JP4882422B2 - Gas turbine combustor and combustion method of combustion apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、燃焼装置とガスタービン燃焼器,燃焼装置の燃焼方法に関するものである。 The present invention relates to a combustion apparatus, a gas turbine combustor, and a combustion method of the combustion apparatus.
燃料を燃焼させる燃焼装置では、窒素酸化物(NOx)の低減が求められている。ガスタービン燃料として液化天然ガス(LNG)を使用し、NOxを低減する技術として、燃料と空気を予め混合することで燃空比を低下させる予混合燃焼バーナーの技術がある。しかし、水素など自発火温度の低い燃料でこの技術を適用すると、予混合流路に逆火が発生し燃焼器が焼損する可能性がある。 In a combustion apparatus that burns fuel, reduction of nitrogen oxides (NOx) is required. As a technique for using liquefied natural gas (LNG) as a gas turbine fuel and reducing NOx, there is a premixed combustion burner technique in which the fuel-air ratio is reduced by premixing fuel and air. However, when this technology is applied with a fuel having a low self-ignition temperature such as hydrogen, backfire may occur in the premixing flow path, and the combustor may be burned.
そこで、特許文献1の燃焼器では、燃料の周囲を空気によって包み込む同軸噴流が空気ノズルから燃焼室に供給されるように燃料ノズルと空気ノズルを配置したバーナーを、半径方向にグループ分けして複数の環状バーナー群としている。そして、燃焼器の半径方向内側に位置する環状バーナー群に供給する燃料量を半径方向外側に位置する環状バーナー群に供給する燃料量より減少させることで、燃焼室の下流側で緩慢燃焼させ、NOxを減少させている。
Therefore, in the combustor of
前述の一部位の燃料を減少させることによる低NOx化には限界がある。つまり、燃焼器バーナーに供給する燃料量を全体的に減少させると火炎が吹き消える可能性があり、少なくとも一つの環状バーナー群は火炎が安定に保持される平均燃料濃度を維持しなければならず、濃度減少の限界によって低NOxにも限界がある。従って、燃焼器から排出されるNOxを更に低減するには燃料濃度が低い範囲での燃焼安定性を向上させることが望まれる。 There is a limit to reducing NOx by reducing the amount of fuel in one part. That is, if the amount of fuel supplied to the combustor burner is reduced overall, the flame may blow out, and at least one annular burner group must maintain an average fuel concentration at which the flame is held stable. There is a limit to low NOx due to the limit of concentration reduction. Therefore, in order to further reduce the NOx discharged from the combustor, it is desired to improve the combustion stability in a range where the fuel concentration is low.
そこで、本発明では、燃料濃度が低い範囲における燃焼安定性を向上し、排出される燃焼ガスの更なる低NOx化を図ることを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to improve combustion stability in a range where the fuel concentration is low and to further reduce NOx in the exhausted combustion gas.
上記課題を解決するために、複数のバーナーのうちの少なくとも一つの第一のバーナーからの燃料流と、第二のバーナーからの火炎とが交差するように、第一のバーナーが有する複数の噴出口の噴出位置を含む第一の平面と第二のバーナーが有する複数の噴出口の噴出位置を含む第二の平面とが交差することを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problem, a plurality of jets included in the first burner so that the fuel flow from at least one first burner of the plurality of burners and the flame from the second burner intersect each other. The first plane including the outlet ejection position intersects with the second plane including the ejection positions of the plurality of ejection openings of the second burner.
本発明によれば、燃料濃度が低い範囲における燃焼安定性を向上し、排出される燃焼ガスの更なる低NOx化を図ることが可能となる。 According to the present invention, it is possible to improve the combustion stability in a range where the fuel concentration is low and to further reduce the NOx of the exhausted combustion gas.
燃焼装置には多様な種類がある。まず、種々の燃焼技術のNOx低減及び火炎安定性につき説明する。燃焼装置の一つであるガスタービン燃焼器では種々の燃料を使用する。軽油やA重油などの液体燃料を使用する場合、燃料を微粒化して燃焼器に供給するとともに、燃料とは別流路から空気を供給する拡散燃焼方式を採用するのが一般的である。この場合、燃焼器に水や蒸気を噴射して火炎温度を低下させ、NOxを低減している。一方、液化天然ガス(LNG)を使用するガスタービンの場合、燃料と空気を予め混合して燃焼する予混合燃焼バーナーと拡散燃焼用のパイロットバーナーを組み合わせた燃焼方式を採用しているものが多い。 There are various types of combustion devices. First, the NOx reduction and flame stability of various combustion technologies will be described. A gas turbine combustor, which is one of combustion apparatuses, uses various fuels. When liquid fuel such as light oil or heavy fuel oil A is used, it is common to adopt a diffusion combustion system in which fuel is atomized and supplied to a combustor and air is supplied from a flow path different from the fuel. In this case, water or steam is injected into the combustor to lower the flame temperature, thereby reducing NOx. On the other hand, in the case of gas turbines that use liquefied natural gas (LNG), there are many that employ a combustion method that combines a premixed combustion burner that premixes fuel and air for combustion and a pilot burner for diffusion combustion. .
