JP2013002451A - 燃焼装置を運転する方法及び該方法を実施するための燃焼装置 - Google Patents

Abstract

【課題】脈動の回避に関して有効性を変えることなく明らかに簡単化されている、燃料ステージングを装備する予混合バーナを制御する方法を提供する。
【解決手段】燃焼装置（２２）を運転する方法において、連続的に、燃焼チャンバ（２３）内に発生する脈動の脈動レベル（ｐ）を求め、脈動レベル（ｐ）が所定の最大値（ｐ_ｍａｘ）を超過すると、少なくとも１つの予混合バーナ（Ｂ１，．．．，Ｂ４）の燃料ステージング（ｓ）を、脈動レベル（ｐ）を下げるために変更し、かつ所定の時間（Δｔ）中に所定の最大値（ｐ_ｍａｘ）が超過されなければ、この所定の時間（Δｔ）後、燃料ステージング（ｓ）を、その都度の運転点にとって標準的な乱されていない値に戻すようにした。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃焼技術の分野に係り、特に、ガスタービンとの関連での燃焼技術の分野に関する。

本発明は、燃焼装置を運転する方法であって、燃焼装置が、燃料ステージングを装備する、燃焼チャンバに接続される少なくとも１つの予混合バーナを備え、過渡運転状態中、少なくとも１つの予混合バーナの燃料ステージングを、燃焼チャンバ内に発生する、燃焼により誘起される脈動に応じて変更する、燃焼装置を運転する方法に関する。

さらに本発明は、上述の方法を実施するための燃焼装置であって、燃焼装置が、燃焼チャンバと、燃焼チャンバに接続される、燃料ステージングを装備する少なくとも１つの予混合バーナとを備え、燃料ステージングが制御部により、燃焼チャンバ内に配置される測定手段により測定される、燃焼により誘起される脈動に応じて変更可能である燃焼装置に関する。

希薄予混合燃焼のコンセプトにしたがって運転されるバーナシステムは、低有害物質排出を示すものの、明らかに狭められた安定領域を有している。混合域における逆火（フラッシュバック）及び予混合火炎の浮き上がりあるいは失火の他、熱音響振動は、運転特性における明らかな制限要因となる。

予混合バーナの運転特性は、有段の燃料供給により改善可能である（例えば欧州特許出願公開第０７９７０５１号明細書、欧州特許第１２０５６５３号明細書、欧州特許第１２９２７９５号明細書、欧州特許第１３４４００２号明細書又は国際公開第２００７／０８２６０８号パンフレット参照）。

バーナ内に取り付けられる中央の装置を介した燃料ステージング（Ｂｒｅｎｎｓｔｏｆｆｓｔｕｆｕｎｇ）は、図１に、欧州特許第１２９２７９５号明細書に記載のダブルコーンバーナ又はＥＶバーナを例にとって示されている。図１は、予混合バーナ１０を示している。予混合バーナ１０は、ダブルコーン１２を有している。ダブルコーン１２には、中央の燃料供給部１１が開口している。中央で噴射される燃料は、第１の燃料ステージ１３をなす。第２の燃料ステージ１４は、別の燃料がダブルコーン１２の空気供給スリットに噴射されることにより生じる。

バーナ空気スリット１２，１４内での燃料噴射（燃料ステージＮｏ．２）との比較において中央の燃料噴射１１，１３（燃料ステージＮｏ．１）を介した燃料の割合を調節することにより、バーナ１０の運転領域は、予混合火炎の失火あるいは浮き上がり及び逆火に関して拡大可能である。さらに燃料ステージングは、バーナ１０の運転領域を熱音響振動及び有害物質排出に関して最適化する可能性を提供する。

