JP3765560B2

JP3765560B2 - ガスタービン燃焼器

Info

Publication number: JP3765560B2
Application number: JP2001001364A
Authority: JP
Inventors: 浩美小泉; 林　　明典; 成嘉小林; 武治長谷川; 暢久松
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 2001-01-09
Filing date: 2001-01-09
Publication date: 2006-04-12
Anticipated expiration: 2021-01-09
Also published as: JP2002206741A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービン燃焼器に係り、特に、重質油あるいは石炭などの燃料を酸素でガス化し、このガス化ガスに空気と窒素を混合させて燃焼させるに好適なガスタービン燃焼器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、発電プラントとして、ガスタービン燃焼器に、天然ガスを主燃料とした発電用ガスタービン燃焼器を用いたものと、重質油あるいは石炭などの燃料を酸素でガス化し、このガス化ガスを主燃料としたいわゆる酸素酸化方式の発電用ガスタービン燃焼器を用いたものがある。各プラントにおいてはガスタービン燃焼器から排出されるＮＯｘを低減することが行われている。例えば、前者のガスタービン燃焼器を用いたプラントにおいては、予め燃料と空気を混合し、予混合された混合気を燃焼室内にて低温均一燃焼することによってＮＯｘの低減を図っている。
【０００３】
一方、後者のガスタービン燃焼器を用いた複合発電プラントにおいては、ガス化ガスの燃焼速度が天然ガスに比べて速いこと、また炭種やガス化炉の運転状態によってガスタービンに供給される燃料組成が安定しづらいことを考慮し、燃焼室に燃料と空気を独立に供給して燃焼する拡散燃焼方式が採用されている。この方式の場合、空気供給のための燃焼空気孔を燃焼室の軸方向に沿って複数個配置し、燃焼室内部の温度分布を燃焼空気孔の配置および配分によって調整することで、火炎安定化とＮＯｘの低減を図ることができる。
【０００４】
また後者のガスタービン燃焼器を用いたプラントにおいては、ガスタービンから抽気される空気あるいはバックアップ用空気圧縮機の吐出空気を酸素と窒素とに分離し、分離された酸素をガス化炉の酸化剤として用い、残りの窒素を昇圧後、ガスタービン燃焼器に噴射することで出力の増加を図ると同時にＮＯｘを低減するシステムとなっている。
【０００５】
しかし、酸素酸化方式の複合発電プラントに用いられるガスタービン燃焼器においては、窒素の昇圧動力をできるだけ軽減し、且つ窒素噴射による低ＮＯｘと燃焼安定性を両立させなければならず、これらの条件を満たす１つの手段として、例えば、特開平１１−１３４９０号公報に記載されているように、燃焼空気中に窒素を噴射して混合する手法が採用されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
