JP4681113B2 - 気体燃料及び液体燃料の両方を使用するガスタービンの燃料を段階的に用いるための燃料装置構成とその方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス及び液体燃料タービンに関し、より具体的には、ノズルが異なる運転モード間で段階的に用いられるタービンに使用される多重ノズルを有する燃焼器を運転する方法と、それによって実現され得るコンパクトな構成とに関する。
【０００２】
【従来技術】
乾式低窒素酸化物技術は、筒形環状燃焼装置を備える産業用ガスタービンの気体燃料の燃焼に関して、燃料と空気の予混合を利用することによってエミッション制御するために常套的に用いられる。予混合することの主たる利点は、均一な燃焼速度が得られ結果的に比較的一定の反応帯域温度が得られることである。空気を注意深く処理することで、これらの温度を最適化し、窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）及び未燃焼炭化水素（ＵＨＣ）の排出を極めて低くすることが可能である。中央の予混合燃料ノズルを調整することで、機械に投入する燃料の量を変化させながら燃料と空気の比率と外側ノズルの対応する反応速度とを比較的に一定に保つことが可能になり、運転範囲を拡大することができる。天然ガスで作働するかかる機械を制御または運転する詳細な方法は、例えば、１９９６年のデービス（Ｄａｖｉｓ）による「ＧＥの高負荷型ガスタービン、ＧＥＲ−３５６８Ｆ用の乾式低窒素酸化物燃焼システム」及び米国特許第５，７２２，２３０号と第５，７２９，９６８号に記載されており、それらの開示内容は引用として本明細書に組み込まれる。
【０００３】
産業用ガスタービンでは、液体燃料は、一般に定格負荷のほぼ５０％から１００％までにおいてエミッション制御のために、希釈剤を噴射しながら供給される。水または蒸気が希釈剤として通常使用される。気体燃料または液体燃料のどちらかで作動する能力を備える燃焼器が、確立されていてその実例が前述の刊行物に述べられている。
【０００４】
二重燃料機械に関連する問題には、限られた容積の範囲内に多数の流体通路を設置することの実装条件と、世界中の環境庁から要求される常に低いエミッッションレベルを満たしながら機械の運転を制御する効果的な方法論の開発がある。これらの問題を解決することは、３５メガワットより低い出力の筒形環状燃焼装置を備える小型の産業用ガスタービンの場合には特に困難である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明のノズル構成と制御方法論は、燃料を段階的に用いて極めて低いエミッションを達成しながら、気体燃料または液体燃料のどちらかで作働する産業用ガスタービンを構成し運転するためのコンパクトな手段を提供するようになっている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
より具体的に言えば、本発明は、外側燃料ノズルを使用して予混合気体燃料の一部分と液体燃料の全てを送出する構成及び運転方法論において実現される。液体燃料で運転する時のエミッション制御のための水噴射と噴霧空気は、また全て外側燃料ノズルにより供給される。従って、中央燃料ノズルは、予混合気体燃料と拡散気体燃料の両方の供給に専ら使用される。
【０００７】
