JP4143401B2 - 予混合バーナーの燃料供給方法と装置 - Google Patents

Description

【０００１】
技術分野
本発明は、軸方向に延びる予混合バーナー室を少なくとも部分的に画成する少なくとも１個のバーナーシェルと、バーナーシェルを経て予混合バーナー室に向けられた予混合ガス供給部とを備え、予混合ガスが燃焼空気と混合され、予混合バーナーの外側下流で点火させられる、ガスタービンを運転するための予混合バーナーの燃料供給方法と装置に関する。
【０００２】
技術水準
ガスタービン装置を運転するための上記種類の予混合バーナーは周知であり、異なる予混合バーナー構造を有する。例えば欧州特許第０３２１８０９号明細書には、複数のバーナーシェルからなる円錐状予混合バーナー、いわゆる二重円錐バーナーが記載されている。このバーナーシェルは、燃焼空気用の接線方向の空気流入スリットがバーナー軸線に沿って形成されるように組み合わせられている。これによって形成されたバーナーシェルの流入エッジには、予混合ガス用の流出開口が設けられている。この流出開口はバーナー軸線の方に分配配置されている。バーナーシェルの流入エッジに沿って流出開口から予混合ガスを噴霧すると、バーナーシェルの構造に基づいておよび燃焼流入空気に関連して、予混合ガスと燃焼流入空気がスワール状に混合される。
【０００３】
他の予混合バーナー構造がＷＯ９３／１７２７９に示してある。この予混合バーナー構造の場合、予混合バーナーは付加的な円錐状内側部材を備えている。この場合にも、予混合ガスは、軸方向に延びる空気流入スリットに沿って配置された流出口を経て、予混合バーナーの内部に供給される。この予混合バーナーの内部で予混合ガスは燃焼流入空気と混合され、燃焼室内の下流で点火させられる。
【０００４】
流出口の配置、大きさ、数および相互の間隔を適当に選択することによって、燃焼の質を最適化することができる。上記のパラメータを適当に選択することによって、特にエミッション値、燃焼室内で形成される火炎が消える状態、火炎逆流状態および火炎安定性に大きな影響を及ぼすことができる。
【０００５】
しかし、一定のバーナー構造の場合に理想的な燃焼状態と共にバーナー状態の最適化を達成するための手段を講じることが所望されるときに、前述の最適化方法は限界に早く達する。例えば、バーナーシェルの所定の範囲に沿って流出開口を構造的に定めて配置することによって、異なる負荷条件と周囲条件で燃焼状態をほとんど変わらない最適レベルに保持することはほとんど不可能である。所定の種類の機械の使用、例えばリングバーナー室での使用のために最適に設計されている予混合バーナー内における、予混合ガス供給のための排出開口の最適な配置は、他の種類の機械の使用、例えばサイロ形燃焼室における使用のために好ましくないかあるいは不可能であることが判った。
【０００６】
更に、バーナーの使用の過程で進行するバーナーシステムの変化が発生する。この変化は疲労現象によって引き起こされ、漏れ空気流を増大させることになる。それ自体劣化現象を生じないかまたは劣化現象が無視できるほどである予混合ガス通過口の一定の配置によって、劣化による変化は補償することができない。従って、燃焼プロセスの圧下は、バーナーの運転時間が長くなるにつれて避けることができない。
【０００７】
既存の予混合ガス供給システムは一般的に、ガスタービンの中間負荷および高負荷にとって、エミッション値が小さくなるようにおよび燃焼信号の発生を減衰するように最適化される。燃焼プロセスをスタートさせるためおよびガスタービンの中間負荷範囲を達成するために、通常はパイロット段が使用される。一般的に、パイロットガスは予混合バーナー軸線に関して中央でバーナーランスから予混合バーナーの内部に供給される。パイロットガスは燃焼空気と混合され、点火させられる。所定の負荷範囲に達した後で初めて、パイロットガス供給が停止され、予混合ガス供給が行われる。このような切換えは同様に、ガスタービンの出力下降運転でも同様に行われる。この場合、予混合ガス供給が停止され、パイロットガス供給が行われる。しかし、切換えプロセスの際に、バーナーシステム内で大きな燃焼振動が発生する。この燃焼振動は大きな圧力変動を生じ、この圧力変動はガスタービンの負荷状態に直接的に妨害作用を及ぼす。その結果、ガスタービンは大きな負荷変動を受ける。
【０００８】
