燃氣輪機燃燒系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種燃氣輪機燃燒系統(tǒng)，能夠在從部分負載到額定負載為止的全負載條件下抑制氣體燃料的未燃燒成分排出。上述燃氣輪機燃燒系統(tǒng)的特征在于，具備：多個氣體燃料燃燒嘴(32、33)；IGV(9)，其調(diào)整與氣體燃料混合的空氣的流量；以及控制裝置(500)，其在燃燒模式從由多個氣體燃料燃燒嘴(32、33)的一部分使氣體燃料燃燒的部分燃燒模式切換到由全部氣體燃料燃燒嘴(32、33)使氣體燃料燃燒的完全燃燒模式時，向IGV(9)輸出信號使空氣流量暫時從基準流量下降至設定流量。
【專利說明】燃氣輪機燃燒系統(tǒng)

【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及燃氣輪機燃燒系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]近年，從發(fā)電成本降低、資源有效利用、防止地球變暖等角度出發(fā)，研究將由鋼鐵廠副生的焦爐煤氣或由煉油廠副生的廢氣等副生氣體有效用作燃料。另外，研究如下方案，在將豐富的資源即煤炭氣化并發(fā)電的煤炭氣化復合發(fā)電設備(IGCC:1ntegrated coalGasificat1n Combined Cycle)中，通過將供給至燃氣輪機的氣體燃料中的碳回收、積存的系統(tǒng)(CCS:Carbon Capture and Storage),將煤炭的碳轉(zhuǎn)化為氫(H2)并減少二氧化碳(CO2)的排出量(參照專利文獻I等)。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)文獻
[0004]專利文獻1:日本特開2013-139975號公報
[0005]副生氣體或煤氣等含有氫。在使用這種氣體燃料的情況下，若點火失敗則氣體燃料未燃燒直接從燃燒嘴排出導致氫浸入渦輪。因此存在采用如下運行方法的情況，以不含氫的起動用燃料(油燃料)點火，在部分負載條件下將燃料從起動用燃料替換為氣體燃料后，增加使氣體燃料燃燒的燃燒嘴的數(shù)量并向額定負載條件轉(zhuǎn)移。在IGCC設備中，由于氣化爐利用由渦輪廢熱產(chǎn)生的蒸汽來生成煤氣化氣體，因此以煤氣化氣體以外的起動用燃料起動渦輪，并采用上述的運行方法。
[0006]但是，在將燃燒模式從使用一部分燃燒嘴使氣體燃料燃燒的模式(以下，部分燃燒模式)切換到使用全部的燃燒嘴使氣體燃料燃燒的模式(以下，完全燃燒模式)之后，由于相對于燃料流量的增加比例燃燒區(qū)域的擴大較大，因此燃料濃度暫時地降低。在燃料濃度降低期間，火焰溫度降低引起氣體燃料的不完全燃燒，CO或未燃燒碳化氫等未燃燒成分的排出量增加。在這種情況下，存在未燃燒成分的排出量超過環(huán)境限制值進而發(fā)電輸出降低等不便的麻煩。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種燃氣輪機燃燒系統(tǒng)，能夠在從部分負載到額定負載的全負載條件下抑制氣體燃料的未燃燒成分的排出。
[0008]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明在將燃燒模式從由多個氣體燃料燃燒嘴的一部分使氣體燃料燃燒的部分燃燒模式切換為由全部多個氣體燃料的燃燒嘴使氣體燃料燃燒的完全燃燒模式時，使燃燒嘴入口空氣流量從基準流量暫時下降至設定流量。
[0009]本發(fā)明的效果如下。
[0010]根據(jù)本發(fā)明，在從部分負載至額定負載的全負載條件下抑制氣體燃料的未燃燒成分的排出。因此，即使使用含有H2或CO的氣體燃料也能夠抑制CO或未燃燒碳化氫等的排出量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是表示具備本發(fā)明的第一實施方式的燃氣輪機燃燒系統(tǒng)的渦輪設備的一構(gòu)成例的圖。
[0012]圖2是表示從燃氣輪機的起動到額定負載條件為止的IGV散度、燃燒器入口空氣流量、燃料流量、燃空比以及燃燒氣體溫度的變化的圖。
[0013]圖3是表示由本發(fā)明的第一實施方式的燃氣輪機燃燒系統(tǒng)所具備的控制裝置進行的向空氣流量調(diào)整裝置的指令信號輸出次序的控制方框圖。
[0014]圖4是表示主燃燒嘴外周區(qū)域的局部火焰溫度與未燃燒成分排出量的關系線的圖。
[0015]圖5是表示將未燃燒成分排出量抑制在規(guī)定值以下所需要的主燃燒嘴外周火焰溫度與氣體燃料組成的關系的圖。
[0016]圖6是表示未燃燒成分排出量等諸量相對于燃氣輪機負載的變化的圖。
