JP5241906B2

JP5241906B2 - バーナ及びバーナの運転方法

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Publication number: JP5241906B2
Application number: JP2011252187A
Authority: JP
Inventors: 圭祐三浦; 洋井上; 一仁小山; 武雄齋藤; 聡百々
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2011-11-18
Filing date: 2011-11-18
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2027-11-29
Also published as: JP2012037233A

Description

本発明は、バーナと、その運転方法に関する。

エネルギー資源の問題や環境問題が注目されるようになってから、長期間に渡って各分野で様々な取り組みがなされてきた。ガスタービンにおいても、燃焼器から排出される燃焼ガスの高温化による高効率化や低ＮＯｘ燃焼に対する技術開発が行われ、目覚しい進歩を遂げている。しかしながら、時代とともに要求されるＮＯｘ排出量の低減は厳しさを増しており、さらなるＮＯｘ低減への努力がなされている。

特開平９−３１８０６１号公報には、拡散バーナと予混合バーナを組合せたガスタービン燃焼器が開示されている。

特開平９−３１８０６１号公報

ガスタービン燃焼器では、拡散燃焼型燃焼器から予混合型燃焼器に移行することによって、大幅にＮＯｘ排出レベルが低減した。しかし、ガスタービンは起動から定格負荷まで幅広い条件で運転を行う必要があるため、燃焼器中央部には燃焼安定性の高いパイロットバーナが配置されている。パイロットバーナには幅広い条件で安定に火炎を燃焼させるため、特許文献１では拡散バーナが用いられている。特許文献１に係るガスタービン燃焼器は、拡散燃焼型燃焼器に比べてガスタービン全体としてのＮＯｘ排出量は大きく削減されている。但し、パイロットバーナに拡散燃焼方式を採用しているため、ＮＯｘ削減量には限界があった。

さらなるＮＯｘ低減のためには、パイロットバーナを拡散バーナからＮＯｘ排出量の少ないバーナに換える必要があり、パイロットバーナには高い燃焼安定性と低ＮＯｘ性能の両立が求められる。

本発明の目的は、高い燃焼安定性を備え、かつＮＯｘ排出量を少なくすることである。

本発明は、複数の空気孔を同心円状に複数列配置した空気孔部材と、複数の前記空気孔に燃料を噴出する複数の燃料ノズルとを備えたバーナであって、前記空気孔部材に同心円状に複数列配置された前記空気孔のうち、内周側から一列目の空気孔列を構成する空気孔が、バーナ中心軸に対して傾斜した空気孔中心軸を有し、先端が前記一列目の空気孔入口より下流側に配置された第一の燃料ノズルと、前記一列目の空気孔入口から該空気孔内に挿入されて、先端が前記一列目の空気孔入口より上流側に配置された第二の燃料ノズルとを備え、前記一列目における前記第一の燃料ノズル及び前記第二の燃料ノズルを周方向に交互に配置することを特徴とする。

本発明により、高い燃焼安定性を備え、かつＮＯｘ排出量を少なくすることができる。

本発明の実施例１におけるバーナ断面図，正面図及びＹ−Ｙ断面図である。本発明の実施例１における１列目空気孔および燃料ノズルの展開図である。円筒形状の燃料ノズルと空気孔の組合せの側面図および流れの模式図である。本発明の実施例１における１列目空気孔および燃料ノズルの展開図である。本発明の実施例２におけるガスタービン燃焼器の概略図である。本発明の実施例２におけるバーナ正面図である。比較例におけるガスタービン燃焼器の側面図である。本発明の実施例３におけるバーナ正面図である。本発明の実施例４におけるバーナ正面図である。本発明の実施例５におけるバーナ正面図である。本発明の実施例６におけるバーナ正面図である。本発明の実施例６の側断面および火炎の模式図である。本発明の実施例７におけるバーナ正面図である。本発明の実施例７におけるバーナ正面図である。本発明の実施例７におけるバーナ正面図である。本発明の実施例７におけるバーナ正面図である。本発明の実施例７におけるバーナ正面図である。本発明の実施例８におけるガスタービン燃焼器の側断面である。本発明の実施例８の正面図である。本発明の実施例９の正面図である。比較例におけるバーナ正面図である。燃焼特性（ＮＯｘ、失火温度）を比較したグラフである。実施例２において拡散バーナの代わりに採用しうる比較例を説明したバーナ側面図，正面図及びＹ−Ｙ断面図である。

以下、本発明の実施例を説明する。

図１に、実施例１におけるバーナの側面図および正面図、Ｙ−Ｙ断面図を示す。図１（ｂ）のバーナ正面図は、空気孔部材３１を燃焼室１から見た場合の図である。図１（ａ）の側面図は、図１（ｂ）のＸ−Ｘ断面における図である。また、図１（ｃ）は図１（ｂ）のＹ−Ｙ断面における図である。本実施例において全ての空気孔にはバーナ中心軸に対して傾斜した中心軸を有している。具体的には、図１（ｃ）に示すように、一つ一つの空気孔の流路中心軸が空気孔部材の円周方向に傾斜している。そのため、空気孔部材３１をＸ−Ｘ断面で切断した場合、外見上、空気孔の傾斜が図１（ａ）のように表される。

