(57)【要約】  本発明は、２段燃焼を行うガスタービンの部分負荷ＣＯ低減運転および低ＣＯエミッション運転の方法に関する。タービンは、基本的に、少なくとも１つの圧縮機と、圧縮機の下流に接続された第１の燃焼器とを有し、第１の燃焼器の高温ガスは、少なくとも中間タービンまたは直接的または間接的に第２の燃焼器へ供給される。第２の燃焼器の高温ガスは、別のタービンまたは直接的または間接的にエネルギ回収部へ供給される。少なくとも１つの燃焼器が、缶型構成（４，１５）を有する熱量燃焼通路の下方に延びており、この場合、少なくとも第２の燃焼器（１５’）の燃焼の空気比（λ）は最大空気比（λmax）よりも低く維持される。
2015521717.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２段燃焼を行うガスタービンの、部分負荷ＣＯ低減運転および低ＣＯエミッション運転の方法において、前記ガスタービンは、基本的に、少なくとも１つの圧縮機と、該圧縮機の下流に接続された第１の燃焼器とを備え、該第１の燃焼器の高温ガスは第２の燃焼器へ送られ、該第２の燃焼器の高温ガスはタービンへ送られ、少なくとも一方の燃焼器は、缶型構成（４，１５）を有する熱量燃焼路において作動し、少なくとも前記第２の燃焼器（１５’）の燃焼の空気比（λ）を、最大空気比（λmax）よりも低く保つことを特徴とする、方法。
【請求項２】
前記第１の燃焼器と、前記第２の燃焼器とが、缶型構成を有する熱量燃焼路において作動するか、または、前記第１の燃焼器が、環状構成を有する熱量燃焼路において作動し、前記第２の燃焼器が、缶型構成を有する熱量燃焼路において作動するか、または、前記第１の燃焼器が、缶型構成を有する熱量燃焼路において作動し、前記第２の燃焼器が、環状構成を有する熱量燃焼路において作動する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
２段燃焼を行うガスタービンの、部分負荷ＣＯ低減運転および低ＣＯエミッション運転の方法において、前記ガスタービンは、基本的に、少なくとも１つの圧縮機と、該圧縮機の下流に接続された第１の燃焼器とを備え、該第１の燃焼器の高温ガスは第２の燃焼器へ送られ、該第２の燃焼器の高温ガスはタービンへ送られ、前記第１の燃焼器および前記第２の燃焼器は、環状構成を有する熱量燃焼路において作動し、少なくとも前記第２の燃焼器の燃焼の空気比（λ）を、最大空気比（λmax）よりも低く保つことを特徴とする、方法。
【請求項４】
負荷増大により、前記第２の燃焼器（１５’）を従事させる前に、前記第１の燃焼器の出口温度を、まず、部分負荷限界まで上昇させ、可変圧縮機入口ガイドベーンの列を開き、前記第２の燃焼器に従事させるためにまたは前記第２の燃焼器を従事させるとき、前記可変圧縮機入口ガイドベーンの列を閉じ、燃料を前記第２の燃焼器に導入する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
負荷軽減のとき、前記第２の燃焼器を離脱させる前に、前記可変圧縮機入口ガイドベーンの列を閉じ、前記第２の燃焼器を離脱させるときに前記可変圧縮機入口ガイドベーンを再び開く、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
ガスタービンを負荷軽減するとき、ヒステリシスを生ぜしめるために、前記第１の燃焼器が該第１の燃焼器の出口温度の部分負荷限界にあり、かつ前記可変圧縮機入口ガイドベーンの列が開かれているときの運転中に達成される負荷よりも低い負荷において、前記第２の燃焼器のみをシャットダウンする、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
前記第２の燃焼器の缶（１５）の少なくとも１つのバーナへの燃料供給を、部分負荷において遮断し、これにより、第２の燃焼器の出口温度が変化することなく、酸素運転におけるバーナの空気比（λ）を減じる、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
前記第１の燃焼器および／または前記タービンの出口温度の部分負荷限界を、前記可変圧縮機入口ガイドベーンの列の開きをより高い負荷へシフトさせるために、部分負荷範囲のときに増大させる、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
圧縮されたまたは部分的に圧縮された圧縮機空気の部分的な流れを、少なくとも前記第２の燃焼器の上流に付加する、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１０】
圧縮機と、該圧縮機の下流に接続された第１の燃焼器とを備え、該第１の燃焼器の高温ガスは第２の燃焼器へ送られ、該第２の燃焼器は前記第１の燃焼器のすぐ下流に接続されており、前記第２の燃焼器の高温ガスはタービンへ送られ、少なくとも前記第１の燃焼器または前記第２の燃焼器は、缶型構成において作動する、請求項１から９までのいずれか１項記載の方法を実施するためのガスタービン。
【請求項１１】
前記第１の燃焼器および／または前記第２の燃焼器の１つの缶の少なくとも１つのバーナへの少なくとも１つの燃料ラインに、個々のオン／オフ弁が配置されている、請求項１０記載のガスタービン。