ここで、火炎温度と燃料濃度(燃料/空気比)の関係について説明する。図9は、燃料濃度と理論火炎温度との関係を示した図であり、横軸に燃料と空気の比である燃料濃度、縦軸に理論火炎温度を示す。火炎温度は燃料濃度によって変化する。火炎温度は、燃料希薄領域では燃料濃度の増加に伴なって高くなり、量論混合比付近で最大となり、さらに燃料濃度が高くなる燃料過濃領域で低下する傾向を示す。拡散燃焼の場合、火炎面近傍で燃料と空気が量論混合比となる領域が存在するため、NOx濃度が高くなる。これに対し、予混合燃焼では燃料と空気を均一に燃焼するため局所的な火炎温度を低くした低温均一燃焼が可能となり、低NOx燃焼が可能となる。したがって、燃料希薄領域において燃料濃度を低下させるほど火炎温度は低下するため、より低NOx化が期待できる。 Here, the relationship between the flame temperature and the fuel concentration (fuel / air ratio) will be described. FIG. 9 is a graph showing the relationship between the fuel concentration and the theoretical flame temperature, where the horizontal axis represents the fuel concentration, which is the ratio of fuel to air, and the vertical axis represents the theoretical flame temperature. Flame temperature varies with fuel concentration. The flame temperature tends to increase as the fuel concentration increases in the fuel lean region, reaches a maximum near the stoichiometric mixture ratio, and decreases in the fuel rich region where the fuel concentration increases. In the case of diffusion combustion, since there is a region where the fuel and air have a stoichiometric mixture ratio in the vicinity of the flame surface, the NOx concentration becomes high. On the other hand, in the premixed combustion, fuel and air are uniformly burned, so that low temperature uniform combustion with a low local flame temperature is possible, and low NOx combustion is possible. Accordingly, since the flame temperature decreases as the fuel concentration is decreased in the fuel lean region, a lower NOx can be expected.
しかしながら、予混合燃焼は拡散燃焼に比べて安定燃焼範囲が狭くなる。図10は、火炎温度とCO排出濃度との関係を示した図であり、横軸に火炎温度、縦軸にCO排出濃度を示す。火炎温度の低下に伴う未燃分の排出量増加が顕著であり、火炎が吹き消える燃焼下限界は拡散燃焼に比べて高くなる。したがって、前述のような天然ガス焚きの燃焼器では、低NOx化のために、拡散燃焼によるパイロットバーナーと予混合バーナーを組み合わせることで火炎の安定化を図っているものが多い。このため、拡散燃焼によるパイロットバーナーから排出されるNOxの低減を図る必要がある。 However, premixed combustion has a narrower stable combustion range than diffusion combustion. FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the flame temperature and the CO emission concentration. The horizontal axis shows the flame temperature and the vertical axis shows the CO emission concentration. The increase in the amount of unburned matter accompanying the decrease in the flame temperature is remarkable, and the lower limit of combustion at which the flame blows off becomes higher than that in diffusion combustion. Therefore, in many of the natural gas-fired combustors as described above, in order to reduce NOx, the flame is stabilized by combining a pilot burner by diffusion combustion and a premixed burner. For this reason, it is necessary to reduce NOx discharged from the pilot burner by diffusion combustion.
一方、水素などの燃焼性の良い燃料、あるいはそれを含む混合燃料などをガスタービンに用いる場合、予混合燃焼では燃料と空気を混合する予混合流路内に火炎が逆火するなどの可能性が高くなる。以上のように、低NOx化及び火炎安定化の双方を向上することは困難であり、双方を向上させる技術が望まれる。 On the other hand, when a fuel with good combustibility such as hydrogen or a mixed fuel containing it is used for the gas turbine, in the premixed combustion, there is a possibility that the flame is backlit in the premixed flow path for mixing the fuel and air. Becomes higher. As described above, it is difficult to improve both NOx reduction and flame stabilization, and a technique for improving both is desired.
