JP3960166B2 - Gas turbine combustor and operation method of gas turbine combustor - Google Patents

Gas turbine combustor and operation method of gas turbine combustor Download PDF

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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およびガスタービン燃焼器の運転方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
本発明は、特に、窒素酸化物の排出の少ない低NOx型ガスタービン燃焼器に関し、従来技術として、特開平5−172331号等があげられる。
【0003】
ガスタービン燃焼器においては、起動から定格負荷条件までのターンダウン比が大きく、広範囲の燃焼安定性を確保するため、燃料を燃焼室に直接噴射する拡散燃焼方式が広く採用されてきた。また、予混合燃焼方式等もある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来例においては、拡散燃焼方式の場合には、高レベルのNOxという課題があった。予混合燃焼方式の場合には、逆火などの燃焼安定性の課題や、起動や部分負荷時の火炎安定化の課題があった。実際の運用においては、これらの課題を同時に解決することが望ましい。
【0005】
本発明の目的は、低NOxかつ燃焼安定性に優れたガスタービン燃焼器およびガスタービン燃焼器の運転方法を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明のガスタービン燃焼器は、燃料噴流と該燃料噴流の外周側を流れる空気流との同軸噴流が形成されるように、気体燃料を燃焼室に噴出する複数の燃料ノズルと空気を該燃焼室に噴出する複数の空気孔とを配置し、前記同軸噴流の気体燃料と空気が燃焼室に噴出するように、複数の空気孔を有する盤状部材を前記燃焼室の壁面に配置し、前記空気孔の流路面積は、前記燃料ノズルの燃料噴出孔の流路面積よりも大きく形成され、該盤状部材の上流側の空気と前記燃料ノズルからの気体燃料とを前記空気孔の予混合流路で予混合した後に前記燃焼室で急速混合するように、前記燃焼室の壁面より上流側であって、前記空気孔の入口付近に前記燃料ノズルの先端を配置し、前記燃料ノズルからの気体燃料を前記空気孔に向かって噴出させるとともに、複数の前記燃料ノズルと複数の前記空気孔を一つのモジュールとして形成し、前記燃料ノズルの燃料噴流軸に対して、前記モジュールに設けられた前記空気孔のうち、一部の前記空気孔のみについて軸を傾けることを特徴とする。
【0007】
或いは、本発明のガスタービン燃焼器の運転方法は、前記燃焼室の壁面に配置された複数の空気孔を有する盤状部材を備え、前記空気孔の流路面積は、前記燃料ノズルの燃料噴出孔の流路面積よりも大きく形成し、前記燃焼室の壁面より上流側であって、前記空気孔の入口付近に配置された前記燃料ノズルの先端から該気体燃料を前記空気孔に向かって噴出し、燃料噴流と該燃料噴流の外周側を流れる空気流との同軸噴流を形成して、前記盤状部材の上流側の空気と前記燃料ノズルからの気体燃料とを前記空気孔の予混合流路で予混合させた後、前記盤状部材から前記同軸噴流の気体燃料と空気を燃焼室に噴出させて、前記燃焼室で急速混合させるとともに、複数の前記燃料ノズルと複数の前記空気孔を一つのモジュールとして形成し、前記燃料ノズルの燃料噴流軸に対して、前記モジュールに設けられた前記空気孔のうち、一部の前記空気孔のみから噴出する同軸噴流の軸が傾斜していることを特徴とする。
【0008】
【発明の実施の形態】
まず、ガスタービン燃焼器での2種の燃焼方式について説明する。
【0009】
(1)拡散燃焼方式では、図2に示すように、燃焼器の頭部に設けた空気旋回器の出口付近に空気の旋回流と交差するように燃料を外側へ向けて噴出し、中心軸上にできる循環流によって拡散火炎を安定化するように図っている。
【0010】
図2において、圧縮機10から送られる空気50は外筒2と燃焼器ライナ3の間を通り、一部は燃焼器ライナの冷却空気31及び燃焼ガスの混合を促す希釈空気32として燃焼室1へ、また一部は頭部旋回空気49として空気旋回器12を通り燃焼室1へ流入する。気体燃料16は拡散燃料ノズル13から旋回空気流に交差するように外側へ向けて燃焼室1に噴射され、頭部旋回空気49および1次燃焼用空気33とともに安定な拡散火炎4を形成する。発生した高温燃焼ガスはタービン18へ入り仕事をして排気される。
【0011】
ここに示した拡散燃焼方式は、燃焼安定性が高い反面、燃料と酸素が量論比になる部分に火炎が形成され、火炎温度が断熱火炎温度に近い高温となる。窒素酸化物の生成速度が火炎温度上昇に対し指数関数的に増加するため、一般的に拡散燃焼では窒素酸化物の排出濃度が高く、大気汚染防止の観点から望ましくない。
【0012】
(2)一方、予混合燃焼方式は、低NOx化のために用いられる。図3は中心部を安定性に優れた拡散燃焼とし、外周側に低NOx性に優れた予混合燃焼を配して低NOx化を図った例である。図3において、圧縮機10から送られる空気50は外筒2と燃焼器ライナ3の間を通り、一部は燃焼器ライナの冷却空気31として燃焼室1へ、また一部は予混合燃焼用空気48として予混合器23へ流入する。残りは予混合器流路と燃焼器端板の間の通路を経て燃焼空気孔14と冷却空気孔17から燃焼室1へと流入する。拡散燃焼用の気体燃料16は拡散燃料ノズル13から燃焼室1に噴射され安定な拡散火炎4を形成する。予混合用気体燃料21は燃料ノズル8から環状の予混合器23内へと噴出して空気と混合して予混合気22となる。この予混合気22は燃焼室1へ流出し予混合火炎5を形成する。発生した高温燃焼ガスはタービン18へ入り仕事をして排気される。
【0013】
しかし、このような予混合燃焼方式を採用した場合、予混合器内に火炎が入り込んで構造物を焼損する、いわゆる逆火現象が発生するなど予混合燃焼特有の不安定な要素を含んでいる。
【0014】
本発明の実施の形態では、燃料噴流と燃焼用空気流路を同軸上に配置し、燃料流を空気流が包み込むような同軸の噴流とするとともに、さらにそれらを多数に分散するように構成した多孔同軸噴流として燃焼室壁面に配置する。一方、一部またはすべての同軸噴流に対して、燃焼器の軸まわりに適度な旋回角をもって流入するように構成する。また、燃料の供給系統を複数に分割し、ガスタービンの起動,部分負荷運転時には、一部の系統のみに燃料を供給するように構成する。
【0015】
燃料を空気流が包み込むような同軸の噴流とすることにより、燃料は燃焼室に流入した後、実際に高温ガスに接触して燃焼を開始する前に周囲の同軸空気流と混合し、適度な混合比の予混合気となったあと燃焼する。このため、希薄予混合燃焼と同等の低NOx燃焼が可能となる。このとき、従来の予混合燃焼器の予混合管に相当する部分が極めて短く、また壁面近傍で燃料濃度がほぼゼロとなるため逆火による焼損のポテンシャルも極めて低い。
【0016】
また、一部またはすべての同軸噴流に対して、燃焼器の軸まわりに適度な旋回角をもって流入するように構成することで、同軸噴流という流れ形態ながら、同時に火炎を安定化するための再循環流を形成することができる。
【0017】
また、ガスタービンの起動,部分負荷運転時には、一部の系統のみに燃料を供給するようにすることで、局部的に燃料を過濃度の状態とし、周囲の空気中の酸素を利用する拡散燃焼に近い形で燃焼させることにより燃焼安定性を確保することができる。
【0018】
(第1の実施例)
以下、本発明の第1の実施例を図1により説明する。図1において、圧縮機
10から送られる空気50は、外筒2と燃焼器ライナ3の間を通る。その空気
50の一部は、燃焼器ライナ3の冷却空気31として燃焼室1へ流入する。またその空気50の残りは、同軸空気51として空気孔52を通り燃焼室1へ流入する。
【0019】
燃料ノズル55および燃料ノズル56は、燃焼空気孔52の噴孔と同軸又は同軸に近い位置となるように配置されており、燃料53および燃料54は燃料ノズル55および燃料ノズル56から燃焼空気とほぼ同軸の噴流として燃焼室1に噴出し安定な火炎を形成する。発生した高温燃焼ガスは、タービン18へ入り仕事をして排気される。
【0020】
