JP2009133605A - 保炎性及び耐逆火性を強化するようになった予混合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】予混合装置を提供する。
【解決手段】本予混合装置は、該予混合装置内に燃料を導入するように構成された燃料入口と、該予混合装置内に空気を導入するように構成された空気入口とを含む。本予混合装置はまた、燃料及び／又は空気にスワール運動を与えて該燃料及び空気を混合してガス状予混合物を形成するのを可能にするように構成された複数のスワーラベーンを含み、該複数のスワーラベーンの各々の形状は、予混合装置内の燃料及び／又は空気の軸方向速度プロフィールを制御するように選択される。
【選択図】 図１

Description

連邦支援の調査及び開発に関する供述

本発明は、米国エネルギー省によって付与された契約番号ＤＥ−ＦＣ２６−０５ＮＴ４２６４３号の政府支援で行われた。米国政府は本発明に特定の権利を有する。

本発明は、総括的には予混合装置に関し、より具体的には、保炎性及び耐逆火性を強化するようになった予混合装置に関する。

様々なタイプの燃焼器が知られており、かつ複合サイクル発電プラントのようなシステムで使用されている。一般的に、そのようなシステム用の燃焼器は、ＮＯｘ及び一酸化炭素排出物のようなエミッションを最小にするように設計される。殆どの天然ガス燃焼システムにおいては、燃焼器は、希薄予混合火炎を用いて作動される。これらシステムでは、燃料は、燃焼ゾーンの上流に配置した予混合装置を用いて空気と混合され、予混合装置は、希薄状態で予混合火炎を形成して燃焼器からのエミッションを低減するようにする。

一般的に、そのような予混合装置で十分な保炎マージンを達成することは困難である。幾つかの燃焼器では、予混合装置の混合領域内で燃料−空気混合気の平均速度を増加させて、そのような装置の保炎マージンを強化するようにしている。
しかしながら、そのようにすると、燃焼器にわたって比較的高い圧力低下が生じる結果となり、それによって燃焼器効率が低下する。
米国特許第７，０９３，４４５号公報 米国特許第７，２８４，３７８号公報 米国特許出願公開第２００５／０２６８６１７号公報

従って、燃焼器にわたる許容可能な圧力低下を維持しながら燃焼器の保炎マージンを強化した予混合装置に対する必要性が存在する。さらに、燃焼器の耐逆火性を強化しかつ広範な種類の燃料において用いることができる予混合装置を提供することが望ましい。

簡潔に言うと、１つの実施形態によると、予混合装置を提供する。本予混合装置は、該予混合装置内に燃料を導入するように構成された燃料入口と、該予混合装置内に空気を導入するように構成された空気入口とを含む。本予混合装置はまた、燃料及び／又は空気にスワール運動を与えて該燃料及び空気を混合してガス状予混合物を形成するのを可能にするように構成された複数のスワーラベーンを含み、該複数のスワーラベーンの各々の形状は、予混合装置内の燃料及び／又は空気の軸方向速度プロフィールを制御するように選択される。

別の実施形態では、燃焼器を提供する。本燃焼器は、燃料及び空気を混合してガス状予混合物を形成するように構成された予混合装置を含む。予混合装置は、燃料及び／又は空気にスワール運動を与えて該燃料及び空気を混合するのを可能にするように構成されかつその各々の形状が該予混合装置内の燃料及び／又は空気の軸方向速度プロフィールを制御するように選択された複数のスワーラベーンを含む。本燃焼器はまた、ガス状予混合物を燃焼させるように構成された燃焼室を含む。

別の実施形態では、燃焼器を作動させる方法を提供する。本方法は、予混合装置内に燃料及び空気を導入する段階と、予混合装置内の燃料及び／又は空気の軸方向速度プロフィールを制御してガス状予混合物を形成する段階とを含む。本方法はまた、燃焼室内でガス状予混合物を燃焼させる段階を含む。

