JP5372814B2 - Gas turbine combustor and operation method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a gas turbine combustor that achieves both suppression of NOx discharge and securement of combustion stability. <P>SOLUTION: The gas turbine combustor includes a mixing chamber for mixing fuel and air; a mixing chamber forming member for forming the mixing chamber; a plurality of first air holes provided in the mixing chamber forming member and supplying air into the mixing chamber; and a plurality of first fuel nozzles for jetting fuel toward the first air holes. A second air hole is disposed at a position for making air flow flowing therein, take along more of fuel jetted from the first fuel nozzles into the mixing chamber as the jetting speed of the fuel jetted from the first fuel nozzles becomes lower. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、ガスタービン燃焼器及び運転方法に関する。   The present invention relates to a gas turbine combustor and an operation method.

ガスタービン燃焼器の燃焼方式の一つに、予混合燃焼方式がある。予混合燃焼方式とは、予混合器内で燃料と空気を予め混合してから燃焼室内で燃焼させる方式である。燃料と空気を予め混合してから燃焼させることで局部的な高温領域の発生が抑えられ、サーマルNOxの低減が可能となる。予混合燃焼バーナを採用した燃焼器の一例として、燃料を直接燃焼室内に噴射して燃焼させる拡散燃焼方式のバーナと組合せた構成のものがある。低負荷から高負荷に亘って燃焼安定性を確保するためである。   One of the combustion methods of a gas turbine combustor is a premixed combustion method. The premix combustion method is a method in which fuel and air are mixed in advance in a premixer and then burned in a combustion chamber. By mixing fuel and air in advance and burning, local high temperature regions can be suppressed and thermal NOx can be reduced. One example of a combustor that employs a premixed combustion burner is a combination with a diffusion combustion type burner that injects fuel directly into a combustion chamber and burns it. This is to ensure combustion stability from low load to high load.

予混合燃焼バーナと拡散燃焼バーナを組み合わせた燃焼器の一例として、特許文献1には、燃焼器の軸中心位置に火炎を保持するパイロットバーナとして拡散燃焼バーナが配置され、予混合燃焼バーナがその周囲を囲むように配置された燃焼器が記載されている。この構成により、予混合燃焼バーナによるNOxの低減効果と拡散燃焼バーナによる燃焼安定性の向上効果が得られる。また、特許文献1には拡散燃焼バーナと予混合燃焼バーナの燃焼比率を制御して、広い負荷範囲にわたって燃焼安定性を向上させる技術が記載されている。   As an example of a combustor in which a premixed combustion burner and a diffusion combustion burner are combined, in Patent Document 1, a diffusion combustion burner is disposed as a pilot burner that holds a flame at the axial center position of the combustor. A combustor arranged to surround the perimeter is described. With this configuration, the effect of reducing NOx by the premixed combustion burner and the effect of improving the combustion stability by the diffusion combustion burner can be obtained. Patent Document 1 describes a technique for improving the combustion stability over a wide load range by controlling the combustion ratio between the diffusion combustion burner and the premixed combustion burner.

特許文献2には、厳しいNOx排出量規制に対応するための燃焼器として、噴出方向に向かって拡開する中空円錐形状の混合室と、混合室に燃焼空気を導入するための複数の空気導入孔と、その空気導入孔のほぼ同軸上に気体燃料を噴出させる気体燃料ノズルとを備えたパイロットバーナを有する燃焼器が記載されている。一般に、拡散燃焼バーナと予混合燃焼バーナとを組み合わせた燃焼器では、NOx排出量の大半を拡散燃焼バーナであるパイロットバーナが占める。これに対し、特許文献2に記載された燃焼器では、このパイロットバーナにおける燃料と空気の混合を促進し、低NOx化を図っている。   In Patent Document 2, as a combustor for complying with strict NOx emission control, a hollow conical mixing chamber that expands in the ejection direction, and a plurality of air introductions for introducing combustion air into the mixing chamber A combustor having a pilot burner with a hole and a gaseous fuel nozzle for ejecting gaseous fuel substantially coaxially with the air introduction hole is described. Generally, in a combustor in which a diffusion combustion burner and a premixed combustion burner are combined, most of the NOx emission amount is occupied by a pilot burner which is a diffusion combustion burner. On the other hand, in the combustor described in Patent Document 2, mixing of fuel and air in the pilot burner is promoted to achieve low NOx.

特開平7−280267号公報JP-A-7-280267 特開2007−064625号公報JP 2007-064625 A

近年、地球環境保護の観点から排出ガスに対する規制は年々厳しさを増してきており、NOx排出量の更なる低減が求められている。特許文献1に記載された燃焼器では、広い負荷範囲にわたって燃焼安定性を確保するために、パイロットバーナに拡散燃焼バーナを採用している。そのため、近年の厳しい環境規制を満足するには、この拡散燃焼バーナにおけるNOxの排出量を抑制する手段を講じる必要があった。   In recent years, regulations on exhaust gases have been becoming more stringent year by year from the viewpoint of protecting the global environment, and further reduction of NOx emissions has been demanded. In the combustor described in Patent Document 1, a diffusion combustion burner is adopted as a pilot burner in order to ensure combustion stability over a wide load range. Therefore, in order to satisfy recent strict environmental regulations, it is necessary to take measures to suppress the NOx emission in the diffusion combustion burner.

そのための一方策として、特許文献2の燃焼器を用いることが考えられる。特許文献2の燃焼器は、パイロットバーナに一般的な拡散燃焼バーナよりも空気と燃料の混合作用の良いバーナを用いたものである。特許文献2の燃焼器では、特許文献1のパイロットバーナに拡散燃焼バーナを備えた燃焼器に比べて、NOxの排出量を大幅に低減できる。ただし、特許文献2の燃焼器を用いた場合、以下のような課題が考えられる。   As one measure for that, it is conceivable to use the combustor of Patent Document 2. The combustor of Patent Document 2 uses a pilot burner that has a better mixing action of air and fuel than a general diffusion combustion burner. The combustor disclosed in Patent Document 2 can significantly reduce the amount of NOx emissions compared to the combustor in which the pilot burner disclosed in Patent Document 1 includes a diffusion combustion burner. However, when the combustor of Patent Document 2 is used, the following problems can be considered.