【請求項１２】
前記第１の燃焼器と前記第２の燃焼器との間に、希釈空気噴射部が配置されている、請求項１０または１１記載のガスタービン。
【請求項１３】
前記第１の燃焼器および／または前記第２の燃焼器の１つの缶の少なくとも１つのバーナへの少なくとも１つの燃料ラインに、個々の制御弁が配置されており、および／または、
燃料分配システムは、第１の燃料制御弁と、第１の缶サブグループのバーナへ燃料を分配するための第１の燃料主管とを有しており、かつ少なくとも１つの第２の燃料制御弁と、少なくとも１つの第２の缶サブグループのバーナへ燃料を分配するための少なくとも１つの第２の燃料環状主管とを有する、請求項１０から１２までのいずれか１項記載のガスタービン。
【請求項１４】
高圧の前記圧縮機は、全負荷における確実な運転のために要求される圧力比よりも高い圧力比のために設計されている、請求項１０から１３までのいずれか１項記載のガスタービン。
【請求項１５】
タービン排気および排ガスラインは、最大全負荷排ガス温度よりも高いタービンのタービン排気温度のために設計されている、請求項１０から１４までのいずれか１項記載のガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、２段燃焼を行うガスタービンを運転する方法に関する。本発明は、加えて、２段燃焼を行い、ＣＯエミッションが少ないガスタービンを運転する方法を実施するためのガスタービンに関する。
【０００２】
発明の背景
ガスタービンエンジンのＣＯエミッションは、環境を保全するために、減じられる必要がある。このようなエミッションは、ＣＯからＣＯ2への酸化を保証するために燃焼室における十分な時間がないとき、および／または燃焼室における低温領域との接触により酸化が局所的に減衰されるときに、出現することが知られている。部分負荷条件ＣＯ下では燃焼温度がより低く、ＣＯからＣＯ2への酸化がより遅くなるので、ＣＯエミッションは、通常、このような条件下で増大する傾向がある。
【０００３】
ＣＯエミッションの減少自体は、ガスタービンのパーキングポイントにおけるガスタービン負荷を低下させるために投資される。これは、ＣＯ2エミッションが低減されることにより環境的影響を低減し、エンジンパーキング中の燃料消費を少なくすることにより全体的な電気コストを低減する。最後に、ＣＯエミッション低減は、ＣＯ触媒の節約により、原価の低減に投資されてよい。この場合、ＣＯ触媒は回避される（または少なくとも低減される）。それと同時に、触媒により現れる損失は排除（または少なくとも低減）され、これにより、発電プラントの全体的な効率が増大される。
【０００４】
米国特許出願公開第２０１２／００１７６０１号明細書によれば、この技術の基本は、部分負荷運転中に、第２の燃焼器の作動するバーナの空気比λを最大空気比λmaxよりも低く保つ、ガスタービンを運転する方法である。この方法は、基本的に、３つの新たな要素によって、また、個別にまたは組合せで実施することができる補助手段によっても特徴付けられる。
【０００５】
最大空気比λmaxは、この場合、観察されるＣＯエミッション限界、バーナおよび燃焼器の設計、そして運転条件、すなわち、特にバーナ入口温度に依存する。
【０００６】
第１の要素は、可変圧縮機入口ガイドベーンの列の作動原理の変更であり、これにより、第２の燃焼器は、より高い部分負荷においてのみ運転させられる。無負荷運転から開始して、第１の燃焼器のみが運転しながら、可変圧縮機入口ガイドベーンの列は既に開かれている。これにより、第２の燃焼器が運転させられなければならなくなる前に、より高い相対負荷まで負荷増大が可能になる。可変圧縮機入口ガイドベーンの列が開かれ、高圧タービンの高温ガス温度またはタービン入口温度が限界値に達すると、第２の燃焼器に燃料が供給される。
【０００７】
さらに、可変圧縮機入口ガイドベーンは迅速に閉じられる。高圧タービンの一定のタービン入口温度ＴＩＴにおける、可変圧縮機入口ガイドベーンの列の閉鎖は、対抗手段がないと、相対電力の大幅な低減につながる。
【０００８】
この電力減少を回避するために、第２の燃焼器に導入される燃料質量流量を増大させることができる。したがって、第２の燃焼器を運転させるときの最小負荷と、第２の燃焼器への最小燃料流量とは、大幅に増大される。
【０００９】
その結果、第２の燃焼器の高温ガス温度も上昇され、これは、空気比λを減少させ、ひいては、ＣＯエミッションを低減する。
【００１０】
空気比λを減じるための第２の要素は、部分負荷運転中の高圧タービンのタービン排気温度ＴＡＴ１および／または低圧タービンのタービン排気温度ＴＡＴ２を上昇させることによる運転原理の変更である。この上昇により、可変圧縮機入口ガイドベーンの列の開きが、より高い負荷点へシフトされる。
【００１１】
慣用的に、第２のタービンの最大タービン排気温度は、全負荷の場合について決定され、ガスタービン、場合によっては下流の廃熱ボイラは、この温度に従って設計される。これは、第２のタービンの最大高温ガス温度が、可変圧縮機入口ガイドベーンの列が閉鎖された状態での部分負荷運転中のＴＩＴ２（第２のタービンの入口温度）によって制限されることはないが、ＴＡＴ２（第２のタービンのタービン排気温度）によって制限されることにつながる。可変圧縮機入口ガイドベーンの少なくとも１つの列が閉鎖された状態での部分負荷において、質量流量、ひいてはタービンを横切る圧力比は減じられるので、タービン排気温度に対するタービン入口温度の比も減じられる。
