JP2011190785A - ガスタービン燃焼器 - Google Patents

Abstract

【課題】同軸噴流タイプの燃焼器を大型した場合でも、燃料と空気との混合を向上できる燃焼器及び燃焼室への燃料供給方法を提供する。
【解決手段】燃焼室８と、燃焼室８に気体燃料を噴出する燃料ノズル５と、燃焼室８に、燃料ノズル５から噴出された気体燃料と空気とを噴出する空気孔６とを有するガスタービン燃焼器において、燃料ノズル５の気体燃料流路に空気供給流路１２を設けたことにより、空気供給流路１２からの空気流を環状の気体燃料流が取り囲むようにして燃焼室８へ供給できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ガスタービンに搭載する低ＮＯｘ燃焼器の燃料，空気混合促進構造に関する。

ガスタービン燃焼器で発生するＮＯｘは、窒素含有量の少ない燃料（天然ガスや灯油，軽油等）を用いる場合、空気中の窒素が酸化されて発生するサーマルＮＯｘが大部分である。サーマルＮＯｘの生成は温度依存性が高いため、これらの燃料を使用するガスタービンでは、一般に、火炎温度の低減が低ＮＯｘ燃焼法の基本思想である。火炎温度を低減する方策として、燃料と空気を予め混合した後に燃焼させる予混合燃焼が知られている。しかし、従来型の予混合燃焼方式の場合は、燃焼用空気の温度が高い場合や、燃料の自発火温度が低い場合などに、予混合器内部で燃料が燃焼する「逆火」が発生する可能性がある。そのため、逆火を防止しつつ、火炎温度を適度に制御して低ＮＯｘ化を図るために、特許文献１に示されているような、燃料と空気を多数の小径の同軸噴流として燃焼室に噴出する方法が有効である。

特開２００３−１４８７３４号公報

特許文献１に開示されたガスタービンを大型化しようとして燃焼器も大型化した場合、これに比例して燃料ノズルや空気孔も大きくすると、混合しきらないまま燃焼を開始してしまう可能性がある。

そこで本発明の目的は、燃料と空気との混合を向上できる燃焼器及び燃焼室への燃料供給方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、燃焼室と、該燃焼室に気体燃料を噴出する燃料ノズルと、該燃焼室に、該燃料ノズルから噴出された気体燃料と空気とを噴出する空気孔とを有するガスタービン燃焼器において、該燃料ノズルの気体燃料流路に空気供給流路を設けたことを特徴とする。

または、本発明は、空気と気体燃料とを燃焼室に噴出させる燃焼室への燃料供給方法において、空気流を取り囲んだ環状の気体燃料流を、さらに環状の空気流が取り囲むようにして燃焼室へ噴出させることを特徴とする。

本発明によれば、燃料と空気との混合を向上できる燃焼器及び燃焼室への燃料供給方法を提供することにある。

本発明の第１の実施の形態に係るガスタービンシステムの構成を表す概略構成図である。 本発明の第１の実施の形態に係る燃料ノズルの詳細を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る図２とは別の燃料ノズルの詳細を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係るガスタービンシステムの構成を表す概略構成図である。 本発明の第２の実施の形態に係る低ＮＯｘ燃焼器燃料ノズルの詳細を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る図４とは別の低ＮＯｘ燃焼器を示す図である。

特許文献１に開示された構造によって、燃料と空気を短い距離で均一に混合し、逆火ポテンシャルを極力小さくしつつ低ＮＯｘ化を図るためには、多数の小径の同軸噴流を形成することが重要である。

一方で、出力アップを狙う場合にガスタービン全体を相似拡大させたものを用いる場合があり、これに付随してガスタービン燃焼器をも大型化することがある。この際に、燃焼器のサイズに比例して燃料ノズルや空気孔も大きくすると、形成された同軸噴流も大きくなることから、燃焼室内に噴出された燃料と空気が未だ均一に混合しないまま燃焼を開始してしまうことが考えられる。そうすると、所望の低ＮＯｘ性能が得られない可能性がある。一方、均一混合を達成するため、燃料ノズルや空気孔の大きさを維持したままガスタービン燃焼器を大型化すると、所望の低ＮＯｘ性能は得られるものの、燃料ノズルおよび空気孔の数が増加して製造コストが増加する。

