燃气轮机燃烧系统的制作方法

燃气轮机燃烧系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种燃气轮机燃烧系统，能够在从部分负载到额定负载为止的全负载条件下抑制气体燃料的未燃烧成分排出。上述燃气轮机燃烧系统的特征在于，具备：多个气体燃料燃烧嘴(32、33)；IGV(9)，其调整与气体燃料混合的空气的流量；以及控制装置(500)，其在燃烧模式从由多个气体燃料燃烧嘴(32、33)的一部分使气体燃料燃烧的部分燃烧模式切换到由全部气体燃料燃烧嘴(32、33)使气体燃料燃烧的完全燃烧模式时，向IGV(9)输出信号使空气流量暂时从基准流量下降至设定流量。
【专利说明】燃气轮机燃烧系统

【技术领域】
[0001]本发明涉及燃气轮机燃烧系统。

【背景技术】
[0002]近年，从发电成本降低、资源有效利用、防止地球变暖等角度出发，研究将由钢铁厂副生的焦炉煤气或由炼油厂副生的废气等副生气体有效用作燃料。另外，研究如下方案，在将丰富的资源即煤炭气化并发电的煤炭气化复合发电设备(IGCC:1ntegrated coalGasificat1n Combined Cycle)中，通过将供给至燃气轮机的气体燃料中的碳回收、积存的系统(CCS:Carbon Capture and Storage),将煤炭的碳转化为氢(H2)并减少二氧化碳(CO2)的排出量(参照专利文献I等)。
[0003]现有技术文献
[0004]专利文献1:日本特开2013-139975号公报
[0005]副生气体或煤气等含有氢。在使用这种气体燃料的情况下，若点火失败则气体燃料未燃烧直接从燃烧嘴排出导致氢浸入涡轮。因此存在采用如下运行方法的情况，以不含氢的起动用燃料(油燃料)点火，在部分负载条件下将燃料从起动用燃料替换为气体燃料后，增加使气体燃料燃烧的燃烧嘴的数量并向额定负载条件转移。在IGCC设备中，由于气化炉利用由涡轮废热产生的蒸汽来生成煤气化气体，因此以煤气化气体以外的起动用燃料起动涡轮，并采用上述的运行方法。
[0006]但是，在将燃烧模式从使用一部分燃烧嘴使气体燃料燃烧的模式(以下，部分燃烧模式)切换到使用全部的燃烧嘴使气体燃料燃烧的模式(以下，完全燃烧模式)之后，由于相对于燃料流量的增加比例燃烧区域的扩大较大，因此燃料浓度暂时地降低。在燃料浓度降低期间，火焰温度降低引起气体燃料的不完全燃烧，CO或未燃烧碳化氢等未燃烧成分的排出量增加。在这种情况下，存在未燃烧成分的排出量超过环境限制值进而发电输出降低等不便的麻烦。


【发明内容】

[0007]本发明的目的在于提供一种燃气轮机燃烧系统，能够在从部分负载到额定负载的全负载条件下抑制气体燃料的未燃烧成分的排出。
[0008]为实现上述目的，本发明在将燃烧模式从由多个气体燃料燃烧嘴的一部分使气体燃料燃烧的部分燃烧模式切换为由全部多个气体燃料的燃烧嘴使气体燃料燃烧的完全燃烧模式时，使燃烧嘴入口空气流量从基准流量暂时下降至设定流量。
[0009]本发明的效果如下。
[0010]根据本发明，在从部分负载至额定负载的全负载条件下抑制气体燃料的未燃烧成分的排出。因此，即使使用含有H2或CO的气体燃料也能够抑制CO或未燃烧碳化氢等的排出量。

【专利附图】

【附图说明】
[0011]图1是表示具备本发明的第一实施方式的燃气轮机燃烧系统的涡轮设备的一构成例的图。
[0012]图2是表示从燃气轮机的起动到额定负载条件为止的IGV散度、燃烧器入口空气流量、燃料流量、燃空比以及燃烧气体温度的变化的图。
[0013]图3是表示由本发明的第一实施方式的燃气轮机燃烧系统所具备的控制装置进行的向空气流量调整装置的指令信号输出次序的控制方框图。
[0014]图4是表示主燃烧嘴外周区域的局部火焰温度与未燃烧成分排出量的关系线的图。
[0015]图5是表示将未燃烧成分排出量抑制在规定值以下所需要的主燃烧嘴外周火焰温度与气体燃料组成的关系的图。
[0016]图6是表示未燃烧成分排出量等诸量相对于燃气轮机负载的变化的图。
