JP2007046843A - ガスタービン燃焼器およびガスタービン燃焼器の改造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼器の構造を換えることなく、多種多様な燃料に対応することができるガスタービン燃焼器およびガスタービン燃焼器の改造方法を提供する。
【解決手段】燃焼室１９０を内部に形成するライナ１６０を備えるとともに、この燃焼室１９０に燃料を噴出する主燃料ノズル１７３Ａと、この主燃料ノズル１７３Ａに燃料を供給する主燃料系統４１とを備えるガスタービン燃焼器４００において、主燃料系統４１を流れる燃料の燃料性状に応じて主燃料流量調整弁２１及び副燃料流量調整弁２２を調整して、燃焼室１９０内に導入される前に副燃料ノズル１によって燃料が噴出された空気を主燃料ノズル１７３Ａが噴出する燃料とともに燃焼室１９０内に噴出する。
【選択図】 図２

Description

本発明はガスタービン燃焼器およびガスタービン燃焼器の改造方法に関する。

大気汚染物質の排出に関する規制は年々厳しくなってきており、ガスタービン燃焼器においても、排気ガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量を低減させるべく、様々な燃焼方式が研究されている。

その一例として、燃料と空気とを同軸噴流として燃焼室に供給して燃焼させる同軸噴流燃焼方式があり、この種の燃焼方式は例えば特開２００３−１４８７３４号公報に記載されている。この方式は、予混合燃焼方式と比較して非常に短い距離で効果的に燃料と空気の混合を促進させる事が可能であり、ＮＯｘの排出量を低く抑える事が可能である。

特開２００３−１４８７３４号公報

このような大気汚染物質の低減の問題に加えて、ガスタービンは、近年の電力自由化の流れなどの社会的背景により、従来の天然ガスだけでなく、発熱量の低い低カロリーガスや、燃焼速度の速い水素含有量の多い燃料など、多種多様な燃料に対応することが求められている。中でもガスタービン燃焼器に関しては、発熱量、自己発火温度、燃焼速度などの物性値が異なる燃料をすべて安定に燃焼させ、かつ大気汚染物質である窒素酸化物の排出量を低減させるものが求められている。しかし、燃料を噴射する燃料ノズル構造を換えずに燃料性状が異なる燃料を使用すると、燃焼状態が不安定になる恐れがある。

例えば前述した同軸噴流燃焼方式の燃焼器などでは、設計仕様より発熱量の低い燃料を使用すると、燃焼器出口のガス温度を一定に保つために燃料流量を増加させる必要がある。ところが、燃料ノズルから噴射される燃料の流速を速くすると、燃焼室に形成される火炎の位置が下流側に移動して火炎が燃料ノズルから遠ざかった状態になり、燃焼が不安定になる恐れが生じる。したがって、発熱量の低い燃料を使用する場合には、燃料流速の高速化を避けるために、例えば燃料ノズルの噴孔径を拡大して燃料流量を確保する必要があった。

しかし、燃料性状が変わる度に燃料ノズルの噴孔径を変更するなどして燃焼器の構造を換えるとなると、その作業の度に労力及び時間を要し、作業期間や費用の面でも問題が生じる。

本発明の目的は、燃焼器の構造を換えることなく、多種多様な燃料に対応することができるガスタービン燃焼器およびガスタービン燃焼器の改造方法を提供することにある。

（１）本発明は、上記目的を達成するために、燃料と空気が燃焼反応を起こす燃焼室を内部に形成するライナと、前記燃焼室に燃料を噴出する主燃料ノズルと、この主燃料ノズルに燃料を供給する主燃料系統とを備えるガスタービン燃焼器において、前記燃焼室内に導入される前の空気中に燃料噴出量調整用の燃料を噴出する副燃料ノズルと、前記副燃料ノズルに燃料を供給する副燃料系統と、前記主燃料系統に設けられ、前記主燃料系統中の燃料流量を前記主燃料系統を流れる燃料の燃料性状に応じて調整する主燃料流量調整手段と、前記副燃料系統に設けられ、前記副燃料系統中の燃料流量を前記主燃料系統を流れる燃料の燃料性状に応じて調整する副燃料流量調整手段とを備えるものとする。

このように副燃料ノズルによって燃焼室内に導入される前の空気中に燃料噴出量調整用の燃料を燃料性状に応じた量だけ噴出して、この空気を主燃料ノズルが噴出する燃料とともに燃焼器に供給することによって、使用する燃料の発熱量が変化しても、発熱量に応じた適正量の燃料を燃焼室内に供給することができる。これによって、燃料噴出流速を変えたり、燃料ノズルの燃料噴孔径を変更したりすることなく、燃焼室内において安定した燃焼反応を起こすことができる。

（２）また、本発明は、上記目的を達成するために、燃料と空気が燃焼反応を起こす燃焼室を内部に形成するライナと、前記燃焼室に燃料を噴出する主燃料ノズルと、この主燃料ノズルに燃料を供給する主燃料系統とを備えるガスタービン燃焼器において、前記燃焼室内に燃料噴出量調整用の燃料を直接噴出する副燃料ノズルと、前記副燃料ノズルに燃料を供給する副燃料系統と、前記主燃料系統に設けられ、前記主燃料系統中の燃料流量を前記主燃料系統を流れる燃料の燃料性状に応じて調整する主燃料流量調整手段と、前記副燃料系統に設けられ、前記副燃料系統中の燃料流量を前記主燃料系統を流れる燃料の燃料性状に応じて調整する副燃料流量調整手段とを備えるものとする。