酸素酸化方式の複合発電プラントに用いられるガスタービン燃焼器には燃料として、ガス化ガスが用いられるが、このガス化ガスは、天然ガスの約１／３の発熱量（約１０ＭＪ／Ｎｍ３）であるため、天然ガス焚き燃焼器と同一の燃焼器出口ガス温度、同一のガスタービンの出力を得るようにした場合、燃焼器に供給される燃料の流量が天然ガス用燃焼器のものよりも増加し、燃料噴射による運動量の増加に伴って火炎の広がりが大きくなり、ライナー壁面のメタル温度が上昇する。またガス化ガスは、水素と一酸化炭素を主成分としているため、燃料と空気の理想混合比、すなわち量論混合比における最高火炎温度が天然ガスよりも約２００℃も高くなり、火炎温度の上昇に比例してガスタービン燃焼器より排出される窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出濃度が高くなることが考えられ、プラント余剰窒素の有効利用が重要となる。その際、プラントで生成される窒素の量は、従来の高カロリー用燃焼器の低ＮＯｘ用として用いられる蒸気噴射量の約６倍も多くなるため、燃焼器においては、窒素噴射による低ＮＯｘ化と同時に、燃焼安定性の確保も重要な課題となる。
【０００７】
窒素の有効利用方法としては、まず、第１に燃料に窒素を混合する方法が考えられる。この方法を採用すれば、供給されるガス化ガスの発熱量が低下することで、局所的な火炎温度の上昇を抑制することが可能になる。しかし、窒素の供給圧力に比べて燃料の供給圧力の方が高いので、窒素を燃料に混合する前に窒素の圧力をさらに高める必要があり、窒素の昇圧に要するエネルギー分だけプラント効率の低下を招くことになる。
【０００８】
次に、第２の方法としては、窒素を燃焼室内部に直接噴射する方法が考えられるが、この方法では、噴射する窒素と燃焼ガスの混合特性によっては火炎温度の低下が不十分となったり、燃料供給量の少ない低負荷条件においては、窒素の過剰な供給により燃焼安定性が悪化したりする恐れがある。また窒素を噴射する窒素噴射孔を燃料ノズルの前面に配置した場合、ガスタービンの起動時、昇速時に用いられる他の燃料、例えば、軽油の燃焼時に、燃焼ガスが窒素噴射孔を介して他の缶へ逆流する恐れがある。
【０００９】
また、第３の方法としては、窒素を燃焼空気中に噴射して混合する方法が考えられる。ただし、この方法の場合は、窒素の噴射位置によって燃焼安定性やＮＯｘの低減効果が大きく変化する。例えば、窒素を燃料ノズルの空気旋回器のみに供給した場合、空気旋回器を通過する空気中の酸素濃度が極端に低下することがある。特に、燃料供給量の少ない低負荷条件では、火炎温度の極端な低下により未燃分が増大する。一方、燃焼反応が完結していると思われる燃焼器の下流に窒素を噴射した場合、高温となる領域には窒素が供給されなくなるため、火炎温度の低下が不十分となり、ＮＯｘ低減効果が小さくなる。
【００１０】
本発明の課題は、ガスタービンの作動負荷範囲内において、プラント効率を損なうことなく窒素を低圧力で燃焼器に供給し、低負荷条件において未燃分の排出を抑えるとともにＮＯｘを低減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。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するするために、本発明は、燃料と空気との混合物を燃焼させる燃焼室の隔壁を構成するとともに前記燃焼室の軸方向端部に流体導入部を有するライナーと、前記ライナーを収容する圧力容器と、前記ライナーと前記圧力容器との間に形成されて燃焼空気を前記流体導入部に導く空気通路と、前記空気通路内に配置されて前記空気通路内に窒素を噴射する窒素噴射ノズルと、前記ライナーの流体導入部に配置され燃料をガス化して得られたガス化ガスを前記燃焼室内のライナー壁面に向けて噴射するとともに前記ガス化ガスとは別に前記空気通路内の空気および窒素を導入して前記燃焼室内のライナー軸心方向に向けて噴射する主燃料噴射ノズルと、前記ライナーの流体導入部から前記燃焼室内に燃料と空気を噴射し主燃料ノズルの火炎を保持する補助燃料噴射ノズルとを備え、前記ライナーには、前記空気通路内の空気を前記燃焼室内に供給する複数の燃焼空気孔が前記燃焼室の周方向および軸方向に沿って形成され、前記複数の燃焼空気孔のうち一部の燃焼空気孔は前記燃料噴射孔の軸延長線と前記ライナーとの交点よりも前記流体導入部側に形成され、前記窒素噴射ノズルには、少なくとも前記一部の燃焼空気孔を臨む位置に窒素噴射孔が形成されてなるガスタービン燃焼器を構成したものである。
