JP5869771B2 - Apparatus and method for a combustor - Google Patents
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Description
本発明は、総括的にはガスタービン用の燃焼器に関連する。具体的には、本発明は、燃料消費量を減少させる様々なターンダウン方式で作動させることができる複数ノズルを備えた燃焼器について記述しかつその機能を可能にする。 The present invention relates generally to a combustor for a gas turbine. Specifically, the present invention describes and enables the function of a combustor with multiple nozzles that can be operated in various turndown manners to reduce fuel consumption.
ガスタービンは、発電用の商業運転において広く使用されている。ガスタービンは、外気を加圧し、加圧空気と燃料を混合しかつその混合気を点火燃焼させて高エネルギー燃焼ガス発生させ、この燃焼ガスが、タービンを通って流れて仕事を行なう。タービンは、発電機に連結された出力シャフトを駆動して電気を産生（発電）し、この電気が次に、電力配電網に供給される。タービン及び発電機は、発電する電気量に関係なく比較的一定の回転速度で運転されて、所望の周波数で電気を産生する。 Gas turbines are widely used in commercial operations for power generation. The gas turbine pressurizes the outside air, mixes the compressed air and fuel, and ignites and burns the mixture to generate high energy combustion gas, and the combustion gas flows through the turbine to perform work. The turbine drives an output shaft connected to the generator to produce electricity (generate electricity), which is then supplied to the power distribution network. The turbine and the generator are operated at a relatively constant rotational speed regardless of the amount of electricity to be generated, and produce electricity at a desired frequency.
ガスタービンは一般的に、設計ベース負荷において又はその近くで最も効率的に作動するように設計されている。しかしながら、ガスタービンの需要出力は、多くの場合に設計ベース負荷よりも小さくなる可能性がある。例えば、電力消費量、従って電力需要は、季節間で、また一日の間にも変化する可能性があり、一般に夜間の時間帯に需要電力は低下する。低需要期間の間にガスタービンをその設計ベース負荷で運転し続けることは、燃料を浪費しかつ過剰なエミッションを発生する。 Gas turbines are generally designed to operate most efficiently at or near a design base load. However, the demand output of gas turbines can often be less than the design base load. For example, power consumption, and hence power demand, can change between seasons and even throughout the day, and the power demand generally decreases during night hours. Continued operation of the gas turbine at its design base load during periods of low demand wastes fuel and generates excessive emissions.
低需要期間の間にガスタービンをベース負荷で運転することに代わる１つの代替手段は、単純にガスタービンを運転停止しかつ電力需要が増大するとガスタービンを始動してバックアップするようにすることである。しかしながら、ガスタービンを始動しまた運転停止することにより、多くの構成要素にわたり大きな熱応力が発生し、それにより、補修及び保全の増加を引き起こす。さらに、ガスタービンは、多くの場合に複合サイクルシステムにおける付加的補助装置と共に作動している。例えば、タービン排気に熱回収蒸気発生器を連結して排気ガスから熱を回収して、ガスタービンの全体効率を高めることができる。従って、低需要期間の間にガスタービンを運転停止することはまた、関連する補助装置を作動停止させることを必要とし、それにより、ガスタービンを運転停止することに関連するコストがさらに増加する。 One alternative to operating the gas turbine at base load during periods of low demand is to simply shut down the gas turbine and start and back up the gas turbine as power demand increases. is there. However, starting and shutting down the gas turbine creates significant thermal stress across many components, thereby causing increased repair and maintenance. In addition, gas turbines often operate with additional auxiliary equipment in combined cycle systems. For example, a heat recovery steam generator can be connected to the turbine exhaust to recover heat from the exhaust gas and increase the overall efficiency of the gas turbine. Thus, shutting down a gas turbine during a low demand period also requires deactivating associated auxiliary equipment, thereby further increasing the costs associated with shutting down the gas turbine.
