СЖИГАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ
BURNING APPARATUS OF A GAS TURBINE UNIT

Область техники
Настоящее изобретение относится к сжигающему устройству газотурбинной установки.
Уровень техники
Сжигающее устройство газотурбинной установки, раскрытое в публикации JP 2014-240635 A, включает в себя пилотную горелку и основную горелку, расположенную на внешней периферийной стороне пилотной горелки. Пилотная горелка представляет собой горелку для диффузионного горения и напрямую впрыскивает топливо в камеру сгорания. Основная горелка представляет собой горелку для горения предварительно приготовленной смеси и смешивает топливо и воздух в канале для предварительно приготовленной смеси и подает смесь в камеру сгорания. Хотя горение предварительно приготовленной смеси имеет низкую стабильность пламени по сравнению с диффузионным горением, оно снижает выбросы NOx.
Сжигающее устройство газотурбинной установки, раскрытое в JP 2014-240635 A, дополнительно включает в себя пилотный клапан регулирования подачи топлива, который регулирует расход топлива, подаваемого в пилотную горелку, четыре основных клапана регулирования подачи топлива, каждый из которых регулирует расход топлива, подаваемого в каждый из четырех секторов горелки, на которые разделена основная горелка в окружном направлении, и контроллер, выполненный с возможностью управлять пилотным клапаном регулирования подачи топлива и основными клапанами регулирования подачи топлива.
Контроллер управляет пилотным клапаном регулирования подачи топлива и основными клапанами регулирования подачи топлива после активации газотурбинной установки и до тех пор, пока газотурбинная установка не войдет в режим полной нагрузки. Более конкретно, контроллер осуществляет управление таким образом, что топливо подается сначала только в пилотную горелку, и затем увеличивает расход топлива. Далее контроллер переключает управление таким образом, что топливо подается в пилотную горелку и один из секторов горелки, и затем увеличивает для них расходы топлива. Далее контроллер переключает управление таким образом, что топливо подается в пилотную горелку и в два из секторов горелки, и затем увеличивает для них расходы топлива. Далее контроллер переключает управление таким образом, что топливо подается в пилотную горелку и в три из секторов горелки, и затем увеличивает для них расходы топлива. Далее контроллер переключает управление таким образом, что топливо подается в пилотную горелку и в четыре сектора горелки, и затем увеличивает для них расходы топлива.
Сущность изобретения
Хотя в JP 2014-240635 A отсутствует четкое описание, когда топливо подают во все сектора горелки, контроллер управляет расходами топлива соответствующих секторов горелки таким образом, чтобы они были одинаковыми. Когда топливо подают во все сектора горелки, расход топлива основной горелки для горения предварительно приготовленной смеси значительно больше, чем расход топлива пилотной горелки для диффузионного горения. Поэтому возникает явление усиления колебаний пламени. Авторы настоящего изобретения заметили, что, когда топливо подают во все сектора горелки, если расход топлива по меньшей мере одного сектора горелки сделать отличающимся от других секторов горелки, то возможно подавить колебание пламени, чтобы улучшить стабильность горения.
Целью настоящего изобретения является создание сжигающего устройства газотурбинной установки, способного улучшить стабильность горения.
Для достижения вышеуказанной цели в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения предлагается сжигающее устройство газотурбинной установки, включающее в себя пилотную горелку, пилотный клапан регулирования подачи топлива, который регулирует расход топлива, подаваемого в пилотную горелку, основную горелку для горения предварительно приготовленной смеси, расположенную на внешней периферийной стороне пилотной горелки, множество основных клапанов регулирования подачи топлива, которые регулируют расходы топлива, индивидуальным образом подаваемого в множество секторов горелки, на которые разделена основная горелка в окружном направлении, и контроллер, выполненный с возможностью управлять пилотным клапаном регулирования подачи топлива и множеством основных клапанов регулирования подачи топлива. Контроллер управляет множеством основных клапанов регулирования подачи топлива таким образом, что когда топливо должно подаваться во все из множества секторов горелки, возникает различие в расходе топлива между по меньшей мере одним сектором горелки и другими секторами горелки среди множества секторов горелки.
