JP4430074B2 - バーナおよびガスタービンの運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料が半径方向に分布して導入される環状予混合通路を備えたバーナに関する。また本発明は、環状予混合通路を備えたバーナを有するガスタービンの運転方法に関する。

バーナでは、燃焼空気と燃料を共に供給し、混合し、点火し、火炎として燃焼させる。その際、一酸化炭素や窒素酸化物等の有害物質の放出量を少なくすることが重要である。低窒素酸化物燃焼方式は、特に燃料と燃焼空気を燃焼域に導入する前に、それらをまずできるだけ均質に混合する所謂予混合燃焼方式である。この種予混合バーナは、国際公開第０２／０９５２９３パンフレットに開示されている。該バーナは、中央拡散バーナを取り囲む環状予混合通路を持ち、該通路内に、燃焼域よりかなり上流に、予混合通路の横断面全体にわたって延びる旋回翼列内に旋回羽根を配置している。この旋回翼列は火炎の安定化に寄与する。開示された旋回翼列の旋回羽根は中空に形成され、この羽根の表面の複数の孔は、旋回羽根の半径方向にわたり分布している。予め中空旋回羽根内に導入された燃料はそれらの孔から予混合通路に流入する。この結果、予混合通路を経て流れる燃焼空気内に、予混合通路の半径方向高さにわたって一様に燃料が注入される。同時に、全旋回羽根からの燃料の注入により、予混合通路の円周方向における燃料の一様な分布が生ずる。これは燃焼域に流入する燃焼空気・燃料混合気の均質性を向上する。この均質性は窒素酸化物の放出量の低下にとって望ましい。それは窒素酸化物発生が火炎温度に応じ指数関数的に増大するからである。均質な混合の場合、エネルギ放出が混合気内に一様に分布するので、局所的なピーク温度を回避できる。この結果窒素酸化物の発生量が減少する。また予混合燃焼中、燃焼空気の比較的少量の燃料しか燃焼しない。もっとも、この所謂希薄混合燃焼は燃焼を不安定にする。即ち、火炎が放出エネルギを変動させ、それどころか消えてしまう。予混合燃焼を安定させるべく、燃料と燃焼空気を火炎で混合させる中央拡散バーナが用いられる。予混合火炎の火炎安定性を一層向上すべく、環状予混合通路の半径方向外側縁から、幾つかの局所的個所で燃焼空気の流れを遅延する流れ阻止要素を設けることが提案されている。これはその領域で燃焼空気・燃料混合気中の燃料の濃縮を生じ、もって予混合燃焼を安定化する燃焼域における局所的な高温ビームを生じさせる。もっともこの静的構想は運転上変化する条件に触れていない。

本発明の課題は、燃焼安定性について運転条件に応じて調整される環状予混合通路付きのバーナを提供することにある。本発明のもう１つの課題は、バーナをガスタービンの運転状態に応じてできるだけ高い火炎安定性およびできるだけ低い有害物質放出を生ずるように調整するガスタービンの運転方法を提供することにある。

バーナに関する課題は、本発明に基づき、燃料が半径方向に分布して導入される環状予混合通路を備えた軸線の方向に延びるバーナにおいて、バーナの運転中、燃料の半径方向分布を調整することにより解決される。

燃料の半径方向分布は、バーナの軸線に対し垂直な線に沿った燃料の分布である。本発明は種々の運転条件に反応できるよう、燃料の半径方向分布を調整可能にすることを初めて提案する。従来は、幾何学形状と、燃料と燃焼空気の注入位置とにより、静的な燃焼分布を実現できたのみである。従って本発明は、バーナの種々の運転条件において有害物質放出および燃焼安定が、燃料の半径方向分布を変化させることで制御可能という認識から出発する。例えば全負荷運転時、窒素酸化物発生量を少なくすべく、燃料ができるだけ均質に燃焼空気に分配するよう一般に努めている。これは、注入時に環状予混合通路で半径方向内側より半径方向外側で高濃度の燃料の半径方向分布を必要とし、即ち半径方向外側に半径方向内側より大きな空気体積流量を供給することを必要とする。即ち予混合通路横断面にわたる一様な燃料濃度を得るべく、燃料注入は半径方向外側において半径方向内側より多くせねばならない。これに対し部分負荷時、比較的低温の領域で燃料・空気混合気での燃料の局所的濃縮が一酸化炭素放出を減少する。従って、部分負荷時、燃料注入において、半径方向内側において半径方向外側より多量の燃料が入れられる燃料の半径方向分布が有利である。更に半径方向燃焼プロフィルが燃焼振動に影響を与える。燃焼振動は火炎不安定時に生じ、これはバーナが開口する燃焼器に圧力変動を生じる。この圧力変動の燃焼器壁による火炎域又は燃料と燃焼空気の混合域への反射に伴い、位相が合った重畳時に、火炎不安定と圧力変動の正帰還が生ずる。このため、安定した燃焼振動が生ずる。これは、燃焼系に大きな騒音と振動、従って損傷を生じさせる。燃料注入分布プロフィルの変化は前記の正帰還を中断し、もって燃焼振動を抑制する。

