JP2013245900A

JP2013245900A - ガスタービン燃焼器

Info

Publication number: JP2013245900A
Application number: JP2012121479A
Authority: JP
Inventors: Nobuo Yagi; 宣夫八木; Akinori Hayashi; 明典林; Toshibumi Sasao; 俊文笹尾
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2012-05-29
Filing date: 2012-05-29
Publication date: 2013-12-09

Abstract

【課題】ＮＯｘ発生量を低減しつつ、混合ガスの自己発火を抑制することができるガスタービン燃焼器を提供する。
【解決手段】燃料と燃焼用空気とを予め混合させる予混合器１６と、該予混合器内に燃料を供給する中空構造の燃料ノズル１７と、該燃焼ノズルの周方向に複数の燃料噴射孔２０ａ，２０ｂを配設して形成される燃料噴射孔列を備えたガスタービン燃焼器において、前記燃料ノズルの異なる軸方向位置に前記燃料噴射孔列を配設する。
【選択図】図２

Description

本発明は予混合燃料ノズルを備えたガスタービン燃焼器に関する。

近年、ガスタービンプラントに対する更なる高出力化・高効率化が要求される機運の中、燃焼ガス温度は年々上昇する傾向にある。燃焼ガスが高温化するとガスタービン排ガス中の窒素酸化物（以下、ＮＯｘと記載する）濃度も高くなるため、ガスタービン燃焼器では、地球環境保全の観点からＮＯｘの発生を低減することが大きな課題となっている。このような背景から、従来より、ノズルから高温の燃焼用空気中に燃料を噴射し、予め燃料と燃焼用空気とを均一に混合させた上で燃焼させることにより、局所的な高温燃焼ガスの発生を防止してＮＯｘ発生量を低減できる予混合燃焼方式がガスタービン燃焼器に採用されている。

このような予混合燃焼方式を用いたガスタービン燃焼器としては、拡散燃焼により燃焼ガスを生成するパイロット用燃料ノズルと、このパイロット用燃料ノズルの周囲に複数配置された予混合燃焼方式のメイン用燃料ノズルと、流れ方向下流側に向かうにしたがって縮径するように形成され、上記メイン用燃料ノズルから噴射された燃料と導入された燃焼用空気とを混合する予混合器と、この予混合器から導入される予混合ガスが拡散燃焼ガスを火種にして燃焼されるバーナとを備えたものがある（例えば、特許文献１参照）。このガスタービン燃焼器によれば、予混合器が燃焼用空気と燃料とを混合し予混合ガスを生成することができ、その結果、ＮＯｘの発生量を低減できるようになっている。

特開平８−１３５９７０号公報

しかしながら、上記従来技術によれば、予混合器が燃焼用空気と燃料とを混合するのに充分な長さを有していることから、予混合器内は混合ガスが充満した状態となるため、器内での混合ガスの自発発火、又は予混合器から予混合器内への火炎の逆火が生じる恐れがある。また、燃焼器に導入される燃焼用空気は圧縮機で圧縮して生成され各流路の流下する過程において塵埃等が含まれることも少なくなく、そのため予混合器に導入される燃焼用空気及び燃料に塵埃等が含まれる場合も考えられ、この塵埃が可燃性物質の場合、高温の燃焼用空気及び燃料によって加熱され着火することも考えられる。仮に逆火が生じた場合には、上記従来構造においては予混合器が下流側に向かって縮径した形状となっていることから、火炎が比較的流速の遅い予混合器の上流側に保持されてしまう恐れがある。

本発明は、上記従来技術の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ＮＯｘ発生量を低減しつつ、混合ガスの自己発火を抑制することができるガスタービン燃焼器を提供することにある。

上記課題を解決するために、燃料と燃焼用空気とを予め混合させる予混合器と、該予混合器内に燃料を供給する中空構造の燃料ノズルと、該燃焼ノズルの周方向に複数の燃料噴射孔を配設して形成される燃料噴射孔列を備えたガスタービン燃焼器において、前記燃料ノズルの異なる軸方向位置に前記燃料噴射孔列を配設することを特徴とする。

本発明によれば、ＮＯｘ発生量を低減しつつ、混合ガスの自己発火を抑制することができるガスタービン燃焼器を提供できる。

ガスタービン燃焼器の断面図。図１に示す予混合燃焼器部分の拡大図（実施例１）。図１に示す予混合燃焼器部分の拡大図（実施例２）。

図１はガスタービンの燃焼器の部分断面図である。以下、図１を用いてガスタービン燃焼器の全体構造について説明する。

ガスタービンプラントは、主としてガスタービン燃焼器１、後述のガスタービン、及びガスタービンに連結され、燃焼用及び冷却用の各圧縮空気を得る、後述の圧縮機により構成されている。

