JP3365862B2 - 空冷式管巣燃焼型コンバスタ−を備えたガスタ−ビン装置 - Google Patents

空冷式管巣燃焼型コンバスタ−を備えたガスタ−ビン装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、産業用や事業用などの
コジェネレイション(熱電併給)やコンバインドサイク
ル発電(複合発電)に使用されるガスタ−ビンにおい
て、その燃焼器(コンバスタ−)部分を改良して、発電
効率を低下させず、COや未燃炭化水素を発生すること
なしに安定した燃焼と著しい低NOx化を達成する空冷
式管巣燃焼型コンバスタ−を備えたガスタ−ビン装置に
関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来ガスタ−ビンは他機関と比較して小
型高出力という特徴を有し、発電用や産業用に重用され
ているが、一般にボイラと比較してNOx排出レベルが
かなり高いという問題があった。そのため低NOx対策
として、水や水蒸気噴射、予混合希薄燃焼、触媒燃焼、
その他種々な技術が研究され実用化されているが、いず
れも決め手にはならず、結局のところ排煙脱硝装置に頼
らざるを得ない状況であった。更に近年ガスタ−ビン翼
やコンバスタ−各部の耐熱性、冷却技術の進展に伴な
い、その効率向上のため、ガスタ−ビン翼列に流入する
入口ガス温度(TIT)や圧力を高くする方向の技術開
発が進行している。現在では圧力比15、TIT1600K
にも達している。この場合〔図5〕に示すようにコンプ
レッサ−からの供給空気の内20%程度はタ−ビン翼冷
却用で、残りの燃焼器用空気の配分は燃焼用空気55
%、器壁冷却用空気35%、希釈用空気10%程度とな
っており、総合的な空気比は3.0程度となっている。
今後これらの冷却用空気や希釈用空気をできるだけ少な
くし、空気比を下げてTITを上げる技術開発が更に進
むと考えられる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】前記したように冷却用
空気や希釈用空気をできるだけ少なくし、空気比を下げ
てTITを上げる技術が更に進んだ場合には、コンバス
タ−内の火炎温度が必然的に上昇することとになるか
ら、これによってNOxの発生量が更に増大するという
問題が起ることになる。その場合ガスタ−ビンの高効率
化とNOxの発生とは一面トレ−ドオフ(tradeoff)の
関係にある。ガスタ−ビンの低NOx化のためには下記
の2方法が有力であると考えられている。 予混合希薄燃焼 燃料と燃焼用空気を予め混合してから燃焼させる方法
で、高空気比化による火炎温度の低下を利用するもので
ある。現在までにかなりの成果が得られているが、この
予混合希薄燃焼法は火炎を安定して形成できる範囲が狭
く、実用化に当っては失火や振動燃焼等を起さない火炎
安定化技術の確立が必要とされている。 水冷式管巣燃焼 本出願人の先願発明(特開平5−209502号)によ
るもので、〔図6〕に示すようにガスタ−ビンコンバス
タ−内の燃焼反応火炎中に水管を密に配設し、それによ
る撹乱効果により、燃焼と伝熱を促進し低NOx化を図
るものである。この場合著しい低NOx化が達成され、
下記の特性を有する。 (イ) ガスタ−ビンブレ−ドの耐熱性によって制限を受け
るTITまでの燃焼ガス冷却は、器壁冷却空気や希釈空
気を使用することなく、この水管配列構成によって達成
されるから低空気比燃焼が可能であり、排ガス量と排ガ
ス熱ロスが大幅に低減する。 (ロ) その場合熱電比は高くなるが、〔図7〕に示すよう
にこの発生蒸気が工場プロセス用や空調用として有効に
利用できる場合、総合熱効率は極めて高く有利となる。 (ハ) しかしながらそのような熱需要がなく、専ら発電需
要のみに対しては、〔図8〕に示すように発生蒸気を蒸
気タ−ビンに送り、別のランキンサイクルを行わせる必
要がある。この水冷管巣燃焼式ガスタ−ビンと廃熱ボイ
ラとを組合わせたコンパインドサイクルの発電効率を試
算し、〔図9〕に示すような従来のガスタ−ビンと廃熱
ボイラとの組合わせによるコンパインドサイクルと比較
したところ、発電出力当りの排ガス量は減らせるが発電
効率は低いことが判った。
【0004】今後エネルギ−需要、とりわけ電力需要の
拡大傾向の中にあって、環境保全やエネルギ−の有効利
用が強く求められるようになるが、現状のガスタ−ビン
やそのシステムにはNOx抑制、火炎安定性や発電効率
の向上という緊急の課題がある。本発明はかかる課題を
解決して、NOx発生の増大を抑制し、火炎の安定性、
発電効率の向上を計ることを目的とするものである。
【0005】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、コンプレッサー、コンバスター、ガスタービンから
なるガスタービン装置において、コンバスターの燃焼室
には熱交換器を設け、該熱交換器には、コンプレッサー