本実施例では、燃料53および燃料54は、制御弁80aを備えた燃料供給系80が分割されている。つまり、ここでは、燃料供給系80が、第一の燃料供給系54bと、第二の燃料供給系53bの2つに分割されている。これら第一の燃料供給系54b及び第二の燃料供給系53bには夫々個別に単独で制御可能な制御弁53a及び制御弁54aが設けられている。これら制御弁53a及び制御弁54aは、ガスタービンの負荷によって夫々の燃料流量が独立に制御するように構成される。ここで、制御弁53aは、中央部の燃料ノズル群である燃料ノズル56群の流量が制御でき、制御弁54aは、周囲の燃料ノズル群である燃料ノズル55群の流量が制御できる。本実施例では中央部の燃料ノズル群とその周囲の燃料ノズル群とに複数に分割し、夫々に対応する燃料供給系統を設け、各々独立に燃料流量を制御できる前述した制御装置を備えている。
【0021】
次に、図4を用いノズル部の詳細を説明する。本実施例では、燃料ノズル本体は中央の燃料ノズル56と周囲の燃料ノズル55に分かれている。これら燃料ノズル55及び燃料ノズル56の噴射方向前方側に、夫々に対応する空気孔52及び空気孔57が設けられている。これら空気孔52及び空気孔57は、円盤状部材に小径で複数設けられている。複数の燃料ノズル55及び燃料ノズル56に対応するよう複数の空気孔52及び空気孔57が設けられている。
【0022】
空気孔52及び空気孔57は、小径であるが、燃料ノズル55及び燃料ノズル56から噴射される燃料が空気孔52及び空気孔57を通過する際に、周囲の空気を伴って、燃料噴流とそれを包み込む空気の環状流が形成される程度の大きさとすることが望ましい。例えば、燃料ノズル55及び燃料ノズル56からの噴流径より若干大きくすることが望ましい。
【0023】
空気孔52,空気孔57は、燃料ノズル55,燃料ノズル56と同軸噴流を形成するように配置されており、燃料噴流を空気環状流で包んだような多数の同軸噴流が空気孔52,空気孔57端面から噴出する。即ち、燃料ノズル55,燃料ノズル56の燃料噴孔が空気孔52や空気孔57と、同軸または同軸に近い位置に設置され、燃料噴流が空気孔52や空気孔57の入り口中心近傍に向けて噴出し、燃料噴流とそれを包み込む空気の環状流が同軸噴流となる。
【0024】
燃料と空気が多数の小径の同軸噴流として構成されているので、これらの燃料と空気は短距離で混合させることができる。そのため、燃料の偏在もなく高い燃焼効率を保つことができる。
【0025】
また、本実施例の構成では燃料が空気孔の端面から噴出するまでに一部混合が進み、一層短い距離での燃料と空気の混合が期待できる。さらに、空気孔の流路長さを調節することにより、ほとんど流路内で混合しない状態からほぼ完全予混合の状態にまで設定することが可能である。
【0026】
なお、本実施例では、中央の燃料ノズル56と中央の空気孔57には燃焼室軸周りの旋回がかかるように適当な旋回角が付与されている。このように対応する空気孔57に燃焼室軸周りに旋回する成分を与える旋回角を設けることにより、中央燃料を含む混合気流に旋回による安定な再循環領域が形成され、火炎を安定化することができる。
【0027】
また、本実施例では、ガスタービンの種々の負荷条件に対して顕著な効果が期待できる。図1に示す制御弁53a及び制御弁54aを利用し燃料流量を調整してガスタービンの種々の負荷条件に対応できる。
【0028】
つまり、ガスタービン負荷の小さい条件では、全空気量に対する燃料流量が小さくなるが、その場合には中央燃料53のみを供給し、中央領域での燃料濃度を火炎が安定に形成される濃度以上に保つように運用することができる。また、ガスタービン負荷の大きい条件では、中央の燃料53と周囲の燃料54の両方を供給して全体として希薄低NOx燃焼を行うことができる。また、中間的な負荷においては、中央の燃料53の量を空気孔57から流れる空気量に対して当量比が1を超えるような設定として、周囲の空気を燃焼に使う拡散燃焼的な運用することも可能である。
【0029】
従って、種々のガスタービン負荷に応じて、火炎の安定化や低NOx燃焼に寄与できる。
【0030】
このように、燃料を空気流が包み込むような同軸の噴流とすることにより、燃料は燃焼室に流入した後、実際に高温ガスに接触して燃焼を開始する前に周囲の同軸空気流と混合し、適度な混合比の予混合気となったあと燃焼する。このため、希薄予混合燃焼と同等の低NOx燃焼が可能となる。このとき、本実施例では、従来の予混合燃焼器の予混合管に相当する部分が極めて短くできる。
【0031】
また、壁面近傍で燃料濃度がほぼゼロとなるため、逆火による焼損のポテンシャルも極めて低い。
【0032】
以上のように、本実施例によると、低NOxかつ燃焼安定性に優れたガスタービン燃焼器およびガスタービン燃焼器の運転方法を提供することができる。
【0033】
(第2の実施例)
図5に第2の実施例のノズル部詳細を示す。本実施例では、燃料の系統が1つで中央と周囲とに分かれていない。また、中央付近のノズル,燃焼空気孔には旋回角が付与されていない。本実施例では、運用上、あるいは燃料の性状により燃焼安定性があまり問題とならないような状況の場合にノズル構造の簡素化が図れる。
【0034】
(第3の実施例)
図6に第3の実施例を示す。本実施例では図5に示した第2の実施例のノズルを複数個組み合わせて一つの燃焼器を構成するようにしたものである。つまり、燃料ノズルと空気孔を一つのモジュールとしてこれらを複数個組み合わせて1つの燃焼器を構成している。
【0035】
このような構成とすることで、第1の実施例で説明したように燃料系統を複数化してガスタービンの負荷の変化に対して柔軟に対処できるとともに、ノズルの数の増減で燃焼器1缶あたりの容量の異なるものを比較的容易に提供できる。
【0036】
(第4の実施例)
図7に第4の実施例を示す。本実施例では第2の実施例と基本的に同じであるが、空気旋回器58により同軸噴流自体に、旋回成分を持たせた点が異なる。
【0037】
このように構成することにより、個々の同軸噴流の混合が促進され、より均一な低NOx燃焼が可能となる。燃料ノズル内に燃料噴流に旋回成分を与えるような構造も混合促進に有効である。
【0038】
(第5の実施例)
図8には第5の実施例を示す。本実施例では第3の実施例の中心軸に設置したノズルを空気旋回器63とこれに交差する燃料噴孔62を備える従来型の拡散バーナー61とした点が異なる。
【0039】
このように構成することで従来の拡散燃焼バーナーを起動・昇速,部分負荷で使うことにより起動安定性を重視する場合有利と考えられる。
【0040】
(第6の実施例)
図9には第6の実施例を示す。本実施例では、図8に示した実施例の拡散バーナー61の中に液体燃料ノズル68と噴霧空気ノズル69を設置し、液体燃料
66を噴霧空気65で霧化して液体燃料の燃焼にも対応できるようにしたものである。低NOx化という点では多くは期待できないが、燃料の供給状況によっては柔軟な対応が可能な燃焼器を提供するものである。
【0041】
(第7の実施例)
図10には第7の実施例を示す。本実施例は図1および図4で示した第1の実施例に、燃焼器の下流側に補助的な燃料供給系71とヘッダー72,ノズル73を追加した例である。ノズル73から噴出した燃料は空気孔74を通って同軸状の噴流となって燃焼室に流入し、上流側から流れてくる高温ガスにより燃焼反応が進む。
【0042】
このような構成とすることにより、構造は複雑となるが、さらに、負荷対応が柔軟な低NOx燃焼器を提供できる。
【0043】
(第8の実施例)
図11には第8の実施例を示す。本実施例では図5に示した実施例の個々の燃料ノズルを2重構造化することにより、内側の液体燃料ノズル68には液体燃料66を供給し、外側のノズル81には噴霧空気65を供給することで液体燃料
66を用いた場合にも多数の同軸噴流を形成して逆火ポテンシャルのきわめて小さい低NOx燃焼を実現することができる。
【0044】
また、液体燃料の供給を止め、噴霧空気の代わりに気体燃料を供給することにより、気体燃料の低NOx燃焼器としても動作することが可能であり、液体と気体の両方の燃料に対応した燃焼器の提供が可能となる特徴も合わせ持つことができる。
【0045】
このように、燃料ノズルの一部またはすべてを二重構造として、液体燃料の噴霧と気体燃料を切り替えてまたは併用して使用できるようにしたことで、液体と気体の両方の燃料に対応できる。
【0046】
以上のように、前述の実施例によると、燃料を空気流が包み込むような多数の同軸の噴流とすることにより、燃料は燃焼室に流入した後、実際に高温ガスに接触して燃焼を開始する前に周囲の同軸空気流と混合し、適度な混合比の予混合気となったあと燃焼する。このため、希薄予混合燃焼と同等の低NOx燃焼が可能となる。このとき、従来の予混合燃焼器の予混合管に相当する部分が極めて短く、また壁面近傍で燃料濃度がほぼゼロとなるため逆火による焼損のポテンシャルも極めて低い信頼性の高い燃焼器を提供できる。
【0047】
(第9の実施例)
