JP4331406B2

JP4331406B2 - バーナの運転方法およびバーナ装置

Info

Publication number: JP4331406B2
Application number: JP2000569162A
Authority: JP
Inventors: ドイカー、エバーハルト; ブラウン、ギルベルト
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1998-09-10
Filing date: 1999-08-31
Publication date: 2009-09-16
Anticipated expiration: 2019-08-31
Also published as: DE59909192D1; WO2000014451A1; EP1112461B1; US20010023578A1; EP1112461A1; US6490867B2; JP2002524715A

Description

【０００１】
本発明は、燃料を燃料供給管を介して供給し、その燃料の供給量をバーナの予め選定された出力に関係して弁（操作部）の開度を介して調整するバーナの運転方法に関する。また本発明は、そのようなバーナ装置に関する。
【０００２】
１９６０年、スプリンガ社出版、ウィーン、Ｊ．クルシク氏著の書籍「Die Gasturbinen」、第２版、第３５４頁以降に、ガスタービンの燃焼器に対する種々の調整装置が記載されている。ガスタービンの採用領域に応じて、その調整装置は全く異なって形成される。しかしそれらの調整装置において、ガスタービンの予め選定された出力に応じて、バーナへの燃料の供給が調整される点では共通している。これは、回転数に依存して遠心力振り子によって、燃料供給管における弁を調整することによって行われる。上述の書籍の第３５６頁に掲載の図３５９に示された実施例において、バーナに供給される燃料の量は、ガスタービンの圧縮機によって発生される空気圧に関係して調整される。また第３５８頁の図３６１に示された実施例においては、燃焼すべき燃料の量は送り／戻りノズルで調整される。第３５６頁に説明されているように、航空機用タービンの燃料供給調整装置は、ここでは外気の大きな温度変化および圧力変化に従わねばならないので、特に要求が多い。
【０００３】
１９９０年、スプリンガ社出版、Ｗ．バルツ氏、Ｋ．Ｈ．クートナー氏共著の書籍「Dubbel、Taschenbuch fuer den Maschinenbau」、第１７版、Ｘ１５６．４章に、媒体の質量流量を調整するための弁が、媒体の密度および速度に関係して圧力降下をひき起こすことが記載されている。非圧縮性媒体について、ＶＤＩ／ＶＤＥ基準２１７３に従って、各装置に対して実験で決定されたｋ_V値（弁の特性量）が、５〜３０℃の温度および０．９８バールの圧力降下Δｐ_VOにおける水（密度ρ_O）の体積流を表している。任意の圧力降下Δｐ_Vおよび別の密度ρにより次式で示す体積流が生ずる。
【数１】
Ｖ_V＝ｋ_V×（Δｐ_Vρ_O／（Δｐ_VOρ））^1/2
【０００４】
ｋ_V値と操作量との関連性が弁特性である。ｋ_Vは弁全開状態における最大値ｋ_VSに関係している。その最大値ｋ_VSは次式で表される。
【数２】
ｋ_VS＝Ｖ_O×（Δｐ_VOρ／（ΔｐＶρ_O））^1/2
ここで最大流量Ｖ_Oは例えば弁の製造者によって与えられる。
【０００５】
本発明の課題は、予め選定された出力に関係した燃料の供給量でバーナを運転する方法を提供することにある。また本発明の課題はそのようなバーナ装置を提供することにある。
【０００６】
この方法に向けられた課題は、本発明に基づいて、燃料を燃料供給管を介して供給し、その燃料の供給量をバーナの選定された出力に関係して弁の開度を介して調整するバーナの運転方法において、弁の開度を、バーナの出力を基にして計算し、直接調整することによって解決される。
【０００７】
本発明は、予め選定された出力に関係する燃料供給量の通常実施される反復調整（制御）が、瞬間的に変動する運転周辺条件に対して緩慢である、という認識に基づいている。そのような反復調整の場合、予め選定された出力が生ずるように、開度がステップ的に調整される。他の調整装置において、要求される出力が例えば一般に非常に複雑な機械装置によって直接操作量に変換され、この操作量によって、開度が決定される。そのような装置の場合、一般に、予め選定された出力の開度への変換が、予調整され固定された機構だけで行われるので、変化した周辺条件への反応について、非常に狭い可変性しか生じない。
【０００８】
バーナとして、特にガスタービン用のバーナが問題となるが、本発明は、車両用の内燃機関に対しても適用される。バーナの燃料は、例えば石油、天然ガス、ディーゼル燃料、ベンジンあるいは灯油である。