Согласно настоящему изобретению может быть достигнуто улучшение стабильности горения.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - схематический вид, иллюстрирующий конструкцию сжигающего устройства газотурбинной установки в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения и конфигурацию газотурбинной установки, включающей в себя сжигающее устройство газотурбинной установки;
Фиг. 2 - вид в поперечном разрезе по линии II-II с фиг. 1;
Фиг. 3 - временная диаграмма, иллюстрирующая изменение подачи топлива в сжигающем устройстве газотурбинной установки в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 4 - временная диаграмма, иллюстрирующая изменение расхода топлива после момента времени T с фиг. 3;
Фиг. 5 - схематический вид, иллюстрирующий шесть секторов горелки и соотношение между расходами топлива шести секторов горелки в первой модификации настоящего изобретения;
Фиг. 6 - схематический вид, иллюстрирующий шесть секторов горелки и соотношение между расходами топлива шести секторов горелки во второй модификации настоящего изобретения; и
Фиг. 7 - схематический вид, иллюстрирующий два сектора горелки и соотношение между расходами топлива двух секторов горелки в третьей модификации настоящего изобретения.
Описание предпочтительных вариантов осуществления
Вариант осуществления настоящего изобретения будет описан со ссылкой на чертежи.
На фиг. 1 представлен схематический вид, иллюстрирующий конструкцию сжигающего устройства газотурбинной установки в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения и конфигурацию газотурбинной установки, включающей в себя сжигающее устройство газотурбинной установки. На фиг. 2 представлен вид в поперечном разрезе по линии II-II на фиг. 1. Следует отметить, что на фиг. 2 для удобства иллюстрирования не показаны жаровая труба и корпус.
Газотурбинная электростанция в соответствии с рассматриваемым вариантом осуществления включает в себя генератор 1 и газотурбинную установку, которая осуществляет привод генератора 1. Газотурбинная установка включает в себя компрессор 2, который генерирует воздух высокого давления, сжигающее устройство 3, которое сжигает топливо и воздух высокого давления от компрессора 2, и турбину 4, которая приводится в действие газообразным продуктом горения от сжигающего устройства 3. Генератор 1 и компрессор 2 соединены коаксиальным образом с турбиной 4 и приводятся в действие турбиной 4.
Сжигающее устройство 3 (сжигающее устройство газотурбинной установки) включает в себя пилотную горелку 5, основную горелку 6, расположенную на внешней периферийной стороне пилотной горелки 5, и цилиндрическую жаровую трубу 7, расположенную на нижней по потоку стороне (справа на фиг. 1) пилотной горелки 5 и основной горелки 6. На внешней стороне жаровой трубы 7 (а именно, между жаровой трубой 7 и корпусом 8) образован воздушный канал 9, который подает воздух высокого давления от компрессора 2 в пилотную горелку 5 и основную горелку 6. Камера 10 сгорания образована на внутренней стороне жаровой трубы 7.
Пилотная горелка 5 представляет собой горелку для диффузионного горения и включает в себя топливную форсунку 11, которая впрыскивает топливо в камеру 10 сгорания, воздушный канал 12, образованный на внешней периферийной стороне топливной форсунки 11, и множество закручивающих лопаток 13, расположенных в воздушном канале 12 таким образом, чтобы создавать вихревые потоки. Воздушный канал 12 соединен с описанным выше воздушным каналом 9. Пилотная горелка 5 впрыскивает топливо из топливной форсунки 11 в камеру 10 сгорания и подает воздух из воздушного канала 12 в камеру 10 сгорания. Следует отметить, что пилотная горелка 5 не ограничивается горелкой для диффузионного горения и может представлять собой горелку с другим типом горения.
