JP2013185585A - 液体燃料作動からガス燃料作動に燃焼器を作動する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】中央ノズル、および中央ノズルを取り囲む複数の外側ノズルを有する燃焼器を作動する方法を提供すること。
【解決手段】その方法は、液体燃料を指定総エネルギー投入量で複数の外側ノズルのみに供給するステップを含む。その方法は、複数の外側ノズルへの液体燃料を減少させ、一方、同時に中央ノズルおよび複数の外側ノズルへのガス燃料を増加させて、指定総エネルギー投入量を実質的に維持するステップを含む。その方法は、中央ノズル火炎が固定されるように、閾値を超える燃料空気比のガス燃料を中央ノズルに供給するステップを含む。複数の外側ノズルへのガス燃料の燃料空気比は閾値未満であり、浄化流が外側ノズルに供給されるまで、複数の外側ノズル火炎が浮上るようになる。
【選択図】図１

Description

本明細書に提示する主題は、液体燃料作動からガス燃料作動にガスタービン用燃焼器を作動する方法に関する。

ガスタービンは、空気および燃料を受け取り、燃焼させて、高温燃焼ガスを生成する１つまたは複数の燃焼器を備える。例えば、ガスタービンは、回転軸の周りの円周に配置されている複数の燃焼室を備えることができる。液体燃料またはガス燃料のいずれかが、燃焼器内に注入され得る。ガスタービンが液体燃料で作動しており、ガス燃料への移行が要求される場合、液体燃料流は最初に閉鎖または停止され、次いで、浄化流体が液体燃料ノズルを通って送られる。浄化流体は、すべての残余液体燃料を液体燃料ノズルから除去する。

米国特許第６５９８３８３号公報

液体燃料流を閉鎖することと、十分に速い流速または高い圧力で、液体燃料ノズルを通って浄化空気を送ることとの間に遅滞が存在する可能性がある。遅滞の間に、火炎が液体燃料ノズル上に固定される場合、結果として生じる圧力勾配が、高温燃焼生成物を液体燃料ノズル内に送ることがあり、それによって損傷を起こす可能性がある。

例えば、ドライ低ＮＯ_X燃焼システムなど、いくつかの型の燃焼システムでは、燃焼器は、比較的低い負荷で液体燃料作動からガス燃料作動にのみ移行することができる。液体燃料とガス燃料との間の移行は達成可能であるが、しかし、最初にガスタービンを低減された負荷に除荷する必要がある。複合サイクル動力プラントでは、ガスタービンを低負荷に除荷するには、蒸気タービンもまたオフラインにする必要があることもある。

本発明の一態様によって、燃焼器を作動する方法を提供する。燃焼器が、中央ノズル、および中央ノズルを取り囲む複数の外側ノズルを有する。その方法は、液体燃料を指定総エネルギー投入量で、複数の外側ノズルのみに供給するステップを含む。その方法は、複数の外側ノズルへの液体燃料を減少させ、一方、同時に中央ノズルおよび複数の外側ノズルへのガス燃料を増加させて、指定総エネルギー投入量を実質的に維持するステップを含む。その方法は、指定総エネルギー投入量を実質的に維持する一方で、複数の外側ノズルに液体燃料の供給を中止するステップを含む。その方法は、中央ノズル火炎が固定されるように、閾値を超える燃料空気比のガス燃料を中央ノズルに供給するステップを含む。その方法は、複数の外側ノズル火炎が浮上るように、閾値未満である燃料空気比のガス燃料を複数の外側ノズルに供給するステップを含む。その方法は、浄化流を複数の外側ノズルに供給するステップを含む。

これら、ならびに他の利点および特徴が、図面と併せて考慮されると、以下の説明からより明確になるであろう。

本発明として見なされる主題は、本明細書の結論で特許請求の範囲の中に具体的に指摘され、明確に請求されている。本発明の上記ならびに他の特徴および利点は、添付の図面と併せて考慮されると、以下の詳細な説明から明らかである。

