JP2013155946A - ガスタービン燃焼器 - Google Patents

Abstract

【課題】予混合器内に発生した火炎の検知時間が長い場合や、予混合器に設けられた熱電対が断線等により温度計測不可となった場合、予混合器内に火炎が発生した際に燃料を低減して消火する対応が遅れる、又は対応ができなくなる可能性がある。予混合器内に発生した火炎の検知精度を向上させることで、燃焼器の焼損を防止して信頼性向上を図る。
【解決手段】燃料と空気を混合する予混合器の隔壁部に、内部発火した火炎を隣接バーナまたはセクタに伝播させる火炎連通筒または火炎連通孔を設け、予混合器内に発生した火炎を隣接するバーナまたはセクタに伝播させる構造とする。本構造の検知手段の多重化により、火炎を速やかに正確に検出して消火することが可能であり、更に、予混合器内の一部の熱電対が計測不能の状態でも、他の熱電対により火炎検知が可能となる。
【選択図】 図１

Description

本発明はガスタービン燃焼器に係り、特に、燃料と空気を予め混合する予混合器内に火炎が形成された際に、火炎を速やかに検出して消火することで、燃焼器の信頼性を高める構造に関する。

ガスタービン燃焼器に於いて、燃料と空気とを予め混合した後に燃焼室で火炎を形成する予混合燃焼方式は大気汚染物質である窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出を低く抑えることが可能である。予混合燃焼方式としては、特許文献１に示すように燃料ガスと空気を予混合器内で予め混合させ、予混合器出口部の保炎器下流部に火炎を形成する方式がある。

しかし、燃料ガスと空気を燃焼室の上流部の予混合器内で混合させるため、燃料ガス中に可燃性の不純物が混入した場合、予混合器内で不純物が自発火し、その火炎が着火源となり予混合器内に火炎が保持され、予混合器や保炎器が焼損する可能性がある。

その対策としては、予混合器部に温度を計測する熱電対を複数個設置して、予混合器内の温度が急上昇した際には供給する燃料流量を低減することで予混合器内の火炎を消火させる策などが考えられる。

特開平８−２８８７３号公報

しかし、予混合器内に発生した火炎の検知時間が長い場合や、予混合器に設けられた熱電対の断線等により温度計測不可となった場合には、予混合器内に火炎が発生した際に、燃料流量を低減するという対応が遅れる、又は対応ができなくなる可能性がある。

そこで本発明の目的は、火炎を速やかに正確に検出して消火することが可能な信頼性の高いガスタービン燃焼器を提供することにある。

本発明のガスタービン燃焼器は、燃料を噴射する燃料ノズルと、前記燃料ノズルから噴射された燃料と空気とを混合する予混合室を有する予混合器と、前記予混合室内に発生した火炎を検知する火炎検知手段とを有するバーナを備え、前記予混合室を複数有し、いずれかの予混合室内で発生した火炎を他の予混合室に伝播させる手段を備えたことを特徴とする。

本発明に依れば、火炎を速やかに正確に検出して消火することが可能な信頼性の高いガスタービン燃焼器を提供することができる。

（ａ）：本発明の第１実施例を示す燃焼器の正面図。（ｂ）：図１（ａ）のＡ−Ａ部の展開図。 （ａ）：基本的な燃焼器の横断面図。（ｂ）：図２（ａ）：のＢ−Ｂ矢視図。 （ａ）：本発明の第２実施例を示す燃焼器の横断面図。（ｂ）：図３（ａ）Ｃ−Ｃ断面。 本発明の第３実施例を示す燃焼器構造図。 本発明の他の実施例を示す燃焼器構造図。 一般的なガスタービン構成の概略図。

ガスタービン燃焼器の概略を図６で説明する。

空気圧縮機１１０から導入された高圧空気１２０は、ディフューザ１３０から車室１４０に導入され、尾筒フロースリーブ１５０に設けられた空気導入孔１５１から、尾筒１５２と尾筒フロースリーブ１５０との間隙に流入する。その後、高圧空気１２０は、ライナ４１とライナ外周の同心円上に配置されたライナフロースリーブ４２との間隙を流れた後に流れを反転し、燃料ノズル２２から噴射される燃料と混合して、ライナ４１内部の燃焼室１６０で火炎４３を形成し高温高圧の燃焼ガス１７０となる。

このように燃焼器で生成された燃焼ガス１７０は尾筒１５２からタービン１８０に導入される。図６に示すガスタービンでは、高温高圧の燃焼ガス１７０が断熱膨張する際に発生する仕事量をタービン１８０に於いて軸回転力に転換することにより、発電機１９０から出力を得ている。空気圧縮機１１０と発電機１９０は、タービン１８０と一つの軸で連結されている。但し、空気圧縮機、タービン、発電機は２軸以上の構成であってもよい。また、一般に火力発電所等で広く使用されているガスタービンは、タービン回転軸に対して燃焼器が放射状に複数缶配列されている。