拡散燃焼バーナと予混合燃焼バーナとを組み合わせた燃焼器では、燃焼負荷の増加に伴って予混合燃焼バーナに供給する燃料の割合(以下、予混合燃焼比率と呼ぶ)を高め、NOxの排出を抑制した運転をする。NOx低減のために予混合燃焼比率を高めた場合、パイロットバーナに供給される燃料流量が低下する。そうすると、パイロットバーナの空気に対する燃料の比率(以下、燃空比と呼ぶ)も小さくなる。この場合、局部的な火炎温度の低下による火炎の吹き消え等によって、燃焼安定性が損なわれる可能性がある。一方で、燃焼安定性を高めるためにパイロットバーナへの燃料供給割合を増やした場合(予混合燃焼比率を下げた場合)、NOx排出量の抑制が不十分となる。   In a combustor that combines a diffusion combustion burner and a premixed combustion burner, as the combustion load increases, the proportion of fuel supplied to the premixed combustion burner (hereinafter referred to as the premixed combustion ratio) is increased to reduce NOx emissions. Drive in a controlled manner. When the premixed combustion ratio is increased to reduce NOx, the flow rate of fuel supplied to the pilot burner decreases. If it does so, the ratio (henceforth a fuel-air ratio) of the fuel with respect to the air of a pilot burner also becomes small. In this case, there is a possibility that the combustion stability may be impaired due to the blow-off of the flame due to a local decrease in the flame temperature. On the other hand, when the fuel supply ratio to the pilot burner is increased to increase combustion stability (when the premixed combustion ratio is lowered), the NOx emission amount is not sufficiently suppressed.

本発明の目的はNOxの排出抑制と燃焼安定性の確保とを両立したガスタービン燃焼器を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a gas turbine combustor that achieves both NOx emission suppression and combustion stability.

上記課題を解決するために、本発明は、燃料と空気とを混合する混合室と、前記混合室を形成する混合室形成部材と、前記混合室形成部材に設けられた、前記混合室内に空気を供給する複数の第1の空気孔と、前記第1の空気孔に向けて燃料を噴射する複数の第1の燃料ノズルと、前記第1の燃料ノズルが噴射する燃料の噴射速度が小さくなるほど、前記第2の空気孔に流入する空気流が第1の燃料ノズルから噴射された燃料のより多くを随伴して前記混合室に流入させる位置に、前記第2の空気孔が配置され、前記第2の空気孔が前記第1の燃料ノズルと前記混合室の周方向について同位相となる位置に設けられていることを特徴とする。 In order to solve the above problems, the present invention provides a mixing chamber for mixing fuel and air, a mixing chamber forming member for forming the mixing chamber, and air in the mixing chamber provided in the mixing chamber forming member. A plurality of first air holes for supplying fuel, a plurality of first fuel nozzles for injecting fuel toward the first air holes, and an injection speed of fuel injected by the first fuel nozzles decreases. , in a position to flow the air flow into the second air hole is accompanied more fuel injected from the first fuel nozzle to the mixing chamber, the second air holes are arranged, the The second air hole is provided at a position that is in phase with respect to the circumferential direction of the first fuel nozzle and the mixing chamber .

本発明によれば、NOxの排出抑制と燃焼安定性の確保とを両立したガスタービン燃焼器を提供できる。   According to the present invention, it is possible to provide a gas turbine combustor that achieves both NOx emission suppression and combustion stability.

本発明の第1の実施例のパイロットバーナの側断面図である。It is side sectional drawing of the pilot burner of 1st Example of this invention. 図1(a)に示すバーナのA−A断面図である。It is AA sectional drawing of the burner shown to Fig.1 (a). 本発明の第1の実施例の運転時における、バーナでの空気及び燃料の流れを模式的に示した断面図である。It is sectional drawing which showed typically the flow of the air and fuel in a burner at the time of the driving | operation of the 1st Example of this invention. 本発明の第1の実施例の運転時における、バーナでの空気及び燃料の流れを模式的に示した断面図である。It is sectional drawing which showed typically the flow of the air and fuel in a burner at the time of the driving | operation of the 1st Example of this invention. 本発明の第1の実施例を備えたガスタービンプラントの全体構成を概略的に示す概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram schematically illustrating an overall configuration of a gas turbine plant including a first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施例と比較技術のガスタービン負荷に対するNOx特性を示した図である。It is the figure which showed the NOx characteristic with respect to the gas turbine load of the 1st Example of this invention and a comparison technique. 本発明の第1の実施例と比較技術の予混合燃焼比率に対するNOx特性を示した図である。It is the figure which showed the NOx characteristic with respect to the pre-mixing combustion ratio of the 1st Example of this invention and a comparison technique. 本発明の第2の実施例のバーナ断面図である。It is a burner sectional view of the 2nd example of the present invention. 図5(a)に示すバーナのA−A断面図である。It is AA sectional drawing of the burner shown to Fig.5 (a). 本発明の第3の実施例を示す側断面図である。It is a sectional side view which shows the 3rd Example of this invention. 本発明の第4の実施例を示す側断面図である。It is side sectional drawing which shows the 4th Example of this invention.

以下、本発明のガスタービン燃焼器の実施例について図面を参照し説明する。   Hereinafter, embodiments of the gas turbine combustor of the present invention will be described with reference to the drawings.

まず、本発明の第1の実施例を図1乃至図4を参照しつつ以下に説明する。   First, a first embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.

図3は、本発明の第1の実施例を備えたガスタービンプラントの全体構成を概略的に示す概略構成図である。図3に示すように、本実施例のガスタービンプラントは、空気を圧縮して高圧の燃焼用空気を生成する圧縮機200と、この圧縮機200から導入される燃焼空気100と燃料とを混合・燃焼して燃焼ガス150を生成する燃焼器202と、この燃焼器202で生成された燃焼ガス150が導入されるタービン201とから構成されている。なお、圧縮機200とタービン201,発電機203の軸は連結されている。   FIG. 3 is a schematic configuration diagram schematically showing the overall configuration of the gas turbine plant provided with the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3, the gas turbine plant of the present embodiment mixes a compressor 200 that compresses air to generate high-pressure combustion air, combustion air 100 introduced from the compressor 200, and fuel. Combustor 202 that burns to generate combustion gas 150 and turbine 201 to which combustion gas 150 generated by this combustor 202 is introduced. In addition, the shafts of the compressor 200, the turbine 201, and the generator 203 are connected.