【００１２】
前記ガスタービン燃焼器を構成するに際しては、以下の要素を付加することができる。
【００１３】
（１）前記主燃料噴射ノズルには、導入したガス化ガスによる旋回流を形成するとともに前記ガス化ガスを前記ライナー壁面に向けて噴射する燃料噴射孔が複数個環状に形成され、且つ、導入した空気および窒素による旋回流を形成するとともに前記空気および窒素を前記燃焼室の軸心方向に向けて噴射する流体旋回通路が複数個環状に形成されてなる。
【００１４】
（２）前記窒素噴射ノズルには第１の窒素噴射孔と第２の窒素噴射孔がそれぞれ複数個前記燃焼室の周方向に沿って形成され、且つ、前記第２の窒素噴射孔は前記一部の燃焼空気孔を臨む位置に形成され、前記第１の窒素噴射孔は前記第２の窒素噴射孔よりも前記流体導入部側に形成されてなる。
【００１５】
（３）前記流体導入部側に形成された一部の燃焼空気孔と前記第２の窒素噴射孔は、前記ライナーの流体導入部において前記ライナーの軸心と直交する面から前記ライナーの軸方向に沿って同じ距離だけ離れた位置に形成されているとともに、前記ライナーの軸心を基準として周方向の角度が同位相となる位置に形成されてなる。
【００１６】
（４）前記第１の窒素噴射孔の流路面積の大きさをガスタービン負荷に応じて制御する窒素噴射量制御手段を備えてなる。
【００１７】
前記した手段によれば、主燃料噴射ノズルから空気および窒素を燃焼室の軸心方向に向けて噴射するようにしているため、平行旋回型の燃料ノズルに比べて火炎の広がりを抑えることができ、高負荷条件でのメタル温度（ライナー壁面の温度）の上昇を抑制することが可能になる。また燃料供給量の少ない低負荷条件では、燃料の貫通力が小さいため、主燃料噴射ノズルから噴射されるガス化ガスとライナーからの流入空気との混合割合が低く、主燃料噴射ノズル前面（燃焼室の流体導入部側）に形成される火炎の温度を一定温度以上に確保することが可能になり、未燃分の排出濃度を抑制することができる。一方、燃料供給量の多い高負荷条件では燃料の貫通力が増加し、燃料噴射孔の延長線とライナーとの交点よりも流体導入部側に形成された一部の燃焼空気孔から流入する流入空気とガス化ガスとの混合により安定な燃焼が可能になる。
【００１８】
すなわち、主燃料噴射ノズルの前面側と一部の燃焼空気孔とを結ぶ領域は、高負荷条件では燃焼安定性を確保するための高温領域になると同時に、ＮＯｘの生成領域になる。このため、主燃料噴射ノズルと窒素噴射ノズルとを組み合わせることによって前記課題を解決することが可能になる。
【００１９】
また、窒素を主燃料噴射ノズルの流体旋回通路とライナーの燃焼空気孔とに分けて噴射することで、全量の窒素を流体導入部側の窒素噴射ノズルのみから噴射する方式よりも主燃料噴射ノズルを通過する空気中の酸素濃度を設定濃度に確保できるので、主燃料噴射ノズルの前面に形成される火炎の温度を一定温度以上にすることができるとともに、未燃分の排出濃度の増加を抑制することができる。一方、高負荷条件の場合には、高温領域に属する燃焼空気孔からも窒素が噴射されるため、高温領域における火炎温度を低くすることができるとともに高温領域を小さくすることにによって低ＮＯｘ化を達成することが可能になる。また燃焼空気中に窒素を噴射することによって、燃料に窒素を混合する方式よりも窒素の昇圧動力を小さくすることができる。
【００２０】
