JP2002206706A - 段階式の燃料噴霧装置を備えたバーナシステム及びこのバーナシステムを運転するための方法 - Google Patents
段階式の燃料噴霧装置を備えたバーナシステム及びこのバーナシステムを運転するための方法Info
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Abstract
適化された運転を可能にする、バーナを運転するための
バーナシステムを提供する。 【解決手段】 バーナによって開始された燃焼の脈動を
検出する第1の測定値センサ8及び/又は、燃焼のエミ
ッション値を検出する第2の測定値センサ9が設けられ
ており、コントロール装置10が設けられており、該コ
ントロール装置10が、測定データを得るための単数若
しくは複数の測定値センサ8,9に接続されていて、こ
れらの測定値センサ8,9によって供給された測定デー
タに基づいて第1及び第2の燃料供給部4a,4bを介
して燃料供給を制御するようになっている。
Description
装置を備えたバーナシステム並びに、このバーナシステ
ムを運転するための方法に関する。バーナシステムは主
として、燃焼空気流のための渦流発生装置(Drall
erzeuger)と燃料を燃焼空気流内に供給するた
めの手段とを備えたバーナを有しており、燃料を燃焼空
気流内に供給するための前記手段は、第1の予混合燃料
量のための燃料出口開口の第1のグループを備えた少な
くとも1つの第1の燃料供給部と、燃料出口開口の前記
第1のグループの下流で燃料出口開口の第2のグループ
を備えた、第2の予混合燃料量のための第2の燃料供給
部とを有している。このような形式のバーナシステムの
ための有利な使用領域は、ガスタービン及び蒸気タービ
ン技術である。
書によれば、多数のシェルから成るコーン形(円錐形)
のバーナ、いわゆるダブルコーン形バーナが公知であ
る。多数のシェルから構成されたコーン形の渦流発生装
置によって、コーンヘッド内で閉じた渦流が生ぜしめら
れる。この渦流は、コーン先端に沿って次第に大きくな
るねじれに基づいて不安定になり、コア内での逆流を伴
って環状の渦流に移行する。渦流発生装置のシェルは、
バーナ軸線に沿って、燃焼空気のための接線方向の空気
入口スリットが形成されるように構成されている。これ
によって発生した、コーンシェルの流入縁部には、予混
合ガスつまりガス状の燃料のための供給部が設けられて
おり、この供給部は、バーナ軸線方向で分配された、予
混合ガスのための出口開口を有している。ガスは、出口
開口若しくは孔を通って横方向で空気入口ギャップに向
かって噴霧される。この噴霧によって、渦流室内で発生
した、燃焼空気・燃焼ガス流の渦流と協働して、燃焼若
しくは予混合ガスと燃焼空気との良好な混合が得られ
る。良好な混合は、このような形式の予混合バーナにお
いて燃焼過程時の低いNOx値のための前提条件であ
る。
ものは、ヨーロッパ公開特許第0280629号明細書
により、熱発生装置のためのバーナが公知である。この
バーナは、渦流発生装置に接続した、燃料と燃焼空気と
を予混合するための付加的な混合区間を有している。こ
の混合区間は、例えば後置接続された管として構成する
ことができ、この管内に、渦流発生装置から出る流れ
が、大きい流れ損失なしで移行せしめられる。このよう
な付加的な混合区間によって、混合率はさらに高めら
れ、ひいては有害物質エミション(有害物質排出)が減
少される。
的な1実施例が示されており、このバーナにおいては、
燃料が出口開口を介してバーナ軸線に沿って渦流発生体
(Drallkoerper)1内に配置された供給通
路内で、供給された燃焼空気と混合せしめられる。この
場合、図面にはバーナのコーン形の渦流発生体1が示さ
れていて、この渦流発生体1の外側若しくはその内部
に、バーナ軸線に沿って配置された出口開口2(図面で
は噴霧された燃料のための矢印によって示されている)
を備えた燃料供給部が延びている。この燃料供給部は、
一般的に個別の通路として構成されていて、これらの個
別の通路は、バーナ軸線に沿って不変に分配された燃料
