JP4499213B2 - ガス状の燃料でガスタービンを運転する方法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はガスタービンの分野に関連する。本発明は、燃焼室においてガス状の燃料が燃焼させられ、その際に発生する熱い燃焼ガスがガスタービンに導かれるガスタービンを運転する方法であって、ガス状の燃料が燃焼室に、並列に働く、制御可能な、単数又は同心的な複数の、ほぼ円形リングに配置された多数のバーナを介して供給され、かつ燃焼室へ燃料孔を介して吹込まれる形式の方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンは次第に、燃料が稀薄である前混技術を有する多重バーナを備えるようになってきている。この場合には燃料と燃焼空気はできるだけ一様に前混合され、そのあとではじめて火炎に供給される。これが高い空気過剰率で行われると、比較的に低い火炎温度が生じ、ひいては窒素酸化物の形成がわずかになる。
【０００３】
ガスタービンの幾何学的な形状に相応して多数のバーナはしばしば環状にリング燃焼室の形で配置される。このようなガスタービン−リング燃焼室はＥＰ−０５９７１３７Ｂ１号及びＥＰ−０５９７１３８Ｂ１号により公知である。この場合には液状又はガス状燃料は多重のリングを成して配置されたバーナに、燃料供給リングを介して供給される。そこで燃料はリング燃焼室へ吹込まれかつ燃焼させられる。同様にバーナへの水の供給も燃料供給リングの横に配置された水リングを介して保証される。
【０００４】
ガス状の燃料を使用した場合には、負荷状態の種類、運転状態にあるバーナの数、エミッション値又は似たようなガスタービン特性値に応じて、個々のバーナの異なる運転形式が多かれ少なかれ有利である。ダブルコーンバーナの場合には例えば、いわゆるパイロットモードで、ガス状の燃料がダブルコーンバーナの基部の中央で、いわゆるパイロットガス孔を介して燃焼空気に添加されることができる。このように運転されたバーナは火炎温度の高く、きわめて安定した火炎が生じるという点ですぐれているが、不都合なエミッション値をもたらす。他面においては前混合モードではダブルコーンバーナの場合には、ガス状の燃料が円錐領域で前混合ガス孔を通って側方から燃焼空気に添加される。前混合モードで運転されるバーナの火炎は、火炎温度が低く、これに伴って有利なエミッション値が得られるという利点を有しているが、パイロットモードで運転されるバーナよりも安定性が著しく低いという欠点がある。ダブルコーンバーナは原則的にはガス状の燃料が一方又は他方の孔から吹込まれるかに応じて順次又は平行して両方の上記運転形式で、運転できるように構成されることができる。
【０００５】
冒頭に述べた形式のガスタービンが無負荷運転から負荷運転に上昇運転させられると、しばしば望ましくない結果が生じる。特に上昇運転の所定の時相と部分負荷運転で、強い煙及び窒素酸化物の発生の可能性があり、バーナが消え、さらにガスタービンが不都合な博動が発生する惧れがある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、ガス状の燃料で運転されるガスタービンの上昇運転も部分負荷運転も確実で、複雑ではない、有害成分の少ない形式で可能である方法と装置とを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の課題は、冒頭に述べた形式の方法において、バーナが少なくとも２つのバーナグループに分けられており、これらのバーナグループがそれぞれ前記リングの１つのバーナを有し、これらのバーナグループがガスタービンの運転状態に関連して個別に制御されることにより解決された。本発明に従って、個別にガス状の燃料で制御可能なバーナグループを使用することにより、燃焼室の条件は、申し分なくガスタービンの運転状態に適合させられる。この結果、上昇運転及び部分負荷運転はガスタービンにおけるコントロールされた燃焼及び流れ条件のもとで可能になる。
【０００８】
本発明の方法の有利な実施例は、ガスタービンのバーナが少なくとも２つの時相で順次点火されかつ／又は接続されること、すなわちガス状の燃料が供給されることを特徴としている。この場合、接続は有利にはタービンの回転数、タービンにかかる負荷又はタービンから放出される煙ガスに関連して行われる。さらに同様に上記特性値に関連してガス状の燃料の供給を変化させることができる。このような形式で基準条件に応じてリング燃焼室の最適な燃焼状態を簡単な形式で調節できるようになる。
