JP5078237B2 - 低エミッションガスタービン発電のための方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は一般的には、ガス化石燃料の燃焼を伴う発電に関し、より具体的には、高負荷（ヘビーデューティ）ガスタービン発電機での汚染物質排出物（エミッション）を削減するための方法及び装置に関する。

本明細書で使用されるような５０ＨｚＦクラス高負荷ガスタービンとは、２４００°Ｆ（１３１５℃）程度の定格ＩＳＯ日（ＩＳＯ−Ｄａｙ）燃焼温度
すなわち、仕事を抽出する最初の回転タービンブレード又はバケットの入口面で計測されたときの、仕事が抽出されるガスタービン内の最高平均作動流体温度を有するガスタービンを意味する。酸素１５％換算値で９ｐｐｍ以下のＮＯ_Ｘエミッションレベルは、こうしたガスタービンにおいては、公知の予混合技術、並びに５０及び６０Ｈｚ Ｆクラスタービン市場で現在入手可能なドライ（乾式）低ＮＯ_Ｘ（ＤＬＮ）システムに対する更なる機能強化を用いて達成することができる。この種類の低エミッションガスタービンは、構成要素の幾何形状と、燃焼システムの火炎構造全体に対する燃焼火炎安定性の維持機構として機能する燃焼器内の中央燃料ノズルと、燃焼器内に多重燃料マニホルド及び導入点を含む燃料及び空気ステージングシステム設計と、主要な合わせ構成要素間のシールとの組合せ及び最適化によるブラフ・ボディ火炎安定化を提供する。少なくとも１つの公知のガスタービンである、ゼネラル・エレクトリックＭＳ７００１ＦＡ型ガスタービン（ゼネラル・エレクトリックから購入可能）は、６０Ｈｚ発電市場で９ｐｐｍを下回るＮＯ_Ｘエミッション運転を既に達成している。しかしながら、他の公知のガスタービンである、ＧＥ ＭＳ９００１ ＦＡ５０Ｈｚガスタービンは、現在のところ２５ｐｐｍを下回るＮＯ_Ｘエミッションを保証している。

現在続行中又は、北イタリア及びスペインなどの幾つかの国際的地域で既に施行されている、政府による法律制定は、発電に使用される５０Ｈｚ高負荷ガスタービンから許容されるＮＯ_Ｘエミッション量をかなり制限しようとするものである。

このようなエミッションを削減するための１つの方法は、ガスタービンプラントの排気システムへ選択的触媒還元（ＳＣＲ）装置を導入することである。ＳＣＲ装置は、導入及び運転にコストがかかる可能性があり、継続的に機能させるために無水アンモニアのような高価な加工薬品を必要とし、これらの運転の副産物としてアンモニアの排出による環境面でのリスクを伴う。多くの国は、アンモニアベースのＳＣＲ装置の使用を禁止しており、こうした国では、ガスタービン操業者は、エミッションコンプライアンスを達成するために、目標設計定格を下回る低い燃焼温度で運転しなければならない。低ＮＯ_Ｘエミッションは、ガスタービンの当初の目標設計定格より低い燃焼温度（タービン「出力低下」として当業者には公知のプロセス）で達成することができるが、プラントの出力電力及び効率が低下し、最終的には電力供給者の収益の機会が失われることとなる。
特開２００１−２２７７４５号公報

４０から５０ｐｐｍ程度の最小ＮＯ_Ｘレベルを達成できる、多くの初期の形式のガスタービンＮＯ_Ｘ制御技術では、ＮＯ_Ｘエミッションを低減させるために、水噴射が当業者によって公知の方法で使用されている。ＮＯ_Ｘエミッションの更なる改善は、種々の形態のＤＬＮ技術を使用して実現されてきたが、しかしながら、この技術を使用するシステムは、燃焼の不安定性及び燃焼動圧又は音響ノイズに起因する生来の運転上の制約を有する。このようなシステムはまた、極めて限られたガスタービンの負荷範囲内でのみ低エミッションモードで運転することができる。

従って、本発明の幾つかの様態は、ガスタービンを使用する発電用の低エミッション方法を提供する。本方法は、複数の燃料及び空気混合気を予混合する段階と、燃料及び空気混合気を複数の燃料ノズルを使用して燃焼室に噴射する段階と、燃焼室内部で燃料／空気濃度分布を制御するため少なくとも１つのノズルによって噴射される燃料／空気比率を調節する段階とを含む。

別の様態において、本発明は、低減されたエミッションでエネルギーを生成するガスタービンを提供する。本ガスタービンは、複数の燃料及び空気混合気を予混合し、燃料及び空気混合気を複数の燃料ノズルを使用して燃焼室に噴射し、燃焼室内部で燃料／空気濃度分布を制御するため少なくとも１つのノズルによって噴射される燃料／空気比率を調節するように構成される。

更に別の様態において、本発明は、少なくとも１つの循環型燃焼室を持った燃焼器を有するガスタービンを提供する。本ガスタービンはまた、予混合された燃料／空気混合気を循環型燃焼室に噴射するように構成された１つ又はそれ以上の内部燃料ノズルと、１つ又はそれ以上の内部燃料ノズルの周りに配置され且つ予混合された燃料／空気混合気を循環型燃焼室に噴射するように構成された１つ又はそれ以上の外部燃料ノズルとを含む。このガスタービンは更に、複数の外部燃料ノズルに噴射する燃料／空気混合気よりも濃度の濃い燃料／空気混合気を１つ又はそれ以上の内部燃料ノズルに供給するように構成されたマニホルドのセットを含む。

従って、本発明の構成は、５０Ｈｚ発電設備に対するＮＯ_Ｘエミッションの最新の規制要件をガスタービン排気の付加的な処理を必要とせずに満足することが判るであろう。ＮＯ_Ｘエミッションの低減に加えて、許容可能な火炎安定性と許容可能な動圧の大きさが達成される。

