CN106917680B - 燃气轮机设备 - Google Patents

Abstract

实施方式的燃气轮机设备(10)具备：燃烧器(20)，设置于燃烧器壳(70)内，使燃料与氧化剂燃烧；筒体(80)，对燃烧器壳与燃烧器之间的空间进行划分；以及涡轮(25)，通过从燃烧器排出的燃烧气体而转动。进而，燃气轮机设备具备：热交换器(24)，对从涡轮排出的燃烧气体进行冷却；配管(42)，使由热交换器冷却后的燃烧气体的一部分通过热交换器而被加热，并导至燃烧器与筒体之间；配管(44)，将由热交换器冷却后的燃烧气体的另一部分导至燃烧器壳与筒体之间；以及配管(45)，将由热交换器冷却后的燃烧气体的残余部分向外部排出。

Description

燃气轮机设备

技术领域

本发明的实施方式涉及燃气轮机设备。

背景技术

根据二氧化碳的削减、节约资源等要求，正在进行电厂的高效率化。具体地讲，积极地进行燃气轮机、汽轮机的工作流体的高温化、复合循环化等。另外，关于二氧化碳的回收技术，也正在进行研究开发。

图6是使在燃烧器中生成的二氧化碳的一部分作为工作流体进行循环的以往的燃气轮机设备300的系统图。图7是示意地示出在以往的燃气轮机设备300设置的燃烧器313的纵剖面的图。

如图6所示，在以往的燃气轮机设备300中，从空气分离机(没有图示)分离的氧导入到配管340中。进而，氧通过压缩机310被升压，并通过流量调节阀311控制流量。通过流量调节阀311后的氧在热交换器312中受到来自后述的燃烧气体的热量而被加热，并被供给到燃烧器313。

燃料从燃料供给源(没有图示)导入配管341。进而，燃料通过流量调节阀314来调节流量，并供给到燃烧器313。该燃料是烃。

如图7所示，在燃烧器313中，从配管340供给的氧以及从配管341供给的燃料被导入燃烧区域。进而，氧和燃料产生燃烧反应，生成燃烧气体。在燃烧气体中包括二氧化碳和水蒸气。燃料以及氧的流量分别在完全混合后的状态下被调整成为计量混合比(理论混合比)。

在燃烧器313生成的燃烧气体导入涡轮315。另外，如图6所示，在涡轮315例如连结有发电机319。在涡轮315进行膨胀工作后的燃烧气体通过热交换器312。此时，放出热量，对在上述的配管340中流动的氧、在后述的配管343中流动的二氧化碳进行加热。通过热交换器312后的燃烧气体进一步通过热交换器316。在通过热交换器316时，燃烧气体中的水蒸气冷凝而成为水。水通过配管342排出到外部。

与水蒸气分离后的二氧化碳通过介在于配管343的压缩机317被升压，成为超临界流体。升压后的二氧化碳的一部分导入从配管343分路的配管344。导入配管344的二氧化碳通过流量调节阀318调节流量，并被提取到外部。

另一方面，二氧化碳的残余部分在配管343流动。进而，二氧化碳在热交换器312中被加热，如图7所示，该二氧化碳被供给到收纳燃烧器313的燃烧器壳350内。通过热交换器312后的二氧化碳的温度变成700℃左右。在此，燃烧器壳350由上游侧壳351a和下游侧壳351b构成。

导至上游侧壳351a内的二氧化碳在下游侧壳351b与燃烧器衬套352以及过渡件353(尾筒)之间朝向涡轮315流动。通过这种方式，从配管344排出的以外的二氧化碳在系统内循环。

二氧化碳在下游侧壳351b与燃烧器衬套352以及过渡件353之间流动时，二氧化碳冷却燃烧器衬套352以及过渡件353。这些冷却例如通过多孔式气膜冷却等来进行。二氧化碳的一部分如图7所示，从多孔式气膜冷却部的孔354、356、稀释孔355等导入到燃烧器衬套352内、过渡件353内。另外，该二氧化碳还被使用于涡轮315的静叶360、动叶361的冷却。

