ITFI20010211A1

ITFI20010211A1 - Combustore con fiamma a diffusione a bassa emissione di no per turbine a gas

Info

Publication number: ITFI20010211A1
Application number: IT2001FI000211A
Authority: IT
Inventors: Giancarlo Benelli; Luciano Carrai; Davide Cecchini; Giordano Tanzini
Original assignee: Enel Produzione Spa
Priority date: 2001-11-09
Filing date: 2001-11-09
Publication date: 2003-05-09
Also published as: EP1310737A3; US20030089111A1; US6945051B2; EP1310737A2

Description

Descrizione dell'Invenzione Industriale dal titolo: "COMBUSTORE CON FIAMMA A DIFFUSIONE A BASSA EMISSIONE DI NOx PER TURBINE A GAS" a nome

La presente invenzione ha per oggetto un combustore con fiamma a diffusione a bassa emissione di NOx (ossidi di azoto) per turbine a gas. Il combustore secondo l'invenzione è particolarmente adatto per il retrofit di turbine a gas del tipo industriale con combustori di tipo cannulare, quali ad esempio le turbine a gas MS-5000 commerciate da General Electric - Power System (GE-PS).

Come è noto, un combustore con fiamma a diffusione per turbine a gas comprende un gruppo iniettore del combustibile montato ad una estremità di un tubo di fiamma, delimitante la camera di combustione, connesso con l'altra sua estremità ad un condotto convogliatore del gas di combustione verso le pale della turbina. Il tubo di fiamma è coassialmente montato entro un contenitore tubolare che comunica con la cassa di scarico del compressore dell'aria comburente e definisce con il tubo di fiamma un'intercapedine per l'aria comburente. Il gruppo iniettore si affaccia con la sua testa entro la camera di combustione e presenta, ad esempio nella versione a due combustibili, un ugello atomizzatore assiale per il combustibile liquido e attorno ad esso un ugello iniettore anulare, o una corona di ugelli, per l'iniezione del combustibile gassoso. Esternamente alla testa dell'iniettore viene immessa aria proveniente dalla intercapedine. Lungo la superficie del tubo di fiamma sono poi previsti fori opportunamente distribuiti per l'immissione dell'aria primaria, secondaria e di diluizione.

Questo tipo di turbine a gas a ciclo semplice, attualmente impiegate negli impianti di produzione di energia elettrica per servizi dì picco, possono avere livelli di emissione incompatibili con i limiti di sito e possono quindi essere assoggettate a limitazioni di potenza o a divieto di esercizio in molte località. In particolare, ci sono nel mondo migliaia di turbine a gas funzionanti per servizi di picco con emissioni di NOx pari a circa 0,17 e 0,3 Kg/Mcal rispettivamente se alimentate con combustibile gassoso o con combustibile liquido. Livelli di emissione di NOx di questo tipo sono al di sopra dei limiti prescritti in molti stati dove i limiti di emissioni di NOx sono inferiori a 0,13 Kg/Mcal; nei prossimi anni è prevedibile una riduzione a 0,065 Kg/Mcal o anche meno. Dì conseguenza è da tempo pratica comune mediare le emissioni di NOx da turbine a gas con quelle provenienti da altre macchine operanti ben al di sotto dei limiti prescritti in modo da rientrare complessivamente entro tali limiti.

Le emissioni di NOx in un combustore per turbine a gas sono generate essenzialmente da due meccanismi:

1) meccanismo primario: fissazione dell'azoto atmosferico nella fiamma (azoto termico);

2) meccanismo secondario: conversione dell'azoto chimicamente legato nel combustibile (azoto chimico), come in alcuni oli combustibili pesanti di bassa qualità, gas di processo e alcuni gas illuminanti da gassificatori con pulitura a gas caldo.