本発明の幾つかの構成において、１つ又はそれ以上の利点を達成する高負荷工業用ガスタービン向けのガスタービン燃焼システムが提供される。これらの１つ又はそれ以上の利点は、（ａ）ガスタービンの排気面で測定したときの低ＮＯ_Ｘ及び低ＣＯエミッション、（ｂ）低エミッション運転モードでの許容可能な火炎安定性、（ｃ）ガスタービン負荷設定の広範囲（例えば、全定格負荷の約３５％から１００％までの間）にわたって低エミッションを実現する低い燃料／空気比率及び希薄失火マージンでの火炎安定性、及び／又は（ｄ）低い燃焼音響ノイズ（動圧変動）を含むことができる。本発明の幾つかの構成は、最新のヨーロッパ規制基準である３０ｍｇ／Ｎｍ^３（酸素１５％換算値では約１４ｐｐｍ）ＮＯ_Ｘエミッション要件に適合し、又はこれよりも優る。

本発明の構成と組み合わせると有用な現在入手可能なガスタービン型式の１つの例には、ゼネラル・エレクトリック型式ＭＳ９００１ＦＡ Ｆクラス５０Ｈｚガスタービンがある。しかしながら、本発明の構成はまた、物理的寸法及び有効流れ面積の拡大縮小の有無にかかわらず、他の製造業者によって製造された他のガスタービン型式にも適用可能である。このようなガスタービンと組み合わせて使用される本発明の種々の構成は、低エミッション運転モードにおけるヨーロッパＮＯ_Ｘ規制要件を満足するエミッションレベルを達成することを理解されたい。より具体的には、本発明の構成がゼネラル・エレクトリック型式ＭＳ９００１ＦＡ Ｆ−クラス５０Ｈｚガスタービンと共に使用されるときには、このガスタービンは、運転試験による単一燃焼試験装置で確認されたように、全定格負荷の約３５％から１００％までの負荷範囲にわたり９ｐｐｍを下回るＮＯ_Ｘ（＠酸素１５％）を発生することができる。

本発明の種々の構成はまた、ブラフ・ボディ火炎安定化に関して効率的な燃料希薄予混合燃焼システムを提供する。効率的なブラフ・ボディ火炎安定化は、ガスタービン燃焼器内で複数の燃料ノズル及び火炎保持機構装置を利用して達成される。幾つかの構成における複数の燃料ノズル及び火炎保持機構装置は、特定の用途で必要とされる複数の燃焼室において複製される。この複製は、低ＮＯ_Ｘ及びＣＯエミッションレベルでのガスタービン運転をもたらすと同時に、許容可能な火炎安定性を維持する。加えて、動圧は低く保持され、その結果燃焼器構成要素の寿命に悪影響を及ぼさない。

幾つかの構成において、燃料ノズル構成要素の相対的な物理的寸法、円形燃焼室のエンドキャップの寸法、及び燃料及び空気が予混合される燃焼室のエンドキャップに通じこれを貫通する予混合管の相対的寸法の全ては、エミッション能力、十分な火炎安定性、並びに動圧変動の低減又は最小化の所望の組合せを達成するように選択される。

本発明の幾つかの構成は、少なくとも１つの循環型燃焼室を有する燃焼器を備える。複数の燃料ノズル装置が、循環型燃焼室内に設置される。例えば、５つの等寸法の燃料ノズルが、循環型燃焼室の中心から同じ距離で等間隔に燃焼器内に配置される。この５つの等寸法の燃料ノズルは、燃焼室の中心で６番目の燃料ノズルを囲む。この中央燃料ノズルは、周囲のノズルよりも小さく構成が異なる。燃焼室の制御体積は、管状燃焼ライナー及び円形エンドキャップによって境界付けられる。予混合された燃料と空気は、円形エンドキャップの物理面と一致する面において管状燃焼室に導入される。中央燃料ノズルは、周囲の燃料ノズルよりも濃い燃料／空気混合気を受けるように構成される。本発明の幾つかの構成は、燃焼安定性の向上とエミッション削減を同時に行うために中央燃料ノズルによって燃料流量を制御する。より具体的には、中央燃料ノズルを周囲ノズルと組み合わせて使用することによって、燃焼室全体の内部で燃料／空気比率の有利な濃度分布が得られる。更に、幾つかの構成では、この中央燃料ノズル自体が、自己の局所的に有利な燃料／空気比率の濃度分布を生成するように構成される（中央ハブから予混合管の外側シュラウドまで半径方向外側で計測したとき）。

本発明の幾つかの構成では、燃料及び空気をガスタービンロータ速度、負荷設定及び運転モードの関数としてステージ内に導入する方法が提供される。この燃料及び空気は、燃焼室内の燃料ノズルの特定の通路を介して導入される。また、幾つかの構成においては、このガスタービン燃焼器は、ガス燃料で運転するときに４つの正常運転モードを有する。これらのモードは、ガスタービンの運転範囲の異なる部分に対応する。幾つかの構成において、４つのガス燃料供給マニホルドが、燃焼室内に配置された６つの燃料ノズルの間で分配される４つの個別の回路にガス燃料を供給する。加えて、ガスタービン燃焼器運転の幾つかのモード中に燃料を受けていない幾つかのガス燃料回路に特定の時間に空気を供給する第５のマニホルドが存在する。４つのガス燃料供給マニホルドの内の１つが、１つの拡散回路又は拡散マニホルドに燃料を供給する。この拡散マニホルドは、拡散燃料通路を介して燃料を外部燃料ノズルに供給し、これによって点火、部分的ロータ速度及びゼロから低負荷運転での安定した拡散火炎を発生する。３つの個別のガス燃料マニホルドはまた、３つの予混合回路、すなわち予混合１、予混合２及び予混合３に燃料を供給する。予混合１マニホルドは、中央燃料ノズル内の単一の予混合燃料回路にガス燃料を供給する。予混合２マニホルドは、外部燃料ノズル予混合回路の内の幾つか、例えば５つの外部燃料ノズル予混合回路の内の２つにガス燃料を供給する。予混合３マニホルドは、残りの外部燃料ノズル予混合回路に、例えば５つの外部燃料ノズル予混合回路の内の残りの３つにガス燃料を供給する。

