jié)構(gòu)分流器和副可變幾何結(jié)構(gòu)分流器來(lái)控制副流束的化學(xué)計(jì)量流量比率。
圖1是可使用所公開的實(shí)施例的導(dǎo)管燃燒器系統(tǒng)和方法的示例性聯(lián)合循環(huán)發(fā)電 系統(tǒng)10的示意性流程圖。系統(tǒng)10可包括用于驅(qū)動(dòng)第一負(fù)載14的燃?xì)廨啓C(jī)12。第一負(fù)載 14可(例如)為用于產(chǎn)生電力的發(fā)電機(jī)。燃?xì)廨啓C(jī)12可包括渦輪機(jī)16、燃燒裝置或燃燒 室18，以及壓縮機(jī)20。系統(tǒng)10還可包括用于驅(qū)動(dòng)第二負(fù)載24的蒸汽輪機(jī)22。第二負(fù)載24 還可為用于產(chǎn)生電力的發(fā)電機(jī)。但是，第一負(fù)載14和第二負(fù)載24兩者均可為能夠由燃?xì)?輪機(jī)12和蒸汽輪機(jī)22驅(qū)動(dòng)的其它類型的負(fù)載。另外，雖然燃?xì)廨啓C(jī)12和蒸汽輪機(jī)22可 驅(qū)動(dòng)單獨(dú)的負(fù)載14和24，如所圖示的實(shí)施例所示，但是燃?xì)廨啓C(jī)12和蒸汽輪機(jī)22也可一前一后地使用，以通過(guò)單個(gè)軸來(lái)驅(qū)動(dòng)單個(gè)負(fù)載。在所圖示的實(shí)施例中，蒸汽輪機(jī)22可包括 一個(gè)低壓級(jí)26(LP ST)、一個(gè)中壓級(jí)28(IP ST)以及一個(gè)高壓級(jí)30(HP ST)。但是，蒸汽輪 機(jī)22以及燃?xì)廨啓C(jī)12的特定構(gòu)造可以是關(guān)于具體實(shí)施特定的，且可包括級(jí)的任何組合。
系統(tǒng)10還可包括多級(jí)HRSG 32。所圖示的實(shí)施例中的HRSG 32的構(gòu)件是HRSG 32 的簡(jiǎn)化描繪，且不意圖為限制性的。相反，顯示所圖示的HRSG 32以便傳達(dá)這樣的HRSG系 統(tǒng)的一般操作。來(lái)自燃?xì)廨啓C(jī)12的加熱了的排氣34可輸送到HRSG 32中且用于加熱用來(lái) 對(duì)蒸汽輪機(jī)22供以動(dòng)力的蒸汽?？蓪?lái)自蒸汽輪機(jī)22的低壓級(jí)26的排氣導(dǎo)入冷凝器36 中。又可在冷凝泵38的幫助下將來(lái)自冷凝器36的冷凝物導(dǎo)入HRSG 32的低壓區(qū)中。
然后冷凝物可流過(guò)低壓節(jié)熱器40(LPEC0N)，低壓節(jié)熱器是構(gòu)造成以便用氣體 加熱給水的、可用于加熱冷凝物的裝置。從低壓節(jié)熱器40，可將冷凝物導(dǎo)入低壓蒸發(fā)器 42(LPEVAP)中，或?qū)蛑袎汗?jié)熱器44(IPEC0N)。來(lái)自低壓蒸發(fā)器42的蒸汽可返回到蒸汽 輪機(jī)22的低壓級(jí)26。同樣地，可將冷凝物從中壓節(jié)熱器44導(dǎo)入中壓蒸發(fā)器46(IPEVAP) 中，或?qū)蚋邏汗?jié)熱器48 (HPECON)。另外，可將來(lái)自中壓節(jié)熱器44的蒸汽送到燃料氣體加 熱器(未示出)，在燃料氣體加熱器中，蒸汽可用于加熱用于在燃?xì)廨啓C(jī)12的燃燒室18中 使用的燃料氣體?？蓪?lái)自中壓蒸發(fā)器46的蒸汽送到蒸汽輪機(jī)22的中壓級(jí)28。此外，節(jié) 熱器、蒸發(fā)器和蒸汽輪機(jī)22之間的連接可因具體實(shí)施的不同而改變，因?yàn)樗鶊D示的實(shí)施例 僅是可采用當(dāng)前實(shí)施例的獨(dú)特方面的HSRG系統(tǒng)的一般操作的示意。 最后，可將來(lái)自高壓節(jié)熱器48的冷凝物導(dǎo)入高壓蒸發(fā)器50(HPEVAP)中。可將離 開高壓蒸發(fā)器50的蒸汽導(dǎo)入主高壓過(guò)熱器52和最終高壓過(guò)熱器54中，其中蒸汽被過(guò)度加 熱且最終被送到蒸汽輪機(jī)22的高壓級(jí)30。又可將來(lái)自蒸汽輪機(jī)22的高壓級(jí)30的排氣導(dǎo) 入蒸汽輪機(jī)22的中壓級(jí)28中?？蓪?lái)自蒸汽輪機(jī)22的中壓級(jí)28的排氣導(dǎo)入蒸汽輪機(jī)22 的低壓級(jí)26中。 級(jí)間溫度控制器56可位于主高壓過(guò)熱器52和最終高壓過(guò)熱器54之間。級(jí)間溫 度控制器56可允許對(duì)來(lái)自最終高壓過(guò)熱器54的蒸汽的排氣溫度進(jìn)行更加健壯的控制。