Secondo il meccanismo di Zeldovich la velocità di formazione del NOx termico cresce esponenzialmente con la temperatura di fiamma e linearmente in funzione del tempo di permanenza dei gas di combustione alla temperatura di fiamma. Di conseguenza, la temperatura di fiamma di picco e il tempo di residenza sono le variabili principali che controllano la formazione degli NOx e i livelli di emissione risultanti. Inoltre la velocità di formazione degli NOx decresce rapidamente se la fiamma diviene povera di combustibile e se diminuisce la temperatura di picco. Quindi l'introduzione di piccole quantità di diluente nella zona di combustione primaria ha la conseguenza di diminuire la velocità di formazione degli NOx termici. Pertanto, per mantenere in funzione turbine a gas di vecchio tipo quando devono essere rispettati limiti di emissione più severi, sono state proposte le seguenti opzioni:

a) installazione di sistemi di iniezione di acqua o vapore per ottenere una riduzione degli NOx compresa tra il 40 e il 50% rispetto ai valori delle emissioni originarie. Ciò comporta l'installazione di apparecchiature aggiuntive e un aumento dei costi operativi dovuto alla perdita di efficienza conseguente all'alto valore dei rapporti acqua/combustibile; b) installazione di sistemi di combustione con tecnologia DLN (Dry Low NOx) sofisticati e molto costosi che richiedono inoltre sostanziali modifiche all'attrezzatura di controllo della macchina nel caso siano basati su processi di combustione premiscelata multistadio;

c) aggiornare con modifiche minori i sistemi di combustione in modo da raggiungere bassi livelli di emissione di NOx e con minimo impatto sulla struttura della macchina. GE-PS ha sviluppato recentemente versioni a bassa emissione di NOx del combustore per macchine MS-5000 allo scopo di rendere compatibili le emissioni delle macchine alimentate a gas naturale con i limiti oggi in vigore. Nella soluzione proposta da GE-PS la riduzione delle emissioni di NOx viene ottenuta, senza ricorrere alla tecnologia DLN, variando la distribuzione dell'aria all'interno del combustore attraverso una modifica delle dimensioni e della disposizione delle forature del tubo di fiamma, (in pratica aumentando la portata dell'aria primaria) in modo tale da avere al massimo carico rapporti di equivalenza magri nella zona primaria.

Questa soluzione, richiedendo modifiche al solo tubo di fiamma, ha il vantaggio di essere facilmente realizzabile ed implementabile in macchina in fase di manutenzione. Tuttavia essa può dar luogo ad un aumento di produzione di incombusti, perché si attenuano i picchi di temperatura nella zona primaria di combustione e conseguentemente si riduce la velocità di reazione nella fiamma a diffusione. L'aumento del tempo di residenza è impraticabile essendo costante la geometria del sistema di combustione.

Lo scopo della presente invenzione è di fornire un combustore per turbine a gas con fiamma a diffusione che, grazie ad una distribuzione ottimale dell'aria e del gas combustibile nella zona di combustione primaria, consenta un sostanziale abbassamento delle emissioni di NOx rispetto ai combustori convenzionalmente usati per la medesima applicazione .

Uno scopo particolare della presente invenzione è di fornire un combustore del tipo summenzionato idoneo al retrofit di turbine a gas da 15-24 Mwe con fiamma a diffusione capace di dar luogo ad un modesto impatto sulla macchina ed applicabile, rispettando gli ingombri del sistema originale, senza modifiche ai sistemi di controllo e di alimentazione del combustibile previsti nella macchina originale.

Questi scopi vengono raggiunti con il combustore per turbine a gas con fiamma a diffusione secondo la presente invenzione in cui l'ugello di iniezione del gas comprende un condotto di premiscelazione aria-gas combustibile con una sezione d'ingresso comunicante con detta intercapedine dell'aria e presentante un vorticatore dell'aria posto a monte del punto di immissione del gas entro il condotto di premiscelazione .

Grazie a questa soluzione si incrementa il quantitativo di aria nella zona primaria di combustione e si realizza una corrente aria-combustibile parzialmente premiscelata da esporre sul fronte di fiamma in modo da contenere i picchi di temperatura che sono tra i principali fattori che promuovono la formazione degli NOx termici. In questo modo inoltre l'aumento di produzione di incombusti, che sarebbe naturalmente introdotto nelle fiamme a diffusione dall'attenuarsi della temperatura nella fiamma primaria, viene contenuto per effetto della premiscelazione.