本実施例のバーナ１００は、下流側の燃料ノズルに燃料を分配する燃料ヘッダ３０と、燃料ヘッダ３０に接続され、空気孔に燃料を噴出する複数本の燃料ノズル３２，３３と、複数個の空気孔３４，３５が設けられた空気孔部材３１とを備える。空気孔部材３１は燃焼室１の上流側壁面に配置されている。また、燃料ヘッダ３０は円筒状の燃料ヘッダ収納部７０に収納されている。そして、燃料ヘッダ収納部７０には、燃料ヘッダ３０より上流側に空気流入孔７１が設けられている。本実施例では、燃料としてガス燃料を使用する。

空気孔３４，３５にはバーナ１００の中心軸に対して空気流路中心軸が傾斜するように設けられており、空気流入孔７１から流入した空気４５は空気孔３４，３５を通過して燃焼室１に噴出し、バーナ下流に旋回流４１を形成する。旋回流４１の中心には循環流５０が生じ低流速領域ができるため、低流速領域を起点に火炎を保持することができる。バーナの正面図に示されるように、本実施例ではバーナ面中心から同心円状に２列の空気孔が配置されている。なお、図１（ｂ）の場合、バーナ面中心は円形の空気孔部材３１における中心点となる。

燃料ヘッダ３０に流入した燃料４２は、複数の燃料ノズル３２，３３に分配される。燃料ノズル３２は空気孔３４と１対の組となり、燃料ノズル３３は空気孔３５と１対の組となっており、各燃料ノズルから噴出した燃料噴流は空気孔を通過して燃焼室１に流入する。また、個々の組合せにおいて燃料ノズルの中心軸は空気孔の上流側端面に位置する空気孔入口の中心軸付近を通過する位置関係にある。

ここで、燃料流れ方向上流側における空気孔部材３１の面（即ち、図１の側面図における空気孔部材の左側面）に、空気孔入口が設けられている。また、空気孔入口に形成された面の中心点を通り、空気孔部材３１に対して垂直に形成された軸を「空気孔入口の中心軸」と定義する。

バーナの正面図に示されるように、燃料ノズル３３と組になっている空気孔３５は、同心円状に２列ある空気孔列のうち１列目（５１）のみに配置されると共に、燃料ノズル３２と組になっている空気孔３４と交互に配置されている。

図２は、１列目（５１）の空気孔および燃料ノズルの一部を周方向に展開した図を示す。

燃料ノズル３２と空気孔３４の組合せについて説明する。燃料ノズル３２の先端は空気孔３４の入口付近に配置されている。具体的には、燃料ノズル３２の先端は空気孔３４の入口（上流側端面）に対し、さらに上流側に位置している。そのため、燃料ノズル３２から噴出した燃料噴流４３は、空気孔３４に流入する。空気孔３４の内部では、空気孔３４に流入してきた空気４５が燃料噴流４３の周りを取り囲んだ状態で流れ、燃料噴流４３と空気４５が混合しながら燃焼室１に噴出される。空気孔３４から燃焼室１に噴出する時点で燃料噴流４３と空気４５の混合が進んでいるため、空気孔３４の下流領域４６に形成される火炎は予混合火炎となり、ＮＯｘの排出量は少なくなる。

次に、燃料ノズル３３と空気孔３５の組合せについて説明する。燃料ノズル３３の先端は空気孔３５の入口付近に配置されている。具体的には、燃料ノズル３３の先端は空気孔３５の入口（上流側端面）に対し下流側に位置し、空気孔３５の内部に挿入されている。これにより空気孔３５の上流側に設けられた空気孔入口部４９の開口面積が燃料ノズル３３によって狭められるため、空気孔３４に流入する空気量に比べて空気孔３５に流入する空気量が相対的に少なくなる。

また、燃料ノズル３３を、旋回角を施した空気孔内に挿入することによって、燃料ノズル３３から噴出される燃料噴流４４が空気孔３５の内壁面に衝突し、空気孔３５の内壁面に沿って下流側に流れる。そのため、燃料ノズル３２と空気孔３４の組合せに比べ、燃料噴流４４と空気４５が混合せずに燃焼室１へ噴出される。燃料ノズル３３の先端部には先細りのテーパ形状が施されているため、燃料ノズル３３の先端部に生じる空気４５の乱れを抑制することができ、燃料噴流４４と空気４５の混合を抑制することができる。

図２より、空気孔の傾斜角は少なくとも燃料ノズル３３から噴出した燃料が空気孔内壁に衝突できる程度の角度が望ましい。バーナ中心軸に対する空気孔中心軸の傾斜角度が小さすぎると、燃料ノズル３３から噴出した燃料は空気孔内壁に衝突せずに燃焼室１へ排出されるためである。また、空気孔部材の厚みは、空気孔傾斜角との関係で燃料ノズル３３から噴出した燃料が空気孔内壁に衝突できる厚みを要する。空気孔部材の厚みが薄すぎても、燃料が空気孔内壁に衝突せずに燃焼室１へ排出されてしまう場合があるためである。