特 別地，級(jí)間溫度控制器56可配置成通過(guò)每當(dāng)離開最終高壓過(guò)熱器54的蒸汽的排氣溫度超 過(guò)預(yù)定值時(shí)就將更冷的給水噴霧噴入最終高壓過(guò)熱器54上游的過(guò)熱蒸汽中來(lái)控制離開最 終高壓過(guò)熱器54的蒸汽的溫度。 另外，可將來(lái)自蒸汽輪機(jī)22的高壓級(jí)30的排氣導(dǎo)入主再熱器58和副再熱器60 中，其中可在將排氣導(dǎo)入蒸汽輪機(jī)22的中壓級(jí)28中之前重新加熱排氣。主再熱器58和副 再熱器60還可與用于控制來(lái)自再熱器的排氣蒸汽溫度的級(jí)間溫度控制器62相關(guān)聯(lián)。特別 地，級(jí)間溫度控制器62可構(gòu)造成以便通過(guò)每當(dāng)離開副再熱器60的蒸汽的排氣溫度超過(guò)預(yù) 定值時(shí)就將更冷的給水噴霧噴入副再熱器60的上游的過(guò)熱蒸汽中來(lái)控制離開副再熱器60 的蒸汽的溫度。 在例如系統(tǒng)10等聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)中，熱排氣可從燃?xì)廨啓C(jī)12流出，然后穿過(guò)HRSG 32，且可用于產(chǎn)生高壓、高溫蒸汽。然后可使由HRSG32產(chǎn)生的蒸汽穿過(guò)蒸汽輪機(jī)22以便發(fā) 電。另外，產(chǎn)生的蒸汽還可供給使用過(guò)熱的蒸汽的任何其它過(guò)程。燃?xì)廨啓C(jī)12發(fā)電循環(huán)通 常稱為"頂層循環(huán)"，而蒸汽輪機(jī)22發(fā)電循環(huán)通常稱為"底層循環(huán)"。通過(guò)如圖l所圖示的 那樣聯(lián)合這兩個(gè)循環(huán)，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)10可在兩個(gè)循環(huán)中產(chǎn)生更大的效率。特別地，可 捕獲來(lái)自頂層循環(huán)的排氣熱，且可將其用于產(chǎn)生用來(lái)在底層循環(huán)中使用的蒸汽。
因此，在例如系統(tǒng)10等聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)中，合乎需要的是捕獲來(lái)自頂層循環(huán)的熱能 (否則其可能被浪費(fèi))，且使用該熱能在底層循環(huán)中發(fā)電。因?yàn)閺娜細(xì)廨啓C(jī)12進(jìn)入HRSG 32 的排氣溫度升高，所以能夠由HRSG 32重新捕獲的熱能的量也增加了。這又容許聯(lián)合循環(huán) 系統(tǒng)10有更高的總體效率?？墒褂糜糜谔岣哌M(jìn)入HRSG 32中的排氣溫度的許多技術(shù)，包括 但不限于在燃?xì)廨啓C(jī)12和HRSG 32之間使用導(dǎo)管燃燒器。如果將補(bǔ)充燃料源作為進(jìn)入導(dǎo) 管燃燒器中的輸入來(lái)使用，則使用導(dǎo)管燃燒器來(lái)提高來(lái)自燃?xì)廨啓C(jī)12的排氣34的溫度不 一定會(huì)提高系統(tǒng)10的總體效率。但是，在系統(tǒng)10的峰值負(fù)載時(shí)段期間，導(dǎo)管燃燒器可容許 有更大的蒸汽產(chǎn)量，且又容許有更大的發(fā)電量。此外，如以下所闡明的，如果在導(dǎo)管燃燒器 中使用可用的低BTU燃料，而非補(bǔ)充燃料源，則可通過(guò)使用否則將會(huì)浪費(fèi)掉的低BTU燃料來(lái) 提高總體效率。 低BTU燃料源意圖表示具有比傳統(tǒng)的氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)燃料(例如甲烷)更低的 熱值，但具有高到足以產(chǎn)生可燃混合物且允許持續(xù)燃燒的熱值的燃料。低BTU燃料的特征 可在于具有介于90和700Btu/scf(英國(guó)熱單位/標(biāo)準(zhǔn)平方英尺)之間的熱量范圍。熱值 是限定燃燒時(shí)釋放的熱量的燃料屬性。低BTU燃料可具有更高濃度的不具有熱值或具有低 熱值的成分(例如一氧化碳、二氧化碳、氮等)。 圖2是燃?xì)廨啓C(jī)12、 HRSG 32和導(dǎo)管燃燒器64的示例性運(yùn)行的示意圖，其圖示了 可根據(jù)所公開的實(shí)施例來(lái)使用的基本原理。如上所述，可將來(lái)自燃?xì)廨啓C(jī)12的排氣34導(dǎo) 入HRSG 32中，在HRSG 32中，來(lái)自排氣34的熱可用于將來(lái)自底層循環(huán)的冷凝物轉(zhuǎn)換成底 層循環(huán)中的過(guò)熱蒸汽。在排氣34離開該燃?xì)廨啓C(jī)12時(shí)，排氣34可在到達(dá)導(dǎo)管燃燒器64 之前逐漸地膨脹通過(guò)排氣導(dǎo)管66。排氣34可與補(bǔ)充燃料源68(例如低BTU燃料)混合，補(bǔ) 充燃料源68可通過(guò)具有相關(guān)聯(lián)的噴射器72的導(dǎo)管燃燒器70噴入排氣34的流中。 一旦通 過(guò)導(dǎo)管燃燒器70點(diǎn)燃排氣34，所得的過(guò)熱排氣74就可用于通過(guò)最終高壓過(guò)熱器54、副再 熱器60、主再熱器58、主高壓過(guò)熱器52和HRSG 32的其它構(gòu)件來(lái)對(duì)蒸汽進(jìn)行過(guò)度加熱。