図1は、本実施例において、液化天然ガスなどの高カロリーガス燃料を使用するガスタービンの構成の概略と、燃焼器頭部の部分拡大図を示したものである。図2は、バーナーを燃焼室から見たときの図である。ガスタービンは、外部からの空気101を圧縮する圧縮機2,燃料と空気を燃焼させる燃焼器3,燃焼器3からの燃焼ガスにより回転駆動されるタービン4,タービン4により駆動される発電機6およびガスタービン駆動用の起動用モーター5などを有する。
FIG. 1 shows a schematic configuration of a gas turbine using a high calorie gas fuel such as liquefied natural gas and a partially enlarged view of a combustor head in the present embodiment. FIG. 2 is a view when the burner is viewed from the combustion chamber. The gas turbine includes a
燃焼器3は、燃料と空気を混合して燃焼するための燃焼室8と、外側空間と区画する圧力容器の外筒10,内部に燃焼室8を形成する内筒9,燃料を燃料ノズル220に分配する燃料分配器11,燃料を燃焼室8に噴出するための燃料ノズル220と、その下流に位置し、燃焼空気102aを燃焼室8に噴出するための空気ノズル210とを有する。燃料ノズル220と空気ノズル210は、燃料の周囲を空気が包み込む同軸噴流が形成されるようそれぞれの中心軸が同軸又は同軸に近い状態で配置され、同軸ノズルとして構成される。
The combustor 3 includes a
本実施例では、複数の燃料ノズル220と、燃料ノズル220の下流側に設けた空気ノズル210と、複数の空気ノズル210を有する板状部材203によってバーナーを形成している。そして、空気ノズル210の噴出口204は燃焼室8に面しており、噴出口
204から噴射された燃料と空気の燃料流が燃焼室8の内部で燃焼して火炎を形成する。各バーナーの板状部材203は、バーナーホルダー230に固定されている。ここでは、図2に示すように、パイロットバーナー201の外側に外周バーナーを6個配置した例を示している。燃焼器の半径方向中心部にパイロットバーナー201,その外側に外周バーナー202a〜202fがそれぞれの板状部材203を介してバーナーホルダー230で固定されている。そして、空気ノズル210の上流には、燃料ノズル220が配置されている。
In this embodiment, the burner is formed by a plurality of
次に、本プラントの運転方法について説明する。始動時、ガスタービンは起動用モーター5などの外部動力によって駆動される。外部からの空気101を圧縮する圧縮機2からの燃焼空気102aと、燃料51をパイロットバーナー201に供給し、燃焼器3で着火する。その後、燃焼ガス110がタービン4に供給される。パイロットバーナー201への燃料流量の増加と共にタービン4が昇速し、起動用モーター5の離脱によって、ガスタービンは自立運転に入り無負荷定格回転数に達する。ガスタービンが無負荷定格回転数に到達後、発電機6の併入、パイロットバーナー201への燃料51の流量増加によりタービン4の入口ガス温度が上昇し、負荷がさらに上昇する。その後、外周バーナー202a及び202b,202c及び202dと順次外周バーナーへ供給する燃料流量を増加させる。最終的には全ての外周バーナーに火炎が形成され、全バーナー燃焼による運用負荷範囲での連続的な負荷運転が可能となる。
Next, the operation method of this plant is demonstrated. At startup, the gas turbine is driven by external power such as a
そして、本実施例では、複数のバーナーのうちの少なくとも一つの第一のバーナーからの燃料流と、第二のバーナーからの火炎とが交差するように、第一のバーナーが有する複数の噴出口の噴出位置を含む第一の平面と第二のバーナーが有する複数の噴出口の噴出位置を含む第二の平面とが交差する。従って、第一のバーナーから噴出する燃料流と第二のバーナーからの火炎とが交差することで、燃料流と火炎が相互作用として干渉し、第一のバーナーからの燃料流は第二のバーナーからの火炎を利用することができる。そのため、第一のバーナーが不安定燃焼になったとしても、安定に燃焼している第二のバーナーからエネルギーを受けることができるため、第一のバーナーからの火炎が吹き消える可能性を抑制し燃焼安定性が向上する。 In this embodiment, the plurality of jet nozzles of the first burner are arranged such that the fuel flow from at least one of the plurality of burners intersects with the flame from the second burner. The first plane including the ejection positions of the second and the second plane including the ejection positions of the plurality of ejection ports of the second burner intersect. Therefore, when the fuel flow ejected from the first burner and the flame from the second burner intersect, the fuel flow and the flame interfere with each other, and the fuel flow from the first burner A flame from can be used. Therefore, even if the first burner becomes unstable combustion, it can receive energy from the second burner that is burning stably, so the possibility of the flame from the first burner blowing off is suppressed. Combustion stability is improved.