図３は、燃料ノズル３３の形状が、先端にテーパを施さない円筒形状とした場合における空気孔３５との配置関係図および流れの模式図を示す。燃料ノズル３３の形状が先端までまっすぐな円筒形状である場合、燃料ノズル先端で空気４５の流れがステップ状に変化することにより渦７５が発生し、強い乱れが生じる。この渦７５により燃料噴流４４と空気４５が攪拌され、混合する。そのため、図３の構成では、空気孔に流入する空気流入量を減らすことはできるが、空気孔内で燃料と空気の混合が進むため、空気孔３５の下流領域４７に形成される火炎は予混合火炎となる。これに対し、燃料ノズル３３の先端に先細りテーパを設けることで、燃料ノズル先端部における空気流の乱れを少なくし、空気孔３５の下流領域４７に燃焼安定性が高い拡散火炎を形成することができる。

ここで比較例における空気孔部材を燃焼室から見た図を図２１に示す。図２２は、図２１のように複数の空気孔１０３とこの空気孔の上流側に燃料ノズルを配置したバーナにおいて、燃料ノズルの違いによる燃焼特性の違いを示す。尚、図２１に示すバーナ面中心から１列目５１の空気孔６孔についてはバーナ中心軸に対して傾斜した空気孔中心軸を有する。図２２の横軸は燃焼ガス温度、縦軸はＮＯｘ排出量である。また、図中の白抜き記号は失火点である。

図２の燃料ノズル３３のように燃料ノズルの先端形状をすべて先細りテーパとし、かつ空気孔内部に挿入したバーナの燃焼特性を図の曲線１０１に示す。同様に、図３の燃料ノズル３３のように燃料ノズル先端の形状がすべて円筒形とし、かつ空気孔内部に先端を挿入したバーナの燃焼特性を図の曲線１０２に示す。これら二つを比較して分かるとおり、曲線１０１の方が燃焼ガス温度全体にわたってＮＯｘの値は高いが、燃焼ガス温度が１００℃以上低い領域まで伸びている。図２２より、燃料ノズル先端をテーパ形状とした方が、ＮＯｘは若干高くなるが低い燃焼ガス温度まで火炎を保炎することができ、燃焼安定性が向上する。

即ち、傾斜角を設けた空気孔に円筒形の燃料ノズルとを組合せるより、先端に先細りテーパを施した燃料ノズルと組合せる方が燃料と空気の混合を抑制することができる。そのため、燃料と空気の混合が不十分な状態で燃焼室に噴出するため、火炎の基部が形成されるバーナ中央１列目５１の空気孔の孔出口において燃料の濃い領域が存在し、拡散燃焼領域を形成させることができる。

以上のことから、空気孔３５から噴出される燃料噴流４４と空気４５はほとんど混合せずに噴出され、さらに空気量も少なくなっているため、空気孔３５の下流領域４７には拡散火炎が形成され、非常に安定して燃焼させることができ、幅広い運転条件において火炎が安定に保炎される。

図１のバーナ正面図および図２に示すように、燃料ノズル３２と空気孔３４の組と燃料ノズル３３と空気孔３５の組は円周上に交互に配置されている。そのため、図２に示すように、下流領域４６，４７にそれぞれ予混合火炎と拡散火炎が交互に連なって形成される。拡散燃焼領域は安定性が高いため、幅広い条件で安定に燃焼し続けることができる。また、予混合燃焼領域は拡散燃焼領域から熱・化学活性種の供給を受けるため、燃焼温度の低い条件でも安定燃焼する。

そして、一列目の空気孔はバーナ中心軸に対して傾斜角を有しているため、一列目の空気孔から噴出した燃料噴流と空気流は円錐状に広がりながら燃焼室に噴出する。そのため、２列目（５２）の空気孔３４から噴出される予混合気も、同様にバーナ中央部に形成される火炎から熱・化学活性種の供給を受けながら予混合燃焼する。即ち、空気孔３５の下流領域４７に形成される拡散燃焼領域を基点に逆円錐型の非常に安定な火炎が形成され、かつ火炎全体としては予混合燃焼領域が大勢を占めるため、ＮＯｘの排出量を低く抑えることができる。

なお、一列目の空気孔には燃料ノズル３２のみを使用し、二列目の空気孔に燃料ノズル３２及び燃料ノズル３３を組合せて使用することも可能である。この場合でも、バーナが形成する逆円錐型の火炎において一部に拡散燃焼領域を形成するため、火炎全体としての燃焼安定性を有すると考えられる。