燃焼器202は、燃焼用の燃焼空気100と燃料を燃焼して燃焼ガス150を生成する内筒206と、この内筒206からの燃焼ガス150をタービン201に導くためのトランジションピース207と、内筒206およびトランジションピース207を収納した外筒204と、エンドカバー205と、外筒204に支持され内筒206内で点火するための点火栓210等で構成されている。内筒206は円筒形状をしている。内筒206の上流側で内筒206の軸線上にはパイロットバーナ1が設けられ、その周囲には予混合燃焼バーナ208が複数配置されている。   The combustor 202 includes an inner cylinder 206 that burns combustion air 100 and fuel for combustion to generate a combustion gas 150, a transition piece 207 that guides the combustion gas 150 from the inner cylinder 206 to the turbine 201, An outer cylinder 204 that houses the cylinder 206 and the transition piece 207, an end cover 205, an ignition plug 210 that is supported by the outer cylinder 204 and ignites in the inner cylinder 206, and the like. The inner cylinder 206 has a cylindrical shape. On the upstream side of the inner cylinder 206, the pilot burner 1 is provided on the axis of the inner cylinder 206, and a plurality of premixed combustion burners 208 are arranged around it.

図1(a)の左図は本発明の第1の実施例であるパイロットバーナ1の側断面図を示したものである。図1(a)の右図はパイロットバーナ1を燃焼室の側から見た図である。図1(b)は図1(a)右図のA−A断面図である。パイロットバーナ1は、燃料と空気の混合を促進するための中空円錐形状の混合室2を形成する混合室形成部材20と、混合室2に燃焼空気100を導入する空気導入孔4と、空気導入孔5とをそれぞれ複数有している。空気導入孔4,5は混合室形成部材20に設けられている。空気導入孔5は、空気導入孔4よりも混合室2の中心軸に対して外周側に配置されている。また、空気導入孔4,5は混合室2内部に旋回流を生じさせるために、燃焼空気100の導入角度が混合室2の周方向に偏向するように形成されている。   The left figure of Fig.1 (a) shows the sectional side view of the pilot burner 1 which is the 1st Example of this invention. The right figure of Fig.1 (a) is the figure which looked at the pilot burner 1 from the combustion chamber side. FIG.1 (b) is AA sectional drawing of the right figure of Fig.1 (a). The pilot burner 1 includes a mixing chamber forming member 20 that forms a hollow conical mixing chamber 2 for promoting mixing of fuel and air, an air introduction hole 4 that introduces combustion air 100 into the mixing chamber 2, and an air introduction A plurality of holes 5 are provided. The air introduction holes 4 and 5 are provided in the mixing chamber forming member 20. The air introduction hole 5 is arranged on the outer peripheral side with respect to the central axis of the mixing chamber 2 than the air introduction hole 4. The air introduction holes 4 and 5 are formed so that the introduction angle of the combustion air 100 is deflected in the circumferential direction of the mixing chamber 2 in order to generate a swirling flow inside the mixing chamber 2.

更にパイロットバーナ1には、混合室2内部の軸方向上流側に液体燃料を噴射する液体燃料ノズル8が設置されている。液体燃料ノズル8の外周には、気体燃料マニホールド9,気体燃料ノズル6、及び外周側燃料ノズルである気体燃料ノズル7が設置されている。気体燃料ノズル6,7はそれぞれ、相対する空気導入孔4,5に向けて燃料を噴射するように配置されている。   Further, the pilot burner 1 is provided with a liquid fuel nozzle 8 for injecting liquid fuel on the upstream side in the axial direction inside the mixing chamber 2. On the outer periphery of the liquid fuel nozzle 8, a gaseous fuel manifold 9, a gaseous fuel nozzle 6, and a gaseous fuel nozzle 7 as an outer peripheral side fuel nozzle are installed. The gaseous fuel nozzles 6 and 7 are arranged so as to inject fuel toward the opposed air introduction holes 4 and 5, respectively.

混合室形成部材20には、燃焼空気100の一部を混合室2に燃焼空気109として供給する空気導入孔3が設けられている。この空気導入孔3は、気体燃料ノズル6の燃料噴出口と空気導入孔4との距離よりも、気体燃料ノズル6の燃料噴出口との距離が近くなる位置に配置されている。なお、ここで言う距離とは、最短となるように各空気導入孔の燃料ノズル側端面上の点と燃料噴出口端面上の点とを結んだ線分の長さのことである。また、空気導入孔3は、空気導入孔4が燃焼空気を供給する位置よりも混合室2の軸中心側に燃焼用空気109を供給するよう設けられている。さらに、空気導入孔3は図1(b)に示す通り、気体燃料ノズル6と混合室2の周方向について同位相となる位置に配置されている。   The mixing chamber forming member 20 is provided with an air introduction hole 3 for supplying a part of the combustion air 100 to the mixing chamber 2 as the combustion air 109. The air introduction hole 3 is arranged at a position where the distance between the fuel injection port of the gaseous fuel nozzle 6 and the fuel injection port of the gaseous fuel nozzle 6 is closer than the distance between the fuel injection port of the gaseous fuel nozzle 6 and the air introduction hole 4. The distance referred to here is the length of the line segment connecting the point on the end surface of the air nozzle hole on the fuel nozzle side and the point on the end face of the fuel injection port so as to be the shortest. The air introduction hole 3 is provided so as to supply the combustion air 109 to the axial center side of the mixing chamber 2 from the position where the air introduction hole 4 supplies the combustion air. Furthermore, the air introduction hole 3 is arrange | positioned in the position used as the same phase about the circumferential direction of the gaseous fuel nozzle 6 and the mixing chamber 2, as shown in FIG.1 (b).

