JP4872992B2 - 燃焼器，燃焼器の燃料供給方法及び燃焼器の改造方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃焼器，燃焼器の燃料供給方法及び燃焼器の改造方法に関する。

産業用電力を支える発電プラントのひとつに、天然ガスや石油などの化石資源を燃料とするガスタービン発電プラントがある。このガスタービン発電プラントは化石資源を燃料とし、地球温暖化物質の二酸化炭素（ＣＯ₂）を排出するため、これまで以上に発電効率の向上が求められている。発電効率を向上させる手段として、ガスタービン燃焼器から排出される燃焼ガスの高温化が挙げられる。しかし、燃焼ガスの高温化に伴い、燃焼ガス中に含まれる、環境阻害物質である窒素酸化物（ＮＯｘ）が指数関数的に増加する。そのため、発電効率を高めながらＮＯｘを低減する対策が重要な技術課題となっている。

そこで、特許文献１には、燃料ノズルと燃焼室との間に空気孔プレートを配置し、空気孔プレートに設けられた空気孔の内部において、燃料流及び燃料流の外周側に形成された空気流を燃焼室に噴出させる技術を開示する。この特許文献１の燃焼器によれば、空気に対する燃料の分散性を高めてＮＯｘを低減することが可能である。

特開２００３−１４８７３４号公報

特許文献１の空気孔プレートは、燃焼室側のプレート面に配置された空気孔出口が、空気孔プレートの中心部に対して周方向に並んで配置されている。そのため、周方向に隣接する２つの空気孔出口の間隙やその周辺に生じる後流渦によって、火炎がプレート面に付着する場合があった。火炎がプレート面に付着すると、燃料と空気の混合が不十分なまま燃焼するため、局所の燃焼温度が上昇してＮＯｘが増加する。また、空気孔プレートの燃焼室側プレート面のごく近傍で燃料が燃焼するため、空気孔プレートの温度が上昇する。更に、火炎が燃料噴流によって変形させられるため、圧力変動などを引き起こしていた。

本発明の目的は、空気孔プレートに配置された、空気孔出口の周辺に火炎が付着することを抑制することにある。

本発明は、下流側の燃焼室に燃料を噴出する燃料ノズルと、該燃焼室の上流側に面し、前記燃料ノズルと前記燃焼室との間に設置された平板状の空気孔プレートと、前記空気孔プレートには、燃料流及び該燃料流の外周側に形成された空気流が前記燃焼室に噴出する空気孔を、前記空気孔プレートの中心軸に対して円周方向に複数個備えると共に、前記燃料ノズル側の空気孔プレート面に設けられ、周方向に隣接する２つの空気孔入口の間隙が、前記燃焼室側の空気孔プレート面に設けられた、周方向に隣接する２つの空気孔出口の間隙より広いことを特徴とする。

本発明によれば、空気孔プレートに配置された、空気孔出口の周辺に火炎が付着することを抑制できる。

以下、本発明の実施例を説明する。

図３は、本実施例に関する燃焼器１００を採用したガスタービンシステムの概略構成図である。

圧縮機５によって生成された圧縮空気１０は、燃焼器１００の車室７に流入する。

燃焼器１００は、燃焼器外筒２の内部において、燃料と空気の混合気３０をその内部で燃焼させる燃焼器ライナー３と、燃焼器ライナー３の内部に形成された燃焼室１を備える。圧縮機５から供給された圧縮空気１０は、燃焼器外筒２と燃焼器ライナー３の間の空間を通り、一部の圧縮空気１０は燃焼器ライナー３を冷却する冷却空気１１となる。また、残る圧縮空気１０は燃焼用空気１２として、燃焼器エンドカバー８と空気孔プレート２０の間の空間に入る。一方、燃料１４は燃焼器エンドカバー８外部から燃料分配器２３に流入し、空気孔プレート２０の上流側に配置された燃料ノズル２２から噴出される。空気孔プレート２０には、空気孔プレートの中心軸に対して円周方向に複数の空気孔２１が配置されている。空気孔２１から噴出した燃料流・空気流は、燃焼室１で火炎を形成する。その後、燃焼ガス１３は燃焼器尾筒４を流れ、タービン６に流入し、発電機などを駆動する。