由于燃?xì)廨啓C(jī)12大體僅可消耗燃?xì)廨啓C(jī)空氣流內(nèi)的少量可用氧，所以排氣34大 體可包含高百分比的氧，其容許在導(dǎo)管燃燒器64中進(jìn)行補(bǔ)燃。具有相對(duì)高的BTU含量的補(bǔ) 充燃料源68可對(duì)火焰穩(wěn)定性有利，但是補(bǔ)充燃料源68可能不是在設(shè)施處可獲得的產(chǎn)品。換 句話說(shuō)，該設(shè)施可能不產(chǎn)生高BTU燃料，且因此高BTU燃料的使用將增加成本且降低該設(shè)施 的效率。相反，低BTU燃料由于低當(dāng)量比和火焰穩(wěn)定性問(wèn)題而可能更難以在導(dǎo)管中燃燒，但 是低BTU燃料可能是該設(shè)施中可獲得的產(chǎn)品。因此，使用這些可獲得的低BTU燃料可提高 設(shè)施的總體效率。 所公開的實(shí)施例提供了多種技術(shù)來(lái)使得能夠以受控制的和穩(wěn)定的方式使用低BTU 燃料，從而提高設(shè)施中的效率。為了在公開的實(shí)施例的導(dǎo)管燃燒設(shè)備中燃燒低BTU燃料，補(bǔ) 充燃料源68可與具有更高的熱值的燃料(例如天然氣)混和，產(chǎn)生更高的混合燃料熱值， 從而可產(chǎn)生更加可燃的混合物?？墒古艢?4分流，從而使得只有排氣34的一部分可用于 燃燒。例如，比例流控制系統(tǒng)可防止可燃混合物被稀釋到用于進(jìn)行穩(wěn)定的燃燒操作的可燃 性下限限值以下。 在導(dǎo)管燃燒器內(nèi)燃燒低BTU燃料源可避免使低BTU燃料源排出、爆燃或燃燒，否則 低BTU燃料源將被看作是聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)10的相對(duì)無(wú)用的副產(chǎn)物。因此，在這方面，燃燒 低BTU燃料源可容許有更高的效率。所公開的實(shí)施例容許低BTU燃料在導(dǎo)管燃燒器內(nèi)高效地燃燒。應(yīng)當(dāng)注意，雖然所公開的實(shí)施例針對(duì)低BTU燃料的使用，但是還可證明所公開的實(shí) 施例對(duì)于利用在傳統(tǒng)的導(dǎo)管燃燒器系統(tǒng)內(nèi)不能輕易燃燒的任何其它燃料(例如高氧氣、垃 圾氣體等)的應(yīng)用也是有用的。所公開的實(shí)施例可容許這樣的非傳統(tǒng)燃料以及固體、混合 物等燃燒。事實(shí)上，所公開的實(shí)施例可擴(kuò)展成用于與所有燃料一起使用，包括傳統(tǒng)的燃料。
圖3是根據(jù)所公開的實(shí)施例與燃?xì)廨啓C(jī)12和HRSG 32 —起使用的示例性導(dǎo)管燃 燒器系統(tǒng)76的示意圖。在所圖示的實(shí)施例中，給水泵78可將給水泵送到高壓節(jié)熱器48，以 便加熱，然后將給水泵送到高壓蒸發(fā)器50，在高壓蒸發(fā)器50中，蒸汽可與冷凝物分開。然后 可將高壓蒸汽導(dǎo)入主高壓過(guò)熱器52和最終高壓過(guò)熱器54中，其中高壓蒸汽在被導(dǎo)入蒸汽 輪機(jī)22的高壓級(jí)30中之前被過(guò)度加熱。在蒸汽輪機(jī)22的高壓級(jí)30中使用了蒸氣之后， 可使該蒸汽返回到HRSG 32，在HRSG 32中，蒸汽可由主再熱器58和副再熱器60重新加熱。 一旦由再熱器重新加熱，蒸汽就可導(dǎo)入蒸汽輪機(jī)22的中壓級(jí)28中。如以上所提到的，HRSG 32和蒸汽輪機(jī)22之間的這些所示意的相互作用僅意圖為說(shuō)明性的，且不應(yīng)理解為限制性 的。特別地，這些互連僅用于這樣的目的，即說(shuō)明在排氣34已經(jīng)穿過(guò)使用所公開的實(shí)施例 的示例性導(dǎo)管燃燒器系統(tǒng)76之后，蒸汽可如何通過(guò)HRSG 32且與來(lái)自燃?xì)廨啓C(jī)12的排氣 34相互作用。 來(lái)自燃?xì)廨啓C(jī)12的排氣34可大體流入排氣導(dǎo)管66中(排氣34在其中逐漸地膨 脹)，且然后流入主導(dǎo)管80中。在主導(dǎo)管80中，排氣34可進(jìn)一步膨脹，且可在流過(guò)HRSG 32之前對(duì)其進(jìn)行加熱，以產(chǎn)生用于對(duì)蒸汽輪機(jī)22供以動(dòng)力的過(guò)熱蒸汽。