JP6033887B2 - マルチ燃料対応のガスタービン燃焼器 - Google Patents

Description

関連出願

本出願は、２０１２年１２月１３日出願の特願２０１２−２７２５８５の優先権を主張するものであり、その全体を参照により本願の一部をなすものとして引用する。

本発明は、低エミッション性能を確保しながらも、水素含有燃料のような未利用燃料を有効に活用できるマルチ燃料対応のガスタービン燃焼器に関するものである。

ガスタービンエンジンの燃焼器において、低ＮＯx 化を含む低エミッション性能を得る技術として、燃焼器中に水または蒸気を噴射するウエット式の燃焼器のほかに、燃料と圧縮空気とを混合して生成した予混合気を燃焼室内に噴射して希薄予混合燃焼させるドライ式であるＤＬＥ（Dry Low Emissions）燃焼器が知られている。このＤＬＥ燃焼器の燃料として、予混合気を生成するのに適した特性範囲を有する天然ガス、灯油、軽油などの燃料が用いられており、水素のようなガスは前記特性範囲から外れるために、使用は困難である。基本的には、水素ガスは燃焼速度が速いので、これをＤＬＥ燃焼器の燃料に多量に混ぜると、比較的長い予混合通路に火炎が遡って加熱や損傷を招く逆火と称される現象が発生したり、異常燃焼が生じる可能性がある。

ところで、近年では、化学プラントなどから発生する水素ガスや炭鉱から排出される通気メタン（ＶＡＭ：Ventilation Air Methane ）のような低濃度メタンの燃料ガスを、ガスタービン燃焼器の燃料として有効利用することが求められている。これに対し、希薄予混合型のガスタービン燃焼器において、特殊なノズルを用いて、天然ガスに水素含有燃料を混入させる多孔同軸噴流バーナが提案されている（特許文献１参照）。また、追焚きバーナから水素ガスをガスタービン燃焼器に供給する燃焼器が知られている（特許文献２参照）。特許文献２に記載の燃焼器は、メインバーナが予混合燃焼方式ではなく、拡散燃焼方式であり、拡散燃焼により多く発生するＮＯｘを水素ガスによって還元している。

特開２０１１−１４４９７２号公報 特開２０１１−０７５１７４号公報

しかしながら、特許文献１の多孔同軸噴流バーナは、構造が複雑なうえに、良好な低エミッション性能を維持するには、例えば、水素濃度の割合に応じて、複数ある燃料ノズルへの燃料配分を変化させる必要があるなど、制御が複雑になる。他方、特許文献２の燃焼器のように追焚きバーナから水素ガスを導入するとき、メインバーナが予混合燃焼方式の場合にはＮＯｘが少ないので、水素ガスによるＮＯｘの還元の作用は限定的である。よって、特許文献２では、予混合燃焼方式のメインバーナを使用する場合を想定していない。したがって、特許文献２は、予混合燃焼方式と、追焚きバーナから水素ガスを導入する方式との併用を示唆するものではない。

本発明は、予混合燃焼による良好な低エミッション性能を維持しながらも、予混合気の生成に適した予混合特性範囲から外れた特性を有する種々の燃料を十分に利用できるマルチ燃料対応のガスタービン燃焼器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るマルチ燃料対応のガスタービン燃焼器は、燃焼室内の第１燃焼領域に予混合用の第１燃料を含む予混合気を供給して予混合燃焼させるメインバーナと、前記燃焼室内の前記第１燃焼領域よりも下流の第２燃焼領域に、前記第１燃料とは異なる組成の追焚き用の第２燃料を供給して拡散燃焼させる追焚きバーナとを備え、前記第１燃料は、予混合気を生成するのに適した予混合特性範囲を有し、前記第２燃料は前記予混合特性範囲から外れた特性を有する。

