JP3956882B2

JP3956882B2 - Gas turbine combustor and gas turbine combustor remodeling method

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Publication number: JP3956882B2
Application number: JP2003086757A
Authority: JP
Inventors: 明典林; 真一稲毛; 浩美小泉; 勲竹原; 和行伊藤; 俊文笹尾; 英太郎村田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-08-22
Filing date: 2003-03-27
Publication date: 2007-08-08
Anticipated expiration: 2023-03-27
Also published as: JP2004138376A

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及びガスタービン燃焼器の燃焼方法並びにガスタービン燃焼器の改造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のガスタービン燃焼器で、予混合燃焼方式と拡散燃焼方式を併用したガスタービン燃焼器の例として、特許文献１，特許文献２などがあげられる。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−９４２５５号公報
【特許文献２】
特開平３−２５５８１５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１記載の技術では、噴射後の蒸発過程において蒸発しきらなかった液体燃料が、そのまま保炎器に付着して炭化するといったコーキングの現象を起こしやすく、この炭化物による予混合気の自己着火や予混合燃焼バーナー内部に火炎が流入する逆火が生じる問題がある。また構造物において炭化物が付着した箇所の冷却性能が低下したり、炭化物がはがれて他の構造物に衝突し破損させてしまうなどの問題もある。更に、予蒸発予混合方式は拡散燃焼方式と併用となるため系統が複雑化するとともに、燃料ノズル内部のコーキングを防止するための手段、及びメンテナンスが必要となる。
【０００５】
特許文献２に記載の技術では、予蒸発予混合燃焼方式により液体燃料を用いた場合でも前述同様の問題が生じる。またガスタービンの外周に複数の燃焼器を設置し、パイロットバーナーである拡散燃焼バーナーの外周に予混合燃焼バーナーを同軸心的に配置した場合、パイロット火炎である拡散火炎の周囲に予混合用空気が覆うため、拡散火炎が燃焼器の側壁に接続した火炎伝播管に到達できずに隣接燃焼器への着火が不可能となるといった問題がある。
【０００６】
また液体燃料を用いて予蒸発混合させる場合、着火時における空気温度が低いため予蒸発は不可能であり、パイロットバーナーによる着火が不可欠となって上記火炎伝播の問題はより重要となる。
【０００７】
本発明の目的は、ガス燃料及び液体燃料の利用可能な燃焼器で適切な燃焼を行い、且つ低ＮＯｘ性に優れたガスタービン燃焼器及びガスタービン燃焼器の燃焼方法並びにガスタービン燃焼器の改造方法を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記予混合燃焼バーナーの出口で放射状に配置された複数の保炎器を備え、前記複数の保炎器は、各々、内周側から外周側に突出する複数の放射状の突出部として形成され、かつ隣接する保炎器間では周方向に絞られた流路が形成されるよう前記予混合バーナーの内周側に片持ち状に配置されるとともに、前記保炎器は、その下流側の縁において内周側よりも外周側の方が下流側に位置するように傾斜配置されており、前記保炎器は、前記予混合燃焼バーナーに内周側で固定されており、前記保炎器の外周側の縁は、前記予混合燃焼バーナー外周壁から分離していることを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
パイロットバーナーと、前記パイロットバーナーの外周に配置された予混合燃焼バーナーと、前記予混合燃焼バーナーの下流側に配置され内部に燃焼室を形成する略円筒形状の燃焼器内筒壁とを備えたガスタービン燃焼器において、前記予混合燃焼バーナーの出口で放射状に配置された保炎器と、前記パイロットバーナーが、ガス燃料及び液体燃料のうちの少なくとも一方を噴射する燃料噴射手段とを備え、前記パイロットバーナーの外側であって、前記予混合燃焼バーナーの内側に燃焼室に空気を噴出する複数の空気噴孔を備えるものとする。このように放射状の保炎器を予混合バーナーの出口に設置することで、パイロットバーナーの燃料が保炎面に火炎を形成し、ガス燃料使用時では、予混合火炎の安定化を図り、液体燃料使用時は、予混合バーナーから吐出する空気とパイロットバーナーの燃料混合を促進し拡散火炎の長炎化を防止する。またパイロットバーナーと予混合燃焼バーナーの間の空気噴孔は、保炎面の温度上昇を防止し、更に拡散火炎の安定化を図る。
【００１０】
また、放射状の保炎器を取り付けることで、燃焼器出口の温度分布を均一にすることが可能であり、タービンの保護につながる。ここで、放射状に配置された保炎器とは、燃焼室からパイロットバーナーを見た場合の保炎器形状が、保炎器内周側から外周側（半径方向で外側）に向けて複数の突出部を表したものである。
【００１１】
更に、前記予混合燃焼バーナーの出口で放射状に配置された保炎器と前記燃焼器内筒壁の側壁で前記保炎器の１つ以上と一致する周方向位置に開口を有する火炎伝播管とを備えるものとする。このように火炎伝播管が、燃焼器内筒壁の側壁で保炎器の１つと一致する周方向位置に開口を有して接続されているため、予混合燃焼バーナーの出口に到達した拡散火炎のうち、前記保炎器の保炎面に沿って拡散した火炎のみが予混合気により希釈されることなく外周側に位置する火炎伝播管に到達して他の燃焼器を着火させることができる。
【００１２】
更に、前記保炎器は、その下流側の縁において内周側よりも外周側の方が下流側に位置するように傾斜配置されており、好ましくはその燃焼器中心軸に対する傾斜角度が３０度以上６０度以内であるものとする。これにより、外周側の予混合燃焼ガスが保炎器の下流側の縁を通過した後に燃焼器の軸心へ収束する方向に偏向し、内周側の拡散燃焼ガスを十分に希釈混合するため、拡散火炎の長炎化を防いでＮＯｘの発生を低減し、また燃焼器出口の燃焼温度偏差の発生を防いでタービン翼の損傷を防止する。
【００１３】
放射状に配置された保炎器を、その下流側の縁において内周側よりも外周側の方が下流側に位置するように傾斜させることで、火炎の安定性を更に向上させる効果を奏する。
【００１４】
また、前記保炎器は、前記予混合燃焼バーナーに内周側で固定されており、前記保炎器の外周側の縁は、前記予混合燃焼バーナー外周壁から分離しているものとする。これにより、保炎器の熱伸び等による応力を逃がすことができ、更に保炎器下流側の縁と予混合燃焼バーナー外周壁の間より燃焼室に吐出する予混合気、若しくは空気により拡散火炎による燃焼室側壁の温度上昇を防止する。
【００１５】
また、前記空気噴孔は、空気を旋回させて噴出する構造とする。これにより、空気が旋回により広がるため保炎面の冷却が向上するとともに、旋回空気による循環流領域の拡大によって拡散火炎の更なる安定化を図る。
【００１６】
また、前記空気噴孔の外側であって前記予混合燃焼バーナーの内側にスリットを設け、その該スリット間に空気が保炎器に向けて流れる手段を設けるものとする。これにより、スリットから吐出するフィルム状の空気が保炎面を覆い、冷却性能を向上させる。
【００１７】
また、前記パイロットバーナーの空気流入部、若しくは空気流出部に水、若しくは蒸気を噴射可能なノズルを設ける。これにより、液体燃料の拡散燃焼時において、燃料噴出部の近傍に水、又は蒸気を供給することで、効果的にＮＯｘを低減できる。
【００１８】
また、前記予混合燃焼バーナーの流路を周方向に分割する仕切り板を設けたものとする。これにより、予混合燃焼バーナーの内部における予混合気（若しくは予混合用空気）の周方向への偏流を抑制し、予混合燃焼バーナー出口の流速偏差や燃料濃度偏差を減少させて、ＮＯｘの低減及び逆火を防止できる。
【００１９】
また、前記保炎器は前記仕切り板と隣接する仕切り板の間に位置するように配置することとする。これにより保炎器周方向側面を流れる予混合気（若しくは予混合用空気）の周方向への偏流を抑制し、予混合燃焼バーナー出口の流速偏差や燃料濃度偏差を減少させて、ＮＯｘの低減及び逆火を防止できる。
【００２０】
また、前記仕切り板は前記保炎器の下流側へ燃焼室に突き出して配置されているものとする。これにより、保炎面下流に安定した予混合気の循環流を形成させることができ、予混合火炎の安定性が向上する。
【００２１】
また、前記保炎器に燃焼室に予混合気、若しくは空気を噴出する複数の噴孔を設けたものとする。これにより、保炎面の冷却性能が向上し、更に予混合気の場合は、保炎面の噴流保炎による予混合火炎の安定化が達成できる。
