ES3035533T3 - Method of injecting hydrogen into a combustion chamber of a combustor of a gas turbine system - Google Patents

Method of injecting hydrogen into a combustion chamber of a combustor of a gas turbine system

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ES3035533T3
ES3035533T3 ES22709906T ES22709906T ES3035533T3 ES 3035533 T3 ES3035533 T3 ES 3035533T3 ES 22709906 T ES22709906 T ES 22709906T ES 22709906 T ES22709906 T ES 22709906T ES 3035533 T3 ES3035533 T3 ES 3035533T3
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Mark Daniel D'agostini
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Abstract

Un sistema de inyección de hidrógeno (1) incluye un conjunto de inyectores con un conducto exterior (5) configurado para alimentar una mezcla de aire y combustible (3a) a la cámara de combustión (2a) de una cámara de combustión. Se puede colocar al menos un remolino (3) en el conducto exterior (5) para facilitar un flujo de remolino de la mezcla de aire y combustible (3a) hacia la cámara de combustión (2a), de modo que la mezcla de combustible y aire presente un flujo de salida de remolino (12). Un flujo de hidrógeno puede pasar a través de un conducto de inyección de hidrógeno interno (7) para su salida a la cámara de combustión (2a) e inyectarse en ella como flujo de inyección de hidrógeno. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Procedimiento de inyección de hidrógeno en una cámara de combustión de un dispositivo de combustión de un sistema de turbina de gas
REFERENCIA CRUZADA A SOLICITUDES RELACIONADAS
La presente solicitud reivindica prioridad a la Patente U.S. N° 17/678,134 registrada el 23 de febrero de 2022 y asimismo reivindica prioridad a la solicitud provisional de Patente U.S. N° 63/153,620 registrada el 25 de febrero de 2021.
SECTOR TÉCNICO
La presente invención se refiere a un procedimiento de inyección de hidrógeno en una cámara de combustión de un dispositivo de combustión de un sistema de turbina de gas.
ESTADO DE LA TÉCNICA ANTERIOR
En la figura 1 se muestra una disposición de turbina de gas habitualmente utilizada para la generación de energía industrial. Tal como se puede apreciar en la Publicación Internacional N° WO 2019/222334, esta disposición puede incluir convencionalmente una sección fría caracterizada por un compresor, seguida de una sección caliente que tiene una sección de un dispositivo de combustión y una turbina. La sección fría incluye a menudo una toma de aire para el suministro de aire a un compresor multietapa de flujo axial que suministra aire a alta presión a la sección del dispositivo de combustión. Un combustible puede ser mezclado con el flujo de aire y quemado en la sección de combustión para producir un chorro de gas a alta temperatura y alta presión que es alimentado a la turbina. La turbina está aguas abajo de la sección del dispositivo de combustión y está configurada para recibir el gas de combustión caliente de la sección del dispositivo de combustión y expansionar dicho flujo de gas cuando el gas pasa a través de la turbina, lo que hace girar las palas giratorias de la turbina. A menudo, las palas giratorias de la turbina están unidas a un vástago para hacer girar el árbol para realizar una función doble: (1) ayudar al accionamiento del compresor para arrastrar más aire presurizado a la sección del dispositivo de combustión, y (2) hacer girar un generador para producir electricidad. La proporción de la presión de funcionamiento de la turbina, que se define como la presión del aire a la salida del compresor comparada con la presión a la entrada del compresor, es normalmente menor de aproximadamente 18:1.
Aunque los diseños de los dispositivos de combustión varían en base al fabricante, al tamaño y a la aplicación, muchos de ellos, especialmente los del tipo de múltiples cámaras (un ejemplo de los cuales se muestra en la figura 2) y los del tipo de cámara anular (un ejemplo de los cuales se muestra en la figura 3), realizan la combustión por medio de un conjunto de tubos cilíndricos o “cámaras” dispuestos circunferencialmente alrededor del árbol de la turbina. En los dispositivos de combustión del tipo de múltiples cámaras, la toma de aire de cada cámara está acoplada mecánicamente al correspondiente orificio de salida del compresor. Por el contrario, el dispositivo de combustión del tipo de cámara anular está habitualmente configurado de modo que la toma de aire de cada cámara esté abierta a un solo anillo común conectado a la salida del compresor. En cualquier caso, los productos de la combustión son descargados de cada cámara a través de un conducto de transición, en donde son distribuidos a continuación alrededor de un arco de 360° en la primera etapa de la turbina.
El dispositivo de combustión de cada cámara tiene habitualmente una cámara del dispositivo de combustión alimentada por una o varias toberas de aire-combustible dispuestas alrededor de la circunferencia de un plano de entrada del dispositivo de combustión de la cámara en una configuración anular. Las toberas de aire-combustible introducen una mezcla de aire y combustible en la cámara del dispositivo de combustión. En muchos casos, un quemador piloto de aire-combustible está dispuesto adicionalmente a lo largo del eje del dispositivo de combustión. El quemador piloto de aire-combustible que es empleado para mejorar la estabilidad de la combustión, puede ser tanto de un diseño de premezcla o un diseño de tobera de mezclado (es decir, difusión o no premezclado). La combinación de toberas de premezclado y el quemador piloto es denominada a menudo conjuntamente un quemador, y el dispositivo de combustión de cada cámara incluye habitualmente su propio quemador o grupo de quemadores. Habitualmente una tobera de premezclado incluye un inyector de combustible que descarga combustible en un correspondiente chorro de aire. A menudo, la tobera está dispuesta como una tobera anular que incluye uno o varios inyectores de combustible dispuestos en una configuración anular rodeados por un anillo de aire alrededor de un quemador piloto central de aire-combustible. El quemador ayuda a quemar la mezcla de aire y combustible inyectada en la cámara de combustión de una cámara de la sección de combustión para formar el gas caliente que alimenta la turbina.
La Patente EP 2902708 A1 da a conocer un dispositivo de combustión de una turbina de gas para múltiples combustibles, capaz de quemar gases de combustión que contienen hidrógeno en una concentración elevada con un bajo NOx, mientras mantiene un comportamiento de bajas emisiones provocado por la combustión de la premezcla en el quemador principal. El dispositivo de combustión de la turbina de gas incluye un quemador principal (12), para suministrar y quemar un gas premezclado (M) que contiene un primer combustible (F1), en el interior de una primera zona de combustión (S1) de una cámara de combustión (10), y un quemador suplementario (20), para suministrar y quemar un segundo combustible (F2) de una composición diferente de la del primer combustible (F1) en el interior de la segunda zona de combustión (S2) definida aguas abajo de la primera zona de combustión (S1) en el interior de la cámara de combustión (10).
CARACTERÍSTICAS
Por motivos medioambientales es deseable hacer funcionar un sistema de turbina de gas de manera que sus dispositivos de combustión o la sección del dispositivo de combustión funcionen utilizando una combustión pobre. La utilización de una combustión pobre puede referirse a una situación en la que existe exceso de aire o de oxígeno para la combustión, con respecto al combustible alimentado a la cámara de combustión para ser quemado. El funcionamiento en una situación de combustión pobre puede contribuir a reducir la formación de óxido nitroso (NOx), con el resultado de la salida de unas descargas más respetuosas con el medio ambiente a ser emitidas desde el sistema de la turbina de gas. Sin embargo, el funcionamiento en combustión pobre puede tener como resultado inestabilidades. Estas inestabilidades pueden llevar a oscilaciones en la presión del dispositivo de combustión que también pueden ser denominadas vibraciones, debido a la falta de una uniformidad suficiente en un quemado continuo o en la combustión del combustible. Las oscilaciones, o vibraciones, que pueden ser ocasionadas por estas inestabilidades, pueden producir daños mecánicos al sistema de turbina de gas. Se ha determinado que dicho problema puede ser solucionado mejorando la estabilidad de la combustión pobre para reducir en mayor medida los problemas de inestabilidad de la combustión. La reducción de la inestabilidad de la combustión puede reducir en gran parte las oscilaciones o vibraciones del dispositivo de combustión para prolongar la duración de los componentes del sistema de gas y mejorar el rendimiento operativo del sistema de turbina de gas. En algunas realizaciones, puede ser inyectado un flujo de hidrógeno gaseoso (H<2>) en una primera zona de estela de un inyector aire-combustible (denominado también quemador aire-combustible) en el interior de una cámara de combustión que está formada aguas abajo de donde un chorro de aire-combustible en torbellino es alimentado a la cámara de combustión a través de la tobera de un quemador de premezclado. El hidrógeno puede ser inyectado de modo que la primera zona de estela interaccione con una o varias segundas estelas de una zona de estela secundaria formada, entre la ubicación en la que el hidrógeno es inyectado en la cámara de combustión y la primera zona de estela en el interior de la cámara de combustión. La inyección del hidrógeno puede formar como mínimo una segunda estela en la cámara de combustión por medio de la combustión del hidrógeno inyectado. La una o varias segundas estelas pueden ser formadas entre el inyector de hidrógeno y la primera zona de estela, así como entre la salida del inyector de hidrógeno y una posición en la que un flujo turbulento de la mezcla de combustible y aire cruza un plano de descarga de la salida para la inyección de hidrógeno. De esto puede resultar una interacción entre una o varias primeras estelas de la primera zona de estela y una o varias segundas estelas que pueden facilitar una mejora de la estabilidad de la combustión como consecuencia de la combustión del hidrógeno que interactúa con los gases de combustión de las primeras estelas. Esta interacción puede incluir, por ejemplo, un gas activado en la una o varias primeras estelas de la combustión de combustible que comunica calor y productos químicos activos a la una o varias segundas estelas.
