JP5514174B2 - ガスタービン燃焼器 - Google Patents

Description

本発明は、ＮＯｘ排出量を抑制するガスタービン燃焼器に関する。

近年、ガスタービンプラントに対する高出力化・高効率化が要求される中、燃料ガス温度は高温化する傾向にある。燃料ガスが高温化すると排ガス中の窒素酸化物（以下、ＮＯｘと記載）の濃度が高くなる。そのため、ガスタービン燃焼器においても、地球環境保護の観点からＮＯｘ排出量の低減は重要な技術課題の１つとなっている。

ガスタービン燃焼器におけるＮＯｘ低減方法として予混合燃焼方式がある。予混合燃焼とは、ガスタービン燃焼器に設けた予混合器内で予め燃料と空気を混合してガスタービン燃焼器の燃焼室に供給し、燃焼させる燃焼方式である。ガスタービン燃焼器を予混合燃焼させる構成にすることにより、ガスタービン燃焼器の燃焼室内に局部的な高温領域の発生を抑えることで、発生する燃料ガス中のサーマルＮＯｘ濃度の低減が可能となる。

なお、ガスタービン燃焼器におけるＮＯｘ低減方法の従来方法として、低負荷運転領域においては負荷の上昇に伴い燃焼空気量を増加させるようにし、高負荷運転領域においては負荷の上昇に伴い燃焼空気量を減少させるように動作する燃焼空気調節弁を設けたものがある。（例えば、特許文献１参照）。

特開平６−２８１１４５号公報

環境規制は厳しくなる傾向にあり、さらにＮＯｘ発生量を低減したガスタ−ビン燃焼器が必要である。その場合、燃焼空気調節弁などの構造を設けると、構造が複雑になりコストの増加や、機構調節の複雑化などが考えられる。

そこで、本発明は上記問題を鑑みてなされたものであり、構造を複雑化することなくＮＯｘ排出量を低下したガスタービンを提供することである。

ガスタービン燃焼器のバーナ内部において、燃焼器の運転状態によりバーナ内部の各部品の温度が異なる場合があり、各部品で熱伸び差が生じる。本発明の原理は、この熱伸び差を利用して、燃焼器バーナ内部に導入する燃焼空気量を調節して燃料と適切な混合状態にするものである。

そこで、本発明では圧縮機から導入される燃焼空気に燃料を混合して燃焼し、生成した燃焼ガスをタービンに供給するガスタービン燃焼器において、燃料を燃焼室に噴出する燃料ノズルと、該燃料ノズルの中心軸上に配置される中心棒と、前記圧縮機から導入される燃焼空気を前記燃料ノズル内に供給する空気孔とを備えた燃焼器バーナであって、前記空気孔は燃焼空気の噴出方向が前記中心棒の軸心側に向かうように形成され、前記燃料ノズルは、その内側であって前記中心棒より外側に前記燃焼空気より低温の燃料を流通させる流路と、前記燃料ノズルの内壁と前記中心棒の下流側端面によって形成され前記空気孔及び燃焼室に連通する空間とを有すると共に、前記中心部の下流端が前記空間と連通する前記空気孔の少なくとも一部を覆うように配置され、前記燃料ノズルと前記中心棒の熱伸び差により、前記空間と連通する空気孔の開口面積を変化させるように構成したことを特徴とする。

本発明により、構造を複雑化することなく、低ＮＯｘ化したガスタービン燃焼器を提供することが可能となる。

実施例１のガスタービン燃焼器を備えたガスタービンプラントの全体構成図。 実施例１のガスタービン起動時における燃焼器バーナの側断面図。 実施例１のガスタービン定格運転時における燃焼器バーナの側断面図。 実施例２の燃焼器バーナの側断面図。 実施例３の燃焼器バーナの側断面図。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明の第１の実施例であるガスタービン燃焼器を備えたガスタービンプラントの全体構成図である。図１に示す様に、ガスタービンプラントは空気を圧縮して高圧の燃焼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と燃料を混合して、燃焼ガスを生成する燃焼器３と、燃焼器３で生成された燃焼ガスを供給するタービン２とを備える。なお、圧縮機１とタービン１は回転軸で連結されている。

