特許 6045345 ガスタービン燃焼器の動作を液体燃料から気体燃料へとおよびその逆へと切り替えるための方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6045345

(24)【登録日】2016年11月25日

(45)【発行日】2016年12月14日

(54)【発明の名称】ガスタービン燃焼器の動作を液体燃料から気体燃料へとおよびその逆へと切り替えるための方法

(51)【国際特許分類】

   F02C 9/40 20060101AFI20161206BHJP

   F23R 3/28 20060101ALI20161206BHJP

   F23R 3/36 20060101ALI20161206BHJP

   F23R 3/30 20060101ALI20161206BHJP

   F23R 3/18 20060101ALI20161206BHJP

   F23R 3/00 20060101ALI20161206BHJP

   F23R 3/12 20060101ALI20161206BHJP

【ＦＩ】

   F02C9/40 A

   F23R3/28 D

   F23R3/28 Z

   F23R3/36

   F23R3/30

   F23R3/18

   F23R3/00 A

   F23R3/12

【請求項の数】13

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2012-527348(P2012-527348)

(86)(22)【出願日】2010年9月6日

(65)【公表番号】特表2013-504004(P2013-504004A)

(43)【公表日】2013年2月4日

(86)【国際出願番号】EP2010063053

(87)【国際公開番号】WO2011026982

(87)【国際公開日】20110310

【審査請求日】2013年8月23日

(31)【優先権主張番号】09169580.9

(32)【優先日】2009年9月7日

(33)【優先権主張国】EP

(73)【特許権者】

【識別番号】515322297

【氏名又は名称】ゼネラル エレクトリック テクノロジー ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング

【氏名又は名称原語表記】Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＧｍｂＨ

(74)【代理人】

【識別番号】100114890

【弁理士】

【氏名又は名称】アインゼル・フェリックス＝ラインハルト

(74)【代理人】

【識別番号】100099483

【弁理士】

【氏名又は名称】久野 琢也

(72)【発明者】

【氏名】メーウヴィッセン・ティエモ

(72)【発明者】

【氏名】ラッハナー・ルードルフ

(72)【発明者】

【氏名】コカノヴィク・スタンカ

(72)【発明者】

【氏名】シェル・ズザンネ

【審査官】 橋本 敏行

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００１−０５９４２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−１１４３０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−２２９９０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−３２７３３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１３３５１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１６３９３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−０２７８９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−３２８９６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１０／０２７３１１７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００５／０１６４１３８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２００９／０６８４２５（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０２Ｃ１／００−９／５８

Ｆ２３Ｒ３／００−７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ガスタービン燃焼器の動作を液体燃料（２１）から気体燃料（２２、２３）へ、およびその逆へと切り替えるための方法であって、前記燃焼器（１）が、予混合された気体燃料を供給するためのノズル（６）と、パイロット気体燃料（２３）を注入するためのノズル（８）と、液体燃料（２１）を注入するためのノズル（９）とを備えている方法において、
前記液体燃料（２１）および前記予混合気体燃料（２２）が、液体燃料動作から気体燃料動作へと切り替えるように調整される間に、前記パイロット気体燃料（２３）が、実質的に一定の流量で注入されるように制御されるとともに、前記パイロット気体燃料（２３）が実質的に一定の流量に制御される前に、前記燃焼器（１）を切替え開始状態にするように、前記液体燃料（２１）の流量が低減され、前記予混合気体燃料（２２）および前記パイロット気体燃料（２３）の流量が増大され、且つ
前記液体燃料（２１）および前記予混合気体燃料（２２）が、気体燃料動作から液体燃料動作へと切り替えるように調整される間に、前記パイロット気体燃料（２３）が、実質的に一定の流量で注入されるように制御されるとともに、前記パイロット気体燃料（２３）が実質的に一定の流量に制御される前に、前記燃焼器（１）を切替え開始状態にするように、前記液体燃料（２１）の流量が増大され、前記予混合気体燃料（２２）および前記パイロット気体燃料（２３）の流量が低減され、
気体燃料動作から液体燃料動作への切替え中に、予混合気体燃料（２２）の調整後に、パイロット気体燃料（２３）が切られるように調整されることを特徴とする方法。