図１０は、燃料ノズル２２の先端部を拡大した図である。平板状の空気孔プレート２０は、燃料ノズル２２と燃焼室１との間に配置されている。また、空気孔プレート２０の上流側には、圧縮機５からの圧縮空気１０が空気孔プレート２０より上流側に引き込まれている。燃料ノズル２２は空気孔２１の上流側に配置されている。そのため、燃料ノズル２２から噴出した燃料１４が空気孔２１の内部に流入する。また、空気孔プレート２０の上流側から供給される燃焼用空気１２も、燃料ノズル２２の外周側から空気孔２１に流入する。この時、燃焼用空気１２は、空気孔プレート２０の上流側に形成された広い空間から、狭い空間の空気孔２１に流入する。従って、空気孔２１の内部では、燃料流及び燃料流の外周側に形成された環状の空気流が燃焼室１に向かって流れるものと考えられる。そして、空気孔２１を通過した燃料流及び空気流は、空気孔２１より広い空間の燃焼室１に一気に噴出するため、燃焼室１において燃料流と空気流が急速に混合する。

このように、空気孔プレートに複数の空気孔を配置し、空気孔の上流側に燃料ノズルを配置すると、燃焼室に流入した燃料は急速に分散するため、燃料と空気の混合度が増加し、短距離で急速に混合できる。このような構成では、空気孔内部において燃料流が中心部を流れ、燃料流の周囲を空気流が流れているため、燃料ノズルのごく近傍では可燃範囲の混合気が形成されない。また、空気孔内部の非常に狭い領域で混合が進行するため、空気孔の内部に燃焼ガスが進入しにくく、逆火しにくい特徴を持つ。

上記に示す燃料ノズル・空気孔の位置関係において、空気孔２１の中心軸は空気孔プレート２０の円周方向に傾斜している。従って、空気孔２１から噴出する燃料流及び空気流は、空気孔２１の中心軸に沿って燃焼室１に噴射される。このように、空気孔２１は空気孔プレート２０の円周方向に傾斜しているため、空気孔２１から噴射された燃料流と空気流は、燃焼室１の内部で螺旋状に旋回しながら下流側へ流れる旋回流となる。また、空気孔２１の中心軸は空気孔プレート２０の円周方向に傾斜しているため、空気孔内部において燃料濃度に偏差が残る。空気孔２１から噴出した旋回流は、僅かに燃料濃度の偏りが残ることにより火炎が安定に形成される。

図１は、空気孔プレート２０を示した図である。（ａ）は空気孔プレート２０を燃料ノズル側から見た図、（ｂ）は空気孔プレートの燃焼室側プレート面に対して垂直方向に切断した断面図、（ｃ）は空気孔プレート２０を燃焼室側から見た図を示す。図１（ｂ）において、２０ａを空気孔プレートの燃焼室側プレート面、２０ｂを燃料ノズル側プレート面とする。

図１（ａ）には、燃料ノズル側の空気孔プレート面に設けられ、周方向に隣接する空気孔入口の間隙を示す。また、図１（ｃ）には、燃焼室側の空気孔プレート面に設けられた、周方向に隣接する空気孔出口の間隙を示す。図１（ｂ）において、燃料ノズルは燃料ノズル側プレート面２０ｂの左側に配置される。なお、空気孔は、円形以外の形状（例えば矩形スロット）でも成立する。

図１（ｄ）は、燃料ノズル側プレート面に設けられた２つの空気孔２１を拡大した図である。空気孔２１の入口面中心５３は、燃料ノズル側プレート面２０ｂの中心点５２に対して円周５０の曲線上に配置されている。そして、隣接する２つの空気孔２１において、２つの入口面中心５３を結ぶ直線５１のうち、空気孔入口面に位置する直線５１を除いた直線距離ｂが、空気孔入口の間隙である。なお、空気孔出口の間隙も、図１（ｄ）と同様に定義することができる。

図１に示すように、空気孔プレート２０の中央部に８個の空気孔２１が開口している。空気孔プレート２０において、燃焼室側の空気孔プレート面２０ａにおける空気孔出口の間隙をａとし、燃料ノズル側の空気孔プレート面２０ｂにおける空気孔入口の間隙をｂとし、空気孔プレート２０の厚さをｔと表す。また、空気孔に与える旋回角Θは、空気孔プレートの直径を含む面が空気孔中心軸をも含むように形成された平面が、空気孔プレート面に直行する平面とのなす角度によって定義される。