からの供給空気の一部を冷却用として使用し、且つ、燃
焼室内では、焼火炎中へ伝熱面を設けて燃焼させる管巣
燃焼とすることで、燃焼と伝熱を促進し、水蒸気の発生
を伴うことなく、火炎冷却により前記供給空気が冷却気
体として作用して低NOxの発生を抑制させる空冷式管巣
燃焼型コンバスターを備えたガスタービン装置を提供す
るものである。この場合、高温となった冷却空気は、コ
ンバスター後部で、燃焼ガスと混合してタービンへ送ら
れるようにすうrことによって、従来のガスタービン・
サイクルを全く変えることなく、コンプレッサーやター
ビンがそのまま使用されることになる。
【0006】ここで、熱交換器は熱的に過酷な条件にさ
らされることになり、高温耐熱材料を使用するにしても
伝熱管温度は800℃程度に制限されるから、外面にセ
ラミック溶射等の熱障壁塗装(サ−マルバリア−コ−テ
ィグ)を施したり、内面には内部フィンや捲付けテ−プ
(ツイストテ−プ)等の伝熱促進機構が必要となる。こ
の場合、サ−マルバリア−コ−ティングを厚くして強化
することにより、その表面温度が燃焼ガス温度近くに上
昇するから、輻射放熱が強化され火炎冷却によるNOx
抑制に効果を発揮する。この場合は冷却流体が少なくて
も、伝熱管温度自体はその許容温度以下に設計が可能で
あり、また単なる輻射放熱体として冷却流体を通さない
方法も可能である。その他熱交換器としては、ナトリウ
ム等の高温作動熱媒体を用いたヒ−トパイプで構成する
ことによって、直接冷却流体で熱交換するよりも伝熱性
能が良好になり、小型高性能で信頼性の高いコンバスタ
−の設計が可能となる。
【0007】なお、本発明のコンバスタ−内に設けられ
た伝熱管群は燃焼火炎を強力に保炎し、またその後流で
生成されるカルマン渦によって流体混合が促進されると
いう効果を奏する。そこで保炎面積が小さいために問題
となる従来のバ−ナをなくして、伝熱管群の上流側に燃
焼用空気供給器と燃料供給器とを設け、この伝熱管群で
燃焼のための保炎と混合とを行うことにより、安定した
燃焼が得られる。このための伝熱管群の配列は伝熱管の
直径をD、流れ方向のピッチをL、流れに直角方向のピ
ッチをHとしてL≧2D、H≧1.3Dとするのが効果
的である。〔図4〕
【0008】
【実施例】次に図面を参照し本発明を実施例に基づいて
説明する。〔図1〕は、本件発明の一実施例で、ガスタ
ービン3のコンバスター1内に空冷式の熱交換器4を設
けた場合を示している。コンプレッサー2からコンバス
ター1へ供給される供給空気は、機能上、適正な空気比
で。安定な燃焼を得るための燃焼用空気とそれ以外の過
剰空気(従来ガスタービンの器壁冷却空気や希釈空気に
相当)に配分され、その比率は、大略55:45程度で
ある。この希釈空気は、燃焼火炎を冷却して、サーマル
NOxを抑制するための冷却流体として作用する。高温と
なった該空気は、コンバスター後部で燃焼排ガスと混合
され、所望のTITとなって、タービンに導入される。こ
の熱交換器の伝熱管には、図示していないが、数mm程度
の細管を使用しており、設計条件を満足させる為、適宜
ヘッダーを設けたり、適当なパス数が設けられている。
また、伝熱管は、熱的には苛酷な条件にさらされるか
ら、外面、内面に前記した対策が必要である。また、
〔図2〕に示すように、バーナ近傍の高温部には、コン
プレッサー2からコンバスター1へ供給される空気の全
量を冷却流体として通す前段の熱交換器4を設け、後段
には、希釈冷却空気のみを冷却流体として分流する後段
の熱交換器4を設けてもよい。それにより、前段熱交換
器は、管内側流体の質量速度を高く取ることができるか
ら、伝熱設計上有利になる。
【0009】〔図3〕は、他の実施例であって、コンバ
スター1内に、ナトリウム等の高温作動熱媒体を封入し
たヒートパイプ熱交換器6を配置したものを示す。冷却
側の構成は、コンバスター1のケーシング内又は外に設
けられ、図1に示すものと同様に、コンプレッサー2か
らの供給空気からの一部を、冷却流体として作動させる
ものである。これによって、直接冷却流体で熱交換する
前記実施例よりも伝熱性能が向上し、小型高性能で信頼
性の高いコンバスター1の設計が可能となる。なお、ヒ
ートパイプとしては、直管で、できるだけ垂直姿勢とな
るように構成し、下部を加熱部、上部を冷却部とするの
が熱輸送能力上有利であるが、本発明は、それに限定さ
れるものではなく、ヒートパイプ自体の設計によって、
上部加熱やヒートパイプを束にして曲げるなど、全体の
まとまりから任意の構成が可能である。
【0010】〔図4〕はガスタ−ビンのコンバスタ−に
おいて、従来のバ−ナをなくして、伝熱管群で燃焼のた
めの保炎と混合とを行う場合の本発明の一実施例で、こ
のための伝熱管群の配列としては伝熱管の直径をD、流
れ方向のピッチをL、流れに直角方向のピッチをHとし
てL≧2D、H≧1.3Dとするのが効果的である。
【0011】
