(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
拡散燃焼システム（１００）を制御する方法であって、
前記拡散燃焼システム（１００）が、
燃焼器（１０２）を含み、前記燃焼器（１０２）が、
少なくとも１つの燃料入口と、端部カバー（１０８）と、燃焼ケーシング（１１０）と、燃焼ライナ（１１２）と、
を含み、前記燃焼器が、
前記端部カバー（１０８）の中心に配置された第１の燃料回路（１０４）を通して供給された空気が混合された超低発熱燃料を受け、
必要に応じて複数の燃料噴射装置を含む第２の燃料回路（１２６）を通しての前記超低発熱燃料の供給を制御して、該燃焼器を通る該超低発熱燃料の体積流量を制御し、
前記端部カバー（１０８）の中心からは離れて設けられた前記複数の燃料噴射装置を通して超低発熱燃料を流路内に燃料の流れを導入し、かつ
該燃焼器内で前記超低発熱燃料を燃焼させる、ように構成され、
前記方法が、
前記拡散燃焼システム（１００）に前記超低発熱燃料を供給する場合に、
前記第１の燃料回路を通して燃焼システムの燃焼器に超低発熱燃料を供給するステップと、
前記第２の燃料回路を通しての超低発熱燃料の供給を制御して、燃焼器を通る該超低発熱燃料の体積流量を制御するステップと、
燃焼器内で超低発熱燃料を燃焼させるステップとを含み、
前記拡散燃焼システム（１００）に前記超低発熱燃料よりも高エネルギーの燃料を供給する場合に、
前記第１の燃料回路を通して前記燃焼器に前記高エネルギーの燃料を供給するステップと、
前記第２の燃料回路（１２６）の前記複数の燃料噴射装置から燃料または燃料混合気を噴射して、前記燃焼器の騒音振動を制御するステップと、
を含む方法。
【請求項２】
前記複数の燃料噴射装置が、複数組のペグ（１２２）を含み、
前記複数組のペグ（１２２）が、前記燃焼ケーシング（１１０）の周りに円周方向に間隔を置いて配置される、請求項１記載の方法。
【請求項３】
圧力制限に従った状態で前記複数の燃料噴射装置を通しての燃料流を調整して、ガスタービンの出力又は速度を制御するように構成されたコンピュータをさらに含む、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記燃焼器（１０２）が、前記複数の燃料噴射装置を通しての前記超低発熱燃料の供給を制御するために、前記複数の燃料噴射装置と流体連通状態で結合されたマニホルド（１２４）内への燃料の流れを制御するように構成される、請求項１乃至３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記複数の燃料噴射装置が、複数の四つ組のペグ（１２２）を含む、請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の分野は、総括的には超低発熱燃料の使用に関し、より具体的には、そのような燃料をエネルギー生成に使用するための方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
炉頂ガス、バイオマスガス化ガス、又は１０％未満のＣＨ4含有量、１０％未満のＨ2含有量及び４０％以上のＮ2含有量を備えた燃料を含む可能性がある超低発熱燃料、すなわち約４０ＭＪ／ｋｇ又はそれ以下の発熱量を有する燃料は一般的には、処理又は製造プラントの廃棄ストリーム又は副生成物として使用可能である「オポチュニティ」燃料である。それらの燃料の実施例には、鉄の溶解により発生するいわゆる「高炉」ガス（ＢＦＧ）及び「コークス炉」ガス（ＣＯＧ）がある。そのような燃料は本質的に「無料」であるけれども、ガスタービンでそれらを使用するためには、加圧の費用が必要になる。ガスタービン内での超低発熱燃料の燃焼は一般的に、所定のエネルギー入力に必要な大きい体積燃料流量及び燃料の低い反応性を考えると、大きな設計課題を提起する。それらの燃料に適応するために、少なくとも幾つかの公知の燃焼システムは、必要な部位特有の燃料ボリュームを流すのに十分なほど大きくて、空気及び燃料速度が火炎安定性に十分なほど緩やかになるようにした燃料噴射装置を含んでいる。