図１および図２に示す燃料ノズル３２の形状は、燃料ノズル３３と異なり、先端にテーパを設けずに円筒形状となっている。しかし、燃料ノズル３２の形状はこの形に限らない。なお、テーパ等を設けない方が製作加工数が少なくなるため製作コストを抑えることができる。その他の形状としては、図４に示すように燃料ノズル３２の先端にもテーパを施すことがあげられる。この場合、燃料ノズル３２の先端を空気孔３４の入口に近づけても空気が流入してくる流れを大きく阻害せず、十分に開口部４８の面積を広く維持できるため、燃料ノズル３３と組となる空気孔３５に流入する空気よりも十分に多い空気量を確保することができる。その結果、空気孔３４と空気孔３５でそれぞれに流入する空気量を相対的に大きく差をつけることができる。そのため、空気孔３４の下流領域４６には予混合火炎が形成されるのに対し、空気孔３５の下流領域４７には安定な拡散火炎を形成させることができる。従って、拡散火炎によって燃焼安定性を向上させることが出来る。また、予混合火炎も形成することにより、燃焼安定性と低ＮＯｘを両立することが出来る。

尚、本実施例ではバーナ面中心から一列目の空気孔によって火炎の安定性が十分に得られるため、外側に火炎を大きく広げる必要があるときは外周側（２列目）の空気孔列５２に傾斜角を設けても良い。

本発明のバーナ構造を燃焼装置のパイロットバーナとして適用した実施例を示す。本実施例では、燃焼装置の一例として予混合型ガスタービン燃焼器について説明する。図５はガスタービン全体の概略を示す。図６にはバーナ正面図を示す。

圧縮機５から送られる圧縮空気１０は、ディフューザ７より燃焼器へ流入し、外筒２と燃焼器ライナ３の間を通過する。その圧縮空気１１の一部は、燃焼器ライナ３の冷却空気１２として燃焼室１に流入する。また、その圧縮空気１１の残りは燃焼空気１３，４５としてそれぞれ予混合路２２と空気孔部材３１を通過して燃焼室１に流入する。燃焼室１の内部で燃料と空気が混合燃焼され、燃焼ガスを生成する。燃焼ガスは燃焼器ライナ３から排出され、タービン６に供給される。

本実施例では、燃料供給系統１５および燃料供給系統１６は制御弁１４ａを備えた燃料供給系統１４から分割されている。また、燃料供給系統１５には制御弁１５ａ，燃料供給系統１６は制御弁１６ａを備えており、個別に制御を行うことができる。制御弁の下流には、それぞれに遮断弁１５ｂ，１６ｂが備えられている。燃料供給系統１５にはパイロットバーナに燃料を供給する燃料ヘッダ３０が接続され、燃料供給系統１６には予混合バーナの燃料ノズル２０に接続されている。

図５，図６に示すように、本実施例の燃焼器では、中央部（パイロットバーナ）に本発明のバーナが配置され、その周囲に環状の予混合バーナが配置されている。燃焼室１から見たパイロットバーナと予混合バーナの直径は、約２２０mmである。中央部のバーナは実施例１と同様に、燃料ヘッダ３０とそれに接続された複数個の燃料ノズル３２，３３および複数個の空気孔を開けた空気孔部材３１を備える。空気孔部材３１は燃焼室１の上流側壁面に位置する。空気孔は同心円状に２列で配置され、１列目（５１）については空気孔３４と空気孔３５が交互に配置されている。図２と同様に、空気孔３４は燃料ノズル３２と組になっており、燃料ノズル３２の先端は空気孔３４の入口（上流側端面）よりも上流側に位置する。空気孔３５は先端にテーパを施した燃料ノズル３３と組になっており、この燃料ノズル３３の先端は空気孔３５の入口よりも下流側まで挿入されている。

外周部に配置された予混合バーナは燃料ノズル２０，予混合路２２、そして出口には保炎器２１が配置されている。この予混合バーナでは燃料ノズル２０から噴出された燃料が予混合路２２内で燃焼空気１３と混合され、予混合気となって燃焼室１に噴出される。バーナ出口には予混合路２２の流路を半径方向に２分する保炎器２１が配置されているため、保炎器２１のすぐ下流に循環流２３が形成され、そこに火炎がホールドされる。

ここで、比較例として図５と異なるパイロットバーナを使用した場合における予混合型ガスタービン燃焼器について、図７に示す。比較例の予混合型ガスタービン燃焼器では、燃焼器中央部にパイロットバーナとして拡散バーナ２５が配置されており、燃焼室１に拡散火炎２６を形成する。拡散火炎２６によって発生した熱および化学活性種が外周部に伝わることにより、保炎器２１の下流に形成される火炎の安定燃焼を補助することができる。しかし、パイロットバーナとしての機能を保つためには、パイロットバーナに形成する火炎は一定の大きさを必要とする。そのため、燃焼器全体の中で拡散燃焼が一定比率を占め、燃焼器全体のＮＯｘ排出量の低減には限界があった。

