DE112018002520T5

DE112018002520T5 - Gasturbinen-verbrenner und betriebsverfahren dafür

Info

Publication number: DE112018002520T5
Application number: DE112018002520.9T
Authority: DE
Inventors: Atsushi Horikawa; Masahide Kazari; Kunio Okada; Kazuki Koga
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd; Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd; Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2017-05-16
Filing date: 2018-05-02
Publication date: 2020-02-13
Also published as: US20200080480A1; US11421599B2; WO2018212001A1; JP6978855B2; JP2018194210A

Abstract

Ein Gasturbinen-Verbrenner, der eine Brennstoffeinspritzvorrichtung mit einer Vielzahl von ringförmigen Brennstoffeinspritzabschnitten aufweist, wobei in jedem von diesen mehrere Brennstoffeinspritzlöcher ausgebildet sind, ist versehen mit: einem Hilfsbrennstoffeinleitungskanal zum Einleiten eines Hilfsbrennstoffs, der einem Hilfsbrennstoffeinspritzabschnitt zugeführt wird, welcher Teil der Vielzahl von ringförmigen Brennstoffeinspritzabschnitten ist, in die Brennstoffeinspritzvorrichtung; einem ersten Hauptbrennstoffeinleitungskanal, der mit einem ersten Strömungsregelventil versehen ist, zum Einleiten eines Hauptbrennstoffs, der einem Hauptbrennstoffeinspritzabschnitt zugeführt wird, welcher ein anderer ringförmiger Brennstoffeinspritzabschnitt als der Hilfsbrennstoffeinspritzabschnitt ist, in die Brennstoffeinspritzvorrichtung; und einem zweiten Hauptbrennstoffeinleitungskanal, der mit einem zweiten Strömungsregelventil versehen ist, zum Einleiten des Hauptbrennstoffs, der dem Hilfsbrennstoffeinspritzabschnitt zugeführt wird, in die Brennstoffeinspritzvorrichtung.

Description

QUERVERWEIS AUF DIE VERWANDTE ANMELDUNG
Diese Anmeldung basiert auf und beansprucht gemäß der Pariser Verbandsübereinkunft Priorität der Japanischen Patentanmeldung Nr. 2017-096984 , eingereicht am 16 Mai 2017, deren gesamte Offenbarung hiermit durch Verweis als Teil dieser Anmeldung einbezogen ist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
(Sachgebiet der Erfindung)
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbrenner zur Verwendung in einem Gasturbinenmotor und ein Betriebsverfahren dafür.
(Beschreibung des Stands der Technik)
In den vergangenen Jahren ist im Hinblick auf eine sogenannte kohlenstoffarme Gesellschaft ein Gasturbinenmotor vorgeschlagen worden, der Wasserstoff als Brennstoff nutzt. Bei einem Brennstoff mit einem hohen Reaktionsvermögen, wie z.B. einem wasserstoffhaltigen Brennstoff, ist jedoch die Verbrennungstemperatur hoch, und somit ist es wahrscheinlich, dass NOx erzeugt wird, so dass es nötig ist, die Erzeugung von NOx zu unterbinden.
Als eine Technik zum Erreichen einer NOx-armen Verbrennung bei Verwendung von Gas mit einem hohen Reaktionsvermögen, wie z.B. Wasserstoff, als Brennstoff ist das Unterbinden eines lokalen Auftretens einer Hochtemperaturverbrennung durch verteiltes Einspritzen von Brennstoff aus mehreren Brennstoffeinspritzlöchern vorgeschlagen worden (siehe zum Beispiel Patentdokument 1).
[Verwandtes Dokument]
[Patentdokument 1]
[Patentdokument 1] US-Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2012/ 0258409
ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
Bei einem Brennstoff mit einer hohen Reaktionsrate und einem breiten Konzentrationsbereich an brennbarem Stoff, wie z.B. Wasserstoff, als Brennstoff kann jedoch dann, wenn ein Zündaussetzer beim Start eines Motors auftritt, brennbares Gas (Mischgas aus Wasserstoff und Luft) in einem Motorkörper und einem Abgaskanal auf abnorme Weise verbrannt werden. Des Weiteren ist es im Fall einer verteilten Einspritzung von Brennstoff aus mehreren Einspritzlöchern, wie oben beschrieben, da ein Volumenstrom von gashaltigem Wasserstoff groß ist, wahrscheinlich, dass eine Brennstoffzuführverteilung beim Start oder Stoppen des Motors und bei Schwachlastbetrieb ungleichmäßig wird, das heißt, wenn der Volumenstrom von in einen Verbrenner eingespritztem Brenngas niedrig ist, und es ist somit weiterhin wahrscheinlich, dass unverbranntes Gas erzeugt wird.
Daher liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einem Verbrenner eines Gasturbinenmotors, bei dem ein Brennstoff mit einem hohen Reaktionsvermögen verwendet wird, die Erzeugung von unverbranntem Gas zu verhindern und einen stabilen Betrieb selbst beim Start und Stoppen des Motors bei gleichzeitigem Realisieren einer NOx-armen Verbrennung aufrechtzuerhalten, um das oben genannte Problem zu lösen.
Zur Lösung des oben beschriebenen Problems weist ein Gasturbinen-Verbrenner gemäß der vorliegenden Erfindung auf:

einen Verbrennungs-Liner, der eine Brennkammer darin bildet;
eine Brennstoffeinspritzvorrichtung, die an einem oberen Abschnitt des Verbrennungs-Liners vorgesehen ist und eine Vielzahl von ringförmigen Brennstoffeinspritzabschnitten aufweist, die derart angeordnet sind, dass sie konzentrisch miteinander sind, wobei jeder ringförmige Brennstoffeinspritzabschnitt mit mehreren Brennstoffeinspritzlöchern ausgebildet ist, die in einer Umfangsrichtung angeordnet sind;
einen Zünder, der derart ausgebildet ist, dass er einen Brennstoff zündet, der aus der Brennstoffeinspritzvorrichtung in die Brennkammer eingespritzt wird;
einen Hilfsbrennstoffeinleitungskanal, der derart ausgebildet ist, dass er einen Hilfsbrennstoff, der einem Hilfsbrennstoffeinspritzabschnitt zugeführt wird, welcher Teil der Vielzahl von ringförmigen Brennstoffeinspritzabschnitten ist, in die Brennstoffeinspritzvorrichtung einleitet;
einen ersten Hauptbrennstoffeinleitungskanal, der derart ausgebildet ist, dass er einen Hauptbrennstoff, der einem Hauptbrennstoffeinspritzabschnitt zugeführt wird, welcher ein anderer ringförmiger Brennstoffeinspritzabschnitt als der Hilfsbrennstoffeinspritzabschnitt der Vielzahl von ringförmigen Brennstoffeinspritzabschnitten ist, in die Brennstoffeinspritzvorrichtung einleitet, wobei der erste Hauptbrennstoffeinleitungskanal mit einem ersten Strömungsregelventil versehen ist; und
einen zweiten Hauptbrennstoffeinleitungskanal, der derart ausgebildet ist, dass er einen Hauptbrennstoff, der dem Hilfsbrennstoffeinspritzabschnitt zugeführt wird, in die Brennstoffeinspritzvorrichtung einleitet, wobei der zweite Hauptbrennstoffeinleitungskanal mit einem zweiten Strömungsregelventil versehen ist.

