JP2008516178A - バーナの運転方法とこの方法を実施するための装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、燃料（１５）がバーナ（１３）に導入され、燃焼空気（７）の中に噴射され、燃焼空気と混合されて燃料・空気、混合気を形成し、燃焼室（１１）で燃焼されるバーナの運転方法に関する。特に有害物質低発生燃焼に関して、窒素酸化物発生量を低減するために、燃料特性が、所定の窒素酸化物発生量に関して的確に調整され、その場合、燃料（１５）を特徴づけるパラメータの変化が検出される。そのパラメータは例えばウォッベ指数（ＷＩ）である。また本発明はこの方法を実施するための装置に関し、この装置は、実際燃料組成を分析するための分析装置（２７）と監視・制御装置（２９）とを有している。

Description

本発明は、燃料がバーナに導入され、燃焼空気の中に噴射され、燃焼空気と混合されて燃料・空気、混合気を形成して、燃焼室で燃焼される、バーナの運転方法に関する。

特にガスタービンにおける燃焼設備の有害物発生を低減するための世界的努力に関し、近年において、特に窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生量が少ないバーナとその運転方法が開発されている。かかるバーナは、運転中における燃料供給の確実性と柔軟性を高めるために、その都度一種の燃料だけでなく、できるだけ種々の燃料で、例えば油、天然ガスおよび／又は合成ガス（例えば石炭ガス）を選択して、あるいは、それらを組み合わせて運転されることに大きな重点が置かれている。かかるバーナは例えば欧州特許第０２７６６９６号明細書に記載されている。

それに伴って、バーナ内における燃焼領域の安定状態に因るバーナにおける安定燃焼の問題が生ずる。その燃焼領域は、燃料組成の変化が生じたとき、即ち、例えば燃料ガスが炭素数２以上のアルカン、即ち、エタンあるいはプロパンのような炭素数の多い飽和炭化水素を高率で含むとき、激しく変化する。この場合、バーナに逆火が発生する恐れがある。従って、国際公開第０３／０６２１８号パンフレットの場合、特に流入燃料ガスの炭素数２以上のアルカンを赤外線吸収によって監視している。炭素数２以上のアルカンの含有率が高い場合、逆火を防止するために、例えば燃料ガス供給について、あるいはまた、注水又は蒸気注入について操作することによって、燃料ガス特性の調整が行われる。

特に燃料組成の変化時にも、あるいは燃料品質変動時にも、考え得る種々のすべての運転条件と運転物質に対してバーナを設計する際の問題は、運転中にその都度必要な個々の運転物質の体積（燃料質量流量）が全く異なることにある。このため、すべての運転物質に対して、同じ供給装置および同じ噴射開口を利用することが困難となる。そこで、従来技術において、液体物質と気体物質に対して異なった供給装置を利用することが知られている。しかし、全く異なった比発熱量の気体燃料、例えば天然ガスと石炭ガスが選択的に利用されるときにも、別の問題が生ずる。その両燃料を利用する場合の全く異なった体積比および燃焼中における異なった化学的過程は、公知の装置の変更および拡張を必要とする。

最新の低ＮＯｘ燃焼装置は、通常、いわゆる混合コンセプト「ジェット イン クロスフロー（Jet in Crossflow＝交差空気流への燃料噴射流の注入）を基礎としている。特にＮＯｘ発生量の少ない有害物質低発生燃焼は、交差流燃焼空気への燃料の相応した混合設計によって得られる。その主要な設計量は、交差流空気への燃料噴射流の侵入深さである。その場合、この最良に適合された構造的設計は、相応して、所定の燃料組成に対してしか行われない。本発明は、燃料組成の時間的変化時あるいは燃料交換時に、混合領域の変化が生じ、これが混合不良の際に一般に多量のＮＯｘ発生を生じさせるという問題から出発している。

この考察から出発して、本発明の課題は、燃料組成の変化時でも窒素酸化物低発生燃焼を可能にするバーナの運転方法を提供することにある。また本発明の課題は、その方法を実施するために適した装置を提供することにある。

第１の課題は、本発明によれば、燃料がバーナに導入され、燃焼空気の中に噴射され、燃焼空気と混合されて燃料・空気、混合気を形成し、燃焼室で燃焼されるバーナの運転方法において、窒素酸化物発生を低減するために、燃料特性が、所定の窒素酸化物発生量に関して的確に調整され、その場合、燃料を特徴づけるパラメータの変化が検出され、燃料噴射流の燃焼空気への侵入深さが、前記パラメータの変化に適合して生ぜしめられることによって解決される。