従って、本発明は、各燃焼器が、燃焼器の長手方向軸線の周りに配列された複数の、例えば３個ないし６個の外側燃料ノズルと、長手方向軸線にほぼ沿って配置された中央ノズルと、単一の燃焼帯域とを有する複数の燃焼器が設けられたガスタービンにおいて実現される。各外側燃料ノズルは、少なくとも１つの予混合ガス流入口に接続されかつ複数の半径方向に延びる予混合燃料インジェクタと連通する少なくとも１つの予混合ガス通路を有し、予混合燃料インジェクタは、予混合燃料と燃焼空気とを混合したのち予混合管の下流に位置する単一の燃焼帯域に流入させるように専用の予混合管の内部に配置される。中央ノズルも、また少なくとも１つの予混合ガス流入口に接続されかつ複数の半径方向に延びる予混合燃料インジェクタと連通する少なくとも１つの予混合ガス通路を有し、予混合燃料インジェクタは、予混合燃料と燃焼空気とを混合したのち予混合管の下流に位置する単一の燃焼帯域に流入させるように専用の予混合管の内部に配置される。中央ノズルは、拡散ガス流入口に接続された拡散ガス通路をさらに有する。拡散ガス通路は、予混合燃料インジェクタの下流であるが、専用の予混合管の内部にある中央燃料ノズルの最前部の噴出端部で終端する。
【０００８】
本発明は、さらに燃焼器の運転方法において実施され、その方法では燃焼器は、中央軸線の周りに配列された環状列の複数の外側燃料ノズルと中央軸線上に配置された中央ノズルとを有し、またその環状列は、予混合燃料、液体燃料、水及び噴霧空気を選択的に供給され、さらに中央ノズルは拡散燃料と予混合燃料とを選択的に供給されるようになっており、その方法は、
（ａ）始動時に、中央燃料ノズルに拡散燃料を供給する段階と、
（ｂ）単位負荷が増加するにつれて、環状列の外側ノズルの少なくとも１つに予混合燃料を供給する段階と、
（ｃ）部分負荷時に、中央ノズルに拡散燃料を流すのを中止する段階と、
（ｄ）負荷がさらに増加すると、環状列の外側燃料ノズルに予混合燃料の供給を追加することなく中央ノズルに予混合燃料の供給を開始する段階と、
（ｅ）タービン負荷が増加するにつれて、環状列の外側燃料ノズルの全てに、また中央ノズルに追加の予混合燃料を供給する段階と、
を含んでいる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
これらのことは、本発明の他の目的と利点と共に、添付の図面を参照して本発明の現時点での好ましい例示的な実施形態のより詳細な以下の記述を注意深く検討することによって、より完全に理解され分かるであろう。
【００１０】
二重燃料が可能になる必要条件により、多数の通路が必要とされるために結果としてかなり複雑になる可能性がある。さらに、ガスタービン動力設備に対する厳しいエミッション要求のために、天然ガスの燃焼には乾式低窒素酸化物（Ｄｒｙ Ｌｏｗ ＮＯｘ）、すなわちＤＬＮシステムを利用することがどうしても必要となる。これらのＤＬＮシステムは、エミッション、負荷変動(負荷調整)、金属部品の温度、及び許容可能な燃焼音調節の仕様を満たすために、一般的に燃料ガスを燃焼装置内部の３つあるいはそれ以上の位置に供給する。
【００１１】
本発明は、燃料を段階的に用い気体燃料で極めて低いエミッションを達成しながら、気体及び／又は液体燃料で作動する産業用ガスタービンを構成し運転するためのコンパクトな手段を提供する。本発明を構成する装置は、産業用ガスタービンの筒形環状形状に配列された１つの(各々の)燃焼器組立体の１部分である。筒形環状の燃焼器配列を備えるガスタービンで、一連の燃焼室もしくは筒が、機械の周囲の周りに設置され、そしてガス及び液体燃料ノズルが、燃焼室に配置されて燃焼室中の様々な位置に燃料を導く。図１は、かかるタービンの燃焼器の１つの概略横断面図であり、そこには本発明の装置が有利に組み込まれている。
【００１２】
ガスタービン１０は、圧縮機１２(部分的に図示する)、複数の燃焼器１４（１つを示す）、及びここでは単一の羽根１６で表わされるタービンを含む。具体的には示されていないが、タービンは、共通の軸で圧縮機１２に駆動連結される。圧縮機１２は吸気を加圧し、加圧された空気はその後反転し燃焼器１４に流れ、そこで燃焼器を冷却し燃焼過程に空気を提供するのに用いられる。
【００１３】
上述の通り、ガスタービンは、ガスタービンの周囲の周りに設置された複数の燃焼器１４を含む。二重壁の遷移ダクト１８が、各燃焼器の出口端部をタービンの入口端部に接続し、高温の燃焼生成物をタービンに供給する。点火は、通常の方法である火炎連絡管２２（１つを示す）に接続された点火プラグ２０によって様々な燃焼器１４で行なわれる。
