JP5650677B2

JP5650677B2 - ガスタービン燃焼器、ガスタービン燃焼器の運転方法及びガスタービン燃焼器用のバーナ

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Publication number: JP5650677B2
Application number: JP2012041045A
Authority: JP
Inventors: 平田　義隆; 義隆平田; 高橋　宏和; 宏和高橋; 達也関口; 吉田　正平; 正平吉田; 笹尾　俊文; 俊文笹尾; 林　明典; 林　　明典
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2012-02-28
Filing date: 2012-02-28
Publication date: 2015-01-07
Anticipated expiration: 2032-02-28
Also published as: JP2013177996A

Description

本発明はガスタービン燃焼器、ガスタービン燃焼器の運転方法及びガスタービン燃焼器用のバーナに関する。

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、燃料選択肢の自由度拡大に対する要求が高まっている。

このような背景を受け、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ガスタービン燃焼器として、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。

このような課題を解決するガスタービン燃焼器の燃焼方法として、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ガスタービン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号公報に開示されたガスタービン燃焼器の技術などがある。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、燃焼不安定に伴う燃焼振動の発生や、フラッシュバックの発生などが挙げられる。

特開平７−２８０２６７号公報

特開平７−２８０２６７号公報に開示されたガスタービン燃焼器における予混合燃焼の技術では、予混合燃焼における燃焼不安定や、それに伴って発生する燃焼振動、フラッシュバックの発生は、燃料と空気を予め混合するための混合室内部での混合度合いや、予混合火炎を安定に保持する機構が重要となってくる。

燃焼振動の増大や、フラッシュバックの発生は、混合室を含む燃焼器構造物を破損させる可能性があり、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。

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。

低ＮＯｘ燃焼と安定燃焼はトレードオフの関係にあるため、予混合器構造やそれに伴う流れが複雑化すると、燃焼振動の増大や火炎戻りの発生ポテンシャルが高くなるという課題がある。

本発明の目的は、低ＮＯｘ燃焼と安定燃焼の両立、若しくは、ＮＯｘ燃焼と安定燃焼の何れかの燃焼状態を自由にコントロールして燃焼でき、運転の自由度を大きくし得るガスタービン燃焼器、ガスタービン燃焼器の運転方法及びガスタービン燃焼器用のバーナを提供することにある。

本発明のガスタービン燃焼器用のバーナは、圧縮機から導入される燃焼用空気に燃料を混合して燃焼し、生成した燃焼ガスをガスタービンに供給するガスタービン燃焼器であって、前記ガスタービン燃焼器のうち前記ガスタービン燃焼器の軸中心位置に拡散燃焼する拡散燃焼バーナを配置すると共に、この拡散燃焼バーナの周囲に複数の予混合燃焼バーナを配置し、このガスタービン燃焼器の軸中心上流側に、燃焼用空気の噴出方向に向かって拡開した中空円錐状の形状を有し、内部に第１の混合室を形成する第１の混合室壁と、前記第１の混合室の下流に位置して円筒の形状を有し、内部に第２の混合室を形成する第２の混合室壁と、前記燃焼用空気を前記第１の混合室及び第２の混合室に導入するように前記第１の混合室及び第２の混合室壁に穿設された複数列の空気導入孔と、前記空気導入孔の壁面に穿設され、前記空気導入孔の内部に向かって燃料を噴射する複数の燃料噴出孔と、前記第１の混合室の軸中心上流側に位置し該第１の混合室及び第２の混合室に向かって液体燃料を噴射する液体燃料ノズルを備えたガスタービン燃焼器用のバーナにおいて、
前記バーナの軸方向に離間して穿設された複数列の空気導入孔のうち、所望の列に配置した空気導入孔の内部に向かって燃料を噴射する第１の燃料供給流路と、該所望の列以外の列に配置した空気導入孔の内部に向かって噴射する第２の燃料供給流路を配設し、前記第１の燃料供給流路が供給された燃料を収容する第一のマニホールドと、前記第一のマニホールドから前記空気導入孔内部に燃料を噴射する燃料噴射孔とを備え、前記第２の燃料供給流路が供給された燃料を収容する第二のマニホールドと、前記第二のマニホールドから前記空気導入孔内部に燃料を噴射する燃料噴射孔とを備えていることを特徴とする。

