JP5882387B2 - 燃焼器を運転する方法および燃焼器 - Google Patents

Description

本発明は、燃焼器、特にガスタービンの燃焼器であって、該燃焼器が、ボディを有しており、該ボディが、該ボディ内に燃料を供給するための燃料供給導管と、ボディ内にキャリヤ空気を供給するためのキャリヤ空気供給導管とを備えている燃焼器に関する。

さらに、本発明は、燃焼器、特にガスタービンの燃焼器を運転する方法であって、燃焼器が、ボディを有しており、該ボディが、該ボディ内に燃料を供給するための燃料供給導管と、ボディ内にキャリヤ空気を供給するためのキャリヤ空気供給導管とを備えている、燃焼器を運転する方法に関する。

ガスタービンは、圧縮機と、燃焼器と、この燃焼器内で発生させられた高温ガスを膨張させるためのタービンとを有している。

さらに、ガスタービンは、タービンの下流側に設けられた第２の燃焼器と、この第２の燃焼器の下流側に設けられた第２のタービンとを有していてよい。

燃焼器および（提供されている場合に）第２の燃焼器には、圧縮機からの空気と、燃料とが供給される。この燃料は、高温ガスを発生させるために燃焼させられる。

燃料が天然ガスである場合には、その組成および特性が時間と共に著しく変化してしまう。たとえば、窒素（燃焼プロセスに関与しないので不活性の成分）の量が時間と共に著しく変化してしまう。

燃焼器において提供される総エネルギ（たとえば燃焼器内に噴射された燃料の低位発熱量）がガスタービンの負荷を規定し、ガスタービン負荷が一定に保たれているかまたはほぼ一定に保たれている場合には、燃料の特性が変化しても、燃焼器内に噴射される燃料質量流量が著しく変化してしまう。

燃料が燃焼器内に噴射される場合、燃料組成の変化により生じる燃料質量流量における著しく変化は、燃焼器内での燃料噴流の貫徹力における変化ひいては不十分な混合、大量のエミッション、たとえばＮＯ_ｘエミッションおよび低減された効率を招いてしまう。

本発明の課題は、燃料の組成が変化した場合でも、燃料噴流の正確な貫徹力が可能となる方法およびガスタービンを提供することである。

本発明の別の課題は、燃料の組成が時間と共に変化した場合でも、正確な混合、削減されたエミッションおよび効率のよい運転が可能となる方法およびガスタービンを提供することである。

この課題を解決するために、本発明に係る燃焼器では、該燃焼器が、ボディ内に供給されるキャリヤ空気質量流量を燃料の特性に応じて調整するための調整システムを有している。

本発明に係る燃焼器の好ましい態様では、燃料供給導管とキャリヤ空気供給導管とが、燃料とキャリヤ空気とを共に噴射するための少なくとも１つの共通のノズルに接続されている。

本発明に係る燃焼器の好ましい態様では、調整システムが、少なくとも１つの共通のノズルを通して噴射された燃料とキャリヤ空気との運動量をほぼ一定に保つように配置されている。

本発明に係る燃焼器の好ましい態様では、燃焼器が、ボディ内に突出したランスを有しており、該ランスが、少なくとも１つの共通のノズルを有していて、燃料供給導管とキャリヤ空気供給導管とを収容しており、該燃料供給導管と該キャリヤ空気供給導管とが、共通のノズルに接続されている。

本発明に係る燃焼器の好ましい態様では、燃料の特性が、質量流量および／または組成および／またはウォッベ指数である。

本発明に係る燃焼器の好ましい態様では、調整システムが、燃料の特徴的な特性を測定するためのセンサと、キャリヤ空気供給導管に接続された絞り弁と、センサおよび絞り弁に接続されていて、センサにより測定された特徴的な特性に基づき絞り弁を駆動するための制御ユニットとを有している。

本発明に係る燃焼器の好ましい態様では、燃焼器が、圧縮機と、第１の燃焼器と、第１のタービンとを有するガスタービンの一部である。

本発明に係る燃焼器の好ましい態様では、ガスタービンが、タービンの下流側に、該タービンからの排ガスが供給される第２の燃焼器と、第２のタービンとを有しており、燃焼器が、第１の燃焼器および／または第２の燃焼器である。

