JP5574659B2 - 連続燃焼ガスタービン及びそのようなガスタービンのための燃焼器の排出物を減少させるための方法 - Google Patents

Description

本発明は、連続燃焼ガスタービン及びそのようなガスタービンのための燃焼器の排出物及びフラッシュバックを減少させるための方法に関する。

連続燃焼するガスタービンは、ガスタービンの効率を向上させ、かつ、ガスタービンの排出物を減少可能なことが知られている。これは、タービン入口温度を増加させることによる方法によって達成さえる。連続燃焼ガスタービンで、燃料は第１の燃焼器で燃焼され、かつ、高温燃焼ガスが第１のタービンを通過し、続いて、ＳＥＶ燃焼器と知られ、燃料が燃焼器に伸びるランスを通じて案内される第２の燃焼器に供給される。高温ガスの燃焼は、ＳＥＶ燃焼器で達成され、かつ、燃焼ガスが、続いて、第２のタービンに供給される。

ＳＥＶ燃焼器は、元来、天然ガス及び石油事業のために設計された。従来のＳＥＶ燃焼器のデザインは、耐久性と、高濃度水素内容物を備えた合成ガス又は燃料を使用する場合に、自動発火（早期発火）又はフラッシュバックが起きる高い可能性との両方の点で課題がある。フラッシュバック事象は、事前混合領域で、早期に、かつ、望まれない再点火することであり、それは、ＮＯｘ排出物の１桁分の増加が生成され、かつ、バーナー部分に重大な破損を生じさせる。

合成ガス、又は、ＭＢＴＵのような高濃度水素燃料を使用するための新しい燃焼器デザインは、フラッシュバックの危険を軽減するために、燃料注入器システムを再設計を必要としている。新しい注入器デザインは、高反応性の水素を含んでいる燃料を考慮にいれ、従来のＳＥＶ燃焼器の壁は、流出空気によって冷却され、かつ、運搬された空気は、対流してランスシステムを冷却している。この冷却は、耐久性の問題を十分に引き起こすことが証明されている。

経験は、MBtuのような高濃度水素燃料の極めて異なる熱特性に取り組むために再設計することがＳＥＶ燃焼器のためにさらに必要性があることを示している。それは、より遅い点火時間遅れ、より高い断熱火炎温度、及び、より高い火炎速度を持つことである。より高い流率が、天然ガスのような従来の燃料に比べて高濃度水素燃料のより低い密度のために、必要とされもしている。存在するデザインをこのような厳しい燃料に適用することは、多くの排出物と安全性の問題を生じる。ＳＥＶ燃焼器デザインを向上するために、希薄なガス流を増加すること、又は、実行するために費用のかかる大規模な開発及び検証取り組みが必要なＳＥＶ燃焼器の形状を改善することが提案されもしている。

本発明は、これらの課題を取り扱う。本発明の多数の観点の１つは、排出物を排気、及び/又は、安全性を向上するために改善されたデザインを備えた連続ガスタービンのためのＳＥＶ燃焼器を供給することを含有している。

本発明によると、これらの課題は、請求項１の特徴を備えた連続燃焼ガスタービンのＳＥＶ燃料器、及び、請求項７の特徴を備えた連続燃焼ガスタービンのＳＥＶ燃焼器で、排出物を減少し、及び/又は、安全性を向上する方法によって解決される。本発明による方法及びＳＥＶ燃焼器の好ましい実施例は、従属請求項で示されている。

本発明の第１の観点によると、連続燃焼ガスタービンのＳＥＶ燃焼器の排出物を減少及び/又安全性を向上するための方法が提供され、空気/燃料混合物が第１のバーナーで燃焼され、かつ、続いて、高温ガスが、ＳＥＶ燃焼器（１）に、更なる燃焼のために案内されており、ＳＥＶ燃焼器は、高温ガスを燃料と混合するための混合領域（８）と燃焼領域（９）とを備えている。本発明によると、蒸気が、ＳＥＶ燃焼器の混合領域（８）に案内される。

ＳＥＶ燃焼器の混合領域に蒸気を案内することは、ランスのための改良された冷却を提供するのに貢献し、かつ、有害排出物、特に、ＮＯｘを減少することに貢献するフラッシュバック、保炎、及び、自動発火の抵抗力を増加させる。蒸気の炎抑制特性は、蒸気との反応が、炎での急激な連鎖濃度を減少させる事実のために、ガスタービン動作状況で、燃料の反応度を減少させる。

本発明の好ましい実施例では、蒸気は、ＳＥＶ燃焼器の壁を冷却するために使用される。冷却のための蒸気の使用は、従来のＳＥＶ燃焼器の冷却よりも効率よく冷却可能であり、かつ、ＳＥＶ混合領域での空気キャリア及び空気冷却の必要をなくすことができる。

