CN102538008B - 燃气轮机燃烧器及燃料供给方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种在燃气轮机燃烧器中可使低NOx燃烧和稳定的燃烧并存的可靠性高的燃烧器。其特征在于，燃气轮机燃烧器具备：燃料和空气所供给的燃烧室；位于所述燃烧室的上游侧向所述燃烧室喷出燃料且使空气旋转喷出的第一喷烧嘴；在所述第一喷烧嘴的周围配置多个，并向所述燃烧室供给空气和燃料的预混合气体的第二喷烧嘴；以及配置在所述第一喷烧嘴和所述第二喷烧嘴之间，具有以朝向所述燃烧室的下游侧扩张开的方式形成的倾斜面的环状隔壁，将向所述燃烧室喷出空气的多个空气喷出孔设于所述环状隔壁的倾斜面上，当将配置于所述第一喷烧嘴的周围的所述第二喷烧嘴的数量设为K时，设置K×n+1(n＝1，2，3...)个所述空气喷出孔。

Description

燃气轮机燃烧器及燃料供给方法

技术领域

本发明涉及一种燃气轮机燃烧器及其燃料供给方法。

背景技术

对于燃气轮机用的燃烧器，即使在空气流量及燃料流量等的运行条件大幅度变化的情况下，从起动到额定负荷进行稳定的燃烧也作为重要条件而被要求。另外，还迫切要求一种能够降低从燃气轮机燃烧器排出的氮氧化物(以下记载为NOx)的排出量的燃烧方法。

作为NOx排出量小的燃烧方式存在预混合燃烧方式，就是使燃料和空气在燃烧反应之前经预混合后再进行燃烧。一般地，NOx生成量会伴随燃烧火焰温度的高温化呈指数函数地增加。但是，根据预混合燃烧方式，可以防止燃烧火焰温度的局部上升，通过加大空气相对于燃料的比例使预混合气体稀薄化而能够降低燃烧火焰温度，因此可以降低NOx排出量。

近年来，为了对应日趋强烈的低NOx化的要求，在预混合方式中增加了利用进一步将预混合气体稀薄化的稀薄预混合燃烧的燃烧器的运用方法。但是，一般稀薄预混合燃烧与一边使空气和燃料混合一边燃烧的扩散燃烧相比，火焰容易被吹灭息火，还容易发生燃烧振动。因此，仅限于可以稳定燃烧的使用范围。

因此，为了在确保燃烧的稳定化的同时实现低NOx化，对燃烧稳定性高的扩散燃烧方式和稀薄预混合燃烧方式进行组合。

在专利文献1(日本特开平11-101435号公报)中记载了即使在为了降低NOx排出量而减少向扩散喷烧嘴供给的燃料流量的情况下，也可抑制形成于扩散燃烧燃烧室的火焰的波动的方法。

在专利文献1中，没有充分地公开考虑了燃气轮机的使用的控制方法以及实现更加稳定的燃烧状态的方法。因此，在确保稳定的燃烧的同时满足日趋强烈的低NOx化的需求是很有限的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在具备扩散喷烧嘴和预混合喷烧嘴的燃气轮机燃烧器中可以同时实现低NOx燃烧与稳定的燃烧的燃气轮机燃烧器。

本发明的特征在于，具备：燃料和空气所供给的燃烧室；位于所述燃烧室的上游侧，向所述燃烧室喷出燃料且使空气旋转喷出的第一喷烧嘴；在所述第一喷烧嘴的周围配置多个，并向所述燃烧室供给空气和燃料的预混合气体的第二喷烧嘴；以及配置在所述第一喷烧嘴和所述第二喷烧嘴之间，具有以朝向所述燃烧室的下游侧扩张的方式形成的倾斜面的环状隔壁，并且将向所述燃烧室喷出空气的多个空气喷出孔设于所述环状隔壁的倾斜面上，当将配置于所述第一喷烧嘴的周围的所述第二喷烧嘴的数量设为K时，设置K×n+1(n＝1，2，3...)个所述空气喷出孔。