[0017]图7是表示具备本发明的第二实施方式的燃气轮机燃烧系统的涡轮设备的一构成例的图。
[0018]图8是表示具备本发明的第三实施方式的燃气轮机燃烧系统的涡轮设备的一构成例的图。
[0019]图中:2—压缩机，3—燃烧器，4一涡轮，6—发电机，9—IGV(空气流量调整装置)，11 一抽气调整阀(空气流量调整装置)，14一抽气调整阀(空气流量调整装置)，20—空气孔板，21—空气孔，22—燃料喷嘴，32—先导式燃烧嘴(气体燃料燃烧嘴、双重燃烧嘴)，72—气体燃料系统，400—气体测量器，500—控制装置，601—气体温度测量器。

【具体实施方式】
[0020]以下使用附图对本发明的实施方式进行说明。
[0021]本发明的燃气轮机燃烧器除通常的气体燃料之外，也适用于使作为组成成分包含氢的气体燃料(以下，称为含氢燃料)燃烧。具体来说，本发明的燃气轮机燃烧器能够优选适用于例如，除使用将煤炭气化而得的含氢燃料的煤炭气化复合发电设备之外，将从制铁设备得到的副生气体即焦炉煤气(C0G:Coke Oven Gas)、高炉煤气(BFG:Blast FurnaceGas)、转炉煤气(LDC:Linzer Donawitz Gas)或是它们的混合气体用作燃料的燃气轮机、或是使用从粗汽油分解装置等得到的副生气体等包含以氢为组成成分的气体燃料(含氢燃料)的燃气轮机。
[0022](第一实施方式)
[0023]1.燃气轮机设备
[0024]图1是表示具备本发明的第一实施方式的燃气轮机燃烧系统的涡轮设备的一构成例的图。
[0025]该图所示的燃气轮机设备I具备燃气轮机以及由燃气轮机驱动的发电机6。燃气轮机具备压缩机2、燃气轮机燃烧系统以及涡轮4。压缩机2、涡轮4以及发电机6的各转子连结在同轴上。对燃气轮机燃烧系统进行下述，其具备燃烧器3作为主要的构成要素。
[0026]该燃气轮机设备I的动作如下所述。即、从大气中吸入的空气101由空气压缩机2压缩，压缩空气102向燃烧器3供给。在燃烧器3中使气体燃料与压缩空气102 —同燃烧而生成燃烧气体110。涡轮4通过由燃烧器3生成的燃烧气体110驱动。发电机6由涡轮4的旋转动力驱动而发电。
[0027]2.燃气轮机燃烧系统
[0028]燃气轮机燃烧系统具备燃烧器3、液体燃料系统71、气体燃料系统72、IGV9以及控制装置500。以下分别依次对这些构成要素进行说明。
[0029].燃烧器
[0030]燃烧器3具备外筒10、内衬12、尾筒(不图示)以及燃烧嘴8。外筒10是设置于涡轮壳(未图示)外周部的圆筒状部件。外筒10的与涡轮4相反侧的端部(头部)由端罩13封闭。内衬12是在内部形成燃烧室5的圆筒状燃烧器内筒，设置于外筒10的内侧并在与外筒10之间形成有环状的空气流道。在该内衬12上穿设有多个空气孔。燃烧室5是由内衬12在燃烧嘴8与尾筒之间形成的空间，从燃烧嘴8喷出的燃料与空气102a —同在此燃烧。尾筒是与涡轮4的气道入口(初级静叶片入口)和内衬12顺畅地连接的部件。另夕卜，在端罩13上设置有向燃烧嘴8分配燃料的燃料分配器23。另外，虽然未特别地图示，但是在燃烧器3中还具备对燃烧室5内的燃料以及空气的混合气点火的点火装置。在燃气轮机设备I中，在涡轮壳(未图示)的外周部沿圆周方向以一定的间隔设置有多个这样的燃烧器9。
[0031]燃烧嘴8设置在端罩13上而位于与燃烧室5之间。该燃烧嘴8含有多个单元燃烧嘴，在燃烧器3的中央部配置一个先导式燃烧嘴32，在先导式燃烧嘴32的径方向外侧以包围先导式燃烧嘴32的方式配置有多个主燃烧嘴33。