本発明のガスタービン燃焼器は、圧縮機から導入される燃焼用空気に燃料を混合して燃焼し、生成した燃焼ガスをガスタービンに供給するガスタービン燃焼器であって、前記ガスタービン燃焼器の軸中心位置に拡散燃焼する拡散燃焼バーナを配置すると共に、この拡散燃焼バーナの周囲に予混合燃焼バーナを複数個配置したガスタービン燃焼器において、このガスタービン燃焼器に設置した前記予混合燃焼バーナの軸中心上流側に、燃焼用空気の噴出方向に向かって拡開した中空円錐状の形状を有し、内部に第１の混合室を形成する第１の混合室壁と、前記第１の混合室の下流に位置して円筒の形状を有し、内部に第２の混合室を形成する第２の混合室壁と、前記燃焼用空気を前記第１の混合室及び第２の混合室に導入するように前記第１の混合室壁及び第２の混合室壁に前記バーナの軸方向に離間して穿設された複数列の空気導入孔と、前記空気導入孔の壁面に穿設され、前記空気導入孔内部に向かって燃料を噴射する複数の燃料噴出孔と、前記第１の混合室の軸中心上流側に位置し該第１の混合室及び第２の混合室に向かって液体燃料を噴射する液体燃料ノズルを備え、前記ガスタービン燃焼器のうち外周に配置された全ての予混合燃焼バーナの最上流列に配置した空気導入孔の内部に向かって燃料を噴射する第１の燃料供給流路と、該最上流列に配置した空気導入孔以外の空気導入孔内部に向かって噴射する第２の燃料供給流路を配設し、前記第１の燃料供給流路が供給された燃料を収容する第一のマニホールドと、前記第一のマニホールドから前記空気導入孔内部に燃料を噴射する燃料噴射孔とを備え、
前記第２の燃料供給流路が供給された燃料を収容する第二のマニホールドと、前記第二のマニホールドから前記空気導入孔内部に燃料を噴射する燃料噴射孔とを備えていることを特徴とする。
また本発明のガスタービン燃焼器は、圧縮機から導入される燃焼用空気に燃料を混合して燃焼し、生成した燃焼ガスをガスタービンに供給するガスタービン燃焼器であって、前記ガスタービン燃焼器の軸中心位置に拡散燃焼する拡散燃焼バーナを配置すると共に、この拡散燃焼バーナの周囲に予混合燃焼バーナを複数個配置したガスタービン燃焼器であって、このガスタービン燃焼器は、前記予混合燃焼バーナの軸中心上流側に、燃焼用空気の噴出方向に向かって拡開した中空円錐状の形状を有し、内部に第１の混合室を形成する第１の混合室壁と、前記第１の混合室の下流に位置して円筒の形状を有し、内部に第２の混合室を形成する第２の混合室壁と、前記燃焼用空気を前記第１の混合室及び第２の混合室に導入するように前記第１の混合室及び第２の混合室壁に穿設された複数の空気導入孔と、前記空気導入孔の壁面に穿設され、前記空気導入孔の内部に向かって燃料を噴射する複数の燃料噴出孔と、前記第１の混合室の軸中心上流側に位置し該第１の混合室及び第２の混合室に向かって液体燃料を噴射する液体燃料ノズルを備え、前記ガスタービン燃焼器のうち軸中心位置に配置された前記拡散燃焼バーナに燃料を噴射する第１の燃料供給流路を配設し、前記ガスタービン燃焼器のうち外周に配置された全ての予混合燃焼バーナの最上流列に配置した空気導入孔の内部に向かって燃料を供給する第２の燃料供給流路を配設し、前記予混合燃焼バーナの最上流列よりも下流側の列に配置した空気導入孔の内部に向かって燃料を供給する第３の燃料供給流路を配設し、前記第２の燃料供給流路が供給された燃料を収容する第一のマニホールドと、前記第一のマニホールドから前記空気導入孔内部に燃料を噴射する燃料噴射孔とを備え、前記第３の燃料供給流路が供給された燃料を収容する第二のマニホールドと、前記第二のマニホールドから前記空気導入孔内部に燃料を噴射する燃料噴射孔とを備えていることを特徴とする。

本発明のガスタービン燃焼器の運転方法は、圧縮機から導入される燃焼用空気に燃料を混合して燃焼し、生成した燃焼ガスをガスタービンに供給するガスタービン燃焼器の軸中心位置に拡散燃焼する拡散燃焼バーナを配置し、この拡散燃焼バーナの周囲に予混合燃焼バーナを複数個配置したガスタービン燃焼器であって、このガスタービン燃焼器の予混合燃焼バーナの軸中心上流側に燃焼用空気の噴出方向に向かって拡開した中空円錐状の形状を有し、内部に第１の混合室を形成する第１の混合室壁と、前記第１の混合室の下流に位置して円筒の形状を有し、内部に第２の混合室を形成する第２の混合室壁と、前記燃焼用空気を前記第１の混合室及び第２の混合室に導入するように前記第１の混合室及び第２の混合室壁に穿設された複数の空気導入孔と、前記空気導入孔の壁面に穿設され、前記空気導入孔の内部に向かって燃料を噴射する複数の燃料噴出孔と、前記第１の混合室の軸中心上流側に位置し該第１の混合室及び第２の混合室に向かって液体燃料を噴射する液体燃料ノズルを備え、このガスタービン燃焼器のうち軸中心位置に配置された拡散燃焼バーナに燃料を噴射する第１の燃料供給流路と、前記ガスタービン燃焼器のうち外周に配置された全ての予混合燃焼バーナの最上流列に配置した空気導入孔の内部に向かって燃料を供給する第２の燃料供給流路と、前記予混合燃焼バーナの最上流列よりも下流側の列に配置した空気導入孔の内部に向かって燃料を供給する第３の燃料供給流路を配設し、前記第２の燃料供給流路が供給された燃料を収容する第一のマニホールドと、前記第一のマニホールドから前記空気導入孔内部に燃料を噴射する燃料噴射孔とを備え、前記第３の燃料供給流路が供給された燃料を収容する第二のマニホールドと、前記第二のマニホールドから前記空気導入孔内部に燃料を噴射する燃料噴射孔とを備えているガスタービン燃焼器の運転方法において、ガスタービンの起動から定格負荷条件に亘る運転条件の中で、ガスタービンの起動から所望の第１負荷までは前記拡散燃焼バーナのみに前記第１の燃料供給流路を通じて燃料を供給して前記拡散燃焼バーナを燃焼させ、所望の第１負荷からそれよりも負荷が高い第２負荷までは前記拡散燃焼バーナに加えて前記第２の燃料供給流路を通じて燃料を前記予混合燃焼バーナの最上流列に配置した空気導入孔に供給して前記拡散燃焼バーナと予混合燃焼バーナを燃焼させ、前記所望の第２負荷からそれよりも負荷が高い定格負荷までは、全ての燃料を前記第１の燃料供給流路に加えて前記第２の燃料供給流路及び前記第３の燃料供給流路を通じて燃料を前記予混合燃焼バーナの最上流列に配置した空気導入孔及び最上流列よりも下流側の列に配置した空気導入孔に供給して前記拡散燃焼バーナと予混合燃焼バーナを燃焼させることにより、ガスタービン燃焼器を運転するようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、低ＮＯｘ燃焼と安定燃焼の両立、若しくは、ＮＯｘ燃焼と安定燃焼の何れかの燃焼状態を自由にコントロールして燃焼でき、運転の自由度を大きくし得るガスタービン燃焼器、ガスタービン燃焼器の運転方法及びガスタービン燃焼器用のバーナが実現できる。