供給システムがガスタービンの出力上昇運転と下降運転で停止すると、供給管路内への逆火を阻止し、供給管路の損傷を回避するために、停止したガス供給管路を不活性ガスで洗浄する必要がある。ガス供給管の洗浄のために必要な不活性ガスの量はかなりの量であり、特にこのようなバーナーシステムの運転コストを増大させることになる。
【０００９】
現在知られている予混合バーナーはほとんどが、異なる種類の燃料、例えば液体燃料またはガス状燃料で予混合バーナーを運転することができない。これは特に、前述のようにガスタービンの出力上昇のためおよび低負荷運転のために必要であるパイロットガスを供給するための、一般的にバーナー軸線の中央に配置されたバーナーランスが、中央の液体燃料ノズルの空間的にすぐ近くに配置されているからである。両燃料出口の間の不所望な点火相互作用を防止することはできない。
独国特許出願公開第４４４６９４５号明細書と欧州特許出願公開第０５９２７１７号明細書の両文献は、ガスで運転される予混合バーナーを開示している。この場合、燃焼空気は少なくともほぼ接線方向からバーナーの予混合室に供給される。燃料は予混合室の縦方向に分割された多数のノズルを経て供給され、燃焼空気と混合される。その際、ノズルは異なる燃料を供給する少なくとも２つのグループに分割されている。
【００１０】
発明の開示
本発明の課題は、技術水準の前述の欠点が回避されるように、請求項１または請求項８の前提部分に記載した予混合バーナーの燃料供給方法と装置を形成することである。特に、ガスタービンの負荷範囲の全体において予混合バーナーの状態の最適な適合が可能である、予混合バーナーの手段を講じることが重要である。これは特に大きな技術的および構造的コストを必要とせずに達成すべきであり、少ないコストで実現可能であるべきである。
【００１１】
発明の根底をなす課題の解決策は請求項１または８に記載されている。本発明の思想の有利な他の特徴は、従属請求項と特に図を参照した次の記載から明らかである。
【００１２】
本発明の根底をなす思想は、バーナーシェルが軸方向に並べて配置された少なくとも２つの範囲に分割され、この範囲にそれぞれ、互いに別々に案内される予混合ガス供給管路を経て予混合ガスが供給されることにより、バーナーシェルの側面に沿って予混合ガスを軸方向から段階的に供給することにある。バーナーシェルに沿った互いに別個の範囲は予混合バーナーの流通方向に軸方向に並べて配置されている。この場合、本発明に従い、ガスタービンの始動時に予混合ガス供給量の６０％以上が上流の第１の範囲から供給され、全負荷までのガスタービンの負荷のそれ以上の増大のために、予混合ガス供給量が、第１の範囲の下流側に隣接する範囲に段階的にまたは連続的に分配し直される。
【００１３】
予混合バーナーのバーナーシェルに沿った予混合ガスの供給と、個々の範囲への予混合ガスの特に段階的な供給とを軸方向に分割することにより、ガスタービンの始動や低負荷運転の場合でも、パイロットガスの供給を完全に省略することができる。
【００１４】
パイロットガス段を省略することにより、特にパイロットガスから予混合ガス供給への切り換えに伴う燃焼室振動の除去によって生じる一連の利点が得られる。予混合バーナーの本発明による構造によって、始動から全負荷まで、パイロットガス段なしに、ガスタービンを運転することができる。予混合ガスを予混合バーナーの内部に供給する個々の範囲の連続的または段階的な運転回避は、個々の供給管路内に設けられた制御ユニットまたは調整ユニットによって行われる。この制御ユニットまたは調整ユニットは最も簡単な場合には、制御可能な絞り弁として形成されている。
【００１５】
パイロットガス供給を省略することにより、バーナー開口部に挿入された中央の噴射ノズルによって、液体燃料を噴霧することがきる。この噴射ノズル自体はホース状に形成された燃焼空気流によって適切に取り囲まれている。
【００１６】
異なる範囲に分割された予混合バーナーのバーナーシェルのための予混合ガスの適切な流入制御の本発明に従って形成された実施の形態を、図を参照して次に説明する。本発明による方法と、次に詳細に説明する装置の重要な点は、バーナーシェルに沿って軸方向に並べて配置された個々の範囲への予混合ガスの別々の配量供給にある。このバーナーシェルを通って、予混合バーナーの内部に予混合ガスが噴射される。
【００１７】
発明の実施の形態、商業的な用途
次に、一般的な発明思想を制限することなしに、図を参照して本発明を実施の形態に基づいて例示的に説明する。