このように副燃料ノズルによって燃焼室内に燃料噴出量調整用の燃料を燃料性状に応じた量だけ直接噴出して燃焼器に供給することによって、この燃料を燃焼室内で加熱燃焼させることができる。これにより、使用する燃料の発熱量が変化しても、上記（１）と同様に、燃焼室内において安定した燃焼反応を起こすことができる。

また、加熱燃焼は均一な温度で酸化する形態であり、燃焼ガス中に局所的な高温場を発生しないという特徴がある。これによりＮＯｘ排出量を低く抑えることができる。

（３）上記（１）又は（２）において、好ましくは、前記主燃料系統に設けられ、前記主燃料系統を流れる燃料の燃料性状を検出する検出手段と、この検出手段により検出される燃料性状に応じて前記主燃料流量調整手段及び前記副燃料流量調整手段を制御する燃料流量調整制御手段とを備えるものとする。

（４）上記（３）において、好ましくは、前記検出手段は前記主燃料系統を流れる燃料の発熱量を検出するものとする。

これにより、燃料の発熱量に応じて主燃料流量調整手段及び副燃料流量調整手段の調整量を求めて、使用する燃料の発熱量に応じて各調整手段への燃料配分を適切に調整することができる。

（５）上記（１）から（４）いずれかにおいて、好ましくは、前記ライナは前記燃焼室に空気を噴出する空気孔を備え、燃料と空気が同軸噴流として前記燃焼室に噴出されるように前記主燃料ノズルと前記空気孔を同軸上に配置するものとする。

これにより、同軸噴流式のガスタービン燃焼器において、使用する燃料の発熱量が変化しても、燃焼室内において安定した燃焼反応を起こすことができる。

（６）上記（１）から（４）いずれかにおいて、好ましくは、前記主燃料ノズルは前記燃焼室に燃料を直接噴出する拡散燃料ノズルであるものとする。

これにより、拡散燃焼式のガスタービン燃焼器において、使用する燃料の発熱量が変化しても、燃焼室内において安定した燃焼反応を起こすことができる。

（７）本発明は、上記目的を達成するために、燃料と空気が燃焼反応を起こす燃焼室を内部に形成するライナと、前記燃焼室に燃料を噴出する主燃料ノズルと、この主燃料ノズルに燃料を供給する主燃料系統とを備えるガスタービン燃焼器の改造方法において、前記燃焼室に供給される前の空気中に燃料噴出量調整用の燃料を噴出する副燃料ノズルと、前記副燃料ノズルに燃料を供給する副燃料系統と、前記主燃料系統に設けられ、前記主燃料系統中の燃料流量を前記主燃料系統を流れる燃料の燃料性状に応じて調整する主燃料流量調整手段と、前記副燃料系統に設けられ、前記副燃料系統中の燃料流量を前記主燃料系統を流れる燃料の燃料性状に応じて調整する副燃料流量調整手段とを追設するものとする。

（８）また、本発明は、上記目的を達成するために、燃料と空気が燃焼反応を起こす燃焼室を内部に形成するライナと、前記燃焼室に燃料を噴出する主燃料ノズルと、この主燃料ノズルに燃料を供給する主燃料系統とを備えるガスタービン燃焼器の改造方法において、前記燃焼室内に燃料噴出量調整用の燃料を直接噴射する副燃料ノズルと、前記副燃料ノズルに燃料を供給する副燃料系統と、前記主燃料系統に設けられ、前記主燃料系統中の燃料流量を前記主燃料系統を流れる燃料の燃料性状に応じて調整する主燃料流量調整手段と、前記副燃料系統に設けられ、前記副燃料系統中の燃料流量を前記主燃料系統を流れる燃料の燃料性状に応じて調整する副燃料流量調整手段とを追設するものとする。

本発明によれば、燃焼器に供給される燃料の性状が変わる場合でも、燃料ノズルなどの燃焼器の構造を換えることなく燃料流速をほぼ一定にして燃料噴出量を適正に調整することができるので、多種多様な燃料を安定して燃焼させることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。

まず、ガスタービンの全体概略を図１を用いて説明する。
図１は同軸噴流燃焼方式の燃焼器を備える一般的なガスタービンの全体概略図である。

図１が示すガスタービンは、空気を圧縮する空気圧縮機１１０と、この空気圧縮機１１０から導入される高圧空気１２０と燃料とを混合して燃焼ガスを生成するガスタービン燃焼器３００と、この燃焼器３００で生成された燃焼ガスの膨張仕事により軸回転力を得るタービン２００と、このタービン２００で得られた軸回転力を電力に変換する発電機２１０とを備えている。

燃焼器３００は、燃料を昇圧する燃料ポンプ１８０と、燃料系統１８１と、この燃料系統１８１から燃料が供給される燃料ヘッダ１７２と、この燃料ヘッダ１７２に設けられた燃料ノズル１７３と、燃料と空気が燃焼反応を起こす燃焼室１９０を内部に形成する円筒状のライナ１６０と、このライナ１６０に設けられたバーナプレート１７０と、このバーナプレート１７０に燃料ノズル１７３と同軸状に位置するように設けられた空気孔１７１と、ライナ１６０を間隔を介して覆うように配置した外筒１６１と、この外筒１６１のタービン２００側の開口部に連接した尾筒フロースリーブ１５１と、ライナ１６０のタービン２００側の開口部に連接され燃焼ガスをタービン２００へ導く尾筒１５０とを備えている。尾筒１５０と尾筒フロースリーブ１５１は互いの間に高圧空気１２０が流れる環状流路４３を形成し、同様にライナ１６０と外筒１６１は互いの間に環状流路４４を形成している。