低需要期間の間にガスタービンを運転する別の解決法は、ガスタービンをターンダウン方式下で運転することである。既存のターンダウン方式では、ガスタービンは依然として、所望の周波数で電気を産生するのに必要な回転速度で運転されており、また燃焼器への燃料及び空気の流量は、燃焼器内で発生する燃焼ガスの量を減少させ、それによってガスタービンが発生する出力を低下させるように、減少している。しかしながら、一般的な圧縮機の作動範囲は、空気流量を減少させることができる範囲を制限し、それによって最適な空気対燃料比を維持しながら燃料流量を減少させることができる範囲を制限する。より低い運転レベルでは、各燃焼器内における１以上のノズルは、アイドル状態ノズルに対して燃料流を止める（secure）ことによって「アイドル状態」になっている。燃料供給状態ノズルは、燃焼のために燃料を加圧作動流体と混合し続け、またアイドル状態ノズルは、燃焼のためのいかなる燃料もない状態で単にそれを通して燃焼チャンバに加圧作動流体を流している。ターンダウン方式では、タービン及び発電機を必要な回転速度で運転して、所望の周波数を持つ電気を産生するのに十分な燃焼ガスが生成され、またアイドル状態ノズルは、燃料消費量を低減する。電力需要が増大すると、全てのノズルに対する燃料流（量）を回復させて、再び設計ベース負荷でガスタービンを運転するのを可能にする。 Another solution for operating the gas turbine during periods of low demand is to operate the gas turbine in a turndown manner. In existing turndown schemes, the gas turbine is still operating at the rotational speed necessary to produce electricity at the desired frequency, and fuel and air flow to the combustor is generated within the combustor. The amount of combustion gas is reduced, thereby reducing the power generated by the gas turbine. However, the general compressor operating range limits the range in which the air flow rate can be reduced, thereby limiting the range in which the fuel flow rate can be reduced while maintaining an optimal air-to-fuel ratio. At lower operating levels, one or more nozzles in each combustor are “idle” by securing the fuel flow relative to the idle nozzle. The fuel supply nozzle continues to mix the fuel with the pressurized working fluid for combustion, and the idle nozzle simply allows the pressurized working fluid to flow through the combustion chamber through it without any fuel for combustion. Yes. In turndown mode, the turbine and generator are operated at the required rotational speed to generate enough combustion gas to produce electricity with the desired frequency, and idle nozzles reduce fuel consumption. . As the power demand increases, the fuel flow (amount) for all nozzles is restored, allowing the gas turbine to operate again at the design base load.
既存のターンダウン方式は、達成することができる出力低下の量で制限される。例えば、ターンダウン方式においてアイドル状態ノズルを通って流れる加圧作動流体は、燃料供給状態ノズルからの燃焼ガスと混合しかつ燃焼チャンバ内における燃料燃焼を早期に消炎する傾向になる。燃料の不完全燃焼により、エッミッション限界値を超える可能性があるＣＯエッミッションの増加が生じる。その結果、既存のターンダウン方式の間における最小運転レベルは、ＣＯ及びＮＯｘのエッミッション限界値に適合させるために、４０〜５０％設計ベース負荷ほどもの高いものとする必要がある可能性がある。 Existing turndown schemes are limited by the amount of power reduction that can be achieved. For example, pressurized working fluid flowing through an idle nozzle in a turndown manner tends to mix with combustion gas from the fuel supply nozzle and extinguish the fuel combustion in the combustion chamber early. Incomplete combustion of the fuel results in an increase in CO emissions that can exceed emission limits. As a result, the minimum operating level during the existing turndown scheme may need to be as high as 40-50% design base load to meet CO and NOx emission limits. .
本発明の態様及び利点は、以下において次の説明に記載しており、或いはそれら説明から自明なものとして理解することができ、或いは本発明の実施により学ぶことができる。 Aspects and advantages of the present invention are set forth in the following description, or may be taken as obvious from the description, or may be learned by practice of the invention.
本発明の一実施形態は、燃焼器であり、本燃焼器は、端部カバーと、端部カバーの下流に配置された燃焼チャンバと、端部カバー内に半径方向に配置された複数のノズルとを含む。静止シュラウドが、複数のノズルの少なくとも１つを囲みかつ該複数のノズルの少なくとも１つから下流方向に燃焼チャンバ内に延びる。静止シュラウドは、内側壁表面及び外側壁表面を含む。ノズル中心本体が、静止シュラウド内に配置されかつ複数のノズルの少なくとも１つから下流方向に燃焼チャンバ内に延びる。 One embodiment of the present invention is a combustor that includes an end cover, a combustion chamber disposed downstream of the end cover, and a plurality of nozzles disposed radially within the end cover. Including. A stationary shroud surrounds at least one of the plurality of nozzles and extends downstream from at least one of the plurality of nozzles into the combustion chamber. The stationary shroud includes an inner wall surface and an outer wall surface. A nozzle center body is disposed within the stationary shroud and extends downstream from at least one of the plurality of nozzles into the combustion chamber.