上記の構成を有した本実施例の燃焼器において生起する詳細事象を、以下に説明する。図2は、本実施例におけるパイロットバーナ1の詳細断面図で、気体燃料101,燃焼空気100の流れを模式的に示している。図2(a)は気体燃料流量の多い条件、図2(b)は気体燃料流量の少ない条件における気体燃料の流れを示している。   Detailed events that occur in the combustor of the present embodiment having the above-described configuration will be described below. FIG. 2 is a detailed cross-sectional view of the pilot burner 1 in the present embodiment, and schematically shows the flow of the gaseous fuel 101 and the combustion air 100. FIG. 2 (a) shows the flow of gaseous fuel under conditions where the gaseous fuel flow rate is high, and FIG. 2 (b) shows the flow of gaseous fuel under conditions where the gaseous fuel flow rate is low.

ガスタービン負荷の低い条件では、燃焼安定性の高いパイロットバーナ1のみで燃料を燃焼させる。そのため、ガスタービン負荷の低い条件では、パイロットバーナ1に供給する気体燃料の流量は十分多い。一方、ガスタービン負荷の高い条件では、NOx排出量を抑制するために予混合燃焼バーナ208に供給する燃料の割合を増やす。そうするとパイロットバーナ1に供給する気体燃料の割合は減少し、流量は少なくなる。   Under conditions where the gas turbine load is low, the fuel is burned only by the pilot burner 1 having high combustion stability. For this reason, the flow rate of the gaseous fuel supplied to the pilot burner 1 is sufficiently large under conditions of a low gas turbine load. On the other hand, under conditions with a high gas turbine load, the ratio of fuel supplied to the premixed combustion burner 208 is increased in order to suppress NOx emissions. If it does so, the ratio of the gaseous fuel supplied to the pilot burner 1 will decrease, and flow volume will become small.

気体燃料ノズル6,7の燃料流路の断面積は供給される燃料流量に関わらず一定であるため、気体燃料ノズル6,7内を流れる気体燃料の流速は燃料の供給流量にほぼ比例する。即ち、燃料の供給流量が多いときは気体燃料ノズル6,7から噴射される燃料の流速が早くなり、燃料の供給流量が少ないときは気体燃料ノズル6,7から噴射される燃料の流速が遅くなる。   Since the cross-sectional area of the fuel flow path of the gaseous fuel nozzles 6 and 7 is constant regardless of the supplied fuel flow rate, the flow rate of the gaseous fuel flowing in the gaseous fuel nozzles 6 and 7 is substantially proportional to the fuel supply flow rate. That is, when the fuel supply flow rate is high, the flow rate of the fuel injected from the gaseous fuel nozzles 6 and 7 is high, and when the fuel supply flow rate is low, the flow rate of the fuel injected from the gaseous fuel nozzles 6 and 7 is low. Become.

また、空気導入孔3は、気体燃料ノズル6の燃料噴出孔と空気導入孔3との距離が、気体燃料ノズル6の燃料噴出孔と空気導入孔4との距離よりも近くなるように配置されている。そのため、気体燃料ノズル6から噴射された気体燃料104は、燃料噴射方向に設けられた空気導入孔4に到達する前に、空気導入孔3に流入する燃焼空気109の流れの影響を受ける。   The air introduction hole 3 is arranged so that the distance between the fuel injection hole of the gaseous fuel nozzle 6 and the air introduction hole 3 is closer than the distance between the fuel injection hole of the gaseous fuel nozzle 6 and the air introduction hole 4. ing. Therefore, the gaseous fuel 104 injected from the gaseous fuel nozzle 6 is affected by the flow of the combustion air 109 flowing into the air introduction hole 3 before reaching the air introduction hole 4 provided in the fuel injection direction.

本実施例では、空気導入孔3が気体燃料ノズル6と混合室2の周方向について同位相となる位置に配置されている。そのため、気体燃料ノズル6から空気導入孔4に向けて噴射された気体燃料104は、空気導入孔3の直上を通過する。燃焼空気109の流れは空気導入孔3に近い位置ほど強くなる。そのため、気体燃料104は空気導入孔3の直上を通過することで、燃焼空気109の影響を強く受ける。また、空気導入孔3の直径を横断するため、燃焼空気109の影響を受ける時間も長くなる。したがって、より効果的に気体燃料104を空気導入孔3に流入させることができる。   In the present embodiment, the air introduction hole 3 is disposed at a position that is in phase with respect to the circumferential direction of the gaseous fuel nozzle 6 and the mixing chamber 2. Therefore, the gaseous fuel 104 injected from the gaseous fuel nozzle 6 toward the air introduction hole 4 passes immediately above the air introduction hole 3. The flow of the combustion air 109 becomes stronger as the position is closer to the air introduction hole 3. Therefore, the gaseous fuel 104 is strongly influenced by the combustion air 109 by passing immediately above the air introduction hole 3. Further, since the diameter of the air introduction hole 3 is traversed, the time affected by the combustion air 109 is also increased. Therefore, the gaseous fuel 104 can flow into the air introduction hole 3 more effectively.

パイロットバーナ1に供給される燃料流量が多い低負荷条件では、気体燃料ノズル6,7から噴出される気体燃料の噴出速度は速い。そのため、図2(a)に示すように、気体燃料104は空気導入孔3に流入する燃焼空気109の流れを貫通し、空気導入孔4から燃焼空気100とほぼ同軸状に噴射される。この場合、燃料と空気は空気導入孔4,5内部で混合され、さらに、空気導入孔4,5から噴出する際に発生する渦で更に混合が促進される。この二段階の混合促進効果によって、混合室2内部には燃料と空気の混合気106が生成される。この混合気106は、二段階混合のおかげで燃料の局所的な過濃領域の少ない、いわゆる希薄混合気である。このように燃料と空気を混合することで、局部的な高温領域の発生が抑制でき、NOx排出量を低減できる効果がある。   Under low load conditions where the flow rate of fuel supplied to the pilot burner 1 is large, the ejection speed of the gaseous fuel ejected from the gaseous fuel nozzles 6 and 7 is fast. Therefore, as shown in FIG. 2A, the gaseous fuel 104 penetrates the flow of the combustion air 109 flowing into the air introduction hole 3 and is injected almost coaxially with the combustion air 100 from the air introduction hole 4. In this case, the fuel and air are mixed inside the air introduction holes 4 and 5, and further mixing is further promoted by vortices generated when the fuel and air are ejected from the air introduction holes 4 and 5. Due to this two-stage mixing promotion effect, a fuel / air mixture 106 is generated inside the mixing chamber 2. This air-fuel mixture 106 is a so-called lean air-fuel mixture that has a small amount of locally overconcentrated fuel due to the two-stage mixing. By mixing the fuel and air in this way, it is possible to suppress the occurrence of a local high temperature region and to reduce the NOx emission amount.

