JP5380488B2 - 燃焼器 - Google Patents

Description

本発明はガスタービン燃焼器に関する。

予混合器内で予め燃料と空気を混合してから燃焼室に供給して燃焼する予混合燃焼方式の燃焼器を用いることで、局部的な高温領域の発生を抑えてサーマルＮＯｘを低減したガスタービンシステムを提供できることが知られている。この予混合燃焼方式を採用した燃焼器は多数提唱されており、その一例として、特開平７−２８０２６７号公報記載のものがある。

特開平７−２８０２６７号公報 特開２００６−１０５４８８号公報

近年の予混合器構造が複雑化に伴い、その流れも複雑化し、予混合器内に低流速域や逆流域が形成され易くなり、フラッシュバックの発生ポテンシャルが高くなるという問題がある。本発明の目的は、予混合器内部へのフラッシュバックを抑制した信頼性の高い燃焼器を提供することにある。

本発明の燃焼器は、予め燃料と空気を混合室で混合してから燃焼室に供給する予混合燃焼バーナを備え、前記予混合燃焼バーナが内部に前記混合室を形成する混合室形成部材を有し、前記混合室は下流側に向かって拡開した第１の混合室を備え、前記混合室形成部材が、前記予混合燃焼バーナの軸心線方向に複数列、前記軸心線の周方向に複数個設けられた空気導入孔と、前記空気導入孔を形成する壁面に設けられた燃料噴出孔とを有する前記予混合燃焼バーナとを備えた燃焼器において、前記予混合燃焼バーナの前記空気導入孔は前記軸心線の周方向に偏向して設けられ、前記予混合燃焼バーナの最上流列に設けられた前記空気導入孔が、最上流列以外の列に設けられた前記空気導入孔よりも下流側に傾いていることを特徴とする。

本発明によれば、予混合器内部へのフラッシュバックを抑制した信頼性の高い燃焼器を提供できる。

第１の実施形態における燃焼器の縦断面図である。 第１の実施形態における予混合燃焼バーナの縦断面図である。 第１の実施形態の空気導入孔形成角度に対する各種特性を示す図である。 比較例の予混合バーナ燃焼の縦断面図である。

近年、環境問題がクローズアップされ、ガスタービン燃焼器においても環境負荷低減が要求されており、ＮＯｘ排出量低減が重要な開発課題となっている。さらには、地球温暖化対策として、従来の油燃料のほか天然ガスやバイオ燃料など多様な燃料を使用するニーズが増え、燃料の選択肢と自由度拡大に対する要求が高まっている。

このような背景のもと、液体燃料，気体燃料の何れにも対応可能で、且つ、ＮＯｘ排出量を低減できる燃焼器として、デュアル燃料対応低ＮＯｘ燃焼器がある。一般に、ＮＯｘ排出量を低減する方法として、燃焼場に水や蒸気などの不活性媒体を投入する方法があるが、この方法は、イニシャルコスト，ランニングコストの増加，投入する水の確保が困難な地域へ適用できないなどの問題がある。このような問題を解決する燃焼方法として、予混合燃焼がある。予混合燃焼とは、予混合器内で予め燃料と空気を混合してから燃焼室に供給して燃焼する方法で、局部的な高温領域の発生を抑えることで、サーマルＮＯｘの低減が可能となる。

予混合燃焼を採用した燃焼器は多数提唱されており、その一例として、特開平７−２８０２６７号公報記載のものなどがある。予混合燃焼の課題として、燃料と空気の混合を促進して希薄な可燃混合気を生成して燃焼するため、燃料と空気を混合するための混合室の内部に火炎が保持されるフラッシュバックの発生が挙げられる。したがって、予混合燃焼を採用する燃焼器では、これらの課題に対する高い信頼性が求められてくる。

上述したようにフラッシュバックは、燃料と空気を混合するための混合室の内部に火炎が形成される事象で、その発生によっては混合室を焼損する可能性があり、予混合燃焼を採用する燃焼器では、絶対に防止しなければならない重要な課題である。フラッシュバックの発生する要因は、混合室下流に形成される予混合火炎の逆流，燃料の自己発火，燃料や空気中に混入した異物の発火などが挙げられる。これらの事象により、混合室内部の低流速域や逆流領域で可燃混合気が継続的に燃焼する。

