JP2016191543A - 一体化された二元燃料供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンエンジン用の改良された二元燃料供給システムを提供する。【解決手段】ガスタービン用の二元燃料供給システムに関する。ガスタービン用の二元燃料供給システム４００は、主燃料油導管４０６および主燃料ガス導管４０４を有する主燃料ライン４０２であって、主燃料ガス導管４０４が少なくとも部分的に主燃料油導管４０６を包囲している、主燃料ライン４０２と、第１の燃料ディバイダ４０８であって、主燃料油導管４０６に接続された第１の燃料油ディバイダ４１２と、主燃料ガス導管４０４に接続された第１の燃料ガスディバイダ４１０とを有し、第１の燃料ガスディバイダ４１０が少なくとも部分的に第１の燃料油ディバイダ４１２を包囲している、第１の燃料ディバイダ４０８と、を備える。【選択図】図４

Description

本発明は、燃料供給システムに関し、特に、本発明は、ガスタービンエンジン用の二元燃料（dual fuel）供給システムに関する。

現代のガスタービンは、様々な種類の液体および気体燃料などの多くの異なる燃料によって作動することがある。この理由から、発電プラントは、二元燃料能力を備えて、例えば天然ガスおよびディーゼル燃料によって作動することができるガスタービンエンジンを有してもよい。一般に、作動燃料の選択は、価格、入手可能性および作動パラメータに依存する。

ガスタービンは、燃料を圧縮空気内で燃焼させることによって高温ガスを発生するように構成された様々なタイプの燃焼器を有する。燃料は、１つまたは複数の燃料ノズルを使用して燃焼器に導入される。運転の柔軟性を提供するために、ノズルは、通常、二元燃料を噴射する能力を有する。

二元燃料は、燃料源から燃料ノズルへ供給されなければならない。このような二元燃料供給システムの設計は、スペースの制約、振動不安定性および熱膨張などの様々な課題を有する。

図２は、２つの燃料リング管２０２および２０４を有する燃料供給システム２００を示している。リング管２０２および２０４はそれぞれ１つのタイプの燃料を供給し、各管は、ガスタービンの燃焼器バーナ（図示せず）に接続される複数の燃料供給部２０６を有する。全てのバーナが１つのランスを有する構成では、リング管２０２および２０４のそれぞれから１つの燃料ラインが、２つのタイプの燃料を１つのバーナへ供給する。この設計は、複雑さが高く、多数の供給ラインおよび接続部を生じる。図３は、複数（この例では３つ）の噴射ノズル３１０を有するバーナ３１２用の二元燃料供給システム３００を示している。２つのタイプの燃料３０２および３０４は、全てのノズル３１０に供給される。燃料３０２は第１の燃料ライン３０６を介して供給されるのに対し、第２の燃料３０４は第２の燃料ライン３０８を介して供給される。図２の設計と同様に、この燃料供給システムはコンパクトではなく、熱的および振動的な不安定性を生じる可能性がある。

したがって、従来のシステムよりも単純でかつより効率的な二元燃料供給システムが望まれている。

上述の問題を考慮して、本発明の主な目的は、ガスタービンエンジン用の改良された二元燃料供給システムを提供することである。

本発明の１つの目的は、複雑さおよびスペース節約の観点から改良された二元燃料供給システムを提供することである。

本発明の別の目的は、熱的および振動的安定性の観点から改良された二元燃料供給システムを提供することである。

本発明のさらに別の目的は、実質的に矩形のバーナに特に適応された、改良された二元燃料システムを提供することである。

本発明の上述の目的およびその他の目的は、主燃料油導管および主燃料ガス導管を有する主燃料ラインであって、主燃料ガス導管が少なくとも部分的に主燃料油導管を包囲している、主燃料ラインと、第１の燃料ディバイダであって、主燃料油導管に接続された第１の燃料油ディバイダと、主燃料ガス導管に接続された第１の燃料ガスディバイダとを有し、第１の燃料ガスディバイダが少なくとも部分的に第１の燃料油ディバイダを包囲している、第１の燃料ディバイダとを備える、ガスタービン用の二元燃料供給システムによって達成される。