本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器の縦断面図及びこ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。図１の第１実施例のガスタービン燃焼器に設置されたバーナの構造を示す縦断面図。図２Ａに示した第１実施例のガスタービン燃焼器に設置されたバーナのＡ−Ａ方向矢視図。図２Ａの第１実施例のガスタービン燃焼器に設置されたバーナの運転状態を示す模式図。図２Ａの第１実施例のガスタービン燃焼器に設置されたバーナの他の運転状態を示す模式図。比較例のガスタービン燃焼器の燃料系統図。本発明の第２実施例のガスタービン燃焼器の燃料系統図。ガスタービン負荷に対する第２実施例のガスタービン燃焼器の燃焼状態を比較例と対比して示した模式図。発明の第３実施例のガスタービン燃焼器に設置されたバーナの構造を示す縦断面図。

本発明の実施例であるガスタービン燃焼器、ガスタービン燃焼器の運転方法及びガスタービン燃焼器用のバーナについて図面を参照して以下に説明する。

本発明の実施例であるガスタービン燃焼器、ガスタービン燃焼器の運転方法及びガスタービン燃焼器用のバーナについて図面を参照して説明する。

本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器について、図１乃至図２を参照して説明する。図１は、本発明の第１実施例のガスタービン燃焼器の構成を縦断面図で示すと共に、こ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を概略的に示す概略構成図である。

図１に示した本発明の第１実施例のガスタービン燃焼器を備えた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して燃焼ガス１０９を生成するガスタービン燃焼器３と、このガスタービン燃焼器３で生成された燃焼ガス１０９を導入して駆動されるタービン２と、タービン２によって駆動されて発電する発電機４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。

前記ガスタービン燃焼器３は、燃焼空気１００と燃料を燃焼して燃焼ガス１０９を生成する燃焼室を形成する内筒７と、この内筒７から生成した燃焼ガス１０９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及びトランジションピースを収納した外筒５と、外筒５の一端に設置したエンドカバー６およびエンドカバー６に取り付けられた複数の部品によって構成されている。

内筒７の上流側の軸中心位置には拡散燃焼バーナ８が設けられ、この拡散燃焼バーナ８の周囲には低ＮＯｘ化に有効な予混合燃焼バーナ９が複数配置されている。

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８、９を堅持するためのバーナ本体１２を配置している。また、各バーナ８、９の軸中心上流位置には液体燃料１０４、１０５を噴射するための液体燃料ノズル１０、１１をそれぞれ配置している。

図２Ａは本発明の第１実施例のガスタービン燃焼器に設置された予混合燃焼バーナ９の縦断面図を示し、図２Ｂは図２Ａに示した予混合燃焼バーナ９のＡ−Ａ方向矢視図を示している。

図２Ａ及び図２Ｂに示したガスタービン燃焼器の予混合燃焼バーナ９は、予混合燃焼バーナ９の上流側の軸中心位置に設置した液体燃料ノズル１１から噴射された液体燃料１０５と空気の混合を促進するため前記予混合燃焼バーナ９の内部にそれぞれ形成された中空円錐形状の第１の混合室２００と、前記第１の混合室２００の下流に位置して液体燃料１０５と空気の混合を促進するとともに、液体燃料１０５の蒸発を促進するための略円筒形状の第２の混合室２０１とで構成されている。

第１の混合室２００及び第２の混合室２０１の壁面には、それらの内部に燃焼空気１００を導入するための空気導入孔２０２、２０３、２０４を軸方向に３列（１列でも複数列でも可）で、周方向にそれぞれ複数個形成している。

予混合燃焼バーナ９に形成した空気導入孔２０２、２０３、２０４は、第１の混合室２００及び第２の混合室２０１の内部で旋回流れを形成させるため、図２Ｂに予混合燃焼バーナ９のＡ−Ａ矢視図として示したように、これらの空気導入孔２０２、２０３、２０４は、周方向に偏向してそれぞれ配置している。

このように構成した予混合燃焼バーナ９を備えた本発明の第１実施例のガスタービン燃焼器は、前記予混合燃焼バーナ９に軸方向に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に向かって、第２の燃料系統を構成する気体燃料配管４０４を通じて供給された気体燃料１０２を噴射するための第１の気体燃料噴射孔１３と、第２列、第３列に形成した空気導入孔２０３、２０４に向かって、第３の燃料系統を構成する気体燃料配管４０５を通じて供給された気体燃料１０３を噴射するための第２の気体燃料噴射孔１４がそれぞれ設けられている。

更に、前記第１の気体燃料噴射孔１３及び第２の気体燃料噴射孔１４に燃料を別系統で供給できるようにするため、前記第１の気体燃料噴射孔１３と連絡するマニホールド２０５と、前記第２の気体燃料噴射孔１４と連絡するマニホールド２０６を予混合燃焼バーナ９の内部に設けた構造となっている。

尚、第２の燃料系統を構成する気体燃料配管４０４の配設を省略してガスタービン燃焼器３に設置する予混合燃焼バーナ９の構造を簡素化した実施例を採用したとしても、本実施例と同等の作用効果を得ることは可能である。

次に上記構成の本実施例のガスタービン燃焼器に設置した予混合燃焼バーナ９の詳細事象について説明する。

図３Ａ及び図３Ｂは本実施例のガスタービン燃焼器３に複数個設置した予混合燃焼バーナ９の縦断面図を示したもので、図３Ａは予混合燃焼バーナ９の部材の内部に形成した第１の気体燃料噴射孔１３から空気導入孔２０２に向かって気体燃料１０２を噴射した時の燃料と空気の混合状態及び火炎の状態、図３Ｂは予混合燃焼バーナ９の第２の気体燃料噴射孔１４から空気導入孔２０３、２０４に向かって気体燃料１０３を噴射した時の燃料と空気の混合状態及び火炎の状態をそれぞれ模式的に示したものである。

