MX2012014714A - Inyeccion secundaria de agua para sistemas de combustion por difusion. - Google Patents
Inyeccion secundaria de agua para sistemas de combustion por difusion.Info
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Abstract
La dinámica de emisiones y combustión de un motor de turbina se manejan mediante un sistema combustor que inyecta agua en el flujo de combustible primario y suministra un vapor de agua secundario a la zona de llama del combustor a través de una boquilla central, de líquido secundario o del ensamble de boquilla de combustible.
Description
INYECCIÓN SECUNDARIA DE AGUA PARA SISTEMAS DE COMBUSTIÓN POR
DIFUSION
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La invención generalmente se refiere a los combustores de llama de difusión para motores de turbina y más particularmente a suministrar agua en la forma de agua líquida a tales combustores de llama de difusión.
ANTECEDENTES DE LA INVENCION
NOx es un término genérico para los óxidos de mono-nitrógeno NO y N02 (óxido nítrico y dióxido de nitrógeno) . El desarrollo del combustor se enfoca en tratar las emisiones de NOx de escape sin impactar negativamente otras áreas críticas que son parte del diseño general del sistema. Con los combustores de llama de difusión, se puede inyectar agua o vapor en el combustor para controlar las emisiones de NOx. Inyectar agua puede provocar problemas de estabilidad no deseados en la forma de alta dinámica del combustor y problemas de durabilidad con respecto al agrietamiento de la camisa. El desarrollo de tales sistemas requiere un balance delicado de estos criterios de diseño que compiten emisiones, dinámica, y vida del hardware.
En los combustores de llama de difusión de motores de turbina de gas, se suministra un combustible primario, frecuentemente en un estado gaseoso tal como el metano o gas natural. En el combustor, el gas combustible se mezcla con aire comprimido y agua en la forma de liquido o vapor. Los criterios de diseño requieren el mezclado apropiado del combustible y el agua. Los métodos inefectivos para distribuir y mezclar el H20 resultan en mayores emisiones de NOx y dinámica inaceptable.
Por lo tanto, no solamente es benéfico reducir las emisiones del motor, sino que también es deseable mejorar la dinámica de combustión y el desempeño del motor al habilitar operación del motor aceptable en temperaturas de llama más altas; la presente invención facilita cada una de estas metas .
BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
De acuerdo con los aspectos de la invención, un sistema de combustión del motor de turbina incluye un ensamble de boquilla de combustible que tiene una salida de combustible primario y una boquilla secundaria para pulverizar un liquido aguas abajo de la salida de combustible primario en la zona de llama del combustor. _ Una linea de combustible, en comunicación de fluido con la salida de combustible primario, suministra combustible a la salida de combustible primario. Una linea de agua primaria suministra agua a la mezcla con combustible aguas arriba de la salida de combustible primario, y una linea secundaria proporciona agua a la zona de llama a través de la boquilla secundaria para pulverizar liquido. La boquilla secundaria esta alineada en la linea central del ensamble de boquilla de combustible. La boquilla secundaria de liquido dispensa el agua en un patrón de pulverización de cono hueco al interior del combustor.
Una linea separada puede también suministrar combustible secundario, tal como un combustible de petróleo liquido, a la posible de liquido secundario. El combustible primario puede ser gaseoso.
El ensamble de boquilla de combustible puede también incluir una tapa de atomización de aire que tiene una pluralidad de agujeros que rodean la boquilla de liquido.
Los aspectos de la invención también presentan un método para controlar las emisiones en un combustor de turbina que comprende los pasos de:
inyectar agua primaria en un primer flujo de combustible ;
suministrar la mezcla del primer flujo de combustible y agua a una cámara de combustión a través de un ensamble de boquilla de combustible;
hacer combustión del primer flujo de combustible en una zona de llama; e
inyectar agua secundaria en la zona de llama en un patrón de pulverización de cono hueco.
Estos sistemas y métodos mejoran el control de las emisiones mientras se maneja la dinámica de combustión y se reduce el desgaste del hardware del sistema.
BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS
La Figura 1 es una vista esquemática de un ensamble de boguilla de combustible para un combustor de llama de difusión con líneas de . suministro de agua primaria y secundaria .