Queste ed altre caratteristiche del combustore per turbine a gas con fiamma a diffusione secondo la presente invenzione risulteranno più chiaramente dalla descrizione che segue di una sua forma realizzativa, fatta a titolo esemplificativo e non limitativo con riferimento ai disegni annessi in cui:

-la figura 1 è una vista d'assieme di un combustore secondo la presente invenzione;

- la figura 2 mostra in sezione trasversale il gruppo iniettore del combustore secondo la presente invenzione;

- la figura 3 mostra in dettaglio una variante realizzativa di un condotto di premiscelazione;

- la figura 4 mostra una vista frontale del gruppo iniettore dall'interno della camera di combustione;

- la figura 5 illustra graficamente un confronto tra le emissioni dal combustore originario (STD) e dal nuovo combustore (LED) secondo la presente invenzione;

- la figura 6 è un diagramma che illustra la riduzione di emissioni di NOx, in varie condizioni operative, con il combustore secondo la presente invenzione confrontata con le emissioni di un combustore con fiamma a diffusione secondo la tecnica nota.

Con riferimento alla figura 1, si è indicato genericamente con 1 un gruppo combustore di una turbina a gas il quale comprende un contenitore tubolare esterno 2 chiuso ad una estremità da un coperchio 3, al quale è centralmente fissato un gruppo iniettore 4. L'altra estremità del contenitore tubolare 2 comunica con la cassa di scarico 5 di un compressore dell'aria comburente, non mostrato. Coassialmente al contenitore tubolare 2 è disposto un tubo di fiamma 6, delimitante la camera di combustione 6a, chiuso ad una estremità da una piastra calibrata 7 uniformemente perforata e portante centralmente una boccola 8 entro cui si impegna la testa 9 del gruppo iniettore 4.

Con riferimento anche alla figura 2, dalla boccola 8 si estende una parete troncoconica 10 connessa ad un manicotto IOa coassiale al tubo di fiamma 6 e costituente il cappello della camera di combustione 6a. La superficie della parete troncoconica 10 è uniformemente unghiata per fornire passaggi per l'aria comburente. All'altra estremità il tubo di fiamma 6 si impegna in un condotto convogliatore 11 che alimenta la turbina a gas, non mostrata. Lungo il tubo dì fiamma 6 che delimita la camera di combustione sono previsti fori primari 12, fori secondari 13 e fori di diluizione 14 per l'aria di combustione che dalla cassa 5 fluisce nell'intercapedine 30 compresa tra il tubo di fiamma 6 e il contenitore tubolare 2. Un condotto passafiamma 15 è inoltre previsto con funzione di collegamento tra le camere di combustione di gruppi combustori adiacenti .

Come illustrato in maggior dettaglio nelle figure 2 e 4, il gruppo iniettore 4 comprende un corpo 16 presentante un bocchello 17 per il combustibile liquido, un bocchello 18 per l'aria di atomizzazione ed un bocchello 19 per il gas. Il gruppo iniettore 4 comprende poi una flangia 20 attraverso la quale è connesso al coperchio 3 del corpo tubolare esterno 2. All'interno del corpo 16 è previsto un condotto centrale 21 per il combustibile liquido, una corona di condotti 22 attorno al condotto 21 per l'aria di atomizzazione ed una corona esterna di condotti 23 per il gas combustibile. La testa 9 del gruppo iniettore comprende centralmente un ugello atomizzatore 24 dell'olio combustibile coassialmente connesso al condotto centrale 21. Esternamente all'ugello 24 è prevista una camera 25 entro cui confluiscono i condotti 22 dell'aria di atomizzazione che viene iniettata in modo convenzionale attraverso meati radiali nella zona immediatamente a valle dell'ugello 24 sul piano terminale ortogonale all'asse del combustore .

