CN105299695B

CN105299695B - 燃气轮机燃烧器

Info

Publication number: CN105299695B
Application number: CN201510292283.6A
Authority: CN
Inventors: 小泉浩美; 关口达也; 林明典
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2014-06-04
Filing date: 2015-06-01
Publication date: 2018-01-19
Anticipated expiration: 2035-06-01
Also published as: US9739488B2; EP2952815B1; US20150354823A1; CN105299695A; JP6285807B2; JP2015230120A; EP2952815A1

Abstract

本发明提供一种燃气轮机燃烧器，其能利用相同的燃烧嘴使发热量不同的两种气体燃料稳定燃烧。燃气轮机燃烧器具备用于使燃料与空气混合并燃烧的燃烧室、配置于上述燃烧室的上游且用于向上述燃烧室内喷射上述燃料与上述空气并保持火焰的燃烧嘴，上述燃烧嘴具有在圆周方向上交替地设置多个燃料喷孔与空气喷孔的第一旋流器、设有能喷射燃料或空气的多个喷孔的第二旋流器，上述第二旋流器配置于上述第一旋流器的外周，上述第二旋流器的喷孔的宽度形成得比上述第一旋流器的空气喷孔的宽度大。

Description

燃气轮机燃烧器

技术领域

本发明涉及燃气轮机燃烧器，尤其涉及能够用相同的燃烧器使发热量不同的两种燃料气体稳定燃烧的燃气轮机燃烧器。

背景技术

近年来，从发电成本的降低、资源的有效利用及防止地球变暖的观点出发，研究了在制铁厂衍生的高炉气体或焦炭炉气体的有效利用。高炉气体是在制铁工序中产生，以一氧化碳或氢气为主要可燃成分的难燃性气体，是发热量大约为1000kcal/m³N的所谓低卡路里气体。因此，难以从燃气轮机的点火开始在额定负荷范围以高炉气体专烧运转，为了从点火在燃烧温度低的部分负荷范围稳定地运转(燃烧)，需要在高炉气体中混合含有氢气的焦炭炉气体等并使发热量高地运转(增热)、或另外设置液体燃料等起动用燃料。

另一方面，焦炭炉气体是在制造作为高炉的原料的焦炭时产生的衍生气体，以氢气与甲烷为主成分的发热量为4000kcal/m³N～5000kcal/m³N的中卡路里气体。由于含有氢气而发热量比高炉气体高，因此，用于高炉气体燃烧燃气轮机的增热用气体、焦炭炉气体燃烧燃气轮机的主要燃料等。

以使高炉气体等低卡路里气体稳定地燃烧为目的，具有具备设于燃烧嘴的径向的中心部的起动用油喷嘴、在其外周配置气体喷孔的内周旋流器、以及在其外周交替地配置气体喷孔与空气喷孔的外周旋流器的燃气轮机燃烧器(例如参照专利文献1)。

一般地，在利用旋转喷流保炎的燃烧嘴中，为了保持火焰，需要在燃烧嘴的径向中心部附近形成燃烧气体循环且对从燃烧嘴喷出的燃料与空气施加热的循环气体区域。

根据专利文献1记载的燃气轮机燃烧器，通过在内周旋流器只配置气体喷孔且供给大部分的燃料，利用大量的低卡路里气体的动量形成较强的旋转流。由此，对保炎进行强化。另外，从内周旋流器喷出的燃料一边与从外周旋流器喷出的空气混合一边被吸入循环气体区域内，因此，即使该旋流器内的氧不足也能进行低卡路里气体的稳定燃烧。

现有技术文献

专利文献1：日本特开平5-86902号公报

以高炉气体为主要燃料的燃气轮机发电设备以往在高炉设备的维护时，不得不长时间停止发电。但是，近年来，即使在高炉设备的维护期间，例如以焦炭炉气体为代替燃料而发电的需求也变高。为了实现这种需求，在燃气轮机发电设备中，需要具备能以相同的燃烧嘴使发热量不同的两种气体稳定燃烧的燃烧器。

为了以相同燃烧嘴使发热量不同的两种气体燃烧，存在以下课题。

例如，在以低卡路里气体为主要燃料的燃气轮机发电设备中，在高炉设备的维护时，使主要燃料从高炉气体改变为焦炭炉气体的情况下，焦炭炉气体与高炉气体等低卡路里气体相比，发热量大约高4倍，因此，供给到燃烧器的燃料流量与发热量的增加平衡地变少，为低卡路里气体的四分之一左右。因此，当利用低卡路里燃烧燃烧嘴的气体喷孔使焦炭炉气体燃烧时，焦炭炉气体燃料的喷出流速极端地变慢，因此，存在燃烧气体的旋转流变弱，保炎性能显著下降的课题。