[0032]各主燃烧嘴33为气体燃料燃烧嘴，具备空气孔板20以及多个燃料喷嘴22。但是，空气孔板20是多个主燃烧嘴33的空气孔板彼此连结的。该空气孔板20配置为主面(面积最大的一面)面向燃烧室5，并具有多个沿从端罩13朝向燃烧室5的方向延伸的空气孔21。从这些空气孔21向燃烧室5喷出空气102a。存在与各燃料喷嘴22分别成对的空气孔21，各燃料喷嘴22以与对应的空气孔21处于同轴的方式从燃料分配器23延伸，另外，也存在各燃料喷嘴22的前端插入空气孔21 (位于空气孔21内)的情况，但在本实施方式中构成为前端与空气孔21的入口相对(比空气孔板20更靠近端罩13侧)。从燃料喷嘴22喷射的气体燃料通过具有对应关系的空气孔21，与通过该空气孔21的空气121a—同向燃烧室5喷出。另外，在多个主燃烧嘴33中，空气孔21并列在以各个燃烧嘴轴为中心的多列(本例中为3列)同心圆上。将这些空气孔的列从各主燃烧嘴33的中心朝向径方向外侧依次记作，第一列空气孔51、第二列空气孔52以及第三列空气孔53。此外，在以下的说明中，在称为“主燃烧嘴内周”的情况下是指各燃烧嘴33的第一列空气孔51，在称为“主燃烧嘴外周”的情况下是指第二列空气孔52以及第三列空气孔53。
[0033]先导式燃烧嘴32是使气体燃料以及液体燃料双方燃烧的双重燃烧嘴，位于多个主燃烧嘴33的中心。具体来说，构成为具备气体燃料燃烧嘴部和液体燃料燃烧嘴部。气体燃料燃烧嘴部的结构与主燃烧嘴33类似，具有空气孔板和多个燃料喷嘴，在空气孔板上设置有与各燃料喷嘴成对的多个空气孔。该气体燃料燃烧嘴部与主燃烧嘴33的不同点在于空气孔列为两列以及空气孔朝向燃烧室5并向燃烧器3的中心轴侧倾斜。液体燃料燃烧嘴部由液体燃料喷嘴(例如喷油嘴)40构成，位于气体燃料喷嘴部的中央(气体燃料喷嘴的空气孔列的中心)。
[0034].液体燃料系统
[0035]液体燃料系统71是向先导式燃烧嘴32的液体燃料喷嘴40供给液体燃料的燃料系统，具备液体燃料源210、燃料切断阀65以及燃料控制阀66。从液体燃料源210供给作为起动用燃料的轻油、煤油或是A重油等油燃料。该液体燃料源210通过管道204与液体燃料喷嘴40连接。在管道204中设置有上述燃料切断阀65以及燃料控制阀66。燃料切断阀65以及燃料控制阀66由来自控制装置500的信号驱动，各自进行打开关闭或改变散度。
[0036].气体燃料系统
[0037]气体燃料系统72是向先导式燃烧嘴32的气体燃料燃烧嘴部以及各主燃烧嘴33供给气体燃料的燃料系统，具备气体燃料源200、燃料切断阀60以及燃料控制阀61-63。从气体燃料源200供给焦炉煤气、炼油厂废气或是煤炭气化气体等含有氢或一氧化碳的燃料。该气体燃料源200的气体燃料所通过的管道分岔为三系统的管道201-203，管道201与先导式燃烧嘴32的气体燃料燃烧嘴部的燃料分配器23连接，管道202与各主燃烧嘴内周的燃料分配器23连接，管道203与各主燃烧嘴外周的燃料分配器23连接。燃料切断阀60设置于分岔前的管道，燃料控制阀61-63分别设置于管道201-203。燃料切断阀60以及燃料控制阀61-63由来自控制装置500的信号驱动，各自进行打开关闭或改变散度。通过燃料控制阀61-63的打开关闭以及散度调整，构成为向先导式燃烧嘴32、各主燃烧嘴内周以及各燃烧嘴外周供给的气体燃料的比例可变。
[0038]另外，在气体燃料源200与燃料切断阀60之间的管道中设置有气体测量器400以及气体温度测量器601。气体测量器400是测量从气体燃料源200供给的气体燃料的组成或发热量的测量器，在本实施方式的情况下，测量氢、一氧化碳、甲烷、二氧化碳、氮的浓度，并基于这些测量值来测量发热量。气体温度测量器601是测量气体燃料的温度的热电偶等测量器，在本实施方式中设置在从气体燃料源200与燃料切断阀60之间的管道至气体测量器400的管道途中。
[0039].IGV
[0040]IGVdnlet Guide Vane) 9是设置于压缩机2入口的入口导向叶片。在本实施方式中，IGV9起到调整在燃烧器3中与气体燃料混合的空气的流量的空气流量调整装置的作用，通过调节IGV9的散度来调节压缩机2吸入的空气101的流量，其结果能够调节向燃烧器3供给的空气流量。
[0041]?控制装置
[0042]控制装置500具有如下功能，基于电力测量器602、空气温度测量器603、空气流量测量器604、气体温度测量器601以及气体测量器400的测量结果来控制燃料切断阀60、65、燃料控制阀61-63、66以及IGV9。在控制装置500中包含收藏有燃料切断阀60、65、燃料控制阀61-63、66以及IGV9的控制所必须的程序或数据的存储部、或存储有燃料切断阀