また、第一のバーナーが有する複数の噴出口の噴出位置を含む第一の平面と第二のバーナーが有する複数の噴出口の噴出位置を含む第二の平面とを交差させることで、第一のバーナーが有する複数の噴出口の噴出位置を燃料室側に傾け、第二のバーナーからの火炎に近づけることが出来る。このように構成することで、第一の平面と第二の平面とを交差させない場合に比べ、第一のバーナーは第二のバーナーからの火炎による熱を多く受けるため、第一の平面の温度が上昇する。そのため、第一のバーナーからの燃料流の燃焼速度が増加し、第一のバーナーによる火炎の安定性が向上する。従って、第一のバーナーからの燃料流の燃料濃度をより希薄にすることが出来る。 In addition, the first plane including the ejection positions of the plurality of ejection openings of the first burner and the second plane including the ejection positions of the plurality of ejection openings of the second burner are allowed to intersect each other. It is possible to incline the jetting positions of the plurality of jet outlets of the burner toward the fuel chamber side so as to approach the flame from the second burner. By configuring in this way, the first burner receives more heat from the flame from the second burner than when the first plane and the second plane are not intersected, so the temperature of the first plane Rises. Therefore, the combustion speed of the fuel flow from the first burner is increased, and the stability of the flame by the first burner is improved. Therefore, the fuel concentration of the fuel flow from the first burner can be made more lean.
即ち、第一のバーナーからの燃料流と、第二のバーナーからの火炎とが交差するように、第一のバーナーが有する複数の噴出口の噴出位置を含む第一の平面と第二のバーナーが有する複数の噴出口の噴出位置を含む第二の平面とを交差させることにより、積極的に第二のバーナーからの火炎を熱源として第一のバーナーの火炎を保持できる。そして、第一のバーナーの希薄燃焼(火炎を保持する平均燃料濃度よりも低い平均燃料濃度による燃焼)が可能となる。従って、火炎を安定に保持できる燃焼安定性の燃料濃度の下限を更に下げることが出来るため、燃料濃度が低い範囲における燃焼安定性を向上し、燃焼器から排出される燃焼ガスを更に低NOx化することが可能である。 That is, the first plane and the second burner including the ejection positions of the plurality of jet outlets of the first burner so that the fuel flow from the first burner and the flame from the second burner intersect each other. By crossing the second plane including the ejection positions of the plurality of jet outlets of the first flame, the flame of the first burner can be positively held using the flame from the second burner as a heat source. The lean burn of the first burner (combustion with an average fuel concentration lower than the average fuel concentration holding the flame) is possible. Therefore, the lower limit of the fuel concentration of combustion stability that can hold the flame stably can be further lowered, so that the combustion stability in the low fuel concentration range is improved and the combustion gas discharged from the combustor is further reduced in NOx. Is possible.
なお、第一のバーナーが有する複数の噴出口の噴出位置を含む第一の平面と第二のバーナーが有する複数の噴出口の噴出位置を含む第二の平面とを交差させるために、空気ノズル210を備えた板状部材を燃焼室の中心軸に対して傾斜させることも可能である。 In addition, in order to cross | intersect the 1st plane containing the ejection position of the several jet nozzle which a 1st burner has, and the 2nd plane containing the ejection position of the several jet nozzle which a 2nd burner has, it is an air nozzle. It is also possible to incline the plate-like member having 210 with respect to the central axis of the combustion chamber.
更に、本実施例では、第二のバーナーの燃料濃度が、バーナー単独で火炎を維持できる燃料濃度より高くしている。従って、少なくとも第二のバーナーからの火炎が吹き消えてしまうことを抑制し、第一のバーナーからの燃料流に熱を安定して供給することが出来る。 Furthermore, in this embodiment, the fuel concentration of the second burner is set higher than the fuel concentration at which the flame can be maintained by the burner alone. Therefore, at least the flame from the second burner can be prevented from being blown out, and heat can be stably supplied to the fuel flow from the first burner.
