JP4103965B2 - 低カロリ燃料を用いてガスターボ群を運転する方法 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、低カロリ燃料、つまり低い発熱量の燃料を用いてガスターボ群を運転する方法であって、この場合ガスターボ群を、主として圧縮機と燃焼器とタービンと発電機とから形成し、低カロリ燃料を燃料圧縮機によって圧縮する形式のものに関する。
背景技術
このような形式の方法は公知である。慣用の中カロリ燃料又は高カロリ燃料、例えば４０ＭＪ／ｋｇ又はそれ以上の発熱量を有する天然ガス又はオイルを用いて運転されるガスタービンとは異なり、１０ＭＪ／ｋｇ未満のオーダの発熱量を有する低カロリ燃料を使用するガスタービンにおいては、燃焼を安定化することが問題である。特に３ＭＪ／ｋｇ（≒７００ｋｃａｌ／ｍ_ｎ ^３）未満の発熱量の場合には、火炎が不安定になる。
米国特許第５４５１１６０号明細書には、種々様々の異なる発熱量を有するガスを燃焼させるためのバーナが記載されている。この公知のバーナは、パイロットバーナとして働く内側の部分と、パイロットバーナを同心的に取り囲んでいる外側の主バーナとから成っている。
発明の開示
本発明の課題は、冒頭で述べた形式の、低い発熱量の燃料、つまり低カロリ燃料を用いてガスターボ群を運転する方法を改良して、低い発熱量しか有しない燃料の燃焼を安定化させることである。
本発明によれば、この課題は請求項１の特徴部に記載の方法により解決される。即ち本発明の特徴は、ガスターボ群の始動時に、燃焼空気の一部に低カロリ燃料を理論混合比よりも過濃に混加して、安定した火炎を形成し、遅くとも定格回転数及び同期化が達成された時点には低カロリ燃料の量を、混合比が理論混合比よりもかろうじて過濃となる程度にまで減少させ、残りの燃焼空気流に、所望の負荷を達成する目的で残りの低カロリ燃料を混加することである。
本発明の利点は特に、ガスターボ群を実質的に低カロリ燃料だけを用いて運転することができるという点に認められる。これにより、極めて低い発熱量しか有しない低カロリ燃料を用いて運転されるガスタービンの経済性が高められる。
【図面の簡単な説明】
図面には、本発明の実施例が概略的に図示されている。
第１図は、ガスターボ群の概略図である；
第２図は、ガスターボ群のバーナの部分横断面図である；
第３図は、ガスターボ群の運転方法を概略的に示す線図である；
第４図は、ガスターボ群の、バーナを備えた燃焼器を示した図である；
第５図は、第４図に示したバーナの部分横断面図である；
第６図は、第４図に示したバーナの部分展開図である；
第７図は、燃焼室からのバーナ出口の平面図である。
図面には本発明を理解する上で重要となる構成要素しか図示されていない。
発明を実施するための形態
第１図には、主として圧縮機４０とガスタービン４１と発電器４６と燃焼器４３とから成るガスターボ群が概略的に示されている。圧縮機４０とガスタービン４１と発電機４６とは、１つの軸４２を介して互いに結合されている。圧縮機４０と発電機４６との間には、低カロリの気体燃料を圧縮するための燃料圧縮機４８が付加的に配置されている。当然ながら、燃料圧縮を別の任意の形式で行うことも可能である。圧縮機４０では、空気が空気供給部４４を介して吸い込まれて圧縮され、圧縮された空気は燃焼器４３に導入される。燃焼器４３で燃焼空気には、付加燃料４５（パイロットガス又は液体燃料）の形か、又は圧縮された低カロリ燃料１１の形の燃料が供給され、燃料・空気混合物が燃焼される。発生した煙道ガスはガスタービン４１に導入される。煙道ガスはガスタービン４１において膨張され、煙道ガスのエネルギの一部が回転エネルギに変換される。この回転エネルギは、軸４２を介して発電機４６と圧縮機４０とを駆動するために使用される。未だ高温の排ガスは、排ガス管路４７を介して導出される。