圧縮機から吐出された圧縮空気は、ガスタービン燃焼器１に導かれ、ガスタービン燃焼器１の燃焼器ライナ４内に形成されている燃焼室５で燃料と共に燃焼し、そのとき発生する高温高圧の燃焼ガスは、トランジションピース６を経てガスタービンに噴射され、ガスタービンを駆動する。そして、一般には、ガスタービンに連結されている発電機（図示せず）によって発電する構成になっている。

ガスタービン燃焼器１の主な構成は、燃焼ガスを生成する、燃焼器ライナ４、拡散燃料供給系７、予混合燃料供給系８及び空気供給系からなり、これらは外筒９及びエンドカバー１０で密閉された圧力容器１１に装着されている。

拡散燃焼用燃料ノズル１３は周方向に複数個配設されており、拡散燃焼用燃料ノズル１３から噴出した燃料は、その下流の拡散燃焼室１５で、ガスタービンにおける起動から定格運転までの全域を通して拡散燃焼用に使用される。

拡散燃焼用燃料ノズル１３の外周側には、予混合器１６が設置され、その上流側に予混合燃焼用燃料ノズル１７が周方向に複数個配設されている。予混合燃焼用燃料ノズル１７には、後述する燃料噴射孔２０が穿設されている。圧縮機から流出した圧縮空気は、外筒９と燃焼器ライナ４によって形成された空気流路１８を経て、予混合器１６に流入し、予混合燃焼用燃料ノズル１７から噴出した燃料と予混合器１６の内部で混合し、混合気となる。

混合気は、燃焼器ライナ４内の燃焼室５に噴出し、拡散燃焼による熱エネルギーを得て予混合燃焼をする。この予混合燃焼は、主にガスタービンの部分負荷帯から定格運転までの領域で実施される。

以下、本発明の特徴とする構成について説明する。
予混合器と、該予混合器に設けられた中空の燃料ノズルと、該燃料ノズル内に同心に配置され軸線方向に延びる燃料ノズルとを備え、該燃料ノズルは、軸線方向の異なる位置に複数の噴射孔を有する、ことを特徴とするガスタービン燃焼器。

本発明の実施例１を図２に示す。図２（ａ）は、図１に示す予混合燃焼器部分の拡大図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）に示す予混合燃焼用燃料ノズルの燃料噴射孔２０ａ，２０ｂ位置における断面図である。図２（ａ）に示すように、予混合燃焼用燃料ノズル１７はその軸方向位置で異なる位置に燃料噴射孔２０ａ，２０ｂを設けている（便宜上、燃焼用空気の流れ方向から見て上流側に位置するものを燃料噴射孔２０ａ、下流側に位置するものを燃料噴射孔２０ｂと称する）。図示の例では、予混合燃焼用燃料ノズル１７の軸方向位置の中間部に第１の燃料噴射孔２０ａ、予混合燃焼用燃料ノズル１７の先端側に第２の燃料噴射孔２０ｂを設けている。また、図２（ｂ）に示すように、第１の燃料噴射孔２０ａと第２の燃料噴射孔２０ｂは何れも、予混合燃焼用燃料ノズル１７の周方向に複数個（図示の例では４個）配設されている。そして、第１の燃料噴射孔２０ａと第２の燃料噴射孔２０ｂによる燃料の噴射方向は互いに相違させている。図２（ｂ）の例では、予混合燃焼用燃料ノズル１７の周方向に９０°毎に燃料噴射孔を形成している点は同じであるが、下流側の燃料噴射孔２０ｂは上流側の燃料噴射孔２０ａに対して、燃料の噴射方向を４５°ずらしている。噴射孔は、燃料噴射孔２０ａ，２０ｂで異なる数としても良い。また、各噴射孔列において噴射孔を等間隔に配置せず、任意の間隔にずらしてもよい。なお、周方向に隣接する複数個の予混合燃焼用燃料ノズルは、これらは仕切り板２１によって仕切られている。また、予混合器１６に設置した予混合燃焼用燃料ノズル１７は、予混合器１６の流れ方向に延びる円柱型をしており、その根元部は燃焼器外部の燃料供給系に繋がる燃料マニホールド１９に連絡されている。