60、65、燃料控制阀61-63、66以及IGV9的控制记录(散度记录)的存储部。具体来说，控制装置500在将燃烧模式从由多个气体燃料燃烧嘴的一部分使气体燃料燃烧的部分燃烧模式切换为由全部多个气体燃料燃烧嘴使气体燃料燃烧的完全燃烧模式时，向IGV9输出信号使空气流量从基准流量暂时下降到设定流量。
[0043]所谓“部分燃烧模式”是指在关闭管道201-203中的至少一系统的状态下使气体燃料燃烧的燃烧模式，例如关闭管道202、203而仅向先导式燃烧嘴32分配气体燃料的状态、关闭管道203而仅向先导式燃烧嘴32以及各主燃烧嘴内周分配气体燃料的状态。对于所谓“完全燃烧模式”是指将管道201-203全部打开，从先导式燃烧嘴32、全部的主燃烧嘴内周以及全部的主燃烧嘴外周喷射气体燃料的燃烧模式。另外，所谓“基准流量”是指考虑了抑制部分负载条件下压缩机2的激荡以及结冰的产生而设定的值。所谓“设定流量”是指以抑制从部分燃烧模式向完全燃烧模式转移时燃烧嘴端面附近的局部燃空比的偏差为宗旨，基于分别由气体测量器400以及气体温度测量器601测量的气体燃料的组成以及温度而由控制装置500演算的值。
[0044]3.动作
[0045]图2是表示从燃气轮机的起动到额定负载条件为止的IGV散度、燃烧器入口空气流量、燃料流量、燃空比以及燃烧气体温度的变化的图。在本图的最上级，将燃烧模式示意化，用涂黑来表示运行中燃烧的燃烧嘴处。
[0046]从起动转移到额定负载条件为止的过程能够大致区分为下述的(a)?(f)6个过程。
[0047](a)燃气轮机起动
[0048](b)无负载额定转数(FSNL:Full Speed No Load)
[0049](c)燃料切换(液体燃料一气体燃料)
[0050](d)气体焚烧模式切换(部分燃烧模式一完全燃烧模式)
[0051](e)因排气温度的控制设定引起的IGV散度增加
[0052](f)额定负载条件
[0053]以下对各过程进行说明。
[0054](a)?(b):燃气轮机起动?无负载额定转数
[0055]控制装置500向起动用马达(不图示)输出信号，通过起动用马达起动燃气轮机。其后，当燃气轮机转数上升至满足可点火条件的值后，控制装置500向燃料切断阀65以及燃料控制阀66输出信号，向液体燃料喷嘴40供给液体燃料并使燃烧器3点火。从燃气轮机起动到开始获得负载(开始发电)为止的运行区域称为加速区。在加速区中，控制装置500向IGV9以及燃料控制阀66输出信号，一边在涡轮转数达到规定转数为止恒定地保持IGV9的散度，一边提升燃料控制阀66的散度。由此与燃料流量一同增加燃空比，使燃烧器出口的气体温度上升。
[0056]当涡轮转数达到规定转数后，控制装置500向IGV9输出信号，使IGV9的散度增加至基准散度。其后，随着燃料流量的增加，燃气轮机转数达到无负载额定转数(FSNL)。另夕卜，当空气流量达到基准流量后(IGV散度达到基准散度后)，控制装置500向发电机6输出信号，开始获得负载(开始发电)。
[0057]在此，“基准散度”是用于实现上述基准流量的IGV散度，是以在部分负载条件下不会使得压缩机2产生激荡或结冰的方式规定的散度。所谓激荡是指在增加压缩机2的压力比时,产生在任意压力比下伴随急剧较大地声音效果的压力变动、空气流的剧烈波动以及机械振动而使压缩机2的动作不稳定的现象。所谓积冰是指，在气温较低的条件下缩小IGV9的散度的情况下，随着IGV9的出口速度(马赫数)的增加流体温度下降而使大气中所含的水分冻结的现象。若产生结冰，则固化的水分(冰块)与压缩机2的叶片碰撞，存在损伤叶片的隐患。
[0058](b)?(c):无负载额定转数?燃料切换
[0059]达到无负载额定转数后，控制装置500开始从发电机6取得负载，运行区域为负载上升区。在该区域中，控制装置500恒定(基准散度)地保持IGV9的散度，并恒定(基准流量)地保持燃烧器入口空气流量。其间，由于与负载一同增加燃料流量而使燃空比增加，因此燃烧器出口气体温度上升。使负载上升，到达将燃料从起动用液体燃料切换为气体燃料的规定的部分负载条件(图2中的(c))。