【０００９】
この実施例の有利な別の構成の特徴は、前述のバーナグループのグループ分けが少なくとも部分的に、異なる運転モードで行われていること、つまり所定のバーナが複数の異なる運転形式で運転されることである。特に前混合モードとパイロットモードとに分けることは、煙及び窒素酸化物の阻止と安定しかつ消火しない火炎との間のコンプロミスを申し分なく実現するのにきわめて適した燃焼状態をリング燃焼室に調節することを可能にする。
【００１０】
ガスタービンが無負荷から負荷又は部分負荷運転に上昇運転されるとバーナグループは上昇運転の異なる時相にて順次接続される。この場合、異なる時相の間の境界は有利にはタービンの回転数、タービンにかかる負荷及び／又はタービンが放出するエミッションに関連して決定される。
【００１１】
他の実施態様は従属請求項に記載してある。
【００１２】
【実施例】
図１には本発明によるリング燃焼室の制御が概略的に示されている。このような制御は例えばＡＢＢの公知のＥＹ１７バーナを有するＡＢＢのガスタービンＧＴ１３Ｅ２において可能である。ガス状の燃料は供給導管１１を介してバーナシステムに供給される。この場合、供給は主遮断弁１２により調整できる。燃料はまずフィルタ１３において、次いでシーブ１４で浄化され、そのあとで高速遮断弁１５を介して調整可能にバーナ近辺の領域に達する。バーナグループ４０−４２の分割に応じてバーナ導管は燃料供給リング２１−２３に分けられる。これらの燃料供給リング２１−２３は制御弁１８−２０を介して個別に制御可能である。燃料供給リング２１−２３は燃料供給リング出口２４−２６を有し、これらの燃料供給リング出口２４−２６を介して各バーナグループ４０−４２のバーナ２７にガス状の燃料が供給される。当該グループ４０−４２のバーナ２７の運転形式に応じてバーナ２７は異なって制御される。バーナ２７がパイロットモード３０で運転されると、燃料はまずバーナ弁２９を通って流れ、次いで直接的にコーンバーナ２７の根本においてパイロットガス孔を通って中央に吹込まれる。他面においてバーナ２７が前混合モード３１で運転されると、ガス状の燃料はバーナ弁２９のあとでコーン領域にて前混合ガス孔を通って燃焼空気流へ吹込まれる。
【００１３】
図２はリング燃焼室を断面してバーナグループ４０−４２の分割と一緒に、ガス流動方向に抗して示した図である。７２のバーナの３つのバーナグループ４０−４２は適当なマーキングによって示してある。塗りつぶされた丸は１／４前混合バーナグループ４０の１８のバーナ２７を表し、空の丸は前混合モード３１で運転されると前混合バーナグループ４１の３／４を成し、パイロットモード３０で運転されると、内部パイロットされる３／４バーナグループ４２を形成する５４のバーナを示している。換言すれば、両方のバーナグループ４１と４２は同じバーナから形成され、両方のバーナグループは図１に示されている形式でバーナ２７の制御形式だけが異なっている。
【００１４】
図３には各バーナグループに対するガスの分配が％で、無負荷運転から全負荷運転（１００％）又は過負荷運転（＞１００％）へ上昇運転する場合の全負荷に対するガスタービンにかけられた負荷をパーセントで表した関数として示されている。
【００１５】
ガスタービンを停止状態から無負荷運転にもたらすことはガス状の燃料を使用した場合には簡単である。この場合にはガスタービンは約６００ｒｐｍに外部から加速される。次いでこの回転数のもとで燃料はタービン出口温度に関連して吹込まれかつ点火される。この場合には内部パイロットされた３／４バーナグループ４２の５４のバーナだけが使用される。この場合、上記ガスタービンにとっては６００−７００ｇｒ／ｓの典型的なガス流が有利である。
【００１６】
ガスタービンの無負荷運転から全負荷運転へ上昇運転する第１の時相においては、運転は無負荷への上昇運転の場合と同じである。つまり内部パイロットされた３／４バーナグループ４２の５４のバーナだけが使用され、単に次第に多くのガス状の燃料が供給される。これによって低い負荷範囲における火炎の安定性が保証される。
【００１７】
約２０％負荷の場合には他の２つのバーナグループ４０と４１が接続される。