図２には、燃料ステージングの別の形態を備える欧州特許出願公開第０７９７０５１号明細書に記載の別の予混合バーナ２０が示してある。図示の形態では、バーナ２０は、ダブルコーン１６を有している。ダブルコーン１６には、燃焼チャンバ１５に向かって、混合管１７が接続している。混合管１７の端部には、外部の燃料供給部１８が配置されている。外部の燃料供給部１８において供給される燃料は、燃料ステージ１９（燃料ステージＮｏ．１）を形成する。ダブルコーン１６のバーナ空気スリットを介して供給される燃料は、燃料ステージ２１（燃料ステージＮｏ．２）を形成する。この図示のバーナシステムも、燃料ステージングにより熱音響振動及び有害物質排出に関して最適化可能である。図１に示した、中央での噴射を行うバーナシステムに対して、外部の燃料噴射を行う予混合バーナは、予混合火炎の失火あるいは浮き上がりに関して明らかに拡大された運転領域を有している。

燃料ステージングのためのパラメータは、バーナがガスタービンの一部であるとき、ガスタービンの運転開始中、試運転（Ｅｉｎｓｔｅｌｌｆａｈｒｔ）により決定される。その際、燃料ステージングのためのパラメータは、ガスタービンの出力、周辺条件、例えば周囲温度及び空気湿度、並びに燃料組成に基づいて設定可能である。さらにパラメータは、過渡運転状態、例えばガスタービンの負荷の上昇若しくは低下又はガス組成の変化の際にも、信頼性の高い運転が保証されているように、十分な余裕をもって設定されなければならない。この過渡運転状態は、ガスタービンにおいては極めて稀に発生するにすぎないので、予混合バーナは、大部分、最小の有害物質排出で運転され得ない。

欧州特許第１２０５６５３号明細書において、有段の燃料噴射を行う予混合バーナを運転する方法が公知である。この予混合バーナは、燃料を燃焼空気流に供給するために、少なくとも１つの第１のステージと、第１のステージの下流に配置される第２のステージとを有している。バーナにより開始される燃焼の脈動及び／又は燃焼のエミッション値を検出し、第１及び第２のステージへの燃料供給を、検出した脈動及び／又はエミッション値に基づいて制御する。定常運転時、燃料供給は、運転点が（継続的に）脈動の最大値の下にあるように制御される。これに対して過渡運転時、燃料供給は、運転点が（継続的に）脈動の最大値の上にあることができるように制御される。これにより、過渡運転中のガスタービンの信頼性は、制限されている場合がある。

国際公開第２００７／０８２６０８号パンフレットにおいて、燃焼装置に通じる第１及び第２の燃料供給管路内の燃料流の比を制御する方法が公知である。この公知の方法では、まず、装置の運転点を第１の所望されない運転領域に移動させる第１のパラメータの値が、所定の限界値を超過しているか否かを求める。この限界値が超過されていれば、燃料流の比を、第１のパラメータの値が限界値を下回るように変更する。この限界値が超過されていなければ、装置の運転点を第２の所望されない運転領域に移動させる第２のパラメータの値が、所定の限界値を超過しているか否かを求める。この限界値が超過されていれば、燃料流の比を、第２のパラメータの値が限界値を下回るように変更する。この限界値が超過されていなければ、第１及び第２のパラメータの値をそれぞれの限界値の下に維持するために、上述のステップを繰り返す。この種の制御は、比較的手間がかかり、複雑である。

欧州特許出願公開第０７９７０５１号明細書 欧州特許第１２０５６５３号明細書 欧州特許第１２９２７９５号明細書 欧州特許第１３４４００２号明細書 国際公開第２００７／０８２６０８号パンフレット

本発明の課題は、脈動の回避に関して有効性を変えることなく明らかに簡単化されている、燃料ステージングを装備する予混合バーナを制御する方法を提供することである。

さらに本発明の課題は、本発明に係る方法を実施するための燃焼装置を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明に係る、燃焼装置を運転する方法では、連続的に、燃焼チャンバ内に発生する脈動の脈動レベルを求め、脈動レベルが所定の最大値を超過すると、少なくとも１つの予混合バーナの燃料ステージングを、脈動レベルを下げるために変更し、かつ所定の時間中に所定の最大値が超過されなければ、この所定の時間後、燃料ステージングを、その都度の運転点にとって標準的な乱されていない値に戻すようにした。