一実施形態によれば、二元燃料供給システムは、第２の燃料油ディバイダおよび第２の燃料ガスディバイダを有する少なくとも１つの第２の燃料ディバイダをさらに備え、第１の燃料ディバイダの１つの出口は、第２の燃料ディバイダの入口に接続されている。好適な実施形態では、二元燃料供給システムは、２つの第２の燃料ディバイダを含む。

さらに別の実施形態によれば、第１の燃料ディバイダは第１の平面に配置されており、第２の燃料ディバイダは第２の平面に配置されており、第１の平面は第２の平面とは異なる。好適な実施形態では、これらの２つの平面は、実質的に９０°の角度を成す。この構成は、ガスタービン内のスペース節約に関して特に有利である。

別の実施形態によれば、第１の燃料油ディバイダおよび第１の燃料ガスディバイダは、１つの入口と、２つの出口とを有する。

さらに別の実施形態によれば、主燃料ガス導管は、延長手段、好適には金属ベローを含む。この構成は、熱膨張の問題に関して特に有利である。

別の実施形態によれば、第１の燃料油ディバイダは、金属ホースまたは伸縮継手などの少なくとも１つの延長手段を含む。

さらに別の実施形態によれば、主燃料油導管と第１の燃料油ディバイダとの間の接続部は、水平滑りガイドを含むか、および／または第１の燃料油ディバイダと第２の燃料油ディバイダとの間の接続部は、鉛直滑りガイドを含む。

別の実施形態によれば、二元燃料供給システムは、さらに、燃料油および／または燃料ガスを噴射するように適応された少なくとも１つの噴射ノズルを含む噴射ヘッドを備え、噴射ヘッドは、第１の燃料ディバイダまたは第２の燃料ディバイダに接続されている。好適な実施形態では、噴射ヘッドは、複数の噴射セクションを含み、全ての噴射セクションは、第１の燃料ディバイダまたは第２の燃料ディバイダの１つの出口に接続されている。

さらに別の実施形態によれば、二元燃料供給システムは、主燃料ラインの入口に接続され、燃料ガスおよび燃料油を主燃料ラインに供給するように適応された燃料マニホールドを含む。

本願は、二元燃料供給システムを含むガスタービンにも関する。好適な実施形態において、ガスタービンは、カン型燃焼器と、冷却空気ハウジングと、噴射ヘッドを受け入れるように適応されたバーナとをさらに備え、主燃料ラインの入口は、カン型ハウジングの外側に配置されており、主燃料ラインの出口と、第１の燃料ディバイダへの入口とは、カン型ハウジングと冷却空気ハウジングとの間に配置されている。

加えて、本願は、二元燃料供給システムを含むガスタービンのバーナ内の噴射ヘッドに二元燃料を供給する方法をも提供する。この方法は、燃料油および／または燃料ガスを主燃料ラインに供給するステップと、燃料油および／または燃料ガスを第１の燃料ディバイダにおいて分割するステップと、燃料油および／または燃料ガスを噴射ヘッドへ案内するステップと、を含む。

本発明の付加的な利点および特徴は、以下に続く説明において部分的に示され、部分的に以下の説明の検討により当業者に明らかになるか、または本発明の実施によって学ばれ得る。ここで、添付の図面を特に参照して、本発明を説明する。

本発明の好適な実施形態が図面を参照して以下に説明される。図面は、本発明の現時点で好適な実施形態を示すためのものであり、発明を限定するものではない。

本発明に係るガスタービンの概略図である。 従来の二重リング燃料供給システムの透視図である。 従来の燃料供給システムの概略図である。 本発明の一実施形態に係る二元燃料供給システムの概略図である。 本発明の一実施形態に係る二元燃料供給システムの一部の透視図である。 本発明の一実施形態に係る二元燃料供給システムの透視図である。 本発明の一実施形態に係る二元燃料供給システムの一部の透視図である。 噴射ノズルヘッドを受け入れるように適応された矩形のバーナの透視図である。 本発明の一実施形態に係るガスタービン内の二元燃料供給システムの概略図である。