幾つかの構成では、定格負荷の約３５％から１００％までのガスタービン負荷範囲で運転可能な低エミッション運転モードが提供される。このモードでは、予混合１、２及び３の燃料回路は、拡散回路が非作動又はパージエアマニホルドからの空気でパージされる間に、低ＮＯ_Ｘエミッションをもたらす希薄予混合燃焼火炎を生成するように燃料を供給する。コンピュータ制御システムは、所定の経路に沿って、約３５％負荷から１００％負荷までの範囲にわたりガスタービン燃焼温度の関数として予混合１、予混合２及び予混合３の回路間の総合ガス燃料流量比率を調節する。この調節は、ＮＯ_Ｘエミッションを低減させ、同時に燃焼動圧変動を低減させるように選択される。低エミッションモード範囲外では、拡散及び予混合の組合せ運転が、ロータ速度全速度、無負荷状態及び約３５％負荷の間で行われる。

本発明の幾つかの構成は、燃焼キャップとライナーの間、及びライナーと移行部品との間にフラシールを備える。幾つかの構成では反転フラシールの配置によって、燃焼器構成要素に対するシールの取り付け溶接の冷却が改善され、冷却空気のレベルが低下する。この過剰な冷却空気は、幾つかの構成ではＮＯ_Ｘエミッションを更に低減する予混合プロセスで使用される。

本発明の幾つかの構成において図１を参照すると、ガスタービン２は、複数の燃焼器１を備える（図１では単一の燃焼器１だけが断面で示される）。圧縮機３（部分的に示す）もまた備える。ガスタービン２は、単一タービンノズル４によって図１に示されている。タービン及び圧縮機ロータは、単一の共通シャフトによって連結される（図示せず）。運転中、全圧縮機空気の一部が、圧縮機ディヒューザの出口（すなわち入口孔６）から燃焼器１に圧縮機及びタービンセクションを通過する空気流の方向に対して逆方向に流れ、そこで該全圧縮機空気の一部は、燃焼器を冷却し、燃焼プロセスに空気を供給するのに使用される。

ガスタービン２は、ガスタービンケーシング５の周辺の周りに環状アレイで配列された複数の燃焼器１を含む。圧縮機３からの高圧空気Ｈは、移行部品７と燃焼器ライナー９の出口端部近くのフロースリーブ８との間に分布した空気入口孔６のアレイを通って燃焼器１に流入する。燃焼器１に供給された加圧空気は、燃焼器フロースリーブ８及び燃焼器ライナー９によって境界付けられた環状通路を通過して、燃焼器入口孔端部（又は同義語でヘッドエンド）１０に流れ、そこに２つの異なる形式の複数の空気−燃料噴射器が配置されている。例えば、幾つかの構成では、複数の空気−燃料噴射器は、燃焼器１つにつき５つの外部燃料ノズル１１のアレイと単一の中央ノズル１２を含む。全ての構成が本明細書で説明するような同一数の内部ノズル又は同一数の外部ノズルを有するとは限らない。単に例証として、幾つかの構成は、本明細書で説明した数とは異なる数の外部ノズル１１によって囲まれた１より多い中央ノズル１２を含む。

各燃焼器の入口端部において加圧空気と燃料が混合され、燃焼ゾーン１３に流入する。点火は、ガスタービン２の始動シーケンスが燃焼器１内で実行される時にクロスファイヤ管１５（図示せず）と組み合わせた１つ又はそれ以上の点火プラグ（図示せず）によって最初に実施される。１つ又はそれ以上の点火プラグは、燃焼器ライナー９内の同じ数のポート１４を通って延びている。その後、点火プラグは、火炎が連続的に確立されると燃焼ゾーン１３から引き込まれる。燃焼ゾーン１３の反対側端部では、高温燃焼ガスＨが、各燃焼器ライナー９の出口端部をタービンノズル４の入口端部と接続する二重壁の移行部品７に流入し、高温燃焼ガス流Ｈをタービン２に供給して、そこで高温ガス流のエンタルピーが、固定及び回転タービンエーロフォイル（図示せず）を通って流れるガスの膨張により、タービンロータのシャフトによる仕事に変換される。

各燃焼器１は、２つのセクション、すなわち前部燃焼ケーシング１６及び後部燃焼ケーシング１７を備えるほぼ円筒形の燃焼ケーシング組立体を含む。燃焼ケーシング１６及び１７は、圧縮機吐出ケーシング２０にボルトジョイント１９によって取り付けられる。前部燃焼ケーシング１６は、後部燃焼ケーシング１７にボルトジョイント１８によって連結される。前部燃焼ケーシング１６のヘッドエンドは、エンドカバー組立体２１によって閉じられ、該エンドカバー組立体はまた、以下により詳細に説明するように、燃焼器１に対してガス、液体燃料、空気、及び水（必要に応じて）を送り込むための燃料及び空気供給管、マニホルド及び関連バルブを含むことができる。本発明の幾つかの構成では、エンドカバー組立体２１は、燃焼器１の長手方向軸の周りに環状アレイで配列された複数の（例えば５つの）外部燃料ノズル組立体１１を受けるための取り付けベースとして構成される。図６及び７を参照すると、外部燃料ノズル組立体１１のアレイは、外部燃料ノズル１１よりも小さい（寸法、及び空気燃料流量能力に関して）中央燃料ノズル組立体１２の周りに配列される。

再び図１を参照すると、ほぼ円筒形のフロースリーブ８は、燃焼ケーシング１６及び１７内で同心状に取り付けられる。フロースリーブ８は、その後部端において二重壁移行部品７の外壁２２に接続する。圧縮機空気は、二重壁移行部品７の外部通路を通過してフロースリーブ８を越えて通り、燃焼器１のヘッドエンド１０まで流れる。フロースリーブ８は、その前端においてラジアルフランジ２３により前部燃焼ケーシング１６と後部燃焼ケーシング１７が接合されるボルトジョイント１８で後部燃焼ケーシング１７に接続される。

本発明の幾つかの構成では、フロースリーブ８は、移行部品７の内壁２４と一方端において接続された燃焼器ライナー９と同心状に配置される。図６の燃焼ライナーキャップ組立体２５の前側端面図を参照すると、燃焼器ライナー９の反対端部（前部又は頭部）は、燃焼ライナーキャップ組立体２５によって支持され、該燃焼ライナーキャップ組立体は、複数のストラット２６及び関係する取り付けフランジ組立体２７によって燃焼器ケーシング内部で支持される。移行部品７の外壁２２は、後部燃焼ケーシング１７が圧縮機吐出ケーシング２０にボルト固定された場所の後方に延びるフロースリーブ８の一部と共に、それぞれの周辺表面上にある開口又は入口孔６のアレイを備えて形成され、これにより空気が、圧縮機３から反転して開口６を通ってフロースリーブ８と燃焼器ライナー９との間の環状空間へ流入し、燃焼器１の上流側又はヘッドエンド１０に向かって（図１にて流れ矢印Ｋで示す）流れることが可能になる。