[0060](c)?(d):燃料切换?气体焚烧模式切换
[0061]到达规定的部分负载条件后，控制装置500向燃料切断阀60、65以及燃料控制阀
61、62、66输出信号，一边使液体燃料的流量减少一边使对于先导式燃烧嘴32以及主燃烧嘴内周的气体燃料的流量增加，将燃料从液体燃料切换为气体燃料。燃料切换后的燃烧模式是仅使用先导式燃烧嘴32以及主燃烧嘴内周的部分燃烧模式。在部分燃烧模式的运行区域中，控制装置500将IGV散度维持在基准散度，将燃烧器入口空气流量保持在基准流量。在部分负载燃烧模式的运行中，控制装置500配合负载上升使气体燃料的流量增加，通过增加燃空比，燃烧器出口气体温度也上升。
[0062](d)?(e):气体焚烧模式切换?IGV散度增加
[0063]到达切换燃烧模式的规定的部分负载条件(d)后，控制装置500向燃料控制阀61-63输出信号，除先导式燃烧嘴32以及主燃烧嘴内周外也向主燃烧嘴外周分配气体燃料，将燃烧模式从部分燃烧模式切换到完全燃烧模式。在将燃烧模式切换为完全燃烧模式时，控制装置500向IGV9输出信号，使IGV散度从基准散度下降(仅Λ IGV)至设定散度，暂时地使燃烧器入口空气流量减少。其后，使IGV散度从设定散度逐渐回到基准散度，并使燃烧器入口空气流量返回基准流量。其间，控制装置500配合负载上升使气体燃料的流量增加。
[0064](e)?(f):1GV散度增加?额定负载条件
[0065]其后，燃烧器出口气体温度随着负载上升而上升，到达涡轮的排气温度超过限定值的条件(e)。当到达该条件(e)后，控制装置500使IGV9的散度从基准散度进一步增加，控制燃烧器出口气体温度将排气温度抑制在限定值以下。通过负载到达100%，运行条件转移到额定负载条件。此外，在负载上升区中，除了额定负载条件(负载100%)以外的区域称为部分负载区域。
[0066]在此，图3是表示利用控制装置500的向空气流量调整装置的指令信号输出次序的控制方框图。
[0067]在将燃烧模式从部分燃烧模式切换到完全燃烧模式之后，需要将IGV散度从基准散度IGVO缩小到设定散度IGV’。该燃烧模式的切换由燃气轮机负载到达上述条件(d)而触发。因此，在控制装置500基于电力测量器602的测量结果来判断燃气轮机负载到达条件⑷后，开始IGV散度的变化指令的控制。
[0068]开始IGV散度的变化指令的控制后，控制装置500输入由气体测量器400测量的气体燃料中未燃烧成分的浓度以及由气体温度测量器601测量的气体燃料的温度。这里所谓的输入的未燃烧成分浓度，是指应该抑制未燃烧而直接从燃烧器3排出的对象成分的气体燃料中的浓度，具体来说是指氢或一氧化碳的浓度，此外，也包含甲烷、二氧化碳、氮的浓度。在控制装置500中预先收藏有主燃烧嘴外周区域的局部火焰温度与未燃烧成分排出量的关系线(参照图4)，并根据该关系基于未燃烧成分浓度的输入值来算出满足未燃烧成分排出量的固定值Unburn(r)的主燃烧嘴外周局部火焰温度Tr。此时，严格来说，规定火焰温度Tr不仅随着包含于气体燃料的未燃烧成分的浓度变化，还随着燃料温度而变化。图5是表示将未燃烧成分排出量抑制在规定值以下所需要的主燃烧嘴外周火焰温度与气体燃料组成的关系的图。如该图所示，气体燃料中的未燃烧成分浓度越高或者燃料温度Tf(Tfl<Tf2<Tf3)越低，则满足未燃烧成分规定值Unburn (r)的Tr越高。因此，在控制装置500以图表形式预先收藏每个燃烧温度下主燃烧嘴外周区域的局部火焰温度与未燃烧成分排出量的关系，在控制装置500中，期望基于未燃烧成分浓度与燃料温度的输入值来算出主燃烧嘴外周局部火焰温度Tr。
[0069]接下来，控制装置500基于从气体测量器400、气体温度测量器601以及空气温度测量器603输入的现在的燃料组成、燃料温度、空气温度以及算出的主燃烧嘴外周局部火焰温度Tr，来算出用于实现主燃烧嘴外周局部火焰温度Tr的主燃烧嘴外周端面附近区域的局部燃空比(F/A)r。然后从(F/A)r和现在的气体燃料流量(燃料控制阀61-63)的散度算出实现主燃烧嘴外周局部火焰温度Tr所需要的空气流量Ar。