さらに、幾つかの公知の燃焼システムは、既存の低乃至中発熱燃料燃焼器内での燃焼を可能にするより反応性燃料との燃料ブレンディングに依存している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第６６７６７１６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って、必要に応じて超低発熱燃料及び高エネルギー燃料の両方を、各燃料のタイプに必要な全燃料ボリュームを流すように設計した燃料噴射装置に依存する必要なしに利用することができる燃焼器又は燃焼システムを提供すること、また超低発熱燃料を燃焼させるための燃料ブレンディングに依存しない燃焼システムを提供することは、望ましいと言える。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
１つの態様では、本開示の幾つかの実施形態は、ガスタービン燃焼システムを制御する方法を提供する。本方法は、第１の燃料回路を通して燃焼システムの燃焼器に超低発熱燃料を供給するステップと、必要に応じて第２の燃料回路を通しての超低発熱燃料の供給を制御して、燃焼器を通る該超低発熱燃料の体積流量を制御するステップと、燃焼器内で超低発熱燃料を燃焼させるステップとを含む。
【０００６】
別の態様では、本開示の幾つかの実施形態は、拡散燃焼システムを提供する。本拡散燃焼システムは、１つ又はそれ以上の燃料入口と、端部カバーと、燃焼ケーシングと、燃焼ライナとを有する燃焼器を含む。燃焼器は、第１の燃料回路を通して供給された超低発熱燃料を受け、必要に応じて第２の燃料回路を通しての超低発熱燃料の供給を制御して、該燃焼器を通る該超低発熱燃料の体積流量を制御し、かつ該燃焼器内で超低発熱燃料を燃焼させるように構成される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】例示的な燃焼器の断面図。
【図２】図１の燃焼器を制御するために使用することができる例示的な制御回路の概略ブロック図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本開示の実施形態は、四つ組の燃料システム構造を利用して、設計者に利用可能な物理的燃料流れ面積を増大させるのを可能にする。例えば、この構造は、燃焼器ケーシング燃料回路を利用することによって、主燃料ノズルの部位特有の寸法変更をせずに広範囲の超低発熱燃料に対して低乃至中発熱燃料燃焼器を使用することを可能にする。この四つ組の燃料システム構造は、燃料ブレンディングを行わずにかつ部位特有の寸法変更した主燃焼ノズルを必要とせずにそれらの燃料の使用を可能にする。この四つ組のシステムによって得られた付加的な燃料流れ面積及び自由度により、発熱量が変化するにも拘わらず正確な圧力比で燃料を導入することが可能になる。従って、燃料加圧の付加的費用が減少するだけでなく、主燃料ノズルからの噴射速度を低下させることが可能になる。主燃料ノズルを通る速度の低下により、これらのシステムの特徴である拡散火炎の安定性に良い影響を与えることが可能になる。さらに、主燃料ノズルの上流で燃料の一部分を空気と予混合することによって、火炎長さもまた縮小し、従って燃焼プロセスにおけるより長い滞留時間を効果的に生じさせることが可能になる。
【０００９】
より具体的にはまた図１を参照すると、この例示的な実施形態では、統合ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）燃焼システムは、１つ又はそれ以上の燃料入口１０４と、天然ガス及び／又は希釈剤入口１０６と、端部カバー１０８と、燃焼ケーシング１１０と、燃焼ライナ１１２とを有する複数ノズル消音燃焼器（ＭＮＱＣ）１０２を含む。ＭＮＱＣ１０２はさらに、流れスリーブ１１４と、移行部品１１６と、第一段ノズルとを含む。
【００１０】