図２は、燃焼器１００の概略構造と燃焼器内部における燃料流・空気流の流れ方向を示したものである。本実施例では、燃料ノズル側の空気孔プレート面２０ｂに設けられ、周方向に隣接する２つの空気孔入口の間隙ｂが、燃焼室側の空気孔プレート面２０ａに設けられ、周方向に隣接する２つの空気孔出口の間隙ａより広くなっている。空気孔入口及び出口の間隙が前述の関係となるため、空気孔プレート２０から噴出した旋回流３１は互いに接近しながら螺旋状に旋回する。そして、旋回流３１の旋回半径は、徐々に小さくなる。そして、旋回流３１が更に下流に進むと、旋回半径が拡大する。従って、燃焼室中心軸において下流側から上流側に向かって圧力が低下する逆圧力勾配領域が生成され、燃焼した混合気の一部は循環流３２となって空気孔プレート側に逆流する。また、旋回流３１が噴出する空気孔２１の近傍では、噴出する旋回流に引きずられる形で周囲空気が動くため、後流３３と呼ばれる渦流が発生する。

図４（ｂ）は、空気孔２１から噴出した旋回流３１の流れを示す図である。図４（ａ）は、（ｂ）においてバーナ中心軸における燃焼室内の圧力分布を示している。図４（ｃ）（ｄ）は、それぞれ（ｂ）のＸ−Ｘ断面，Ｙ−Ｙ断面を示す。

図４（ａ）において、原点０は燃焼室側の空気孔プレート面に位置する。また、横軸は燃焼室側空気孔プレート面からの距離、縦軸はバーナ中心軸における燃焼室内の圧力を示す。図４（ｂ）に示す軸方向位置Ｘでは、複数の旋回流３１が互いに合流して１つの円環状噴流となる。また、燃焼室下流側に旋回流が流れる過程で噴流間の距離が更に縮小するため、噴流の旋回半径は、空気孔から噴出した直後の旋回半径に比べ小さくなる。噴流の旋回半径が小さくなると、角運動量保存則に従って旋回方向速度成分が増加する。旋回方向速度成分の増加により、図４（ａ）の圧力分布４３に示すように、空気孔出口直後の燃焼器中心軸付近には、空気孔プレート２０から燃焼器出口方向に向けて圧力の低下する順方向圧力勾配が生まれる。この順方向圧力勾配により、空気孔プレートの外周側に後流３３が現れる。

上記の旋回噴流は、軸方向位置Ｙで最小の旋回半径となる。軸方向位置Ｙより下流側では、旋回半径は大きくなるため、燃焼器中心軸付近の圧力分布４３は、軸方向位置Ｙから燃焼器出口に向けて圧力の増加する逆圧力勾配が生じる。従って、燃焼した混合気の一部が軸方向位置Ｙに向けて逆流して戻る循環流３２が形成される。この循環流３２が定常火炎を維持する着火源となっている。

軸方向位置Ｙ近傍では、旋回流３１の旋回半径は、その変化が非常に小さくなるため、ほとんど圧力の変化しない淀み領域３４が形成される。本実施例によれば、循環流３２が到達する軸方向位置Ｙは空気孔プレート２０から離れた位置となる。そのため、空気孔プレート近傍の後流３３などに可燃範囲の混合気が存在しても、着火源となる高温燃焼ガスは順圧力勾配領域および淀み領域３４をはさんだ離れた位置にある。また、循環流３２は互いに合流して円環状になった旋回流３１に包み込まれているため、空気孔近傍の後流３３などには火炎が付着できない。以上より、空気孔プレート２０近傍において、混合不十分な混合気が燃焼して局所的に高温燃焼することはない。そのため、空気孔プレートに配置された、空気孔出口の周辺に火炎が付着することを抑制できる。また、空気孔プレート近傍において局所的な高温燃焼を抑制するため、排出ＮＯｘが低く、信頼性の高い燃焼器が得られる。

