CN103292351B

CN103292351B - 燃气轮机燃烧器

Info

Publication number: CN103292351B
Application number: CN201310064410.8A
Authority: CN
Inventors: 平田义隆; 高桥宏和; 关口达也; 小泉浩美; 吉田正平; 笹尾俊文; 林明典
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2012-02-28
Filing date: 2013-02-28
Publication date: 2015-07-29
Anticipated expiration: 2033-02-28
Also published as: EP2634490B1; CN103292351A; JP2013177990A; EP2634490A1; US20130219900A1; JP5618337B2

Abstract

本发明提供燃气轮机燃烧器，其具备燃料喷射阀，该燃料喷射阀作为使液体燃料微粒化的机构而利用液体燃料以外的介质进行微粒化，该燃气轮机燃烧器能够促进液体燃料的微粒化，并且能够抑制热损失引起的发电效率降低。该燃气轮机燃烧器使液体燃料与从压缩机导入的燃烧用空气混合并燃烧，且将所生成的燃烧气体供给至燃气轮机的燃气轮机燃烧器，在燃烧器的上游侧具备使该液体燃料微粒化为细小的液滴的燃料喷射阀，该燃料喷射阀具备供给该液体燃料的第一系统、和供给用于使该液体燃料微粒化的第二介质的第二系统，并且对低沸点的液体燃料进行加热而将其作为供给至上述第二系统的介质。

Description

燃气轮机燃烧器

技术领域

本发明涉及燃气轮机燃烧器。

背景技术

一般，在燃烧液体燃料的燃烧器中，从燃料喷嘴使液体燃料微粒化，促进小径的燃料液滴组和燃料空气的混合而使之燃烧。

使液体燃料微粒化的燃料喷嘴有如下两种燃料喷嘴：使用除液体燃料以外的介质、例如高压空气等并利用空气的剪切力来进行微粒化的双流体方式的燃料喷嘴；以及提高液体燃料的供给压力来使液体燃料的喷射速度加速、从而进行微粒化的单流体方式的燃料喷嘴。

前者的双流体方式与单流体方式相比，微粒化性能优异，从而对作为燃烧液体燃料的燃烧器的课题之一的烟尘的排出量抑制是有效的。但是，由于需要用于微粒化的空气，所以例如在从燃气轮机的压缩机抽吸的情况下，需要对抽吸的空气进行升压，从而需要用于升压的动力、需要对抽吸的空气进行冷却而供给，从而有导致燃气轮机的效率低下的担忧。

相对于此，单流体方式不需要喷雾空气的供给系统，从而有不会导致上述的效率低下、能够简化设备的优点。但是，微粒化特性比双流体方式的差，尤其在供给压力低的条件下，该倾向变得显著。

就液体燃料喷嘴而言，喷雾方式、构造都多种多样，至今提出多个液体燃料喷嘴，例如专利文献1～3所述。

专利文献1：日本特开2007-155170号公报

专利文献2：日本特表2002-519617号公报

专利文献3：日本实开平2-28923号公报

发明内容

作为燃烧液体化石燃料的燃烧器的重要的开发课题之一，是抑制起动时的白烟、烟尘排出量。对于白烟、烟尘的排出抑制，使燃料微粒化为细小的液滴、实现促进与空气的混合是有效的方法。因此，可以说液体燃料的微粒化技术是非常重要的。

如上所述，对于促进燃料的微粒化，使用液体燃料以外的介质是有效的，一般多利用高压空气。为了得到高压空气，从燃气轮机的压缩机抽吸，对抽吸的空气进行冷却，并使之升压而供给，从而因热损失、压缩机动力而使燃气轮机整体的效率降低。

因此，本发明的目的在于，提供能够极力减少燃气轮机效率的降低、且能够促进液体化石燃料的微粒化的燃气轮机燃烧器。

一种燃气轮机燃烧器，使液体燃料与从压缩机导入的燃烧用空气混合并燃烧，且将所生成的燃烧气体供给至燃气轮机，其特征在于，具备使上述液体燃料微粒化为细小的液滴的燃料喷射阀，在上述燃料喷射阀设置有供给上述液体燃料的第一系统、和供给用于使上述液体燃料微粒化的介质的第二系统，构成为将低沸点的液体燃料作为所述介质供给至上述第二系统，上述燃气轮机燃烧器具备对上述低沸点的液体燃料进行加热的机构。