[0017]圖7是表示具備本發(fā)明的第二實施方式的燃氣輪機燃燒系統(tǒng)的渦輪設備的一構(gòu)成例的圖。
[0018]圖8是表示具備本發(fā)明的第三實施方式的燃氣輪機燃燒系統(tǒng)的渦輪設備的一構(gòu)成例的圖。
[0019]圖中:2—壓縮機，3—燃燒器，4一渦輪，6—發(fā)電機，9—IGV(空氣流量調(diào)整裝置)，11 一抽氣調(diào)整閥(空氣流量調(diào)整裝置)，14一抽氣調(diào)整閥(空氣流量調(diào)整裝置)，20—空氣孔板，21—空氣孔，22—燃料噴嘴，32—先導式燃燒嘴(氣體燃料燃燒嘴、雙重燃燒嘴)，72—氣體燃料系統(tǒng)，400—氣體測量器，500—控制裝置，601—氣體溫度測量器。

【具體實施方式】
[0020]以下使用附圖對本發(fā)明的實施方式進行說明。
[0021]本發(fā)明的燃氣輪機燃燒器除通常的氣體燃料之外，也適用于使作為組成成分包含氫的氣體燃料(以下，稱為含氫燃料)燃燒。具體來說，本發(fā)明的燃氣輪機燃燒器能夠優(yōu)選適用于例如，除使用將煤炭氣化而得的含氫燃料的煤炭氣化復合發(fā)電設備之外，將從制鐵設備得到的副生氣體即焦爐煤氣(C0G:Coke Oven Gas)、高爐煤氣(BFG:Blast FurnaceGas)、轉(zhuǎn)爐煤氣(LDC:Linzer Donawitz Gas)或是它們的混合氣體用作燃料的燃氣輪機、或是使用從粗汽油分解裝置等得到的副生氣體等包含以氫為組成成分的氣體燃料(含氫燃料)的燃氣輪機。
[0022](第一實施方式)
[0023]1.燃氣輪機設備
[0024]圖1是表示具備本發(fā)明的第一實施方式的燃氣輪機燃燒系統(tǒng)的渦輪設備的一構(gòu)成例的圖。
[0025]該圖所示的燃氣輪機設備I具備燃氣輪機以及由燃氣輪機驅(qū)動的發(fā)電機6。燃氣輪機具備壓縮機2、燃氣輪機燃燒系統(tǒng)以及渦輪4。壓縮機2、渦輪4以及發(fā)電機6的各轉(zhuǎn)子連結(jié)在同軸上。對燃氣輪機燃燒系統(tǒng)進行下述，其具備燃燒器3作為主要的構(gòu)成要素。
[0026]該燃氣輪機設備I的動作如下所述。即、從大氣中吸入的空氣101由空氣壓縮機2壓縮，壓縮空氣102向燃燒器3供給。在燃燒器3中使氣體燃料與壓縮空氣102 —同燃燒而生成燃燒氣體110。渦輪4通過由燃燒器3生成的燃燒氣體110驅(qū)動。發(fā)電機6由渦輪4的旋轉(zhuǎn)動力驅(qū)動而發(fā)電。
[0027]2.燃氣輪機燃燒系統(tǒng)
[0028]燃氣輪機燃燒系統(tǒng)具備燃燒器3、液體燃料系統(tǒng)71、氣體燃料系統(tǒng)72、IGV9以及控制裝置500。以下分別依次對這些構(gòu)成要素進行說明。
[0029].燃燒器
[0030]燃燒器3具備外筒10、內(nèi)襯12、尾筒(不圖示)以及燃燒嘴8。外筒10是設置于渦輪殼(未圖示)外周部的圓筒狀部件。外筒10的與渦輪4相反側(cè)的端部(頭部)由端罩13封閉。內(nèi)襯12是在內(nèi)部形成燃燒室5的圓筒狀燃燒器內(nèi)筒，設置于外筒10的內(nèi)側(cè)并在與外筒10之間形成有環(huán)狀的空氣流道。在該內(nèi)襯12上穿設有多個空氣孔。燃燒室5是由內(nèi)襯12在燃燒嘴8與尾筒之間形成的空間，從燃燒嘴8噴出的燃料與空氣102a —同在此燃燒。尾筒是與渦輪4的氣道入口(初級靜葉片入口)和內(nèi)襯12順暢地連接的部件。另夕卜，在端罩13上設置有向燃燒嘴8分配燃料的燃料分配器23。另外，雖然未特別地圖示，但是在燃燒器3中還具備對燃燒室5內(nèi)的燃料以及空氣的混合氣點火的點火裝置。在燃氣輪機設備I中，在渦輪殼(未圖示)的外周部沿圓周方向以一定的間隔設置有多個這樣的燃燒器9。
[0031]燃燒嘴8設置在端罩13上而位于與燃燒室5之間。該燃燒嘴8含有多個單元燃燒嘴，在燃燒器3的中央部配置一個先導式燃燒嘴32，在先導式燃燒嘴32的徑方向外側(cè)以包圍先導式燃燒嘴32的方式配置有多個主燃燒嘴33。