另一方面，当假想向设计为焦炭炉气体的样式的燃烧嘴供给高炉气体的情况时，供给到燃烧器的燃料流量为焦炭炉气体的大约4倍多。因此，燃料喷嘴的压力比(燃料供给压力/燃烧器内压力)变高，不得不使燃料的供给压力与通常相比为高压条件。其结果，除了产生成本上升之外，存在燃料喷出流速极端变快，无法进行难燃性气体的保炎的课题。

另外，在低卡路里气体样式的燃烧嘴的情况下，气体喷孔的面积变大，因此，不得不使气体喷孔以面向燃烧室的方式开口。在该情况下，在用起动用燃料进行运转时，在产生燃烧器间的压力不平衡时，存在燃烧气体容易通过气体喷孔逆流至其他缸之类的课题。

发明内容

本发明是基于上述情况而完成的，其目的在于提供能用相同燃烧嘴使发热量不同的两种气体燃料稳定燃烧的燃气轮机燃烧器。

为了解决上述课题，例如采用保护范围所记载的结构。本申请包括多个解决上述课题的机构，如果列举其一例，则在具备用于使燃料与空气混合并燃烧的燃烧室、配置于上述燃烧室的上游且用于向上述燃烧室内喷射上述燃料与上述空气并保持火焰的燃烧嘴的燃气轮机燃烧器中，上述燃烧嘴具有在圆周方向上交替地设置多个燃料喷孔与空气喷孔的第一旋流器、设有能喷射燃料或空气的多个喷孔的第二旋流器，上述第二旋流器配置于上述第一旋流器的外周，上述第二旋流器的喷孔的宽度形成得比上述第一旋流器的空气喷孔的宽度大。

本发明的效果如下。

根据本发明，能用相同的燃烧嘴使高炉气体等N₂、CO₂含有量多的难燃性气体和焦炭炉气体等发热量比高炉气体高的气体稳定燃烧。其结果，能提供在高炉设备的维护期间也能例如以焦炭炉气体等为主要燃料稳定燃烧的燃气轮机燃烧器。

附图说明

图1是与燃气轮机设备整体的示意图一起表示本发明的燃气轮机燃烧器的第一实施方式的主要部分的侧剖视图的概略结构图。

图2是从燃烧室侧观察构成本发明的燃气轮机燃烧器的第一实施方式的燃烧嘴的主视图。

图3是从A-A向视观察图2所示的燃烧嘴的剖视图。

图4是表示在构成本发明的燃气轮机燃烧器的第一实施方式的燃烧嘴中，各喷孔相对于燃料的种类的喷射流体的表图。

图5是从燃烧室侧观察构成现有的燃气轮机燃烧器的燃烧嘴的主视图。

图6A是一并表示构成本发明的燃气轮机燃烧器的第一实施方式的燃烧嘴的主要部分的侧剖视图与燃料系统的一概略结构图。

图6B是一并表示构成本发明的燃气轮机燃烧器的第一实施方式的燃烧嘴的主要部分的侧剖视图与燃料系统的另一概略结构图。

图7A是一并表示构成本发明的燃气轮机燃烧器的第一实施方式的燃烧嘴的主视图与焦炭炉气体燃烧时的燃料系统的概略结构图。

图7B是表示在本发明的燃气轮机燃烧器的第一实施方式中，焦炭炉气体燃烧时的焦炭炉气体的流量与抽气空气的流量特性的特性图。

图8A是一并表示构成本发明的燃气轮机燃烧器的第一实施方式的燃烧嘴的主视图与高炉气体燃烧时的燃料系统的概略结构图。

图8B是表示在本发明的燃气轮机燃烧器的第一实施方式中，高炉气体燃烧时的第一旋流器与第二旋流器的喷出流体的流量特性的特性图。

图9是从燃烧室侧观察构成本发明的燃气轮机燃烧器的第二实施方式的燃烧嘴的主视图。

图10是从B-B向视观察图9所示的燃烧嘴的剖视图。

图中：2—压缩机，3—燃烧器，4—涡轮机，5—燃气轮机，6—发电机，8—起动用马达，10—外筒，11—流动套筒，12—燃烧室，13—燃烧空气孔，30—控制装置，50—循环气体区域，90—高炉气体，101—空气，102—压缩空气(燃烧空气)，140—燃烧气体，201—第一旋流器的空气喷孔，201a—第一旋流器内的空气流道，202—第一旋流器的气体喷孔，203—第二旋流器的气体喷孔，300—燃烧嘴，310—燃料喷嘴机身，380—焦炭炉气体，401—第一旋流器(内周旋流器)，402—第二旋流器(外周旋流器)，450—由高炉气体产生的内周火焰，451—由高炉气体产生的外周火焰，452—由焦炭炉气体产生的火焰，501—第一燃料系统(第一旋流器)，501a—第一燃料系统的流量调节阀，502—第二燃料系统(第二旋流器)，502a—第二燃料系统的流量调节阀，601—高炉气体的供给系统，601a—高炉气体的供给系统的流量调节阀，602—焦炭炉气体的供给系统，602a—焦炭炉气体的供给系统的流量调节阀，701—抽气空气系统，701a—来自燃气轮机车室的抽气空气，702—抽气空气流量调节阀，800—轻油或A重油等起动用液体燃料喷嘴，938—增热气体(在高炉气体中混合焦炭炉气体)，938A—气体混合装置。