在所圖示的實(shí)施例 中，排氣34可由主分流器82和副分流器84分成兩個(gè)平行的流束。可允許主流束86通過(guò) 主導(dǎo)管80，而副流束88可轉(zhuǎn)到副導(dǎo)管90中。特別地，主分流器82可構(gòu)造成以便允許或限 制進(jìn)入主導(dǎo)管80中的主流束86，而副分流器84可構(gòu)造成以便允許或限制進(jìn)入副導(dǎo)管90中 的副流束88。因此，兩個(gè)流束86、88可分離到單獨(dú)的導(dǎo)管80、90中，而非將所有的流保持在 排氣導(dǎo)管66和HRSG 32之間的單個(gè)共用導(dǎo)管內(nèi)。在所公開的實(shí)施例中，如與主導(dǎo)管80或 單個(gè)共用導(dǎo)管相反，導(dǎo)管燃燒可實(shí)現(xiàn)為副導(dǎo)管90的一部分。 分流器82、84中的一個(gè)或兩者的特征在于具有用于使流在流束86、88之間分流的 可變幾何結(jié)構(gòu)。可通過(guò)許多不同的設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)分流器82、84的可變幾何結(jié)構(gòu)，而且分流器 82、84的可變幾何結(jié)構(gòu)可包括例如百葉窗式分流器氣門或會(huì)聚式/發(fā)散式噴嘴布置?？勺?幾何結(jié)構(gòu)分流器機(jī)構(gòu)的使用與具有固定幾何結(jié)構(gòu)分流器機(jī)構(gòu)的導(dǎo)管燃燒器系統(tǒng)大不相同。 與利用固定幾何結(jié)構(gòu)分流器機(jī)構(gòu)相比，使用可變幾何結(jié)構(gòu)分流器機(jī)構(gòu)可容許貫穿更寬的操 作條件范圍來(lái)進(jìn)行穩(wěn)定的導(dǎo)管燃燒。特別地，通過(guò)使用可變幾何結(jié)構(gòu)分流器機(jī)構(gòu)，可隨時(shí)間 來(lái)修改分流率，以將操作條件的變化以及(更具體地)來(lái)自燃?xì)廨啓C(jī)12的排氣34的化學(xué) 計(jì)量的組成的變化考慮在內(nèi)。主導(dǎo)管80和副導(dǎo)管90還可設(shè)計(jì)成任何適當(dāng)?shù)膸缀谓Y(jié)構(gòu)，且 可包括圓形、正方形或長(zhǎng)方形截面。 分流器82、84可配備有可改變分流器82、84和其它相關(guān)聯(lián)的分流器機(jī)構(gòu)的定位的 促動(dòng)系統(tǒng)。該促動(dòng)系統(tǒng)可與系統(tǒng)控制器92相互作用，以改變分流器82、84的定位，從而控 制轉(zhuǎn)入主流束86和副流束88中的排氣34的量或部分。系統(tǒng)控制器92可構(gòu)造成以便基于 各個(gè)流的組分來(lái)改變低BTU燃料流和副流束88之間的化學(xué)計(jì)量流量比率。另外，可通過(guò)副 導(dǎo)管90中的開口將補(bǔ)充空氣流94引入副流束88中。補(bǔ)充空氣流94可改變副流束88的 化學(xué)計(jì)量屬性。還可通過(guò)使用鼓風(fēng)機(jī)96來(lái)增強(qiáng)流分流過(guò)程。鼓風(fēng)機(jī)96可改進(jìn)預(yù)混合燃燒方法，且排除將引燃火焰技術(shù)實(shí)現(xiàn)為持續(xù)點(diǎn)火源。另外，鼓風(fēng)機(jī)96可用于調(diào)節(jié)副流束88的 速度，從而使得導(dǎo)管燃燒器系統(tǒng)76的燃燒更加穩(wěn)定。 可將副流束88導(dǎo)入燃燒系統(tǒng)98中以進(jìn)行加熱。燃燒系統(tǒng)98可包括許多燃燒系 統(tǒng)特征，例如燃料、稀釋劑以及氧化劑噴射噴嘴、預(yù)混合特征、火焰檢測(cè)、點(diǎn)火系統(tǒng)、燃燒過(guò) 程控制等。例如，如所圖示的，燃燒系統(tǒng)98可由熱空氣或熱氧化劑系統(tǒng)100補(bǔ)充，在熱空氣 或熱氧化劑系統(tǒng)100中，空氣或氧化劑的流可由燃燒副產(chǎn)物的高溫加熱且然后被引入燃燒 系統(tǒng)98的燃燒室中。可允許熱空氣或熱氧化劑在以下位置上進(jìn)入燃燒室中-在該位置上， 其可將可燃混合物加熱到最優(yōu)的燃燒反應(yīng)溫度，以提高火焰穩(wěn)定性。因此，熱空氣或熱氧化 劑系統(tǒng)100可充當(dāng)自動(dòng)點(diǎn)火系統(tǒng)，而非使用引燃技術(shù)。將熱空氣或氧化劑系統(tǒng)100用作自 動(dòng)點(diǎn)火系統(tǒng)可產(chǎn)生熱動(dòng)效率好處。