燃焼器を備える例示的なガスタービンシステムの概略図である。 動作モード中の図１に示す燃焼器の端部カバーの図である。 別の動作モード中の図１に示す燃焼器の端部カバーの図である。 別の動作モード中の図１に示す燃焼器の端部カバーの図である。 図１に示す燃焼器を作動するための１つの方法を示す工程の流れ図である。

詳細な説明では、図面を参照して実施例によって、利点および特徴と共に、本発明の実施形態を説明する。

図１は、参照符号１０によって示す概略的な例示的動力生成システムを示す。動力生成システム１０は、圧縮機２０、燃焼器２２およびタービン２４を備えるガスタービンシステムである。空気が吸気３０を通って動力生成システム１０に入り、圧縮機２０内に流れ込み、仕事が圧縮機２０によってその空気に及ぼされる。次いで、圧縮済み空気は、燃料ノズル３４によって燃料と混合される。燃料ノズル３４は、空気および燃料混合物を燃焼のために指定比率で燃焼器２２内に注入する。熱放出は高温の圧縮済みガス排気を生成し、ガス排気は、タービン２４内に配置されている動翼（図示せず）を駆動する。一実施形態では、燃焼器２２はドライ低ＮＯ_X燃焼器である。

次に、図２〜４を参照すると、燃焼器２２は、中央ノズルガス燃料口４２ならびに複数の外側口または外側ノズル組立体４４を有する端部カバー４０を備える。中央ノズルガス燃料口４２は、燃焼器２２の中央軸Ａ−Ａに配置され、外側ノズル組立体４４が中央ノズルガス燃料口４２を取り囲む。図２〜４に示す例示的な実施形態では、中央ノズルガス燃料口４２を取り囲む５つの外側ノズル組立体４４が存在するが、しかし、任意の数の外側ノズル組立体４４を使用できることを理解されたい。

図２〜４を参照すると、中央ノズルガス燃料口４２および外側ノズル組立体４４は、すべてが選択的にガス燃料（図示せず）を燃焼器２２に供給する。しかし、外側ノズル組立体４４だけが液体燃料（図示せず）を燃焼器２２に供給する。具体的には、外側ノズル組立体４４だけがそれぞれ、外側ノズルガス燃料口４８、および液体カートリッジまたは外側ノズル液体燃料口５０を備える。すなわち、中央ノズルガス燃料口４２は、液体カートリッジを備えない。中央ノズルガス燃料口４２および外側ノズルガス燃料口４８はガス燃料を供給し、外側ノズル液体燃料口５０は液体燃料を供給する。動力生成システム１０（図１に示す）は、ガス燃料、または代わりに液体燃料のいずれかで作動する。

動力生成システム１０が液体燃料で作動しており、ガス燃料への移行が要求される場合、液体燃料流は中止または停止され、例えば、圧縮済み空気など、浄化流が、外側ノズル組立体４４の外側ノズル液体燃料口５０を通って送られる。浄化流は、液体燃料流が停止してしまうまで、活性化されない。一実施形態では、浄化流は、例えば、窒素または水などの非反応媒体である。別法として、別の実施形態では、浄化流は圧縮済み空気である。別の実施形態では、浄化流は、反応媒体天然ガスであってよい。天然ガスが採用される場合、最初に液体燃料が水によって浄化される。次いで、水は天然ガスによって浄化される。

図２は、液体燃料で作動している燃焼器２２の図である。図２で分かるように、外側ノズル組立体４４の外側ノズル液体燃料口５０だけが、指定総エネルギー投入量で動力生成システム１０に液体燃料を供給する。ガス燃料への移行が必要である場合、外側ノズル液体燃料口５０によって供給される液体燃料は次第に減少し、一方、同時にガス燃料を始動し、ガス燃料の量を増加させる。すなわち、液体燃料は次第に減少するが、一方、ガス状燃料の使用により動力生成システム１０への指定総エネルギー投入量をやはり実質的に維持している。