近年ではさらなるＮＯｘ排出量低減を実現するため、燃料と空気の混合を促進できる、多種多様な予混合器構造が提案されている。しかし、予混合器構造が複雑化するのに伴い、その流れも複雑化し、予混合器内に低流速域や逆流域が形成され易くなり、フラッシュバックの発生ポテンシャルが高くなるという課題がある。

複雑化した予混合気構造の例として、特開２００６−１０５４８８号公報の図２に記載された燃焼器がある。この燃焼器は、燃焼器の軸心線上に液体燃料ノズルを配置し、ここから円錐状に拡開する混合室の周囲に複数列かつ複数個の空気孔を有している。この燃焼器では、段落００１８〜００２０等で説明されているように、最上流側の空気孔は軸心線に対して略垂直に空気が流入するように設けられる一方、それ以外の空気孔は混合室内面に対して垂直になるように設けられている。こうすることで、最上流側の空気孔からの流体は燃料ノズルの噴出位置近傍に流入させつつ、それ以外の空気孔の出口径を小さくして混合室のコンパクト化を達成している。しかしながら、この燃焼器のように流体を燃料ノズルの噴出位置近傍に流入させる燃焼器では、予混合器として作用する混合器内部へのフラッシュバックの発生が懸念される。

以下、本発明を用いたガスタービン燃焼器の実施形態について図面を参照し説明する。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について、図１乃至図４を参照しつつ以下に説明する。図１は、本発明のガスタービン燃焼器の第１の実施形態の構成を縦断面図で示すと共に、これを備える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１に示すガスタービンプラントは、主として、空気を圧縮して高圧の燃焼用空気を生成する圧縮機１と、この圧縮機１から導入される燃焼空気１００と燃料とを混合して燃焼ガス１０７を生成する燃焼器３と、この燃焼器３で生成された燃焼ガス１０７で駆動されるタービン２とから構成されている。なお、圧縮機１とタービン２，発電機４の軸は連結されている。

上記燃焼器３は、燃焼空気１００と燃料を燃焼して燃焼ガス１０７を生成する内筒７と、この内筒７からの燃焼ガス１５をタービン２に導くための図示していないトランジションピースと、内筒７，トランジションピースを収納した外筒５と、エンドカバー６によって構成されている。

内筒７の上流の軸中心位置には拡散燃焼バーナ８が設けられ、その周囲には低ＮＯｘ化に有効な予混合燃焼バーナ９を複数配置している。拡散燃焼バーナ８と予混合燃焼バーナ９の外周には、各バーナを堅持するためのバーナ本体１３を配置している。また、各バーナの軸中心上流位置には液体燃料１０３，１０４を噴射するための液体燃料ノズル１０，１１を配置している。なお各実施形態において、軸心線とは各バーナの中心線を意味し、軸心線上の方向で、液体燃料ノズル１０，１１側を上流、内筒７側を下流とよぶこととする。

図２は本発明の第１の実施形態を備えた予混合燃焼バーナ９の縦断面図を示したものである。予混合燃焼バーナ９は、内部に混合室を形成する混合室形成部材１１０を有している。この混合室の一部として、燃料と空気の混合を促進するために、液体燃料ノズル１１から中空円錐形状に拡開した第１の混合室２００を備えている。また上記混合室の一部として、第１の混合室２００の下流に位置し燃料と空気の混合を促進するとともに、液体燃料ノズル１１から噴射された液体燃料１０４の蒸発を促進するための円筒形状の第２の混合室２０１を有している。第１，２の混合室２００，２０１の壁面には、その内部に燃焼空気１００を導入するための空気導入孔２０２，２０３，２０４を軸方向に３列形成している。各列には空気導入孔を周方向に複数個形成している。

空気導入孔２０２，２０３，２０４の内部、すなわち混合室形成部材１１０の空気導入孔２０２，２０３，２０４を形成する壁面には気体燃料噴出孔２０６が設けられている。また、予混合燃焼バーナ９の上流位置には、気体燃料噴出孔２０６に燃料を供給する気体燃料マニホールド２０５が形成されている。気体燃料マニホールド２０５と空気導入孔２０２，２０３，２０４は気体燃料噴出孔２０６でそれぞれ連絡されており、空気導入孔２０２，２０３，２０４の内部に気体燃料１０２を噴射する。