また、ライナー軸端となる流体導入部側の第１の窒素噴射孔の流路面積の大きさをガスタービン負荷に応じて制御するに際して、例えば、低負荷条件では第１の窒素噴射孔を全閉とし、一部の燃焼空気孔を臨む窒素噴射孔のみから窒素を噴射することによって、燃焼器頭部の火炎温度を一定温度以上に確保し、ガスタービン負荷の上昇とともに第１の窒素噴射孔の面積を大きくする構成を採用することができる。このような構成を採用することにより、低負荷条件では、主燃料噴射ノズルの前面に形成される火炎の温度を急激に低下させることがないため、部分負荷でも燃焼反応が促進され、一方、高負荷条件では、各窒素噴射孔から所定の比率で窒素が噴射されるため、低ＮＯｘ化を図ることが可能になる。
【００２１】
したがって、プラントの効率を損なうことなく、ガスタービンの部分負荷条件での燃焼安定性を確保することができるとともに高負荷条件での低ＮＯｘ化を達成することが可能になる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態を示す石炭ガス化複合発電プラントの全体構成図である。図１において、石炭ガス化複合発電プラントは、ガス化炉１、圧縮機２、ガスタービン燃焼器３、タービン４、酸素製造装置５、発電機６などを備えて構成されている。
【００２３】
ガス化炉１には、石炭１４が供給されているとともに、圧縮機２の抽気空気１１またはバックアップ用空気圧縮機１０からの吐出空気を窒素と酸素とに分離する酸素製造装置５から酸素１２が供給されている。そして、ガス化炉１は、酸素１２を酸化剤として石炭１４をガス化し、このガス化ガスをガス化ガス流量制御弁３１に制御するようになっている。ガス化ガス１５はガス化ガス流量制御弁３１で流量が制御された後ガスタービン燃焼器３に導入される。この場合、ガス化ガス１５は、ガス化炉１の負荷上昇に伴って、ガス化ガス１５の温度および発熱量が安定した段階でガスタービン燃焼器３に供給されるようになっている。
【００２４】
ガスタービン燃焼器３は、軽油燃料ノズル２２、燃料ノズル２３などを備えており、軽油燃焼ノズル２２は、燃料としての軽油７とアトマイズ空気２９の供給を受けて軽油７とアトマイズ空気２９を燃焼室８ａ内に噴射して燃焼室８ａ内に火炎を形成するとともにこの火炎を保持する補助燃料噴射ノズルとして構成されている。燃料ノズル２３は、燃料ノズルボディ１９とともに空気旋回器２４に配置されて燃料ノズルボディ１９との間にガス化ガス通路２４ｂを形成するようになっており、ガス化ガス通路２４ｂ内に導入されたガス化ガス１５は燃料ノズルボディ１９の先端側（燃焼室８ａ側）に形成された燃料噴射孔２４ａから空気旋回器２４を介して燃焼室８ａ内に噴射されるようになっている。空気旋回器２４には窒素１３と燃焼空気９ａを燃焼室８ａに噴射するための流体旋回通路２４ｃが形成されている。そして、燃焼室８ａ内に、ガス化ガス１５と窒素１３および燃焼空気９ａが噴射されてこれらが燃焼すると、燃焼室８ａ内には火炎２０ｂが形成されるとともに、燃料の燃焼に伴って発生する排気ガスがタービン４に供給されてタービン４が駆動され、タービン４の駆動によって発電機６による発電が行われる。この場合、始動時には、タービン４は、起動用モータ（図示省略）などの外部動力によって駆動され、ガスタービン燃焼器３には、圧縮機２の吐出空気９ａと軽油７が供給され、これらが燃焼室８ａ内で燃焼される。その後、燃料供給量の増加に伴ってガスタービン（圧縮機２と燃焼器３およびタービン４を含む。）が昇速される。この後、起動用モータの離脱によりガスタービンは自立運転に入り、ガスタービンの回転数が無負荷定格回転数に達した後、発電機６が併入されてガスタービンの駆動による発電が開始される。なお、酸素製造装置５においては、酸素１２を製造した際に窒素が生成され、生成された窒素１３は、その後、窒素昇圧器（図示省略）にて所定の圧力に昇圧された後、窒素流量制御弁３０を介してガスタービン燃焼器３に供給されるようになっている。
