JP5546432B2 - ガスタービン燃焼器及び燃料供給方法 - Google Patents

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Description

本発明はガスタービン燃焼器及びその燃料供給方法に関する。
ガスタービン用の燃焼器には、空気流量や燃料流量等の運転条件が大幅に変化した場合においても、起動から定格負荷まで安定な燃焼をすることが重要な要件の一つとして求められている。また、ガスタービン燃焼器から排出される窒素酸化物(以下、NOxと記載)の排出量を低減する燃焼方法も強く求められている。
NOx排出量の少ない燃焼方式として、燃料と空気を燃焼反応前に予め混合させてから燃焼させる予混合燃焼方式がある。一般に、NOx生成量は燃焼火炎温度の高温化に伴って指数関数的に増加する。しかし、予混合燃焼方式によれば、燃焼火炎温度の局部的な上昇を防ぐことができ、燃料に対する空気の割合を大きくして予混合気を希薄化することで燃焼火炎温度を低下させることもできるため、NOx排出量を低減することができる。
近年、ますます強くなる低NOx化の要求に対応するため、予混合燃焼方式において更に予混合気を希薄化させた希薄予混合燃焼による燃焼器の運用方法が増加している。しかし、希薄予混合燃焼は一般に、空気と燃料が混合しつつ燃焼する拡散燃焼に比べて火炎が吹き消えやすく、燃焼振動も発生しやすい。そのため、安定燃焼が可能な運用範囲が限られる。
そのため、燃焼の安定化を確保しつつ低NOx化を図るために、燃焼安定性の高い拡散燃焼方式と希薄予混合燃焼方式とを組み合わせることが行われている。
特許文献1には、NOx排出量を低減するため、拡散燃焼バーナに供給する燃料流量が低減した場合においても、拡散燃焼バーナに形成される火炎のゆらぎを抑制する方法が記載されている。
特開平11−101435号公報
特許文献1には、ガスタービンの運用を考慮した制御方法や、さらに安定な燃焼状態を実現するための方法は十分に開示されていない。そのため、安定した燃焼を確保しつつ、ますます強くなる低NOx化の要求に応えるには限界があった。
そこで、本願発明の目的は、拡散燃焼バーナと予混合燃焼バーナを備えたガスタービン燃焼器において、低NOx燃焼と安定した燃焼とを両立可能なガスタービン燃焼器を提供することにある。
本発明は、燃料と空気とが供給される燃焼室と、前記燃焼室の上流側に位置し、前記燃焼室に燃料を噴出すると共に空気を旋回させて噴出する第1のバーナと、前記第1のバーナの周囲に複数配置され、空気と燃料との予混合気を前記燃焼室に供給する第2のバーナと、前記第1のバーナと前記第2のバーナとの間に配置され、前記燃焼室の下流側に向かって拡開するよう形成された傾斜面を有する環状隔壁と、前記燃焼室に空気を噴出する複数の空気噴出孔を前記環状隔壁の傾斜面に備え、前記第1のバーナの周囲に配置される前記第2のバーナの個数をKとしたとき、前記空気噴出孔をK×n+1(n=1,2,3…)個設けたことを特徴とする。
本発明によれば、拡散燃焼バーナと予混合燃焼バーナを備えたガスタービン燃焼器において、低NOx燃焼と安定した燃焼とを両立可能なガスタービン燃焼器を提供することができる。
実施例1における燃焼器の縦断面図である。 実施例1におけるガスタービンの全体構成を表す図である。 実施例1の燃焼器を説明する図1の下流から見たI−I矢視図である。 実施例1のガスタービン負荷と燃料供給方法の説明図。
希薄予混合燃焼を安定に行うために、拡散燃焼バーナを包囲するように環状の予混合燃焼バーナを配置したり、拡散燃焼バーナの周囲に複数個の予混合燃焼バーナを配置したりすることで、安定な拡散火炎により予混合火炎を保持する手段がある。
