燃气轮机燃烧器制造技术

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。（*该技术在2008年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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(gaseousfuelhavinglownitrogencontent)，例如燃烧液化天燃气(liguefiednaturalgas)时，产生的大部分氮的氧化物(amajorpartofnitrogenoxidesgenerated)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(thermalnitrogenoxides)。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(excessairratio)(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。本专利技术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。本专利技术为了达到这一目的，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，本专利技术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。在本专利技术中，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(Pilotflame)。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。按照本专利技术，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(burntgas)混合，改进主预混合气体的着火性。例如，当使用象刀刃(Knifeedge)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，这可由本专利技术人的实验所证实。本专利技术是，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。本专利技术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，本专利技术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专利技术。附图说明图1为本专利技术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是沿本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃气轮机燃烧器（Ｃｏｍｂｕｓｔｏｒ－ｆｏｒ－ｇａｓ－ｔｕｒｂｉｎｅ），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（ｍａｉｎ－ｎｏｚｚｌｅ）向上述主喷嘴 供给空气过剩率（ｅｘｃｅｓｅ－ａｉｓ－ｒａｔｉｏ）大于１．０的主预混合气体（ｍａｉｎ－ｐｒｅ－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（ａｕｘｉｌｉａｒｙ－ｎｏｚｚｌｅ）。向上述副喷嘴供给副预混合气体（ ａｕｘｉｌｉａｒｙ－ｐｒｅ－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。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：岩井泰男，小豆茂，相马宪一，尸清，小林启信，稻田徽，村上忠孝，岚纪夫，石桥洋二，黑田伦夫，
申请(专利权)人：株式会社日立制作所，
类型：发明
国别省市：JP[日本]