燃焼器３は、燃料ノズル２６より燃料を噴出し、空気孔２７より燃焼空気を噴出した後、混合燃焼した燃焼ガスを生成する燃焼室６と、燃焼室６を内部に形成するライナ７と、ライナ７からの燃焼ガス１０１をタービン２に導くトラジションピース８と、燃焼ノズル２６、ライナ７、トラジションピース８を内部に格納し密閉する外筒９と、燃焼器３の上流側の端部に設けられるカバー１０と、外筒９に支持され燃焼室６内で燃焼空気２２と燃料の混合ガス１００を点火させる点火栓１１と、燃料ノズル２６に燃料を供給する燃料系統１２を備える。なお、本実施例では、燃焼室６より燃料ノズル２６方向を上流側、ライナ７方向を下流側とする。

図２、図３は、図１に示す燃焼器バーナの詳細断面図である。本実施例では、燃料ノズル２６の空気孔２７に燃料に導入され、空気孔２７内部において、燃焼空気と燃料が混合されている。燃料２１はバーナ上流部においてラビリンスシール２５により、中心棒２４の外周部に燃料が供給されている。

図２に示す状態はガスタービン起動時であり、中心棒２４と燃焼室６の間に空間２３が形成され、中心棒２４は、空気孔２７の上流開口部の一部を覆うように配置されている。

次に、ガスタービンの定格運転時には、燃料２１は一般に２０〜６０℃であり、圧縮された燃焼空気２２は一般に３８０〜４２０℃である。中心棒２４の外周部では上流に設置させたラビリンスシール２５によって調節された燃料ガスが流れている。そのため、中心棒２４は燃料ガス２１により低温状態に保たれている。一方、バーナ壁面２８においては、バーナ外部を流れる燃焼空気２２のために高温状態となる。バーナ壁面２８と中心棒２４の間に温度差のため、熱膨張によって熱伸び差が生じる。低温状態の中心棒２４と高温状態のバーナ壁面２８の間では、バーナ壁面２８は下流方向に熱伸びする。そのため、図２の状態から図３の状態に変化する。

図２から図３の状態に変化することにより、空気孔２７の開口面積が増加し、空間２３に導入される燃焼空気量が増す。そのため、ガスタービンの定格運転状態に、空気に対する燃料の混合比を希薄にすることができ、低ＮＯｘ化を図ることができる。

本実施例によれば、燃焼温度が低いガスタービンの起動時においては、燃焼に使用される空気量を少なく、定格運転時には燃焼空気量を増加させ、燃焼空気と燃料の適切な混合を行うことによって低ＮＯｘ化を図ることができる。すなわち、燃焼器の運転状態によりバーナ内部の各部品の温度が異なり、これに基づく熱伸び差を利用して、燃焼器バーナ内部に導入する燃焼空気量を調節して、燃料と適切な混合状態にすることが可能となる。この結果、構造を複雑化することなくＮＯｘ排出量を抑制することができる。

図４に、本発明の第２の実施例である燃焼器バーナの側断面図を示す。実施例１では、燃料２１はバーナ上流部においてラビリンスシール２５により、中心棒２４の外周部に燃料が供給されているのに対して、本実施例では、中心棒２４の内周部に低温空気２９が導入されている。

実施例１と同様に、導入された低温空気２９は、一般に１５℃前後であり、中心棒２４は定格運転状態の燃焼空気２２と比較して低温状態に保たれている。一方、バーナ壁面２８においては、バーナ外部を流れる燃焼空気２２のために高温状態となる。そのため、低温状態の中心棒２４と高温状態のバーナ壁面２８の間では、バーナ壁面２８は下流方向に熱伸びすることによって、空気孔２７の面積が変化する。なお、低温空気２９は中心棒の外周側、或いは中心棒の内部との両方に供給するように構成しても良い。