本発明の別の実施形態は、燃焼器であり、本燃焼器は、端部カバーと、端部カバーの下流に配置された燃焼チャンバと、端部カバー内に半径方向に配置された複数のノズルとを含む。静止シュラウドが、複数のノズルの少なくとも１つを囲みかつ該複数のノズルの少なくとも１つから下流方向に燃焼チャンバ内に延びる。静止シュラウドは、二重壁チューブを含む。ノズル中心本体が、静止シュラウド内に配置されかつ複数のノズルの少なくとも１つから下流方向に燃焼チャンバ内に延びる。 Another embodiment of the present invention is a combustor that includes an end cover, a combustion chamber disposed downstream of the end cover, and a plurality of radially disposed within the end cover. A nozzle. A stationary shroud surrounds at least one of the plurality of nozzles and extends downstream from at least one of the plurality of nozzles into the combustion chamber. The stationary shroud includes a double wall tube. A nozzle center body is disposed within the stationary shroud and extends downstream from at least one of the plurality of nozzles into the combustion chamber.
本発明のさらに別の実施形態は、燃焼器を作動させる方法である。本方法は、複数のノズルを通して燃焼チャンバ内に加圧作動流体を流すステップと、複数のノズルの第１のサブセットにおける各ノズルを通して燃焼チャンバ内に燃料を流すステップとを含む。本方法はさらに、複数のノズルの第１のサブセットにおける各ノズルからの燃料を燃焼チャンバ内で点火燃焼させるステップを含む。さらに、本方法は、複数のノズルの第２のサブセットにおける各ノズルの周りで燃焼チャンバ内に別個の静止シュラウドを延ばすステップと、複数のノズルの第２のサブセットにおける各ノズルに対して燃料を隔離するステップとを含む。 Yet another embodiment of the present invention is a method of operating a combustor. The method includes flowing a pressurized working fluid through the plurality of nozzles into the combustion chamber and flowing fuel into the combustion chamber through each nozzle in the first subset of the plurality of nozzles. The method further includes igniting the fuel from each nozzle in the first subset of the plurality of nozzles in the combustion chamber. Further, the method includes extending a separate stationary shroud into the combustion chamber around each nozzle in the second subset of nozzles and isolating fuel for each nozzle in the second subset of nozzles. Including the step of.
本明細書を精査することにより、当業者には、そのような実施形態の特徴及び態様並びにその他がより良好に理解されるであろう。 Upon review of this specification, those skilled in the art will better understand the features and aspects of such embodiments as well as others.
添付図面の図を参照することを含む本明細書の以下の残り部分において、当業者に対する本発明の最良の形態を含む本発明の完全かつ有効な開示をより具体的に説明する。 In the following remainder of this specification, including with reference to the drawings in the accompanying drawings, a more complete and effective disclosure of the present invention, including the best mode of the present invention, will be described more specifically.
次に、その１以上の実施例を添付図面に示している本発明の現時点での実施形態を詳細に説明する。詳細な説明では、図面中の特徴要素を示すために参照符号及び文字表示を使用している。本発明の同様な又は類似した部品を示すために、図面及び説明において同様な又は類似した表示を使用している。 Reference will now be made in detail to the present embodiments of the invention, one or more examples of which are illustrated in the accompanying drawings. In the detailed description, reference numerals and letter designations are used to indicate features in the drawings. Similar or similar designations are used in the drawings and the description to indicate similar or similar parts of the invention.
各実施例は、本発明の限定ではなくて本発明の説明として示している。実際には、本発明においてその技術的範囲及び技術思想から逸脱せずに修正及び変更を加えることができることは、当業者には明らかであろう。例えば、一実施形態の一部として例示し又は説明した特徴要素は、別の実施形態で使用してさらに別の実施形態を生成することができる。従って、本発明は、そのような修正及び変更を特許請求の範囲及びその均等物の技術的範囲内に属するものとして保護することを意図している。 Each example is provided by way of explanation of the invention, not limitation of the invention. In fact, it will be apparent to those skilled in the art that modifications and variations can be made in the present invention without departing from the scope or spirit of the invention. For example, features illustrated or described as part of one embodiment can be used in another embodiment to produce yet another embodiment. Accordingly, the present invention is intended to protect such modifications and changes as fall within the scope of the appended claims and equivalents thereof.