[0032]各主燃燒嘴33為氣體燃料燃燒嘴，具備空氣孔板20以及多個燃料噴嘴22。但是，空氣孔板20是多個主燃燒嘴33的空氣孔板彼此連結(jié)的。該空氣孔板20配置為主面(面積最大的一面)面向燃燒室5，并具有多個沿從端罩13朝向燃燒室5的方向延伸的空氣孔21。從這些空氣孔21向燃燒室5噴出空氣102a。存在與各燃料噴嘴22分別成對的空氣孔21，各燃料噴嘴22以與對應的空氣孔21處于同軸的方式從燃料分配器23延伸，另外，也存在各燃料噴嘴22的前端插入空氣孔21 (位于空氣孔21內(nèi))的情況，但在本實施方式中構(gòu)成為前端與空氣孔21的入口相對(比空氣孔板20更靠近端罩13側(cè))。從燃料噴嘴22噴射的氣體燃料通過具有對應關系的空氣孔21，與通過該空氣孔21的空氣121a—同向燃燒室5噴出。另外，在多個主燃燒嘴33中，空氣孔21并列在以各個燃燒嘴軸為中心的多列(本例中為3列)同心圓上。將這些空氣孔的列從各主燃燒嘴33的中心朝向徑方向外側(cè)依次記作，第一列空氣孔51、第二列空氣孔52以及第三列空氣孔53。此外，在以下的說明中，在稱為“主燃燒嘴內(nèi)周”的情況下是指各燃燒嘴33的第一列空氣孔51，在稱為“主燃燒嘴外周”的情況下是指第二列空氣孔52以及第三列空氣孔53。
[0033]先導式燃燒嘴32是使氣體燃料以及液體燃料雙方燃燒的雙重燃燒嘴，位于多個主燃燒嘴33的中心。具體來說，構(gòu)成為具備氣體燃料燃燒嘴部和液體燃料燃燒嘴部。氣體燃料燃燒嘴部的結(jié)構(gòu)與主燃燒嘴33類似，具有空氣孔板和多個燃料噴嘴，在空氣孔板上設置有與各燃料噴嘴成對的多個空氣孔。該氣體燃料燃燒嘴部與主燃燒嘴33的不同點在于空氣孔列為兩列以及空氣孔朝向燃燒室5并向燃燒器3的中心軸側(cè)傾斜。液體燃料燃燒嘴部由液體燃料噴嘴(例如噴油嘴)40構(gòu)成，位于氣體燃料噴嘴部的中央(氣體燃料噴嘴的空氣孔列的中心)。
[0034].液體燃料系統(tǒng)
[0035]液體燃料系統(tǒng)71是向先導式燃燒嘴32的液體燃料噴嘴40供給液體燃料的燃料系統(tǒng)，具備液體燃料源210、燃料切斷閥65以及燃料控制閥66。從液體燃料源210供給作為起動用燃料的輕油、煤油或是A重油等油燃料。該液體燃料源210通過管道204與液體燃料噴嘴40連接。在管道204中設置有上述燃料切斷閥65以及燃料控制閥66。燃料切斷閥65以及燃料控制閥66由來自控制裝置500的信號驅(qū)動，各自進行打開關閉或改變散度。
[0036].氣體燃料系統(tǒng)
[0037]氣體燃料系統(tǒng)72是向先導式燃燒嘴32的氣體燃料燃燒嘴部以及各主燃燒嘴33供給氣體燃料的燃料系統(tǒng)，具備氣體燃料源200、燃料切斷閥60以及燃料控制閥61-63。從氣體燃料源200供給焦爐煤氣、煉油廠廢氣或是煤炭氣化氣體等含有氫或一氧化碳的燃料。該氣體燃料源200的氣體燃料所通過的管道分岔為三系統(tǒng)的管道201-203，管道201與先導式燃燒嘴32的氣體燃料燃燒嘴部的燃料分配器23連接，管道202與各主燃燒嘴內(nèi)周的燃料分配器23連接，管道203與各主燃燒嘴外周的燃料分配器23連接。燃料切斷閥60設置于分岔前的管道，燃料控制閥61-63分別設置于管道201-203。燃料切斷閥60以及燃料控制閥61-63由來自控制裝置500的信號驅(qū)動，各自進行打開關閉或改變散度。通過燃料控制閥61-63的打開關閉以及散度調(diào)整，構(gòu)成為向先導式燃燒嘴32、各主燃燒嘴內(nèi)周以及各燃燒嘴外周供給的氣體燃料的比例可變。
[0038]另外，在氣體燃料源200與燃料切斷閥60之間的管道中設置有氣體測量器400以及氣體溫度測量器601。氣體測量器400是測量從氣體燃料源200供給的氣體燃料的組成或發(fā)熱量的測量器，在本實施方式的情況下，測量氫、一氧化碳、甲烷、二氧化碳、氮的濃度，并基于這些測量值來測量發(fā)熱量。氣體溫度測量器601是測量氣體燃料的溫度的熱電偶等測量器，在本實施方式中設置在從氣體燃料源200與燃料切斷閥60之間的管道至氣體測量器400的管道途中。
[0039].IGV
[0040]IGVdnlet Guide Vane) 9是設置于壓縮機2入口的入口導向葉片。在本實施方式中，IGV9起到調(diào)整在燃燒器3中與氣體燃料混合的空氣的流量的空氣流量調(diào)整裝置的作用，通過調(diào)節(jié)IGV9的散度來調(diào)節(jié)壓縮機2吸入的空氣101的流量，其結(jié)果能夠調(diào)節(jié)向燃燒器3供給的空氣流量。
[0041]?控制裝置
[0042]控制裝置500具有如下功能，基于電力測量器602、空氣溫度測量器603、空氣流量測量器604、氣體溫度測量器601以及氣體測量器400的測量結(jié)果來控制燃料切斷閥60、65、燃料控制閥61-63、66以及IGV9。在控制裝置500中包含收藏有燃料切斷閥60、65、燃料控制閥61-63、66以及IGV9的控制所必須的程序或數(shù)據(jù)的存儲部、或存儲有燃料切斷閥
60、65、燃料控制閥61-63、66以及IGV9的控制記錄(散度記錄)的存儲部。具體來說，控制裝置500在將燃燒模式從由多個氣體燃料燃燒嘴的一部分使氣體燃料燃燒的部分燃燒模式切換為由全部多個氣體燃料燃燒嘴使氣體燃料燃燒的完全燃燒模式時，向IGV9輸出信號使空氣流量從基準流量暫時下降到設定流量。