特に、製油所などで発生する副生ガスやコークス炉で得られるコークス炉ガスなど、水素を含む燃料を燃焼させるガスタービン燃焼器の場合、水素によって火炎の燃焼速度が大きく増加し、周方向に隣接する２つの空気孔出口の間隙に火炎が付着しやすい。そのため、本実施例において前述の燃料を燃焼させる場合、特に、周方向に隣接する２つの空気孔出口の間隙やその周辺に火炎が付着することを防止することが可能である。

次に、図１において、空気孔の傾斜度合いについて説明する。本実施例では、空気孔の個数Ｎ，空気孔プレート厚さｔ，空気孔の径Ｄ２，燃焼室側の空気孔プレート面に設けられた空気孔出口の間隙をａとした場合、次式（１）の関係を満たす。

また、燃料ノズル側の空気孔プレート面に設けられた空気孔入口の間隙ｂは、空気孔数Ｎ，空気孔プレート厚さｔ，空気孔の径Ｄ２，燃焼室側の空気孔プレート面に設けられた空気孔出口の間隙ａによって次式（２）で規定される範囲となる。本実施例では（Ｄ２／ｔ）＝０.５、（ａ／ｔ）＝０.０３であり、Ｎ＝８個としたが、別の空気孔個数でもＮ＞３.０８であれば式（１）を満足する。そのため、４個以上の空気孔を配置し、次式（２）で規定される空気孔間隙を採用すれば同様の効果を得られる。

本実施例では（ａ／ｔ）＝０.１１３としているが、式（２）を満足する０.０７０＜（ａ／ｔ）＜０.２１９の範囲の間隙ｂを与えれば、同様の効果が得られる。

また空気孔に与える旋回角は、次の式（３）で規定される角度よりも小さくしている。本実施例では旋回角Θ＝１５°であるが、式（３）を満足する３９.５°未満の角度であれば同様の効果が得られる。

なお、空気孔２１の個数Ｎが式（１）を満たさない場合、複数の空気孔２１から噴出した旋回流３１が互いに合流して、１つの大きな円環流を形成することができない。そのため、旋回流３１が下流側の循環流３２によって形成された高温燃焼ガスを包み込むことができず、高温燃焼ガスが空気孔プレート２０近傍に漏れ出てくることが可能になる。従って、空気孔プレート２０近傍の後流３３に火炎が付着してしまう。

また、燃料ノズル側の空気孔入口の間隙ｂを燃焼室側の空気孔出口の間隙ａと同一にした場合、旋回流３１の旋回半径は、旋回流３１が空気孔出口から噴出した直後から拡大する。そのため、燃焼器中心軸において、空気孔プレート近傍まで達する逆圧力勾配が生じ、正圧力勾配は生じない。そのため、高温燃焼ガスは空気孔プレート近傍まで達する。従って、空気孔プレート近傍に達した高温燃焼ガスは、空気孔間の間隙を通って外周側の後流領域に侵入するため、当該領域に火炎が付着する。また、内周側の後流領域にも火炎が付着する。

さらに、旋回角Θが式（３）で規定される角度を超えると、循環流３２がもたらす燃焼ガスを包み込むことができない。そのため、高温燃焼ガスが空気孔プレート２０近傍に漏れ出てくることが可能になるため、空気孔プレート２０の後流３３に火炎が付着する。また極端に旋回角Θが式（３）で規定される値を上回れば、空気孔２１同士の干渉が生じて互いの空気孔が連通するなどの不具合を生じる。

以上より、前述の式（１）〜（３）を満たす空気孔配置とすることが望ましい。

なお、既存の燃焼器が平板状の空気孔プレートを備えている場合には、本実施例の空気孔プレートに取り替えることにより、本実施例の効果を得ることもできる。

図５は、実施例２における燃料ノズル側の空気孔入口間隙と燃焼室側の空気孔出口間隙、および空気孔に与える旋回角を示したものである。実施例１と異なる部分の構成について説明する。構成上で異なる点は、空気孔プレート２０において、中央部（１列目）に設置した３個の空気孔２１−１の外側に、燃焼室の中心軸と平行な空気孔２１−２を設けた点である。そのため、外周側の空気孔２１−２には、本発明にかかわる調整は行っていない。本実施例では、中央部の空気孔２１−１を３個配置しているが、実施例１と同様に４個以上の個数でも同様の効果を得ることができる。