本発明のこれらの及びその他の特徴、態様及び利点は、図面全体を通して同じ参照符号が同様の部分を表している添付図面を参照して以下の詳細な説明を読む時、一層良好に理解されるようになるであろう。

以下で詳細に説明するように、本技法の実施形態は、ガスタービンで使用する燃焼器のような燃焼器における保炎マージン（保炎性）及び逆火抵抗（耐逆火性）を強化するように機能する。具体的には、本技法は、保炎性及び耐逆火性の強化を達成するために、予混合装置内の燃料及び空気の速度プロフィールを調整することを含む。次に図面に移り、最初に図１を参照すると、燃焼器１２を有するガスタービン１０を示している。ガスタービン１０は、周囲空気１６を加圧するように構成された圧縮機１４を含む。燃焼器１２は、圧縮機１４と流れ連通状態になっており、圧縮機１４から加圧空気１８を受けかつ燃料ストリーム２０を燃焼させて燃焼器出口ガスストリーム２２を発生するように構成される。加えて、ガスタービン１０は、燃焼器１２の下流に設置されたタービン２４を含む。タービン２４は、燃焼器出口ガスストリーム２２を膨張させて発電機２６のような外部負荷を駆動するように構成される。この図示した実施形態では、圧縮機１４は、タービン２４が発生した動力によってシャフト２８を介して駆動される。

燃焼器１２は、燃焼器１２の保炎性及び耐逆火性を強化するために燃料及び／又は空気の軸方向速度プロフィールを制御するように構成された予混合装置を使用する。図２は、本技法の態様による、図１のガスタービンシステム１０で使用する予混合装置４２を有する燃焼器１２の例示的な構成４０の概略図である。図示するように、燃焼器４０は、燃料２０及び空気１８を混合してガス状予混合物４４を形成するように構成された予混合装置４２を含む。さらに、燃焼器４０は、ガス状予混合物４４を燃焼させて燃焼器出口ガスストリーム２２を形成するように構成された燃焼室４６を含む。さらに、燃焼器出口ガスストリーム２２は、外部負荷２６（図１参照）を駆動するようになったタービン２４（図１参照）のような下流プロセス４８に導かれる。

この例示的な実施形態では、予混合装置４２は、燃料２０及び／又は空気１８にスワール運動を与えて該燃料２０及び空気１８を混合するのを可能にするように構成された複数のスワーラベーン５０を含む。さらに、複数のスワーラベーン５０の各々の形状は、予混合装置４２内の燃料２０及び／又は空気１８の軸方向速度プロフィールを制御するように選択される。一部の実施形態では、複数のスワーラベーン５０の各々の形状は、予混合装置４２内の燃料２０及び／又は空気１８の円周方向速度プロフィールを制御するように選択される。図３は、本技法の態様による、図２の燃焼器４０で使用する参照符号６２によって表すようなスワーラベーンの例示的な構成を有する予混合装置６０の概略図である。予混合装置６０は、圧縮機１４から加圧空気１８を受ける。さらに、この実施例では、予混合装置６０は、複数のスワーラベーン６２上に配置された参照符号６４及び６６によって表すような燃料孔を通して燃料２０を受ける。一部の実施形態では、燃料２０は、その他の構成でノズル内に導入することができる。燃料２０の実施例は、炭化水素燃料、又は合成ガス燃料、又は一酸化炭素、又は炭化水素燃料の混合物、又は水素成分含有燃料、又は一酸化炭素含有燃料、又は不活性成分含有燃料、又はそれらの組合せを含む。

この図示した実施形態では、複数のスワーラベーン６２の形状は、該ベーン６２が予混合装置６０の中心体近傍の燃料２０及び／又は空気１８に比較的低スワールを与えるように選択される。１つの例示的な実施形態では、複数のスワーラベーン６２の各々のスワール角度は、予混合装置内の燃料２０及び／又は空気１８の軸方向速度プロフィールを制御するように調整される。一部の実施形態では、複数のスワーラベーン６２の各々のスワール角度は、約０度〜約６０度である。１つの例示的な実施形態では、複数のスワーラベーン６２の各々のスワール角度は、約２０度である。