本実施例によれば、より低温の低温空気２９を中心棒２４の内部に供給しているため、中心棒２４をより低温状態に維持することが可能となる。この結果、中心棒２４内に供給される低温空気２９と、バーナ外部を流れる燃焼空気２２の温度差に基づく熱伸び差を利用して、燃焼器バーナ内部に導入する燃焼空気量を調節することができ、燃料と適切な混合状態にすることができるようになる。

図５は、本発明の第３の実施例を示す燃焼器バーナの側断面図である。本実施例では、図１の燃焼器バーナを複数配置している。

中心に配置したバーナと周囲に配置したバーナとでは、中心棒２４が空気孔２７の上流開口部の一部と重なる面積が異なるように配置されている。図示の例では、中心に配置したバーナに対して、その周囲に配置したバーナの空気孔２７の方が開口面積を大きく（中心棒によって覆われる空気孔の面積を小さく）するように構成している。なお、燃料系統は中心のバーナと周囲のバーナは、燃料系統が異なっており、各々燃料４１，４２が独立して供給される。

この構造により、燃料と燃焼ガスの混合割合が異なるバーナが燃焼器内に複数配置された構造であっても、バーナにより中心棒２４の長さを変化させることにより、それぞれのバーナにおいて適切な燃焼空気と燃料の混合を行えることで、燃焼器としてより低ＮＯｘ化を図ることができる。

１ 圧縮機
２ タービン
３ 燃焼器
６ 燃焼室
７ ライナ
８ トランジションピース
９ 外筒
１０ カバー
１１ 点火栓
１２ 燃料系統
２１，４１，４２ 燃料
２２ 燃焼空気
２３ 空間
２４ 中心棒
２５ ラビリンスシール
２６ 燃料ノズル
２７ 空気孔
２８ バーナ壁面
２９ 低温空気
１００ 混合ガス
１０１ 燃焼ガス

Claims (7)

1. 圧縮機から導入される燃焼空気に燃料を混合して燃焼し、生成した燃焼ガスをタービンに供給するガスタービン燃焼器において、
   燃料を燃焼室に噴出する燃料ノズルと、該燃料ノズルの中心軸上に配置される中心棒と、前記圧縮機から導入される燃焼空気を前記燃料ノズル内に供給する空気孔とを備えた燃焼器バーナであって、
   前記空気孔は燃焼空気の噴出方向が前記中心棒の軸心側に向かうように形成され、
   前記燃料ノズルは、その内側であって前記中心棒より外側に前記燃焼空気より低温の燃料を流通させる流路と、前記燃料ノズルの内壁と前記中心棒の下流側端面によって形成され前記空気孔及び燃焼室に連通する空間とを有すると共に、前記中心部の下流端が前記空間と連通する前記空気孔の少なくとも一部を覆うように配置され、
   前記燃料ノズルと前記中心棒の熱伸び差により、前記空間と連通する空気孔の開口面積を変化させるように構成したことを特徴とするガスタービン燃焼器。
2. 請求項１に記載のガスタービン燃焼器であって、
   前記中心棒の外周側と前記燃料ノズルの内周側の間隙によって形成された流路に燃料を流通させることを特徴とするガスタービン燃焼器。
3. 請求項１に記載のガスタービン燃焼器であって、
   前記中心棒の内部、あるいはその外周側に、前記燃焼空気より低温の空気を供給することを特徴とするガスタービン燃焼器。
4. 請求項２に記載のガスタービン燃焼器であって、
   前記燃料ノズルに供給された燃料を、前記燃料ノズルの内部と前記流路に分岐して燃料を供給することを特徴とするガスタービン燃焼器。
5. 請求項４に記載のガスタービン燃焼器であって、
   前記流路の上流側にラビリンスシールを設けたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
6. 請求項１から５のいずれかに記載のガスタービン燃焼器であって、
   前記燃焼器バーナを燃焼器の中心とその外周側に複数配置したことを特徴とするガスタービン燃焼器。
7. 請求項６に記載のガスタービン燃焼器であって、
   前記中心側と外周側の燃焼器バーナにおける、前記中心棒によって覆われる空気孔の面積を異ならしめることを特徴とするガスタービン燃焼器。