第２図から判るように、燃焼器４３のバーナ１は、主として中央の燃料ランス２と、内側の管３と、外側の管４とから成っており、これら３つの構成部分は対称軸線８に対して同心的に配置されている。燃料ランス２の下流側の端部には、液体燃料を供給するための燃料ノズル（図示せず）が配置されている。この場合、液体燃料は燃料ランスを介して燃料ノズルへ導かれる。燃料ランス２と内側の管３とによって環状通路５が形成され、この環状通路５を介して低カロリガスが、パイロットガス１０として燃焼器４３に導入される。この場合、前記低カロリガスには、発熱量に応じて高カロリガスを混加することができる。
内側の管３と外側の管４とにより、別の環状通路が形成される。この環状通路は、分離壁２０を介して内側の部分通路２１と外側の部分通路２２とに分割される。分離壁２０の半径方向の位置によって、両部分通路２１，２２の部分横断面の占める割合を調節することができる。これにより、低カロリ燃料を同じく適宜に分割することができる。分離壁２０によって、燃焼空気もやはり２つの部分空気流９ａ，９ｂに分割される。内側の部分通路２１には低カロリ燃料の部分燃料流１１ａが貫流し、外側の部分通路２２には低カロリ燃料の部分燃料流１１ｂが貫流する。その場合、両部分燃料流１１ａ，１１ｂは、種々異なる弁（図示せず）により制御される。環状通路５の下流側の端部には、複数のスワール発生体７が配置されており、これらのスワール発生体７は、燃料、つまりパイロットガス１０及び低カロリガス１１と、燃焼空気９ａ，９ｂとの十分な混合を助成する。
第３図には、縦座標に燃料量Ｍ（％）が描かれている。横座標には、点Ａから点Ｂまでは回転数が、また点Ｂから点Ｃまでは負荷がそれぞれ描かれている。点Ａにおいて回転数はゼロに等しく、回転数は点Ｂにまで上昇し、点Ｂでは例えば６０Ｈｚに関して３６００ｒ．ｐ．ｍの定格回転数が達成される。
ガスターボ群の確実な始動を保証するためには、過渡的な始動プロセスが、内側の部分通路２１を通じて供給される低カロリ燃料の部分燃料流１１ａによって運転される。始動のために必要とされる低カロリガスを、部分通路２１の、より小さな横断面に基づく、より小さな空気量と共に、即ち部分空気流９ａと共に供給することにより、より濃厚な混合物が生ぜしめられ、延いては安定した燃焼が行われる。
この場合にも、部分通路２１の比較的小さな横断面に基づき、燃料質量流量を制御するためには比較的小さな弁（図示せず）を使用するだけで済むので、これによりこの場合にも極めて迅速な制御を行うことができる。このことは迅速な温度補正を可能にする。このような温度補正に基づき、点Ｄの範囲においてこぶ状の線経過が生ぜしめられる。ガスターボ群が増速運転されると、圧縮機４０とガスタービン４１とから成るシステムは、定格回転数Ｂの上側１／３の回転数において、燃焼器４３に供給された熱量を出力に変換し始める。これにより、発電機４６の駆動出力を低下させ、延いては燃焼器４３における温度をも低下させることができる。その結果、点Ｄにおいて低カロリ燃料１１ａの量が減少される。そして、定格回転数Ｂにおいては、圧縮機４０とガスタービン４１とから成るシステムが熱平衡状態となる。
点Ｂで定格回転数に達した後に、ガスターボ群と、発電機４６において形成された電気エネルギが供給されるべき電源網との同期化が行われる。
外側の部分通路２２を介して行われる、低カロリ燃料の第２の部分燃料流１１ｂの接続は、同期化の前又は後に行われる。この場合、第１の部分燃料流１１ａの燃料量を、安定した火炎が維持される程度に減少させることができる。これにより、選択された負荷点のために必要とされる燃料と第１の部分燃料流１１ａの燃料量との間の差は最大となる。従って、第２の部分燃料流１１ｂには、やはりできるだけ大きな燃料量が提供されており、このことはバーナの外側の部分通路２２が接続された状態にあっても安定した運転をもたらす。