図１には、円錐状に形成された予混合バーナーの縦断面が概略的に示してある。予混合バーナーは円錐状に形成されたバーナーシェル１，２を備えている。このバーナーシェルに沿ってバーナー縦軸線Ａに対して軸方向に流出口３が設けられている。この流出口から予混合ガスが予混合バーナーの内部に供給可能である。バーナーシェル１，２は異なる別々の２つの範囲、すなわち、段Ｓ１と段Ｓ２に分割されている。この段には、異なる予混合供給管路４，５から予混合ガスが供給される。流入空気が図１に示していない空気流入スリットを通って、同様に接線方向から円錐形の方に予混合バーナーの内部に案内される。この流入空気は予混合ガス６と混合されて燃料空気混合物となる。
【００１８】
予混合バーナーの中央に液体燃料噴霧装置７を任意に設けることができる。この液体燃料噴霧装置は混合運転またはガス状燃料から液体燃料への切換えを可能にする。液体燃料の供給はそれ自体公知の噴霧ノズルによって行われる。この噴霧ノズルは予混合バーナー内で、円錐状に広がった噴霧を生じる。予混合流出口３に対する保護のため並びに形状安定化のために、広がった液体燃料噴霧は保護空気ジャケットによって取り囲まれる。
【００１９】
ガスタービンを始動させるため、すなわち予混合バーナーを点火させるために、技術水準では一般的であるような予配量を行わずに、実施の形態で示した２段形予混合バーナーユニットの場合には、予混合ガスがバーナーシェルの各々の範囲に供給される。このバーナーシェルの範囲は予混合バーナー内において上流に配置されている。実施の形態において、これは段Ｓ１の範囲である。この範囲は低負荷範囲において予混合バーナーを始動および運転するために、全体の予混合ガス供給量の６０％以上で運転される。
【００２０】
図２から、範囲Ｓ１と範囲Ｓ２の間の予混合ガス分配の百分率が明らかである。黒で示した領域は予混合バーナーの範囲１から流出する予混合ガスの割合に相当し、明るい領域は予混合バーナーの範囲Ｓ２からバーナーの内部に達する予混合ガスの割合である。前述のように、点火時（イグニッション）時に予混合ガス供給全体の一番多い割合（すなわち９０％以上）が範囲１から予混合バーナーの内部に流れる。低負荷範囲（アイドリングル運転）では、範囲２から流出する予混合ガスの割合はやや増大する。半分の負荷状態では、両範囲Ｓ１，Ｓ２にはほぼ同じ量の予混合ガスが供給される。全負荷運転では、範囲１よりも幾分多い予混合ガスが範囲Ｓ２から予混合バーナーの内部に供給される。図２に示した、範囲Ｓ１，Ｓ２への予混合ガス分配は、制御ユニットによって行われる。この制御ユニットは範囲Ｓ１，Ｓ２への予混合ガス分配比を段階的にまたは連続的に調節することができる。最も簡単な場合、これは、それぞれ個々の供給管路４，５に設けられた連結された絞り弁である。
【００２１】
予混合バーナーの分離された範囲に予混合ガスを制御して供給する他の方法は、図３の概略図から明らかである。図３の実施の形態は２つの範囲Ｓ１，Ｓ２を備えた円錐形の予混合バーナーである。この範囲から、予混合バーナーの内部に予混合ガスが別々に流入する。共通の供給管路８から予混合ガスが予混合バーナーに供給される。この供給管路には主制御弁９が設けられている。この主制御弁９を介して、予混合バーナーの範囲Ｓ１への予混合ガスの直接的な流入を制御することができる。主制御弁９と予混合バーナーの流出範囲Ｓ１の間の供給管路には、交点１０が設けられている。この交点で、予混合ガスの一部が供給管分岐部１１に排出される。この供給管分岐部１１には、ばね力で付勢されたリリーフ弁１２の形をした他の制御ユニットが設けられている。このリリーフ弁については図４を参照して更に詳しく説明する。バイパス管路１３の流れ横断面が充分に小さいかもしくはこのバイパス管路内に適当な絞り要素１４が設けられている。このバイパス管路により、制御弁１２が閉じているときに、少ない予混合ガス流が予混合バーナーの範囲Ｓ２に供給可能である。
【００２２】