一方、図2(b)に示す、パイロットバーナ1に供給される燃料流量の少ない高負荷条件では、気体燃料ノズル6,7から噴射される燃料の噴射速度が遅く、燃料噴流の貫通力が弱い。そのため、気体燃料ノズル6から噴射された気体燃料104は空気導入孔3に向かって流れる燃焼空気109に随伴され、空気導入孔3から混合室2内部に流入する。これにより、混合室2の軸中心部に燃料が供給される。なお、気体燃料ノズル6から噴射される気体燃料104は、その噴射速度が小さくなるほど空気導入孔3に流入する燃焼空気109の影響を強く受ける。   On the other hand, in the high load condition where the flow rate of fuel supplied to the pilot burner 1 is small as shown in FIG. 2B, the injection speed of the fuel injected from the gaseous fuel nozzles 6 and 7 is slow and the penetration force of the fuel jet is weak. . Therefore, the gaseous fuel 104 injected from the gaseous fuel nozzle 6 is accompanied by the combustion air 109 flowing toward the air introduction hole 3 and flows into the mixing chamber 2 from the air introduction hole 3. As a result, fuel is supplied to the axial center of the mixing chamber 2. In addition, the gaseous fuel 104 injected from the gaseous fuel nozzle 6 is strongly influenced by the combustion air 109 flowing into the air introduction hole 3 as the injection speed decreases.

なお、気体燃料104は空気導入孔4に流入する空気流の影響も受ける。但し、本実施例の燃焼器は、第1の燃料ノズルである気体燃料ノズル6の燃料噴出口と第2の空気孔である空気導入孔3との距離が、気体燃料ノズル6の燃料噴出口と第1の空気孔である空気導入孔4との距離よりも近くなる位置に空気導入孔3が配置されている。そのため、燃料の噴射速度が小さくなるほど、気体燃料104のより多くが空気導入孔3から混合室2に流入するようになる。   The gaseous fuel 104 is also affected by the air flow flowing into the air introduction hole 4. However, in the combustor of the present embodiment, the distance between the fuel injection port of the gaseous fuel nozzle 6 that is the first fuel nozzle and the air introduction hole 3 that is the second air hole is equal to the fuel injection port of the gaseous fuel nozzle 6. The air introduction hole 3 is disposed at a position closer to the distance from the air introduction hole 4 that is the first air hole. Therefore, the smaller the fuel injection speed, the more gaseous fuel 104 flows from the air introduction hole 3 into the mixing chamber 2.

本実施例の燃焼器の混合室は、軸方向下流側に向って拡開する形状を有している。また、第1の空気孔である空気導入孔4と外周側空気孔である空気導入孔5の両方に、混合室2内に旋回流を発生させるよう、旋回角が施されている。   The mixing chamber of the combustor of the present embodiment has a shape that expands toward the downstream side in the axial direction. Further, a swirl angle is given to both the air introduction hole 4 as the first air hole and the air introduction hole 5 as the outer peripheral side air hole so as to generate a swirl flow in the mixing chamber 2.

このように、空気導入孔4又は空気導入孔5の少なくとも一方に旋回角を施せば、空気導入孔4,5から流入した燃焼空気100に旋回成分を作用させることができ、遠心力の影響で混合室2の外周側に向かった流れを形成させることができる。これにより、燃焼空気100と空気導入孔3から流入した気体燃料104との混合は抑制される。そうすると、混合室2の軸中心部には燃料過濃な混合気107が生成される。この混合気107の燃焼によって、パイロットバーナ1の軸中心部には高温の小火炎500が形成される。この高温の火炎がアンカーとなることで火炎の吹き消えが抑制でき、燃焼安定性を向上することができる。   In this way, if a swirl angle is applied to at least one of the air introduction hole 4 or the air introduction hole 5, a swirl component can act on the combustion air 100 flowing in from the air introduction holes 4 and 5, and the influence of centrifugal force is exerted. A flow toward the outer peripheral side of the mixing chamber 2 can be formed. Thereby, mixing with the combustion air 100 and the gaseous fuel 104 which flowed in from the air introduction hole 3 is suppressed. As a result, a fuel rich mixture 107 is generated at the axial center of the mixing chamber 2. Due to the combustion of the air-fuel mixture 107, a high-temperature small flame 500 is formed at the axial center of the pilot burner 1. When this high-temperature flame becomes an anchor, the blow-off of the flame can be suppressed, and the combustion stability can be improved.

上述した運転では、高温の火炎を形成させた分だけNOx排出量が増加することが懸念される。しかし、高負荷条件では予混合燃焼比率が高くなっており、燃焼器から排出されるNOxの大部分は、予混合燃焼バーナ208で排出されたNOxが占める。予混合燃焼バーナ208で排出されるNOxの総量と比べて、高温の火炎形成に起因するNOx増加量は小さい。すなわち、空気導入孔3を設けたことによるNOx排出量の増加が燃焼器から排出されるNOxの総量に与える影響は十分に小さい。   In the operation described above, there is a concern that the amount of NOx emissions increases by the amount of high temperature flame formed. However, the premixed combustion ratio is high under high load conditions, and most of the NOx discharged from the combustor is occupied by NOx discharged by the premixed combustion burner 208. Compared with the total amount of NOx discharged by the premixed combustion burner 208, the amount of increase in NOx resulting from the formation of a high-temperature flame is small. That is, the influence of the increase in the NOx emission amount due to the provision of the air introduction hole 3 on the total amount of NOx discharged from the combustor is sufficiently small.