按照本发明，可以提供在具备扩散喷烧嘴和预混合喷烧嘴的燃气轮机燃烧器中使低NOx燃烧与稳定的燃烧并存的燃气轮机燃烧器。

附图说明

图1是实施例1的燃烧器的纵剖视图。

图2是表示实施例1的燃气轮机的整体结构的图。

图3是从说明实施例1燃烧器的图1下游侧观察的I-I向视图。

图4是实施例1的燃气轮机负荷与燃料供给方法的说明图。

图中：

1-压缩机，2-涡轮机，3-燃烧器，5-压缩空气，6-压缩空气流道，7-燃烧器内筒，8-燃烧室，9-燃烧气体，10-过渡零件，11-点火栓，20-扩散喷烧嘴，21-扩散喷烧嘴燃料供给系统，22-燃料喷嘴，23-旋转器，24-燃料，25-燃料喷孔，26-隔壁，27-空气喷出孔，30-预混合喷烧嘴，31-预混合燃料供给系统，32-燃料喷嘴，33-预混合器，34-保焰器。

具体实施方式

为了稳定地进行稀薄预混合燃烧，采取如下方法：以包围扩散喷烧嘴的方式配置环状的预混合喷烧嘴，或者在扩散喷烧嘴的周围设置多个预混合喷烧嘴，由此利用稳定的扩散火焰来保持混合火焰。

但是，在相邻配置扩散喷烧嘴与预混合喷烧嘴的燃气轮机燃烧器中，存在由这些燃烧室所形成的火焰会相互干扰的问题。例如，若由扩散喷烧嘴所形成的火焰产生波动，则由其影响会导致由预混合喷烧嘴所形成的火焰不稳定，并使燃烧振动的振幅水平增加。

然而，根据以下的实施例所记载的燃烧器，在具备扩散喷烧嘴和预混合喷烧嘴的燃气轮机燃烧器的从部分负荷至额定负荷的运行状态中，为了增大稀薄预混合燃烧比率、减少NOx排出量，即使空气流量及燃料流量在较宽范围内变化，也不会发生燃烧振动，因此能够提供可稳定燃烧的燃气轮机燃烧器。

以下，参照附图对采用本发明的燃气轮机燃烧器的实施例进行说明。

(实施例1)

在本发明的实施例1中，参照图1至图4进行如下说明。图2是表示本发明燃气轮机燃烧器的实施例1的结构的纵剖视图，同时也是概略地表示具备上述燃气轮机燃烧器的的燃气轮机设备的整体结构的概略结构图。图1是本实施例的燃气轮机燃烧器的剖视图，图3是从下游侧观察图1的I-I向视图。

图2所示的燃气轮机设备主要由涡轮机2、与涡轮机2相连并可获得燃烧用压缩空气的压缩机1以及多个燃烧器3等构成。利用压缩机1压缩的压缩空气5通过压缩空气流道6导入燃烧器3，然后在形成于燃烧器内筒7内部的燃烧室8中与燃料一起燃烧。燃烧生成的燃烧气体9经过渡零件10向涡轮机2进行喷射以使转子旋转。另外，以借助于与涡轮机2相连的发电机4发电的方式构成。

在燃烧器3的轴中心部配置有用于进行扩散燃烧的扩散喷烧嘴20，并在其外周侧配置有多个用于进行预混合燃烧的预混合喷烧嘴30。另外，在扩散喷烧嘴20的外周侧，在预混合喷烧嘴30的内周侧配置有具备倾斜面的隔壁26。

扩散喷烧嘴20位于燃烧室8的上游侧，在其轴中心设置有向燃烧室喷出燃料的燃料喷嘴22，在燃料喷嘴22上连接有扩散喷烧嘴燃料供给系统21。在燃料喷嘴22的外周侧配置有具备涡流器叶片的旋转器23，使燃烧用空气5a具有旋转成分后向燃烧室8喷出。喷出的燃烧用空气5a在燃烧室8与从燃料喷孔25喷出的燃料24混合，利用点火栓11点火后进行燃烧。