図12は、燃料ノズル55と燃焼空気孔52をほぼ同軸配置した部分断面図を示す。燃料ノズル55の燃料噴出下流側に燃焼空気孔52を設けている。つまり、燃料ノズル55の燃料噴出下流側に予混合流路が形成される。この燃焼空気孔52の大きさ(流路面積)は、燃料ノズル55の燃料噴出孔面積よりも大きく形成することが良い。本実施例では、燃焼空気孔52の直径(予混合流路直径面積)は、燃料ノズル55の燃料噴出孔直径(面積)よりも大きく形成されている。燃料ノズル55からこの予混合流路を介して燃料を噴出して、燃料と空気を同軸噴流している。この際、燃料ノズル55からの燃料は、燃焼空気孔52の入り口部のほぼ中心に向かって噴出し良好な同軸噴流を形成することが望ましい。また、本実施例の場合、空気出口下流の燃料濃度分布は図中に示すとおり同軸流の軸を中心に対称な形をしており、下流に行くに従い急速に混合し均一化していく。これにより従来の予混合燃焼方式に比べて、短い予混合距離で同等の低NOx性能を実現することができる。
【0048】
また、図13(a)及び図13(b)は、燃料ノズル55の燃料噴流軸に対して燃焼空気孔52の軸を角度θ°傾けて配置した例である。燃焼空気孔52の入り口付近では同軸状配置で、流れ方向に対して燃焼空気孔52を傾けたものである。このように配置した場合の空気出口下流の燃料濃度分布は、図中に示すように空気噴流軸に対して非対称な分布となる。下流に行くに従い混合して均一化するが軸に対する非対称性は完全には解消されず、濃度偏差が残ると考えられる。そして、例えば、図13(b)に示すように、同軸噴流の集合体で形成されるバーナの中心近くの同軸噴孔にこのような燃料噴流軸と空気孔軸のズレを積極的に利用することが考えられる。つまり、本実施例では、保炎領域周り,バーナ中心部付近に前述の燃焼空気孔52の傾きθ°を設け、反中心側の燃焼空気孔52を傾けずに(θ=0°)構成し、火炎保持領域の燃料濃度を比較的濃い状態に保ち、火炎の安定性を強化することができる。本実施例では燃料噴孔に旋回角や内向き・外向き角の無いストレートな燃料噴孔を採用しながら空気孔のみに旋回角などのバーナの軸と平行ではない角度を持たせることにより、比較的簡単な構造で予混合気に旋回や内向き・外向き角を付与することができ、バーナの構成・目的に応じて予混合気の流れを比較的簡単な構造で設定できる点で優れている。
【0049】
次に、図14は、燃料噴孔と空気孔の同軸配置の軸方向は同一で位置ずれdを意図的に設定した例である。このずれによって、図中に示すように空気噴流軸に対して濃度偏差は非対称な分布となり、燃料の濃度偏差を積極的に発生させることができ、燃焼安定性向上などの燃焼特性改善をはかることができる。
【0050】
このような本実施例では、予混合流路内で燃料ノズル55からの燃料は、ほぼ予混合流路中心に沿って流れる。また、燃料ノズル55の外周側から空気が予混合流路内でその流路外周側に沿って流れるよう構成している。そのため、予混合流路内では燃料の流れに沿ってその燃料流れの外周側を空気が流れ、両者の流れはほぼ同軸状となる。このようなノズル形態を複数設けることで、混合促進が図れ、簡易な構造で安定燃焼を実現可能となる。
【0051】
また、図15(a)及び(b)には、予混合長さLの長短の例を示す。空気孔から出た後の急拡大による混合が支配的で、予混合長さLが混合の均一性、低
NOx性能に与える影響はそれほど大きくないと考えられる。図15(a)のように空気孔を形成する部材を薄くして予混合距離Lを短くしても低NOx性能は十分に確保できると考えられる。一方、空気孔を形成する部材の材料や、空気孔の穴加工の加工費節約が期待できコスト低減が有利である。図15(b)には予混合長さLを十分長くとった場合の例を示す。燃料と空気がこの流路内で十分に混合することが期待でき、一層低NOx性に優れた燃焼器を提供できる。更に、空気孔に斜めの角度をつけて旋回成分を与えたり、内向き・外向きの偏向角を与えるなどの機能を付与する場合にもLが空気孔径の数倍程度あった方が有利である。
【0052】
図15(c)及び(d)には、燃料噴孔先端と空気孔入り口の軸方向距離Gが違う例を示す。図15(c)は、Gが大きい例で、実質的な予混合距離が長く取れ、混合の均一化,低NOx性について有利と考えられる。また、燃料ノズルの長さを短くできるため、燃料ノズルの製作性が向上し、コスト低減が図れる。一方、図15(d)は、相対的に燃料ノズル55の下流側に予混合流路を形成し、軸方向距離Gがマイナスで燃料噴孔が空気孔内に突き出した配置である。このような配置とすることにより、逆火のポテンシャルは一層低減され、ジメチルエーテル(DME)などの着火性の良い燃料を低NOxで燃焼させる場合などに有効であると考えられる。
【0053】
図15(e)及び(f)には、空気孔の直径Dの大きさが小さい例と大きい例である。空気孔の直径Dが小さくその分、数を多く設置した図15(e)の場合は、燃料と空気がバーナから細かく分散して供給されるため、短い距離で均一に良く混合し、より低NOx性能を重視する場合に適している。図15(f)のように空気孔直径Dを大きくして空気孔の数を少なく配置する場合には、混合距離が長く必要で、均一性もやや損なわれるため低NOx性能はやや劣るが、製作工数の削減が図れるとともに要求される製作精度も比較的粗くでき、コスト低減に重点をおく場合に有利である。
【0054】
(第10の実施例)
図16(a)には他の実施例を示す。これまでに述べた実施例では同軸空気孔のバーナ面内の配置は同心円状に分散して配置する例を示してきたが、格子状配置や千鳥配置としても基本的な特性は失われるものではない。図16(a)はそのように配置する場合の例を示すものである。このように配置する場合、燃焼器ライナーでの平均流速にもよるが、火炎の形成される軸方向位置がライナー断面内でほぼ同一の浮き上がった火炎となる。製作する上では単純で良いが火炎の安定化という点では十分ではない場合もある。図16(b)はそのような場合に対して、バーナ面内の一部に、空気孔のピッチは同一でも空気孔の面積の小さな領域や、空気孔の無いまたはピッチの大きな領域などを設けて低流速部や循環流領域を形成し、この部分で火炎を安定化するようにした例である。このように構成することで逆火ポテンシャルが小さく、低NOx性と燃焼安定性を兼ね備えた燃焼器を提供できる。
【0055】
(第11の実施例)
図17に本発明の予混合距離LとNOx排出量の関係についての実験結果の一例を示す。燃料と空気を完全に混合したあと燃焼させる完全予混合燃焼では混合距離を十分長くとるか圧力損失の大きな混合デバイスが必要であるが、排出されるNOxは非常に低くなる。(図中A点)一方、環状の予混合流路に複数の燃料ノズルを配置して形成する実用的な予混合器構造においては予混合距離Lに概略逆比例でNOxが増加し、このような予混合器の一例のNOxを図中B点に示す。
【0056】
これに対し、本発明では、燃料と空気を多数の同軸噴流として配置する本発明の一実施例の予混合距離とNOx排出量の関係は図中C点に示すとおりで、完全予混合燃焼には及ばないものの、従来構造の20分の1以下の予混合距離で従来の予混合器と同等のNOx性能を発揮することが示されている。
【0057】
【発明の効果】
本発明によると、低NOxかつ燃焼安定性に優れたガスタービン燃焼器およびガスタービン燃焼器の運転方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例の全体断面図を含む説明図。
【図2】拡散燃焼方式の説明図。
【図3】予混合燃焼方式の説明図。
【図4】本発明の第1の実施例のノズル部詳細説明図。
【図5】本発明の第2の実施例のノズル部詳細説明図。
【図6】本発明の第3の実施例のノズル部詳細説明図。
【図7】本発明の第4の実施例のノズル部詳細説明図。
【図8】本発明の第5の実施例のノズル部詳細説明図。
【図9】本発明の第6の実施例のノズル部詳細説明図。
【図10】本発明の第7の実施例のノズル部詳細説明図。
【図11】本発明の第8の実施例のノズル部詳細説明図。
【図12】本発明の第9の実施例のノズル部詳細説明図。
【図13】本発明の第9の実施例の他のノズル部詳細説明図。
【図14】本発明の第9の実施例の他のノズル部詳細説明図。
【図15】本発明の種々のノズル形態を示す図。
【図16】本発明の第10の実施例のノズル部詳細説明図。
【図17】予混合距離とNOx排出量の関係を示す図。
【符号の説明】
1…燃焼室、2…外筒、3…燃焼器ライナ、4…拡散火炎、5…予混合火炎、8,55,56…燃料ノズル、10…圧縮機、12,63…空気旋回器、13…拡散燃料ノズル、14…燃焼空気孔、16…気体燃料、17…冷却空気孔、18…タービン、21…予混合用気体燃料、22…予混合気、23…予混合器、31…冷却空気、32…希釈空気、33…1次燃焼用空気、49…頭部旋回空気、
50…空気、51…同軸空気、52,57,74…空気孔、53,54…燃料、61…拡散バーナー、62…燃料噴孔、65…噴霧空気、66…液体燃料、68…液体燃料ノズル、69…噴霧空気ノズル、71,80…燃料供給系、72…ヘッダー、73…ノズル。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a gas turbine combustor and a method for operating a gas turbine combustor.