另外，由熱空氣或熱氧化劑系統(tǒng)100使用的技術(shù)可用于 聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)10的其它燃燒系統(tǒng)中，例如燃?xì)廨啓C(jī)12的燃燒室18。用于加熱主流束 86內(nèi)的空氣或氧化劑的位置可改變，且可取決于進(jìn)入燃燒系統(tǒng)98的熱空氣或熱氧化劑的 最優(yōu)溫度。 燃燒系統(tǒng)98還可在燃燒系統(tǒng)98上游由稀釋劑和/或氧氣富集系統(tǒng)102補(bǔ)充。如 上所述，低BTU燃料混合物104可引入燃燒系統(tǒng)98中。在燃燒系統(tǒng)98的燃燒室中產(chǎn)生的 所得火焰可產(chǎn)生加熱了的流束106，以與可稱為加熱區(qū)的主導(dǎo)管80區(qū)域中的主流束86進(jìn)行 混合?？墒褂昧髁勘嚷士刂撇呗詠?lái)控制煙氣、空氣或其它流體介質(zhì)和低BTU燃料之間的化 學(xué)計(jì)量比率。 所公開的導(dǎo)管燃燒器技術(shù)可應(yīng)用于許多應(yīng)用，但尤其是很好地適于正好在燃?xì)廨?機(jī)12的排氣導(dǎo)管66的下游和HRSG 32的上游的應(yīng)用，如圖3所圖示的。如以上所述，可證 明所公開的實(shí)施例在寬泛的操作條件的范圍上控制排氣34的化學(xué)計(jì)量流量比率時(shí)尤其有 利。導(dǎo)管燃燒器系統(tǒng)76可基于所意圖的導(dǎo)管燃燒器系統(tǒng)76運(yùn)行的范圍而構(gòu)造有單個(gè)燃燒 室或者構(gòu)造有多個(gè)燃燒室。燃燒系統(tǒng)98還可接受多個(gè)燃料流，包括超低BTU燃料(例如尾 氣)，其中燃料流可在進(jìn)入燃燒系統(tǒng)98之前或期間與其它蒸汽進(jìn)行預(yù)混合。
超低BTU燃料源意圖指的是具有低于大約90Btu/scf的熱范圍的燃料。超低BTU 燃料源是具有低到不能實(shí)現(xiàn)可燃混合物的熱值的燃料。為了通過(guò)燃燒超低BTU燃料來(lái)產(chǎn)生 熱釋放，超低BTU燃料可與具有更高的熱值的燃料源一起燃燒。 還可將另外的特征添加到導(dǎo)管燃燒器系統(tǒng)76，即添加到系統(tǒng)控制器92的功能內(nèi)。 例如，化學(xué)計(jì)量流量比率可由系統(tǒng)控制器92基于排放監(jiān)測(cè)來(lái)控制。換句話說(shuō)，可監(jiān)測(cè)來(lái)自 導(dǎo)管燃燒器系統(tǒng)76的排放，且基于排放的變化，系統(tǒng)控制器92可修改副流束88和所得可 燃混合物的流量和成分。另外，可添加用于低BTU燃料混合物104的再流通環(huán)，而不會(huì)不利 地影響整個(gè)燃燒過(guò)程。例如溫度記錄等監(jiān)測(cè)和診斷系統(tǒng)也可添加到所公開的實(shí)施例。系統(tǒng) 控制器92還可改變包含在所公開的實(shí)施例內(nèi)的子系統(tǒng)(包括補(bǔ)充空氣流94、鼓風(fēng)機(jī)96、熱 空氣或熱氧化劑系統(tǒng)100、氧氣富集系統(tǒng)102、低BTU燃料混合物104、燃燒系統(tǒng)98和加熱了 的流束106)的過(guò)程控制參數(shù)。導(dǎo)管燃燒器系統(tǒng)76可使得能夠進(jìn)行操作性集成，從而使得 系統(tǒng)控制器92可用于與燃?xì)廨啓C(jī)12、HRSG 32，且甚至是聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)10設(shè)施的控制 器相互作用。 圖4是根據(jù)所公開的實(shí)施例與燃?xì)廨啓C(jī)12和HRSG 32 —起使用的另一個(gè)示例性 導(dǎo)管燃燒器系統(tǒng)108的示意圖。圖4所圖示的導(dǎo)管燃燒器系統(tǒng)108的大多數(shù)構(gòu)件與圖3中的所圖示的導(dǎo)管燃燒器系統(tǒng)76中使用的那些相似。但是，圖4的導(dǎo)管燃燒器系統(tǒng)108顯示 了可如何使用現(xiàn)有的導(dǎo)管燃燒技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)各種設(shè)計(jì)。例如，在圖4中，燃燒系統(tǒng)98可置于 HRSG 32的某些構(gòu)件的下游。特別地，在所圖示的實(shí)施例中，燃燒系統(tǒng)98可置于HRSG 32的 主高壓過(guò)熱器52、最終高壓過(guò)熱器54、主再熱器58和副再熱器60的下游。這樣，加熱了的 流束106可在HRSG 32的這些過(guò)熱的和重新加熱的構(gòu)件下游的主導(dǎo)管80區(qū)域中引入主流 束86中。這樣做可允許加熱了的流束106與主流束86混合，從而導(dǎo)致主流束86在高得多 的溫度下進(jìn)入高壓蒸發(fā)器50(HPEVAP)。