JP2008116200A - 燃焼器およびマルチ燃焼器、燃焼方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ガスタービンに二つ以上の燃料を同時に適用させる多燃料時代に燃料柔軟性を上昇できるガスタービン燃焼器の噴射口直径可変二重燃料ノズルを提供する。
【解決手段】一側を通してガスが流入し、他側を通して前記ガスが流出するダクトと；前記ダクトの他側に設置され、第１燃料を噴射する複数の第１噴射口が形成される第１噴射部材と；前記第１噴射口上に設置され、前記第１噴射口と対応する第１ホール及び第２ホールが形成される転換部材と；を含み、前記転換部材の移動によって前記第１ホール及び前記第２ホールのうち何れか一つが前記第１噴射口と連結され、他の一つが閉鎖されることを特徴とする燃焼器を構成する。
【選択図】図１
【解決手段】一側を通してガスが流入し、他側を通して前記ガスが流出するダクトと；前記ダクトの他側に設置され、第１燃料を噴射する複数の第１噴射口が形成される第１噴射部材と；前記第１噴射口上に設置され、前記第１噴射口と対応する第１ホール及び第２ホールが形成される転換部材と；を含み、前記転換部材の移動によって前記第１ホール及び前記第２ホールのうち何れか一つが前記第１噴射口と連結され、他の一つが閉鎖されることを特徴とする燃焼器を構成する。
【選択図】図１
Description
本発明は、ガスタービン燃焼器の噴射口直径可変二重燃料ノズルに関するもので、より詳細には、ガスタービンに二つ以上の燃料を同時に適用させる多燃料時代に燃料柔軟性を上昇できるガスタービン燃焼器の噴射口直径可変二重燃料ノズルに関するものである。
現在、世界多くの研究機関では、エネルギー資源の枯渇問題と環境問題を解決するために多様な清浄燃料を開発しようと努力している。現在、バイオマス、石炭ガス、ＧＴＬ（Ｇａｓ Ｔｏ Ｌｉｑｕｉｄ Ｆｕｅｌ）、ＣＴＬ（Ｃｏａｌ Ｔｏ Ｌｉｑｕｉｄ Ｆｕｅｌ）などの多くの燃料が開発及び商用化段階にあり、このような燃料の製造とともに、消費分野でも研究開発がなされている。
乾式低窒素酸化物ガスタービン（Ｄｒｙ Ｌｏｗ ＮＯｘ Ｇａｓ Ｔｕｒｂｉｎｅ）は、希薄予混合燃焼方式を用いるが、この方式は、火炎の局部的高温部が発生しないので、熱的窒素酸化物（Ｔｈｅｒｍａｌ ＮＯｘ）の生成を抑制することができる。
しかしながら、この希薄予混合燃焼方式の場合、空気量に比べて燃料量の質量比が１０％以下の水準に低いので、燃料量の制御が非常に重要である。また、希薄予混合火炎は、安定的な燃焼条件に到達することが非常に難しいので、燃料-空気の混合状態と負荷条件によって燃焼不安定、燃焼振動、火炎の逆火などが発生し、非正常的な燃焼及び大きな圧力変動によるガスタービン部品の破損、高温ガス（Ｈｏｔ Ｇａｓ）による部品の熱損失及び寿命短縮などの問題が発生し、ガスタービン維持補修費の上昇をもたらしている。
また、従来は、ガスタービンが底負荷で運転されるとき、燃焼状態にしたがってＮＯ２による黄色煙（ｙｅｌｌｏｗ ｐｌｕｍｅ）などの有害ガスが排出されるが、これが、発電所近隣住民の民願を発生させる原因となった。
現在、ガスタービンを用いる発電所では、メタン（ＣＨ４）が８５％以上の体積比率を占める天然ガスまたはそのバックアップ燃料（Ｂａｃｋ Ｕｐ Ｆｕｅｌ）である精製油を燃料として使用している。しかしながら、このような燃料は、市場価格の変動幅が大きく、これに対する強靭性を有するためには、多様な発電燃料を適用できるガスタービンの開発が必要となる。特に、今後、天然ガス、石炭、バイオマスなどの多様な原料から化学的処理法を通して製造される新燃料ＤＭＥ（ＤｉＭｅｔｈｙｌ Ｅｔｈｅｒ、ＣＨ３ＯＣＨ３）が、経済性及び技術性評価後に適用される予定である。この燃料の場合、高い燃焼速度及び低い自発火温度などの燃焼特性を有するが、ガスタービン発電所に適用されると、火炎の逆火による燃焼器の焼損が問題となり、低位発熱量も２８．８ＭＪ／ｋｇ（５９．３ＭＪ／Ｎｍ３）として、４９．０ＭＪ／ｋｇ（３５．９ＭＪ／Ｎｍ３）である天然ガスに比べて低いので、燃焼器の改造が必要となる。すなわち、天然ガスとＤＭＥ燃料を選択的に使用するためには、燃焼器の改造が必要となる。