更に好ましい実施例では、蒸気は、燃料を案内するために、混合領域に伸びるランスを冷却するために使用される。

本発明の第２の観点によると、空気/燃料混合物が第１のバーナーで燃焼され、かつ、続いて、高温ガスが、ＳＥＶ燃焼器（１）に、更なる燃焼のために案内する連続燃焼ガスタービンのＳＥＶ燃焼器は、高温ガスを燃料と混合するための混合領域（８）と燃焼領域（９）とを区切る室壁（５）を備えた部屋と、高温ガスを混合領域（８）に案内するための少なくとも１つの入口（２）と、燃料を混合領域（８）に案内するための少なくとも１つの入口（１２）と、蒸気を混合領域（８）に案内するための少なくとも１つの入口（１０、１３）とを備えている。

本発明の上記及び他の目的、特徴、効果は、次の図面と併せて、ある好ましい実施例の次の記述からより明確になるだろう。

本発明は、図面で図式的に示した実施例に関して記載され、かつ、以下により詳細に図面を参照にして記載される。

本発明によるＳＥＶ燃焼器である。 従来技術のＳＥＶ燃焼器である。

図２は、従来技術によるＳＥＶ（連続環境）燃焼器１を図式的に示している。ＳＥＶ燃焼器１は、連続燃焼するガスタービン（図示せず）の一部を形成し、その場合、燃料は第１の燃焼器で燃焼され、かつ、高温燃焼ガス２が第１のタービンを通過し、続いて、ＳＥＶタービンとして知られている燃料が案内される第２の燃焼器に供給される。高温燃焼ガス２は、渦生成器又は生成器の形で、入口３を通って、ＳＥＶ燃焼器１に案内される。燃焼ガス２は、ＳＥＶ燃焼器１での更なる燃焼のために、十分な酸化ガスを含んでいる。ＳＥＶ燃焼器１は燃料を燃焼器１に案内するために燃料ランス４を備えている。燃焼器内部スペースは、燃焼フロントパネル６を備える室壁５によって区切られている。燃焼フロントパネル６は、ＳＥＶ燃焼器を通る高温ガスの流れに、ほぼ垂直に位置している。点線７は、ランス４から注入された燃料が燃焼ガス２と混合する上流混合領域８と、下流燃焼領域９との間の境界を示している。従来例のＳＥＶ燃焼器の壁５は、空気冷却され、かつ、運搬される空気は、対流的にランスシステム４を冷却している。従来のＳＥＶ燃焼器は、合成ガス、又は、ＭＢＴＵのような高濃度水素含有燃料を用いる場合、不十分な冷却、かつ、自動発火（早期発火）又はフラッシュバックの出現の高い可能性の問題がある。これは、燃焼境界７がさらに上流に移動し、ＮＯｘ排出物の増加及び安全性の減少を導いている。燃焼器１の壁５は、中央のコア流で空気と燃料が取り込まれるフィルム層を備えている。コアから壁５に燃料濃度の急な勾配がある。そのような等量比の急激な変化（壁に向かって傾き、かつ、コアに向かって高濃度）の存在は、排出物を増加し、かつ、フラッシュバックの安全性を減少することにより大きな燃焼動的振動を起こす。

図１は、本発明によるＳＥＶ燃焼器を図式的に示している。図２の同じ特徴のために、同じ参照記号が用いられている。連続燃焼ガスタービンのＳＥＶ燃焼器１で、排出物を減少し、及び/又は、安全性を向上するための方法は、蒸気を燃焼器の混合領域８に案内又は注入することによって生じる。注入された蒸気は、燃焼器１でのフラッシュバック、保炎、及び、自動発火の抵抗を増加し、それは、有害な排気物、特にＮＯｘ排気物を減少し、かつ、安全性を向上する。蒸気の炎抑制特性は、蒸気との反応が、炎での急激な連鎖濃度を減少させる事実のために、ガスタービン操作状況での燃料の反応度を減少する。さらに、蒸気の追加は、消炎ひずみ速度を大いに増加させ、それによって、混合領域でさらなる抑制フレームが維持される。

蒸気は、好ましくは、矢印１０で示されたように、燃焼器１の混合領域８で、壁５を通じて案内される。有利には、蒸気は、燃焼器１の壁５のしみ出し冷却のために用いることが可能である。このため、複数の小さな穴が、燃焼器１の壁５に供給されている。蒸気が燃焼器壁５に案内されるため、上述の大きな燃焼動的振幅が減少される。

蒸気を混合領域８に注入するために、燃焼器の出力は増加し、かつ、それゆえ、燃料フロントパネル６は、より高温になる。蒸気は、燃焼フロントパネル６を冷却するために用いられもする。燃焼フロントパネル６に、適切な冷却を提供し、その結果、蒸気は対流冷却を矢印１１に示すように供給する。蒸気は、混合領域の追加の冷却のために、燃焼フロントパネル６を介して、混合領域８に注入されもし、フロントパネル６は、蒸気を用いてしみ出し冷却されもする。

本発明の更なる実施例では、蒸気は、燃焼器１のランス４を通じて案内又は注入されることも可能である。有利には、蒸気は、ランスの先端で、かつ、好ましくは、燃料注入器穴の上流位置で、蒸気入口１３を通じて、ガス流２に注入される。ランスから混合領域８に蒸気を注入することは、燃料が燃焼器壁５を貫通するのを防ぎ、かつ、それゆえ、燃料とガス流２との改善された混合を促進する。ランス４は、適切な冷却通路を備えており、その結果、蒸気はランス４を冷却するために用いられる。