Der Hauptbrennstoff kann zum Beispiel ein wasserstoffhaltiges Gas sein, und der Hilfsbrennstoff kann zum Beispiel ein Erdgas sein.
Bei dieser Ausgestaltung kann, da ein Brennstoff auf verteilte Weise aus den Brennstoffeinspritzlöchern der Vielzahl von ringförmigen Brennstoffeinspritzabschnitten eingespritzt wird, ein lokales Auftreten eines Abschnitts, in dem die Temperatur hoch ist, vermieden werden und kann eine NOx-arme Verbrennung selbst dann erreicht werden, wenn ein Brennstoff mit einem hohen Reaktionsvermögen als Hauptbrennstoff verwendet wird. Ferner kann, da eine Einspritzung des Hilfsbrennstoffs durch Verbinden des Hilfsbrennstoffeinspritzkanals mit einem Teil der Vielzahl von ringförmigen Brennstoffeinspritzabschnitten ermöglicht wird, eine stabile Verbrennung selbst beim Start oder Stoppen des Verbrenners, wobei sich der Verbrenner in einem Schwachlastzustand befindet, durch Zuführen von Brennstoff mit einem niedrigeren Reaktionsvermögen als dem des Hauptbrennstoffs als Hilfsbrennstoff erreicht werden. Daher können ein stabiler Betrieb des Verbrenners und ein stabiler Motorbetrieb aufrechterhalten werden, während eine Erzeugung von unverbranntem Gas und ein Problem aufgrund der Erzeugung von unverbranntem Gas unterbunden werden können.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Verbrenner ferner einen gemeinsamen Brennstoffzuführkanal aufweisen, der derart ausgeführt ist, dass er den Hilfsbrennstoff und den Hauptbrennstoff dem Hilfsbrenn-stoffeinspritzabschnitt zuführt, und können der Hilfsbrennstoffeinleitungskanal und der zweite Hauptbrennstoffeinleitungskanal mit dem gemeinsamen Brennstoffzuführkanal verbunden sein. Bei dieser Ausgestaltung kann, da das Zuführen des Hilfsbrennstoffs und des Hauptbrennstoffs aus dem gemeinsamen Brennstoffzuführkanal zu dem Hilfsbrennstoffeinspritzabschnitt ermöglicht wird, die Struktur der Brennstoffeinspritzvorrichtung vereinfacht werden.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann in dem Verbrenner der Zünder an dem Verbrennungs-Liner angebracht sein und kann der Hilfsbrennstoffeinspritzabschnitt auf einer radial äußersten Seite der Vielzahl von ringförmigen Brennstoffeinspritzabschnitten angeordnet sein. Bei dieser Ausgestaltung kann, da der Hilfsbrennstoffeinspritzabschnitt in der Nähe des Zünders angeordnet ist, der Hilfsbrennstoff sicher gezündet werden.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Verbrenner ferner einen Spülgaseinleitungskanal aufweisen, der derart ausgebildet ist, dass er ein Spülgas in den ersten Hauptbrennstoffeinleitungskanal und den zweiten Hauptbrennstoffeinleitungskanal einleitet. Der Verbrenner kann ferner einen zusätzlichen Spülgaseinleitungskanal aufweisen, der von dem Hilfsbrennstoffeinleitungskanal abzweigt und derart ausgebildet ist, dass er den Hilfsbrennstoff als Spülgas in den ersten Hauptbrennstoffeinleitungskanal und den zweiten Hauptbrennstoffeinleitungskanal einleitet. Bei dieser Ausgestaltung können beim Stoppen des Verbrenners die Hauptbrennstoffkanäle unter Verwendung des zweckbestimmten Spülgases oder des Hilfsbrennstoffs gespült werden, während der Hauptbrennstoff verbrannt wird, und somit kann verhindert werden, dass unverbranntes Gas oder brennbares Gas nach dem Stoppen in dem Verbrenner und einer Brennstoffzuführleitung verbleibt.
Ein Betriebsverfahren eines Gasturbinenmotor-Verbrenners gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Betriebsverfahren bei einem Start des Verbrenners und umfasst die folgenden Schritte:

Einspritzen des Hilfsbrennstoffs aus dem Hilfsbrennstoffeinleitungskanal durch den Hilfsbrennstoffeinspritzabschnitt in die Brennkammer, um dadurch den Hilfsbrennstoff beim Start zu zünden;
Einspritzen des Hauptbrennstoffs aus dem ersten Hauptbrennstoffeinleitungskanal durch den Hauptbrennstoffeinspritzabschnitt in die Brennkammer, während eine Strömungsrate des Hauptbrennstoffs unter Verwendung des ersten Strömungsregelventils graduell vergrößert wird, nach dem Zünden des Hilfsbrennstoffs; und
Stoppen des Einleitens des Hilfsbrennstoffs aus dem Hilfsbrennstoffeinleitungskanal nach dem Zünden des Hauptbrennstoffs.

Bei dieser Ausgestaltung kann, da der Hilfsbrennstoff aus dem Teil der Vielzahl von ringförmigen Brennstoffeinspritzabschnitten durch den Hilfsbrennstoffeinleitungskanal eingeleitet wird, eine stabile Verbrennung selbst beim Start des Verbrenners, bei dem sich der Verbrenner in einem Schwachlastzustand befindet, durch Zuführen von Brennstoff mit einem niedrigeren Reaktionsvermögen als dem des Hauptbrennstoffs als Hilfsbrennstoff erreicht werden. Daher können ein stabiler Betrieb des Verbrenners und ein stabiler Motorbetrieb aufrechterhalten werden, während die Erzeugung von unverbranntem Gas und ein Problem aufgrund der Erzeugung von unverbranntem Gas unterbunden werden können.
Bei einer Ausführungsform des Betriebsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Betriebsverfahren ferner den Schritt des Einspritzens des Hauptbrennstoffs aus dem zweiten Hauptbrennstoffeinleitungskanal durch den Hilfsbrennstoffeinspritzabschnitt in die Brennkammer, während eine Strömungsrate des Hauptbrennstoffs unter Verwendung des zweiten Strömungsregelventils graduell vergrößert wird, nach dem Stoppen des Einleitens des Hilfsbrennstoffs aus dem Hilfsbrennstoffeinleitungskanal umfassen. Bei dieser Ausgestaltung wird eine Stufenverbrennung, bei der die Anzahl von zu betreibenden ringförmigen Brennstoffeinspritzabschnitten entsprechend einer Vergrößerung der Last vergrößert wird, durch Verwendung einer Struktur des Verbrenners ermöglicht, die die Vielzahl von ringförmigen Brennstoffeinspritzabschnitten aufweist.
Ein Betriebsverfahren eines Gasturbinenmotor-Verbrenners gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Betriebsverfahren beim Stoppen des Verbrenners und umfasst die folgenden Schritte:

Stoppen des Einleitens des Hauptbrennstoffs aus dem zweiten Brennstoffeinleitungskanal in den Hilfsbrennstoffeinspritzabschnitt in einem Hochlastbetriebszustand, in dem der aus der Vielzahl von ringförmigen Brennstoffeinspritzabschnitten in die Brennkammer eingespritzte Hauptbrennstoff verbrannt wird;
Einspritzen des Hilfsbrennstoffs aus dem Hilfsbrennstoffeinleitungskanal durch den Hilfsbrennstoffeinspritzabschnitt in die Brennkammer nach dem Stoppen des Einleitens des Hauptbrennstoffs in den Hilfsbrennstoffeinspritzabschnitt;
Stoppen des Einleitens des Hauptbrennstoffs aus dem ersten Hauptbrennstoffeinleitungskanal nach dem Zünden des Hilfsbrennstoffs; und
Stoppen des Zuführens des Hilfsbrennstoffs aus dem Hilfsbrennstoffeinleitungskanal nach dem Stoppen des Einleitens des Hauptbrennstoffs aus dem ersten Hauptbrennstoffzuführkanal.