さらに、前述した課題を解決するために、本発明に係る方法では、ボディ内に供給されるキャリヤ空気質量流量を燃料の特性に応じて調整する。

本発明に係る方法の好ましい態様では、燃料供給導管とキャリヤ空気供給導管とが、少なくとも１つの共通のノズルに接続されており、前記方法において、燃料とキャリヤ空気とを共に少なくとも１つの共通のノズルを介して噴射する。

本発明に係る方法の好ましい態様では、少なくとも１つの共通のノズルを通して噴射された空気とキャリヤ空気との運動量をほぼ一定に維持する。

本発明に係る方法の好ましい態様では、燃料の特性が、質量流量および／または組成および／またはウォッベ指数である。

本発明に係る方法およびガスタービンは、燃料の組成が変化した場合でも、燃料噴流の正確な貫徹力を得ることができるという利点を有している。

さらに、本発明に係る方法およびガスタービンは、燃料の組成が時間と共に変化した場合でも、正確な混合、削減されたエミッションおよび効率のよい運転が可能となるという利点を有している。

更なる利点は、従属請求項に記載の方法およびガスタービンによって得られる。

更なる特徴および利点は、限定されない例として添付の図面に示した方法およびガスタービンの、好ましいものの、非限定的な実施の形態の説明からさらに明らかである。

ガスタービンの第１の実施の形態を示す図である。 ガスタービンの第２の実施の形態を示す図である。 燃焼器の第１の実施の形態を示す図である。 燃焼器の第２の実施の形態を示す図である。 図４のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。

以下に、本発明を実施するための形態を図面につき詳しく説明する。

まず、ガスタービンの２つの実施の形態を以下に説明する。

図１には、圧縮機２と、燃焼器３と、タービン４とを有するガスタービン１が示してある。

圧縮機２が空気を圧縮し、この圧縮された空気が燃焼器３内に供給され、この燃焼器３内で空気が燃料、たとえば天然ガスと混合される。この混合物が燃焼させられて、高温ガスを発生させ、この高温ガスがタービン４内で膨張させられる。

図２には、ガスタービン１がタービン４の下流側に第２の燃焼器５と第２のタービン６とを有する実施の形態が示してある。

第２の燃焼器５内では、燃料、たとえば天然ガスが、タービン４内で部分的に膨張させられた排ガス内に噴射されて、高温ガスを発生させ、この高温ガスがタービン６内で膨張させられる。

両燃焼器３，５は、同一のまたは類似の特徴を有していてもよいし、互いに異なる特徴を有していてもよい。以下では、燃焼器５について具体的に言及する。両燃焼器３，５が同一のまたは類似の特徴もしくは互いに異なる特徴を有しているという事実に関係なく、同じ考えが燃焼器３に当てはまる。

燃焼器５は、たとえば長方形、正方形または台形の導管１１を規定するボディ１０を有している。さらに、燃焼器５は、燃料、たとえば天然ガスをボディ１０内に供給するための燃料供給導管１４と、キャリヤ空気をボディ１０内に供給するためのキャリヤ空気供給導管１５とを有している。

キャリヤ空気とは、貫徹力を高めるために、燃料噴流を制限して、この燃料噴流に運動量を加える空気質量流量である。また、キャリヤ空気は、燃料を過度に急速な高温ガス連行から防護し、自己着火を遅らせる。

さらに、燃焼器５は、ボディ１０内に供給されるキャリヤ空気質量流量を燃料の特性に応じて調整するための調整システム１７を有している。

燃料供給導管１４とキャリヤ空気供給導管１５とは、少なくとも１つの共通のノズル１９に接続されている。言い換えると、燃料供給導管１４と空気供給導管１５との両方を通った流量が、ノズル１９を通してボディ１０内に噴射される。通常、燃料供給導管１４は、ノズル１９の中心の部分に面した開口２０を有しており、空気供給導管１５は、開口２０を取り囲んでノズル１９の縁を介して延びる通路２１を有している。