図３は、ガス燃料で作動している燃焼器２２の図であり、この図では、外側ノズル組立体４４の外側ノズル液体燃料口５０への液体燃料の供給は停止しているが、しかし、浄化流が外側ノズル組立体４４の外側ノズル液体燃料口５０に供給される前の図である。その代りに、ガス燃料が、中央ノズルガス燃料口４２および外側ノズル組立体４４の外側ノズルガス燃料口４８に供給される。ガス燃料は、指定燃料空気比で、中央ノズルガス燃料口４２および外側ノズル組立体４４の外側ノズルガス燃料口４８に供給され、中央ノズルガス燃料口４２に対応する中央ノズル火炎（図示せず）が固定され、外側ノズル組立体４４の外側ノズルガス燃料口４８に対応するガスノズル火炎（図示せず）は浮上る。一般に、指定燃料空気比は、中央ノズルガス燃料口４２または外側ノズル組立体４４の外側ノズルガス燃料口４８のどちらかに固定している火炎を生成するために、閾値を超える。したがって、中央ノズルガス燃料口４２に供給される燃料空気比が閾値を超えると、中央ノズルの火炎が固定されるようになり、外側ノズル組立体４４の外側ノズルガス燃料口４８に供給される燃料空気比が閾値未満であると、そのガスノズルの火炎が浮上るようになる。

図４は、ガス燃料で作動している燃焼器２２の図であり、この図では、液体噴射器への液体燃料の供給は停止しており、浄化流が外側ノズル液体燃料口５０に供給されている。ガス燃料が、中央ノズルガス燃料口４２および外側ノズル組立体４４の外側ノズルガス燃料口４８に指定燃料空気比で供給され、中央ノズルガス燃料口４２に対応する中央ノズル火炎がやはり固定されるようになっている。加えて、外側ノズル組立体４４の外側ノズルガス燃料口４８の１つに対応する、ガスノズル火炎の少なくとも１つもまた、やはり固定され、残りのガスノズル火炎は、浄化流が外側ノズル組立体４４の外側ノズル液体燃料口５０に供給されると、浮上る。図４に示す例示的な実施形態では、３つのガスノズル火炎が固定されている。具体的には、端部カバー４０の１時、６時および１１時の位置に配置されている外側ノズルガス燃料口４８に対応するガスノズル火炎は固定されている。端部カバー４０の４時、および８時の位置のガスノズルに対応するガスノズル火炎は浮上っている。図４の図面は一実施形態に過ぎず、他の方法も使用され得ることに留意するべきである。例えば、代替的実施形態では、端部カバー４０の１時、６時および１１時の位置の外側ノズルガス燃料口４８に対応するガスノズル火炎が浮上ることがあり、端部カバー４０の４時、および８時の位置の外側ノズルガス燃料口４８に対応するガスノズル火炎は固定される。

図５は、液体燃料からガス燃料への移行が要求される場合、動力生成システム１０を作動する一方法を図示する工程流れ図である。次に、図２および図５の両方を参照すると、工程２００が２０２で始まり、２０２では、液体燃料が、指定総エネルギー投入量で外側ノズル組立体４４の外側ノズル液体燃料口５０にのみ供給される。次いで、工程２００は２０４に進むことができる。

２０４では、外側ノズル液体燃料口５０に供給される液体燃料が次第に減少し、一方、同時に中央ノズルガス燃料口４２および外側ノズル組立体４４の外側ノズルガス燃料口４８へのガス燃料を増加させて、ガスタービンへの指定総エネルギー投入量を全体的に維持する。次いで、工程２００は２０６に進むことができる。

２０６では、中央ノズル火炎が固定されるように、中央ノズルガス燃料口４２に供給されるガス燃料の燃料空気比が閾値を超える。具体的には、中央ノズルガス燃料口４２で固定している火炎を生成するためには、指定燃料空気比が全体的に閾値を超えねばならない。次いで、工程２００は２０８に進むことができる。

