JP5873239B2 - 燃料フレキシブル燃焼器システム及び方法 - Google Patents

Description

本出願は、総括的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的には、異なるタイプの燃料の範囲に適応することができる燃料フレキシブル燃焼器システム及び方法に関する。

最新設計の乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）ガスタービンエンジンでは一般的に、反応つまり燃焼ゾーンの上流で燃料及び空気流が予混合される。そのような予混合は、燃焼温度を低下させかつ窒素酸化物（ＮＯｘ）及び同様のもののような望ましくない排出物（エミッション）を減少させる傾向にある。そのようなエミッションは、米国では連邦及び州の両方の規制を受け、また海外でも同様の規制を受ける。

最新式のＤＬＮガスタービンは一般的に、天然ガスで作動するが、ガスタービンエンジンはまた合成ガス及び同様のもののような高反応性燃料で作動することができるような燃料柔軟性（フレキシビリティ）を備えることが望ましいと言える。しかしながら、予混合ノズル内でのそのような高反応性燃料の使用は、保炎を生じさせかつノズル損傷の可能性に至るおそれがある。従って、そのような高反応性燃料の使用には、限界がある。

米国特許第７，４３５，５０３号明細書

従って、天然ガスのような低反応性燃料からより高反応性燃料の使用までの燃料の範囲に適応するタービン燃焼器システム及び方法に対する要望が存在する。燃焼器は、耐久性又は効率を制限することなく、そのような高反応性燃料に適応することができなければならない。

従って、本出願は、燃焼器を提供する。本燃焼器は、幾つかのノズルと、その中に低反応性燃料を備えた第１の燃料源と、その中に高反応性燃料を備えた第２の燃料源と、ノズルに送給される低反応性燃料及び高反応性燃料の流量を変化させるようになった一次弁とを含むことができる。

本出願はさらに、低反応性燃料及び高反応性燃料を使用して燃焼器を作動させる方法を提供する。本方法は、低反応性燃料の流れを二次ノズルに導くステップと、低反応性燃料の流れを幾つかの一次ノズルに導くステップと、二次ノズル及び一次ノズルに導かれる低反応性燃料の流量を変化させるステップと、高反応性燃料の流れを一次ノズルに導くステップと、一次ノズルに導かれる低反応性燃料及び高反応性燃料の流量を変化させるステップとを含むことができる。

本出願はさらに、燃焼器を提供する。本燃焼器は、幾つかの一次ノズルと、二次ノズルと、その中に低反応性燃料を備えた第１の燃料源と、一次ノズル及び二次ノズルに送給される低反応性燃料の流量を変化させるようになった二次弁と、その中に高反応性燃料を備えた第２の燃料源と、一次ノズルに送給される低反応性燃料及び高反応性燃料の流量を変化させるようになった一次弁とを含むことができる。

本出願のこれらの及びその他の特徴及び改良は、幾つかの図面及び特許請求の範囲と関連させてなした以下の詳細な説明を精査することにより、当業者には明らかになるであろう。

ガスタービンエンジンの概略図。 本明細書で説明することができるような燃焼器の概略図。 作動の一次モードにおける燃焼器の概略図。 作動の希薄−希薄モードにおける燃焼器の概略図。 作動の移行モードにおける燃焼器の概略図。 燃料ペグ及び移送通路を備えた二次ノズルの端部の平面図。 作動の予混合モードにおける燃焼器の概略図。 燃料噴射システムの概略図。 本明細書で説明するようなフレキシブル燃料噴射システムの概略図。 作動のブレンドモードにおける燃焼器の概略図。

次に、幾つかの図全体を通して同じ参照符号が同様な要素を表している図面を参照すると、図１は、ガスタービンエンジン１０の概略図を示している。公知なように、ガスタービンエンジン１０は、流入空気の流れを加圧する圧縮機２０を含むことができる。圧縮機２０は、加圧空気の流れを燃焼器３０に送給する。燃焼器３０は、加圧空気の流れを加圧燃料の流れと混合しかつその混合気を点火燃焼させる。単一の燃焼器３０のみを示しているが、ガスタービンエンジンは、あらゆる数の燃焼器３０を含むことができる。次に、高温燃焼ガスが、タービン４０に送給される。高温燃焼ガスは、タービン４０を駆動して、機械的仕事を産生するようにする。タービン４０で産生された機械的仕事は、圧縮機２０を駆動しかつ発電機などのような外部負荷５０を駆動する。

ガスタービンエンジン１０は、ニューヨーク州スケネクタディ所在のＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙによって提供されるＦクラス高出力タービンエンジン及び同様のものとすることができる。ガスタービンエンジン１０は、その他の構成を有することができ、またその他のタイプの構成要素を使用することができる。本明細書では、その他のタイプのガスタービンエンジン１０もまた使用することができる。複数ガスタービンエンジン１０、その他のタイプのタービン、及びその他の発電装置を使用することができる。

