CN104870902A - 适合多种燃料的燃气轮机燃烧器 - Google Patents

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小田刚生
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Abstract

本发明提供一种适合多种燃料的燃气轮机燃烧器，其在维持通过预混合燃烧得到良好的低排放性能的同时，能够充分利用具有不在适合生成预混合气的预混合特性范围的特性的各种燃料。本发明的适合多种燃料的燃气轮机燃烧器具备主燃烧器(12)和补燃喷燃器(20)，所述主喷燃器(12)向燃烧室(10)内的第一燃烧区域(S1)供应含有预混合用的第一燃料的预混合气(M)，使其预混合燃烧；所述补燃喷燃器(20)向比燃烧室(10)内的第一燃烧区域(S1)更下游的第二燃烧区域(S2)供应与所述第一燃料组成不同的补燃用的第二燃料，使其扩散燃烧，第一燃料具有适合生成预混合气(M)的预混合特性范围，所述第二燃料具有不在所述预混合特性范围的特性。

Description

适合多种燃料的燃气轮机燃烧器
相关申请
本申请要求2012年12月13日申请的日本专利申请2012-272585的优先权，将其全部内容以参照的方式引入作为本申请的一部分。
技术领域
本发明涉及一种在确保低排放性能的同时能够有效利用含有氢气燃料这样的未利用燃料的适合多种燃料的燃气轮机燃烧器。
背景技术
在燃气涡轮发动机的燃烧器中，作为得到包括低NOx化的低排放性能的技术，已知除了有在燃烧器中喷射水或蒸汽的湿式燃烧器，还有将燃料和压缩空气混合生成的预混合气体喷射至燃烧室内使其稀薄预混合燃烧的作为干式的DLE(Dry Low Emissions；干式低排放)燃烧器。作为该DLE燃烧器的燃料，可以使用具有适合生成预混合气的特性范围的天然气、灯油、轻油等燃料，由于像氢气这样的气体不在上述特性范围内，因此难以使用。基本上，氢气的燃烧速度快，若将氢气与DLE燃烧器的燃料大量混合，则有可能发生在较长的预混合通道中火焰逆行而导致加热或损伤的被称为反焰的现象，发生异常燃烧。
另外，近年来，谋求将从化工设备等产生的氢气或者从煤矿排出的通风甲烷(VAM：Ventilation Air Methane；煤矿通风甲烷)这样的低浓度甲烷的燃料气体作为燃气轮机燃烧器的燃料而有效利用。对此，在稀薄预混合型的燃气轮机燃烧器中，提出了一种使用特殊的喷嘴将含有氢气燃料混入天然气的多孔同轴喷流燃烧器(参照专利文献1)。此外，已知一种从补燃喷燃器向燃气轮机燃烧器供应氢气的燃烧器(参照专利文献2)。专利文献2所记载的燃烧器中，主喷燃器并不是预混合燃烧方式，而是扩散燃烧方式，利用氢气还原因扩散燃烧而大量生成的NOx。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利公开2011-144972号公报
专利文献2：日本专利公开2011-075174号公报
发明内容
(一)要解决的技术问题
但是，专利文献1的多孔同轴喷流燃烧器不但结构复杂，而且为了维持良好的低排放性能，控制变得复杂，例如需要根据氢气浓度的比例来改变对多个燃料喷嘴的燃料分配等。另一方面，在如专利文献2的燃烧器那样从补燃喷燃器导入氢气时，由于主喷燃器为预混合燃烧方式的情况下NOx少，故通过氢气得到的NOx的还原作用受到限制。因此，在专利文献2中，并没有设想使用预混合燃烧方式的主喷燃器的情况。因此，专利文献2并没有给出并用预混合燃烧方式与从补燃喷燃器导入氢气的方式的启示。
本发明的目的在于提供一种适合多种燃料的燃气轮机燃烧器，其能够在维持通过预混合燃烧得到良好的低排放性能的同时，充分利用具有不在适合生成预混合气的预混合特性范围的特性的各种燃料。
(二)技术方案
为了实现上述目的，本发明的适合多种燃料的燃气轮机燃烧器具备主喷燃器和补燃喷燃器，所述主喷燃器向燃烧室内的第一燃烧区域供应含有预混合用的第一燃料的预混合气，使其预混合燃烧；所述补燃喷燃器向比所述燃烧室内的所述第一燃烧区域更下游的第二燃烧区域供应与所述第一燃料组成不同的补燃用的第二燃料，使其扩散燃烧，所述第一燃料具有适合生成预混合气的预混合特性范围，所述第二燃料具有不在所述预混合特性范围的特性。