Se ha determinado que la inyección de hidrógeno en una zona de aire excesivamente caliente puede, a menudo, si no siempre, resultar en una rápida ignición del hidrógeno para la combustión de dicho hidrógeno. Se cree que esto se debe a la reactividad química relativamente elevada del hidrógeno, a su amplio margen de inflamabilidad y a la elevada temperatura de la llama. Se ha determinado que la inyección de hidrógeno en la cámara de combustión y su combustión resultante pueden iniciar una reacción en cadena de estabilización de la llama que puede calmar las oscilaciones accionadas por la combustión que se pueden producir en el interior de una cámara de combustión durante la combustión del combustible en la misma. Se ha determinado que esto es aplicable, en concreto, a las realizaciones en las que la inyección de hidrógeno gaseoso se produce en un punto en el interior de la cámara de combustión que es adyacente a la salida de una mezcla turbulenta de aire-combustible de una tobera, mientras que también está separada de esta mezcla turbulenta de aire-combustible de la salida, y está posicionada aguas abajo del flujo de salida de la mezcla de airecombustible de la tobera de modo que el hidrógeno inyectado pueda interactuar con el combustible y el aire en el interior de la cámara de combustión en una zona de estela en el interior de la cámara de combustión.
Un procedimiento de inyección de hidrógeno en la cámara de combustión de un dispositivo de combustión de un sistema de turbina de gas según la invención, está definido en la reivindicación 1.
El procedimiento puede ser utilizado de modo que por lo menos un chorro de hidrógeno central sea inyectado en una zona de estela secundaria en el interior de la cámara de combustión que está aguas abajo de la salida del conducto interior de inyección de hidrógeno, y aguas arriba de una posición en el interior de la cámara de combustión en la que la mezcla de combustible y aire que es emitida por la salida del conducto exterior cruza una zona de descarga de la salida del conducto interior de inyección de hidrógeno en el interior de la cámara de combustión. El cruce de la zona de descarga puede incluir el paso a través de la zona de descarga, la entrada en la zona de descarga, y/o el desplazamiento a lo largo de la zona de descarga. Como mínimo en alguna versión de este aspecto, por lo menos un chorro de hidrógeno central puede ser inyectado a una velocidad de, como mínimo, 100 m/s.
El procedimiento puede incluir también la generación de un torbellino de aire por medio como mínimo de un agitador, para generar un flujo turbulento para la mezcla de aire y combustible antes de la salida de la mezcla de aire y combustible de la salida del conducto exterior. En dicho aspecto, o conjuntamente con los aspectos decimoquinto y/o decimosexto, la zona de estela secundaria puede estar entre la salida del conducto interior de inyección de hidrógeno y la posición en el interior de la cámara de combustión en la que la mezcla de combustible y aire sale de la salida del conducto exterior, cruza la salida del conducto interior de inyección de hidrógeno mientras el combustible de la mezcla se quema en la cámara de combustión.
El procedimiento puede ser utilizado de tal modo que la salida del conducto interior de inyección de hidrógeno es un solo orificio y el conducto interior de inyección de hidrógeno tiene, como mínimo, una cavidad aguas arriba del único orificio.
La por lo menos una cavidad puede tener una profundidad, una longitud de la cavidad y una distancia al borde posterior de la cavidad, que es una distancia a la que el extremo inferior de la cavidad se encuentra con respecto a la salida del conducto interior de inyección del hidrógeno. La profundidad de la cavidad puede ser mayor o igual a un radio del orificio de la salida del conducto interior de inyección de hidrógeno y, asimismo, ser menor o igual al diámetro del orificio de la salida del conducto interior de inyección de hidrógeno, la longitud de la cavidad puede ser un valor tal que la proporción de la longitud con respecto a la profundidad está comprendida entre 1 y 4, y la distancia al borde posterior de la cavidad puede ser un valor tal que la proporción de la distancia del borde posterior de la cavidad con respecto al diámetro no es mayor de 5. Por supuesto, la como mínimo una cavidad, en un decimonoveno aspecto, puede estar estructurada para tener otros parámetros para la longitud de la cavidad, la profundidad y la distancia al borde posterior, que difieran también de estos parámetros.
El procedimiento puede ser empelado en situaciones en las que la salida del conducto interior de inyección de hidrógeno incluya una tobera como mínimo con un orificio central para formar el como mínimo chorro de hidrógeno central para inyectar hidrógeno en la cámara de combustión, y múltiples orificios exteriores para formar múltiples chorros de hidrógeno no centrales para inyectar hidrógeno en la cámara de combustión. El procedimiento puede incluir también inyectar los chorros de hidrógeno no centrales en la cámara de combustión a través de los orificios exteriores de la tobera. En algunas realizaciones, el uno o varios chorros de hidrógeno centrales puede fluir en una dirección axial, mientras que chorros de hidrógeno no centrales fluyen en una dirección no axial. La inyección de los chorros no centrales puede ser realizada de modo que sean inyectados en una zona de estela secundaria en el interior de la cámara de combustión que está aguas abajo de la salida del conducto interior de inyección de hidrógeno y aguas arriba de una zona en el interior de la cámara de combustión en la que la salida de la mezcla de combustible y aire que sale de la salida del conducto exterior cruza una zona de descarga de la salida del conducto interior de inyección de hidrógeno en el interior de la cámara de combustión. El cruce de la zona de descarga puede incluir el paso a través de esta zona de descarga, la entrada en la zona de descarga y/o el desplazamiento a lo largo de la zona de descarga. Los orificios exteriores pueden estar configurados de modo que cada uno de los chorros de hidrógeno no centrales salgan en una dirección del flujo que discurre en un ángulo con respecto a la dirección del flujo de, como mínimo, un chorro de hidrógeno central. Este ángulo puede ser mayor de 0° y menor de 90°, mayor de 15° y menor de 60°, o estar dentro de otros márgenes para cumplir con un conjunto particular de criterios de diseño. El como mínimo un chorro de hidrógeno central puede ser inyectado a una velocidad de, como mínimo, 100 m/s y cada uno de los chorros de hidrógeno no centrales puede ser inyectado a una velocidad que sea, como mínimo, de 100 m/s. El caudal del gas de recirculación(m,recirc)puede ser una función del quemador principal de premezclado, del número de torbellinos y de la velocidad media de inyección axial, que pueden ser estimados tanto por una correlación empírica (de dominio público) o mediante modelizado informatizado de la dinámica del fluido. El conducto exterior y/o el conducto interior de inyección de hidrógeno son partes del quemador del dispositivo de combustión.
Otro procedimiento según la invención está definido en la reivindicación 11.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Realizaciones a modo de ejemplo de turbinas de gas, dispositivos de inyección para cámaras de combustión en un sistema de turbina de gas, el funcionamiento de los inyectores para la combustión utilizados conjuntamente con un sistema de turbina de gas, plantas que utilizan uno o varios sistemas de turbina de gas, y procedimientos para fabricar y utilizar los mismos, son mostradas en los dibujos incluidos en este documento. Se debe entender que caracteres de referencia similares utilizados en los dibujos pueden identificar componentes similares.
La figura 1 es una vista lateral en sección transversal de una disposición de una turbina de gas convencional que puede ser utilizada para la generación de energía industrial.
La figura 2 es una vista frontal, en perspectiva, de una sección de un dispositivo de combustión de múltiples cámaras de la disposición de la turbina de gas mostrada en la figura 1.
La figura 3 es una vista frontal, en perspectiva, de una sección de un dispositivo de combustión de cámaras anulares de la disposición de la turbina de gas mostrada en la figura 1. Partes de la sección del dispositivo de combustión están cortadas para mostrar mejor ciertos componentes internos de la sección.
La figura 4 es una vista esquemática de una primera realización a modo de ejemplo de una disposición de inyección de hidrógeno para su inclusión en una sección de combustión de un sistema de turbina de gas. La figura 5 es una vista esquemática de la primera realización a modo de ejemplo de una disposición de inyección de hidrógeno para su inclusión en una sección de combustión de un sistema de turbina de gas. La figura 5 es similar a la figura 4 pero, además, muestra un sistema de alimentación de combustible a modo de ejemplo que puede ser incluido en el sistema de turbina de gas para alimentar combustible al dispositivo de combustión, así como mezclar una parte del combustible con aire para una mezcla previa del aire y el combustible antes de que la mezcla del aire y el combustible salga a la cámara de combustión 2a a través del quemador 4.
La figura 6 es una vista esquemática fragmentaria de la primera realización a modo de ejemplo de la disposición de inyección de hidrógeno, mostrada en las figuras 4 y 5, que está ampliada para mostrar ciertos aspectos del inyector del flujo de hidrógeno, de la disposición de inyección de hidrógeno.