【００２２】
また、前記予混合燃焼バーナーの内側隔壁の縁が、上流部から下流部に向かって、予混合燃焼バーナーの予混合気、若しくは空気流路断面積が拡大するような傾斜面を有するものとする。これにより、燃焼室において燃焼器中心軸に向かって予混合気、若しくは予混合用空気が流入しやすくなり、拡散燃料との混合性が向上し、ＮＯｘを低減できる。
【００２３】
また、前記保炎器と前記パイロットバーナーの間に補助燃料を燃焼室へ直接噴射可能な燃料噴孔を設けているものとする。または前記予混合燃焼バーナーと前記パイロットバーナーの間に、補助燃料を噴射可能なノズルと空気流路を設け、該燃料と該空気を予め混合し、燃焼室で予混合燃焼させる第２の予混合燃焼バーナーを設置するものとする。または放射状に配置された前記保炎器と周方向に隣接する前記保炎器の間であり、且つ前記予混合燃焼バーナーの燃料噴射ノズルより下流側に、補助燃料を予混合燃焼バーナーの予混合気、若しくは空気の流路に噴射可能な手段を設けたものとする。これにより、ガス燃料燃焼時に拡散火炎と予混合火炎の火移りをこの補助燃料の投入により確実にするとともに、燃焼室径方向への燃料供給位置の分散により燃焼振動を低減する。
【００２４】
また、前記予混合燃焼バーナーは、複数の燃料ノズルが幾つかに分割されて燃料が制御され供給できる構造とし、更にガスタービン負荷に応じて分割された燃料ノズルのうち燃料を噴射するノズルの組み合わせが変化する制御方法を有する。これにより、ガス燃料燃焼時に予混合火炎の安定性を保ちつつ、負荷に応じた全燃料流量の制御が可能となる。
【００２５】
（実施例）
本発明を用いた第一の実施例として、ガスタービン燃焼器の概略構造を図１から図３に示す。図１に示すように燃焼器は外筒壁１とエンドフランジ２で囲まれ、内筒壁３で囲まれた燃焼室４，拡散燃焼させる拡散旋回バーナー５，燃料と空気を混合し予混合気を生成する予混合器６，着火時に火炎を他の燃焼器に伝播させるための火炎伝播管７、更に燃料及び空気供給系統より構成される。
【００２６】
燃焼器中心軸上に設置された拡散旋回バーナー５は、燃焼用空気１２ａより分配された拡散燃焼用空気１２ｂを旋回翼８で旋回をかけ、更にガス１３ａ、若しくは液体燃料噴孔１４から吐出した燃料と燃焼室４で混合し、拡散火炎を形成する。拡散旋回バーナー５の周囲には、更に拡散燃焼用空気１２ｂを燃焼室４へ供給するための複数の旋回燃焼空気孔２６を設けている。拡散燃焼用液体燃料は液体燃料噴孔１４の周囲に設けられたアトマイズ空気噴孔２７から供給されるアトマイズ空気の噴流により微粒化される。旋回翼８の空気流入部には、水噴射ノズル２９が設けてあり、拡散燃焼用空気１２ｂと混合しながら燃焼室へ蒸気３０が供給できる。
【００２７】
拡散旋回バーナー５の周囲に設置された環状の予混合器６は、複数の予混合用燃料ノズル９のガス１３ａから吐出した燃料と燃焼用空気１２ａより分配された予混合用空気１２ｃを予め混合し予混合気１１を生成し、この予混合気１１下流の燃焼室４の入口に設けられた保炎器１０ａによって、予混合火炎１８を形成し保炎する。保炎器１０ａは燃焼器中心軸に対し放射状に複数個配置され、更に各々の保炎器１０ａが、燃焼器中心軸に対し傾斜し設置されている。予混合器６には仕切板２２が予混合器６入口から保炎器１０ａ上流側まで予混合器６流路を周方向に分割するように設けられている。
【００２８】
燃焼器中心軸に対し傾斜配置された保炎器１０ａは、燃焼器の側面から見て、ほぼ平面の場合だけでなく、多少の凸状や凹状であっても良い。
【００２９】
図２に図１の燃焼器２缶を火炎伝播管７にて結合した場合の横断面図を示す。保炎器１０ａは各々の燃焼器に８枚ずつ、各々の保炎器１０ａは予混合器６の仕切板２２間の上流、及び予混合用燃料ノズル間の上流に設置されている。火炎伝播管７は、各々の燃焼器に設置されたある保炎器１０ａに対し、径方向の内筒壁３に設置され、２缶の燃焼室４を繋いでいる。
【００３０】
図３は、図１に示した燃焼器に対し、拡散旋回バーナーを中心に拡大した断面図を示しており、各部の機能と通過する流体の流れ方向について以下説明する。拡散旋回バーナーの拡散燃焼用空気１２ｂは旋回翼８により旋回流となり、更に燃焼器中心軸に向かうある内向角をもって燃焼室に流入する。液体燃料ノズルから吐出しアトマイズ空気によって微粒化された液体燃料は、この内向角をもった旋回空気流と急速混合するため、空気不足の燃焼によるすすの発生を防止し安定な拡散火炎が形成できる。旋回翼８の上流部に設けられた水噴射ノズル２９は、旋回翼８に向かって水を噴射して拡散燃焼用空気１２ｂと水を混合させる。更にその後、水は燃焼室４で液体燃料と急速混合するため、燃料の発熱密度を効率よく低下することができ、ＮＯｘが低減できる。旋回翼８の空気出口近傍に設けられたガス燃料噴孔は、燃焼器中心軸に対しある外向角をもってガス１５ａを噴出させる。噴出したガス燃料の流量が少ない場合(ガスタービンの負荷が低い場合)は、ガス燃料の流速が遅く拡散燃焼用空気１２ｂに対する貫通力が小さいため、ガス１５ａは主に拡散燃焼用空気１２ｂと混合し燃焼器中心軸近傍で燃焼し安定燃焼できる。ガスタービン負荷が上昇し、ガス１５ａが増加した場合は、ガス燃料の貫通力が大きく旋回燃焼空気孔２６と予混合器６から流入する空気（予混合気）とも混合するため、希薄燃焼によるＮＯｘ低減が図れる。旋回燃焼空気孔２６は、拡散燃焼用空気１２ｂが旋回翼８と同一旋回方向に燃焼室へ流入できるよう拡散燃焼用バーナーの周囲に設けられており、燃焼器中心軸近傍の循環流を大きくし火炎安定化を図るとともに、旋回流による予混合器６側への空気の広がりが、燃焼室４と接する保炎器１０ａの面への拡散火炎の付着、保炎器１０ａ温度の上昇を防止している。旋回燃焼空気孔２６の周囲にはスリット２８が設けられており、拡散燃焼用空気１２ｂをフィルム状にし、燃焼室４と接する保炎器１０ａの面へ流出させることで、更に保炎器１０ａの温度上昇を防止している。燃焼器中心軸に対し傾斜し設置された保炎器１０ａは、環状の予混合器６流路を周方向に絞ると共に、傾斜した方向に流路が拡大するため、予混合器６における圧力損失の増加を抑えながら、予混合用空気１２ｃ、若しくは予混合気１１が予混合器６から燃焼室４の燃焼器中心軸方向へ吐出する。
【００３１】
保炎器１０ａは、その下流側の縁において内周側よりも外周側の方が下流側に位置するように傾斜配置されており、好ましくはその燃焼器中心軸に対する傾斜角度が３０度以上６０度以下であるものとする。これにより、外周側の予混合燃焼ガスが保炎器の下流側の縁を通過した後に燃焼器の軸心へ収束する方向に偏向し、内周側の拡散燃焼ガスを十分に希釈混合するため、拡散火炎の長炎化を防いでＮＯｘの発生を低減し、また燃焼器出口の燃焼温度偏差の発生を防いでタービン翼の損傷を防止する。
【００３２】
保炎器１０ａの傾斜角度を、３０度以上６０度以下とする理由を説明する。図１３に示すように、保炎器１０ａの燃焼器中心軸に対する傾斜角度が減少するにつれて、燃焼振動の振幅αは指数関数的に増加する。これは、保炎器１０ａの傾斜角度が減少するほど、予混合燃焼ガスが燃焼器の軸心へ収束し、高温の拡散燃焼ガスが希釈され、火炎の安定性が低下するために、燃焼振動の振幅が大きくなるためである。特に傾斜角度が３０度未満になると、燃焼振動振幅の増加が顕著になる。次に、燃焼器出口の温度偏差βは、保炎器１０ａの燃焼器中心軸に対する傾斜角度が増加するにつれて、指数関数的に増加する。保炎器の傾斜角度が大きいため、予混合燃焼ガスが燃焼器の軸心へ収束する方向に偏心する量が小さく、予混合燃焼ガスは燃焼室４内をほぼ真っ直ぐに進行する。よって、内周側の拡散燃焼ガスと予混合燃焼ガスが十分に混合されず、出口の温度分布が偏り、下流のタービン翼に損傷を与える。特に傾斜角度が６０度を越えると、燃焼器出口における温度分布偏差の増加が顕著になる。したがって、燃焼振動の振幅，燃焼器出口の温度偏差、両者の影響を考慮すると、傾斜角度は３０度以上６０度以下とすることが、好ましい。
【００３３】