図３Ａに示すように、予混合燃焼バーナ９の第１の気体燃料噴射孔１３から空気導入孔２０２に向かって、第２の燃料系統を構成する気体燃料配管４０４を通じて供給された気体燃料１０２を噴射した場合、気体燃料１０２と燃焼空気１００の混合気３００は混合室２００、２０１の軸中心部に集中して形成され、その下流の内筒７内の燃焼室に予混合火炎１０７が形成される。

混合気３００は最上流列の空気導入孔２０２に集中的に気体燃料１０２が供給されるため、気体燃料濃度が過濃となり、予混合燃焼バーナ９の下流の内筒７内の燃焼室に形成される予混合火炎１０７は高温で安定な燃焼が可能とする。

一方、予混合燃焼バーナ９の第２の気体燃料噴射孔１４から空気導入孔２０３、２０４に向かって、第３の燃料系統を構成する気体燃料配管４０５を通じて供給された気体燃料１０３を噴射した場合には、気体燃料１０３と燃焼空気１００の混合気３０１は混合室２００、２０１全体に広がり、第１の気体燃料噴射孔１３から気体燃料１０２を噴射した場合よりも希薄化でき、予混合燃焼バーナ９の下流の内筒７内の燃焼室に局部的な高温領域が発生しない予混合火炎１０８が形成される。これにより高温領域で発生するサーマルＮＯｘの排出を抑制できる。

一般に、ガスタービンは起動から定格負荷まで運転条件が大きく変化するため、どのような運転条件に対しても安定燃焼とＮＯｘ排出量低減の両立が必要となる。

上記した構成を備えた本実施例のガスタービン燃焼器３においては、ガスタービン燃焼器３に設置した予混合燃焼バーナ９の部材の内部に形成した第１の気体燃料噴射孔１３及び第２の気体燃料噴射孔１４の単独での燃料供給を自由に選択でき、且つ、第１の気体燃料噴射孔１３及び第２の気体燃料噴射孔１４の両方からも燃料を供給でき、さらには、その燃料配分も自由にコントロールすることができるので、それらの組合せでガスタービン燃焼器の安定燃焼とＮＯｘ排出量低減の両立を可能となる。

例えば、ガスタービン負荷の低い条件では燃料と空気の比率である燃空比が低くなるが、第１の気体燃料噴射孔１３から単独で気体燃料１０２を噴射すれば、局所的に気体燃料濃度が高い混合気が存在するため、低い燃空比でもガスタービン燃焼器を安定燃焼できる。

このとき、ガスタービン燃焼器３の内筒７内の燃焼室に高温の予混合火炎１０７が形成される影響でＮＯｘ排出量の増加が懸念されるが、トータルの燃空比が低いのでＮＯｘ排出量の大きな増加につながることはない。

逆に、ガスタービン負荷が高くなる高燃空比条件では、第２の気体燃料噴射孔１４単独、若しくは、第１の気体燃料噴射孔１３と第２の気体燃料噴射孔１４からの燃料噴射を組合せ、その配分を調整することで、ガスタービン燃焼器の安定燃焼と低ＮＯｘ化を実現できる。

上記で説明したように、本実施例であれば、幅広い運転条件において、ガスタービン燃焼器の安定燃焼とＮＯｘ排出量低減の両立を実現できる。

本実施例によれば、低ＮＯｘ燃焼と安定燃焼の両立、若しくは、ＮＯｘ燃焼と安定燃焼の何れかの燃焼状態を自由にコントロールして燃焼でき、運転の自由度を大きくし得るガスタービン燃焼器、ガスタービン燃焼器の運転方法及びガスタービン燃焼器用のバーナが実現できる。

本発明の第２実施例であるガスタービン燃焼器、ガスタービン燃焼器の運転方法及びガスタービン燃焼器用のバーナについて、図４乃至図５を参照して説明する。

図４Ａ及び図４Ｂは比較例と本発明の第２実施例のガスタービン燃焼器における気体燃料の燃料系統をそれぞれ模式的に示したものである。

本実施例のガスタービン燃焼器３の構成は、図１、図２Ａ，図２Ｂ、図３Ａ、及び図３Ｂに示した第１実施例のガスタービン燃焼器３と基本的な構成は同じであるので、両者に共通した説明は省略し、相違する部分について説明する。

即ち、本実施例のガスタービン燃焼器３においても、ガスタービン燃焼器３の軸中心に拡散燃焼バーナ８が配置され、この拡散燃焼バーナ８の周囲に予混合燃焼バーナ９ａ〜９ｆが配置されている。

図４Ｂに示した本実施例のガスタービン燃焼器３では、予混合燃焼バーナ９の数を６個としているが、予混合燃焼バーナ９の数を増加或いは減少させて配置しても本発明のガスタービン燃焼器の運転方法の効果を何ら損ねることはない。

ここで、図４Ａに示した比較例のガスタービン燃焼器３に設置された複数の予混合燃焼バーナ９ａ〜９ｆは、各バーナ９ａ〜９ｆに設けられた複数の燃料噴射孔の全てに対して同一の燃料系統から燃料が供給される構造となっている。

これに対して、図４Ｂに示した本実施例のガスタービン燃焼器３に設置された複数の予混合燃焼バーナ９ａ〜９ｆは、図２に示す第１実施例のガスタービン燃焼器３と同じ構造である。

図４Ｂに示す通り、ガスタービン燃焼器３に気体燃料を供給する燃料系統は、気体燃料を貯蔵する気体燃料タンク４００と、気体燃料を気化する燃料気化器４０１と、燃料気化器４０１で気化した気体燃料の圧力を調節する圧力調整弁４０２と、圧力調整弁４０２を経た気体燃料をガスタービン燃焼器３に設置された拡散燃焼バーナ８に燃料を供給する第１の燃料系統を構成する気体燃料配管４０３と、複数の予混合燃焼バーナ９ａ〜９ｆに燃料を供給する第２の燃料系統を構成する気体燃料配管４０４と、第３の燃料系統を構成する気体燃料配管４０５と、これらの気体燃料配管４０３〜４０５にそれぞれ設置され、制御装置１００からの指令信号によって開度を操作され、供給する気体燃料の流量を調節する流量調整弁４０６、４０７、４０８で構成されている。