出口開口2を有している。さらにまた、図面にはパイロ
ットランス(Pilotierungslanze;パ
イロット槍形先端部)3が示されており、このパイロッ
トランスを介して、バーナの運転開始時に燃料が渦流室
に直接噴射される。次いで負荷の上昇に伴って、このパ
イロット段階が予混合運転に切り換えられ、この予混合
運転時に燃料が前記燃料出口開口2を介して、流入する
燃焼空気と混合せしめられる。
トリー(Brennergeometrie;バーナ幾
何学形状)は、WO93/17279号明細書により公
知である。この公知の装置においては、円筒形の渦流発
生装置が、付加的にコーン形の内側体を備えている。予
混合ガスは同様に、相応の出口開口を備えた供給部を介
して渦流室内に噴霧される。この渦流室は、軸方向に延
びる空気侵入スリットに沿って配置されている。このバ
ーナのパイロット供給部は、コーン形の内側体の端部に
設けられている。しかしながらパイロット運転によっ
て、NOxエミッションは増える。何故ならばこのよう
な運転形式においては、燃焼空気との不十分な予混合し
か行われないからである。
は、予混合装置に燃料の1段の供給部が設けられてい
る。バーナ軸線に沿った燃料供給部の出口開口の数、間
隔、配置、分配及び大きさは、少ないエミション、消滅
限界、バックフロー限界に関する要求、並びに燃焼安定
性に関する要求を満たすために、最適なものでなければ
ならない。この場合、これらすべての要求を、出口開口
の不変の分配と共に、変化する運転条件及び周囲条件を
も考慮して満たすことはほとんど不可能である。ガス流
の侵入深さ及び混合に関連した噴霧の特性、並びに空気
侵入スリット若しくはバーナ軸線に沿った燃料分配は、
前記パラメータを選択することによって規定される。例
えば環状燃焼室を有する所定の装置型式のために最適化
された、出口開口の分配は、例えばサイロ(Silo)
型燃焼室を備えたその他の装置型式のために、もはや最
適なものではない。さらにまた、装置の運転条件は時間
と共に変化する。何故ならば例えば漏れ流は、エージン
グによって制限された効果によって大きくなるからであ
る。出口開口のあらかじめ不変に規定された分配が、こ
のエージング現象を補償することはない。
のその他の欠点は、全負荷運転下における低い燃焼振動
及び低いエミッション値のために最適化されているとい
う点にある。バーナを始動し、ガスタービンを始動させ
るために、付加的なパイロット段階が必要である。予混
合運転中に燃焼が維持される所定の運転負荷において
は、バーナはパイロット段階から予混合段階に切り換え
られる。同様の形式で、ガスタービンを低下運転する際
に予混合運転からパイロット運転への切換えが必要だか
らである。しかしながらこの切換え過程は、強い燃焼振
動並びに大きい負荷の変動を招くことになる。さらにま
た、切換え後に長く作動されない燃料供給部を掃気する
ために、多量の不活性ガスが必要である。これは、使用
されていない燃料供給部が、循環する高熱ガスによって
点火されるのを避けるために必要である。
液状の燃料からガス状の燃料への切換え過程又はその逆
の切換え過程の実現は、液体燃料のための噴射ノズルの
近くにパイロット運転の侵入開口が配置されているため
に、非常に困難である。
は、上記のような欠点を有しておらず、また変化する運
転条件又は周囲条件においても最適化された運転を可能
にする、バーナを運転するためのバーナシステム並びに
方法を提供することである。
明のバーナシステムによれば、燃焼空気流のための渦流
発生装置と燃料を燃焼空気流内に供給するための手段と
を備えたバーナが設けられており、燃料を燃焼空気流内
に供給するための前記手段が、第1の予混合燃料量のた
めの燃料出口開口の第1のグループを備えた少なくとも
1つの第1の燃料供給部と、燃料出口開口の前記第1の
グループの下流で燃料出口開口の第2のグループを備え
た、第2の予混合燃料量のための第2の燃料供給部とを
有している形式のものにおいて、バーナによって開始さ
れた燃焼の脈動を検出する第1の測定値センサ及び/又
は、燃焼のエミッション値を検出する第2の測定値セン