次に、パイロットバーナーと、パイロットバーナーの外周に配置された予混合燃焼バーナーと、内部に燃焼室を形成する略円筒形状の燃焼器内筒壁とを備えた予混合式ガスタービン燃焼器において、予混合燃焼バーナーの出口に放射状に配置された保炎器１０ａを取り付けた燃焼器の原理について説明する。環状の予混合燃焼バーナーにおいて、予混合燃焼バーナーの出口に保炎器を設けない場合、予混合燃焼ガスは環状のまま燃焼室４に流入する。よって、予混合燃焼ガスは、パイロットバーナーから噴出した拡散燃焼ガスを包み込む流れとなる。予混合燃焼ガスの流れは拡散燃焼ガスの流れを積極的に崩そうとしないため、予混合燃焼ガスと拡散燃焼ガスが均一に攪拌することは困難である。したがって、燃料の偏在が生じ、ＮＯｘの発生につながる。これに対し、本実施例のように、予混合燃焼バーナーの出口に放射状に配置された保炎器を取り付けることで、予混合燃焼バーナーから流出する気体には円周方向で流れる個所と流れない個所が生じ、気体流速の強弱が円周方向に交互に並ぶ分布となる。このような分布により、ガス燃料使用時には予混合火炎の安定化を図り、液体燃料使用時には予混合バーナーから吐出する空気とパイロットバーナーの燃料混合を促進し拡散火炎の長炎化を防止する。燃焼器出口の温度分布が均一になることで、タービンの保護にもつながる。更に、燃焼室４と接する保炎器１０ａの面を燃焼器中心軸に傾けることで、予混合燃焼バーナーから流出した予混合燃焼ガスを、積極的に燃焼器の軸心へ収束する方向に偏向させる。そして、パイロットバーナーから噴出した拡散燃焼ガスと交差し、混合が促進され、拡散火炎の長炎化を防いでＮＯｘの発生を低減し、また燃焼器出口の燃焼温度偏差の発生を防いでタービン翼の損傷を防止する。予混合燃焼バーナーの出口に放射状に配置された保炎器１０ａと、燃焼室４と接する保炎器１０ａの面を燃焼器中心軸に傾けるという、両者の相乗効果により、火炎の安定性を更に向上させることが可能である。なお、燃焼室４と接する保炎器１０ａの面から流出した予混合流路は、必ずしも周方向に一定間隔である必要はなく、図１４に示すように予混合気１１流路の間隔が不均一であっても、パイロットバーナーから噴出した拡散燃焼ガスを希釈混合することが可能である。また、図１５に示すように、燃焼器の軸心を中心に、予混合気１１流路に回転成分を持たせても良い。このような回転成分を持たせることにより、拡散燃焼ガスと予混合燃焼ガスの更なる攪拌効果を期待できる。なお、予混合燃焼バーナーの出口に、燃焼器中心軸に対し傾斜する放射状の保炎器１０ａを取り付けたのは、予混合燃焼ガスが環状のまま燃焼室４に流入することの防止と、予混合燃焼ガスを拡散燃焼バーナー側へ偏心させることを目的としている。この目的を達成するためであれば、例えば、保炎器１０ａを設けずに、パイロットバーナーの外周に配置された環状の予混合燃焼バーナーを隔壁で円周方向に分割し、予混合燃焼バーナー出口をパイロットバーナー側に向けることで、予混合燃焼バーナーから流出する予混合燃焼ガスは円周方向に流速の強弱が交互に並ぶ分布となり、拡散燃焼バーナー側に偏心する流路とすることができるため、放射状の保炎器１０ａを取り付けた場合と同じ予混合流路を作ることが可能である。但し、本実施例のような保炎器形状とすることで、予混合燃焼ガスが環状のまま燃焼室４に流入することを防止し、拡散燃焼バーナー側に偏心する流路にするという目的を、簡易な構造で達成することが可能である。
【００３４】
また、保炎器１０ａは、内周側で片持ち状に配置される。つまり、保炎器10ａの内周側で予混合燃焼バーナーに支持（固定）されており、保炎器１０ａの外周側の縁は、前記予混合燃焼バーナー外周壁から分離しているものとする。これにより、保炎器１０ａの熱伸び等による応力を逃がすことができ、更に保炎器10ａ下流側の縁と予混合燃焼バーナー外周壁の間より燃焼室に吐出する予混合気１１、若しくは空気により拡散火炎による燃焼室側壁の温度上昇を防止することができる。
【００３５】
図１，図２、及び図３の燃焼器に関し、ガス燃料、及び液体燃料燃焼時における運転条件と火炎形状の一例を図４，図５に示す。
【００３６】
図４は燃焼器着火時の燃焼状態を示しており、ガス燃料と液体燃料燃焼時の火炎形状を各々燃焼器中心軸から上と下に示している。まず、ある燃焼器において、拡散旋回バーナー５にガス１５ａ、若しくは液体燃料１６ａを供給し、何らかの点火装置を用いて拡散火炎１９を形成させる。ガス１５ａは拡散燃焼用空気１２ｂと混合後、拡散火炎１９を形成し、拡散旋回バーナー５によって保炎され、更に保炎器１０ａの下流は低速循環流領域であるため、拡散火炎１９は各保炎器１０ａに添って放射状に広がる。火炎伝播管７は、保炎器１０ａの外周部に配置されているため、高温の燃焼ガス２０は、予混合用空気１２ｃに希釈されることなく保炎器１０ａを介し火炎伝播管７に流入することが可能となり、隣接燃焼器を着火することができる。また、ガス燃料を用いる場合は、他缶を火炎伝播管７によって着火させる時、ガス１５ａに加え予混合用燃料１５ｂを供給し予混合火炎１８も形成することによって、更に火炎の伝播特性が向上する。
【００３７】
燃焼器着火後は、燃料供給量を増加させ、ガスタービンの昇速運転、及び負荷運転をする。図５はこの時のガス燃料と液体燃料燃焼時の火炎形状を各々燃焼器中心軸から上と下に示している。ガス燃料による高負荷燃焼時において、燃焼安定化のための拡散燃焼とＮＯｘ低減のために予混合用燃料を用い希薄予混合燃焼させる。放射状に配置し、更に燃焼器中心軸方向へ傾斜させた保炎器１０ａによって、拡散火炎１９は保炎器１０ａに沿って燃焼器径方向へ放射状に広がり、予混合火炎１８は燃焼器中心軸方向へ伸びる。このため、高温の拡散火炎１９と希薄燃焼による低温の予混合火炎１８が、燃焼器周方向に交差し、燃焼器頭部の瞬時温度均一化によるＮＯｘ低減と燃焼安定化を促進している。
【００３８】
液体燃料使用時の拡散火炎１９は、前述のように保炎器１０ａに添って放射状に広がり、更に傾斜した保炎器１０ａによって予混合用空気１２ｃが燃焼器中心軸方向、即ち拡散旋回バーナー５の下流に流出するため、燃焼室４下流部においては、予混合用空気１２ｃと拡散火炎１９による燃焼ガスの混合が促進し、燃焼器出口の温度偏差を抑え、タービン翼の焼損を防止できる。また、予混合用空気１２ｃによる希釈効果から、拡散火炎１９の長炎化を防止できるため、高温燃焼領域が減少しＮＯｘ排出量が低減できる。
【００３９】
また、保炎器１０ａと予混合器６外周壁の間に隙間があり、高速の空気、若しくは予混合気が燃焼室壁面に沿って噴出するため、全ての燃焼状態において、燃焼室壁面を冷却し、温度上昇を防止している。
【００４０】
図６は燃焼器着火から定格負荷における燃料、及び水流量制御の一例を示す。図６の上図に示すように予混合燃料ノズルはＦ１からＦ４に４分割されて各々別系統にて予混合用ガス燃料の制御が可能となっている。
【００４１】
図６（ｂ）にガス燃料と液体燃料燃焼時のガスタービン負荷に対する燃料流量を示す。ガス燃料燃焼の場合、燃焼器着火からガスタービン昇速を経て、ある部分負荷まで拡散燃料で運用する。その後負荷上昇に伴いＦ１からＦ４まで順次予混合燃料を投入していく。このように予混合燃料を段階的に投入することにより、予混合気の燃料と空気の混合比を、不安定燃焼と逆火が防止できる最適条件にて予混合燃焼を制御することが可能となる。
【００４２】
また液体燃料燃焼時は、拡散燃料のみの運用となるが、燃焼が安定したある部分負荷時に水を投入し、ＮＯｘ濃度の低減を図る。
【００４３】
図１から図３の実施例に対し、本発明を用いた他の予混合器６構造を図７から図９に示す。
【００４４】
図７は仕切板２２を保炎器１０ａから下流部へ突き出して設置した場合を示している。この仕切板２２により予混合気の保炎器１０ａ間から下流への流れを周方向に拘束し、保炎器１０ａが燃焼室４と接する面に形成する循環流の安定化を図ることができ、予混合気の不安定燃焼と燃焼振動を防止する。
【００４５】
そして、予混合燃焼バーナー出口の流速偏差や燃料濃度偏差を減少させて、
ＮＯｘの低減及び逆火を防止できる。
【００４６】
図８は保炎器１０ａの内周側にスリット２８と複数の冷却孔３１を設けた構造を示している。スリット２８内部に設けた冷却孔３１は、拡散燃焼用空気１２ｂから分岐し供給され、フィルム状の空気を保炎器の近傍から燃焼室４と接する保炎器１０ａの面に向けて噴出することにより、確実に保炎器１０ａの温度上昇を防止することが可能となる。又、保炎器１０ａに予混合器６内部から保炎器10ａ下流部に向けて冷却孔を設置することによって、直接保炎器１０ａを冷却することが可能となると共に、燃焼室４と接する保炎器１０ａの面から冷却孔を経て吐出する予混合気によって、噴流保炎が可能となり、予混合火炎の安定性が向上する。
【００４７】
図９は保炎器１０ａ間における予混合器６の内側隔壁の縁が、上流部から下流部に向かって、予混合燃焼バーナーの予混合気１１、若しくは空気流路断面積が拡大するような傾斜面を有する構造とした場合を示している。これにより、燃焼室において燃焼器中心軸に向かって予混合気、若しくは予混合用空気が流入しやすくなり、拡散燃料との混合性が向上し、ＮＯｘを低減できる。
【００４８】
本発明を用いた他の実施例として、図１から図３の燃焼器に対し予混合器６と拡散旋回バーナーの間に補助燃料２３が供給できる流路を設け、保炎器１０ａと旋回燃焼空気孔２６の間より燃焼室４へ直接燃料を噴射できるような、複数の補助燃料噴孔２４を設けた構造を図１０に示す。ガス燃料燃焼時、特にガスタービンの部分負荷運転時に、拡散火炎から予混合火炎の火移りが悪く、未燃燃料が排出されてしまう場合は、保炎器１０ａ近傍に配置された補助燃料噴孔２４からガス燃料を燃焼室へ噴出することによって、予混合気１１内周側の燃料濃度が増加し、予混合気１１を完全燃焼することができる。またＮＯｘ低減のために拡散ガス燃料を減少させると拡散火炎が不安定となり、それと共に予混合火炎が揺動して大きな燃焼振動が発生する場合がある。この場合補助燃料２３を投入することにより、拡散火炎を分散できるため、燃焼振動を抑制することができる。
【００４９】