図4は本実施例のガスタービン燃焼器のNOx排出特性を示したもので、(a)はガスタービン負荷に対するNOx排出特性、(b)は定格負荷条件における予混合燃焼比率に対するNOx排出特性を示したものである。ここでは、特許文献1に記載された燃焼器を比較技術1とし、特許文献2に記載された燃焼器を比較技術2として示している。   FIG. 4 shows the NOx emission characteristics of the gas turbine combustor of this embodiment. (A) shows the NOx emission characteristics with respect to the gas turbine load, and (b) shows the NOx emission characteristics with respect to the premixed combustion ratio under the rated load conditions. It is shown. Here, the combustor described in Patent Document 1 is shown as Comparative Technology 1, and the combustor described in Patent Document 2 is shown as Comparative Technology 2.

図4(a)に示すように、本実施例及び比較技術2のパイロットバーナを備えた燃焼器では、燃料流量の多くなるパイロットバーナ単独燃焼の低負荷条件(〜A点)において、比較技術1よりもNOx排出量の低減が達成できている。これは、前述したバーナの燃焼特性の違いによるもので、燃料と空気の混合が促進されることによって、パイロットバーナにおけるNOxの排出が抑制されるためである。   As shown in FIG. 4A, in the combustor including the pilot burner of the present embodiment and the comparative technique 2, the comparative technique 1 is performed under the low load condition (up to point A) of the pilot burner alone combustion where the fuel flow rate is increased. As a result, NOx emissions can be reduced. This is because the combustion characteristics of the burner described above are different, and the NOx emission in the pilot burner is suppressed by promoting the mixing of fuel and air.

また、図4(b)では、各バーナとも予混合燃焼比率を高めることでNOx排出量は低下する傾向を示すことが分かる。ここで、NOx排出量の目標値(a点)を満足するポイントは、比較技術1の燃焼器ではb点、比較技術2と本実施例の燃焼器ではほぼ等しくc点である。b点とc点という違いは、前述のパイロットバーナにおける燃料と空気の混合促進によるNOx排出量の低減によるものである。   Moreover, in FIG.4 (b), it turns out that each burner shows the tendency for NOx emission amount to fall by raising a premix combustion ratio. Here, the point that satisfies the target value (point a) of the NOx emission amount is the point b in the combustor of the comparative technique 1 and the point c in the comparative technique 2 and the combustor of the present embodiment. The difference between the point b and the point c is due to the reduction of NOx emissions by promoting the mixing of fuel and air in the pilot burner described above.

一方、予混合燃焼比率が高まるにつれて、拡散燃焼バーナに供給される燃料流量は減少していき、やがて火炎の吹き消えが起こる。火炎の吹き消え点を示すd,e,f点もパイロットバーナの違いによってそれぞれ異なる。火炎の吹き消え点が最も低い比較技術2(e点)では、混合室内で生成される混合気の燃料分が希薄化することで火炎温度が低下するため、低い予混合燃焼比率で吹き消える特性を示す。これに対し、本実施形態の燃焼器に拠れば、パイロットバーナの燃料流量が少なくなる条件では、パイロットバーナの軸中心部に火炎温度の高い小火炎500を形成できる効果で、高い予混合燃焼比率まで運転が可能となっている。   On the other hand, as the premixed combustion ratio increases, the flow rate of the fuel supplied to the diffusion combustion burner decreases, and the flame blows out eventually. The d, e, and f points indicating the flame blow-off points also differ depending on the pilot burner. In the comparative technique 2 (point e), which has the lowest flame blow-off point, the flame temperature is lowered by diluting the fuel in the air-fuel mixture generated in the mixing chamber, so that the flame blows off at a low premixed combustion ratio. Indicates. On the other hand, according to the combustor of the present embodiment, under the condition that the fuel flow rate of the pilot burner is reduced, the effect of being able to form a small flame 500 having a high flame temperature at the axial center portion of the pilot burner, a high premixed combustion ratio Driving is possible.

通常、大気の条件(気温や湿度)によって、NOx排出特性や吹き消え特性は変化する。そのため、燃焼安定性を確保するためには、NOxの目標値を満足できるポイントから火炎の吹き消えポイントまでの予混合燃焼比率の範囲は広く確保できるほど好ましい。本実施例の燃焼器ではその範囲(c−f間:z)を、比較技術1のb−d間:x,比較技術2のc−e間:yよりも広く確保できる。すなわち、燃焼器の燃焼安定性が高いと言える。   Normally, NOx emission characteristics and blow-off characteristics vary depending on atmospheric conditions (temperature and humidity). Therefore, in order to ensure the combustion stability, it is preferable that the range of the premixed combustion ratio from the point where the target value of NOx can be satisfied to the point where the flame blows out is ensured widely. In the combustor of the present embodiment, the range (between cf: z) can be ensured wider than between b and d in comparison technique 1: x and between c and e in comparison technique 2: y. That is, it can be said that the combustion stability of the combustor is high.

以上、述べてきたように、本実施例の燃焼器に拠れば、パイロットバーナ1に供給する燃料流量が増加する低負荷条件でNOx排出量を低減しつつ、燃料流量が減少する高負荷条件での燃焼安定性を向上でき、より信頼性の高い燃焼器を提供できる。   As described above, according to the combustor of the present embodiment, the NOx emission amount is reduced under the low load condition where the fuel flow rate supplied to the pilot burner 1 is increased, while the fuel flow rate is reduced under the high load condition. Combustion stability can be improved, and a more reliable combustor can be provided.

次に、本発明の第2の実施例について、図5を参照しつつ説明する。図5(a)の左図は本発明の第2の実施例におけるパイロットバーナ1の側断面図を示したものである。図5(a)の右図はパイロットバーナ1を燃焼室の側から見た図である。図1(b)は図1(a)右図のA−A断面図である。   Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The left figure of Fig.5 (a) shows the sectional side view of the pilot burner 1 in the 2nd Example of this invention. The right figure of Fig.5 (a) is the figure which looked at the pilot burner 1 from the combustion chamber side. FIG.1 (b) is AA sectional drawing of the right figure of Fig.1 (a).