再び図１を参照すると、燃焼ライナーキャップ組立体２５は、複数の予混合管組立体２８を支持し、一つが各燃料ノズル組立体１１及び１２の周りに同心状に取り付けられている。各予混合管組立体２８は、燃焼ライナーキャップ組立体２５内でその前端及び後端において前方プレート２９及び後方プレート３０それぞれによって支持され、該前方プレート２９及び後方プレート３０は各々、端部が開いた予混合管組立体２８と整列された開口を備える。各予混合管組立体２８は、予混合管フラシール３１によって分離された２つの管の組立体を含み、これにより燃焼ライナーキャップ組立体２５が低温の非運転状態から高温の運転状態まで熱膨張するときに二重管組立体の長さが変化することが可能になる。換言すると、前方支持プレート２９と後方支持プレート３０との間の距離が、組立体全体の熱膨張によって変化すると、予混合管組立体２８はこれに従い対称軸に沿って自由に膨張できる。

幾つかの構成において、図６の燃焼ライナーキャップ組立体２５の前方端面図を参照すると、燃焼ライナーキャップ組立体２５は、前方支持プレート２９内に開口３２（外部燃料ノズル１１とその予混合管用）と開口３３（中央燃料ノズル１２とその予混合管用）を含む。幾つかの構成では、前方支持カバー３５は、前方支持プレート２９に含まれ、且つ取り付けられる。前方支持カバー３５は、前端上で外部予混合管の各々を固定するのを助ける。図７の燃焼ライナーキャップ２５の後部端面図を参照すると、図６を参照して説明されたのと同様の構造が、内部及び外部燃料ノズル用の予混合管を支持するが、しかしながら、付加的な機構は、噴流冷却開口１０１の配列を有する衝突プレート１００を含むことができる。冷却された衝突プレート１００は、燃焼ゾーン１３（図１）に近接して運転中に燃焼から生じる輻射熱放出からキャップ組立体２５を遮蔽するための該組立体に対する輻射遮蔽として機能する。

幾つかの構成では、再び図１を参照して、燃焼ライナーキャップ組立体２５の後方プレート３０は、前方に延びる複数の浮動カラー３６（各予混合管組立体２８に対して１つあり、後方プレート３０内の開口とほぼ一直線に配置される）に取り付けられ、その各々は、空気スワーラ３７（本明細書では「旋回翼」とも呼ぶ）を支持し、該空気スワーラは、例えば、燃料ノズル１１及び１２（本明細書では「燃料噴射ノズル」、「燃料噴射器」又は「燃料ノズル組立体」とも呼ぶ）内に一体化されて形成される。この構成は、燃焼器ライナー９とロースリーブ８との間の環状空間内を流れる空気が、燃焼器１の燃焼器入口端部１０（エンドカバー組立体２１と燃焼ライナーキャップ組立体２５との間）において強制的に方向を反転されて、空気スワーラ３７及び予混合管組立体２８を通って流れるようにされるようにするものである。空気スワーラ３７の各々に一体的に製造された燃料通路は、ガスタービン２の運転モードに応じて連続的にガス燃料を通過空気内に導入する開口配置を介して燃料を供給し、これによって燃焼ゾーン１３において引き続き連続的に点火される燃料と空気との混合気を生成する。

図２は、図１に示した外部燃料噴射ノズル１１の断面図である。図３は、図１に示した中央燃料噴射ノズル１２の断面図である。各燃料噴射ノズル１１及び１２は、シール及びボルトジョイント組立体によってエンドカバー組立体２１（図１に示す）の内側に取り付けられたフランジ組立体３８及び３９をそれぞれ含む（図２及び３にそれぞれ示す）。限定ではないが、ガス燃料及びパージエアを含む流体は、ガス燃料噴射ノズル１１及び１２の通路に供給される。これらの流体は、前もって配管マニホルド組立体（図示せず）を通過した後に、フランジ組立体３８及びフランジ組立体３９をそれぞれ通過して供給される。従って、エンドカバー組立体２１は、燃料ノズル１１及び１２を介して燃焼ゾーン１３（図１に示す）に正確な方法で供給される燃料及び他の作業流体が送出される。図２に示す液体燃料及び水噴射カートリッジ９０は、エンドカバー組立体２１（図１）の外側に取り付けられる。液体燃料及び水噴射カートリッジ９０は、各外部ガス燃料噴射ノズル１１の内に設置される。ガス燃料に対する代替として液体燃料を燃焼させることができる幾つかの構成においては、液体燃料モードの運転が提供される。この液体燃料モードは、液体燃料及び水噴射カートリッジ９０を介して液体燃料と水からなる噴霧を燃焼ゾーン１３へ送出する。これは、本発明の目的の低エミッションモードの運転を考慮したものではない。液体燃料運転モードが必要とされない幾つかの構成では、液体燃料及び水噴射カートリッジ９０からなる別の構成が提供され、該別の構成は、液体燃料又は水を通過させるようには構成されないが、ガス燃料噴射ノズル１１の内部に同じ空間を占める構成である。