【００２５】
次に、ガスタービン燃焼器３の具体的構成について説明する。
【００２６】
ガスタービン燃焼器３はほぼ円筒状に形成されたライナー８を備えており、ライナー８は燃焼室８ａの隔壁を構成するようになっている。燃焼室８ａの軸方向端部には流体導入部としての空気旋回器２４が設けられている。ライナー８は圧力容器としての燃焼器外筒１６内に収容されており、外筒１６とライナー８との間には円筒状のフロースリーブ１７が設けられている。外筒１６とフロースリーブ１７の軸方向端部はエンドカバー２１によって閉塞されている。ライナー８とフロースリーブ１７との間には空気通路９ｂが形成されており、この空気通路９ｂには、圧縮機２の吐出空気である燃焼空気９ａがライナー８の外周側とライナー冷却用フロースリーブ１７との間を通過し、ライナー８の壁面を冷却しながら空気旋回器２４側に供給されるようになっている。さらにライナー８には、複数個の燃焼空気孔２６ａ、２６ｂが２列に分かれて円周方向に沿って一定の間隔で形成されており、燃焼空気９ａが各燃焼空気孔２６ａ、２６ｂを介して燃焼室８ａ内に供給されるようになっている。空気通路９ｂ内には、パイプ状の窒素噴射ノズル２７が複数個ライナー８の外周に沿って円弧状に配置されており、各窒素噴射ノズル２７の一端はエンドカバー２１に固定されている。各窒素噴射ノズル２７には、酸素製造装置５で生成された窒素が窒素流量制御弁３０を介して導入されるようになっており、各窒素噴射ノズル２７には、エンドカバー２１側に第１の窒素噴射孔２７ａが形成され、燃焼空気孔２６ａを臨む位置に第２の窒素噴射孔２７ｂが形成されている。すなわち各窒素噴射ノズル２７は酸素製造装置５で生成された窒素１３を窒素噴射孔２７ａ、２７ｂから空気通路９ｂ内に噴射するようになっており、空気通路９ｂ内の窒素１３と燃焼空気９ａが空気旋回器２４に導入されるようになっている。
【００２７】
空気旋回器２４はほぼ円盤状に形成されてライナー８の軸方向端部に固定されており、空気旋回器２４の径方向中心部には、円筒状に形成された燃料ノズルボディ１９が挿入されて固定されている。燃料ノズルボディ１９は円筒状のケース１９ａを介してエンドカバー２１に固定されており、燃料ノズルボディ１９内には軽油噴射ノズル２２と燃料ノズル２３が収納されている。ケース１９ａは配管を介してガス化炉１と接続されており、ケース１９ａと燃料ノズルボディ１９との間および燃料ノズル２３と燃料ノズルボディ１９との間にはガス化ガス１５を空気旋回器２４に導くガス化ガス通路２４ｂが形成されている。
【００２８】
また、空気旋回器２４には、燃焼空気９ａと窒素１３を燃焼室８ａ内に噴射するための流体旋回通路２４ｃが複数個一定の間隔を保って環状に形成されている。各流体旋回通路２４ｃには、空気旋回器２４の軸心を基準にして一定角度傾斜した旋回角αが設定されているとともに、空気旋回２４の軸心を通る線と平行な線に対して一定の角度、空気旋回器２４の軸心側に傾斜した内向角γが設定されている。このため、各流体旋回通路２４ｃは、導入した燃焼空気９ａおよび窒素１３による旋回流を形成するとともに、燃焼空気９ａおよび窒素１３を燃焼室８ａの軸心方向に向けて噴射し、噴射された燃焼空気９ａおよび窒素１３による循環流を燃焼室８ａ内に形成させるようになっている。すなわち燃料ノズル２３、燃料ノズルボディ１９および空気旋回器２４は、ガス化ガス１５を導入するとともにガス化ガス１５と別に空気通路９ｂ内の燃焼空気９ａおよび窒素１３を導入して燃焼室８ａ内に噴射する主燃料噴射ノズルとして構成されている。