図１は、本発明の技術的範囲に属するガスタービン１０の簡略断面図を示している。ガスタービン１０は一般的に、前部における圧縮機１２と、中間部の周りの１以上の燃焼器１４と、後部におけるタービン１６とを含む。圧縮機１２及びタービン１６は一般的に、共通のロータ１８を共有する。 FIG. 1 shows a simplified cross-sectional view of a gas turbine 10 belonging to the technical scope of the present invention. The gas turbine 10 generally includes a compressor 12 at the front, one or more combustors 14 around the middle, and a turbine 16 at the rear. The compressor 12 and the turbine 16 generally share a common rotor 18.
圧縮機１２は、それを加圧することによって作動流体（空気）に運動エネルギーを与えて、該作動流体を高エネルギー状態にする。加圧作動流体は、圧縮機１２から流出しかつ圧縮機吐出プレナム２０を通って燃焼器１４に流れる。各燃焼器１４は一般的に、端部カバー２２と、複数のノズル２４と、端部カバー２２の下流に燃焼チャンバ２８を形成したライナ２６とを含む。ノズル２４により燃料を加圧作動流体と混合しまたその混合気を燃焼チャンバ２８内で点火燃焼させて、高い温度、圧力及び速度を有する燃焼ガスを発生させる。燃焼ガスは、移行部品３０を通ってタービン１６に流れ、タービン１６において、燃焼ガスが膨張して仕事を行なう。 The compressor 12 applies kinetic energy to the working fluid (air) by pressurizing the compressor 12 to bring the working fluid into a high energy state. The pressurized working fluid exits the compressor 12 and flows through the compressor discharge plenum 20 to the combustor 14. Each combustor 14 generally includes an end cover 22, a plurality of nozzles 24, and a liner 26 that defines a combustion chamber 28 downstream of the end cover 22. The nozzle 24 mixes fuel with the pressurized working fluid and ignites the mixture in the combustion chamber 28 to generate combustion gases having high temperature, pressure and velocity. The combustion gas flows through the transition piece 30 to the turbine 16 where it expands and performs work.
図２は、明瞭にするためにライナ２６を取除いた状態になっている、図１に示す燃焼器１４の斜視図である。図示するように、端部カバー２２は、ノズル２４に対して構造的支持を与える。ノズル２４は一般的に、図２に示すように５つのノズルが単一のノズルを囲んでいるような様々なジオメトリで、端部カバー２２内に半径方向に配置される。本発明の技術的範囲に属する別のジオメトリには、６つ又は７つのノズルが単一のノズルを囲んでいるもの或いは特定の設計ニーズによるあらゆる好適な構成が含まれる。ノズル２４は、図２に示すように、均一な直径又は異なる直径を有することができる。 FIG. 2 is a perspective view of the combustor 14 shown in FIG. 1 with the liner 26 removed for clarity. As shown, the end cover 22 provides structural support for the nozzle 24. The nozzles 24 are typically arranged radially within the end cover 22 in various geometries such that five nozzles surround a single nozzle as shown in FIG. Other geometries that fall within the scope of the present invention include six or seven nozzles surrounding a single nozzle or any suitable configuration depending on the particular design needs. The nozzle 24 may have a uniform diameter or a different diameter, as shown in FIG.
ベース負荷出力で運転されている時には、各ノズル２４は、燃料を加圧作動流体と混合する。混合気は、燃焼チャンバ２８内において端部カバー２２の下流で点火燃焼されて、燃焼ガスを発生する。低い電力需要の期間の間には、燃焼器１４は、アイドル状態ノズルに対して燃料流を止めること（securing）によって１以上のノズル２４を「アイドル状態」にしたターンダウン方式で作動させることができる。 When operating at base load output, each nozzle 24 mixes fuel with pressurized working fluid. The air-fuel mixture is ignited and combusted downstream of the end cover 22 in the combustion chamber 28 to generate combustion gas. During periods of low power demand, the combustor 14 may be operated in a turndown manner in which one or more nozzles 24 are "idled" by securing the fuel flow to the idle nozzles. it can.