また、この燃焼器３００の外側にはこれを覆うように車室ケーシング１４１が設けられている。この車室ケーシング１４１は燃焼器３００へ導入される高圧空気１２０が流れる車室１４０を内部に形成し、この車室１４０内に空気圧縮機１１０からの高圧空気１２０を導入するディフューザ１３０を備えている。

なお、図１においては、燃料ヘッダ１７２及び燃料系統１８１は１つずつしか図示されていないが、これに限られるものではなく、例えば燃料系統が複数の系統に分かれて複数の燃料ヘッダに燃料を供給するマルチ燃焼器構造などもある。また、燃焼器３００についても同様に、火力発電所などで広く使用されているガスタービンにおける燃焼器のようにタービン回転軸に対して放射状に複数缶配列されており、図が示すように１つに限るものではない。勿論、単缶型のガスタービンを対象としても良い。

上記構成によるガスタービンの動作を以下に説明する。
空気圧縮機１１０から供給された高圧空気１２０は、ディフューザ１３０を介して車室１４０に導入され、環状流路４３を経て環状流路４４を流れる。その後、燃料ノズル１７３付近で進行方向を反転させ、バーナプレート１７０に設けられた空気孔１７１から空気流となって燃焼室１９０に導入される。一方、燃料ポンプ１８０で昇圧された燃料は、燃料系統１８１を介して燃料ヘッダ１７２に供給されて、燃料ノズル１７３から空気孔１７１の中心に向かって燃焼室１９０に空気を伴って噴射される。

このように空気孔１７１を介して燃焼室１９０に導入される燃料および空気は、燃料ノズル１７３及び空気孔１７１が同軸状に配置されている構成のために、空気孔１７１を通過する際に空気流が燃料を包み込むような同軸の噴流となり混合気を形成する。この混合気はライナ１６０内部の燃焼室１９０において火炎を形成し高温高圧の燃焼ガス１９１となる。この燃焼ガス１９１は、尾筒１５０を経てタービン２００に導入され、断熱膨張する際に発生する仕事量をタービン２００において軸回転力に転換する。これによりガスタービンは発電機２１０から出力を得る。

次に、本発明の第１の実施の形態を図２〜図７を用いて説明する。
図２は本実施の形態の同軸噴流方式のガスタービン燃焼器の構造を示す図であり、図３は図２中のＡ−Ａ断面によるガスタービン燃焼器の断面図である。既出の図と同じ部分には同じ符号を付し、説明は省略する。

図２及び図３において、ガスタービン燃焼器４００は、主燃料ノズル１７３Ａを有する主燃料ヘッダ１７２Ａと、副燃料ノズル１と、主燃料ヘッダ１７２Ａへ燃料を供給する主燃料系統４１と、この主燃料系統から分岐して設けられ副燃料ノズル１に燃料を供給する副燃料系統４２と、主燃料系統４１に設けられた主燃料流量調整弁２１と、副燃料系統４２に設けられた副燃料流量調整弁２２と、これら主燃料流量調整弁２１及び副燃料流量調整弁２２の上流に設けられた検出器２と、燃料流量コントロールユニット５０と、燃料調整弁２３とを備えている。

主燃料ヘッダ１７２Ａは、円筒形から成るライナ１６０の円の中心点に対応する位置に１機と、この点を中心とした円の周を６等分した点に対応する位置に６機備えられており、図３に示すように、空気孔１７１は、このように備えられた燃料ヘッダに設けられた燃料ノズルと同軸状にバーナプレート１７０の開口部として設けられている。燃料調整弁２３は、主燃料系統４１が各主燃料ヘッダ１７２Ａに燃料を供給するために分岐した分岐点の下流側にそれぞれ設けられており、各主燃料ヘッダ１７２Ａに供給される燃料流量をガスタービンの負荷変動に応じて調整することで燃焼室１９０における燃焼を適宜調節している。

副燃料ノズル１は、その噴射孔が外筒１６１の径方向内側を向くように、かつ環状流路４４を流れる空気中、つまり燃焼空気孔１７１に導入される前の空気中に燃料噴出量調整用の燃料を噴出できる位置に外筒１６１に備えられている。副燃料ノズル１は、図３に示すように、好ましくは外筒１６１の周方向に均等な間隔で複数個設置すると良い。これは副燃料ノズル１から噴出される燃料が環状流路４４の周方向に偏って分布しないようにするためである。

検出器２は主燃料系統４１中を流れる燃料の例えば発熱量などの燃料性状を検出するものであり、例えば、燃料の分子量を測定してこれを基に燃料の発熱量を測定する熱量計などがこれにあたる。その他、燃料の密度の測定結果を基に燃料の発熱量を検出するものや、燃料中の音速を基に燃料の成分を特定するもの等、燃料の性状を検知する公知の各種センサ類の適用が可能である。この検出器２は検出した燃料性状を検出信号として燃料流量コントロールユニット５０へ出力している。