本実施例では、実施例１と比較して次の効果がある。第１に、空気孔数を増加させたことにより、燃焼室への燃料供給がより分散して行われるため、燃焼器の燃料分散性が向上する。そのため、燃料と空気の混合度合いが高く、排出ＮＯｘを低くすることが可能である。第２に、空気孔間隙や旋回角の制限のない２列目の空気孔を設けることで、製作コストを低減することができる。

第３に、中央部の空気孔２１−１が旋回角の調整を行って構成されていれば、循環流による高温燃焼ガスは、空気孔プレートまで逆流することを防ぐことができる。そのため、２列目の空気孔２１−２に旋回角を付与しなくとも、循環流による高温燃焼ガスは、２列目の空気孔間隙の後流に火炎が付着しない。よって、空気孔プレート２０近傍で混合不十分な混合気が燃焼して局所的に高温燃焼することを抑制することができる。

図６は、実施例３における燃料ノズル側の空気孔入口間隙と燃焼室側の空気孔出口間隙、および空気孔に与える旋回角を示したものである。実施例２と異なる部分の構成と作用について説明する。構成上で異なる点は、空気孔プレート２０において、中央部に配置された５個の空気孔２１−１の外周側に、１０個の空気孔２１−２を配置し、空気孔２１−２にも本発明にかかわる調整を行った点である。本実施例について中央部の空気孔２１−１を５個としている。但し、（Ｄ２−１／ｔ）＝０.６５、（ａ−１／ｔ）＝０.０４８９であるので、式（１）を満足するＮ＞２.３３個となるＮ＝３以上の空気孔個数を設ければ同様の効果を得ることができる。また外周側の空気孔２１−２に関しても、式（１）を満足する限り他の個数を選択しても同様の効果が得られる。

本実施例では、２列目の空気孔２１−２からも旋回流３１が燃焼室へ供給されるため、全ての旋回流によりもたらされる角運動量が増加する。従って、燃焼器中心軸上に生じる圧力勾配は、空気孔プレート近傍の順圧力勾配が重ね合わせの原理により強化される。また、旋回流が最接近した後に拡大する領域に生じる逆圧力勾配も、同様に強化される。順圧力勾配が強化されることにより、空気流量の変動といった外乱が生じても、循環する高温燃焼ガスが空気孔プレート近傍に漏れ出ることを防止する効果が高くなる。また、燃焼室側の空気孔プレート面において、２列目の空気孔２１−２が中心部（１列目）の空気孔２１−１により近い半径位置に開口しているため、２列目の空気孔間隙が小さく、空気孔間隙の後流に火炎が付着しない効果がより強く安定して得られる。更に、旋回流が最接近した後に拡大する領域に生じる逆圧力勾配も強くなるため、高温燃焼ガスが淀み領域３４に向けて還流する循環流も安定し、火炎安定性も向上する。

図７は、実施例４における燃料ノズル側の空気孔入口間隙と燃焼室側の空気孔出口間隙、および空気孔に与える旋回角を示したものである。実施例３と異なる部分の構成と作用について説明する。構成上で異なる点は、空気孔プレート２０において、中央部（１列目）に配置された４個の空気孔２１−１の外周側に、２列目の空気孔２１−２（８個）、および３列目の空気孔２１−３（１２個）を配置すると共に、１列目・２列目・３列目の空気孔に本発明にかかわる調整を行っていることである。また空気孔２１−１から２１−２，２１−３と外周側に移るほど、旋回角が大きくなっている。実施例１〜３と同様に、同一の半径位置に配置する空気孔の個数は、式（１）を満足する範囲で他の値を採用しても良い。式（３）から明らかなように、２列目の空気孔個数，３列目の空気孔個数が大きい方が、上限となる旋回角が大きくなる。本実施例では外周側に開口する空気孔個数が多いので、本発明にかかわる調整を採用しても、保炎に有利な大きい旋回角を採用することができ、より安定な燃焼を得ることができる。

本実施例では、図６の実施例と比較して次の効果がある。旋回半径が大きい外周側の空気孔２１−２および２１−３からより大きな旋回角を付与された旋回噴流が供給されるので、強い圧力勾配をもたらすことができ、循環流の安定化や空気孔プレート近傍の順圧力勾配の強化に有利である。

