JP5657681B2 - 混焼システム - Google Patents

Description

本発明は、とりわけ、電気エネルギを発生するための燃焼タービンの分野に属するものであり、より具体的に言うと、それに用いられる燃焼器内筒に関するものである。

将来のエネルギ需要、利用可能な燃料の不足、及び、環境規制のために、発電所事業者は、安全で、効率が良く、クリーンな発電方法の解決策を見つけ出すように迫られる。燃料の不足は、主として石油に当てはまり、それほどではないにせよ天然ガスにも当てはまる。石炭を大量に利用できれば、普通は、蒸気タービン発電所を利用した石炭からの発電が行われる。石炭から発電するよりクリーンでより効率の良い選択肢は、石炭ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）において石炭を利用することである。ＩＧＣＣの場合、まず石炭をガス化して、主としてＣＯ（一酸化炭素）とＨ₂（水素）からなる合成ガスを生じさせる。

合成ガスは、一般に、発熱量が従来の天然ガス燃料に比べて大幅に低い。その燃焼前に、合成ガスからＣＯ分を除去することにより、ＣＯ₂（二酸化炭素）を捕獲するための有効な手段を得ることにもなる。予燃焼によるＣＯ₂捕獲というＩＧＣＣの構想は、将来において電気を発生し、ＣＯ₂の放出を回避するのに最も費用有効性の高い方法の１つである。ＣＯ₂を捕獲するＩＧＣＣ発電所の経済的将来性は、天然ガスの価格が予測より速く上昇するか、あるいは、炭素税による規制が強まるとさらに高まる可能性がある。

発熱量が低く、水素含有量が多いため、合成ガス燃料の燃焼には、多種多様な合成ガス燃料を処理することが可能であり、ほとんど排出ガスを発生せず、燃料の高反応性に対処することが可能な改良されたあるいは完全に新しい燃焼システムの開発が必要になる。

合成ガス燃料の組成は、用いられるガス化装置のタイプ、及び、ＣＯが燃料から分離されるか否かによって決まる。合成ガスに加えて、燃焼システムは、補助及び起動のためもう１つの従来の燃料に依存する場合もある。可能性のある理想的な方法は、１つの燃焼システムでさまざまなタイプのすべての燃料を安定したやり方で燃焼させることである。効率を高め、ガス化装置及びＣＯ₂分離技法による効率損失を補償するため、趨勢としては、これまでの天然ガスの経験で得た技術が利用可能な値を超えても圧力及びタービン入口温度を高めることになるであろう。このように圧力及び温度を上昇させる場合、一般に、圧力及び温度の上昇につれてバーナの過熱及び熱音響励振の危険性が高まるので、合成ガスと水素燃料を燃焼させることが可能な燃焼システムの設計がさらに重要になる。

上記に鑑みて、本発明の一実施形態は、混焼システムを有しており、このシステムは、少なくとも２タイプの燃料を燃焼させるようになされた複数の開口のある周壁を備えた燃焼器内筒と、燃焼器内筒に第１のタイプの燃料を直接供給するようになっている第１の導管と、燃焼器内筒に第２のタイプの燃料を直接供給するようになっている第２の導管と、前記複数の開口を介して第１のタイプの燃料と第２のタイプの燃料の少なくとも一方を燃焼器内筒内に噴射するようになっている第３の導管とを含んでいる。この燃焼システム内において、第３の導管２５は単なる任意の選択肢である。

上記に鑑みて、本発明のもう１つの実施形態には、第１の段階と第２の段階とを含む混焼システムを運転する方法が含まれる。第１の段階には、燃焼器内筒に点火して、第１の導管を介して燃焼器内筒に供給される第１のタイプの燃料に点火するステップと、第１のタイプの燃料に加えて、第１の導管に蒸気を供給し、点火後、第２の導管に蒸気を供給するステップが含まれており、前記第２の段階には、第１のタイプの燃料の点火後、第２の導管を介して燃焼器内筒に第２のタイプの燃料を供給し、それと同時に第１の燃料の供給を停止するステップが含まれている。