再び図２を参照すると、外部ガス燃料ノズル１１は、圧力下で液滴を作り、燃焼器の燃焼室入口又はヘッドエンド１０に供給される流入空気に対して方向ガイドを与える孔のアレイ及びガイドベーンを有する、シート状金属スクリーン又は入口流量調整器４０を含む。入口流量調整器４０を通過する空気は、続いて複数の旋回翼３７を通ってガス燃料と混合され、該旋回翼の各々は内部予混合ガス噴射孔４１（内部予混合孔）及び外部予混合ガス噴射孔４２（外部予混合孔）に通じた一体化された通路を有する。同心状管組立体４３は、独立した燃料通路を形成するよう燃料ノズル１１内に配置され、内部予混合ガス噴射孔４１と外部予混合ガス噴射孔４２との間の燃料流量分割の制御を可能にする。外部燃料ノズル組立体１１におけるガス燃料のこの内部及び外部流れ分割は、各燃料ノズル１１又は１２のハブ４４から各燃料ノズル１１又は１２のシュラウドまで半径方向で計測される予混合された燃料及び空気の濃度分布を直接制御することを可能にする。内部及び外部予混合通路の間で、燃料フランジ組立体３８に流入する前に上流側でガス燃料流量を分割するガス燃料供給を能動的又は受動的に送出するのに使用される方法は、特定のガスタービン用途の設計要件に応じた設計上の選択として選ぶことができる。予混合された空気及び燃料の濃度分布を、ガスタービン２の運転条件（本明細書で説明した方法のような）の関数として１つ又はそれ以上の燃料ノズル内で所定値に調節することを可能にする方法を用いて、最小の燃焼動圧と共に最小のＮＯ_Ｘエミッションを発生することができる。

幾つかの構成において、再び図１及び図２を参照すると、付加的な環状通路９２が、壁４６の内径と液体燃料及び水噴射カートリッジ９０の外径９１とによって形成される（又は、流体を通過しないが同一又は等価な空間を占有するブランクな対応する部分、図示せず）。環状通路９２は、拡散燃料計量孔４７のアレイに通じている。拡散燃料計量孔４７と環状通路９２は、ガス燃料を供給され、燃焼ゾーン１３へのガス燃料の直接噴射、及び燃料ノズル後方先端４８の直ぐ下流側の再循環ゾーン９３内で安定化される拡散型燃焼火炎の生成を可能にする。結果として、拡散燃焼は、点火及び低負荷状態での燃焼システムの安定化機構として使用することができる。安定なパイロット火炎としての拡散燃焼は、同時予混合燃焼の有無に関わらず種々の所望の組合せで使用することができ、その全てが、燃焼ライナーキャップ組立体２５の後方プレート３０の下流側で燃焼ライナー９の燃焼ゾーン１３において生じる。

幾つかの構成において、図３を参照すると、より小さな中央燃料ノズル１２は、中央燃料ノズル１２が内部及び外部予混合ガス燃料用の別個の通路を含まず、且つ外部燃料ノズル１１が有するような液体燃料及び水噴射カートリッジ又はブランク対応部分を含まないことを除き、外部燃料ノズル１１に対する設計機構が同じである。他の機能の中でも特に、中央燃料ノズル１２は、燃焼ゾーン１３内で燃焼火炎構造全体の安定性を与えて維持する。幾つかの構成における全体としての火炎構造は、ガスタービンの運転モード及び負荷設定に応じて、全ての６つの燃料ノズル１１及び１２によって導入される燃料及び空気を燃焼させる段階を含むことができる。中央燃料ノズル１２からの平均燃空比を外部燃料ノズル１１よりも若干高く維持することによって、外部燃料ノズル１１は、外部ノズル１１からの予混合された燃料及び空気混合気が共通の燃焼ゾーン１３内で中央燃料ノズル１２によって生成された中央燃料及び空気の燃焼混合気と相互作用するより安定した点火源が与えられる。中央燃料ノズル１２は、燃焼安定性の維持機構として使用することができる。従って、中央燃料ノズル１２自体は、外部燃料ノズル１１よりも相対的により多くのＮＯ_Ｘエミッションを発生する可能性があるが、中央燃料ノズル１２の安定化作用により、全燃焼に対する大部分の燃料／空気比率を相対的に低くすることが可能となり、その結果、全体的なＮＯ_Ｘエミッションを最小レベルに制御することができる。従って、本発明の幾つかの構成は、ＮＯ_Ｘエミッションと安定性との間の有利なトレードオフを実現した。

幾つかの構成において、図３及び４を参照すると、中央燃料ノズル１２に対する予混合ガス計量孔の最適配置及び寸法は、ハブ４４からシュラウド４５まで計測された最適燃料／空気濃度プロフィールを求める計算方法を使用して行うことができる。この計算方法を用いて、ハブ４４からシュラウド４５まで半径方向に計測される目標燃料／空気又は等価比率プロフィールを定めることができる。例えば、本発明の１つの構成において、以下の表１は、直径、絶対半径位置、機械面積、孔当たりのガス流量、及び孔Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，及びＥ（孔４９として集合的に示される）の有効流れ面積を記載している。

表１．中央ノズルセクターモデルガス孔寸法分析（ＰＭ１％９．４ＨＥＶＰ）

図４のグラフは、管の出口平面５５において計測された、ハブ４４からシュラウド４５までの半径方向距離の関数としての燃料／空気等価比率の計算プロフィールを表わす。「等価比率」は、実際の燃料／空気比率を検討中の燃料の理論燃料／空気比率で除算した比率として定義される。燃料ノズル１２の出口平面５５における等価比率のこの計算（又は、コンピュータモデル内での仮想計測）は、適切なコンピュータ又はワークステーション上で動作する市販のコンピュータ流体力学ソフトウエアを使用して実施することができる。

図４に示すように、個別基準に基づく孔Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ及びＥによる通過空気に導入される燃料から得られる各半径方向等価比率プロフィールは、固有の形状を有する。中央燃料ノズル１２の最高性能に対する理想的な目標プロフィール１０２が示される。孔Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ及びＥの組合せから生じる、結果として得られた全体の等価比率プロフィール１０３が示され、これは目標結果とほぼ同一である。

燃料ノズル１２のような予混合ガス燃料ノズル装置の出口で生成されるような目標等価比率プロフィールを達成するための方法は、低エミッションを達成するためにガスタービン２などのガスタービンに適用することができる。この方法は、本明細書で説明した例示的な構成の中央燃料ノズル１２のような燃料ノズルのコンピュータ流体力学モデルを構築する段階を含む。このモデルは、ガス燃料及び空気流量、温度、並びに圧力条件を用いてパラメータ化される。例えば、実際のガスタービン運転で予測される熱、圧力、及び流れ条件は、コンピュータモデルを構成するために設定される。実験計画（ＤＯＥ)モデルは、表１に示すようなパラメータを決定し、ガス噴射孔の寸法及び配置にパラメータを関係付けるよう構成される。コンピュータ流体力学モデルを実行するために、設計パラメータの幾つかの反復又は調整が行われる。モデルの結果は、例えば図３の平面５５のような目標平面で評価される。コンピュータの解及び所望の目標等価比率プロフィールからの任意の偏差が評価され、結果が目標とする仕様に適合するか否かを判断する。適合しない場合には、この方法は、別のパラメータ又は別の燃料ノズル構成を用いて繰り返すことができる。このモデルの結果を用いて試作部品を造ることができる。次に、この試作部品の妥当性を実験的に評価することができる。