また、本実施例では外周バーナーの噴出口を含む平面からの垂線と燃焼器軸心とに内向角を設け、外周バーナーから噴出する燃料と空気の噴流が、パイロットバーナー201からの火炎と衝突するように構成する。パイロットバーナー201から噴出する火炎と、外周バーナーから噴出する噴流が衝突するため、外周バーナーからの噴流はパイロットバーナー201からの火炎を利用し、外周バーナーが不安定燃焼となっても、安定に燃焼しているパイロットバーナーからエネルギーを受けることができる。そのため、外周バーナーの火炎が吹き消える可能性を低下でき、燃焼安定性が向上する。
Further, in this embodiment, an inward angle is provided in the perpendicular line from the plane including the outlet of the outer peripheral burner and the combustor axis, and the jet of fuel and air ejected from the outer peripheral burner collides with the flame from the
また、全ての外周バーナーの噴出口を含む平面からの垂線は、燃焼器の軸心に対してαの内向角を設けている。そのため、外周バーナーの噴出口を含む平面はパイロットバーナ201からの火炎により近づくため、前記平面の近傍の温度が上昇する。そのため、外周バーナーから噴流の温度も上昇し、燃焼速度が上昇する。従って、燃料濃度が低い範囲における燃焼安定性が向上し、排出される燃焼ガスの更なる低NOx化を図ることが出来る。
Moreover, the perpendicular from the plane including the jet nozzles of all the outer peripheral burners has an inward angle α with respect to the axial center of the combustor. For this reason, the plane including the jet port of the outer peripheral burner is approached by the flame from the
なお、内向角αを設けたため、空気ノズル210の入口に燃料ノズル220の先端を配置する場合、燃料ノズル220の長さは燃焼器の半径方向外側になるほど長くなる。また内向角にもよるが、あまり内向角を大きく取りすぎると燃料ノズル220のスペースがとれなくなり、バーナーを構成できなくなる。従って、内向角αは45°以下とすることが望ましい。
In addition, since the inward angle α is provided, when the tip of the
図3は各バーナーが燃焼器に噴出する燃料の平均燃料濃度を示す。燃焼器頭部のバーナー下流には、各バーナーから噴出する燃料と空気が瞬時に混合したと仮定したときの平均燃料濃度を模式的に点線で示している。本実施例では、パイロットバーナーの平均燃料濃度 (F/A)201に比べ、外周バーナーの平均燃料濃度 (F/A)202a〜 (F/A)202fを希薄にしている。ここで、パイロットバーナーの平均燃料濃度 (F/A)201は、バーナー単体で火炎を保持できる濃度よりも高い濃度であればよい。ここで、バーナー単体で火炎を保持できる平均燃料濃度を保炎限界濃度と称する。これに対して、希薄な平均燃料濃度とは、保炎限界濃度未満の濃度を表す。また、全ての外周バーナーの平均燃料濃度は均一としている。このように、外周バーナーの噴出口を含む平面からの垂線と燃焼器軸心に内向角を設け、外周バーナーから噴出する燃料と空気の噴流が、パイロットバーナー201からの火炎と衝突するよう構成した場合に、外周バーナーから噴出する燃料と空気の平均燃料濃度をパイロットバーナーから噴出する火炎の平均燃料濃度よりも希薄にすることで、外周バーナーの平均燃料濃度を従来よりも更に希薄にすることができ、燃料希薄化による低NOx燃焼が実現できる。
FIG. 3 shows the average fuel concentration of the fuel that each burner jets into the combustor. In the downstream of the burner at the combustor head, the average fuel concentration when assuming that the fuel and air ejected from each burner are instantaneously mixed is schematically shown by a dotted line. In this embodiment, the average fuel concentration (F / A) 202a to (F / A) 202f of the outer peripheral burner is made thinner than the average fuel concentration (F / A) 201 of the pilot burner. Here, the average fuel concentration (F / A) 201 of the pilot burner only needs to be higher than the concentration at which the flame can be held by the burner alone. Here, the average fuel concentration at which the flame can be held by the burner alone is referred to as flame holding limit concentration. On the other hand, the lean average fuel concentration represents a concentration lower than the flame holding limit concentration. In addition, the average fuel concentration of all the peripheral burners is uniform. In this way, the vertical line from the plane including the outlet of the outer peripheral burner and the combustor axis are provided with inward angles, and the jet of fuel and air ejected from the outer peripheral burner collides with the flame from the
図4は燃焼器下流よりバーナー側を示した図であり、図5は燃焼器頭部の部分拡大図を示したものである。外周バーナーのうち、隣り合う第一の外周バーナーと第二の外周バーナーの複数の噴出口を含む平面同士を交差させ、隣接する第一の外周バーナーから噴出する燃料流を第二の外周バーナーからの火炎と衝突するように構成している。 FIG. 4 is a view showing the burner side from the combustor downstream, and FIG. 5 is a partially enlarged view of the combustor head. Among the outer peripheral burners, the planes including the plurality of jet nozzles of the first outer peripheral burner and the second outer peripheral burner intersect with each other, and the fuel flow ejected from the adjacent first outer peripheral burner is generated from the second outer peripheral burner. It is configured to collide with the flame.