本発明については、添付の図面に示された例示された実施形態に関連してさらに後述することにする。

混焼システムの縦断面図である。 第１及び第２の導管のノズル領域における燃料噴射口を示す図である。 本発明の望ましい実施形態の１つに基づく第１の導管の燃料噴射口を示す図である。 図１の面２−２ａに沿った燃焼器内筒の断面の第１の実施形態を例示した図である。 図１の面２−２ａに沿った燃焼器内筒の断面の第２の実施形態を例示した図である。 図１の面２−２ａに沿った燃焼器内筒の断面の第３の実施形態を例示した図である。 燃焼器内筒の壁の構成を例示した図である。 燃焼器内筒の円筒形領域のリブ構造を例示した図である。 本発明の実施形態の１つによる尾筒と流量調整器を例示した図である。

概して言えば、燃焼タービンには、３つのセクション、すなわち、圧縮機セクション、標準的な燃焼器内筒を備えた燃焼器セクション、及び、タービンセクションが含まれている。圧縮機セクションに吸い込まれた空気が圧縮される。圧縮された空気は、圧縮機セクションから流出して、燃焼器セクションに通され、燃料の燃焼後、空気の温度がさらに上昇する。高温圧縮ガスが、燃焼器セクションからタービンセクションに流入し、膨張ガスのエネルギが、発電機を駆動するタービンロータの回転運動に変換される。

合成ガスの発熱量が低く、天然ガスのような補助燃料でバーナを作動させる必要もあるため、バーナの設計にかなりの影響がある。バーナは、燃料の大質量流量に対処することができるのが望ましく、従って、燃料流路は大容積を備える必要がある。容積が小さすぎると、燃料の圧力が大幅に降下することになる。燃料の大質量流量がかかわるため、大幅な圧力降下は、エンジンの総合効率に対し一般的な天然ガス燃焼エンジンに比べてはるかに大きい影響を及ぼすことになる。

図１には、本発明の実施形態の１つによる混焼システム１０の断面図が例示されている。混焼システム１０には、燃焼器内筒１２が含まれている。燃焼器内筒１２の壁１６は、尾筒において互いに重なり合うように構成された複数の円筒形領域１４から形成され、燃焼器内筒の上流端２０から下流端２２まで延びている。燃焼器内筒の上流端２０は、燃料導管が燃焼させるために燃料を一般に供給する領域に近く、下流端２２は、燃焼後のガスが燃焼器内筒からタービンセクションに流出する領域である。燃焼システム１０は、例えば天然ガスと合成ガスといった少なくとも２タイプの燃料を燃焼させるように設計されている。利用可能な燃料タイプは、天然ガスと合成ガスに制限されるわけではなく、従って、燃焼システム１０は他の燃料を用いて、燃焼させることも可能である。

図１には、さらに、例えば天然ガスのような第１のタイプの燃料を直接燃焼器内筒１２に供給するようになっている第１の導管２４と、例えば合成ガスのような第２のタイプの燃料を直接燃焼器内筒１２に供給するようになっている第２の導管２６が示されている。第１のタイプの燃料と第２のタイプの燃料の少なくとも一方を１つまたは複数の開口１８を介して燃焼器内筒１２内に噴射するようになっている少なくとも１つの第３の導管２５も存在する。しかしながら、第３の導管２５は任意の選択肢である。その設計及び要件に基づいて燃焼器内筒に各タイプの燃料を供給するために、２つ以上の導管を設けることが可能である。例えば、複数の開口１８を介して燃焼器内筒１２に燃料を供給するために、複数の第３の導管２５を設けることが可能である。また、燃焼器内筒１２の動作モードに基づいて、導管のそれぞれが異なる燃料を受け持つようになっている。これらの導管は、同じ時点において複数の燃料に対処することさえ可能である。第２の導管２６は、燃料を有効に供給するため、第１の導管２４を包囲するように配置されるか、同心状に構成される。第１の導管２４は、より直径の大きい第２の導管２６と同軸をなして、その内側に配置される。一定の火力入力を達成するには燃料の大質量流量が必要になるため、第２の導管２６の直径は第１の導管２４よりも大きいので、前記第２の導管２６によって、低発熱量燃料をより大量に扱うことが可能である。