本実施例の基本的な構成は、第1の実施例と同様である。本実施例と第一の実施例の相違点は、図5(b)に示す通り、第2の空気導入孔3から流入した燃焼空気109に旋回が作用するよう、第2の空気導入孔3を混合室2の周方向にα度偏向させて形成したことである。   The basic configuration of this embodiment is the same as that of the first embodiment. The difference between this embodiment and the first embodiment is that, as shown in FIG. 5B, the second air introduction hole 3 so that the swirl acts on the combustion air 109 flowing in from the second air introduction hole 3. Is formed by deflecting α degrees in the circumferential direction of the mixing chamber 2.

本実施例に示す燃焼器では、第2の空気導入孔3から流入した燃焼空気109は混合室2内部で旋回が作用する。こうして生じた旋回流によって循環流が形成され、第1の実施例に比べて小火炎500をより安定化できる。これにより、パイロットバーナ1に供給する燃料がさらに少ない場合にも火炎の吹き消えを抑制することが可能となり、第1の実施形態よりも高い予混合燃焼比率での運転が可能となる。したがって、運転裕度の拡大によって燃焼安定性が更に向上し、信頼性の高い燃焼器を提供できる。   In the combustor shown in the present embodiment, the combustion air 109 flowing from the second air introduction hole 3 is swirled inside the mixing chamber 2. A circulating flow is formed by the swirling flow generated in this way, and the small flame 500 can be further stabilized as compared with the first embodiment. As a result, even when the amount of fuel supplied to the pilot burner 1 is smaller, it is possible to suppress the blow-off of the flame, and it is possible to operate at a higher premixed combustion ratio than in the first embodiment. Therefore, combustion stability is further improved by increasing the operating margin, and a highly reliable combustor can be provided.

次に、本発明の第3の実施例について、図6を参照しつつ説明する。図6は本発明の第3の実施例におけるパイロットバーナ1の側断面図を示したものである。   Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a side sectional view of the pilot burner 1 in the third embodiment of the present invention.

本実施例の基本構成部品は、第1の実施例と同様である。本実施例と第1の実施例との相違点は、空気導入孔3の孔面積を空気導入孔4,5の孔面積よりも小さくしたことである。   The basic components of this embodiment are the same as those of the first embodiment. The difference between the present embodiment and the first embodiment is that the hole area of the air introduction hole 3 is smaller than the hole area of the air introduction holes 4 and 5.

本実施例に示す燃焼器では、第2の空気導入孔3から流入する空気量を少なくすることができる。そのため、拡散燃焼バーナの燃料流量が少ない高負荷条件において、混合室2の軸中心部により燃料濃度の高い混合気を生成でき、小火炎500の火炎温度をより高温にすることができる。   In the combustor shown in the present embodiment, the amount of air flowing from the second air introduction hole 3 can be reduced. Therefore, under a high load condition where the fuel flow rate of the diffusion combustion burner is small, an air-fuel mixture having a high fuel concentration can be generated by the axial center portion of the mixing chamber 2, and the flame temperature of the small flame 500 can be made higher.

これにより、第1の実施例よりも高い予混合燃焼比率での運転が可能となり、運転裕度の拡大によって燃焼安定性が更に向上し、信頼性の高い燃焼器を提供できる。パイロットバーナ1の小火炎500の高温化によってNOx排出量増加が懸念されるが、拡大した運転裕度を生かして予混合燃焼比率を更に高めることで、NOxの増加分を相殺できる。そのため、大幅なNOx排出量増加には至らない。   As a result, it is possible to operate at a premixed combustion ratio higher than that of the first embodiment, and the combustion stability is further improved by increasing the operating margin, and a highly reliable combustor can be provided. Although there is a concern about the increase in NOx emission due to the high temperature of the small flame 500 of the pilot burner 1, the increase in NOx can be offset by further increasing the premixed combustion ratio by utilizing the expanded operating margin. Therefore, the NOx emission amount does not increase significantly.

また、本実施例と第2の実施例の旋回構造とを組合せた構造にすれば、さらなる性能改善が期待できる。   Further, if the structure of the present embodiment and the turning structure of the second embodiment are combined, further performance improvement can be expected.

次に、本発明の第4の実施例について、図7を参照しつつ説明する。本発明の第4の実施例におけるパイロットバーナ1の側断面図を示したものである。   Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The side sectional view of the pilot burner 1 in the 4th example of the present invention is shown.

本実施形態の基本構成部品は、第1の実施形態と同様である。本実施例と第1の実施例との相違点は、空気導入孔4に対向する気体燃料ノズル6と、空気導入孔5に対向する気体燃料ノズル7の燃料供給系統を分割し、それぞれの系統に流量調節弁303,305,燃料遮断弁304,306を設けたことである。また、これらの弁を制御する手段として本実施例では制御装置307を設けている。   The basic components of this embodiment are the same as those of the first embodiment. The difference between the present embodiment and the first embodiment is that the fuel supply system of the gaseous fuel nozzle 6 facing the air introduction hole 4 and the gaseous fuel nozzle 7 facing the air introduction hole 5 is divided and each system is divided. Are provided with flow control valves 303 and 305 and fuel cutoff valves 304 and 306. In the present embodiment, a control device 307 is provided as means for controlling these valves.

本実施例に示す燃焼器では、ガスタービン負荷に応じて、気体燃料ノズル6のみに燃料を供給する運転や、気体燃料ノズル7に燃料を供給する運転,気体燃料ノズル6,7の何れにも燃料を供給する運転が可能となる。さらには、気体燃料ノズル6,7間の燃料配分も調整できる。特に、気体燃料ノズル6,7の相対的な流量を調整できることが燃焼器の運転の自由度の拡大に寄与する。小火炎500の形成をより自由に調整することが可能となるからである。   In the combustor shown in the present embodiment, depending on the gas turbine load, the operation of supplying fuel only to the gaseous fuel nozzle 6, the operation of supplying fuel to the gaseous fuel nozzle 7, and the gaseous fuel nozzles 6 and 7 Operation to supply fuel becomes possible. Furthermore, the fuel distribution between the gaseous fuel nozzles 6 and 7 can also be adjusted. In particular, the ability to adjust the relative flow rates of the gaseous fuel nozzles 6 and 7 contributes to an increase in the degree of freedom in operating the combustor. This is because the formation of the small flame 500 can be adjusted more freely.