この場合、2つの外周バーナーより噴出する火炎と燃料流をお互いに衝突させ、第二の外周バーナーからの火炎を利用して第一の外周バーナーからの燃料流の火炎安定性を向上させることができる。ここでは、隣接する外周バーナー202aと202b,202cと202d,202eと202fをペアとしている。202aと202bのバーナー間であって、燃焼器の半径方向中心部を通過する線abを基準に、燃焼室側に外周バーナー202aと202bを傾けている。線abは、バーナー中心を結ぶ線の中間点と燃焼器の半径方向中心部とを結ぶ線である。そして、図5に示すように、線abに対して燃焼器軸方向に延長した垂線a′b′に対して、外周バーナー202aと202bの複数の噴出口を含む平面からの垂線に対して内向角βを設ける構造としている。この場合も前述の内向角αを設けたときと同様、燃焼器の軸心に対して外側になるにしたがって、燃料ノズル220の長さが長くなる。そのため、ペアとなる外周バーナー同士の内向角βも45°以下とするのが望ましい。
In this case, it is possible to improve the flame stability of the fuel flow from the first outer peripheral burner by making the flame and fuel flow ejected from the two outer peripheral burners collide with each other and using the flame from the second outer peripheral burner. it can. Here, adjacent
以上より、隣接する外周バーナー同士においても、隣り合う2つの外周バーナーの複数の噴出口を含む平面同士を交差させるように燃焼室側に傾斜させることにより、第一の外周バーナーの複数の噴出口を第二の外周バーナーからの火炎に近づけることができ、第一の外周バーナーにより多くの熱を与えて温度を上昇させることが出来る。そのため、第一の外周バーナーに形成する火炎の燃焼速度が上昇し、火炎の燃焼安定性が向上し、第一の外周バーナーからの燃料流の平均燃料濃度をより希薄化することが出来る。 As described above, even between the adjacent outer peripheral burners, the plurality of outlets of the first outer peripheral burner are inclined to the combustion chamber side so that the planes including the outlets of the two adjacent outer peripheral burners intersect each other. Can be brought closer to the flame from the second outer peripheral burner, and more heat can be applied to the first outer peripheral burner to raise the temperature. Therefore, the combustion speed of the flame formed in the first outer peripheral burner is increased, the combustion stability of the flame is improved, and the average fuel concentration of the fuel flow from the first outer peripheral burner can be further diluted.
図6は、隣接する2つの外周バーナーが燃焼室に噴出する燃料の平均燃料濃度を示す。平均燃料濃度の示し方は、図3と同様である。内向角が設けられた2つの外周バーナーのうち、第二の外周バーナーから噴出する平均燃料濃度をバーナー単独で保炎できる保炎限界濃度以上とし、第一の外周バーナーから噴出する平均燃料濃度を第二の外周バーナーよりも希薄とする。図6では、外周バーナー202aの平均燃料濃度は単独で保炎できる平均燃料濃度とし、外周バーナー202bは202aよりも希薄として、202aのバーナーに形成する火炎を利用して202bを保炎するものである。このように構成することで、6つの外周バーナーのうち、半数の外周バーナーは保炎限界濃度より低下することが可能となり、外周バーナー全体のNOx排出量を抑制することができる。
FIG. 6 shows the average fuel concentration of the fuel jetted into the combustion chamber by two adjacent outer peripheral burners. The way of indicating the average fuel concentration is the same as in FIG. Of the two outer burners with inward angles, the average fuel concentration ejected from the second outer burner is set to a flame holding limit concentration or more that can be held by the burner alone, and the average fuel concentration ejected from the first outer burner is It is thinner than the second peripheral burner. In FIG. 6, the average fuel concentration of the outer
図7は燃焼室からバーナーを示したものである。図7は、2つの外周バーナーの複数の噴出口の噴出位置を含む平面同士を交差させるとともに、パイロットバーナー201からの火炎と外周バーナーからの燃料と空気の噴流を衝突させるように、2つの外周バーナーの複数の噴出口の噴出位置を含む平面をパイロットバーナー201の複数の噴出口の噴出位置を含む平面とも交差させている。図4,図5では、ペア同士の外周バーナーの火炎を利用して保炎し、燃焼安定性を向上させていた。図7ではさらに、外周バーナーの複数の噴出口の噴出位置を含む平面からの垂線を燃焼器軸心に対して傾けるよう内向角αを設ける。したがって、外周バーナーのペア同士によって保炎された火炎に、パイロットバーナー201の火炎も利用できることになる。図8は、図7の断面A′−A′及び断面B−Bを示したものである。断面A′−A′のように、ペアとなる外周バーナー間の中心線を基準に内向角βを設けている。そして、ペアとなる外周バーナーに設けた内向角βに加え、パイロットバーナー201の火炎に外周バーナーの噴流の一部が衝突するように、燃焼器軸心に対して内向角αを設けている。このようにバーナー面である複数の噴出口の噴出位置を含む平面を傾斜させることで、パイロットバーナ201の火炎と外周バーナーの噴流を相互に干渉させ、燃焼器全体として燃料濃度が低い範囲における燃焼安定性を高めることが可能である。