[0070]最后，控制装置500比较Ar和现在的空气流量，并基于IGV的散度与空气流量的关系，算出IGV散度的变化量AIGV。此时，为了避免因IGV散度极度减少而产生激荡或结冰，Λ IGV由IGV限定散度(最低减少量)限制。然后，控制装置500基于算出的AIGV，算出使IGV散度成为设定散度IGV’ ( = IGVO-Λ IGV)的指令值，并向IGV9输出指令信号。这样一来，IGV9的散度减少至设定散度IGV’，空气流量缩小至设定流量。控制装置500随后还反复实行图3的顺序。在反复实行图3的次序中，主燃烧嘴外周区域的燃空比上升，演算的设定散度IGV’逐渐靠近基准散度IGVO。S卩、设定散度IGV’并不恒定。该IGV散度的控制的结果，使IGV散度回复基准散度IGVO后，控制装置500结束图3的次序，将IGV散度保持在基准散度IGVO并增加燃料流量，经过如上所述的条件(c)增加IGV散度，从而转移至额定负载条件。
[0071]4.作用.效果
[0072]图6是表示未燃烧成分排出量等诸量相对于燃气轮机负载的变化的图。在该图中，将在向完全燃烧模式转移时保持燃烧器入口空气流量于基准流量的情况作为比较对象一并表示。比较对象与本实施方式共用的动作线由虚线表示，对与比较对象不同地变化的本实施方式所特有的动作线以实线区别表示。在该图中表示从燃气轮机起动至到达额定负载条件为止的IGV散度、未燃烧成分排出量、燃料流量、燃空比以及燃烧嘴各区域的局部火焰温度的变化。
[0073]首先，着眼于向完全燃烧模式转移时将燃烧器入口空气流量保持在基准流量的情况，可以看出，在气体焚烧的燃烧模式从部分燃烧模式向完全燃烧模式切换时(d)，未燃烧成分排出量激增。其后，虽然随着负载上升未燃烧成分排出量缓慢减少，但是未燃烧成分排出量较多的状态暂时持续，存在超过环境限制值的可能性。其后当负载进一步上升，在某一条件下未燃烧成分排出量开始减少，其后保持较少的未燃烧成分排出量地到达额定负载条件。
[0074]对向完全燃烧模式转移时基准流量不变而未燃烧成分排出量增加的原因考虑如下。即、当燃烧模式切换至完全燃烧模式后，燃料流量大致以图3所示的比例向各燃烧嘴分配。如该图所示，开始供给燃料后不久主燃烧嘴外周区域的燃空比低于先导式燃烧嘴或主燃烧嘴内周，主燃烧嘴外周的局部火焰温度处于暂时比其他低的状态。其结果，从主燃烧嘴外周喷出的气体燃料在没有完全燃烧的状态下作为一部分未燃烧成分被排出。另外，由于气体燃料含有CO，因此相比于一般所使用的天然气等燃料具有未燃烧成分排出量易于增加的趋势。负载上升后燃料流量增加，当主燃烧嘴外周的火焰温度上升至某一温度(该图中的TO)后，在主燃烧嘴外周区域气体燃料也开始完全燃烧，未燃烧成分排出量减少。
[0075]对此，在本实施方式中，通过在向完全燃烧模式转移时如实线所示地调整IGV散度并缩小空气流量，能够将主燃烧嘴外周区域的局部火焰温度保持在Tr以上并抑制未燃烧成分排出量。因此，即使使用含有H2或CO的气体燃料，也能够从部分负载到定格负载为止的全负载条件下抑制气体燃料的未燃烧成分的排出。由此，能够抑制未燃烧成分排出量超过环境限制值，更能够抑制发电输出降低。
[0076]另外，本实施方式的气体燃料含有氢(H2)或一氧化碳(CO)作为主要成分，相比于燃气轮机一般所使用的天然气(主要成分为甲烷)燃烧速度较快。因此，在燃烧室5内的燃烧嘴端面附近形成高温的火焰。对此，在本实施方式中采用如下的燃烧嘴结构，成对设置多对燃料喷嘴22和空气孔21，通过多个空气孔21向燃烧室5内喷出周围被空气流覆盖状态的燃料流，并通过流道的迅速扩大来急剧地使燃料和空气混合。由此，因为能够一边提高燃料的分散性一边在燃烧室内均匀地使燃料燃烧，所以能够抑制形成高温的火焰，并能够抑制燃烧嘴的金属温度上升。另外，还有助于降低NOx的排出量。
[0077]另外，通过基于气体测量器400或温度测量器601的测量值算出未燃烧成分排出量被抑制在Unburn (r)的设定散度IGV’，能够合理地抑制未燃烧成分排出量。