导入燃烧器衬套352内、过渡件353内的二氧化碳与由燃烧生成的燃烧气体一起导入涡轮315。

在此，上游侧壳351a、下游侧壳351b曝露于高温的二氧化碳中，因此由昂贵的镍基的合金构成。作为这样的构成，具有日本的公开专利公报、日本特开2000－337107号公报(以下，称为专利文献1)。

如上述所示，在以往的燃气轮机设备300中，必须用昂贵的镍基的合金来构成曝露于高温的二氧化碳中的上游侧壳351a、下游侧壳351b。因此，燃气轮机设备的制造成本增加。

发明内容

本发明所要解决的问题提供一种能够用廉价的材料来构成燃烧器的周围所具备的壳的燃气轮机设备。

实施方式的燃气轮机设备具备：燃烧器，设置于壳内，使燃料与氧化剂燃烧；筒体，对上述壳与上述燃烧器之间的空间进行划分；涡轮，通过从上述燃烧器排出的燃烧气体而转动；热交换器，对从上述涡轮排出的上述燃烧气体进行冷却；高温燃烧气体供给管，使由上述热交换器冷却后的上述燃烧气体的一部分通过上述热交换器而被加热，并导至上述燃烧器与上述筒体之间；低温燃烧气体供给管，将由上述热交换器冷却后的上述燃烧气体的另一部分导至上述壳与上述筒体之间；以及排出管，将由上述热交换器冷却后的上述燃烧气体的残余部分向外部排出。

附图说明

图1是第一实施方式的燃气轮机设备的系统图。

图2是示意地表示第一实施方式的燃气轮机设备所设置的燃烧器以及燃烧器壳的纵剖面的图。

图3是示意地表示第一实施方式的燃气轮机设备所设置的燃烧器以及其他构成的燃烧器壳的纵剖面的图。

图4是示意地表示第二实施方式的燃气轮机设备所设置的燃烧器以及燃烧器壳的纵剖面的图。

图5是表示图4的A－A剖面的图。

图6是使在燃烧器中生成的二氧化碳的一部分作为工作流体进行循环的以往的燃气轮机设备的系统图。

图7是示意地表示以往的燃气轮机设备所设置的燃烧器的纵剖面的图。

符号说明

10…燃气轮机设备，20…燃烧器，21、22、29、30…流量调节阀，23、28…压缩机，24、27…热交换器，25…涡轮，26…发电机，40、41、42、43、44、45…配管，60…燃料喷嘴部，61…燃烧器衬套，62…过渡件，63、64…孔，65…稀释孔，70…燃烧器壳，71…上游侧壳，72…下游侧壳，80、100…筒体，80a、80b…端部，85…静叶，86…动叶，90…外部壳，91…内部壳，92…套筒，93…密封环，101、102…连通管，103…内部空间，110…引导件。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

(第一实施方式)

图1是第一实施方式的燃气轮机设备10的系统图。如图1所示，燃气轮机设备10具备使燃料与氧化剂燃烧的燃烧器20、对该燃烧器20供给燃料的配管40、以及对燃烧器20供给氧化剂的配管41。

配管40具备对供给到燃烧器20的燃料的流量进行调整的流量调节阀21。在此，作为燃料，使用例如甲烷、天然气等烃。另外，作为燃料，还能够使用例如包括一氧化炭以及氢等的煤气化气体燃料。

配管41具备对供给到燃烧器20的氧化剂的流量进行调整的流量调节阀22。另外，在配管41设有使氧化剂升压的压缩机23。作为氧化剂，使用通过空气分离装置(没有图示)从大气分离出的氧。在配管41中流动的氧化剂从后述的热交换器24通过而被加热，并被供给到燃烧器20。

导向燃烧器20的燃料以及氧化剂在燃烧区域中产生燃烧反应，成为燃烧气体。在此，优选地，在燃气轮机设备10中，在从燃烧器20排出的燃烧气体中没有残存剩余的氧化剂(氧)、燃料。因此，燃料以及氧化剂的流量调整为例如变成计量混合比(当量比1)。另外，在此所称的当量比是假想成燃料与氧均匀地混合时的当量比(整体的当量比)。