FIG. 7 shows the burner from the combustion chamber. FIG. 7 shows two outer peripheries so that the planes including the ejection positions of the plurality of jet outlets of the two outer burners intersect with each other and the flame from the
また、第一の外周バーナーの複数の噴出口の噴出位置を含む平面は、第二の外周バーナーからの火炎に近づくとともに、パイロットバーナーからの火炎にも近づくため、第一の外周バーナーの複数の噴出口の噴出位置を含む平面はより多くの熱を受けることができる。そのため、第一の外周バーナーからの燃料流の燃焼速度が上昇し、燃焼安定性を向上させることが出来る。 Further, the plane including the ejection positions of the plurality of outlets of the first outer peripheral burner approaches the flame from the second outer peripheral burner and also approaches the flame from the pilot burner. The plane including the ejection position of the ejection port can receive more heat. Therefore, the combustion speed of the fuel flow from the first outer peripheral burner is increased, and the combustion stability can be improved.
そして、それらのバーナーの平均燃料濃度を異なるように設定することも可能である。具体的には、パイロットバーナー201ではバーナー単独で保炎可能な単独限界保炎濃度とし、外周バーナーはパイロットバーナー201よりも平均燃料濃度を希薄に設定する。例えば、ペアとなる外周バーナー202aの平均燃料濃度F/A202aと202bの平均燃料濃度F/A202a、及びパイロットバーナー201の平均燃料濃度F/A201 を比較すると、F/A201>F/A202a>F/A202a のように設定する。平均燃料濃度をこのように設定することで、パイロットバーナー201のみを単独限界保炎濃度とし、外周バーナーはパイロットバーナー201より平均燃料濃度を低下させることが可能となる。更に、外周バーナーにおいても、半数の外周バーナーは残る外周バーナーと比べて平均燃料濃度を低下させることが出来る。
And it is also possible to set the average fuel concentration of those burners so that it may differ. Specifically, the
これに対し、特許文献1の燃焼器では半径方向外側に位置する環状バーナー群では、円周方向に一律の平均燃料濃度となっていた。しかし、本実施例では、外周バーナーにおいても隣接するバーナー同士に内向角を設けているため、外周バーナーの保炎性能が向上する。更に、外周バーナー同士の平均燃料濃度を異なるように設定したため、外周バーナー全体の平均燃料濃度を低下させることができる。従って、ガスタービンが排出するNOxを更に低下させることが可能である。
On the other hand, in the combustor of
なお、本実施例ではパイロットバーナー201の平均燃料濃度を最も高くなるように設定したが、場合によっては他の外周バーナーの平均燃料濃度を最も高くするように設定することも可能である。即ち、パイロットバーナー201と外周バーナーの全体で平均燃料濃度を低下させるように、それぞれの平均燃料濃度を異ならしめてもよい。
In this embodiment, the average fuel concentration of the
以上、パイロットバーナーの外側に設ける外周バーナーを6個配置したときの実施例について説明してきたが、5個や7個など奇数個の外周バーナーを配置した場合も同様の効果が得られる。奇数個の外周バーナーを配置した場合、ペアにできない外周バーナーが一つ残るが、パイロットバーナー201側に内向角を設けるか、あるいは単独で保炎できる平均燃料濃度に設定して燃焼器の軸心に平行に燃料を噴出しても良い。また、外周バーナーに設ける内向角αやβは全ての外周バーナーに対して、必ずしも同じ角度に設定しなくても良い。
The embodiment in which six outer peripheral burners provided outside the pilot burner have been described has been described above, but the same effect can be obtained when an odd number of outer peripheral burners such as five or seven are disposed. When an odd number of outer peripheral burners are arranged, one outer peripheral burner that cannot be paired remains. However, an inward angle is provided on the