ここで図面を参照すると、複数の図面を通じて同一の符号は同一の要素を指示しており、図１は、本発明の一実施形態に係るガスタービンエンジン１００の概略図を示している。ガスタービン１００は、空気１１６の流れを圧縮する圧縮機１０２を有する。圧縮空気１１８は、複数の燃焼器カンおよびバーナを含んでもよい燃焼器１０６へ方向付けられる。燃焼器１０６において、圧縮空気１１８は、燃料油１１２または燃料ガス１１４と混合され、空気と燃料の混合物が点火され、高温燃焼ガス１２０の流れを生ぜしめ、この流れは、タービン１０４を駆動するために方向付けられる。タービン１０４において発生する機械的仕事は、軸１２２を介して圧縮機１０２および負荷１１０を駆動する。燃料１１２および１１４は、本発明に係る二元燃料供給システム４００を通じて燃焼器１０６に供給される。

図４は、ガスタービン１００とともに使用されてもよい、本発明に係る二元燃料供給システム４００を示している。二元燃料供給システム４００は、主燃料油導管４０６と、主燃料ガス導管４０４とを有する主燃料ライン４０２を含む。図４に示された好適な実施形態では、導管４０４および４０６は、２つの同心状の導管の形式であり、主燃料ガス導管４０４は、導管４０６の進入セクションを除き、主燃料油導管４０６を完全に包囲している。全体として、主燃料ガス導管４０４は、少なくとも部分的に主燃料油導管４０６を包囲している。

二元燃料供給システム４００は、主燃料油導管４０６に接続された第１の燃料油ディバイダ４１２と、主燃料ガス導管４０４に接続された第１の燃料ガスディバイダ４１０とを有する、第１の燃料ディバイダ４０８をも含む。全体として、燃料ディバイダは、燃料流を分割する装置であり、１つの入口と、２つ以上の出口とを有する。ディバイダの分岐路の数は、出口の数と等しい。燃料流は、分岐路の間で均等にまたは不均等に分割されてよい。第１の燃料ガスディバイダ４１０は、少なくとも部分的に第１の燃料油ディバイダ４１２を包囲している。図４に示された好適な実施形態では、第１の燃料ガスディバイダ４１０は、第１の燃料油ディバイダ４１２を完全に包囲している。燃料ガスディバイダ４１０の各分岐路は、燃料油ディバイダ４１２の対応する分岐路を包囲している。対応する分岐路は、同心状の導管の形式であってもよい。作動時、燃料油供給チャネル（主燃料油ラインおよび燃料油ディバイダ）は、有利には、高温空気流に対して燃料ガス供給チャネル（主燃料ガスラインおよび燃料ガスディバイダ）によって保護されている。好適な実施形態において、燃料ディバイダ４０８は、１つの入口と２つの出口とを有するが、さらに多くの出口を有することも可能である。

二元燃料供給システム４００は、第２の燃料ディバイダ４１４を有してもよい。図４に示された好適な実施形態では、２つの第２の燃料ディバイダ４１４が設けられている。これらのディバイダの目的は、主ライン４０２から来る燃料流をさらに分割することである。好適な実施形態では、第２のディバイダ４１４は、１つの入口と、２つの出口とを有してもよい。第２の燃料ディバイダ４１４は、第２の燃料油ディバイダ４２０と、第２の燃料ガスディバイダ４２２とを有する。第１の燃料ディバイダ４０８の１つの出口は、第２の燃料ディバイダ４１４の入口に接続されている。この構成において、システム４００は、１つの入口４１８（主燃料ライン入口）と、４つの出口４１６とを有しており、燃料ガスおよび燃料油の両方の燃料を４つの別個の流れに分離することができる。

熱膨張および不都合な振動効果を回避することに寄与する付加的な有利な特徴も、図４に示されている。第１に、主燃料ガス導管４０４は、延長手段、好適には金属ベロー４２４を含んでもよい。第２に、第１の燃料油ディバイダ４１２は、少なくとも１つの金属ホース４２６または伸縮継手などの延長手段を有してもよい。好適には、ディバイダ４１２は、２つの金属ホース４２６を有しており、１つのホースが、ディバイダ４１２の全ての分岐路に設けられている。主ライン４０２および／またはディバイダのうちのいずれかの異なる分岐路における、ベローおよびホースのその他の組み合わせも可能である。