【００２９】
また、本実施形態においては、燃料噴射孔２４ａの外向角βは、各燃料噴射孔２４ａを二次元（平面）に投影した角度θとライナー８の内壁面との交点が燃焼空気孔２６ａと燃焼空気孔２６ｂとの間になるように設定されている。すなわち燃焼空気孔のうち一部の燃焼空気孔２６ａは燃料噴射孔２４ａの延長線とライナー８との交点よりも流体導入部側（空気旋回器２４）側に形成されている。
【００３０】
また、本実施形態において、各燃焼空気孔２６ａと各窒素噴射孔２７ｂは、ライナー８の軸心と直交する軸からライナー８の軸方向に沿って同じ距離だけ離れた位置に形成されているとともに、ライナー８の軸心を基準として周方向の角度が同位相となる位置（同一ピッチの位置）に形成されている。
【００３１】
上記構成において、起動用モータによってタービン４が駆動されるとともに軽油７が燃焼され、この燃焼に伴う排気ガスがタービン４に送給され、軽油７の供給量の増加に伴ってガスタービンが加速されて、起動用モータの離脱によりガスタービンが自立運転に入り、ガスタービンの回転数が無負荷定格回転数に達した後、発電機６が併入され、発電機６による発電が開始される。このとき酸素製造装置５で製造される窒素１３は、窒素流量制御弁３０によって流量が調整された後、窒素噴射ノズル２７から空気通路９ｂ内に噴射され、この一部が燃焼空気孔２６ａ内に噴射されて混合ガス（燃焼ガス）と混合され、低温燃焼時におけるＮＯｘの生成が抑制される。
【００３２】
この後、ガス化炉１で生成されたガス化ガス１５の供給が可能になると、ガスタービン燃焼器３では、部分負荷の状態にて軽油焚からガス焚へ運転モードが切替られ、ガス化ガス１５が燃焼室８ａ内に噴射されるとともに燃焼空気９ａと窒素１３が燃焼室８ａ内に噴射される。この場合、空気通路９ｂ内には窒素噴射孔２７ａと窒素噴射孔２７ｂからそれぞれ窒素が噴射されるため、空気旋回器２４を通過する空気中の酸素濃度は、窒素噴射孔２７ａのみから窒素１３を全量噴射した場合に比べて高くなるため、ガス化ガス１５の供給量が少ない部分負荷条件（低負荷条件）において、火炎２０ｂを一定温度以上にすることが可能になるとともに、未燃分の排出濃度が高まるのを抑制することが可能になる。
【００３３】
一方、ガス化ガス１５の供給量が多くなる高負荷条件では、燃焼ノズル２３の先端側と燃焼空気孔２６ａとを結ぶ領域は、ＮＯｘ生成領域となるが、空気旋回器２４から、均一に混合された低酸素濃度の空気とガス化ガス１５とが供給され、これがら燃焼して燃焼ガスが発生する過程で、燃焼空気孔２６ａから供給される窒素１３と燃焼ガスとの混合によって、全域に渡って火炎２０ｂの温度を低くすることができ、ＮＯｘの生成を抑制することが可能になる。
【００３４】
ここで、第１の窒素噴射孔２７ａから窒素１３を全量噴射した場合、燃料ノズル１３の前面側に形成される火炎２０ｂの温度は低下するものの、供給される空気の量が少ないため、酸素不足によって燃焼反応が遅れ、残存するガス化ガス１５と燃焼空気孔２６ａから供給される燃焼空気９ａとの混合により燃焼空気孔２６ａよりも下流側（燃焼空気孔２６ｂ側）に高温領域が生成され、この高温領域が燃焼空気孔２６ｂの下流側にも広がる。これに対して、本実施形態においては、窒素噴射ノズル２７に２列に分かれて設けられた窒素噴射孔２７ａ、２７ｂからそれぞれ窒素が噴射されるため、低負荷での燃焼効率を確保するのと同時に燃焼空気孔２６ａよりも下流側に、ＮＯｘの生成領域となる高温領域が発生するのを阻止することができる。
【００３５】
次に、本発明の第２実施形態を図２にしたがって説明する。
【００３６】