【請求項2】

前記液体燃料（２１）が、その流量を低減するように調整される際に、前記予混合気体燃料（２２）が、その流量を増大させるように調整され、前記液体燃料（２１）が、その流量を増大するように調整される際に、前記予混合気体燃料（２２）が、その流量を低減させるように調整されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記パイロット気体燃料（２３）の流量が、火炎の安定性を制御するように実質的に一定の流量に制御されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。

【請求項4】

前記液体燃料（２１）の流量が調整される間に、それに従って水（２５）の注入が調整されることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項に記載の方法。

【請求項5】

調整後に、前記予混合気体燃料（２２）の流量および／または前記パイロット気体燃料（２３）の流量がゼロになると、パージ媒体（２６）が、予混合気体燃料ノズル（６）および／またはパイロット気体燃料ノズル（８）を通して注入されることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項に記載の方法。

【請求項6】

調整後に、前記液体燃料（２１）の流量がゼロになると、パージ媒体（２６）が前記液体燃料ノズル（９）を通して注入されることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項に記載の方法。

【請求項7】

前記切替え中に、前記ガスタービンの負荷が実質的に一定であることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項に記載の方法。

【請求項8】

気体燃料（２２、２３）動作から液体燃料（２１）動作への切替え中に、動作温度が低下し、該液体燃料（２１）動作から該気体燃料（２２、２３）動作への切替え中に、前記動作温度が上昇することを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項に記載の方法。

【請求項9】

パイロット気体燃料（２３）が、ランス（７）の側部に、または前記ランス（７）の先端に、または前板（１０）にあるパイロット気体燃料ノズル（８）を通して注入されることを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項に記載の方法。

【請求項10】

液体燃料（２１）が、ランス（７）の先端にある液体燃料ノズル（９）を通して注入されることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１項に記載の方法。

【請求項11】

パイロット気体燃料（２３）が、予混合気体燃料（２２）の調整前または調整後に調整されることを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか１項に記載の方法。

【請求項12】

液体燃料動作から気体燃料動作への切替え中に、予混合気体燃料（２２）の調整前に、パイロット気体燃料（２３）が動作流量まで増大するように調整されることを特徴とする、請求項１から１１までのいずれか１項に記載の方法。

【請求項13】

前記燃焼器が、少なくとも２つの円錐形シェル（２）を備え、前記少なくとも２つの円錐形シェル（２）が、実質的に円錐形の渦流室（３）を画成し、空気（２０）を供給するための接線方向のスロット（５）と、前記予混合気体燃料（２２）をその中に供給するための前記ノズル（６）とを備え、前記燃焼器がさらに、前記パイロット気体燃料（２３）を注入するための前記ノズル（８）と、前記円錐形の渦流室（３）内の中央に配置され、前記液体燃料（２１）を注入するための前記ノズル（９）を備えるランス（７）とを備えることを特徴とする、請求項１から１２までのいずれか１項に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ガスタービン燃焼器の動作を液体燃料から気体燃料へとおよびその逆へと切り替えるための方法に関する。

【0002】

たとえば、本方法は、円錐形予混合燃焼器を有するガスタービンの燃料切替えに用いることができる。わかりやすくするために、以下でそのような円錐形予混合燃焼器を参照するが、いずれにせよ、この方法を異なる燃焼器にも用いることができることは明らかである。

【背景技術】

【0003】

図１を参照すると、円錐形予混合燃焼器１は、円錐形の渦流室３を画成する、２つ（または３つ以上）の実質的に円錐形の壁部２を備えることがわかる。

【0004】

円錐形壁部２は、空気が入るためのスロット５を画成し、かつ、予混合気体燃料を渦流室３内に注入するためのノズル６も備える（予混合とは、この燃焼器が予混合動作を有することを意味する）。