バーナに、半径方向に分布して配置した複数の注入孔で、各円周位置で燃料を半径方向に分布して注入すべく、予混合通路の円周にわたり分布して注入装置を配置するとよい。その際、注入装置の第１部分で注入孔の開口断面積を軸線の方向に向かう程に大きくし、注入装置の第２部分で注入孔の開口断面積を軸線の方向に向かう程に小さくする。この構成により、一方では注入装置の第１部分からの、他方では注入装置の第２部分からの燃料の注入に応じ、第１部分および第２部分の注入孔の開口断面積の対抗的変化により、燃料注入の所望の半径方向分布が得られる。

注入装置の第１部分と第２部分を、予混合通路の円周に沿って互い違いに配置するとよい。即ち注入装置の第１と第２部分を、円周にわたり互い違いに並べて分布配置する。

注入装置の第１部分と第２部分を、予混合通路の軸方向に連続して配置するとよい。即ちこの構成では、例えばまず燃料を注入装置の第１部分から予混合通路に入れ、流れ方向において続いて燃料を注入装置の第２部分から入れる。これによって、特に注入装置の第１部分と注入装置の第２部分から、予混合通路の円周に一様に分布して燃料を入れる。両部分からの燃料注入の重畳は、燃料注入全体に対し所望の半径方向分布を生ずる。

バーナの軸線の周りに延びる第１および第２燃料供給路を設け、これら両燃料供給路での燃料の供給圧力差を、バーナの運転状態に応じて調整するとよい。更に好適には、注入装置の第１部分を第１燃料供給路に接続し、注入装置の第２部分は第２燃料供給路に接続する。この構成で、注入装置の第１および第２部分からの燃料注入を、互いに別個に所望通りに調整できる。この結果、各所望の分布に必要な第１ないし第２燃料供給路における圧力を調整できる。従って、圧力差に応じ、注入装置の第１ないし第２部分を経て入れる燃料量を異ならせ、もって総燃料注入量を所望の分布に応じて調整できる。

好適には、注入装置は、半径方向に予混合通路内に突出し、燃料を内部に導入するパイプである。即ち、パイプの注入孔から燃料を予混合通路に入れる。

好適には、注入装置は、半径方向に予混合通路内に突出し、燃料を内部に導入する旋回羽根である。この場合、注入孔を旋回羽根の表面上の、翼前縁の近くに配置するとよい。従って、旋回羽根は二重の働きをし、燃焼安定に対して必要な旋回を与え、同時に燃料の注入装置として機能する。

注入装置の第１部分を半径方向に予混合通路内に突出するパイプで形成し、注入装置の第２部分を半径方向に予混合通路内に突出する旋回羽根で形成するとよい。その際注入装置の第１並びに第２部分を、予混合通路内に、各々他方の部分の上流に配置する。好適には、パイプを旋回羽根の上流に配置し、もって旋回翼列の貫流時、燃料と燃焼空気の高い混合を生じさせる。しかし、逆火に対する保護が十分に高い場合、パイプを旋回羽根の下流に配置すると有利である。

好適には、バーナは、特に出力５０ＭＷ以上の定置形ガスタービンの燃焼器である。ガスタービンは空気を高圧縮してバーナに供給する圧縮機を備える。該バーナは、バーナ火炎を封じ込めるガスタービン燃焼器に開口している。燃焼器で発生した高温の排気ガスは次にタービン部分に流入し、該部分内でタービン翼が燃焼ガスで洗流される。タービン軸上に配置した動翼は、燃焼ガスで駆動されてタービン軸を回転させる。大きな定置形ガスタービンの場合、有害物質と燃焼振動の発生について厳しい要件が課せられている。