図５は、改良版ゼネラル・エレクトリック ＤＬＮ２．６＋ドライ低ＮＯ_Ｘ燃焼システムのガス燃料システムの概略図である。幾つかの構成において、４つのガス燃料供給マニホルド５６、５７、５８及び５９は、外部燃料ノズル１１の予混合ガス噴射孔４１及び４２並びに拡散孔４７を介して燃焼器１、また中央燃料ノズル１２内の予混合ガス燃料孔４９に最終的に導入される燃料を供給する（図２及び図３を参照）。予混合１マニホルド５６は、燃料を中央燃料ノズル１２に供給する。予混合２マニホルド５７は、図５に示すように、燃焼ライナーキャップ組立体２５に関連付けて配置された５つの外部燃料ノズル１１の内の２つに対して予混合するために燃料を供給する。予混合３マニホルド５８は、図５に示すように、燃焼ライナーキャップ組立体２５に関付けて配置された５つの外部燃料ノズル１１の内の３つに対して予混合するために燃料を供給する。拡散又はＤ５マニホルド５９は、５つの外部燃料ノズル１１内に存在する５つの拡散ガス通路に対する燃料を供給する。運転の全てのモードで燃料供給を受けない通路に対するパージエアは、パージエアマニホルド６０及び関連する配管及びバルブ（図示せず）を介して５つの外部燃料ノズル１１に供給される。

図５に表わされた燃料送出及びステージングシステムの構成を分析し試験した。設計分析及び試験によって、燃焼ゾーン１３（図１に示す）内で適切な非対称燃料ステージングに柔軟性を与え、低エミッション予混合運転モード中に安定性、ＮＯ_Ｘエミッションの低減、及び動圧変動の減少を達成するこのような構成が示された。このような燃料ステージング及び送出システム構成の柔軟性によって、適用分野応じて、この機械の運転範囲全体にわたるガスタービン運転上の付加的な利点をもたらすことが可能となり、この利点には、限定ではないが、
拡散燃焼に起因する低負荷時の可視黄色プルーム（噴煙）ＮＯ_Ｘエミッションを制限又は低減させると共に、公知の燃料送出及びステージングシステムよりも優れた低負荷予混合運転でのＮＯ_Ｘ性能を改善する機能を含むことができる。

ＧＥ モデルＭＳ９００１ ＦＡガスタービンに適用されたような、図５のガス燃料概略図を参照すると、図１に示す燃焼器１の例示的な構成は、ガス燃料に対する少なくとも４つ又はそれ以上の正常運転モードを有することができる。これらのモードは、ガスタービン２の運転範囲の異なる部分に対応するように構成される。拡散モードでは、燃焼器１が点火されてタービンロータが９５％速度まで加速され、拡散（Ｄ５）マニホルド５９はガス燃料を５つの外部燃料ノズル１１の拡散回路に供給する。拡散モードでは、他の３つの予混合３マニホルド５６、５７、及び５８並びにパージエアマニホルド６０は、これらの回路に対する作動流体はこれらのマニホルドが関与する運転モードへの遷移に備えて前運転状態になることができるが、燃料又は空気を供給する必要はない。タービンロータ速度状態が約９５％では、サブパイロット予混合モードへの遷移が起こる。この遷移は、予混合１燃料回路又はマニホルド５６内で燃料流れを開始し、タービンロータに最小又は低負荷が印加された状態でロータが全速度状態（１００％速度）を達成することができる。この運転シーケンスは、無負荷状態で９５％速度より大きい全てのロータ速度及び負荷に対して、予混合１燃料マニホルド５６の定常燃料供給を与える。結果として、予混合１燃料マニホルド５６は、運転中の任意の時間でパージエアを必要としない。サブパイロット予混合モード中では、パージエアは、予混合２燃料マニホルド５７と予混合３燃料マニホルド５８に供給される。１００％ロータ速度から最小負荷状態までの間での予め選択されたガスタービン基準燃焼温度では、パイロット予混合モードへの別のモード遷移が開始され、このときに予混合３マニホルド５８が燃焼器１への燃料供給を開始し、予混合２マニホルド５７は空気パージが継続される。パイロット予混合モードでは、拡散マニホルド５９、予混合１マニホルド５６、及び予混合３マニホルド５８は全て燃料供給される。パイロット予混合は、非常に安定した、非低エミッションのモードであり、ガスタービン２は、通常よりも大きい安定性が必要とされ、且つ到達可能な最低値よりも若干高いエミッションを許容することができるときに、必要であれば、このモードで全負荷範囲にわたって運転することができる。

約３５％又はこれより高い負荷では、予混合モードへのモード遷移が予定される。運転シーケンスのこの低エミッションモードでは、低ＮＯ_Ｘエミッションの利点が完全に実現される。予混合モードでは、低エミッションは、それぞれ予混合１、２及び３マニホルド５６、５７、及び５８だけに対してガスタービン２の基準燃焼温度の関数として予定される燃料流を介して達成され、一方、拡散マニホルド５９はもはや燃料を供給されず空気がパージされる。予混合モードでは、全燃料流れの分割が、予混合燃料マニホルド５６、５７、及び５８に対して基準燃焼温度の関数として調節されると、拡散マニホルド５９を通過するパージエアの流れもまた、基準燃焼温度の関数として調節されて予定される。低エミッション、許容可能な火炎安定性及び低動圧は、燃焼ゾーン１３（図１に示す）内の非対称燃料ステージング及び基準ガスタービン燃焼温度の関数としてのパージエアの予定を制御する燃料システムの能力の結果として同時に実現される。