[0002]
[Prior art]
In particular, the present invention relates to a low NOx type gas turbine combustor with low emission of nitrogen oxides, and JP-A-5-172331 is cited as a prior art.
[0003]
In a gas turbine combustor, a diffusion combustion system in which fuel is directly injected into a combustion chamber has been widely employed in order to ensure a large turndown ratio from startup to a rated load condition and to ensure a wide range of combustion stability. There are also premixed combustion systems.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional example, the diffusion combustion method has a problem of high level NOx. In the case of the premixed combustion method, there are problems of combustion stability such as flashback and flame stabilization at start-up and partial load. In actual operation, it is desirable to solve these problems simultaneously.
[0005]
An object of the present invention is to provide a gas turbine combustor having low NOx and excellent combustion stability and a method for operating the gas turbine combustor.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In the gas turbine combustor of the present invention, a coaxial jet of a fuel jet and an air flow flowing on the outer peripheral side of the fuel jet is formed. gas A plurality of fuel nozzles for injecting fuel into the combustion chamber and a plurality of air holes for injecting air into the combustion chamber; gas A plate-like member having a plurality of air holes is arranged on the wall surface of the combustion chamber so that fuel and air are ejected into the combustion chamber, and the flow area of the air hole is equal to the flow path of the fuel ejection hole of the fuel nozzle. Formed larger than the area, from the upstream side of the disk-shaped member and the fuel nozzle gas The front end of the fuel nozzle is upstream of the wall surface of the combustion chamber and in the vicinity of the inlet of the air hole so that the fuel is premixed in the premixing flow path of the air hole and then rapidly mixed in the combustion chamber. From the fuel nozzle gas Fuel is ejected toward the air hole In addition, a plurality of the fuel nozzles and the plurality of air holes are formed as one module, and a part of the air holes among the air holes provided in the module with respect to a fuel jet axis of the fuel nozzle. Tilt about only It is characterized by that.
[0007]
Alternatively, the operation method of the gas turbine combustor according to the present invention includes a plate-like member having a plurality of air holes arranged on the wall surface of the combustion chamber, and the flow area of the air holes is determined by the fuel ejection of the fuel nozzle. Formed larger than the flow path area of the hole, upstream from the wall surface of the combustion chamber, and from the tip of the fuel nozzle disposed near the inlet of the air hole. gas The fuel is ejected toward the air hole to form a coaxial jet of the fuel jet and the air flow flowing on the outer peripheral side of the fuel jet, and from the upstream side of the disk-shaped member and the fuel nozzle gas The fuel is premixed in the premixing flow path of the air hole, and then the coaxial jet flows from the disk-shaped member. gas Fuel and air are jetted into the combustion chamber and rapidly mixed in the combustion chamber In addition, a plurality of the fuel nozzles and the plurality of air holes are formed as one module, and a part of the air holes among the air holes provided in the module with respect to a fuel jet axis of the fuel nozzle. The axis of the coaxial jet spouted from only is inclined It is characterized by that.
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
First, two types of combustion methods in a gas turbine combustor will be described.