そこで拡散バーナ２５の代わりに、図２３に示す多数の空気孔３４と燃料ノズル３２から構成されたバーナに置き換えることが考えられる。図２３のバーナは、複数の空気孔３４を備えた空気孔部材３１と、空気孔部材３１の上流側からそれぞれの空気孔３４に燃料を噴出する燃料ノズル３２とを備え、燃料ノズル３２の中心軸上に空気孔３４の入口中心を配置する。但し、図２３のバーナでは、燃料ノズル３２の先端に空気流の乱れを抑制可能な構造であるテーパ形状が設けられていない。また、全ての空気孔３４にはバーナ中心軸に対して旋回角を有する。そして、空気孔３４の入口より上流側に全ての燃料ノズル３２の先端を配置する。そのため、燃料ノズル３２から噴出した燃料は、空気孔３４の内部で燃料流の外周側に環状の空気流を形成し、燃料と空気の予混合が進むと考えられる。従って、空気孔３４の出口において局所的に燃料が濃くなるような領域が存在せず、火炎全体が予混合燃焼となる。そのため、パイロットバーナによるＮＯｘ排出量は低減することができる。但し、パイロットバーナとして必要な燃焼安定性が不十分であるため、幅広い運転条件を運用するには信頼性が大きく損なわれてしまう。

これに対し図５では、本発明のバーナをパイロットバーナとして備えているため、バーナ下流に形成される火炎２４は限定された拡散燃焼領域を基点にして保炎される予混合火炎となる。そのため、拡散バーナをパイロットバーナとした予混合型ガスタービン燃焼器に比べてＮＯｘの排出量を削減することができる。また、図２３のように全ての燃料ノズル３２を空気孔入口より上流側に配置した場合と比べて、火炎基部が拡散燃焼領域によって安定に保持されているため、燃焼安定性を向上させることが可能である。

また、空気孔部材３１のバーナ面中心から一列目の空気孔にはバーナ中心軸に対して旋回角を有しているため、パイロットバーナから噴出した火炎は逆円錐型の安定した火炎となる。そのため、予混合バーナから噴出した循環流２３に熱および化学活性種を供給することが可能であり、予混合バーナによる火炎を安定に保持することが可能である。

以上のように、拡散バーナをパイロットバーナとして用いた予混合型ガスタービン燃焼器に比べて燃焼安定性を大きく損なうことなく、拡散バーナと同様に幅広い運転条件においてガスタービン燃焼器を運用することができる。また、拡散バーナをパイロットバーナとして用いた予混合燃焼器に比べてＮＯｘ排出量を低減することが可能である。

近年、エネルギー資源の枯渇問題によりガスタービンには幅広い燃料に対する汎用性が求められている。水素を多く含む燃料では燃焼速度が早くなる一方、窒素分を多く含む燃料では火炎温度が下がり燃焼速度も遅くなる。このように、燃料組成によって燃焼特性が大きく変わるため、燃料組成に合わせて空気孔の配置や個数などをチューニングする必要がある。また、ガスタービンを使用する地域によって、求められるＮＯｘ排出量や運用範囲の広さ等が異なり、これらに対しても柔軟に対応する必要がある。そこで、実施例１において燃料ノズル３２と空気孔３４の組と燃料ノズル３３と空気孔３５の組における配列バリエーションを変えることにより、ＮＯｘ排出量や燃焼安定性の調整を行うことが可能である。

図８に、実施例３におけるバーナ正面図を示す。本実施例では、２列の同心円状に並んだ空気孔すべてに旋回角を施しており、１列目（５１）に配置された６個の空気孔のうち、空気孔３５を２つ対角に配置し、残りを空気孔３４としている。空気孔と燃料ノズルとの配置関係は、前述の図２と同様である。即ち、空気孔３４では、燃料ノズル３２の先端が空気孔入口より上流側に配置されている。また、空気孔３５では、燃料ノズル３３の先端（テーパ形状）が空気孔入口より下流側に配置されている。

本実施例では、実施例１に比べて空気孔３５の数が１つ減少している。そのため、火炎全体に占める拡散燃焼領域が減少し、ＮＯｘの排出量を削減することができる。ただし、火炎基部において燃焼安定性に大きく寄与する拡散燃焼領域が減少し、それぞれの領域が離れている。２つの空気孔３５によって形成されるそれぞれの拡散燃焼領域が離れすぎてしまうと、保炎の基点となるバーナ中心領域で十分な熱と化学活性種が供給されない領域が発生する可能性がある。そのため、燃焼安定性は実施例１に比べて劣ることが考えられるが、ＮＯｘ排出量を更に削減できる。

図９は、本実施例におけるバーナ正面図を示す。本実施例においてもすべての空気孔に旋回角が施されている。本実施例では内周１列目（５１）の空気孔にはすべて燃料ノズル３３と組となる空気孔３５が配置されている。この燃料ノズル３３の先端は、空気孔入口より下流側に挿入されている。そのため、バーナ下流には逆円錐状の火炎が形成され、保炎の基点となる領域はすべて拡散燃焼となって連なるため、実施例１に比べて燃焼安定性が強化される。これにより、ガスタービン負荷運転の運用範囲を広げることができる。また、窒素分の多い反応性の低い燃料に対しても安定に火炎を保持させることができる。ただし、図１と比べて拡散燃焼領域が増加するため、同一燃料であればＮＯｘ排出量は増加する。