そこで、ガスタービン燃焼器が大型化しても、燃料ノズルおよび空気孔の数を増加させることなく、所望の低ＮＯｘ性能を得るための、燃料／空気均一混合手段が求められる。

以下、ガスタービン燃焼器が大型化しても、燃料ノズルおよび空気孔の数を増加させることなく燃料と空気を均一に混合することができ、所望の低ＮＯｘ性能を得ることができるガスタービンにつき、実施例を用いて説明する。

（１）第１の実施の形態
本発明のガスタービン燃焼器、および燃焼器に供給する燃料と空気供給方法の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。

まず、本発明の第１の実施の形態を図１および図２を参照しつつ以下に説明する。

図１は、本発明のガスタービン燃焼器の第１の実施の形態の構成を側断面図で示すと共に、これを備えるガスタービンプラントの全体構成を概略的に示す概略構成図である。この図１に示すように、ガスタービンプラントは、主として、空気１０１を圧縮して高圧の燃焼用空気１０４を生成する圧縮機１と、この圧縮機１から導入される空気１０２と燃料２０１，２０２とを混合して燃焼ガス１０５を生成する燃焼器２と、この燃焼器２で生成された燃焼ガス１０５が導入されるガスタービン３とから構成されている。なお、圧縮機１とガスタービン３とは連結されており、ガスタービン３の回転によって圧縮機１が駆動されるとともに、圧縮機に連結された発電機４が駆動されて発電するようになっている。

上記燃焼器２は、燃料２０１，２０２を噴射する多数の燃料ノズル５、各燃料ノズルに対向し燃焼用空気１０４ａが通過する空気孔６を多数備えた概略円盤状の空気孔プレート７、空気孔プレート７の下流かつ外周に配置され、空気孔６を出た燃料と空気の混合気を燃焼させる燃焼室８を形成する概略円筒状の燃焼器ライナ９、これらの構成部品を内部に収納する概略円筒状の燃焼器カバー１０、燃焼器外筒の端部に配置され燃料ノズル５が取り付けられるとともに燃料の供給流路となっている概略円盤状の燃焼器カバー１１から構成されている。

圧縮機１で圧縮された空気１０２は、燃焼器２に流入し、燃焼器カバー１０と燃焼器ライナ９の間を流れる。その空気１０２の一部は、燃焼器ライナ９の冷却空気１０３として燃焼室８に流入する。また、その空気の残りは燃焼用空気１０４として空気孔プレート７に設けられた空気孔６を通り燃焼室８に流入する。

本実施例では、燃料２０１の供給系統および燃料２０２の供給系統は、それぞれ遮断弁２１１，２１２、および流量制御弁２２１，２２２を備えており、燃料流量を個別に制御することができる。

図１に示すように、本実施例の燃焼器では複数本の燃料ノズル５を備えており、その燃料ノズル５は、それぞれの燃料ノズルに燃料を分配する燃料ヘッダ２３１，２３２に接続されている。本実施例においては、燃料ヘッダ２３１は燃焼器軸中心に位置し概略円盤状の空間である。また、燃料ヘッダ２３２は燃料ヘッダ２３１の周囲に位置し概略環状の空間である。

この燃料ヘッダ２３１，２３２には、それぞれ燃料２０１，２０２の供給系統から燃料を個別に供給する。このような構成により複数の燃料ノズル５は、２系統の燃料系統（燃料ヘッダ２３１に接続するＦ１群および燃料ヘッダ２３２に接続するＦ２群）に群分けすることができ、それぞれの系統ごとにまとめて燃料制御することができる。

図２に燃料ノズル５と空気孔６の詳細を示す。図２の燃料ノズルは燃料ヘッダ２３１に接続するＦ１群のうちの１本を例に説明するが、Ｆ２群の燃料ノズルについても同様の構造である。