I condotti 23 del gas confluiscono invece in una camera anulare più esterna 26 la quale comunica attraverso rispettivi passaggi 27 con un condotto anulare 28 di premiscelazione ricavato nell'iniettore del gas 29. Più in particolare, come mostrato in figura 2, l'ugello atomizzatore 24 è contenuto coassialmente entro un corpo tubolare 33 solidale al corpo 16 del gruppo iniettore 4 e delimitante la camera 25 per l'aria di atomizzazione insieme a un primo manicotto 34 anch'esso solidale al corpo 16. L'iniettore del gas 29 è a sua volta formato da un elemento a flangia interno 35 fissato esternamente al manicotto 34 e un elemento a flangia esterno 36 fissato alla boccola 8, definenti il condotto anulare 28 per il gas.

All'imbocco del condotto anulare 28, che comunica con l'intercapedine 30 dell'aria di combustione, è previsto un vorticatore radiale 31 posto a monte dei passaggi per il gas 27, il quale impartisce turbolenza all'aria di combustione favorendo il suo miscelamento con il gas nel condotto di premiscelazione 28.

II condotto anulare di premiscelazione 28 presenta un tratto radiale, all'imbocco del quale è previsto il vorticatore 31, ed un tratto assiale raccordati da un tratto curvo senza spigoli vivi, il condotto presentando una sezione che progressivamente si riduce man mano che progredisce verso l'uscita nella camera di combustione 6a. In particolare la riduzione di sezione in uscita del condotto 28 è compresa tra il 20 e il 28% rispetto alla sezione d'ingresso. Questa configurazione permette di realizzare una premiscelazione uniforme che evita il formarsi di vortici a collare che possono innescare fenomeni oscillatori in camera di combustione potenzialmente dannosi per il macchinario.

Nell'esempio realizzativo illustrato il vorticatore radiale è a dodici alette con angolo di swirl pari a 30°, attraverso il quale passa un quantitativo d'aria pari a 9-12% dell'aria totale di combustione. Sono previsti dodici passaggi per il gas 27 di diametro pari a 4,5 mm equispaziati su di una circonferenza ubicata in prossimità della sezione di scarico del vorticatore 31.

I passaggi di iniezione del gas possono essere in numero maggiore (fino a 40), così come le alette che possono variare in numero ed angolo, restando comunque di tipo radiale.

Inoltre, come anche mostrato in figura 3, i passaggi 27 di iniezione del gas possono essere distribuiti su due, o più, circonferenze in modo da ripartire in fasi successive l'immissione dell'aria. Ciò può essere vantaggioso o necessario per evitare problemi di preignizione o di flash-back, nel caso di macchine operanti a elevato rapporto di compressione (aria comburente superiore a 330°C) o nel caso di temperature elevate delle pareti del condotto 28.

L'utilizzo di una porzione dell'aria di combustione come aria di premiscelazione del gas nell'iniettore, comporta una corrispondente riduzione dell'aria di diluizione e quindi un conseguente ridimensionamento dei fori di diluizione 14 presenti sul tubo di fiamma 6 che sono riarrangiati in sezione e numero per minimizzare il "traversing quality factor" all'imbocco delle pale della turbina.

Nel combustore secondo l'invenzione l'aria viene usata per il controllo della temperatura nella zona di combustione primaria e la configurazione del combustore assicura la formazione di una zona primaria mediamente magra, omogeneamente premiscelata per conseguire livelli di NOx molto bassi. Il fattore di equivalenza nella zona primaria è Φ=0,7÷0,85 invece che circa Φ=1 come nella combustione tradizionale. La stabilizzazione della fiamma è ottenuta combinando opportunamente l'angolo delle palette radiali, in modo da realizzare una zona di ricircolazione a valle dell'iniettore, tale da consentire l'ignizione a basso carico, la presa di giri e la presa di carico con esercizio regolare del motore. I valori ottimali di forza ed estensione della zona di ricircolazione sono la conseguenza di rapporti ottimali tra quantità di moto dell'aria addotta attraverso lo swirler radiale e fluente nel condotto convergente e la quantità di moto dell'aria attraverso i fori primari.

Nel combustore secondo l'invenzione vengono raggiunti i seguenti risultati:

- affidabilità ed uniformità della distribuzione combustibile-aria all'ingresso del combustore utilizzando una forte vorticità radiale per la riduzione degli NOx;

-distribuzione ottimizzata dell'aria di combustione per una migliore flessibilità operativa con massima stabilità della fiamma e minima produzione di CO confrontata con l'iniezione di acqua o vapore;

zona stabile di ricircolazione primaria utile per una pronta ignizione, mantenendo i sistemi esistenti di accensione;

-integrazione con sistemi di iniezione dell'acqua per abbassare ulteriormente le emissioni di NOx e CO per soddisfare i futuri limiti di emissione (0,06-0,09 Kg/Mcal).