また本実施例の変形例として、２列目（５２）の空気孔に旋回角を施さない場合も考えられる。この場合、２列目（５２）の空気孔は空気孔部材３１に対し垂直にドリルを立てて開孔することができるため、加工費を安くすることができる。なお、バーナ下流に形成される旋回流は小さくなるが、本バーナを単独で用いる場合であれば問題ない。また、本バーナをパイロットバーナとして用いる場合であっても周囲のバーナとの距離が隣接していれば、本バーナにより形成される火炎から周囲のバーナまで十分に熱および化学活性種が供給され、十分にパイロットバーナとしての役割を果たすことができる。

なお、２列目の空気孔に旋回角を設けず、空気孔部材３１に対して垂直な流路とする構成は他の実施例においても有効である。

図１０は、本実施例におけるバーナ正面図を示す。本実施例の空気孔はすべてバーナ中心軸に対して旋回角が施されており、１列目（５１）の空気孔と２列目（５２）の空気孔ともに空気孔３４と空気孔３５が交互に配置されている。即ち実施例１と同様に、空気孔３４は燃料ノズル３２と組となり、燃料ノズル３２の先端は空気孔３４の入口（上流側端面）よりも上流側に位置する。また、空気孔３５は燃料ノズル３３と組となり、燃料ノズル３３の先端は空気孔３５の入口より下流側に挿入されている。本実施例では、空気孔３４と空気孔３５が同数となり、予混合燃焼領域と拡散燃焼領域の広さがほぼ同じとなるため、拡散バーナに対するＮＯｘ削減効果は多少減少する一方で、上述の実施例に比べて燃焼安定性は向上する。そのため、窒素が多く含まれるような低カロリー燃料や燃焼速度の遅い燃料であっても火炎安定性を維持できるため、本実施例は有効である。

これまでの実施例におけるバーナは、同心円状に２列の空気孔で構成されている。しかし、バーナを適用する対象により消費する燃料や供給する空気量が大きく異なる。例えば、ガスタービン燃焼器では、発電出力が大きくなるとともに供給される空気量・燃料流量ともに増加する。そのため、燃焼器全体を大きくする必要があり、バーナもサイズアップする必要がある。しかし、空気孔の数を保ったまま空気孔径を拡大すると、燃料と空気を予混合させる空気孔容積が大きくなり、混合性能が悪化してＮＯｘ排出量が増加する恐れがある。そこで、実施例１に対し空気量・燃料流量の増加に対応する場合、バーナを相似拡大するのではなく、燃料ノズル及び空気孔の列を増やすことが有効である。

また、本発明のバーナをガスタービン燃焼器のパイロットバーナとして用いる場合、燃料種類によってはパイロットバーナに形成する火炎の大きさを大きくして、燃焼器全体における火炎の燃焼安定性を向上させる必要がある。そのため、燃料ノズル及び空気孔の列を増やすことは有効である。

図１１は本実施例におけるバーナ正面図を示す。本実施例は実施例１に対し、空気孔列が２列から３列に増えている。前述したように、本実施例は実施例１に比べてより多くの空気および燃料を燃焼室に供給する必要がある場合やより大きな火炎を形成する必要がある場合に有効である。供給する空気・燃料流量および形成する火炎の大きさにより３列から４列，５列と増やしていくことも可能である。

本実施例では、燃料ノズル３３と空気孔３５の組は全配列の中で１列目（５１）の３個だけである。燃料ノズル３３の先端は空気孔３５の入口よりも下流側に挿入されており、空気孔３５から噴出される燃料と空気はほとんど混合されずに燃焼室に噴出される。そのため、空気孔３５から噴出した燃料は拡散燃焼によって消費される。しかし、火炎全体に対する拡散燃焼領域の割合は実施例１に比べて小さくなるため、燃焼器全体から排出されるＮＯｘ排出量は低く抑えられる。

ここで、本実施例のバーナにより形成される火炎の模式図を図１２に示す。図１２は図１１の中央線５４を通る断面である。図１１において、全ての空気孔に旋回角を施している。但し、中央線５４の断面図である図１２で見た場合、外見上の空気孔は空気孔部材に対して垂直に構成されている。

実施例１で示したように、本実施例においても空気孔３５の下流部では拡散燃焼領域５５が形成される。周囲の予混合気はこの拡散燃焼領域５５から熱および化学活性種の供給を受けながら下流後方の外周側に広がりながら予混合火炎５６を形成する。図中の１列目（５１）の空気孔３４は燃料ノズル３２と組となっており、燃料ノズル３２の先端は空気孔入口より上流側に配置されている。そのため、空気孔３４からは予混合気が噴出される。そして、空気孔３４は周方向に拡散燃焼領域と隣り合っているため、予混合気に十分な熱を供給することができ、１列目空気孔の出口付近に安定して予混合火炎が保持される。
また、１列目の空気孔にはバーナ中心軸に対して旋回角を有しているため、外周側に広がりながら下流へ予混合火炎５６が形成される。逆円錐状の予混合火炎５６を保炎する基点となる根元に拡散燃焼領域５５が生じて火炎を安定に維持するため、同心円状の空気孔列が２列から３列に増える一方で拡散燃焼領域５５を増やさなくても、燃焼安定性を損なわず火炎全体を安定燃焼させることができる。