Im Fall des Durchführens eines Stoppens in einen Schwachlastbetriebszustand, in dem der Hauptbrennstoff nicht aus dem Hilfsbrennstoffeinspritzabschnitt eingespritzt wird, wird das Stoppen durch die Schritte im Anschluss an den Schritt des Einspritzens des Hilfsbrennstoffs aus dem Hilfsbrennstoffeinleitungskanal in die Brennkammer durchgeführt.
In der vorliegenden Patentschrift bedeutet der Ausdruck „beim Stoppen“ beim Verlangsamen des Betriebs in Richtung des Stoppens des Verbrenners.
Bei dieser Konfiguration wird nach dem Sicherstellen einer stabilen Verbrennung in einem Schwachlastzustand durch Einspritzen des Hilfsbrennstoffs durch den Hilfsbrennstoffeinleitungskanal beim Stoppen das Zuführen des Hauptbrennstoffs gestoppt und wird dann das Einspritzen des Hilfsbrennstoffs gestoppt. Somit kann auf effektive Weise verhindert werden, dass unverbranntes Gas des Hauptbrennstoffs, der eine hohe Reaktionsrate und einen breiten Konzentrationsbereich an brennbarem Stoff aufweist, nach dem Stoppen verbleibt.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann in dem Fall, in dem der Verbrenner den Spülgaseinleitungskanal aufweist, das Betriebsverfahren ferner die folgenden Schritte umfassen: Einleiten des Spülgases aus dem Spülgaseinleitungskanal in den ersten Hauptbrennstoffeinleitungskanal und den zweiten Hauptbrennstoffeinleitungskanal nach dem Stoppen des Zuführens des Hauptbrennstoffs aus dem ersten Hauptbrennstoffeinleitungskanal; und Verbrennen des Hauptbrennstoffs, der durch Einleiten des Spülgases aus dem ersten Hauptbrennstoffeinleitungskanal und dem zweiten Hauptbrennstoffeinleitungskanal in die Brennkammer ausgetragen wird, zusammen mit den Hilfsbrennstoff aus dem Hilfsbrennstoffeinleitungskanal.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann in dem Fall, in dem der Verbrenner den Spülgaseinleitungskanal und den zusätzlichen Spülgaseinleitungskanal aufweist, das Betriebsverfahren ferner den Schritt des Einleitens des Hilfsbrennstoffs aus dem zusätzlichen Spülgaseinleitungskanal in den ersten Hauptbrennstoffeinleitungskanal und den zweiten Hauptbrennstoffeinleitungskanal nach dem Austragen des Hauptbrennstoffs aus dem ersten Hauptbrennstoffeinleitungskanal und dem zweiten Hauptbrennstoffeinleitungskanal in die Brennkammer durch das Einleiten des Spülgases umfassen.
Zusätzliches Spülgas kann direkt ohne Einleiten des Spülgases eingeleitet werden.
Bei dieser Ausgestaltung können beim Stoppen des Verbrenners die Hauptbrennstoffkanäle unter Verwendung des zweckbestimmten Spülgases oder des Hilfsbrennstoffs gespült werden, während der Hauptbrennstoff verbrannt wird, und somit kann verhindert werden, dass unverbranntes Gas des Hauptbrennstoffs, der eine hohe Reaktionsrate und einen breiten Konzentrationsbereich an brennbarem Stoff aufweist, nach dem Stoppen in dem Verbrenner und einer Brennstoffzuführleitung verbleibt.
Jede Kombination von mindestens zwei Auslegungen, die in den beiliegenden Ansprüchen und/oder der Patentbeschreibung und/oder den beigefügten Zeichnungen offenbart sind, ist als in den Umfang der vorliegenden Erfindung fallend zu verstehen. Insbesondere ist jede Kombination aus zwei oder mehr der beiliegenden Ansprüche gleichermaßen als in den Umfang der vorliegenden Erfindung fallend zu verstehen.
Figurenliste
In jedem Fall wird die vorliegende Erfindung anhand der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen derselben unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen besser verständlich. Die Ausführungsformen und die Zeichnungen dienen jedoch nur zum Zweck der Veranschaulichung und Erläuterung und dürfen nicht als den Umfang der vorliegenden Erfindung in irgendeiner Weise einschränkend verstanden werden, wobei der Umfang von den beiliegenden Ansprüchen definiert wird. In den beigefügten Zeichnungen sind durchgehend in den mehreren Ansichten gleiche Bezugszeichen zum Bezeichnen gleicher Teile verwendet.