点Ｂのゼロ負荷と点Ｃの最大負荷との間では、低カロリ燃料１１ａ，１１ｂの総量が、負荷に対してほぼ線状に調節される。
燃焼器４３で低カロリ燃料１１ａ，１１ｂによって生ぜしめられた火炎を一層安定させるためには、火炎の中央部に付加的に燃料１２を供給することができる。このことは、液体燃料を用いて燃料ランス２を介して行われるか、又はパイロットガス１０を用いてバーナ１の環状通路５を介して行われる。燃料１２の量は少量であり、通常では供給された燃料量の５％未満である。
第４図、第５図、第６図及び第７図に示した実施例では、バーナ１が燃焼器４３内に配置されている。燃焼空気９はドーム２４に導入されて、ドーム２４から流れ方向で延びている空気通路２５を介してバーナ１の下流側の端部に案内される。第２図に示した実施例とは異なり、この実施例では空気通路は外側領域と内側領域とに分割されていない。しかし、バーナ１はこの実施例でも分離壁２８によって、半径方向で拡張している空気通路２５と燃料通路２１′，２２′とに、流れ方向で交互に分割されている。この場合燃料通路はやはり、分離壁２０によって環状に分割されている。低カロリガス１１ａ，１１ｂは、バーナ１を取り囲む環状通路２６，２７を介してバーナを巡って案内され、内側の燃料通路２１′と外側の燃料通路２２′とに開口２９，３０を介してそれぞれ供給される。この場合、バーナの始動時及び運転時における低カロリ燃料の供給は、上で述べたように行われる。この実施例では燃焼空気が環状に分割されていないが、しかし内側の部分通路２１′を通じて供給された低カロリガス１１ａは、第２図に示した実施例の場合と同様に、主としてバーナの中央部の燃焼空気としか混合されない。低カロリガス１１ａが燃焼空気９の一部としか混合されないことにより、バーナの、少なくとも中央部には比較的濃厚な混合物が生ぜしめられ、延いては安定した燃焼が行われる。従って、燃焼室の内部には、外側の燃料通路２２′を介して燃料１１ｂが供給されない場合に燃焼空気９で包み込まれる火炎が生じる。
第４図に示したバーナには、スワール発生体７が配置されていない。燃焼空気９と燃料１１ａ，１１ｂとの混合は、バーナ１の下流側の端部における、分離壁２８の湾曲部によって行われる。これにより、バーナからの流出時にはスワールが生ぜしめられ、このスワールにより燃料と燃焼空気とが十分に混合される。
当然ながら本発明は、図示の実施例に限定されるものではない。また、複数の分離壁を組み込み、これにより部分通路をさらに分割することもできる。これにより、その都度の事情に正確に適合させることができる。

Claims (4)

1. 低カロリ燃料を用いてガスターボ群を運転する方法であって、ガスターボ群を主として圧縮機（４０）と燃焼器（４３）とタービン（４１）と発電機（４６）とから形成し、低カロリ燃料を燃料圧縮機（４８）によって圧縮する形式のものにおいて、
   ガスターボ群の始動時に、燃焼空気（９，９ａ）の一部に低カロリ燃料（１１ａ）を理論混合比よりも過濃に混加して、安定した火炎を形成し、遅くとも定格回転数（Ｂ）及び同期化が達成された時点には低カロリ燃料（１１ａ）の量を、混合比が理論混合比よりもかろうじて過濃となる程度にまで減少させ、残りの燃焼空気流（９，９ｂ）に、所望の負荷を達成する目的で残りの低カロリ燃料（１１ｂ）を混加することを特徴とする、低カロリ燃料を用いてガスターボ群を運転する方法。
2. 燃焼空気（９，９ａ）の中央部に燃料（１２）を供給する、請求項１記載の方法。
3. 燃焼空気を燃焼器への流入前に、少なくとも２つの部分空気流（９ａ，９ｂ）に分割する、請求項１記載の方法。
4. 第１の部分空気流（９ａ）を、第２の部分空気流（９ｂ）によって取り囲む、請求項１記載の方法。

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