具体实施方式

下面，使用附图说明本发明的燃气轮机燃烧器的实施方式。

[实施例一]

图1是与燃气轮机设备整体的示意图一起表示本发明的燃气轮机燃烧器的第一实施方式的主要部分的侧剖视图的概略结构图。在本实施方式中，作为燃气轮机的低卡路里气体燃料使用高炉气体90，作为中卡路里气体燃料使用焦炭炉气体380。

燃气轮机5由压缩机2、燃烧器3、涡轮机4、发电机6及起动用马达8等构成。在燃气轮机5中，压缩机2压缩从大气吸入的空气101，并将燃烧空气102向燃烧器3供给。在燃烧器3中，利用由压缩机2压缩的燃烧空气102与燃气轮机的起动用燃料(在此，为在高炉气体90中混合了焦炭炉气体380而成的增热气体938)点火，产生燃烧气体140并向涡轮机4供给。涡轮机4通过供给燃烧气体140的供给而赋予旋转动力，将涡轮机4的旋转动力传递到压缩机2及发电机6。传递到压缩机2的旋转动力用于压缩动力，传递到发电机6的旋转动力转换为电能。

燃烧器3具备作为压力容器的外筒10、设于外筒10的内部的燃烧室12、设于燃烧室12的外周的燃烧室冷却用流动套筒11。另外，在燃烧室12的上游侧配置用于向燃烧室12喷出燃料与空气并保持火焰的燃烧嘴300。

供给至燃烧器3的燃烧空气102在流动套筒11与燃烧室12的空间内流动，一边冷却燃烧室12一边通过设于燃烧室12的侧壁的空气孔13及设于燃烧嘴300的空气喷孔201供给至燃烧室12内。

燃烧嘴300是由第一旋流器401与第二旋流器402构成的双重旋转结构。第一旋流器401具备用于向燃烧室12内喷射高炉气体90或焦炭炉气体380的气体喷孔202、用于喷射燃烧空气102的空气喷孔201。第二旋流器402具备喷孔203。

第一旋流器401与第二旋流器402固定于燃烧嘴机身310。在燃烧嘴机身310上连接用于向第一旋流器401供给燃料的第一燃料系统501、用于向第二旋流器402供给燃料或抽气空气701a的第二燃料系统502。在第一燃料系统501上设有第一燃料系统流量调节阀501a，在第二燃料系统502上设有第二燃料系统流量调节阀502a，利用控制装置30控制各自的开度。

在第一燃料系统501与第二燃料系统502的上游配置气体混合装置938A，从气体混合装置938A的输出侧向各燃料系统流量调节阀501a、502a的上游侧供给燃料气体。在气体混合装置938A的输入侧连接供给高炉气体90的高炉气体系统601与供给焦炭炉气体380的焦炭炉气体系统602。在高炉气体系统601上设有高炉气体系统流量调节阀601a，在焦炭炉气体系统602上设有焦炭炉气体系统流量调节阀602a，利用控制装置30控制各自的开度。

通过控制这些系统流量调节阀601a、602a的开度，能通过气体混合装置938A，向燃气轮机5供给高炉气体90或焦炭炉气体380的单体气体、对从燃气轮机5的起动、升速使部分负荷条件稳定燃烧必要的增热气体938(在高炉气体90中混合焦炭炉气体380而生成)。

另外，在与第二旋流器402连通的第二燃料系统502中，在比第二燃料系统流量调节阀502a靠下游侧的位置连接能供给燃气轮机5的抽气空气701a的抽气系统701。抽气系统701的上游侧与燃气轮机5的车室连接。在抽气系统701上，从上游侧设有调节抽气空气701的流量的抽气调节阀702与防止来自燃烧室12的燃烧气体逆流的止回阀702A。抽气调节阀702的开度由控制装置30控制。

在控制装置30上具备详细后述的燃料发热量控制部与第一旋流器流量控制部、第二旋流器流量控制部。燃料发热量控制部以形成规定的发热量的燃料气体的方式控制高炉气体系统流量调节阀601a的开度与焦炭炉气体系统流量调节阀602a的开度。

第一旋流器流量控制部为了确保规定的气体燃料的流量，控制第一燃料系统501的流量调节阀501a的开度。第二旋流器流量控制部为了确保规定的气体燃料的流量，控制第二燃料系统502的流量调节阀502a的开度，并且，为了确保抽气空气的流量，控制抽气空气流量调节阀702的开度。