燃料流量コントロールユニット５０は、燃焼室１９０内の燃焼が安定するように、検出器２から入力された燃料の発熱量の値から主燃料流量調整弁２１及び副燃料流量調整弁２２の開度を制御プログラムを用いて演算して、この演算結果を操作信号として燃料流量調整弁２１，２２に出力する。燃料流量コントロールユニット５０は、このような処理を行うために、例えば、演算処理を行う中央処理部（例えばセントラル・プロセッシング・ユニット〔以下ＣＰＵとする〕）、燃料の発熱量と主燃料流量調整弁２１及び副燃料流量調整弁２２の開度との相関関係に基づいて、検出した発熱量の値からこれら各弁２１，２２の開度を算出する機能を有する制御プログラムが格納されている外部記憶部（例えばリード・オンリー・メモリー〔以下ＲＯＭとする〕）、演算中のデータや演算後のデータを一時的に格納しておく主記憶部（例えばランダム・アクセス・メモリー〔以下ＲＡＭとする〕）などを備えている。

図４は燃料流量コントロールユニット５０が行う処理内容をフローチャートで示す図である。
以下、燃料流量調整の詳細をこのフローチャートを参照しながら説明する。

まず、燃料流量コントロールユニット５０には検出器２が測定した主燃料系統４１中を流れる燃料の発熱量の値が入力され、この値を内部のＲＡＭに一時的に格納する（Ｓ１００）。次に、燃料流量コントロールユニット５０内のＣＰＵは、ＲＡＭに格納しておいた発熱量の値を呼び出し、内部のＲＯＭにあらかじめ格納しておいた制御プログラムを用いて、この発熱量の値から主燃料流量調整弁２１及び副燃料流量調整弁２２の開度を算出する（Ｓ１１０）。その後、ＣＰＵは各燃料流量調整弁２１，２２が算出された開度に調節されるようにこの演算結果をバルブ操作信号に変換して、各燃料流量調整弁２１，２２にこの信号を出力する（Ｓ１２０）。この結果、この操作信号に基づいて主燃料流量調整弁２１及び副燃料流量調整弁２２の開度が調節され、主燃料ノズル１７３に供給される燃料１１の流量及び副燃料ノズル１に供給される燃料１２の流量が燃料の発熱量に応じた流量配分になり、この制御手順が終了する。以上の手順を繰り返すことにより、燃料の性状の変化に対応して燃料噴出量が調整され、燃焼室１９０内において安定した燃焼を維持することができる。

なお、上記説明においては、燃料の発熱量の変化に随時追従するバルブ制御の方法を例に挙げて説明してきたが、制御方法はこれに限られるものではない。例えば、演算処理速度を向上させて効率良く各バルブの開度調整をするために、直前にバルブ開度の調整を実施した時の発熱量の値をＲＡＭに記憶させておき、この値と検出器２によって適時測定された発熱量の値との差を求め、この差がしきい値を超えた場合にのみバルブの開度を調節するように制御する方法などを採用しても良い。

また、上記説明においては、燃料流量コントロールユニット５０は、検出した燃料性状に基づいて自動的に各燃料流量調整弁２１，２２の開度を調整するものとして説明したが、これに替わって、各燃料流量調整弁２１，２２の開度を演算した結果を例えばモニタなどの表示手段で表示して、この結果に基づいて操作者が弁の開度を調整するようにしても勿論よい。

またさらに、上記において特に説明はしなかったが、使用燃料の発熱量が高く、副燃料ノズル１からの燃料噴射が不要な場合も想定されるので、副燃料調整手段２２には副燃料ノズル１による燃料噴出割合を０％にする機能を持たせておくことが好ましい。なお、燃料流量コントロールユニット５０自体の動作のＯＮ／ＯＦＦを制御できるようにしても勿論良い。

次に、上記構成によるガスタービン燃焼器の動作及び作用を説明する。

燃料ポンプ１８０によって昇圧された燃料は、主燃料系統４１内を流れ、主燃料系統４１に設置された検出器２によって発熱量を測定される。検出器２は測定した燃料の発熱量の値を燃料流量コントロールユニット５０に検出信号として出力する。燃料流量コントロールユニット５０は、この検出信号（発熱量の値）を基に所定の演算を行い、発熱量に応じた主燃料流量調整弁２１及び副燃料流量調整弁２２の開度を算出する。この演算結果は流量調整弁を操作する操作信号に変換され、主燃料流量調整弁２１及び副燃料流量調整弁２２に出力される。操作信号が入力された主燃料流量調整弁２１及び副燃料流量調整弁２２はこの信号に適した開度に調節される。

検出器２を通過した燃料は主燃料系統４１と副燃料系統４２とに分岐する。副燃料系統４２に分岐した燃料は適度な開度に調整された副燃料流量調整弁２２によって燃料の発熱量に応じた流量に調整されて副燃料ノズル１に供給される。副燃料ノズル１は燃焼室１９０内に導入される前の環状流路４４内を流れる空気中に燃料噴出量調整用の燃料を噴射して燃料を空気中に予混合する。他方、主燃料系統４１を流れる燃料は主燃料流量調整弁２１によって同様に発熱量に応じた流量に調整された後分岐し、燃料調整弁２３によって負荷に応じて調整され、各主燃料ヘッダ１７２Ａを経て主燃料ノズル１７３Ａに供給される。

