CN1032230A - 燃气轮机燃烧器 - Google Patents

Abstract

一种使预混合气体燃烧的燃气轮机燃烧器，它设 有多个主喷嘴和多个副喷嘴，副喷嘴分别围绕各主喷 嘴。大量浓度稀的主预混合气体，从主喷嘴以高速度 喷往燃烧室内。而浓度大的副预混合气体从副喷嘴 以低速度喷出，使之包围主预混合气体。着火性能好 的副预混合气体首先被点燃，形成副预混合气体火 焰，接着，着火性能差的主预混合气体被副预混合气 体火焰点燃。因而，实现了只有预混合气体燃烧，并 可抑制氮的氧化物的产生。

Description

本发明涉及燃气轮机燃烧器，具体说，涉及这样一种燃气轮机燃烧器，它使燃料和燃烧用空气预先混合（Premix）后，形成预混合气体（Pre-mixture），然后使这种预混合气体以混合燃烧方式进行燃烧。

一般地说，在燃气轮机燃烧器中，当燃烧含有少量氮的气体燃料（gaseous    fuel    having    lownitrogen    content），例如燃烧液化天燃气（liguefied    natural    gas）时，产生的大部分氮的氧化物（a    major    part    of    nitrogen    oxides    generated）是在高温空气中由燃烧用空气内的氮被氧化后所生成的热氮氧化物（thermal    nitrogen    oxides）。这种热氮氧化物的生成量极大地依赖于温度，并随着火焰温度的增高而增加。特别是当火焰温度超过1500℃时，其生成量急剧地增加。火焰温度是随燃料和空气的混合比，即随所谓空燃比而变化的。在为了使燃料完全燃烧，以既不过量又非不足的空气量（理论空气量）使该燃料燃烧时，即以所谓的理论空燃比使其燃烧时，火焰温度变得最高。

因而，为了抑制氮的氧化物的生成量，有必要降低火焰温度。为此，可往燃烧室内送入水或水蒸气，强制性地降低火焰温度，或者使用比理论空气量多得多的燃烧空气量进行燃烧，或者使用比理论空气量少的燃烧空气量进行燃烧，从而降低火焰温度。

但是，当往燃烧室内送入水或水蒸气时，汽轮机（turbine）的效率下降，这就是产生了的新问题。

此外，在通常的燃烧装置中，燃料和空气分别由各自的喷咀送入燃烧室内，在燃烧室内两者被混合并燃烧。此时，发生所谓的扩散火焰燃烧。在两者被混合的过程中，存在空气过剩率（excess    air    ratio）（燃烧空气量/理论空气量）接近于1的区域，即存在具有接近于理论空燃比这样一种空燃比的区域。如前所述，在这种区域的火焰温度局部地变高，并且产生的氮的氧化物也很多。

与此相反，也有这样的燃烧装置，它将燃料和空气预先混合而形成预混合气体，然后送入燃烧器内而使其燃烧。在这种场合，进行着所谓的预混合火焰燃烧。在预混合火焰燃烧时，可以用比理论空气量多的燃烧空气（空气过剩率为1以上）使其燃烧。即，可以用稀薄的空燃比使其燃烧。因而，可以避开具有接近于理论空燃比的区域，避开燃烧温度局部变高的区域。这样，就可抑制氮的氧化物的产生。但是，预混合火焰同样也是在接近理论空燃比燃烧时，即空气过剩率接近于1时燃烧最稳定。另外，预混合气体的喷出速度变快时，火焰变得易于被吹灭，相反，喷出速度慢时，火焰容易倒流入喷咀内，即容易产生逆火。为了防止逆火，在燃气轮机燃烧器中，一般以50米/秒的喷出速度，将预混合气体送入燃烧器内。但是，以这样高的喷出速度送入预混合气体时，难以形成火焰。

因此，如特开昭61-22127号文件所示，采用了扩散火焰燃烧和预混合火焰燃烧并用的燃烧器。它是这样一种燃烧器，它使用由比较稳定的扩散火焰或由扩散火焰生成的高温空气，使以高速度送入的预混合气体着火。

在这种燃烧器中，与过去只使用扩散火焰燃烧的燃烧器相比，可以降低氮的氧化物的生成量。但是，要进一步降低氮的氧化物的生成量时，必须要使供给预混合燃烧的燃料量，多于进行扩散火焰燃烧而送入的燃料量。但增加预混合气体的量时，燃烧器内形成的火焰变得不稳定。因而，降低氮的氧化物的生成量是有限度的。

然而，如果能将预混合火焰稳定化，并能将燃烧器内的燃烧完全作为预混合气体燃烧，就可进一步抑制氮的氧化物的产生。

燃气轮机燃烧器的燃烧完全作为预混合气体燃烧时，有以下两个侍狻?