現在、発電用として用いられる重油と天然ガスを対象とする二重燃料用ガスタービンは、それぞれ異なる燃料噴射口を通して燃料が噴射される独立的な流路を有している。
しかしながら、重油発電の場合、発電原価が高く、有害排気ガスが多く発生するので、発電優先順位から除かれており、主に天然ガスを燃料として発電している実情である。
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、その目的は、ガスタービンに二つ以上の燃料を同時に適用させる多燃料時代に燃料柔軟性を上昇できるガスタービン燃焼器の噴射口直径可変二重燃料ノズルを提供することにある。
本発明は、上記のような目的を達成するために、次のような構成を有する。
本発明に係るガスタービン燃焼器の噴射口直径可変二重燃料ノズルは、中心軸の外周面に沿って備わり、少なくとも一つ以上の主燃料噴射口が形成された複数個の旋回羽根と；前記旋回羽根の下側に位置し、旋回羽根側に空気を供給する空気ダクトと；前記中心軸を貫通して形成され、パイロット燃料を供給するパイロット燃料注入口及び噴射口と；前記旋回羽根の内部に備わり、主燃料噴射口の大きさを可変にする転換板と；前記転換板と連結され、前記転換板の位置を移動させる駆動手段と；前記旋回羽根、空気ダクト、転換板及び駆動手段が収納されるケーシングと；を含んで構成される。
また、前記主燃料噴射口は、前記中心軸方向に沿って形成され、中心軸方向に行くほど直径が小さくなり、前記転換板には、少なくとも一つ以上の転換口が形成され、前記転換口は、中心軸方向に行くほど直径が小さくなる。
そして、前記転換口は、第１転換口及び第２転換口で構成され、前記第１転換口及び第２転換口は、互いに異なる直径を有して配列されることが好ましい。
また、前記駆動手段は、ラックギア、前記ラックギアを水平に移動させるスパーギア、前記ラックギアと前記転換板とを互いに連結するワイヤーからなり、前記転換板の位置を可変することができる。前記主燃料噴射口は、供給燃料によって直径を可変し、前記可変された直径によって天然ガス、ＤＭＥ（ＤｉＭｅｔｈｙｌ Ｅｔｈｅｒ、ＣＨ３ＯＣＨ３）、石炭ガス及び合成ガスから選択された何れか一つを供給することができる。
そして、前記可変二重燃料ノズルが少なくとも一つ以上結合されるライナーをさらに備える。
本発明によると、ガスタービンに二つ以上の燃料を同時に適用させる多燃料時代に燃料柔軟性を上昇できるという効果がある。
そして、天然ガスとＤＭＥの二重燃料用ガスタービンの燃料転換時、ボタン操作のみで容易に燃料転換を行うことで、燃料柔軟性を増加でき、燃焼器の交替のためのガスタービン分解作業を省略することで、人件費を節減でき、ガスタービン停止時間の短縮によって大きな経済的利得をもたらすという効果がある。
また、燃焼特性に合わせて設計された燃料噴射口の設計によって、燃焼効率を向上でき、有害排気ガスを低減させながら燃焼不安定を減少でき、火炎の逆火を防止してガスタービン内の高温油で部品の熱焼損を防止できるという効果がある。
そして、本発明によると、多数の燃焼ノズルを装着するマルチカップ燃焼器に適用し、各カップ燃焼器別に適正な燃料噴射流量を設定することで、希薄予混合燃焼方式を使用する発電用低窒素酸化物ガスタービン燃焼器において、燃焼器内部の全体的な火炎を安定させるとともに、逆火防止及び燃焼振動の低減を通してガスタービンの部品損傷を防止して寿命を延長できるという効果がある。
以下、添付された図面を参照しつつ、本発明の好適な実施例を説明する。
図１〜図４に示すように、前記可変二重燃料ノズル１０は、旋回羽根１１０、中心軸１２０、転換板１３０、駆動手段１４０及びケーシング１６０で構成される。
すなわち、前記中心軸１２０上部の外周面に沿って複数個の旋回羽根１１０を備えた後、前記中心軸１２０の中心部を下部から上部に貫通させ、下端には複数個の主燃料注入口１２２とパイロット燃料注入口１２４を設け、上部には前記パイロット燃料注入口１２４と連結される複数個のパイロット燃料噴射口１２６を形成し、前記主燃料注入口１２２と旋回羽根１１０を燃料流路１１６を用いて連結する。このとき、前記主燃料注入口１２２は、前記旋回羽根１１０と同一の数で形成されることが好ましい。また、前記パイロット燃料噴射口１２６を前記中心軸１２０の外周に沿って形成することで、パイロット燃料を均一に噴射することができる。