図２は、本明細書で説明することができるような燃焼器１００の１つの実施例を示している。燃焼器１００は、ニューヨーク州スケネクタディ所在のＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙによって提供されるＤＬＮ−１燃焼器及び同様のものとすることができる。本明細書では、その他のタイプの燃焼器１００もまた使用することができる。

燃焼器１００は、一次つまり上流燃焼ゾーン１１０及び二次つまり下流燃焼ゾーン１２０を含むことができる。燃焼ゾーン１１０、１２０は、ベンチュリ１３０によって分離することができる。ベンチュリ１３０は、燃焼ガスの速度を増大させると共に、一般的にベルヌーイの法則によりその中の圧力を低下させる。燃焼ゾーン１１０、１２０は、ライナ１４０によって囲むことができる。燃焼器１００はさらに、流れスリーブ１５０を含むことができる。流れスリーブ１５０は、端部カバー１７０にボルト止めすることができる。流れスリーブ１５０は、圧縮機２０からの空気流を送る。本明細書では、その他の燃焼器設計及び構成を使用することもできる。

幾つかの一次ノズル１６０が、一次燃焼ゾーン１１０に燃料を供給することができる。一次ノズル１６０の各々は、一次燃焼ゾーン１１０内に突出することができ、かつ端部カバー１７０の周りに取付けることができる。一次ノズル１６０は、中心二次ノズル１８０の周りにアレイの形態で配置することができる。二次ノズル１８０は、端部カバー１７０から延びて、二次燃焼ゾーン１２０内に燃料を導入するようにすることができる。二次ノズル１８０は、中心本体１９０内に設置することができる。燃料は、以下でより詳細に説明するように燃料管路を通して一次ノズル１６０及び二次ノズル１８０に送給することができる。

燃焼器１００は一般的に、４つの明確に異なる燃料供給モードで作動する。図３は、作動の一次モード２００を示している。一次モード２００では、燃料は、一次ノズル１６０のみに供給される。従って、燃焼火炎は、一次燃焼ゾーン１１０内のみに存在する。一次モード２００は、低負荷を超えて中負荷までかつ最高でも事前選択燃焼基準温度までにおいて着火し、加速しかつ作動させるように用いられる。具体的には、一次モード２００は一般的に、着火から全負荷の約２０％ほどまでにおいて用いられる。

図４は、作動の希薄−希薄モード２１０を示している。希薄−希薄モード２１０では、燃料は、一次ノズル１６０及び二次ノズル１８０の両方に供給される。従って、燃焼火炎は、一次燃焼ゾーン１１０及び二次燃焼ゾーン１２０の両方内に存在する。作動のこのモードは一般的に、約２０％から約５０％までの中間負荷においてかつ２つの事前選択燃焼基準温度間において用いられる。燃料の約７０％が、一次ノズル１６０に導かれる一方、残りの３０％が、二次ノズル１８０に向けて導かれる。

図５は、作動の移行モード２２０を示している。移行モード２２０では、燃料は、二次ノズル１８０のみに送給される。従って、燃焼火炎は、二次燃焼ゾーン１２０内のみに存在する。このモードは、希薄−希薄モード２１０と以下で説明する予混合モードとの間の移行のためのものである。移行モード２２０は、一次予混合ゾーンになるものの中に燃料を再導入する前に、一次燃焼ゾーン１１０内の火炎を認識するのに必要である。

燃料は二次ノズル１８０のみに送給されるが、二次ノズル１８０は、その中に複数の燃料通路を含むことができる。図６に示すように、二次ノズル１８０は、標準二次ノズル予混合作動のための幾つかの燃料ペグ２２２を含むことができる。二次ノズル１８０はまた、該ノズル１８０の端部の周りに配置された幾つかの移送通路２２４を含むことができる。移送通路２２４は、移行モード２２０での拡散のために一次ノズル１６０からの燃料の第２の流れを二次ノズル１８０の端部に送給する。移送通路２２４は、二次ノズル１８０の端部に配置して、保炎を回避するようにすべきである。

図７は、作動の予混合モード２３０を示している。予混合モード２３０では、燃料は、一次ノズル１６０及び二次ノズル１８０の両方に送給される。燃焼火炎は、二次燃焼ゾーン内のみに存在する一方、燃料及び空気流が、一次ゾーン１１０内で予混合される。予混合モード２３０は、燃焼基準温度設計ポイントでまたその近くで達成される。最適なエミッションは、予混合モード２３０で作動するときに発生する。燃料の約８０％が、一次ノズル１６０に送給され、残りの２０％ほどが、二次ノズル１８０に送給される。