在该燃气轮机燃烧器中，由于向将预混合气供给第一燃烧区域并使其预混合燃烧的主喷燃器供应具有适合生成预混合气的预混合特性范围的第一燃料，故不会发生反焰、异常燃烧或失火等，因此能够维持良好的低排放性能。另一方面，在对应发动机负荷的增大而将运转范围向高输出侧扩展的情况下，虽然从补燃喷燃器向第二燃烧区域供应第二燃料，但由于补燃喷燃器为扩散燃烧式，因此即使供应具有不在适合生成预混合气的预混合特性范围的特性的第二燃料，也不会发生反焰、异常燃烧或失火等。因此，作为第二燃料，能够充分使用石油化工设备、精炼厂、制铁设备等产生的副产氢气或如VAM这样的低浓度燃料气体等目前没有被有效利用的各种燃料。
这里所称的“适合生成预混合气的预混合特性范围”，包含不会在预混合通道内发生反焰的燃烧速度的范围，以及在少量时不会发生无法燃烧且在大量时不会过热的发热量的范围这两个范围。此外，“组成不同”是指主要成分或元素含有率不同。
在本发明中，进一步地，优选具备向所述第一燃烧区域喷射所述第一燃料并使其扩散燃烧的引燃喷燃器。由于与空燃比大的预混合燃烧相比，扩散燃烧火焰稳定，因此不但用于燃气轮机运转开始时或低负荷时，而且通过在高负荷时也少量燃烧，能够防止失火，稳定地维持预混合燃烧。
在本发明中，进一步地，优选具备向所述第二燃烧区域也供应所述第一燃料并使其燃烧的追加的补燃用喷燃器。由此，例如，在使用由化工设备产生的副产氢气作为第二燃料的情况下，当因化工设备的运转停止等导致第二燃料不足时，能够从追加的补燃用喷燃器向第二燃烧区域供应第一燃料，来维持所需的高输出运转。
在本发明中，可以使用氢气作为所述第二燃料。由此，能够将由化工设备等产生的氢气有效用作燃烧器的燃料。
在本发明中，可以使用天然气作为所述第一燃料，可以使用氢气或含有氢气的气体作为所述第二燃料。由此，能够使用具有适于生成预混合气的预混合特性范围的天然气在第一燃烧区域进行良好的预混合燃烧，同时，从补燃用喷燃器向第二燃烧区域喷射具有不在所需的预混合特性范围的特性的氢气并使其扩散燃烧，能够将大量的氢气有效用作燃烧器的燃料。
在本发明中，也可以为如下结构：具备形成所述燃烧室的燃烧筒及设置在所述燃烧筒上并从所述燃烧筒的外部向内部的燃烧室导入空气的导入管，所述补燃喷燃器插入所述导入管的中空部。通过导入空气，氢气的浓度降低，燃烧温度降低，其结果能够抑制NOx的产生量。
在本发明中，可以使所述补燃用的第二燃料在所述第二燃烧区域进行稀薄燃烧。由此，能够进一步减少NOx的产生量。这里，“稀薄燃烧”是指在当量比为0.5以下的稀薄度下燃烧。另外，稀薄燃烧中的当量比在大于0小于等于0.5的范围内根据负荷进行调整。
权利要求书及/或说明书及/或说明书附图所公开的至少两种结构的任意组合也包含在本发明中。特别是权利要求书的各项权利要求的两项以上的任意组合也包含在本发明中。
附图说明
通过参照附图对以下优选的实施方式进行说明，可更加清楚地理解本发明。但是，实施方式及附图仅用于图示及说明，不应用于确定本发明的范围。本发明的范围由附上的权利要求书确定。在附图中，多张附图中的相同附图标记表示相同或与其相当的部分。
图1是表示适用本发明的燃气轮机燃烧器的燃气涡轮发动机的概略结构图。
图2是综合表示本发明的第一实施方式的燃气轮机燃烧器和其燃料供给系统的概略纵向剖视图。
图3是表示同上燃气涡轮发动机的负荷变化和与其对应的第二燃料的燃料使用量之间关系的特性图。
图4是综合表示本发明的第二实施方式的燃气轮机燃烧器和其燃料供给系统的概略纵向剖视图。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明优选的实施方式进行说明。在本发明的实施方式中，适用燃气轮机燃烧器的燃气涡轮发动机GT如图1所示的单缸型，但也可以为多缸型。该燃气涡轮发动机GT具有离心压缩机1、燃烧器2及涡轮3，其中，所述离心压缩机1压缩从空气流入口1a吸入的空气A；所述燃烧器2向被压缩的空气A供应燃料并使其燃烧；所述涡轮3由来自燃烧器2的燃烧气体来驱动。燃烧器2相对于发动机旋转轴心C在大致径向上突出配置。由燃烧器2产生的燃烧气体被导向涡轮3来使涡轮3旋转，驱动通过旋转轴4与该涡轮3连接的离心压缩机1以及例如为发电机的负荷7。通过涡轮3的排气EG由排气管8向外部排出。