【0005】

さらに燃焼器１は、ランス７を有し、ランス７は、パイロット気体燃料を注入するためのノズル８、および液体燃料を注入するためのさらなるノズル９（通常ランス７の先端に配置される）を有する。

【0006】

壁部２は、前板１０を介して燃焼室１１に連結される。

【0007】

図１では、ノズル８はランス７の側部に示されるが、別の例では、パイロット気体燃料のためのノズル８を、ランス７の先端または前板１０に配置することができる。

【0008】

通常、パイロット気体燃料は、拡散火炎を生み出し、予混合気体燃料は、予混合火炎を生み出すが、別の例では、パイロット気体燃料はまた、拡散火炎と予混合火炎が混合された火炎を生み出すことがある。この種の燃焼器では、（液体または気体燃料のいずれかを用いる）２つの異なる動作が可能である。

【0009】

気体燃料動作
気体燃料動作中は、ノズル６が予混合気体燃料を注入し、ノズル８がパイロット気体燃料を注入し、ノズル９は、いかなる液体燃料も注入しない。

【0010】

したがって、圧縮空気がスロット５を通って渦流室３内に入り、気体燃料がノズル６および８を通して供給され、渦流室３内で空気と気体燃料の混合により混合物が形成され、それが燃焼室１１内で燃焼させられる（参照番号１３は火炎を示す）。

【0011】

液体燃料動作
液体燃料動作中は、ノズル９が液体燃料を注入するが、ノズル６および８は、いかなる燃料も注入しない。

【0012】

この場合も、圧縮空気がスロット５を通って渦流室３内に入り、液体燃料がノズル９を通して供給され、渦流室３内で空気と液体燃料の混合により混合物が形成され、それが燃焼室１１内で燃焼させられる（参照番号１３は火炎を示す）。

【0013】

切替え
気体燃料動作から液体燃料動作へと切り替えるために、従来は、ノズル６（予混合気体ノズル）および８（パイロット気体ノズル）を通して渦流室３内に注入される気体燃料の流量がともに低減され（すなわち予混合気体燃料の流量およびパイロット気体燃料の流量が同時に低減される）、さらに、液体燃料流量が増大される。

【0014】

気体燃料流量の低減および液体燃料流量の増大は、初期流量（１００％気体燃料および０％液体燃料）から最終流量（０％気体燃料および１００％液体燃料）へと、実質的に線形関数で行われる。

【0015】

液体燃料から気体燃料動作への切替えは、同じやり方で行われ、すなわち、液体燃料流量が１００％から０％へと低減されると同時に、予混合気体燃料およびパイロット気体燃料の両方が同時に０％から１００％へと増大される。

【0016】

主に使用されているとはいえ、いくつかの場合において、この切替え方法により、不安定なガスタービン動作が生じることが判明した。

【0017】

すなわち、予混合気体燃料およびパイロット気体燃料が減少し液体燃料が増大する間、または液体燃料が減少し予混合気体燃料およびパイロット気体燃料が増大する間に、大幅な圧力脈動が生み出されるほど、火炎の安定性が影響を受ける可能性がある。

【0018】

圧力脈動は、それが生じる燃焼器および燃焼室だけでなく、燃焼排気排出システムなど他の構成要素にも応力を加えるので、ガスタービンの耐用年数にとって非常に有害であることが知られている。

【0019】

特許文献１は、気体燃料および液体燃料を用いて動作することができ、さらにパイロット気体燃料およびパイロット液体燃料も備える、ガスタービンを開示している。この文書は、液体燃料から気体燃料へ、およびその逆への切替えをどのように行うことができるかについて、全く示唆していない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0020】

【特許文献1】国際特許出願公開第２００９／０６８４２５号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0021】

したがって、本発明の技術的な目的は、従来技術の前記問題をなくすことができる方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0022】