通常作動に加えて、一次再着火（ＰＲＩ）が生じた場合つまり予混合モード２３０にある間に一次燃焼ゾーン１１０内に燃焼火炎が存在する場合には、異なるシーケンスが必要となる可能性がある。そのような状況では、燃料が二次ノズル１８０のみに送給されている移行モード２２０が再び確立されるまで、一次ノズル１６０からの燃料流を減少させることができる。一次燃焼ゾーン１１０内の燃焼火炎が消滅すると、燃焼器１００は次に、予混合モード２３０に戻ることができる。

図８は、燃焼器１００で使用することができる燃料噴射システム２４０を示している。燃料噴射システム２４０は一般的に、その中に燃料２５５を備えた燃料源２５０を含む。燃料２５５は一般的に、天然ガスとすることができるが、その他のタイプの燃料を使用することもできる。燃料源２５０は、スプリッタ弁２６０を介して一次ノズル１６０及び二次ノズル１８０と連通状態にすることができる。スプリッタ弁２６０は、一次ノズル１６０及び／又は二次ノズル１８０のいずれか又は両方に流れる燃料２５５の割合を決定する。スプリッタ弁２６０は、制御装置２７０と通信状態にすることができる。制御装置２７０は、従来通りのマイクロプロセッサ及び同様のものとすることができる。制御装置２７０は、様々なアルゴリズムを使用して、タービン全体の負荷及びその他のファクタに基づいてノズル１６０、１８０に送給される燃料２５５並びにその他の流体の割合を決定することができる。速度比弁２８０及びガス制御弁２９０もまた、使用することができる。

図９は、本明細書で説明することができるようなフレキシブル燃料噴射システム３００を示している。フレキシブル燃料噴射システム３００は、その中に第１の燃料３１５を備えた第１の燃料源３１０を含む。第１の燃料３１５は、天然ガス及び同様のもののような低反応性燃料とすることができる。第１の燃料源３１０はまた、一次ノズル１６０及び二次ノズル１８０と連通状態にすることができる。第２の燃料スプリッタ弁３２０もまた、上述したように制御装置３３０と通信状態にして流れを導くようにすることができる。

フレキシブル燃料噴射システム３００はさらに、その中に第２の燃料３４５を備えた第２の燃料源３４０を含むことができる。第２の燃料３４５は、高反応性燃料とすることができる。そのような高反応性燃料３４５の実施例には、合成ガス、水素、並びにエタン、ブタン、プロパン、ペンタン、一酸化炭素又はそれらの混合物のような重質炭化水素が含まれる。本明細書では、その他のタイプの高反応性燃料３４５も使用することができる。第２の燃料源３４０は、第１の燃料スプリッタ弁３５０を介して一次ノズル１６０と連通状態にすることができる。第１の燃料スプリッタ弁３５０もまた、制御装置３３０と通信状態にすることができる。（明瞭かつ単純にするために、一次ノズル１６０には、二次ノズル１８０の移送通路２２４が含まれる。）
従って、制御装置３３０は、上述したように、第２の燃料スプリッタ弁３２０を介して一次ノズル１６０又は二次ノズル１８０のいずれかに送給される第１の燃料源３１０からの低反応性第１の燃料３１５の流量を変化させる。制御装置３３０はまた、一次ノズル１６０への、第１の燃料源３１０からの低反応性第１の燃料３１５の流量及び第２の燃料源３４０からの高反応性第２の燃料３４５の流量を変化させる。二次ノズル１８０は一般的に予混合モードでのみ作動するので、移送通路２２４を介する以外で一次ノズル１６０において高反応性第２の燃料３４５を使用するのは適切でないものとなる可能性がある。

使用中に、天然ガス、その他のタイプの従来型の燃料、反応性ガスの許容ドーピングをした天然ガス、又はその他のタイプの低反応性第１の燃料３１５は、第１の燃料源３１０から二次ノズル１８０に導くことができる。低反応性第１の燃料３１５及び同様のものは一般的に、良好な保炎マージンを有する。第２の流れスプリッタ３２０は、上述したように第１の燃料３１０の流量を一次ノズル１６０及び二次ノズル１８０間で配分する。しかしながら、一次ノズル１６０はまた、拡散モードで作動させることができる。従って、図１０は、作動のブレンドモード３６０を示している。従って、第２の燃料源３４０は、高反応性第２の燃料３４５を一次ノズル１６０に送給する。第１の流れスプリッタ３５０は、一次ノズル１６０に導かれる第１の燃料３１５及び第２の燃料３４５の流量を配分する。