しかし、拡散燃焼バーナと予混合燃焼バーナを隣接して配置したガスタービン燃焼器では、それぞれのバーナによって形成される火炎が互いに干渉しあうこととなる。例えば、拡散燃焼バーナによって形成される火炎にゆらぎが生じると、その影響により予混合燃焼バーナによって形成された火炎が不安定となり、燃焼振動の振幅レベルが増加することがある。
しかしながら、以下の実施例に記載された燃焼器によれば、拡散燃焼バーナと予混合燃焼バーナを備えたガスタービン燃焼器の、部分負荷から定格負荷に至る運転状態において、希薄予混合燃焼比率を大きくしてNOx排出量を減らすために、空気流量及び燃料流量を広範囲で変化させても燃焼振動が発生せず、安定に燃焼できるガスタービン燃焼器を提供することができる。
以下、本発明を用いた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。
(実施例1)
本発明の実施例1について、図1乃至図4を参照しつつ以下に説明する。図2は、本発明のガスタービン燃焼器の実施例1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は本実施例によるガスタービン燃焼器の断面図、図3は図1を下流側から見たI−I矢視図である。
図2に示すガスタービンプラントは、主としてタービン2と、タービン2に連結され、燃焼用の圧縮空気を得る圧縮機1と、複数の燃焼器3などにより構成されている。圧縮機1で圧縮された圧縮空気5は、圧縮空気流路6を通って燃焼器3に導かれ、燃焼器内筒7の内部に形成されている燃焼室8で燃料とともに燃焼する。燃焼によって生成された燃焼ガス9は、トランジションピース10を経てタービン2に噴射され、ロータを回転させる。そしてタービン2に連結されている発電機4によって発電するように構成されている。
燃焼器3の軸中心部には拡散燃焼を行うための拡散バーナ20が配置され、その外周側には予混合燃焼を行うための予混合バーナ30が複数配置されている。また、拡散バーナ20の外周側で、予混合バーナ30の内周側に傾斜面を備える隔壁26が配置されている。
拡散バーナ20は燃焼室8の上流側に位置しており、その軸中心には燃焼室に燃料を噴出する燃料ノズル22が設置され、燃料ノズル22には拡散バーナ燃料供給系統21が接続されている。燃料ノズル22の外周側には旋回羽根を備えた旋回器23が配置され、燃焼用空気5aに旋回成分を付与した上で燃焼室8に噴出している。噴出された燃焼用空気5aは、燃焼室8で燃料噴孔25から噴出した燃料24と混合し、点火栓11によって着火され燃焼する。
図3に図1のI−I矢視図を示す。本実施例では、拡散バーナ20の外周側に設置される予混合バーナ30は予混合バーナ30a,30b,30c,30dの4個である。各予混合バーナはそれぞれ、予混合器33と、予混合器33の上流側に設置された燃料ノズル32と、予混合器33の下流側に配置された保炎器34を備えている。また、燃料ノズル32には予混合燃料供給系統31が接続されている。
より具体的には、4枚の予混合バーナ仕切板35a,35b,35c,35dによって予混合器33が予混合器33a,33b,33c,33dの4個の予混合器に分割されている。予混合バーナに燃料を供給する予混合燃料供給系統31もこれに対応し、31a,31b,31c,31dの4系統に分けられ、4個の予混合器に対してそれぞれ個別に燃料を供給することを可能にし、各予混合バーナが個別に火炎を形成できるよう構成されている。
図1に本実施例のガスタービン燃焼器の断面図を示す。拡散バーナ20と予混合バーナ30の間には、燃焼室8の下流側に向かって拡開するように形成された傾斜面を備える環状の隔壁26が配置され、隔壁26の傾斜面には周方向に複数の空気噴出孔27が形成されている。