La figura 7 es una vista del extremo de una primera disposición a modo de ejemplo de la salida del inyector para inyectar hidrógeno en la cámara de combustión 2a en el mismo momento en que una mezcla de airecombustible es alimentada a la cámara de combustión 2a que puede ser utilizada en la primera realización a modo de ejemplo de la disposición de inyección de hidrógeno.
La figura 8 es una vista del extremo de una segunda disposición a modo de ejemplo de la salida del inyector para inyectar hidrógeno en la cámara de combustión 2a en el mismo momento en que una mezcla de airecombustible es alimentada a la cámara de combustión 2a, que puede ser utilizada en la primera realización a modo de ejemplo de la disposición de inyección de hidrógeno.
La figura 9 es una vista del extremo de una tercera disposición a modo de ejemplo de la salida del inyector para inyectar hidrógeno en la cámara de combustión 2a en el mismo momento en que una mezcla de airecombustible es alimentada a la cámara de combustión 2a que puede ser utilizada en la primera realización a modo de ejemplo de la disposición de inyección de hidrógeno.
La figura 10 es una vista del extremo de una cuarta disposición a modo de ejemplo de la salida del inyector para inyectar hidrógeno en la cámara de combustión 2a en el mismo momento en que una mezcla de airecombustible es alimentada a la cámara de combustión 2a que puede ser utilizada en la primera realización a modo de ejemplo de la disposición de inyección de hidrógeno.
La figura 11 es una vista, en perspectiva, del extremo de una configuración de salida del inyector para inyectar hidrógeno en la cámara de combustión 2a que puede ser incluida en la primera realización a modo de ejemplo de la disposición de inyección de hidrógeno mostrada en las figuras 4 a 6.
La figura 12 es una vista, en sección transversal, tomada a lo largo de la línea A-A en la figura 11 de la configuración de salida del inyector a modo de ejemplo, mostrada en la figura 11.
La figura 13 es una vista esquemática ampliada de la zona de estela secundaria formada en el interior de la cámara de combustión 2a mostrada en las figuras 4 y 5, para mostrar mejor la ignición a modo de ejemplo de un chorro de hidrógeno o de chorros de hidrógeno 13 que una vez encendidos pueden pasar a través de esta zona de estela secundaria 11 cuando el hidrógeno inyectado es sometido a combustión en esta zona adyacente a una posición en el interior de la zona de descarga 14 en la que la salida de la mezcla de aire y combustible desde la salida 5b del conducto interior 5 cruza la zona de descarga 14 de la salida 7b del conducto interior 7 de inyección de hidrógeno en el interior de la cámara de combustión 2a.
La figura 14 es un diagrama de flujo esquemático que muestra un proceso a modo de ejemplo mediante el cual la ignición a modo de ejemplo de chorros de hidrógeno 13 puede pasar a través de la zona de estela secundaria 11 e interactuar, como mínimo, con una primera estela 12c de una primera zona de estela 12b cuando el hidrógeno es sometido a combustión y la mezcla de la emisión de aire y combustible desde la salida 5b del conducto exterior es sometida a la combustión del combustible cuando esta mezcla cruza la zona de descarga 14 de la salida 7b del conducto interior 7 de inyección de hidrógeno.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE REALIZACIONES A MODO DE EJEMPLO
Haciendo referencia a las figuras 4 a 14, una disposición 1 de inyección de hidrógeno puede ser incluida en un sistema de turbina de gas, tal como el sistema de turbina mostrado en la figura 1 que utiliza una disposición de secciones de combustión de múltiples cámaras o de cámara anular (ejemplos de la cual se muestran en las figuras 2 y 3). En otras realizaciones, la disposición 1 de inyección de hidrógeno puede estar incluida en un sistema de turbina que utiliza un tipo diferente de sección del dispositivo de combustión. La inclusión de la disposición 1 de inyección de hidrógeno puede estar dispuesta como una parte de una operación de reconversión de un sistema de turbina de gas previamente existente, o puede ser incorporada en un nuevo diseño para una nueva turbina de gas o un dispositivo de combustión para dicho sistema que debe ser instalada en una planta de generación de energía industrial o en otro tipo de planta.
Tal como se puede ver mejor en las figuras 4 y 5, la disposición 1 de inyección de hidrógeno puede incluir un conjunto de inyección que incluye un conducto exterior 5 configurado para alimentar un flujo de una mezcla de aire y combustible 3a (que puede ser denominada también una mezcla aire-combustible) a la cámara de combustión 2a de un dispositivo de combustión. La cámara de combustión 2a puede estar definida por medio de un revestimiento de combustión 2 de un dispositivo de combustión de un sistema de turbina de gas. La cámara de combustión 2a proporciona un espacio de combustión en el que se puede producir la combustión del combustible para generar un gas caliente para la salida hacia una turbina del sistema de turbina de gas. Como mínimo un generador de torbellinos 3 puede estar posicionado en el conducto exterior 5 para facilitar un flujo turbulento de la mezcla aire-combustible 3a para su salida hacia la cámara de combustión 2a, de modo que la mezcla emitida de combustible y aire incluya un flujo 12 de salida en torbellino de la mezcla airecombustible que es inyectada en la cámara de combustión 2a para fluir a lo largo de una trayectoria de descarga preseleccionada en la misma para la combustión del combustible en el interior de la cámara de combustión 2a.
El uno o varios generadores de torbellinos 3 pueden estar posicionados en el conducto exterior 5 de la disposición 1 para la inyección de hidrógeno, para realizar torbellinos en el aire antes de ser mezclado con el combustible. Tal como se apreciará mejor a partir de la figura 5, el combustible puede ser alimentado al aire en el interior del conducto exterior 5 aguas abajo del generador de torbellinos 3 y aguas arriba de la salida 5b del conducto exterior en la que la mezcla 3a de combustible y aire es alimentada a la cámara de combustión 2a. La mezcla 3a de combustible y aire que se forma en el interior del conducto exterior 5 puede ser considerada como un flujo “premezclado de aire-combustible” puesto que el aire y el combustible son mezclados antes de que sean enviados a la cámara de combustión para quemar el combustible en el interior de la cámara de combustión (por ejemplo, son sometidos a un premezclado en el interior del conducto exterior entre el generador de torbellinos 3 y la salida del conducto exterior 5 en la que la mezcla en torbellino de aire y combustible es alimentada a la cámara de combustión 2a).
Se puede hacer pasar un flujo de hidrógeno a través de un conducto interior 7 de inyección de hidrógeno para que salga hacia la cámara de combustión 2a para su inyección en la misma como un flujo de inyección de hidrógeno. El flujo de inyección de hidrógeno puede ser emitido en la salida 7b del conducto interior 7 de inyección de hidrógeno, como mínimo como un solo chorro 13 de hidrógeno (es decir, un solo chorro 13 o múltiples chorros 13). En algunas realizaciones, la salida 7b del conducto interior 7 de inyección de hidrógeno puede estar estructurada como una tobera que tenga un solo orificio de salida o una tobera que tenga múltiples orificios de salida. La salida 7b del conducto interior 7 de inyección de hidrógeno puede estar posicionada hacia el interior con respecto a la salida 5b del conducto exterior 5, de tal modo que la salida 5b del conducto exterior 5 puede estar alrededor de la periferia exterior de la salida 7b del conducto interior 7 de inyección de hidrógeno. Por ejemplo, la salida 5b del conducto exterior 5 puede rodear la totalidad de la periferia de la salida 7b del conducto interior 7 de inyección de hidrógeno, y el conducto interior 7 de inyección de hidrógeno puede estar dispuesto de manera que su salida 7b esté posicionada en una ubicación que sea interior con respecto a la salida 5b del conducto exterior que está posicionado alrededor de la periferia de la salida 7b del conducto interior 7 de inyección de hidrógeno. Las realizaciones pueden utilizar cualquier número de disposiciones para las salidas del conducto interior 7 de inyección de hidrógeno y del conducto exterior 5.
En algunas realizaciones, la salida 7b del conducto interior 7 de inyección de hidrógeno puede estar situada en una zona central o en el centro de una abertura anular de una salida 5b de forma anular del conducto exterior 5. La abertura de forma anular de la salida 5b del conducto exterior 5 puede tener una forma como de ranura, una forma de cruz, una forma como de “x, una forma como de “Y”, una forma como de “T”, una forma como de “W”, una forma como de “Z”, una forma como de “N”, una forma como de “M”, una forma como de “F”, una forma como de “E”, una forma como de “D”, una forma como de “C”, una forma como de “U”, una forma como de “V”, una forma circular, una forma ovalada, una forma poligonal, u otro tipo de forma. La salida 7b del conducto interior de inyección de hidrógeno puede incluir un orificio central que tenga una forma que encaje con la forma de la abertura de forma anular de la salida 5b del conducto exterior 5 y esté posicionada en el interior de la abertura anular de la salida 5b del conducto exterior 5.
En algunas configuraciones, pueden existir uno o varios otros conductos dispuestos entre el conducto interior 7 de inyección de hidrógeno y el conducto exterior 5. Por ejemplo, un conducto de inyección de agua de forma anular (no mostrado) puede estar posicionado entre el conducto interior 7 de inyección de hidrógeno y el conducto exterior 5. Como ejemplo adicional, un conducto del aire de purga de forma anular puede estar posicionado entre el conducto interior 7 de inyección de hidrógeno y el conducto exterior 5. Como otro ejemplo más, un conducto de inyección de agua de forma anular (no mostrado) así como un conducto de aire de purga de forma anular pueden estar posicionados entre el conducto interior 7 de inyección de hidrógeno y el conducto exterior 5.