本発明は、一方では、燃料組成変動のＮＯｘ発生への影響を相殺するのに、十分な柔軟性および所定の窒素酸化物発生量への現代的適合を得るために、高価なバーナ側処置では、あるいは燃焼室における高価な構造的適合では、できるだけ行わないという考えから出発している。構造的処置は、燃料品質変動（従って、混合領域変動）に対する感度を限られた範囲でしか低減できず、完全には消去できない。これは、バーナの噴射装置および混合装置がその都度まったく特定の燃料組成（燃料性質）に対して「最適」に構造設計されていることに起因している。貫流断面積にわたり良好に分布された多数の燃料注入点を備えた設計あるいは所望の混合領域を形成するための静的混合器を採用する設計は、バーナあるいは燃焼装置の運転中においてＮＯｘ発生に対する有害物質許容限度の維持を保証するために、特に急な燃料組成変動時に必要な柔軟性が不足して適用できない。本発明は、他方では、燃料噴射流のできるだけ良好な侵入深さによる燃料の燃焼空気への注入によって、有害物質低発生燃焼に関する混合領域が形成されるという考えから出発している。この混合領域は、運転中でも燃料を特徴づけるパラメータを考慮に入れて維持することが可能である。

従って、本発明によれば、まず第１に、燃料を特徴づけるパラメータが変化する場合に、適切な処置によって再び窒素酸化物に関する最良の有害物質低発生運転モードを形成するために、燃料特性ないし燃料組成が監視されることによって特に窒素酸化物低発生燃焼を達成することを提案する。これにより、燃料を特徴づけるパラメータを介して、窒素酸化物発生を所定の限界値以下に現場制御で維持することができ、その場合、燃焼空気への燃料組成変化に適合された燃料噴射流の侵入深さが生ぜしめられる。

その場合、好適には、燃料は燃焼空気中に噴射され、燃焼空気と混合される。バーナにおいて燃料と燃焼空気が混合され、その場合、燃料を燃焼空気中に噴射することによって、燃焼空気への燃料噴射流のできるだけ良好な侵入深さについて注意を払わなければならない。こうして、有害物質低発生燃焼を考慮した混合領域が形成され、運転中も、燃料を特徴づけるパラメータを考慮に入れて維持される。

特に有利な実施態様において、燃料を特徴づけるパラメータの変化が、記録され、制御装置に伝えられる。その場合、好適には、燃料を特徴づけるパラメータの変化は連続して検出され、制御装置で評価される。その燃料を特徴づけるパラメータの検出は、運転中における燃料流についての適切な測定によって行われ、このようにして、燃料を特徴づけるパラメータの時間的経過が、記憶され評価される。

好適には、燃料特性は的確に調整され、その際、所定の窒素酸化物発生量を生じる燃料を特徴づけるパラメータの基準値ないし設定値に合わされる。その場合、制御装置に既に、燃料組成と窒素酸化物発生量との関係を表す予め決められた特性曲線を記憶しておくことができる。あるいはまた、現場での測定によって、実際の窒素酸化物発生量並びに燃料組成を同時に測定し、制御装置に伝えることもできる。

特に有利な実施態様において、燃料を特徴づけるパラメータとして、ウォッベ指数が検出される。燃料組成と温度を特徴づけるための通常の指標が、いわゆるウォッベ指数である。ウォッベ指数により、異なった温度において種々の燃料特に燃料ガスの体積に関係する含有熱量の比較を実施することが可能となる。例えばガスタービンのような燃焼装置は、最終的に熱エネルギが燃焼室で発生され、燃料流が体積流の制御によって調整されることにより運転されるので、燃料組成は異なるがウォッベ指数が比較的類似する燃料を、同じ燃料供給装置を通して、燃焼のためにバーナに供給することができる。燃料組成の変動は、窒素酸化物発生量の変動を生じさせ、その場合、ウォッベ指数を調整することによって、ガスタービンの運転中における窒素酸化物発生量の許容最高限度が守られる。

本発明の方法において、燃料のウォッベ指数の算出は、好適には、次式の評価のもとで実施される。

ここで、ＬＨＶは燃料の低発熱量、Ｔは燃料絶対温度、ＳＧは標準条件下における燃料の空気に対する比重、Ｔ_Refは基準温度である。

この場合、所望のウォッベ指数を形成するために、燃料の温度が、所定の窒素酸化物発生量を考慮して的確に調整されることが望ましい。ウォッベ指数は上述の式から明らかなように、実際の燃料温度に対して単純な関係にあり、つまり、燃料温度の平方根に反比例する。従って、ウォッベ指数が変化した時には、即ち、窒素酸化物発生量の少ない所定のウォッベ指数設定値からの偏差が生じた時には、所望のウォッベ指数、従って所望の窒素酸化物発生量が、燃料温度の相応した制御によって調整される。所望のＮＯｘ発生量に対するウォッベ指数設定値を温度調整によって得るために、燃料は、設定値に対する状態（偏差）に応じて、加熱あるいは冷却される。