根据本发明，能够提供可极力减少燃气轮机效率的降低、且能够促进液体化石燃料的微粒化的燃气轮机燃烧器。

附图说明

图1是第一实施方式的燃气轮机整体结构图。

图2是第一实施方式的燃料喷射阀的纵剖视图。

图3是第二实施方式的燃气轮机整体结构图。

图4是第二实施方式的燃料喷射阀的纵剖视图。

图5是第三实施方式的燃料喷射阀的纵剖视图。

图6是第四实施方式的燃料喷射阀的纵剖视图。

图中：

1—压缩机，2—燃气轮机，3—燃烧器，4—发电机，5—喷雾空气压缩机，6—乙醇燃料罐，8—热交换器，9—内筒，12—燃料喷射阀，13—转移件，14—端盖，16—燃烧空气，17—燃烧气体，18—液体化石燃料，21—乙醇燃料，22—喷雾空气，23—燃烧室，100—液体化石燃料系统，102—乙醇燃料系统，104—高压喷雾空气系统。

具体实施方式

以下，参照附图，对使用了本发明的燃气轮机燃烧器的实施方式进行说明。

其中，根据以下所示的本发明的实施方式的燃气轮机燃烧器，在燃烧液体化石燃料的燃气轮机燃烧器中，作为使液体化石燃料微粒化的机构，通过具备燃料喷射阀，能够抑制燃气轮机效率的降低、并能够促进液体化石燃料等的微粒化，该燃料喷射阀加热低沸点的液体燃料使之气化，利用加热、气化后的低沸点的液体燃料的剪切力使液体化石燃料微粒化。

并且，在以下所示的本发明的实施方式中，表示了作为低沸点的液体燃料而使用乙醇燃料的情况，但具体而言，将沸点是从常温开始150℃左右的范围内、且在常温状态下为液体的假定为低沸点的液体燃料。

（第一实施方式）

以下参照图1、图2，对本发明的第一实施方式进行说明。图1是通过纵剖视图表示本发明的燃气轮机燃烧器的第一实施方式的结构、并且简要地表示具备燃气轮机燃烧器的燃气轮机装置的整体结构的简要结构图。

图1所示的燃气轮机装置主要包括：压缩空气而生成高压的燃烧用空气的压缩机1；对从该压缩机1导入的燃烧空气16和液体化石燃料18进行混合而生成燃烧气体17的燃烧器3；以及导入由该燃烧器3生成的燃烧气体17的涡轮2。此外，压缩机1与涡轮2、发电机4的轴连结。

上述燃烧器3由如下部件构成：形成用于对燃烧空气16和燃料进行燃烧而生成燃烧气体17的燃烧室23的内筒9；用于将在燃烧室23生成的燃烧气体17导入涡轮2的转移件13；收纳有内筒9和转移件13的外筒10；以及端盖14。

在内筒9的燃烧气体流动方向上游侧的轴中心位置配置空气旋流器11，该空气旋流器11用于赋予燃烧空气16旋流而促进与液体化石燃料18的混合从而稳定地形成火焰，在其上游配置有使液体化石燃料18微粒化的燃料喷射阀12。

图2表示燃料喷射阀12的结构图。燃料喷射阀12在其轴中心作为第一系统而形成液体化石燃料18的液体化石燃料系统100，利用设置在其中途的旋流器101对液体化石燃料18赋予旋流而喷出。在液体化石燃料系统100的外周，形成作为供给用于使液体化石燃料18微粒化的介质的第二系统的乙醇燃料系统102，与液体化石燃料相同，被设置在其中途的旋流器103赋予旋流而喷出。

作为像这样构成的本发明的第一实施方式的燃气轮机燃烧器使用低沸点的液体燃料（本实施方式中为乙醇燃料）来作为用于使液体化石燃料18微粒化的介质，其具备：由保管乙醇燃料的乙醇燃料罐6、泵7及供给配管19构成的供给系统；用于加热乙醇燃料21并使之气化的热交换器8；以及供给加热、气化后的乙醇燃料的系统20。

若是像这样构成的本发明的燃气轮机燃烧器，则具有如下效果：从燃料喷射阀12喷射液体化石燃料18和气化或者一部分气化的乙醇燃料21，能够利用乙醇燃料21的剪切力促进液体化石燃料18的微粒化。