En las figuras 7 a 10 se pueden apreciar diferentes configuraciones de salida a modo de ejemplo para la salida 5b del conducto exterior 5 y la salida 7b del conducto interior 7 de hidrógeno que están configuradas para estar en comunicación fluida con la cámara de combustión 2a de un dispositivo de combustión de un sistema de turbina de gas. Estas diferentes configuraciones pueden incluir, por ejemplo, un diseño de ranura (figura 7), de cruz (figura 8), de tipo cremallera (figura 9), o de tipo anular (figura 10). Sin embargo, otras configuraciones de salidas se pueden apreciar en las figuras 6, y 11 a 13, así como los otros ejemplos comentados en este documento.
Por ejemplo, tal como se puede apreciar en las figuras 6 a 10, la salida 7b para el conducto interior 7 de inyección de hidrógeno puede ser una salida circular uniforme u otra forma de orificio único. El conducto interior de inyección de hidrógeno puede incluir como mínimo una cavidad intermedia 7a que está posicionada aguas arriba de la salida 7b en el interior del conducto interior 7 de inyección de hidrógeno. Cada cavidad 7a puede estar posicionada para ajustarse a la velocidad del flujo de inyección de hidrógeno cuando pasa a través del conducto interior 7 de inyección de hidrógeno hacia su salida 7b, de modo que el flujo de hidrógeno por encima de la cavidad active un flujo secundario periódico en el interior de la cavidad que actúa para incrementar el nivel de turbulencia del flujo de hidrógeno. Se ha hallado que esta activación de la cavidad y el incremento en la turbulencia del chorro de hidrógeno son efectivos para incrementar la velocidad de difusión del chorro y el impulso de transferencia del chorro de hidrógeno con su entorno cuando es descargado en la cámara de combustión 2a.
Cada cavidad 7a puede estar posicionada para ayudar a aumentar la masa de la estela del chorro y el impulso de transporte de uno o varios chorros 13 de hidrógeno inyectados en la cámara de combustión a través de la salida 7b del conducto interior de inyección de hidrógeno (en comparación con una tobera circular sin dicha cavidad 7a o sin múltiples de dichas cavidades 7a). Cada cavidad 7a que está definida en el conducto interior 7 de inyección de hidrógeno puede incluir una profundidad d de la cavidad, una longitud L de la cavidad, y una distancia X al borde posterior de la cavidad, que es una distancia entre el extremo de aguas abajo de la cavidad 7a y la salida 7b. La salida 7b puede ser de forma circular y tener un diámetro D, que es el diámetro del orificio circular a través del cual pasa el hidrógeno para ser suministrado directamente a la cámara de combustión 2a.
Tal como se puede apreciar mejor en la figura 6, cada cavidad 7a puede estar configurada para tener una profundidad d y una longitud L concretas, y también estar posicionada para tener una distancia X concreta al borde posterior de la cavidad desde la salida 7b del conducto interior 7 de inyección de hidrógeno. La profundidad d de la cavidad es preferentemente menor que el diámetro D de un orificio circular de la salida 7b. En algunas realizaciones la profundidad d de la cavidad puede ser mayor o igual que el radio del orificio de la salida 7b y también ser menor o igual que el diámetro D del orificio de la salida 7b (por ejemplo, D/2 < d < D). La longitud L de la cavidad puede ser seleccionada de modo que la longitud L sea un valor tal que la proporción de la longitud L con respecto a la profundidad esté comprendida entre 1 y 4 (por ejemplo, 1 < L/d < 4). La distancia X al borde posterior de la cavidad puede ser seleccionada de tal modo que la proporción de la distancia X al borde posterior de la cavidad con respecto al diámetro D de la salida 7b no sea mayor de 5 (por ejemplo, x/D < 5). Se ha determinado que las realizaciones que utilizan especificaciones dimensionales de la cavidad son capaces a menudo de proporcionar una masa de estela mejorada y un impulso de transporte que son los deseables para la inyección de hidrógeno en el interior de la cámara de combustión 2a, en concreto (pero no exclusivamente) cuando son utilizadas conjuntamente con un solo orificio de salida 7b de tamaño uniforme para el conducto interior 7 de inyección de hidrógeno. La salida de hidrógeno desde la salida 7b puede ser emitida como un chorro de hidrógeno 13 de hidrógeno gaseoso que puede ser emitido a una velocidad preseleccionada del flujo de inyección. La velocidad del chorro 13 de hidrógeno puede ser igual o mayor de 100 m/s, mayor o igual a 300 m/s, o una velocidad del flujo que llegue a la velocidad local del sonido del hidrógeno a través del orificio del inyector que define la salida 7b del hidrógeno gaseoso.
La salida 7b para el conducto interior 7 de inyección de hidrógeno puede estar configurada también para tener múltiples orificios separados para la inyección de chorros 13 de hidrógeno gaseoso en la cámara de combustión 2a. Se debe apreciar que cada chorro 13 de hidrógeno gaseoso que es inyectado puede ser un flujo de hidrógeno gaseoso que es emitido a una velocidad relativamente elevada. En algunas de estas realizaciones, la velocidad de cada chorro puede ser igual o mayor que 100 m/s, mayor o igual que 300 m/s, o una velocidad del flujo que llegue a la velocidad local del sonido del hidrógeno a través del orificio de inyección de la tobera que define la salida7b.
La salida 7b que tiene una configuración de la tobera para proporcionar múltiples chorros 13 de hidrógeno gaseoso para la inyección en la cámara de combustión 2a, puede estar configurada para tener múltiples zonas de inyección. Las zonas de inyección pueden incluir una primera zona central de inyección que tenga como mínimo un chorro central 13a de inyección de hidrógeno que está dirigido en una dirección que es paralela al eje del quemador 4 (por ejemplo, una dirección axial del flujo a lo largo de la cual el flujo de combustible, aire e hidrógeno pasa a través del conducto exterior 5 y del conducto interior 7 de inyección de hidrógeno para ser inyectado en la cámara de combustión 2a). En algunas realizaciones, la primera zona puede tener solo un único orificio central 21. No obstante, se considera que otras realizaciones podrían incluir múltiples orificios centrales 21 separados para proporcionar una primera zona de múltiples chorros centrales de inyección de hidrógeno 13a.
Las zonas de inyección de hidrógeno gaseoso para la tobera que define la salida 7b pueden incluir también una segunda zona. La segunda zona puede estar configurada de modo que existan múltiples orificios de inyección 23 en la segunda zona dispuestos a lo largo de una circunferencia exterior que rodea la periferia de como mínimo un orificio 21 de la primera zona central a través del cual como mínimo el único chorro central de inyección de hidrógeno 13a es emitido hacia la cámara de combustión 2a. Los orificios de inyección 23 de la segunda zona pueden estar posicionados para emitir chorros de hidrógeno 13b no centrales de modo que cada uno de estos chorros sea emitido con un ángulo 0 mayor de 0° y menor de 90° con respecto al eje del quemador 4 (por ejemplo, direcciones de flujo no axiales) y/o un ángulo no nulo con respecto a la dirección del flujo de un chorro central 13a de inyección de hidrógeno, tal que el chorro de hidrógeno 13b no central es emitido en una dirección de flujo que fluye en ángulo respecto a la dirección de flujo del chorro central de hidrógeno 13a con un ángulo 0 que es mayor de 0° y menor de 90°. Los orificios 23 exteriores de la segunda zona pueden estar dispuestos de modo que el ángulo 0 con el cual son emitidos los chorros 13b no centrales de hidrógeno puede variar desde mayor de 0° a menor de 90°, o más preferentemente pueden variar desde mayor o igual a 15° y menor o igual a 60°. Por supuesto, pueden estar dispuestos orificios 23 exteriores en la segunda zona y estar configurados de modo que el ángulo 0 con el cual salen los chorros centrales 13b de hidrógeno, puede estar dentro de un intervalo diferente tal como, por ejemplo, un intervalo de mayor o igual a 10° y menor o igual a 70°, un intervalo de mayor o igual a 5° y menor o igual a 80°, o algún otro intervalo que pueda satisfacer un determinado conjunto de criterios de diseño y la dinámica concreta del flujo de la estela que pueda estar presente en una cámara de combustión concreta 2a para un funcionamiento concreto de un sistema de turbina de gas.
En algunas realizaciones, el uno o varios orificios centrales 21 de la primera zona pueden emitir uno o varios chorros 13a de hidrógeno, de modo que todos ellos fluyan en una dirección axial, y los orificios 23 exteriores de la segunda zona puedan emitir los chorros 13b de hidrógeno no centrales de manera que todos ellos fluyan en direcciones no axiales. En otras realizaciones, el como mínimo un orificio central 21 de la primera zona y los orificios 23 exteriores de la segunda zona pueden estar dispuestos y configurados de modo que como mínimo un chorro 13a de hidrógeno pueda fluir en una dirección axial, de como mínimo algunos de los chorros no centrales 13b de hidrógeno y puedan ser emitidos de modo que puedan fluir en una o varias direcciones no axiales.