しかしまた、燃料特性を調整するために、媒体を燃料に混入することもできる。これによっても、バーナの有害物質低発生運転を保証するために、ウォッベ指数を必要に応じて変化することができる。燃料に注入される媒体として、好適には、水、蒸気あるいは窒素が利用され、また例えば大きな発熱量の炭化水素も利用できる。

運転状態を特徴づけるパラメータとして、ウォッベ指数の代わりに、いわゆる衝撃流密度比を検出して評価することもできる。「ジェット イン クロスフロー」における混合品質は、所定の幾何学形状ではほとんど衝撃流密度比にしか関係しない。即ち、燃料噴射流（ジェット）の衝撃流密度と交差流空気（クロスフロー）の衝撃流密度との商に関係する。
衝撃（インパルス）は下式で示される。

衝撃（インパルス）密度は下式で示される。

ここで、Ａは貫流断面積である。

空気の衝撃流密度は、本質的に、周辺条件とガスタービン出力とにより与えられる。燃料の衝撃流密度は、ガスタービン出力のほかに、燃料組成にしか関係しない。発熱量を介して質量流量が生じ、従って、決まった幾何学形状においてその密度で衝撃流密度が生ずる。即ち、衝撃流密度は、燃料特性ではなく、燃料組成に関係する大きさである。この大きさは、バーナの運転中における燃料組成の監視によっても、その変化時に所望の設定値に調整される。

この方法はガスタービンのバーナの運転の際に利用される。ガスタービン特にエネルギ発生用の定置ガスタービンの運転中における有害物質低発生運転についての要求は、近年においてますます厳しくなっている。本発明に基づく方法によって、有害物質低発生運転が可能となり、ガスタービン設備の運転中に、燃料組成が変動した時に、上述した制御処置を燃料側で実施することができる。これにより、バーナ側での高価な構造的処置を省くことができる。

運転に対して、好適には、液体燃料あるいは気体燃料が使用される。例えば本発明の方法は、油、天然ガスあるいは合成ガス例えば石炭ガスを利用することができる。

本発明の装置に向けられた課題は、バーナ運転中における実際の燃料組成を分析するための分析装置と、偏差を検出して燃料を特徴づけるパラメータを所定の有害物発生量を生ずる設定値に調整するための監視・制御装置とを有している、本発明の方法を実施するための装置によって解決される。

本発明に基づく装置の利点は、方法について上述した利点から同じ意味で生ずる。

この監視・制御装置は、燃料の温度の調整のために、即ち、必要に応じた燃料を加熱あるいは冷却するために設計されている。

この監視・制御装置は、さらに、特に蒸気、水あるいは窒素などの不活性媒体あるいは炭化水素を燃料に制御して注入するための手段を有している。

以下図に示した実施例を参照して本発明を詳細に説明する。各図は模式的なものであり、各図において同一符号は同一の意味を有する。

図１のガスタービン設備はガスタービン１を有し、このガスタービン１は、圧縮機３、燃焼器９およびこの燃焼器９に後置接続されたタービン１７を有している。圧縮機３とタービン１７は、場合によっては共通のロータ軸５を介して互いに連結されている。例えば発電機１９が発電機軸２５を介してタービン１７に連結されている。燃焼器９は、燃焼室１１と、この燃焼室１１の中に突出し液体燃料ないし気体燃料１５を燃焼するバーナ１３を有している。ガスタービン１の運転中、空気７が圧縮機３に吸い込まれ、そこで圧縮される。その圧縮空気は燃焼空気としてバーナ１３に導かれ、燃料１５と混合される。その際生じた燃料・空気・混合気は燃焼室１１で燃焼され、高温の燃焼ガスが発生される。その高温の燃焼ガスはタービン１７に供給され、そこで、燃焼ガスは仕事をしながら膨張し、圧縮機側ロータ５並びに発電機軸２５を回転させる。このようにして、発電機１９が電気系統に分配するために出力する電力が発生される。タービン１７の排気側に、部分的に冷却され膨張された燃焼ガスが排気ガス２１として排出される。この排気ガス２１は有害物質を含み、特に排気ガス内に、燃焼室１１における高い燃焼温度時に生ずる窒素酸化物が存在する。また、燃料・空気・混合気に例えば燃料組成の時間的変化時あるいは必要な燃料変換時に生ずるような混合領域の変化が生じたとき、窒素酸化物発生量が増大する。これは、一般に、混合不良を生じさせ、燃焼過程中における窒素酸化物発生率を著しく高める。その場合、従来における公知の処置は、燃料組成の変化時になお有害物質発生を許容できるものとするために、燃焼装置の新たに適合された構造的設計だけに限られ、即ち、バーナ側処置に限られている。