【００１２】
対応して、ＴＡＴ２が一定であると、ＴＩＴ２も減じられ、ほとんどの場合、全負荷の値よりも大幅に低くなる。全負荷限界を超えるＴＡＴ２の提案された僅かな増大、典型的には、１０℃から３０℃までの大きさのオーダにおける増大は、一般的に、ＴＩＴ２の増大につながるが、これは、全負荷の値よりも低いままであり、実用上、耐用寿命の損失なしに、または大幅な耐用寿命の損失なしに達成することができる。設計または材料の選択における適応は、必要にならないか、または典型的には排ガス側に限定することができる。ＴＩＴ２を増大するために、高温ガス温度が上昇させられ、これは、燃料質量流量の増大と、それに関連する空気比λの減少とによって実現される。これに対応して、ＣＯエミッションが減じられる。
【００１３】
運転しているバーナの空気比λを減じるための別の可能性は、個々のバーナの作動停止と、一定のＴＩＴ２における燃料の再分配とである。
【００１４】
ＴＩＴ２を平均して一定に保つため、運転中のバーナは、作動停止されたバーナの数に比例してより高温で運転されなければならない。このために、燃料供給が増大され、したがって、局所的な空気λが減少される。
【００１５】
ＣＯエミッションのために最適化された運転のために、分割平面を備えるガスタービンにおいて、分割平面に隣接したバーナ（例えば第２の燃焼器のための）が、典型的には、まず作動停止される。この場合、ケーシングが上半分と下半分に分割される平面が分割平面と呼ばれる。それぞれのケーシング半部は、分割平面において、たとえばフランジによって結合されている。
【００１６】
隣接するバーナがその後作動停止されるか、または燃焼器とは反対側において分割平面に隣接したバーナが作動停止され、交互の順序で、燃焼器の２つの側に交互に位置する隣接するバーナが、分割平面から順に、作動停止される。
【００１７】
まず、分割平面に隣接するバーナが好適には作動停止される。なぜならば、ガスタービンの分割平面は典型的には完全に漏れ防止されておらず、ほとんどの場合、漏れ流は、可燃性ガスの僅かな冷却および希釈、ひいては局所的に増大したＣＯエミッションにつながる。分割平面に隣接したバーナを作動停止させた結果、これらの局所的なＣＯエミッションが回避される。
【００１８】
空気比λを減じるための別の可能性は、制御された“ステージング”である。均一な燃焼プロセスは、環状燃焼器において脈動につながる恐れがある。この脈動は、典型的には、高負荷においていわゆる“ステージング”によって回避される。少なくとも１つのバーナへの燃料供給を制限することが、ステージングであると理解される。このために、制限される少なくとも１つのバーナの燃料ラインに、制限器または別の絞りエレメントが固定して据え付けられる。
【００１９】
少なくとも１つの制限されるバーナの空気比λは、全ての運転状態において、減じられた燃料の量に比例して大きくなる。高負荷では、これは、環状燃焼器における所望の不均一性につながる。しかしながら、低負荷では、この不均一性は、少なくとも１つの制限されるバーナのＣＯ生成の過剰比例増大につながる。
【００２０】
ステージングによって回避される燃焼不安定性は、概して、低負荷ではもはや生じないか、無視できるほどに小さい。したがって、１つの典型的な実施の形態では、固定された制限器によってではなく、少なくとも１つの制御弁によって制限を実施することが提案される。この少なくとも１つの制御弁は、低負荷において、全ての作動したバーナを低い空気比λで事実上均一に運転することができるように、開かれる。高負荷では、ステージングを実現するために、少なくとも１つの制御弁が絞られる。
【００２１】
発明の概要
本発明は、ＣＯエミッションが低減された運転を可能にする、２段燃焼を行うガスタービンを運転する方法、および２段燃焼を行うガスタービンを提案するという目的に基づく。
【００２２】
以下で説明される発明は、部分負荷条件下で２段燃焼を行う缶型構成を有する少なくとも１つの燃焼器を使用するガスタービンのＣＯ低減を目的とする。このようなガスタービンの概略的な図が例えば図１に示されている。この場合、圧縮機の後に、複数の缶から成る燃焼器セクションが続いている。これらの缶内において、第１の燃焼器の後に第２の燃焼器が続いている。これらの２つの燃焼器の間において、希釈空気が噴射されてよく、これにより、第２の燃焼器の入口温度を制御し、ひいてはそこに噴射される燃料の自己点火時間を制御する。最後に、高温の燃焼ガスがタービンに供給される。
【００２３】
以下のような場合には、缶型構成も提供される。すなわち、環状の第１および／または第２の燃焼室が、各バーナに、流れ方向で、独立した缶、または隣接する燃焼領域の互いから壁部隔離された分離する流れ燃焼領域を有するまたは含む場合である。
【００２４】
これを回避するために、局所的に生じる空気比λの低減のための構成部材の適合が提案される。このために、様々な構成部材の外形および／または流量係数が測定され、高い流量を有する構成部材と、低い流量を有する構成部材とが、燃焼器缶内で組み合わされる。
【００２５】