本実施例のガスタービン燃焼器では、拡散バーナ20の燃料流量を低減すると予混合バーナ30の燃料流量の比率が増加するため、NOx排出量が低減する。この時、本実施例の燃焼器では、隔壁26上に配置した空気噴出孔27から噴出する空気流に沿って火炎が形成されるため、拡散バーナ20の燃焼火炎の変動が抑制される。
また、拡散バーナ20から噴出する空気流と予混合バーナ30から噴出する空気流の境界に、空気噴出孔27からの噴出する空気流が存在する。そのため、拡散バーナ20から噴出する空気流と予混合バーナ30から噴出する空気流との境界のせん断層に不安定な火炎が形成され、予混合火炎のゆらぎを増幅させる現象の発生を防止できる。更には、両バーナの燃焼火炎を独立させ、安定に存在させることも可能となる。
一方、拡散バーナ20用燃料ノズル22の燃料噴孔25は8個形成され、旋回器23の旋回羽根は12枚で構成されている。すなわち、燃料噴孔25の個数は予混合バーナの2倍、旋回器23の旋回羽根の枚数は3倍となっている。
本実施例のように、主要構成部品である予混合バーナが複数に分割されているガスタービン燃焼器では、各予混合器での不均一性を避けるため、予混合バーナの燃焼性能に影響を及ぼす構成部品である拡散バーナの旋回羽根や燃料ノズルの燃料噴孔,空気噴出孔は、予混合器数の整数倍に分割されて形成されることが一般的である。例えば、特許文献1に記載の燃焼器では、予混合バーナが4個形成されているのに対し、空気噴出孔は8個形成されている。
しかし、本実施例の燃焼器では、隔壁26に形成する空気噴出孔27の数を、予混合バーナの個数(4個)を2倍し、さらに1個追加した9個としている。
本実施例のようなガスタービン燃焼器では、NOx排出量を低減させるため、特に定格負荷条件では拡散バーナ20で燃焼させる燃料比率を低下させ、予混合バーナ30で燃焼する燃料比率を増加させる。しかし、拡散バーナ20で燃焼させる燃料比率が小さくなると燃焼振動が発生する可能性がある。
ガスタービン燃焼器の燃焼振動は、ガスタービン燃焼器の構造及び運転条件(燃焼温度,流速,圧力)から定まる燃焼器の気柱共鳴の固有振動数と、燃焼バーナや保炎器などの不安定燃焼によって発生する熱エネルギーの変動周期とが一致することにより、急激に増大すると考えられている。また、燃焼室に形成される火炎、特に予混合バーナによる予混合火炎が、燃焼室の周方向や軸方向に均一に形成されている場合、不安定燃焼によって発生する熱エネルギーの変動周期も均一化する傾向がある。この変動周期と燃焼器の気柱共鳴の固有振動数が一致することによって、燃焼振動が増加する場合が考えられる。
しかしながら、分割された4個の予混合バーナ30a,30b,30c,30dに対して空気噴出孔27を9個形成した本実施例の燃焼器によれば、予混合火炎の周方向の周期性を変化させることで、燃焼器の気柱共鳴の固有振動数と熱エネルギーの変動周期とが一致する状態を抑制でき、燃焼振動の発生を抑制することが可能となる。
なお、予混合バーナ30の個数Kに対し、空気噴出孔27の個数をK×n+1(n=1,2,3,…)個(本実施例ではn=2)とすることによって、予混合バーナ30の下流に形成される予混合火炎の周方向の周期性を変化させることができる。これにより、燃焼振動に対して減衰効果が作用し、燃焼振動の増加を抑制することができる。その結果、予混合バーナ30を用いてNOx排出量を低減すると共に、燃焼振動の発生を抑制した安定燃焼が可能となり、信頼性の高いガスタービン燃焼器を提供することが可能となる。
また、図3に示すように、本実施例の燃焼器では、4個の予混合バーナ30a,30b,30c,30dに対し、空気噴出孔27を9個形成しているため、仕切板35a,35dで仕切られた予混合バーナ30aと拡散バーナ20との間の領域には3個の空気噴出孔27が形成され、その他の予混合バーナ30b,30c,30dの領域には2個の空気噴出孔27が形成されることとなる。