さらに上記課題を解決するために、本発明に係る、上述の方法を実施するための燃焼装置では、制御部が、制御部のために時間を固定に設定する計時機構に接続されているようにした。

本発明に係る方法は、燃焼装置であって、燃料ステージングを装備する、燃焼チャンバに接続される少なくとも１つの予混合バーナを備え、過渡運転状態中、少なくとも１つの予混合バーナの燃料ステージングが、燃焼チャンバ内に発生する、燃焼により誘起される脈動に応じて変更される燃焼装置から出発する。本発明に係る方法は、連続的に、燃焼チャンバ内に発生する脈動の脈動レベルを求め、脈動レベルが所定の最大値を超過すると、少なくとも１つの予混合バーナの燃料ステージングを、脈動レベルを下げるために変更し、かつ所定の時間中に所定の最大値が超過されなければ、この所定の時間後、燃料ステージングを、その都度の運転点にとって標準的な乱されていない値、すなわち、その都度の運転点にとって最適な値に戻すことを特徴とする。

本発明に係る方法の一態様は、燃料ステージングを、脈動レベルの最大値の超過時、１つの固定に決められた値の分だけ変更することを特徴とする。この変更は、特に飛躍的にあるいは急激に実施される。これにより、特に簡単な方法経過が達成される。

本発明に係る方法の別の態様は、燃料ステージングを、脈動レベルの最大値の超過時、漸次、複数の固定に決められた値の分だけ、脈動レベルの所定の最大値を下回るか、又は燃料ステージングのための極限値が達成されるまで、変更することを特徴とする。これにより、燃料ステージングは、よりフレキシブルにかつより繊細に諸条件に適合可能である。

本発明に係る方法の別の態様は、燃料ステージングを、一定の変化速度で、その都度の運転点にとって標準的な乱されていない値に戻すことを特徴とする。過渡状態で、この乱されていない値（非擾乱値）は、一般に、装置が時間の経過中別の運転点へと移動するため、燃料ステージングの初期値からは偏差を有している。

さらに別の態様は、脈動レベルが所定の時間中に所定の最大値を新たに超過すると、少なくとも１つの予混合バーナの燃料ステージングを少なくとももう一度脈動レベルを下げるために変更することを特徴とする。このことは、特に、過渡運転中に運転点が特に急速に変化する際に必要である場合がある。

特に、本発明に係る方法では、総燃料流を燃料ステージングの変更時に一定に維持する。

本発明に係る方法を実施するための本発明に係る燃焼装置は、燃焼チャンバと、燃焼チャンバに接続される、燃料ステージングを装備する少なくとも１つの予混合バーナとを備え、燃料ステージングは制御部により、燃焼チャンバ内に配置される測定手段により測定される、燃焼により誘起される脈動に応じて変更可能である。本発明に係る装置は、制御部が、制御部のために時間を固定に設定する計時機構に接続されていることを特徴とする。計時機構は、外部の計時機構であっても、制御部の一部であってもよい。

本発明に係る装置の一態様は、少なくとも１つの予混合バーナに、燃料ステージングの枠内で、少なくとも２つの分配管路を介して燃料が供給され、少なくとも２つの分配管路が、調節手段に接続されており、調節手段は制御部により、一定の総燃料流が少なくとも２つの分配管路に多様に分割可能であるように操作可能であることを特徴とする。