幾つかの構成において、図１を参照すると、フラシール６５は、燃焼ライナーキャップ組立体２５と燃焼ライナー９との間の環状間隙を界接面６２でシールするのに使用される。フラシール６４はまた、燃焼器ライナー９と移行部品７の内壁２４との間の環状間隙を界接面６３でシールするのに使用される。
６４又は６５のようなフラシールは、その特定の用途に関係なく、同一の流体が一方のダクトから他方のダクトへ通過する２つの同軸の円形ダクト間の滑動する界接面の接合部又は環状間隙をシールするのに使用される円形フープ内に形成されるリーフスプリングのシステムとして一般的に説明される。種々のフラシール構成は、図１に示すようにガスタービン２の燃焼器１の種々の場所にある円形の隣接するダクト間の間隙をシールするのに適用される。例えば上記のように、フラシール３１は、燃焼ライナーキャップ組立体２５の熱膨張にもかかわらずシールを維持するために、予混合管組立体２８の幾つかの構成で使用される。

従来技術によるフラシール６６及び合わせダクトは、図１と同様の断面で図８に示される。図８は、燃焼ライナー９と移行部品７の内壁２４との間に従来技術によるフラシール６６を組み込んだ場合には見えるであろう界接面６３（図１）を表している。本発明の種々の構成において、図９を参照すると、界接面６３は、反転フラシール８２と合わせダクトとを備える。反転フラシール８２構成は、燃焼器１（図１）のヘッドエンド１０へ向かって流れる燃焼空気の漏洩を効率的に最小限にする。符号６３のような界接面での空気の保持は、燃焼器１（図１）からのＮＯ_Ｘエミッションの低減を促進する。

再び図８を参照すると、従来技術によるフラシール６６は、溶接部７０によって燃焼ライナー９の後部端において冷却チャンネルシュラウド６７に取り付けられて示されている。燃焼器１のヘッドエンド１０へ向かってほぼ界接面６３に平行に流れる圧縮機空気流７２の小部分は、漏洩流れの矢印７５によって更に示されるフラシール６６の外側湾曲部分を過ぎて、漏洩流れの矢印７４で示される漏洩経路を辿る傾向がある。漏洩流７４及び７５は、ガスタービン運転中におけるライナー９の外側の圧縮機空気流７２とライナー９の内側の高温ガス流７３との間の差圧に起因する。圧縮機空気流７２は、燃焼後生成物を含み且つ圧縮機空気流７２よりも相対的に高い温度で低い静圧の状態にある高温ガス流７３よりも相対的に高い静圧で低い温度である。

従来技術によるフラシール６６構成では、シール６６は、一般に、内部合わせダクトの外径、例えば図８の冷却チャンネルシュラウド６７の外径に取り付けられる。取り付け溶接部７０に近接する取り付け内径７８を有する従来技術によるフラシール６６は、取り付け外径７９を有する合わせダクトと一致させるための適度なクリアランスを備える。燃焼器１（図１）の組立中、フラシール６６が予め設置されているライナー９は、移行部品内壁２４に対して高温ガス流７３と同一の方向で移行部品７の内壁２４に組み込まれる。図８に示す従来技術構成では、フラシールフィンガ８０の先端は、設置方向と反対側又は圧縮機空気流７２と同一の方向に面する。従って、フラシールフィンガ８０の先端は、組立中は移行部品内壁２４の前縁８１と接触しない。この構成でのフラシールフィンガ８０の先端は、ガスタービン運転中はフラシール取り付け溶接部７０よりも相対的に低温の温熱条件下にある。フラ取り付け溶接部７０は、この構成では、ライナー９の出口平面において後方向き段差部の近傍に配置され、従って、ガスタービン運転中は高温ガス流７３の通過に起因する温熱条件を受ける。

フラシール溶接部７０と従来技術によるフラシール６６自体の構造的一体性を保持し、ライナー９の後端に必要な冷却を与えるために、小型熱交換器がライナー９の後端内に存在する。この熱交換器は、ライナー９の円周近傍に分布した複数の冷却チャネル７７を含む。圧縮機空気は、複数の入口孔６８を通って入り、その後冷却空気流矢印６９で示すように冷却チャネル７７に流入する。熱交換器へ流入する圧縮機空気冷却流は、圧縮機空気流７２と高温ガス流７３との間の静圧差によって駆動され、流れ矢印７１で示すチャネルの反対側端部から出る。チャネルを通る冷却空気流６９、７１は、フラシール６６とフラシール溶接部７０との熱的及び構造的一体性に対して有利であるが、この流れは、燃焼プロセスに関係しない制御された漏洩として特徴付けることができる。この制御された漏洩の導入は、燃焼器１（図１）のＮＯ_Ｘエミッションを増大させる傾向がある。

本発明の幾つかの構成において、図９を参照すると、界接面６３は、移行部品７の内壁２４に溶接部８３によって取り付けられた反転フラシール８２を含む。反転フラシール８２を有利に利用する構成は、溶接部７０が高温ガス流７３により近接している図８に示す従来技術による構成と比較すると、フラシール漏洩流７４、８４が一定して通過し且つ高温ガス流７３から遠位にある相対的に低温の温熱条件に反転フラ取り付け溶接部８３をさらす。加えて、反転フラシール８２は、図８に示す従来技術による構成と比較して、相対的に低温の壁２４に取り付けられ（溶接され）、冷却空気流矢印６９及び７１によって示される、相対的により多くの冷却空気が、熱交換器の冷却通路７７を通過させるために必要となる。また、熱交換器の冷却通路７７を通過する実質的に少ない冷却空気は、図８に示す従来技術のフラシール６６構成のためではなく、反転フラシール８２構成のために必要となる。従って、より少ない圧縮機空気流７２が冷却チャネル７７内で冷却空気６９、７１として必要とされ、この節減された空気は代わりに燃焼ゾーン１３（図１）で使用することができる。この節減された空気の使用は、そうでなければ生じるはずのエミッションよりも低いＮＯ_Ｘエミッションをもたらす。更に、ライナー９が、事前設置された反転フラシール８２を備えて内側合わせ面２４（例えば移行部品内壁２４）の内側に挿入されて組立てられるので、フラシールフィンガ８０の先端は、組立中に他の場合に発生する可能性がある損傷から保護されるように配向される。