【００１４】
各燃焼器１４は、開いた前端部でタービンケーシング２６にボルト２８により固定されるほぼ円筒形の燃焼ケーシング２４を含む。燃焼ケーシングの後端部つまり隣接端部は端部カバー組立体３０により閉じられ、端部カバー組立体３０は、以下により詳細に述べられるように、燃焼器に気体燃料、液体燃料、空気、及び水を供給するための供給管、マニホルド、及びそれらの弁を含む。端部カバー組立体３０は、燃焼器の長手方向軸線の周りに環状列に配列された複数の(例えば、３個ないし６個の)「外側」燃料ノズル組立体３２（便宜上かつ解り易くするために１つだけを図１に示す）と１つの中央ノズル３３（図２を参照）を受入れる。
【００１５】
燃焼器ケーシング２４の内側には、ケーシング２４と実質的に同心に、ほぼ円筒形の流路スリーブ３４が装着されていて、流路スリーブ３４はその前端で二重壁の遷移ダクト１８の外側壁３６に接続される。流路スリーブ３４は、その後端でラジアルフランジ３５により突合せ継手３７のところで燃焼器ケーシング２４に接続され、そこで燃焼器ケーシング２４の前部及び後部セクションが接合される。
【００１６】
流路スリーブ３４の内側には、その前端で遷移ダクト１８の内側壁４０と接続される燃焼器内筒３８が同心に配列されている。燃焼器内筒３８の後端は、燃焼器内筒キャップ組立体４２により支持され、燃焼器内筒キャップ組立体４２は順次燃焼器ケーシングの内側で複数の支柱３９及び関連する取付け組立体（詳細には示さず）により支持される。遷移ダクト１８の外側壁３６と、燃焼ケーシング２４がタービンケーシングに(ボルト２８により)ボルトで止められる位置から前方に延びる流路スリーブ３４のその部分とには、それらのそれぞれの周囲表面上に開口４４の列が形成され、空気は、圧縮機１２から開口４４を通って流路スリーブ３４と内筒ライナ３８との間の環状の空間中に入り上流つまり燃焼器の後端に向って反転して (図１に示す流れの矢印により示されるように) 流れることができる。
【００１７】
燃焼器内筒キャップ組立体４２は、各燃料ノズル組立体３２，３３に対して１つの、複数の予混合管４６を支持する。より具体的に言えば、各予混合管４６は、その前端部と後端部でそれぞれ前面板と背面板４７，４９により燃焼器内筒キャップ組立体４２の内側に支持され、それぞれには端の開いた予混合管４６と位置合わせされた開口が設けられている。前面板４７（冷却孔列が設けられているインピンジメント板）は、遮蔽板(図示せず)により燃焼器火炎の熱放射から保護することができる。
【００１８】
背面板４９は、複数の後方に延びる浮動カラー４８（各予混合管４６に対して１つで、背面板の開口と実質的に位置合わせして配置される）を支持し、浮動カラー４８の各々は、それぞれのノズル組立体の半径方向の最外側壁を取り囲むように空気旋回翼５０を支持する。内筒３８と流路スリーブ３４との間の環状の空間を流れる空気が、燃焼器の後方端に向って（端部キャップ組立体３０とスリーブキャップ組立体４２との間で）再び強制的に反転させられて、旋回翼５０と予混合管４６を通って流れ、予混合管４６の下流の内筒３８の内側の燃焼帯域７０に流入するような構成である。燃焼器内筒キャップ組立体４２の構造の詳細、つまり内筒キャップ組立体が燃焼ケーシングの内部で支持される方法、及び予混合管４６が内筒キャップ組立体中で支持される方法は、米国特許第５，２５９，１８４号の主題にあり、それは引用として本明細書に組み込まれる。
【００１９】
上述の通り、本発明を構成する装置は、産業用ガスタービンの筒形環状形状で配列された１つの（各々の）燃焼器組立体の１部分である。装置は、外側燃料ノズル３２と中央燃料ノズル３３とを備え、それら全てが端部カバー３０に取り付けられる。端部カバー３０は、詳細は以下に述べるが、気体燃料と液体燃料、水及び噴霧空気をノズルに供給する内部通路を含む。様々な流体を供給するためのパイピング及び配管が、順次に端部カバー組立体の外側表面に接続される。図２と図３は、提案される端部カバー構成を概略的に示し、その構成では外側ノズルが、水噴射と噴霧空気だけでなく予混合気体燃料及び液体燃料の両方を供給し、そして中央ノズル３３は、拡散気体燃料を中央にまた予混合気体燃料を半径方向に供給できるようになっている。