図３に示した、予混合バーナーの両範囲Ｓ１，Ｓ２への予混合ガスの供給システムは、次のように作用する。主制御弁９を開放した後で、予混合バーナーの範囲Ｓ１に予混合ガスが供給される。範囲Ｓ１に予混合ガスを供給する供給管路内のガス圧力と、供給管路１１内のガス圧力は、ばねで付勢されたリリーフ弁をまだ開放することができない。予混合ガスの少ない割合だけがバイパス管路１３を経て予混合バーナーの範囲Ｓ２に達し、そこから予混合バーナーの内部に流出する。これはガスタービンの始動時または予混合バーナーの点火時の状態に一致する。始動相の後で、供給管路１１内の予混合ガス圧が上昇する。この予混合ガスの圧力はばねで付勢された絞り弁１２を連続的に開放することができる。それによって、主制御弁９とリリーフ弁１２を通過して範囲Ｓ２に流れる予混合ガスの割合が大きくなる。供給管路ガス圧力が更に上昇すると、リリーフ弁１２は完全に開放する。それによって、予混合ガスの大部分が予混合バーナーの範囲Ｓ２に達する。供給管路の採寸とリリーフ弁１３の要求状態の調節によって、エミッションや振動状態に関する予混合バーナーの状態を最適化することができる。例えばパイロットガス供給を必要とせずにかつ１個だけの制御弁、すなわちリリーフ弁１２を使用して、負荷範囲全体にわたってガスタービンを運転するための予混合バーナーを実現することができる。
【００２３】
このようなリリーフ弁は図４に有利な実施の形態が示してある。リリーフ弁１２は円錐状に形成されたピストン１５を備えている。このピストンはばね１６によって付勢されて相手方部材１７に気密に接触している。ピストン１５がガス圧によって（絞り弁の左側の矢印参照）圧力で付勢されると、ピストン１５に作用するガス圧はストッパー１８に抗してばね１６を圧縮することができる。この場合、ピストン１５と相手方部材１７の間の隙間が開放する。それによって、ガスはリリーフ弁を通って右側に通過することができる。ばね要素１６のばね力の選択およびピストンの大きさの採寸に応じて、リリーフ弁１２を通る予混合ガスの流量をガス圧に依存して個別的に調節することができる。リリーフ弁１２と、予混合ガスを供給する供給管路１１，１４を適切に採寸することによって、燃焼プロセスをそれ自体公知のごとく最適化することができる。図３に示した実施の形態によって、図２のグラフに従って予混合ガスを予混合バーナーのバーナーシェルの段Ｓ１，Ｓ２に適切に分配することができる。
【００２４】
予混合バーナーの燃料供給のための本発明による方法と装置には、一連の利点が伴う。予混合バーナーへの段階的な予混合ガス供給によって、この予混合バーナーは１段式の予混合バーナーよりもきわめて広い運転限界内で使用可能である。
【００２５】
図３に示した実施の形態によって、予混合ガス供給管路は１本だけで済む。
リリーフ弁として形成された制御ユニットを使用することにより、予混合バーナーを運転するために、制御ユニットは１個で済む。
【００２６】
本発明による方法を、既存の予混合バーナーシステムに後で適用することは簡単に実施可能である。これは特に２個以上の別個の予混合ガス供給管路システムの使用が不要であるからである。
【００２７】
バイパス管路を経て予混合バーナーの第２の範囲に最小割合の予混合ガスを適切に供給することにより、この供給管路を天然ガスで洗浄する必要はない。試験の結果、本発明によるシステムは始動状態で脈動の発生がきわめて少ないことが判った。予混合ガスを予混合バーナーの異なる範囲に個別的に分配することによって、経時変化の発生時にも、最適化を行うことができる。
【００２８】
パイロットガス供給が不要であるので、パイロットガス供給と予混合ガス供給の切換え時の脈動の発生を回避することができる。
装置全体は構造的に簡単であり、低コストで製作可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 円錐状に形成された予混合バーナーの概略的な断面図である。
【図２】 図１に示した実施の形態の運転方法を示すグラフである。
【図３】 予混合バーナーに予混合ガスを供給するための供給管路の配管の概略的な回路図である。
【図４】 制御弁の実施の形態を示す図である。
【符号の説明】
１，２ バーナーシェル
３ 予混合ガス流出口
４，５ 供給管路
６ 予混合ガス
７ 液体燃料噴霧装置
８ 供給管路
９ 主制御ユニット
１０ 交点
１１ 分岐管路
１２ リリーフ弁
１３ バイパス管路
１４ 絞り要素
１５ ピストン
１６ ばね
１７ 相手方部材
１８ ストッパー
Ｓ１，Ｓ２ 段階的な予混合ガス流出のための範囲１２

Claims (10)