图3表示图1的I-I向视图。在本实施例中，设置于扩散喷烧嘴20外周侧的预混合喷烧嘴30有四个，即预混合喷烧嘴30a、30b、30c、30d。各预混合喷烧嘴分别具有预混合器33、设置在预混合器33上游侧的燃料喷嘴32以及配置在预混合器33下游侧的保焰器34。另外，在燃料喷嘴32上连接有预混合燃料供给系统31。

更具体地做成如下结构，将预混合器33通过四个预混合喷烧嘴隔板35a、35b、35c、35d分割成四个预混合器，即预混合器33a、33b、33c、33d。向预混合喷烧嘴供给燃料的预混合燃料供给系统31也相应地分为四个系统31a、31b、31c、31d，可以向四个预混合器分别独立地供给燃料，使各预混合喷烧嘴能独立地形成火焰。

图1表示本实施例的燃气轮机燃烧器的剖视图。在扩散喷烧嘴20和预混合喷烧嘴30之间配置有环状的隔壁26，隔壁26具有以向燃烧室8下游侧扩张的方式形成的倾斜面，在隔壁26的倾斜面上沿周向形成有多个空气喷出孔27。

在本实施例的燃气轮机燃烧器中，由于若降低扩散喷烧嘴20的燃料流量则会使预混合喷烧嘴30的燃料流量的比率增加，因此降低了NOx排出量。这时，在本实施例的燃烧器中，火焰沿着从设于隔壁26上的空气喷出孔27喷出的空气流而形成，因此可以抑制扩散喷烧嘴20的燃烧火焰的变动。

另外，在从扩散喷烧嘴20喷出的空气流和从预混合喷烧嘴30喷出的空气流的边界，存在着从空气喷出孔27喷出的空气流。因此，在从扩散喷烧嘴20喷出的空气流和从预混合喷烧嘴30喷出的空气流的边界的断层上形成不稳定的火焰，能够防止预混合火焰波动增幅的现象的发生。进一步讲，还可以使两燃烧室燃烧火焰独立、稳定地存在。

另一方面，扩散喷烧嘴20用燃料喷嘴22的燃料喷孔25形成有八个，旋转器23的涡流器叶片由十二枚构成。即，燃料喷孔25的数量是预混合喷烧嘴的2倍，旋转器23的涡流器叶片的数量是预混合喷烧嘴的3倍。

如本实施例所述，在作为主要构件的预混合喷烧嘴被分割为多个的燃气轮机燃烧器中，为了避免各预混合器的不均匀性，作为影响预混合喷烧嘴的燃烧性能的构件的扩散喷烧嘴的涡流器叶片及燃料喷嘴的燃料喷孔、空气喷出孔通一般被分割成预混合器数量的整数倍而形成。例如，在专利文献1所记载的燃烧器中，相对于形成四个预混合喷烧嘴，空气喷出孔形成八个。

但是，在本实施例的燃烧器中，将形成于隔壁26上的空气喷出孔27的数量做成预混合喷烧嘴的个数(四个)的2倍再加一个，即做成九个。

在本实施例所述的燃气轮机燃烧器中，为了降低NOx排出量，尤其在额定负荷条件下使在扩散喷烧嘴20内燃烧的燃料比率降低，并使在预混合喷烧嘴30内燃烧的燃料比率增加。但是，若在扩散喷烧嘴20内燃烧的燃料比率减小，则可能发生燃烧振动。

认为燃气轮机燃烧器的燃烧振动，通过由燃气轮机燃烧器的结构及运行条件(燃烧温度、流速、压力)所确定的燃烧器的气柱共鸣的固有振动数值和燃烧室燃烧及保焰器等的不稳定燃烧所产生的热能的变动周期一致，而急剧增大。另外，在形成于燃烧室火焰，特别是预混合喷烧嘴的预混合火焰，在燃烧室的周向及轴向均匀地形成的情况下，因不稳定燃烧而产生的热能的变动周期也有均匀化的趋势。可能存在由于该变动周期与燃烧器的气柱共鸣的固有振动数值一致而使燃烧振动增加的情况。

然而，根据相对于被分割的四个的预混合喷烧嘴30a、30b、30c、30d而形成了九个空气喷出孔27的本实施例的燃烧器，通过使预混合火焰的周向的周期性发生变化，能够抑制燃烧器的气柱共鸣的固有振动数值与热能的变动周期一致的状态，从而能够抑制燃烧振动的发生。