ガスタービンは、基本的に、少なくとも１つの圧縮機と、圧縮機の下流に接続された第１の燃焼器とを有する。第１の燃焼器の高温ガスは、少なくとも中間タービンまたは直接的または間接的に第２の燃焼器へ供給される。第２の燃焼器の高温ガスは、別のタービンまたは直接的または間接的にエネルギ回収部、例えば蒸気発生器へ供給される。
【００２６】
少なくとも１つの燃焼器が、缶型構成を有する熱量燃焼通路の下方に延びており、この場合、少なくとも第２の燃焼器の燃焼の空気比（λ）は最大空気比（λmax）よりも低く維持される。したがって、第１および／または第２の燃焼器は缶型構成として設計されているのに対し、残りの燃焼器または両燃焼器を、環状燃焼室として設計することができる。熱量燃焼路は、燃焼によって熱が放出される流路である。熱量燃焼路は、圧縮空気を圧縮機出口からタービン入口まで案内する管路によって包囲することができる。缶型構成では、複数の缶型燃焼器が、ガスタービンの軸線を中心に周方向に間隔を置いて配置されている。各缶の流路は、熱量燃焼流路の一部である。
【００２７】
２段燃焼システムを使用するガスタービンを強化する場合、まず第１の燃焼器が点火され、第２の燃焼器はまだ点火されない。第１の燃焼器は、比較的低い相対負荷においてその設計点に達する。次いで、第２の燃焼器は、最初は最小燃料量で点火され、この燃料量は、後でベース負荷に達するまで連続的に増大される。第２の燃焼器が比較的少量の燃料で運転している時点では、燃焼器の温度は比較的低い。すなわち、ＣＯのＣＯ2への酸化は制限され、より大きなＣＯエミッションにつながる。
【００２８】
従来の概念とは対照的に、第２のバーナのために予想される燃料は、幾つかのバーナのみに分配され、他のバーナはオフに保たれる。負荷増大の間、オンにされたバーナの量は、許容されたタービン入口パラメータを損なわないために、増大している。そうすることによって、個々の缶の再熱バーナ段がシャットオフされ、これらの缶におけるＣＯ生成が生じないことにつながる。なおその上に、燃料を受け取る第２の段のこれらのバーナは、大幅により高い温度で作動しており、したがって、ガスタービンの負荷点における公称平均タービン入口温度の場合よりも少ないＣＯを放出する。単純な構成では、燃料を受け取る再熱バーナの順序は、予定されている。
【００２９】
さらに、慣用の概念において、全ての缶型燃焼器は、同じ燃焼温度で、したがって（同様の空気分配、および漏れ状態を仮定すると）同じＣＯエミッションで作動することが意図されている。これは、一般的に、缶の間の流れの分配不良、製造公差などにより有効でなくなる。ＣＯ減少を最も有効な好ましいものとするために、これらの缶型燃焼器は停止させられ、これは、第２の燃焼器入口における最も低い温度を示す。なぜならば、これらの燃焼器は、他のバーナと比較して、より高いＣＯエミッションを示すことが予測されるからである。このより進歩した構成は、さらに低いＣＯエミッションを生じることが予測されるが、ガスタービン運転概念および燃料分配システムは、より複雑となる。
【００３０】
上述の構成の場合、第１の段からの残留ＣＯは、第２の段の燃焼器において酸化させられない。なぜならば、希釈空気を加えた後の温度は、有効なＣＯ酸化のためには低すぎるからである。それにもかかわらず、このＣＯエミッションは通常は少ない。なぜならば、予混合バーナが基本的にその設計点で運転されるからである。このエミッションさえもできるだけ減じるために、第２の燃焼器がいずれにしてもオフにされるこれらの缶のための弁を用いて、付加的な希釈空気をオフにする（または絞る）ことができる（以下図２参照）。これは、これらの缶の場合、燃料の自己点火のために必要とされる時間が無関係であるため、可能である。この構成では、混合セクションと第２の段との体積を、第１の燃焼器によって発生されたＣＯのさらなる酸化のために使用することができる。加えて、この選択肢は、タービン入口における周方向温度勾配を減じることを助ける。これらの利点は、タービン部品の寿命の延長を生じる。もちろん、希釈空気を変化させる可能性は、ガスタービンの構成を複雑にする。
【００３１】
これらの発見に基づき、缶型構成において（高圧タービンを備えるまたは高圧タービンを備えない）２段燃焼において作動するエンジンのために機能するための概念を予測することができる。
【００３２】
２段燃焼に関して、燃焼器の組合せを以下のように配置することができる：
−少なくとも１つの燃焼器は、缶型構成として構成され、少なくとも１つの作動するタービンを備える。
−両方とも、第１および第２の燃焼器は、２段の缶型−缶型構成として構成され、少なくとも１つの作動するタービンを備える。
−第１燃焼器は、環状燃焼室として構成されており、第２燃焼器は、缶型構成として構成されており、少なくとも１つの作動するタービンを備える。
−第１燃焼器は缶型構成として構成されており、第２燃焼器は、環状燃焼室として構成されており、少なくとも１つの作動するタービンを備える。
−両方とも、第１および第２燃焼器は、環状の燃焼室として構成され、少なくとも１つの作動するタービンを備える。
−両方とも、第１および第２燃焼器は、環状の燃焼室として構成され、中間の作動するタービンを備える。
【００３３】