如图2所示，该燃烧器2是逆流缸型，即从离心压缩机1(图1)导入空气通道22内的压缩空气A与燃烧气体G在燃烧器2内呈相互反向流动，圆筒状的壳体H内，收纳有大致圆筒状的燃烧筒9。在壳体H与燃烧筒9之间形成空气通道22，该空气通道22将来自离心压缩机1的空气A进行导入，在燃烧筒9的内部形成燃烧室10。在燃烧筒9的顶部安装有喷燃器单元(喷嘴单元)11。
所述喷燃器单元11使用天然气、在天然气中混合5％左右的氢气而成的气体等燃料或者如灯油、轻油这样的液体燃料作为第一燃料F1。该喷燃器单元11具备主喷燃器12及引燃喷燃器13，其中，所述主喷燃器12向燃烧室10内的第一燃烧区域S1喷射预混合气体M并使其预混合燃烧，所述预混合气体M含有由第一燃料供给源18供应的预混合用的第一燃料F1，所述引燃喷燃器13向第一燃烧区域S1直接喷射所述第一燃料F1并使其扩散燃烧。
进而，在燃烧筒9内设置扩散喷射式的补燃喷燃器20，所述补燃喷燃器20将由第二燃料供给源19供应的补燃用的第二燃料F2直接向比燃烧室10内的第一燃烧区域S1更下游的第二燃烧区域S2喷射并使其扩散燃烧。补燃喷燃器20在燃烧筒9的周向上以等间隔设置多个，例如2～12个。作为第二燃料F2，除了天然气，还使用氢气、LPG(液化石油气体)、VAM、在天然气中混合有大量氢气的气体等与天然气的组成不同，也就是主要成分或元素含有率不同的燃料。相对于天然气，氢气及LPG的主要成分不同，虽然VAM的主要成分甲烷是相同的，但含有大量CO2等，碳和氢的含有率不同。
在燃烧筒9上设置有从其外部的空气通道22向燃烧室10导入空气A的多个圆筒状的导入管25，补燃喷燃器20插入各导入管25的内侧即中空部。空气A沿补燃喷燃器20与导入管25的内周面之间的间隙从燃烧筒9的外部朝向内部的燃烧室10流入。
所述主喷燃器12配置为围绕引燃喷燃器13的外周。该主喷燃器12具有截面呈L字状的环状外壁121及内壁122，并在外壁121与内壁122之间形成预混合通道14。预混合通道14的上游端沿径向朝外开口，在该开口的环状的空气获取口14a的径向外方，沿主喷燃器12的周向以等间隔配置多个主燃料喷嘴17。在主燃料喷嘴17上的与空气获取口14a相对的部分上，形成朝向空气获取口14a喷射第一燃料F1的多个燃料喷射孔(未图示)，在空气获取口14a上配置对流入空气赋予回旋以促进其与第一燃料F1预混合的旋流器21。扩散燃烧型的引燃喷燃器13配置于外壁121的内侧空间。
由第一燃料供给源18供应的第一燃料F1在通过第一燃料控制阀23调整流量后，从主燃料喷嘴17朝向预混合通道14的空气获取口14a喷射。该被喷射的第一燃料F1与从空气通道22流入空气获取口14a内的压缩空气A一起被旋流器21赋予回旋的同时导入预混合通道14，在该预混合通道14内流动的同时进行预混合，并作为预混合气M从环状的预混合气喷出口24向燃烧室10内喷出。
在燃气涡轮发动机GT启动时，关闭第一燃料控制阀23，仅打开第二燃料控制阀27，使第一燃料供给源18的第一燃料F1通过第二燃料控制阀27从引燃喷燃器13向燃烧室10内喷射，通过火花塞(未图示)的点火而扩散燃烧。在通常运转时，继续从引燃喷燃器13供应第一燃料F1，同时将其火焰作为火种，使由主喷燃器12向燃烧室10内喷射的预混合气M预混合燃烧，在燃烧室10的上游部形成第一燃烧区域S1。控制主喷燃器12及引燃喷燃器13的空燃比(空气流量/燃料流量)达到各自优选的规定值。
该第一燃烧区域S1通过使第一燃料F1稀薄预混合燃烧，使NOx、CO等减少，实现低排放。因此，作为第一燃料，使用具有适于生成预混合气M的预混合特性范围的燃料。作为该预混合特性范围，包含不会在较长的预混合通道14内发生反焰的燃烧速度的范围，以及在少量时不会发生无法燃烧且在大量时不会过热的发热量的范围这两个范围。根据实验结果，燃烧速度Mcp的范围大约为32～39cm/s，发热量的范围大约为29～42MJ/m3N。