図３は、特定の拡張ノズル構成についての特定のターンダウン方式で作動している、図２に示す燃焼器１４を示している。この特定のターンダウン方式及びノズル構成では、３つのノズルが燃料供給状態ノズル３２であり、また３つのノズルがアイドル状態ノズル３４である。燃料及び加圧作動流体は、燃料供給状態ノズル３２を通って流れ、一方、アイドル状態ノズル３４を通って、加圧作動流体のみが流れる。加えて、シュラウド３６が、各アイドル状態ノズル３４を囲みかつ各アイドル状態ノズル３４から下流方向に燃焼チャンバ内に延びている。シュラウド３６は、アイドル状態ノズル３４及び／又は端部カバー２２に固定取付けすることができる。各シュラウド３６は、燃焼チャンバの一部分を通して加圧作動流体を導いて、アイドル状態ノズル３４からの加圧作動流体が早期に燃焼を消炎するのを防止する。電力需要が増大すると、燃焼器１４は、アイドル状態ノズル３４に対して燃料流（量）を回復させかつ燃焼チャンバ内で燃料混合気を点火燃焼させることによって、ベース負荷出力レベルに戻ることができる。 FIG. 3 shows the combustor 14 shown in FIG. 2 operating in a particular turndown manner for a particular expansion nozzle configuration. In this particular turndown scheme and nozzle configuration, three nozzles are fuel supply state nozzles 32 and three nozzles are idle state nozzles 34. The fuel and pressurized working fluid flow through the fuel supply state nozzle 32 while only the pressurized working fluid flows through the idle state nozzle 34. In addition, a shroud 36 surrounds each idle state nozzle 34 and extends downstream from each idle state nozzle 34 into the combustion chamber. The shroud 36 can be fixedly attached to the idle nozzle 34 and / or the end cover 22. Each shroud 36 conducts pressurized working fluid through a portion of the combustion chamber to prevent pressurized working fluid from idle nozzle 34 from prematurely extinguishing combustion. As power demand increases, the combustor 14 can return to the base load power level by restoring fuel flow (amount) to the idle nozzle 34 and igniting the fuel mixture in the combustion chamber. .
図４は、図３に示すシュラウド３６の斜視図を示している。シュラウド３６は、２８００〜３０００°Ｆ以上の燃焼温度に耐えることができるあらゆる合金、超合金、被覆セラミック又はその他の好適な材料で製作することができる。シュラウド３６は、内側壁表面３８が関連するアイドル状態ノズルに面し、外側壁表面４０が関連するアイドル状態ノズルと反対方向に面しかつ内側及び外側壁表面３８、４０間に空洞４２が配置された状態になった複数壁構造とすることができる。別の実施形態では、シュラウド３６は、内側及び外側壁表面３８、４０が単一壁の単に両側面であるような単一の壁構造とすることができる。そのような構造に関係なく、シュラウド３６は、内側及び外側壁表面３８、４０のいずれか又は両方内に約０．０２インチ〜０．０５インチの直径を有する複数のアパーチャ４４を含むことができる。 4 shows a perspective view of the shroud 36 shown in FIG. The shroud 36 can be made of any alloy, superalloy, coated ceramic, or other suitable material that can withstand combustion temperatures of 2800-3000 ° F. or higher. The shroud 36 faces the idle nozzle associated with the inner wall surface 38, faces away from the idle nozzle associated with the outer wall surface 40, and a cavity 42 is disposed between the inner and outer wall surfaces 38,40. A multi-wall structure can be obtained. In another embodiment, the shroud 36 may be a single wall structure where the inner and outer wall surfaces 38, 40 are simply both sides of a single wall. Regardless of such construction, the shroud 36 can include a plurality of apertures 44 having a diameter of about 0.02 inches to 0.05 inches within either or both of the inner and outer wall surfaces 38,40. .
空洞４２及び／又はアパーチャ４４を通して冷却流体を供給して、シュラウド３６の表面３８、４０を冷却することができる。好適な冷却流体には、蒸気、水、分流加圧作動流体及び空気が含まれる。当業者に公知のその他の構造及び方法を使用して、シュラウド３６を冷却することができる。例えば、米国特許出願公開第２００６／０１９１２６８号には、同様にシュラウドの冷却に使用することができるガスタービンノズルの冷却方法及び装置が記載されている。 A cooling fluid may be supplied through the cavity 42 and / or the aperture 44 to cool the surfaces 38, 40 of the shroud 36. Suitable cooling fluids include steam, water, diverted pressurized working fluid and air. Other structures and methods known to those skilled in the art can be used to cool shroud 36. For example, US Patent Application Publication No. 2006/0191268 describes a gas turbine nozzle cooling method and apparatus that can also be used to cool a shroud.