作動の一次モード２００では、二次ノズル１８０は、低反応性第１の燃料３１５を燃焼させることができる一方、一次ノズル１６０は、低反応性第１の燃料３１５及び高反応性第２の燃料３４５のブレンドを燃焼させることができる。作動の希薄−希薄モード２１０では、高反応性第２の燃料３４５の量は、移行モード２２０に向けて減少させることができる。移行モード２２０では、二次ノズル１８０の燃料ペグ２２２は、低反応性第１の燃料３１５のみを燃焼させる一方、高反応性第２の燃料３４５は、移送通路２２４に逸らすことができる。高反応性第２の燃料３４５のブレンドは再び、作動の予混合モード２３０で始まり、かつ安定した効率的な作動のためにブレンドモード３６０で継続させることができる。高反応性第２の燃料３４５の使用は、一次再着火回復時に中断させる必要がある可能性がある。

一次ノズル１６０が総燃料ボリュームの約８０％又はそれ以上を燃焼させるので、高反応性第２の燃料３４５の消費量は、ハードウェアへの悪影響なしに増加させることができる。従って、このフレキシブル燃料噴射システム３００により、作動の範囲にわたって燃料柔軟性がある状態で燃料が供給されることになる。

上記の説明は本出願の一部の実施形態のみに関するものであること並びに本明細書において当業者は特許請求の範囲及びその均等物によって定まる本発明の一般的技術思想及び技術的範囲から逸脱せずに多くの変更及び修正を加えることができることを理解されたい。

１０ ガスタービンエンジン
２０ 圧縮機
３０ 燃焼器
４０ タービン
５０ 負荷
１００ 燃焼器
１１０ 一次燃焼ゾーン
１２０ 二次燃焼ゾーン
１３０ ベンチュリ
１４０ ライナ
１５０ 流れスリーブ
１６０ 一次ノズル
１７０ 端部カバー
１８０ 二次ノズル
１９０ 中心本体
２００ 一次モード
２１０ 希薄−希薄モード
２２０ 移行モード
２２２ 燃料ペグ
２２４ 移送通路
２３０ 予混合モード
２４０ 燃料噴射システム
２５０ 燃料源
２５５ 燃料
２６０ スプリッタ弁
２７０ 制御装置
２８０ 速度比弁
２９０ ガス制御弁
３００ フレキシブル燃料噴射システム
３１０ 第１の燃料源
３１５ 第１の燃料
３２０ 第２の燃料スプリッタ弁
３３０ 制御装置
３４０ 第２の燃料源
３４５ 第２の燃料
３５０ 第１の燃料スプリッタ弁
３６０ ブレンドモード

Claims (7)

1. 複数の一次ノズルと、二次ノズルとを含む、複数のノズルと、
   複数の一次燃焼ゾーンと、
   前記複数の一次燃焼ゾーンの下流に配置された二次燃焼ゾーンと、
   その中に低反応性燃料ガスを備えた第１の燃料源と、
   その中に高反応性燃料ガスを備えた第２の燃料源と、
   前記高反応性燃料ガスを前記複数の一次ノズルのそれぞれに分けて、前記複数のノズルに送給される前記低反応性燃料ガス及び前記高反応性燃料ガスの流量を変化させ、前記複数のノズルに適合した反応性の燃料ガスの混合流を形成して、一次再着火回復時に前記高反応性燃料ガスの供給を中断させる、一次スプリッタ弁と、
   前記複数の一次ノズル及び前記二次ノズルに送給される前記低反応性燃料ガスの流量を変化させるようになった二次スプリッタ弁と、
   を含む、燃焼器。
2. 前記一次スプリッタ弁及び二次弁と通信状態になった制御装置をさらに含む、請求項１に記載の燃焼器。
3. 前記低反応性燃料ガスが、天然ガスを含む、請求項１または２に記載の燃焼器。
4. 前記高反応性燃料ガスが、合成ガス又は水素を含む、請求項１から３のいずれかに記載の燃焼器。
5. 低反応性燃料及び高反応性燃料を使用して燃焼器を作動させる方法であって、
   前記低反応性燃料の流れを二次ノズルに導くステップと、
   前記低反応性燃料の流れを複数の一次ノズルに導くステップと、
   二次スプリッタ弁を用いて、前記二次ノズル及び一次スプリッタ弁を介して前記複数の一次ノズルに導かれる前記低反応性燃料の流量を変化させるステップと、
   前記高反応性燃料の流れを前記複数の一次ノズルに導くステップと、
   前記一次スプリッタ弁を用いて、前記複数の一次ノズルに導かれる前記低反応性燃料及び高反応性燃料の流量を変化させて、前記複数のノズルに適合した反応性のガス燃料の混合流を形成して、一次再着火回復時に前記高反応性燃料ガスの供給を中断させる、ステップと、
   を含む、方法。
6. 希薄−希薄モードでは、前記複数の一次ノズルに送給される前記低反応性燃料及び高反応性燃料の流れのブレンドが、減少する、請求項５に記載の方法。
7. 前記希薄−希薄モードが、一次燃焼ゾーン内及び二次燃焼ゾーン内での燃焼を含む、請求項６に記載の方法。