【０００９】
従って本発明において、弁の開度はまずバーナの出力を基にして計算され、そして直接調整される。これによって、反復調整を実施する必要がないという利点が生ずる。従って、明らかに迅速な装置反応が生ずる。即ち、その装置は例えばポンプ切換のような外乱に非常に迅速に反応する。更に、弁の開度がその都度の運転条件に合わせて計算されるので、実際の運転条件を良好に且つ可変的に適えられるという利点が生ずる。例えば燃料の温度、密度あるいは種類の変化あるいは燃焼場所において変化する圧力は、燃料供給量の調整に対して簡単に関与できる。即ち、予め選定された出力を開度に直接機械的に変換する調整装置に比べて、変化した周辺条件について、かなり高い柔軟性が生ずる。
【００１０】
燃料の発熱量を求め、弁の開度の計算に参照すると有利である。また、燃料として少なくとも２つの物質から成る混合物を利用するのが好ましい。燃料の発熱量が燃焼による出力の発生量を決定するので、燃料の発熱量を必要な燃料量を得るために参照する。そのような発熱量の決定にとって、組成がもしかして時間的に変化しても燃料混合物を利用するのが特に有利である。好適には、燃料として油・水混合物を利用し、燃焼中に水を蒸発するためのエネルギ消費量を求め、弁の開度の計算に参照する。そのような油・水乳濁液あるいは分散物は、窒素酸化物の発生を減少するために利用される。水の混入によって、平均燃焼温度が低下する。水の蒸発によって、燃料のエネルギの一部が消費され、これによって、所望出力に貢献しない。
【００１１】
燃料の密度を求め、弁の開度の計算に参照するのが有利である。燃料の密度を介して、燃料供給管を通る燃料の質量流量が決定される。正に燃料混合物を利用することが、燃料の密度の決定にとって有利である。
【００１２】
燃料供給管における圧力損失を求め、弁の開度の計算に参照することが有利である。そのような圧力損失によって、燃料供給管を通る燃料の質量流量を求め、これによってその圧力損失を、開度を計算する際に参照するのがよい。
【００１３】
バーナを内圧のかかった燃焼器に開口させ、燃焼器の内圧を測定し、弁の開度の計算に参照するのが有利である。燃焼器の内圧は、燃焼器に流入する燃料の量に影響を及ぼす。特にガスタービンの場合、圧縮機から燃焼器に燃焼空気が供給されるので、燃焼器内に周囲圧力に比べてかなり高い圧力がかかっている。
【００１４】
弁に対して、かかっている圧力状態のもとでバーナの選定された出力をもたらす、弁を通る燃料質量流量を明らかにする流量比較値を求め、弁の開度を、流量比較値と開度との周知の関係によって決定すると有利である。そのような流量比較値は、上述の機械工学ハンドブックに記載のｋ_V値である。
【００１５】
バーナを、少なくとも二種類の燃料で選択的に運転すべく設計すると有利である。好適には、バーナを拡散バーナ並びに予混合バーナとして運転する。好適には、バーナをガスタービン、特に定置ガスタービンにおける運転に対して設計する。そのようなバーナは、例えば石油あるいは天然ガスで運転される。このバーナは好適には、拡散バーナとして作動する中央パイロットバーナを備える。即ちこれは、燃焼空気と燃料との予混合を行わない。中央パイロットバーナは、予混合バーナとして作動する主バーナによって包囲されている。即ち、主バーナの場合、燃焼空気と燃料がまず混合され、続いて燃焼部に供給される。拡散バーナは好適には、送り／戻りノズルを有し、燃料、特に石油が送り通路を通してノズルに流入し、部分的にノズル開口から流出する。残存燃料部分は戻り管を通して再び燃料タンクに戻される。その場合、燃料供給量および燃料帰還量は、それぞれ固有の弁で調整される。燃料供給量の調整は、この種装置にとって非常に複雑である。ここでは、各々の運転条件に関し、柔軟な開度調整が特に有利である。
【００１６】
バーナ装置に向けられた課題は、本発明に基づいて、燃料が燃料供給管を介して供給され、その燃料の供給量がバーナの選定された出力に関係して弁の開度を介して調整されるバーナ装置において、弁に制御装置が接続され、この制御装置において弁の開度が、バーナの出力、燃料の種類および燃料供給管における圧力損失に関係して決定され、この弁開度が形成されるように、それに応じた信号が弁に伝達されることによって解決される。
【００１７】
この本発明に基づくバーナ装置の利点は、上述のバーナの運転方法の利点についての説明に応じて生ずる。
【００１８】
以下図に示した実施例を参照して本発明を詳細に説明する。図１は、ガスタービン２に配置されているバーナ１を概略的に示す。
【００１９】