這個(gè)延遲的混合的作用可在不同的操作條件之間改 變。但是，進(jìn)入HRSG 32的高壓蒸發(fā)器50(HPEVAP)中的升高的溫度大體可使得HRSG 32內(nèi) 能夠有增加的和更高效的超熱蒸汽生產(chǎn)。 因此，圖4圖示了可如何以各種方式構(gòu)造使用所公開的實(shí)施例的導(dǎo)管燃燒器系 統(tǒng)。另外，當(dāng)前的導(dǎo)管燃燒器系統(tǒng)可設(shè)計(jì)成不同的系統(tǒng)的部分。例如，導(dǎo)管燃燒器系統(tǒng)可在 沿著HRSG 32的各位置上或者它們的一些組合上集成到燃?xì)廨啓C(jī)12的排氣中，如圖3和4 所圖示。特別地，導(dǎo)管燃燒器系統(tǒng)可設(shè)計(jì)成可插入HRSG 32中的模塊。因此，所公開的實(shí)施 例可包括模塊化的導(dǎo)管燃燒器、翻新套件、集成的導(dǎo)管等。不管為導(dǎo)管燃燒器系統(tǒng)選擇的特 定空間構(gòu)造如何，所使用的操作方法可基本相似。 圖5是用于使用所公開的實(shí)施例來(lái)導(dǎo)管燃燒低BTU燃料源的示例性方法110的流 程圖。在步驟112處，可使用可變幾何結(jié)構(gòu)分流器機(jī)構(gòu)使氣體在主導(dǎo)管80和副導(dǎo)管90之 間分流。如貫穿本公開所描述的，氣體可為來(lái)自燃?xì)廨啓C(jī)12的排氣34。但是，用于導(dǎo)管燃 燒低BTU燃料源的方法110還可用于其中氣體可用于點(diǎn)燃導(dǎo)管燃燒系統(tǒng)的其它應(yīng)用中。如 上所述，可變幾何結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)可包括主分流器82和副分流器84，其中主分流器82可允許或限 制氣體流入主導(dǎo)管80中，且副分流器84可允許或限制氣體流入副導(dǎo)管90中。大體上，步 驟112可包括基于由系統(tǒng)控制器92接收的控制指令來(lái)促動(dòng)分流器82、84的定位。系統(tǒng)控 制器92可控制低BTU燃料混合物104和副流束88之間的化學(xué)計(jì)量流量比率。除了其它方 面以外，控制相應(yīng)的流束88、104的流量和成分可容許燃燒系統(tǒng)98中的適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)計(jì)量條 件。 系統(tǒng)控制器92還可控制其它化學(xué)計(jì)量參數(shù)。例如，在步驟114處，補(bǔ)充空氣流94 可以可選地噴射到副流束88中。另外，在步驟116處，副流束88可以可選地由鼓風(fēng)機(jī)96 吹過(guò)燃燒系統(tǒng)98。系統(tǒng)控制器92還可操縱各種其它燃料控制器來(lái)優(yōu)化副流束88的化學(xué)計(jì) 量流量比率，以進(jìn)行最優(yōu)燃燒。例如，熱空氣或氧化劑系統(tǒng)100、稀釋劑和/或氧氣富集系統(tǒng) 102以及其它適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)可由系統(tǒng)控制器92控制，以將補(bǔ)充空氣和氣體噴入副流束88中， 以確保低BTU燃料混合物104可能能夠在燃燒系統(tǒng)98中產(chǎn)生穩(wěn)定的火焰。
在步驟118處，副流束88可與低BTU燃料混合物104結(jié)合，以在燃燒系統(tǒng)98的燃 燒室中產(chǎn)生火焰，從而產(chǎn)生加熱了的流束106。在步驟120處，加熱了的流束106然后可由 燃燒系統(tǒng)98再噴入主導(dǎo)管80中，在主導(dǎo)管80中，加熱了的流束106可與主流束86混合。
導(dǎo)管燃燒的低BTU燃料可允許設(shè)施燃燒否則將不能由燃?xì)廨啓C(jī)出于產(chǎn)生蒸汽的 目的而消耗的多余的過(guò)程燃料。這樣，所公開的實(shí)施例可容許在給定的設(shè)施處產(chǎn)生的所有 可用燃料源進(jìn)行燃燒。這可使得能夠有用于優(yōu)化燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)輸出能力的更加柔性 的場(chǎng)設(shè)計(jì)方法。另外，使用所公開的實(shí)施例的導(dǎo)管燃燒器系統(tǒng)還可看作是在其它低BTU燃 料燃燒設(shè)備發(fā)生故障時(shí)的后備生產(chǎn)能力。導(dǎo)管點(diǎn)火還可使燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度升高，促進(jìn)更有效的重新加熱蒸汽循環(huán)。還可響應(yīng)于緊急情況和擾動(dòng)條件兩者-例如電頻率響應(yīng)和由于鄰近的蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的蒸汽生產(chǎn)損失-來(lái)使用所公開的實(shí)施例。此外，由導(dǎo)管點(diǎn)火產(chǎn)生的另外的蒸汽產(chǎn)生可重新引入燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)中，以進(jìn)行排放控制和發(fā)電增大兩者。