[0043]所謂“部分燃燒模式”是指在關閉管道201-203中的至少一系統(tǒng)的狀態(tài)下使氣體燃料燃燒的燃燒模式，例如關閉管道202、203而僅向先導式燃燒嘴32分配氣體燃料的狀態(tài)、關閉管道203而僅向先導式燃燒嘴32以及各主燃燒嘴內(nèi)周分配氣體燃料的狀態(tài)。對于所謂“完全燃燒模式”是指將管道201-203全部打開，從先導式燃燒嘴32、全部的主燃燒嘴內(nèi)周以及全部的主燃燒嘴外周噴射氣體燃料的燃燒模式。另外，所謂“基準流量”是指考慮了抑制部分負載條件下壓縮機2的激蕩以及結(jié)冰的產(chǎn)生而設定的值。所謂“設定流量”是指以抑制從部分燃燒模式向完全燃燒模式轉(zhuǎn)移時燃燒嘴端面附近的局部燃空比的偏差為宗旨，基于分別由氣體測量器400以及氣體溫度測量器601測量的氣體燃料的組成以及溫度而由控制裝置500演算的值。
[0044]3.動作
[0045]圖2是表示從燃氣輪機的起動到額定負載條件為止的IGV散度、燃燒器入口空氣流量、燃料流量、燃空比以及燃燒氣體溫度的變化的圖。在本圖的最上級，將燃燒模式示意化，用涂黑來表示運行中燃燒的燃燒嘴處。
[0046]從起動轉(zhuǎn)移到額定負載條件為止的過程能夠大致區(qū)分為下述的(a)?(f)6個過程。
[0047](a)燃氣輪機起動
[0048](b)無負載額定轉(zhuǎn)數(shù)(FSNL:Full Speed No Load)
[0049](c)燃料切換(液體燃料一氣體燃料)
[0050](d)氣體焚燒模式切換(部分燃燒模式一完全燃燒模式)
[0051](e)因排氣溫度的控制設定引起的IGV散度增加
[0052](f)額定負載條件
[0053]以下對各過程進行說明。
[0054](a)?(b):燃氣輪機起動?無負載額定轉(zhuǎn)數(shù)
[0055]控制裝置500向起動用馬達(不圖示)輸出信號，通過起動用馬達起動燃氣輪機。其后，當燃氣輪機轉(zhuǎn)數(shù)上升至滿足可點火條件的值后，控制裝置500向燃料切斷閥65以及燃料控制閥66輸出信號，向液體燃料噴嘴40供給液體燃料并使燃燒器3點火。從燃氣輪機起動到開始獲得負載(開始發(fā)電)為止的運行區(qū)域稱為加速區(qū)。在加速區(qū)中，控制裝置500向IGV9以及燃料控制閥66輸出信號，一邊在渦輪轉(zhuǎn)數(shù)達到規(guī)定轉(zhuǎn)數(shù)為止恒定地保持IGV9的散度，一邊提升燃料控制閥66的散度。由此與燃料流量一同增加燃空比，使燃燒器出口的氣體溫度上升。
[0056]當渦輪轉(zhuǎn)數(shù)達到規(guī)定轉(zhuǎn)數(shù)后，控制裝置500向IGV9輸出信號，使IGV9的散度增加至基準散度。其后，隨著燃料流量的增加，燃氣輪機轉(zhuǎn)數(shù)達到無負載額定轉(zhuǎn)數(shù)(FSNL)。另夕卜，當空氣流量達到基準流量后(IGV散度達到基準散度后)，控制裝置500向發(fā)電機6輸出信號，開始獲得負載(開始發(fā)電)。
[0057]在此，“基準散度”是用于實現(xiàn)上述基準流量的IGV散度，是以在部分負載條件下不會使得壓縮機2產(chǎn)生激蕩或結(jié)冰的方式規(guī)定的散度。所謂激蕩是指在增加壓縮機2的壓力比時,產(chǎn)生在任意壓力比下伴隨急劇較大地聲音效果的壓力變動、空氣流的劇烈波動以及機械振動而使壓縮機2的動作不穩(wěn)定的現(xiàn)象。所謂積冰是指，在氣溫較低的條件下縮小IGV9的散度的情況下，隨著IGV9的出口速度(馬赫數(shù))的增加流體溫度下降而使大氣中所含的水分凍結(jié)的現(xiàn)象。若產(chǎn)生結(jié)冰，則固化的水分(冰塊)與壓縮機2的葉片碰撞，存在損傷葉片的隱患。
[0058](b)?(c):無負載額定轉(zhuǎn)數(shù)?燃料切換
[0059]達到無負載額定轉(zhuǎn)數(shù)后，控制裝置500開始從發(fā)電機6取得負載，運行區(qū)域為負載上升區(qū)。在該區(qū)域中，控制裝置500恒定(基準散度)地保持IGV9的散度，并恒定(基準流量)地保持燃燒器入口空氣流量。其間，由于與負載一同增加燃料流量而使燃空比增加，因此燃燒器出口氣體溫度上升。使負載上升，到達將燃料從起動用液體燃料切換為氣體燃料的規(guī)定的部分負載條件(圖2中的(c))。
[0060](c)?(d):燃料切換?氣體焚燒模式切換
[0061]到達規(guī)定的部分負載條件后，控制裝置500向燃料切斷閥60、65以及燃料控制閥