２０８では、ガスノズル火炎が浮上るように、外側ノズル組立体４４の外側ノズルガス燃料口４８に供給されるガス燃料の燃料空気比は閾値未満である。次いで、工程２００は２１０に進むことができる。

２１０では、外側ノズル組立体４４の外側ノズル液体燃料口５０に液体燃料を供給することが停止され、一方、ガスタービンへの指定総エネルギー投入量を全体的に維持する。次いで、工程２００は２１２に進むことができる。

２１２では、浄化流が、外側ノズル組立体４４の外側ノズル液体燃料口５０に供給される。次いで、工程２００は２１４に進むことができる。

２１４では、外側ノズル組立体４４の外側ノズルガス燃料口４８の１つに対応するガスノズル火炎の少なくとも１つが固定され、浄化流が外側ノズル組立体４４の外側ノズル液体燃料口５０に供給されると、残りのガスノズル火炎が浮上る。例えば、図４に示す実施形態では、３つのガスノズル火炎が固定されている。次いで、工程２００は終了することができる。

図２〜図５に示すように、液体燃料からガス燃料への移行が要求される場合、動力生成システム１０を作動する方法によって、ガスタービンが、大幅に負荷を低減する必要なく、液体燃料からガス燃料へ移行することが可能になる。複合サイクル動力プラントでは、液体燃料からガス燃料へ移行中に負荷を維持することによって、蒸気タービンもまた、依然として作動状態であることも可能になる。したがって、動力生成システム１０を採用する場合、液体燃料からガス燃料への移行操作をもっと頻繁に実施することが可能である。

本発明を限定した数の実施形態だけに関連して詳細に説明してきたが、本発明は、そのような開示される実施形態に限定されるのではないことをすぐに理解すべきである。むしろ、本発明は、上記に説明していないが、しかし、本発明の精神および範囲に相応する、任意の数の変形形態、代替形態、代替物または均等な配置を組み込むように修正可能である。加えて、本発明の様々な実施形態を説明してきたが、本発明の態様は、説明した実施形態のいくつかのみを含むことがあることを理解されたい。したがって、本発明は上記の説明によって限定されると考えるべきではなく、本発明は添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。

１０ 動力生成システム
２０ 圧縮機
２２ 燃焼器
２４ タービン
３０ 吸気
３４ 燃料ノズル
４０ 端部カバー
４２ 中央ノズルガス燃料口
４４ 外側ノズル組立体
４８ 外側ノズルガス燃料口
５０ 外側ノズル液体燃料口
２００ 工程
２０２ 工程
２０４ 工程
２０６ 工程
２０８ 工程
２１０ 工程
２１２ 工程
２１４ 工程

Claims (20)