Los orificios de inyección 23 periféricos separados de la segunda zona pueden estar posicionados de modo que una serie de estos orificios se extienda alrededor de la periferia del, como mínimo, un orificio central 21 de la primera zona, de manera que la totalidad de la periferia esté rodeada por los orificios de inyección 23 separados de la segunda zona (un ejemplo de los cuales se puede ver mejor en la figura 11) o como mínimo una parte de la periferia del orificio central 21 de la primera zona como mínimo está rodeada por los orificios de inyección 23 de la segunda zona. Todavía en otras realizaciones, una salida 7b para los conductos interiores 7 de inyección de hidrógeno, puede estar configurada para incluir solamente orificios de inyección 23 exteriores, de tal modo que no existe un chorro central 13a de inyección de hidrógeno ni tampoco en la primera zona ningún orificio 21 central definido en la salida 7b.
La salida 7b del conducto interior 7 de inyección de hidrógeno está configurada de modo que uno o varios chorros 13 de hidrógeno interactúen con el campo de flujo predominante 12a generado por el flujo de salida en torbellino 12 de la emisión de la mezcla de aire y combustible de la salida 5b del conducto exterior 5 cuando dicho flujo de salida 12 cruza la zona de descarga 14 de la salida 7b del conducto interior 7 de inyección de hidrógeno en el interior de la cámara de combustión 2a en una posición que está separada y aguas abajo de la salida 7b. Por ejemplo, el campo del flujo predominante 12a puede ser generado por el flujo en torbellino de la mezcla en torbellino de combustible y aire en el interior de la cámara de combustión 2a y que pasa a través y por delante de la salida 7b del conducto interior 7a de inyección de hidrógeno en una posición en el interior de la zona de descarga 14 que está separada y aguas abajo de la salida 7b que está en el interior de la cámara de combustión 2a. Esta posición en el interior de la zona de descarga 14 puede ser una ubicación en el interior de la cámara de combustión 2a o una zona en el interior de la cámara de combustión 2a. Una primera zona de estela 12b de fluido puede tener una primera estela 12c que es generada por este flujo turbulento de la mezcla de aire y combustible cuando el combustible es quemado en el interior de la cámara de combustión 2a adyacente y/o en la zona de descarga 14 del conducto interior 7 de inyección de hidrógeno cuando el flujo de salida 12 cruza la zona de descarga 14.
El hidrógeno inyectado en la cámara de combustión 2a a través de la salida 7b del conducto interior 7 de inyección de hidrógeno puede mezclarse con el aire y el combustible, así como con los productos de la combustión (por ejemplo, CO<2>, CO, vapor de agua, etc.) de la combustión del combustible que pueden ser dirigidos a la zona de descarga 14 del conducto interior 7 de inyección de hidrógeno en el interior de la cámara de combustión 2a como resultado de la primera o primeras estelas 12c del fluido formado por la combustión del combustible que se produce en el campo predominante 12a de flujo en el interior de la primera zona de estela 12b adyacente a la zona de descarga 14 del conducto interior 7 de inyección de hidrógeno. El hidrógeno se puede quemar cuando es mezclado con el aire y generar una zona de estela secundaria 11 en la zona de descarga 14 del conducto interior 7 de inyección de hidrógeno entre la ubicación en la que el campo de flujo predominante 12a de la mezcla aire-combustible cruza la zona de descarga 14 del del conducto interior 7 de inyección de hidrógeno en el interior de la cámara de combustión 2a y la salida 7b del conducto interior 7 de inyección de hidrógeno.
Tal como se puede ver mejor en las figuras 13 y 14, la combustión del hidrógeno en el interior de uno o varios chorros 13 de hidrógeno puede generar una disposición de pequeñas estructuras de llamas 11b que se forman a través del fluido y la comunicación química entre las estelas secundarias 11a de chorros de hidrógeno adyacentes en el interior de la zona de descarga 14. Las estelas secundarias 11a pueden ser denominadas también segundas estelas.
Las estelas secundarias 11a pueden estar formadas en el interior de la cámara de combustión 2a entre la primera zona de estela 12b y la salida 7b del conducto interior de hidrógeno, y también entre la posición en la que la mezcla de combustible y aire en el interior del flujo turbulento de salida 12 de la mezcla de aire y combustible cruza la zona de descarga 13 de la salida 7b del conducto interior 7 de inyección de hidrógeno en el interior de la cámara de combustión 2a, y la salida 7b del conducto interior 7 de inyección de hidrógeno.
Las pequeñas estructuras 11b de llama pueden ser proporcionadas por la velocidad relativamente elevada de los chorros 13 de hidrógeno de la tobera que pueden crear una multiplicidad de flujos 11a de chorros de estela secundaria, que pueden arrastrar, cada uno, una mezcla previa pobre de reactivos de aire-gas natural y productos calientes de la combustión, al chorro 13 de hidrógeno para la combustión del hidrógeno en la cámara de combustión 2a para formar las estructuras 11b de pequeñas llamas en los flujos de los chorros de estela secundaria 11a. Estas pequeñas estructuras de llamas 11b pueden ayudar a proporcionar una mezcla mejorada de aire y combustible debido a la combustión del hidrógeno, mientras ayudan también a transportar calor de la combustión alejándolo del quemador 4 debido al transporte del impulso proporcionado por la velocidad de los chorros de hidrógeno en combinación con la combustión del hidrógeno para formar las estructuras de llamas. La combustión de hidrógeno en el interior de la zona de estela secundaria 11 puede ayudar a evitar zonas de disminución del mezclado del aire y el combustible para mitigar o evitar la inestabilidad de combustión de la combustión del combustible en la cámara de combustión.
Por ejemplo, la interacción de la combustión del hidrógeno en una zona de estela secundaria 11 situada en la cámara de combustión 2a puede ayudar a mejorar la estabilidad de la llama del quemador 4 y la estabilidad de la combustión en el interior de la cámara de combustión 2a. Por ejemplo, el único chorro o los varios chorros centrales de inyección de hidrógeno 13a pueden ser emitidos en una dirección del flujo que es opuesta a la simplificación del campo de flujo inverso generado por el flujo turbulento de salida 12 de la mezcla de aire y combustible emitida desde la salida 5b del conducto exterior 5 del quemador 4 generado por medio de uno o varios generadores de torbellinos 3 del quemador 4 que pueden interactuar con esta primera zona de estela en el interior de la cámara de combustión 2a. Una índole detallada de esta interacción del flujo entre el hidrógeno inyectado y el flujo turbulento de la mezcla aire-combustible puede depender de los impulsos relativos del chorro o chorros de hidrógeno 13 y del flujo recirculado a lo largo del eje del quemador de chorro. No obstante, se ha determinado que la presencia de altas tensiones de cizalladura, de intensidad turbulencia de elevada y de flujos opuestos puede proporcionar un procedimiento eficiente mediante el cual se puede producir el mezclado y la posterior combustión que proporcionan una energía viable y productos químicos radicales como resultado de la combustión que luego es comunicada de manera fluida a través del primer flujo de recirculación de la estela a los chorros periféricos de hidrógeno, si están presentes, así como el flujo turbulento del aire y el combustible del quemador principal cuando la mezcla de aire y combustible entra en el espacio de combustión a través de la salida 5b del conducto exterior.
El hidrógeno introducido en la cámara de combustión 2a a través de los orificios 23 exteriores del inyector puede mejorar adicionalmente dicho efecto para ayudar a proporcionar una mejora adicional de la estabilidad en la combustión pobre. Los chorros de hidrógeno 13b no centrales divergentes que pueden ser emitidos en las direcciones del flujo que nominalmente son paralelas a la capa de cizalladura entre el vórtice toroidal de recirculación y el flujo 12 en torbellino de la descarga de la mezcla aire-combustible que es descargada desde la salida 5b del conducto exterior 5, pueden crear una multiplicidad de llamas de difusión cuyas velocidades de reacción aumentan debido a la presencia del hidrógeno así como con el calor y los radicales conducidos desde la zona de reacción de los chorros de hidrógeno centrales 13a. La combustión del hidrógeno y su interacción con el flujo turbulento 12 de la mezcla de aire y combustible puede ayudar a mejorar la estabilidad de la combustión dentro del espacio de combustión de la cámara de combustión 2a cuando la mezcla airecombustible es una mezcla pobre que tiene un exceso de oxígeno con respecto al combustible dentro de la mezcla (por ejemplo, existe más oxígeno en la mezcla que el necesario para quemar totalmente el combustible en el interior del flujo).