Основная горелка 6 представляет собой горелку для горения предварительно приготовленной смеси и включает в себя внутренний цилиндр 14, внешний цилиндр 15, множество перегородок 17a-17l, множество топливных форсунок 18 и кольцевой стабилизатор 19 пламени. Внутренний цилиндр 14 расположен на внешней периферийной стороне пилотной горелки 5, а внешний цилиндр 15 расположен на внешней периферийной стороне внутреннего цилиндра 14. Множество перегородок 17a-17l разделяют пространство между внутренним цилиндром 14 и внешним цилиндром 15 в окружном направлении, образуя множество (в рассматриваемом варианте осуществления 12) каналов 16 для предварительно приготовленной смеси. Множество топливных форсунок 18 впрыскивают топливо в множество каналов 16 для предварительно приготовленной смеси. В рассматриваемом варианте осуществления обеспечены 24 топливные форсунки 18, то есть две топливные форсунки 18 обеспечены для каждого из каналов 16 для предварительно приготовленной смеси. Стабилизатор 19 пламени расположен на нижней по потоку стороне множества каналов 16 для предварительно приготовленной смеси. Каналы 16 для предварительно приготовленной смеси соединены с описанным выше воздушным каналом 9. Основная горелка 6 смешивает в каналах 16 для предварительно приготовленной смеси топливо из топливных форсунок 18 и воздух из воздушного канала 9, чтобы образовать смесь, и подает смесь в камеру 10 сгорания.
Основная горелка 6 разделена на четыре сектора 20a-20d горелки перегородками 17a, 17d, 17g и 17j. Каждый из секторов 20a-20d горелки включает в себя три группы из канала 16 для предварительно приготовленной смеси и топливной форсунки 18. В камере 10 сгорания топливо и воздух, подаваемые из пилотной горелки 5 и любого из секторов 20a-20d горелки, сжигают и тем самым генерируют газообразный продукт горения.
Сжигающее устройство 3 далее включает в себя систему 21 подачи топлива, которая подает топливо в пилотную горелку 5 и сектора 20a-20d горелки, и контроллер 30. Система 21 подачи топлива включает в себя общую систему 22 подачи топлива, пилотную систему 23 подачи топлива и основные системы 24a-24d подачи топлива. Общая система 22 подачи топлива соединена с источником подачи топлива (не показан), и пилотная система 23 подачи топлива ответвляется от общей системы 22 подачи топлива и подает топливо в пилотную горелку 5. Основные системы 24a-24d подачи топлива ответвляются от общей системы 22 подачи топлива и подают топливо в сектора 20a-20d горелки, соответственно.
Запорный клапан 25 обеспечен для общей системы 22 подачи топлива. Пилотный клапан 26 регулирования подачи топлива обеспечен для пилотной системы 23 подачи топлива, и основные клапаны 27a-27d регулирования подачи топлива обеспечены для основных систем 24a-24d подачи топлива. Пилотный клапан 26 регулирования подачи топлива регулирует расход топлива, подаваемого в пилотную горелку 5, более конкретно, в топливную форсунку 11. Каждый из основных клапанов 27a-27d регулирования подачи топлива регулирует расход топлива, подаваемого в соответствующий сектор горелки, более конкретно, в шесть топливных форсунок 18, через коллектор (не показан).
Контроллер 30 управляет пилотным клапаном 26 регулирования подачи топлива и основными клапанами 27a-27d регулирования подачи топлива в соответствии с режимом работы газотурбинной установки, чтобы управлять диапазоном подачи и расходом топлива. Более подробно это описано ниже со ссылкой на фиг. 3 и фиг. 4.
На фиг. 3 представлена временная диаграмма, иллюстрирующая изменение подачи топлива в сжигающем устройстве газотурбинной установки в рассматриваемом варианте осуществления. В верхней части фиг. 3 показано изменение диапазона подачи (штрихованная область) среди пилотной горелки 5 и секторов 20a-20d горелки. В нижней части фиг. 3 показано изменение расхода F1 топлива пилотной горелки 5, расхода F2a топлива сектора 20a горелки, расхода F2b топлива сектора 20b горелки, расхода F2c топлива сектора 20c горелки и расхода F2d топлива сектора 20d горелки. На фиг. 4 представлена временная диаграмма, иллюстрирующая изменение расхода F1 топлива пилотной горелки 5, расхода F2 топлива основной горелки 6, расхода F2a топлива сектора 20a горелки, расхода F2b топлива сектора 20b горелки, расхода F2c топлива сектора 20c горелки и расхода F2d топлива сектора 20d горелки после момента времени T на фиг. 3.