本発明の基本となる、予混合燃焼方式のバーナを備えた燃焼器を図２で説明する。

図２に示す燃焼器には、燃料ガスを噴射する複数の燃料ノズル２２、空気に旋回を与える空気旋回羽根２３、バーナ内筒２４、バーナ外筒２１、温度計測熱電対３１で構成される燃焼バーナが、円周上に複数個配置されている。

空気圧縮機１１０から導入される高圧空気１２０は、バーナ内筒２４とバーナ外筒２１で囲われる円環状の流路を流れ、空気旋回羽根２３で旋回を与えられ、燃料ノズル２２から噴射される燃料と混合し、ライナ４１の内部に形成される燃焼室１６０に火炎４３を形成する。ここで、バーナ内筒２４とバーナ外筒２１は予混合器を形成し、バーナ内筒２４とバーナ外筒２１とで囲われる流路のうち燃料ノズル２２よりも下流側（燃焼室１６０側）の流路を、空気と燃料が予混合する予混合室と呼ぶ。

通常運転時には、火炎４３はライナ４１の内部に形成されるが、燃料ガス中に可燃性の不純物が混入した場合、予混合器内で不純物が自己発火し、予混合器内に火炎が保持されることでバーナ内筒２４とバーナ外筒２１が焼損する可能性がある。

このような焼損を防止するための方策としては、予混合室内に発生した火炎を検知する手段としてバーナ外筒２１に温度計測熱電対３１を設けて、予混合器内で火炎が発生して温度が上昇した際には、温度計測熱電対３１が温度上昇を検知して、燃料ノズル２２から噴射される燃料を減少させて火炎を消火する方策などが考えられる。

しかし温度計測熱電対３１による火炎の検知時間が長い場合や、仮にあるバーナの温度計測熱電対３１が何らかの不具合により温度計測不能となった場合には、燃料の減少による消火操作が遅れる、または燃料減少策が採れず、バーナ内筒２４とバーナ外筒２１が焼損する可能性もある。

以下に説明するのは、上述の課題を鑑みて考案された本発明の実施例であり、その目的は予混合器内に発生した火炎を隣接するバーナまたはセクタに伝播させることで、検知手段の多重化により、火炎を速やかに正確に検出して消火することにある。更に、以下に示す構造によれば、予混合器内の一部の熱電対が計測不能の状態でも、他の熱電対により火炎が検知可能となる。

これらを鑑みて考案した本発明の第１の実施例を図１で説明する。

基本的な構成は図２を用いて説明した燃焼器と同様であるが、本実施例の燃焼器は、隣接するバーナの予混合室同士を接続する火炎連通筒１１を備えたことを特徴としている。

この火炎連通筒１１を設けることで、あるバーナの予混合室内で内部発火が発生した場合には隣接するバーナの予混合室にも火炎が伝播するため、検知手段の多重化により火炎を速やかに正確に検知することが可能となる。また、一部の温度計測熱電対が何らかの原因により計測不能となった場合でも、他のバーナの熱電対により温度計測が可能になることから、燃焼器の焼損を防止することが可能である。

また逆に、この火炎連通筒１１を設けることで予混合器内の火炎検知性能が向上するため、熱電対の本数を削減してコスト低減することも可能である。

本発明の第２の実施例を図３で説明する。

本実施例の燃焼器は、燃料ガスを噴射する複数の燃料ノズル５１、予混合器内輪５２および予混合器外輪５３で形成される円環状の予混合器、予混合器流路を断面周方向に仕切る複数の予混合器隔壁５４、予混合室内の温度を計測して火炎の発生を検知する温度計測熱電対３２、安定した火炎を形成する保炎器５５、ライナ４１で構成されている。そして、本実施例の燃焼器では、円環状の予混合器の内部の流路が予混合器隔壁５４によって複数の予混合室に仕切られている。

空気圧縮機１１０から吐出される高圧空気１２０は、予混合器内輪５２と予混合器外輪５３とで形成される予混合器内を流れ、燃料ノズル５１から噴射される燃料ガスと混合し、保炎器５５の下流部に火炎４３を形成する。

本実施例の燃焼器では、予混合器隔壁５４に隣接する予混合室同士を連通させる火炎連通孔１２が設けられていることにより、ある予混合室で火炎が発生した場合には隣接する予混合室にも火炎を伝播させることができる。そのため、第１の実施例に示す燃焼器と同様に、火炎検知手段の多重化により火炎を速やかに正確に検知することが可能となる。また、一部の温度計測熱電対３２が何らかの原因により計測不能となった場合でも、他の予混合室に設置された温度計測熱電対３２により温度計測が可能になることから、燃焼器の焼損を防止することが可能となる。