2…圧縮機、3…燃焼器、4…タービン、5…起動用モーター、6…発電機、8…燃焼室、9…内筒、10…外筒、11…燃料分配器、51…燃料、101…空気、102…圧縮機吐出空気、102a…燃焼空気、110…燃焼ガス、201…パイロットバーナー、202a〜202f…外周バーナー、203…板状部材、204…噴出口、210…空気ノズル、220…燃料ノズル、230…バーナーホルダー。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記外周バーナーの噴出口の噴出位置を含む平面からの垂線と燃焼器軸心とに内向角を設け、前記外周バーナーから噴出する燃料と空気の噴流が、前記パイロットバーナーからの火炎と衝突するように構成し、前記パイロットバーナーの平均燃料濃度を該パイロットバーナー単体で火炎を保持できる保炎限界濃度より高い濃度とし、前記外周バーナーの平均燃料濃度を前記保炎限界濃度未満とすることを特徴とするガスタービン燃焼器。 A fuel chamber for mixing and burning fuel and air, a fuel nozzle for supplying fuel to the combustion chamber, and an air nozzle for supplying air located downstream of the fuel nozzle are provided. And a plurality of coaxial nozzles arranged so that the central axis of the air nozzle is coaxial or close to the coaxial, and configured to eject a fuel flow in which air is wrapped around the fuel from an outlet of the air nozzle. A gas turbine combustor in which a burner is disposed as a pilot burner in the radial center of the combustion chamber, and a plurality of outer peripheral burners including a plurality of the coaxial nozzles on the outer peripheral side of the pilot burner,
An inward angle is provided in the perpendicular line from the plane including the jetting position of the jet outlet of the outer peripheral burner and the combustor axis so that the jet of fuel and air jetted from the outer burner collides with the flame from the pilot burner. The average fuel concentration of the pilot burner is higher than the flame holding limit concentration capable of holding a flame with the pilot burner alone, and the average fuel concentration of the outer peripheral burner is less than the flame holding limit concentration. Gas turbine combustor.
ビン燃焼器。 5. The gas turbine combustor according to claim 4 , wherein an average fuel concentration of the two outer peripheral burners is made different from an average fuel concentration of the pilot burner.
前記外周バーナーの噴出口の噴出位置を含む平面からの垂線と燃焼器軸心とに内向角を設け、前記外周バーナーから噴出する燃料と空気の噴流が、前記パイロットバーナーからの火炎と衝突するようにすると共に、前記パイロットバーナーの平均燃料濃度を該パイロットバーナー単体で火炎を保持できる保炎限界濃度より高い濃度とし、前記外周バーナーの平均燃料濃度を前記保炎限界濃度未満とすることを特徴とする燃焼装置の燃焼方法。 A combustion chamber for mixing and burning fuel and air, a fuel nozzle for supplying fuel, and an air nozzle for supplying air located downstream of the fuel nozzle are provided, the fuel nozzle and the air nozzle Is disposed in a coaxial or near-coaxial state, and a pilot having a plurality of coaxial nozzles configured to eject a fuel flow in which air wraps fuel from the air nozzle is piloted in the radial center of the combustion chamber. A combustion method for a combustion apparatus in which a plurality of outer peripheral burners provided with a plurality of the coaxial nozzles on the outer peripheral side of the pilot burner are disposed as a burner,
An inward angle is provided in the perpendicular line from the plane including the jetting position of the jet outlet of the outer peripheral burner and the combustor axis so that the jet of fuel and air jetted from the outer burner collides with the flame from the pilot burner. And the average fuel concentration of the pilot burner is higher than a flame holding limit concentration capable of holding a flame by the pilot burner alone, and the average fuel concentration of the outer peripheral burner is less than the flame holding limit concentration. A combustion method for a combustion apparatus.
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