好適には、バーナは予混合通路で取り囲まれた中央拡散バーナを備える。

方法に関する課題は、本発明に基づき、燃料を空気内で燃焼させるバーナを備えたガスタービンの運転方法であって、バーナが、燃料が半径方向に分布して導入される環状予混合通路を有すガスタービンの運転方法において、燃料の半径方向分布を、タービンの運転状態に応じて調整することによって解決される。

この方法の利点は、バーナの利点についての上述した説明に応じて生ずる。

好適には、ガスタービンの部分負荷運転時、燃料の半径方向分布を、燃料濃度の半径方向分布における局所的最大領域が燃焼・空気混合気に形成すべく調整する。

ガスタービンの全負荷運転時、燃料の半径方向分布を、燃焼および空気の均質な混合気が生ずるように調整するとよい。

所定の振幅限界値を超えた燃焼振動の発生時燃料の半径方向分布を変化させるとよい。

以下図を参照して本発明を詳細に説明する。図は部分的かつ概略的に、実寸通りでなく示している。なお各図において同一部分には同一符号を付している。

図１はガスタービン１を示す。ガスタービン１は共通のタービン軸８上に配置された圧縮機３とタービン部分７を備える。圧縮機３とタービン部分７との間に、環状燃焼器５が挿入接続されている。円周にわたり分布した多数の予混合バーナ９が、環状燃焼器５に開口している。予混合バーナ９に圧縮機３から高圧縮空気１１が供給される。更に、予混合バーナ９に燃料１３が供給される。空気１１と燃料１３は混合され、予混合バーナ９を経て燃焼器５に流入し、そこで燃焼して燃焼ガス１５を発生する。

図２は予混合バーナ９を示す。これは軸線１０に沿って延びている。予混合バーナ９は環状予混合通路２１を備える。予混合通路２１は中央拡散バーナ２３を取り囲んでいる。予混合通路２１は横断面内に、バーナ軸線１０と角度を成す環状中央平面２２を持つ。予混合通路２１は、半径方向外側外面１８と半径方向内側内面２０とを有している。予混合通路２１の全横断面にわたり、半径方向、即ち予混合通路中央平面２２に対し垂直に、個々の旋回羽根２６で構成された環状旋回翼列２５が延びている。更に、拡散バーナ２３から半径方向に、燃料入口管２７が予混合通路２１内に突出している。燃料入口管２７は中空であり、複数の注入孔２９を有している。

図２の従来のバーナの場合、空気１１は予混合通路２１を通して導かれる。空気１１は燃料入口管２７をかすめて流れる。燃料１３は燃料入口管２７内に導かれ、燃料１３は注入孔２９から空気１１内に流出する。環状旋回翼列２５の旋回羽根２６は、空気１１に燃焼の安定化に寄与する旋回を与える。旋回羽根２６は、その中にも燃料１３が供給されるように形成されている。旋回羽根２６の表面の複数の注入孔（図示せず）を経て、同様に燃料１３が予混合通路２１内の空気１１に添加される。燃料１３と空気１１は予混合通路２１内で混合され、燃料・空気混合気２８が生じ、この混合気２８は予混合バーナ９から流出し、燃焼域内で燃焼する。希薄予混合燃焼の際、即ち空気１１内の燃料１３が少ない場合、かかる予混合燃焼は火炎が不安定となり、火炎が消えてしまう傾向がある。燃焼の安定化のため、通常中央拡散バーナ２３が採用され、該バーナ２３にも空気１１と燃料１３が供給される。空気１１と燃料１３は主に燃焼域で初めて互いに混り合い、油性混合気が生ずる。拡散バーナ２３の火炎により、予混合燃焼が安定化する。図２に示す予混合バーナ９の場合、燃料１３は予混合通路２１に一定した静的分布で導入される。

図３は従来の予混合通路の部分縦断面図であり、旋回翼列２５の旋回羽根２６を断面図で示す。環状予混合通路２１の半径方向内側、即ち予混合通路２１の内面２０の範囲に、環状燃料供給路４１が配置されている。この供給路４１から燃料１３が旋回羽根２６に供給される。旋回羽根２６は、全燃料注入孔２９において同じ配置横断面積を有している。