并且，即使在不使乙醇燃料21完全气化、成为气体和液体的二相流而喷射的情况下，从燃料喷射阀12喷射的液体乙醇燃料在高温的燃烧室内部蒸发，从而利用蒸发引起的体积膨胀的能量，也可望使液体化石燃料18更加细小的效果。

另外，若在同一燃烧温度条件下，与液体化石燃料18的单独燃烧相比，与投入的乙醇燃料21的量相应地，能够减少液体化石燃料18的供给量。一般，若是双流体方式的燃料喷射阀，则液体化石燃料18的流量越少，越能促进微粒化，从而也可望实现流量减少引起的微粒化促进。另外，若液体化石燃料18的流量减少，则由燃烧生成的烟尘的量也能够降低。

由此，与使用了高压空气的系统相比，能够减少燃气轮机的效率降低，并且，能够通过液体化石燃料18的微粒化促进效果和液体化石燃料18的流量减少引起的效果来降低烟尘排出量。

并且，在燃气轮机起动时使用液体化石燃料18的情况下，若引起点火失败，则有排出有色烟（白烟）的担忧，但若是本发明的结构，则例如，在起动时，不供给液体化石燃料18，而能够仅以乙醇燃料21点火。若仅以乙醇燃料21点火来运转，则在万一发生点火失败的情况下，也能够防止有色烟的发生。

并且，如上所述，燃料喷射阀12将作为低沸点的液体燃料的乙醇燃料21利用于微粒化，从而不仅在使乙醇燃料21完全气化的情况下，而且在以气体和液体二相流进行喷射的情况下，也能够维持良好的微粒化特性。因此，作为加热乙醇燃料21使之气化的热源，能够利用温度不稳定的热源。具体而言，作为加热乙醇燃料21使之气化的机构，考虑利用电动式加热器、燃气轮机的排热的方法等，但若利用太阳热、地热等自然能源，则能够进一步提高装置整体的效率。

并且，若所使用的低沸点的液体燃料是来自植物的生物乙醇，则由于碳中和，还能够削减CO₂。并且，生物乙醇的密度比作为一般的气体燃料的LNG的密度大，以任意的速度喷射的情况下的动能变大，也可望实现液体燃料的微粒化促进。

（第二实施方式）

以下参照图3、图4，对本发明的第二实施方式进行说明。图3是通过纵剖视图来表示本发明的燃气轮机燃烧器的第二实施方式的结构、并且简要地表示具备燃气轮机燃烧器的燃气轮机装置的整体结构的简要结构图。图4是图3的燃料喷射阀12的局部详细剖视图。基本的结构与第一实施方式相同。本实施方式与第一实施方式的不同点在于，作为加热低沸点的液体燃料（本实施方式中为乙醇燃料）的机构，能够利用高压喷雾空气的热。并且，如图4所示，除了作为第一系统的液体化石燃料系统100和作为第二系统的乙醇燃料系统102之外，本实施方式的燃料喷射阀12是具备供给高压的喷雾空气的高压喷雾空气系统104来作为第三系统的三重管构造。

通常，对于喷雾空气22而言，对压缩机1的排出空气的一部分进行抽吸，并利用水冷方式的热交换器使之温度降低，从而由喷雾空气压缩机5加压至规定的压力而向燃料喷射阀12的高压喷雾空气系统104供给。水冷方式的热交换器所取出的热不被燃气轮机回收，从而效率降低。

另一方面，对于本发明的第二实施方式而言，改变以往的水冷方式的热交换器，而具备使从压缩机1抽吸的喷雾空气与乙醇燃料进行热交换的热交换器8。代替水而使用乙醇燃料来冷却喷雾空气，并且相反地将利用喷雾空气的热而加热、气化后的乙醇燃料供给至燃料喷射阀12，从而能够回收抽吸空气的热，并且能够有助于液体化石燃料18的微粒化。

如图4所示，燃料喷射阀12构成为，在轴中心位置形成有喷射乙醇燃料21的喷出孔，在其外周形成有喷射液体化石燃料18的喷出孔，并且在其外周形成有喷射喷雾空气22的喷出孔。并且，设置于各系统的旋流器101、103、105中，仅使液体化石燃料18的旋流器101的旋流方向相反。由此，向所喷射的液体化石燃料18的内周喷射乙醇燃料21，向外周喷射喷雾空气22，利用两者的剪切力，能够促进液体化石燃料18的微粒化，可望实现第一实施方式以上的烟尘的降低效果。