本実施形態の予混合燃焼バーナ９のように、気体燃料噴出孔２０６から気体燃料を噴出させ、液体燃料ノズル１１から液体燃料を噴出させるようにすることで、気体燃料でも液体燃料でもどちらの燃料にも対応可能なデュアル燃焼器とすることができる。

予混合燃焼バーナ９に形成した空気導入孔２０２，２０３，２０４は周方向に偏向して配置している。周方向に偏向して配置とは、図２のＡ−Ａ矢視図に示すように空気導入孔の中心軸線が軸心線と交わらないように配置されていることを意味する。このように配置することで、第１，２の混合室２００，２０１内部で旋回流れを形成させることができる。

ここで、図２に示すように、第１の混合室２００の円錐面と軸心線との成す角をα、最上流列に設けられた空気導入孔２０２の傾斜角をβとする。なお、円錐面とは第１の混合室２００における空気導入孔が設けられた面、空気導入孔２０２の傾斜角とは空気導入孔２０２の中心軸線と軸心線に垂直な線３００との成す角βとする。

上記のように構成した第１の実施形態の燃焼器の予混合燃焼バーナ９では、軸方向に３列形成した空気導入孔２０２，２０３，２０４のうち、最上流列に形成した空気導入孔２０２を予混合燃焼バーナ９の軸心に対する垂直線３００からβ度傾け、それ以外の空気導入孔２０３，２０４は予混合燃焼バーナ９の軸心に対して垂直に形成している。別の表現をすると、最上流列に設けられた空気導入孔２０２は、入口部より出口部の方が下流に位置し、最上流列以外の列に設けられた空気導入孔２０３，２０４は、入口と出口の軸心線方向位置が同じである。通常は保炎性も考慮して空気導入孔２０２の出口は液体燃料ノズル１１の噴出孔近傍に設けられる。そうすると結果的に、空気導入孔２０２の入口は液体燃料ノズル１１の出口よりも上流に位置することとなる。

上記のように構成した第１の実施形態の燃焼器の特徴を、比較例を用いて説明する。図４は比較例の予混合燃焼バーナ９を示す縦断面図で、空気の流れを模式的に示している。比較例の予混合燃焼バーナ９は、全ての空気導入孔２０２，２０３，２０４を予混合燃焼バーナ９の軸心線に対して垂直方向に形成している。このような比較例の場合、第１の混合室２００の上流部（Ｂ部）は淀み域となり、さらには、空気導入孔２０２から流入する燃焼空気によって形成される旋回流れの効果で、低速の循環流２０７が形成される。

燃料と空気が混合し、可燃混合気が生成される第１の混合室２００の内部に循環流２０７が形成されると、問題が起こる場合がある。例えば、本来、第２の混合室２０１の下流に形成される予混合火炎１０６が、第１，２の混合室２００，２０１内部に逆流した場合、循環流２０７領域で火炎が保持され、予混合燃焼バーナ９を焼損する可能性がある。また、気体燃料１０２，液体燃料１０４や燃焼空気１００に低発火温度の異物が混入した場合、燃焼空気１００の温度は３００℃以上の高温となるため、燃焼空気１００の熱を受けて異物が自己発火し、発火した異物が火種となって循環流領域２０７に火炎が形成される恐れがある。

これに対し、図２に示す本発明の第１の実施形態では、空気導入孔２０２をβ度傾斜させることで、空気導入孔２０２から混合室２００に流入する燃焼空気に十分に軸流成分が加わるようにしている。このようにすると循環流２０７を抑制でき、第１の混合室２００内部で火炎が保持されることがなく、信頼性の高い燃焼器を提供できる。