La figura 14 muestra adicionalmente la interacción entre el hidrógeno inyectado y la mezcla de combustible y aire salida del quemador 4 en un proceso de interacción, a modo de ejemplo, que puede ser el resultado del funcionamiento del quemador 4 del ejemplo que tiene el conducto exterior 5 y el conducto interior 7 de inyección de hidrógeno. La zona de estela secundaria 11 puede incluir, como mínimo, una zona de estela secundaria 11a adyacente a cada orificio de salida de hidrógeno que puede crear una o varias pequeñas zonas de recirculación dentro de la zona de estela secundaria 11 en una primera etapa S1 del proceso del ejemplo. Las llamas o las estructuras de llama 11b, formadas en la zona de estela secundaria 11 pueden comunicar calor y productos químicos activos (por ejemplo, radicales) al chorro local de hidrógeno 13 y a las estelas secundarias adyacentes 11a en una segunda etapa S2 del proceso del ejemplo. Los chorros encendidos 13 pueden comunicar calor y productos químicos activos a la como mínimo una estela mayor 12c formada a partir de la combustión del combustible en la cámara de combustión 2a cuando son emitidos desde la salida 5b del conducto exterior 5 y pasan a través de la zona de descarga 14 de la salida 7b del conducto interior 7 de hidrógeno en una tercera etapa S3 del proceso a modo de ejemplo. Los gases calientes activados en la primera o primeras estelas 12c procedentes de la combustión del combustible pueden transmitir calor y productos químicos activos al flujo de salida que salen del quemador 4 en una cuarta etapa S4 del proceso del ejemplo. La interacción entre la primera o primeras estelas 12c y las segundas estelas 11a de la zona de estela secundaria 11 puede facilitar una mejora de la estabilidad de la combustión como consecuencia de la combustión del hidrógeno que interactúa con los gases de la combustión de la primera o primeras estelas 12c en una quinta etapa S5 del proceso a modo de ejemplo. Esta interacción puede incluir, por ejemplo, gas activado en la una o varias primeras estelas 12c de la combustión del combustible que comunica calor y productos químicos activos con la una o varias segundas estelas 11 a.
Se cree que la mejora de la estabilidad de la combustión y el rendimiento del sistema de turbina de gas que pueden ser proporcionados por las realizaciones de mi disposición 1 de inyección de hidrógeno son debidos a un cierto número de factores. Por ejemplo, se cree que la energía cinética de cada chorro 13 de hidrógeno a una velocidad relativamente elevada puede actuar como una bomba que puede arrastrar masas locales en proporción a su velocidad, mientras genera una turbulencia local en el interior de la cámara de combustión 2a que favorece el mezclado. La mejora del mezclado puede ayudar a reducir las estratificaciones por temperatura, las cuales pueden disminuir las temperaturas máximas de la llama y, de este modo, reducir las emisiones de NOx. Como ejemplo adicional, se cree que la elevada velocidad del chorro o chorros 13 de inyección de hidrógeno puede ayudar a transportar convectivamente el calor liberado durante la combustión del hidrógeno de modo que este calor sea transportado alejándolo de la tobera, lo que puede evitar el sobrecalentamiento de la tobera.
Las realizaciones de la disposición 1 de inyección de hidrógeno que utilizan múltiples chorros 13 de hidrógeno pueden proporcionar chorros de hidrógeno de una velocidad relativamente elevada para crear una multiplicidad de flujos de estela secundaria 11a, cada uno de los cuales puede arrastrar reactantes premezclados de aire-gas natural y productos calientes de la combustión, en el chorro de hidrógeno. Debido a la baja energía de ignición del hidrógeno, el exceso de oxígeno disponible en la masa arrastrada, y la elevada temperatura de los productos de la combustión, la mezcla de hidrógeno-gas arrastrada es encendida fácilmente en el interior de la zona de estela secundaria 11 de una velocidad relativamente reducida, en el interior de la cámara de combustión 2a, que puede ser una zona cerca de la salida del quemador 4 que está situada aguas arriba de donde el flujo 12 en torbellino de la mezcla aire-combustible emitida de la salida 5b del conducto exterior 5 puede pasar al interior de la cámara de combustión cuando es inyectada en ella, de tal modo que esta zona de estela secundaria 11 está entre la salida 7b del conducto interior 7 de inyección de hidrógeno y la zona en el interior de la cámara de combustión que está separada axialmente de la salida del interior de la cámara de combustión a la que pasará el flujo turbulento 12 que sale de la salida 5b del conducto exterior.
La multiplicidad de fuentes de ignición de la estela secundaria que pueden ser proporcionadas por los múltiples chorros 13 de hidrógeno inyectado (por ejemplo, hidrógeno inyectado a través de los orificios 21 y 23 de la primera zona y de la segunda zona, etc.) pueden generar una disposición de pequeñas estructuras de llama en el interior de la cámara de combustión 2a en la zona de estela secundaria 11 que actúan, cada una, como una llama “piloto” en miniatura, para los chorros de hidrógeno adyacentes 13. Se ha determinado que esto puede proporcionar un efecto sinérgico entre los chorros de hidrógeno adyacentes 13 que inesperadamente puede proporcionar un nivel de estabilidad de la llama mucho más elevado en comparación con la utilización de un solo chorro de hidrógeno 13 del mismo flujo másico que la suma acumulativa de tipos de flujo de los múltiples chorros de hidrógeno 13.
En algunas realizaciones, la inyección central (axial) de hidrógeno que puede ser proporcionada, como mínimo, por el chorro de inyección central 13a de hidrógeno puede ser emitida de modo que este chorro central se pueda mezclar con gases recirculados en la estela del quemador 4 a una relación de equivalencia de la unidad o por debajo de la misma, que puede ser un modo operativo en el que la mezcla así creada en la estela del quemador en el interior de la cámara de combustión 2a siga siendo estequiométrica o pobre. El hidrógeno inyectado por encima de la cantidad estequiométrica puede constituir un exceso de reactivo que puede quedar diluido en su efecto cuando es mezclado con otros gases en el exterior de la estela del quemador. Expresado matemáticamente, suponiendo que la proporción de hidrógeno con respecto a flujo de combustible es mucho menor que la unidad, se puede ver que esta relación es igual a:
En la quem,H2,central,maxes el máximo caudal másico permisible de inyección de hidrógeno central;m,Fueles el caudal del quemador de combustible,m,recirces la recirculación del caudal másico (es decir, el flujo inverso) en la primera zona de estela del quemador;m,totales el caudal total del quemador y0es la proporción de equivalencia teniendo en cuenta solamente el aire y el combustible inyectado a través del quemador. Se debería comprender que el caudal de recirculación de gas(m,recirc)puede ser función del número de giros del quemador principal premezclado y de la velocidad axial media de inyección que puede ser estimada tanto por correlación empírica (de dominio público) o por medio de modelizado informatizado de la dinámica del fluido.
En caso de realizaciones en las que el combustible sea metano (CH<4>), la variablem,Fuelsería el caudal másico de metano inyectado en la cámara de combustión 2a a través de la salida 5b del conducto exterior 5. Por supuesto, este valor del caudal de combustible puede ser diferente dependiendo del tipo de combustible utilizado en la cámara de combustión 2a, puesto que el combustible podría ser alternativamente, propano, petróleo gaseoso licuado, fuel(fuel oil),fuel N° 2, queroseno, o un gas sintético fabricado a partir de otro tipo de combustible (por ejemplo, carbón, etc.) u otro tipo de combustible adecuado.
Las realizaciones de la disposición 1 de inyección de hidrógeno pueden ser configuradas para su utilización en sistemas de turbina de gas para proporcionar un encendido simultáneo del hidrógeno con un combustible primario (por ejemplo, gas natural, propano, petróleo gaseoso licuado, fuel N° 2, queroseno, gases sintéticos fabricados a partir de otros combustible etc.). La disposición 1 de inyección de hidrógeno puede ser utilizada para facilitar diferentes tipos de funcionamiento del sistema de turbina de gas. Por ejemplo, la disposición puede ser utilizada para ayudar a disminuir la proporción estequiométrica global del dispositivo de combustión utilizada durante el funcionamiento del sistema de la turbina de gas. Como ejemplo adicional, la disposición 1 de inyección de hidrógeno puede ser utilizada para ayudar a facilitar unas etapas graduales de incremento del combustible en el dispositivo de combustión axial.
Por ejemplo, la disposición 1 de inyección de hidrógeno puede ser empleada para utilizar el hidrógeno para disminuir la proporción global de equivalencia del dispositivo de combustión con respecto al límite inferior de equivalencia que puede ser alcanzado sin inyección de hidrógeno (en base a los caudales de hidrógeno, combustible primario y aire, en los que el combustible primario puede ser el combustible incluido en la mezcla de combustible y aire de salida en la cámara de combustión a través del conducto exterior 5). Esto puede suceder mediante la desviación por parte del hidrógeno inyectado de la proporción de combustible con respecto al oxígeno disponible para proporcionar un incremento de la proporción de oxígeno de modo que se produzca una menor proporción de equivalencia en la combustión que ocurre dentro del espacio de combustión de la cámara de combustión 2a. Un objetivo de dicha estrategia de funcionamiento para un sistema de turbina de gas puede ser para facilitar una reducción prolongada de la carga de la turbina y/o para disminuir las emisiones de combustión del NOx sin aumentar las emisiones de monóxido de carbono (CO). Se puede demostrar que la relación entre los caudales de los reactivos en este caso de funcionamiento es igual a:
en la que:
mH2, totales el caudal total de inyección de hidrógeno;
fiprimes el coeficiente molar estequiométrico aire-combustible para el combustible primario (Observación: en el caso del metano como combustible primario,fiprimpuede ser igual a 9,52);
@H2,es el coeficiente molar estequiométrico aire-combustible para el hidrógeno que es igual a 2,38.Maires el peso molecular del aire;
MH2es el peso molecular del hidrógeno;
Mprimes el peso molecular del combustible primario;
PFROes la proporción de combustible primario con respecto a la masa de aire antes de la inyección de hidrógeno; y
PFR1es la proporción de combustible primario con respecto la masa de aire durante la inyección de hidrógeno.