図４は、二元燃料供給システム４００の概略的な、単純化された、二次元の図である。主燃料ライン４０２ならびに燃料ディバイダ４０８および４１４は、必ずしも全て１つの平面に配置されているわけではない。全体として、燃料ディバイダ４０８は第１の平面に配置されており、燃料ディバイダ４１４は第２の平面に配置されている。

図５は、本発明の好適な実施形態に係る二元燃料供給システム４００の一部（および内部）をより詳細に示している。第１の燃料ディバイダ４０８と第２の燃料ディバイダ４１４とが１つの平面に配置されている、すなわち第１の平面と第２の平面とが同じ平面であるような図４の例とは対照的に、図５の実施形態の第２の燃料ディバイダ４１４および第１の燃料ディバイダ４０８は、有利には、異なる平面に配置されている、すなわち第１の平面は第２の平面と異なる。図５に示された好適な実施形態では、第２の燃料ディバイダ４１４の入口と、第１の燃料ディバイダ４０８の１つの出口とは、実質的に９０°の角度で接続されている。これにより、二元燃料供給システム４００は、有利には、よりコンパクトなサイズとなり、ガスタービン１００内の大きなスペースの必要性が減少する。２つの平面、すなわち第１の平面と第２の平面とは、互いに対して＞１０°、好適には５０°〜９０°の角度で傾けられていてよい。１つの平面ではなく複数の異なる平面に燃料ディバイダ４０８および４１４を有することの別の利点は、複数の異なる方向への熱的延長および／または振動を補正するための柔軟性の度合いが増えることである。発明の主概念から逸脱することなく、ガスタービンのジオメトリに応じてその他の設計が可能である。

加えて、図５に示したように、主燃料油導管４０６と第１の燃料油ディバイダ４１２との間の接続部は、水平滑りガイド５０４を有してもよい。有利には、第１の燃料油ディバイダ４１２と第２の燃料油ディバイダ４２０との間の接続部は、鉛直滑りガイド５０２を有してもよい。滑りガイド５０２および５０４の使用は、ガスタービンエンジン内での金属ホース４２６の相対移動の案内を助ける。図５は、主燃料ライン４０２の入口に接続された燃料マニホールド５０６も示している。マニホールド５０６は、燃料油入口５０８および燃料ガス入口５１０を通じて燃料ガスおよび燃料油を主燃料ライン４０２に供給するために使用される。入口５０８および５１０は、一般に、外部燃料ガスおよび燃料油供給部（図示せず）に接続されている。

図６は、本発明の別の好適な実施形態に係る二元燃料供給システム４００の透視図を示している。図６は、内部のガス・油導管およびディバイダを示さず、システム４００の外側部分のみを示している。本発明に係るこの実施形態では、システム４００は、噴射ヘッド６０２をも有する。噴射ヘッド６０２の役割は、燃料をバーナ内に噴射することである。噴射ヘッド６０２は、燃料油および／または燃料ガスを噴射するように適応された１つまたは複数の噴射ノズル６０４を有する。噴射ヘッド６０２は、第２の燃料ディバイダ４１４に接続されている。マニホールド５０６からの二元燃料は、ノズル６０４へ案内されてよい。本発明の好適な実施形態では、噴射ヘッド６０２は、複数の燃料噴射セクション６０６を有する。図６に示された実施形態では、４つの燃料噴射セクション６０６が設けられており、各セクションは９個のノズル６０４を有する。噴射セクション６０６の一例は、欧州特許出願公開第２４９６８８３号明細書に記載されている。図６に示されたこの例では、噴射セクション６０６は、前縁では滑らかな丸い移行部に接合されかつ後縁では小さな半径／鋭角で終わる、２つの側面によって規定された流線形ボディを有する。後縁の上流には渦発生器が配置されてもよい。ノズル６０４は、噴射セクション６０６の流線形ボディの後縁に配置されている。

図７は、噴射ヘッド６０２とディバイダ４１４の出口との間の接続部をより詳細に示しており、全ての噴射セクション６０６がディバイダ４１４の１つの出口に接続されている様子を示している。