ガスタービン２は、直列接続された圧縮機４、燃焼器６およびタービン８を有する。バーナ１は中央拡散バーナ３とこの拡散バーナ３を環状に包囲する予混合バーナ５とを備える。拡散バーナ３は燃料の送り通路７と戻り管９を備える。拡散バーナ３はノズル開口１１で燃焼器６に開口している。圧縮機４から流れ経路１３を介して圧縮空気が予混合バーナ５に供給される。圧縮空気はまた拡散バーナ３にも供給される（図示せず）。予混合バーナ５に燃料供給管１５Ａが通じている。拡散バーナ３に燃料供給管１５Ｂが通じている。戻り管９には、燃料戻り管１７が続く。燃料供給管１５Ａに弁（操作部）１９Ａが、燃料供給管１５Ｂに弁１９Ｂが組み入れられている。それらの弁１９Ａ、１９Ｂのそれぞれの開度Ｏをピストン２０Ａ、２０Ｂで具体的に表している。燃料戻り管１７に弁２１が組み入れられている。この弁２１の開度Ｏもピストン２２で具体的に表す。弁１９Ａは配線２３Ａを、弁１９Ｂは配線２３Ｂをそして弁２１は配線２５を介して、それぞれ制御装置２７に接続されている。この制御装置２７にガスタービン２に対する所望の出力Ｌを与える配線２８も通じている。更にこの制御装置２７は、燃焼器６に配置された圧力センサ３１に配線２９を介して接続されている。燃料供給管１５Ａ、１５Ｂはポンプ３９に接続され。ポンプ３９の上流には混合器３７が接続されている。混合器３７は水タンク３５および油タンク３３に接続されている。油タンク３３に燃料戻り管１７が開口している。
【００２０】
ガスタービン２の運転中、油Ｂがポンプ３９を介して油タンク３３から混合器３７に搬送される。更に水Ｈが水タンク３５から混合器３７に供給される。油Ｂおよび水Ｈは燃料ＢＨの形に混合される。燃料ＢＨは燃料供給管１５Ａ、１５Ｂを介して予混合バーナ５および拡散バーナ３に供給される。そして燃料ＢＨは燃焼器６内で燃焼する。そこで発生した高温燃焼ガスでタービン８を駆動する。タービン８における所望の出力に応じて、多量あるいは少量の燃料ＢＨが供給される。また燃料ＢＨ内の含水量を変化させることがしばしば望まれる。その可変含水量に応じ、燃料ＢＨの発熱量並びに水Ｈを蒸発するためのエネルギ消費量が変化する。また燃料ＢＨの密度も変化する。この可変量は、燃焼中の発生出力に影響を及ぼすので、燃料ＢＨの供給量は、所望の出力Ｌを得るために相応して調整せねばならない。更に例えば瞬間的な圧力低下は、燃料供給量の非常に迅速な調整を要求する。図示したバーナ装置はこの要求を、所望の出力Ｌを制御装置２７に与え、そこで物理的周辺条件から弁１９Ａ、１９Ｂのそれぞれの開度Ｏを直接計算することにより適える。即ち、燃料供給量のゆるやかな反復追加調整は行わない。開度Ｏの計算に燃料ＢＨの種類および組成を参照するので、燃料ＢＨの組成変化の要求を適える。詳しくは、例えば次のように開度Ｏの計算を行う。
【００２１】
まず燃料ＢＨの発熱量ＨＷ_BHを、水Ｈの質量流量ｍ_Hと発熱量ＨＷ_Hならびに燃料油Ｂの質量流量ｍ_Bと発熱量ＨＷ_Bを基にして、次式で求める。
【数３】
ＨＷ_BH＝（ｍ_H×ＨＷ_H＋ｍ_B×ＨＷ_B）／（ｍ_H＋ｍ_B）
【００２２】
この場合、水Ｈに対する負の発熱量ＨＷ_Hを考慮して、水Ｈの蒸発に対するエネルギ消費量を計算に入れる。
【００２３】
第２段階において、燃料の密度Ｄ_BHを、油の密度Ｄ_Bおよび水の密度Ｄ_Hを基にして次式で求める。
【数４】
Ｄ_BH＝（（ｍ_H＋ｍ_B）×Ｄ_B×Ｄ_H ）／（ｍ_H×Ｄ_B＋ｍ_B×Ｄ_H）
【００２４】
更に、拡散バーナ３の圧力損失Δｐ_Dを、流入質量流量ｍ_VLと帰還質量流量ｍ_RLとに関係した、拡散バーナ３にとって特有の特性値Ｋから次式で求める。
【数５】
Δｐ_D＝Ｋ（ｍ_VL／ｍ_RL）×ｍ_VL ²×（１／Ｄ_BH）
【００２５】
燃料供給管１５a、１５ｂにおける配管圧力損失Δｐ_Rを、この配管特有のｋ_V値ｋ_VRを基にして次式で求める。
【数６】
Δｐ_R＝ｍ_VL ²×（１／Ｄ_BH）×（１／ｋ_VR ²）
【００２６】
燃焼器６内における内圧ｐＢによって、弁１９Ａ、１９Ｂの下流に設定すべき圧力ｐＳを決定する。
【数７】
ｐＳ＝ｐＢ＋Δｐ_D＋Δｐ_R
【００２７】
弁１９Ａ、１９Ｂのｋ_V値は、いまやポンプ３９の下流における圧力ｐＰで生ずる。
【数８】
ｋ_V＝ｍ_VL／（Ｄ_BH×（ｐＰ−ｐＳ））^1/2
【００２８】
最終的に、ｋ_V値と開度Ｏとの周知の関係から、所望の開度Ｏを決定する。信号ＳＡ、ＳＢに基づき、弁１９Ａ、１９Ｂにおけるその都度の開度Ｏを調整する。戻り管１７内の弁２１に対する信号ＳＣは、信号ＳＡ、ＳＢの計算と全く同じ意味に従って行う。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づくバーナ装置の概略配管系統図。
【符号の説明】
１バーナ
２ガスタービン
３拡散バーナ
５予混合バーナ
６燃焼器
１５燃料供給管
１９弁（操作部）
Ｏ弁の開度
Ｌバーナの出力