また、実施例１と同様に２列目空気孔列５２，３列目空気孔列５３については傾斜角を施せば、本実施例の効果により更なる燃焼安定性を得ることができる。

実施例６で示したように、火炎基部の一部を拡散燃焼とすることで火炎全体を安定に燃焼させることができる。しかし、本発明をパイロットバーナとして用いる場合、幅広い運転条件で安定に燃焼できることが求められ、隣接する周囲の予混合バーナへ熱を供給して予混合バーナに着火させること、および燃焼安定性の補完の役割を担う。そのため、さらなる燃焼安定性が求められる場合がある。また、カロリーが低く燃焼速度の遅い燃料の場合、予混合火炎が途中で消えてしまい、燃料が完全に反応しきらずに未燃炭化水素や一酸化炭素が排出される恐れがある。そこで、より燃焼安定性を強化した実施例を以下に説明する。

図１３の実施例は、１列目（５１）の空気孔すべてが燃料ノズル３３と組となっており、１列目（５１）の空気孔出口に周方向に拡散燃焼領域が形成される。逆円錐状に形成される火炎基部の全域が拡散燃焼となることによって、燃焼安定性を向上させることができる。ガスタービン燃焼器のパイロットバーナとして用いる場合、燃焼安定性が向上することでガスタービン負荷運転の運用範囲を拡大させることが可能となる。

図１４の実施例は、図１１に対し２列目（５２）の空気孔にも燃料ノズル３３と組となる空気孔３５を１つ置きに配置している。また、図１５は、さらに３列目（５３）の空気孔にも燃料ノズル３３と組となる空気孔３５を２つ置きに配置している。このような構成とすることにより、バーナに形成される火炎の外側にも拡散燃焼領域を形成させることができ、火炎外周側にも十分に熱および化学活性種を供給することができるため、カロリーの低い燃えにくい燃料に対しても未燃炭化水素や一酸化炭素の発生を抑制することができる。ただし、拡散燃焼領域が増えればＮＯｘの排出量も増加するため、可能な限り燃料ノズル３３と空気孔３５の組は少ない方が良い。

また、図１４は２列目（５２）に燃料ノズル３３と空気孔３５の組を１つ置きに配置し、図１５については２列目（５２）を１つ置きに、３列目（５３）を２つ置きに燃料ノズル３３と空気孔３５の組を配置している。用いる燃料及び運転条件に合わせて燃料ノズル３３と空気孔３５の組数を調整することで、必要とされる燃焼安定性に対する性能を満たす中でＮＯｘの排出量を最も少なくすることが可能である。

供給する空気・燃料流量の増加に対応するため、これまでの実施例で燃料ノズル及び空気孔列を増やしたバーナを示してきた。その他の方策として１列目（５１）の空気孔の数を６個から８個，１０個と増やすことがあげられる。それに対応して、２列目（５２）および他の列も数を増やし、バーナの半径方向へのサイズを大きくすることができる。

図１６は、１列目（５１）の空気孔を８個とした場合を示す。燃料ノズル３３と組となる空気孔３５は１列目（５１）の空気孔列に１つ置きに配置されている。このように１列ごとの空気孔数を変えることは、空気孔の列数が２列のバーナにおいても有効である。

図１７は空気孔列が２列の場合で、１列目（５１）の空気孔数が８個の場合である。空気孔列を１つ増やすとバーナ自体が大きくなりすぎてしまう場合、１列あたりの個数を増やして調整することができる。また、１列目（５１）の空気孔数を増やすと１列目全体が外側に広がるため、バーナ中心部下流に形成される循環流領域も大きくなり、安定性が向上する効果も得られる。

実施例８を図１８，図１９に示す。図１８はガスタービン燃焼器の側断面図、図１９はバーナの正面図である。本実施例は、空気孔部材を備えたバーナを燃焼室上流側に多数配置したガスタービン燃焼器に対し、中央バーナ５７に本発明を適用している。外周側には、燃料ヘッダ６０，燃料ノズル６１，空気孔６２から構成される外側バーナ５８を６個配置し、それぞれのバーナに供給する燃料を個別に制御している。それぞれの燃料ヘッダ６０に送られた燃料は、燃料ヘッダ６０に接続された複数個の燃料ノズル６１にそれぞれ分配され、燃料ノズル６１から噴出された後、空気孔６２を通過して燃焼室１に噴出される。

外側バーナ５８では、全ての燃料ノズルの先端が空気孔入口より上流側に配置されている。そのため、空気孔内で燃料流の外周側に空気流が形成され、燃料と空気の予混合が行われる。このとき、空気孔内の容量が燃焼室１に比べて小さいことから短い距離で十分に混合させることができ、外側バーナ５８の下流には予混合火炎２７が形成される。