61、62、66輸出信號，一邊使液體燃料的流量減少一邊使對于先導式燃燒嘴32以及主燃燒嘴內(nèi)周的氣體燃料的流量增加，將燃料從液體燃料切換為氣體燃料。燃料切換后的燃燒模式是僅使用先導式燃燒嘴32以及主燃燒嘴內(nèi)周的部分燃燒模式。在部分燃燒模式的運行區(qū)域中，控制裝置500將IGV散度維持在基準散度，將燃燒器入口空氣流量保持在基準流量。在部分負載燃燒模式的運行中，控制裝置500配合負載上升使氣體燃料的流量增加，通過增加燃空比，燃燒器出口氣體溫度也上升。
[0062](d)?(e):氣體焚燒模式切換?IGV散度增加
[0063]到達切換燃燒模式的規(guī)定的部分負載條件(d)后，控制裝置500向燃料控制閥61-63輸出信號，除先導式燃燒嘴32以及主燃燒嘴內(nèi)周外也向主燃燒嘴外周分配氣體燃料，將燃燒模式從部分燃燒模式切換到完全燃燒模式。在將燃燒模式切換為完全燃燒模式時，控制裝置500向IGV9輸出信號，使IGV散度從基準散度下降(僅Λ IGV)至設定散度，暫時地使燃燒器入口空氣流量減少。其后，使IGV散度從設定散度逐漸回到基準散度，并使燃燒器入口空氣流量返回基準流量。其間，控制裝置500配合負載上升使氣體燃料的流量增加。
[0064](e)?(f):1GV散度增加?額定負載條件
[0065]其后，燃燒器出口氣體溫度隨著負載上升而上升，到達渦輪的排氣溫度超過限定值的條件(e)。當?shù)竭_該條件(e)后，控制裝置500使IGV9的散度從基準散度進一步增加，控制燃燒器出口氣體溫度將排氣溫度抑制在限定值以下。通過負載到達100%，運行條件轉(zhuǎn)移到額定負載條件。此外，在負載上升區(qū)中，除了額定負載條件(負載100%)以外的區(qū)域稱為部分負載區(qū)域。
[0066]在此，圖3是表示利用控制裝置500的向空氣流量調(diào)整裝置的指令信號輸出次序的控制方框圖。
[0067]在將燃燒模式從部分燃燒模式切換到完全燃燒模式之后，需要將IGV散度從基準散度IGVO縮小到設定散度IGV’。該燃燒模式的切換由燃氣輪機負載到達上述條件(d)而觸發(fā)。因此，在控制裝置500基于電力測量器602的測量結(jié)果來判斷燃氣輪機負載到達條件⑷后，開始IGV散度的變化指令的控制。
[0068]開始IGV散度的變化指令的控制后，控制裝置500輸入由氣體測量器400測量的氣體燃料中未燃燒成分的濃度以及由氣體溫度測量器601測量的氣體燃料的溫度。這里所謂的輸入的未燃燒成分濃度，是指應該抑制未燃燒而直接從燃燒器3排出的對象成分的氣體燃料中的濃度，具體來說是指氫或一氧化碳的濃度，此外，也包含甲烷、二氧化碳、氮的濃度。在控制裝置500中預先收藏有主燃燒嘴外周區(qū)域的局部火焰溫度與未燃燒成分排出量的關系線(參照圖4)，并根據(jù)該關系基于未燃燒成分濃度的輸入值來算出滿足未燃燒成分排出量的固定值Unburn(r)的主燃燒嘴外周局部火焰溫度Tr。此時，嚴格來說，規(guī)定火焰溫度Tr不僅隨著包含于氣體燃料的未燃燒成分的濃度變化，還隨著燃料溫度而變化。圖5是表示將未燃燒成分排出量抑制在規(guī)定值以下所需要的主燃燒嘴外周火焰溫度與氣體燃料組成的關系的圖。如該圖所示，氣體燃料中的未燃燒成分濃度越高或者燃料溫度Tf(Tfl<Tf2<Tf3)越低，則滿足未燃燒成分規(guī)定值Unburn (r)的Tr越高。因此，在控制裝置500以圖表形式預先收藏每個燃燒溫度下主燃燒嘴外周區(qū)域的局部火焰溫度與未燃燒成分排出量的關系，在控制裝置500中，期望基于未燃燒成分濃度與燃料溫度的輸入值來算出主燃燒嘴外周局部火焰溫度Tr。
[0069]接下來，控制裝置500基于從氣體測量器400、氣體溫度測量器601以及空氣溫度測量器603輸入的現(xiàn)在的燃料組成、燃料溫度、空氣溫度以及算出的主燃燒嘴外周局部火焰溫度Tr，來算出用于實現(xiàn)主燃燒嘴外周局部火焰溫度Tr的主燃燒嘴外周端面附近區(qū)域的局部燃空比(F/A)r。然后從(F/A)r和現(xiàn)在的氣體燃料流量(燃料控制閥61-63)的散度算出實現(xiàn)主燃燒嘴外周局部火焰溫度Tr所需要的空氣流量Ar。
[0070]最后，控制裝置500比較Ar和現(xiàn)在的空氣流量，并基于IGV的散度與空氣流量的關系，算出IGV散度的變化量AIGV。此時，為了避免因IGV散度極度減少而產(chǎn)生激蕩或結(jié)冰，Λ IGV由IGV限定散度(最低減少量)限制。然后，控制裝置500基于算出的AIGV，算出使IGV散度成為設定散度IGV’ ( = IGVO-Λ IGV)的指令值，并向IGV9輸出指令信號。這樣一來，IGV9的散度減少至設定散度IGV’，空氣流量縮小至設定流量。控制裝置500隨后還反復實行圖3的順序。在反復實行圖3的次序中，主燃燒嘴外周區(qū)域的燃空比上升，演算的設定散度IGV’逐漸靠近基準散度IGVO。S卩、設定散度IGV’并不恒定。該IGV散度的控制的結(jié)果，使IGV散度回復基準散度IGVO后，控制裝置500結(jié)束圖3的次序，將IGV散度保持在基準散度IGVO并增加燃料流量，經(jīng)過如上所述的條件(c)增加IGV散度，從而轉(zhuǎn)移至額定負載條件。