La Figura 2 es una vista esquemática del extremo del lado derecho de la Figura 1, que muestra una tapa de atomización de aire y una boquilla de combustible líquido.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
Con referencia a la Figura 1, se proporciona un ensamble de boquilla de combustible 1 para un combustor de llama de difusión de motor de turbina. Una línea de combustible 2 puede suministrar combustible 3 al ensamble de boquilla de combustible 1. Una línea de fluido primario (agua) 4 puede suministrar un primer fluido, tal como agua, a una dona de inyección de agua 5 acoplada a la línea de combustible 2. La dona de inyección de agua 5 puede estar montada para rodear o envolver la línea de combustible 2. La dona de inyección de agua 5 pueden facilitar la inyección de uno o más torrentes de agua 6 en el combustible 3 que fluye a través de la linea de combustible 2.
Adicionalmente o alternativamente, se inyecta agua en la zona de llama de quemado combustión del combustor aguas abajo del ensamble de boquilla de combustible 1. Inyectar agua tanto en la zona de combustible como en la de combustión puede controlar el escape de emisiones, particularmente NOx .
Como se utiliza en este documento, agua se refiere a sus diferentes fases, incluyendo líquida o vapor, y combinaciones de líquido y vapor, e incluso gotitas. El agua se puede denominar en este documento alternativamente como líquido o vapor .
Una línea de fluido secundario (agua) 8 puede también suministrar un segundo fluido 13, tal como agua, al ensamble de boquilla de combustible 1. La línea de agua secundaria 8 (8A, 8B) se puede utilizar sola o en combinación con la línea de agua primaria 4. La línea de agua primaria 4 y la línea de agua secundaria 8 pueden ser suministradas por las mismas o diferentes fuentes de agua 7. Cuando la turbina de combustión está operando en gas natural, puede ser benéfico inyectar agua en dos ubicaciones a través de la linea de agua primaria 4 y la linea de agua secundaria 8. Cuando se emplean la linea de agua primaria 4 y la linea de agua secundaria 8, el suministro de agua típicamente se divide por igual entre los dos sitios de inyección, primario y secundario. Se pueden emplear diferentes relaciones de suministro. Por ejemplo, la relación del suministro de agua a través de la línea de agua primaria 4 con el suministro de agua a través de la línea de agua secundaria 8 puede ser 50:50, 60:40, 70:30, 80:20, 90:10, 100:0, 40:60, 30:70, 20:80, 10:90, ó 0:100 o cualquier otra combinación.
La línea de agua secundaria 8A puede suministrar agua al combustor a través del ensamble de boquilla de combustible. Con referencia a la Figura 2, se puede utilizar una boquilla de combustible líquido 11, por ejemplo, en el ensamble de boquilla de combustible para inyectar agua desde la línea de fluido secundario 8A. La boquilla de combustible líquido 11 puede estar alineada en la línea central 12 del ensamble de boquilla de combustible, como se ilustra en la Figura 1. La línea central 12 puede ser paralela a una dirección de flujo a través del ensamble de boquilla de combustible 1. La boquilla de combustible líquido 11 distribuye convenientemente el agua igualmente en torno a la línea central no se en un patrón de pulverización de cono hueco. La calidad de la pulverización de agua se mejora por la inyección a través de la boquilla de combustible liquido 11 ya que ésta crea una distribución uniforme y pequeñas gotitas o partículas de agua. Este patrón puede resultar en mezclado mejorado del agua secundaria con el combustible gaseoso para la reducción efectiva de NOx y estabilidad mejorada. El caudal de la boquilla de combustible líquido 11 se calibra preferiblemente a un ±3%.
El ensamble de boquilla combustible 1 puede incluir una tapa de atomización de aire 9. La tapa de atomización del aire 9 puede rodear la boquilla de combustible liquido 11 de inyección secundaria y tiene uno o más agujeros 10. Por ejemplo, la tapa de atomización de aire 9 puede tener cuatro agujeros 10. En sistemas de combustible de gas previos, el agua ha sido suministrada a través del uso de los 10, pero la tapa de atomización de aire 9 puede sufrir de distribución de agua pobre provocada por, por ejemplo, la formación de grandes gotas que resultan de la inyección a través del agujero o agujeros 10 discretos. Además, ya que la orientación de los agujeros 10 no se controla durante el ensamble del hardware, puede existir una variación entre las posiciones del combustor para el motor.