[0078]另外，由于供给至各燃烧嘴区的气体燃料的比例可由燃料控制阀61-63改变，因此，通过使主燃烧嘴外周区域的燃料流量增多来有效地使主燃烧嘴外周区域的局部火焰温度上升，从而能够有效地抑制未燃烧成分排出量。另外，也有助于抑制燃料不匀。
[0079]作为位于主燃烧嘴33中心的先导式燃烧嘴32，通过具备使气体燃料以及液体燃料双方燃烧的双重燃烧嘴，能够在燃料切换为气体燃料后也从燃烧嘴中心附近喷射燃料，从而能够维持燃烧的均匀性。
[0080](第二实施方式)
[0081]图7是表示具备本发明的第二实施方式的燃气轮机燃烧系统的涡轮设备的一构成例的图。对该图中与第一实施方式同样的部分标记与先前附图相同的附图标记并省略说明。
[0082]本实施方式与第一实施方式的不同点在于，使由压缩机2压缩的压缩空气102返回该压缩机2的入口的吸气再循环系统(IBH系统:Inlet Bleed Heat)的抽气调整阀11为空气流量调整装置。所谓IBH系统是指通过使压缩空气102的一部分返回压缩机2的吸气来使压缩空气102的温度上升并降低空气流量的系统。IBH系统具有与IGV系统相同的效果，返回压缩机入口的流量由抽气调整阀11调整。本实施方式构成为由控制装置500控制抽气调整阀11的散度代替IGV9，通过控制抽气调整阀11的散度，如图2所示地调整燃烧器入口空气流量。其他点与第一实施方式相同。
[0083]即使在本实施方式中，因为能够在向完全燃烧模式转移时通过提高抽气调整阀11的散度使压缩空气102的流量减少，所以也能够得到与第一实施方式相同的效果。
[0084](第三实施方式)
[0085]图8是表示具备本发明的第三实施方式的燃气轮机燃烧系统的涡轮设备的一构成例的图。对该图中与第一实施方式同样的部分标记与先前附图相同的附图标记并省略说明。
[0086]本实施方式与之前各实施方式的不同点在于，以将从压缩机2抽吸的空气向涡轮4分流的分流系统的抽气调整阀14为空气流量调整装置。分流系统是将压缩空气的一部分作为涡轮4的高温部件的冷却空气抽吸的系统，能够通过抽气调整阀14的散度调整，如图2所示地控制燃烧器入口空气流量。此外，虽然未特别地图示，但是在本实施方式的燃气轮机中能够设置IGV9或IBH。在该情况下，在部分负载运行中，在部分燃烧模式以及完全燃烧模式的运行区时以基准散度维持IGV9或抽气流量调整阀11的散度，控制抽气调整阀14作为将燃烧器入口空气流量从基准流量IGVO缩小到设定流量IGV’的方法。其他的结构与第一或第二实施方式相同。
[0087]即使在本实施方式中也能够得到与第一或第二实施方式相同的效果。另外，因为在向完全燃烧模式转移时，在燃烧器入口空气流量缩小而使各燃烧嘴区域的局部火焰温度上升之时增加涡轮的冷却空气流量，所以能够缓和金属温度的上升。
[0088](其他)
[0089]在上述各实施方式中，虽然以将本发明适用于使用焦炉煤气、炼油厂废气或是煤气化气体等以氢(H2)或一氧化碳(CO)为主要成分的气体燃料的燃气轮机燃烧系统的情况为例进行说明，但是当然也可以使用作为气体燃料主要包括天然气的其他气体燃料。另外，虽然以使用液体燃料作为起动用燃料的情况为例进行说明，但是也能够使用天然气或丙烷等气体燃料作为起动用燃料。在该情况下，先导式燃烧嘴无需是双重燃烧嘴。
[0090]另外，虽然以将本发明适用于成对设置多对燃料喷嘴22和空气孔21并通过多个空气孔21向燃烧室5内喷出周围被空气流覆盖状态的多个燃料流的燃烧嘴结构的燃气轮机燃烧系统的情况为例进行说明，但是本发明也能够适用于具备一般的预混合燃烧方式的燃烧嘴等其他燃烧方式的主燃烧嘴的燃气轮机燃烧系统。
[0091]另外，以基于气体测量器400或温度测量器601的输入信号算出设定流量，并将燃烧器入口空气流量从基准流量缩小至设定流量的结构为例进行了说明。但是，也能够沿预先设定的动作线控制设定流量，这意味着在燃烧模式向完全燃烧模式切换时不一定需要基于气体测量器400或气体温度测量器601的输入信号来算出设定流量。另外，即使选择算出测定流量，也能够基于气体测量器400以及气体温度测量器601的测量值进行算出，以设定流量的算出为基础不一定需要使用例如电力测量器602、空气温度测量器603、空气流量测量器604等的输入值。