[0071]4.作用.效果
[0072]圖6是表示未燃燒成分排出量等諸量相對于燃氣輪機負載的變化的圖。在該圖中，將在向完全燃燒模式轉(zhuǎn)移時保持燃燒器入口空氣流量于基準流量的情況作為比較對象一并表示。比較對象與本實施方式共用的動作線由虛線表示，對與比較對象不同地變化的本實施方式所特有的動作線以實線區(qū)別表示。在該圖中表示從燃氣輪機起動至到達額定負載條件為止的IGV散度、未燃燒成分排出量、燃料流量、燃空比以及燃燒嘴各區(qū)域的局部火焰溫度的變化。
[0073]首先，著眼于向完全燃燒模式轉(zhuǎn)移時將燃燒器入口空氣流量保持在基準流量的情況，可以看出，在氣體焚燒的燃燒模式從部分燃燒模式向完全燃燒模式切換時(d)，未燃燒成分排出量激增。其后，雖然隨著負載上升未燃燒成分排出量緩慢減少，但是未燃燒成分排出量較多的狀態(tài)暫時持續(xù)，存在超過環(huán)境限制值的可能性。其后當負載進一步上升，在某一條件下未燃燒成分排出量開始減少，其后保持較少的未燃燒成分排出量地到達額定負載條件。
[0074]對向完全燃燒模式轉(zhuǎn)移時基準流量不變而未燃燒成分排出量增加的原因考慮如下。即、當燃燒模式切換至完全燃燒模式后，燃料流量大致以圖3所示的比例向各燃燒嘴分配。如該圖所示，開始供給燃料后不久主燃燒嘴外周區(qū)域的燃空比低于先導式燃燒嘴或主燃燒嘴內(nèi)周，主燃燒嘴外周的局部火焰溫度處于暫時比其他低的狀態(tài)。其結(jié)果，從主燃燒嘴外周噴出的氣體燃料在沒有完全燃燒的狀態(tài)下作為一部分未燃燒成分被排出。另外，由于氣體燃料含有CO，因此相比于一般所使用的天然氣等燃料具有未燃燒成分排出量易于增加的趨勢。負載上升后燃料流量增加，當主燃燒嘴外周的火焰溫度上升至某一溫度(該圖中的TO)后，在主燃燒嘴外周區(qū)域氣體燃料也開始完全燃燒，未燃燒成分排出量減少。
[0075]對此，在本實施方式中，通過在向完全燃燒模式轉(zhuǎn)移時如實線所示地調(diào)整IGV散度并縮小空氣流量，能夠?qū)⒅魅紵焱庵軈^(qū)域的局部火焰溫度保持在Tr以上并抑制未燃燒成分排出量。因此，即使使用含有H2或CO的氣體燃料，也能夠從部分負載到定格負載為止的全負載條件下抑制氣體燃料的未燃燒成分的排出。由此，能夠抑制未燃燒成分排出量超過環(huán)境限制值，更能夠抑制發(fā)電輸出降低。
[0076]另外，本實施方式的氣體燃料含有氫(H2)或一氧化碳(CO)作為主要成分，相比于燃氣輪機一般所使用的天然氣(主要成分為甲烷)燃燒速度較快。因此，在燃燒室5內(nèi)的燃燒嘴端面附近形成高溫的火焰。對此，在本實施方式中采用如下的燃燒嘴結(jié)構(gòu)，成對設置多對燃料噴嘴22和空氣孔21，通過多個空氣孔21向燃燒室5內(nèi)噴出周圍被空氣流覆蓋狀態(tài)的燃料流，并通過流道的迅速擴大來急劇地使燃料和空氣混合。由此，因為能夠一邊提高燃料的分散性一邊在燃燒室內(nèi)均勻地使燃料燃燒，所以能夠抑制形成高溫的火焰，并能夠抑制燃燒嘴的金屬溫度上升。另外，還有助于降低NOx的排出量。
[0077]另外，通過基于氣體測量器400或溫度測量器601的測量值算出未燃燒成分排出量被抑制在Unburn (r)的設定散度IGV’，能夠合理地抑制未燃燒成分排出量。
[0078]另外，由于供給至各燃燒嘴區(qū)的氣體燃料的比例可由燃料控制閥61-63改變，因此，通過使主燃燒嘴外周區(qū)域的燃料流量增多來有效地使主燃燒嘴外周區(qū)域的局部火焰溫度上升，從而能夠有效地抑制未燃燒成分排出量。另外，也有助于抑制燃料不勻。
[0079]作為位于主燃燒嘴33中心的先導式燃燒嘴32，通過具備使氣體燃料以及液體燃料雙方燃燒的雙重燃燒嘴，能夠在燃料切換為氣體燃料后也從燃燒嘴中心附近噴射燃料，從而能夠維持燃燒的均勻性。
[0080](第二實施方式)
[0081]圖7是表示具備本發(fā)明的第二實施方式的燃氣輪機燃燒系統(tǒng)的渦輪設備的一構(gòu)成例的圖。對該圖中與第一實施方式同樣的部分標記與先前附圖相同的附圖標記并省略說明。