Claims

燃料（ＢＨ）を燃料供給管（１５）を介して供給し、その燃料（ＢＨ）の供給量をバーナ（１）の選定された出力（Ｌ）に関係して弁（１９）の開度（Ｏ）を介して調整するバーナの運転方法において、
燃料（ＢＨ）の発熱量を求め、
弁（１９）の開度（Ｏ）を、バーナ（１）の選定された出力（Ｌ）および燃料（ＢＨ）の発熱量に基づき計算し、直接調整し、そしてこの際
燃料（ＢＨ）として油・水混合物を利用し、燃焼中に水（Ｗ）を蒸発するためのエネルギ消費量を求め、弁（１９）の開度（Ｏ）の計算に参照することを特徴とするバーナの運転方法。
燃料（ＢＨ）として少なくとも２つの物質（Ｂ、Ｈ）から成る混合物を利用することを特徴とする請求項１記載の方法。
燃料（ＢＨ）の密度を求め、弁（１９）の開度（Ｏ）の計算に参照することを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
燃料供給管（１５）における圧力損失（Δｐ）を求め、弁（１９）の開度（Ｏ）の計算に参照することを特徴とする請求項１ないし３の１つに記載の方法。
バーナ（１）を内圧（ｐＢ）がかかっている燃焼器（６）に開口させ、その燃焼器（６）の内圧（ｐＢ）を測定し、弁（１９）の開度（Ｏ）の計算に参照することを特徴とする請求項１ないし４の１つに記載の方法。
弁（１９）に対し、かかっている圧力状態のもとでバーナ（１）の選定された出力（Ｌ）をもたらす弁（１９）を通る燃料質量流量を明らかにする流量比較値（ｋ _V ）を求め、この流量比較値（ｋ _V ）を弁（１９）の開度（Ｏ）の計算に参照することを特徴とする請求項１ないし５の１つに記載の方法。
バーナ（１）を、少なくとも二種類の燃料（ＢＨ、Ｇ）で選択的に運転すべく設計することを特徴とする請求項１ないし６の１つに記載の方法。
バーナ（１）を拡散バーナ（３）並びに予混合バーナ（５）として運転することを特徴とする請求項６記載の方法。
バーナ（１）をガスタービン（２）、特に定置ガスタービン（２）における運転に対して設計することを特徴とする請求項１ないし８の１つに記載の方法。
燃料（ＢＨ）が燃料供給管（１５）を介して供給され、その燃料（ＢＨ）の供給量がバーナ（１）の選定された出力（Ｌ）に関係して弁（１９）の開度（Ｏ）を介して調整されるバーナ装置において、
弁（１９）に制御装置（２７）が接続され、この制御装置（２７）において、弁（１９）の開度（Ｏ）の計算が、選定された出力（Ｌ）と燃料（ＢＨ）の発熱量に関係して実行され、
弁（１９）の開度（Ｏ）を調整するための信号（Ｓ）が制御装置（２７）から弁（１９）に伝達され、この結果弁（１９）の開度（Ｏ）が選定された出力および燃料（ＢＨ）の発熱量に基づき直接調整され、
燃料（ＢＨ）として油・水混合物が利用され、燃焼中に水（Ｗ）を蒸発するためのエネルギ消費量が求められ、弁（１９）の開度（Ｏ）の計算に参照されることを特徴とするバーナ装置。