1 ist ein Blockschaltbild zur Darstellung einer schematischen Ausgestaltung eines Gasturbinenmotors, bei dem eine Brennstoffeinspritzvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist;
2 ist eine Querschnittansicht zur Darstellung eines Verbrenners gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ist eine Vorderansicht zur Darstellung eines Beispiels einer Brennstoffeinspritzvorrichtung, die bei dem Verbrenner von 2 verwendet wird;
4 ist ein Blockschaltbild zur schematischen Darstellung eines Beispiels eines Brennstoffeinleitungssystems, das bei dem Verbrenner von 2 verwendet wird;
5 ist ein Ablaufidagramm zur Darstellung eines Beispiels eines Betriebsverfahrens beim Start des Verbrenners von 2;
6 ist ein Diagramm zur schematischen Darstellung eines Beispiels eines Brennstoffströmungsratenprofils beim Betriebsverfahren von 5;
7 ist ein Diagramm zur schematischen Darstellung eines weiteren Beispiels eines Brennstoffströmungsratenprofils beim Betriebsverfahren von 5;
8 ist ein Diagramm zur schematischen Darstellung noch eines weiteren Beispiels eines Brennstoffströmungsratenprofils beim Betriebsverfahren von 5; und
9 ist ein Ablaufdiagramm zur Darstellung eines Beispiels eines Betriebsverfahrens beim Stoppen des Verbrenners von 2.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachstehend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die Ausführungsformen beschränkt.
1 zeigt eine schematische Ausgestaltung eines Gasturbinenmotors (nachstehend einfach als Gasturbine bezeichnet) GT, bei der ein Verbrenner gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist. Bei der Gasturbine GT wird Luft, die in diese eingeleitet wird, von einem Kompressor 1 komprimiert und in einen Verbrenner 3 geführt, wird ein Brennstoff in den Verbrenner 3 eingespritzt und verbrannt und wird eine Turbine 5 durch das erhaltene Hochtemperatur- und Hochdruckverbrennungsgas G angetrieben. Der Verbrenner 3 ist zum Beispiel ein Rohrverbrenner, und eine Vielzahl von solchen Verbrennern ist ringförmig um die Achse der Gasturbine GT herum angeordnet. Die Turbine 5 ist über eine Drehwelle 7 mit dem Kompressor 1 verbunden, und der Kompressor 1 wird von der Turbine 5 angetrieben. Durch die Ausgangsleistung der Gasturbine GT wird eine Last, wie z.B. ein Rotor eines Flugzeugs oder ein Generator, angetrieben. In der folgenden Beschreibung werden die Kompressor-1 Seite und die Turbinen- 5 Seite in der axialen Richtung der Gasturbine GT jeweils als „Vorderseite“ und „Rückseite“ bezeichnet.
Wie in 2 gezeigt, weist der Verbrenner 3 auf: einen Verbrennungs-Liner 13, der darin eine Brennkammer 11 bildet; eine Brennstoffeinspritzvorrichtung 15, die am oberen Abschnitt (am weitesten vorn liegenden Abschnitt) 13a des Verbrennungs-Liners 13 vorgesehen ist und einen Brennstoff und Luft in die Brennkammer 11 einspritzt; und ein Brennstoffzuführsystem IS, das den Brennstoff in die Brennstoffeinspritzvorrichtung 15 einleitet. Durch Zünden von aus der Brennstoffeinspritzvorrichtung 15 eingespritztem Brennstoff und Luft unter Verwendung eines Zünders P, der an dem Verbrennungs-Liner 13 vorgesehen ist, wird eine Flamme in der Brennkammer 11 erzeugt. Der Verbrennungs-Liner 13 und die Brennstoffeinspritzvorrichtung 15 sind konzentrisch in einem im Wesentlichen zylindrischen Gehäuse H, das ein Außenrohr des Verbrenners 3 ist, aufgenommen.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der Verbrenner 3 als Gegenlauftyp ausgebildet, bei dem die Strömungsrichtung von Luft A und die Strömungsrichtung des Verbrennungsgases G einander entgegengesetzt sind. Das heißt, dass der Verbrenner 3 einen Lufteinleitungskanal 19, der zwischen dem Gehäuse H und dem Verbrennungs-Liner 13 ausgebildet ist, und ein Stützrohr 17 aufweist, das sich in einer Rohrform von dem Verbrennungs-Liner 13 nach vorn erstreckt. Der Lufteinleitungskanal 19 leitet die von dem Kompressor 1 (1) komprimierte Luft A in der der Strömungsrichtung des Verbrennungsgases G in der Verbrennungskammer 11 entgegengesetzten Richtung ein. Der Verbrenner 3 kann vom Axialströmungstyp sein, bei dem die Strömungsrichtungen der Luft A und des Verbrennungsgases G die gleichen sind. Eine Vielzahl von Lufteinleitungslöchern 21 ist in einem vorderen Endabschnitt einer Umfangswand des Stützrohrs 17 vorgesehen, um in der Umfangsrichtung ausgerichtet zu sein. Die Luft A, die durch den Lufteinleitungskanal 19 zugeführt wird, wird durch die Lufteinleitungslöcher 21 in einen Luftzuführkanal 23, der in dem Stützrohr 17 ausgebildet ist, eingeleitet und der Rückseite, das heißt in der Richtung der Brennkammer 11, zugeführt.
Wie in 3 gezeigt, weist die Brennstoffeinspritzvorrichtung 15 eine Vielzahl von ringförmigen Brennstoffeinspritzabschnitten 25 auf. Bei der vorliegenden Ausführungsform sind drei ringförmige Brennstoffeinspritzabschnitte 25 mit sich voneinander unterscheidenden Durchmesserabmessungen derart angeordnet, dass sie miteinander konzentrisch sind und mit dem Verbrenner 3 (2) konzentrisch sind. Mehrere Brennstoffeinspritzlöcher 25a sind derart in jedem ringförmigen Brennstoffeinspritzabschnitt 25 ausgebildet, dass sie in der Umfangsrichtung desselben in regelmäßigen Abständen angeordnet sind. Wie in 2 gezeigt, sind zum Beispiel Luftführungen 27 zum Leiten der Luft A aus dem Luftzuführkanal 23 zum Mischen der Luft und des aus den ringförmigen Brennstoffeinspritzabschnitten 25 eingespritzten Brennstoffs radial außerhalb und innerhalb der jeweiligen ringförmigen Brennstoffeinspritzabschnitte 25 angeordnet. Der aus den jeweiligen ringförmigen Brennstoffeinspritzabschnitten 25 eingespritzte Brennstoff wird mit der von den Luftführungen 27 geführten Luft vorgemischt und als vorgemischtes Gas in die Brennkammer 11 eingespritzt. Die Anzahl von ringförmigen Brennstoffeinspritzabschnitten 25 ist nicht besonders begrenzt, solange die Anzahl nicht kleiner als zwei ist.
Als Nächstes wird eine spezifische Brennstoffzuführstruktur in der Brennstoffeinspritzvorrichtung 15 des Verbrenners 3 beschrieben. Der Verbrenner 3 gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Vielzahl von Brennstoffzuführkanälen auf, die in der Lage sind, einen Brennstoff F den jeweiligen ringförmigen Brennstoffeinspritzabschnitten 25 der Brennstoffeinspritzvorrichtung 15 zuzuführen. Eine Brennstoffzuführhauptleitung 29 ist in der Brennstoffeinspritzvorrichtung 15 vorgesehen und erstreckt sich von einem mittleren Abschnitt des Luftzuführkanals 23 zur Rückseite des Gehäuses H. Die Brennstoffzuführhauptleitung 29 und die jeweiligen ringförmigen Brennstoffeinspritzabschnitte 25 sind über Brennstoffzuführzweigleitungen 31, die unabhängig voneinander von der Brennstoffzuführhauptleitung 29 abzweigen, miteinander verbunden. Die Brennstoffzuführhauptleitung 29 hat eine Mehrleitungsstruktur (Doppelleitungsstruktur), bei der zwei zylindrische Leitungen konzentrisch in Lagen angeordnet sind. Der Innenraum der inneren Brennstoffzuführleitung und die Innenräume der Brennstoffzuführzweigleitungen 31, die mit diesem kommunizieren, bilden einen ersten Brennstoffzuführkanal 33, und der Raum zwischen den inneren und den äußeren Brennstoffzuführleitungen und der Innenraum der Brennstoffzuführzweigleitung 31, die mit diesem kommunizieren, bilden einen zweiten Brennstoffzuführkanal 35. Ein Brennstoff wird aus einem Brennstoffeinleitungssystem IS, das später beschrieben wird, in die jeweiligen Brennstoffzuführkanäle 33 und 35 in der Brennstoffzuführhauptleitung 29 eingeleitet.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird der Brennstoff, der den ersten Brennstoffzuführkanal 33 durchlaufen hat, den zwei ringförmigen Brennstoffeinspritzabschnitten 25 zugeführt, die an der radial inneren Seite der Vielzahl von ringförmigen Brennstoffeinspritzabschnitten 25 angeordnet sind. Der Brennstoff F, der den zweiten Brennstoffzuführkanal 35 durchlaufen hat, wird durch die eine Brennstoffzuführzweigleitung 31, die mit dem zweiten Brennstoffzuführkanal 35 verbunden ist, dem einen ringförmigen Brennstoffeinspritzabschnitt 25 zugeführt, der auf der radial äußersten Seite der Vielzahl von ringförmigen Brennstoffeinspritzabschnitten 25 angeordnet ist.
