JP2005526205A

JP2005526205A - バーナとその運転方法

Info

Publication number: JP2005526205A
Application number: JP2003560368A
Authority: JP
Inventors: ケスラー、アルフレート
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2002-01-21
Filing date: 2003-01-08
Publication date: 2005-09-02
Also published as: EP1329614A1; WO2003060301A1; US7143582B2; US20050000219A1; CN1592817A; EP1468179A1

Abstract

ＮＯ_ｘ発生量を低減するための本発明によるバーナ（１）の運転方法では、燃焼に利用する混合気を２段階でバーナに供給する。第１段階で噴霧水を燃焼用空気（Ｌ）と混合させ、第２段階でその混合気を燃料と混合させた上でバーナに供給する。この方法によると、火炎の中心に直接水を注入する従来の方法と異なり、燃焼過程を不安定にし、特にバーナで発生した火炎の安定性を悪くすることがない。本発明はこの方法を実施するためのバーナにも関する。

Description

本発明はバーナの運転方法並びに特にガスタービン用のバーナに関する。

化石燃料で運転されるタービン、特にガスタービンでは、通常、タービンの燃焼器に配置された多数のバーナが利用される。それらバーナは、主にタービンの動翼の運転にとって必要な高温ガスを発生すべく、燃焼器に導入された燃料混合気を確実に点火する目的を持つ。その燃焼過程は、特に燃料混合気をできるだけ高効率で利用せねばならず、有害物質、例えばＮＯ_ｘの発生量をできるだけ少なくせねばならない。

そのため従来通常のバーナでは、燃料混合気として燃料−空気混合気並びに噴霧水が同時に供給される。そのため上述の物質は、バーナに、例えば燃焼器の燃焼室内に突出する棒状配管を経て供給される。噴霧水は、特に燃焼過程中に生ずる有害物質、特にＮＯ_ｘを減少する目的を持つ。その供給時、噴霧水は各バーナの火炎の中心に注入される。

その際、上述した火炎中心への水の直接注入は、供給した水のため火炎が少なくとも部分的に消えおよび／又は抑制されてＮＯ_ｘ低下に資するにも係わらず、燃焼過程を不安定にし、特にバーナで発生した火炎の安定性を低下する欠点がある。タービンの多数のバーナでかかる消火作用が生ずると、燃焼過程が不安定となり、連続して進行しなくなる。

本発明の課題は、公知の方法およびバーナの欠点を除き、特に連続して安定した燃焼過程を保証する、特にガスタービン用のバーナとその運転方法を提供することにある。

この方法についての課題は、本発明に基づき、バーナに燃焼用空気と水と燃料が供給される、特にガスタービン用の少なくとも１つのバーナの運転方法において、第１段階で噴霧水を燃焼用空気と水−燃焼用空気混合気の形に混合し、第２段階で、水−燃焼用空気混合気を燃料と水−燃焼用空気−燃料混合気の形に混合することで解決できる。

ここで水とは、蒸気も含む。本発明に基づく方法は「湿燃」とも呼べる。

本発明に基づく方法は、バーナに供給すべき混合気の準備に関し、混合気を単段階で作ってバーナに供給する公知の単段法と異なり、２段法（二相−混合気）である。

この結果、水が火炎中心に直接注入（噴射）されることを防止できる。従って、燃焼過程は、特に安定して連続して進行する。

本発明の有利な実施態様では、バーナを、ガスおよび油が選択的に燃料として利用されるハイブリッド形バーナとして設計し、該バーナをガス予混合配管および油予混合配管に接続する。この種ハイブリッド形バーナは、２種類の燃料を選択的に用いて運転できるようにすべく、通常ガスタービンに採用されている。

ハイブリッド形バーナは、通常環状管として形成した２つの別個の予混合配管を備える。供給する燃料に関するガスタービンの所定の運転様式に応じ、各燃料が一方の予混合配管に供給され、燃焼用空気と混合される。残りの予混合配管は、水の供給に利用される。

本発明の他の実施態様では油燃料でバーナを運転し、水をガス予混合配管に供給する。

この実施態様では、ハイブリッド形バーナを油燃料で運転する。この運転様式（油燃料運転）の場合、ガス予混合配管は、これに燃料としてガスが供給されないため異なる機能を果たす。即ち油燃料運転時、ガス予混合配管は新たな機能を果たすべく利用される。既存のガス予混合配管に水が供給され、この結果別個の給水管は不要となる。