したがって第２の時相５１においては３つのバーナグループ４０−４２がすべて働く。これはバーナグループ４１，４２のバーナが両方の運転モードで並列に運転されることを意味する。３つのバーナグループのガス供給は第２の時相５１においては異なっている。３／４の内部パイロットされたバーナグループ４２は、連続的により少ないガス状の燃料で制御され、切換え点５２、つまり有利には約５０％負荷では、３／４の内部パイロットされたバーナグループ４２には、まだ、総ガス流の約２５％しか供給されない。他面においては前混合バーナグループ４０と４１は相応に増加するガス量で制御される。３／４の前混合バーナグループ４１は切換え点５２において約４０％の相対ガス量で終る。つまりバーナグループ４１と４２のバーナの燃料の供給は次第に多く内部パイロットされた運転形式から前混合制御へ移動する。第２の時相５１においては、付加的に１／４前混合バーナグループ４０も上昇運転され、しかも３／４前混合バーナグループ４１よりも著しく強く上昇運転される。すなわち、切換え点５２では燃料量の約３６％が１／４前混合グループ４０の１８のバーナだけに供給制御される。つまり、このバーナーグループはきわめて濃厚な燃料で運転される。これは空気に対する燃料比φがガスタービンにかかる負荷の関数としてプロットされている図４からも明らかである。第１の時相６０においては３／４の内部パイロットされたバーナグループ４２のバーナが比較的に稀薄であるが次第に増大制御される（φは約０．１８から０．３に上昇する）。これに対し、第２の時相６１では混合気密度は切換え点５２まで再び約０．１３にまで減少する。第２の時相６１においては前混合バーナグループが接続されるが、しかし異なる量の燃料が供給される。３／４の前混合バーナグループ４１はこの範囲では、比較的に稀薄に切換え点５２における約φ＝０．２の値に上昇運転される。これに対し１／４前混合バーナグループ４０の１８のバーナは比較的に濃厚に切換え点５２における約φ＝０．５５に上昇運転させられる（上に述べた特殊なバーナの場合には約２．２ｋｇ／ｓの燃料ガスが１／４前混合バーナグループ４０のバーナに供給される）。内部パイロットされたバーナ（バーナグループ４２）と外部パイロットされたバーナグループ４０のバーナ（バーナグループ４０はある程度バーナグループ４１のバーナによって外部パイロットされる）との前混合は、約２０〜５０％の負荷範囲において消火の欠点なしで良好な窒素酸化物エミッションを得るためのベースである。
【００１８】
切換え点５２でガス流は所定の論理回路を使用して大きな量で切換えられる。
３／４の内部パイロットされたバーナグループ４２と１／４の前混合バーナ４０は完全に切られるのに対し、３／４前混合バーナ４１は濃厚運転に切換えられる。切換えに際しては約５３．５％の相対負荷ですべての弁が同時に切換えられる。３／４の内部パイロットされたバーナグループ４２に向う導管内の燃料ガス圧は、弁が閉じた直後でも、この粗い切換えプロセスにおける消火の危険がきわめてわずかになるような量の燃料がバーナの内部へ流れるように高く選ばれている。これに対し、下降運転では消火を効果的に阻止するために別のことが行われなければならない。すなわち、約５３％の相対負荷では、３／４の内部パイロットされたバーナグループ４２への導管におけるガス流が十分な値に達すると（これは上記バーナでは約０．７２ｋｇ／ｓである）、前混合バーナグループ４１への燃料供給がさしあたり減じられる。１／４の前混合バーナグループ４０には次いで、下降運転される場合に、内部パイロットされた３／４のバーナグループのガス流がすでに所定の値を取っていると（上記例では０．０５ｓに対し、０．１２ｋｇ／ｓ以上）、燃料が供給される。
【００１９】
切換え点５２の上側の第３の時相ではすべてのバーナは前混合モード３１で運転される。この場合にはバーナグループ４０と４１だけが働く。負荷が増大すると、切換え点の上側で、前混合バーナグループ４０には次第に多くのガス状の燃料が供給されるのに対し、４／３の前混合バーナグループ４１はその前にいくらか下降運転される。総じて切換え点５２の上側の中央の負荷では３／４の前混合バーナグループ４１が濃厚燃料で運転され、１／４の前混合バーナグループ４０は前よりも稀薄な燃料で運転される（図４）。
【００２０】
全負荷と特に過負荷範囲（＞１００％）ではしかしながら混合気密度はきわめて似ており、約０．５のφの値が両方のバーナグループ４０と４１とのために当嵌まる。
【００２１】
切換え点５２と全負荷（１００％）との間の範囲では空気に対する燃料の比φは窒素酸化物のためにもっとも重要であるパラメータである。しかしながらガスタービンの窒素酸化物の放出量をさらに適正化するためには値φの変化に加えて３／４の前混合バーナ４１（この場合には主前混合バーナグループ）と１／４の前混合バーナグループ４０（この場合には外部パイロットされた前混合バーナグループ）との５４のバーナの間の比を変化させることが有利である。このような形式で窒素酸化物の細かい調節と火炎安定とを達成することができる。特にガスタービンハードウェアにおける変化、周辺条件又はガスタービンにかかる負荷の迅速な変化に反応させることができる。