予混合器１６に設置した予混合燃焼用燃料ノズル１７は、予混合器１６の流れ方向に延びる円柱型をしており、その根元部は燃焼器外部の燃料供給系に繋がる燃料マニホールド１９に連絡され、それらの燃料ノズルの先端部には、燃料を噴射する燃料噴射孔２０ａ，２０ｂが複数個配設されている。

本実施例では、複数個周方向に配設している予混合燃焼用燃料ノズル１７の燃料噴射孔２０ａ，２０ｂを、軸方向にて位置が異なる２列以上に配設している。軸方向に異なる位置に噴射孔を有するので、燃料の供給位置を連続的に分散させることができる。噴射孔（ノズルの各燃料噴射位置）から火炎までの距離は異なるため、燃料が火炎に到達するまでの時間は分布を持つ。この結果、噴射した燃料の燃料濃度は噴射孔近傍程濃度が高いことによる自己発火火炎の保持がおこる恐れが少なくなる。また、火炎位置での燃料と燃焼用空気の混合が増すことでＮＯｘ発生量を低減できる。

また、本実施例のように、燃料噴射方向が異なる２以上の燃料噴射孔列を配設することで、周方向に燃料の供給位置を連続的に分散させることができる。

本発明の実施例２を、図３を用いて説明する。図３は、本実施例の燃料ノズルの説明図であり、本実施例における燃料ノズル以外の主要構成部品は、実施例１と同一である。

本実施例では、予混合燃焼用燃料ノズル１７の中間部付近に第１の燃料噴射孔２０ｃ、先端部付近に第２の燃料噴射孔２０ｄを設置する点、及び燃料噴射孔２０ｃ，２０ｄの燃料噴射方向を互いにずらしている点は実施例１と共通するが、各噴射孔列における孔径を燃料噴射孔ごとに変化させている点で相違する。燃料用空気が予混合器入口から、予混合器内部に導入される時、予混合器の入口形状により予混合器内部の燃料用空気の流速に分布をもつ。予混合器内部の燃焼用空気の流速分布に合わせて燃料噴射孔の孔径を変化させることにより、混合ガスに対する、燃料の燃料噴射速度および燃料噴射量を変化させることができる。このことにより、予混合器内部の燃料濃度分布を均一になり、より効果を得ることができる。上述した各実施例によれば、いずれの噴射孔の配置においても、噴射孔（ノズルの各燃料噴射位置）から火炎までの距離は異なるため、燃料が火炎に到達するまでの時間は分布を持つ。この結果、予混合器内の燃料ノズルより供給される燃料濃度分布を下げることにより、燃焼用空気及び燃料に可燃性物質が含まれている場合、高温の燃焼用空気によって加熱され着火されても、予混合器内にて自己発火する局所的な燃料濃度が高い分布を予混合器内に設けないことにより自己発火を抑制できる。また、予混合器内に燃料濃度が高い分布を設けないことにより、燃料と燃焼用空気の混合が増すことでＮＯｘ発生量を低減できる。そのうえ燃料ノズルの構造が単一なので、複数の予混合ノズルが設けられている場合にも部品点数が少なく、コストダウンが可能になる。

１ガスタービン燃焼器
２ガスタービン
３圧縮機
４燃焼器ライナ
５燃焼室
６トランジションピース
７拡散燃料供給系
８予混合燃料供給系
９外筒
１０エンドカバー
１１圧力容器
１３拡散燃焼用燃料ノズル
１６予混合器
１７予混合燃焼用燃料ノズル
１８空気流路
１９燃料マニホールド
２０燃料噴射孔
２１仕切り板

Claims

燃料と燃焼用空気とを予め混合させる予混合器と、該予混合器内に燃料を供給する中空構造の燃料ノズルと、該燃焼ノズルの周方向に複数の燃料噴射孔を配設して形成される燃料噴射孔列を備えたガスタービン燃焼器において、
前記燃料ノズルの異なる軸方向位置に前記燃料噴射孔列を配設することを特徴とするガスタービン燃焼器。
請求項１に記載のガスタービン燃焼器において、
複数配設される前記燃料噴射孔列の燃料噴射方向を互いに異なるように配置したことを特徴とするガスタービン燃焼器。
請求項１，２の何れかに記載のガスタービン燃焼器において、
前記燃料噴射孔列における各燃料噴射孔の径を異なる大きさとしたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
請求項１から３の何れかに記載のガスタービン燃焼器において、
前記燃料噴射孔から噴射させる燃料が気体であることを特徴とするガスタービン燃焼器。