（1）低负荷运转时，与燃料流量相比，由于送入了大量燃烧用空气，因此变成稀释燃烧，难以着火。

（2）高负载运转时，由于送入大量预混合气体用燃料及燃烧用空气，因此预混合气体的流速进一步增大。因而，预混合火焰变得易于被吹灭。

本发明的目的是提供这样一种燃气轮机燃烧器，它没有扩散火焰燃烧，而是可使浓度稀的预混合气体稳定的燃烧。

本发明为了达到这一目的，设置了主喷咀和副喷咀，使副喷咀绕主喷咀配置。主喷咀喷出浓度稀的（lean）主预混合气体，该主预混合气体含有空气过剩率大于1的燃烧用空气;由副喷咀喷出的是比主预混合气体要浓的（rich）副预混合气体。基于这种结构，由副喷咀喷出的浓的副预混合气体形成副火焰，并利用此副火焰使主喷咀喷出的浓度稀的主预混合气体着火，从而使预混合火焰燃烧。

还有，本发明所设定的由副喷咀喷出的副预混合气体喷出速度，比预混合气体燃烧速度要快，但小于2.0米/秒。这样，副火焰就稳定。

在本发明中，副预混合火焰是用于点燃主预混合气体以及保护主预混合气体火焰的控制火焰（Pilot    flame）。作为控制火焰最适宜的条件是，副预混合气体要以小于2.0米/秒的速度喷出，并且副预混合气体中燃烧用空气的空气过剩率在0.8～1.5的范围内，最好选成1.0。这样，可以抑制氮的氧化物的产生，而且可以不使火焰被吹灭。

按照本发明，由于副喷咀的配置方式是围绕着主喷咀，将保护火焰用的副预混合气体火焰包围了以高速度喷出的主预混合气体的外围，因此保护火焰用的副预混合气体火焰的热能有效地传给主预混合气体火焰。

在主喷咀和副喷咀喷出预混合气体方向的前方，配置了隔板，并由于两喷咀喷出的预混合气体的速度有差别，所以这一隔板便使涡流产生。利用这一涡流，可促进主预合气体和副预混合气体火焰的燃烧气体（burnt    gas）混合，改进主预混合气体的着火性。例如，当使用象刀刃（Knife    edge）那样的薄壁隔壁代替隔板分离开主预混合气体流和副预混合气体流时，由于主预混合气体的流动，副预混合气体的流动受到很大影响。而且，在主预混合气体火焰熄灭那样的条件下，副预混合气体火焰也就熄灭了，这可由本发明人的实验所证实。

本发明是，主预混合气体和副预混合气体不是在喷咀出口附近混合，而是在由隔板所形成的涡流内，一部分主预混合气体和一部分副预混合气体相混合。因而，副预混合气体火焰不受主预混合气体火焰的影响，可以形成长时间稳定的副预混合火焰。

本发明的燃气轮机燃烧器中，设置有主预混合气体生成装置和副预混合气体生成装置。此主预混合气体生成装置向主喷嘴供给空气过剩率大于1.0的主预混合气体。此副预混合气体生成装置向副喷嘴供给空气过剩率比主预混合气体的空气过剩率小的副预混合气体。上述的主预混合生成装置具有第一空气通路和第一燃料通路，此第一空气通路是与由上述外筒和上述内筒所划定的空气流路连通的，第一燃料通路伸入到第一空气通路内。上述的副预混合气体生成装置具有与上述空气流路连通的第二空气通路，以及伸入到该第二空气通路内的第二燃料通路。另外，本发明的燃气轮机燃烧器中，还设置有主燃料调节供给装置和副燃料供给装置。此主燃料调节供给装置，根据上述汽轮机的负荷，将供给上述主预混合气体生成装置的燃料量进行调节和供给。此副燃料供给装置与上述汽轮机的负荷无关地向上述副预混合气体生成装置供给大致一定量的燃料。

下面，用适宜的实施例来说明本发明。

图1为本发明一个实施例的燃气轮机燃烧器的纵剖面图。

图2为沿图1的Ⅱ-Ⅱ线所形成的横剖面图。

图3是图1所示喷咀的放大破断剖面图。

图4是表示汽轮机负荷和各阀门启开程度关系的特性图。

图5是表示主预混合气体中含有燃烧用空气的过剩空气率和产生的氮的氧化物、一氧化碳以及氢的量之间关系的特性图。

图6是沿着火焰半径方向的燃烧气体中成分分布特性图。

在图1中，燃烧器1设置成同心状，并且有圆筒状的外筒10和圆筒状的内筒20。在外筒10和内筒20之间，形成管状的空气流路30。通过这一空气流路30，将来自压缩机（无图示）的高压气体导入内筒20的一端。此高压空气在内筒20内形成的燃烧室21中与燃料一起燃烧，形成燃烧气体（burnt    gas）后被送入燃气轮机（gas    turbine）（无图示），并在燃气轮机内进行工作。