Во время воспламенения (активации) газотурбинной установки контроллер 30 управляет запорным клапаном 25, пилотным клапаном 26 регулирования подачи топлива и основными клапанами 27b и 27d регулирования подачи топлива, чтобы они пришли в открытое состояние, и управляет основными клапанами 27a и 27c регулирования подачи топлива, чтобы они пришли в закрытое состояние. В результате топливо и воздух высокого давления подаются из пилотной горелки 5 и секторов 20b и 20d горелки в камеру 10 сгорания.
После воспламенения (активации) газотурбинной установки контроллер 30 управляет запорным клапаном 25 и пилотным клапаном 26 регулирования подачи топлива, чтобы они пришли в открытое состояние, и управляет основными клапанами 27a-27d регулирования подачи топлива, чтобы они пришли в закрытое состояние. В результате топливо и воздух высокого давления подаются из пилотной горелки 5 в камеру 10 сгорания. Контроллер 30 далее увеличивает степень открытия пилотного клапана 26 регулирования подачи топлива, чтобы увеличить расход F1 топлива пилотной горелки 5, до тех пор, пока скорость вращения турбины 4 не достигнет номинальной скорости вращения, другими словами, до тех пор, пока газотурбинная установка не достигнет состояния полной скорости без нагрузки (FSNL).
После того, как скорость вращения турбины 4 достигнет номинальной скорости вращения, начинается генерация энергии генератором 1, и нагрузка газотурбинной установки постепенно увеличивается до тех пор, пока газотурбинная установка не достигнет состояния полной скорости при полной нагрузке (FSFL). Более конкретно, контроллер 30 сначала переключает основной клапан 27a регулирования подачи топлива из закрытого состояния в открытое состояние. В результате топливо и воздух высокого давления подаются из пилотной горелки 5 и сектора 20a горелки в камеру 10 сгорания. Во время этого переключения основного клапана 27a регулирования подачи топлива контроллер 30 уменьшает степень открытия пилотного клапана 26 регулирования подачи топлива, чтобы уменьшить расход F1 топлива пилотной горелки 5. Это подавляет изменение от общего расхода F1 топлива на общий расход (F1+F2a) топлива. Далее контроллер 30 увеличивает степень открытия пилотного клапана 26 регулирования подачи топлива и степень открытия основного клапана 27a регулирования подачи топлива, чтобы увеличить расход F1 топлива пилотной горелки 5 и расход F2a топлива сектора 20a горелки.
После того как нагрузка на газотурбинной установке достигнет первого значения, контроллер 30 переключает основной клапан 27d регулирования подачи топлива из закрытого состояния в открытое состояние. В результате топливо и воздух высокого давления подаются из пилотной горелки 5 и секторов 20a и 20d горелки в камеру 10 сгорания. Во время этого переключения основного клапана 27d регулирования подачи топлива контроллер 30 уменьшает степень открытия пилотного клапана 26 регулирования подачи топлива, чтобы уменьшить расход F1 топлива пилотной горелки 5. Это подавляет изменение от общего расхода (F1+F2a) топлива на общий расход (F1+F2a+F2d) топлива. Далее контроллер 30 увеличивает степень открытия пилотного клапана 26 регулирования подачи топлива, степень открытия основного клапана 27a регулирования подачи топлива и степень открытия основного клапана 27d регулирования подачи топлива, чтобы увеличить расход F1 топлива пилотной горелки 5, расход F2a топлива сектора 20a горелки и расход F2d топлива сектора 20d горелки. В это время расход F2a топлива сектора 20a горелки и расход F2d топлива сектора 20d горелки делают равными друг другу.