[0009]
(1) In the diffusion combustion system, as shown in FIG. 2, fuel is ejected outward near the outlet of the air swirler provided at the head of the combustor so as to intersect the swirling flow of air, and the central axis It aims to stabilize the diffusion flame by the circulation flow that can be made above.
[0010]
In FIG. 2, the air 50 sent from the compressor 10 passes between the outer cylinder 2 and the combustor liner 3, and a part of the combustion chamber 1 serves as cooling air 31 of the combustor liner and dilution air 32 that promotes mixing of the combustion gas. And part of the air flows into the combustion chamber 1 through the air swirler 12 as head swirling air 49. The gaseous fuel 16 is injected outward from the diffusion fuel nozzle 13 so as to intersect the swirling air flow, and forms a stable diffusion flame 4 together with the head swirling air 49 and the primary combustion air 33. The generated high-temperature combustion gas enters the turbine 18 and is exhausted with work.
[0011]
Although the diffusion combustion system shown here has high combustion stability, a flame is formed in a portion where the fuel and oxygen have a stoichiometric ratio, and the flame temperature becomes a high temperature close to the adiabatic flame temperature. Since the generation rate of nitrogen oxides increases exponentially with an increase in flame temperature, the diffusion concentration of nitrogen oxides is generally high in diffusion combustion, which is undesirable from the viewpoint of preventing air pollution.
[0012]
(2) On the other hand, the premixed combustion method is used for reducing NOx. FIG. 3 shows an example in which NOx is reduced by using diffusion combustion with excellent stability at the center and premixed combustion with excellent low NOx performance on the outer peripheral side. In FIG. 3, the air 50 sent from the compressor 10 passes between the outer cylinder 2 and the combustor liner 3, partly as the combustor liner cooling air 31 to the combustion chamber 1, and partly for premixed combustion. The air 48 flows into the premixer 23. The remainder flows into the combustion chamber 1 from the combustion air hole 14 and the cooling air hole 17 through a passage between the premixer flow path and the combustor end plate. The gaseous fuel 16 for diffusion combustion is injected from the diffusion fuel nozzle 13 into the combustion chamber 1 to form a stable diffusion flame 4. The premixed gaseous fuel 21 is ejected from the fuel nozzle 8 into the annular premixer 23 and mixed with air to form the premixed gas 22. The premixed gas 22 flows into the combustion chamber 1 to form a premixed flame 5. The generated high-temperature combustion gas enters the turbine 18 and is exhausted with work.
[0013]
However, when such a premixed combustion method is adopted, an unstable element peculiar to premixed combustion is included, such as a so-called flashback phenomenon in which a flame enters the premixer and burns out the structure. .
[0014]
In the embodiment of the present invention, the fuel jet and the combustion air flow path are arranged coaxially so that the fuel flow is a coaxial jet that wraps the air flow, and further, the fuel jet and the combustion air flow path are configured to be dispersed in a large number. It is arranged on the combustion chamber wall surface as a perforated coaxial jet. On the other hand, a part or all of the coaxial jets are configured to flow at an appropriate swirl angle around the combustor axis. In addition, the fuel supply system is divided into a plurality of parts, and the fuel is supplied to only a part of the system when the gas turbine is started and partially loaded.
[0015]
By making the fuel into a coaxial jet that envelops the airflow, the fuel flows into the combustion chamber and then mixes with the surrounding coaxial airflow before actually in contact with the hot gas and starting combustion. It burns after it becomes a premixed gas mixture. For this reason, low NOx combustion equivalent to lean premixed combustion becomes possible. At this time, the portion corresponding to the premixing tube of the conventional premixing combustor is extremely short, and the fuel concentration is almost zero in the vicinity of the wall surface, so the potential for burnout due to flashback is extremely low.
[0016]
In addition, recirculation for stabilizing the flame at the same time while forming a flow form of a coaxial jet by configuring it so that a part or all of the coaxial jet flows with an appropriate swirl angle around the axis of the combustor. A flow can be formed.
[0017]
In addition, when starting up gas turbines and under partial load operation, by supplying fuel to only some systems, the fuel is locally over-concentrated, and diffusion combustion that uses oxygen in the surrounding air Combustion stability can be ensured by burning in a form close to.
[0018]
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG. In FIG. 1, the compressor
The air 50 sent from 10 passes between the outer cylinder 2 and the combustor liner 3. That air
A part of 50 flows into the combustion chamber 1 as the cooling air 31 of the combustor liner 3. The remainder of the air 50 flows into the combustion chamber 1 through the air holes 52 as coaxial air 51.
[0019]
The fuel nozzle 55 and the fuel nozzle 56 are disposed so as to be coaxial or close to the same position as the injection hole of the combustion air hole 52, and the fuel 53 and the fuel 54 are substantially the same as the combustion air from the fuel nozzle 55 and the fuel nozzle 56. As a coaxial jet, it is ejected into the combustion chamber 1 to form a stable flame. The generated high-temperature combustion gas enters the turbine 18 to work and is exhausted.
[0020]
In the present embodiment, the fuel 53 and the fuel 54 are divided from a fuel supply system 80 having a control valve 80a. That is, here, the fuel supply system 80 is divided into two parts, a first fuel supply system 54b and a second fuel supply system 53b. The first fuel supply system 54b and the second fuel supply system 53b are respectively provided with a control valve 53a and a control valve 54a that can be individually controlled. The control valve 53a and the control valve 54a are configured such that each fuel flow rate is independently controlled by the load of the gas turbine. Here, the control valve 53a can control the flow rate of the fuel nozzle group 56, which is a central fuel nozzle group, and the control valve 54a can control the flow rate of the fuel nozzle 55 group, which is a surrounding fuel nozzle group. In the present embodiment, the fuel nozzle system is divided into a plurality of fuel nozzle groups in the central portion and the surrounding fuel nozzle groups, and a corresponding fuel supply system is provided, and the above-described control device capable of independently controlling the fuel flow rate is provided. .
[0021]
Next, details of the nozzle portion will be described with reference to FIG. In this embodiment, the fuel nozzle body is divided into a central fuel nozzle 56 and a surrounding fuel nozzle 55. Corresponding air holes 52 and air holes 57 are provided on the front side of the fuel nozzle 55 and the fuel nozzle 56 in the injection direction. A plurality of the air holes 52 and the air holes 57 are provided in a disk-like member with a small diameter. A plurality of air holes 52 and air holes 57 are provided so as to correspond to the plurality of fuel nozzles 55 and the fuel nozzles 56.
[0022]
The air hole 52 and the air hole 57 have a small diameter, but when the fuel injected from the fuel nozzle 55 and the fuel nozzle 56 passes through the air hole 52 and the air hole 57, a fuel jet is generated along with surrounding air. It is desirable to have such a size that an annular flow of air enclosing it is formed. For example, it is desirable that the jet diameter from the fuel nozzle 55 and the fuel nozzle 56 be slightly larger.
[0023]
The air hole 52 and the air hole 57 are arranged so as to form a coaxial jet with the fuel nozzle 55 and the fuel nozzle 56, and a large number of coaxial jets in which the fuel jet is wrapped in an air annular flow are formed in the air hole 52 and the air. It ejects from the end face of the hole 57. In other words, the fuel nozzle holes of the fuel nozzle 55 and the fuel nozzle 56 are installed at the same position as the air hole 52 and the air hole 57 in a coaxial or near-coaxial position, and the fuel jet flows toward the vicinity of the inlet center of the air hole 52 and the air hole 57. The annular flow of the jet and fuel jet and the air enclosing it is a coaxial jet.
[0024]
Since fuel and air are configured as a large number of small-diameter coaxial jets, these fuel and air can be mixed in a short distance. Therefore, high combustion efficiency can be maintained without uneven distribution of fuel.