任意選択の第３の導管２５は、第１のタイプの燃料と第２のタイプの燃料の少なくとも一方を円筒形領域１４の少なくとも１つに付随した開口１８の少なくとも１つを貫流する圧縮機の排気中に噴射するようになっている。第３の導管２５には、開口１８の中心線に対して０〜９０°の角度に向けられた１〜５つの噴射口を持つ１つの燃料噴射ノズル２７がその端部に設けられている。検討下にある第１の導管２４及び第２の導管２６は、燃料噴射器の働きをするこの導管のノズル領域２８において同心円をなす複数の丸穴から構成されている。ノズル２８は、燃焼器内筒１２内にそれぞれの燃料を直接噴射するのに役立ち、燃焼器内筒１２の上流端２０に配置されている。

図２には、ノズル領域２８におけるこれら２列の同心穴が明示されている。これらの列の各円は、１つの導管に付随している。内側の穴列２１は第１の導管２４に対応し、外側の穴列２３は第２の導管２６に対応する。各導管の噴射器数は例えば８〜１８個の穴と変動してよいが、この数に限定されるわけではない。図２には、両方の導管のために１４個の噴射器を備える望ましい実施形態が示されている。これらの穴は、互いに時計の目盛のように、すなわち線状（inline）に配置することが可能である。

もう１つの望ましい実施形態の場合、第１の導管２４のノズル領域２８の穴には、燃焼器内筒１２の燃焼領域内に燃料流を噴射するためのノズルの中心から少なくとも２つの異なる半径方向距離に配置された複数の穴が含まれる。このノズル設計によって、より大量の燃料流がノズルの中心に向かうのが助長され、その結果、費用効率よく、単純な方法でノズルが冷却されることになる。最も重要なのは、穴の配列によって、ノズルの空気力学的性能が維持されることである。図３には、燃焼器内筒１２に燃料を噴射するため第１の導管２４によって用いられる、こうしたタイプのこうしたノズル３０が示されている。第１組の穴３２と第２組の穴３４は、それぞれ、ノズルの中心３６から第１の半径方向距離３１及び第２の半径方向距離３３に配置されている。

図１に戻ると、燃焼器内筒１２の周壁１６には複数の開口１８が含まれている。少なくとも燃焼器内筒１２の上流端２０に近い２つの円筒形領域１４ａ及び１４ｂには、さらに、それぞれの円筒形領域の周囲に沿って分布した複数の開口１８が含まれている。この複数の開口１８によって、圧縮機段からの圧縮機排気を燃焼器内筒の燃焼領域に向かって流すことが可能になる。同時に、燃焼器内筒１０の下流端２２に近い円筒形領域の少なくとも１つには、圧縮機排気を燃焼器内筒１２の燃焼領域に向かって流すことができるように、円筒形領域の周囲に沿って分布した複数の開口１８を含むことも可能である。

図４には、図１の面２−２ａに沿った燃焼器内筒１２の断面の第１の実施形態４０が例示されている。個々の円筒形領域１４の開口数は、実施形態に基づいて５〜９の間で変動する。図４には、燃焼器内筒１２の円形領域１４内に６つの開口１８が示されている。

図５には、図１の面２−２ａに沿った燃焼器内筒１２の断面の第２の実施形態５０が例示されている。図５には、燃焼器内筒１２の円形領域１４内に７つの開口１８が示されている。

図６には、図１の面２−２ａに沿った燃焼器内筒１２の断面の第３の実施形態６０が例示されている。図６には、燃焼器内筒１２の円形領域１４内に９つの開口１８が示されている。燃焼器内筒のこれらの開口は、スクープ（scoop）、とりわけ、半径方向のスクープに似ており、これらを通して圧縮機排気が燃焼器内筒１２内に噴射される。これらの開口は、本明細書中の数箇所において、便宜上、スクープとも呼ばれる。

