JP5399462B2

JP5399462B2 - バーナ装置を運転する方法

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Publication number: JP5399462B2
Application number: JP2011254192A
Authority: JP
Inventors: ペータークネプフェルハンス
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2004-11-03
Filing date: 2011-11-21
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2025-10-27
Also published as: US7491056B2; EP1807656B1; JP2012037234A; EP1807656A1; JP2008519237A; CN101095012B; CN101095012A; WO2006048405A1; US20070202453A1

Description

本発明は、バーナ装置を運転する方法に関する。

上位概念部に記載した形式の予混合バーナは長年にわたり、ガスタービン設備の駆動のための燃焼室のファイヤリングのために実績を有しており、そのバーナ特性に関してほぼ成熟したコンポーネントである。使用および所望のバーナ出力次第で、上位概念部に記載した形式の、バーナ出力に関してならびに有害物質エミッションの減少の観点で最適化されている予混合バーナが利用可能である。

ＥＰ０３２１８０９Ｂ１から見て取れるこの種の予混合バーナは実質的に、２つの中空の、円錐形の、流動方向で入れ子に収められた部分体から成っている。部分体のそれぞれの長手方向対称軸線は互いにずらされて延びており、その結果、部分体の隣接する壁はその長手方向延在長さで接線方向のスリットを燃焼空気流のために形成する。有利には、部分体により包囲される旋回室内に、中央のノズルを介して、液状の燃料が噴射される一方、接線方向の空気進入スリットの領域に長手方向で存在する別のノズルを介して、ガス状の燃料が供給される。

前記予混合バーナのバーナコンセプトは、円錐形に拡幅する旋回室内での閉じた旋回流動の発生に基づく。旋回流動はただし旋回の増加に基づいて流動方向で旋回室内において不安定になり、流動中心部に逆流域を伴う環状の旋回流動へと移行する。旋回流動が崩壊により逆流域を伴う環状の旋回流動へと移行する場所は実質的に、部分円錐シェルにより内接される円錐角と、空気進入スリットのスリット幅とにより決定される。原則的に、スリット幅と、最終的にバーナの構造長さを決定する円錐角との寸法設定の選択時に、バーナ開口領域で環状の旋回流動へと空間的に安定の逆流域の形成下で崩壊する旋回流動の形成へと至る所望の流動野が生じるように、狭い限界が定められている。空間的に安定の逆流域で、燃料空気混合物は空間的に安定の火炎の形成下で点火する。原則的に、空気進入スリットの縮小は逆流域の上流への移動に至る。そうすると、しかし、燃料と空気とから成る混合物は時間的かつ空間的により早く点火に至る。

他方、形成される逆流域をさらに下流にポジショニングする、すなわちより長い予混合区間または蒸発区間を得るために、旋回体の下流に、旋回流動を移送する、混合管の形の混合区間が設けられる。このような混合区間は例えばＥＰ０７０４６５７Ｂ１に詳述されている。この明細書に見て取れる、４つの部分円錐体から成る旋回体には、下流に、燃料空気混合物のさらなる混合のために役立つ混合区間が接続されている。旋回体から出た旋回流動を混合区間に連続的に移送するために、旋回体と混合区間との間に流動方向で延びる移行通路が設けられている。移行通路は、旋回体内で形成された旋回流動を、移行通路の下流に後置された混合区間へと移送するために役立つ。

構造的なバーナデザインの他に、液体燃料の供給も、旋回体内で形成される旋回流動の流動動特性ならびに旋回体の下流にできるだけ空間安定に形成される逆流域の流動動特性に対して決定的な影響を及ぼす。つまり、円錐形に拡幅する旋回室の円錐先端の場所でのバーナ軸線に沿った液体燃料の典型的な供給時、バーナ軸線に沿って形成されるリッチな燃料空気混合物が、特により大きな構造形式の予混合バーナの場合、生じる。それにより、旋回室の領域に向かっていわゆる「逆火（フラッシュバック）」の危険が上昇する。この種の逆火は一方で、それにより完全に混合されていない燃料空気混合物成分が燃焼されるためになおさら、必然的に強く高められたＮＯ_Ｘエミッションに至る。他方、逆火現象はとりわけ、予混合バーナの構造における熱的ならびに機械的な負荷、ひいては取り返しの付かない損傷に至り得るために危険であり、回避すべきである。