ここで、最上流列の空気導入孔２０２のみ傾斜させた理由について説明する。燃料と空気の混合や液体燃料の蒸発の程度には、混合室２００，２０１内部での滞留時間が大きく影響する。この観点では、燃料と空気の混合や液体燃料の蒸発性能向上には空気導入孔２０２，２０３，２０４を予混合燃焼バーナの軸心線に対し垂直方向に形成することが望ましい。しかし、この場合、前述したように混合室２００内部に循環流が形成され、その内部に火炎が保持され予混合燃焼バーナ９を損傷する可能性がある。そこで、軸方向３列配置した空気導入孔のうち最も上流側の空気導入孔２０２のみ軸方向に傾斜させることで、燃焼性能の維持と火炎保持防止を両立させている。

ただし、火炎保持を防止の効果を大きくするために最上流列空気導入孔を過度に大きく傾斜させると、燃焼空気１００の軸流成分の増加によって混合室２００，２０１内部での滞留時間が減少する。そのため、燃料と空気の混合性能や液体燃料の蒸発性能が低下し、ＮＯｘ排出量の増加など燃焼性能が著しく低下する可能性がある。このように、空気導入孔を傾斜させる角度には適正な範囲がある。以下、その詳細について説明する。

図３は最上流列の空気導入孔２０２の傾斜角度βに対する、各種特性を示したもので、上から液体燃料の蒸発率，気体燃料と燃焼空気の混合度，混合室２００上流（Ｂ部）でのスワール数を示している。何れもβが大きくなるのに伴い、低下する特性を持っている。ここで、液体燃料の蒸発率，気体燃料と燃焼空気の混合度は、その特性が低下するとＮＯｘ排出量の増加など燃焼性能が低下する。これに対し、スワール数が高い場合、軸方向流速が低下し、循環流２０７が形成するため火炎が混合室２００内部に保持されやすくなる。

したがって、液体燃料の蒸発率，気体燃料と燃焼空気の混合度は夫々Ｃ点，Ｄ点以上にすることが望ましく、逆に、スワール数はＥ点以下にすることが望ましい。これらを両立する傾斜角度βはＦ点からＧ点の間となる。

ここで、Ｆ点とＧ点を具体的に表すと、予混合燃焼バーナ９の軸心線に対する混合室２００の円錐面の角度αを３０度以上４０度以下とすると、Ｆ点のβは０.７α、Ｇ点のβは１.３αとなる。すなわちこの範囲に包含されるよう、βはαの０.７以上１.３倍以下の範囲に形成することが望ましい。

以上説明した本実施形態の燃焼器では、内部に混合室を形成する混合室形成部材１１０を有し、この混合室は下流側に向かって拡開した第１の混合室２００を備え、混合室形成部材１１０は、軸心線方向に複数列、周方向に複数個設けられた空気導入孔２０２，２０３，２０４を備え、この空気導入孔２０２，２０３，２０４を形成する壁面に設けられた燃料噴出孔２０６とを備えた燃焼器において、空気導入孔２０２，２０３，２０４は周方向に偏向して設けられ、最上流列に設けられた空気導入孔２０２が、最上流列以外の列に設けられた空気導入孔２０３，２０４よりも下流側に傾いている。下流側に傾いているとは、入口よりも出口が軸心線方向下流側に位置することを意味し、最上流列の空気導入孔２０２からの燃料と空気の混合流体に、軸心線方向の成分を付与することができる。

このような燃焼器を用いれば、燃料噴出孔２０６から気体燃料を噴出させ、混合室内で旋回流を発生させるとともに、最上流列の空気導入孔２０２からの空気と液体燃料が最も強い軸心線方向成分を持つように空気を供給するよう燃焼器を運転できる。その結果、循環流２０７の発生，成長を抑制し、混合器として作用する第１の混合室２００や第２の混合室２０１内部へのフラッシュバックを抑制することができ、燃焼器の信頼性を高められる。

１ 圧縮機
２ タービン
３ 燃焼器
４ 発電機
７ 内筒
９ 予混合燃焼バーナ
１０，１１ 液体燃料ノズル
１００ 燃焼空気
１０１，１０２ 気体燃料
１０３，１０４ 液体燃料
１１０ 混合室形成部材
２００ 第１の混合室
２０１ 第２の混合室
２０２，２０３，２０４ 空気導入孔
２０６ 燃料噴出孔

Claims (8)