さらに、複数のスワーラベーン６２は、異なるスワール角度を備えることができる。上述のように、複数のスワーラベーン６２の形状は、該ベーン６２が予混合装置６０の中心体近傍の燃料２０／空気１８混合物に比較的低スワールを与えるように選択される。具体的には、スワーラベーン６２のそのような構成は、予混合装置の燃料−空気混合及び保炎マージンを強化するのを可能にする。さらに、スワーラベーン６２の形状は、該ベーン６２が予混合装置６０にわたる圧力低下を減少させながら該装置６０の耐逆火性を強化するように選択される。

図４は、本技法の態様による、図３のスワーラベーン６２の例示的な構成７０の概略図である。この図示した実施形態では、スワーラベーン６２の形状は、予混合装置６０（図３参照）の中心体７２近傍の燃料２０（図２参照）及び／又は空気１８（図２参照）に比較的低スワールを与えて低スワール領域７４を形成するように選択される。加えて、スワーラベーン６２の形状は、予混合装置６０のシュラウド７６近傍の燃料２０及び／又は空気１８に比較的高スワールを与えて高スワール領域７８を形成するように選択される。燃料２０及び空気１８の殆どがそこを通って流れるシュラウド７６近傍の高スワールは、燃料−空気混合を強化する利点がある。さらに、中心体７２近傍の低スワールは、予混合装置６０のバーナ管圧力損失を減少させる。

スワーラベーンの複数の形状及び寸法は、それぞれ低スワール及び高スワール領域７４及び７８を形成するように選択することができることに注目されたい。例えば、スワーラベーン６２の各々のスワール角度は、予混合装置６０内の燃料２０及び／又は空気１８の軸方向及び円周方向速度プロフィールを制御するように調整することができる。図５は、本技法の態様による、図４のスワーラベーン７０の別の例示的な構成９０の概略図である。この例示的な実施形態では、スワーラベーン９６の中心線９４に対するスワール角度９２は、予混合装置６０内の燃料２０及び／又は空気１８の所望の軸方向及び円周方向速度プロフィールを達成するように調整される。一部の実施形態では、スワール角度９２は、約０度〜約６０度である。１つの例示的な実施形態では、スワール角度９２は、約２０度である。さらに、複数のスワーラベーン６２（図３参照）は各々、異なるスワール角度９２を有することができる。

図６は、本技法の態様による、図２の燃焼器４０で使用する予混合装置４２の中心体の端部における環状空間にわたる例示的な軸方向速度プロフィール１００の概略図である。この例示的な実施形態では、プロフィール１０２は、予混合装置４２のスワーラベーン５０（図２参照）をカスタマイズしていない状態での現在のスワーラの例示的な軸方向速度プロフィールを表す。さらに、プロフィール１０４は、スワーラベーン５０が燃料２０及び／又は空気１８（図２参照）のスワールを減少させるような比較的低スワール角度９２（図５参照）を有する場合での、例示的な軸方向速度プロフィールを表す。加えて、プロフィール１０６は、スワーラベーン５０が予混合装置６０の中心体７２近傍の燃料２０及び／又は空気１８に比較的低スワールを維持しかつ予混合装置６０のシュラウド７６近傍の燃料２０及び／又は空気１８に比較的高スワールを維持するようになった場合での、例示的な軸方向速度プロフィールを表す。そのような構成は、予混合装置６０内での燃料−空気混合を強化し、圧力低下を減少させる利点がある。さらに、そのような構成は、保炎マージンを増大させ、また耐逆火性を強化する。図７〜図９は、それぞれ従来型のスワーラベーン、低スワール、及びカスタマイズしたスワーラを備えた予混合装置における燃料／空気の非混合の例示的な結果を示す。