La inyección de hidrógeno puede ser controlada de modo que el funcionamiento de uno o varios de los dispositivos de combustión del sistema de turbina de gas (o de todos los dispositivos de combustión del sistema de turbina de gas) esté limitado por la relación anterior para controlar las operaciones de control del sistema de la turbina de gas y/o del dispositivo o dispositivos de combustión:
La inyección de hidrógeno puede también (o como alternativa) ser empleada mediante una realización a modo de ejemplo de la disposición 1 de inyección de hidrógeno para facilitar una mayor magnitud de las etapas del combustible o del aire con fines de reducción del NOx en un dispositivo de combustión de turbina de gas de un sistema de turbina de gas. Por ejemplo, con una combustión en etapas del combustible, el combustible puede ser desviado alejándolo de la salida del quemador 4 e introducido en una posición aguas abajo del dispositivo de combustión. La figura 5 puede mostrar mejor dicha configuración como, como mínimo, una válvula de control 30 de un sistema de alimentación de combustible para el dispositivo de combustión que puede ser configurada para permitir que una parte de la alimentación de combustible fluya hacia el conducto exterior 5 para un mezclado previo con aire para ser emitido desde la salida 5b del conducto exterior, mientras que otra parte del combustible puede ser encaminada para ser alimentada a la cámara de combustión 2a aguas abajo del quemador 4. En tales situaciones, el quemador principal 4 del dispositivo de combustión puede trabajar con una proporción de equivalencia menor que la que sería utilizada sin etapas de combustible. El grado de presentación de combustible está en muchos casos limitado por la estabilidad de la combustión pobre del quemador principal 4. Mediante la utilización de la inyección de hidrógeno por medio de la disposición 1 de inyección de hidrógeno de la presente invención, el límite operativo de una combustión pobre del quemador puede ser ampliado, lo que puede activar una mayor reducción de NOx mediante el incremento de la proporción de combustible en etapas axialmente.
Se debe apreciar que se pueden realizar modificaciones a las realizaciones explícitamente mostradas y comentadas en este documento para cumplir con un conjunto concreto de objetivos de diseño o un conjunto concreto de criterios de diseño. Por ejemplo, realizaciones de la disposición 1 de inyección de hidrógeno pueden utilizar un solo orificio de salida o múltiples orificios de salida para inyectar uno o varios chorros de hidrógeno gaseoso en la cámara de combustión a un caudal preseleccionado o a un caudal dentro de un intervalo de caudales preseleccionado de inyección de hidrógeno. En algunas realizaciones, dicho intervalo puede ser menor de 100 m/s o menor de 300 m/s. Todavía en otras realizaciones dicho intervalo puede ser mayor de 100 m/s o mayor de 300 m/s.
Como ejemplo adicional, el tamaño y la forma del conducto interior 7 de inyección de hidrógeno y el conducto exterior 5 pueden ser de cualquier tipo y forma adecuado para encajar con un conjunto concreto de criterios de diseño para el comportamiento operativo de un sistema concreto de turbinas de gas. Por ejemplo, algunas realizaciones pueden ser bastante grandes mientras que otras pueden ser más pequeñas, teniendo en cuenta el tamaño del dispositivo de combustión en el que deben ser utilizadas y los requisitos de funcionamiento para ese dispositivo de combustión.
Como otro ejemplo adicional, ciertas realizaciones de la disposición 1 de inyección de hidrógeno pueden estar configuradas para inyectar uno o varios chorros 13 de hidrógeno gaseoso que es 100 % de hidrógeno gaseoso o que tenga otra composición (por ejemplo, más del 80 % de hidrógeno gaseoso en volumen y menos del 20 % de otros gases en volumen, etc.). Otros elementos gaseosos que pueden ser incluidos en los chorros 13 de hidrógeno gaseoso pueden incluir nitrógeno o dióxido de carbono, por ejemplo. Se debe apreciar que el uno o varios chorros 13 de hidrógeno inyectados pueden incluir una composición de hidrógeno que sea como mínimo de un 99 % en volumen de hidrógeno, como mínimo un 95 % en volumen de hidrógeno, como mínimo un 90 % en volumen de hidrógeno, como mínimo un 75 % en volumen de hidrógeno, o como mínimo un 50 % en volumen de hidrógeno. La composición concreta del caudal del chorro de hidrógeno utilizado en una realización concreta del dispositivo de inyección de hidrógeno puede depender de la fuente del hidrógeno que está siendo inyectado y de otros criterios de funcionamiento o de diseño para el sistema de turbinas de gas.
El sistema de turbina de gas, así como la disposición 1 de inyección de hidrógeno que puede ser incorporada en el sistema, puede ser configurada para incluir elementos de control del proceso posicionados y configurados para monitorizar y controlar operaciones (por ejemplo, sensores de presión y temperatura, sensores de flujo, un sistema de control automatizado del proceso que tenga como mínimo un puesto de trabajo que incluya un procesador, una memoria no transitoria, y como mínimo un emisor/receptor para comunicaciones con los elementos de detección, válvulas y controladores para proporcionar un interfaz de usuario para un sistema de control automatizado del proceso que pueda funcionar en el puesto de trabajo y/o en otro dispositivo informático del sistema, etc.).
Como ejemplo adicional, se contempla que una característica concreta descrita, tanto individualmente como formando parte de una realización, pueda ser combinada con otras características descritas individualmente o con partes de otras realizaciones. Los elementos y acciones de las diversas realizaciones descritas en este documento pueden por consiguiente ser combinadas para proporcionar realizaciones adicionales. De este modo, mientras que ciertas realizaciones a modo de ejemplo de una disposición de inyección de hidrógeno, un aparato para la inyección de hidrógeno en el interior de un dispositivo de combustión, un dispositivo de combustión para un sistema de turbina de gas, un sistema de turbina de gas, y procedimientos para realizar y utilizar los mismos, han sido mostrados y descritos anteriormente, se debe entender claramente que la invención no está limitada a las mismas, sino que puede ser realizada de otras maneras variadas y puesta en práctica dentro del alcance de las reivindicaciones siguientes.

Claims (11)

  1. REIVINDICACIONES 1. Procedimiento de inyección de hidrógeno en una cámara de combustión (2a) de un dispositivo de combustión de un sistema de turbina de gas, comprendiendo el procedimiento: envío de una mezcla de combustible y aire (3a) en la cámara de combustión (2a) a través de una salida (5b) de un conducto exterior (5) en comunicación fluida con la cámara de combustión (2a); inyección de, como mínimo, un chorro de hidrógeno (13) en la cámara de combustión (2a) a través de una salida (7b) de un conducto interior (7) de inyección de hidrógeno que está en comunicación fluida con la cámara de combustión (2a), y estando posicionado el conducto exterior (5) de tal modo que la salida (5b) del conducto exterior (5) está alrededor de la periferia exterior de la salida (7b) del conducto interior (7) de inyección de hidrógeno, en el que un quemador (4) del dispositivo de combustión incluye el conducto exterior (5), caracterizado por quela inyección de, como mínimo, un chorro de hidrógeno (13) en la cámara de combustión (2a), a través de la salida (7b) del conducto interior (7) de inyección de hidrógeno es realizada para controlar el funcionamiento de la turbina de gas de modo que se proporcione una proporción del caudal de hidrógeno con respecto al combustible de manera que la proporción de equivalencia para el dispositivo de combustión sea igual a:
    en la que: m,H2, central,maxes el caudal másico máximo permisible de inyección central de hidrógeno; m,Fueles el caudal máximo de combustible, del combustible para el quemador, m,recirces la tasa de recirculación de flujo másico en una primera zona de estela del quemadorm,totales el caudal total del quemador, y 0es la proporción de equivalencia a tener en cuenta solamente para el aire y el combustible inyectado a través del conducto de salida.
  2. 2. Procedimiento, según la reivindicación 1, en el que el como mínimo un chorro de hidrógeno (13) es inyectado en una zona de estela secundaria (11), en el interior de la cámara de combustión (2a) que está aguas abajo de la salida (7b) del conducto interior (7) de inyección de hidrógeno, y aguas arriba de una posición en el interior de la cámara de combustión (2a) en la que la mezcla de combustible y aire (3a) que sale desde la salida (5b) del conducto exterior (5) cruza una zona de descarga (14) de la salida (7b) del conducto interior (7) de inyección de hidrógeno en el interior de la cámara de combustión (2a).
  3. 3. Procedimiento, según la reivindicación 2, que comprende: generar un torbellino de aire por medio de, como mínimo, un generador de torbellinos (3) para generar un flujo turbulento de la mezcla de aire y combustible antes de emitir la mezcla de aire y combustible desde la salida (7b) del conducto exterior (7); y en el que la zona de estela secundaria (11) está entre la salida (7b) del conducto interior (7) de inyección de hidrógeno y la posición en el interior de la cámara de combustión (2a) en la que la mezcla de combustible y aire (3a) que sale de la salida (5b) del conducto exterior (5) cruza la salida (7b) del conducto interior (7) de inyección de hidrógeno mientras el combustible de la mezcla se quema en la cámara de combustión (2a).