本発明を用いた他の実施例として、燃焼器の縦断面図を図１１に示す。図１０の実施例と同様に補助燃料２３が供給できる流路を設けてあり、予混合器６出口に近接した保炎器１０ａ間の上流部における予混合器６内周壁に予混合器６内部へ燃料が噴出可能な補助燃料噴孔２４が設けてある。補助燃料噴孔２４から噴出した燃料は、予混合気１１、若しくは予混合用空気と混合し、保炎器１０ａ間から燃焼室４へ供給される。効果としては図１０の実施例と同様であるが、補助燃料２３が予混合気１１、若しくは予混合用空気と一部混合するために更に低NOx化が図れる。
【００５０】
また、ガス燃料燃焼時に拡散火炎と予混合火炎の火移りを補助燃料２３の供給により確実にするとともに、燃焼室径方向への燃料供給位置の分散により燃焼振動を低減する。
【００５１】
図１０，図１１の燃焼器に係り、本発明を用いた他の実施例として、予混合器６と拡散旋回バーナー５の間に補助予混合器３２を設置した場合を図１２に示す。部分負荷時の未燃燃料の低減と燃焼振動の抑制効果は図１０，図１１の燃焼器と同様であるが、補助予混合器３２出口にも放射型の保炎器１０ｂを設置することによって、補助燃料２３による予混合火炎が安定化し、更に拡散火炎が補助予混合器３２の燃焼室４と接する保炎器１０ｂの面を通過できるため、着火時隣接缶への火炎伝播特性や燃焼器出口の均一温度特性を損なうことなく、更なるNOx低減が図れる。
【００５２】
次に、パイロットバーナーとパイロットバーナーの外周に予混合燃焼バーナーを配置した既存のガスタービン燃焼器において、保炎器１０ａを取り付けることで改造を行う方法について、以下説明する。パイロットバーナーとパイロットバーナーの外周に予混合燃焼バーナーを配置した既存のガスタービン燃焼器に放射状の保炎器を取り付けるときは、保炎器の下流側の縁において内周側よりも外周側の方が下流側に位置するように傾斜配置し、好ましくはその燃焼器中心軸に対する傾斜角度が３０度以上６０度以下であるものとする。これにより、外周側の予混合燃焼ガスが保炎器の下流側の縁を通過した後に燃焼器の軸心へ収束する方向に偏向し、内周側の拡散燃焼ガスを十分に希釈混合するため、拡散火炎の長炎化を防いでＮＯｘの発生を低減し、また燃焼器出口の燃焼温度偏差の発生を防いでタービン翼の損傷を防止する。次に、放射状の保炎器を取り付けるときは、内周側で片持ち状に配置するものとする。つまり、保炎器１０ａの内周側で予混合燃焼バーナーに支持（固定）されており、保炎器１０ａの外周側の縁は、前記予混合燃焼バーナー外周壁から分離しているものとする。これにより、保炎器10ａの熱伸び等による応力を逃がすことができ、更に保炎器１０ａ下流側の縁と予混合燃焼バーナー外周壁の間より燃焼室に吐出する予混合気１１、若しくは空気により拡散火炎による燃焼室側壁の温度上昇を防止することができる。以上のように、ガスタービンにおいて、既に取り付けられた燃焼器がパイロットバーナーとパイロットバーナーの外周に予混合燃焼バーナーを配置した形式においては、放射状の保炎器１０ａを取り付けた新しい燃焼器を製作して既存の燃焼器と取り替えるのではなく、既存の燃焼器に放射状の保炎器１０ａを取り付けて改造することで、ほぼ同等の性能を出すことが可能であり、製作費用の低減が可能である。
【００５３】
以上述べたように、本発明をガスタービン用燃焼器に用いることによって、ガス、及び液体燃料に対応した燃焼形態を実現することにより燃焼安定化と低NOx化が両立できる。また、燃焼場の空気と燃料の混合が促進されるため、ガスタービン入口の燃焼ガス温度が均一になり、タービン翼の損傷を防止できる。更に、ガスタービンシステムが多缶の燃焼器で構成され、各缶の着火に火炎伝播管を用いる場合、本発明により火炎伝播性能が向上するため、着火範囲が拡大する。
【００５４】
また、パイロットバーナーとパイロットバーナーの外周に予混合燃焼バーナーを配置した既存のガスタービン燃焼器においても、放射状の保炎器を予混合燃焼バーナーの出口に設置することで、当初から放射状の保炎器を備えたガスタービン燃焼器と同じ効果が期待できる。
【００５５】
【発明の効果】
本発明によると、ガス燃料及び液体燃料の利用可能な燃焼器で適切な燃焼を行い、且つ低ＮＯｘ性に優れたガスタービン燃焼器及びガスタービン燃焼器の燃焼方法並びにガスタービン燃焼器の改造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を用いたガスタービン燃焼器の断面図。
【図２】燃焼器２缶を火炎伝播管で連結した構成断面図。
【図３】燃焼器の燃料ノズルと保炎器を示す断面図。
【図４】燃焼器の拡散燃焼時火炎形状を示す断面図。
【図５】燃焼器の拡散及び予混合燃焼時の火炎形状を示す断面図。
【図６】燃焼器の保炎器構成及び流量関係図。
【図７】本発明を用いた予混合器の部分拡大断面図。
【図８】本発明を用いた予混合器の部分拡大断面図。
【図９】本発明を用いた予混合器の部分拡大断面図。
【図１０】本発明を用いた燃焼器の断面図。
【図１１】本発明を用いた燃焼器の断面図。
【図１２】本発明を用いた燃焼器の断面図。
【図１３】燃焼器中心軸に対する保炎器の傾斜角度と傾斜角度により現れる現象の影響度合いを表した図。
【図１４】予混合流路が周方向に不均一である場合を示す図。
【図１５】燃焼器軸心を中心に予混合流路に回転成分を持たせた場合を示す図。
【符号の説明】
１…外筒壁、２…エンドフランジ、３…内筒壁、４…燃焼室、５…拡散旋回バーナー、６…予混合器、７…火炎伝播管、８…旋回翼、９…予混合用燃料ノズル、１０ａ，１０ｂ…保炎器、１１…予混合気、１２ａ…燃焼用空気、１２ｂ…拡散燃焼用空気、１２ｃ…予混合用空気、１３ａ，１５ａ…ガス、１３ｂ…予混合燃焼用ガス燃料噴孔、１４…拡散燃焼用液体燃料噴孔、１５ｂ…予混合用燃料、１６ａ…液体燃料、１８…予混合火炎、１９…拡散火炎、２１…ガス及び液体燃料流路、２２…予混合器仕切板、２３…補助燃料、２４…補助燃料噴孔、２６…旋回燃焼空気孔、２７…アトマイズ空気噴孔、２８…スリット、２９…水噴射ノズル、３０…蒸気、３１…冷却孔、３２…補助予混合器。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a gas turbine combustor, a gas turbine combustor combustion method, and a gas turbine combustor remodeling method.
[0002]
[Prior art]
Examples of gas turbine combustors that use a premixed combustion method and a diffusion combustion method in a conventional gas turbine combustor include Patent Document 1, Patent Document 2, and the like.
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-11-94255
[Patent Document 2]
JP-A-3-255815
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the technique described in Patent Document 1, liquid fuel that has not evaporated in the evaporation process after injection is liable to cause a coking phenomenon such as adhering to the flame holder and carbonizing as it is, and self-ignition of premixed gas by this carbide. In addition, there is a problem that backfire occurs in which a flame flows into the premixed combustion burner. In addition, there is a problem that the cooling performance of the part where the carbide adheres in the structure is deteriorated or the carbide is peeled off and collides with another structure to be damaged. Furthermore, since the pre-evaporation premixing method is used in combination with the diffusion combustion method, the system becomes complicated, and means for preventing coking inside the fuel nozzle and maintenance are required.