少なくとも、スクープの長さはスクープの直径の半分である。例えば、図６には、長さ４３と直径４１を有する開口１８が示されている。この長さ部分は、燃焼器内筒１２の内部領域に向けられている。この長さ部分は、空気をさらに燃焼領域内へと導くのに役立つ。スクープは、燃料流への侵入力の高まった空気流を供給して、加熱効率の向上及びより完全な燃焼を実現する。開口１８は、円筒形領域１４の周囲に沿って均等に分布している。開口を奇数にすると、回転非対称構成になるので、壁温度にとって有効であり、熱音響問題に役立つ。スクープは円形または楕円形の断面とすることが可能である。スクープが楕円形の場合、楕円形の最小寸法は内筒の中心線方向にある。スクープは、傾斜させる場合、内筒の中心線から下流に向かい、半径方向に対して０〜４５°の角度にすることが可能である。ある特定のレイアウトの場合、ある円筒形領域内のいくつかの、または全てのスクープが１５°の角度をなし、その一方で、別の円形領域内のいくつかの、または全てのスクープは０°の角度をなす。すなわち、半径方向において中心線に向くようにすることが可能である。さらに、スクープは半径方向に対し最大１５°の角度で燃焼システムの推進流に対向することが可能である。もう１つの実施形態の場合、スクープの下流エッジは、燃焼器内筒の中心線に対して０〜６０°の角度で切断（cut-off）される。これは、基本的にスクープに対する熱空気の再循環によって生じる損傷を回避するためである。

燃焼システム１０には、さらに、燃焼器内筒１２と、第１、第２、及び、第３の導管に結合されたカバープレート２９が含まれている。これにより、燃焼器内筒及び導管をケーシングに取り付けることが可能になる。

図７には、燃焼器内筒の壁１６の構成７０が例示されている。既述のように、燃焼器内筒１２の壁１６は、尾筒で互いに重なり合うように構成された複数の円筒形領域１４から形成されている。個々の円筒形領域１４には、外面７２が含まれており、前記外面７２には、図８に示すようにリブ構造８２が設けられている。外面７２は、壁１６を冷却するために空気流を供給するようになっている有孔層７４によってほぼ覆われている。燃焼器内筒１２の壁１６は、対流及びしみ出し冷却によって冷却される。この冷却法の有効性を高めるため、図７に示すいわゆるプレートフィン設計が用いられている。これらのプレートフィンは２つのライナから構成されている。ほぼ円筒形の領域である内側ライナには、冷却面を拡大するため、外面７２に冷却リブ構造８２が設けられている。外側ライナは有孔層７４である。冷却空気は、プレートフィンを出ると、しみ出し冷却空気の働きをする。

混焼システム１０には、さらに、燃焼器内筒１２を包囲するように配置された流量調整器４５が含まれており、この流量調整器４５には、円錐形セクション４６と円筒形セクション４７とが具備されており、この円錐形セクション４６と円筒形セクション４７は、燃焼器内筒１２の燃焼領域に向かって圧縮機排気を流すことができるようになっている複数の穴４８を有している。この流量調整器４５には、円錐形セクション４６と円筒形セクション４７とが具備されており、流量調整器４５は、冷却に必要な圧力降下を実現し、燃焼器内筒１２の燃焼領域に向かって均一な空気流を供給するために用いられる。円筒形セクション４７と円錐形セクション４６の両方の、複数の穴４８は、空気の流路として用いられる。

さらに、図９に示すように、尾筒９４と流量調整器４５の円錐形セクション４６の端部９６の間にはギャップ９２が存在する。流量調整器４５は、尾筒９４とわずかに重なっている。こうすることで、熱膨張がギャップ９２の流域に影響を及ぼさないことになる。円錐形セクション４６及び円筒形セクション４７は、フランジによって互いに接続するか、あるいは、互いに溶接することが可能である。