主燃料ノズル１７３Ａに供給された燃料は主燃料ノズル１７３Ａから空気孔１７１の中心に向かって燃料噴流として噴出される。このとき、この燃料噴流は、環状流路４４を通過する際にあらかじめ副燃料ノズル１によって燃料が予混合された空気の流入路と同軸上にあるので、燃料噴流を空気流が包み込むような同軸の噴流となる。これにより、主燃料ノズル１７３Ａから噴出された燃料は、燃焼室１９０内に導入された後に燃料が予混合された空気流と混合し、適度な混合比の予混合気となった後、高温ガスと接触して燃焼する。したがって、発熱量の低い燃料を用いた場合でも、副燃料ノズル１が燃焼空気内に燃料をあらかじめ噴出しておくことにより、主燃料ノズル１７３Ａから噴出されれる燃料の流速をほぼ一定に保ちながら燃焼室１９０に導入された際の燃料流量を充分確保することができる。これにより燃焼室１９０内に形成される火炎１９２の位置を最適な範囲内に保ち、安定した燃焼を維持することができる。

次に、本実施の形態の効果を説明する。
一般的な同軸噴流燃焼方式の燃焼器を備えるガスタービンにおいて、設計仕様より発熱量の低い低カロリーガスなどを燃料として使用すると、ガスタービン出力を一定に保つためにより多くの燃料を燃焼室に供給する必要がある。燃料の供給量を増加させる手段としては燃料流量を増加させる方法があるが、この場合、燃焼ノズルの構造を変更することなく低発熱量の燃料に対応するためには、燃料ノズルから燃焼室内に噴出される燃料の流速を速くする必要がある。

図５は、同軸噴流方式の燃焼器を用いた燃焼試験により得られた、燃料噴出流速とＮＯｘ及び一酸化炭素の排出量との関係を示す図である。

図５において、燃料噴出流速が速くなるにつれてＮＯｘ排出量が減少する一方、燃焼に伴う反応中間物質である一酸化炭素の排出量は増加している。これは、燃料噴出速度が速くなると火炎の安定性が悪化し、供給された燃料が完全に燃焼されていないことを示している。この原因としては、燃料流速が高速化すると燃焼室内に形成される火炎の位置が下流側に移動し、火炎が燃料ノズルから遠ざかった状態になり燃焼が不安定になることなどが考えられる。

また、燃料ノズルの燃料噴孔径の大きさを保持しながら流量を増加させるには、燃料ポンプの出力を上げて燃料供給圧力を高める必要がある。しかし、ポンプの出力増加に伴い、ガスタービン全体のエネルギー効率が低下してしまうとともに、燃料ポンプの価格も高くなってしまう。

このような理由から、同軸噴流方式の燃焼器を搭載したガスタービンにおいて燃料発熱量が大きく変わる場合には、燃料流速をある範囲内に保つために燃料ノズルの噴孔径を燃料の発熱量に合わせて変更し、流速を維持しながら流量を確保する必要があった。

しかし、燃料性状が変わる度に燃料ノズルの噴孔径を変更するなどして燃焼器の構造を換えるとなると、その作業の度に労力及び時間を要し、作業期間や費用の面でも問題が生じてしまう。

このような同軸噴流燃焼方式の燃焼器に対し、本発明は、燃焼室１９０に燃料を噴射する主燃焼ノズル１７３Ａの他に、燃焼室１９０に導入される前の燃焼用の空気中に燃料噴出量調整用の燃料を噴射する副燃料ノズル１を外筒１６１に設けている。そして、検出器２と燃料流量コントロールユニット５０を用いて使用する燃料の燃料性状に応じて主燃料流量調整弁２１及び副燃料流量調整弁２２の開度を調整して、主燃料ノズル１７３Ａに供給される燃料流量及び副燃料ノズル１に供給される燃料流量を調整している。

このように使用する燃料の燃料性状に応じて主燃焼ノズル１７３Ａと副燃料ノズル１に供給される燃料配分を調整するとともに、副燃料ノズル１によって燃料噴出量の調整用の燃料を燃焼室１９０に導入される前の燃焼用の空気中に噴出して予混合させることにより、発熱量の低い燃料を用いた場合でも、燃料噴出流速を速くしたり燃料ノズルの燃料噴孔径を拡大することなく、燃料性状に応じて燃焼室に供給される燃料の量を調整することができ、燃焼室内において安定した燃焼反応を起こすことができる。これにより、燃焼器の構造を換えることなく、多種多様な燃料に対応することができる。

さらに、本発明によれば、燃料噴出速度を速くするために燃料供給圧力を増加させる必要が無いため、ガスタービンのエネルギー効率低下を抑制することも可能であり、ポンプ価格の上昇による費用の増加も抑える事ができる。また、燃料噴孔径の異なる燃料ノズルに取り換えるなどして燃焼器構造を換える必要がないので交換作業の必要がなく、効率良くガスタービンを運転することができ、金銭に加え、人的、時間的コストも削減することもできる。