本導(dǎo)管燃燒技術(shù)使用鼓風(fēng)機(jī)、可變幾何結(jié)構(gòu)分流器和燃料控制器的組合來(lái)優(yōu)化用于導(dǎo)管點(diǎn)火應(yīng)用中的最優(yōu)燃燒反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量流量比率。雖然其它導(dǎo)管燃燒系統(tǒng)可使用單個(gè)絕熱爐，所公開的實(shí)施例可使用單個(gè)或多個(gè)燃燒室。另外，雖然其它導(dǎo)管燃燒系統(tǒng)可使用加熱了的耐火材料來(lái)優(yōu)化可燃混合物的溫度，但是所公開的實(shí)施例可將熱空氣或氧化劑引入燃燒系統(tǒng)98的燃燒室中，以提高可燃混合物的溫度。如上所述，所公開的實(shí)施例還引入鼓風(fēng)機(jī)96來(lái)改進(jìn)預(yù)混合燃燒策略，而其它導(dǎo)管燃燒系統(tǒng)則可能需要引燃火焰燃燒策略。
本導(dǎo)管燃燒器系統(tǒng)不限于包含在導(dǎo)管內(nèi)部的整體式設(shè)備組合件。相反，本導(dǎo)管燃燒器系統(tǒng)可構(gòu)成可從外表面插入導(dǎo)管中以允許進(jìn)入來(lái)進(jìn)行操作診斷和維護(hù)的設(shè)備組合件。所公開的實(shí)施例容許關(guān)于設(shè)備布置和定向的更大的柔性，因?yàn)槎鄠€(gè)燃燒室可安裝和定向成以便優(yōu)化熱回收設(shè)計(jì)。另外，所公開的實(shí)施例可建立具有均勻的溫度分布的加熱區(qū)，以減輕由熱引起的機(jī)械應(yīng)力。本導(dǎo)管燃燒器系統(tǒng)還可構(gòu)造成容許分級(jí)策略。例如，當(dāng)功率或蒸汽要求增加時(shí)，不同的燃燒系統(tǒng)可調(diào)為"打開"或"關(guān)閉"來(lái)滿足要求。這種分級(jí)策略還可應(yīng)用于燃料供應(yīng)中的變化。 本文提出的低BTU燃料導(dǎo)管燃燒技術(shù)可應(yīng)用于任何聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)來(lái)將熱添加到HRSG。該技術(shù)還可應(yīng)用于許多蒸汽發(fā)生鍋爐或熱交換器應(yīng)用中。特別地，所公開的實(shí)施例可應(yīng)用于合成氣生產(chǎn)、鋼廠鼓風(fēng)爐，以及氣體和精煉設(shè)施領(lǐng)域中的燃?xì)廨啓C(jī)熱回收系統(tǒng)。使用所公開的實(shí)施例的導(dǎo)管燃燒系統(tǒng)還可用于現(xiàn)有的燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)應(yīng)用中。
雖然在本文中僅對(duì)本發(fā)明的某些特征進(jìn)行了說(shuō)明和描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將想到許多修改和改變。因此，應(yīng)當(dāng)理解，所附的權(quán)利要求書意圖覆蓋落入本發(fā)明的實(shí)質(zhì)精神內(nèi)的所有這樣的修改和改變。
權(quán)利要求
一種系統(tǒng)(76，108)，包括可變幾何結(jié)構(gòu)分流器(82，84)，其構(gòu)造成以便在從燃?xì)廨啓C(jī)(12)到熱回收蒸汽發(fā)生系統(tǒng)(32)的排氣(34)的通道中操作，其中，所述可變幾何結(jié)構(gòu)分流器(82，84)構(gòu)造成以便將所述排氣(34)的通道分成主排氣通道(86)和副排氣通道(88)；以及燃燒系統(tǒng)(98)，其構(gòu)造成以便使所述副排氣通道(88)中的排氣(34)與至少一個(gè)燃料源(104)結(jié)合，以燃燒所述副排氣通道(88)中的所述排氣，且將加熱了的氣體(106)再噴入所述主排氣通道(86)中。