図１の混焼システム１には、さらに、燃焼器内筒１２の下流端２２に、円筒形領域１４の少なくとも１つに付随した複数の開口１８とアライメントのとれた複数スロット３７を備える吹出し口３５が含まれている。この吹出し口３５は、高温燃焼ガスとバネクリップ流路３９から流れ出る冷気流との混合を改善するように意図されている。これらの流れの混合が改善されると、ＣＯの排出が改善される。スクープ１８とアライメントのとれた吹出し口のスロット３７によって、吹出し口３５の過熱が阻止される。

次に、混焼システム１０の運転方法について述べることにする。運転は、２つの主たる段階、すなわち第１段階と第２段階に分けることが可能である。第１段階では、第１の導管２４を介して燃焼器内筒１２に供給される例えば天然ガスのような第１のタイプの燃料に点火するために、点火コイルによって燃焼器内筒に点火する。この方法には、第１のタイプの燃料に加えて、第１の導管２４に蒸気を供給するステップと、点火後、第２の導管２６に蒸気を供給するステップが含まれる。第１の導管２４に供給される蒸気より早い時点で第２の導管２６に蒸気が供給される。この方法には、さらに、第１段階中に、燃焼器内筒１２内における圧力差に関して燃焼システム１０を安定化させるため、例えば不活性ガス、窒素、蒸気、または、シールエアといった媒質を第２の導管２６に供給するステップも含まれる。典型的な産業用構成の場合、燃焼システムまたはタービンには、複数の燃焼器内筒が含まれており、運転中、これらの燃焼器内筒間で起こり得る圧力差が生じる可能性がある。前述の媒質の供給は、このタイプの構成に起因する燃焼器内筒におけるこの圧力差にも対応する。第１の運転段階中に、第１の導管２４及び第２の導管２６への蒸気供給が安定化すると、第２の導管２６への媒質の供給が停止される。

第２の運転段階では、例えば合成ガスのような第２のタイプの燃料が第２の導管２６を介して燃焼器内筒に供給され、それと同時に第１の燃料の供給が停止される。この方法には、さらに、第２段階中に、第１の導管２４を介して燃焼器内筒１２に第２のタイプの燃料の一部を供給するステップが含まれる。第１段階から、第２段階における第１の導管２４を介した第２のタイプの燃料の一部の供給開始まで、第１の導管２４には蒸気が連続して供給される。必要があれば、開口１８を介して前記燃料を送り込むことによって有効でより完全な燃焼を可能にするために、第３の導管２５を用いて、第１及び第２のタイプの燃料のいずれか一方を供給することも可能である。これにより、ＮＯｘの排出抑制がさらに促進されることになる。

本発明については特定の実施形態に関連して説明してきたが、この説明は、限定の意味に解釈されるように意図したものではない。本発明に関する説明を参照すれば、当業者には、開示の実施形態のさまざまな変更並びに本発明の代替実施形態が明らかになるであろう。従って、こうした修正は、定義された本発明の実施形態から逸脱することなく実施可能であると考えられる。

１０ 混焼システム
１２ 燃焼器内筒
１４ 燃焼器内筒の円筒形領域
１６ 燃焼器内筒の周壁
１８ 周壁の開口
２０ 燃焼器内筒の上流端
２１ ノズル領域の内側穴列
２２ 燃焼器内筒の下流端
２３ ノズル領域の外側穴列
２４ 第１の導管
２５ 第３の導管
２６ 第２の導管
２８ ノズル領域
３０ ノズル
３２ ノズルの第１組の穴列
３４ ノズルの第２組の穴列
３５ 吹出し口
３６ ノズルの中心
３７ 吹出し口のスロット
４５ 流量調整器
４６ 円錐形セクション
４７ 円筒形セクション
４８ 円錐形セクションおよび円筒形セクションの穴
７２ 円筒形領域の外面
７４ 有孔層
８２ 円筒形領域のリブ構造
９４ 尾筒

Claims (12)