Die Mehrleitungsstruktur der Brennstoffzuführhauptleitung 29 ist nicht auf das Beispiel von 2 beschränkt, solange eine Vielzahl von voneinander unabhängigen Brennstoffzuführkanälen unter Verwendung einer Vielzahl von Leitungen gebildet werden kann. Zum Beispiel kann die Mehrleitungsstruktur der Brennstoffzuführhauptleitung 29 eine Mehrleitungsstruktur sein, bei der innerhalb eines Kopfteils mit einem großen Durchmesser eine Vielzahl von Brennstoffzuführleitungen mit Durchmessern, die kleiner sind als derjenige des Kopfteils und einander gleich sind, derart vorgesehen sind, dass sie sich parallel zueinander erstrecken.
Durch Verwenden einer solchen Brennstoffzuführstruktur kann eine Stufenverbrennung erreicht werden, bei der ein Änderung der Ausgangsleistung der Gasturbine GT von einer Schwachlast (Teillast) zu einer Hochlast (Nennlast) auf geeignete Weise durch Unterteilen der ringförmigen Brennstoffeinspritzabschnitte 25 in ringförmige Brennstoffeinspritzabschnitte 25, die eine Brennstoffzuführung durchführen, und die verbleibenden ringförmigen Brennstoffeinspritzabschnitte 25, die keine Brennstoffzuführung durchführen, gehandhabt werden kann. Im Fall des verteilten Einspritzens von Brennstoff durch die mehreren Brennstoffeinspritzlöcher 25a der Vielzahl von ringförmigen Brennstoffeinspritzabschnitten 25 der Brennstoffeinspritzvorrichtung 15 wie bei der vorliegenden Ausführungsform ist das Handhaben von Lastschwankungen durch Auswählen von ringförmigen Brennstoffeinspritzabschnitten 25, die betrieben werden, und der verbleibenden ringförmigen Brennstoffeinspritzabschnitte 25, die nicht betrieben werden, statt durch gleichmäßiges Ändern von Brennstoffzuführmengen an sämtlichen ringförmigen Brennstoffeinspritzabschnitten 25 für eine stabile NOx-arme Verbrennung effektiv.
Als Nächstes wird die Ausgestaltung des Brennstoffeinleitungssystems IS, das den Brennstoff in die Brennstoffeinspritzvorrichtung 15 einleitet, mit einer solchen Struktur beschrieben. Wie in 4 gezeigt, weist bei der vorliegenden Ausführungsform das Brennstoffeinleitungssystem IS einen Hilfsbrennstoffeinleitungskanal 41, einen ersten Hauptbrennstoffeinleitungskanal 43 und einen zweiten Hauptbrennstoffeinleitungskanal 45 auf. Der Hilfsbrennstoffeinleitungskanal 41 leitet einen Hilfsbrennstoff AF aus einer Hilfsbrennstoffquelle 47 in die Brennstoff-einspritzvorrichtung 15 ein. Der erste Hauptbrennstoffeinleitungskanal 43 und der zweite Hauptbrennstoffeinleitungskanal 45 leiten einen Hauptbrennstoff aus einer Hauptbrennstoffquelle 49 in die Brennstoffeinspritzvorrichtung 15 ein. Bei dem gezeigten Beispiel sind der erste Hauptbrennstoffeinleitungskanal 43 und der zweite Hauptbrennstoffeinleitungskanal 45 mit einem gemeinsamen größeren Hauptbrennstoffkanal 51 verbunden, der mit der gemeinsamen Hauptbrennstoffquelle 49 verbunden ist. Mit anderen Worten sind der erste Hauptbrennstoffeinleitungskanal 43 und der zweite Hauptbrennstoffeinleitungskanal 45 derart vorgesehen, dass sie von dem nachgeschalteten Ende des größeren Hauptbrennstoffkanals 51 abzweigen. Der erste Hauptbrennstoffeinleitungskanal 43 und der zweite Hauptbrennstoffeinleitungskanal 45 können unabhängig voneinander jeweils mit den separat vorgesehenen Hauptbrennstoffquellen verbunden sein.
Der Hilfsbrennstoffeinleitungskanal 41 leitet den Hilfsbrennstoff AF, der dem ringförmigen Brennstoffeinspritzabschnitt 25 zugeführt wird, welcher auf der radial äußersten Seite (nachstehend als „Hilfsbrennstoffeinleitungsabschnitt 25A bezeichnet) der Vielzahl von ringförmigen Brennstoffeinspritzabschnitten 25 angeordnet ist, in die Brennstoffeinspritzvorrichtung 15 ein. Der erste Hauptbrennstoffeinleitungskanal 43 leitet den Hauptbrennstoff MF, der anderen ringförmigen Brennstoffeinspritzabschnitten 25 als dem Hilfsbrennstoffeinspritzabschnitt 25A zugeführt wird, das heißt, den zwei ringförmigen Brennstoffeinspritzabschnitten 25, die auf der radial inneren Seite (nachstehend als Hauptbrennstoffeinspritzabschnitte 25B bezeichnet) der Vielzahl von ringförmigen Brennstoffeinspritzabschnitten 25 angeordnet sind, in die Brennstoffeinspritzvorrichtung 15 ein. Der zweite Hauptbrennstoffeinleitungskanal 45 leitet den Hauptbrennstoff MF, der dem Hilfsbrennstoffeinspritzabschnitt 25A zugeführt wird, in die Brennstoffeinspritzvorrichtung 15 ein. Das heißt, dass bei der vorliegenden Ausführungsform der Hilfsbrennstoffeinleitungskanal 41 und der zweite Hauptbrennstoffeinleitungskanal 45 mit dem zweiten Brennstoffzuführkanal 35 der Brennstoffeinspritzvorrichtung 15 verbunden sind und der zweite Brennstoffzuführkanal 35 als gemeinsamer Brennstoffzuführkanal ausgebildet ist, der als Zuführkanal zum Zuführen des Hilfsbrennstoffs AF zu dem Hilfsbrennstoffeinspritzabschnitt 25A und als Zuführkanal zum Zuführen des Hauptbrennstoffs MF zu dem Hilfsbrennstoffeinspritzabschnitt 25A dient. Des Weiteren ist der erste Hauptbrennstoffeinleitungskanal 43 mit dem ersten Brennstoffzuführkanal 33 der Brennstoffeinspritzvorrichtung 15 verbunden und wird der Hauptbrennstoff MF durch den ersten Brennstoffzuführkanal 33 den zwei Hauptbrennstoffeinspritzabschnitten 25B zugeführt.
Bei der vorliegenden Ausführungsform, die in 2 gezeigt ist, ist der Zünder P an dem Verbrennungs-Liner 13 angebracht und ist der Hilfsbrennstoffeinspritzabschnitt 25A auf der radial äußersten Seite der Vielzahl von ringförmigen Brennstoffeinspritzabschnitten 25 angeordnet. Somit befindet sich der Hilfsbrennstoffeinspritzabschnitt 25A nahe an dem Zünder P und kann der Hilfsbrennstoff sicher gezündet werden. Die Anordnung des Zünders P und des Hilfsbrennstoff-einspritzabschnitts 25A ist jedoch nicht auf dieses Beispiel beschränkt. Zum Beispiel kann in dem Fall, in dem der Zünder auf der Achse C des Verbrenners 3 angeordnet ist, der ringförmige Brennstoffeinspritzabschnitt, der auf der radial innersten Seite der Vielzahl von ringförmigen Brennstoffeinspritzabschnitten 25 angeordnet ist, als Hilfsbrennstoffeinspritzabschnitt 25A ausgebildet sein (das heißt, derart ausgebildet sein, dass ihm der Hilfsbrennstoff AF aus dem Hilfsbrennstoffeinleitungskanal 41 zugeführt wird und der Hauptbrennstoff MF aus dem zweiten Hauptbrennstoffeinleitungskanal 45 zugeführt wird). Des Weiteren braucht der Hilfsbrennstoffeinspritzabschnitt 25A nicht in der Nähe des Zünders P angeordnet zu sein. Außerdem ist die Anzahl von Hilfsbrennstoffeinspritzabschnitten 25A nicht auf einen begrenzt, sondern kann auch zwei oder mehr sein, solange nicht sämtliche der Vielzahl von ringförmigen Brennstoffeinspritzabschnitten 25 Hilfsbrennstoffeinspritzabschnitte 25A sind.