燃气轮机设备10具备通过从燃烧器20排出的燃烧气体而转动的涡轮25。该涡轮25例如与发电机26连结。在此所称的从燃烧器20排出的燃烧气体是包括由燃料和氧化剂生成的燃烧生成物、以及供给到燃烧器20并与燃烧生成物一起从燃烧器20排出的后述的二氧化碳(去除水蒸气后的燃烧气体)。

从涡轮25排出的燃烧气体被导至配管42，通过从热交换器24通过而被冷却。此时，通过来自燃烧气体的散热，对在上述的配管41中流动的氧化剂、在后述的配管42中流动的二氧化碳加热。

通过热交换器24后的燃烧气体进一步从热交换器27通过。燃烧气体从该热交换器27通过，从而，燃烧气体中所含有的水蒸气被去除。另外，燃烧气体中的水蒸气从热交换器27通过并冷凝而成为水。水例如通过配管43被排出到外部。

在此，如上述所示，在将燃料以及氧化剂的流量调整成变成计量混合比(当量比1)的情况下，去除水蒸气后的燃烧气体(干燥燃烧气体)的成分几乎是二氧化碳。另外，去除水蒸气后的燃烧气体还存在例如混有0.2％以下的微量的一氧化炭的情况，但在下面，将去除水蒸气后的燃烧气体仅称为二氧化碳。

二氧化碳通过介在于配管42的压缩机28被升压，成为超临界流体。升压后的二氧化碳的一部分在配管42中流动，在热交换器24中被加热。进而，二氧化碳被导至收纳燃烧器20的后述的燃烧器壳70内。通过热交换器24后的二氧化碳的温度变成700℃左右。另外，将该高温的二氧化碳导至燃烧器壳70的配管42作为高温燃烧气体供给管而发挥作用。

升压后的二氧化碳的另一部分被导入从配管42分路的配管44。导入配管44的二氧化碳通过流量调节阀29调节流量，并作为冷却介质被导至燃烧器壳70内。通过配管44被导至燃烧器壳70内的二氧化碳的温度是400℃左右。另外，配管44作为低温燃烧气体供给管而发挥作用。

另一方面，升压后的二氧化碳的残余部分被导入从配管42分路的配管45。导入配管45的二氧化碳通过流量调节阀30调节流量，并被排出到外部。另外，配管45作为排出管而发挥作用。排出到外部的二氧化碳能够利用于例如在石油开采现场所采用的EOR(EnhancedOil Recovery)。

随后，对第一实施方式的燃气轮机设备10的燃烧器壳70的构成以及燃烧器壳70内的二氧化碳的流动进行说明。

图2是示意地表示第一实施方式的燃气轮机设备10所设置的燃烧器20以及燃烧器壳70的纵剖面的图。

如图2所示，燃烧器20具备燃料喷嘴部60、燃烧器衬套61以及过渡件62(尾筒)。燃料喷嘴部60将从配管40供给的燃料以及从配管41供给的氧化剂喷出到燃烧器衬套61内。例如，从中央喷出燃料，从中央的周围喷出氧化剂。燃烧器20收纳于燃烧器壳70的内部。

燃烧器壳70以包围燃烧器20的方式沿着燃烧器20的长度方向(在图2中左右方向)而设置。燃烧器壳70例如沿燃烧器20的长度方向被分割成两部分。燃烧器壳70例如由上游侧的上游侧壳71以及下游侧的下游侧壳72构成。另外，燃烧器壳70作为壳而发挥作用。

上游侧壳71例如由一端(上游侧)闭塞、另一端(下游侧)开口的圆筒等筒体构成。在一端的中央形成有供燃料喷嘴部60插入的开口71a。如图2所示，在上游侧壳71连结有配管42以及配管44。配管42例如在比配管44更靠上游侧与上游侧壳71连结。另外，配管42以及配管44与上游侧壳71的连结部不限于1个位置，还可以在周向上具有多个。

下游侧壳72由两端开口的筒体构成。下游侧壳72的一端与上游侧壳71连接，另一端例如与包围涡轮25的壳连接。

如图2所示，在燃烧器壳70与燃烧器20之间设有划分该空间的筒体80。筒体80在燃烧器壳70与燃烧器20之间沿着燃烧器20的长度方向而设置。即，筒体80将燃烧器壳70与燃烧器20之间的空间划分成内径侧和外径侧。