したがって、缶型構成のためのＣＯエミッションに関して、個々の缶の間の相互作用は、最小限または不存在である。その上、環状概念の場合のＣＯに影響することが知られるスプリット平面における漏れは、缶型エンジン、すなわち缶型構成を有するガスタービン、特に両燃焼器が缶型構成であるガスタービンの場合のＣＯに影響しない。なぜならば、この構成の場合、燃焼器内へのスプリットライン漏れは、移行片の最後の端部においてのみ存在するからである。したがって、缶態様の場合、前記概念は、環状エンジン構成の場合よりもさらに有効である。
【００３４】
方法に加え、方法を実施するためのガスタービンが発明の主体である。選択された方法または方法の組合せに応じて、ガスタービンの設計が適応されなければならないおよび／または燃料分配システムおよび／または冷却空気システムは方法の実現可能性を保証するために適応されなければならない。
【００３５】
１つの実施の形態は、例えば局所的に生じる空気比λを減じるための様々な構成部材の決定を特徴とする。ガスタービンの全ての構成部材は、許容できる公差の範囲にある。これらの公差は、各構成部材の僅かに異なる外形および特性につながる。
【００３６】
これは、特に、運転中の様々な圧力損失および流量にもつながる。公差は、通常運転中、特に高い部分負荷および全負荷における運転動作に対して事実上影響を有さないように選択される。しかしながら、高い空気比λを有する部分負荷においては、燃焼器缶は、小さな妨害でさえもＣＯエミッションに大きな影響を与えるような条件下で運転される。例えば、低い流量係数を有する燃料ランスが、大きな断面積を有する缶バーナに据え付けられていると、この組合せは、局所的な空気比λの増大につながる可能性があり、これは、ＣＯの局所的に増大した生成につながる。
【００３７】
これを回避するために、局所的に生じる空気比λの低減のための構成部材の適合が提案される。このために、様々な構成部材の外形および／または流量係数が測定され、高い流量を有する構成部材と、低い流量を有する構成部材とが、燃焼器缶内で組み合わされる。
【００３８】
本発明に関連する利点は、以下の通りである：
ＣＯエミッションは、特に、より低い部分負荷条件において減じられる。したがって、ガスタービンは、低い電力出力が発電プラントオペレータによって望まれている期間の間、より低い値にとどまることができる。
−これにより、電力プラントオペレータは、燃料を節約し、ひいては、電気の全体的なコストを減じることができる。
−ＣＯエミッションの減少、より低いパーキング点（ひいてはより少ない燃料消費およびＣＯ2生成）または両利点の組合せによる、環境的な利点がある。
−高価なＣＯ触媒を排除することができる。したがって、原価が減じられる。
【００３９】
缶の間における希釈空気切換え／変更を含む構成を用いる場合、さらなる利点が生じる：
−第１の燃焼器における起源を有するＣＯ酸化のための増大した体積による、上述の全ての利点を有する、さらなるＣＯ減少。
−様々な缶型燃焼器の間の周方向温度勾配の減少。したがって、タービン入口プロファイルが改善され、タービン部品の寿命が改善される。
【００４０】
図面の簡単な説明
発明は、典型的な実施の形態に基づき図１から図４に概略的に示されている。
概略的に、図面において：
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】缶型構成における２段燃焼を使用する一般的なガスタービンを示す図である。
【図２】希釈空気の調整のための弁が付加された、缶型構成における２段燃焼を使用するガスタービンを示す図である。
【図３】缶型／環状型構成における２段燃焼を使用する一般的なガスタービンを示す図である。
【図４】２つの燃焼器の間で高圧タービンを使用する缶型／環状型構成における２段燃焼を使用する一般的なガスタービンを示す図である。
【図５】本発明による方法を実施するための２段燃焼を行うガスタービンを示している。
【図６】例えばバーナを備える第２の燃焼器の断面図を示している。
【００４２】
発明の実施の形態および方法
図１から図３は、本発明による方法を実施するための２段燃焼を行うガスタービンを示している。ガスタービンは、圧縮機と、第１の燃焼器缶と、第２の燃焼器缶と、タービンとを有する。典型的には、ガスタービンは、ここでは図示されていない発電機を含み、この発電機は、ガスタービンの低温端部において、すなわち圧縮機において、ガスタービンのシャフトに連結されている。
【００４３】
図１は、希釈空気の調整のための弁が付加された、缶型構成における２段燃焼を使用する一般的なガスタービンを示す図である。
【００４４】
図２は、希釈空気の調整のための弁が付加された、缶型構成における２段燃焼を使用する一般的なガスタービンを示す図である。
【００４５】
図３は、希釈空気の調整のための弁が付加された、缶型／環状型構成における２段燃焼を使用する一般的なガスタービンを示す図である。
【００４６】
図１および図２に示されたエンジン構成に加え、概念は、図３に示されたエンジン構成においても機能することが予想される。これにより、基本的に、缶型構成と環状構成との間の移行は、２つのバーナの間でシフトされている。
【００４７】
図４は、２つの燃焼器の間で高圧タービンを使用する、最初に缶型構成、その後に環状構成における２段燃焼を使用する一般的なガスタービンを示す図である。システムは、希釈空気と置き換わっている高圧タービンが加えられた構成のために機能することが予想される。この構成では、第１の燃焼器の缶が複数の缶で動作しながら、第２の燃焼器のために環状エンジン構成を使用することが好ましい。