実施例２で説明したように、ガスタービンでは起動から定格負荷条件まで幅広い条件で運転を行う必要がある。特に、起動条件や燃料系統切替後の条件ではバーナ局所における燃空比が低くなるため、火炎の燃焼安定性が非常に重要である。そこで、中央に配置するバーナを本発明のバーナとすることで中央バーナの燃焼安定性が向上し、起動からガスタービン回転数の増加条件において高い信頼性を得ることができる。外側バーナ５８の下流側に形成される予混合火炎２７においても、中央バーナ５７の下流側に形成される安定な火炎２４から熱および化学活性種の供給を受けるため、燃焼安定性が向上する。ただし、中央バーナ５７から排出されるＮＯｘは増加するため、中央バーナ５７に形成される拡散燃焼領域の範囲が小さくなるように、できるだけ燃料ノズル３３と空気孔３５の組の数を少なくした方が望ましい。

実施例９を図２０に示す。実施例９は実施例８に対し、外側バーナ５８も本発明のバーナ５７に置き換えている。本実施例では、個々のバーナに形成される火炎に拡散燃焼領域が存在することによりＮＯｘの排出量は増加してしまうが、個々のバーナが形成する火炎の燃焼安定性が向上する。そのため、例えば低カロリー燃料のように、燃焼速度が遅く非常に燃えにくい燃料をガスタービンの燃料として用いる場合でも、複数あるバーナに形成されるそれぞれの火炎基部に拡散燃焼領域が形成され、火炎を安定に保持して信頼性高く運用することが可能となる。また、ガスタービン負荷運転の運用範囲の拡大も同時に実現することができる。

１燃焼室
２外筒
３燃焼器ライナ
４トランジションピース
５圧縮機
６タービン
７ディフューザ
１０，１１圧縮空気
１２冷却空気
１３燃焼空気
１４，１５，１６燃料供給系統
２０，３２，３３燃料ノズル
２１保炎器
２２予混合路
２３循環流
２４火炎
２５拡散バーナ
２６拡散火炎
３０，６０燃料ヘッダ
３１空気孔部材
３４，３５，１０３空気孔
４３，４４燃料噴流
４５空気
４６，４７下流領域
５４中央線
５５拡散燃焼領域
５６予混合火炎
５７中央バーナ
５８外側バーナ

Claims

複数の空気孔を同心円状に複数列配置した空気孔部材と、
複数の前記空気孔に燃料を噴出する複数の燃料ノズルとを備えたバーナであって、
前記空気孔部材に同心円状に複数列配置された前記空気孔のうち、内周側から一列目の空気孔列を構成する空気孔が、バーナ中心軸に対して傾斜した空気孔中心軸を有し、
前記一列目の空気孔入口から該空気孔内に挿入されて、先端が前記一列目の空気孔入口より下流側に配置された第一の燃料ノズルと、
先端が前記一列目の空気孔入口より上流側に配置された第二の燃料ノズルとを備え、
前記一列目の空気孔に燃料を噴出する前記燃料ノズルとして、前記第一の燃料ノズル及び前記第二の燃料ノズルが周方向に交互に配置されていることを特徴とするバーナ。
複数の空気孔を同心円状に複数列配置した空気孔部材と、
複数の前記空気孔に燃料を噴出する複数の燃料ノズルとを備えたバーナであって、
前記空気孔部材に同心円状に複数列配置された前記空気孔のうち、内周側から一列目及び二列目の空気孔列を構成する空気孔が、バーナ中心軸に対して傾斜した空気孔中心軸を有し、
前記空気孔入口から該空気孔内に挿入されて、先端が空気孔入口より下流側に配置された第一の燃料ノズルと、
先端が空気孔入口より上流側に配置された第二の燃料ノズルとを備え、
前記一列目及び前記二列目の空気孔に、前記第一の燃料ノズル及び前記第二の燃料ノズルを周方向に交互に配置することを特徴とするバーナ。
複数の空気孔を同心円状に複数列配置した空気孔部材と、
複数の前記空気孔に燃料を噴出する複数の燃料ノズルとを備えたバーナであって、
前記空気孔部材に同心円状に複数列配置された前記空気孔のうち、内周側から一列目の空気孔列を構成する空気孔が、バーナ中心軸に対して傾斜した空気孔中心軸を有し、
前記一列目の空気孔入口から該空気孔内に挿入されて、先端が前記一列目の空気孔入口より下流側に配置された第一の燃料ノズルと、
先端が前記一列目の空気孔入口より上流側に配置された第二の燃料ノズルとを備え、
前記一列目の空気孔のうち対角に配置された空気孔に燃料を噴出する前記燃料ノズルとして、前記第一の燃料ノズルが配置されていることを特徴とするバーナ。
請求項１から３のいずれか一項に記載のバーナを中央バーナとして備え、
前記空気孔部材に同心円状に複数列配置された複数の空気孔と該複数の空気孔に燃料を噴出する複数の燃料ノズルとを備えたバーナを、前記中央バーナの外周に複数備えたことを特徴とするバーナ。
請求項１から３のいずれか一項に記載のバーナを複数備えたことを特徴とするバーナ。