筒体80的上游侧的端部80a与比配置有配管42的位置更靠下游侧且比连结有配管44的位置更靠上游侧的上游侧壳71的内周面连接。另一方面，筒体80的下游侧的端部80b与过渡件62的下游端部的外周面连接。

即，筒体80设置成从配管44导入的低温的二氧化碳在燃烧器壳70与筒体80之间流动。另外，筒体80设置成从配管42导入的高温的二氧化碳在燃烧器20与筒体80之间流动。由此，能够使从配管42导入的二氧化碳与从配管44导入的二氧化碳分离地流动。

从配管42导入的二氧化碳一边冷却燃烧器衬套61以及过渡件62一边流动。进而，该二氧化碳从燃烧器衬套61以及过渡件62的、例如多孔式气膜冷却部的孔63、64、稀释孔65等被导入到燃烧器衬套61内、过渡件62内。通过这种方式，从配管42导入的二氧化碳的整体量被导入到燃烧器衬套61内、过渡件62内。另外，导入到燃烧器衬套61内、过渡件62内的二氧化碳与通过燃烧生成的燃烧气体一起导入涡轮25。

在此，从配管42导入的二氧化碳的温度是700℃左右。该二氧化碳的温度暴露有燃烧器衬套61以及过渡件62的燃烧气体的温度相比时，该二氧化碳的温度较低。因此，能够充分地冷却燃烧器衬套61以及过渡件62。进而，二氧化碳的温度是700℃左右，因此，即使对燃烧器衬套61内导入二氧化碳，也不存在使燃烧反应恶化的情况。

另一方面，从配管44导入的二氧化碳一边冷却上游侧壳71的一部分、下游侧壳72以及筒体80一边流动。进而，该二氧化碳例如还能够被使用于涡轮25的静叶85、动叶86的冷却。在这种情况下，下游侧壳72的温度例如成为400℃以下。

在这样的构成的燃烧器壳70中，上游侧壳71具有被暴露于高温的二氧化碳的部分。因此，上游侧壳71例如由Ni(镍)基的合金构成。另一方面，下游侧壳72没有被暴露于高温的二氧化碳，而通过低温的二氧化碳被冷却。因此，下游侧壳72例如由CrMoV钢、CrMo钢等Fe(铁)基的耐热钢构成。

另外，将配管42以及配管44的连结部设成上游侧壳71更上游部，从而，在上游侧壳71中，暴露于高温的二氧化碳的部分减少，暴露于冷温的二氧化碳的部分增加。在这种情况下，能够将上游侧壳71与下游侧壳72相同地由Fe基的耐热钢构成。

如上述所示，根据第一实施方式的燃气轮机设备10，能够将高温的二氧化碳以及低温的二氧化碳导入到包围燃烧器20的燃烧器壳70内。另外，通过具备筒体80，从而，能够使低温的二氧化碳在燃烧器壳70与筒体80之间流动，使高温的二氧化碳在燃烧器20与筒体80之间流动。由此，能够由例如廉价的Fe基的耐热钢来构成燃烧器壳70的至少一部分。因此，能够消减燃气轮机设备10的制造成本。

在此，第一实施方式的燃气轮机设备10中的燃烧器壳70的构成并不限于上述的构成。图3是示意地表示第一实施方式的燃气轮机设备10所设置的燃烧器20以及其他构成的燃烧器壳70的纵剖面的图。

例如，在燃气轮机的作动压力成为高压，以使超临界流体的二氧化碳作为工作流体的一部分时的情况下，例如，采用外部壳和内部壳的双重壳构造是优选的。在图3中示出了采用这样的双重壳构造时的一个例子。

如图3所示，燃烧器壳70在上游侧具备上游侧壳71、以及在下游侧具备下游侧壳72。下游侧壳72具备外部壳90，在该外部壳90的内侧具备内部壳91。进而，在外部壳90与内部壳91之间的内周沿着燃烧器20的长度方向设有圆筒状的套筒92。另外，在套筒92与内部壳91之间，例如嵌合有圆环状的密封环93。通过具备密封环93，由此能防止来自外部壳90与内部壳91之间的二氧化碳的泄漏。另外，在此，在上游侧壳71的下游侧的端面连接有外部壳90和套筒92。