在内筒20的一端，设置着双层的端壁22、23。如图2清楚所示，在内侧端壁22处，整个圆周面上有许多（在本实施例中为19个）主喷咀40，它具有圆形开口。副喷咀50包围各主喷咀40，分别成环状开口。如图3详细示出那样，主喷咀40与穿过外侧端壁23后并伸出的主预混合筒41的一端部相接。主预混合筒41的另一端部向着与空气流路30相连通的空气室31开口。在各主预混合筒41内伸入燃料输送管60。燃料输送管60从装有燃料调节阀61的主燃料输送管62处分支（图1）。从燃料输送管60的端部喷出的燃料，与来自空气室31的空气在主预混合筒41内预先混合，生成主预混合气体。在各燃料输送管60上，装有节流阀63。

如图3所示，副喷咀50与筒51的一端相接。筒51伸入到两端壁22、23之间形成的副预混合室52内。

如图1所示，通过装有燃料调节阀53的燃料输送管54，可向副预混合室52内送入燃料。由燃料输送管54送入的燃料在副预混合室52内与由数个空气孔24导入的空气预先混合，生成副预混合气体，而空气孔24成形在两端壁22、23之间内筒20的周壁部分上。

控制器70（图1）读取燃气轮机的负荷和转动速度。控制器70根据负荷及转动速度，向阀门61、63发送指令，进行控制。节流阀63是常闭阀，当收到控制器70的开启指令信号时，它就完全启开。

如图4所示，随着汽轮机负荷的增大，节流阀63就逐个启开。此外，燃料调节阀61的启开程度，大致正比于汽轮机的负荷而增加，而燃料调节阀53的开启程度与汽轮机的负荷无关，大致是一定的（约10%）。这样，在副预混合室52内，大致是一定量的燃料和燃烧用空气进行预混合。与此相反，由于燃料调节阀53的开启程度是基于汽轮机负荷而变化，因此可使主预混合筒41内的燃烧用空气的空气过剩率保持在0.8和1.5之间。

而且，本发明这样设定副喷咀50的开口面积，使得由副喷咀50喷出的副预混合气体喷出速度与火焰燃烧速度（0.5米/秒）相同。与此相反，主喷咀40具有大的开口面积，使之可以以更高的速度（20米/秒以上）喷出主预混合气体。

下面说明这种燃烧器的工作。

首先，打开燃料调节阀53，将燃料导入副预混合室52，形成副预混合气体。然后，由火花塞（无图示）对副喷咀50喷出的副预混合气体进行点火。副预混合气体中燃烧用空气的空气过剩率设定为接近1，最好为1.0。此外，如前所述，副预混合气体的喷出速度被控制在2.0米/秒以下。因而，副预混合气体的着火有了保证，并可得到稳定的火焰燃烧。

这时，因为几乎所有的节流阀63是关闭着的，所以从主喷咀40只喷出燃烧用空气。控制器70读取燃气轮机负荷的变动情况，并向燃料调节阀61发出指令，使之增加开启的程度。当燃料调节阀61的开启程度缓缓增加时，节流阀63也就随着开启程度的增加而顺次打开。因而，在主预混合筒41内形成主预混合气体，并由主喷咀40往燃烧室21内以高速度喷出主预混合气体。由主喷咀40喷出的主预混合气体，被在其周围形成的副预混合气体火焰55点燃，形成主预混合气体火焰42（图3）。

随着节流阀63依次被打开，形成主预混合火焰42的主喷咀40的个数逐渐增加。然后，在燃气轮机负荷为额定值时，在所有的主喷咀40上形成了主预混合气体火焰42。

通常，对于发电用燃气轮机来说，从0%负荷至100%负荷，燃气轮机的转动速度是一定的。而且，由燃气轮机驱动的压缩机向燃 烧器供给的空气量大致是一定的。因此，通过空气流路30、空气室31，导入到主预混合筒41的燃烧用空气的量也大致是一定的。

如前所述，通过燃料调节阀61供给的燃料量，与汽轮机负荷成比例地增加。但是，由于被启开的节流阀63的个数也随汽轮机负荷成比例地增加，因此，每一个启开的节流阀63往主预混合筒41送入的燃料量大致是一定的。所以，在主预混合筒41内，形成的主预混合气体中燃烧用空气的空气过剩率无大的变化。因此，在本实施例中，主预混合气体是浓度稀的气体，即主预混合气体中燃烧用空气的空气过剩率设定在1.5以上，最好设定在1.5左右。