此外，相对于预混合喷烧嘴30的数量K，通过将空气喷出孔27的数量做成K×n+1(n＝1，2，3...)个(在本实施例中n＝2)，可使形成于预混合喷烧嘴30下游侧的预混合火焰周向的周期性发生变化。由此，对燃烧振动起到减衰效果的作用，可抑制燃烧振动的增加。其结果，在采用预混合喷烧嘴30降低NOx排出量的同时，能够实现抑制燃烧振动的产生的稳定燃烧，能够提供可靠性高的燃气轮机燃烧器。

另外，如图3所示，在本实施例的燃烧器中，由于相对于四个预混合喷烧嘴30a、30b、30c、30d，形成了九个空气喷出孔27，因此在由隔板35a、35d隔开的预混合喷烧嘴30a和扩散喷烧嘴20之间的区域上形成有三个空气喷出孔27，在其他的预混合喷烧嘴30b、30c、30d的区域上形成有两个空气喷出孔27。

再有，在本实施例中，就燃烧器周向的预混合喷烧嘴30a的中央位置40a与形成在预混合喷烧嘴30a和扩散喷烧嘴20之间的空气喷出孔27a的相位而言，以在燃烧器的周向呈同相位的方式配置有空气喷出孔27a。进一步讲，以空气喷出孔27a为基准，沿隔壁26的周向而等间隔地形成有九个空气喷出孔。因此，即使在预混合喷烧嘴30b、30c、30d的区域上形成的空气喷出孔的数量皆为两个，也能够使在各燃烧室形成每个空气喷出孔的位置(例如，与各隔板的距离)在各预混合器中不同。通过这样配置空气喷出孔，可以更有效地扰乱预混合火焰的周向的周期性，而且还能更有效地抑制燃烧振动。

其次，对向本实施例的燃气轮机燃烧器供给燃料的燃料供给方法进行说明。图4中横轴表示燃气轮机负荷，纵轴表示向各燃烧室供给的燃料流量。扩散喷烧嘴20的燃料流量以F-20表示，向预混合喷烧嘴30a供给为燃料为F-30a，以下相同，向预混合喷烧嘴30b供给的燃料为F-30b，向预混合喷烧嘴30c供给的燃料为F-30c，向预混合喷烧嘴30d供给的燃料为F-30d。a点表示额定转数无负荷，f点表示额定负荷。由a点到b点负荷，扩散喷烧嘴20单独运行，一边若到达b点则使扩散喷烧嘴20的燃料F-20下降，一边向预混合喷烧嘴30a供给燃料F-30a而开始预混合燃烧。随着负荷的增加，燃料F-20、燃料F-30a的流量增加，一边若负荷到达c点则使燃料F-20和燃料F-30a下降，一边向预混合喷烧嘴30b供给燃料F-30b。同样，在负荷d点向预混合喷烧嘴30d供给燃料F-30d，在负荷e点向预混合喷烧嘴30c供给燃料F-30c，在e点以上的负荷开始全部燃烧室的燃烧。另外，由于在额定负荷中减少NOx排出量，因此可以减少向扩散喷烧嘴供给的燃料F-20，增加向预混合喷烧嘴30a、30b、30c、30d供给的燃料。

由于在负荷b点从扩散喷烧嘴20的单独燃烧转换为与预混合喷烧嘴30a一同的混合燃烧，因此将b点负荷称为转换负荷b。同样c点称为转换负荷c，d点称为转换负荷d，e点称为转换负荷e。若关注转换负荷b，则向转换后的扩散喷烧嘴20与预混合喷烧嘴30a供给的燃料比率约为1∶1，即相等。但是，在转换负荷c中相对于扩散喷烧嘴20的预混合喷烧嘴30a、30b的比例约为1∶2，在转换负荷d中相对于扩散喷烧嘴20预混合喷烧嘴30a、30b、30d的比例约为1∶3，另外在转换负荷e中相对于扩散喷烧嘴20预混合喷烧嘴30a、30b、30c、30d的比例约为1∶4，以燃气轮机的负荷越高，相对于向预混合器供给的燃料流量的向扩散喷烧嘴供给的燃料流量的比例降低的方式进行设定。在燃气轮机的各负荷中，这是由扩散喷烧嘴20、预混合喷烧嘴30a、30b、30c、30d的燃烧特性所决定的。