在具备这样的构成的情况下，从配管44导入的低温的二氧化碳一边冷却上游侧壳71的一部分、外部壳90、内部壳91、套筒92以及筒体80一边流动。因此，外部壳90、内部壳91、套筒92以及筒体80例如能够由廉价的Fe基的耐热钢构成。

(第二实施方式)

图4是示意地表示第二实施方式的燃气轮机设备10所设置的燃烧器20以及燃烧器壳70的纵剖面的图。图5是示意地表示图4的A－A剖面的图。另外，对第一实施方式的燃气轮机设备10的相同构成部分标记相同的符号，省略或简略重复的说明。另外，第二实施方式的燃气轮机设备10的系统图与第一实施方式的燃气轮机设备10的系统图相同。

如图4所示，燃烧器壳70以包围燃烧器20的方式沿着燃烧器20的长度方向(在图4中左右方向)而设置。燃烧器壳70例如沿燃烧器20的长度方向被分割成两部分。燃烧器壳70例如由上游侧的上游侧壳71以及下游侧的下游侧壳72构成。另外，燃烧器壳70作为壳而发挥作用。

如图4所示，在上游侧壳71连结有导入高温的二氧化碳的配管42、以及导入低温的二氧化碳的配管44。配管44例如在比配管42更靠上游侧与上游侧壳71连结。

如图4以及图5所示，在燃烧器壳70与燃烧器20之间设有具有内部空间103的双重管构造的筒体100。筒体100在燃烧器壳70与燃烧器20之间沿着燃烧器20的长度方向而设置。筒体100是将由配管42引导的高温的二氧化碳例如经由稀释孔65而导至燃烧器衬套61内的通路。

具体地讲，筒体100的一端的仅与配管42连通的部分被开口，该筒体100的一端的其他部分被封闭。例如，在筒体100的一端侧设有使筒体100的开口与配管42连通的连通管101。另外，连通管101不限于1个位置，还可以在周向上设置多个。

另一方面，筒体100的另一端的仅与稀释孔65连通的部分被开口，该筒体100的另一端的其他部分被封闭。例如，在筒体100的另一端侧设有使筒体100的开口与稀释孔65连通的连通管102。连通管102例如如图5所示，在周向上设置多个。

从配管42导入的二氧化碳从连通管101，被导至筒体100的内部空间103中。进而，二氧化碳在筒体100的内部空间103中流动，从连通管102通过，从稀释孔65导至燃烧器衬套61内。通过这种方式，从配管42导入的二氧化碳的整体量从稀释孔65导至燃烧器衬套61内。因此，上游侧壳71、下游侧壳72不存在暴露于高温的二氧化碳中的情况。

另外，从配管42导入的二氧化碳的温度是700℃左右，即使被导入到燃烧器衬套61内，也不存在使燃烧反应恶化的情况。另外，导入到燃烧器衬套61内的二氧化碳与通过燃烧生成的燃烧气体一起导入涡轮25。

另一方面，从配管44导入的二氧化碳一边冷却上游侧壳71、下游侧壳72、筒体100、燃烧器衬套61以及过渡件62一边流动。上游侧壳71以及下游侧壳72的温度例如成为400℃以下。进而，冷却燃烧器衬套61、过渡件62的二氧化碳例如还能被使用于涡轮25的静叶85、动叶86的冷却。

在如上述所示，从配管44导入的低温的二氧化碳在燃烧器20的周围流动的情况下，在燃烧器衬套61以及过渡件62不具备例如多孔式气膜冷却部等将二氧化碳导至内部的构造。即，燃烧器衬套61以及过渡件62通过在外侧表面流动有低温的二氧化碳而被冷却。通过这种方式，低温的二氧化碳没有被导入到燃烧器衬套61内，因此，能维持最佳的燃烧反应。

另外，例如还可以如图4所示，在过渡件62的外周设置引导件110，以便二氧化碳沿着过渡件62的外周面流动。

在这样的构成的燃烧器壳70中，上游侧壳71以及下游侧壳72不会暴露于高温的二氧化碳中，通过低温的二氧化碳被冷却。因此，上游侧壳71以及下游侧壳72例如由CrMoV钢、CrMo钢等Fe基的耐热钢构成。