図４は、予混合通路２１の部分縦断面図で、図３に対し変更した配置構造を示す。この構造は図５と併せて明瞭になる。図４と５は各々互いに隣接する旋回羽根２６、即ち図４は第１の旋回羽根２６、図５はその隣の旋回羽根２６を部分断面図で示す。図４の旋回羽根２６の場合、注入孔２９の開口断面積が変化し、詳しくは、開口断面積が予混合通路２１の内面２０の方向、即ちここでは図示しない軸線１０の方向に向かう程に大きくなっている。これに対し、図５に示す旋回羽根２６の注入孔２９の開口断面積は、それと同じ方向に向かう程に小さくなっている。従って、旋回翼列２５の各々互いに連続する２つの旋回羽根２６に対し、注入孔２９の開口断面積は対抗的に変化し、軸線１０の方向に向かう程に開口断面積が大きくなる注入孔２９を備えた旋回羽根２６に、軸線１０の方向に向かう程に開口断面積が小さくなる注入孔２９を備えた旋回羽根２６が続いている。図４の旋回羽根２６は、予混合通路２１への燃料１３の注入に対する注入装置の第１部分３１を形成する。図５の旋回羽根２６は、予混合通路２１への燃料１３の注入に対する注入装置の第２部分３３を形成している。

図６と７は、注入装置３１、３３で燃料１３を供給する方法を示す。注入装置の第１部分３１に、拡散バーナ２３と予混合通路２１の間に配置した環状燃料供給路４３を経て燃料１３を供給する。第２部分３３に、独立した第２環状燃料供給路４５から燃料１３を供給する。第２環状燃料供給路４５は、第１環状燃料供給路４３の直近に配置している。

このような構成で初めて、バーナの運転中、予混合通路２１における燃料の半径方向分布が変化可能となる。これは燃料供給路４３、４５から注入装置３１、３３を経ての異なった燃料供給法で行う。注入装置３１、３３の開口断面積の対抗的変化に伴い、予混合通路１２内に燃料１３の殆どあらゆる任意の所望の半径方向分布が得られる。例えば部分負荷運転時、注入装置の第１部分３１に多量の燃料１３を供給できる。これは、軸線１０の方向に向かう程大きくなる注入孔２９の開口断面積に基づき、予混合通路２１の内面２０の方向に向かい燃料濃度を濃くする。この結果局所的な油性化により、一酸化炭素の発生量を減少できる。これに対し、例えば全負荷運転時、注入装置の第２部分に多量の燃料１３を供給できる。これは、予混合通路２１内に燃料１３を均質に分布させる。予混合通路２１の外側面１８の方向に向かう程に拡大する注入孔２９は、予混合通路２１の外側面１８の方向における半径方向外側領域での空気１１の適正な体積流を斟酌している。この結果、開口断面積の拡大に伴い、予混合通路２１内に燃料１３と空気１１とのできるだけ均質な混合を生じさせる燃料１３の半径方向分布が生ずる。更に、例えば燃焼器５に所定の振幅限界を超過する燃焼振動が生じた際、燃料１３の半径方向分布を変化させることもできる。かかる燃焼振動は、火炎不安定と、圧力変動の帰還と、燃料・空気混合気における密な変動により生ずる。空気１１内における燃料１３の半径方向分布の変更により、その帰還メカニズムを中断し、もって、燃焼振動を抑制できる。

図８は、旋回翼列２５の旋回羽根２６として形成した注入装置の第１部分３１と注入装置の第２部分３３の互い違い配置構造を、予混合通路１２の部分横断面図で示す。注入孔２９の開口断面積が半径方向において対抗的に変化していることが解る。

図９は、注入装置の第１部分３１および第２部分３３のもう１つの実行可能な配置構造を示す。予混合通路２１の部分縦断面図には、空気１１の流れ方向に連続して配置した注入装置の第１部分３１と第２部分３３を示している。この場合、第１部分３１は予混合通路２１内に突出するパイプとして形成している。第２部分３３は旋回羽根２６として形成している。注入孔２９の開口断面積は対抗的に変化し、注入装置の第１部分３１の注入孔２９は、軸線１０の方向に、或いは内面２１の方向に向かう程大きくなり、注入装置の第２部分３３の注入孔２９は、軸線１０の方向に向かう程小さくなっている。この注入装置の第１部分３１と第２部分３３の軸方向における段階づけにより、燃料１３が予混合通路１２において円周方向でも非常に一様に導入できる。