有利には、調整システム１７は、好ましくはガスタービン１の負荷がほぼ一定である場合、共通のノズル１９を通して噴射された燃料とキャリヤ空気との運動量をほぼ一定に保つように配置されている。

好ましい実施の形態では、ランス２４が設けられている。このランス２４はボディ１０内に突出していて、共通のノズル１９を有している。１つ以上のこのような共通のノズル１９が設けられていてもよい。ランス２４は、燃料供給導管１４とキャリヤ空気供給導管１５とを収容しており、この燃料供給導管１４とキャリヤ空気供給導管１５とは、共通のノズル１９に接続されている。

調整システム１７は、燃料の特徴的な特性を測定するためのセンサ２５と、キャリヤ空気供給導管１５に接続された絞り弁２７と、センサ２５および絞り弁２７に接続されていて、センサ２５により測定された特徴的な特性に基づき絞り弁２７を駆動するための制御ユニット２８とを有していてよい。

択一的に、調整システム１７は、燃料流量が変化した場合に、空気流量を自動的に調整する形状および／または寸法を有する開口２０および／または通路２１を備えていてもよい。

たとえば、開口２０とノズル１９とは、ほぼ合致した軸線２９を有していてよく、この軸線２９に対して垂直な開口２０の領域は、同じ軸線２９に対して垂直なノズル１９の領域よりも小さく形成されていてよい。

別の実施の形態では、燃料の特性が、燃料の質量流量および／または組成および／またはウォッベ指数であってよい。

ガスタービン１の運転は、明細書および図面から明らかであり、実質的に以下の通りである。

図３の実施の形態に関して、燃料、たとえば天然ガスが燃料供給導管１４を通過する。その際、センサ２５が燃料の所要の特性を検出し、この特性を制御ユニット２８に伝送する。この制御ユニット２８が、センサ２５により受信された信号に基づき絞り弁２７を駆動する。したがって、この絞り弁２７が、燃料流量に基づきキャリヤ空気流量を調整する。調整には、設定された機能に応じて噴射されるかまたは設定された機能を一定に保つために噴射される空気および燃料の運動量の調整が含まれていてもよい。空気および燃料のこの運動量は、
Ｍ_ａ・ｖ_ａ＋Ｍ_ｆ・ｖ_ｆ
である。ここで、Ｍ_ａは、キャリヤ空気の質量流量であり、ｖ_ａは、噴射時のキャリヤ空気速度であり、Ｍ_ｆは、燃料の質量流量であり、ｖ_ｆは、噴射時の燃料速度である。

図４および図５の実施の形態に関して、燃料Ｆが燃料供給導管１４を通過し、キャリヤ空気Ａが空気供給導管１５を通過する。開口２０、通路２１およびノズル１９の特徴のおかげで、キャリヤ空気流量の自動的な調整が行われる。実際、燃料の特性の変化は、燃料の質量流量の変化を結果的に招く。なぜならば、負荷がほぼ一定の場合、（低位発熱量の意味での）エネルギがほぼ一定に保たれなければならないからである。択一的には、燃料の質量流量が、所望の負荷に応じて調整されてもよい。符号Ｍは、キャリヤ空気Ａと燃料Ｆとにより形成された混合物を表している。この混合物Ｍはノズル１９で形成される。

燃料質量流量の変化は、通路２１を通る空気流量に影響を与え、これによって、自動的な調整が達成される。

本発明は、燃焼器５を運転する方法にも関する。

本発明に係る方法は、燃焼器５のボディ１０に供給されるキャリヤ空気質量流量を燃料の特性に応じて調整することを含んでいる。

有利には、燃料およびキャリヤ空気が共に共通のノズル１９を介して噴射される。

さらに、この共通のノズル１９を通して噴射された燃料およびキャリヤ空気の運動量は、ガスタービン１の負荷がほぼ一定である場合、ほぼ一定に保たれる。

実際、使用される材料と寸法とは、要求および技術水準に応じて任意に選択することができる。

１ ガスタービン
２ 圧縮機
３ 燃焼器
４ タービン
５ 燃焼器
６ タービン
１０ ボディ
１１ 導管
１４ 燃料供給導管
１５ キャリヤ空気供給導管
１７ 調整システム
１９ ノズル
２０ 開口
２１ 通路
２４ ランス
２５ センサ
２７ 絞り弁
２８ 制御ユニット
２９ 軸線
Ａ キャリヤ空気
Ｆ 燃料
Ｍ 混合物