После того, как нагрузка на газотурбинной установке достигнет второго значения (где второе значение больше, чем первое значение), контроллер 30 переключает основной клапан 27b регулирования подачи топлива из закрытого состояния в открытое состояние. В результате топливо и воздух высокого давления подаются из пилотной горелки 5 и секторов 20a, 20b и 20d горелки в камеру 10 сгорания. Во время этого переключения основного клапана 27b регулирования подачи топлива контроллер 30 уменьшает степень открытия пилотного клапана 26 регулирования подачи топлива, чтобы уменьшить расход F1 топлива пилотной горелки 5. Это подавляет изменение от общего расхода (F1+F2a+F2d) топлива на общий расход (F1+F2a+F2b+F2d) топлива. Далее контроллер 30 увеличивает степень открытия пилотного клапана 26 регулирования подачи топлива, степень открытия основного клапана 27a регулирования подачи топлива, степень открытия основного клапана 27b регулирования подачи топлива и степень открытия основного клапана 27d регулирования подачи топлива, чтобы увеличить расход F1 топлива пилотной горелки 5, расход F2a топлива сектора 20a горелки, расход F2b топлива сектора 20b горелки и расход F2d топлива сектора 20d горелки. В это время расход F2a топлива сектора 20a горелки, расход F2b топлива сектора 20b горелки и расход F2d топлива сектора 20d горелки делают равными друг другу.
После того, как нагрузка на газотурбинной установке достигнет третьего значения (где третье значение больше, чем второе значение) (момент времени T), контроллер 30 переключает основной клапан 27c регулирования подачи топлива из закрытого состояния в открытое состояние. В результате топливо и воздух высокого давления подаются из пилотной горелки 5 и секторов 20a, 20b, 20c и 20d горелки в камеру 10 сгорания. Во время этого переключения основного клапана 27c регулирования подачи топлива контроллер 30 уменьшает степень открытия пилотного клапана 26 регулирования подачи топлива, чтобы уменьшить расход F1 топлива пилотной горелки 5. Это подавляет изменение от общего расхода (F1+F2a+F2b+F2d) топлива на общий расход (F1+F2a+F2b+F2c+F2d) топлива. Далее контроллер 30 увеличивает степень открытия пилотного клапана 26 регулирования подачи топлива, степень открытия основного клапана 27a регулирования подачи топлива, степень открытия основного клапана 27b регулирования подачи топлива, степень открытия основного клапана 27c регулирования подачи топлива и степень открытия основного клапана 27d регулирования подачи топлива, чтобы увеличить расход F1 топлива пилотной горелки 5, расход F2a топлива сектора 20a горелки, расход F2b топлива сектора 20b горелки, расход F2c топлива сектора 20с горелки и расход F2d топлива сектора 20d горелки.
В это время, в качестве отличительной характеристики настоящего изобретения, контроллер 30 управляет основными клапанами 27a-27d таким образом, что возникает различие в расходе топлива между секторами 20a и 20c горелки и секторами 20b и 20d горелки. Более конкретно, относительно среднего значения расходов топлива секторов 20a-20d (=(F2a+F2b+F2c+F2d)/4), расход F2a топлива сектора 20a горелки и расход F2c топлива сектора 20c горелки увеличиваются, в то время как расход F2b топлива сектора 20b горелки и расход F2d топлива сектора 20d горелки уменьшаются. В результате, хотя когда топливо подают во все сектора 20a-20d горелки вероятно возникновение явления усиления колебаний пламени горения, это явление может быть подавлено. Соответственно может быть достигнуто улучшение стабильности горения.
Далее, в рассматриваемом варианте осуществления каждый расход топлива секторов 20a-20d горелки увеличивается и уменьшается относительно среднего значения расходов топлива секторов 20a-20d горелки чередующимся образом в окружном направлении. В результате, по сравнению с альтернативным случаем, в котором каждый расход топлива не увеличивается и уменьшается чередующимся образом в окружном направлении, стабильность горения может быть улучшена. В результате, локальное повышение температуры металла на нижней по потоку стороне может быть подавлено.