[0025]
Further, in the configuration of the present embodiment, partial mixing proceeds until the fuel is ejected from the end face of the air hole, and mixing of fuel and air at a shorter distance can be expected. Furthermore, by adjusting the flow path length of the air hole, it is possible to set from a state of hardly mixing in the flow path to a state of almost complete premixing.
[0026]
In this embodiment, an appropriate swirl angle is given to the center fuel nozzle 56 and the center air hole 57 so as to swirl around the combustion chamber axis. Thus, by providing the corresponding air hole 57 with a swivel angle that gives a swirl component around the combustion chamber axis, a stable recirculation region by swirl is formed in the mixed airflow including the central fuel, and the flame is stabilized. Can do.
[0027]
In this embodiment, a remarkable effect can be expected for various load conditions of the gas turbine. The fuel flow rate is adjusted using the control valve 53a and the control valve 54a shown in FIG. 1 to cope with various load conditions of the gas turbine.
[0028]
In other words, under conditions where the gas turbine load is small, the fuel flow rate with respect to the total air amount is small. In this case, only the central fuel 53 is supplied, and the fuel concentration in the central region exceeds the concentration at which the flame is stably formed. It can be operated to keep. Also, under conditions with a large gas turbine load, both the central fuel 53 and the surrounding fuel 54 can be supplied to perform lean low NOx combustion as a whole. In an intermediate load, the amount of fuel 53 in the center is set such that the equivalent ratio exceeds 1 with respect to the amount of air flowing from the air holes 57, and the operation is performed in a diffusion combustion manner using ambient air for combustion. It is also possible.
[0029]
Therefore, it can contribute to flame stabilization and low NOx combustion according to various gas turbine loads.
[0030]
In this way, by making the fuel jet into a coaxial jet that envelops the air flow, the fuel flows into the combustion chamber and then mixes with the surrounding coaxial air flow before actually contacting the hot gas and starting combustion. Then, after it becomes a premixed gas with an appropriate mixing ratio, it burns. For this reason, low NOx combustion equivalent to lean premixed combustion becomes possible. At this time, in this embodiment, the portion corresponding to the premixing tube of the conventional premixing combustor can be made extremely short.
[0031]
Moreover, since the fuel concentration is almost zero near the wall surface, the potential for burnout due to flashback is extremely low.
[0032]
As described above, according to the present embodiment, it is possible to provide a gas turbine combustor and a gas turbine combustor operating method that have low NOx and excellent combustion stability.
[0033]
(Second embodiment)
FIG. 5 shows details of the nozzle portion of the second embodiment. In this embodiment, there is one fuel system and it is not divided into the center and the periphery. Further, the swivel angle is not given to the nozzle and the combustion air hole near the center. In this embodiment, the nozzle structure can be simplified in operation or in a situation where combustion stability is not a significant problem due to the properties of the fuel.
[0034]
(Third embodiment)
FIG. 6 shows a third embodiment. In this embodiment, a single combustor is configured by combining a plurality of nozzles of the second embodiment shown in FIG. That is, a single combustor is configured by combining a plurality of fuel nozzles and air holes as one module.
[0035]
By adopting such a configuration, as described in the first embodiment, a plurality of fuel systems can be used to flexibly cope with a change in the load of the gas turbine. Those having different capacities can be provided relatively easily.
[0036]
(Fourth embodiment)
FIG. 7 shows a fourth embodiment. This embodiment is basically the same as the second embodiment, but differs in that the swirl component is given to the coaxial jet itself by the air swirler 58.
[0037]
With this configuration, mixing of individual coaxial jets is promoted, and more uniform low NOx combustion is possible. A structure in which a swirl component is given to the fuel jet in the fuel nozzle is also effective for promoting mixing.
[0038]
(Fifth embodiment)
FIG. 8 shows a fifth embodiment. This embodiment is different from the third embodiment in that the nozzle installed on the central axis is a conventional diffusion burner 61 having an air swirler 63 and a fuel injection hole 62 intersecting with the air swirler 63.
[0039]
Such a configuration is considered advantageous when starting stability is emphasized by using a conventional diffusion combustion burner at start-up / acceleration and partial load.
[0040]
(Sixth embodiment)
FIG. 9 shows a sixth embodiment. In this embodiment, a liquid fuel nozzle 68 and an atomizing air nozzle 69 are installed in the diffusion burner 61 of the embodiment shown in FIG.
66 is atomized with the atomizing air 65 so as to cope with the combustion of the liquid fuel. Although many cannot be expected in terms of reducing NOx, it is intended to provide a combustor that can flexibly cope with fuel supply conditions.
[0041]
(Seventh embodiment)
FIG. 10 shows a seventh embodiment. This embodiment is an example in which an auxiliary fuel supply system 71, a header 72, and a nozzle 73 are added to the downstream side of the combustor in the first embodiment shown in FIGS. The fuel ejected from the nozzle 73 flows into the combustion chamber as a coaxial jet through the air hole 74, and the combustion reaction proceeds by the high-temperature gas flowing from the upstream side.
[0042]
By adopting such a configuration, the structure is complicated, but a low NOx combustor that is flexible in load handling can be provided.
[0043]
(Eighth embodiment)
FIG. 11 shows an eighth embodiment. In this embodiment, the individual fuel nozzles of the embodiment shown in FIG. 5 are made into a double structure so that the liquid fuel 66 is supplied to the inner liquid fuel nozzle 68 and the atomized air 65 is supplied to the outer nozzle 81. Liquid fuel by supplying
Even when 66 is used, a large number of coaxial jets can be formed to achieve low NOx combustion with a very low backfire potential.
[0044]
In addition, by stopping the supply of liquid fuel and supplying gaseous fuel instead of atomizing air, it is possible to operate as a low-NOx combustor of gaseous fuel, and combustion corresponding to both liquid and gaseous fuel It can also have features that make it possible to provide vessels.
[0045]
As described above, a part or all of the fuel nozzles have a double structure so that the spraying of the liquid fuel and the gaseous fuel can be switched or used in combination, so that both liquid and gaseous fuels can be used.
[0046]
As described above, according to the above-described embodiment, the fuel is flowed into the combustion chamber by making many coaxial jets that wrap the fuel in the air flow, and then actually comes into contact with the hot gas and starts combustion. Before mixing, it is mixed with the surrounding coaxial air flow, and after it becomes a premixed gas with an appropriate mixing ratio, it burns. For this reason, low NOx combustion equivalent to lean premixed combustion becomes possible. At this time, the part corresponding to the premixing tube of the conventional premixing combustor is extremely short, and the fuel concentration is almost zero near the wall surface. it can.
[0047]
(Ninth embodiment)
FIG. 12 shows a partial cross-sectional view in which the fuel nozzle 55 and the combustion air hole 52 are arranged substantially coaxially. A combustion air hole 52 is provided on the fuel ejection downstream side of the fuel nozzle 55. That is, a premixing channel is formed on the fuel jet downstream side of the fuel nozzle 55. The size (flow path area) of the combustion air hole 52 is preferably larger than the fuel ejection hole area of the fuel nozzle 55. In the present embodiment, the diameter of the combustion air hole 52 (the premixed channel diameter area) is formed larger than the diameter (area) of the fuel injection hole of the fuel nozzle 55. The fuel is ejected from the fuel nozzle 55 through this premixing flow path, and the fuel and air are coaxially jetted. At this time, it is desirable that the fuel from the fuel nozzle 55 be ejected toward substantially the center of the inlet portion of the combustion air hole 52 to form a good coaxial jet. In the case of the present embodiment, the fuel concentration distribution downstream of the air outlet has a symmetrical shape around the axis of the coaxial flow as shown in the figure, and rapidly mixes and becomes uniform as it goes downstream. As a result, compared with the conventional premixed combustion method, the same low NOx performance can be realized with a short premix distance.