在本实施例中，由于由副喷咀50喷出的副预混合气体中燃烧用空气的空气过剩率被设定在1附近，因此火焰燃烧稳定，具有优良的保护火焰的特性。所以，即使从主喷咀40高速度喷出稀浓度的主预混合气体，副预混合气体的燃烧火焰也不会被吹灭，还可保证点燃主预混合气体。

图5所示的是，当改变主预混合气体中燃烧用空气的空气过剩率时，氮的氧化物（NOX）、氢（H2）以及一氧化碳（CO）各自生成量的变化。如本实施例所示，当主预混合气体中燃烧用空气的空气过剩率在1.5以上时，像实线所示，氮的氧化物的生成量显著降低。如点划线及双点划线所示，氢（H2）及一氧化碳（CO）各自的生成量大致为零。当然，氧（O2）的产生量如虚线所示增加了。

因为副混合气体中燃烧用空气的空气过剩率接近于1，所以副预混和气体中氮的氧化物的生成量就多。然而，当汽轮机的负荷为额定值时，送到副预混合气体中的燃料量仅为送到燃烧器中的全部燃料量的10%左右。所以，对于来自燃烧器的全部燃烧气体来说，氮的氧化物的生成量还是少。

图6所示的是，位于从主喷咀40的中心向外的半径方向上的燃烧气体成分分布。图中的结果是这样得到的：从主喷咀40喷出主预混合气体方向下流侧5毫米的位置，设置采样检测器（Sampling    prove），并在半径方向向外移动，从而采集燃烧气体，进行分析。图中明确地表示，在主预混合气体火焰的内侧，碳化氢（H4）作为未燃烧的成分残留着。但是，越靠近副预混合火焰，即沿半径方向越向外，碳化氢（CH4）就逐渐燃烧了，在副喷咀的位置，碳化氢（CH4）全部燃烧。因此，可以清楚看出，燃烧确实是从副预混合气体火焰移向主预混合气体火焰。

Claims (9)

1、一种燃气轮机燃烧器(Combustorforgasturbine)，其特征在于具有以下部分：

外筒，

设置在上述外筒的内部、并在内侧形成燃烧室的内筒，

设置在上述内筒的一个端壁上的主喷嘴(mainnozzle)，

向上述主喷嘴供给空气过剩率(exceseaisratio)大于1.0的主预混合气体(mainpre-mixture)的主预混合气体生成装置，

围绕着上述主喷嘴来设置的副喷嘴(auxiliarynozzle)。

向上述副喷嘴供给副预混合气体(auxiliarypre-mixture)、该副预混合气体的空气过剩率比上述主预混合气体的空气过剩率小的副预混合气体生成装置。

2、根据权利要求第1项所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于：上述主预混合气体生成装置具有第一空气通路和第一燃料通路，上述第一空气通路是与由上述外筒和上述内筒所划定的空气流路连通的，第一燃料通路伸入到第一空气通路内;上述副预混合气体生成装置具有与上述空气流路连通的第二空气通路，以及伸入到该第二空气通路内的第二燃料通路。

3、根据权利要求第1项所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于：上述主预混合气体的空气过剩率大于1.5（≥1.5），上述副预混合气体的空气过剩率为0.8～1.5（0.8≤空气过剩率≤1.5）。

4、根据权利要求第1项所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于：上述副预混合气体从上述副喷咀喷出的速度比该副预混合气体的燃烧速度快，而且在2.0米/秒以下（≤2.0m/s）。

5、一种供燃气轮机用的燃烧器，其特征在于具有以下部分：

外筒，

设置在上述外筒的内部、并在内侧形成燃烧室的内筒，

具有多个主喷咀、这些主喷咀在上述内筒的一个端壁上相互之间按照所规定的间隔开口的主喷咀群（main  nozzle  group），

向上述各主喷咀供给空气过剩率大于1.0的主预混合气体的主预混合气体生成装置，

分别围绕着上述的主喷咀、在内筒的上述一个端壁上开口并设置的多个副喷咀，

向上述各副喷嘴供给空气过剩率为1.5以下的副预混合气体的副预混合气体生成装置，

根据上述汽轮机的负荷，将供给上述主预混合气体生成装置的燃料量进行调节并供给的主燃料调节供给装置，

与上述汽轮机的负荷无关地向上述副预混合气体生成装置供给大致一定量的燃料的副燃料供给装置。

6、根据权利要求第5项所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于：从上述主喷咀喷出的主预混合气体的速度在20米/秒以上;而从上述副喷咀喷出的上述副预混合气体的速度在2.0米/秒以下。

7、根据权利要求第5项所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于：上述副预混合气体的空气过剩率为0.8～1.5（0.8≤空气过剩率≤1.5）。

8、根据权利要求第5项所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于：上述副喷咀的开口形状，呈与上述主喷咀的开口同心的环状。

9、根据权利要求第5项所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于：上述主喷咀和副喷咀在同一平面内开口。