燃料ノズル５は概略円筒状であり、その一端は燃料ヘッダ３２１に接続しており、燃料ノズル５の内部には燃料２０１が流れる構造となっている。燃料ノズル５のもう一端は空気孔プレート７に設けられた空気孔６に対してほぼ同軸上に対向しており、燃料２０１は空気孔６を通過する空気１０４ａに包み込まれて空気孔６を通過し、燃焼室８内へ噴出される。

一方、燃料ノズル５の内部には概略円筒状の空気供給流路１２が設けられている。燃料ノズル５と空気供給流路１２はほぼ同軸上に配置されている。また、燃料ノズル５の側面には空気流入口１３が設けられ、空気流入口１３と前記空気供給流路１２には連絡流路１４が接続している。このような構造によって、燃料ノズル５の周囲を流れる燃焼用空気１０４の一部（１０４ｂ）が、空気流入口１３から連絡流路１４を経て空気供給流路１２内を流れる。燃焼用空気１０４ｂは、空気供給流路１２下流端において、燃料２０１に包み込まれて流れ、空気孔６を通過し、燃焼室８内へ噴出される。

以上のような構造によって、空気孔６を通過する際、軸中心から、空気１０４ｂ−燃料２０１−空気１０４ａの同軸噴流が形成される。また、燃焼器２は図２に示した燃料ノズルを多数備えているため、燃焼室８内部には上記同軸噴流が多数形成される。

このとき、空気供給流路１２を備えない構造に比べて、燃料と空気の混合界面が増加するため、燃料−空気の混合を促進することができる。

また、本構造によって、燃料ノズル５内部の燃焼用空気１０４ｂは、空気流入口１３および連絡流路１４を通過して流れることから、燃料ノズル５外部の燃焼用空気１０４ａと比べると圧力損失が大きくなる。その結果、燃料ノズル５出口における空気の流速は１０４ａ＞１０４ｂとなり、その流速差によって燃料ノズル５下流に渦が発生し、燃料−空気の混合効果を高めることができる。

以上の混合促進効果により、燃焼室８内で生成するＮＯｘ量を低減することが可能となり、環境保全効果の高いガスタービンを提供することができる。

なお、空気供給流路１２および連絡流路１４は、図３に示すように、空気供給流路１２を燃料ノズル５と同心状に配置してその上流端（図３左端）を閉止し、連絡流路１４を形成する部材を別途接続することでも構成可能である。この場合、連絡流路１４から空気供給流路１２へ空気が流入する際に、図２に示した実施例よりも圧力損失が大きくなるため、上述した燃焼用空気１０４ａ，１０４ｂの流速差が大きくなり、燃料−空気の混合効果がより高くなる。

以上説明した本実施の形態のガスタービンは、圧縮空気を生成する圧縮機１と、圧縮機１で生成された圧縮空気と燃料とを燃焼して燃焼ガスを生成する燃焼器２と、燃焼器２で生成された燃焼ガスで駆動されるガスタービン３とを有している。この燃焼器２は、燃焼室８と、燃焼室８に気体燃料を噴出する燃料ノズル５と、燃焼室に、燃料ノズル５から噴出された気体燃料と空気とを噴出する空気孔と、燃焼室８の外周側に位置する燃焼器ライナ９と、燃焼器ライナ９の外周側に位置する燃焼器カバー１０と、燃焼室８の上流側に位置し、空気孔６を複数有する空気孔プレート７とを備え、圧縮機１で生成された圧縮空気が、燃焼器ライナ９と燃焼器カバー１０との間を経由して空気孔６に供給されるよう構成されている。そして、燃料ノズル５の気体燃料流路に空気供給流路１２を設け、燃焼器ライナ９と燃焼器カバー１０との間を経由した圧縮空気が、空気供給流路１２に供給されるよう構成されている。その結果、空気供給流路からの空気と燃料ノズル５からの燃料と空気孔６からの空気とが、燃焼室８に噴出された直後に急激に混ざり合う効果により、混合燃料と空気との混合を向上できる。