また、前記旋回羽根１１０には多数個の主燃料噴射口１１４を形成し、前記主燃料噴射口１１４は、前記中心軸１２０方向に行くほど直径が小さくなるように形成する。これは、中心軸１２０から噴射されるパイロット燃料と連係して均一な混合を行うためである。
そして、前記旋回羽根１１０の下部に転換板１３０を設け、前記転換板１３０と連結される駆動手段１４０を備えることで、前記駆動手段１４０によって転換板１３０の位置を可変することができる。すなわち、スパーギア１４４をモーターによって駆動させ、前記スパーギア１４４と連結されたラックギア１４２を水平に移動させると、前記ラックギア１４２の一側に連結されたワイヤー１４６によって前記転換板１３０が移動する。ここで、前記ワイヤー１４６は、ローラ１４５によって支持されて移動する。
一方、前記転換板１３０には多数個の転換口１３２を形成するが、前記転換口１３２は、前記主燃料噴射口１１４と連係して、主燃料の噴射時に主燃料噴射口１１４の直径を可変する。これは、主燃料注入口１２２を通して供給される主燃料を使用条件によって多様に選択するためである。ここで、前記主燃料としては、天然ガス、ＤＭＥ（ＤｉＭｅｔｈｙｌ Ｅｔｈｅｒ、ＣＨ３ＯＣＨ３）、石炭ガス及び合成ガスから選択された何れか一つを供給することができる。
また、前記転換口１３２を第１転換口１３２ａと第２転換口１３２ｂで構成し、前記第１転換口１３２ａと第２転換口１３２ｂの直径をそれぞれ異なるように形成することで、選択される主燃料の種類に応じて第１転換口１３２ａと第２転換口１３２ｂによって前記主燃料噴射口１１４の開放直径が異なってくる。
すなわち、図５Ａまたは図５Ｂに示すように、前記転換板１３０の可変位置に応じて第１転換口１３２ａと第２転換口１３２ｂによって主燃料噴射口１１４の開放直径が異なってくる。
そして、前記旋回羽根１１０の旋回によって空気ダクト１１２を通して空気を吸入し、前記パイロット噴射口１２６と主燃料噴射口１１４から噴射された燃料は、旋回羽根１１０の旋回によって供給された空気と一緒に混合されて燃焼室に噴射される。
図６は、本発明に係る他の実施例を示す図で、これを参照すると、前記可変二重燃料ノズル１０を複数個設けてライナー２００に一定に配置することで、前記可変二重燃料ノズル１０を複数個使用できるようになる。すなわち、前記可変二重燃料ノズルは、ケーシングによって構成されるので、前記ケーシングをライナーに結合すればよい。
以上説明した本発明は、上述した各実施例に限定されるものでなく、当業者によって多様な変形及び変更が可能であり、これは、添付された特許請求の範囲で定義される本発明の趣旨と範囲に含まれる。
１０ 可変二重燃料ノズル
１１０ 旋回羽根
１１２ 空気ダクト
１１４ 主燃料噴射口
１１６ 燃料流路
１２０ 中心軸
１２２ 主燃料注入口
１２４ パイロット燃料注入口
１２６ パイロット燃料噴射口
１３０ 転換板
１３２，１３２ａ，１３２ｂ 転換口
１４０ 駆動手段
１４２ ラックギア
１４４ スパーギア
１４５ ローラ
１４６ ワイヤー
１６０ ケーシング
２００ ライナー
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２００ ライナー
Claims (14)
- 一側を通してガスが流入し、他側を通して前記ガスが流出するダクトと；
前記ダクトの他側に設置され、第１燃料を噴射する複数の第１噴射口が形成される第１噴射部材と；
前記第１噴射口上に設置され、前記第１噴射口と対応する第１ホール及び第２ホールが形成される転換部材と、を含み、
前記転換部材の移動によって前記第１ホール及び前記第２ホールのうち何れか一つが前記第１噴射口と連結され、他の一つが閉鎖されることを特徴とする燃焼器。 - 前記第１ホール及び前記第２ホールは、交互に配列されることを特徴とする請求項１に記載の燃焼器。
- 前記第１ホール及び前記第２ホールの大きさは、一側から他側に行くほど徐々に増加し、最小大きさの前記第１ホールは、最小大きさの前記第２ホールと互いに異なる大きさを有することを特徴とする請求項１に記載の燃焼器。
