适合多种燃料的燃气轮机燃烧器的制造方法
【专利说明】适合多种燃料的燃气轮机燃烧器
[0001]本申请是申请日为2014年06月12日，申请号为201480002116.7，发明名称为“适合多种燃料的燃气轮机燃烧器”的专利申请的分案申请。
技术领域
[0002]本发明涉及一种在确保低排放性能的同时能够有效利用含有氢气燃料的适合多种燃料的燃气轮机燃烧器。
【背景技术】
[0003]在燃气涡轮发动机的燃烧器中，作为得到包括低N0X化的低排放性能的技术，已知除了在燃烧中喷射水或蒸汽的湿式燃烧器，还有将燃料和压缩空气混合生成的预混合气体喷射至燃烧室内使其稀薄预混合燃烧的作为干式的DLE(Dry Low Emiss1ns)燃烧器。作为该DLE燃烧器的燃料，可以使用天然气、灯油、轻油等烃类燃料。
[0004]另外，近年来，谋求将从化工设备等产生的氢气作为燃气轮机燃烧器的燃料来有效利用。作为将氢气作为燃料利用的燃气轮机燃烧器，已知如专利文献1那样的燃烧器。
[0005]现有技术文献
[0006]专利文献
[0007]专利文献1:日本专利公开2011-75174号公报
【发明内容】
[0008](一 )要解决的技术问题
[0009]像氢气这样的气体，与上述烃类燃料相比，由于其燃烧速度快，因此如果将该气体与DLE燃烧器的燃料大量混合，则有可能产生在比较长的预混合通道中火焰逆行而导致加热或损伤的被称为反焰的现象。对此，在专利文献1中采用扩散燃烧来谋求降低反焰的风险，同时将氢气用作燃料。即专利文献1的技术不涉及稀薄预混合燃烧。
[0010]本发明的目的在于提供一种适合多种燃料的燃气轮机燃烧器，其维持由预混合燃烧得到的良好的低排放性能，并使含有高浓度的氢气的气体以低N0X燃烧。
[0011](二)技术方案
[0012]为了实现上述目的，本发明的适合多种燃料的燃气轮机燃烧器具备主喷燃器和补燃喷燃器，所述主喷燃器向燃烧室内的第一燃烧区域供应含有第一燃料的预混合气体，使其燃烧；所述补燃喷燃器向比所述燃烧室内的所述第一燃烧区域更下游的第二燃烧区域供应含有与所述第一燃料组成不同的补燃用的第二燃料的预混合气体，使其燃烧，所述第一燃料为烃类，所述第二燃料为含有超过氢气稳定燃烧极限浓度的氢气的气体。这里，烃类是指含有60%体积以上的烃且氢气为所述稳定燃烧极限浓度以下的气体，或者是含有60%体积以上烃的液体。另外，氢气稳定燃烧极限浓度，是指在具有火焰保持机构及旋流器(7、7-7 )的主喷燃器内生成含有氢气的预混合气体时，成为发生反焰从而破坏稳定燃烧与维持稳定燃烧的边界的最大限度的氢气浓度体积)。该氢气稳定燃烧极限浓度通常为8?15%体积，在本实施方式中为10%体积左右。
[0013]在该燃气轮机燃烧器中，由于向将预混合气体供给第一燃烧区域使其燃烧的主喷燃器供应燃烧速度低的烃类的第一燃料，不会发生反焰，由此能够维持良好的低排放性能。另一方面，在对应发动机负荷的增大而将运转范围向高输出侧扩展的情况下，由于将第二燃料与空气混合而成的预混合气体从补燃喷燃器供给第二燃烧区域并燃烧，因此可以通过导入空气使含有燃烧速度快的氢气的第二燃料以低燃烧温度燃烧，其结果，能够使通常N0X产生量多的氢气以低NOjP低排放燃烧。此外，这里所称的“不同的组成”是指主要成分或元素含有率不同。另外，由于补燃喷燃器在主喷燃器的燃烧大致结束并产生有高温燃烧气体的状态下工作，因此从补燃喷燃器喷射的预混合气体在无保持火焰机构下通过高温燃烧气体，稳定并促进燃烧反应。基于这样的理由，作为第二燃料，即使使用含有超过稳定燃烧极限的氢气的气体，也不会有发生反焰的风险。
[0014]在本发明中，所述补燃喷燃器优选为将所述第一燃料及所述第二燃料与空气预混合并向第二燃烧区域供应的预混合喷燃器。由此，在第一燃料或第二燃料中的任意一方不足的情况下，可以通过向充足那一方的燃料混合空气并供给第二燃烧区域来应对。例如，在使用化工设备产生的副产物氢气作为第二燃料的情况下，由于化工设备停止运转等而导致第二燃料不足时，能够从补燃喷燃器将第一燃料向第二燃烧区域供应，来维持所需的高输出运转。