前記の、それぞれ所望のバーナ特性に最適に適合されたバーナデザインにより、より大きな、より高出力のバーナを形成するための、すべての予混合バーナコンポーネントの単なるサイズスケーリング（Ｇｒｏｅｓｓｅｎｓｋａｌｉｅｒｕｎｇ）により、自動的に所望のバーナ特性も維持されるわけではないことは明らかである。例えばガスタービンの質量流量は、個々のガスタービンコンポーネントの幾何学的なスケーリングファクタに直線的に対応するわけではなく、ほぼ二乗となる。すなわち、出力がガスタービン設備のサイズ適合により２倍にされるべきとき、燃焼プロセスに４倍もの空気を提供することが肝要である。このことは、大きさおよび出力ファクタにより区別される個々の個別的なガスタービン設備のために、適当な形式で所望の最適化されたバーナ特性に適合させることが肝要な、完全に新しいバーナおよび特に完全に新しい予混合バーナが設計され、製作されねばならないという結果を伴う。このことは回避することが肝要な高いコストを生じる。特に高出力のガスタービン設備の場合、多数の個々のバーナが、ガスタービン出力次第でバーナ出力ならびに有害物質エミッションに関して最適なバーナ特性を達成するために、燃焼室の周りに環状に配置される。加えて、一列、しかし特に二列および多列のバーナ配置がそれぞれ１つの燃焼室の周りに大きな構造容積を要求することは明らかである。

ＥＰ０３２１８０９Ｂ１ＥＰ０７０４６５７Ｂ１

前記説明は、ガスタービン設備の出力向上の意味での出力変更が今日公知の手段では必然的に、これまで公知の円錐形に形成された予混合バーナの完全に新しい構造を必要とすることを示している。ここでは、今日運転中の予混合バーナを備えていてもよいガスタービン設備の所望のスケーリングを可能にし、このことを既存の予混合バーナシステムにおける僅かな構造技術的な変更で可能にするために、対策を講じ、処置を求めることが肝要である。

本発明の課題は、特にガスタービン設備の駆動のための燃焼室のファイヤリングのための、熱発生器のためのバーナ装置を運転する方法であって、補い合って１つの旋回体を形成する部分円錐シェルと、ガス状および／または液状の燃料のための供給部とが設けられており、前記部分円錐シェルが、円錐形に拡幅する旋回室を包囲し、かつ互いに接線方向の空気進入スリットを画定し、前記供給部のうちの少なくとも１つの供給部が、空気進入スリットに沿って部分円錐シェルに配置されており、少なくとも１つの別の供給部が、旋回室の中央を貫くバーナ軸線に沿って配置されている方法を改良して、その使用が、より大きなバーナ出力を要するより大きく寸法設定されたガスタービン設備においても、バーナ装置の構造的な構成を本質的に変更する必要なく可能となるようにすることである。特に、バーナ出力を最大化する処置にもかかわらず、バーナに起因する有害物質エミッションをできるだけ僅かに維持することが肝要である。別の望ましい観点は、できるだけコンパクトかつ小さく維持されるべきこの種の、バーナ装置に属する予混合バーナの構造サイズに関する。もちろん、その上常に、本発明により改変された予混合バーナの運転信頼性を保証し、バーナ出力を高める処置にもかかわらず、高出力バーナシステムにおいて増加する逆火現象に関する危険を最小化、最終的には完全に排除することが肝要である。

本発明の根底にある課題の解決策は請求項１に記載されている。本発明の思想を有利な形で改良する特徴は従属請求項の対象であり、特に実施例に関する説明から見て取ることができる。

本発明の根底には、相応のバーナ出力に最適に適合された自体公知の予混合バーナの吸込み能力（Ｓｃｈｌｕｃｋｖｅｒｍｏｅｇｅｎ）を、その際に予混合バーナの構造サイズにとって決定的なジオメトリ寸法、例えば予混合バーナの長さおよび直径を変更することなく高めるというアイデアがある。