図７は、従来型のスワーラを用いた予混合装置についての燃料２０／空気１８の非混合の例示的な結果１２０のグラフ表示である。横軸１２２は、予混合装置のベーンからの距離を表し、縦軸１２４は、燃料２０／空気１８の非混合のパーセンテージ１２４を表す。この例示的な実施形態では、プロフィール１２６は、燃料２０噴射の下流の異なる軸方向位置における燃料２０／空気１８の非混合を表す。図８は、低スワールを備えた予混合装置についての燃料２０／空気１８の非混合の例示的な結果１３０のグラフ表示である。この例示的な実施形態では、プロフィール１３２は、低スワール状態についての燃料２０噴射の下流の異なる軸方向位置における燃料２０／空気１８の非混合を表す。この図示した実施形態では、ベーンのスワール角度は、約２０度である。

図９は、図４の予混合装置７０についての燃料／空気の非混合の例示的な結果１４０のグラフ表示である。この例示的な実施形態では、プロフィール１４２は、カスタマイズしたスワール状態についての燃料２０噴射の下流の異なる軸方向位置における燃料２０／空気１８の非混合を表す。この実施形態では、ベーン６２の形状及び寸法は、中心体７２（図４参照）近傍の燃料２０及び／又は空気１８に比較的低スワールを与え、またシュラウド７６（図４参照）近傍の燃料２０及び／又は空気１８に比較的高スワールを与えるように選択される。この実施形態では、カスタマイズしたスワールのベーン設計での燃料２０／空気１８の混合は、従来型のスワールを備えた予混合装置の場合の９３％及び低スワールを備えた予混合装置の場合の約７４％に比べて約８７％の高い値を維持する。さらに、図４のベーン設計を用いたバーナ管圧力低下全体は、従来型のスワーラを備えた予混合装置に比べて約４０％ほど減少する。

本明細書に上述した方法の様々な態様は、ガスタービンで使用する燃焼器のような異なる用途において有用性を有する。上述したように、上記のスワーラ設計を用いた予混合装置で達成される軸方向及び円周方向速度プロフィールの調整は、保炎マージンの強化を可能にするが、予混合装置の燃料−空気混合を悪化させることはない。さらに、スワーラベーンの形状は、該ベーンが予混合装置にわたる圧力低下を減少させながら該装置の耐逆火性を強化するように選択される。加えて、上記の予混合装置は、広範な燃料で使用することができ、従ってシステムの燃料柔軟性を高めることができる。

本明細書では本発明の一部の特徴のみを例示しかつ説明してきたが、当業者には、多くの修正及び変更が想起されるであろう。従って、特許請求の範囲は、全てのそのような修正及び変更を本発明の技術思想の範囲内に属するものとして保護しようとするものであることを理解されたい。

本技法の態様によるガスタービンシステムの概略図。 本技法の態様による、図１のガスタービンシステムで使用する予混合装置を有する燃焼器の概略図。 本技法の態様による、図２の燃焼器で使用するスワーラベーンを有する予混合装置の例示的な構成の概略図。 本技法の態様による、図３のスワーラベーンの例示的な構成の概略図。 本技法の態様による、図４のスワーラベーンの別の例示的な構成の概略図。 本技法の態様による、図２の燃焼器で使用する予混合装置の中心体の端部における環状空間にわたる例示的な軸方向速度プロフィールの概略図。 従来型のスワーラを備えた予混合装置についての燃料／空気の非混合の例示的な結果のグラフ表示。 低スワールを備えた予混合装置についての燃料／空気の非混合の例示的な結果のグラフ表示。 図４の予混合装置についての燃料／空気の非混合の例示的な結果のグラフ表示。