図９に示されたような反転フラシール８２構成は、冷却通路シュラウド６７などの内部取り付けダクトが標準の金属構成部品よりも高温の運転が可能な材料から形成される場合に使用することができる。（このような材料の一例はセラミックマトリクス複合体である）。フラシールのこのような材料への溶接は、一般的には不可能であるが、図９に示すような反転フラシール８２構成を代わりに用いることができる。図１の燃焼器１並びに本発明の他の構成において、反転フラシール構成を界接面６２及び６３において使用することは有利である。これらの界接面において反転フラシール使用するときの所要冷却空気の正味の削減は、燃焼器１からのＮＯ_Ｘエミッションがより少なくなる結果となる。

このようにして、本発明の種々の構成は、５０Ｈｚ発電設備に対するＮＯ_Ｘエミッションの最新の規制要件をガスタービン排気の追加処理を必要とせずに満足することが理解されるであろう。ＮＯ_Ｘエミッションの削減に加えて、本発明の種々の構成はまた、許容可能な火炎安定性と許容可能な大きさの動圧とを達成する。

本発明を種々の特定の実施形態に関して説明してきたが、当業者であれば、本発明が本発明の請求項の精神及び範囲内の変更が実施可能であることを理解されるであろう。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

低ＮＯ_Ｘガスタービン燃焼システムの部分断面図。 図１に示したような外部燃料噴射ノズルの断面図。 図１に示したような内部燃料噴射ノズルの断面図。 図３に示す内部燃料噴射ノズルにおける、出口平面で計測されたハブ４４とシュラウド４５との間の半径方向距離の関数として計算された燃料／空気等価比率プロフィールを示すグラフ。 改良版ゼネラル・エレクトリック ＤＬＮ２．６＋ドライ低ＮＯ_Ｘ燃焼システムのガス燃料システムの概略図。 燃焼ライナーキャップ組立体の前方端面図。 燃焼ライナーキャップ組立体の後部端面図。 従来技術によるフラシールと合わせダクト構成の断面図。 反転フラシールと合わせダクト構成の断面図。

符号の説明

１ 燃焼器
２ ガスタービン
７ 移行部品
９ ライナー
１１ 外部燃料ノズル
１２ 内部燃料ノズル
１３ 燃焼室
２５ 燃焼キャップ
５６ 予混合１マニホルド
５７ 予混合２マニホルド
５８ 予混合３マニホルド
８２ 反転フラシール

Claims (8)

1. ガスタービン（２）を使用する発電用の低エミッション方法であって、
   ガス燃料供給マニホルドを介してガス燃料を複数の予混合回路に供給する段階と、
   パージエアマニホルドを介して空気を前記複数の予混合回路に供給する段階と、
   複数の燃料及び空気混合気を生成するために前記ガス燃料及び空気を前記複数の予混合回路で予混合する段階と、
   少なくとも１つの中央燃料ノズル（１２）の周りに配置された複数の外部燃料ノズル（１１）を使用して前記燃料及び空気混合気を燃焼室（１３）に噴射する段階と、
   前記燃焼室内部の燃料／空気濃度分布を制御するため前記パージエアマニホルドからの空気を調節する段階と、
   を含み、
   前記制御される燃料／空気濃度分布が、前記中央燃料ノズル（１２）内に形成された異なる孔直径及び異なる位置により、各々固有の形状を有する半径方向等価比率プロフィールを有する複数の予混合ガス燃料孔（４９）によって形成された、前記中央燃料ノズル（１２）内での所定の半径方向燃料／空気濃度分布である、
   方法。
2. 前記燃料及び空気混合気を前記燃焼室（１３）に噴射する前記段階が、前記少なくとも１つの中央燃料ノズル（１２）から燃料及び空気混合気を前記燃焼室（１３）に噴射する段階を含み、
   前記少なくとも１つの中央燃料ノズル（１２）からの平均燃空比が前記複数の外部燃料ノズル（１２）よりも高く維持される、請求項１に記載の方法。
3. 前記ガスタービンの運転範囲の異なる部分に対応する複数のモードで前記ガスタービン（２）を運転する段階を更に含む請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記ガス燃料供給マニホルドの数が前記複数の外部燃料ノズル（１２）の数より少ない、
   請求項１乃至３のいずれかに記載の方法。
5. 低減されたエミッションでエネルギーを生成するガスタービン（２）であって、
   ガス燃料供給マニホルドを介してガス燃料を複数の予混合回路に供給し、
   パージエアマニホルドを介して空気を前記複数の予混合回路に供給し、
   複数の燃料及び空気混合気を生成するために前記ガス燃料及び空気を前記複数の予混合回路で予混合し、
   少なくとも１つの中央燃料ノズル（１２）の周りに配置された複数の外部燃料ノズル（１１）を使用して前記燃料及び空気混合気を燃焼室（１３）に噴射し、
   前記燃焼室内部の燃料／空気濃度分布を制御するため前記パージエアマニホルドからの空気を調節するように構成され、
   前記制御される燃料／空気濃度分布が、前記中央燃料ノズル（１２）内に形成された異なる孔直径及び異なる位置により、各々固有の形状を有する半径方向等価比率プロフィールを有する複数の予混合ガス燃料孔（４９）によって形成された、前記中央燃料ノズル（１２）内での所定の半径方向燃料／空気濃度分布である、ガスタービン（２）。
6. 燃料及び空気混合気を燃焼室（１３）へ噴射するために、前記少なくとも１つの中央燃料ノズル（１２）から燃料及び空気混合気を前記燃焼室（１３）に噴射するように構成される、
   請求項５に記載のガスタービン（２）。
7. 前記少なくとも１つの中央燃料ノズル（１２）は、前記複数の外部燃料ノズル（１２）よりも小さく、
   前記複数の外部燃料ノズル（１２）の各々が液体燃料と水からなる噴霧を前記燃焼室（１３）へ送出する液体燃料及び水噴射カートリッジ（９０）を備え、
   前記少なくとも１つの中央燃料ノズル（１２）は、前記複数の外部燃料ノズル（１２）よりも濃い燃料／空気混合気を受けるように構成される、請求項５又は６に記載のガスタービン（２）。
8. 前記ガス燃料供給マニホルドの数が前記複数の外部燃料ノズル（１２）の数より少ない、請求項５乃至７のいずれかに記載のガスタービン（２）。
   

Images