[0048]
FIGS. 13A and 13B are examples in which the axis of the combustion air hole 52 is inclined with respect to the fuel jet axis of the fuel nozzle 55 by an angle θ °. In the vicinity of the entrance of the combustion air hole 52, the combustion air hole 52 is inclined with respect to the flow direction in a coaxial arrangement. In this arrangement, the fuel concentration distribution downstream of the air outlet is asymmetric with respect to the air jet axis as shown in the figure. As it goes downstream, it is mixed and uniformed, but the asymmetry with respect to the axis is not completely eliminated, and it is considered that a concentration deviation remains. Then, for example, as shown in FIG. 13B, such a misalignment between the fuel jet axis and the air hole axis is positively utilized for the coaxial nozzle hole near the center of the burner formed by the coaxial jet assembly. It is possible. That is, in this embodiment, the above-described inclination of the combustion air hole 52 is provided around the flame holding region and near the center of the burner, and the combustion air hole 52 on the opposite side is not inclined (θ = 0 °). The fuel concentration in the flame holding region can be kept relatively high, and the flame stability can be enhanced. In this embodiment, while adopting a straight fuel injection hole with no turning angle or inward / outward angle in the fuel injection hole, only the air hole has an angle not parallel to the axis of the burner, such as the turning angle, It is excellent in that the premixed gas can be swirled and inward and outward angles can be given with a relatively simple structure, and the premixed gas flow can be set with a relatively simple structure according to the burner configuration and purpose. ing.
[0049]
Next, FIG. 14 is an example in which the axial direction of the coaxial arrangement of the fuel injection hole and the air hole is the same and the positional deviation d is set intentionally. Due to this deviation, as shown in the figure, the concentration deviation is asymmetrically distributed with respect to the air jet axis, and the concentration deviation of the fuel can be positively generated, and combustion characteristics such as combustion stability can be improved. Can do.
[0050]
In this embodiment, the fuel from the fuel nozzle 55 flows almost along the center of the premixing channel in the premixing channel. Further, air is configured to flow from the outer peripheral side of the fuel nozzle 55 along the outer peripheral side of the flow channel in the premixed flow channel. Therefore, in the premixing channel, air flows along the fuel flow on the outer peripheral side of the fuel flow, and both flows are substantially coaxial. By providing a plurality of such nozzle forms, mixing can be promoted and stable combustion can be realized with a simple structure.
[0051]
15A and 15B show examples of the length of the premixing length L. Mixing by rapid expansion after exiting the air hole is dominant, and the premixing length L is low in mixing uniformity.
The impact on NOx performance is considered not so great. As shown in FIG. 15A, it is considered that the low NOx performance can be sufficiently ensured even if the member for forming the air hole is made thin and the premixing distance L is shortened. On the other hand, it is possible to expect savings in the material of the member forming the air holes and the processing cost of the hole processing of the air holes, and the cost reduction is advantageous. FIG. 15B shows an example where the premix length L is sufficiently long. Fuel and air can be expected to be sufficiently mixed in this flow path, and a combustor with even lower NOx properties can be provided. Furthermore, it is advantageous that L is about several times the diameter of the air hole in order to add a swirl component by giving an oblique angle to the air hole or to give an inward / outward deflection angle. is there.
[0052]
FIGS. 15C and 15D show examples in which the axial distance G between the fuel nozzle tip and the air hole inlet is different. FIG. 15C is an example in which G is large. A substantial premixing distance can be taken, and it is considered advantageous for uniform mixing and low NOx properties. Further, since the length of the fuel nozzle can be shortened, the manufacturability of the fuel nozzle is improved and the cost can be reduced. On the other hand, FIG. 15 (d) shows an arrangement in which a premixing channel is formed relatively downstream of the fuel nozzle 55, the axial distance G is negative, and the fuel injection hole protrudes into the air hole. With such an arrangement, the potential of flashback is further reduced, and it is considered effective when, for example, ignitable fuel such as dimethyl ether (DME) is burned with low NOx.
[0053]
FIGS. 15E and 15F show an example in which the diameter D of the air hole is small and large. In the case of FIG. 15 (e) in which the diameter D of the air hole is small and the number thereof is increased, the fuel and air are finely dispersed from the burner, so that they are uniformly mixed well in a short distance, and are lower. Suitable when NOx performance is important. When the air hole diameter D is increased and the number of air holes is reduced as shown in FIG. 15 (f), a long mixing distance is required and the uniformity is somewhat impaired, so the low NOx performance is slightly inferior. It is possible to reduce the number of manufacturing steps and to make the required manufacturing accuracy relatively rough, which is advantageous when emphasizing cost reduction.
[0054]
(Tenth embodiment)
FIG. 16A shows another embodiment. In the embodiment described so far, the arrangement of the coaxial air holes in the burner surface has been shown as being concentrically distributed, but the basic characteristics are not lost even in a lattice arrangement or a staggered arrangement. Absent. FIG. 16 (a) shows an example of such arrangement. When arranged in this manner, although depending on the average flow velocity in the combustor liner, the axial position in which the flame is formed becomes a substantially lifted flame within the liner cross section. It may be simple to produce but may not be sufficient in terms of flame stabilization. In FIG. 16B, in such a case, a part of the burner surface is provided with a region having a small air hole area or a region having no air hole or a large pitch even though the air hole pitch is the same. In this example, a low flow velocity portion and a circulation flow region are formed, and the flame is stabilized at this portion. Such a configuration can provide a combustor having a low flashback potential and having both low NOx properties and combustion stability.
[0055]
(Eleventh embodiment)
FIG. 17 shows an example of an experimental result regarding the relationship between the premix distance L and the NOx emission amount of the present invention. Complete premix combustion, in which fuel and air are completely mixed and then combusted, requires a mixing device having a sufficiently long mixing distance or a large pressure loss, but the NOx discharged is very low. (Point A in the figure) On the other hand, in a practical premixer structure formed by arranging a plurality of fuel nozzles in an annular premixing flow path, NOx increases approximately in inverse proportion to the premixing distance L. An example of a premixer, NOx, is shown at point B in the figure.
[0056]
On the other hand, in the present invention, the relationship between the premix distance and the NOx emission amount in one embodiment of the present invention in which fuel and air are arranged as a large number of coaxial jets is as shown at point C in the figure. However, it has been shown that the NOx performance equivalent to that of the conventional premixer is exhibited at a premixing distance of 1/20 or less that of the conventional structure.
[0057]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to provide a gas turbine combustor having low NOx and excellent combustion stability and a method for operating the gas turbine combustor.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory view including an overall cross-sectional view of a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram of a diffusion combustion system.
FIG. 3 is an explanatory diagram of a premixed combustion method.
FIG. 4 is a detailed explanatory view of a nozzle part according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a detailed explanatory view of a nozzle part according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a detailed explanatory view of a nozzle part according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a detailed explanatory view of a nozzle part according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a detailed explanatory view of a nozzle part according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a detailed explanatory view of a nozzle portion according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a detailed explanatory view of a nozzle part according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a detailed explanatory view of a nozzle portion according to an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a detailed explanatory view of a nozzle part according to a ninth embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a detailed explanatory view of another nozzle portion of the ninth embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a detailed explanatory view of another nozzle portion of the ninth embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a diagram showing various nozzle configurations of the present invention.