（２）第２の実施の形態
図４および図５は本発明の第２の実施例について示した図であり、図４は第１の実施例における図１に対応し、図５は第１の実施例における図２に対応するものである。

図４および図５において図１および図２に示した第１の実施例と異なる点は、空気供給流路１２内を流れる空気１０４ｂの空気ヘッダ１５を燃焼器カバー１１内に構成し、空気供給流路１２を前記空気ヘッダ１５に接続して空気流入口１３を設け、また、燃料ヘッダ２３１，２３２の外周に燃焼用空気１０４ｂの連絡流路１６を複数設けた点にある。さらに、燃料２０１，２０２をそれぞれ燃料ヘッダ２３１，２３２へ供給するための燃料供給流路２４１，２４２を、空気ヘッダ１５内に設けた点にある。

以上の構成によっても、空気孔６を通過する際、軸中心から、空気１０４ｂ−燃料２０１−空気１０４ａの同軸噴流が形成される。したがって、上述の第１の実施例の場合と同様に、空気供給流路１２を備えない構造に比べて、燃料と空気の混合界面が増加するため、燃料−空気の混合を促進することができる。

また、この場合、図２および図３に比べて、燃料ノズル５内に連絡流路１４を設ける必要がないため、燃料ノズル５内の燃料の流速分布を均一にすることができ、第１の実施例の場合よりも、燃料ノズル５下流における燃料濃度分布を均一化することができる。

さらに、本構成においても、上述の第１の実施例と同様に、燃料ノズル５内部の燃焼用空気１０４ｂは、連絡流路１６および空気流入口１３を通過して流れることから、燃料ノズル５外部の燃焼用空気１０４ａと比べると圧力損失が大きくなる。その結果、燃料ノズル５出口における空気の流速は１０４ａ＞１０４ｂとなり、その流速差によって燃料ノズル５下流に渦が発生し、燃料−空気の混合効果を高めることができる。

以上の混合促進効果により、燃焼室８内で生成するＮＯｘ量を低減することが可能となり、環境保全効果の高いガスタービンを提供することができる。

なお、図４において、燃料供給流路２４２に近い位置に空気流入口１３が開口しているノズルについては、燃料供給流路２４２の影響により、空気１０４ｂの流量が全体の平均値に対して偏差を持つことが考えられる。

そこで、燃料供給流路２４２は、図６に示すように、連絡流路１６を横切るように配置することもできる。すなわち、燃料ノズル５と空気孔６との対を複数備えた燃焼器で、複数の燃料ノズル５に気体燃料を供給する燃料ヘッダ２３２と、燃料ヘッダ２３２に気体燃料２０２を供給する燃料供給系統とを有し、この燃料供給系統は燃料ヘッダ２３２に、燃料ノズル５の径方向から燃料を供給するように位置させることができる。この場合、空気ヘッダ１５の内部形状は、軸対称とすることができるため、空気供給流路１２内へ流入する空気１０４ｂの流量を、各ノズルで均一化することができ、Ｆ２群の空気孔出口全体で見たときの燃料濃度偏差を図４の場合よりも小さくすることができる。

以上説明した各実施の形態の燃焼器は、燃焼室８と、燃焼室８に気体燃料を噴出する燃料ノズル５と、燃焼室８に、燃料ノズル５から噴出された気体燃料と空気とを噴出する空気孔６とを有するガスタービン燃焼器である。

このような燃焼器の燃料ノズル５の気体燃料流路に空気供給流路１２を設けたことにより、空気供給流路１２からの空気流を環状の気体燃料流が取り囲むようにして燃焼室８へ供給できる。さらにこの二重の流れを環状の空気流が取り囲むようにして燃焼室８へ噴出させることができるため、燃焼室８に噴射された瞬間から三重の流体が急拡大する効果により、空気と燃料が非常によく混合される。