接着，使用图2至图5说明燃烧嘴结构。图2是从燃烧室侧观察构成本发明的燃气轮机燃烧器的第一实施方式的燃烧嘴的主视图，图3是从A-A向视观察图2所示的燃烧嘴的剖视图，图4是表示在构成本发明的燃气轮机燃烧器的第一实施方式的燃烧嘴中，各喷孔相对于燃料的种类的喷射流体的表图。在图2至图4中，与图1所示的符号相同符号的部分是相同部分，因此，省略其详细的说明。

如图2所示，本实施方式的燃烧嘴300采用在轴中心部配置第一旋流器401，在其外周侧配置第二旋流器402的双重旋转结构。在第一旋流器401，在圆周方向上交错地配置多个空气喷孔201与气体喷孔202。如图3所示，在气体喷孔202上设有旋转角α。另外，在空气喷孔201上也设有未图示的旋转角。通过这样，对从气体喷孔202喷出的气体与从空气喷孔201喷出的空气均赋予旋转成分，因此，能在燃烧嘴300的半径方向中心部产生负压，形成燃烧气体的循环气体区域。

循环气体区域通过燃烧气体的循环，起到对从燃烧嘴供给的气体与空气持续地施加热能的作用，由此，即使燃气轮机燃烧器那样的高流速条件，也能保持火焰。该保炎方式尤其在发热量低的难燃性气体的燃烧中是有效的。

在第二旋流器402上，沿圆周方向只配置多个气体喷孔203。在本实施方式中，其特征在于，根据供给至燃气轮机5的气体燃料的种类(发热量)，改变从气体喷孔203喷出的喷射流体。具体地说，如图4所示，在高炉气体燃烧运转的情况下，从第二旋流器402的气体喷孔203供给高炉气体90，在焦炭炉气体燃烧运转的情况下，供给燃气轮机5的抽气空气701a。

另外，详细后述，其特征在于，使第二旋流器402的气体喷孔203的宽度W2与第一旋流器401的空气喷孔201的宽度W1以成为W2>W1的关系的方式形成。

高炉气体90是气体中的惰性气体的含有量占据整体的大约70％的反应性低的燃料。本实施方式由于在第一旋流器401与第二旋流器402形成内周火焰与外周火焰，因此，进行内外周火焰的热授受(相互作用)而提高保炎性。

另一方面，焦炭炉气体380中的可燃成分占据整体的大约90％，氢气也含有50％以上，因此，是反应性良好且火焰温度高的燃料。在焦炭炉气体燃烧中，与高炉气体90相比，焦炭炉气体380的发热量高，因此，供给到燃气轮机燃烧器3的燃料流量少。因此，在本实施方式中，焦炭炉气体380只供给到第一旋流器401。另外，在燃烧器间的压力产生非平衡的情况下，燃烧气体容易通过第二旋流器402的气体喷孔203逆流至其他缸。为了防止该燃烧气体的逆流，将来自燃气轮机车室的抽气空气701a供给至第二旋流器402的气体喷孔203。

即，在供给向燃气轮机5供给的两种燃料中、发热量高的焦炭炉气体380的情况下，向第二旋流器402的气体喷孔203供给抽气空气701a。通过这样，由于从第二旋流器402的气体喷孔203向燃烧室12内供给抽气空气701a，因此，能防止燃烧气体140通过气体喷孔203逆流至其他缸。其结果，提高了可靠性。

另外，焦炭炉气体380当燃烧时，火焰温度高，因此，利用形成于第一旋流器401的火焰，燃烧室12的壁面温度容易上升。在本实施方式中，通过供给抽气空气701a，能利用空气包围形成于第一旋流器401的火焰，因此，能防止燃烧室12的壁面温度上升。

接着，为了与本实施方式比较，使用图5对现有燃烧嘴进行说明。图5是从燃烧室侧观察构成现有的燃气轮机燃烧器的燃烧嘴的主视图。在图5中，与图1至图4所示的符号相同符号的部分是相同部分，因此，省略其详细的说明。

图5所示的现有燃烧嘴使第二旋流器402的气体喷孔203的宽度W2与第一旋流器401的空气孔201的宽度W1形成为大致相同的大小这一点与图2所示的本实施方式的燃烧器300不同，其以外为相同结构。另外，气体喷孔203的喷孔面积在现有例与本实施方式中，形成为相同。

在现有的燃烧嘴中，第二旋流器402的气体喷孔203的宽度小，因此，以a表示的第二旋流器402的气体喷孔203和以b表示的邻接的气体喷孔203之间的间隙比本实施方式的间隙大。因此，从以c表示的第一旋流器401的气体喷孔202喷出的焦炭炉气体380的火焰存在乘着从作为第二旋流器402的气体喷孔203的a与b喷出的空气流，容易到达燃烧室壁面的附近的问题。

