燃氣輪機燃燒器的制作方法

專利名稱：燃氣輪機燃燒器的制作方法
技術領域：
本發明涉及燃氣輪機燃燒器，具體說，涉及這樣一種燃氣輪機燃燒器，它使燃料和燃燒用空氣預先混合(Premix)后，形成預混合氣體(Pre-mixture)，然后使這種預混合氣體以混合燃燒方式進行燃燒。
一般地說，在燃氣輪機燃燒器中，當燃燒含有少量氮的氣體燃料(gaseousfuelhavinglownitrogencontent)，例如燃燒液化天燃氣(liguefiednaturalgas)時，產生的大部分氮的氧化物(amajorpartofnitrogenoxidesgenerated)是在高溫空氣中由燃燒用空氣內的氮被氧化后所生成的熱氮氧化物(thermalnitrogenoxides)。這種熱氮氧化物的生成量極大地依賴于溫度，并隨著火焰溫度的增高而增加。特別是當火焰溫度超過1500℃時，其生成量急劇地增加。火焰溫度是隨燃料和空氣的混合比，即隨所謂空燃比而變化的。在為了使燃料完全燃燒，以既不過量又非不足的空氣量(理論空氣量)使該燃料燃燒時，即以所謂的理論空燃比使其燃燒時，火焰溫度變得最高。
因而，為了抑制氮的氧化物的生成量，有必要降低火焰溫度。為此，可往燃燒室內送入水或水蒸氣，強制性地降低火焰溫度，或者使用比理論空氣量多得多的燃燒空氣量進行燃燒，或者使用比理論空氣量少的燃燒空氣量進行燃燒，從而降低火焰溫度。
但是，當往燃燒室內送入水或水蒸氣時，汽輪機(turbine)的效率下降，這就是產生了的新問題。
此外，在通常的燃燒裝置中，燃料和空氣分別由各自的噴咀送入燃燒室內，在燃燒室內兩者被混合并燃燒。此時，發生所謂的擴散火焰燃燒。在兩者被混合的過程中，存在空氣過剩率(excessairratio)(燃燒空氣量/理論空氣量)接近于1的區域，即存在具有接近于理論空燃比這樣一種空燃比的區域。如前所述，在這種區域的火焰溫度局部地變高，并且產生的氮的氧化物也很多。
與此相反，也有這樣的燃燒裝置，它將燃料和空氣預先混合而形成預混合氣體，然后送入燃燒器內而使其燃燒。在這種場合，進行著所謂的預混合火焰燃燒。在預混合火焰燃燒時，可以用比理論空氣量多的燃燒空氣(空氣過剩率為1以上)使其燃燒。即，可以用稀薄的空燃比使其燃燒。因而，可以避開具有接近于理論空燃比的區域，避開燃燒溫度局部變高的區域。這樣，就可抑制氮的氧化物的產生。但是，預混合火焰同樣也是在接近理論空燃比燃燒時，即空氣過剩率接近于1時燃燒最穩定。另外，預混合氣體的噴出速度變快時，火焰變得易于被吹滅，相反，噴出速度慢時，火焰容易倒流入噴咀內，即容易產生逆火。為了防止逆火，在燃氣輪機燃燒器中，一般以50米/秒的噴出速度，將預混合氣體送入燃燒器內。但是，以這樣高的噴出速度送入預混合氣體時，難以形成火焰。
因此，如特開昭61-22127號文件所示，采用了擴散火焰燃燒和預混合火焰燃燒并用的燃燒器。它是這樣一種燃燒器，它使用由比較穩定的擴散火焰或由擴散火焰生成的高溫空氣，使以高速度送入的預混合氣體著火。
在這種燃燒器中，與過去只使用擴散火焰燃燒的燃燒器相比，可以降低氮的氧化物的生成量。但是，要進一步降低氮的氧化物的生成量時，必須要使供給預混合燃燒的燃料量，多于進行擴散火焰燃燒而送入的燃料量。但增加預混合氣體的量時，燃燒器內形成的火焰變得不穩定。因而，降低氮的氧化物的生成量是有限度的。