【発明の効果】本発明の効果を纏めると次の通りであ
る。本発明により、ガスタ−ビン燃焼器部の改良のみ
で、COや未燃炭化水素を発生することなく振動燃焼や
失火のない安定した燃焼が得られ、従来のガスタ−ビン
サイクルや信頼性の確立されたコンプレッサ−、タ−ビ
ンの設計を変えることなく、脱硝装置が不要となるまで
の著しい低NOx化が達成された。また従来のように、
ガスタ−ビンコンバスタ−内で蒸気の発生が伴わないの
で高い発電効率が得られた。更に本発明のコンバスタ−
内に設けられた伝熱管群は燃焼火炎を強力に保炎し、ま
た後流において生成するカルマン渦によって流体の混合
が促進されるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による空冷式管巣燃焼型コンバスタ−を
備えたガスタ−ビンの概念とフロ−を示す一実施例。
【図2】本発明による空冷式管巣燃焼型コンバスタ−を
備えたガスタ−ビンの他の一実施例。
【図3】本発明によるコンバスタ−内にヒ−トパイプ熱
交換器を構成した空冷式管巣燃焼型コンバスタ−を備え
たガスタ−ビンの概念とフロ−を示す本発明の他の一実
施例。
【図4】本発明による空冷式管巣燃焼型コンバスタ−の
一実施例。
【図5】従来のガスタ−ビンの空気流れ。
【図6】水冷式管巣燃焼の概念図。
【図7】従来の水冷管巣燃焼式ガスタ−ビンをコジェネ
レイションに適用した場合のフロ−。
【図8】従来の水冷管巣燃焼式ガスタ−ビンをコンバイ
ンドサイクルに適用した場合のフロ−。
【図9】従来のコンバインドサイクルのフロ−。
【符号の説明】
1,10.コンバスタ− 2.コンプレッサ− 3.タ−ビン 4.熱交換器 5.廃熱ボイラ 6.ヒ−トパイプ熱交換器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平2−308926(JP,A) 特開 平3−267618(JP,A) 特開 平5−209502(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F23R F02C

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】コンプレッサー、コンバスター、ガスター
    ビンからなるガスタービン装置において、コンバスター
    の燃焼室には熱交換器を設け、該熱交換器には、コンプ
    レッサーからの供給空気の一部を冷却用として使用し、
    且つ、燃焼室内では、焼火炎中へ伝熱面を設けて燃焼さ
    せる管巣燃焼とすることで、前記供給空気が冷却気体と
    して作用して低NOxの発生を抑制させることを特徴とす
    る空冷式管巣燃焼型コンバスターを備えたガスタービン
    装置
  2. 【請求項2】コンプレッサー、コンバスター、タービン
    からなるガスタービン装置において、コンバスターの燃
    焼室には熱交換器を設け、該熱交換器には、コンプレッ
    サーからの供給空気を全量使用して、燃焼交換器前段へ
    その一部を供給しその後燃焼用空気として燃料と混合さ
    せ燃焼室へ、且つ、燃焼交換器後段にはその他の希釈空
    気を供給し、前記燃焼室内では、焼火炎中へ伝熱面を設
    けて燃焼させる管巣燃焼とすることで、前記供給空気が
    冷却気体として作用して、低NOxの発生を抑制させるこ
    とを特徴とする空冷式管巣燃焼型コンバスターを備えた
    ガスタービン装置
  3. 【請求項3】コンプレッサー、コンバスター、タービン
    からなるガスタービン装置において、コンバスターの燃
    焼室には熱交換器を設け、且つヒートパイプ熱交換器と
    して形成し、該熱交換器にはコンプレッサーからのコン
    バスターへの供給空気の一部を冷却用として使用し、且
    つ、燃焼室内では、焼火炎中へ伝熱面を設けて燃焼させ
    る管巣燃焼とすることで、前記供給空気が冷却気体とし
    て作用して低NOxの発生を抑制させることを特徴とする
    空冷式管巣燃焼型コンバスターを備えたガスタービン装
  4. 【請求項4】前記熱交換器で高温となった冷却用の供給
    空気は、コンバスター後部で燃焼ガスと混合させてター
    ビンへ導入させることを特徴とする請求項1、2又は3
    記載の空冷式管巣燃焼型コンバスターを備えたガスター
    ビン装置<BR>
  5. 【請求項5】前記熱交換器の外面をセラミックス溶射等
    の熱障壁塗装(サーマルバリアーコーティング)を施
    し、内面には内部フィンや巻き付けテープ(ツイストテ
    ープ)等の伝熱促進機構を設けたことを特徴とする請求
    項1、2又は3記載の空冷式管巣燃焼型コンバスターを
    備えたガスタービン装置
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