Claims (8)

1. ボディを有する燃焼器（５）であって、該ボディ（１０）内に燃料（Ｆ）を供給するための燃料供給導管（１４）と、該ボディ（１０）内にキャリヤ空気（Ａ）を供給するためのキャリヤ空気供給導管（１５）とを有する前記ボディを備えている燃焼器において、ボディ（１０）内に供給されるキャリヤ空気質量流量を燃料（Ｆ）の特性に応じて調整するための調整システム（１７）を有しており、
   前記燃料供給導管（１４）と前記キャリヤ空気供給導管（１５）とが、燃料（Ｆ）とキャリヤ空気（Ａ）の両方を噴射するための少なくとも１つの共通のノズル（１９）に接続され、
   調整システム（１７）が、該少なくとも１つの共通のノズル（１９）を通して噴射された燃料（Ｆ）とキャリヤ空気（Ａ）との運動量をほぼ一定に保つように配置されていることを特徴とする、燃焼器。
2. 燃焼器（５）が、ボディ（１０）内に突出したランス（２４）を有しており、該ランス（２４）が、少なくとも１つの共通のノズル（１９）を有していて、燃料供給導管（１４）とキャリヤ空気供給導管（１５）とを収容しており、該燃料供給導管（１４）と該キャリヤ空気供給導管（１５）とが、前記共通のノズル（１９）に接続されている、請求項１記載の燃焼器。
3. 前記燃料（Ｆ）の特性が、質量流量および／または組成および／またはウォッベ指数である、請求項１記載の燃焼器。
4. 前記調整システム（１７）が、前記燃料（Ｆ）の特徴的な特性を測定するためのセンサ（２５）と、キャリヤ空気供給導管（１５）に接続された絞り弁（２７）と、前記センサ（２５）および該絞り弁（２７）に接続されていて、前記センサ（２５）により測定された特徴的な特性に基づき前記絞り弁（２７）を駆動するための制御ユニット（２８）とを有している、請求項１記載の燃焼器。
5. 燃焼器（５）が、圧縮機（２）と、第１の燃焼器（３）と、第１のタービン（４）とを有するガスタービン（１）の一部である、請求項１記載の燃焼器。
6. 前記ガスタービン（１）が、前記タービン（４）の下流側に、該タービン（４）からの排ガスが供給される第２の燃焼器（５）と、第２のタービン（６）とを有しており、前記燃焼器（５）が、第１の燃焼器（３）および／または第２の燃焼器（５）である、請求項５記載の燃焼器。
7. 燃焼器（５）を運転する方法であって、該燃焼器（５）が、ボディ（１０）を有しており、該ボディ（１０）が、該ボディ（１０）内に燃料（Ｆ）を供給するための燃料供給導管（１４）と、該ボディ（１０）内にキャリヤ空気（Ａ）を供給するためのキャリヤ空気供給導管（１５）とを備えている、燃焼器を運転する方法において、前記ボディ（１０）内に供給されるキャリヤ空気質量流量を燃料（Ｆ）の特性に応じて調整するものであり、
   前記燃料供給導管（１４）と前記キャリヤ空気供給導管（１５）とが、少なくとも１つの共通のノズル（１９）に接続されており、前記方法において、燃料（Ｆ）とキャリヤ空気（Ａ）の両方を前記少なくとも１つの共通のノズル（１９）を介して噴射し、
   該少なくとも１つの共通のノズル（１９）を通して噴射された前記燃料（Ｆ）と前記キャリヤ空気（Ａ）との運動量をほぼ一定に維持することを特徴とする、燃焼器を運転する方法。
8. 前記燃料（Ｆ）の特性が、質量流量および／または組成および／またはウォッベ指数である、請求項７記載の方法。

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