好ましくは、測定手段が、燃焼チャンバ内に配置される、圧力変動を測定するための少なくとも１つのセンサを備える。

以下に、本発明について、図面を参照しながら実施の形態に基づいて詳細に説明する。

２つの内的な燃料ステージを備える予混合バーナとして本発明に係る方法を実施するために適したダブルコーンバーナ又はＥＶバーナを著しく概略化して示す図である。 ２つの燃料ステージを備え、燃料ステージのうちの１つが混合管の出口に配置されている別の予混合バーナを著しく概略化して示す図である。 本発明の一実施の形態に係る燃焼装置の構成図である。 図３に示した燃焼装置内の燃焼により誘起される脈動ｐの例示的な時間的経過（曲線ａ）と、本発明に係る方法の一実施の形態に係る、燃焼装置上で制御技術的に変更される燃料ステージングｓの例示的な時間的経過（曲線ｂあるいはｃ）を示すグラフである。

本明細書において提案する方法によれば、動的な閉ループ制御により、燃料ステージングを備えるバーナシステムの運転領域が最適化される。閉ループ制御は、実質的に、燃焼装置の過渡運転状態に関する。本方法は、バーナ内部の燃料ステージングを備えるすべてのバーナを閉ループ制御するために使用可能である。燃焼装置は、好ましくは、ガスタービン内に装備されている。ガスタービンは、通常、燃焼チャンバ内に、火炎により発生される脈動あるいは振動を検出するための１つのあるいは一群の測定値計測器を含んでいる。

図３には、適当な燃焼装置２２の構成図が示してある。燃焼装置２２は、燃焼チャンバ２３を有している。燃焼チャンバ２３内には、燃料の燃焼により高温ガスが発生する。高温ガスは、例えばガスタービン内で（図示しない）適当なタービンを駆動する。燃焼チャンバ２３には、複数の同種の予混合バーナＢ１，．．．，Ｂ４が配置されている。予混合バーナＢ１，．．．，Ｂ４は、並列に運転され、それぞれ、（本実施の形態では２段の）燃料ステージングを装備している。このために、予混合バーナＢ１，．．．，Ｂ４の各々には、２つの別個の分配管路２５及び２６を介して２つの異なる箇所で、燃料が供給される。燃料は、１つの共通の燃料供給管路２４を介して導かれる。燃料供給管路２４を介して到来した総燃料流は、図示の実施の形態では、２つの制御弁２７及び２８により両分配管路２５及び２６に所望の通りに分割される。燃料の分割を可能にするために、その他の弁装置が使用されてもよいことは自明である。

制御弁２７及び２８は、制御部２９により操作される。制御部２９は、複数のセンサＳ１，．．．，Ｓ４の入力信号を受ける。センサＳ１，．．．，Ｓ４は、燃焼チャンバ２３の内部に（又は燃焼チャンバ２３に接して）配置されており、燃焼チャンバ２３内に発生する、燃焼により誘起される（圧力）脈動を計測する。さらに制御部２９には計時機構３０が配設されている。計時機構３０は制御部２９に、固定の（場合によっては調節可能な）時間Δｔを設定する。時間Δｔの後、制御部２９は、自動的に制御弁２７及び２８を介した燃料ステージングの変更を執り行う。図３の実施の形態では、すべての予混合バーナＢ１，．．．，Ｂ４の燃料ステージングは、同時にかつ一緒に変更される。しかし、予混合バーナＢ１，．．．，Ｂ４のうちの選択された予混合バーナのみが燃料ステージングを備えて形成されているか、又は変更されることも可能である。同じく、３段又はそれ以上の段の燃料ステージングを備える予混合バーナの使用も可能である。

閉ループ制御の目的は、限られた期間Δｔの間、バーナ内部の燃料ステージングｓを、過渡運転時の燃焼装置あるいはガスタービンの高信頼性の運転が可能となるように調整することである。この期間Δｔの後、制御器は停止され、燃焼装置あるいはガスタービンは、再び最適な燃料ステージングで運転され得る。