[0082]本實施方式與第一實施方式的不同點在于，使由壓縮機2壓縮的壓縮空氣102返回該壓縮機2的入口的吸氣再循環(huán)系統(tǒng)(IBH系統(tǒng):Inlet Bleed Heat)的抽氣調(diào)整閥11為空氣流量調(diào)整裝置。所謂IBH系統(tǒng)是指通過使壓縮空氣102的一部分返回壓縮機2的吸氣來使壓縮空氣102的溫度上升并降低空氣流量的系統(tǒng)。IBH系統(tǒng)具有與IGV系統(tǒng)相同的效果，返回壓縮機入口的流量由抽氣調(diào)整閥11調(diào)整。本實施方式構(gòu)成為由控制裝置500控制抽氣調(diào)整閥11的散度代替IGV9，通過控制抽氣調(diào)整閥11的散度，如圖2所示地調(diào)整燃燒器入口空氣流量。其他點與第一實施方式相同。
[0083]即使在本實施方式中，因為能夠在向完全燃燒模式轉(zhuǎn)移時通過提高抽氣調(diào)整閥11的散度使壓縮空氣102的流量減少，所以也能夠得到與第一實施方式相同的效果。
[0084](第三實施方式)
[0085]圖8是表示具備本發(fā)明的第三實施方式的燃氣輪機燃燒系統(tǒng)的渦輪設備的一構(gòu)成例的圖。對該圖中與第一實施方式同樣的部分標記與先前附圖相同的附圖標記并省略說明。
[0086]本實施方式與之前各實施方式的不同點在于，以將從壓縮機2抽吸的空氣向渦輪4分流的分流系統(tǒng)的抽氣調(diào)整閥14為空氣流量調(diào)整裝置。分流系統(tǒng)是將壓縮空氣的一部分作為渦輪4的高溫部件的冷卻空氣抽吸的系統(tǒng)，能夠通過抽氣調(diào)整閥14的散度調(diào)整，如圖2所示地控制燃燒器入口空氣流量。此外，雖然未特別地圖示，但是在本實施方式的燃氣輪機中能夠設置IGV9或IBH。在該情況下，在部分負載運行中，在部分燃燒模式以及完全燃燒模式的運行區(qū)時以基準散度維持IGV9或抽氣流量調(diào)整閥11的散度，控制抽氣調(diào)整閥14作為將燃燒器入口空氣流量從基準流量IGVO縮小到設定流量IGV’的方法。其他的結(jié)構(gòu)與第一或第二實施方式相同。
[0087]即使在本實施方式中也能夠得到與第一或第二實施方式相同的效果。另外，因為在向完全燃燒模式轉(zhuǎn)移時，在燃燒器入口空氣流量縮小而使各燃燒嘴區(qū)域的局部火焰溫度上升之時增加渦輪的冷卻空氣流量，所以能夠緩和金屬溫度的上升。
[0088](其他)
[0089]在上述各實施方式中，雖然以將本發(fā)明適用于使用焦爐煤氣、煉油廠廢氣或是煤氣化氣體等以氫(H2)或一氧化碳(CO)為主要成分的氣體燃料的燃氣輪機燃燒系統(tǒng)的情況為例進行說明，但是當然也可以使用作為氣體燃料主要包括天然氣的其他氣體燃料。另外，雖然以使用液體燃料作為起動用燃料的情況為例進行說明，但是也能夠使用天然氣或丙烷等氣體燃料作為起動用燃料。在該情況下，先導式燃燒嘴無需是雙重燃燒嘴。
[0090]另外，雖然以將本發(fā)明適用于成對設置多對燃料噴嘴22和空氣孔21并通過多個空氣孔21向燃燒室5內(nèi)噴出周圍被空氣流覆蓋狀態(tài)的多個燃料流的燃燒嘴結(jié)構(gòu)的燃氣輪機燃燒系統(tǒng)的情況為例進行說明，但是本發(fā)明也能夠適用于具備一般的預混合燃燒方式的燃燒嘴等其他燃燒方式的主燃燒嘴的燃氣輪機燃燒系統(tǒng)。
[0091]另外，以基于氣體測量器400或溫度測量器601的輸入信號算出設定流量，并將燃燒器入口空氣流量從基準流量縮小至設定流量的結(jié)構(gòu)為例進行了說明。但是，也能夠沿預先設定的動作線控制設定流量，這意味著在燃燒模式向完全燃燒模式切換時不一定需要基于氣體測量器400或氣體溫度測量器601的輸入信號來算出設定流量。另外，即使選擇算出測定流量，也能夠基于氣體測量器400以及氣體溫度測量器601的測量值進行算出，以設定流量的算出為基礎不一定需要使用例如電力測量器602、空氣溫度測量器603、空氣流量測量器604等的輸入值。
[0092]另外，雖然以將本發(fā)明適用于單軸式單循環(huán)燃氣輪機的情況為例進行說明，但是本發(fā)明也能夠適用于雙軸式燃氣輪機或聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)、高濕度空氣利用燃氣輪機(AHAT:Advanced Humid Air Turbine)以及由潤輪廢氣加熱壓縮機出口空氣的再生循環(huán)燃氣輪機等其他方式的燃氣輪機。
【權(quán)利要求】