図４Ａに示した比較例では、圧力調整弁４０２の下流側で３つの燃料系統４０３〜４０５に分岐されており、流量調整弁４０６を備えた気体燃料配管４０３は拡散燃焼バーナ８に接続し、流量調整弁４０７を備えた気体燃料配管４０４は、予混合バーナ９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅ、９ｆのうちの予混合燃焼バーナ９ａ、９ｃ、９ｅに接続し、流量調整弁４０８を備えた気体燃料配管４０５は、予混合燃焼バーナ９ｂ、９ｄ、９ｆにそれぞれ接続した構成となっている。

次に、図４Ｂに示した本実施例のガスタービン燃焼器３の構成について図２Ａ、図２Ｂ、図３Ａ、図３Ｂ、及び図４を参照して説明する。

本実施例のガスタービン燃焼器３の拡散燃焼バーナ８及び予混合バーナ９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅ、９ｆに接続した流量調整弁をそれぞれ備えた気体燃料配管である第１の燃料系統４０３、第２の燃料系統４０２、及び第３の燃料系統４０５のうち、拡散燃焼バーナ８に接続した流量調整弁４０６を備えた気体燃料配管である第１の燃料系統４０３は比較例と同じ構成となっているが、流量調整弁４０７を備えた気体燃料配管である第２の燃料系統４０４は、全ての予混合燃焼バーナ９ａ〜９ｆの最上流列に設けた空気導入孔２０２に向かって気体燃料１０２を噴出する気体燃料噴射孔１３に接続するように構成されており、更に流量調整弁４０８を備えた気体燃料配管である第３の燃料系統４０５は、予混合燃焼バーナ９ａ〜９ｆの第２列、第３列に形成した空気導入孔２０３、２０４に向かって気体燃料１０３を噴出する気体燃料噴射孔１４に接続するように構成されている。

このように構成した本実施例のガスタービン燃焼器の運転方法について、比較例と対比して図５を参照して説明する。

図５はガスタービン負荷に対するガスタービン燃焼器の燃焼状態の模式図を示したもので、上段は比較例のガスタービン燃焼器の燃焼状態を示し、下段は本実施例のガスタービン燃焼器の燃焼状態を示している。そしてバーナの斜線塗りは気体燃料を供給している状態を示している。

通常、複数のバーナを配置したマルチバーナ方式のガスタービン燃焼器は、ガスタービンの負荷に応じて燃料流量が増加するため、ガスタービン燃焼器の安定燃焼と低ＮＯｘ燃焼を両立する目的で、燃焼するバーナ数を制御するように構成されるのが一般的である。

比較例のガスタービン燃焼器では、負荷Ａ〜負荷Ｂまでの間では、拡散燃焼バーナ８を単独で燃焼させ、負荷Ｂ〜負荷Ｃまでの間では、拡散燃焼バーナ８と一部の予混合燃焼バーナ９ａ、９ｃ、９ｅを燃焼させ、負荷Ｃ〜定格の負荷Ｄの間で、全てのバーナ（拡散燃焼バーナ８及び全ての予混合燃焼バーナ９ａ〜９ｆ）を燃焼させて運転している。

ここで、比較例のガスタービン燃焼器の課題として、負荷Ｂ〜負荷Ｃ間では拡散燃焼バーナ８と一部の予混合燃焼バーナ９ａ、９ｃ、９ｅの燃焼モードとなるが、このような状態で燃焼が継続されると、一部の予混合燃焼バーナ９ａ、９ｃ、９ｅの位置では予混合火炎の形成によってガスタービン燃焼器の内筒７のメタル温度が上昇するが、燃焼していない他の予混合燃焼バーナ９ｂ、９ｄ、９ｆの位置ではメタル温度が低くなる。

この場合、円筒状の内筒７には、周方向に温度偏差がつくため、このような燃焼状態が長く継続されると、過大な熱応力が発生して内筒７の破損や寿命短縮につながる可能性がある。

また、このような燃焼パターンは、燃焼ガスの温度偏差が大きくなる可能性があり、温度偏差が大きい状態でガスタービン燃焼器から燃焼ガスがガスタービン翼に噴射されると、ガスタービン翼の寿命を短くする可能性もある。

そこで、本実施例のガスタービン燃焼器３においては、制御装置１００にて発電機８の発電出力であるガスタービン負荷の値に応じてガスタービン燃焼器３に供給する燃料流量を指令する指令信号を演算し、気体燃料配管である第１の燃料系統４０３、第２の燃料系統４０４、第３の燃料系統４０５にそれぞれ設置した流量調整弁４０６、４０７、４０８に対して指令信号を出力して該流量調整弁の開度を調節し、ガスタービン燃焼器３のバーナに供給する燃料流量を制御することによって、ガスタービン燃焼器の安定燃焼と低ＮＯｘ燃焼を実現している。

即ち、前記制御装置１００に入力した発電機８の発電出力であるガスタービン負荷Ｌが負荷Ａ〜負荷Ｂとなる間は、制御装置１００からの指令信号によって流量調整弁４０６を開弁操作して気体燃料配管の第１の燃料系統４０３を通じてガスタービン燃焼器３の拡散燃焼バーナ８に燃料を供給して前記拡散燃焼バーナ８を単独で燃焼させるように燃料の供給量を制御する。

次に、ガスタービン負荷Ｌが増加して負荷Ｂを超えて負荷Ｂ〜負荷Ｃとなる間は、制御装置１００からの指令信号によって流量調整弁４０７を開弁操作して気体燃料配管の第２の燃料系統４０４を通じてガスタービン燃焼器３の予混合燃焼バーナ９ａ〜９ｆの最上流列に形成した空気導入孔２０２に向かって燃料を供給して前記全ての予混合燃焼バーナ９ａ〜９ｆを燃焼させるように燃料の供給量を制御する。