本発明により、請求項１の上位概念部に記載した特徴を備えた予混合バーナは、ｎ≧３である少なくともｎ個の部分円錐シェルが旋回室を包囲し、ｎ個の空気進入スリットを画定するという特徴を有している。ｎ個の空気進入スリットはそれぞれ、ｍ≦２個の部分円錐シェルとｍ個の空気進入スリットとを備えた同じ大きさおよび寸法設定、すなわち同じバーナ直径およびバーナ長さの、上位概念部に記載した形式の予混合バーナが有するスリット幅と同じであるか、またはそれよりも大きい少なくとも１つの最大のスリット幅を有している。

すなわち、上記目的を達成するために、本発明に係る熱発生器のための予混合バーナは、補い合って１つの旋回体を形成する部分円錐シェルと、ガス状および／または液状の燃料のための供給部とが設けられており、前記部分円錐シェルが、円錐形に拡幅する旋回室を包囲し、かつ互いに接線方向の空気進入スリットを画定し、前記供給部のうちの少なくとも１つの供給部が、空気進入スリットに沿って部分円錐シェルに配置されており、少なくとも１つの別の供給部が、旋回室の中央を貫くバーナ軸線に沿って配置されている形式のものにおいて、ｎ≧３である少なくともｎ個の部分円錐シェルが旋回室を包囲し、ｎ個の空気進入スリットを画定し、ｎ個の空気進入スリットがそれぞれ、ｍ≦２個の部分円錐シェルとｍ個の空気進入スリットとを備えた同じ大きさおよび寸法設定の上記形式の予混合バーナが有するスリット幅と同じであるか、またはそれよりも大きい少なくとも１つの最大のスリット幅を有していることを特徴とする。

好ましくは、ｎ≧５個の部分円錐シェルが設けられており、旋回発生器の下流に、管形の混合エレメントの形の混合区間が設けられており、旋回発生器と混合区間との間に、ｎ個の移行通路を備えた移行部分が設けられており、該移行部分が、旋回発生器内で形成された流動を、混合区間の、移行通路の下流に後置された通流横断面へと移送するために役立つ。

また、好ましくは、管形の混合エレメントが通流方向で少なくとも部分的にディフューザとして形成されている。

また、好ましくは、混合エレメントが、移行部分に直接引き続いて、一定の通流横断面を有する第１の流動領域を有しており、該第１の流動領域の下流に、流動方向で角度αの下で円錐形に拡幅する通流横断面を有する第２の流動領域が接続する。

空気進入スリットの個数ｎ、つまりそれぞれ相応の個数ｎの部分円錐シェルにより画定されている空気進入スリットの個数ｎを本発明により増すことにより、コンパクトなバーナデザインは原則的に不変に維持されることができ、同時に、バーナ中央部での中央の液体燃料噴射による高められた燃料分布の問題を、予混合バーナを貫流する空気流動の速度が、予混合バーナの空気装入量、ひいては吸込み能力の高まりと同じ程度で増すためになおさら回避する。このことは、逆火の危険がより大きなバーナ出力にもかかわらずかなり減じられ得る理由でもある。他方、ただし「バーナ定格速度（Ｂｒｅｎｎｅｒｎｅｎｎｇｅｓｃｈｗｉｎｄｉｇｋｅｉｔ）」の上昇は、バーナの下流での空間的に安定な逆流域の形成、これに由来する火炎安定性が犠牲にされることに至る。火炎安定性を相応に顧慮するために、形成される燃料空気混合物の、予混合バーナから出る流動速度を相応に引き下げることが肝要である。旋回発生器の下流に混合管が後置されている予混合バーナの場合、混合管の内側輪郭は流動方向でディフューザとして形成されている。すなわち、有利な実施形態で、混合管の内側輪郭は、適当に設けられた円錐角αでもって流動軸線に対して相対的に拡張する。

後置された混合管を備えていない予混合バーナの場合、空気スリットの個数の上昇はバーナ出口に対する逆流泡の移動に至る。それにより、予混合も改善され、やはりより低いエミッション値が生じる。