  4. 4. Procedimiento, según la reivindicación 1, en el que la salida (7b) del conducto interior (7) de inyección de hidrógeno es un único orificio y el conducto interior (7) de inyección de hidrógeno tiene como mínimo una cavidad (7a) aguas arriba del único orificio.
  5. 5. Procedimiento, según la reivindicación 4, en el que, la como mínimo una cavidad (7a) tiene una profundidad (d), una longitud (L) de la cavidad, y una distancia (X) al borde posterior de la cavidad que es una distancia al extremo inferior (7a) de la cavidad desde la salida (7b) del conducto interior (7) de inyección de hidrógeno; siendo la profundidad (d) de la cavidad mayor o igual que el radio del orificio de la salida (7b) del conducto interior (7) de inyección de hidrógeno y siendo, asimismo, menor o igual que el diámetro (D) del orificio de la salida (7b) del conducto interior (7) de inyección de hidrógeno; siendo la longitud (L) de la cavidad un valor tal que la proporción de la longitud (L) con respecto a la profundidad (d) está comprendida entre 1 y 4; siendo la distancia (X) al borde posterior de la cavidad un valor tal que la proporción de la distancia (X) al borde posterior de la cavidad con respecto al diámetro (D) no es mayor de 5.
  6. 6. Procedimiento, según la reivindicación 1, en el que, el como mínimo un chorro de hidrógeno (13) es como mínimo un chorro central (13a) de hidrógeno, y la salida (7b) del conducto interior (7) de inyección de hidrógeno incluye una tobera como mínimo con un orificio central para formar como mínimo un chorro central de hidrógeno (13a) para inyectar hidrógeno en la cámara de combustión (2a), y múltiples orificios exteriores para formar múltiples chorros (13b) de hidrógeno no centrales para inyectar hidrógeno en la cámara de combustión (2a), comprendiendo el procedimiento: inyectar los chorros (13b) de hidrógeno no centrales en la cámara de combustión (2a) a través de los orificios exteriores de la tobera.
  7. 7. Procedimiento, según la reivindicación 6, en el que, los orificios exteriores están configurados de modo que cada uno de los chorros no centrales (13b) de hidrógeno es emitido en una dirección del flujo que discurre en un ángulo con respecto a la dirección del flujo de, como mínimo, el chorro central (13a) de hidrógeno, siendo el ángulo mayor de 0° y menor de 90°, o mayor de 15° y menor de 60°, o en el que como mínimo el chorro central (13a) de hidrógeno tiene una velocidad como mínimo de 100 m/s y cada uno de los chorros no centrales (13b) de hidrógeno tiene una velocidad que es como mínimo de 100 m/s.
  8. 8. Procedimiento, según la reivindicación 1, en el que, como mínimo un chorro de hidrógeno (13) tiene una velocidad de como mínimo 100 m/s, o en el que el quemador (4) del dispositivo de combustión incluye el conducto exterior (5) y la inyección de como mínimo un chorro de hidrógeno (13) en la cámara de combustión (2a) a través de la salida (7b) del conducto interior (7) de inyección de hidrógeno es realizada para controlar el funcionamiento de la turbina de gas, de modo que el funcionamiento del dispositivo de combustión del sistema de turbina de gas está limitado por:
    en la que: mH2,totales la tasa total de inyección de hidrógeno; fiprimes el coeficiente estequiométrico molar aire-combustible para el combustible; @H2es el coeficiente estequiométrico molar aire-combustible para el hidrógeno; Maires el peso molecular del aire; MH2es el peso molecular del hidrógeno; Mprimes el peso molecular del combustible; PFROes la proporción de combustible con respecto al flujo de la masa de aire antes de la inyección de hidrógeno; y PFR1es la proporción de combustible con respecto al flujo de la masa de aire durante la inyección de hidrógeno.
  9. 9. Procedimiento, según la reivindicación 1, que comprende: la generación de un torbellino de aire por medio, como mínimo, de un generador de torbellinos (3) para generar un flujo turbulento para la mezcla de aire y combustible (3a) antes de la salida de la mezcla de aire y combustible (3a) desde la salida (5b) del conducto exterior (5); y hacer pasar el flujo turbulento en el interior de la cámara de combustión (2a) a una posición en la que la mezcla de combustible y aire (3a) dentro del flujo turbulento cruza una zona de descarga (14) de la salida (7b) del conducto interior (7) de inyección de hidrógeno, en el interior de la cámara de combustión (2a); en el que el como mínimo un chorro de hidrógeno es inyectado en una zona de estela secundaria (11) en el interior de la cámara de combustión (2a) que está aguas abajo de la salida (7b) del conducto interior (7) de inyección de hidrógeno y aguas arriba de la posición en el interior de la cámara de combustión (2a) en la que la mezcla de combustible y aire (3a) dentro del flujo turbulento cruza la zona de descarga (14) de la salida (7b) del conducto interior (7) de inyección de hidrógeno; y en el que la zona de estela secundaria (11) está entre la salida (7b) del conducto interior (7) de inyección de hidrógeno y la posición en el interior de la cámara de combustión (2a) en la que la mezcla de combustible y aire (3a) dentro del flujo turbulento cruza la zona de descarga (14) de la salida (7b) del conducto interior (7) de inyección de hidrógeno, teniendo la zona de estela secundaria (11) como mínimo una segunda estela (11a) que interactúa como mínimo con una primera estela (12c) dentro de una primera zona de estela (12b) generada por medio del flujo turbulento de la mezcla de combustible y aire (3a) cuando el combustible se quema en el interior de la cámara de combustión (2a).
  10. 10. Procedimiento, según la reivindicación 9, en el que el gas activado por la combustión del combustible, en la como mínimo primera estela (12c) comunica calor y productos químicos activos con la, como mínimo una, segunda estela (11a).
  11. 11. Procedimiento, para la inyección de hidrógeno en una cámara de combustión (2a) de un dispositivo de combustión de un sistema de turbina de gas, comprendiendo el procedimiento: la emisión de una mezcla de combustible y aire (3a) en la cámara de combustión (2a) a través de una salida (5b) de un conducto exterior (5) en comunicación fluida con la cámara de combustión (2a); inyectar como mínimo un chorro de hidrógeno (13) en la cámara de combustión (2a) a través de una salida (7b) de un conducto interior (7) de inyección de hidrógeno que está en comunicación fluida con la cámara de combustión (2a), y estando posicionado el conducto exterior (5) de tal modo que la salida (5b) del conducto exterior (5) está alrededor de la periferia exterior de la salida (7b) del conducto interior (7) de inyección de hidrógeno, en el que, el como mínimo, un chorro de hidrógeno (13) es inyectado en una primera zona de estela (12b) en el interior de la cámara de combustión (2a) que está aguas abajo de la salida (7b) del conducto interior (7) de inyección de hidrógeno y aguas arriba de una posición en el interior de la cámara de combustión (2a) en la que la mezcla de combustible y aire (3a) que sale de la salida (5b) del conducto exterior (5) cruza una zona de descarga (14) de la salida (7b) del conducto interior (7) de inyección de hidrógeno en el interior de la cámara de combustión (2a), utilizando el procedimiento una disposición (1) de inyección de hidrógeno para inyectar hidrógeno en una cámara de combustión (2a) de un dispositivo de combustión de un sistema de turbina de gas, comprendiendo la disposición (1) de inyección de hidrógeno: un conducto exterior (5) que tiene una salida (5b) en comunicación fluida con la cámara de combustión (2a), estando configurado el conducto exterior (5) de tal modo que una mezcla de combustible y aire (3a) pueda pasar al interior de la cámara de combustión (2a) a través de la salida (5b) del conducto exterior (5), y un conducto interior (7) de inyección de hidrógeno posicionado adyacente al conducto exterior (5), estando posicionado el conducto exterior (5) de tal modo que la salida (5b) del conducto exterior (5) está alrededor de la periferia exterior de una salida (7b) del conducto interior (7) de inyección de hidrógeno que está en comunicación fluida con la cámara de combustión (2a), estando configurado el conducto interior (7) de inyección de hidrógeno de tal modo que, como mínimo, un chorro de hidrógeno (13) pueda ser inyectado en la cámara de combustión (2a) a través de la salida (7b) del conducto interior (7) de inyección de hidrógeno, en el que un quemador (4) del dispositivo de combustión incluye el conducto exterior (5),caracterizado por que, la inyección del, como mínimo, un chorro de hidrógeno (13) en la cámara de combustión (2a) a través de la salida (7b) del conducto interior (7) de inyección de hidrógeno es llevada a cabo para controlar el funcionamiento de la turbina de gas de modo que el funcionamiento del dispositivo de combustión del sistema de la turbina de gas esté limitado por:
    en la que: mH2,totales la tasa total de inyección de hidrógeno; fiprimes un coeficiente estequiométrico molar, aire-combustible para el combustible; @H2es un coeficiente estequiométrico molar aire-combustible para el hidrógeno; Maires el peso molecular del aire; MH2es el peso molecular del hidrógeno; Mprimes el peso molecular del combustible; PFROes la proporción de combustible con respecto al flujo de la masa de aire antes de la inyección de hidrógeno; y PFR1es la proporción de combustible con respecto al flujo de la masa de aire durante la inyección de hidrógeno.
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