更に、ガスタービン負荷Ｌが増加して負荷Ｃ〜負荷Ｄ（定格負荷）となる間は、制御装置１００からの指令信号によって流量調整弁４０８を開弁操作して気体燃料配管の第３の燃料系統４０５を通じてガスタービン燃焼器３の予混合燃焼バーナ９ａ〜９ｆの第２、３列に形成した空気導入孔２０３、２０４に向かって燃料を供給して前記全ての予混合燃焼バーナ９ａ〜９ｆを燃焼させるように燃料の供給量を制御する。

本実施例のガスタービン燃焼器３では、負荷Ｂ以上となると気体燃料配管の第２の燃料系統４０４を通じて全ての予混合燃焼バーナ９ａ〜９ｆの最上流列に形成した空気導入孔２０２に向かって燃料を供給し、更に負荷Ｃ以上となると気体燃料配管の第３の燃料系統４０５を通じて燃料を供給できるため、負荷Ｂ以上で全てのバーナ（拡散燃焼バーナ８及び全ての予混合燃焼バーナ９ａ〜９ｆ）で燃焼が可能となり、ガスタービン燃焼器の安定燃焼と低ＮＯｘ燃焼を行なうことで上述した課題を抑制した信頼性の高いガスタービン燃焼器を提供できる。

さらには、本実施例のガスタービン燃焼器３では、負荷Ｂで気体燃料配管の第２の燃料系統４０４を通じて全ての予混合燃焼バーナ９ａ〜９ｆに燃料供給を開始しているが、この場合、比較例よりも燃焼の安定化が可能となるため、例えば、負荷Ｂの燃料供給の切替ポイントをさらに低負荷側に低下することができ、より低い負荷でガスタービン燃焼器３の全ての予混合燃焼バーナ９ａ〜９ｆの燃焼が可能となる。

これにより、拡散燃焼バーナ８を単独で運転する運転範囲を狭くすることができ、拡散燃焼によるＮＯｘ排出量を抑制できる利点もある。

さらに、比較例のような燃焼するバーナ数を制御する場合、上述したように、燃料を供給するバーナと、燃料を供給しないバーナとが混在するような運転条件では、高温部品の寿命が短くなるため、通常、運用負荷帯（安定に電力を供給できる負荷範囲）は全バーナが燃焼を開始する負荷Ｃ以上となる。

これに対して、本実施例のガスタービン燃焼器３であれば、負荷Ｂ以上で全バーナ（拡散燃焼バーナ８及び全ての予混合燃焼バーナ９ａ〜９ｆ）が燃焼を開始できるため、負荷Ｂ以上での全バーナの運用が可能となり、運用負荷範囲を拡大できる利点もある。

また、本実施例のガスタービン燃焼器３では、気体燃料と液体燃料の何れもが燃焼できるデュアル燃料対応のガスタービン燃焼器であり、このようなガスタービン燃焼器では、通常、運転中に気体燃料焚きから液体燃料焚き、若しくは、逆パターンでの燃料切替えが必要となる。

この場合、本実施例のガスタービン燃焼器３であれば、燃料切替え時において、前記気体燃料配管の第２の燃料系統４０４を通じて予混合燃焼バーナ９ａ〜９ｆの最上流列に設けた空気導入孔２０２に向かって気体燃料１０２を噴出する燃焼モードを選択すれば、気体燃料焚きの燃焼状態を安定化でき、信頼性の高い燃料切替えを可能にできる。

本発明の第３実施例であるガスタービン燃焼器、ガスタービン燃焼器の運転方法及びガスタービン燃焼器用のバーナについて、図６を参照して説明する。図６は本発明の第３の実施例のガスタービン燃焼器３に設置された予混合燃焼バーナ９の縦断面図を示したものである。

本実施例のガスタービン燃焼器３の構成は、図１〜図３Ａ，図３Ｂに示した第１実施例のガスタービン燃焼器３と基本的な構成は同じであるので、両者に共通した説明は省略し、相違する部分について説明する。

本実施例のガスタービン燃焼器３では、図６に示したようにガスタービン燃焼器３に設置した予混合燃焼バーナ９の軸方向に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に向かって気体燃料１１０を噴射するための第１の気体燃料噴射孔１５及び気体燃料マニホールド２０７と、第２列に形成した空気導入孔２０３に向かって気体燃料１１１を噴射するための第２の気体燃料噴射孔１６及び気体燃料マニホールド２０８と、第３列に形成した空気導入孔２０４に向かって気体燃料１１２を噴射するための第３の気体燃料噴射孔１７及び気体燃料マニホールド２０９が前記予混合燃焼バーナ９の部材の内部にそれぞれ形成されている。

このように構成した本実施例のガスタービン燃焼器３に設置した予混合燃焼バーナ９では、気体燃料噴射孔１５、１６、１７からの燃料噴射を自由に選択でき、且つ、気体燃料噴射孔１５、１６、１７から噴射する気体燃料噴射量の比率を自由にコントロールできるため、第１実施例のガスタービン燃焼器に比べ、燃料制御の自由度が大きくなり、ガスタービン燃焼器の安定燃焼とＮＯｘ排出量抑制を両立した運転が可能となり、より信頼性の高い燃焼器を提供できる。

また、本実施例のガスタービン燃焼器３に設置した予混合燃焼バーナ９では軸方向に３列の空気導入孔を形成しているが、２列以上の空気導入孔が形成されていれば、本発明は適用可能である。

さらに、本実施例のガスタービン燃焼器３に設置した予混合燃焼バーナ９では複数の空気導入孔のうち、空気導入孔に気体燃料を噴射する系統を軸方向で分離したが、周方向や、軸方向と周方向の組合せで分離して供給することも可能であり、同様、若しくはそれ以上の効果を得ることが可能である。