【００４８】
図５は、本発明による方法を実施するための２段燃焼を行う詳細なガスタービンを示している。ガスタービンは、圧縮機１と、第１の燃焼器４’と、第１のタービン７と、第２の燃焼器１５’と、第２のタービン１２とを有する。典型的には、ガスタービンは、発電機１９を含み、この発電機は、ガスタービンの低温端部において、すなわち圧縮機１において、ガスタービンのシャフト１８に連結されている。第１の燃焼器４’および第２の燃焼器１５’は缶型構成において作動するが、第１のタービン７は選択的である。
【００４９】
様々な図１から図６までに示した缶型構成は、タービンシャフトの円周の周囲に環状配列で配置された複数の缶を含む（図６）。これは、各缶４，１５の個々の燃焼運転を可能にし、これは、燃焼プロセス中の個々の缶の間の有害な相互作用とはならなない。
【００５０】
燃料、ガスまたは油は、燃料供給部５を通じて第１の燃焼器４’の缶４に導入され、圧縮機１において圧縮された空気と混合され、燃焼させられる。高温のガス６は、後続の第１のタービン７において部分的に膨張させられ、仕事を行う。
【００５１】
第２の燃焼器が作動させられるやいなや、追加の燃料が、燃料供給部１０を通じて、第２の燃焼器１５’の缶１５のバーナ９において、部分的に膨張したガス８に付加され、第２の燃焼器１５’の缶１５において燃焼させられる。高温ガス１１は、後続の第２のタービン１２において膨張させられ、仕事を行う。排ガス１３を、有利にはコンバインドサイクル発電プラントの排熱ボイラまたは別の排熱用途に供給することができる。
【００５２】
吸入質量流量を制御するために、圧縮機１は、可変圧縮機入口ガイドベーン１４の少なくとも１つの列を有する。
【００５３】
吸気２の温度を上昇させることができるように、凍結防止ライン２６が設けられており、この凍結防止ライン２６を通じて圧縮空気３の一部を吸気２に付加することができる。制御のために、凍結防止制御弁２５が設けられている。これは、通常、圧縮機１の凍結のリスクを事前に防止するために、周囲空気における空気湿度が比較的高い低温の日に従事させられる。
【００５４】
圧縮空気３の一部は、高圧冷却空気２２として抜き取られ、高圧冷却空気冷却器３５を通じて再冷却され、冷却空気２２として第１の燃焼器４（冷却空気ラインは図示していない）および第１のタービンへ供給される。
【００５５】
高圧タービン７へ供給される高圧冷却空気２２の質量流量は、実施例においては高圧冷却空気制御弁２１によって制御することができる。
【００５６】
高圧冷却空気２２の一部は、いわゆるキャリヤ空気２４として第２の燃焼器１５’の缶１５のバーナ９のバーナランスへ供給される。キャリヤ空気２４の質量流量は、キャリヤ空気制御弁１７によって制御することができる。
【００５７】
空気の一部は、部分的に圧縮されて、圧縮機１から抜き取られ、低圧冷却空気冷却器３６を通じて再冷却され、冷却空気２３として第２の燃焼器１５’の缶１５および第２のタービンへ供給される。冷却空気２３の質量流量は、実施例においては冷却空気制御弁１６によって制御することができる。
【００５８】
燃焼器のうちの１つまたは複数は、例えば第２の燃焼器によって図４に一般的に示されているように、例えば多数の個々のバーナ９（図５参照）を備える環状燃焼器として構成することができる。図６に図示したように、これらのバーナ９のそれぞれには、燃料分配システムおよび燃料供給部１０を通じて燃料が供給される。
【００５９】
図６は、例えば、２段燃焼を行うガスタービンの缶型構成１５の環状配列を備える第２の燃焼器１５’、および全ての缶１５のバーナ９（図５参照）への燃料環状主管３０と、例えば、８つのバーナおよびこの意味で８つの缶１５を作動停止させるための８つの個々のオン／オフ弁３７とを備える燃料分配システムの断面図である。第１の燃焼器４’のために同じ缶型構成を配置することができる。個々のオン／オフ弁３７を閉じることにより、全ての缶１５の個々のバーナ９、および対応して４、への燃料供給が停止され、燃料は、残りのバーナ、およびこの意味で残りの缶へ分配され、その際、全体の燃料質量流量は制御弁２８によって制御される。その結果、作動中のバーナ９の空気比λは減じられる。１つのバーナ９に、それぞれのバーナ９への燃料供給部１０における燃料流を制御するための個々の制御弁（図示せず）を設けることができる。
【００６０】
符号２０は、圧縮機およびタービンに関連したステータ配列（図示せず）を含むガスタービンの外部ボディハウジングを示している。
【００６１】
缶の燃焼のための予混合バーナが設けられている場合、これらの予混合バーナは、好適には、欧州特許出願公開第０３２１８０９号明細書および／または欧州特許出願公開第０７０４６５７号明細書による燃焼プロセスおよび目的によって形成されるべきであり、これらの文献は本記載の一体的部分を形成している。
【００６２】
特に、前記予混合バーナは、全ての種類の液体燃料および／または気体燃料によって作動させることができる。すなわち、個々の缶内に異なる燃料を提供することが容易に可能である。これは、予混合バーナを異なる燃料によって同時に作動させることもできることも意味する。
【００６３】