閉ループ制御に関連するパラメータの概略図は、図４に、ガスタービンの負荷変動に関して示してある。定常運転中の燃料ステージングは、点線の曲線ｂにより示してある。制御器の作動あるいは燃料ステージングｓの変更は、時点ｔ１で、負荷変動時に起こる、火炎により発生される脈動の脈動レベルｐ（曲線ａ）の（破線で示した）限界値ｐ_ｍａｘの超過によって開始される。制御器の作動により、総燃料流が一定であるとき、個々の燃料ステージへの燃料流の比は、プロセスが予め決められた変化量（ステージング差）Δｓの燃料ステージングの飛躍的な変化により十分な運転信頼性を伴って実施可能であるように変更される（実線の曲線ｃ）。

このプロセスは、脈動レベルの高さ次第で、何度も繰り返されてもよい。十分に低い脈動レベルを伴う予め決められた期間Δｔの後（例えば時点ｔ３）、燃料比は、再び、燃料ステージングのための、新しい運転点にとって最適な値に、勾配ｄｓ／ｄｔ（変化速度）で調節される。その後（時点ｔ４から）、閉ループ制御が停止される。期間Δｔ内で、火炎により発生される脈動の脈動レベルｐの限界値ｐ_ｍａｘが、新たに超過される（図４の時点ｔ２）と、燃料ステージングｓは、再度Δｓの分だけ変更される。期間あるいは時間Δｔは、その後、新たに開始する。

過渡時のプロセスの周辺条件又は形態に応じて、ガスタービンの運転信頼性のため、種々異なる燃料ステージングが生じる場合がある。このような場合、燃料ステージングの適合は、複数のインターバルΔｔ′で、火炎により発生される脈動が限界値を下回るか、又は燃料ステージングのための最大値ｓ_ｍａｘが達成されるまで反復可能である。脈動自体が燃料ステージングの最大値でさらに上昇する場合、例えばガスタービンは、負荷軽減保護装置によりＯＦＦに切換可能である。

全体として、本発明により特に、定常運転中に有害物質排出の低減のために最適化されている２以上の燃料ステージングを備える少なくとも１つの予混合バーナを備えるガスタービンの閉ループ制御が、過渡運転状態中に燃料ステージングの少なくとも１つを、燃焼により誘起される脈動に基づいて調整することにより可能となる。

閉ループ制御は、ガス状及び／又は液状の燃料に関するものであってよい。

閉ループ制御は、特に過渡時のプロセス、例えば周波数安定化（Ｆｒｅｑｕｅｎｚｓｔｕｅｔｚｕｎｇ）、ガス組成の変更又はガス初期圧力の変更、及び低い有害物質排出を伴う負荷変更のために使用可能である。

燃料ステージングの調整は、複数の、同じか又は異なるステップで実施可能である。

しかし、最適な燃料ステージングでの連続運転が、燃焼により誘起される脈動の上昇に基づいて不可能である場合、閉ループ制御を燃料ステージングの定常運転曲線の調整のために援用することも可能である。

１０，２０ 予混合バーナ
１１ 中央の燃料供給部
１２，１６ ダブルコーン
１３，１４ 燃料ステージ
１５，２３ 燃焼チャンバ
１７ 混合管
１８ 外部の燃料供給部
１９，２１ 燃料ステージ
２２ 燃焼装置
２４ 燃料供給管路
２５，２６ 分配管路
２７，２８ 制御弁
２９ 制御部
３０ 計時機構
Ｂ１，．．．，Ｂ４ 予混合バーナ
ｐ 脈動レベル
Ｓ１，．．．，Ｓ４ センサ
ｓ 燃料ステージング
Δｓ ステージング差（変化量）
Δｔ 時間
ｄｓ／ｄｔ 燃料ステージングの変化速度
ｔ１，．．．，ｔ４ 時点

Claims (9)