サが設けられており、コントロール装置が設けられてお
り、該コントロール装置が、測定データを得るための単
数若しくは複数の測定値センサに接続されていて、これ
らの測定値センサによって供給された測定データに基づ
いて第1及び第2の燃料供給部を介して燃料供給を制御
するようになっている。
段によれば、燃料を燃焼空気流内に供給するための、少
なくとも1つの第1段と、この第1段の下流に配置され
た、少なくとも1つの第2段とを備えた、段階式の燃料
噴霧装置を備えたバーナを運転するための方法におい
て、バーナによって開始された燃焼の脈動及び/又は燃
焼のエミッション値を検出し、この検出された前記脈動
及び/又はエミッション値に関連して第1段及び第2段
への燃料供給を制御するようにした。
法の有利な実施態様は、従属請求項に記載されている。
て、燃焼空気流のための渦流発生装置と燃料を燃焼空気
流内に供給するための手段とを備えたバーナより成って
おり、この場合、燃料を燃焼空気流内に供給するための
前記手段が、第1の予混合燃料量(第1段)のための燃
料出口開口の第1のグループを備えた少なくとも1つの
第1の燃料供給部と、燃料出口開口の前記第1のグルー
プの下流で燃料出口開口(第2段)の第2のグループを
備えた、第2の予混合燃料量のための第2の燃料供給部
とを有している。勿論、その他の予混合燃料量のための
燃料出口開口の別のグループを、第1及び第2のグルー
プとは無関係に設けることができる。さらに、一般的
に、1段式のシステムにおいて既に公知であるように、
それぞれの段のために多数の第1及び第2の燃料供給部
の出口開口が渦流発生体の周囲に亘って分配されてい
る。この燃料システムはさらに、バーナによって開始さ
れた燃焼の脈動を検出する第1の測定値センサ及び/又
は、燃焼のエミッション値を検出する第2の測定値セン
サを有している。測定値センサは、コントロール装置に
接続されており、このコントロール装置は、測定データ
を単数若しくは複数の測定値センサから得て、燃料供給
部を第1及び第2の燃料供給部を介して、並びに場合に
よっては別の燃料供給部を、単数又は複数の測定値セン
サによって提供される測定データに関連して制御をす
る。この場合、制御は、所望の過程に従って行う。
出するために1つ以上の測定値センサを設けてもよい。
単なものでは、1段式のシステムが渦流発生体に配置さ
れているすべての又は唯一の燃料供給部を、種々異なる
段を形成するために、燃料のための少なくとも2つの互
いに異なる通路に仕切っている。勿論、別個の段を形成
するために、出口開口が長手方向軸線に沿って相応に互
いにずらして配置されている多数の燃料供給部を互いに
並んで設けてもよい。この場合、専門家は、バーナ軸線
に沿って渦流発生体に配置された、互いに独立して燃料
によって負荷される出口開口の種々異なるグループを設
けるための多くの可能性が提供される。個別の段への燃
料供給は、コントロール装置を介して、規定に応じて、
脈動及び/又はエミッション値に関連して制御又は調整
される。有利にはこれは、第1及び第2の燃料供給部に
通じる供給管路に設けられた制御弁を介して行われる。
れているか、若しくはエミション値を測定するためにバ
ーナ室の出口に設けることができる適当な測定値センサ
は、専門家の公知である。エミション値を検出するため
の多くのセンサ若しくは、一般的に脈動を検出するため
の音響的な多くのセンサが公知である。
制御は、コントロール装置のメモリーにファイルされた
比較データを用いて行われる。この場合、コントロール
装置は、バーナシステムの現在の運転時点を規定し、燃
料供給部を所望の運転時点の方向に制御することができ
るようにするために、測定されたデータが比較データと
比較される。
テムを設けることによって、1段式のバーナシステムに
対して運転範囲が著しく広げられた。各段の燃料供給部
に通じる供給管路を適当に配置することによって、別個
の付加的な燃料循環路は必要ない。コントロール装置と
連絡して、バーナシステムの少なくとも2つの段を独立
して制御する可能性によって、点火から基本負荷までの
低い脈動並びに低いNOxエミッション値を有する運転