其次，对在向预混合器供给燃料、用保焰器34使燃烧稳定的情况的从设于隔壁26上的空气喷出孔27喷出的空气流的作用进行说明。如上所述，在本实施例中，沿着从设于隔壁26上的空气喷出孔27喷出的空气流而形成火焰，由此可实现稳定燃烧并降低NOx排出量。

另一方面，在转换负荷b中，为了在预混合器33a下游侧的燃烧区域中稳定地形成混合火焰，需要预混合气体的适当的燃料浓度和由扩散喷烧嘴20形成的扩散火焰所生成的热能的授受。这时，若在由扩散喷烧嘴20生成的扩散火焰和由预混合器33a喷出的预混合气体之间存在由空气喷出孔27喷出的空气流，则根据扩散喷烧嘴20的燃烧条件，因从空气喷出孔27喷出空气流而使扩散火焰的温度降低。认为在扩散火焰的温度下降的情况下，不能向从预混合器33a喷出的预混合气体高效率地传递热能，转换特性降低。

对以上说明的本实施例的燃气轮机燃烧器的运行方法和在根据上述转换特性的预混合喷烧嘴为四个的情况下将空气喷出孔做成九个时的效果进行说明。

如图4所示，虽然在转换负荷b中向预混合喷烧嘴30a供给燃料而形成预混合火焰，但是这时供给到扩散喷烧嘴20与预混合喷烧嘴30a的燃料流量的比率为1∶1，与其他转换点相比，扩散喷烧嘴20的燃料比例多。这意味着扩散火焰的热能大，有利于预混合气体的点火。因此，在预混合喷烧嘴30a中，即使在与扩散喷烧嘴20之间的区域形成的空气喷出孔27的数量为比其他预混合喷烧嘴多一个的三个，也可以充分地对预混合气体进行点火。

其次，虽然在转换负荷c中向预混合器33b供给燃料而形成预混合火焰，但是如图4所示地空气喷出孔27b形成在隔板35b附近。因此，与从预混合器33c喷出的喷出气流相结合而使扩散火焰的温度降低，这对转换特性起到不利的作用。但是，向预混合器供给的燃料流量与向扩散喷烧嘴供给的燃料流量的比率约为2∶1，扩散火焰的热能依然较大。因此，在转换负荷c中的转换也可以稳定地进行。

同样，在切换负荷d中，扩散喷烧嘴与预混合喷烧嘴的燃料流量比率约成为3∶1，且扩散火焰的燃烧比例也变小。但是，由于在转换负荷d中随着燃气轮机负荷的上升，流入预混合器的燃烧空气温度也上升，因此在转换负荷d中的转换也可以稳定地进行。

在切换负荷e中，燃料比率约为4∶1且扩散火焰的热能也变小。但是，在预混合喷烧嘴30c的范围内形成的两个空气喷出孔27，形成在与相邻的隔板35b、35c充分分开的位置上。因此，即使扩散火焰的热能小，也可以借助于预混合器33b、33d形成的预混合火焰的热能而维持来自预混合器33c的预混合气体的点火。从而，可以稳定地进行预混合气体的点火。

这样，最先向在预混合喷烧嘴30中在与扩散燃烧燃烧室之间形成的空气喷出孔的数量最多的预混合喷烧嘴30a供给燃料，由此可成为扩散火焰的热能较大的状态，从而能实现稳定的运行状态的转换。

另外，最后向与预混合喷烧嘴30a对置的预混合喷烧嘴30c供给燃料，由此可以有效地利用由相邻的预混合喷烧嘴30b、30d形成的预混合火焰的热能，实现更稳定的运行状态的转换。