1. 少なくとも２タイプの燃料を燃焼させるようになっており、その内部へ空気流を導くために複数の開口のある周壁を備えた燃焼器内筒と、
   前記燃焼器内筒に第１のタイプの燃料を直接供給するようになっている第１の導管と、
   前記燃焼器内筒に第２のタイプの燃料を直接供給するようになっている第２の導管と、
   前記開口の少なくとも１つを介して前記第１のタイプの燃料と前記第２のタイプの燃料の少なくとも一方を前記燃焼器内筒内に噴射するようになっている第３の導管とが含まれており、
   前記燃焼器内筒の壁が、尾筒で互いに重なり合うように構成された複数の円筒形領域から形成され、この壁が前記燃焼器内筒の上流端から下流端まで延びており、
   前記第１の導管は、より直径の大きい前記第２の導管と同軸をなして、その内側に配置され、
   前記第３の導管は、少なくとも１つの穴を備えた少なくとも１つの噴射ノズルが含まれており、前記開口の少なくとも１つに前記第１のタイプの燃料と前記第２のタイプの燃料の少なくとも一方を供給するとともに、前記円筒形領域の少なくとも１つに付随した前記開口の少なくとも１つを貫流する圧縮機排気中に前記第１のタイプの燃料と前記第２のタイプの燃料の少なくとも一方を噴射するようになっている、
   混焼システム。
2. 前記円筒形領域のそれぞれに外面が含まれていることと、前記外面にリブ構造が設けられており、前記壁を冷却するために空気流を供給するようになっている有孔層によって覆われていることを特徴とする請求項１に記載の混焼システム。
3. 前記燃焼器内筒の上流側の円筒形領域の少なくとも２つには、さらに、圧縮機排気を前記燃焼器内筒の燃料領域に向かって流すことができるように、前記円筒形領域の周囲に沿って分布した複数の開口が含まれることを特徴とする請求項１に記載の混焼システム。
4. 前記燃焼器内筒の下流側の円筒形領域の少なくとも１つには、さらに、前記圧縮機排気を前記燃焼器内筒の燃料領域に向かって流すことができるように、前記円筒形領域の周囲に沿って分布した複数の開口が含まれることを特徴とする請求項１に記載の混焼システム。
5. 前記円筒形領域のそれぞれに、５〜９の開口が含まれることを特徴とする請求項１に記載の混焼システム。
6. 前記円筒形領域のそれぞれに、奇数の開口が含まれることを特徴とする請求項５に記載の混焼システム。
7. 前記第１のタイプの燃料が天然ガスであることを特徴とする請求項１に記載の混焼システム。
8. 前記第２のタイプの燃料が合成ガスであることを特徴とする請求項１に記載の混焼システム。
9. 前記第１の導管に、前記第１のタイプの燃料と前記第２のタイプの燃料の少なくとも一方を前記燃焼器内筒に直接供給して燃焼させるためのノズルが含まれることと、前記ノズルに、前記燃焼器内筒の燃焼領域に燃料を流入させることができるように、前記ノズルの中心から少なくとも２つの異なる半径方向距離に配置された複数の穴が含まれることを特徴とする請求項１に記載の混焼システム。
10. さらに、前記燃焼器内筒の下流に、前記円筒形領域の少なくとも１つに付随した複数の開口とアライメントのとれた複数のスロットから構成される吹出し円錐が含まれることを特徴とする請求項１に記載の混焼システム。
11. さらに、前記燃焼器内筒を包囲するように配置された流量調整器が含まれており、この流量調整器には、円錐形セクションと円筒形セクションとが具備されており、この円錐形セクションと円筒形セクションが、前記燃焼器内筒の燃焼領域に向かって圧縮機排気を流すことができるようになっている複数の穴を有することを特徴とする請求項１に記載の混焼システム。
12. さらに、前記燃焼器内筒と前記導管に結合されたカバープレートが含まれており、前記カバープレートを用いて、前記燃焼器内筒及び前記導管をケーシングに取り付けることができるようになっていることを特徴とする請求項１に記載の混焼システム。
    
    

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