在燃烧室10内的比第一燃烧区域S1更下游侧，通过使由第二燃料供给源19供应并由补燃喷燃器20喷射的第二燃料F2并扩散燃烧，形成第二燃烧区域S2。由于第二燃料F2由扩散燃烧式的补燃喷燃器20直接喷射并扩散燃烧，因此即使流量变化，也不会发生向预混合通道14内的反焰等，因此作为第二燃料F2，即使使用不在第一燃料F1所具有的预混合特性范围的特性的燃料也不会产生问题。此外，作为第二燃料F2，也可以使用成分变化的燃料或低品质的燃料。
第二燃烧区域S2是为了根据燃气涡轮发动机GT的运转负荷的变化而使运转范围向高输出侧扩大而形成的，如图3所示，当燃气涡轮发动机GT的运转负荷增大超过一定值时，调整图2的第三燃料控制阀28，使其仅打开与运转负荷变化相对应的开度，从第二燃料供给源19通过混合器29及第三燃料控制阀28向补燃喷燃器20供应所需量的第二燃料F2。如图3可知，由于伴随发动机GT的运转负荷增大，第二燃料F2的使用量也增大，因此在高负荷时能够大量使用该阶段未充分利用的氢气等作为燃烧器2的燃料。在该情况下，无论第二燃烧区域S2的第二燃料F2的供应量多少，第一燃烧区域S1的火焰保持性能通过主喷燃器12及引燃喷燃器13来确保。
在该燃烧器2中，在第二燃料F2不足的情况下，打开第四燃料控制阀30，将第一燃料供给源18的第一燃料F1通过逆止阀31向第二燃料供给源19侧供应，并利用混合器29混合该第一燃料F1和来自第二燃料供给源19的第二燃料F2，向补燃喷燃器20供应。通过逆止阀31，防止第二燃料F2向第一燃料F1侧流入。
这里，空气通道22内的空气A通过导入管25流入燃烧室10内，由此来自补燃喷燃器20的氢气的浓度降低，成为稀薄燃烧状态，燃烧温度降低，其结果，能够抑制NOx的产生量。另外，由于空气稀释氢气，因此还原作用弱，但由于进行预混合燃烧的第一燃烧区域S1处的NOx产生量少，因此并不期待由氢气的还原作用得到低NOx化的效果。另外，即使不使用导入管25，例如通过在燃烧筒9的补燃喷燃器20的附近形成一个以上将空气通道22内的压缩空气A导入燃烧室10内的空气导入孔，也能够实现稀薄燃烧。
图4表示本发明的第二实施方式。在同一图中，对与图2相同或相当的结构标注相同的标记，并省略重复说明。该第二实施方式的燃气轮机燃烧器2A与图2的燃气轮机燃烧器不同之处在于，在第一实施方式的燃烧筒9的通常的补燃喷燃器20的附近处设置追加的补燃喷燃器33。在该补燃喷燃器33处，从朝向主喷燃器12的燃料供给系统分路，并且连接设置有第五燃料控制阀34的燃料供给系统。并且，根据需要打开第五燃料控制阀34，使主喷燃器12的燃料供给系统的第一燃料F1从追加的补燃喷燃器33向第二燃烧区域S2喷射。
此外，追加的补燃喷燃器33设置为与通常的补燃喷燃器20数量相同，并以周向位置与通常的补燃喷燃器20成为交替配置的方式等间隔设置。例如，在追加的补燃喷燃器33及通常的补燃喷燃器20均设置四个的情况下，相对于在同一圆上以90度间隔设置的四个通常的补燃喷燃器20，在其上游侧或下游侧错开45°相位并在同一圆上以90度间隔配置四个追加的补燃喷燃器33。由此，在使用追加的补燃喷燃器33及通常的补燃喷燃器20两者的情况下，使第二燃烧区域S2中的第一燃料F1和第二燃料F2的浓度均匀化，能够得到良好的燃烧状态。
在该第二实施方式的燃气轮机燃烧器2A中，不但能够得到在第一实施方式中说明的同样的效果，而且在由于化工设备运转停止等而使作为第二燃料F2的氢气不能使用的情况发生的情况下，打开第五燃料控制阀34，通过将从主喷燃器12的燃料供给系分流的第一燃料F1经由补燃喷燃器33向燃烧室10内喷射，能够稳定地维持第二燃烧区域S2。在第二燃料F2不足的情况下，使通常的补燃喷燃器20和追加的补燃喷燃器33两者工作，向燃烧室10内供应第一燃料F1和第二燃料F2。