第２のまたは後続の燃焼器缶は、好適には、欧州特許出願公開第０６２０３６２号明細書または独国特許出願公開第１０３１２９７１号明細書によって提供され、これらの文献は本記載の一体的部分を形成している。
【００６４】
加えて、以下に言及される文献も本記載の一体的部分を形成している：
−ＥＰ０３２１８０９ＡおよびＢは、接線方向の空気入口スロットと、気体および液体燃料のための供給チャネルとを有する完全なボディを構成する中空の部分円錐ボディから成るバーナに関し、中空部分円錐ボディの中心軸線は、流れ方向で増大する円錐角を有し、長手方向で互いにずれて延びている。燃料ノズルであって、その燃料噴射は、部分円錐ボディの互いにずれた中心軸線の接続線の中間に配置されている燃料ノズルは、部分円錐ボディによって形成された円錐形内部におけるバーナヘッドに配置されている。
−ＥＰ０７０４６５７ＡおよびＢは、燃焼空気流のための、実質的にＥＰ０３２１８０９ＡおよびＢによるスワール発生器と、燃料の噴射のための手段と、スワール発生器の下流に提供された混合経路とから実質的に成る、発熱器のバーナ配列に関し、前記混合経路は、前記移行ダクトの下流に接合した、前記混合経路の流れ横断面内への、前記スワール発生器に形成された流れの引渡しのために、流れ方向で経路の第１の部分内に延びたトランザクションダクトを有する。
【００６５】
さらに、与えられた滞留時間のための燃料空気混合を改良するために、燃料の自己点火を利用する、ガスタービン再熱燃焼器内での使用のための燃料インジェクタが提案されている。このインジェクタの特定の実施の形態が考えられる：
−振動する気体燃料は、クロスフロー構成の意味において酸化剤の流れに対して垂直に噴射される。
−振動する気体燃料は、インライン構成の意味において酸化剤の流れに対して平行に噴射される。
−振動する気体燃料は、酸化剤の流れに対して０°〜９０°の傾斜角度で噴射される。
−２段燃焼を行うガスタービングループにおいて部分負荷運転を確立する方法に関する、ＥＰ０６４６７０５ＡおよびＢ
−２つの燃焼室を具備するガスタービンプラントを制御する方法に関する、ＥＰ０６４６７０４ＡおよびＢ
−部分負荷運転を提供するときの、２つの燃焼室を具備するガスタービングループを運転する方法に関する、ＥＰ０７１８４７０ＡおよびＢ。
【００６６】
上掲の文献のうちの１つまたは複数の改良点を含むその他の関連する公開された文献は、本明細書の一体的部分をも形成する。開示は、以下の実施の形態に要約される。
【００６７】
２段燃焼を行うガスタービンの、部分負荷ＣＯ低減運転および低ＣＯエミッション運転の方法において、前記ガスタービンは、基本的に、少なくとも１つの圧縮機と、該圧縮機の下流に接続された第１の燃焼器とを備え、該第１の燃焼器の高温ガスは、少なくとも中間タービンへまたは直接的または間接的に第２の燃焼器へ送られ、該第２の燃焼器の高温ガスは別のタービンまたは直接的または間接的にエネルギ回収部へ送られ、少なくとも一方の燃焼器は、缶型構成を有する熱量燃焼路において作動し、少なくとも前記第２の燃焼器の燃焼の空気比λを、最大空気比λmaxよりも低く保つ。
【００６８】
この方法の別の実施の形態では、第１および第２の燃焼器は、缶型構成を有する熱量燃焼路において作動する。
【００６９】
２段燃焼を行うガスタービンの、部分負荷ＣＯ低減運転および低ＣＯエミッション運転の方法において、前記ガスタービンは、基本的に、少なくとも１つの圧縮機と、該圧縮機の下流に接続された第１の燃焼器とを備え、該第１の燃焼器の高温ガスは、少なくとも中間タービンへまたは直接的または間接的に第２の燃焼器へ送られ、該第２の燃焼器の高温ガスは別のタービンまたは直接的または間接的にエネルギ回収部へ送られ、第１の燃焼器は、缶型構成を有する熱量燃焼路において作動し、第２の燃焼器は、缶型構成を有する熱量燃焼路において作動し、少なくとも前記第２の燃焼器の燃焼の空気比λを、最大空気比λmaxよりも低く保つ。
【００７０】
２段燃焼を行うガスタービンの、部分負荷ＣＯ低減運転および低ＣＯエミッション運転の方法において、前記ガスタービンは、基本的に、少なくとも１つの圧縮機と、該圧縮機の下流に接続された第１の燃焼器とを備え、該第１の燃焼器の高温ガスは、少なくとも中間タービンへまたは直接的または間接的に第２の燃焼器へ送られ、該第２の燃焼器の高温ガスは別のタービンまたは直接的または間接的にエネルギ回収部へ送られ、第１の燃焼器は、缶型構成を有する熱量燃焼路において作動し、第２の燃焼器は、環状構成を有する熱量燃焼路において作動し、少なくとも前記第２の燃焼器の燃焼の空気比λを、最大空気比λmaxよりも低く保つ。
【００７１】
２段燃焼を行うガスタービンの、部分負荷ＣＯ低減運転および低ＣＯエミッション運転の方法において、前記ガスタービンは、基本的に、少なくとも１つの圧縮機と、該圧縮機の下流に接続された第１の燃焼器とを備え、該第１の燃焼器の高温ガスは、少なくとも中間タービンへまたは直接的または間接的に第２の燃焼器へ送られ、該第２の燃焼器の高温ガスは別のタービンまたは直接的または間接的にエネルギ回収部へ送られ、少なくとも一方の燃焼器は、環状構成を有する熱量燃焼路において作動し、少なくとも前記第２の燃焼器の燃焼の空気比λを、最大空気比λmaxよりも低く保つ。
【００７２】
この方法の別の実施の形態では、第１および第２の燃焼器は、環状構成を有する熱量燃焼路において作動する。
【００７３】