[0005]
In the technique described in Patent Document 2, the same problem as described above occurs even when liquid fuel is used in the pre-evaporation premix combustion method. In addition, when a plurality of combustors are installed on the outer periphery of the gas turbine and the premixed combustion burner is coaxially arranged on the outer periphery of the diffusion combustion burner that is a pilot burner, premixing air is placed around the diffusion flame that is a pilot flame. Therefore, there is a problem that the diffusion flame cannot reach the flame propagation tube connected to the side wall of the combustor and the adjacent combustor cannot be ignited.
[0006]
Further, when pre-evaporation mixing is performed using liquid fuel, pre-evaporation is impossible because the air temperature at the time of ignition is low, and ignition by a pilot burner becomes indispensable, and the above problem of flame propagation becomes more important.
[0007]
An object of the present invention is to perform a suitable combustion in a combustor that can use gas fuel and liquid fuel, and to have excellent low NOx properties, a combustion method for the gas turbine combustor, and a modification of the gas turbine combustor. Is to provide a method.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The present invention comprises a plurality of flame holders arranged radially at the outlet of the premixed combustion burner, each of the plurality of flame holders projecting from the inner peripheral side to the outer peripheral side. And cantilevered on the inner circumference side of the premix burner so that a circumferentially narrowed flow path is formed between adjacent flame holders The flame stabilizer is inclined so that the outer peripheral side is positioned on the downstream side rather than the inner peripheral side at the downstream edge thereof, and the flame stabilizer is the premixed combustion burner. And the outer peripheral edge of the flame holder is separated from the outer wall of the premixed combustion burner. It is characterized by that.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A pilot burner, a premixed combustion burner disposed on the outer periphery of the pilot burner, and a substantially cylindrical combustor inner cylinder wall disposed downstream of the premixed combustion burner and forming a combustion chamber therein In the gas turbine combustor, a flame holder radially disposed at an outlet of the premixed combustion burner, and the pilot burner includes fuel injection means for injecting at least one of gas fuel and liquid fuel, A plurality of air injection holes for injecting air into the combustion chamber are provided outside the pilot burner and inside the premixed combustion burner. By installing a radial flame holder at the outlet of the premix burner in this way, the fuel of the pilot burner forms a flame on the flame holding surface, and when using gas fuel, the premix flame is stabilized, When fuel is used, the mixture of air discharged from the premix burner and the fuel in the pilot burner is promoted to prevent the diffusion flame from becoming long. Moreover, the air nozzle hole between the pilot burner and the premixed combustion burner prevents the temperature increase of the flame holding surface and further stabilizes the diffusion flame.
[0010]
In addition, by attaching a radial flame holder, it is possible to make the temperature distribution at the combustor outlet uniform, leading to protection of the turbine. Here, the flame holders arranged radially are a plurality of flame holder shapes when the pilot burner is viewed from the combustion chamber, from the flame holder inner circumferential side toward the outer circumferential side (radially outward). It represents a protruding portion.
[0011]
And a flame propagation tube radially disposed at the outlet of the premixed combustion burner and a flame propagation tube having an opening at a circumferential position coincident with one or more of the flame stabilizers on a side wall of the inner cylinder wall of the combustor; Shall be provided. In this way, the flame propagation tube is connected to the side wall of the inner wall of the combustor with an opening at a circumferential position that coincides with one of the flame holders, so that the diffusion flame that has reached the outlet of the premixed combustion burner Of these, only the flame diffused along the flame holding surface of the flame holder can reach the flame propagation tube located on the outer peripheral side without being diluted by the premixed gas, and can ignite other combustors. .
[0012]
Further, the flame stabilizer is inclined so that the outer peripheral side is positioned on the downstream side rather than the inner peripheral side at the downstream edge thereof, and the inclination angle with respect to the combustor central axis is preferably 30 degrees. It is assumed that the angle is within 60 degrees. In this way, the premixed combustion gas on the outer peripheral side is deflected in a direction to converge on the axis of the combustor after passing through the downstream edge of the flame holder, so that the diffusion combustion gas on the inner peripheral side is sufficiently diluted and mixed. In addition, the diffusion flame is prevented from being lengthened to reduce the generation of NOx, and the combustion temperature deviation at the combustor outlet is prevented from being damaged to prevent the turbine blade from being damaged.
[0013]
By inclining the radially arranged flame holders so that the outer peripheral side is positioned on the downstream side rather than the inner peripheral side at the downstream edge, the effect of further improving the stability of the flame is achieved.
[0014]
The flame holder is fixed to the premixed combustion burner on the inner peripheral side, and the outer peripheral edge of the flame holder is separated from the outer wall of the premixed combustion burner. As a result, the stress due to the thermal elongation of the flame holder can be released, and further, the diffusion flame is created by the premixed gas or air discharged into the combustion chamber from between the edge on the downstream side of the flame holder and the outer peripheral wall of the premixed combustion burner. Prevents the temperature of the combustion chamber side wall from rising.
[0015]
Further, the air nozzle hole has a structure in which air is swirled and ejected. Thereby, since air spreads by swirling, cooling of the flame-holding surface is improved, and further stabilization of the diffusion flame is achieved by expanding the circulation flow area by swirling air.
[0016]
Further, a slit is provided outside the air injection hole and inside the premixed combustion burner, and means for allowing air to flow toward the flame holder is provided between the slits. Thereby, the film-form air discharged from a slit covers a flame-holding surface, and improves cooling performance.
[0017]
Further, a nozzle capable of injecting water or steam is provided at the air inflow portion or the air outflow portion of the pilot burner. Thereby, at the time of diffusive combustion of the liquid fuel, NOx can be effectively reduced by supplying water or steam to the vicinity of the fuel ejection portion.
[0018]
In addition, a partition plate that divides the flow path of the premixed combustion burner in the circumferential direction is provided. As a result, the drift in the circumferential direction of the premixed gas (or premixed air) inside the premixed combustion burner is suppressed, the flow velocity deviation and fuel concentration deviation at the premixed combustion burner outlet are reduced, and NOx is reduced. And can prevent backfire.
[0019]
Further, the flame holder is arranged so as to be positioned between the partition plate and the adjacent partition plate. As a result, the premixed gas (or premixed air) flowing in the circumferential direction side of the flame stabilizer is prevented from drifting in the circumferential direction, and the flow velocity deviation and fuel concentration deviation at the premixed combustion burner outlet are reduced to reduce NOx. And can prevent backfire.
[0020]
Moreover, the said partition plate shall be arrange | positioned and protruded in the combustion chamber to the downstream of the said flame holder. Thereby, a stable circulating flow of the premixed gas can be formed downstream of the flame holding surface, and the stability of the premixed flame is improved.
[0021]
The flame holder is provided with a plurality of injection holes for ejecting premixed gas or air in the combustion chamber. Thereby, the cooling performance of the flame holding surface is improved, and in the case of premixed gas, stabilization of the premixed flame by jet flame holding of the flame holding surface can be achieved.
[0022]
In addition, the edge of the inner partition wall of the premixed combustion burner has an inclined surface in which the premixed gas or the air flow passage cross-sectional area of the premixed combustion burner increases from the upstream portion toward the downstream portion. . As a result, premixed gas or premixed air easily flows toward the combustor central axis in the combustion chamber, so that the mixing with the diffusion fuel is improved and NOx can be reduced.
[0023]
Further, a fuel injection hole capable of directly injecting auxiliary fuel into the combustion chamber is provided between the flame holder and the pilot burner. Alternatively, a nozzle that can inject auxiliary fuel and an air flow path are provided between the premixed combustion burner and the pilot burner, and the fuel and the air are premixed and premixed and combusted in a combustion chamber. A combustion burner shall be installed. Alternatively, the auxiliary fuel is premixed with the premixed combustion burner between the radially arranged flame holders and the circumferentially adjacent flame holders and downstream from the fuel injection nozzle of the premixed combustion burner. It is assumed that a means capable of jetting gas or air is provided. As a result, when the gas fuel is burned, the flame transfer of the diffusion flame and the premixed flame is ensured by the addition of the auxiliary fuel, and the combustion vibration is reduced by the dispersion of the fuel supply position in the radial direction of the combustion chamber.
[0024]
The premixed combustion burner has a structure in which a plurality of fuel nozzles are divided into several parts so that fuel can be controlled and supplied, and a combination of nozzles for injecting fuel among the fuel nozzles divided according to the gas turbine load. Has a control method that changes. This makes it possible to control the total fuel flow rate according to the load while maintaining the stability of the premixed flame during gas fuel combustion.
[0025]
(Example)
As a first embodiment using the present invention, a schematic structure of a gas turbine combustor is shown in FIGS. As shown in FIG. 1, the combustor is surrounded by an outer cylinder wall 1 and an end flange 2, a combustion chamber 4 surrounded by an inner cylinder wall 3, a diffusion swirl burner for diffusion combustion, and a fuel and air are mixed to produce a premixed gas Is composed of a pre-mixer 6, a flame propagation pipe 7 for propagating a flame to other combustors upon ignition, and a fuel and air supply system.