更に、本実施例では、燃焼器の周方向における予混合バーナ30aの中央位置40aと、予混合バーナ30aと拡散バーナ20の間に形成された空気噴出孔27aとの位相が、燃焼器の周方向について同位相となるように空気噴出孔27aを配置している。更に、空気噴出孔27aを基準に、隔壁26の周方向について等間隔となるように9個の空気噴出孔を形成した。このため、予混合バーナ30b,30c,30dの領域に形成される空気噴出孔の数は同じ2個であっても、各バーナ毎に空気噴出孔が形成される位置(例えば、各仕切板からの距離)が各予混合器で異ならせることができる。このように空気噴出孔を配置することで、予混合火炎の周方向の周期性を更に乱す効果があり、燃焼振動の更なる抑制に有効である。
次に、本実施例のガスタービン燃焼器に対する燃料供給方法について説明する。図4は横軸がガスタービン負荷、縦軸が各バーナに供給する燃料流量を示したものである。拡散バーナ20の燃料流量はF−20で示し、予混合バーナ30aに供給する燃料はF−30aで、以下同様に、予混合バーナ30bは燃料F−30b、予混合バーナ30cは燃料F−30c、予混合バーナ30dは燃料F−30dである。a点は定格回転数無負荷、f点は定格負荷を示している。a点からb点の負荷までは拡散バーナ20単独で運転し、b点に到達すると拡散バーナ20の燃料F−20を低下させながら、予混合バーナ30aへ燃料F−30aを供給して予混合燃焼を開始する。負荷の増加に伴い燃料F−20と、燃料F−30aの流量は増加し、負荷がc点に到達すると燃料F−20と燃料F−30aを低下させながら、予混合バーナ30bへ燃料F−30bを供給する。同様に、負荷d点では予混合バーナ30dに燃料F−30dを、負荷e点では予混合バーナ30cに燃料F−30cを供給し、e点以上の負荷では全バーナによる燃焼を開始する。また、定格負荷ではNOx排出量を低減させるため、拡散バーナに供給する燃料F−20を低下させ、予混合バーナ30a,30b,30c,30dに供給する燃料を多くしている。
負荷b点は、拡散バーナ20の単独燃焼から予混合バーナ30aとの混焼に切替えるため、b点における負荷を切替負荷bと呼ぶことにする。同様にc点は切替負荷c、d点は切替負荷d、e点は切替負荷eと呼ぶことにする。切替負荷bに注目すると、切替後の拡散バーナ20と予混合バーナ30aに供給する燃料比率は約1対1で同等である。しかし、切替負荷cでは拡散バーナ20に対する予混合バーナ30a,30bの割合は約1対2、切替負荷dでは拡散バーナ20に対する予混合バーナ30a,30b,30dの割合は約1対3、そして切替負荷eでは拡散バーナ20に対する予混合バーナ30a,30b,30c,30dの割合は約1対4とガスタービン負荷が高くなるほど、予混合器に供給する燃料流量に対し、拡散バーナに供給する燃料流量の割合が低下するように設定されている。これは、ガスタービンの各負荷において、拡散バーナ20,予混合バーナ30a,30b,30c,30dの燃焼特性によって決まるものである。
次に、予混合器に燃料を供給し、保炎器34によって安定燃焼をさせる場合における、隔壁26に設置した空気噴出孔27から噴出する空気流の作用について説明する。前述したように、本実施例では、隔壁26上に配置した空気噴出孔27からの噴出する空気流に沿って火炎を形成させることで、安定燃焼を実現しNOx排出量を低減している。
一方で、切替負荷bにおいて、予混合器33aの下流の燃焼領域に予混合火炎を安定に形成させるには、予混合気の適正な燃料濃度と、拡散バーナ20によって形成させる拡散火炎からの熱エネルギーの授受が必要となる。この時、拡散バーナ20によって生成された拡散火炎と、予混合器33aから噴出する予混合気の間に空気噴出孔27から噴出する空気流が存在すると、拡散バーナ20の燃焼条件によっては、空気噴出孔27から噴出の空気流によって拡散火炎の温度が低下する。拡散火炎の温度が低下した場合、予混合器33aから噴出する予混合気に熱エネルギーを効率良く受け渡すことができなくなり、切替特性が低下することが考えられる。