本実施形態は、第１の窒素噴射孔２７ａの流路面積の大きさをガスタービン負荷に応じて制御する窒素噴射量制御手段としてのヘッダー部２８を設けるとともに、フロースリーブ１７に第１の窒素噴射孔２７ａと第２の窒素噴射孔２７ｂを形成し、ヘッダー部２８に酸素製造装置５の製造による窒素を供給し、ヘッダー部２８とフロースリーブ１７によって窒素噴射ノズルを形成するようにしたものであり、他の構成は図１のものと同様である。
【００３７】
ヘッダー部２８は円筒状のスライドリング４０と、スライドリング４０の移動を案内するガイド４１を備えており、スライドリング４０はフロースリーブ１７の外周側に配置されている。このスライドリング４０は、外筒１６に設けられたモータなどを含む駆動機構によってライナー８の軸方向に沿って往復移動するようになっている。さらにスライドリング４０には、窒素噴射孔２７ａとほぼ同じ大きさの噴射孔４０ａが形成されいるとともに、第２の窒素噴射孔２７ｂよりも面積の大きい噴射孔４０ｂが２列に分かれてそれぞれ円周方向に沿って複数個形成されている。なお、窒素噴射孔２７ｂは燃焼空気孔２６ａを臨む位置にあって、前記実施形態と同様に燃焼空気孔２６ａと同じ位置で且つ同位相の位置に形成されている。
【００３８】
一方、窒素噴射孔２７ａは、ガスタービンの低負荷条件においては、スライドリング４０の移動により全閉状態となり、負荷の上昇に伴ってスライドリング４０がエンドカバー２１側に移動するにしたがって窒素噴射孔２７ａと噴射孔４０ａとを結ぶ通路の面積が徐々に大きくなり、さらに、タービンの高負荷条件においては、窒素噴射孔２７ａと噴射孔４０ａの開口部が一致し、両者を結ぶ通路の開口面積が最大となる。
【００３９】
すなわち、各噴射孔から噴射される窒素の流量比は、図３に示すように設定されており、ガスタービンの無負荷定格回転数からガス化ガス１５の専焼モードとなる燃料切り替え負荷条件までは、窒素は窒素噴射孔２７ｂから全量噴射され、燃焼器頭部の火炎温度を確保することによって未燃分の排出を抑制することができる。そして、その後ガス化ガス１５の供給量の増加によってガスタービン負荷が上昇する高負荷条件では、スライドリング４０の移動に伴って窒素噴射孔２７ａの開口面積が徐々に大きくなって、噴射孔２７ａの流量比率も増加し、空気旋回器２４に向けて噴射する窒素と燃焼空気孔２６ａから流入する窒素によって燃焼器内部の温度領域が削減され、ＮＯｘが低減される。
【００４０】
前記実施形態においては、スライドリング４０をライナー８の軸方向に沿って移動させるものについて述べたが、スライドリング４０をライナー８の円周方向に沿って移動させる構成を採用しても、同様の効果が得られる。
【００４１】
以上述べたように、前記各実施形態によれば、窒素を分散して燃焼領域内に供給することによって、特に、ガス化発電プラントのような不活性媒体の噴射量が多い場合に、ガスタービンの低負荷条件での燃焼効率の向上と高負荷条件での低ＮＯｘ化を達成すること可能になる。
【００４２】
また、本実施形態においては、窒素噴射孔２７ａの開口面積を可変にすることで、窒素噴射孔２７ａを常時開口させた場合よりも部分負荷での燃焼安定性を向上できるとともに高負荷でのＮＯｘの低減を達成できる。
【００４３】
また、前記各実施形態においては、窒素と空気がライナー８の軸心方向に噴射され、ガス化ガスがライナー８の壁面に向けて噴射されるため、高負荷条件においてライナーのメタル温度が上昇するのを防止することもできる。
【００４４】
なお、前記各実施形態においては、石炭ガス化複合発電プラントに本発明を適用したものについて述べたが、ガス化炉で重質油を燃料として酸素でガス化する重質油ガス化複合発電プラントにも本発明を適用することができる。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、プラントの効率を損なうことなく、ガスタービンの部分負荷条件での燃焼安定性を確保することができるとともに高負荷条件での低ＮＯｘ化を達成することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示すガス化発電プラントの全体構成図である。