蒸気冷却は、燃料-空気の混合を供給するのを助け、かつ、フレーム温度を減少し、その結果ＮＯｘ排出物を減少している。

本発明による実施例の先の記述は、図解の目的にのみ用いられるべきであり、本発明の範囲を限定するために考慮されるべきでない。

特に、好ましい実施例の観点で、当業者は、形態を変化及び修正可能であり、詳細は、本発明の範囲から逸脱することなしに作成され得る。したがって、本発明の開示は、限定されるべきではない。本発明の開示は、次の請求項で説明する発明の範囲を明確にするための代わりとして提供されるべきである。

１．ＳＥＶ燃焼器
２．燃焼ガス
３．入口
４．燃料ランス
５．バーナー壁
６．燃焼フロントパネル
７．フレーム境界
８．混合領域
９．燃焼領域
１０．矢印
１１．矢印
１２．燃料入口
１３．蒸気入口

Claims (11)

1. 空気/燃料混合物が第１の燃焼器で燃焼され、かつ、
   続いて、高温ガスと燃料とが混合する混合領域（８）を備えたＳＥＶ燃焼器（１）に、高温ガスが、更なる燃焼のために案内される連続燃焼ガスタービンのＳＥＶ燃焼器（１）で、排出物を減少し、及び/又は、安全性を向上するための方法において、
   蒸気が前記ＳＥＶ燃焼器（１）の混合領域に案内され、該蒸気は、該ＳＥＶ燃焼器（１）のバーナー壁（５）を冷却するために用いられることを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法において、
   前記蒸気は、燃料を案内するための混合領域（８）に伸びるランス（４）を冷却するために用いられることを特徴とする方法。
3. 請求項１又は２に記載の方法において、
   前記蒸気は、燃料を案内するための混合領域（８）に伸びるランス（４）を通じて、混合領域（８）に案内されることを特徴とする方法。
4. 請求項１乃至３のいずれか１つに記載の方法において、
   前記蒸気は、ＳＥＶ燃焼器（１）の壁（５）を通じて、混合領域（８）に案内されることを特徴とする方法。
5. 請求項１乃至４のいずれか１つに記載の方法において、
   前記蒸気は、ＳＥＶ燃焼器壁（５）の一部によって構成され、かつ、ＳＥＶ燃焼器を通る高温ガスの流れ方向と垂直に位置している燃焼フロントパネル（６）を冷却するために用いられることを特徴とする方法。
6. 空気/燃料混合物が第１の燃焼器で燃焼され、かつ、続いて、高温ガスが更なる燃焼のためにＳＥＶ燃焼器（１）に案内される連続燃焼ガスタービンのＳＥＶ燃焼器において、
   ＳＥＶ燃焼器（１）は、高温ガスを燃料と混合するための混合領域（８）と燃焼領域（９）とを区切る室壁（５）を備える部屋と、
   高温ガスを混合領域（８）に案内するための少なくとも１つの入口（２）と、
   燃料を混合領域（８）に案内するための少なくとも１つの入口（１２）と、
   蒸気を混合領域（８）に案内するための少なくとも１つの入口（１０、１３）とを備え、該蒸気は、前記ＳＥＶ燃焼器（１）のバーナー壁（５）を冷却するために用いられることを特徴とするＳＥＶ燃焼器。
7. 請求項６に記載のＳＥＶ燃焼器（１）において、
   蒸気を混合領域（８）に案内するための少なくとも１つの入口（１０）は、前記室壁（５）に備えられることを特徴とするＳＥＶ燃焼器。
8. 請求項６又は７に記載のＳＥＶ燃焼器（１）において、
   ＳＥＶ燃焼器（１）は、燃料を混合領域（８）に案内するために、混合領域（８）に伸びるランス（４）を備え、
   蒸気を混合領域に案内する少なくとも１つの入口（１３）がランス上に備えられていることを特徴とするＳＥＶ燃焼器。
9. 請求項６乃至８のいずれか１つに記載のＳＥＶ燃焼器（１）において、
   冷却通路が、ランスを冷却する蒸気を供給するために、ランス（４）に形成されていることを特徴とするＳＥＶ燃焼器。
10. 請求項６乃至９のいずれか１つに記載のＳＥＶ燃焼器（１）において、
    冷却通路が、室壁（５）を冷却するための蒸気を供給するために、室壁（５）の一部で形成され、又は、室壁（５）の一部に隣接していることを特徴とするＳＥＶ燃焼器。
11. 請求項６乃至１０のいずれか１つに記載のＳＥＶ燃焼器（１）において、
    室壁（５）の一部が、ＳＥＶ燃焼器（１）を通る高温ガスの流れ方向に垂直に位置し、かつ、蒸気で燃焼フロントパネル（６）を冷却するための蒸気冷却通路又は穴を備えた燃焼フロントパネル（６）を形成していることを特徴とするＳＥＶ燃焼器。

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