FIG. 16 is a detailed explanatory view of a nozzle portion according to a tenth embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a diagram showing the relationship between the premixing distance and the NOx emission amount.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Combustion chamber, 2 ... Outer cylinder, 3 ... Combustor liner, 4 ... Diffusion flame, 5 ... Premix flame, 8, 55, 56 ... Fuel nozzle, 10 ... Compressor, 12, 63 ... Air swirler, 13 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Diffusion fuel nozzle, 14 ... Combustion air hole, 16 ... Gas fuel, 17 ... Cooling air hole, 18 ... Turbine, 21 ... Premixed gas fuel, 22 ... Premixed gas, 23 ... Premixer, 31 ... Cooling air 32 ... dilution air, 33 ... primary combustion air, 49 ... head swirling air,
50 ... Air, 51 ... Coaxial air, 52, 57, 74 ... Air hole, 53, 54 ... Fuel, 61 ... Diffusion burner, 62 ... Fuel injection hole, 65 ... Spraying air, 66 ... Liquid fuel, 68 ... Liquid fuel nozzle 69 ... Spray air nozzles, 71, 80 ... Fuel supply system, 72 ... Header, 73 ... Nozzle.

Claims (6)

燃料噴流と該燃料噴流の外周側を流れる空気流との同軸噴流が形成されるように、気体燃料を燃焼室に噴出する複数の燃料ノズルと空気を該燃焼室に噴出する複数の空気孔とを配置し、
前記同軸噴流の気体燃料と空気が燃焼室に噴出するように、複数の空気孔を有する盤状部材を前記燃焼室の壁面に配置し、
前記空気孔の流路面積は、前記燃料ノズルの燃料噴出孔の流路面積よりも大きく形成され、
該盤状部材の上流側の空気と前記燃料ノズルからの気体燃料とを前記空気孔の予混合流路で予混合した後に前記燃焼室で急速混合するように、
前記燃焼室の壁面より上流側であって、前記空気孔の入口付近に前記燃料ノズルの先端を配置し、
前記燃料ノズルからの気体燃料を前記空気孔に向かって噴出させるとともに、
複数の前記燃料ノズルと複数の前記空気孔を一つのモジュールとして形成し、前記燃料ノズルの燃料噴流軸に対して、前記モジュールに設けられた前記空気孔のうち、一部の前記空気孔のみについて軸を傾けることを特徴とするガスタービン燃焼器。
A plurality of fuel nozzles for injecting gaseous fuel into the combustion chamber and a plurality of air holes for injecting air into the combustion chamber so that a coaxial jet of the fuel jet and the airflow flowing on the outer peripheral side of the fuel jet is formed; And place
A disk-shaped member having a plurality of air holes is arranged on the wall surface of the combustion chamber so that the gaseous fuel and air of the coaxial jet flow are ejected into the combustion chamber.
The flow area of the air hole is formed larger than the flow area of the fuel ejection hole of the fuel nozzle,
So that the air on the upstream side of the disk-shaped member and the gaseous fuel from the fuel nozzle are premixed in the premixing flow path of the air hole and then rapidly mixed in the combustion chamber.
The tip of the fuel nozzle is disposed in the upstream of the wall surface of the combustion chamber and in the vicinity of the inlet of the air hole,
While ejecting gaseous fuel from the fuel nozzle toward the air hole ,
A plurality of the fuel nozzles and a plurality of the air holes are formed as one module, and only a part of the air holes among the air holes provided in the module with respect to the fuel jet shaft of the fuel nozzle. A gas turbine combustor characterized by tilting an axis .
請求項1に記載のガスタービン燃焼器において、
多数の該燃料ノズルを複数の燃料供給系統に分割し、ガスタービンの負荷によってそれぞれの燃料流量を独立に制御する制御装置を備えたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
The gas turbine combustor according to claim 1.
A gas turbine combustor comprising a control device that divides a large number of fuel nozzles into a plurality of fuel supply systems and independently controls each fuel flow rate according to a load of the gas turbine.
請求項1に記載のガスタービン燃焼器において、
個々の空気孔または燃料ノズルにそれぞれの軸周りに旋回成分を付与する機構を付与したことを特徴とするガスタービン燃焼器。
The gas turbine combustor according to claim 1.
A gas turbine combustor comprising a mechanism for imparting a swirl component around each axis to each air hole or fuel nozzle.
請求項1に記載のガスタービン燃焼器において、
該燃料ノズルの一部またはすべてを二重構造として液体燃料の噴霧と気体燃料を切り替えてまたは併用して使用できるようにしたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
The gas turbine combustor according to claim 1.
A gas turbine combustor characterized in that a part or all of the fuel nozzle has a double structure so that spraying of liquid fuel and gaseous fuel can be switched or used together.
気体燃料を燃焼室に噴出する複数の燃料ノズルと空気を該燃焼室に噴出する複数の空気孔とを配置したガスタービン燃焼器の運転方法であって、
前記燃焼室の壁面に配置された複数の空気孔を有する盤状部材を備え、
前記空気孔の流路面積は、前記燃料ノズルの燃料噴出孔の流路面積よりも大きく形成し、
前記燃焼室の壁面より上流側であって、前記空気孔の入口付近に配置された前記燃料ノズルの先端から該気体燃料を前記空気孔に向かって噴出し、燃料噴流と該燃料噴流の外周側を流れる空気流との同軸噴流を形成して、前記盤状部材の上流側の空気と前記燃料ノズルからの気体燃料とを前記空気孔の予混合流路で予混合させた後、
前記盤状部材から前記同軸噴流の気体燃料と空気を燃焼室に噴出させて、前記燃焼室で急速混合させるとともに、
複数の前記燃料ノズルと複数の前記空気孔を一つのモジュールとして形成し、前記燃料ノズルの燃料噴流軸に対して、前記モジュールに設けられた前記空気孔のうち、一部の前記空気孔のみから噴出する同軸噴流の軸が傾斜することを特徴とするガスタービン燃焼器の運転方法。
An operation method of a gas turbine combustor in which a plurality of fuel nozzles for ejecting gaseous fuel into a combustion chamber and a plurality of air holes for ejecting air into the combustion chamber are arranged,
A disc-like member having a plurality of air holes arranged on the wall surface of the combustion chamber;
The flow area of the air hole is formed larger than the flow area of the fuel ejection hole of the fuel nozzle,
A upstream of the wall surface of the combustion chamber, the gaseous fuel from the tip of the fuel nozzle that is disposed on the vicinity of the inlet of the air hole ejected toward the air hole, the outer peripheral side of the fuel jet and the fuel jet Forming a coaxial jet with the airflow flowing through the pre-mixing of the air upstream of the disk-shaped member and the gaseous fuel from the fuel nozzle in the premixing flow path of the air hole,
The coaxial fuel jet gas fuel and air are jetted from the disk-shaped member into the combustion chamber, and are rapidly mixed in the combustion chamber .
A plurality of the fuel nozzles and a plurality of the air holes are formed as one module, and only a part of the air holes among the air holes provided in the module with respect to the fuel jet axis of the fuel nozzle. A method of operating a gas turbine combustor, characterized in that an axis of a jet of coaxial jet is inclined .
請求項に記載のガスタービン燃焼器の運転方法であって、
前記燃料ノズルを複数の燃料供給系統に分割し、ガスタービン負荷によってそれぞれの燃料流量を独立に制御することを特徴とするガスタービン燃焼器の運転方法。
A method for operating a gas turbine combustor according to claim 5 ,
A method of operating a gas turbine combustor, wherein the fuel nozzle is divided into a plurality of fuel supply systems, and each fuel flow rate is independently controlled by a gas turbine load.
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