Следует отметить, что, хотя в описанном выше варианте осуществления рассматривается в качестве примера случай, когда основная горелка 6 разделена на четыре сектора 20a-20d горелки перегородками 17a, 17d, 17g и 17j, и система 21 подачи топлива имеет четыре группы из основной системы подачи топлива и основного клапана регулирования подачи топлива, индивидуальным образом соответствующие четырем секторам 20a-20d горелки, это не является ограничительным.
Например, как в случае первой модификации, иллюстрируемой на фиг. 5, основная горелка 6 может быть разделена на шесть секторов 20a-20f горелки перегородками 17a, 17c, 17e, 17g, 17i и 17k, и система 21 подачи топлива может включать в себя шесть групп из основной системы подачи топлива и основного клапана регулирования подачи топлива, индивидуальным образом соответствующие шести секторам 20a-20f горелки. В этой модификации, когда топливо должно подаваться во все сектора 20a-20f горелки, контроллер 30 управляет основными клапанами регулирования подачи топлива таким образом, что возникает различие в расходе топлива между секторами 20a, 20c и 20e горелки и секторами 20b, 20d и 20f горелки. Более конкретно, относительно среднего значения расходов топлива секторов 20a-20f горелки (=(F2a+F2b+F2c+F2d+F2e+F2f)/6), расход F2b топлива сектора 20b горелки, расход F2d топлива сектора 20d горелки и расход F2f топлива сектора 20f горелки увеличиваются, в то время как расход F2a топлива сектора 20a горелки, расход F2c топлива сектора 20c горелки и расход F2e топлива сектора 20e горелки уменьшаются. В результате могут быть получены полезные эффекты, аналогичные описанному выше варианту осуществления.
В качестве альтернативы, как в случае второй модификации, иллюстрируемой на фиг. 6, когда топливо должно подаваться по все сектора 20a-20f горелки, контроллер 30 управляет основными клапанами регулирования подачи топлива таким образом, что возникает различие в расходе топлива между секторами 20a, 20b, 20c и 20e горелки и секторами 20d и 20f горелки. Более конкретно, относительно среднего значения расходов топлива секторов 20a-20f горелки, расход F2d топлива сектора 20d горелки и расход F2f топлива сектора 20f горелки увеличиваются, в то время как расход F2a топлива сектора 20a горелки, расход F2b топлива сектора 20b горелки, расход F2c топлива сектора 20c горелки и расход F2e топлива сектора 20e горелки уменьшаются. С этой модификацией, хотя и не получают полезные эффекты, аналогичные первой модификации, стабильность горения может быть улучшена.
В качестве другой альтернативы, например, как в случае третьей модификации, иллюстрируемой на фиг. 7, основная горелка 6 может быть разделена на два сектора 20a и 20b горелки перегородками 17a и 17g, и система 21 подачи топлива может включать в себя две группы из основной системы подачи топлива и основного клапана регулирования подачи топлива, индивидуальным образом соответствующие двум секторам 20a и 20b горелки. В этой модификации контроллер 30 управляет основными клапанами регулирования подачи топлива таким образом, что, когда топливо должно подаваться во все сектора 20a и 20b горелки, возникает различие в расходе топлива между сектором 20a горелки и сектором 20b горелки. Более конкретно, относительно среднего значения расходов топлива секторов 20a и 20b горелки, расход F2b топлива сектора 20b горелки увеличивается, в то время как расход F2a топлива сектора 20a горелки уменьшается. В результате может быть улучшена стабильность горения.
Перечень ссылочных позиций
3 - сжигающее устройство
5 - пилотная горелка
6 - основная горелка
20a-20f - сектор горелки
26 - пилотный клапан регулирования подачи топлива
27a-27d - основной клапан регулирования подачи топлива
30 - контроллер.