本発明の第３の実施例を図４で説明する。

基本的な構成は第２の実施例と同様であるが、本実施例の燃焼器では、予混合器隔壁５４に複数個の火炎連通孔１３、１４が設けられており、火炎の伝播を促進することができる。

また、予混合室内に発生する内部火炎は、燃料と空気の混合気流速が遅い領域や、燃料濃度の濃い領域に発生する可能性が高いと考えられる。そのため、予混合室内の流動分布や混合気濃度分布を鑑みて、内部火炎が発生する可能性が高い位置に火炎連通孔１３、１４を設けることにより、隣接する他の予混合室への火炎伝播が促進され、火炎検知性能が向上する。

その一例として、予混合器の壁面では、速度境界層の影響により、混合気の流速が遅くなる。そこで本実施例の燃焼器では、図４に示す様に、予混合器の壁面である予混合器内輪５２又は予混合器外輪５３近傍に火炎連通孔１３、１４を設けている。これにより、隣接する他の予混合室への火炎伝播が促進されるため、火炎検知性能を向上することができる。

また、図５に示す様に、火炎連通孔１５を予混合器の壁面である予混合器内輪５２等にそった大きな開口部とすることによっても、隣接する他の予混合室への火炎伝播を促進し、火炎検知性能の向上効果が得られる。

以上で説明した第１乃至第３の実施例に係るガスタービン燃焼器によれば、予混合器内に火炎が発生した際に、火炎を速やかに検出して消火することが可能となる。また予混合器内の熱電対の一部が計測不能となった場合でも、他の熱電対で火炎検知することが可能となる。更に、本構造によれば、予混合器内の一部の熱電対が計測不能の状態でも、他の熱電対により火炎が検知可能となる。このため、燃焼器の焼損を防止することが可能となり、ガスタービン燃焼器の信頼性を向上させることが可能となる。

１１ 火炎連通筒
１２、１３、１４、１５ 火炎連通孔
２１ バーナ外筒
２２、５１ 燃料ノズル
２３ 空気旋回羽根
２４ バーナ内筒
３１、３２ 温度計測熱電対
４１ ライナ
４２ ライナフロースリーブ
４３ 火炎
５２ 予混合器内輪
５３ 予混合器外輪
５４ 予混合器隔壁
５５ 保炎器
１１０ 空気圧縮機
１２０ 高圧空気
１３０ ディフューザ
１４０ 車室
１５０ 尾筒フロースリーブ
１５１ 空気導入孔
１５２ 尾筒
１６０ 燃焼室
１７０ 燃焼ガス
１８０ タービン
１９０ 発電機
２００ 燃料供給系統

Claims (6)

1. 燃料を噴射する燃料ノズルと、前記燃料ノズルから噴射された燃料と空気とを混合する予混合室を有する予混合器と、前記予混合室内に発生した火炎を検知する火炎検知手段とを有するバーナを備えたガスタービン燃焼器であって、
   前記予混合室を複数有し、いずれかの予混合室内で発生した火炎を他の予混合室に伝播させる手段を備えたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
2. 請求項１に記載のガスタービン燃焼器において、
   前記バーナが複数個配置され、いずれかのバーナの予混合室内で発生した火炎を隣接する他のバーナの予混合室に伝播させる火炎連通筒を備えたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
3. 請求項１に記載のガスタービン燃焼器において、
   前記予混合器の内部を複数の予混合室に仕切る予混合器隔壁を有し、
   前記予混合器隔壁に、いずれかの予混合室内で発生した火炎を隣接する他の予混合室に伝播させる火炎連通孔が設けられていることを特徴とするガスタービン燃焼器。
4. 請求項３に記載のガスタービン燃焼器において、
   前記火炎連通孔が、前記予混合器の壁面近傍に設けられていることを特徴とするガスタービン燃焼器。
5. 請求項３又は４に記載のガスタービン燃焼器において、
   前記予混合器隔壁に複数個の前記火炎連通孔が設けられていることを特徴とするガスタービン燃焼器。
6. 燃料を噴射する燃料ノズルと、前記燃料ノズルから噴射された燃料と空気とを混合する予混合室を有する予混合器と、前記予混合室内における火炎の発生を検知する火炎検知手段とを備えたバーナが配置され、前記予混合室を複数有するガスタービン燃焼器の運転方法であって、
   いずれかの予混合室内で火炎が発生した際に、隣接する他の予混合室に火炎を伝播させ、伝播した火炎を前記火炎検知手段を用いて検知し、消火操作を行うことを特徴とするガスタービン燃焼器の運転方法。