然而，如果能將預混合火焰穩定化，并能將燃燒器內的燃燒完全作為預混合氣體燃燒，就可進一步抑制氮的氧化物的產生。
燃氣輪機燃燒器的燃燒完全作為預混合氣體燃燒時，有以下兩個侍狻 (1)低負荷運轉時，與燃料流量相比，由于送入了大量燃燒用空氣，因此變成稀釋燃燒，難以著火。
(2)高負載運轉時，由于送入大量預混合氣體用燃料及燃燒用空氣，因此預混合氣體的流速進一步增大。因而，預混合火焰變得易于被吹滅。
本發明的目的是提供這樣一種燃氣輪機燃燒器，它沒有擴散火焰燃燒，而是可使濃度稀的預混合氣體穩定的燃燒。
本發明為了達到這一目的，設置了主噴咀和副噴咀，使副噴咀繞主噴咀配置。主噴咀噴出濃度稀的(lean)主預混合氣體，該主預混合氣體含有空氣過剩率大于1的燃燒用空氣;由副噴咀噴出的是比主預混合氣體要濃的(rich)副預混合氣體。基于這種結構，由副噴咀噴出的濃的副預混合氣體形成副火焰，并利用此副火焰使主噴咀噴出的濃度稀的主預混合氣體著火，從而使預混合火焰燃燒。
還有，本發明所設定的由副噴咀噴出的副預混合氣體噴出速度，比預混合氣體燃燒速度要快，但小于2.0米/秒。這樣，副火焰就穩定。
在本發明中，副預混合火焰是用于點燃主預混合氣體以及保護主預混合氣體火焰的控制火焰(Pilotflame)。作為控制火焰最適宜的條件是，副預混合氣體要以小于2.0米/秒的速度噴出，并且副預混合氣體中燃燒用空氣的空氣過剩率在0.8～1.5的范圍內，最好選成1.0。這樣，可以抑制氮的氧化物的產生，而且可以不使火焰被吹滅。
按照本發明，由于副噴咀的配置方式是圍繞著主噴咀，將保護火焰用的副預混合氣體火焰包圍了以高速度噴出的主預混合氣體的外圍，因此保護火焰用的副預混合氣體火焰的熱能有效地傳給主預混合氣體火焰。
在主噴咀和副噴咀噴出預混合氣體方向的前方，配置了隔板，并由于兩噴咀噴出的預混合氣體的速度有差別，所以這一隔板便使渦流產生。利用這一渦流，可促進主預合氣體和副預混合氣體火焰的燃燒氣體(burntgas)混合，改進主預混合氣體的著火性。例如，當使用象刀刃(Knifeedge)那樣的薄壁隔壁代替隔板分離開主預混合氣體流和副預混合氣體流時，由于主預混合氣體的流動，副預混合氣體的流動受到很大影響。而且，在主預混合氣體火焰熄滅那樣的條件下，副預混合氣體火焰也就熄滅了，這可由本發明人的實驗所證實。
本發明是，主預混合氣體和副預混合氣體不是在噴咀出口附近混合，而是在由隔板所形成的渦流內，一部分主預混合氣體和一部分副預混合氣體相混合。因而，副預混合氣體火焰不受主預混合氣體火焰的影響，可以形成長時間穩定的副預混合火焰。
本發明的燃氣輪機燃燒器中，設置有主預混合氣體生成裝置和副預混合氣體生成裝置。此主預混合氣體生成裝置向主噴嘴供給空氣過剩率大于1.0的主預混合氣體。此副預混合氣體生成裝置向副噴嘴供給空氣過剩率比主預混合氣體的空氣過剩率小的副預混合氣體。上述的主預混合生成裝置具有第一空氣通路和第一燃料通路，此第一空氣通路是與由上述外筒和上述內筒所劃定的空氣流路連通的，第一燃料通路伸入到第一空氣通路內。上述的副預混合氣體生成裝置具有與上述空氣流路連通的第二空氣通路，以及伸入到該第二空氣通路內的第二燃料通路。另外，本發明的燃氣輪機燃燒器中，還設置有主燃料調節供給裝置和副燃料供給裝置。此主燃料調節供給裝置，根據上述汽輪機的負荷，將供給上述主預混合氣體生成裝置的燃料量進行調節和供給。此副燃料供給裝置與上述汽輪機的負荷無關地向上述副預混合氣體生成裝置供給大致一定量的燃料。