その場合、水および／又は水蒸気で富化された燃焼用空気が、油予混合配管を介して注入された油と共に、バーナに、好適には所謂バーナのパイロット火炎に供給される前に、（注入すべき）水は、一様に噴霧して気化され、燃焼用空気と一様に混合される。

本発明の他の実施態様では、ハイブリッド形バーナはガスを燃料として運転され、該運転様式（ガス燃料運転）の際、油予混合配管は、これに燃料として油が供給されない点で異なる機能を果たす。即ちガス燃料運転時、油予混合配管は新たな機能を果たすべく利用される。既存の油予混合配管に水が供給され、その結果別個の給水管は不要となる。

この場合、水および／又は水蒸気で富化された燃焼用空気が、ガス予混合配管を経て注入されたガスと共に、バーナに、好適には、所謂バーナのパイロット火炎に供給される前に、（注入すべき）水は、一様に噴霧して気化され、燃焼用空気と一様に混合される。

好適には、弁、特に所謂三方弁が設けられ、該弁によって、水が、バーナの各運転様式に応じ、供給される燃料に関係して、ガス予混合配管又は油予混合配管に供給される。

かくして、ガスタービンの運転中、水が「適切な」予混合配管に注入され、即ちその時の運転様式において燃料が供給されず、従って水の供給に利用できる予混合配管に供給される。従って、燃料の切換えは水の供給個所の切換えも生ずる。三方弁を経て、油燃料運転中、水がガス予混合配管に供給され、ガス燃料運転中、水が油予混合配管に供給される。

本発明はまたバーナ特にガスタービンのバーナを提供する。本発明に基づくバーナは、水と燃焼用空気とを水−燃焼用空気混合気の形に混合し、その際、水が噴霧される第１手段と、水−燃焼用空気混合気と燃料とを水−燃焼用空気−燃料混合気の形に混合するための第１手段とは別の第２手段とを有している。

バーナを、ガスおよび油が選択的に燃料として利用されるハイブリッド形バーナとして設計し、バーナをガス予混合配管および油予混合配管に接続すると有利である。

本発明の他の実施態様において、水はガス予混合配管に注入される。

その場合、バーナは油を燃料として運転され、この運転様式において、燃料供給に利用されないガス予混合配管は、水を注入するために用いられる。

本発明の他の有利な実施態様において、水は油予混合配管に注入される。

その場合、バーナはガスを燃料として運転され、この運転様式において、燃料供給に利用されない油予混合配管は、水を注入するために用いられる。

バーナの各運転様式に応じ、供給される燃料に関連して、弁、好適には三方弁を経て、ガス予混合配管又は油予混合配管に水を注入すると有利である。

以下、図を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。

本発明に基づくバーナ１は、燃料として油とガスを選択的に利用するハイブリッド形バーナとして形成されている。このバーナ１は、ガス予混合バーナ５と、油予混合バーナ７と、油およびガスの拡散パイロットバーナ１０とを有している。更に、このバーナ１は、バーナ頭部板１２並びに水／蒸気予混合噴射装置１４を有している。

このバーナは、その油とガスの拡散パイロットバーナの尖端が燃焼器室１６内に突出している。該バーナは、燃焼器室側がガス予混合バーナの範囲で燃焼器壁１８に支持され、ガスタービン外側壁側がガスタービン外側壁１９にバーナ頭部板で支持されている。

燃焼器壁１８とガスタービン外側壁１９との間に、空気通路２０が存在する。この通路２０によってバーナ１に、燃焼用空気Ｌが供給される。水／蒸気予混合噴射装置１４には水Ｗが供給される。

バーナ１への燃料の供給は詳細に図示しないが、燃料が油であればこれを油予混合バーナ７に供給し、ガスであればこれをガス予混合バーナ５に供給する。

バーナ１の運転中、水Ｗおよび／又は水蒸気を水／蒸気予混合噴射装置１４に注入し、そこからノズル１５によって噴霧し、空気通路２０の中に導く。この空気通路２０内で、水Ｗは燃焼用空気Ｌと、水−燃焼用空気混合気２４の形に混合する。この混合気２４は、続いて実際に供給する燃料の種類に応じ、ガス予混合バーナ５又は油予混合バーナ７に供給し、そこで、水−燃焼用空気混合気２４を各燃料と、水−燃焼用空気−燃料混合気の形に混合し、燃焼のため、油およびガスの拡散パイロットバーナ１０に供給する。