1. 予め燃料と空気を混合室で混合してから燃焼室に供給する予混合燃焼バーナを備え、
   前記予混合燃焼バーナが内部に前記混合室を形成する混合室形成部材を有し、
   前記混合室は下流側に向かって拡開した第１の混合室を備え、
   前記混合室形成部材が、前記予混合燃焼バーナの軸心線方向に複数列、前記軸心線の周方向に複数個設けられた空気導入孔と、前記空気導入孔を形成する壁面に設けられた燃料噴出孔とを有する前記予混合燃焼バーナとを備えた燃焼器において、
   前記予混合燃焼バーナの前記空気導入孔は前記軸心線の周方向に偏向して設けられ、
   前記予混合燃焼バーナの最上流列に設けられた前記空気導入孔が、最上流列以外の列に設けられた前記空気導入孔よりも下流側に傾いていることを特徴とする燃焼器。
2. 請求項１の燃焼器において、
   前記予混合燃焼バーナは軸心線上に燃料ノズルを有し、
   前記第１の混合室は、前記燃料ノズルの噴出孔から拡開する円錐形状であり、
   前記第１の混合室の下流に円筒状の第２の混合室を有することを特徴とする燃焼器。
3. 請求項１または２の燃焼器において、
   前記最上流列に設けられた空気導入孔は、入口部より出口部の方が下流に位置し、
   前記最上流列以外の列に設けられた空気導入孔は、入口と出口の軸心線方向位置が同じであることを特徴とする燃焼器。
4. 請求項３の燃焼器において、
   前記第１の混合室の円錐面の軸心線との成す角をα、前記最上流列に設けられた空気導入孔の傾斜角をβとしたとき、βがαの０.７以上１.３倍以下であることを特徴とする燃焼器。
5. 請求項１から４の何れかの燃焼器において、前記第１の混合室の円錐面の軸心線との成す角をαが３０度以上４０度以下であることを特徴とする燃焼器。
6. 請求項２の燃焼器において、
   前記燃料噴出孔は気体燃料を噴出する噴出孔であり、前記燃料ノズルは液体燃料を噴出するノズルであることを特徴とする燃焼器。
7. 高圧の燃焼用空気を生成する圧縮機と、前記圧縮機で生成された燃焼用空気と燃料とを混合して燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼器で生成された燃焼ガスで駆動されるタービンを有し、
   前記燃焼器は、予め燃料と空気を混合室で混合して燃焼室に供給する予混合燃焼バーナを備え、
   前記予混合燃焼バーナが、
   軸心線上に配置された液体燃料ノズルと、
   前記液体燃料ノズルの下流側に円錐形状に拡開する第１の混合室と、
   前記第１の混合室の下流に位置する円筒形状の第２の混合室と、
   前記第１の混合室または前記第２の混合室の外周側に軸心線方向複数列かつ周方向に複数個設けられた空気導入孔と、
   前記空気導入孔を形成する壁面に設けられた燃料噴出孔と、
   前記燃料噴出孔に燃料を供給するマニホールドを備えたガスタービンシステムにおいて、
   前記空気導入孔は、中心軸線が前記軸心線と交わらないように配置され、
   最上流列に設けられた前記空気噴出孔の入口が前記燃料ノズル出口よりも上流に位置し、最上流列以外に設けられた前記空気噴出孔は、前記軸心線と垂直に設けられていること
   を特徴とするガスタービンシステム。
8. 予め燃料と空気を混合室で混合して燃焼室に供給する予混合燃焼バーナを備え、
   前記予混合燃焼バーナが、内部に混合室を形成する混合室形成部材を有し、
   前記混合室は下流側に向かって拡開した第１の混合室を備え、
   前記混合室形成部材が、軸心線方向に複数列、周方向に複数個設けられた空気導入孔と、前記空気導入孔を形成する壁面に設けられた燃料噴出孔を有する前記予混合燃焼バーナを備えた燃焼器の運転方法において、
   前記燃料噴出孔から気体燃料を噴出させ、
   前記混合室内で旋回流を発生させるとともに、最上流列の前記空気導入孔からの空気と液体燃料が最も強い軸心線方向成分を持つように空気を供給することを特徴とする燃焼器の運転方法。