Più in particolare, come mostrato anche nei grafici di cui alle figure 5 e 6, è possibile ottenere, in condizioni di funzionamento a secco, almeno il 50% di riduzione delle emissioni di NOx con modifiche alla macchina molto limitate e ridurre ulteriormente le emissioni di NOx fino al 65% aggiungendo alla macchina un sistema di iniezione dell'acqua.

Naturalmente, l'ottimizzazione del combustore secondo la presente invenzione è stata basata sul funzionamento a gas naturale. Esso tuttavia può essere vantaggiosamente impiegato anche con combustibile liquido, nel qual caso però, come mostrato in figura 6, non vengono raggiunti i livelli di riduzione degli NOx come nel funzionamento con gas.

Chiaramente, nel caso di applicazione dell'invenzione a combustori cannulari di maggior taglia, le dimensioni del combustore potranno essere convenientemente variate in scala con criterio di proporzionalità e per potenze superiori a quelle indicate potranno comunque essere ottenute apprezzabili riduzioni delle emissioni di NOx mediante iniezione di acqua.

Varianti e/o modifiche potranno essere apportate al combustore per turbine a gas con fiamma a diffusione secondo la presente invenzione, senza per questo uscire dall'ambito protettivo dell'invenzione medesima.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Combustore per turbine a gas con fiamma a diffusione comprendente un gruppo iniettore del combustibile montato ad una estremità di un tubo di fiamma, delimitante una camera di combustione e connesso con l'altra sua estremità ad un condotto convogliatore dei gas di combustione verso la turbina, detto tubo di fiamma essendo coassialmente montato entro un contenitore tubolare comunicante con una cassa di scarico dell'aria di un compressore e definente con detto tubo di fiamma un'intercapedine per detta aria di combustione, detto gruppo iniettore comprendendo una testa di iniettore affacciantesi entro detta camera di combustione e provvista di almeno un ugello di iniezione del gas combustibile, caratterizzato dal fatto che l'ugello di iniezione del gas comprende un condotto di premiscelazione aria-gas entro cui viene immesso il gas combustibile e con una sezione di ingresso comunicante con detta intercapedine dell'aria e presentante un vorticatore a palette radiali posto a monte dell'immissione del gas combustibile entro detto condotto di premiscelazione.
2. Combustore secondo la rivendicazione 1, in cui detto ugello di iniezione del gas combustibile è di forma anulare e detta testa di iniettore comprende un ugello per combustibile liquido posizionato centralmente rispetto a detto ugello di iniezione del gas.
3. Combustore secondo le rivendicazioni 1 o 2, in cui è prevista una pluralità di passaggi lungo detto condotto di premiscelazione per l'immissione del gas combustibile.
4. Combustore secondo la rivendicazione 3, in cui detti passaggi per il gas combustibile sono disposti secondo una o più file assialmente concentriche.
5. Combustore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detti passaggi per il gas combustibile sono disposti secondo due file assialmente concentriche per ripartire in due fasi successive l'immissione del gas nell'aria di combustione.
6. Combustore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la sezione di uscita del condotto di premiscelazione è ridotta del 20-28% rispetto a quella di ingresso .
7. Combustore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto condotto di premiscelazione è formato da una coppia di flange, detta interna ed esterna, coassiali e spaziate, solidali al corpo del gruppo iniettore, detti passaggi per il gas combustibile essendo ricavati lungo detta flangia interna.
8. Combustore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto condotto di premiscelazione presenta un tratto radiale, all'ingresso del quale è disposto detto vorticatore ed un tratto assiale uniti da un tratto curvo di raccordo senza spigoli vivi.
9. Combustore per turbine a gas con fiamma a diffusione sostanzialmente come sopra descritto ed illustrato con riferimento ai disegni annessi.