本発明の有利な構成では、ｎ≧５個の部分円錐シェルが設けられており、旋回発生器の下流に、管形の混合エレメントの形の混合区間が設けられており、旋回発生器と混合区間との間に、ｎ個の移行通路を備えた移行部分が設けられており、該移行部分が、旋回発生器内で形成された流動を、混合区間の、移行通路の下流に後置された通流横断面へと移送するために役立つ。本発明のさらに別の有利な構成では、管形の混合エレメントが通流方向で少なくとも部分的にディフューザとして形成されている。本発明のさらに別の有利な構成では、混合エレメントが、移行部分に直接引き続いて、一定の通流横断面を有する第１の流動領域を有しており、該第１の流動領域の下流に、流動方向で角度αの下で円錐形に拡幅する通流横断面を有する第２の流動領域が接続する。

本発明について以下に、普遍的な本発明の思想を制限することなく、実施例をもとに図面を参照しながら例示的に説明する。

円錐形に形成された予混合バーナと引き続いての混合管とを備えたバーナ装置の縦断面図であり、その上半分は背景技術を示す断面図であり、下半分は本発明による実施形態の断面図である。自体公知の旋回発生器（背景技術）の横断面図である。本発明により形成された旋回発生器の横断面図である。

図１にはバーナ装置の縦断面図が示されている。図示のバーナ装置は、実質的に３つの部分コンポーネント、つまり円錐形に形成された予混合バーナ１と、移行部分２と、管形の混合エレメント４の形で形成されている混合区間３とを有している。図１に示した縦断面図の上半分は、自体公知の、旋回発生器もしくは渦発生器１を備えた予混合バーナ装置を示している。旋回発生器の旋回室は、ｎ＝４個の部分円錐シェル５により包囲されている。ｎ＝４個の部分円錐シェル５は、合わせてｎ＝４個の空気進入スリット７を画定する。この種の公知の旋回発生器１の横断面図は図２に示されている。図２からは明らかに、１つの内側の旋回室６を包囲する４つの部分円錐シェル５が見て取れる。４つの空気進入スリット７は、外側の予混合バーナ直径Ｄａと、旋回室６のサイズを規定する内側の直径Ｄｉとを規定する。さらに、図２に示した横断面には、部分円錐シェルの、その部分円錐シェル中心に関するそれぞれの相互の空間的なずれが見て取れる。部分円錐シェル中心はそれぞれ十字により示されている。それぞれの空気進入スリット７を通して、空気Ｌは、それぞれ大きな矢印で示すように、部分円錐シェル５の流入側エッジに設けられている相応の供給管路８を通して供給される有利にはガス状の燃料Ｂと共に、旋回発生器１の内部に達する。旋回発生器１の内部には、軸方向でバーナ軸線Ａ（図１参照）に対して縦に下流に向かって広がる旋回流動もしくは渦流が形成される。

流動方向で見て予混合バーナ１内に後置された移行部分２は、旋回発生器１の内部に形成された旋回流動を、下流に接続された混合区間３へとほぼ損失なしに移送するために役立つ。そのために移行部分２には、相応の流動移送のために形成されている移行通路９が設けられている。混合区間３内で燃料空気混合物は、これまでは一定の流動直径Ｄ_Ｍを有する管形の混合エレメント４内で完全に混合され、混合管４からの流出後、図示しない燃焼室内で、空間的に安定の逆流域の形成下で点火される。

予混合バーナの吸込み能力を本発明により、構造サイズ、すなわち特に予混合バーナ１の長さならびに予混合バーナ外径Ｄａおよび内径Ｄｉを同じに維持したまま拡大するために、図３の横断面に示した新種の予混合バーナは、ｎ＝４個の部分円錐シェルの代わりに、ｎ＝６個の部分円錐シェル５を有している。ｎ＝６個の部分円錐シェル５はそれぞれｎ＝６個の空気進入スリット７を形成する。進入スリット７は、図２に示した標準予混合バーナの場合と同じ最大のスリット幅１０を有している。それにより、空気Ｌが空気進入スリット７を介して旋回室６の内部に到達し得る総面積が、従来公知の予混合バーナ、例えば図２に示した実施形態の場合よりも遥かに大きいことは明らかである。やはり、図３に示した、本発明により形成される予混合バーナの部分円錐シェル５は中央で、十字により図３の横断面内に示した部分円錐シェル中心に応じて互いにずらされて配置されている。