図８は実施例５における空気孔プレート２０を燃焼室側から見た正面図である。本実施例は比較的大きな負荷に対応するガスタービンに好適な実施例である。実施例４と異なる部分の構成と作用について説明する。本実施例は、中央部に実施例４のバーナを１本配置し、周囲に６本配置した構成が、実施例４と異なる。但し、３列目の空気孔２１−３については、中央バーナと外周バーナが干渉する位置に開口するものが６個、また外周バーナ同士で干渉する位置に開口するものが６個ある。そのため、これら１２個の空気孔２１−３を取り除き、その代替として空気孔プレート２０に垂直な空気孔２１−４を１８個配置している。この空気孔２１−４は、旋回などを付与していない。また中央バーナと、その周囲に位置する外周バーナは別々の燃料供給系統を有している。本実施例の燃焼器を採用したガスタービンのシステム構成を図９に示す。概略の構成は図３に示したガスタービンの構成と同様であり、燃料１４の供給系統が中央バーナに対して燃料を供給する系統と、外周バーナに燃料を供給する系統の２つに分割されていることが異なる。

本実施例では、図７の実施例と比較して次の効果がある。図８に示す燃焼器を構成するそれぞれのバーナは、本発明にかかわる構成をとることで、空気孔間隙における火炎付着を抑制し、排出ＮＯｘの低い燃焼が可能である。また、２つの燃料系統で独立の制御を行うことで、より広い範囲の負荷に対応して低ＮＯｘ燃焼を行うことができる。本実施例では燃料供給系統は２系統で構成しているが、３個以上の系統を持つことで更に運転の自由度を拡大することができる。

実施例１における空気孔プレートを示した構造図である。 燃焼器の概略構造と燃焼器内部における燃料流・空気流の流れ方向を示したものである。 燃焼器断面及び圧縮機とタービンの系統を示した図である（実施例１）。 実施例１における燃焼器内の流れの概略を示した図である。 実施例２における空気孔プレートを示した構造図である。 実施例３における空気孔プレートを示した構造図である。 実施例４における空気孔プレートを示した構造図である。 実施例５における空気孔プレートを示した構造図である。 燃焼器断面及び圧縮機とタービンの系統を示した図である（実施例５）。 燃料ノズルの先端部を拡大した図である。

符号の説明

１ 燃焼室
２ 燃焼器外筒
３ 燃焼器ライナー
４ 燃焼器尾筒
５ 圧縮機
６ タービン
７ 車室
８ 燃焼器エンドカバー
１０ 圧縮空気
１１ 冷却空気
１２ 燃焼用空気
１３ 燃焼ガス
１４ 燃料
１４ａ 燃料遮断弁
１５ａ，１６ａ 燃料圧力調整弁
１５ｂ，１６ｂ 燃料流量調節弁
２０ 空気孔プレート
２１，２１−１，２１−２，２１−３ 空気孔
２２ 燃料ノズル
２３ 燃料分配器
３１ 旋回流
３２ 循環流
３３ 後流
３４ 淀み領域

Claims (2)

1. 下流側の燃焼室に水素を含む燃料を噴出する燃料ノズルと、
   該燃焼室の上流側に面し、前記燃料ノズルと前記燃焼室との間に設置された平板状の空気孔プレートと、
   前記空気孔プレートには、燃料流及び該燃料流の外周側に形成された空気流が前記燃焼室に噴出する空気孔を、前記空気孔プレートの中心軸に対して、半径方向に複数列配置すると共に、円周方向に複数個備え、
   前記燃料ノズル側の空気孔プレート面に設けられ、周方向に隣接する２つの空気孔入口の間隙が、前記燃焼室側の空気孔プレート面に設けられた、周方向に隣接する２つの空気孔出口の間隙より広く形成し、前記空気孔の個数Ｎ（但しＮは４以上）、前記空気孔プレートの厚さｔ、前記空気孔の径Ｄ２、前記燃焼室側の空気孔プレート面に設けられた空気孔出口の間隙ａ、前記燃料ノズル側の空気孔プレート面に設けられた空気孔入口の間隙ｂ、前記空気孔に与える旋回角θを、下記式１乃至３の関係としたことを特徴とする燃焼器。
   

   

   
   

   

   
   

   
2. 請求項１記載の燃焼器であって、
   前記空気孔は、内周側に比べ外周側の旋回角が大きいことを特徴とする燃焼器。

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