この技術的な目的の範囲内において、本発明の一態様は、気体燃料動作から液体燃料動作への切替え中、または液体燃料動作から気体燃料動作への切替え中のいずれにおいても圧力脈動が生み出されないような、ガスタービン動作が切替え中も非常に安定する方法を提供する。

【0023】

この技術的目的は、これらおよびさらなる態様とともには、添付の特許請求の範囲による方法を提供することにより、本発明に従って達成される。

【0024】

本発明のさらなる特徴および利点は、添付の図面に非限定的な例として示される本発明による方法の好ましいが排他的でない実施形態の説明から、より明らかになるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】燃焼器を示す概略断面図である。

【図2】気体燃料動作から液体燃料動作への切替え中の気体燃料流量および液体燃料流量を示す図である。

【図3】液体燃料動作から気体燃料動作への切替え中の気体燃料流量および液体燃料流量を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0026】

燃焼器１は、予混合燃焼器であり、予混合された気体燃料を供給するためのノズル６、パイロット気体燃料２３を注入するためのノズル８、および液体燃料２１を注入するためのノズル９を有する。

【0027】

たとえば円錐形燃焼器１は、図１を参照しながら既に説明した特徴部分を有する、従来の燃焼器である。当然、他の種類の燃焼器も可能である。

【0028】

これに関して、燃焼器１は、（圧縮機からの）圧縮空気２０が導入されるプレナム１５内に収容され、この圧縮空気は、スロット５を通過し、渦流室３に入る。

【0029】

この方法によれば、液体燃料２１および予混合気体燃料２２が、液体燃料動作から気体燃料動作へ、またはその逆へと切り替わるように調整される間に、パイロット気体燃料２３は、実質的に一定の流量に制御される（すなわち、パイロット気体燃料流量の小さい変化はありうるが、それらは燃焼器の動作に影響を及ぼさない）。

【0030】

具体的には、液体燃料２１がその流量を低減するように調整される際に、予混合気体燃料２２は、その流量を増大させ、またその逆に調整される。

【0031】

有利には、予混合気体燃料の調整中に、パイロット気体燃料２３の流量は、火炎の安定性を制御するように実質的に一定の流量に制御される。

【0032】

パイロット気体は、予混合気体の調整前または調整後に調整される。特に、気体から液体燃料動作への切替え中は、予混合気体燃料２２の調整後に、パイロット気体燃料２３が切られるように調整され、液体から気体燃料動作への切替え中は、予混合気体燃料２２の調整前に、パイロット気体燃料２３が動作流量まで増大されるように調整される。

【0033】

さらに、液体燃料２１の流量が調整される間に、水の注入２５がそれに応じて調整される。

【0034】

さらに、調整後に、予混合気体燃料の流量および／またはパイロット気体燃料の流量がゼロになり、パージ媒体２６が、予混合気体燃料ノズル６および／またはパイロット気体燃料ノズル８を通して注入される。

【0035】

同じやり方で、調整後に、液体燃料２１の流量がゼロになり、パージ媒体２６が液体燃料ノズル９を通して注入される。

【0036】

パイロット気体燃料２３が実質的に一定の流量に制御される前に、予混合気体燃料２２およびパイロット気体燃料２３、ならびに液体燃料２１が、燃焼器を切替え開始状態にするようにまとめて調整される。

【0037】

通常、切替え中はガスタービンの負荷は実質的に一定であり、さらに、気体燃料動作から液体燃料動作への切替え中は、動作温度が低下するかその逆である（すなわち液体燃料動作から気体燃料動作への切替え中は動作温度が上昇する）。

【0038】

気体燃料動作から液体燃料動作へ、およびその逆へと切り替えるための方法を以下に詳細に説明する。

【0039】

気体燃料動作から液体燃料動作への切替え
図２を特に参照すると、まず予混合気体燃料２２が、ノズル６を通して渦流室３内に注入され、パイロット気体燃料２３が、ノズル８を通して渦流室３内に注入され、液体燃料が、ノズル９を通して注入されず、制限された水の流量２５も、渦流室３内に注入される（図２、領域Ｉ）。