Der Hauptbrennstoff MF ist ein Brennstoff mit einem hohen Reaktionsvermögen und einem breiten Konzentrationsbereich an brennbarem Stoff. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der Hauptbrennstoff MF wasserstoffhaltiges Gas, zum Beispiel Wasserstoffgas. Der Hilfsbrennstoff AF ist ein Brennstoff mit einem niedrigeren Reaktionsvermögen und einem engerem Konzentrationsbereich an brennbarem Stoff als der Hauptbrennstoff MF und kann nicht nur beim Start des Verbrenners verwendet werden, sondern auch bei Schwachlast, wie z.B. beim Stoppen des Verbrenners, wie später beschrieben wird. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der Hilfsbrennstoff AF Erdgas. Als Hilfsbrennstoff AF kann zusätzlich zu Erdgas zum Beispiel auch Kohlenwasserstoff, wie z.B. Propan, als Brenngas verwendet werden.
Wie in 4 gezeigt, sind ein Ein-Aus-Ventil (ein erstes Ein-Aus-Ventil 47 und ein zweites Ein-Aus-Ventil 49) jeweils an vorgeschalteten Abschnitten des ersten Hauptbrennstoffeinleitungskanal 43 und des zweiten Hauptbrennstoffeinleitungskanal 45 vorgesehen und sind Strömungsregelventile (ein erstes Strömungsregelventil 51 und ein zweites Strömungsregelventil 53) jeweils den Ein-Aus-Ventilen 47 und 49 nachgeschaltet vorgesehen. Ein Ein-Aus-Ventil (drittes Ein-Aus-Ventil 55) ist an dem größeren Hauptbrennstoffkanal 51 vorgesehen. Des Weiteren ist ein Ein-Aus-Ventil (viertes Ein-Aus-Ventil 57) an einem vorgeschalteten Abschnitt des Hilfsbrennstoffeinleitungskanals 41 vorgesehen und ist eine Blende 59 zur Strömungsbegrenzung dem vierten Ein-Aus-Ventil 57 nachgeschaltet vorgesehen.
Ferner weist das Brennstoffeinleitungssystem IS einen Spülgaseinleitungskanal 61 auf, der ein Spülgas PG in den ersten Hauptbrennstoffeinleitungskanal 43 und den zweiten Hauptbrennstoffeinleitungskanal 45 einleitet. Bei der vorliegenden Ausführungsform, bei der der erste Hauptbrennstoffeinleitungskanal 43 und der zweite Hauptbrennstoffeinleitungskanal 45 von dem größeren Hauptbrennstoffkanal 51 abzweigen, ist der Spülgaseinleitungskanal 61 mit einem Abschnitt des größeren Hauptbrennstoffkanals 51 hinter dem dritten Ein-Aus-Ventil 55 verbunden. Des Weiteren weist das Brennstoffeinleitungssystem IS einen zusätzlichen Spülgaseinleitungskanal 63 auf, der von dem Hilfsbrennstoffeinleitungskanal 41 abzweigt und den Hilfsbrennstoff AF als Spülgas in den ersten Hauptbrenngaseinleitungskanal 43 und den zweiten Hauptbrenngaseinleitungskanal 45 einleitet. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der zusätzliche Spülgaseinleitungskanal 63 ebenfalls mit dem Abschnitt des größeren Hauptbrennstoffkanals 51 hinter dem dritten Ein-Aus-Ventil 55 verbunden.
Als Spülgas PG kann zum Beispiel Stickstoffgas mit einem sehr niedrigen Reaktionsvermögen, Inertgas oder dergleichen verwendet werden. Das Spülgas PG wird aus einer Spülgasquelle 65, die mit dem Spülgaseinleitungskanal 61 verbunden ist, zugeführt.
Als Nächstes wird ein Betriebsverfahren des Verbrenners 3, der wie oben beschrieben ausgebildet ist, beschrieben. Zunächst wird ein Betriebsverfahren beim Start des Verbrenners 3 beschrieben.
Wie in 5 gezeigt, wird beim Start des Verbrenner 3 zunächst der Hilfsbrennstoff AF aus dem Hilfsbrennstoffeinleitungskanal 41 durch den zweiten Brennstoffzuführkanal 35 und den Hilfsbrennstoffeinspritzabschnitt 25A in die Brennkammer 11 eingespritzt und wird der in die Brennkammer 11 eingespritzte Hilfsbrennstoff AF mittels des Zünders P (2) gezündet (Hilfsbrennstoffzündungsschritt S1). Nach dem Zünden des Hilfsbrennstoffs AF wird der Hauptbrennstoff MF aus dem ersten Hauptbrennstoffeinleitungskanal 43 durch die Hauptbrennstoffeinspritzabschnitte 25B in die Brennkammer 11 eingespritzt, während die Strömungsrate des Hauptbrennstoffs MF von dem ersten Strömungsregelventil 51 (4) graduell vergrößert wird (Hauptbrennstoffeinspritzschritt S2). Nach dem Zünden des Hauptbrennstoffs MF wird das Einleiten des Hilfsbrennstoffs AF aus dem Hilfsbrennstoffeinleitungskanal 41 gestoppt (Hilfsbrennstoffstoppschritt S3).
Im Fall des Durchführens eines Betriebs bei einer niedrigeren Last als derjenigen des Nennbetriebs der Gasturbine, bei der der Verbrenner 3 verwendet wird (in einem Schwachlastbetriebszustand), wird der Betrieb in diesem Zustand fortgeführt.
Im Fall des Durchführens eines Betriebs bei einer höheren Last als derjenigen im Schwachlastbetriebszustand, zum Beispiel im Nennbetrieb der Gasturbine (in einem Hochlastbetriebszustand), nach dem Hilfsbrennstoffstoppschritt S3 wird ein zusätzlicher Hauptbrennstoff MF aus dem zweiten Hauptbrennstoffeinleitungskanal 45 durch den Hilfsbrennstoffeinspritzabschnitt 25A in die Brennkammer 11 eingespritzt, während die Strömungsrate des Hauptbrennstoffs MF von dem zweiten Strömungsregelventil 53 (4) graduell vergrößert wird (zusätzlicher Hauptbrennstoffeinspritzschritt S4).
6 zeigt ein Profil einer Brennstoffströmungsrate im Fall des Betreibens des Verbrenners 3 mittels des oben beschriebenen Verfahrens. In 6 stellt die horizontale Achse die Zeit dar und stellt die vertikale Achse die Brennstoffströmungsrate dar. Des Weiteren stellt eine aus langen und kurzen Strichen gebildete Linie die Strömungsrate des Hilfsbrennstoffs AF dar, der den Hilfsbrennstoffeinleitungskanal 41 durchläuft, stellt eine durchgezogene Linie die Strömungsrate des Hauptbrennstoffs MF dar, der den ersten Hauptbrennstoffeinleitungskanal 43 durchläuft, und stellt die gestrichelte Linie die Strömungsrate des zusätzlichen Hauptbrennstoffs MF dar, der den zweiten Hauptbrennstoffeinleitungskanal 45 durchläuft. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist das Beispiel gezeigt, bei dem kein Strömungsregelventil an dem Hilfsbrennstoffeinleitungskanal 41 vorgesehen ist, und eine Steuerung, ob oder ob nicht bewirkt werden soll, dass der Hilfsbrennstoff AF mit einer vorbestimmten Strömungsrate zu dem Hilfsbrennstoffeinleitungskanal 41 strömt, mittels einer Kombination aus dem vierten Ein-Aus-Ventil 57 und der Blende 59 aktiviert wird. Das Beispiel des Betriebsverfahrens mittels des Hilfsbrennstoffeinleitungskanals 41 ist jedoch nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel kann ein Strömungsregelventil dem vierten Ein-Aus-Ventil 57 an dem Hilfsbrennstoffeinleitungskanal 41 nachgeschaltet vorgesehen sein und können das Einleiten des Hilfsbrennstoffs AF beim Hilfsbrennstoffzündungsschritt S1 oder das Stoppen des Einleitens des Hilfsbrennstoffs AF im Hilfsbrennstoffstoppschritt S3 durchgeführt werden, während die Strömungsrate des Hilfsbrennstoffs AF geregelt wird. In diesem Fall kann zum Beispiel, wie in 7 gezeigt, beim Hilfsbrennstoffstoppschritt S3 das Einleiten des Hilfsbrennstoffs AF derart gestoppt werden, dass die Strömungsrate des Hilfsbrennstoffs AF ab dem Zeitpunkt des Startens der Einspritzung des Hauptbrennstoffs MF graduell verkleinert wird. Alternativ kann, wie in 8 gezeigt, nach dem graduellen Vergrößern der Strömungsrate des Hilfsbrennstoffs beim Hilfsbrennstoffzündungsschritt S1 das Einleiten des Hilfsbrennstoffs AF derart gestoppt werden, dass beim Hilfsbrennstoffstoppschritt S3 die Strömungsrate des Hilfsbrennstoffs AF ab dem Zeitpunkt des Startens der Einspritzung des Hauptbrennstoffs MF graduell verkleinert wird.