なお、本実施例ではバーナの内周側の気体燃料ノズルを第1の気体燃料ノズル6,外周側の気体燃料ノズルを第2の気体燃料ノズル7として、二系統の燃料供給系統に分けて燃料の供給流量を制御しているが、この他の組み合わせや、それぞれのノズルごとに制御を行っても良い。また、本実施例と第2,第3の実施例を組み合わせても良い。   In this embodiment, the gas fuel nozzle on the inner peripheral side of the burner is used as the first gas fuel nozzle 6 and the gas fuel nozzle on the outer peripheral side is used as the second gas fuel nozzle 7, so that the fuel is divided into two fuel supply systems. However, the control may be performed for each of the other combinations or each nozzle. Further, this embodiment may be combined with the second and third embodiments.

1 パイロットバーナ
2 混合室
3,4,5 空気導入孔
6,7 気体燃料ノズル
20 混合室形成部材
100 燃焼空気
101 気体燃料
103 火炎
200 圧縮機
201 タービン
202 燃焼器
203 発電機
206 内筒
207 トランジションピース
208 予混合燃焼バーナ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Pilot burner 2 Mixing chamber 3,4,5 Air introduction hole 6,7 Gas fuel nozzle 20 Mixing chamber formation member 100 Combustion air 101 Gas fuel 103 Flame 200 Compressor 201 Turbine 202 Combustor 203 Generator 206 Inner cylinder 207 Transition piece 208 Premixed combustion burner

Claims (6)

燃料と空気とを混合する混合室と、
前記混合室を形成する混合室形成部材と、
前記混合室形成部材に設けられた、前記混合室内に空気を供給する複数の第1の空気孔と、
前記第1の空気孔に向けて燃料を噴射する複数の第1の燃料ノズルと、
を有するガスタービン燃焼器において、
前記第1の空気孔よりも前記混合室の軸中心側に空気を供給する第2の空気孔を前記混合室形成部材に有し、
前記第1の燃料ノズルが噴射する燃料の噴射速度が小さくなるほど、前記第2の空気孔に流入する空気流が第1の燃料ノズルから噴射された燃料のより多くを随伴して前記混合室に流入させる位置に、前記第2の空気孔が配置され
前記第2の空気孔が前記第1の燃料ノズルと前記混合室の周方向について同位相となる位置に設けられている
ことを特徴とするガスタービン燃焼器。
A mixing chamber for mixing fuel and air;
A mixing chamber forming member for forming the mixing chamber;
A plurality of first air holes provided in the mixing chamber forming member for supplying air into the mixing chamber;
A plurality of first fuel nozzles for injecting fuel toward the first air holes;
In a gas turbine combustor having
The mixing chamber forming member has a second air hole for supplying air to the axial center side of the mixing chamber from the first air hole,
As the injection speed of the fuel injected by the first fuel nozzle decreases, the air flow flowing into the second air hole becomes more mixed with the fuel injected from the first fuel nozzle into the mixing chamber. The second air hole is arranged at a position to be introduced ,
The gas turbine combustor, wherein the second air hole is provided at a position that is in phase with respect to the circumferential direction of the first fuel nozzle and the mixing chamber .
請求項1に記載のガスタービン燃焼器において、  The gas turbine combustor according to claim 1.
前記第2の空気孔の断面積が、前記第1の空気孔の断面積よりも小さい  The cross-sectional area of the second air hole is smaller than the cross-sectional area of the first air hole
ことを特徴とする燃焼器。Combustor characterized by that.
請求項1または請求項2に記載のガスタービン燃焼器において、  The gas turbine combustor according to claim 1 or 2,
前記第1の燃料ノズルよりも前記混合室の中心軸に対して外周側に設けられた複数の外周側燃料ノズルと、  A plurality of outer peripheral fuel nozzles provided on the outer peripheral side with respect to the central axis of the mixing chamber from the first fuel nozzle;
前記外周側燃料ノズルと対向するように、前記混合室形成部材に前記外周側燃料ノズルと同数設けられた外周側空気孔と、  An outer peripheral air hole provided in the mixing chamber forming member in the same number as the outer peripheral fuel nozzle so as to face the outer peripheral fuel nozzle;
前記第1の燃料ノズルに供給される燃料と前記外周側燃料ノズルに供給される燃料との相対的な流量を制御できる制御装置とを有する  And a control device capable of controlling a relative flow rate of the fuel supplied to the first fuel nozzle and the fuel supplied to the outer peripheral fuel nozzle.
ことを特徴とする燃焼器。Combustor characterized by that.
請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のガスタービン燃焼器において、  The gas turbine combustor according to any one of claims 1 to 3,
前記混合室内の軸方向上流部に前記混合室内に燃料を噴射する第2の燃料ノズルを有する  A second fuel nozzle for injecting fuel into the mixing chamber at an axially upstream portion in the mixing chamber;
ことを特徴とする燃焼器。Combustor characterized by that.
請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のガスタービン燃焼器において、  The gas turbine combustor according to any one of claims 1 to 4, wherein:
前記混合室は、軸方向下流側に向かって拡開する形状を有し、  The mixing chamber has a shape that expands toward the downstream side in the axial direction,
前記第1の空気孔と前記外周側空気孔の少なくとも一方が、前記混合室内に旋回流を発生させるように構成されている  At least one of the first air hole and the outer peripheral side air hole is configured to generate a swirling flow in the mixing chamber.
ことを特徴とする燃焼器。Combustor characterized by that.
請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のガスタービン燃焼器において、  In the gas turbine combustor according to any one of claims 1 to 5,
前記第2の空気孔が、前記混合室内に旋回流を発生させるように構成されている  The second air hole is configured to generate a swirling flow in the mixing chamber.
ことを特徴とする燃焼器。Combustor characterized by that.
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