[0015]在本发明中，在向所述补燃喷燃器供应第一燃料及第二燃料二者的情况下，所述补燃喷燃器优选具有导入空气的预混合室、向所述预混合室喷射所述第一燃料的第一喷嘴以及向所述预混合室喷射所述第二燃料的第二喷嘴。由此，在预混合室中，从第一喷嘴喷射出的第一燃料和从第二喷嘴喷射出的第二燃料与被导入预混合室空气充分混合，生成良好的混合气体，并向第二燃烧区域供应。
[0016]在向所述补燃喷燃器供应第一燃料及第二燃料二者的情况下，所述补燃喷燃器优选具有导入所述第一燃料和所述第二燃料的混合室，以及将来自所述混合室的混合燃料与空气预混合的预混合室。由此，由于在将第一燃料和第二燃料导入混合室内并预先混合后，将该混合燃料导入预混合室并与空气预混合，因此第一燃料、第二燃料及空气的分配可以遍及整体并生成均等的预混合气体。
[0017]在向所述补燃喷燃器供应第一燃料及第二燃料二者的情况下，所述补燃喷燃器的结构可以设置为具有将所述第一燃料与空气预混合并喷射的第一喷燃器以及将所述第二燃料与空气预混合并喷射的第二喷燃器。由此，能够简化第一喷燃器和第二喷燃器的结构。
[0018]在向所述补燃喷燃器供应第一燃料及第二燃料二者的情况下，优选地，在向所述主喷燃器供应所述第一燃料的主燃料供给通道上设置第一燃料控制阀，向所述补燃喷燃器供应所述第一燃料的第一补燃燃料供给通道从所述主燃料供给通道上的所述第一燃料控制阀的上游侧分路。由此，无论第一燃料控制阀的调节而相伴随的主燃料供给通道的压力如何变化，都能够始终稳定地向补燃喷燃器供应所需量的第一燃料。
[0019]在本发明中，优选地，具备向所述第一燃烧区域喷射所述第一燃料并使其扩散燃烧的引燃喷燃器(口、y卜八一于);具有在所述主喷燃器工作时将所述第二燃料导入引燃燃料供给通道的引燃辅助通道，所述引燃燃料供给通道是向所述引燃喷燃器供应所述第一燃料的通道。由此，由于含有氢气的第二燃料也向扩散燃烧式引燃喷燃器供应，通过燃烧温度高的氢气，能够使引燃喷燃器的燃烧稳定化。
[0020]权利要求书及/或说明书及/或说明书附图所公开的至少两种结构的任意组合也包含在本发明中。特别是，权利要求书的各权利要求项中的两项任意组合，均包含于本发明。
【附图说明】
[0021]通过参照附图对以下优选的实施方式进行说明，可更加清楚地理解本发明。但是，实施方式及附图仅用于图示及说明，不应用于确定本发明的范围。本发明的范围由附上的权利要求书确定。在附图中，多张附图中的相同附图标记表示相同或与其相当的部分。
[0022]图1表示适用本发明燃气轮机燃烧器的燃气涡轮发动机的概略结构图。
[0023]图2是综合表示本发明第一实施方式的燃气轮机燃烧器和其燃料供给系统的概略纵向剖视图。
[0024]图3A是图2的局部放大图。
[0025]图3B是图3A的II1-1II线剖视图。
[0026]图4是表示同上燃气涡轮发动机的负荷变化和与其对应的第二燃料的燃料使用量之间关系的特性图。
[0027]图5是综合表示本发明第二实施方式的燃气轮机燃烧器和其燃料供给系统的概略纵向剖视图。
[0028]图6是综合表示本发明第三实施方式的燃气轮机燃烧器和其燃料供给系统的概略纵向剖视图。
[0029]图7是综合表示本发明第四实施方式的燃气轮机燃烧器和其燃料供给系统的概略纵向剖视图。
【具体实施方式】
[0030]下面，参照附图对本发明优选的实施方式进行说明。在本发明的实施方式中，适用燃气轮机燃烧器的燃气涡轮发动机GT为如图1所示的单缸型，但也可以为多缸型。该燃气涡轮发动机GT具有离心压缩机1、燃烧器2及涡轮3，所述离心压缩机1压缩从空气流入口la吸入的空气A ;所述燃烧器2向被压缩的空气A供应燃料并使其燃烧；所述涡轮3由来自燃烧器2的燃烧气体来驱动。燃烧器2相对于发动机旋转轴心C在大致径向上突出配置。由燃烧器2产生的燃烧气体被导向涡轮3来使涡轮3旋转，驱动通过旋转轴4与该涡轮3连接的离心压缩机1及例如为发电机的负荷7。通过涡轮3的废气EG由废气管8向外部排出。
[0031]如图2所示，该燃烧器2是逆流缸型，即从离心压缩机1 (图1)导入空气通道22内压缩空气A与燃烧气体G在燃烧器2内呈相互反向流动