【００２０】
より具体的に言えば、ガスノズルは、４個ないし６個の半径方向外側ノズル３２と１つの中央ノズル３３とを設けるような具合に構成される。本発明のこの好ましい実施形態では、外側ノズルと中央ガスノズルは、全て予混合気体燃料を供給する。中央ノズル３３のみが、気体拡散燃料を供給する。従って、図２、図３及び図５を参照すれば、中央燃料ノズル組立体３３は、それぞれの通路５６中に拡散ガス燃料を受入れるための拡散ガス流入口５４を備える隣接端部つまり後部供給セクション５２を含み、それぞれの通路５６は中央ノズル組立体を貫通して延びている。中央通路は、中央燃料ノズル組立体３３の最先端部６０に設けられたオリフィス５８を介して燃焼器の燃焼帯域７０に拡散ガスを供給する。使用時には、中央ノズルの末端部つまり前部の噴出端部６０は、予混合管４６の内側で、予混合管４６の末端部つまり前端部に比較的に接近して設置される。
【００２１】
また、流入口６２が予混合ガス燃料のためにノズルの隣接端部５２に設けられる。予混合ガス通路６４は、複数のラジアル燃料インジェクタ６６と連通し、インジェクタのそれぞれには複数の燃料噴射ポートつまり孔６８が設けられ、予混合ガス燃料を予混合管４６の内部に位置する予混合ゾーン中に噴出する。
【００２２】
図２、図３及び図４を参照すれば、各外側燃料ノズル組立体３２は、隣接端部、つまり後部供給セクション７２を含み、後部供給セクション７２は液体燃料、水噴射、噴霧空気及び予混合ガス燃料を受入れる流入口を備え、また前述の流体の各々を燃料ノズル組立体の前部つまり末端部送出セクション７４中のそれぞれの通路に供給するための適当な接続通路を備える。
【００２３】
図示された実施形態では、外側燃料ノズル組立体の前部送出セクションは、一連の同心管から成る。管７６と７８は、予混合ガス通路８０を画定し、予混合ガス通路８０は後部供給セクション７２の予混合ガス燃料流入口８２から導管８４を介して予混合ガス燃料を受入れる。予混合ガス通路８０は、複数のラジアル燃料インジェクタ８６と連通し、ラジアル燃料インジェクタ８６の各々には複数の燃料噴射ポートつまり孔８８が設けられて、予混合管４６の内部に位置する予混合ゾーン中にガス燃料を噴出する。中央ノズル３３に関して上述したように、噴射された予混合燃料は、圧縮機から逆流する空気と混合する。
【００２４】
第２の通路９０が、同心管７８と９２との間に画定され、噴霧空気流入口９４からの噴霧空気をオリフィス９６を介して燃焼器の燃焼帯域７０に供給するために用いられる。第３の通路９８が、同心管９２と１００との間に画定され、水流入口１０２からの水を燃焼帯域７０に供給するのに用いられ、当業者に理解される方法で窒素酸化物の減少をもたらす。
【００２５】
外側のノズル３２を形成する一連の同心管の最内側にある管１００は、それ自体が、液体燃料流入口１０６を介して通路に入る液体燃料のための中央の通路１０４を形成する。液体燃料は、ノズル組立体３２の中央の噴出オリフィス１０８によりノズルを出ていく。従って、全ての外側及び中央ガスノズルが、予混合気体燃料を供給する。外側ノズルでなくて中央ノズルが、気体拡散燃料を供給し、中央ノズルではなくて外側ノズルの各々が、液体燃料、エミッション低減のための水、及び噴霧空気を送出するように構成される。
【００２６】