符号の説明

１０ ガスタービン
１２ 燃焼器
１４ 圧縮機
１６ 周囲空気
１８ 加圧空気
２０ 燃料ストリーム
２２ 燃焼器出口ガスストリーム
２４ タービン
２６ 発電機
２８ シャフト
４０ 燃焼器
４２ 予混合装置
４４ ガス状予混合物
４６ 燃焼室
４８ 下流プロセス
５０ スワーラベーン
６０ 予混合装置
６２ スワーラベーン
６４、６６ 燃料孔
７０ スワーラベーン
７２ 中心体
７４ 低スワール領域
７６ シュラウド
７８ 高スワール領域
９０ スワーラベーンの構成
９２ スワール角度
９４ 中心線
９６ スワーラベーン
１００ 軸方向速度プロフィール
１０２ 軸方向速度基準プロフィール
１０４ 低スワールの場合での軸方向速度
１０６ カスタマイズしたスワールの場合での軸方向速度
１２０ スワールなしの状態での予混合装置についての燃料／空気の非混合の結果
１２２ ベーンからの距離
１２４ 非混合％
１２６ プロフィール
１３０ 低スワールを備えた予混合装置につての燃料／空気の非混合の結果
１３２ 低スワール状態についてのプロフィール
１４０ カスタマイズしたスワールを備えた予混合装置についての燃料／空気の非混合の結果
１４２ カスタマイズしたスワール状態についてのプロフィール

Claims (10)

1. 予混合装置であって、
   該予混合装置内に燃料を導入するように構成された燃料入口と、
   該予混合装置内に空気を導入するように構成された空気入口と、
   前記燃料及び／又は空気にスワール運動を与えて該燃料及び空気を混合してガス状予混合物を形成するのを可能にするように構成された複数のスワーラベーンと、を含み、
   前記複数のスワーラベーンの各々の形状が、該予混合装置内の前記燃料及び／又は空気の軸方向速度プロフィールを制御するように選択される、
   予混合装置。
2. 前記複数のスワーラベーンの各々の形状が、該ベーンが該予混合装置のシュラウド近傍の前記燃料及び／又は空気に比較的高スワールを与えるように選択される、請求項１記載の予混合装置。
3. 前記複数のスワーラベーンの各々の形状が、該ベーンが該予混合装置の中心体近傍の前記燃料及び／又は空気に比較的低スワールを与えるように選択される、請求項１記載の予混合装置。
4. 前記複数のベーンの各々のスワール角度が、該予混合装置内の前記燃料及び／又は空気の軸方向速度プロフィールを制御するように調整される、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の予混合装置。
5. 前記複数のベーンの各々のスワール角度が、０度〜６０度である、請求項４記載の予混合装置。
6. 前記複数のスワーラベーンの各々の形状が、該予混合装置の燃料−空気混合及び保炎マージンを強化するように構成される、請求項２記載の予混合装置。
7. 前記燃料が、炭化水素燃料、又は合成ガス燃料、又は一酸化炭素、又は炭化水素燃料の混合物、又は水素成分含有燃料、又は一酸化炭素含有燃料、又は不活性成分含有燃料、又はそれらの組合せを含む、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の予混合装置。
8. 前記複数のスワーラベーンの各々の形状が、該予混合装置内の前記燃料及び／又は空気の円周方向速度プロフィール、又は半径方向速度プロフィール、又はそれらの組合せを制御するように選択される、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の予混合装置。
9. 燃料及び空気を混合してガス状予混合物を形成するように構成された予混合装置と、
   前記ガス状予混合物を燃焼させるように構成された燃焼室と、
   を含み、前記予混合装置が、
   前記燃料及び／又は空気にスワール運動を与えて該燃料及び空気を混合するのを可能にするように構成されかつその各々の形状が該予混合装置内の前記燃料及び／又は空気の軸方向速度プロフィールを制御するように選択された複数のスワーラベーン、を含む、
   燃焼器。
10. 燃焼器を作動させる方法であって、
    予混合装置内に燃料及び空気を導入する段階と、
    前記予混合装置内の前記燃料及び／又は空気の軸方向速度プロフィールを制御してガス状予混合物を形成する段階と、
    燃焼室内で前記ガス状予混合物を燃焼させる段階と、
    を含む方法。

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