[0092]另外，虽然以将本发明适用于单轴式单循环燃气轮机的情况为例进行说明，但是本发明也能够适用于双轴式燃气轮机或联合循环发电系统、高湿度空气利用燃气轮机(AHAT:Advanced Humid Air Turbine)以及由润轮废气加热压缩机出口空气的再生循环燃气轮机等其他方式的燃气轮机。
【权利要求】
1.一种燃气轮机燃烧系统，其特征在于，具备: 多个气体燃料燃烧嘴；空气流量调整装置，该空气流量调整装置调整与气体燃料混合的空气的流量；以及控制装置，该控制装置在燃烧模式从由上述多个气体燃料燃烧嘴的一部分使气体燃料燃烧的部分燃烧模式切换到由全部上述多个气体燃料燃烧嘴使气体燃料燃烧的完全燃烧模式时，向上述空气流量调整装置输出信号使空气流量暂时从基准流量下降至设定流量。
2.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧系统，其特征在于，具备 测量气体燃料的燃料组成的气体测量器，以及 测量气体燃料的温度的气体温度测量器， 上述控制装置基于分别由上述气体测量器以及上述气体温度测量器测量的气体燃料的组成以及温度来演算上述设定流量。
3.根据权利要求2所述的燃气轮机燃烧系统，其特征在于， 上述基准流量是考虑抑制压缩机在部分负载条件下产生激荡以及结冰而设定的值。
4.根据权利要求2所述的燃气轮机燃烧系统，其特征在于， 上述空气流量调整装置是压缩机的入口导向叶片。
5.根据权利要求2所述的燃气轮机燃烧系统，其特征在于， 上述空气流量调整装置是使由压缩机压缩的空气返回该压缩机的入口的吸气再循环系统的抽气调整阀。
6.根据权利要求2所述的燃气轮机燃烧系统，其特征在于， 上述空气流量调整装置是将从压缩机抽吸的空气向涡轮分流的分流系统的抽气调整阀。
7.根据权利要求2所述的燃气轮机燃烧系统，其特征在于， 上述气体燃料燃烧嘴具备空气孔板以及多个燃料喷嘴，所述空气孔板面向燃烧室且具有多个空气孔，所述多个燃料喷嘴与上述多个空气孔具有分别对应的关系，并将喷射的气体燃料通过对应的空气孔向上述燃烧室供给。
8.根据权利要求2所述的燃气轮机燃烧系统，其特征在于， 具备气体燃料系统，该气体燃料系统使供给至上述多个气体燃料燃烧嘴的气体燃料的比例可变。
9.根据权利要求2所述的燃气轮机燃烧系统，其特征在于， 在上述多个气体燃料燃烧嘴的中心具备使气体燃料以及液体燃料双方燃烧的双重燃烧嘴。
10.一种燃气轮机设备，其特征在于，具备: 压缩机，该压缩机压缩空气； 权利要求1所述的燃气轮机燃烧系统，该燃气轮机燃烧系统使由上述压缩机压缩移动的空气与燃料一同燃烧； 涡轮，该涡轮由来自上述燃气轮机燃烧系统的燃烧气体驱动；以及 发电机，该发电机由上述涡轮的旋转动力驱动。
11.一种燃气轮机燃烧系统的运行方法，该燃气轮机燃烧系统具备多个气体燃料燃烧嘴和调整与气体燃料混合的空气流量的空气流量调整装置，上述燃气轮机燃烧系统的运行方法的特征在于， 在燃烧模式从由上述多个气体燃料燃烧嘴的一部分使气体燃料燃烧的部分燃烧模式切换到由全部上述多个气体燃料燃烧嘴使气体燃料燃烧的完全燃烧模式时，操作上述空气流量调整装置使空气流量暂时从基准流量下降至设定流量。
12.根据权利要求11所述的燃气轮机燃烧系统的运行方法，其特征在于， 基于气体燃料的组成以及温度来演算上述设定流量。
13.根据权利要求12所述的燃气轮机燃烧系统的运行方法，其特征在于， 考虑抑制压缩机在部分负载条件下产生激荡以及结冰来设定上述基准流量。
【文档编号】F02C9/54GK104421003SQ201410412682
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2014年8月20日 优先权日:2013年8月30日
【发明者】浅井智广, 林明典, 穐山恭大 申请人:三菱日立电力系统株式会社