在本实施方式中，如上所述，其特征在于，将第二旋流器402的气体喷孔203的宽度W2形成得比第一旋流器401的空气孔201的宽度W1大。由此，能利用从第二旋流器402喷出的抽气空气701a包围形成于第一旋流器401的火焰。其结果，能防止燃烧室的壁面的温度上升。另外，由于火焰的温度下降，因此，即使是扩散燃烧，也能进行低NO_X燃烧。

接着，使用图6A与图6B说明高炉气体燃烧的场合与焦炭炉气体燃烧的场合的燃料系统与燃烧嘴的动作。图6A是一并表示构成本发明的燃气轮机燃烧器的第一实施方式的燃烧嘴的主要部分的侧剖视图与燃料系统的一概略结构图，图6B是一并表示构成本发明的燃气轮机燃烧器的第一实施方式的燃烧嘴的主要部分的侧剖视图与燃料系统的另一概略结构图。在图6A及图6B中，与图1至图5所示的符号相同符号的部分是相同部分，因此，省略其详细的说明。

图6A表示高炉气体燃烧运转时的燃料系统与燃烧嘴的剖面。在图6A中，从高炉气体系统601供给的高炉气体90通过气体混合装置938A供给至第一燃料系统501与第二燃料系统502。从第一燃料系统501向第一旋流器401供给高炉气体90，从第二燃料系统502向第二旋流器402供给高炉气体90。

在第一旋流器401中，通过对高炉气体90及燃烧空气102赋予旋转，在燃烧嘴300的半径方向中心部产生负压，形成循环气体区域50，保持内周火焰450。另外，通过从第二旋流器402向燃烧室12内喷射高炉气体90，形成外周火焰451，能通过内周火焰450与外周火焰451的相互作用(热的授受)进行高炉气体90的稳定燃烧。

图6B表示焦炭炉气体燃烧运转时的燃料系统与燃烧嘴的剖面。在图6B中，从焦炭炉气体系统602供给的焦炭炉气体380通过气体混合装置938A供给至第一燃料系统501。另外，从抽气系统701供给的燃气轮机5的抽气空气701a供给至第二燃料系统502。从第一燃料系统501向第一旋流器401供给焦炭炉气体380，从第二燃料系统502向第二旋流器402供给抽气空气701a。

在第一旋流器401中，通过对焦炭炉气体380与燃烧空气102施加旋转，形成循环气体区域50，由此保持火焰452。在焦炭炉气体燃烧中，只向第一旋流器401供给燃料，因此，向第二旋流器402的气体喷孔203供给抽气空气701a。向燃烧室12内喷射的抽气空气701a由于旋转喷流而包围火焰452，由此，火焰452的温度降低，因此，即使是扩散燃烧方式，也能进行低NO_X燃烧。另外，以往，以燃烧室12的A部表示的部位的附近的金属温度具有上升的倾向，但在本实施方式中，利用抽气空气701a覆盖火焰452的外周，因此，得到能降低燃烧室12的壁面的金属温度的效果。

接着，使用图7A与图7B说明焦炭炉气体燃烧运转中的燃料流量与抽气空气流量的动作。图7A是一并表示构成本发明的燃气轮机燃烧器的第一实施方式的燃烧嘴的主视图与焦炭炉气体燃烧时的燃料系统的概略结构图，图7B是表示在本发明的燃气轮机燃烧器的第一实施方式中，焦炭炉气体燃烧时的焦炭炉气体的流量与抽气空气的流量的特性的特性图。在图7A及图7B中，与图1至图6B所示的符号相同符号的部分是相同部分，因此省略其详细的说明。

如图7A所示，焦炭炉气体380只供给至第一旋流器401，因此，封闭高炉气体供给系统601的流量调节阀601a。另外，由于向第二旋流器402供给燃气轮机5的抽气空气701a，因此，封闭与第二旋流器402连通的第二燃料系统的流量调节阀502a。从燃气轮机5的车室抽出的抽气空气701a向燃烧嘴300的供给流量能通过调节抽气空气流量调节阀702的开度来调整。

在图7B中，横轴表示时间，纵轴表示焦炭炉气体与抽气空气的流量。以实线表示的特性表示焦炭炉气体380的流量，以虚线表示的特性表示抽气空气701a的流量。图中t₁表示燃气轮机5的点火时刻，t₂表示燃气轮机5的无负荷额定转数到达时刻，t₃表示额定负荷到达时刻。

在t₁的点火时刻前，向第一旋流器401供给焦炭炉气体380，当检测到在燃烧器3中点火(t₁)时，通过逐渐增加焦炭炉气体380的流量，燃气轮机5的转数增加，到达t₂的无负荷额定转数到达时刻。在此，在燃气轮机5的升速过程中，开始向第二旋流器402供给抽气空气701a。由此，即使在升速过程中产生燃烧器3的压力的非平衡的情况下，也能防止燃烧气体140通过第二旋流器402的气体喷孔203逆流。