空気供給流路１２が、燃料ノズル５の中心から空気孔６に空気を噴出するよう位置していれば、この三重の流れが拡大する際により均一に混合させることができる。第１の実施の形態のように、燃焼器の空気供給流路１２への空気は、連絡通路１４を通じて燃料ノズル５の側面から供給できる。第２の実施の形態のように、燃焼ノズル５の上流側の空気ヘッダ１５から連絡通路１４を通じて供給してもよい。

１ 圧縮機
２ 燃焼器
３ ガスタービン
４ 発電機
５ 燃料ノズル
６ 空気孔
７ 空気孔プレート
８ 燃焼室
９ 燃焼器ライナ
１０，１１ 燃焼器カバー
１２ 空気供給流路
１３ 空気流入口
１４，１６ 連絡流路
１５ 空気ヘッダ
１０１，１０２ 空気
１０３ 冷却空気
１０４ 燃焼用空気
１０５ 燃焼ガス
１０６ タービン排ガス
２０１，２０２ 燃料
２１１，２１２ 遮断弁
２２１，２２２ 流量制御弁
２３１，２３２ 燃料ヘッダ
２４１，２４２ 燃料供給流路

Claims (7)

1. 燃焼室と、
   該燃焼室に気体燃料を噴出する燃料ノズルと、
   該燃焼室に、該燃料ノズルから噴出された気体燃料と空気とを噴出する空気孔とを有するガスタービン燃焼器において、
   該燃料ノズルの気体燃料流路に空気供給流路を設けたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
2. 請求項１のガスタービン燃焼器において、
   該空気供給流路は、該燃料ノズルの中心から該空気孔に空気を噴出するよう位置していることを特徴とするガスタービン燃焼器。
3. 請求項１または２のガスタービン燃焼器において、
   該燃料ノズルの側面から該空気供給流路に空気を供給する連絡流路を有することを特徴とするガスタービン燃焼器。
4. 請求項１または２のガスタービン燃焼器において、
   該燃焼ノズルの上流側に空気ヘッダを備え、
   該空気供給流路が該空気供給流路と連通していることを特徴とするガスタービン燃焼器。
5. 請求項１から４の何れかのガスタービン燃焼器において、
   該燃料ノズルと該空気孔との対を複数備え、
   複数の該燃料ノズルに気体燃料を供給する燃料ヘッダと、
   該燃料ヘッダに気体燃料を供給する燃料供給系統とを有し、
   該燃料供給系統は該燃料ヘッダに、該燃料ノズルの径方向から燃料を供給するように位置していることを特徴とするガスタービン燃焼器。
6. 圧縮空気を生成する圧縮機と、該圧縮機で生成された圧縮空気と燃料とを燃焼して燃焼ガスを生成する燃焼器と、該燃焼器で生成された燃焼ガスで駆動されるタービンとを有し、
   該燃焼器は、
   燃焼室と、
   該燃焼室に気体燃料を噴出する燃料ノズルと、
   該燃焼室に、該燃料ノズルから噴出された気体燃料と空気とを噴出する空気孔と、
   該燃焼室の外周側に位置する燃焼器ライナと、
   該燃焼器ライナの外周側に位置する燃焼器カバーと、
   該燃焼室の上流側に位置し、該空気孔を複数有する空気孔プレートとを備え、
   該圧縮機で生成された圧縮空気が、該燃焼器ライナと該燃焼器カバーとの間を経由して該空気孔に供給されるよう構成されたガスタービンにおいて、
   該燃料ノズルの気体燃料流路に空気供給流路を設け、
   該燃焼器ライナと該燃焼器カバーとの間を経由した圧縮空気が、該空気供給流路に供給されるよう構成されたことを特徴とするガスタービン。
7. 空気と気体燃料とを燃焼室に噴出させる燃焼室への燃料供給方法において、
   空気流を取り囲んだ環状の気体燃料流を、さらに環状の空気流が取り囲むようにして燃焼室へ噴出させることを特徴とする燃焼室への燃料供給方法。

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