De acuerdo con los aspectos de la invención, el agua se suministra a través de la boquilla de combustible líquido 11 de inyección secundaria en lugar de los agujeros 10 de la tapa de atomización de aire 9 durante la operación de combustible de gas. Este esquema de inyección de agua alterno para inyectar agua en el combustor, operando en combustible gaseoso, ayuda a reducir las emisiones de NOx mientras mantiene actividad dinámica aceptable. Pruebas han demostrado que las modalidades que inyectan agua en una manera más controlada, a través de la boquilla de combustible líquido 11, pueden beneficiar en todas las tres áreas de diseño -emisiones, dinámica, y vida del hardware. Antes de implementar este diseño, el motor tuvo dificultad para conseguir los objetivos deseados de emisiones mientras que al mismo tiempo mantener la dinámica aceptable. Por lo tanto, se ha encontrado que es benéfico utilizar la boquilla de combustible líquido 11 para inyectar el agua secundaria en la zona de llama en lugar de la tapa de atomización de aire 9. La tapa de atomización de aire se utiliza para inyectar agua durante operación de combustible líquido de carga alta.
Claims (16)
1. Un sistema de combustión de motor de turbina, que comprende : una cámara de combustión que proporciona una zona de llama para combustible quemado; un ensamble de boquilla de combustible que tiene una salida de combustible primario y una boquilla de liquido secundario para pulverizar un liquido aguas abajo de la salida de combustible primario al interior de la zona de llama; una linea de combustible en comunicación de fluido con la salida de combustible primario para suministrar combustible a la salida de combustible primario; una linea de agua primaria en comunicación de fluido con la linea de combustible y que suministra agua para mezclarse con el combustible en la linea de combustible aguas arriba de la salida de combustible primario; y la línea de agua secundaria en comunicación de fluido con la boquilla de combustible de líquido secundario para suministrar agua a la zona de llama a través de la boquilla de líquido secundario.
2. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la boquilla de líquido secundario está sustancialmente alineada en una línea central del ensamble de boquilla de combustible.
3. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la boquilla de líquido secundario dispensa el agua en un patrón de pulverización de cono hueco al interior del combustor.
4. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, además comprende una línea secundaria para suministrar cualquiera de un combustible secundario o agua la boquilla secundaria .
5. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el combustible secundario es un combustible de petróleo.
6. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el combustible para la salida de combustible primario es gaseoso.
7. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el ensamble de boquilla de combustible incluye una tapa de atomización de aire que tiene una pluralidad de agujeros que rodean la boquilla combustible secundario .
8. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la boquilla de liquido está calibrada en cuanto al flujo a un ±3%.
9. Un ensamble de boquilla combustible para sistema de combustión de motor de turbina que comprende: un ensamble de boquilla combustible que tiene una salida de combustible primario y una boquilla de liquido secundario para pulverizar un liquido aguas abajo de la salida de combustible primario; una linea de combustible en comunicación de fluido con la salida de combustible primario para suministrar combustible a la salida de combustible primario; una linea de agua primaria en comunicación de fluido con la linea de combustible y que suministra agua para mezclarse con el combustible en la linea de combustible aguas arriba de la sal ida de combustible primario; y una linea de agua secundaria en comunicación de fluido con la boquilla de liquido secundario para suministrar cualquiera de combustible o agua a través de la boquilla de combustible secundario.
10. El ensamble de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizado porque la boquilla de liquido secundario está sustancialmente alineada en una linea central del ensamble de boquilla de combustible.
11. El ensamble de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizado porque la boquilla dispensa el agua en un patrón de pulverización de cono hueco durante la operación de combustible de gas.
12. El ensamble de acuerdo con la reivindicación 9, además comprende una linea de combustible secundario para suministrar un combustible secundario a la boquilla de liquido secundario.
13. El ensamble de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizado porque el combustible es un combustible de petróleo.
14. El ensamble de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizado porque el combustible para la salida de combustible primario es gaseoso.
15. El ensamble de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizado porque el ensamble de boquilla de combustible incluye una tapa de atomización de aire que tiene una pluralidad de agujeros que rodean la boquilla de liquido secundario .
16. Un método para controlar las emisiones en un combustor de turbina que comprende los pasos de: inyectar agua en un flujo de combustible gaseoso primario; suministrar un el primer flujo de combustible inyectado con agua a una cámara de combustión a través de un ensamble de boquilla de combustible; hacer combustión del primer flujo de combustible en una zona de llama; e inyectar agua en la zona de llama en un patrón de pulverización de cono hueco.
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