本発明の現時点での好ましい実施形態では、機械は幾つかのモードで気体燃料で作動する。第１のモードでは、機械の加速と極めて低い負荷運転のために、拡散気体燃料を中央ノズル３３だけに供給する。単位負荷がさらに増加するにつれて、予混合気体燃料が、外側ガスノズル３２に供給される。ほぼ４０％の負荷で、中央ノズル３３の拡散燃料が中止され、その割合の燃料が外側ガスノズルに振向け直される。４０％ないし５０％の負荷で、燃料は専ら外側予混合４つ組ノズルのみに供給される。ほぼ５０％の負荷で、中央ノズル３３が再び作動を始め、予混合気体燃料を予混合ガス燃料通路６４を通じて送出する。このモードは、予混合ガスノズルに対する制御された燃料割合が定格負荷の１００％まで適用される。予混合ノズルへの燃料流れの実際の割合は、エミッション、作動調節、及び火炎安定性を最適化するように調整される。液体燃料は、全運転範囲にわたって外側燃料ノズルを通じて供給される。液体燃料で運転する時には、常に噴霧空気が必要とされる。ほぼ５０％から全負荷まで液体燃料で運転する時には、エミッション低減のための水噴射が必要とされる。
【００２７】
図６は気体燃料に関して用いられる制御装置を示す。中央ノズルへの拡散ガス流れを、「１ＤＩＦＦ」とする。中央ノズル３３への予混合ガス流れ３３を、「１ＰＭ」とし、また外側ノズル３２への予混合ガス流れを、「５ＰＭ」とする。端部カバー３０とも燃料ノズル３２，３３とも関係しない第４のガス燃料回路が、燃焼作動の制御のために通常用いられる。この回路は四元燃料のことを考慮して「Q」と標記する。合計５つのガス燃料弁が用いられる。それらのうちの第１は、停止速度比弁（ＳＲＶ）である。この弁は、ガス燃料を適当な位置に分配するよう機能する下流のガス制御弁に所定の基準圧力を供するように機能する。
【００２８】
装置は、図７に示される順序に従った負荷範囲にわたって運転される。装置は、中央拡散ノズル３３に供給される拡散燃料で、点火し火炎伝播して全速無負荷（ＦＳＮＬ）に加速する。このポイントから装置は、ＴＴＲＦ１切換え＃１として表わされるポイントまで拡散モードで運転を持続する。数量ＴＴＲＦ１は、制御装置に用いられる燃焼基準温度を指す。この変数は、よく燃焼温度と呼ばれる。この切換えポイントで、予混合気体燃料が、窒素酸化物（ＮＯｘ）と一酸化炭素（ＣＯ）のエミッションを減少させる目的で外側の５つの予混合ノズル３２に対して流れ始める。装置は、ＴＴＲＦ１切換え＃２により定まる設定ポイントまでずっとこのモードで負荷をかけられる。ここで、ガス燃料は、中央の拡散ノズルにて中断される。中央拡散ノズルのエアパージが開始されてノズル先端に冷却を施しまた拡散燃料ノズルへの燃焼ガスの侵入を防止する。ＴＴＲＦ１切換え＃３により定まるポイントで、気体燃料が、中央ノズルの予混合通路へ流れ始める。装置はこのモードで最大出力まで負荷をかけられる。装置は逆の経路をたどることによって負荷を解かれる。
【００２９】
燃料油の操作はそれほど複雑ではない。装置は、点火し火炎伝播し燃料油で全速無負荷（ＦＳＮＬ）に加速することが可能である。ＦＳＮＬから、装置は、一般的にエミッション制御のための希釈剤の噴出をしない状態で５０％の負荷まで運転される。液体燃料で運転する時には、噴霧空気の流れが常に必要とされる。液体燃料、水噴射、及び噴霧空気の通路のそれぞれが、火炎に直面するので、これらの通路の各々は、使用されない時にはエアパージを必要とする。
【００３０】
上述の段階的に用いる方策により、外側（５ＰＭ）ノズルに拡散ガス通路を普通必要とするが、その必要がなくなる。さらに、中央ノズルに液体燃料を流す必要もない。さらに、このことは中央ノズルへの水噴射や噴霧空気の必要も無くなる。結果として、本発明の装置と方法は、拡散ガスを外側ガスノズルに供給する配管系も弁類も必要としないし、また中央液体燃料や中央水噴射や中央噴霧空気のための配管系も弁類も必要としなくなる。
【００３１】
上述の説明から分かるであろうが、本発明は、燃料を段階的に用い気体燃料で極めて低いエミッションを達成しながら、気体燃料及び／又は液体燃料で作動する産業用ガスタービンを構成し運転するためのコンパクトな手段を提供する。
【００３２】