１：圧縮機、２：タービン、３：ガスタービン燃焼器、４：発電機、７：内筒、８：拡散燃焼バーナ、９：予混合燃焼バーナ、１２：バーナ本体、１３、１４、１５、１６、１７：気体燃料噴射孔、１３：トランジションピース、１００：燃焼用空気、１０１、１０２、１０３、１１０、１１１、１１２：気体燃料、１０４、１０５：液体燃料、２００、２０１：混合室、２０２、２０３、２０４：空気導入孔、４００：気体燃料タンク、４０１：燃料気化器、４０２：圧力調整弁、４０３：第１の燃料系統、４０４：第２の燃料系統、４０５：第３の燃料系統、４０６、４０７、４０８：流量調整弁。

Claims

圧縮機から導入される燃焼用空気に燃料を混合して燃焼し、生成した燃焼ガスをガスタービンに供給するガスタービン燃焼器であって、前記ガスタービン燃焼器のうち前記ガスタービン燃焼器の軸中心位置に拡散燃焼する拡散燃焼バーナを配置すると共に、この拡散燃焼バーナの周囲に複数の予混合燃焼バーナを配置し、このガスタービン燃焼器の軸中心上流側に、燃焼用空気の噴出方向に向かって拡開した中空円錐状の形状を有し、内部に第１の混合室を形成する第１の混合室壁と、前記第１の混合室の下流に位置して円筒の形状を有し、内部に第２の混合室を形成する第２の混合室壁と、前記燃焼用空気を前記第１の混合室及び第２の混合室に導入するように前記第１の混合室及び第２の混合室壁に穿設された複数列の空気導入孔と、前記空気導入孔の壁面に穿設され、前記空気導入孔の内部に向かって燃料を噴射する複数の燃料噴出孔と、前記第１の混合室の軸中心上流側に位置し該第１の混合室及び第２の混合室に向かって液体燃料を噴射する液体燃料ノズルを備えたガスタービン燃焼器用のバーナにおいて、
前記バーナの軸方向に離間して穿設された複数列の空気導入孔のうち、所望の列に配置した空気導入孔の内部に向かって燃料を噴射する第１の燃料供給流路と、該所望の列以外の列に配置した空気導入孔の内部に向かって噴射する第２の燃料供給流路を配設し、
前記第１の燃料供給流路が供給された燃料を収容する第一のマニホールドと、前記第一のマニホールドから前記空気導入孔内部に燃料を噴射する燃料噴射孔とを備え、
前記第２の燃料供給流路が供給された燃料を収容する第二のマニホールドと、前記第二のマニホールドから前記空気導入孔内部に燃料を噴射する燃料噴射孔とを備えていることを特徴とするガスタービン燃焼器用のバーナ。
請求項１に記載のガスタービン燃焼器用のバーナにおいて、
前記燃焼用空気を前記第１の混合室及び第２の混合室に導入するように前記第１の混合室壁及び第２の混合室壁に穿設された複数列の空気導入孔は、その導入角度を前記混合室壁の少なくとも周方向に向かって偏向させるように前記第１の混合室壁及び第２の混合室壁の軸方向と周方向に穿設されていることを特徴とするガスタービン燃焼器用のバーナ。
請求項１又は請求項２に記載のガスタービン燃焼器用のバーナにおいて、
前記バーナの軸方向に穿設された複数の空気導入孔のうち、前記所望の列として最上流列に配置した空気導入孔内部に向かって燃料を噴射する前記第１の燃料供給流路と、前記所望の列以外の列として最上流列以外の列に配置した空気導入孔の内部に向かって噴射する第２の燃料供給流路を配設したことを特徴とするガスタービン燃焼器用のバーナ。
圧縮機から導入される燃焼用空気に燃料を混合して燃焼し、生成した燃焼ガスをガスタービンに供給するガスタービン燃焼器であって、前記ガスタービン燃焼器の軸中心位置に拡散燃焼する拡散燃焼バーナを配置すると共に、この拡散燃焼バーナの周囲に予混合燃焼バーナを複数個配置したガスタービン燃焼器において、
このガスタービン燃焼器に設置した前記予混合燃焼バーナの軸中心上流側に、燃焼用空気の噴出方向に向かって拡開した中空円錐状の形状を有し、内部に第１の混合室を形成する第１の混合室壁と、前記第１の混合室の下流に位置して円筒の形状を有し、内部に第２の混合室を形成する第２の混合室壁と、前記燃焼用空気を前記第１の混合室及び第２の混合室に導入するように前記第１の混合室壁及び第２の混合室壁に前記バーナの軸方向に離間して穿設された複数列の空気導入孔と、前記空気導入孔の壁面に穿設され、前記空気導入孔内部に向かって燃料を噴射する複数の燃料噴出孔と、前記第１の混合室の軸中心上流側に位置し該第１の混合室及び第２の混合室に向かって液体燃料を噴射する液体燃料ノズルを備え、
前記ガスタービン燃焼器のうち外周に配置された全ての予混合燃焼バーナの最上流列に配置した空気導入孔の内部に向かって燃料を噴射する第１の燃料供給流路と、該最上流列に配置した空気導入孔以外の空気導入孔内部に向かって噴射する第２の燃料供給流路を配設し、
前記第１の燃料供給流路が供給された燃料を収容する第一のマニホールドと、前記第一のマニホールドから前記空気導入孔内部に燃料を噴射する燃料噴射孔とを備え、
前記第２の燃料供給流路が供給された燃料を収容する第二のマニホールドと、前記第二のマニホールドから前記空気導入孔内部に燃料を噴射する燃料噴射孔とを備えていることを特徴とするガスタービン燃焼器。
請求項４に記載のガスタービン燃焼器において、
前記燃焼用空気を前記第１の混合室及び第２の混合室に導入するように前記第１の混合室及び第２の混合室壁に穿設された複数列の空気導入孔は、その導入角度を前記混合室壁の少なくとも周方向に向かって偏向させるように前記第１の混合室及び第２の混合室壁の軸方向と周方向に穿設されていることを特徴とするガスタービン燃焼器。