方法の別の実施の形態では、第２の燃焼器の燃焼の空気比λは最大空気比λmaxよりも低く維持される。
【００７４】
方法の別の実施の形態では、負荷増大により、第２の燃焼器を従事させる前に、第１のタービンのタービン入口温度ＴＩＴ１を、まず、部分負荷限界まで上昇させ、可変圧縮機入口ガイドベーンの列が開かれ、第２の燃焼器を従事させるためにまたは第２の燃焼器を従事させるとき、可変圧縮機入口ガイドベーンの列を閉じ、燃料を第２の燃焼器に導入する。
【００７５】
方法のさらに別の実施の形態では、負荷軽減のとき、第２の燃焼器を従事解除する前に、可変圧縮機入口ガイドベーンの列を閉じ、第２の燃焼器の従事解除のときに可変圧縮機入口ガイドベーンを再び開くことを特徴とする。
【００７６】
方法の別の実施の形態では、ガスタービンを負荷軽減するとき、ヒステリシスを生ぜしめるために、第１の燃焼器が第１のタービンのタービン入口温度ＴＩＴ１の部分負荷限界にあり、かつ可変圧縮機入口ガイドベーンの列が開かれているときの運転中に達成される負荷よりも低い負荷において、第２の燃焼器のみをシャットダウンする。
【００７７】
方法の別の実施の形態において、第２の燃焼器の缶の少なくとも１つのバーナへの燃料供給を、部分負荷において遮断し、これにより、第２のタービンのタービン入口温度が変化することなく、酸素運転におけるバーナの空気比を減じる。
【００７８】
方法の別の実施の形態では、対応する燃焼器の作動停止した缶の数は、負荷に反比例するかまたは基本的に負荷に反比例する。
【００７９】
方法の別の実施の形態では、第１のタービンおよび／または第２のタービンＴＡＴ２のタービン排気温度ＴＡＴ１の部分負荷限界を、可変圧縮機入口ガイドベーンの列の開きをより高い負荷へシフトさせるために、部分負荷範囲のときに増大させる。
【００８０】
方法の別の実施の形態では、圧縮されたまたは部分的に圧縮された圧縮機空気の部分的な流れを、少なくとも第２の燃焼器の上流に付加する。
【００８１】
方法の別の実施の形態では、少なくとも１つの冷却空気温度および／または少なくとも１つの冷却空気質量流量を、負荷に関して制御する。
【００８２】
方法の別の実施の形態では、第１および／または第２の燃焼器の燃料温度を、負荷に関して制御する。
【００８３】
別の実施の形態は、圧縮機と、圧縮機の下流に接続された第１の燃焼器とを備え、第１の燃焼器の高温ガスは第１のタービンまたは第２の燃焼器へ送られ、第２の燃焼器は第１のタービンの下流にまたは第１の燃焼器に直接接続されており、それらの高温ガスはそれぞれ第１または第２のタービンへ送られ、少なくとも第１の燃焼器または前記第２の燃焼器は、缶型構成において作動する、上述の方法を実施するためのガスタービンに関する。
【００８４】
ガスタービンの別の実施の形態では、第１の燃焼器および／または第２の燃焼器の１つの缶の少なくとも１つのバーナへの少なくとも１つの燃料ラインに、個々のオン／オフ弁が配置されている。
【００８５】
ガスタービンの別の実施の形態では、第１の燃焼器および／または第２の燃焼器の１つの缶の少なくとも１つのバーナへの少なくとも１つの燃料ラインに、個々の制御弁が配置されており、および／または、燃料分配システムは、第１の燃料制御弁と、第１の缶サブグループのバーナへ燃料を分配するための第１の燃料主管とを有しており、かつ少なくとも１つの第２の燃料制御弁と、少なくとも１つの缶サブグループのバーナへ燃料を分配するための少なくとも１つの第２の燃料環状主管とを有する。
【００８６】
ガスタービンの別の実施の形態では、高圧圧縮機は、全負荷における確実な運転のために要求される圧力比よりも高い圧力比のために設計されている。
【００８７】
ガスタービンの別の実施の形態では、タービン排気および排ガスラインは、最大全負荷排ガス温度よりも高い第１または第２のタービンのタービン排気温度ＴＡＴ１／ＴＡＴ２のために設計されている。
【符号の説明】
【００８８】
１  圧縮機
２  吸気
３  圧縮空気
４  缶
５  燃料供給部
６  高温ガス
７  第１のタービン
８  部分的に膨張した高温ガス
９  第２の燃焼器のバーナ
１０  燃料供給部
１１  高温ガス
１２  第２のタービン
１３  （廃熱ボイラ用の）排ガス
１４  可変圧縮機入口ガイドベーン
１５  缶
１６  低圧冷却空気制御弁
１７  キャリヤ空気制御弁
１８  シャフト
１９  発電機
２１  高圧冷却空気制御弁
２２  高圧冷却空気
２３  冷却空気
２４  キャリヤ空気
２５  凍結防止制御弁
２６  凍結防止ライン
２８  燃料制御弁
２９  燃料供給部
３０  燃料環状主管
３５  高圧冷却空気冷却器
３６  低圧冷却空気冷却器
３７  個々のオン／オフ弁
ＴＡＴ  タービン排気温度
ＴＡＴ１  第１のタービンのタービン排気温度
ＴＡＴ２  第２のタービンのタービン排気温度
ＴＩＴ  タービン入口温度
ＴＩＴ１  第１のタービンのタービン入口温度
ＴＩＴ２  第２のタービンのタービン入口温度
４’  複数の缶を有する第１の燃焼器
１５’  複数の缶を有する第２の燃焼器
２０  ガスタービンの外部ボディハウジング
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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