Als Nächstes wird ein Betriebsverfahren zum Stoppen des Verbrenners 3 beschrieben. Zunächst wird ein Verfahren beschrieben, bei dem, wie in 9 gezeigt, der Verbrenner 3 gestoppt wird, wenn der Verbrenner 3 im Hochlastbetriebszustand betrieben wird, in dem der Hauptbrennstoff MF, der aus der Vielzahl von ringförmigen Brennstoffeinspritzabschnitten 25 in die Brennkammer 11 eingespritzt wird, verbrannt wird. Im Hochlastbetriebszustand wird das Einleiten des Hauptbrennstoffs MF aus dem zweiten Hauptbrennstoffeinleitungskanal 45 in den Hilfsbrennstoffeinspritzabschnitt 25A gestoppt (zusätzlicher Hauptbrennstoffstoppschritt S5). Nach dem zusätzlichen Hauptbrennstoffstoppschritt S5 wird der Hilfsbrennstoff AF aus dem Hilfsbrennstoffeinleitungskanal 41 durch den Hilfsbrennstoffeinspritzabschnitt 25A in die Brennkammer 11 eingespritzt (Hilfsbrennstoffwiedereinspritzschritt S6). Nach dem Zünden des Hilfsbrennstoffs AF, der im Hilfsbrennstoffwiedereinspritzschritt S6 eingespritzt wird, wird das Einleiten des Hauptbrennstoffs MF aus dem ersten Hauptbrennstoffeinleitungskanal 43 gestoppt (Hauptbrennstoffstoppschritt S7). Nach dem Hauptbrennstoffstoppschritt S7 wird das Zuführen des Hilfsbrennstoffs AF aus dem Hilfsbrennstoffeinleitungskanal 41 gestoppt (letzter Hilfsbrennstoffstoppschritt S8). Entsprechend wird der Betrieb des Verbrenners 3 gestoppt.
In einem Schwachlastbetriebszustand, in dem der Hauptbrennstoff MF nur aus den Hauptbrennstoffeinspritzabschnitten 25B der Vielzahl von ringförmigen Brennstoffeinspritzabschnitten 25 in die Brennkammer 11 eingespritzt wird und verbrannt wird, wird der Betrieb des Verbrenners 3 in Schritten S6 bis S8 unter Ausnahme des oben genannten zusätzlichen Hauptbrennstoffstoppschritts S5 gestoppt.
Die vorgenannten Schritte S5 bis S8 sind ein Basisprozedere zum Stoppen des Betriebs des Verbrenners 3. Beim Stoppen des Verbrenners 3 können ferner die folgenden Schritte zum Spülen des Hauptbrennstoffs MF durchgeführt werden.
Nach dem Stoppen des Zuführens des Hauptbrennstoffs MF aus dem ersten Hauptbrennstoffeinleitungskanal 43 (Hauptbrennstoffstoppschritt S7) wird das Spülgas PG aus dem Spülgaseinleitungskanal 61 in den ersten Hauptbrennstoffeinleitungskanal 43 und den zweiten Hauptbrennstoffeinleitungskanal 45 eingeleitet (Spülgaseinleitungsschritt S9). Bei der vorliegenden Ausführungsform wird das Spülgas PG aus dem Spülgaseinleitungskanal 61 durch den größeren Hauptbrennstoffkanal 51 in den ersten Hauptbrennstoffeinleitungskanal 43 und den zweiten Hauptbrennstoffeinleitungskanal 45 eingeleitet. Danach wird der Hauptbrennstoff, der durch Einleiten des Spülgases PG aus dem ersten Hauptbrennstoffeinleitungskanal 43, dem zweiten Hauptbrennstoffeinleitungskanal 45 und dem ersten Brennstoffzuführkanal 33 durch die Hauptbrennstoffeinspritzabschnitte 25B in die Brennkammer 11 ausgetragen wird, zusammen mit dem Hilfsbrennstoff AF aus dem Hilfsbrennstoffeinleitungskanal 41 verbrannt (Resthauptbrennstoffverbrennungsschritt S10). Zum Beispiel kann durch Messen der eingeleiteten Menge (Gesamtströmungsmenge) des Spülgases PG an dem Spülgaseinleitungskanal 61 vom Spülgaseinleitungsschritt S9 bis zum Resthauptbrennstoffverbrennungsschritt S10 der Hauptbrennstoff MF, der in dem größeren Hauptbrennstoffkanal 51, dem ersten Hauptbrennstoffeinleitungskanal 43, dem zweiten Hauptbrennstoffeinleitungskanal 45 und dem ersten Brennstoffzuführkanal 33 verbleibt, vollständig in die Brennkammer 11 ausgetragen werden.
Nach dem Spülgaseinleitungsschritt S9 und dem Resthauptbrennstoffverbrennungsschritt S10 kann der Hilfsbrennstoff AF ferner unter Verwendung des zusätzlichen Spülgaseinleitungskanals 63 aus dem zusätzlichen Spülgaseinleitungskanals 63 in den ersten Hauptbrennstoffeinleitungskanal 43 und den zweiten Hauptbrennstoffeinleitungskanal 45 eingeleitet werden (zusätzlicher Spülschritt S11). Der Spülgaseinleitungsschritt S9 kann entfallen, und der zusätzliche Spülschritt S11 kann vor dem Übergehen zum Resthauptbrennstoffverbrennungsschritt S10 durchgeführt werden.
Der Spülgaseinleitungskanal 61 und der zusätzliche Spülgaseinleitungskanal 63 sind in dem Verbrenner 3 vorgesehen, und bei dem Betriebsverfahren des Verbrenners 3 können durch Durchführen der Schritte S9 bis S11 zum Spülen des Hauptbrennstoffs MF unter Verwendung dieser Kanäle 61 und 63 die Hauptbrennstoffkanäle gespült werden, während der Hauptbrennstoff MF verbrannt wird. Somit kann verhindert werden, dass unverbranntes Gas des Hauptbrennstoffs, der eine hohe Reaktionsrate und einen breiten Konzentrationsbereich an brennbarem Stoff aufweist, nach dem Stoppen des Verbrenners 3 in dem Verbrenner 3 verbleibt. Es ist jedoch nicht wesentlich, diese Kanäle 61 und 63 zum Spülen vorzusehen und die Schritte S9 bis S11 zum Spülen des Hauptbrennstoffs MF durchzuführen.
Wie oben beschrieben, kann mit dem Verbrenner 3 der Gasturbine und dem Betriebsverfahren dafür gemäß der vorliegenden Erfindung, da Brennstoff auf verteilte Weise aus den Brennstoffeinspritzlöchern 25a der Vielzahl von ringförmigen Brennstoffeinspritzabschnitten 25 eingespritzt wird, ein lokales Auftreten eines Abschnitts, in dem die Temperatur hoch ist, vermieden werden und kann eine NOx-arme Verbrennung selbst dann erreicht werden, wenn ein Brennstoff mit einem hohen Reaktionsvermögen, wie z.B. Wasserstoffgas, als Hauptbrennstoff verwendet wird. Ferner kann, da eine Einspritzung des Hilfsbrennstoffs AF durch Verbinden des Hilfsbrennstoffeinspritzkanals 41 mit einem Teil der Vielzahl von ringförmigen Brennstoffeinspritzabschnitten 25 (dem Hilfsbrennstoffeinspritzabschnitt 25B) ermöglicht wird, eine stabile Verbrennung selbst beim Start oder Stoppen des Verbrenners 3, wobei der Verbrenner 3 in einem Schwachlastzustand ist, durch Zuführen von Brennstoff mit einem niedrigeren Reaktionsvermögen als dem des Hauptbrennstoffs MF, wie z.B. Erdgas, als Hilfsbrennstoff AF erreicht werden. Daher können ein stabiler Betrieb des Verbrenners und ein stabiler Motorbetrieb aufrechterhalten werden, während eine Erzeugung von unverbranntem Gas und ein Problem aufgrund der Erzeugung von unverbranntem Gas unterbunden werden können.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der Rohrverbrenner 3 als Beispiel beschrieben worden, die vorstehende Ausgestaltung kann jedoch auch bei anderen Typen von Verbrennern angewendet werden, zum Beispiel einem ringförmigen Verbrenner.
Obwohl die vorliegende Erfindung oben in Verbindung mit den bevorzugten Ausführungsformen derselben unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben worden ist, können zahlreiche Hinzufügungen, Änderungen oder Streichungen durchgeführt werden, ohne dass dadurch vom Wesen der vorliegenden Erfindung abgewichen wird. Entsprechend müssen solche Hinzufügungen, Änderungen oder Streichungen als in den Umfang der vorliegenden Erfindung fallend ausgelegt werden.
Bezugszeichenliste