如上述所示，根据第二实施方式的燃气轮机设备10，通过具备筒体100，从而，能够使导入到燃烧器壳70内的、高温的二氧化碳以及低温的二氧化碳分离地流动。由此，能够防止燃烧器壳70暴露于高温的二氧化碳中。因此，能够由例如廉价的Fe基的耐热钢来构成燃烧器壳70。

另外，上述的第二实施方式中的筒体100能够代替在第一实施方式中图3示出的筒体80而进行应用。

在此，示出了在上述的实施方式的燃气轮机设备10中，经由配管41对燃烧器20供给作为氧化剂的氧的一个例子，但不限于该构成。例如，还可以设成将通过压缩机28而被升压后的二氧化碳的一部分供给到配管41内的构成。

在这种情况下，具备从压缩机28的下游侧的配管42分路的新的配管。参照图1时，该被分路的配管例如在流量调节阀22与热交换器24之间与配管41连结。即，由氧化剂以及二氧化碳构成的混合气体被导至燃烧器20。另外，该混合气体从热交换器24通过而被加热。

即使在这样的构成中，也能够得到与上述的实施方式的燃气轮机设备10中的作用效果相同的作用效果。

根据以上说明的实施方式，能够用廉价的材料来构成在燃烧器的周围所具备的壳。

对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为例子而提出的，并没有意图限定发明的范围。这些实施方式可以以其他各种方式进行实施，在不超出发明主旨的范围内，可进行各种省略、调换以及变更。这些实施方式及其变形包括在发明的范围和主旨内，同样，也包括在专利请求所记载的发明和与其等同的范围内。

Claims (6)

1.一种燃气轮机设备，其特征在于，具备：

燃烧器，设置于壳内，使燃料与氧化剂燃烧；

筒体，对上述壳与上述燃烧器之间的空间进行划分；

涡轮，通过从上述燃烧器排出的燃烧气体而转动；

热交换器，对从上述涡轮排出的上述燃烧气体进行冷却；

高温燃烧气体供给管，使由上述热交换器冷却后的上述燃烧气体的一部分通过上述热交换器而被加热，并导至上述燃烧器与上述筒体之间；

低温燃烧气体供给管，将由上述热交换器冷却后的上述燃烧气体的另一部分导至上述壳与上述筒体之间；以及

排出管，将由上述热交换器冷却后的上述燃烧气体的残余部分向外部排出。

2.如权利要求1所述的燃气轮机设备，其特征在于，

上述壳包括上游侧壳以及下游侧壳，

上述高温燃烧气体供给管以及上述低温燃烧气体供给管与上述上游侧壳连结。

3.如权利要求2所述的燃气轮机设备，其特征在于，

上述高温燃烧气体供给管在比上述低温燃烧气体供给管更靠上游侧的位置与上述上游侧壳连结。

4.一种燃气轮机设备，其特征在于，具备：

燃烧器，设置于壳内，使燃料与氧化剂燃烧；

涡轮，通过从上述燃烧器排出的燃烧气体而转动；

热交换器，对从上述涡轮排出的上述燃烧气体进行冷却；

高温燃烧气体供给管，使由上述热交换器冷却后的上述燃烧气体的一部分通过上述热交换器而被加热，并导至上述燃烧器；

通路，在上述壳与上述燃烧器之间沿长度方向设置，将由上述高温燃烧气体供给管引导的上述燃烧气体导至上述燃烧器内；

低温燃烧气体供给管，将由上述热交换器冷却后的上述燃烧气体的另一部分导至上述壳与上述燃烧器之间；以及

排出管，将由上述热交换器冷却后的上述燃烧气体的残余部分向外部排出。

5.如权利要求4所述的燃气轮机设备，其特征在于，

上述通路的下游侧的端部与上述燃烧器的稀释孔连通。

6.如权利要求4或5所述的燃气轮机设备，其特征在于，

上述壳包括上游侧壳以及下游侧壳，

上述高温燃烧气体供给管以及上述低温燃烧气体供给管与上述上游侧壳连结。