形式が可能である。このバーナシステムにおいてパイロ
ット運転段階は必要ないので、切換え過程及びこの切換
え過程に起因する脈動又は負荷変動が生じることはな
い。バーナシステムの駆動のために、例えばN2等の不
活性ガスで掃気する必要はない。これによって同時にシ
ステムの運転コストの低減が得られる。パイロット段階
が存在しないことによって、液体燃料(燃料油)運転か
ら燃焼ガス運転への切換え又はその逆も実現可能であ
る。
ムの特別な利点は、コントロール装置を介してのダイナ
ミックな制御可能性が提供されたという点にある。この
場合、それぞれの装置型式、それぞれの周囲条件、それ
ぞれのエージング(老化)並びに漏れ強さに適合した最
適な運転時点が実現可能である。特に、この運転時点
は、前記パラメータに関連して装置の運転中に常に適合
させることができる。これによって、バーナシステム並
びに所属の運転方法は、変化する運転条件下及び周囲条
件下で装置の最適な運転を可能にする。
例では、第2段のための燃料供給部への供給管路は、第
1段から分岐しているか又はその逆である。この場合、
バーナシステムは、2つの燃料供給部への燃料量を分配
に影響を与える制御弁のコントロールを介してのみ制御
することができる。これによって、所定の全燃料供給に
おいて、2つの段間の分配はこの弁を介して制御され
る。この場合コントロール装置はこの弁だけに接続され
ている。
では、第1段及び第2段への燃料供給部は、脈動及びエ
ミッション値が最少になるように制御される。制御は、
有利な形式で、コントロール装置にメモリーされた比較
データと比較することによって行われる。この比較デー
タは、予備実験によって規定され、脈動及びエミッショ
ン値と、第1段及び第2段への燃料供給部との関連性、
若しくは第1段と第2段との間の燃料分配の関連性を示
す。この場合においても、勿論2つ以上の段を同様形式
で駆動することが可能である。
て運転時点が脈動の最大値を下まわり(第1段への燃料
供給部に関連して)、過渡運転において脈動の最大値を
上まわるように、燃料供給部が制御された時に得られ
る。
きさ、その配置、間隔並びにその分配が詳しく記載され
ていない場合でも、専門家にとっては、適当なジオメト
リー(幾何学形状)及び分配を見いだすことは困難なこ
とではない。これは、既存の1段式のバーナにおいて、
バーナ軸線に沿って渦流発生体に設けられた出口開口
が、同様の形式で、本発明によるバーナシステムにおい
ても実現されることによって行われる。この場合、燃料
供給通路を、第1段及び第2段を形成する2つの部分に
分解するだけでよい。出口開口の分配の最適化若しくは
適合のための可能性は、1段式のバーナの専門家にとっ
て公知である。
示した実施例を用いて具体的に説明する。
て公知の1段式のバーナが示されている。この公知のシ
ステムに対して、本発明においては、図2に概略的に示
されているように少なくとも2段式のバーナシステムが
使用されている。このバーナシステムの円錐形の渦流発
生体1は、この渦流発生体1の内側若しくは外側に設け
られた燃料供給部4a,4bと同様に著しく概略的に示
されている。図面には2つの段部が示されており、これ
らの段部は、相応の(図示していない)出口開口を備え
た別個の燃料供給部4a及び4bによって形成されてい
る。図面には、このバーナシステムの主要な特徴として
の、バーナの長手方向軸線に沿った別個の2つの段部が
図示されている。バーナには燃焼室5が接続されてお
り、この燃焼室5内で、予混合によって生ぜしめられた
燃料・燃焼空気混合気が燃焼せしめられる。この場合、
第1の段部4aへの燃料供給は燃料分配システム6aを
介して行われる。燃料供給は調整弁7aを介して調節さ
れる。2つの燃料分配システムは、この実施例では互い
に別個に設けられている。燃焼の脈動を検出するため
に、燃焼室5の燃焼中央領域に脈動センサ8が設けられ
ており、この脈動センサ8は、脈動の強さに関する測定
値をコントロール装置10に送る。また燃焼室出口の領
域にはエミッション値(排出値)のためのセンサ9が設