従って、本発明に基づくバーナ１の場合、燃焼用混合気の形成は、２つの段階で行う。その第１段階で、水が燃焼用空気Ｌと水−燃焼用空気混合気２４の形に混合し、第２段階で、水−燃焼用空気混合気２４を燃料と水−燃焼用空気−燃料混合気の形に混合する。続いて、後者の混合気を、油およびガスの拡散−パイロットバーナ１０で燃焼に利用する。

この実施態様は、公知のバーナと異なり固有の水予混合噴射装置を実現し、公知のバーナの構想と組み合わされ、その結果、ガスと油と水に対する三種予混合バーナが生ずる。

水・蒸気予混合噴射装置１４をガス予混合バーナ５の直前、即ちバーナにおける燃焼用空気Ｌの流入個所に配置してもよい。この配置構造では、上述の二種類の燃料（ガス又は油）を選択的に燃焼する際、２つの段階で、３つの物質が本発明に基づき混合される。バーナ前への水−蒸気予混合噴射装置１４の配置は、本発明に基づくバーナ１を実現するための解決方式であり、この場合、公知のバーナ形態をほんの僅か変更するだけで済む。

即ち、例えばノズル１５を持つ水／蒸気−予混合噴射装置１４を公知のバーナに追加設置すれば、公知で高信頼性のバーナを本発明によるバーナ１の形態の出発点となし得る。

燃焼時に生ずる窒素酸化物の本発明によって得られる減少から目を転じても、図示された実施例が採用されるとき、タービンの出力増大（パワーアップ）も達成される。

更に、本発明によれば、燃焼用空気から取り出される冷却空気の温度が低下される。これによって、タービンの静翼の冷却が改善される。

本発明に基づくバーナの断面図。

符号の説明

１バーナ、５ガス予混合バーナ、７油予混合バーナ、１４水／蒸気予混合噴射装置、２０空気通路、２４水−燃焼用空気混合気、Ｌ燃焼用空気、Ｗ水

Claims

バーナ（１）に燃焼用空気（Ｌ）と水（Ｗ）と燃料を供給し、その際水（Ｗ）を噴霧する、特にガスタービンにおける少なくとも１つのバーナ（１）の運転方法において、
第１段階で、噴霧水（Ｗ）を燃焼用空気（Ｌ）と水−燃焼用空気混合気（２４）の形に混合し、第２段階で、水−燃焼用空気混合気（２４）を燃料と水−燃焼用空気−燃料混合気の形に混合することを特徴とする方法。
バーナ（１）を、ガスおよび油を選択的に燃料として利用するハイブリッド形バーナとして形成し、バーナ（１）をガス予混合配管および油予混合配管に接続することを特徴とする請求項１記載の方法。
油を燃料としてバーナ（１）を運転し、水をガス予混合配管に供給することを特徴とする請求項２記載の方法。
ガスを燃料としてバーナ（１）を運転し、水（Ｗ）を油予混合配管に供給することを特徴とする請求項２記載の方法。
弁を設け、この弁によって水（Ｗ）を、バーナの各運転様式に応じ、供給される燃料に関係して、ガス予混合配管或いは油予混合配管に供給することを特徴とする請求項２から４の１つに記載の方法。
水と燃焼用空気とを水−燃焼用空気混合気（２４）の形に混合し、その際に水（Ｗ）が噴霧される第１手段（１４、２０）と、水−燃焼用空気混合気（２４）と燃料とを水−燃焼用空気−燃料混合気の形に混合するための第１手段とは別の第２手段とを有することを特徴とする特にガスタービンにおけるバーナ。
バーナ（１）が、ガスおよび油が選択的に燃料として利用されるハイブリッド形バーナとして設計され、バーナ（１）がガス予混合配管および油予混合配管に接続されていることを特徴とする請求項６記載のバーナ。
水（Ｗ）がガス予混合配管に注入されることを特徴とする請求項７記載のバーナ。
水（Ｗ）が油予混合配管に注入されることを特徴とする請求項７記載のバーナ。
水（Ｗ）が、バーナの各運転様式に応じ、供給される燃料に関係して、弁、好適には三方弁によって、ガス予混合配管或いは油予混合配管に注入されることを特徴とする請求項７から９の１つに記載のバーナ。