1. 燃焼装置（２２）を運転する方法であって、該燃焼装置（２２）が、燃料ステージング（ｓ）を装備する、燃焼チャンバ（２３）に接続される少なくとも１つの予混合バーナ（Ｂ１，．．．，Ｂ４）を備え、過渡運転状態中、前記少なくとも１つの予混合バーナ（Ｂ１，．．．，Ｂ４）の前記燃料ステージング（ｓ）を、前記燃焼チャンバ（２３）内に発生する、燃焼により誘起される脈動に応じて変更する、燃焼装置（２２）を運転する方法において、連続的に、前記燃焼チャンバ（２３）内に発生する脈動の脈動レベル（ｐ）を求め、該脈動レベル（ｐ）が所定の最大値（ｐ_ｍａｘ）を超過すると、前記少なくとも１つの予混合バーナ（Ｂ１，．．．，Ｂ４）の燃料ステージング（ｓ）を、前記脈動レベル（ｐ）を下げるために変更し、かつ所定の時間（Δｔ）中に前記所定の最大値（ｐ_ｍａｘ）が超過されなければ、前記所定の時間（Δｔ）後、前記燃料ステージング（ｓ）を、その都度の運転点にとって標準的な乱されていない値に戻すことを特徴とする、燃焼装置を運転する方法。
2. 前記燃料ステージング（ｓ）を、前記脈動レベル（ｐ）の最大値（ｐ_ｍａｘ）の超過時、１つの固定に決められた値（Δｓ）の分だけ変更する、請求項１記載の方法。
3. 前記燃料ステージング（ｓ）を、前記脈動レベル（ｐ）の最大値（ｐ_ｍａｘ）の超過時、漸次、複数の固定に決められた値の分だけ、前記脈動レベル（ｐ）の所定の最大値（ｐ_ｍａｘ）を下回るか、又は前記燃料ステージング（ｓ）のための極限値が達成されるまで、変更する、請求項１記載の方法。
4. 前記燃料ステージング（ｓ）を、一定の変化速度（ｄｓ／ｄｔ）で、前記その都度の運転点にとって標準的な乱されていない値に戻す、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 前記脈動レベル（ｐ）が前記所定の時間（Δｔ）中に前記所定の最大値（ｐ_ｍａｘ）を新たに超過すると、前記少なくとも１つの予混合バーナ（Ｂ１，．．．，Ｂ４）の前記燃料ステージング（ｓ）を少なくとももう一度、前記脈動レベル（ｐ）を下げるために変更する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 総燃料流を前記燃料ステージング（ｓ）の変更時に一定に維持する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 請求項１から６までのいずれか１項記載の方法を実施するための燃焼装置（２２）であって、該燃焼装置（２２）が、燃焼チャンバ（２３）と、該燃焼チャンバ（２３）に接続される、燃料ステージング（ｓ）を装備する少なくとも１つの予混合バーナ（Ｂ１，．．．，Ｂ４）とを備え、前記燃料ステージング（ｓ）が制御部（２９）により、前記燃焼チャンバ（２３）内に配置される測定手段（Ｓ１，．．．，Ｓ４）により測定される、燃焼により誘起される脈動に応じて変更可能である燃焼装置において、前記制御部（２９）が、該制御部のために時間（Δｔ）を固定に設定する計時機構（３０）に接続されていることを特徴とする、燃焼装置。
8. 前記少なくとも１つの予混合バーナ（Ｂ１，．．．，Ｂ４）に、燃料ステージングの枠内で、少なくとも２つの分配管路（２５，２６）を介して燃料が供給され、前記少なくとも２つの分配管路（２５，２６）が、調節手段（２７，２８）に接続されており、該調節手段（２７，２８）は前記制御部（２９）により、一定の総燃料流が少なくとも２つの分配管路（２５，２６）に多様に分割可能であるように操作可能である、請求項７記載の燃焼装置。
9. 前記測定手段が、前記燃焼チャンバ（２３）内に配置される、圧力変動を測定するための少なくとも１つのセンサ（Ｓ１，．．．，Ｓ４）を備える、請求項７又は８記載の燃焼装置。