之后，通过使焦炭炉气体380的流量逐渐增加，燃气轮机5的负荷增加，到达t₃的额定负荷到达时刻。抽气空气701a与燃料流量的增加相应地与负荷上升一起增加。

接着，使用图8A与图8B说明高炉气体燃烧运转、或从高炉气体90向焦炭炉气体380切换燃料时的燃料流量与抽气空气流量的动作。图8A是一并表示构成本发明的燃气轮机燃烧器的第一实施方式的燃烧嘴的主视图与高炉气体燃烧时的燃烧系统的概略结构图，图8B是表示在构成本发明的燃气轮机燃烧器的第一实施方式中，高炉气体燃烧时的第一旋流器与第二旋流器的喷出流体的流量特性的特性图。在图8A及图8B中，与图1至图7B所示的符号相同符号的部分是相同部分，因此，省略其详细的说明。

如图8A所示，通过控制配置于供给高炉气体90的高炉气体系统601的高炉气体系统流量调节阀601a与配置于供给焦炭炉气体380的焦炭炉气体系统602的焦炭炉气体系统流量调节阀602a，通过气体混合装置938A，能够向燃气轮机5供给高炉气体90或焦炭炉气体380的单体气体、对从燃气轮机5的起动、升速至部分负荷条件稳定燃烧必要的增热气体(向高炉气体90混合焦炭炉气体380而生成)。

在图8B中，横轴表示时间，纵轴的(a)～(c)从上依次表示燃料发热量控制、第一旋流器流量控制、第二旋流器流量控制。另外，图中t₁表示燃气轮机5的点火时刻，t₂表示燃气轮机5的无负荷额定转数到达时刻，t₃表示中间负荷(50％负荷)到达时刻，t₄表示额定负荷到达时刻。另外，t₅表示负荷下降开始时刻，t₆表示从高炉气体90向焦炭炉气体380的燃料切换开始时刻，t₇表示燃料切换结束时刻。

在此，(a)的燃料发热量控制是控制装置30的燃料发热控制部进行的供给到气体混合装置938A的高炉气体90与焦炭炉气体380的流量控制，以形成规定的发热量的燃料气体的方式控制高炉气体系统流量调节阀601a的开度与焦炭炉气体系统流量调节阀602a的开度。

(b)的第一旋流器流量控制是控制装置30的第一旋流器流量控制部进行的供给至第一旋流器401的燃料气体的流量控制，以能确保规定的气体燃料的流量的方式控制第一燃料系统501的流量调节阀501a的开度。

(c)的第二旋流器流量控制是控制装置30的第二旋流器流量控制部进行的供给至第二旋流器402的燃料气体的流量控制或抽气空气701a的流量控制，以能确保规定的气体燃料的流量或抽气空气的流量的方式控制第二燃料系统502的流量调节阀502a的开度与抽气空气流量调节阀702的开度。

在t₁的点火时刻前，利用气体混合装置938A向燃气轮机5供给通过在高炉气体90中混合规定的焦炭炉气体380而形成的增热气体938，当检测到在燃烧器3中点火时(t₁)，通过逐渐增加增热气体938的流量，燃气轮机5的转数增加，到达t₂的无负荷额定转数到达时刻。增热气体938的发热量比焦炭炉气体380低，即使是相同的燃烧温度条件，燃料流量也变多，因此，在本实施方式中，也能向第一旋流器401及第二旋流器402的任一个气体喷孔202、203供给燃料。由此，在利用增热气体938进行运转时，不需要如焦炭炉气体专烧运转那样向第二旋流器402的气体喷孔203供给抽气空气701a。

之后，通过逐渐增加增热气体938的流量，燃气轮机5的负荷增加，到达t₃的中间负荷到达时刻。当到达中间负荷条件时，燃烧器3的出口气体温度变高，能使高炉气体90稳定地燃烧。因此，在继续负荷上升运转的情况下，如图8(B)的(a)所示，逐渐减少在气体混合装置938A中混合的焦炭炉气体380，形成增热气体938。通过增热气体938的流量增加，燃气轮机5的负荷上升，到达t₄的额定负荷到达时刻。当到达额定负荷时，如(a)所示，焦炭炉气体380的供给停止，成为高炉气体90的专烧运转状态。

然而，在现有的高炉气体燃烧的燃气轮机的情况下，在高炉气体燃烧运转中，在由于高炉设备的维修而使制铁设备停止时，高炉气体90的供给停止，因此，需要使燃气轮机5停止。在本实施方式中，利用相同的燃烧嘴300，高炉气体90与焦炭炉气体380的任一个燃料也能燃烧，因此，在高炉气体90的供给停止前，能将燃料切换为焦炭炉气体380。对该燃料的切换进行说明。

首先，为了从额定负荷运转状态成为中间负荷状态，从t₅开始使负荷下降，到达增热气体938中间负荷。如图8B的(a)所示，从时刻t₃逐渐增加在气体混合装置938A中混合的焦炭炉气体380,而形成增热气体938，从高炉气体专烧成为利用增热气体938的燃烧状态，并待机到时刻t₆。