なお、以上の説明において、副燃料ノズル１は、図２及び図３に示した位置に設置するものとして説明してきたが、本実施の形態の本質的効果を得る限りにおいては燃焼室１９０内に導入される前の空気中に燃料を噴出することができれば良く、これに限られるものではない。例えば、図６に示すように、外筒１６１の尾筒フロースリーブ１５１と反対側の端面に設けられ、主燃料ヘッダ１７２Ａが設置されているフランジカバー部１６２に副燃料ノズル１を設置しても本実施の形態と同様の効果が得られる。また、空気孔１７１付近の外筒１６１やフランジカバー部１６２に取り付けることに限らず、図７に示すように車室ケーシング１４１に設置して、燃料を車室１４０内で噴出するようにしてもよい。この場合は、外筒１６１などに副燃料ノズル１を設置する場合と比較して、予混合距離が増加するので更に効率良く空気と燃料を混合させることができる。また、これらの場合においても、副燃料ノズル１の設置数や配置ピッチは特に限定されないが、燃料が燃焼用の空気に均一に混合されるようにするには副燃料ノズル１は複数本かつ周方向に均等に配置することが望ましい。

また、以上の説明において、副燃料系統４２は主燃料系統４１から分岐したもので同一の燃料を用いるものであるとして説明してきたが、これに限らず、副燃料系統と主燃料系統は独立した燃料系統として別々の燃料を供給するものとしても良い。例えば、主燃料系統には発熱量の低い燃料（例えばメタン等）を供給し、他方、副燃料系統には発熱量の高い燃料（例えばＬＮＧ等）を供給するように構成しても良い。このように構成すれば、通常のＬＮＧのみによる運転と比較して、少量のＬＮＧでガスタービンを運転できるので、効率良くガスタービンを運転することが可能になるという効果が得られる。

次に、本発明の第２の実施の形態を図８及び図９を用いて説明する。
図８は本実施の形態の同軸噴流方式のガスタービン燃焼器の構造を示す図であり、図９は図８中のＢ−Ｂ断面によるガスタービン燃焼器の断面図である。既出の図と同じ部分には同じ符号を付し、説明は省略する。

図８及び図９において、ガスタービン燃焼器４００Ａの構成は、第１の実施の形態とほぼ同じであるが、ライナ１６０は燃料導入孔３を有しており、副燃料ノズル１は、先端部がこの燃料導入孔３内に挿入され、噴射孔が燃焼室１９０に臨んでいる。つまり、本実施の形態は副燃料ノズル１が燃焼室１９０内に直接燃料を噴射することができるように配設されている点で第１の実施の形態と異なる。その他の構成については第１の実施の形態とほぼ同様である。

このように構成したガスタービン燃焼器において、副燃焼ノズル１から噴射された燃料は、燃焼室１９０内における火炎１９２の下流側の高温ガス中に供給される。この燃料は、燃焼室１９０内の高温下で火炎を伴わずに酸化する加熱燃焼という形態で燃焼し、使用燃料の発熱量が同一流量では充分に得られない場合に主燃料ノズル１７３Ａから供給される燃料による発熱量の不足分を補う。

以上のように、本発明は、燃焼室１９０に燃料を噴射する主燃焼ノズル１７３Ａの他に、副燃料ノズル１を用いて燃焼室１９０内に燃料噴出量調整用の燃料を直接噴射して加熱燃焼を起こすことにより、使用する燃料が発熱量が低い場合にも燃焼室１９０内の燃焼を安定したものとすることができる。さらに、第１の実施の形態同様に、検出器２と燃料流量コントロールユニット５０を用いて、使用する燃料の燃料性状に応じて主燃料ノズル１７３Ａに供給される燃料流量及び副燃料ノズル１に供給される燃料流量の配分を算出して調整することにより、燃料性状の異なる燃料を用いても常に最適な条件の下で燃焼することができる。

このように副燃料ノズル１によって燃料噴出量調整用の燃料を燃焼室１９０内に直接噴出して加熱燃焼させる本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様な効果を得ることができる。

また、加熱燃焼は、均一な温度で酸化する形態であり、燃焼ガス中に局所的な高温場を発生しないという特徴がある。これにより本実施の形態は、第１の実施の形態と比較して、更にＮＯｘ排出量を低く抑えることができるという効果を奏する。

なお、本実施の形態においても、図９に示すように、副燃料ノズル１は燃料が燃焼器１９０内で偏在しないようにするには複数本かつ周方向に均等に配置することが望ましい。

次に、本発明の第３の実施の形態を図１０及び図１１を用いて説明する。
本実施の形態は、拡散燃焼方式の燃焼器を備えるガスタービンに関するものであり、上記第１の実施の形態と主に主燃料ノズルの構成が異なる他は、ほぼ同じ構成から成る。

図１０は本実施の形態の拡散燃焼方式のガスタービン燃焼器の構造を示す図であり、図１１は図１０中のＣ−Ｃ断面によるガスタービン燃焼器の断面図である。既出の図と同じ部分には同じ符号を付し、説明は省略する。

図１０及び図１１において、ガスタービン燃焼器５００は、拡散燃料ノズル３１と、ライナ１６０Ａとを備えている。ライナ１６０Ａは拡散燃料ノズル３１側に略円形の開口部１７５を備えている。この開口部１７５には拡散燃料ノズル３１の先端が挿入され、拡散燃料ノズル３１の先端部分に設けた燃料噴孔３２が燃焼室に臨んでいる。これにより、拡散燃料ノズル３１は燃料噴孔３２から燃焼室１９０内に燃料を直接噴射する。また、開口部１７５と拡散燃料ノズル３１により形成される隙間は空気が流れ込む空気流路となっており、この空気流路からは圧縮機によって供給された燃焼用空気が燃焼室１９０内に流れ込むようになっている。