請求項４又は請求項５に記載のガスタービン燃焼器において、
前記バーナの軸方向に離間して穿設された複数列の空気導入孔のうち、所望の列として最上流列に配置した空気導入孔内部に向かって燃料を噴射する前記第１の燃料供給流路と、所望の列以外の列として最上流列よりも下流側の列に配置した空気導入孔の内部に向かって噴射する第２の燃料供給流路を配設したことを特徴とするガスタービン燃焼器。
圧縮機から導入される燃焼用空気に燃料を混合して燃焼し、生成した燃焼ガスをガスタービンに供給するガスタービン燃焼器であって、前記ガスタービン燃焼器の軸中心位置に拡散燃焼する拡散燃焼バーナを配置すると共に、この拡散燃焼バーナの周囲に予混合燃焼バーナを複数個配置したガスタービン燃焼器であって、
このガスタービン燃焼器は、前記予混合燃焼バーナの軸中心上流側に、燃焼用空気の噴出方向に向かって拡開した中空円錐状の形状を有し、内部に第１の混合室を形成する第１の混合室壁と、前記第１の混合室の下流に位置して円筒の形状を有し、内部に第２の混合室を形成する第２の混合室壁と、前記燃焼用空気を前記第１の混合室及び第２の混合室に導入するように前記第１の混合室壁及び第２の混合室壁に前記バーナの軸方向に離間して穿設された複数列の空気導入孔と、前記空気導入孔の壁面に穿設され、前記空気導入孔の内部に向かって燃料を噴射する複数の燃料噴出孔と、前記第１の混合室の軸中心上流側に位置し該第１の混合室及び第２の混合室に向かって液体燃料を噴射する液体燃料ノズルを備え、
前記ガスタービン燃焼器のうち軸中心位置に配置された前記拡散燃焼バーナに燃料を噴射する第１の燃料供給流路を配設し、
前記ガスタービン燃焼器のうち外周に配置された全ての予混合燃焼バーナの最上流列に配置した空気導入孔の内部に向かって燃料を供給する第２の燃料供給流路を配設し、
前記予混合燃焼バーナの最上流列よりも下流側の列に配置した空気導入孔の内部に向かって燃料を供給する第３の燃料供給流路を配設し、
前記第２の燃料供給流路が供給された燃料を収容する第一のマニホールドと、前記第一のマニホールドから前記空気導入孔内部に燃料を噴射する燃料噴射孔とを備え、
前記第３の燃料供給流路が供給された燃料を収容する第二のマニホールドと、前記第二のマニホールドから前記空気導入孔内部に燃料を噴射する燃料噴射孔とを備えていることたしたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
圧縮機から導入される燃焼用空気に燃料を混合して燃焼し、生成した燃焼ガスをガスタービンに供給するガスタービン燃焼器の軸中心位置に拡散燃焼する拡散燃焼バーナを配置し、この拡散燃焼バーナの周囲に予混合燃焼バーナを複数個配置したガスタービン燃焼器であって、このガスタービン燃焼器の予混合燃焼バーナの軸中心上流側に燃焼用空気の噴出方向に向かって拡開した中空円錐状の形状を有し、内部に第１の混合室を形成する第１の混合室壁と、前記第１の混合室の下流に位置して円筒の形状を有し、内部に第２の混合室を形成する第２の混合室壁と、前記燃焼用空気を前記第１の混合室及び第２の混合室に導入するように前記第１の混合室及び第２の混合室壁に穿設された複数の空気導入孔と、前記空気導入孔の壁面に穿設され、前記空気導入孔の内部に向かって燃料を噴射する複数の燃料噴出孔と、前記第１の混合室の軸中心上流側に位置し該第１の混合室及び第２の混合室に向かって液体燃料を噴射する液体燃料ノズルを備え、
このガスタービン燃焼器のうち軸中心位置に配置された拡散燃焼バーナに燃料を噴射する第１の燃料供給流路と、前記ガスタービン燃焼器のうち外周に配置された全ての予混合燃焼バーナの最上流列に配置した空気導入孔の内部に向かって燃料を供給する第２の燃料供給流路と、前記予混合燃焼バーナの最上流列よりも下流側の列に配置した空気導入孔の内部に向かって燃料を供給する第３の燃料供給流路を配設し、
前記第２の燃料供給流路が供給された燃料を収容する第一のマニホールドと、前記第一のマニホールドから前記空気導入孔内部に燃料を噴射する燃料噴射孔とを備え、
前記第３の燃料供給流路が供給された燃料を収容する第二のマニホールドと、前記第二のマニホールドから前記空気導入孔内部に燃料を噴射する燃料噴射孔とを備えているガスタービン燃焼器の運転方法において、
ガスタービンの起動から定格負荷条件に亘る運転条件の中で、ガスタービンの起動から所望の第１負荷までは前記拡散燃焼バーナのみに前記第１の燃料供給流路を通じて燃料を供給して前記拡散燃焼バーナを燃焼させ、
所望の第１負荷からそれよりも負荷が高い第２負荷までは前記拡散燃焼バーナに加えて前記第２の燃料供給流路を通じて燃料を前記予混合燃焼バーナの最上流列に配置した空気導入孔に供給して前記拡散燃焼バーナと予混合燃焼バーナを燃焼させ、
前記所望の第２負荷からそれよりも負荷が高い定格負荷までは、全ての燃料を前記第１の燃料供給流路に加えて前記第２の燃料供給流路及び前記第３の燃料供給流路を通じて燃料を前記予混合燃焼バーナの最上流列に配置した空気導入孔及び最上流列よりも下流側の列に配置した空気導入孔に供給して前記拡散燃焼バーナと予混合燃焼バーナを燃焼させることにより、ガスタービン燃焼器を運転するようにしたことを特徴とするガスタービン燃焼器の運転方法。