様々な実施形態では、四つ組のマニホルド（「ｑｕａｔ  ｍａｎｉｆｏｌｄ」）１２４と流体連通状態で結合された複数の四つ組のペグ（「ｑｕａｔ  ｐｅｇ」）１２２が、端部カバー１０８近接して設けられる。「四つ組の（ｑｕａｔｅｒｎａｒｙ）」という用語は、ＧＥ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｙｓｔｅｍｓ社のＤＬＮ−２バーナと関連して、それを通して燃料又は燃料混合気を噴射してダイナミックス（振動騒音）の軽減を可能にすることができる予混合マニホルド及びペグを表すのに使用されている。本開示では、「四つ組の」という用語は、設計者に利用可能な物理的燃料流れ面積を増大させるのを可能にし、それによって主燃料ノズルの部位特有の寸法変更をせずに広範囲の超低発熱燃料で低乃至中発熱燃料燃焼器を作動させるのを可能にすることができる構造を意味するために使用している。より具体的には燃料ノズル１１８の上流において四つ組のペグ１２２及び四つ組のマニホルド１２４を含む付加的燃料回路が、燃焼器１０２に燃料を導入するために設けられる。幾つかの実施形態では、１５個又は１６個の四つ組のペグ１２２が、燃焼ケーシング１１０の周りに円周方向に間隔を置いて配置される。それに代えて、その他の実施形態では、１５個よりも多い又は少ないペグ１２２を含むことができる。この例示的な実施形態では、四つ組のペグ１２２は、四つ組のマニホルド１２４の噴射システムの一部であるが、その他の実施形態では、噴射装置が燃焼システムの流路内に燃料を導入するように構成されているならば、ペグ１２２以外の噴射装置を使用することができる。
【００１１】
四つ組のペグ１２２又はその他の噴射装置の噴射は、圧力比スケジュールにより決まり、通常燃料回路の有効面積が使用しようとする燃料には不十分になった時に、制御システム（図１には図示せず）により付加的燃料回路を通して付加的燃料流を導くようにする。超低発熱燃料の場合には、タービンへの所定のエネルギー入力のための非常に大きい体積燃料流量が必要であり、このことが、付加的燃料ノズル面積に適応するために付加的燃料回路を必要とする理由である。従って、本開示の様々な実施形態は、その他のタイプの燃焼システムにおいてダイナミックス制御に利用可能である燃料回路を使用し、かつ拡散燃焼システムにおいて付加的燃料流れ面積をもたらす付加的燃料回路として該燃料回路を利用可能にする。
【００１２】
次に図２を参照すると、本開示の幾つかの実施形態は、燃料流２０４を制御するバルブ２０２を含む。バルブ２０２は、例えばコンピュータ、プロセッサ又はコントローラとすることができる適当な電子装置２０６によって制御される。（便宜上、「電子装置２０６」は今後、一般性が失われない状態で「コンピュータ２０６」と呼ぶことにする。）より具体的には、ＭＮＱＣ燃料流２０４は、コンピュータ２０６がフィードバックコントローラとして機能して目標ガスタービン出力に制御される、すなわち燃料流２０４が、圧力制限に従った状態でガスタービンの出力を制御するように調整される。
【００１３】
簡単に言うと、本開示の幾つかの実施形態は、ＩＧＣＣ燃焼システム１００を制御する方法を提供する。本方法は、第１の燃料回路１０４を通して燃焼システム１００の燃焼器１０２に超低発熱燃料を供給するステップと、必要に応じて第２の燃料回路１２６を通しての超低発熱燃料の供給を制御して、燃焼器１０２を通る該超低発熱燃料の体積流量を制御するステップと、燃焼器１０２内で超低発熱燃料を燃焼させるステップとを含む。
【００１４】