[0026]
The diffusion swirl burner 5 installed on the combustor central axis swirls the diffusion combustion air 12b distributed from the combustion air 12a with the swirl vanes 8, and further discharges it from the gas 13a or liquid fuel injection hole 14. Mixing with fuel in the combustion chamber 4 forms a diffusion flame. Around the diffusion swirl burner 5, a plurality of swirl combustion air holes 26 for supplying the diffusion combustion air 12 b to the combustion chamber 4 are further provided. The liquid fuel for diffusion combustion is atomized by a jet of atomized air supplied from an atomized air nozzle 27 provided around the liquid fuel nozzle 14. A water injection nozzle 29 is provided in the air inflow portion of the swirl vane 8, and the steam 30 can be supplied to the combustion chamber while being mixed with the diffusion combustion air 12b.
[0027]
An annular premixer 6 installed around the diffusion swirl burner 5 premixes the fuel discharged from the gas 13a of the plurality of premixing fuel nozzles 9 and the premixing air 12c distributed from the combustion air 12a. The premixed gas 11 is generated, and the premixed flame 18 is formed and held by the flame holder 10 a provided at the inlet of the combustion chamber 4 downstream of the premixed gas 11. A plurality of flame stabilizers 10a are arranged radially with respect to the combustor central axis, and each flame stabilizer 10a is installed inclined with respect to the combustor central axis. A partition plate 22 is provided in the premixer 6 so as to divide the premixer 6 flow path in the circumferential direction from the premixer 6 inlet to the flame holder 10a upstream side.
[0028]
The flame holder 10a arranged to be inclined with respect to the combustor central axis is not limited to a substantially flat surface as viewed from the side of the combustor, but may be slightly convex or concave.
[0029]
FIG. 2 shows a cross-sectional view of the case where the two combustors of FIG. Eight flame holders 10a are installed in each combustor, and each flame holder 10a is installed upstream between the partition plates 22 of the premixer 6 and upstream between the fuel nozzles for premixing. The flame propagation tube 7 is installed on the inner cylindrical wall 3 in the radial direction with respect to a certain flame holder 10 a installed in each combustor, and connects the two combustion chambers 4.
[0030]
FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of the combustor shown in FIG. 1 centering on a diffusion swirl burner. The function of each part and the flow direction of fluid passing therethrough will be described below. The diffusion combustion air 12b of the diffusion swirl burner is swirled by the swirl vanes 8, and flows into the combustion chamber at a certain inward angle toward the combustor central axis. The liquid fuel discharged from the liquid fuel nozzle and atomized by atomized air is rapidly mixed with the swirling air flow having the inward angle, so that the generation of soot due to combustion with insufficient air can be prevented and a stable diffusion flame can be formed. . The water injection nozzle 29 provided in the upstream part of the swirl vane 8 injects water toward the swirl vane 8 and mixes the diffusion combustion air 12b and water. Furthermore, since water is then rapidly mixed with the liquid fuel in the combustion chamber 4, the heat generation density of the fuel can be reduced efficiently, and NOx can be reduced. A gas fuel injection hole provided in the vicinity of the air outlet of the swirl vane 8 ejects the gas 15a at a certain outward angle with respect to the central axis of the combustor. When the flow rate of the injected gas fuel is small (when the load of the gas turbine is low), the gas fuel 15a is mainly mixed with the diffusion combustion air 12b because the flow speed of the gas fuel is slow and the penetration force to the diffusion combustion air 12b is small. Combustion is possible near the center axis of the combustor and stable combustion is possible. When the gas turbine load increases and the gas 15a increases, the gas fuel penetration force is large and the swirl combustion air holes 26 and the air (premixed gas) flowing in from the premixer 6 are also mixed. Reduction can be achieved. The swirl combustion air hole 26 is provided around the diffusion combustion burner so that the diffusion combustion air 12b can flow into the combustion chamber in the same swirling direction as the swirl vanes 8, and increases the circulation flow in the vicinity of the combustor central axis. While stabilizing the flame, the spread of air to the premixer 6 side by the swirling flow prevents the diffusion flame from adhering to the surface of the flame holder 10a in contact with the combustion chamber 4 and the rise in the temperature of the flame holder 10a. ing. A slit 28 is provided around the swirl combustion air hole 26, and the diffusion combustion air 12 b is formed into a film and flows out to the surface of the flame holder 10 a in contact with the combustion chamber 4. Temperature rise is prevented. The flame holder 10a installed to be inclined with respect to the center axis of the combustor squeezes the annular premixer 6 flow path in the circumferential direction and expands the flow path in the inclined direction. The premixing air 12 c or the premixed gas 11 is discharged from the premixer 6 toward the combustor central axis of the combustion chamber 4 while suppressing the increase in the above.
[0031]
The flame stabilizer 10a is inclined so that the outer peripheral side is positioned on the downstream side rather than the inner peripheral side at the downstream edge, and preferably the inclination angle with respect to the central axis of the combustor is 30 degrees or more and 60. Less than or equal to In this way, the premixed combustion gas on the outer peripheral side is deflected in a direction to converge on the axis of the combustor after passing through the downstream edge of the flame holder, so that the diffusion combustion gas on the inner peripheral side is sufficiently diluted and mixed. In addition, the diffusion flame is prevented from being lengthened to reduce the generation of NOx, and the combustion temperature deviation at the combustor outlet is prevented from being damaged to prevent the turbine blade from being damaged.
[0032]
The reason why the inclination angle of the flame holder 10a is 30 degrees or more and 60 degrees or less will be described. As shown in FIG. 13, as the inclination angle of the flame holder 10a with respect to the combustor central axis decreases, the amplitude α of the combustion vibration increases exponentially. This is because as the inclination angle of the flame stabilizer 10a decreases, the premixed combustion gas converges on the axis of the combustor, the high-temperature diffusion combustion gas is diluted, and the stability of the flame decreases. This is because the amplitude of is increased. In particular, when the inclination angle is less than 30 degrees, the increase in combustion vibration amplitude becomes significant. Next, the temperature deviation β at the combustor outlet increases exponentially as the inclination angle of the flame holder 10a with respect to the combustor central axis increases. Since the inclination angle of the flame stabilizer is large, the amount of the premixed combustion gas decentered in the direction of convergence to the axial center of the combustor is small, and the premixed combustion gas travels almost straight in the combustion chamber 4. Therefore, the diffusion combustion gas on the inner peripheral side and the premixed combustion gas are not sufficiently mixed, the temperature distribution at the outlet is biased, and the downstream turbine blade is damaged. In particular, when the inclination angle exceeds 60 degrees, an increase in temperature distribution deviation at the combustor outlet becomes significant. Therefore, in consideration of the amplitude of combustion vibration, the temperature deviation at the combustor outlet, and the influence of both, it is preferable that the inclination angle be 30 degrees or more and 60 degrees or less.
[0033]
Next, in a premixed gas turbine combustor comprising a pilot burner, a premixed combustion burner disposed on the outer periphery of the pilot burner, and a substantially cylindrical combustor inner cylinder wall forming a combustion chamber therein, The principle of the combustor with the flame holders 10a arranged radially at the outlet of the premixed combustion burner will be described. In the annular premixed combustion burner, when no flame stabilizer is provided at the outlet of the premixed combustion burner, the premixed combustion gas flows into the combustion chamber 4 while remaining annular. Therefore, the premixed combustion gas becomes a flow that wraps the diffusion combustion gas ejected from the pilot burner. Since the flow of the premixed combustion gas does not actively disrupt the flow of the diffusion combustion gas, it is difficult to uniformly stir the premixed combustion gas and the diffusion combustion gas. Therefore, uneven distribution of fuel occurs, leading to generation of NOx. On the other hand, as in the present embodiment, by attaching a flame holder radially arranged at the outlet of the premixed combustion burner, the gas flowing out from the premixed combustion burner does not flow in the circumferential direction. Locations occur, and the distribution of gas flow velocities alternates in the circumferential direction. This distribution stabilizes the premixed flame when using gas fuel, and promotes the fuel mixing of the air and pilot burner discharged from the premixed burner when using liquid fuel to prevent the diffusion flame from becoming longer. The uniform temperature distribution at the combustor outlet also helps protect the turbine. Further, by tilting the surface of the flame holder 10a in contact with the combustion chamber 4 to the combustor central axis, the premixed combustion gas flowing out from the premixed combustion burner is deflected in a direction that actively converges on the axis of the combustor. Let Crossing with the diffusion combustion gas ejected from the pilot burner, mixing is promoted, the diffusion flame is prevented from becoming longer, NOx generation is reduced, and the combustion temperature deviation at the combustor outlet is prevented from occurring. Prevent damage. The stability of the flame is further improved by a synergistic effect of inclining the flame holder 10a radially arranged at the outlet of the premixed combustion burner and the flame holder 10a in contact with the combustion chamber 4 to the combustor central axis. It is possible to improve. It should be noted that the premix flow path that flows out from the surface of the flame holder 10a in contact with the combustion chamber 4 does not necessarily have a constant interval in the circumferential direction, and the premix gas 11 flow path is not spaced apart as shown in FIG. Even if it is uniform, the diffusion combustion gas ejected from the pilot burner can be diluted and mixed. Moreover, as shown in FIG. 15, you may give a rotation component to the premixed gas 11 flow path centering on the axial center of a combustor. By providing such a rotational component, a further stirring effect of the diffusion combustion gas and the premixed combustion gas can be expected. Note that the radial flame holder 10a inclined to the combustor central axis is attached to the outlet of the premixed combustion burner in order to prevent the premixed combustion gas from flowing into the combustion chamber 4 while remaining in the annular shape, The object is to decenter the mixed combustion gas toward the diffusion combustion burner. In order to achieve this object, for example, without providing the flame stabilizer 10a, an annular premixed combustion burner arranged on the outer periphery of the pilot burner is divided in the circumferential direction by the partition wall, and the premixed combustion burner outlet is provided. Since the premixed combustion gas flowing out of the premixed combustion burner has a distribution in which the flow velocity is alternately arranged in the circumferential direction, the flow path can be made eccentric to the diffusion combustion burner side. It is possible to make the same premix channel as when the radial flame holder 10a is attached. However, the shape of the flame holder as in the present embodiment prevents the premixed combustion gas from flowing into the combustion chamber 4 in the form of a ring and makes the flow path eccentric to the diffusion combustion burner side. It can be achieved with a simple structure.