下面，用適宜的實施例來說明本發明。


圖1為本發明一個實施例的燃氣輪機燃燒器的縱剖面圖。
圖2為沿圖1的Ⅱ-Ⅱ線所形成的橫剖面圖。
圖3是圖1所示噴咀的放大破斷剖面圖。
圖4是表示汽輪機負荷和各閥門啟開程度關系的特性圖。
圖5是表示主預混合氣體中含有燃燒用空氣的過剩空氣率和產生的氮的氧化物、一氧化碳以及氫的量之間關系的特性圖。
圖6是沿著火焰半徑方向的燃燒氣體中成分分布特性圖。
在圖1中，燃燒器1設置成同心狀，并且有圓筒狀的外筒10和圓筒狀的內筒20。在外筒10和內筒20之間，形成管狀的空氣流路30。通過這一空氣流路30，將來自壓縮機(無圖示)的高壓氣體導入內筒20的一端。此高壓空氣在內筒20內形成的燃燒室21中與燃料一起燃燒，形成燃燒氣體(burntgas)后被送入燃氣輪機(gasturbine)(無圖示)，并在燃氣輪機內進行工作。
在內筒20的一端，設置著雙層的端壁22、23。如圖2清楚所示，在內側端壁22處，整個圓周面上有許多(在本實施例中為19個)主噴咀40，它具有圓形開口。副噴咀50包圍各主噴咀40，分別成環狀開口。如圖3詳細示出那樣，主噴咀40與穿過外側端壁23后并伸出的主預混合筒41的一端部相接。主預混合筒41的另一端部向著與空氣流路30相連通的空氣室31開口。在各主預混合筒41內伸入燃料輸送管60。燃料輸送管60從裝有燃料調節閥61的主燃料輸送管62處分支(圖1)。從燃料輸送管60的端部噴出的燃料，與來自空氣室31的空氣在主預混合筒41內預先混合，生成主預混合氣體。在各燃料輸送管60上，裝有節流閥63。
如圖3所示，副噴咀50與筒51的一端相接。筒51伸入到兩端壁22、23之間形成的副預混合室52內。
如圖1所示，通過裝有燃料調節閥53的燃料輸送管54，可向副預混合室52內送入燃料。由燃料輸送管54送入的燃料在副預混合室52內與由數個空氣孔24導入的空氣預先混合，生成副預混合氣體，而空氣孔24成形在兩端壁22、23之間內筒20的周壁部分上。
控制器70(圖1)讀取燃氣輪機的負荷和轉動速度。控制器70根據負荷及轉動速度，向閥門61、63發送指令，進行控制。節流閥63是常閉閥，當收到控制器70的開啟指令信號時，它就完全啟開。
如圖4所示，隨著汽輪機負荷的增大，節流閥63就逐個啟開。此外，燃料調節閥61的啟開程度，大致正比于汽輪機的負荷而增加，而燃料調節閥53的開啟程度與汽輪機的負荷無關，大致是一定的(約10%)。這樣，在副預混合室52內，大致是一定量的燃料和燃燒用空氣進行預混合。與此相反，由于燃料調節閥53的開啟程度是基于汽輪機負荷而變化，因此可使主預混合筒41內的燃燒用空氣的空氣過剩率保持在0.8和1.5之間。
而且，本發明這樣設定副噴咀50的開口面積，使得由副噴咀50噴出的副預混合氣體噴出速度與火焰燃燒速度(0.5米/秒)相同。與此相反，主噴咀40具有大的開口面積，使之可以以更高的速度(20米/秒以上)噴出主預混合氣體。
下面說明這種燃燒器的工作。
首先，打開燃料調節閥53，將燃料導入副預混合室52，形成副預混合氣體。然后，由火花塞(無圖示)對副噴咀50噴出的副預混合氣體進行點火。副預混合氣體中燃燒用空氣的空氣過剩率設定為接近1，最好為1.0。此外，如前所述，副預混合氣體的噴出速度被控制在2.0米/秒以下。因而，副預混合氣體的著火有了保證，并可得到穩定的火焰燃燒。