予混合バーナの拡大された吸込み能力により、同時にバーナ定格速度、すなわち旋回発生器の内部で形成される燃料空気混合物が軸方向でバーナ軸線Ａに対して広がり得る流動速度も上昇する。燃焼室内の、さもなければ空間的に安定に形成される逆流域の火炎安定性を犠牲にすることのないように、図１の下側の部分縦断面図に示した実施例は、流動方向で見て角度αで拡幅する流動横断面輪郭を有し、それによりディフューザとして働く管形の混合エレメント４を有している。それにより、流動の軸方向速度は引き下げられる。

旋回室６を画定もしくは包囲する部分円錐シェル５の個数と同じだけ、移行部分２にも、同じ数の移行通路、つまり６つの移行通路が、混合区間３への旋回流動の移送のために設けられている。

前記例は、後置された混合区間を備えた予混合バーナ、つまり出願人により「ＡｄｖａｎｃｅｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＶｏｒｔｅｘ−Ｂｒｅｎｎｅｒ（ＡＥＶ−Ｂｒｅｎｎｅｒ）」とも呼称されるバーナ装置を示している。ただし、バーナ幾何学形状を同じに維持したままでの、空気進入スリットの個数の増加によるバーナ出力の向上に関する本発明による思想は、後置された混合区間を備えた予混合バーナにのみ適用されるものではなく、むしろ、後置された混合区間を備えていない、上位概念部に記載した形式の予混合バーナにおいても適用可能である。この種の、出願人により「ＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＶｏｒｔｅｘ−Ｂｒｅｎｎｅｒ（ＥＶ−Ｂｒｅｎｎｅｒ）と呼称される予混合バーナは、自体公知の形式で、ダブル円錐シェルバーナ（Ｄｏｐｐｅｌｋｅｇｅｌｓｃｈａｌｅｎｂｒｅｎｎｅｒ）として形成される。すなわち、旋回発生器の旋回室は、合わせてたった２つの空気進入スリットを画定する２つの部分円錐シェルによってのみ包囲される。それに対して、３つまたはそれよりも多くの部分円錐シェルが旋回室の画定のために使用され、その際個々の空気進入スリットの幅が少なくとも、これまで公知の空気進入スリットの幅を有していると、この事例においても、この種のＥＶ−予混合バーナの吸込み能力は、その際長さおよび直径に関するバーナ寸法を変更することなく向上され得る。

１予混合バーナ、２移行部分、３混合区間、４混合管、５部分円錐シェル、６旋回室、７空気進入スリット、８燃料供給管路、９移行通路、１０空気進入スリットのギャップ幅

Claims

バーナ装置を運転する方法であって、バーナ装置が、旋回室（６）を備える予混合バーナ（１）と、少なくとも１つの燃料（Ｂ）を供給する手段と、予混合バーナ（１）の下流側に配置される移行通路（９）と、移行通路（９）の下流側に配置される混合管（４）とを備え、予混合バーナ（１）が、バーナ装置により運転される熱発生器の所定のバーナ出力のために設計されており、該バーナ出力が、少なくとも１つの空気進入スリット（７）を介して予混合バーナ（１）内に流入する燃焼空気質量（Ｌ）に基づいて生じる、バーナ装置を運転する方法において、バーナ出力を、バーナ装置（１，９，４）の外側の寸法設定は同じまま、予混合バーナ（１）内に流入する燃焼空気質量（Ｌ）を空気進入スリット（７）の数の増加により増大させることにより高め、前記空気進入スリット（７）の数の増加は予混合バーナ（１）内への燃焼空気の吸込み能力の増大に至らせ、かつ混合管（４）の少なくとも一部領域が、少なくとも混合管（４）内の燃焼空気質量の軸方向の流動速度を低下させる拡開する流動横断面輪郭（α）を備えるようにし、これにより、混合管（４）の下流側に形成される逆流域の火炎安定性を最大化することを特徴とする、バーナ装置を運転する方法。
拡開する流動横断面がディフューザとして機能する、請求項１記載の方法。
バーナ装置のバーナ出力の向上を空気進入スリットの数の増加により達成する、請求項１または２記載の方法。
予混合バーナをｎ≧３の空気進入スリットの数で運転する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。