【図２】本発明の第２実施形態を示すガスタービン燃焼器の縦断面図である。
【図３】ガスタービン負荷と窒素噴射量流量比率との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
１ガス火炉
２圧縮機
３ガスタービン燃焼器
４ガスタービン
５酸素製造装置
６発電機
８ライナー
８ａ燃料室
９ａ燃焼空気
９ｂ空気通路
１３窒素
１４石炭
１５ガス化ガス
２４空気旋回器
２４ａ燃料噴射孔
２４ｂガス化ガス通路
２４ｃ流体旋回通路
２６ａ、２６ｂ燃焼空気孔
２７窒素噴射ノズル
２７ａ、２７ｂ窒素噴射孔

Claims

燃料と空気との混合物を燃焼させる燃焼室の隔壁を構成するとともに前記燃焼室の軸方向端部に流体導入部を有するライナーと、前記ライナーを収容する圧力容器と、前記ライナーと前記圧力容器との間に形成されて燃焼空気を前記流体導入部に導く空気通路と、前記空気通路内に配置されて前記空気通路内に窒素を噴射する窒素噴射ノズルと、前記ライナーの流体導入部に配置され燃料をガス化して得られたガス化ガスを前記燃焼室内のライナー壁面に向けて噴射するとともに前記ガス化ガスとは別に前記空気通路内の空気および窒素を導入して前記燃焼室内のライナー軸心方向に向けて噴射する主燃料噴射ノズルと、前記ライナーの流体導入部から前記燃焼室内に燃料と空気を噴射し主噴射ノズルの火炎を保持する補助燃料噴射ノズルとを備え、前記ライナーには、前記空気通路内の空気を前記燃焼室内に供給する複数の燃焼空気孔が前記燃焼室の周方向および軸方向に沿って形成され、前記複数の燃焼空気孔のうち一部の燃焼空気孔は前記燃料噴射孔の軸延長線と前記ライナーとの交点よりも前記流体導入部側に形成され、前記窒素噴射ノズルには、少なくとも前記一部の燃焼空気孔を臨む位置に窒素噴射孔が形成されてな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、前記主燃料噴射ノズルには、導入したガス化ガスによる旋回流を形成するとともに前記ガス化ガスを前記ライナー壁面に向けて噴射する燃料噴射孔が複数個環状に形成され、且つ、導入した空気および窒素による旋回流を形成するとともに前記空気および窒素を前記燃焼室の軸心方向に向けて噴射する流体旋回通路が複数個環状に形成されてなるガスタービン燃焼器。
請求項１または２に記載のガスタービン燃焼器において、前記窒素噴射ノズルには、第１の窒素噴射孔と第２の窒素噴射孔がそれぞれ複数個前記燃焼室の周方向に沿って形成され、且つ、前記第２の窒素噴射孔は前記一部の燃焼空気孔を臨む位置に形成され、前記第１の窒素噴射孔は前記第２の窒素噴射孔よりも前記流体導入部側に形成されてなることを特徴とするガスタービン燃焼器。
請求項３に記載のガスタービン燃焼器において、前記流体導入部側に形成された一部の燃焼空気孔と前記第２の窒素噴射孔は、前記ライナーの流体導入部において前記ライナーの軸心と直交する面から前記ライナーの軸方向に沿って同じ距離だけ離れた位置に形成されているとともに、前記ライナーの軸心を基準として周方向の角度が同位相となる位置に形成されてなることを特徴とするガスタービン燃焼器。
請求項１、２、３または４のうちいずれか１項に記載のガスタービン燃焼器において、前記第１の窒素噴射孔の流路面積の大きさをガスタービン負荷に応じて制御する窒素噴射量制御手段を備えてなることを特徴とするガスタービン燃焼器。