ガスタービンの概略図。 従来の予混合バーナの概略図。 従来の予混合バーナの予混合通路の縦断面図。 予混合通路の部分縦断面図。 予混合通路の部分縦断面図。 予混合通路の縦断面図。 予混合通路の縦断面図。 予混合通路の部分横断面図。 予混合通路の部分縦断面図。

符号の説明

１ ガスタービン、９ 予混合バーナ、１１ 空気、１３ 燃料、２１ 予混合通路、２９ 燃料注入孔、３１ 注入装置の第１部分、３３ 注入装置の第２部分、４３ 第１燃料入口管、４５ 第２燃料入口管

Claims (13)

1. 軸線（１０）の方向に延びるバーナ（９）であって、
   燃料（１３）が半径方向に分布して導入される環状の予混合通路（２１）と、前記予混合通路（２１）の円周にわたり分布して配置された注入装置（３１、３３）とを備え、バーナ（９）の運転中に燃料（１３）の半径方向分布が調整可能であり、また、前記注入装置（３１、３３）において半径方向に分布して配置され、それぞれ異なる開口断面積を有する複数の注入孔（２９）により、前記予混合通路（２１）の各円周位置で燃料（１３）を半径方向に分布して注入するように構成されたバーナにおいて、
   前記注入装置の第１部分（３１）の注入孔（２９）の開口断面積が前記軸線（１０）の方向に向かう程大きくされ、前記注入装置の第２部分（３３）の注入孔（２９）の開口断面積が前記軸線（１０）の方向に向かう程小さくされたことを特徴とするバーナ。
2. 注入装置の第１部分（３１）と第２部分（３３）が、予混合通路（２１）の円周に沿って互い違いに配置されたことを特徴とする請求項１記載のバーナ。
3. 注入装置の第１部分（３１）と第２部分（３３）が、予混合通路（２１）の軸方向に連続して配置されたことを特徴とする請求項１または２記載のバーナ。
4. 軸線（１０）の周りに延びる第１燃料供給路（４３）と第２燃料供給路（４５）とを備え、両燃料供給路（４３、４５）での燃料の供給圧力差が、バーナ（９）の運転状態に応じて調整されることを特徴とする請求項１から３の１つに記載のバーナ。
5. 注入装置の第１部分（３１）が第１燃料供給路（４３）に接続され、注入装置の第２部分（３３）が第２燃料供給路（４５）に接続されたことを特徴とする請求項４記載のバーナ。
6. 注入装置（３１、３３）が、半径方向に予混合通路（２１）内に突出し、燃料（１３）を内部に導入するパイプであることを特徴とする請求項１から５の１つに記載のバーナ。
7. 注入装置（３１、３３）が、半径方向に予混合通路（２１）内に突出し、燃料（１３）を内部に導入する旋回羽根（２６）であることを特徴とする請求項１から５の１つに記載のバーナ。
8. 注入装置の第１部分（３１）が半径方向に予混合通路（２１）内に突出するパイプで形成され、注入装置の第２部分（３３）が半径方向に予混合通路（２１）内に突出する旋回羽根（２６）で形成されたことを特徴とする請求項３記載のバーナ。
9. 出力５０ＭＷ以上の定置形ガスタービンに対するガスタービン燃焼器として形成されたことを特徴とする請求項１から８の１つに記載のバーナ。
10. 予混合通路（２１）で取り囲まれた中央拡散バーナ（２３）を備えることを特徴とする請求項１から９の１つに記載のバーナ。
11. 燃料（１３）を空気（１１）内で燃焼させる請求項１から１０の１つに記載のバーナ（９）を備え、該バーナ（９）が、燃料（１３）が半径方向に分布して導入される環状予混合通路（２１）を有するガスタービンの運転方法において、燃料の半径方向分布を、ガスタービン（１）の運転状態に応じて調整することを特徴とするガスタービンの運転方法。
12. ガスタービン（１）の部分負荷運転時、燃料の半径方向分布を、燃料濃度の半径方向分布における局所的最大領域が燃料・空気混合気（２８）内に生ずるように調整することを特徴とする請求項１１記載の方法。
13. 所定の振幅限界値を超過した燃焼振動の発生時、燃料の半径方向分布を変化させることを特徴とする請求項１１または１２記載の方法。

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