并且，在本系统中，也可以使乙醇燃料不完全气化，其效果与第一实施方式相同。

（第三实施方式）

以下参照图5，对本发明的第三实施方式进行说明。本实施方式的基本的结构与第二实施方式相同。本实施方式与第二实施方式的不同点在于，喷射阀12的构造不同。本实施方式的燃料喷射阀12在中央形成有喷射液体化石燃料18的喷出孔，在其外周形成有喷射乙醇燃料21的喷出孔，并且在其外周形成有喷射喷雾空气22的喷出孔。

一般，对于液体化石燃料受到周围的热而硬化的焦化（caulking）现象所开始的温度而言，根据燃料的种类而不同，例如若是轻油，则该温度约为180℃。因此，以往，从防止焦化的观点看，需要将向喷射阀供给的高压喷雾空气的温度管理在该温度以下。

但是，若是本实施方式，则在高压喷雾空气系统104与液体化石燃料系统100之间配置乙醇燃料系统102，从而喷雾空气22的热不会直接传递至液体化石燃料18，并且乙醇燃料是含氧燃料从而是难以焦化的燃料，进而能够进一步提高液体化石燃料系统100内的对于焦化的可靠性。

并且，在本实施方式中，不需要过剩地对喷雾空气22进行冷却，从而也有能够减小燃气轮机效率的降低的效果。

（第四实施方式）

以下参照图6，对本发明的第四实施方式进行说明。图6是表示具备本发明的第三实施方式的燃料喷射阀12的纵剖视图。本实施方式的基本的结构与第二实施方式相同。本实施方式构成为通过在燃料喷射阀12的内部使高压喷雾空气系统104和乙醇燃料系统102合流，来使喷雾空气22与乙醇燃料21混合而后喷射。

根据像这样构成的本发明的实施方式，能够保持乙醇燃料21的液体状态不变地向燃料喷射阀12供给，并在燃料喷射阀12内部利用喷雾空气22的热对其进行加热使之气化而喷射，从而不需要喷雾空气22的冷却和用于加热乙醇燃料21的热交换器，从而能够削减成本。并且，与供给乙醇燃料的量相应地，能够减少喷雾空气22的流量，从而也可望抽吸量削减引起的效率提高。

以上，以液体化石燃料18和例如乙醇燃料21的组合进行了说明，但是不言而喻，即使代替液体化石燃料18而使用乙醇燃料，也能够期待本专利的效果。

Claims

1.一种燃气轮机燃烧器，使液体化石燃料与从压缩机导入的燃烧用空气混合并燃烧，且将所生成的燃烧气体供给至燃气轮机，其特征在于，

具备使所述液体化石燃料微粒化为细小的液滴的燃料喷射阀，

在所述燃料喷射阀设置有供给所述液体化石燃料的第一系统、和供给作为用于使所述液体化石燃料微粒化的介质的乙醇燃料的第二系统，

所述第二系统具备用于与所述液体化石燃料独立地供给所述乙醇燃料的供给系统，

具备对所述乙醇燃料进行加热的机构。

2.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，

在所述燃料喷射阀上设有供给用于使所述液体化石燃料微粒化的喷雾空气的第三系统。

3.根据权利要求2所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，

加热向所述第二系统供给的所述乙醇燃料的机构构成为，利用供给至所述第三系统的喷雾空气的热，来进行所述乙醇燃料的加热。

4.一种燃气轮机燃烧器的运转方法，操作权利要求1至3中的任一项所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，

作为向所述第二系统供给的所述乙醇燃料，供给来自植物的生物乙醇。

5.根据权利要求2或3所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，

所述燃料喷射阀构成为，从该燃料喷射阀的轴中心朝向外周侧形成第一喷出孔、第二喷出孔、以及第三喷出孔，

所述第一喷出孔对从所述第二系统供给的所述乙醇燃料进行喷射，

所述第二喷出孔对从所述第一系统供给的所述液体化石燃料进行喷射，

所述第三喷出孔对从所述第三系统供给的所述喷雾空气进行喷射。

6.根据权利要求2或3所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，

所述第一喷出孔对从所述第一系统供给的所述液体化石燃料进行喷射，

所述第二喷出孔对从所述第二系统供给的所述乙醇燃料进行喷射，

7.根据权利要求2或3所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，

构成为所述第二系统和所述第三系统在所述燃料喷射阀的内部进行合流。