3: Verbrenner
11: Brennkammer
13: Verbrennungs-Liner
15: Brennstoffeinspritzvorrichtung
25: Ringförmiger Brennstoffeinspritzabschnitt
25A: Hilfsbrennstoffeinspritzabschnitt
25B: Hauptbrennstoffeinspritzabschnitt
35: Zweiter Brennstoffzuführkanal (gemeinsamer Brennstoffzuführkanal)
41: Hilfsbrennstoffeinleitungskanal
43: Erster Hauptbrennstoffeinleitungskanal
45: Zweiter Hauptbrennstoffeinleitungskanal
51: Erstes Strömungsregelventil
61: Spülgaseinleitungskanal
63: Zusätzlicher Spülgaseinleitungskanal
AF: Hilfsbrennstoff
MF: Hauptbrennstoff
P: Zünder

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2017096984 [0001]

Claims

Verbrenner, der aufweist: einen Verbrennungs-Liner, der eine Brennkammer darin bildet; eine Brennstoffeinspritzvorrichtung, die an einem oberen Abschnitt des Verbrennungs-Liners vorgesehen ist und eine Vielzahl von ringförmigen Brennstoffeinspritzabschnitten aufweist, die derart angeordnet sind, dass sie konzentrisch miteinander sind, wobei jeder ringförmige Brennstoffeinspritzabschnitt mit mehreren Brennstoffeinspritzlöchern ausgebildet ist, die in einer Umfangsrichtung angeordnet sind; einen Zünder, der derart ausgebildet ist, dass er einen Brennstoff zündet, der aus der Brennstoffeinspritzvorrichtung in die Brennkammer eingespritzt wird; einen Hilfsbrennstoffeinleitungskanal, der derart ausgebildet ist, dass er einen Hilfsbrennstoff, der einem Hilfsbrennstoffeinspritzabschnitt zugeführt wird, welcher Teil der Vielzahl von ringförmigen Brennstoffeinspritzabschnitten ist, in die Brennstoffeinspritzvorrichtung einleitet; einen ersten Hauptbrennstoffeinleitungskanal, der derart ausgebildet ist, dass er einen Hauptbrennstoff, der einem Hauptbrennstoffeinspritzabschnitt zugeführt wird, welcher ein anderer ringförmiger Brennstoffeinspritzabschnitt als der Hilfsbrennstoffeinspritzabschnitt der Vielzahl von ringförmigen Brennstoffeinspritzabschnitten ist, in die Brennstoffeinspritzvorrichtung einleitet, wobei der erste Hauptbrennstoffeinleitungskanal mit einem ersten Strömungsregelventil versehen ist; und einen zweiten Hauptbrennstoffeinleitungskanal, der derart ausgebildet ist, dass er einen Hauptbrennstoff, der dem Hilfsbrennstoffeinspritzabschnitt zugeführt wird, in die Brennstoffeinspritzvorrichtung einleitet, wobei der zweite Hauptbrennstoffeinleitungskanal mit einem zweiten Strömungsregelventil versehen ist.
Verbrenner nach Anspruch 1, der ferner einen gemeinsamen Brennstoffzuführkanal aufweist, der derart ausgeführt ist, dass er den Hilfsbrennstoff und den Hauptbrennstoff dem Hilfsbrennstoffeinspritzabschnitt zuführt, wobei der Hilfsbrennstoffeinleitungskanal und der zweite Hauptbrennstoffeinleitungskanal mit dem gemeinsamen Brennstoffzuführkanal verbunden sind.
Verbrenner nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Zünder an dem Verbrennungs-Liner angebracht ist und der Hilfsbrennstoffeinspritzabschnitt auf einer radial äußersten Seite der Vielzahl von ringförmigen Brennstoffeinspritzabschnitten angeordnet ist.
Verbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, der ferner einen Spülgaseinleitungskanal aufweist, der derart ausgebildet ist, dass er ein Spülgas in den ersten Hauptbrennstoffeinleitungskanal und den zweiten Hauptbrennstoffeinleitungskanal einleitet.
Verbrenner nach Anspruch 4, der ferner einen zusätzlichen Spülgaseinleitungskanal aufweist, der von dem Hilfsbrennstoffeinleitungskanal abzweigt und derart ausgebildet ist, dass er den Hilfsbrennstoff als Spülgas in den ersten Hauptbrennstoffeinleitungskanal und den zweiten Hauptbrennstoffeinleitungskanal einleitet.
Verbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Hauptbrennstoff ein wasserstoffhaltiges Gas ist und der Hilfsbrennstoff ein Erdgas ist.
Betriebsverfahren zum Betreiben des Verbrenners nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Betriebsverfahren umfasst: Einspritzen des Hilfsbrennstoffs aus dem Hilfsbrennstoffeinleitungskanal durch den Hilfsbrennstoffeinspritzabschnitt in die Brennkammer, um dadurch den Hilfsbrennstoff beim Start zu zünden; Einspritzen des Hauptbrennstoffs aus dem ersten Hauptbrennstoffeinleitungskanal durch den Hauptbrennstoffeinspritzabschnitt in die Brennkammer, während eine Strömungsrate des Hauptbrennstoffs unter Verwendung des ersten Strömungsregelventils graduell vergrößert wird, nach dem Zünden des Hilfsbrennstoffs; und Stoppen des Einleitens des Hilfsbrennstoffs aus dem Hilfsbrennstoffeinleitungskanal nach dem Zünden des Hauptbrennstoffs.
Betriebsverfahren nach Anspruch 7, das ferner das Einspritzen des Hauptbrennstoffs aus dem zweiten Hauptbrennstoffeinleitungskanal durch den Hilfsbrennstoffeinspritzabschnitt in die Brennkammer, während eine Strömungsrate des zweiten Hauptbrennstoffs unter Verwendung des zweiten Strömungsregelventils graduell vergrößert wird, nach dem Stoppen des Einleitens des Hilfsbrennstoffs aus dem Hilfsbrennstoffeinleitungskanal umfasst.
Betriebsverfahren zum Betreiben des Verbrenners nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Betriebsverfahren die folgenden Schritte umfasst: Stoppen des Einleitens des Hauptbrennstoffs aus dem zweiten Brennstoffeinleitungskanal in den Hilfsbrennstoffeinspritzabschnitt in einem Hochlastbetriebszustand, in dem der aus der Vielzahl von ringförmigen Brennstoff-einspritzabschnitten in die Brennkammer eingespritzte Hauptbrennstoff verbrannt wird; Einspritzen des Hilfsbrennstoffs aus dem Hilfsbrennstoffeinleitungskanal durch den Hilfsbrennstoffeinspritzabschnitt in die Brennkammer nach dem Stoppen des Einleitens des Hauptbrennstoffs in den Hilfsbrennstoffeinspritzabschnitt; Stoppen des Einleitens des Hauptbrennstoffs aus dem ersten Hauptbrennstoffeinleitungskanal nach dem Zünden des Hilfsbrennstoffs; und Stoppen des Zuführens des Hilfsbrennstoffs aus dem Hilfsbrennstoffeinleitungskanal nach dem Stoppen des Einleitens des Hauptbrennstoffs aus dem ersten Hauptbrennstoffzuführkanal.
Betriebsverfahren zum Betreiben des Verbrenners nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Betriebsverfahren die folgenden Schritte umfasst: Einspritzen des Hilfsbrennstoffs aus dem Hilfsbrennstoffeinleitungskanal in die Verbrennungskammer in einen Schwachlastbetriebszustand, in dem der Hauptbrennstoff, der aus dem Hauptbrennstoffeinspritzabschnitt der Vielzahl von ringförmigen Brennstoffeinspritzabschnitten in die Brennkammer eingespritzt wird, verbrannt wird; Stoppen des Einleitens des Hauptbrennstoff aus dem ersten Hauptbrennstoffeinleitungskanal nach dem Zünden des Hilfsbrennstoffs; und Stoppen des Zuführens des Hilfsbrennstoffs aus dem Hilfsbrennstoffeinleitungskanal nach dem Stoppen des Einleitens des Hauptbrennstoffs aus dem ersten Hauptbrennstoffzuführkanal.
Betriebsverfahren nach Anspruch 9 oder 10 zum Betreiben des Verbrenners nach Anspruch 4 oder 5, wobei das Betriebsverfahren ferner umfasst: Einleiten des Spülgases aus dem Spülgaseinleitungskanal in den ersten Hauptbrennstoffeinleitungskanal und den zweiten Hauptbrennstoffeinleitungskanal nach dem Stoppen des Zuführens des Hauptbrennstoffs aus dem ersten Hauptbrennstoffeinleitungskanal; und Verbrennen des Hauptbrennstoffs, der durch Einleiten des Spülgases aus dem ersten Hauptbrennstoffeinleitungskanal und dem zweiten Hauptbrennstoffeinleitungskanal in die Brennkammer ausgetragen wird, zusammen mit den Hilfsbrennstoff aus dem Hilfsbrennstoffeinleitungskanal.
Betriebsverfahren nach Anspruch 11 zum Betreiben des Verbrenners nach Anspruch 5, wobei das Betriebsverfahren ferner das Einleiten des Hilfsbrennstoffs aus dem zusätzlichen Spülgaseinleitungskanal in den ersten Hauptbrennstoffeinleitungskanal und den zweiten Hauptbrennstoffeinleitungskanal nach dem Austragen des Hauptbrennstoffs aus dem ersten Hauptbrennstoffeinleitungskanal und dem zweiten Hauptbrennstoffeinleitungskanal in die Brennkammer durch das Einleiten des Spülgases umfasst.
Betriebsverfahren nach Anspruch 9 oder 10 zum Betreiben des Verbrenners nach Anspruch 5, wobei das Betriebsverfahren ferner umfasst: Einleiten des Hilfsbrennstoffs aus dem zusätzlichen Spülgaseinleitungskanal in den ersten Hauptbrennstoffeinleitungskanal und den zweiten Hauptbrennstoffeinleitungskanal nach dem Stoppen des Einleitens des Hauptbrennstoffs aus dem ersten Hauptbrennstoffeinleitungskanal; und Verbrennen des durch Einleiten des Hilfsbrennstoffs aus dem ersten Hauptbrennstoffeinleitungskanal und dem zweiten Hauptbrennstoffeinleitungskanal in die Brennkammer ausgetragenen Hauptbrennstoffs zusammen mit dem Hilfsbrennstoff aus dem Hilfsbrennstoffeinleitungskanal.