1. 予混合バーナーが、軸方向に延びる予混合室を少なくとも部分的に画成する少なくとも１個のバーナーシェル（１，２）と、バーナーシェル（１，２）を経て予混合室に向けられた予混合ガス供給部（３）とを備え、予混合ガス（６）が予混合室内で燃焼空気と混合され、予混合バーナーの外側下流で点火させられ、予混合ガス供給が軸方向において空間的に分離された少なくとも２つの範囲（Ｓ１，Ｓ２）を経てバーナーシェル（１，２）に沿って別々に行われ、この第１の範囲（Ｓ１）が上流に配置され、少なくとも１つの第２の範囲（Ｓ２）が下流に配置されている、ガスタービンを運転するための予混合バーナーの燃料供給方法において、ガスタービンを始動するために、全体の予混合ガス供給量の６０％以上が第１の範囲（Ｓ１）を経て供給されることと、ガスタービンの負荷を全負荷まで更に高めるために、第２の範囲（Ｓ２）への予混合ガス供給の分配し直しが段階的または連続的に行われることを特徴とする方法。
2. 第１の範囲（Ｓ１）と第２の範囲（Ｓ２）への予混合ガスの供給が互いに独立して行われることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 全負荷条件下で、予混合バーナーに供給される全体の予混合ガスの少なくとも５０％が、第２の範囲（Ｓ２）または下流に位置する範囲を経て供給されることを特徴とする請求項１または２記載の方法。
4. 予混合バーナーが円錐形に形成され、かつ少なくとも２つのバーナーシェル（１，２）を備え、このバーナーシェルがそれぞれ２つ空気流入スリットを画成するように相対的に配置され、燃焼空気がこの空気流入スリットを経て円錐状に広がる予混合室に流入し、バーナーシェル（１，２）の第１の範囲（Ｓ１）を経て予混合ガスの少なくとも一部が予混合室に供給され、第１の範囲が最も狭い円錐横断面の範囲に配置され、かつ横断面が広がる予混合バーナーの範囲に延びていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の方法。
5. 軸方向において互いに分離された予混合ガス供給のための範囲（Ｓ１，Ｓ２）に、別個の供給管から予混合ガスが供給されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の方法。
6. 個々の範囲（Ｓ１，Ｓ２）への予混合ガス供給が互いに別々に行われることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の方法。
7. 個々の範囲（Ｓ１，Ｓ２）への予混合ガス供給が１個の制御ユニット（１２）によって行われることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の方法。
8. 予混合バーナーが、軸方向に延びる予混合室を少なくとも部分的に画成する少なくとも１個のバーナーシェル（１，２）と、バーナーシェル（１，２）を経て予混合室に向けられた予混合ガス供給部（３）とを備え、空間的に分離された少なくとも２個の範囲（Ｓ１，Ｓ２）が、バーナーシェル（１，２）に沿って軸方向に設けられ、予混合ガス（６）がこの範囲を経て予混合室に供給可能であり、範囲が別個の予混合ガス供給管路（４，５）に接続され、第１の範囲（Ｓ１）がバーナーシェル（１，２）内に設けられ、第１の範囲が予混合バーナー内の上流に配置され、少なくとも１つの第２の範囲（Ｓ２）が設けられ、この範囲が第１の範囲（Ｓ１）に対して下流側で予混合バーナー内に配置され、調整ユニットまたは制御ユニット（１２）が設けられ、この調整ユニットまたは制御ユニットが予混合ガス供給管路（４，５）に接続されている、ガスタービンを運転するための予混合バーナーの燃料供給装置において、第１の範囲（Ｓ１）の予混合ガス供給管路（５）に絞り弁（９）が設けられ、絞り弁（９）と第１の範囲（Ｓ１）の間に交点（１０）が設けられ、この交点から、供給管路（１１）が第２の範囲（Ｓ２）まで案内されていることと、交点（１０）と第２の範囲（Ｓ２）の間に調整ユニットまたは制御ユニット（１２）が設けられていることを特徴とする装置。
9. 調整ユニットまたは制御ユニットがばね力で付勢されたリリーフ弁であることを特徴とする請求項８記載の装置。
10. 交点（１０）と第２の範囲（Ｓ２）の間にバイパス管路（１３）が設けられ、第１の範囲（Ｓ１）に予混合ガス（６）が供給されるときに、前記バイパス管路が第２の範囲（Ｓ２）への予混合ガス（６）の最少供給を行うことを特徴とする請求項８または９記載の装置。

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