これに対して、本発明は、その問題を解決するために、バーナ側の構造的処置を計画せず、窒素酸化物発生量を所定の上限値以下に維持するために、運転中における燃料特性に的確に影響を与えることを計画している。このために、ガスタービン１の燃料１５の供給系に燃料処理装置２３が装備されている。この燃料処理装置２３は、ガスタービン１の運転中に実際の燃料特性の分析並びに窒素酸化物を減少するために所定の窒素発生を考慮した燃料特性の的確な調整を可能にしている。ここで、燃料１５を特徴づけるパラメータの変化が検出され監視される。さらに、その変化に適合された燃焼空気への燃料噴射流の侵入深さが生ぜしめられる。

図２に燃料処理装置２３が非常に概略的に示されている。この燃料処理装置２３は燃料１５の分析装置２７と、この分析装置２７に後置接続された監視・制御装置２９を有している。燃料特性を的確に監視するために、例えば分析用部分燃料流３１が燃料１５の体積流から分岐され、分析目的で分析装置２７に導かれる。分析装置２７において、燃料組成の分析が行われる。その場合特に、例えば実際窒素酸化物発生量に間接的影響を有するウォッベ指数のような燃料１５を特徴づけるパラメータが算出され、この値が出力信号３３として監視・制御装置２９に伝えられる。その場合、燃料１５を特徴づけるパラメータは分析装置２７で連続して検出され、監視・制御装置２９で評価される。監視・制御装置２９において、設定値と実際値との比較が行われ、燃料特性が的確に、燃料１５を特徴づけるパラメータの基準値あるいは設定値に調節ないし制御される。その基準値ないし設定値は、所定の窒素酸化物発生量を生じるものである。燃料１５を特徴づけるパラメータとしてウォッベ指数ＷＩ（図３参照）が特に適している。ウォッベ指数は、所望の値になるために、燃料温度Ｔの調節により直接制御される。設定値からの偏差が確かに検出された場合のウォッベ指数ＷＩの必要な補正は、例えば燃料への媒体の注入によっても達成できる。ウォッベ指数ＷＩを設定値に制御するための、適切な不活性媒体として、例えば蒸気、水あるいは窒素が利用される。他の可能なパラメータとして、衝撃流密度比を検出し評価することもできる。燃料処理装置２３によって、できるだけ少ない窒素酸化物発生を考慮した燃料を特徴づけるパラメータの現場制御が可能とされる。燃料処理装置２３においてそのように処理された燃料１５は、既に詳述したように、それからバーナ１３に導かれ、燃焼空気７と燃料・空気、混合気の形に密に混合され、燃焼室１１において燃焼される。

ウォッベ指数ＷＩは実際の燃料組成を独特な方法で特徴づけるものである。ウォッベ指数ＷＩは、図３に詳細に示されているように、燃料温度Ｔに単純に関係している。図３は線図を示し、種々の燃料組成に対して、燃料温度Ｔの関数としてウォッベ指数ＷＩの依存性が示されている。特性曲線Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３はそれぞれの燃料組成を表している。ウォッベ指数ＷＩは燃料温度Ｔの平方根に反比例する。ウォッベ指数が燃料組成を特徴づけるので、ウォッベ指数ＷＩは、ガスタービンの運転中におけるその都度の窒素酸化物発生量にも関係する。従って、相応した少ない窒素酸化物発生量を表すウォッベ指数の「最適」値ＷＩ_sollが存在する。従って、ガスタービン１の運転中に燃料組成が変化した際、ウォッベ指数ＷＩに変化が生ずる。この変化は分析装置２７によって確認される。ウォッベ指数ＷＩは、燃料温度Ｔの調整により温度Ｔ_OPT（Ｋ２）において再びウォッベ指数設定値ＷＩ_sollにされ、これにより、窒素酸化物発生量は所望値を超過しない。