図８は、本発明に係る二元燃料供給システム４００と共に使用されるように適応された矩形タイプのバーナ８００を示している。図示したように、バーナ８００は、噴射ヘッド６０２を受け入れるように適応されている。

本発明は、本発明に係る二元燃料供給システム４００とともに使用されるように適応されたガスタービンエンジン１００も開示する。図９は、概略的に、ガスタービン１００の一部の図を示しており、主要な構成部品の壁部の複数の部分のみが示されている。図９に示したように、本発明に係るガスタービン１００は、好適には、カン型燃焼器９０２、冷却空気ハウジング９０４、および噴射ヘッド６０２を受け入れるように適応されたバーナ８００を含む。好適な実施形態では、主燃料ライン４０２の入口は、カン型ハウジング９０２の外側に配置されている。主燃料ライン４０２の出口と、第１の燃料ディバイダ４０８への入口とは、カン型ハウジング９０２と冷却空気ハウジング９０４との間に配置されている。第２の燃料ディバイダの出口は、バーナ８００内に配置されている。

図９は、二元燃料供給システム４００を含むガスタービン１００のバーナ８００内の噴射ヘッドに二元燃料、つまり燃料油１１２および燃料ガス１１４を供給する方法をも示している。燃料油１１２および／または燃料ガス１１４は、主燃料ライン４０２に供給され、次いで、燃料ディバイダ４０８および燃料ディバイダ４１４内で分割され、バーナ８００へ案内され、バーナ８００内で燃料が圧縮空気と混合され、燃焼させられる。

上記は本願の好適な実施形態のみに関し、以下の請求の範囲によって規定される本発明の一般的な思想および範囲から逸脱することなく、当業者によって好適な実施形態に多くの変更および修正をなし得ることは明らかである。

１００ ガスタービンエンジン
１０２ 圧縮機
１０４ タービン
１０６ 燃焼器
１１０ 負荷
１１２ 燃料油
１１４ 燃料ガス
１１６ 入口空気
１１８ 圧縮空気
１２０ 燃焼ガス
１２２ 軸
２００ 燃料供給システム
２０２ 燃料リング管
２０４ 燃料リング管
２０６ 燃料供給部
３００ 二元燃料供給システム
３０２ 燃料
３０４ 燃料
３０６ 燃料ライン
３０８ 燃料ライン
３１０ ノズル
３１２ バーナ
４００ 二元燃料供給システム
４０２ 主燃料ライン
４０４ 主燃料ガス導管
４０６ 主燃料油導管
４０８ 第１の燃料ディバイダ
４１０ 第１の燃料ガスディバイダ
４１２ 第１の燃料油ディバイダ
４１４ 第２の燃料ディバイダ
４１６ 第２のディバイダ出口
４１８ 主燃料ライン入口
４２０ 第２の燃料油ディバイダ
４２２ 第２の燃料ガスディバイダ
４２４ ベロー
４２６ 金属ホース
５０６ 燃料マニホールド
５０８ 燃料油入口
５１０ 燃料ガス入口
６０２ 噴射ヘッド
６０４ 噴射ノズル
６０６ 燃料噴射セクション
８００ バーナ
９０２ カン型燃焼器
９０４ 冷却空気ハウジング

Claims (15)