各シュラウド３６は、関連するアイドル状態ノズルよりも僅かに大きい直径を有し、かつ特定の実施形態及び設計ニーズに応じて、図示するようにその形状を円筒形とするか或いは収束又は発散形状を有するようにすることができる。シュラウド３６の長さは、該シュラウド３６が燃焼チャンバ内に十分な距離延びてアイドル状態ノズルからの加圧作動流体が燃料供給状態ノズルからの燃焼ガスと混合しかつ燃焼を早期に消炎するのを防止するのに十分なものであるべきである。好適な長さは、特定の燃焼器設計及び予測ターンダウン方式に応じて、３インチ、５インチ、７インチ又はそれ以上の長さとすることができる。 Each shroud 36 has a slightly larger diameter than the associated idle nozzle and may have a cylindrical shape or a convergent or divergent shape as shown, depending on the particular embodiment and design needs. Can have. The length of the shroud 36 ensures that the shroud 36 extends a sufficient distance into the combustion chamber so that the pressurized working fluid from the idle nozzle mixes with the combustion gas from the fueled nozzle and extinguishes the combustion early. Should be sufficient to prevent. Suitable lengths can be 3 inches, 5 inches, 7 inches or longer depending on the specific combustor design and anticipated turndown scheme.
図５は、本発明の一実施形態による静止シュラウド４６及びノズル中心本体４８の側面図を示している。図５に示すように、静止シュラウド４６及びノズル中心本体４８は、端部カバー２２から下流方句に燃焼チャンバ内に延びる。ターンダウン運転の間には、加圧空気は、混合又はスワーラベーン５０を通りかつ静止シュラウド４６を通って燃焼チャンバ内に流れ続けるが、燃料流は、このノズルに対して止められる。ベース負荷運転の間には、このノズルに対して燃料流が回復され、またノズル中心本体４８は、シュラウド４６の端部における火炎の安定性を高める。 FIG. 5 shows a side view of stationary shroud 46 and nozzle center body 48 according to one embodiment of the present invention. As shown in FIG. 5, the stationary shroud 46 and the nozzle center body 48 extend from the end cover 22 downstream into the combustion chamber. During turndown operation, pressurized air continues to flow through the mixing or swirler vanes 50 and through the stationary shroud 46 into the combustion chamber, but the fuel flow is stopped against this nozzle. During base load operation, fuel flow is restored to the nozzle, and the nozzle center body 48 enhances flame stability at the end of the shroud 46.
図５に示す実施形態は、従来型の単一段燃焼器に比して付加的なエミッション利点を得ることができる複段タイプの燃焼器を構成する。例えば、低負荷又はターンダウン運転の間には、静止シュラウド４６は、アイドル状態ノズルからの加圧空気が燃料供給状態ノズルからの燃焼ガスと混合しかつ該燃焼ガスを早期に消炎するのを防止し、それによってターンダウン運転の間におけるＣＯエミッションを低減する。ベース負荷運転の間に、ノズル中心本体４８は、静止シュラウドの端部における火炎を維持する。このことにより、燃焼チャンバ内における燃焼のより短い滞留時間により、ベース負荷運転の間におけるＮＯｘエミッションを低減させることができる。加えて、ベース負荷運転の間に、延長ノズル中心本体４８は、燃焼チャンバの長さに沿って放熱を分散させ、それによって燃焼に先立って加圧作動流体を燃料と予混合する燃焼器において通常特有である圧力変動を減少させることができる。 The embodiment shown in FIG. 5 constitutes a multi-stage combustor that can provide additional emission advantages over conventional single-stage combustors. For example, during low load or turndown operation, the stationary shroud 46 prevents pressurized air from the idle nozzle from mixing with the combustion gas from the fuel supply nozzle and prematurely extinguishing the combustion gas. Thereby reducing CO emissions during turndown operation. During base load operation, the nozzle center body 48 maintains a flame at the end of the stationary shroud. This can reduce NOx emissions during base load operation due to the shorter residence time of combustion in the combustion chamber. In addition, during base load operation, the extended nozzle center body 48 is typically used in a combustor that dissipates heat dissipation along the length of the combustion chamber, thereby premixing pressurized working fluid with fuel prior to combustion. The pressure fluctuation which is peculiar can be reduced.
図６、図７、図８及び図９は、本発明の技術的範囲に属する特定のターンダウン方式における燃料供給状態ノズル３２及びアイドル状態ノズル３４を示している。各図における斜線付き円は、燃料供給状態ノズル３２を表し、また空白の円は、アイドル状態ノズル３４を表している。図４及び図５に示すような静止シュラウドが、各アイドル状態ノズル３４を囲みかつ各アイドル状態ノズル３４から下流方向に燃焼チャンバ内に延びる。 FIGS. 6, 7, 8 and 9 show the fuel supply state nozzle 32 and the idle state nozzle 34 in a specific turn-down manner that fall within the scope of the present invention. A hatched circle in each figure represents the fuel supply state nozzle 32, and a blank circle represents the idle state nozzle 34. A stationary shroud as shown in FIGS. 4 and 5 surrounds each idle nozzle 34 and extends downstream from each idle nozzle 34 into the combustion chamber.