【００２２】
ガスタービンが全負荷（１００％）で運転されると、窒素酸化物のエミッションは、換言すれば、両方のバーナグループ４０，４１の燃料制御比を介して適正に調節される。均一な運転のためには特に３／４（バーナグループ４１）に対する１／４（バーナグループ４０）の比が０．１から０．２５であると適正である。
【００２３】
ガスタービンの運転にとって実地において特に重要であることは、迅速な負荷変動時の挙動である。まさに負荷勾配が大きい場合には、バーナが消火する危険が生じる。切換え点５２の下側の負荷範囲ではこの危険は少なくともバーナ（バーナグループ４２）の部分が安定した、内部パイロットされた運転モードで運転されることで減少させられる。切換え点５２の上側では迅速な負荷変動には、前混合バーナグループ４１が濃度の高められた燃料で運転されかつ多くの燃料が供給されるのに対し、１／４の前混合バーナグループ４０がより稀薄な運転に下降運転させられることで反応する。この結果、消火しない安定した火炎が形成される。特に切換え点の著しく上側の負荷範囲ではこの適合が常により良く行われることが明らかである。何故ならばそこでは１／４の前混合バーナグループ４０には著しく燃料が供給されるからである。切換え点５２のすぐ上側の範囲でも、ガスタービンにかかる負荷の迅速な変化に反応するためには、バーナ内へ流入する空気をＶＩＧＶ（ｖａｒｉａｂｌｅ ｉｎｌｅｔ ｇｕｉｄｅ ｖａｎｅ）を介していくらか減少調整することができる。これは同様に空気に対する燃料の比が濃厚になり、ひいてはバーナ火炎が安定するようになるという結果をもたらす。
【００２４】
上昇運転を前述の如く複雑に実施することは以下の点から有利である。
【００２５】
−すべての負荷範囲でガスタービンのバーナは安定しかつ消火に対して確実に調節される。
【００２６】
−すべての負荷範囲において、種々のグループを相互に調節することが可能であることにより窒素酸化物のエミッションが良好に保たれかつ調整される。
【００２７】
−バーナグループの分割と異なる運転モードは迅速な負荷の変動に対する融通性のある反応を許し、ガスタービンの運転を一層安定させる。
【００２８】
−運転計画が簡単でかつ確実である。
【００２９】
−コントロールされた上昇及び下降運転によりガスタービンの順応性が高くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料系とバーナとを概略的に示した図。
【図２】リング燃焼室をガス流動方向で見て概略的に示した図。
【図３】３つのバーナリングに対する相対的な燃料分配を、ガスタービンにかけられた負荷を全負荷に対する％で表わした関数として示した図。
【図４】全負荷に対して測定された、ガスタービンにかけられる負荷の関数として燃料−空気比を示した図。
【符号の説明】
１１ 供給導管、 １２ 主遮断弁、 １３ フィルタ、 １４ シーブ、 １５ 高速遮断弁、 １６，１７ 弛緩弁、 １８，１９，２０ 制御弁、 ２１，２２，２３ 燃料供給リング、 ２４，２５，２６ 燃料供給リング出口、２７ バーナ、 ２８ 燃料供給リング出口、 ２９ バーナ弁、 ３０ パイロットモードのバーナ、 ３１ 前混合モードのバーナ、 ４０ １／４前混合グループ、 ４１ ３／４前混合バーナグループ、 ４２ ３／４内部パイロットとされたバーナグループ、 ４４ バーナリング、 ５０，５１，５３ 負荷運転での運転範囲、燃料分配、 ５２ 切換え点、 ６０，６１，６２ 負荷運転における運転範囲燃料／空気比

Claims (9)

1. （イ）ガス状の燃料が、並列に働く、少なくとも１つの同心的なリングの上に配置された複数のバーナ（２７）を介して燃焼室に噴射され、燃焼室内で燃焼させられ、その際に発生した熱い燃焼ガスがガスタービンを通して導かれ、
   （ロ）バーナ（２７）が少なくとも２つのバーナグループ（４０−４２）に分けられており、該バーナグループ（４０−４２）がガスタービンの運転状態に関連して個別に制御でき、
   （ハ）負荷のかかっていない無負荷運転から全負荷運転にガスタービンを上昇運転する場合に、少なくとも２つのバーナグループ（４０−４２）を少なくとも２つの時相で順次、点火しかつ接続する