1. ガスタービン用の二元燃料供給システム（４００）であって、
   主燃料油導管（４０６）および主燃料ガス導管（４０４）を有する主燃料ライン（４０２）であって、前記主燃料ガス導管（４０４）が少なくとも部分的に前記主燃料油導管（４０６）を包囲している、主燃料ライン（４０２）と、
   第１の燃料ディバイダ（４０８）であって、前記主燃料油導管（４０６）に接続された第１の燃料油ディバイダ（４１２）と、前記主燃料ガス導管（４０４）に接続された第１の燃料ガスディバイダ（４１０）とを有し、前記第１の燃料ガスディバイダ（４１０）が少なくとも部分的に前記第１の燃料油ディバイダ（４１２）を包囲している、第１の燃料ディバイダ（４０８）と、
   を備えることを特徴とする、ガスタービン用の二元燃料供給システム（４００）。
2. 第２の燃料油ディバイダ（４２０）および第２の燃料ガスディバイダ（４２２）を有する少なくとも１つの第２の燃料ディバイダ（４１４）をさらに備え、前記第１の燃料ディバイダ（４０８）の１つの出口は、前記第２の燃料ディバイダ（４１４）の入口に接続されている、請求項１記載の二元燃料供給システム。
3. 前記第１の燃料ディバイダ（４０８）は第１の平面に配置されており、前記第２の燃料ディバイダ（４１４）は第２の平面に配置されており、前記第１の平面は前記第２の平面とは異なる、請求項２記載の二元燃料供給システム。
4. ２つの第２の燃料ディバイダ（４１４）を備え、前記２つの第２の燃料ディバイダ（４１４）のそれぞれは、前記第１の燃料ディバイダ（４０８）の異なる出口に接続されている、請求項２または３記載の二元燃料供給システム。
5. 前記第１の燃料油ディバイダ（４１２）および前記第１の燃料ガスディバイダ（４１０）は、１つの入口と２つの出口とを有する、請求項１から４までのいずれか１項記載の二元燃料供給システム。
6. 前記主燃料ガス導管（４０４）は、延長手段（４２４）を含む、請求項１から５までのいずれか１項記載の二元燃料供給システム。
7. 前記延長手段は、ベロー（４２４）を含む、請求項６記載の二元燃料供給システム。
8. 前記第１の燃料油ディバイダ（４１２）は、少なくとも１つの延長手段（４２６）を含む、請求項１から７までのいずれか１項記載の二元燃料供給システム。
9. 前記主燃料油導管（４０６）と前記第１の燃料油ディバイダ（４１２）との間の接続部は、水平滑りガイド（５０４）を含むか、および／または前記第１の燃料油ディバイダ（４１２）と前記第２の燃料油ディバイダ（４１４）との間の接続部は、鉛直滑りガイド（５０２）を含む、請求項１から８までのいずれか１項記載の二元燃料供給システム。
10. 噴射ヘッド（６０２）をさらに備え、該噴射ヘッド（６０２）は、燃料油（１１２）および／または燃料ガス（１１４）を噴射するように適応された少なくとも１つの噴射ノズル（６０４）を含み、前記噴射ヘッド（６０２）は、前記第２の燃料ディバイダ（４１４）に接続されている、請求項２から９までのいずれか１項記載の二元燃料供給システム。
11. 前記噴射ヘッド（６０２）は、複数の噴射セクション（６０６）を含み、全ての噴射セクション（６０６）が、前記第２の燃料ディバイダ（４１４）の１つの出口に接続されている、請求項１０記載の二元燃料供給システム。
12. 前記主燃料ライン（４０２）の入口に接続され、前記燃料ガス（１１４）および前記燃料油（１１２）を前記主燃料ライン（４０２）に供給するように適応された燃料マニホールド（５０６）をさらに備える、請求項１から１１までのいずれか１項記載の二元燃料供給システム。
13. 請求項１から１２までのいずれか１項記載の二元燃料供給システム（４００）を備えるガスタービン（１００）。
14. カン型燃焼器（９０２）と、冷却空気ハウジング（９０４）と、バーナ（８００）とをさらに備え、前記主燃料ライン（４０２）の入口は、前記カン型燃焼器（９０２）の外側に配置されており、前記主燃料ライン（４０２）の出口と、前記第１の燃料ディバイダ（４０８）への入口とは、前記カン型燃焼器（９０２）と前記冷却空気ハウジング（９０４）との間に配置されている、請求項１３記載のガスタービン。
15. 請求項１４記載のガスタービンのバーナ（８００）に二元燃料（１１２，１１４）を供給する方法であって、
    燃料油（１１２）および／または燃料ガス（１１４）を前記主燃料ライン（４０２）に供給するステップと、
    前記燃料油（１１２）および／または前記燃料ガス（１１４）を前記第１の燃料ディバイダ（４０８）において分割するステップと、
    前記燃料油（１１２）および／または前記燃料ガス（１１４）を前記バーナ（８００）に案内するステップと、
    を含むことを特徴とする方法。