図６では、周辺部の周りの５つのノズルが、燃料供給状態ノズル３２であり、また中心ノズルが、アイドル状態ノズル３４である。このターンダウン方式では、燃焼器出口温度は、あらゆるエミッション要件を超えることなく７０°Ｆほども低下させることができる。図７、図８及び図９では、付加的ノズルは、アイドル状態になっていて、ターンダウン方式の間における燃料消費量をさらに減少させる。図７、図８及び図９に示す各ターンダウン方式では、圧縮機からの加圧作動流体は、各ノズル３２、３４を通って流れる。各図示した構成において、ノズルの第１のサブセットは、燃料供給状態ノズル３２として作動しかつ燃焼チャンバ内での燃焼のための燃料を受け続ける。各図示した構成において、ノズルの第２のサブセットは、アイドル状態ノズル３４として作動し、この作動は、アイドル状態ノズル３４に対して燃料流を止めかつ該アイドル状態ノズル３４から下流方向に燃焼チャンバ内に延びるシュラウドで各アイドル状態ノズル３４を囲むことによって達成される。 In FIG. 6, the five nozzles around the periphery are the fuel supply state nozzles 32, and the center nozzle is the idle state nozzle 34. In this turndown scheme, the combustor exit temperature can be reduced by as much as 70 ° F. without exceeding any emission requirements. In FIGS. 7, 8 and 9, the additional nozzle is idle, further reducing fuel consumption during the turndown mode. In each turndown system shown in FIGS. 7, 8 and 9, the pressurized working fluid from the compressor flows through the nozzles 32, 34. In each illustrated configuration, the first subset of nozzles operates as a fuel supply nozzle 32 and continues to receive fuel for combustion in the combustion chamber. In each illustrated configuration, the second subset of nozzles operates as idle nozzles 34 that stop fuel flow relative to the idle nozzle 34 and downstream from the idle nozzle 34 within the combustion chamber. This is accomplished by surrounding each idle nozzle 34 with a shroud that extends to the front.
本発明の技術的範囲に属する燃焼器は、下記するようにターンダウン方式で作動させることができる。加圧作動流体の流れは、各ノズルを通して燃焼チャンバ内に供給することができる。燃料の流れは、ノズルの第１のサブセット（つまり、燃料供給状態ノズル）を通して燃焼チャンバ内に供給しかつ該燃焼チャンバ内で点火燃焼させることができる。ノズルの第２のサブセット（つまり、アイドル状態ノズル）内の各ノズルの周りに、１以上の静止シュラウドを延ばすことができ、かつ各アイドル状態ノズルに対して燃料を隔離することができる。必要に応じて、各シュラウドは、例えば各シュラウド内のアパーチャを通して蒸気、水、分流加圧作動流体及び／又は空気を流すことによって冷却することができる。 A combustor belonging to the technical scope of the present invention can be operated in a turn-down manner as described below. A flow of pressurized working fluid can be fed into the combustion chamber through each nozzle. Fuel flow may be fed into the combustion chamber through a first subset of nozzles (ie, fueled nozzles) and ignited in the combustion chamber. One or more stationary shrouds can be extended around each nozzle in the second subset of nozzles (ie, idle nozzles) and fuel can be isolated to each idle nozzle. If desired, each shroud can be cooled, for example, by flowing steam, water, a diverted pressurized working fluid, and / or air through an aperture in each shroud.
燃焼器は、各アイドル状態ノズルを通して燃焼チャンバ内に燃料を流しかつ各以前はアイドル状態であったノズルからの燃料を燃焼チャンバ内で点火燃焼させることによって、設計ベース負荷運転に移行させることができる。シュラウドは、以前はアイドル状態であったノズルから下流方向に燃焼チャンバ内に延びた状態をそのまま保持している。 The combustor can be transitioned to design base load operation by flowing fuel into the combustion chamber through each idle state nozzle and igniting fuel from each previously idle nozzle in the combustion chamber. . The shroud retains its state of extending into the combustion chamber downstream from the previously idle nozzle.