- 前記転換部材は、前記第１ホール及び前記第２ホールの配列方向と並んだ方向に移動することを特徴とする請求項１に記載の燃焼器。
- 前記燃焼器は、前記ガスの流れ方向と並んだ方向に前記ダクトの中心に配置され、第２燃料を噴射する第２噴射部材をさらに含み、
前記第１噴射部材は、前記ダクトの中心を基準にして放射状に配置され、前記ガス流入口から流入した前記ガスを旋回しながら流出させる複数の旋回部材を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃焼器。 - 前記第１ホール及び前記第２ホールは、前記旋回部材の上部面に前記ダクトの中心から前記ダクトの縁部に向かって配列され、前記第１ホール及び前記第２ホールの大きさは、前記ダクトの中心から前記ダクトの縁部に行くほど徐々に増加することを特徴とする請求項５に記載の燃焼器。
- 前記第２噴射部材は、前記第１噴射部材に連結され、前記第１噴射部材に前記第１燃料を供給する第１供給ラインを備えることを特徴とする請求項５に記載の燃焼器。
- 前記燃焼器は、
前記転換部材の一端に連結され、前記転換部材を移動させるワイヤーと；
前記ワイヤーの他端に連結され、移動によって前記ワイヤーに張力を印加するラックギアと；
前記ラックギアと結合され、回転によって前記ラックギアを移動させるスパーギアと；をさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の燃焼器。 - 前記第２噴射部材は、前記第２噴射部材の上端に形成され、前記第１噴射部材の噴射方向と一致する方向に前記第２燃料を噴射する第２噴射口を有し、
前記第２噴射口は、前記第２噴射部材の中心軸上に配置される中心噴射口、及び前記中心噴射口の周りに配置される複数の外側噴射口を含むことを特徴とする請求項５に記載の燃焼器。 - 前記第１燃料は、天然ガス、ＤＭＥ（ＤｉＭｅｔｈｙｌ Ｅｔｈｅｒ、ＣＨ３ＯＣＨ３）、石炭ガス、及び合成ガスのうち何れか一つであることを特徴とする請求項１に記載の燃焼器。
- ライナーと；
前記ライナーの中央及び前記ライナーの縁部に沿って配置される複数の燃焼器と；を含み、
前記燃焼器は、
一側にガスが流入するガス流入口が形成され、他側を通して前記ガスが流出するダクトと；
前記ダクトの他側に前記ダクトの中心を基準にして放射状に配置され、前記ガス流入口から流入した前記ガスを旋回しながら流出させ、第１燃料を噴射する複数の第１噴射口が形成される複数の旋回部材と；
前記ガスの流れ方向と並んだ方向に前記ダクトの中心に配置されて第２燃料を噴射し、前記旋回部材に連結されて前記旋回部材に前記第１燃料を供給する第１供給ラインを備える噴射部材と；
前記第１噴射口上に設置され、前記第１噴射口と対応する第１ホール及び第２ホールが形成される転換部材と；
前記転換部材の一端に連結されて前記転換部材を移動させるワイヤーと；
前記ワイヤーの他端に連結され、移動によって前記ワイヤーに張力を印加するラックギアと；
前記ラックギアと結合され、回転によって前記ラックギアを移動させるスパーギアと；を含み、
前記転換部材の移動によって前記第１ホール及び前記第２ホールのうち何れか一つは前記第１噴射口と連結され、他の一つは閉鎖されることを特徴とするマルチ燃焼器。 - 一方向に向かってガスを供給し、前記一方向に向かって第１及び第２燃料のうち何れか一つを噴射して燃焼する方法において、
噴射部材に形成された複数の噴射口を用いて前記第１及び第２燃料のうち何れか一つを噴射し、前記噴射口と対応するように第１ホール及び第２ホールが形成された転換部材を移動することで、前記第１及び第２ホールのうち何れか一つを前記噴射口と連結し、前記第１及び第２ホールのうち他の一つを閉鎖することを特徴とする燃焼方法。 - 前記第１ホール及び前記第２ホールの大きさは、一側から他側に行くほど徐々に増加し、最小大きさの前記第１ホールは、最小大きさの前記第２ホールと互いに異なる大きさを有することを特徴とする請求項１２に記載の燃焼方法。
- 前記ガスは、前記一方向に向かって旋回されることを特徴とする請求項１２に記載の燃焼方法。
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