以上説明した、本実施例のガスタービン燃焼器の運転方法と、上記の切替特性を踏まえ予混合バーナが4個の場合において、空気噴出孔を9個にした時の効果について説明する。
図4に示すように、切替負荷bでは予混合バーナ30aに燃料を供給して予混合火炎を形成するが、この時の拡散バーナ20と予混合バーナ30aに供給する燃料流量の割合は1対1であり、他の切替点より拡散バーナ20の燃料割合が多い。これは、拡散火炎の熱エネルギーが大きいことを意味しており、予混合気への着火には有利になると考える。そのため、予混合バーナ30aでは、拡散バーナ20との間の領域形成される空気噴出孔27の数が、他の予混合器よりも1つ多い3つであっても十分に予混合気への着火が可能である。
次に、切替負荷cで予混合器33bに燃料を供給し予混合火炎を形成するが、図4に示したように、空気噴出孔27bが仕切板35bの近傍に形成されている。そのため、予混合器33cから噴出する噴出気流と相俟って拡散火炎の温度を低下させることとなり、切替特性には不利に作用する。しかし、予混合器に供給する燃料流量と拡散バーナに供給される燃料流量の比率は約2対1であり、依然として拡散火炎の熱エネルギーは大きい。そのため、切替負荷cでの切替も安定して行うことが可能である。
同様に、切替負荷dでは、拡散バーナと予混合バーナの燃料流量の比率は約3対1となり、さらに拡散火炎の燃焼割合は小さくなる。しかし、切替負荷dではガスタービン負荷の上昇に伴って、予混合器に流入する燃焼空気温度も上昇するため、切替負荷dでの切替も安定して行うことが可能である。
切替負荷eでは燃料比率が約4対1と拡散火炎の熱エネルギーはさらに小さくなる。しかし、予混合バーナ30cの範囲に形成される2つの空気噴出孔27は、隣接する仕切板35b,35cから十分に離れた位置に形成される。そのため、拡散火炎の熱エネルギーが小さくても、予混合器33b,33dによって形成された予混合火炎の熱エネルギーによって予混合器33cからの予混合気の着火がサポートされる。そのため、予混合気への着火を安定して行うことが可能である。
このように、予混合バーナ30のうち、拡散燃焼バーナとの間に形成される空気噴出孔の数が最も多い予混合バーナ30aに最初に燃料を供給することで、拡散火炎の熱エネルギーの大きい状態を生かすことができ、安定した運転状態の切替えが可能となる。
また、予混合バーナ30aに対向する予混合バーナ30cに燃料を供給するのを最後とすることで、隣接する予混合バーナ30b,30dによって形成される予混合火炎の熱エネルギーを有効利用することが可能となり、更に安定した運転状態の切替えが可能となる。
以上の通り、本実施例に示すガスタービン燃焼器では、予混合バーナ4個に分割し、空気噴出孔を9個とし、最初に燃料を供給する予混合バーナの燃焼器周方向における中央位置40aと同位相となる位置に空気噴出孔を形成し、この空気噴出孔を基準に等間隔で残りの8個の空気噴出孔を形成している。そして、最初に燃料を供給した予混合器に隣接する2個の予混合器に順次燃料を供給し、最初に燃料を供給した予混合器と対向する位置の予混合器に最後に燃料を投入することによって、各負荷での切替特性を向上することができるため、全バーナで燃焼する切替負荷eのガスタービン負荷を低下することが可能となる。更に、定格負荷では予混合燃焼によってNOx排出量を低減すると共に燃焼振動の発生を抑制した、信頼性の高いガスタービン燃焼器を提供することが可能となる。
本発明は発電用のガスタービン燃焼器だけでなく、熱と電力を併給可能なコジェネレーションシステム、あるいはポンプ・圧縮機などの機械駆動用エンジンとしてのガスタービン燃焼器やその他様々な燃焼器に適用可能である。