幾つかの実施形態では、第２の燃料回路１２６を通しての超低発熱燃料の供給を制御するステップは、複数の四つ組のペグ１２２又はその他の噴射装置を通して燃料を噴射して、燃焼器１０２の流路内に燃料の流れを導入するステップを含む。また、幾つかの実施形態では、第２の燃料回路１２６を通しての超低発熱燃料の供給を制御するステップは、四つ組のペグ１２２と流体連通状態で結合されたマニホルド１２４内への燃料の流れを制御するステップを含む。マニホルド１２４内への燃料の流れを制御するステップはまた、四つ組のペグ１２２と流体連通状態で結合されたマニホルド１２４内への燃料の流れを制御するステップを含むことができる。四つ組のペグ１２２と流体連通状態で結合されたマニホルド１２４内への燃料の流れを制御するステップはまた、燃焼器１０２の燃焼ケーシング１１０の周りに円周方向に間隔を置いて配置され四つ組のペグ１２２と流体連通状態で結合されたマニホルド１２４内への燃料の流れを制御するステップを含むことができる。幾つかの実施形態では、マニホルド１２４及び四つ組のペグ１２２はまた、端部カバー１０８に近接して設置することができる。また、幾つかの実施形態では、必要に応じて第２の燃料回路１２６を通しての超低発熱燃料の供給を制御して、燃焼器１０２を通る該超低発熱燃料の体積流量を制御するステップはさらに、圧力制限に従った状態で第２の燃料回路１２６を通しての燃料流を調整して、ガスタービンの出力又は速度を制御するコンピュータを利用するステップを含む。
【００１５】
別の態様では、本開示の幾つかの実施形態は、拡散燃焼システム１００を提供する。本拡散燃焼システムは、燃焼器１０２を含み、燃焼器１０２は、１つ又はそれ以上の燃料入口１０４と、端部カバー１０８と、燃焼ケーシング１１０と、燃焼ライナ１１２とを含む。燃焼器１０２は、第１の燃料回路１０４を通しての超低発熱燃料で作動可能であり、また必要に応じて第２の燃料回路１２６を通しての超低発熱燃料の供給を制御して、該燃焼器１０２を通る該超低発熱燃料の体積流量を制御しかつ該燃焼器１０２内で該超低発熱燃料を燃焼させるように作動可能である。
【００１６】
本システムの実施形態の幾つかでは、第２の燃料回路１２６を通しての超低発熱燃料の供給を制御するために、燃焼器１０２は、四つ組のペグ１２２を通して燃料を噴射して、該燃焼器１０２の流路内に燃料の流れを導入する。また、第２の燃料回路１２６を通しての超低発熱燃料の供給を制御するために、燃焼器１０２は、四つ組のペグ１２２と流体連通状態で結合されたマニホルド１２４内への燃料の流れを制御する。さらに他の実施形態では、四つ組のペグ１２２と流体連通状態で結合されたマニホルド１２４内への燃料の流れを制御するために、燃焼器１０２は、該四つ組のペグ１２２と流体連通状態で結合されたマニホルド１２４内への燃料の流れを制御する。幾つかの実施形態では、複数の四つ組のペグ１２２は、燃焼器１０２の燃焼ケーシング１１０の周りに円周方向に間隔を置いて配置される。また、幾つかの実施形態はまた、圧力制限に従った状態で第２の燃料回路１２６を通しての燃料流を調整して、ガスタービンの出力又は速度を制御するコンピュータ２０６をさらに含む。
【００１７】
本明細書は最良の形態を含む実施例を使用して、本発明を開示し、また当業者が、あらゆる装置又はシステムを製作しかつ使用しまたあらゆる組込み方法を実行することを含む本発明の実施を行うことを可能にもする。本発明の特許性がある技術的範囲は、特許請求の範囲によって定まり、また当業者が想到するその他の実施例を含むことができる。そのようなその他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と相違しない構造的要素を有するか又はそれらが特許請求の範囲の文言と本質的でない相違を有する均等な構造的要素を含む場合には、特許請求の範囲の技術的範囲内に属することになることを意図している。
【符号の説明】
【００１８】
１００  ＩＧＣＣ燃焼システム
１０２  燃焼器（ＭＮＱＣ）
１０４  第１の燃料回路又は燃料入口
１０６  希釈剤入口
１０８  端部カバー
１１０  燃焼ケーシング
１１２  燃焼ライナ
１１４  流れスリーブ
１１６  移行部品
１１８  燃料ノズル
１２２  四つ組のペグ
１２４  四つ組のマニホルド
１２６  第２の燃料回路
２０２  バルブ
２０４  燃料流
２０６  コンピュータ又は電子装置
【図１】
0005869751.tif 000002
【図２】
0005869751.tif 000003