[发明专利]燃气轮机燃烧器

说明书

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后，形成预混合气体，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，例如燃烧液化天燃气时，产生的大部分氮的氧化物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。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（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，有以下两个问题。

（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。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。