このガスタービン燃焼器では、予混合気を第１燃焼領域に供給して予混合燃焼させるメインバーナに、予混合気を生成するのに適した予混合特性範囲を有する第１燃料が供給されることから、逆火や異常燃焼または失火などが生じることがないので、良好な低エミッション性能を維持することができる。一方、エンジン負荷の増大に応じて運転範囲を高出 力側へ広げる場合には、追焚きバーナから第２燃焼領域に第２燃料を供給するが、追焚きバーナは、拡散燃焼式のものであることから、予混合気を生成するのに適した予混合特性範囲を外れた特性を有する第２燃料を供給しても、逆火や異常燃焼または失火などが生じることがない。したがって、第２燃料として、石油化学プラントや精製プラント、製鉄設備などから発生する副生水素ガスやＶＡＭのような低濃度燃料ガスなどの、現在有効利用されていない種々の燃料を十分に使用できる。

ここで言う「予混合気を生成するのに適した予混合特性範囲」とは、予混合通路内で逆火が発生することのない燃焼速度の範囲と、少量時に燃焼不能が生じたり多量時の過熱が生じたりすることのない発熱量の範囲との双方が含まれている。また、「異なる組成」とは、主成分または元素含有率が相違することをいう。

本発明において、さらに、前記第１燃料を前記第１燃焼領域に噴射して拡散燃焼させるパイロットバーナを備えていることが好ましい。拡散燃焼は、空燃比の大きい予混合燃焼よりも、火炎が安定しているので、ガスタービンの始動時や低負荷時に使用されるのに加え、高負荷でも少量燃焼させることで、失火を防止して予混合燃焼を安定して維持することができる。

本発明において、さらに、前記第１燃料を前記第２燃焼領域にも供給して燃焼させる追加の追焚き用バーナを備えていることが好ましい。これにより、例えば、第２燃料として化学プラントで発生する副生水素ガスを使用する場合、化学プラントの稼働停止などにより第２燃料が不足したときに、第１燃料を追加の追焚き用バーナから第２燃焼領域に供給して、所要の高出力運転を維持することができる。

本発明において、前記第２燃料として水素を用いることができる。これにより、化学プラントなどから発生する水素ガスを燃焼器の燃料として有効利用することができる。

本発明において、前記第１燃料として天然ガスを用い、前記第２燃料として水素または水素含有ガスを用いることができる。これにより、予混合気を生成するのに適した予混合特性範囲を有する天然ガスを用いて第１燃焼領域で良好な予混合燃焼を行わせることができるとともに、所要の予混合特性範囲から外れた特性を有する水素を、追焚き用バーナから第２燃焼領域に噴射して拡散燃焼させて、多量の水素を燃焼器の燃料として有効利用することができる。

本発明において、前記燃焼室を形成する燃焼筒と、前記燃焼筒に設けられて前記燃焼筒の外部から内部の燃焼室に空気を導入する導入パイプとを備え、前記追焚きバーナは、前記導入パイプの中空部に挿入された構成としてもよい。空気の導入により、水素の濃度が低下して燃焼温度が低下する結果、ＮＯｘの発生量を抑制することができる。

本発明において、前記追焚き用の第２燃料を前記第２燃焼領域において稀薄燃焼させることもできる。これにより、ＮＯｘ発生量をさらに低減できる。ここで、「稀薄燃焼」とは、当量比０．５以下の稀薄度で燃焼させることをいう。なお、稀薄燃焼における当量比は、０を越え、０．５以下の範囲内で負荷に応じて調整されるものである。

請求の範囲および／または明細書および／または図面に開示された少なくとも２つの構成のどのような組合せも、本発明に含まれる。特に、請求の範囲の各請求項の２つ以上のどのような組合せも、本発明に含まれる。

本発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施形態の説明から、より明瞭に理解されるであろう。しかしながら、実施形態および図面は単なる図示および説明のためのものであり、本発明の範囲を定めるために利用されるべきものではない。本発明の範囲は添付の請求の範囲によって定まる。添付図面において、複数の図面における同一の符号は、同一または相当する部分を示す。