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(76， 108)，其特征在于，所述系統(tǒng)(76， 108)包括構(gòu)造成以便將所述副排氣通道(88)中的排氣(34)吹過(guò)所述燃燒系統(tǒng)(98)的鼓風(fēng)機(jī)(96)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(76， 108)，其特征在于，所述系統(tǒng)(76， 108)包括控制器(92)，所述控制器(92)構(gòu)造成以便基于所述至少一個(gè)燃料源(104)和所述副排氣通道(88)中的排氣(34)之間的化學(xué)計(jì)量流量比率來(lái)控制所述副排氣通道(88)中的排氣(34)的流量和成分。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)(76，108)，其特征在于，所述控制器(92)構(gòu)造成以便通過(guò)促動(dòng)所述可變幾何結(jié)構(gòu)分流器(82,84)來(lái)控制所述副排氣通道(88)中的排氣(34)的流量和成分。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)(76，108)，其特征在于，所述控制器(92)構(gòu)造成以便基于來(lái)自所述燃燒系統(tǒng)(98)的排放來(lái)控制所述副排氣通道(88)中的排氣(34)的流量和成分。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(76， 108)，其特征在于，所述系統(tǒng)(76， 108)包括構(gòu)造成以便將空氣(94)添加到所述副排氣通道(88)中的排氣(34)中的補(bǔ)充空氣噴射器。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(76， 108)，其特征在于，所述系統(tǒng)(76， 108)包括構(gòu)造成以便將熱空氣或其它氧化劑添加到所述副排氣通道(88)中的排氣(34)中的熱空氣或熱氧化劑系統(tǒng)(100)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)(76，108)，其特征在于，所述可變幾何結(jié)構(gòu)分流器(82，84)包括:構(gòu)造成以便允許和限制所述排氣(34)流入所述主排氣通道(86)中的主分流器(82);以及構(gòu)造成以便允許和限制所述排氣(34)流入所述副排氣通道(88)中的副分流器(84);以及
9. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)(76，108)，其特征在于，所述可變幾何結(jié)構(gòu)分流器(82，84)包括百葉窗式分流器氣門、會(huì)聚式/發(fā)散式噴嘴布置或它們的組合。
10. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)(76，108)，其特征在于，所述系統(tǒng)(76,108)包括構(gòu)造成以便安裝在所述燃?xì)廨啓C(jī)(12)和所述熱回收蒸汽發(fā)生系統(tǒng)(32)之間的導(dǎo)管(66,80)中的模塊化單元，其中，所述模塊化單元包括所述可變幾何結(jié)構(gòu)分流器(82,84)、所述主排氣通道(86)、所述副排氣通道(88)、所述燃燒系統(tǒng)(98)或它們的組合。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于加熱和熱回收系統(tǒng)的低BTU燃料流量比導(dǎo)管燃燒器。所公開的實(shí)施例中提供了構(gòu)造成使用低BTU燃料源的導(dǎo)管燃燒器系統(tǒng)。在某些實(shí)施例中，系統(tǒng)可包括構(gòu)造成接收來(lái)自排氣導(dǎo)管的排氣的主流束的主導(dǎo)管和構(gòu)造成接收來(lái)自排氣導(dǎo)管的排氣的副流束的副導(dǎo)管。主可變幾何結(jié)構(gòu)分流器和副可變幾何結(jié)構(gòu)分流器可構(gòu)造成分別允許和限制主和副流束。燃燒系統(tǒng)可接收副流束，使其與至少一個(gè)低BTU燃料源混合，燃燒以加熱副流束以及將熱的副流束再噴入主導(dǎo)管中。鼓風(fēng)機(jī)可用于將副流束吹過(guò)燃燒系統(tǒng)。另外，系統(tǒng)控制器可用于通過(guò)促動(dòng)主和副可變幾何結(jié)構(gòu)分流器控制低BTU燃料流源和副流束之間的化學(xué)計(jì)量流量比率。
文檔編號(hào)F01K23/06GK101709660SQ200910175930
公開日2010年5月19日 申請(qǐng)日期2009年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月11日
發(fā)明者J·A·孔基里 申請(qǐng)人:通用電氣公司