這時，因為幾乎所有的節流閥63是關閉著的，所以從主噴咀40只噴出燃燒用空氣。控制器70讀取燃氣輪機負荷的變動情況，并向燃料調節閥61發出指令，使之增加開啟的程度。當燃料調節閥61的開啟程度緩緩增加時，節流閥63也就隨著開啟程度的增加而順次打開。因而，在主預混合筒41內形成主預混合氣體，并由主噴咀40往燃燒室21內以高速度噴出主預混合氣體。由主噴咀40噴出的主預混合氣體，被在其周圍形成的副預混合氣體火焰55點燃，形成主預混合氣體火焰42(圖3)。
隨著節流閥63依次被打開，形成主預混合火焰42的主噴咀40的個數逐漸增加。然后，在燃氣輪機負荷為額定值時，在所有的主噴咀40上形成了主預混合氣體火焰42。
通常，對于發電用燃氣輪機來說，從0%負荷至100%負荷，燃氣輪機的轉動速度是一定的。而且，由燃氣輪機驅動的壓縮機向燃燒器供給的空氣量大致是一定的。因此，通過空氣流路30、空氣室31，導入到主預混合筒41的燃燒用空氣的量也大致是一定的。
如前所述，通過燃料調節閥61供給的燃料量，與汽輪機負荷成比例地增加。但是，由于被啟開的節流閥63的個數也隨汽輪機負荷成比例地增加，因此，每一個啟開的節流閥63往主預混合筒41送入的燃料量大致是一定的。所以，在主預混合筒41內，形成的主預混合氣體中燃燒用空氣的空氣過剩率無大的變化。因此，在本實施例中，主預混合氣體是濃度稀的氣體，即主預混合氣體中燃燒用空氣的空氣過剩率設定在1.5以上，最好設定在1.5左右。
在本實施例中，由于由副噴咀50噴出的副預混合氣體中燃燒用空氣的空氣過剩率被設定在1附近，因此火焰燃燒穩定，具有優良的保護火焰的特性。所以，即使從主噴咀40高速度噴出稀濃度的主預混合氣體，副預混合氣體的燃燒火焰也不會被吹滅，還可保證點燃主預混合氣體。
圖5所示的是，當改變主預混合氣體中燃燒用空氣的空氣過剩率時，氮的氧化物(NOX)、氫(H2)以及一氧化碳(CO)各自生成量的變化。如本實施例所示，當主預混合氣體中燃燒用空氣的空氣過剩率在1.5以上時，像實線所示，氮的氧化物的生成量顯著降低。如點劃線及雙點劃線所示，氫(H2)及一氧化碳(CO)各自的生成量大致為零。當然，氧(O2)的產生量如虛線所示增加了。
因為副混合氣體中燃燒用空氣的空氣過剩率接近于1，所以副預混和氣體中氮的氧化物的生成量就多。然而，當汽輪機的負荷為額定值時，送到副預混合氣體中的燃料量僅為送到燃燒器中的全部燃料量的10%左右。所以，對于來自燃燒器的全部燃燒氣體來說，氮的氧化物的生成量還是少。
圖6所示的是，位于從主噴咀40的中心向外的半徑方向上的燃燒氣體成分分布。圖中的結果是這樣得到的從主噴咀40噴出主預混合氣體方向下流側5毫米的位置，設置采樣檢測器(Samplingprove)，并在半徑方向向外移動，從而采集燃燒氣體，進行分析。圖中明確地表示，在主預混合氣體火焰的內側，碳化氫(H4)作為未燃燒的成分殘留著。但是，越靠近副預混合火焰，即沿半徑方向越向外，碳化氫(CH4)就逐漸燃燒了，在副噴咀的位置，碳化氫(CH4)全部燃燒。因此，可以清楚看出，燃燒確實是從副預混合氣體火焰移向主預混合氣體火焰。
權利要求