1.一種燃氣輪機燃燒系統(tǒng)，其特征在于，具備: 多個氣體燃料燃燒嘴；空氣流量調(diào)整裝置，該空氣流量調(diào)整裝置調(diào)整與氣體燃料混合的空氣的流量；以及控制裝置，該控制裝置在燃燒模式從由上述多個氣體燃料燃燒嘴的一部分使氣體燃料燃燒的部分燃燒模式切換到由全部上述多個氣體燃料燃燒嘴使氣體燃料燃燒的完全燃燒模式時，向上述空氣流量調(diào)整裝置輸出信號使空氣流量暫時從基準流量下降至設定流量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃氣輪機燃燒系統(tǒng)，其特征在于，具備 測量氣體燃料的燃料組成的氣體測量器，以及 測量氣體燃料的溫度的氣體溫度測量器， 上述控制裝置基于分別由上述氣體測量器以及上述氣體溫度測量器測量的氣體燃料的組成以及溫度來演算上述設定流量。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃氣輪機燃燒系統(tǒng)，其特征在于， 上述基準流量是考慮抑制壓縮機在部分負載條件下產(chǎn)生激蕩以及結(jié)冰而設定的值。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃氣輪機燃燒系統(tǒng)，其特征在于， 上述空氣流量調(diào)整裝置是壓縮機的入口導向葉片。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃氣輪機燃燒系統(tǒng)，其特征在于， 上述空氣流量調(diào)整裝置是使由壓縮機壓縮的空氣返回該壓縮機的入口的吸氣再循環(huán)系統(tǒng)的抽氣調(diào)整閥。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃氣輪機燃燒系統(tǒng)，其特征在于， 上述空氣流量調(diào)整裝置是將從壓縮機抽吸的空氣向渦輪分流的分流系統(tǒng)的抽氣調(diào)整閥。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃氣輪機燃燒系統(tǒng)，其特征在于， 上述氣體燃料燃燒嘴具備空氣孔板以及多個燃料噴嘴，所述空氣孔板面向燃燒室且具有多個空氣孔，所述多個燃料噴嘴與上述多個空氣孔具有分別對應的關系，并將噴射的氣體燃料通過對應的空氣孔向上述燃燒室供給。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃氣輪機燃燒系統(tǒng)，其特征在于， 具備氣體燃料系統(tǒng)，該氣體燃料系統(tǒng)使供給至上述多個氣體燃料燃燒嘴的氣體燃料的比例可變。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃氣輪機燃燒系統(tǒng)，其特征在于， 在上述多個氣體燃料燃燒嘴的中心具備使氣體燃料以及液體燃料雙方燃燒的雙重燃燒嘴。
10.一種燃氣輪機設備，其特征在于，具備: 壓縮機，該壓縮機壓縮空氣； 權(quán)利要求1所述的燃氣輪機燃燒系統(tǒng)，該燃氣輪機燃燒系統(tǒng)使由上述壓縮機壓縮移動的空氣與燃料一同燃燒； 渦輪，該渦輪由來自上述燃氣輪機燃燒系統(tǒng)的燃燒氣體驅(qū)動；以及 發(fā)電機，該發(fā)電機由上述渦輪的旋轉(zhuǎn)動力驅(qū)動。
11.一種燃氣輪機燃燒系統(tǒng)的運行方法，該燃氣輪機燃燒系統(tǒng)具備多個氣體燃料燃燒嘴和調(diào)整與氣體燃料混合的空氣流量的空氣流量調(diào)整裝置，上述燃氣輪機燃燒系統(tǒng)的運行方法的特征在于， 在燃燒模式從由上述多個氣體燃料燃燒嘴的一部分使氣體燃料燃燒的部分燃燒模式切換到由全部上述多個氣體燃料燃燒嘴使氣體燃料燃燒的完全燃燒模式時，操作上述空氣流量調(diào)整裝置使空氣流量暫時從基準流量下降至設定流量。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的燃氣輪機燃燒系統(tǒng)的運行方法，其特征在于， 基于氣體燃料的組成以及溫度來演算上述設定流量。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的燃氣輪機燃燒系統(tǒng)的運行方法，其特征在于， 考慮抑制壓縮機在部分負載條件下產(chǎn)生激蕩以及結(jié)冰來設定上述基準流量。
【文檔編號】F02C9/54GK104421003SQ201410412682
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2014年8月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月30日
【發(fā)明者】淺井智廣, 林明典, 穐山恭大 申請人:三菱日立電力系統(tǒng)株式會社