   形式のガス状の燃料でタービンを運転する方法において、
   （ニ）少なくとも１つのバーナグループ（４１）が他の１つのバーナグループ（４２）と同じバーナ（２７）を有し、両方の前記バーナグループ（４１，４２）がバーナの運転形式（３０，３１）だけで異っており、両方の前記バーナグループ（４１，４２）のバーナ（２７）が中央の負荷範囲で前混合モード（３１）とパイロットモード（３０）とで運転されることを特徴とする、ガス状の燃料でガスタービンを運転する方法。
2. （イ）前記両方のバーナグループ（４１，４２）のバーナ（２７）が下方の負荷範囲（５０，６０）においてパイロットモード（３０）だけで運転され、
   （ロ）前記両方のバーナグループ（４１，４２）が中央の負荷範囲（５１，６１）において、パイロットモード（３０）でも前混合モード（３１）でも運転され、
   （ハ）前記両方のバーナグループ（４１，４２）が上方の負荷範囲（５３，６２）にて前混合モード（３１）だけで運転される
   ことを特徴とする、請求項１記載の方法。
3. 上方の負荷範囲（５３，６２）において、両方の前記バーナグループ（４１，４２）のバーナ（２７）が濃厚な燃料で運転され、別のバーナグループ（４０）の稀薄な燃料で運転されるバーナ（２７）によって外部からパイロットされる、請求項２記載の方法。
4. 異なる時相における前記バーナグループ（４０−４２）の点火及び接続を、ガスタービンの回転数及びガスタービンにかかっている負荷及びガスタービンが放出するエミッションに関連して行う、請求項１から３記載の方法。
5. 個々のバーナグループ（４０−４２）のバーナへの燃料供給を異なる時相にて、ガスタービンの回転数及びガスタービンにかかる負荷及びガスタービンが放出するエミッションに関連して行なう、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. （イ）バーナ（２７）の総数の半分よりも少ない、第１のバーナグループ（４０）のバーナ（２７）を、前混合モード（３１）で運転し、
   （ロ）燃焼室の残りのバーナ（２７）によって形成される第２のバーナグループ（４１）のバーナ（２７）を前混合モード（３１）で運転し、
   （ハ）第３のバーナグループ（４２）のバーナ（２７）をパイロットモード（３０）で運転し、その際、第３のバーナグループ（４２）が第２のバーナグループ（４１）のバーナ（２７）で形成される、請求項１記載の方法。
7. 燃焼室が全部で７２のバーナで運転され、第１のバーナグループ（４０）が１８のバーナ（２７）を有し、第２と第３のバーナグループ（４１，４２）が５４のバーナ（２７）を有している、請求項１記載の方法。
8. （イ）第１の時相（５０，６０）にて、負荷のかかっていない無負荷運転から下方の負荷運転範囲（５０，６０）に上昇運転する場合に、第３のバーナグループ（４２）だけがアクティブであり、該第３のバーナグループ（４２）に、負荷が増した場合に、次第に多くの燃料を供給し、
   （ロ）第２の時相（５１，６１）にて、中央の負荷範囲（５０，６０）において、切換え点（５２）まで、３つのバーナグループのすべてがアクティブであり、この第２の時相（５１，６１）にて第３のバーナグループ（４２）に、負荷が上昇すると減少する燃料を供給するのに対し、第１のバーナグループ（４０）と第２のバーナグループ（４１）とには次第に多くの燃料を供給し、その際、第１のバーナグループ（４０）を第２のバーナグループ（４１）よりも濃厚な燃料で運転し、
   （ハ）第３の時相（５３，６２）にて、切換え点（５２）の上側の上方の負荷範囲（５０，６０）で第３のバーナグループ（４２）を完全に遮断し、第１のバーナグループ（４０）を稀薄な燃料で運転しかつ第２のバーナグループ（４１）を濃厚な燃料で運転し、この第３の時相（５３，６２）にて負荷が増大するにつれて、第１のバーナグループ（４０）に供給される燃料を次第に濃厚化しかつ第２のバーナグループ（４１）に供給される燃料を希薄化する、請求項１記載の方法。
9. （イ）ガスタービンを第１の時相（５０，６０）にて０％と２０％との間の相対負荷で運転し、
   （ロ）ガスタービンを第２の時相（５１，６１）にて２０％の相対負荷から５３．５％の相対負荷の切換え点まで運転し、
   （ハ）ガスタービンを第３の時相（５３，６３）にて、５３．５％の相対負荷の切換え点の上側で運転する
   ことを特徴とする、請求項８記載の方法。

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