从自高炉气体90向焦炭炉气体380的燃料切换开始时刻t₆进一步逐渐使在气体混合装置938A中混合的焦炭炉气体380的流量增加，并且，逐渐减少高炉气体90的流量，形成增热气体938。由此，在燃料切换结束时刻t₇，将燃气轮机运转的燃料从增热气体938切换为焦炭炉气体380专烧状态。

在燃烧器3中，在从时刻t₆到时刻t₇之间，首先一边以从时刻t₃到时刻t₆为相同的燃料流量状态的方式保持燃料流量，一边燃气轮机燃料从含有高炉气体90的增热气体938切换为只有焦炭炉气体380。

另外，在第二旋流器402中，在从时刻t₆到时刻t₇之间，如图8B的(c)所示，控制第二燃料系统的流量调节阀502a而逐渐减少从第二燃料系统502的燃料气体的供给，并且，通过抽气空气流量调节阀702的控制逐渐增加从抽气空气系统701的抽气空气701a的供给，并供给至气体喷孔203。由此，即使产生燃烧器间的压力的非平衡，燃烧气体也不会通过第二旋流器402的气体喷孔203逆流到其他缸，提高燃烧器3的可靠性。

接着，使用图1说明本发明的燃气轮机燃烧器的实施方式的运转方法。

起动时，燃气轮机5被起动用马达8等外部动力驱动。通过将燃气轮机5的转数保持为燃烧器3的点火条件转数，向燃烧器3供给点火所需的燃烧空气102，点火条件成立。

在此，例如通过向燃烧器3供给在高炉气体90中混合了焦炭炉气体380的增热气体938，能在燃烧器3内进行利用增热气体938的点火。燃烧器3点火后，向涡轮机4供给燃烧气体140，增热气体938的流量增加，并且，涡轮机4升速，通过起动用马达8的脱离，燃气轮机5进入自立运转，达到无负荷额定转数。燃气轮机5达到无负荷额定转数后，通过发电机6的并入、且增热气体938的流量增加，涡轮机4的入口气体温度上升，负荷上升。

当燃气轮机5到达部分负荷条件(例如50％负荷)时，燃烧器出口气体温度变高，因此，难燃性气体的反应性也变高，通过进行从增热气体938向高炉气体90的发热量调整，能进行高炉气体专烧运转。

从增热气体938向高炉气体90的发热量调整是供给至气体混合装置938A的高炉气体90与焦炭炉气体380的流量控制，以形成规定的发热量的燃料气体的方式控制高炉气体系统流量调节阀601a的开度与焦炭炉气体系统流量调节阀602a的开度。

如图8A及图8B所说明那样，在本实施方式中，在利用增热气体938起动燃气轮机5时，也能向燃烧嘴300的第一旋流器401与第二旋流器402的任一个供给燃料而运转。另一方面，在利用焦炭炉气体380起动的情况下，如图7A及图7B所说明那样，在燃气轮机5点火后，或升速开始时，将抽气空气701a供给至燃烧嘴300的第二旋流器402的气体喷孔203。由此，能防止在燃气轮机5的升速、负荷运转中燃烧气体140通过气体喷孔203逆流到其他缸，并且，在使火焰温度高的焦炭炉气体380燃烧时，能防止燃烧室壁面温度的上升。

另外，由于形成于燃烧嘴300的火焰与抽气空气701a接触，因此，促进燃烧反应，火焰变短，因此，从燃烧室侧壁流入的燃烧空气容易取入循环气体区域50内，由此，火焰温度下降，能进行低NO_X燃烧。

根据上述的本发明的燃气轮机燃烧器的第一实施方式，能在相同的燃烧嘴300使高炉气体90等N₂或CO₂含有量高的难燃性气体、焦炭炉气体380等与高炉气体90相比发热量高的气体稳定地燃烧。其结果，能提供即使在高炉设备的维护期间，也能以例如焦炭炉气体380等为主要燃料进行稳定燃烧的燃气轮机燃烧器。

[实施例二]

下面，使用附图说明本发明的燃气轮机燃烧器的第二实施方式。图9是从燃烧室侧观察构成本发明的燃气轮机燃烧器的第二实施方式的燃烧嘴的主视图，图10是从B-B向视观察图9所示的燃烧嘴的剖视图。在图9及图10中，与图1至图8所示的符号相同的部分是相同部分，因此，省略其详细的说明。

图9及图10所示的本发明的燃气轮机燃烧器的第二实施方式由大致与第一实施方式相同的设备构成，但以下结构不同。不同点在于，在本实施方式中，在燃烧嘴300的半径方向中心部具备液体燃料用的起动用喷嘴800，以及在第一旋流器401的空气流道201a内设置第一旋流器401的气体喷孔202的出口。