けられており、このエミッション値のデータは同様にコ
ントロール装置10に送られる。コントロール装置10
内では、測定されたデータが比較データと比較されて、
2つの調整弁7a及び7bが、エミッション値及び脈動
に関連した所定の運転時点を維持若しくは得るために制
御せしめられる。
の燃料分配システム6bから直接分岐する有利な実施例
では、調整弁7aが分岐箇所に直接設けられている場合
には、コントロール装置10は調整弁7aの制御若しく
は調整のためだけに設けられる。この場合、調整弁7b
を介して全燃料が供給される場合に、弁7aを制御する
ことによって2つの段において燃料分配に影響を与える
ことができる。このように簡単な技術によって同様の形
式で、種々異なる運転条件及び周囲条件下で装置の最適
な運転形式が得られる。特に、このような形式の実施例
は第1段のために別個の燃料供給システムを必要としな
い。存在するシステムは、簡単な形式で適当な分岐部を
介して後で取り付けることができる。さらにまたこのこ
の内部の弁7aは、あらゆる運転負荷においていつでも
最少の燃料流が第2段を通って提供されるように制御さ
れるので、不活性ガスで掃気する必要はない。1つの弁
だけを制御する可能性によって制御技術全体を簡略化す
ることができる。
脈動及びエミッション値と、全燃料供給に関連して第1
段に供給される燃料量との関係の例が、関数としてグラ
フで表されている。この場合、一方ではNOxエミッシ
ョンの最小値が示されていて、この最少値内に、脈動の
最大値も存在している。この関係は、予備実験によって
突き止められる。有利な形式でこの関連性若しくはこの
特性曲線はコントロール装置10にメモリーされるか若
しくはプログラミングされる。プログラミングされたデ
ータは、コントロール装置10によって、運転中に、低
い脈動において少ないエミッション値を維持若しくは得
るために各段に供給される燃料量を決定する基本位置と
して関連付けられる。
9によって得られたデータは、メモリーされた比較デー
タと比較されて、それに基づいて、バーナシステムの運
転時点を図3に示した脈動ピークの左側又は右側にもた
らされる。この場合、定常運転においては、左側が少量
のエミッション値に基づいて有利である。バーナの荒々
しいダイナミック特性がエミッションの考慮に優先する
過渡的な運転時には、脈動ピークの右側が有利である。
ら基本負荷まで、特別なパイロット段階なしに、単に1
つの調整弁だけで駆動することができる。この場合、図
4には、バーナシステム内に50%の段階比を有する2
段が設けられている運転形式の例が示されている。この
場合、調整弁によって、供給された全燃料流を2つの段
に分配する作業が制御される。バーナシステム若しくは
ガスタービンの点火若しくは始動時において燃料がほぼ
完全に第1段に供給される間、この比は、無負荷運転
時、50%負荷時並びに100%負荷時において増大す
るように変化する。次いで100%負荷時においては、
第1段におけるよりもやや多い燃料量が第2段に供給さ
れる。このような運転コンセプトによれば、付加的なパ
イロット段階を必要とすることなしにバーナシステムの
安定した運転形式が実現される。図示の燃料分配が、装
置の運転中に周囲条件並びにエージング条件に関連して
コントロール装置によってずらされることが分かる。
図である。
図である。
ション値と、第1段への燃料供給量との関係を示す線図
である。
形式と運転負荷との関係を示すグラフである。
ンス、 4a 第1段の燃料供給部、 4b 第2段の
燃料供給部、 5 燃焼室、 6a 第1段の燃料分配
システム、 6b 第2段の燃料分配システム、 7a
第1段の調整弁、 7b 第2段の調整弁、 8 脈
動センサ、 9 エミッションセンサ、10 コントロ
ール装置
Claims (14)
- 【請求項1】 段階式の燃料噴霧装置を備えたバーナシ
ステムにおいて、 燃焼空気流のための渦流発生装置(1)と燃料を燃焼空
気流内に供給するための手段とを備えたバーナが設けら
れており、燃料を燃焼空気流内に供給するための前記手
段が、第1の予混合燃料量のための燃料出口開口の第1