このように構成したガスタービン燃焼器において、燃料流量コントローラユニット５０は、第１の実施の形態同様に、検出器２が検出した燃料の発熱量を基に主燃料流量調整弁２１及び副燃料流量調整弁２２を発熱量に適した開度に調節する。

このように調整された副燃料流量調整弁２２を介して発熱量に応じて調整された燃料は、副燃料ノズル１によって燃焼室１９０内に導入される前の空気中に予混合される。この後、この燃料を予混合した空気は開口部１７５と拡散燃料ノズル３１との隙間を介して燃焼室１９０内に導入される。

一方、主燃料流量調整弁２１によって適切な量に調整された燃料は、拡散燃料ノズル３１によって直接燃焼室１９０内に噴出される。この際、この燃料は副燃料ノズル１によって燃料が予混合された空気と混合して燃焼室１９０内で火炎１９２を形成して燃焼されるので、発熱量の低い燃料を使用した場合でも、第１の実施の形態と同様に、燃焼に必要な燃料量が確保される。

したがって、本実施の形態においても、第１の実施の形態同様の効果を得ることができる。

なお、本実施の形態においても、図１１に示すように、副燃料ノズル１は燃料が燃焼用の空気に均一に混合されるようするには複数本かつ周方向に均等に配置することが望ましい。

また、第１の実施の形態と同様に、副燃料ノズル１をフランジカバー部や車室ケーシング等に設置しても同様の効果が得られるほか、副燃料系統と主燃料系統に別々の燃料を供給してガスタービンを運用しても勿論同様の効果が得られる。

次に、本発明の第４の実施の形態を図１２及び図１３を用いて説明する。
本実施の形態は、拡散燃焼方式の燃焼器を備えるガスタービンに関するものであり、上記第２の実施の形態と主に主燃料ノズルの構成が異なる他は、ほぼ同じ構成から成る。

図１２は本実施の形態の拡散燃焼方式のガスタービン燃焼器の構造を示す図であり、図１３は図１２中のＤ−Ｄ断面によるガスタービン燃焼器の断面図である。既出の図と同じ部分には同じ符号を付し、説明は省略する。

図１２及び図１３において、ガスタービン燃焼器５００Ａは、主燃料ノズルとして第３の実施の形態と同様の拡散燃料ノズル３１を備えている。また、第２の実施の形態と同様に、ライナ１６０Ａには燃料導入孔３Ａが設けられており、副燃料ノズル１は、先端部がこの燃料導入孔３Ａ内に挿入され、噴射孔が燃焼室１９０に臨んでいる。

このように拡散燃焼方式の燃焼器を用いた本実施の形態においても、副燃料ノズル１から直接燃焼室１９０内に供給する燃料を加熱燃焼させることにより、第２の実施の形態と同様の効果が得られる。

なお、本実施の形態においても、図１３に示すように、副燃料ノズル１は燃料が燃焼器１９０内で偏在しないようにするには複数本かつ周方向に均等に配置することが望ましい。

なお、以上の各実施の形態において説明した燃焼器構造は、これから新規製作するガスタービン燃焼器だけではなく、既設の拡散燃焼方式あるいは同軸噴流方式のガスタービン燃焼器に改造を施しも構成することが可能である。

このように既設の燃焼器に改造を加える場合、その改造方法は少なくとも、燃料噴出量調整用の燃料を噴出する副燃料ノズルと、この副燃料ノズルに燃料を供給するための副燃料系統と、主燃料系統の燃料流量を調整する主燃料流量調整弁と、副燃料系統の燃料流量を調整する副燃料流量調整弁とを追設するのみであるので、既設のガスタービン燃焼器を大幅に改造することなく容易に改造することができる。勿論、このように改造した燃焼器においても上記同様の効果を得ることができる。

同軸噴流燃焼方式の燃焼器を備える一般的なガスタービンの全体概略図である。 本発明の第１の実施の形態である同軸噴流方式のガスタービン燃焼器の構造を示す図である。 図２中のＡ−Ａ断面によるガスタービン燃焼器の断面図である。 本発明の第１の実施の形態に備えられた燃料流量コントロールユニットが行う処理内容を示すフローチャートである。 同軸噴流方式の燃焼器を用いた燃焼試験により得られた、燃料噴出流速と窒素酸化物及び一酸化炭素の排出量との関係を示す図である。 本発明の第１の実施の形態である同軸噴流方式のガスタービン燃焼器における第１の変形例の構造を示す図である。 本発明の第１の実施の形態である同軸噴流方式のガスタービン燃焼器における第２の変形例の構造を示す図である。 本発明の第２の実施の形態である同軸噴流方式のガスタービン燃焼器の構造を示す図である。 図８中のＢ−Ｂ断面によるガスタービン燃焼器の断面図である。 本発明の第３の実施の形態である拡散燃焼方式のガスタービン燃焼器の構造を示す図である。 図１０中のＣ−Ｃ断面によるガスタービン燃焼器の断面図である。 本発明の第４の実施の形態である拡散燃焼方式のガスタービン燃焼器の構造を示す図である。 図１２中のＤ−Ｄ断面によるガスタービン燃焼器の断面図である。