如上所述，在本实施例所示的燃气轮机燃烧器中，将预混合喷烧嘴分割为四个，将空气喷出孔做成九个，在与最先供给燃料的预混合喷烧嘴的燃烧器周向的中央位置40a成同相位的位置上形成空气喷出孔，再以该空气喷出孔为基准，等间隔地形成其他八个空气喷出孔。然后，向与最先供给燃料的预混合器相邻的两个预混合器依次供给燃料，最后向与最先供给燃料的预混合器对置的位置的预混合器投入燃料，由此可提高在各负荷中的转换特性，因此可以降低在全部燃烧室燃烧的切换负荷e的燃气轮机负荷。再有，可以提供在定额负荷中根据预混合燃烧而降低NOx排出量的同时抑制燃烧振动的产生的可靠性高的燃气轮机燃烧器。

本发明不仅适用于发电用燃气轮机燃烧器，也适用于可以同时供给热量和电力的热电联供系统，或者是作为泵、压缩机等机械驱动用发动机的燃气轮机燃烧器以及其他燃烧器。

Claims (6)

1.一种燃气轮机燃烧器，其特征在于，具备：

燃料和空气所供给的燃烧室；

位于所述燃烧室的上游侧，向所述燃烧室喷出燃料且使空气旋转喷出的第一喷烧嘴；

在所述第一喷烧嘴的周围配置多个，并向所述燃烧室供给空气和燃料的预混合气体的第二喷烧嘴；以及

配置在所述第一喷烧嘴和所述第二喷烧嘴之间，具有以朝向所述燃烧室的下游侧扩张开的方式形成的倾斜面的环状隔壁，

将向所述燃烧室喷出空气的多个空气喷出孔设于所述环状隔壁的倾斜面上，

当将配置于所述第一喷烧嘴的周围的所述第二喷烧嘴的数量设为K时，设置K×n＋1（n=1，2，3…）个所述空气喷出孔。

2.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，

所述多个空气喷出孔在所述环状隔壁的周向等间隔地配置，

所述多个空气喷出孔中的一个，以所述第二喷烧嘴的任意一个的中央位置与燃烧器的周向的相位成为同相位的方式进行配置。

3.一种权利要求1所记载的燃气轮机燃烧器的燃料供给方法，其特征在于，

在所述多个第二喷烧嘴中，最先向所述多个第二喷烧嘴中在与所述第一喷烧嘴之间形成的所述空气喷出孔的数量最多的所述第二喷烧嘴供给燃料。

4.根据权利要求3所述的燃料供给方法，其特征在于，

在所述多个第二喷烧嘴中，最后向所述多个第二喷烧嘴中配置在与最先供给燃料的所述第二喷烧嘴对置的位置上的所述第二喷烧嘴供给燃料。

5.一种燃气轮机燃烧器，具有：

燃料和空气所供给的燃烧室；

位于所述燃烧室的上游侧，向所述燃烧室喷出燃料且使空气旋转喷出的第一喷烧嘴；

配置在第一喷烧嘴周围，并向燃烧室供给空气与燃料的预混合气体的环状的第二喷烧嘴；

配置于第一喷烧嘴的外侧、第二喷烧嘴的内侧，具有以半径方向的截面面积朝向燃烧室下游侧扩大的方式形成且相对于燃烧室的中心轴而倾斜的面的环状隔壁；以及

在周向隔着间隔配置于所述环状隔壁的倾斜的面上，并向所述燃烧室的中心轴方向喷出空气的多个空气喷出孔，其特征在于，

利用隔板在周向上将所述环状的第二喷烧嘴分割为四等分，并且设置九个沿周向设置在所述环状隔壁的倾斜的面上的所述空气喷出孔，所述空气喷出孔在燃烧器的周向以所述分割的第二喷烧嘴的中央位置的相位为基准，沿周向以等间隔形成。

6.一种权利要求5所记载的燃气轮机燃烧器的燃料供给方法，其特征在于，

在所述多个第二喷烧嘴中最先向将所述空气喷出孔形成在所述环状的第二喷烧嘴的周向的中央位置上的所述第二喷烧嘴供给燃料，并且最后向配置在与最先供给燃料的所述第二喷烧嘴对置的位置上的所述第二喷烧嘴供给燃料。