【0040】

気体燃料から液体燃料動作への切替えが開始するとき、予混合気体燃料２２、パイロット気体燃料２３、および液体燃料２１が、切替え開始状態に到達するようにまとめて調整され、これに関して（図２の領域ＩＩ）、液体燃料２１の流量が増大され、水２５の流量も増大されるので、予混合気体燃料２２の流量が低減され、パイロット気体燃料２３の流量も低減され、液体燃料２１の流量が（ゼロから）増大される。

【0041】

次いで、（図２の領域ＩＩＩ）予混合気体燃料２２の流量が、最低流量まで低減され、次いで切られ、同時に、（予混合気体燃料を切ることに相当するステップとともに）液体燃料２１の流量および水２５の流量が増大され、パイロット気体燃料２３の流量が、実質的に一定となるように制御される。

【0042】

その後（図２の領域ＩＶ）、パージ媒体２６が、ノズル６を洗浄するためにノズル６を通して注入され、次いで（図２の領域Ｖ）パイロット気体燃料２３が、最低流量まで低減され、次いで切られる一方、パイロット気体燃料を切ることに相当するステップとともに、液体燃料２１および水２５の流量が増大される。

【0043】

次いで（図２の領域ＶＩ）、パージ媒体が、ノズル８を洗浄するためにノズル８を通して注入される。

【0044】

こうして（図２の領域ＶＩＩ）、燃焼器１は、液体燃料２１を用いて動作する。

【0045】

液体燃料動作から気体燃料動作への切替え
図３を特に参照すると、液体燃料動作中は、液体燃料２１および水２５が、渦流室３内に注入される（図３の領域Ｉ）。

【0046】

切替えの最初に、水２５の流量および液体燃料２１の流量が、低減されるように調整され、予混合気体燃料２２およびパイロット気体燃料２３も、（ゼロから、図３の領域ＩＩ）増大するように調整される。

【0047】

次いで、パイロット気体燃料２３がその動作状態までさらに増大させられる一方、予混合気体燃料２２の流量は、実質的に一定に維持され、水２５の流量および液体燃料２１の流量も低減される（図３の領域ＩＩＩ）。

【0048】

次いで、水２５の流量および液体燃料２１の流量は、液体燃料の流量がゼロになるまでさらに低減され、同時に、予混合気体燃料２２の流量が増大され、これらの調整中に、パイロット気体燃料２３の流量が実質的に一定となり、すなわちその流量が実質的に一定であるとしても、火炎の安定性を制御するために小さい制御が行われる（図３の領域ＩＶ。）

【0049】

次いで、パージ媒体２６がノズル９を通して注入され（図３の領域Ｖ）、こうして（図３の領域ＶＩ）燃焼器は、気体燃料２２および２３を用いて動作する。

【0050】

パージ媒体２６として、水および／または窒素を用いることができる。

【0051】

当然、記載されている特徴は、互いに独立して提供することができる。

【0052】

このようにして考え出された方法は、すべて本発明の発明概念の範囲に包含される多数の修正形態および変形形態を許容可能であり、さらに、すべての詳細は、技術的に同等の要素によって置き換えることができる。

【0053】

実際は、使用する材料および寸法は、必要条件および最新技術に従って、自由に選択することができる。

【符号の説明】

【0054】

１ 燃焼器
２ 円錐形壁部
３ 渦流室
５ スロット
６ 予混合気体燃料ノズル
７ ランス
８ ランス７のパイロット気体燃料ノズル
９ ランス７の液体燃料ノズル
１０ 前板
１１ 燃焼室
１３ 火炎
１５ プレナム
２０ 空気
２１ 液体燃料
２２ 予混合気体燃料
２３ パイロット気体燃料
２５ 水
２６ パージ媒体

【図1】

【図2】

【図3】