1.一種燃氣輪機燃燒器(Combustorforgasturbine)，其特征在于具有以下部分外筒，設置在上述外筒的內部、并在內側形成燃燒室的內筒，設置在上述內筒的一個端壁上的主噴嘴(mainnozzle)，向上述主噴嘴供給空氣過剩率(exceseaisratio)大于1.0的主預混合氣體(mainpre-mixture)的主預混合氣體生成裝置，圍繞著上述主噴嘴來設置的副噴嘴(auxiliarynozzle)。向上述副噴嘴供給副預混合氣體(auxiliarypre-mixture)、該副預混合氣體的空氣過剩率比上述主預混合氣體的空氣過剩率小的副預混合氣體生成裝置。
2.根據權利要求第1項所述的燃氣輪機燃燒器，其特征在于上述主預混合氣體生成裝置具有第一空氣通路和第一燃料通路，上述第一空氣通路是與由上述外筒和上述內筒所劃定的空氣流路連通的，第一燃料通路伸入到第一空氣通路內;上述副預混合氣體生成裝置具有與上述空氣流路連通的第二空氣通路，以及伸入到該第二空氣通路內的第二燃料通路。
3.根據權利要求第1項所述的燃氣輪機燃燒器，其特征在于上述主預混合氣體的空氣過剩率大于1.5(≥1.5)，上述副預混合氣體的空氣過剩率為0.8～1.5(0.8≤空氣過剩率≤1.5)。
4.根據權利要求第1項所述的燃氣輪機燃燒器，其特征在于上述副預混合氣體從上述副噴咀噴出的速度比該副預混合氣體的燃燒速度快，而且在2.0米/秒以下(≤2.0m/s)。
5.一種供燃氣輪機用的燃燒器，其特征在于具有以下部分外筒，設置在上述外筒的內部、并在內側形成燃燒室的內筒，具有多個主噴咀、這些主噴咀在上述內筒的一個端壁上相互之間按照所規定的間隔開口的主噴咀群(main nozzle group)，向上述各主噴咀供給空氣過剩率大于1.0的主預混合氣體的主預混合氣體生成裝置，分別圍繞著上述的主噴咀、在內筒的上述一個端壁上開口并設置的多個副噴咀，向上述各副噴嘴供給空氣過剩率為1.5以下的副預混合氣體的副預混合氣體生成裝置，根據上述汽輪機的負荷，將供給上述主預混合氣體生成裝置的燃料量進行調節并供給的主燃料調節供給裝置，與上述汽輪機的負荷無關地向上述副預混合氣體生成裝置供給大致一定量的燃料的副燃料供給裝置。
6.根據權利要求第5項所述的燃氣輪機燃燒器，其特征在于從上述主噴咀噴出的主預混合氣體的速度在20米/秒以上;而從上述副噴咀噴出的上述副預混合氣體的速度在2.0米/秒以下。
7.根據權利要求第5項所述的燃氣輪機燃燒器，其特征在于上述副預混合氣體的空氣過剩率為0.8～1.5(0.8≤空氣過剩率≤1.5)。
8.根據權利要求第5項所述的燃氣輪機燃燒器，其特征在于上述副噴咀的開口形狀，呈與上述主噴咀的開口同心的環狀。
9.根據權利要求第5項所述的燃氣輪機燃燒器，其特征在于上述主噴咀和副噴咀在同一平面內開口。
全文摘要
一種使預混合氣體燃燒的燃氣輪機燃燒器，它設有多個主噴嘴和多個副噴嘴，副噴嘴分別圍繞各主噴嘴。大量濃度稀的主預混合氣體，從主噴嘴以高速度噴往燃燒室內。而濃度大的副預混合氣體從副噴嘴以低速度噴出，使之包圍主預混合氣體。著火性能好的副預混合氣體首先被點燃，形成副預混合氣體火焰，接著，著火性能差的主預混合氣體被副預混合氣體火焰點燃。因而，實現了只有預混合氣體燃燒，并可抑制氮的氧化物的產生。
文檔編號F23D14/26GK1032230SQ8810641
公開日1989年4月5日 申請日期1988年9月3日 優先權日1987年9月4日
發明者巖井泰男, 小豆畑茂, 相馬憲一, 楢尸清, 小林啟信, 稻田徹, 村上忠孝, 嵐紀夫, 石橋洋二, 黑田倫夫 申請人:株式會社日立制作所