1. 中央ノズルおよび前記中央ノズルを取り囲む複数の外側ノズルを有する燃焼器を作動する方法であって、
   液体燃料を指定総エネルギー投入量で前記複数の外側ノズルのみに供給するステップと、
   前記複数の外側ノズルへの液体燃料を減少させ、一方、同時に前記中央ノズルおよび前記複数の外側ノズルへのガス燃料を増加させて、前記指定総エネルギー投入量を実質的に維持するステップと、
   中央ノズル火炎が固定されるように、閾値を超える燃料空気比の前記ガス燃料を前記中央ノズルに供給するステップと、
   複数の外側ノズル火炎が浮上るように、前記閾値未満である前記燃料空気比の前記ガス燃料を前記複数の外側ノズルに供給するステップと、
   前記指定総エネルギー投入量を実質的に維持する一方で、前記複数の外側ノズルに前記液体燃料の供給を中止するステップと、
   浄化流を前記複数の外側ノズルに供給するステップと
   を含む、方法。
2. 前記浄化流が前記複数の外側ノズルに供給されると、前記複数の外側ノズル火炎の少なくとも１つが固定されるように、前記閾値を超える前記燃料空気比の前記ガス燃料を前記複数の外側ノズルに供給するステップを含む、請求項１記載の方法。
3. 前記閾値を超える前記燃料空気比の前記ガス燃料を端部カバーの１時、６時および１１時の位置に配置されている前記複数の外側ノズルのそれぞれに供給するステップを含む、請求項２記載の方法。
4. 前記浄化流として、反応媒体を供給するステップを含む、請求項１記載の方法。
5. 前記反応媒体を供給する前に、水によって前記液体燃料を浄化するステップを含む、請求項４記載の方法。
6. 前記浄化流として、窒素および水、または圧縮済み空気の少なくとも１つである非反応媒体の１つを供給するステップを含む、請求項１記載の方法。
7. 前記複数の外側ノズルのそれぞれにガス燃料口および液体燃料口を含む、請求項１記載の方法。
8. 前記ガス燃料口が前記ガス燃料を供給し、前記液体燃料口が前記液体燃料を供給する、請求項７記載の方法。
9. 前記中央ノズルを前記燃焼器の中央軸に沿って配置するステップを含む、請求項１記載の方法。
10. ５つの外側ノズルを前記複数の外側ノズルとして用意するステップを含む、請求項１記載の方法。
11. 前記燃焼器がドライ低ＮＯ_X燃焼器である、請求項１記載の方法。
12. 中央ノズルおよび前記中央ノズルを取り囲む複数の外側ノズルを有する燃焼器を備えるガスタービンを作動する方法であって、
    液体燃料を前記ガスタービンへの指定総エネルギー投入量で前記複数の外側ノズルのみに供給するステップと、
    前記複数の外側ノズルへの液体燃料を減少させ、一方、同時に前記中央ノズルおよび前記複数の外側ノズルへのガス燃料を増加させて、前記ガスタービンへの前記指定総エネルギー投入量を実質的に維持するステップと、
    中央ノズル火炎が固定されるように、閾値を超える燃料空気比の前記ガス燃料を前記中央ノズルに供給するステップと、
    複数の外側ノズル火炎が浮上るように、前記閾値未満である前記燃料空気比の前記ガス燃料を前記複数の外側ノズルに供給するステップと、
    前記ガスタービンへの前記指定総エネルギー投入量を実質的に維持する一方で、前記複数の外側ノズルに前記液体燃料の供給を中止するステップと、
    浄化流を前記複数の外側ノズルに供給するステップと、
    前記浄化流が前記複数の外側ノズルに供給されると、前記複数の外側ノズル火炎の少なくとも１つが固定されるように、前記閾値を超える前記燃料空気比の前記ガス燃料を前記複数の外側ノズルに供給するステップと
    を含む方法。
13. 前記閾値を超える前記燃料空気比の前記ガス燃料を端部カバーの１時、６時および１１時の位置に配置されている前記複数の外側ノズルのそれぞれに供給するステップを含む、請求項１２記載の方法。
14. 前記浄化流として、反応媒体を供給するステップを含む、請求項１２記載の方法。
15. 前記反応媒体を供給する前に、水によって前記液体燃料を浄化するステップを含む、請求項１４記載の方法。
16. 前記浄化流として、窒素および水、または圧縮済み空気の少なくとも１つである非反応媒体の１つを供給するステップを含む、請求項１２記載の方法。
17. 前記複数の外側ノズルのそれぞれにガス燃料口および液体燃料口を含む、請求項１２記載の方法。
18. 前記ガス燃料口が前記ガス燃料を供給し、前記液体燃料口が前記液体燃料を供給する、請求項１７記載の方法。
19. 前記中央ノズルを前記燃焼器の中央軸に沿って配置するステップを含める、請求項１２記載の方法。
20. ５つの外側ノズルを前記複数の外側ノズルとして用意するステップを含む、請求項１２記載の方法。