起动用喷嘴800以进行燃气轮机5的点火起动、从升速到部分负荷范围(例如50％负荷)的稳定燃烧为目的，在部分负荷条件下从起动用燃料向高炉气体90(即使焦炭炉气体燃烧，有时也具备起动用燃料)切换燃料，直到高炉气体专烧均进行顺畅的运转。

在此，当假想在图2所示的第一实施方式的燃烧嘴300具备起动用喷嘴800并以起动用燃料进行运转的情况时，第一旋流器401的气体喷孔202直接面向燃烧室12并开口，因此，当在燃烧器间的压力产生差时，由起动用燃料产生的高温的燃烧气体通过气体喷孔202从压力高的燃烧器向压力低的燃烧器逆流，有可能导致烧坏燃烧嘴300及机身。

为了防止这种情况，例如需要在第一旋流器401也具备设于第二旋流器402的抽气空气系统701。但是，在第一旋流器401与第二旋流器402双方具备抽气空气系统不仅系统及控制复杂化，还产生导致成本上升之类的问题。

在本实施方式中，如图10所示，其特征在于，在第一旋流器401的空气流道201a内设置第一旋流器401的气体喷孔202的出口。通过这样配置，气体喷孔202的出口总是被压力比燃烧室12内高的燃烧空气102覆盖，因此，即使利用起动用燃料，燃烧气体140也不会在运转中逆流到其他缸。

另外，气体喷孔202的出口配置在空气喷孔201附近，因此，尤其在使含有较多氢气的焦炭炉气体380燃烧的情况下，火焰也不会逆流(回火)到燃烧嘴300的空气流道201a内。

根据上述的本发明的燃气轮机燃烧器的第二实施方式，能得到与第一实施方式相同的效果。

另外，根据上述的本发明的燃气轮机燃烧器的第二实施方式，由于在第一旋流器401的空气流道201a内设置第一旋流器401的气体喷孔202的出口，因此，即使利用起动用燃料，在运转中也能抑制燃烧气体140逆流到其他缸。

另外，在本发明的燃气轮机燃烧器的第二实施方式中，以作为起动用燃料使用液体燃料的场合为例进行说明，但配置喷射LNG或LPG等的起动用气体喷嘴的情况也能得到同样的效果。在该情况下，其特征在于，起动用气体喷嘴配置于第一旋流器401的半径方向内侧，具备多个喷孔。

另外，本发明未限定于上述第一及第二实施方式，能包括多个变形例。上述实施方式为了使本发明容易明白而详细地进行说明，未必限定于包括说明的全部结构。

Claims

1.一种燃气轮机燃烧器，具备用于使燃料与空气混合并燃烧的燃烧室、配置于上述燃烧室的上游且用于向上述燃烧室内喷射上述燃料与上述空气并保持火焰的燃烧嘴，上述燃烧嘴具有在圆周方向上交替地设置多个燃料喷孔与空气喷孔的第一旋流器、设有能喷射燃料或空气的多个喷孔的第二旋流器，

上述第二旋流器配置于上述第一旋流器的外周，

上述第二旋流器的喷孔的宽度形成得比上述第一旋流器的空气喷孔的宽度大，

该燃气轮机燃烧器还具备：

能向上述第二旋流器的喷孔供给发热量不同的两种燃料气体中的低发热量的高炉气体的一燃料系统；

能向上述第一旋流器的燃料喷孔供给发热量不同的两种燃料气体中的高发热量的焦炭炉气体的另一燃料系统；以及

能向上述第二旋流器的喷孔供给燃气轮机的抽气空气的抽气空气系统，

该燃气轮机燃烧器的特征在于，

在将燃料从上述高炉气体的专烧状态切换为上述焦炭炉气体的专烧状态的情况下，

在减少向上述第一旋流器的燃料喷孔与上述第二旋流器的喷孔供给的上述高炉气体的流量的状态下，开始向上述第一旋流器的燃料喷孔供给上述焦炭炉气体，

在一边保持向上述第一旋流器供给的燃料流量一边将上述高炉气体的流量减少至零的状态下，并且在使上述焦炭炉气体的流量增加且将向上述第二旋流器的喷孔供给的上述高炉气体的流量减少至零的状态下，开始从上述抽气空气系统向上述第二旋流器的喷孔供给抽气空气，

在燃料从上述高炉气体向上述焦炭炉气体的切换结束了的状态下，从上述第一旋流器的燃料喷孔喷射上述焦炭炉气体，从上述第二旋流器的喷孔喷射上述燃气轮机的抽气空气。

2.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，

还具备通过上述第一旋流器的空气喷孔向上述燃烧室导入压缩空气的空气流道，

在上述第一旋流器的上述空气流道内设置上述第一旋流器的燃料喷孔，

在上述第一旋流器的半径方向内侧具备起动用油喷嘴或气体喷嘴。