在使用天然气作为第一燃料的情况下，通常的补燃喷燃器20设置为与体积小的天然气相对应的小的喷燃器直径。这里，由于氢气的单位热量的体积比天然气大，因此若将通常的补燃喷燃器20用于氢气的喷射，则无法喷射必需的量。与此相对，在该第二实施方式中，由于设置了氢气用的追加的补燃喷燃器33，因此通过将该补燃喷燃器33设置为与氢气的体积相对应的大的喷燃器直径，在喷射作为第二燃料F2的氢气的情况下，能够喷射必需的量。
根据发明人等的分析，在将预混合燃烧方式的主喷燃器12与补燃喷燃器20组合的燃气轮机燃烧器2A中，不会对主喷燃器12的低排放性能造成不利影响的第二燃料F2的比例以热量换算为总体的30％左右。在该情况下，在该第二实施方式的燃气轮机燃烧器2A中，若由通常的补燃喷燃器20喷射的第二燃料F2为100％氢气，氢气的热量为作为第一燃料F1的天然气的1/4，则换算成体积流量分配，第一燃料F1(天然气)相对第二燃料F2(氢气)的体积比为7：12。即，第一燃料F1为36.84％(7/19)，第二燃料F2为63.15％(12/19)。
在如以往那样在第一燃料F1的天然气中混合第二燃料F2的氢气并用于预混合燃烧的情况下，若考虑避免反焰或异常燃烧，与第二燃料F2的混合比例的上限以体积比为5％左右相比较，在本发明中，第二燃料F2的氢气占燃料总体的60％多也能处理好。因此，能够大量有效利用以往未能充分利用的氢气作为燃气轮机燃烧器2A的第二燃料。
如上所述，参照附图对本发明的优选实施方式进行了说明，但本领域技术人员参看本发明说明书，将容易想到在显而易见的范围内的各种改变及修改。因此，这样的改变及修改被解释为包含在由权利要求书所确定的发明的范围内。
附图标记说明
10—燃烧室
12—主喷燃器
13—引燃喷燃器20—补燃喷燃器
25—导入管
33—追加的补燃喷燃器
S1—第一燃烧区域
S2—第二燃烧区域
M—预混合气

Claims (7)

1.一种燃气轮机燃烧器，具备主喷燃器和补燃喷燃器；
所述主喷燃器向燃烧室内的第一燃烧区域供应含有预混合用的第一燃料的预混合气，使其预混合燃烧；
所述补燃喷燃器向比所述燃烧室内的所述第一燃烧区域更下游的第二燃烧区域供应与所述第一燃料组成不同的补燃用的第二燃料，使其扩散燃烧；
所述第一燃料具有适合生成预混合气的预混合特性范围，所述第二燃料具有不在所述预混合特性范围的特性。
2.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，还具备向所述第一燃烧区域喷射所述第一燃料并使其扩散燃烧的引燃喷燃器。
3.根据权利要求1或2所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，还具备向所述第二燃烧区域供应所述第一燃料并使其燃烧的追加的补燃用喷燃器。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，所述第二燃料为氢气。
5.根据权利要求1～3中任意一项所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，所述第一燃料为天然气，所述第二燃料为氢气或含有氢气的气体。
6.根据权利要求4或5所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，
具备形成所述燃烧室的燃烧筒及设置在所述燃烧筒上并从所述燃烧筒的外部向内部的燃烧室导入空气的导入管；
所述补燃喷燃器插入所述导入管的中空部。
7.根据权利要求1～6中任意一项所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，使所述补燃用的第二燃料在所述第二燃烧区域进行稀薄燃烧。
CN201380065296.9A 2012-12-13 2013-12-13 适合多种燃料的燃气轮机燃烧器 Pending CN104870902A (zh)

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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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