[0034]
The flame holder 10a is disposed in a cantilevered manner on the inner peripheral side. That is, it is supported (fixed) by the premixed combustion burner on the inner peripheral side of the flame holder 10a, and the outer peripheral edge of the flame holder 10a is separated from the outer peripheral wall of the premixed combustion burner. . As a result, stress due to the thermal elongation of the flame holder 10a can be released, and the premixed gas 11 or air discharged from the space between the downstream edge of the flame holder 10a and the outer peripheral wall of the premixed combustion burner to the combustion chamber. Thus, the temperature rise of the combustion chamber side wall due to the diffusion flame can be prevented.
[0035]
Examples of operating conditions and flame shapes during combustion of gas fuel and liquid fuel are shown in FIGS. 4 and 5 for the combustors of FIGS.
[0036]
FIG. 4 shows the combustion state when the combustor is ignited, and the flame shapes when the gas fuel and the liquid fuel are combusted are respectively shown above and below the combustor central axis. First, in a certain combustor, the gas 15a or the liquid fuel 16a is supplied to the diffusion swirl burner 5, and a diffusion flame 19 is formed by using any ignition device. After the gas 15a is mixed with the diffusion combustion air 12b, a diffusion flame 19 is formed and held by the diffusion swirl burner 5, and further, the downstream of the flame holder 10a is a low-speed circulation flow region. It spreads radially along the firearm 10a. Since the flame propagation tube 7 is disposed on the outer periphery of the flame holder 10a, the high-temperature combustion gas 20 flows into the flame propagation tube 7 via the flame holder 10a without being diluted with the premixing air 12c. And the adjacent combustor can be ignited. When gas fuel is used, when other cans are ignited by the flame propagation pipe 7, the premixed fuel 18 is also formed by supplying the premixed fuel 15b in addition to the gas 15a, thereby further improving the flame propagation characteristics. To do.
[0037]
After the combustor is ignited, the fuel supply amount is increased, and the gas turbine is accelerated and loaded. FIG. 5 shows the flame shapes at the time of gas fuel and liquid fuel combustion at this time above and below the center axis of the combustor, respectively. At the time of high load combustion with gas fuel, lean premix combustion is performed using premix fuel for diffusion combustion for combustion stabilization and NOx reduction. The diffusion flame 19 is spread radially along the combustor radial direction along the flame stabilizer 10a, and the premixed flame 18 is combusted by the combustor central axis. Extend in the direction. For this reason, the high-temperature diffusion flame 19 and the low-temperature premixed flame 18 due to the lean combustion intersect the circumferential direction of the combustor, and promote NOx reduction and combustion stabilization by instantaneous temperature uniformization of the combustor head.
[0038]
When the liquid fuel is used, the diffusion flame 19 spreads radially along the flame holder 10a as described above, and the inclined flame holder 10a causes the premixing air 12c to move in the direction of the combustor central axis, that is, the diffusion swirl burner 5. Therefore, in the downstream portion of the combustion chamber 4, the mixing of the combustion gas by the premixing air 12c and the diffusion flame 19 is promoted, the temperature deviation at the combustor outlet can be suppressed, and the turbine blade can be prevented from being burned out. Further, since the diffusion flame 19 can be prevented from becoming longer due to the dilution effect by the premixing air 12c, the high-temperature combustion region can be reduced and the NOx emission amount can be reduced.
[0039]
In addition, since there is a gap between the flame holder 10a and the outer peripheral wall of the premixer 6, high-speed air or premixed gas is ejected along the combustion chamber wall surface, so that the combustion chamber wall surface is cooled in all combustion states. The temperature rise is prevented.
[0040]
FIG. 6 shows an example of fuel and water flow rate control from the combustor ignition to the rated load. As shown in the upper diagram of FIG. 6, the premix fuel nozzle is divided into four from F1 to F4, and the premix gas fuel can be controlled by separate systems.
[0041]
FIG. 6B shows the fuel flow rate with respect to the gas turbine load at the time of gas fuel and liquid fuel combustion. In the case of gas fuel combustion, it is operated with diffusion fuel from a combustor ignition to gas turbine acceleration to a certain partial load. Thereafter, the premixed fuel is sequentially introduced from F1 to F4 as the load increases. By introducing the premixed fuel step by step in this way, it is possible to control the premixed combustion under the optimum conditions that can prevent unstable combustion and flashback of the fuel / air mixture ratio of the premixed gas. Become.
[0042]
In the liquid fuel combustion, only diffusion fuel is used, but water is introduced at a partial load where the combustion is stable to reduce the NOx concentration.
[0043]
7 to 9 show other premixer 6 structures using the present invention for the embodiment shown in FIGS.
[0044]
FIG. 7 shows a case where the partition plate 22 is installed protruding from the flame holder 10a to the downstream portion. This partition plate 22 restrains the flow of the premixed gas from between the flame holders 10a to the downstream in the circumferential direction, and can stabilize the circulation flow formed on the surface where the flame holder 10a contacts the combustion chamber 4. Prevents unstable combustion and combustion vibration of premixed gas.
[0045]
And reduce the flow velocity deviation and fuel concentration deviation at the premixed combustion burner outlet,
NOx reduction and backfire can be prevented.
[0046]
FIG. 8 shows a structure in which a slit 28 and a plurality of cooling holes 31 are provided on the inner peripheral side of the flame holder 10a. The cooling hole 31 provided in the slit 28 is branched and supplied from the diffusion combustion air 12b, and jets film-like air from the vicinity of the flame holder toward the flame holder 10a in contact with the combustion chamber 4. Thus, it is possible to reliably prevent the temperature increase of the flame holder 10a. In addition, by installing a cooling hole in the flame holder 10a from the inside of the premixer 6 toward the downstream portion of the flame holder 10a, the flame holder 10a can be directly cooled and in contact with the combustion chamber 4. The premixed gas discharged from the surface of the flame holder 10a through the cooling hole enables jet flame holding and improves the stability of the premixed flame.
[0047]
FIG. 9 shows that the edge of the inner partition wall of the premixer 6 between the flame stabilizers 10a increases the premixed air 11 of the premixed combustion burner or the air channel cross-sectional area from the upstream portion toward the downstream portion. The case where it is set as the structure which has an inclined surface is shown. As a result, premixed gas or premixed air easily flows toward the combustor central axis in the combustion chamber, so that the mixing with the diffusion fuel is improved and NOx can be reduced.
[0048]
As another embodiment using the present invention, a flow path capable of supplying auxiliary fuel 23 is provided between the premixer 6 and the diffusion swirl burner for the combustor of FIGS. 1 to 3, and the flame holder 10a and swirl combustion are provided. FIG. 10 shows a structure in which a plurality of auxiliary fuel injection holes 24 are provided so that fuel can be directly injected into the combustion chamber 4 from between the air holes 26. In the case of gas fuel combustion, particularly during partial load operation of the gas turbine, if the premixed flame is poorly transferred from the diffusion flame and unburned fuel is discharged, the auxiliary fuel injection hole arranged near the flame holder 10a By jetting gas fuel from 24 to the combustion chamber, the fuel concentration on the inner peripheral side of the premixed gas 11 is increased, and the premixed gas 11 can be completely burned. Further, when the diffusion gas fuel is decreased to reduce NOx, the diffusion flame becomes unstable, and the premixed flame may swing at the same time to generate a large combustion vibration. In this case, by introducing the auxiliary fuel 23, the diffusion flame can be dispersed, so that combustion vibration can be suppressed.
[0049]
FIG. 11 shows a longitudinal sectional view of a combustor as another embodiment using the present invention. Similar to the embodiment of FIG. 10, a flow path capable of supplying the auxiliary fuel 23 is provided, and the premixer 6 inside is provided on the inner peripheral wall of the premixer 6 in the upstream portion between the flame holders 10 a close to the premixer 6 outlet. An auxiliary fuel injection hole 24 through which fuel can be injected is provided. The fuel ejected from the auxiliary fuel injection hole 24 is mixed with the premixed gas 11 or the premixed air, and supplied to the combustion chamber 4 from between the flame holders 10a. Although the effect is the same as that of the embodiment of FIG. 10, since the auxiliary fuel 23 is partially mixed with the premixed air 11 or the premixed air, the NOx can be further reduced.
[0050]
In addition, the combustion of the diffusion flame and the premixed flame during gas fuel combustion is ensured by supplying the auxiliary fuel 23, and combustion vibration is reduced by dispersion of the fuel supply position in the combustion chamber radial direction.