本発明は、現在最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関連して今まで述べてきたが、本発明は、開示された実施形態に限定されるべきではないし、その逆で、特許請求の範囲の技術思想と技術的範囲に含まれる様々な変形形態や同等の構成を保護することを意図するものであることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の例示的な実施形態によるタービンの燃焼器の１つの概略横断面図。
【図２】 本発明を実施する端部カバーと燃料ノズル組立体の概略正面端面図。
【図３】 図２の線３−３による端部カバーと燃料ノズル組立体の概略横断面図。
【図４】 本発明を実施する外側燃料ノズルの概略横断面図。
【図５】 本発明を実施する中央燃料ノズルの概略横断面図。
【図６】 本発明を実施するガス燃料制御装置の概略図。
【図７】 本発明の現時点での好ましい実施形態の装置の運転手順を示す図。

Claims (4)

1. 燃焼器（１４）を運転する方法であって、燃焼器（１４）が、中心軸線の周りに配列された環状列の複数の外側燃料ノズル（３２）と中心軸線上に設置された中央ノズル（３３）とを有しており、上記環状列には、予混合ガス燃料（８２）、液体燃料（１０６）、水（１０２）及び噴霧空気（９４）が選択的に供給され、さらに中央ノズル（３３）には、拡散ガス燃料（５４）及び予混合ガス燃料（６２）が選択的に供給され、当該方法が、
   （ａ）始動時に、中央燃料ノズル（３３）に拡散ガス燃料（５４）を供給する段階と、
   （ｂ）単位負荷が増加するにつれて、環状列の外側ノズル（３２）の少なくとも１つに予混合ガス燃料（８２）を供給する段階と、
   （ｃ）部分負荷時に、中央ノズル（３３）への拡散ガス燃料（５４）の流れを中止し、対応する割合の燃料を環状列の外側ノズル（３２）の少なくとも１つに供給し直して、それによって燃料流れを一定に維持する段階と、
   （ｄ）負荷がさらに増加した後、環状列の外側燃料ノズルへの予混合ガス燃料の供給を追加することなく、中央ノズル（３３）への予混合ガス燃料（６２）の供給を開始する段階と、
   （ｅ）タービン負荷が増加するにつれて、環状列の燃料ノズル（３２）のすべて及び中央ノズル（３３）に予混合ガス燃料（６２，８２）を選択的に追加する段階と、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 環状列の外側燃料ノズル（３２）における各燃料ノズルが空気旋回翼（５０）を備えており、予混合ガス燃料を、空気旋回翼（５０）の上流の予混合ガス燃料流入口（８２）から外側燃料ノズル（３２）に供給して空気旋回翼（５０）の下流の燃料噴射ポート（８８）から噴射する、請求項１記載の方法。
3. 環状列の外側燃料ノズル（３２）における各燃料ノズルが、少なくとも１つの予混合ガス流入口（８２）に接続（８４）された少なくとも１つの予混合ガス通路（８０）であって、専用の予混合管（４６）の内部に配置された複数の半径方向に延びる予混合ガス燃料インジェクタ（８６）と連通する少なくとも１つの予混合ガス通路（８０）を備えていて、当該方法が、前記段階（ｂ）、（ｄ）及び（ｅ）において、予混合ガス燃料を前記少なくとも１つの予混合ガス通路（８０）に供給して、前記複数の半径方向に延びる予混合ガス燃料インジェクタ（８６）から排出して、予混合ガス燃料と燃焼空気とを前記専用の予混合管（４６）混合したのち予混合管（４６）の下流に位置する燃焼帯域（７０）に流入させることを含む、請求項１又は請求項２記載の方法。
4. 前記外側燃料ノズル（３２）の各々が、中央液体燃料通路（１０４）と、それを取巻く水通路（９８）とを含んでおり、当該方法が、前記外側燃料ノズル（３２）の下流の燃焼帯域（７０）に水を噴出する段階をさらに含む、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の方法。

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