のグループを備えた少なくとも1つの第1の燃料供給部
(4a)と、燃料出口開口の前記第1のグループの下流
で燃料出口開口の第2のグループを備えた、第2の予混
合燃料量のための第2の燃料供給部(4b)とを有して
おり、 バーナによって開始された燃焼の脈動を検出する第1の
測定値センサ(8)及び/又は、燃焼のエミッション値
を検出する第2の測定値センサ(9)が設けられてお
り、 コントロール装置(10)が設けられており、該コント
ロール装置(10)が、測定データを得るための単数若
しくは複数の測定値センサ(8,9)に接続されてい
て、これらの測定値センサ(8,9)によって供給され
た測定データに基づいて第1及び第2の燃料供給部(4
a,4b)を介して燃料供給を制御するようになってい
ることを特徴とする、 段階式の燃料噴霧装置を備えたバーナシステム。 - 【請求項2】 前記コントロール装置(10)が、測定
値センサ(8,9)によって供給されたデータを、コン
トロール装置(10)のメモリー内にファイルされた比
較データと比較することによって、第1及び第2の燃料
供給部(4a,4b)を介する燃料供給の制御のための
信号を発信するプログラムを有している、請求項1記載
のバーナシステム。 - 【請求項3】 第1及び第2の燃料供給部(4a,4
b)のための供給管路(6a,6b)内に、燃料供給を
調節するための1つ又は多数の制御弁(7a,7b)が
設けられている、請求項1又は2記載のバーナシステ
ム。 - 【請求項4】 制御弁(7a,7b)がコントロール装
置(10)によって制御される、請求項3記載のバーナ
システム。 - 【請求項5】 第2の燃料供給部(4b)のための供給
管路(6b)が、第1の燃料供給部(4a)のための供
給管路(6a)から分岐又は変向している、請求項3又
は4記載のバーナシステム。 - 【請求項6】 燃料量を分配するための制御弁が、供給
管路(6a,6b)間に設けられていて、該制御弁がコ
ントロール装置(10)によって制御される、請求項5
記載のバーナシステム。 - 【請求項7】 渦流発生装置(1)における燃料出口開
口の第1及び第2のグループが、ほぼバーナ軸線方向に
配置されている、請求項1又は6記載のバーナシステ
ム。 - 【請求項8】 燃料を燃焼空気流内に供給するための、
少なくとも1つの第1段と、この第1段の下流に配置さ
れた少なくとも1つの第2段とを有する、請求項1から
7までのいずれか1項記載の、段階式の燃料噴霧装置を
備えたバーナを運転するための方法において、 バーナによって開始された燃焼の脈動及び/又は燃焼の
エミッション値を検出し、この検出された前記脈動及び
/又はエミッション値に基づいて、第1段及び第2段へ
の燃料供給を制御することを特徴とする、段階式の燃料
噴霧装置を備えたバーナを運転するための方法。 - 【請求項9】 第1段及び第2段への燃料供給を、脈動
及び/又はエミッション値が最少になるように制御す
る、請求項8記載の方法。 - 【請求項10】 燃料供給の制御を、第1段及び第2段
のための供給管路内に設けられた制御弁を介して行う、
請求項8又は9記載の方法。 - 【請求項11】 燃料供給の制御を、2つの段の供給管
路間での燃料の分配を制御する制御弁を介して行う、請
求項8又は9記載の方法。 - 【請求項12】 制御を、予備実験によって規定される
比較データと比較することによって行い、第1段及び第
2段への燃料供給に関連した脈動及び/又はエミッショ
ン値の関連性を示す、請求項8から11までのいずれか
1項記載の方法。 - 【請求項13】 定常運転時に、運転時点が脈動の最大
値の下にくるように、燃料供給を制御する、請求項12
記載の方法。 - 【請求項14】 過渡運転時に、運転時点が脈動の最大
値の下にくるように、燃料供給を制御する、請求項11
又は12記載の方法。
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DE10056124.1 | 2000-11-13 | ||
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