本発明によって、ガスタービンの運転中に燃料組成が変化したとき、種々の処置によって、燃料噴射流の侵入深さおよび従って混合領域を変化ないし補正させることを提案する。そのために、燃料を特徴づけるパラメータを監視し、所望の窒素酸化物発生量を考慮して調整することを提案する。燃料組成の変化は、監視・制御装置に、手動による入力として伝えられ、あるいは燃料組成を連続して測定する監視・制御装置に一体化された測定・分析装置２７を介して伝えられる。適切な換算基準を介して（例えばウォッベ指数制御を介して）、適当な処置が講じられる。例えば、燃料予熱の強化ないし低下によって、あるいは、燃料油のような液体燃料への蒸気、窒素ないし水などの混入によって、燃料温度を変更することができる。相応した燃料組成を表すために直接適した量はウォッベ指数である。確かにウォッベ指数に対して種々の定義が存在するが、それらの定義はすべて、同じ入熱量時の同じウォッベ指数の媒体が燃料ノズルで同じ圧力損失を引き起こすことに帰することができる。燃焼空気への燃料噴射流の侵入深さがその圧力損失と結び合わされ、これにより、燃料組成の変動時に所望の窒素酸化物発生量に調整するために、ウォッベ指数のような燃料を特徴づけるパラメータの利用と調整が、比較的単純な換算基準となる。あるいは、例えば衝撃流密度比のような他の制御量も考えられる。

ガスタービン設備の概略図。 図１のガスタービン設備を窒素酸化物低発生運転するための燃料処理装置の概略図。 種々の燃料組成における燃焼ガス温度の関数としてのウォッベ指数の関係を示した概略図。

符号の説明

１ ガスタービン
７ 燃焼空気
１３ バーナ
１５ 燃料
２３ 燃料処理装置
２７ 分析装置
２９ 監視・制御装置

Claims (15)

1. 燃料（１５）がバーナ（１３）に導入され、燃焼空気（７）の中に噴射され、燃焼空気と混合されて燃料・空気、混合気を形成し、燃焼室（１１）で燃焼されるバーナの運転方法において、窒素酸化物発生を低減するために、燃料特性が、所定の窒素酸化物発生量に関して的確に調整され、その場合、燃料（１５）を特徴づけるパラメータの変化が検出され、燃料噴射流の燃焼空気への侵入深さが、前記パラメータの変化に適合して生ぜしめられることを特徴とするバーナの運転方法。
2. 燃料（１５）を特徴づけるパラメータの変化が、制御装置（２９）に伝えられることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 燃料（１５）を特徴づけるパラメータの変化が連続して検出され、制御装置（２９）で評価されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 燃料特性が所定の窒素酸化物発生量を生じる、燃料（１５）を特徴づけるパラメータの基準値ないし設定値に調整されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の方法。
5. 燃料（１５）を特徴づけるパラメータとして、ウォッベ指数（ＷＩ）が検出されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の方法。
6. 燃料（１５）のウォッベ指数（ＷＩ）の検出が次式の評価のもとで実施され、
   

   

   ここで、ＬＨＶは燃料の低発熱量、Ｔは燃料絶対温度、ＳＧは標準条件下における空気に対する燃料（１５）の比重、Ｔ_Refは基準温度であることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 所望のウォッベ指数（ＷＩ）を形成するために、燃料の温度（Ｔ）が、所定の窒素酸化物発生量に関して的確に調整されることを特徴とする請求項５又は６に記載の方法。
8. 燃料特性を調整するために、媒体が燃料（１５）に制御可能なように混入されることを特徴とする請求項５ないし７のいずれか１つに記載の方法。
9. 媒体として、蒸気、水、窒素あるいは炭化水素が利用されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 燃料（１５）に関係するパラメータとして、衝撃流密度比が検出され、評価されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の方法。
11. ガスタービンのバーナの運転の際に利用されることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１つに記載の方法。
12. 燃料（１５）として、油、天然ガスあるいは合成ガス、特に石炭ガスが採用されることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１つに記載の方法。
13. バーナ運転中における実際の燃料組成を分析するための分析装置（２７）と、偏差を検出して燃料を特徴づけるパラメータを、所定の有害物発生量を生じる設定値に調整するための監視・制御装置（２９）とを有していることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１つに記載の方法を実施するための装置（２３）。
14. 監視・制御装置（２９）が燃料（１５）の温度（Ｔ）を調整するために設計されていることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
15. 監視・制御装置（２９）が、媒体特に蒸気、水あるいは窒素あるいは炭化水素を燃料（１５）に制御して注入するための手段を有していることを特徴とする請求項１３に記載の装置。

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