符号の説明

１ 副燃料ノズル
２ 検出器
３ 燃料導入孔
３Ａ 燃料導入孔
２１ 主燃料流量調整弁
２２ 副燃料流量調整弁
３１ 拡散燃料ノズル
３２ 燃料噴出孔
４３ 環状流路
４４ 環状流路
５０ 燃料流量コントロールユニット
１１０ 空気圧縮機
１３０ ディフューザ
１４０ 車室
１４１ 車室ケーシング
１５０ 尾筒
１６０ ライナ
１６０Ａ ライナ
１６１ 外筒
１７０ バーナプレート
１７１ 燃焼空気孔
１７２ 燃料ヘッダ
１７２Ａ 主燃料ヘッダ
１７３ 燃料ノズル
１７３Ａ 主燃料ノズル
１８０ 燃料ポンプ
１９０ 燃焼室
２００ タービン
２１０ 発電機
４００ ガスタービン燃焼器
４００Ａ ガスタービン燃焼器
５００ ガスタービン燃焼器（拡散燃焼方式）
５００Ａ ガスタービン燃焼器（拡散燃焼方式）

Claims (8)

1. 燃料と空気が燃焼反応を起こす燃焼室を内部に形成するライナと、前記燃焼室に燃料を噴出する主燃料ノズルと、この主燃料ノズルに燃料を供給する主燃料系統とを備えるガスタービン燃焼器において、
   前記燃焼室内に導入される前の空気中に燃料噴出量調整用の燃料を噴出する副燃料ノズルと、
   前記副燃料ノズルに燃料を供給する副燃料系統と、
   前記主燃料系統に設けられ、前記主燃料系統中の燃料流量を前記主燃料系統を流れる燃料の燃料性状に応じて調整する主燃料流量調整手段と、
   前記副燃料系統に設けられ、前記副燃料系統中の燃料流量を前記主燃料系統を流れる燃料の燃料性状に応じて調整する副燃料流量調整手段とを備えることを特徴とするガスタービン燃焼器。
2. 燃料と空気が燃焼反応を起こす燃焼室を内部に形成するライナと、前記燃焼室に燃料を噴出する主燃料ノズルと、この主燃料ノズルに燃料を供給する主燃料系統とを備えるガスタービン燃焼器において、
   前記燃焼室内に燃料噴出量調整用の燃料を直接噴出する副燃料ノズルと、
   前記副燃料ノズルに燃料を供給する副燃料系統と、
   前記主燃料系統に設けられ、前記主燃料系統中の燃料流量を前記主燃料系統を流れる燃料の燃料性状に応じて調整する主燃料流量調整手段と、
   前記副燃料系統に設けられ、前記副燃料系統中の燃料流量を前記主燃料系統を流れる燃料の燃料性状に応じて調整する副燃料流量調整手段とを備えることを特徴とするガスタービン燃焼器。
3. 請求項１又は２記載のガスタービン燃焼器において、
   前記主燃料系統に設けられ、前記主燃料系統を流れる燃料の燃料性状を検出する検出手段と、
   この検出手段により検出される燃料性状に応じて前記主燃料流量調整手段及び前記副燃料流量調整手段を制御する燃料流量調整制御手段とを備えることを特徴とするガスタービン燃焼器。
4. 請求項３記載のガスタービン燃焼器において、
   前記検出手段は前記主燃料系統を流れる燃料の発熱量を検出することを特徴とするガスタービン燃焼器。
5. 請求項１乃至４いずれか記載のガスタービン燃焼器において、
   前記ライナは前記燃焼室に空気を噴出する空気孔を備え、
   燃料と空気が同軸噴流として前記燃焼室に噴出されるように前記主燃料ノズルと前記空気孔を同軸上に配置することを特徴とするガスタービン燃焼器。
6. 請求項１乃至４いずれか記載のガスタービン燃焼器において、
   前記主燃料ノズルは前記燃焼室に燃料を直接噴出する拡散燃料ノズルであることを特徴とするガスタービン燃焼器
7. 燃料と空気が燃焼反応を起こす燃焼室を内部に形成するライナと、前記燃焼室に燃料を噴出する主燃料ノズルと、この主燃料ノズルに燃料を供給する主燃料系統とを備えるガスタービン燃焼器の改造方法において、
   前記燃焼室に供給される前の空気中に燃料噴出量調整用の燃料を噴出する副燃料ノズルと、
   前記副燃料ノズルに燃料を供給する副燃料系統と、
   前記主燃料系統に設けられ、前記主燃料系統中の燃料流量を前記主燃料系統を流れる燃料の燃料性状に応じて調整する主燃料流量調整手段と、
   前記副燃料系統に設けられ、前記副燃料系統中の燃料流量を前記主燃料系統を流れる燃料の燃料性状に応じて調整する副燃料流量調整手段とを追設することを特徴とするガスタービン燃焼器の改造方法。
8. 燃料と空気が燃焼反応を起こす燃焼室を内部に形成するライナと、前記燃焼室に燃料を噴出する主燃料ノズルと、この主燃料ノズルに燃料を供給する主燃料系統とを備えるガスタービン燃焼器の改造方法において、
   前記燃焼室内に燃料噴出量調整用の燃料を直接噴射する副燃料ノズルと、
   前記副燃料ノズルに燃料を供給する副燃料系統と、
   前記主燃料系統に設けられ、前記主燃料系統中の燃料流量を前記主燃料系統を流れる燃料の燃料性状に応じて調整する主燃料流量調整手段と、
   前記副燃料系統に設けられ、前記副燃料系統中の燃料流量を前記主燃料系統を流れる燃料の燃料性状に応じて調整する副燃料流量調整手段とを追設することを特徴とするガスタービン燃焼器の改造方法。

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