1 圧縮機
2 タービン
3 燃焼器
5 圧縮空気
6 圧縮空気流路
7 燃焼器内筒
8 燃焼室
9 燃焼ガス
10 トランジションピース
11 点火栓
20 拡散バーナ
21 拡散バーナ燃料供給系統
22 燃料ノズル
23 旋回器
24 燃料
25 燃料噴孔
26 隔壁
27 空気噴出孔
30 予混合バーナ
31 予混合燃料供給系統
32 燃料ノズル
33 予混合器
34 保炎器

Claims (6)

  1. 燃料と空気とが供給される燃焼室と、
    前記燃焼室の上流側に位置し、前記燃焼室に燃料を噴出すると共に空気を旋回させて噴出する第1のバーナと、
    前記第1のバーナの周囲に複数配置され、空気と燃料との予混合気を前記燃焼室に供給する第2のバーナと、
    前記第1のバーナと前記第2のバーナとの間に配置され、前記燃焼室の下流側に向かって拡開するよう形成された傾斜面を有する環状隔壁と、
    前記燃焼室に空気を噴出する複数の空気噴出孔を前記環状隔壁の傾斜面に備え、
    前記第1のバーナの周囲に配置される前記第2のバーナの個数をKとしたとき、前記空気噴出孔をK×n+1(n=1,2,3…)個設けたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
  2. 請求項1に記載の燃焼器において、
    前記複数の空気噴出孔が前記環状隔壁の周方向について等間隔に配置され、
    前記複数の空気噴出孔の中の一つは、前記第2のバーナのいずれか一つの中央位置と、燃焼器の周方向における位相が同位相となるように配置され
    ていることを特徴とするガスタービン燃焼器。
  3. 請求項1又は2に記載の燃焼器の燃料供給方法であって、
    前記複数の第2のバーナのうち、前記第1のバーナとの間に形成される前記空気噴出孔の個数が最も多い前記第2のバーナに、前記複数の第2のバーナ中で、最初に燃料を供給することを特徴とする燃料供給方法。
  4. 請求項3に記載の燃料供給方法において、前記複数の第2のバーナのうち、最初に燃料を供給した前記第2のバーナと対向する位置に配置された前記第2のバーナに、前記複数の第2のバーナ中で、最後に燃料を供給することを特徴とする燃料供給方法。
  5. 燃料と空気とが供給される燃焼室と、
    前記燃焼室の上流側に位置し、前記燃焼室に燃料を噴出すると共に空気を旋回させて噴出する第1のバーナと、
    第1のバーナの周囲に配置され、空気と燃料との予混合気を燃焼室に供給する環状の第2のバーナと、
    第1のバーナの外側であって、第2バーナの内側に配置され、燃焼室の下流に向かって半径方向の断面積が広がるよう形成され燃焼室の中心軸に対して傾斜する面を有する環状隔壁と、
    前記環状隔壁の傾斜する面に周方向に間隔を介して配置され、燃焼室の中心軸方向に空気を噴出する複数の空気噴出孔とを有するガスタービン燃焼器であって、
    前記環状の第2のバーナを仕切板で周方向に4等分に分割すると共に、前記環状隔壁の傾斜する面に周方向に設ける前記空気噴出孔を9個設け、前記空気噴出孔は燃焼器の周方向について、前記分割した第2バーナの中央位置の位相を基準として、周方向に等間隔で形成したことを特徴とするガスタービン燃焼器。
  6. 請求項5に記載の燃焼器の燃料供給方法において、
    前記第2のバーナが分割されて形成された複数の予混合バーナのうち、周方向の中央位置に前記空気噴出孔を形成した前記予混合バーナに最初に燃料を供給すると共に、最初燃料を供給する前記予混合バーナと対向する位置配置された前記予混合バーナに最後に燃料を供給することを特徴とする燃料供給方法。
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