[0051]
FIG. 12 shows a case where an auxiliary premixer 32 is installed between the premixer 6 and the diffusion swirl burner 5 as another embodiment using the present invention in connection with the combustor of FIGS. The effect of reducing unburned fuel at the time of partial load and suppressing combustion vibration is the same as that of the combustor of FIGS. 10 and 11, but by installing a radial flame holder 10b at the outlet of the auxiliary premixer 32 as well. Since the premixed flame by the auxiliary fuel 23 is stabilized and the diffusion flame can pass through the surface of the flame holder 10b in contact with the combustion chamber 4 of the auxiliary premixer 32, the flame propagation characteristics to the adjacent cans at the time of ignition and the combustor Further NOx reduction can be achieved without impairing the uniform temperature characteristics at the outlet.
[0052]
Next, a method of remodeling the existing gas turbine combustor in which the premixed combustion burner is disposed around the pilot burner and the pilot burner by attaching the flame holder 10a will be described below. When installing a radial flame holder in an existing gas turbine combustor with a premixed combustion burner on the pilot burner and the outer circumference of the pilot burner, the outer edge of the flame holder is located on the outer circumferential side rather than the inner circumferential side. Is inclined so as to be located on the downstream side, and preferably the inclination angle with respect to the combustor central axis is not less than 30 degrees and not more than 60 degrees. In this way, the premixed combustion gas on the outer peripheral side is deflected in a direction to converge on the axis of the combustor after passing through the downstream edge of the flame holder, so that the diffusion combustion gas on the inner peripheral side is sufficiently diluted and mixed. In addition, the diffusion flame is prevented from being lengthened to reduce the generation of NOx, and the combustion temperature deviation at the combustor outlet is prevented from being damaged to prevent the turbine blade from being damaged. Next, when installing a radial flame holder, it shall be cantilevered on the inner circumference side. That is, it is supported (fixed) by the premixed combustion burner on the inner peripheral side of the flame holder 10a, and the outer peripheral edge of the flame holder 10a is separated from the outer peripheral wall of the premixed combustion burner. . As a result, the stress due to the thermal elongation of the flame holder 10a can be released, and the premixed gas 11 or air discharged from the space between the downstream edge of the flame holder 10a and the outer peripheral wall of the premixed combustion burner to the combustion chamber. Thus, the temperature rise of the combustion chamber side wall due to the diffusion flame can be prevented. As described above, in the type in which the combustor already installed in the gas turbine has the pilot burner and the premixed combustion burner arranged on the outer periphery of the pilot burner, a new combustor with a radial flame holder 10a is manufactured. By replacing the existing combustor with the radial flame holder 10a and remodeling the existing combustor, it is possible to achieve almost the same performance, and the manufacturing cost can be reduced. .
[0053]
As described above, by using the present invention for a gas turbine combustor, it is possible to achieve both combustion stabilization and low NOx by realizing a combustion mode corresponding to gas and liquid fuel. Further, since mixing of air and fuel in the combustion field is promoted, the temperature of the combustion gas at the gas turbine inlet becomes uniform, and damage to the turbine blades can be prevented. Further, when the gas turbine system is composed of a multi-can combustor and a flame propagation tube is used for ignition of each can, the flame propagation performance is improved by the present invention, so that the ignition range is expanded.
[0054]
In addition, in the existing gas turbine combustor where the premixed combustion burner is arranged on the outer periphery of the pilot burner and the pilot burner, a radial flame holder is installed at the outlet of the premixed combustion burner, so that the radial flame holding is performed from the beginning. The same effect as a gas turbine combustor equipped with a combustor can be expected.
[0055]
【The invention's effect】
According to the present invention, a gas turbine combustor that performs appropriate combustion in a combustor that can use gas fuel and liquid fuel and that is excellent in low NOx, a combustion method for the gas turbine combustor, and a method for remodeling the gas turbine combustor Can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a gas turbine combustor using the present invention.
FIG. 2 is a sectional view of a configuration in which two cans are connected by a flame propagation tube.
FIG. 3 is a sectional view showing a fuel nozzle and a flame holder of a combustor.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a flame shape during diffusion combustion of a combustor.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a flame shape during diffusion of the combustor and premixed combustion.
FIG. 6 is a diagram of the flame holder configuration and flow rate of the combustor.
FIG. 7 is a partially enlarged cross-sectional view of a premixer using the present invention.
FIG. 8 is a partially enlarged cross-sectional view of a premixer using the present invention.
FIG. 9 is a partially enlarged cross-sectional view of a premixer using the present invention.
FIG. 10 is a cross-sectional view of a combustor using the present invention.
FIG. 11 is a cross-sectional view of a combustor using the present invention.
FIG. 12 is a cross-sectional view of a combustor using the present invention.
FIG. 13 is a diagram showing the inclination angle of the flame holder with respect to the center axis of the combustor and the degree of influence of the phenomenon appearing depending on the inclination angle.
FIG. 14 is a diagram showing a case where the premix flow path is uneven in the circumferential direction.
FIG. 15 is a diagram showing a case where a rotational component is given to the premixing flow path around the combustor axis.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Outer cylinder wall, 2 ... End flange, 3 ... Inner cylinder wall, 4 ... Combustion chamber, 5 ... Diffusion swirl burner, 6 ... Premixer, 7 ... Flame propagation pipe, 8 ... Swirling blade, 9 ... Premixing Fuel nozzle, 10a, 10b ... Flame holder, 11 ... Premixed gas, 12a ... Combustion air, 12b ... Diffusion combustion air, 12c ... Premixing air, 13a, 15a ... Gas, 13b ... Premixed combustion gas Fuel injection holes, 14 ... Liquid fuel injection holes for diffusion combustion, 15b ... Premix fuel, 16a ... Liquid fuel, 18 ... Premix flame, 19 ... Diffusion flame, 21 ... Gas and liquid fuel flow path, 22 ... Premix 23: auxiliary fuel, 24 ... auxiliary fuel injection hole, 26 ... swirling combustion air hole, 27 ... atomizing air injection hole, 28 ... slit, 29 ... water injection nozzle, 30 ... steam, 31 ... cooling hole, 32 ... auxiliary premixer.

Claims

A pilot burner provided with fuel injection means capable of injecting gas fuel and liquid fuel, a premixed combustion burner disposed on the outer periphery of the pilot burner, and a combustion chamber disposed downstream of the premixed combustion burner. A gas turbine combustor having a substantially cylindrical combustor inner cylindrical wall to be formed,
Comprising a plurality of flame holders arranged radially at the outlet of the premixed combustion burner, each of the plurality of flame holders being formed as a plurality of radial protrusions protruding from the inner peripheral side to the outer peripheral side, And it is arranged in a cantilever manner on the inner peripheral side of the premix burner so that a circumferentially narrowed flow path is formed between adjacent flame holders, and the flame holder has a downstream edge. The flame holder is fixed to the premixed combustion burner on the inner circumferential side so that the outer circumferential side is located downstream from the inner circumferential side. A gas turbine combustor characterized in that an outer peripheral edge is separated from an outer peripheral wall of the premixed combustion burner.

The gas turbine combustor according to claim 1, further comprising a flame propagation tube having an opening at a circumferential position that coincides with one of the flame holders on a side wall of the inner cylinder wall of the combustor. Combustor.

2. The gas turbine combustor according to claim 1, wherein an inclination angle of the flame holder with respect to a combustor central axis is not less than 30 degrees and not more than 60 degrees.

2. The gas turbine combustor according to claim 1, further comprising a plurality of air injection holes for injecting air into the combustion chamber outside the pilot burner and inside the premixed combustion burner. A gas turbine combustor having a structure in which air is swirled and ejected.

2. The gas turbine combustor according to claim 1, further comprising a plurality of air injection holes for injecting air into the combustion chamber outside the pilot burner and inside the premixed combustion burner. A gas turbine combustor characterized in that a slit is provided inside the premixed combustion burner on the outside, and means for allowing air to flow toward the flame holder is provided between the slits.

2. The gas turbine combustor according to claim 1, wherein a nozzle capable of injecting water or steam is provided at an air inflow portion or an air outflow portion of the pilot burner.

The combustor of the gas turbine according to claim 1, wherein
A gas turbine combustor comprising a partition plate that divides a flow path of the premixed combustion burner in a circumferential direction.

A pilot burner having fuel injection means capable of injecting gas fuel and liquid fuel, a premixed combustion burner disposed in a premixing flow path on the outer periphery of the pilot burner, and disposed downstream of the premixed combustion burner And a gas turbine combustor remodeling method comprising a substantially cylindrical combustor inner cylinder wall that forms a combustion chamber therein,
A plurality of flame holders are attached radially to the outlet of the premixing channel, and each of the plurality of flame holders is formed as a plurality of radial protrusions protruding from the inner peripheral side to the outer peripheral side and adjacent to each other. Between the flame holders, the premixed burner is disposed in a cantilevered manner so as to form a flow path narrowed in the circumferential direction, and the flame holder is arranged on the outer circumferential side rather than the inner circumferential side. The gas turbine combustor is disposed so as to be located on the downstream side, and an outer peripheral side edge of the flame holder and an outer peripheral wall of the premixed combustion burner are disposed with a space therebetween. Remodeling method.