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な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り定めており、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含む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。 This written description uses examples, including the best mode, to disclose the invention and to enable any person skilled in the art to make and use any device or system and perform any embedded method. It also makes it possible to implement. The patentable scope of the invention is defined by the claims, and may include other examples that occur to those skilled in the art. Such other embodiments may include structural elements that do not differ from the language of the claims or that they contain equivalent structural elements that have substantive differences from the language of the claims. Is intended to fall within the scope of the appended claims.
１０ ガスタービン
１２ 圧縮機
１４ 燃焼器
１６ タービン
１８ ロータ
２０ 圧縮機吐出プレナム
２２ 端部カバー
２４ ノズル
２６ ライナ
２８ 燃焼チャンバ
３０ 移行部品
３２ 燃料ノズル
３４ アイドルノズル
３６ シュラウド
３８ 内側壁表面
４０ 外側壁表面
４２ 空洞
４４ アパーチャ
４６ 静止シュラウド
４８ ノズル中心本体
５０ 混合ベーン
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Gas turbine 12 Compressor 14 Combustor 16 Turbine 18 Rotor 20 Compressor discharge plenum 22 End cover 24 Nozzle 26 Liner 28 Combustion chamber 30 Transition part 32 Fuel nozzle 34 Idle nozzle 36 Shroud 38 Inner wall surface 40 Outer wall surface 42 Cavity 44 Aperture 46 Static shroud 48 Nozzle center body 50 Mixing vane
Claims (8)
ａ．端部カバー（２２）と、
ｂ．前記端部カバー（２２）の下流に配置された燃焼チャンバ（２８）と、
ｃ．前記端部カバー（２２）内に配置され、第１のサブセットの複数のノズル（３２）および第２のサブセットの複数のノズル（３４）を有する複数のノズルと、
ｄ．各々が、前記第２のサブセットの複数のノズル（３４）のそれぞれを囲み、該第２のサブセットの複数のノズル（３４）のそれぞれから下流方向に前記燃焼チャンバ（２８）内に延びる、複数の静止シュラウド（３６）と、
を備え、
低電力需要期間の間は、前記第１のサブセットの複数のノズル（３２）の各ノズルの燃料が点火され、前記第２のサブセットの複数のノズル（３４）の各ノズルのへの燃料を止める、
燃焼器（１４）。 A combustor (14) for a gas turbine for power generation ,
a. An end cover (22);
b. A combustion chamber (28) disposed downstream of the end cover (22);
c. A plurality of nozzles disposed within the end cover (22) and having a plurality of nozzles (32) in a first subset and a plurality of nozzles (34) in a second subset;
d. A plurality of each surrounding a plurality of nozzles (34) of the second subset and extending downstream from each of the plurality of nozzles (34) of the second subset into the combustion chamber (28); A stationary shroud (36);
With
During the low power demand period, the fuel of each nozzle of the plurality of nozzles (32) of the first subset is ignited and the fuel to each nozzle of the plurality of nozzles (34) of the second subset is stopped. ,
Combustor (14).
ａ．複数のノズル（３２、３４）を通して燃焼チャンバ（２８）内に加圧作動流体を流すステップと、
ｂ．前記複数のノズル（３２、３４）の第２のサブセットにおける各ノズル（３４）に対する燃料を供給せずに、前記複数のノズル（３２、３４）の第１のサブセットにおける各ノズル（３２）を通して前記燃焼チャンバ（２８）内に燃料を流すステップと、
ｃ．前記複数のノズル（３２、３４）の第１のサブセットにおける各ノズル（３２）からの燃料を前記燃焼チャンバ（２８）内で点火燃焼させるステップと、
を含み、
前記複数のノズル（３２、３４）の第２のサブセットにおける各ノズル（３４）の周りで前記燃焼チャンバ（２８）内に別個の静止シュラウド（３６）が延びる、
方法。 A method of operating a combustor (14) comprising:
a. Flowing a pressurized working fluid through the plurality of nozzles (32, 34) into the combustion chamber (28);
b. Through each nozzle (32) in the first subset of the plurality of nozzles (32, 34) without supplying fuel to each nozzle (34) in the second subset of the plurality of nozzles (32, 34). Flowing fuel into the combustion chamber (28);
c. Igniting the fuel from each nozzle (32) in the first subset of the plurality of nozzles (32, 34) in the combustion chamber (28);
Including
A separate stationary shroud (36) extends into the combustion chamber (28) around each nozzle (34) in a second subset of the plurality of nozzles (32, 34) .
Method.
The method of claim 6 or 7, further comprising the step of re-feeding a fuel flow through each nozzle (34) in a second subset of the plurality of nozzles (32, 34).
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