本発明のガスタービン燃焼器が適用されるガスタービンエンジンを示す概略構成図である。 本発明の第１実施形態に係るガスタービン燃焼器をこれの燃料供給系統を含めて示した概略縦断面図である。 同上のガスタービンエンジンの負荷変動とこれに対応する第２燃料の燃料使用量との関連を示す特性図である。 本発明の第２実施形態に係るガスタービン燃焼器をこれの燃料供給系統を含めて示した概略縦断面図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。本発明の実施形態では、ガスタービン燃焼器が適用されるガスタービンエンジンＧＴは、図１に示すような単缶型であるが、マルチ缶型でもよい。このガスタービンエンジンＧＴは、空気流入口１ａから吸入した空気Ａを圧縮する遠心圧縮機１と、圧縮された空気Ａに燃料を供給して燃焼させる燃焼器２と、燃焼器２からの燃焼ガスで駆動されるタービン３とを有している。燃焼器２は、エンジン回転軸心Ｃに対してほぼ径方向に突出して配置されている。燃焼器２で発生した燃焼ガスは、タービン３へ導かれてタービン３を回転させ、このタービン３に回転軸４で連結されている遠心圧縮機１と、例えば発電機である負荷７とを駆動する。タービン３を通った排ガスＥＧは、排気ダクト８から外部へ排出される。

図２に示すように、この燃焼器２は、遠心圧縮機１（図１）から空気通路２２内に導入される圧縮空気Ａと燃焼ガスＧとが燃焼器２内を互いに逆方向に流れる逆流缶型であり、円筒状のハウジングＨ内にほぼ円筒状の燃焼筒９が収納されている。ハウジンクＨと燃焼筒９との間に遠心圧縮機１からの空気Ａを導入する空気通路２２が形成され、燃焼筒９の内部に燃焼室１０が形成されている。燃焼筒９の頂部にはバーナユニット（ノズルユニット）１１が取り付けられている。

前記バーナユニット１１は、第１燃料Ｆ１として、天然ガス、天然ガスに５％程度の水素が混合されたもの等の燃料、または灯油、軽油のような液体燃料を使用する。このバーナユニット１１は、第１燃料供給源１８から供給される予混合用の第１燃料Ｆ１を含む予混合気Ｍを燃焼室１０内の第１燃焼領域Ｓ１に噴射して予混合燃焼させるメインバーナ１２と、前記第１燃料Ｆ１を第１燃焼領域Ｓ１に直接噴射して拡散燃焼させるパイロットバーナ１３とを備えている。

さらに、燃焼筒９には、燃焼室１０内の第１燃焼領域Ｓ１よりも下流の第２燃焼領域Ｓ２に第２燃料供給源１９から供給される追焚き用の第２燃料Ｆ２を直接噴射して拡散燃焼させる拡散噴射式の追焚きバーナ２０が設けられている。追焚きバーナ２０は、燃焼筒９の周方向に等間隔で複数、例えば２〜１２個設けられる。第２燃料Ｆ２として、天然ガスの他、水素ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、ＶＡＭ，天然ガスに多量の水素を混合したガスなど、天然ガスと組成が異なる、つまり主成分または元素含有率が異なる燃料を使用する。天然ガスに対して、水素ガスおよびＬＰＧは主成分が相違し、ＶＡＭは主成分がメタンで同一であるが、ＣＯ_２を多く含むなど、炭素と水素の含有室が相違する。

燃焼筒９には、その外部の空気通路２２から空気Ａを燃焼室１０に導入する複数の円筒状の導入パイプ２５が設けられており、各導入パイプ２５の内側つまり中空部に追焚きバーナ２０が挿入されている。空気Ａは、追焚きバーナ２０と導入パイプ２５の内周面との隙間を、燃焼筒９の外部から内部の燃焼室１０に向けて流入する。

前記メインバーナ１２はパイロットバーナ１３の外周を囲むように配置されている。このメインバーナ１２は、断面Ｌ字状の環状の外壁１２１と内壁１２２とを有し、外壁１２１と内壁１２２との間に予混合通路１４を形成している。予混合通路１４の上流端は、径方向外向きに開口して、その開口した環状の空気取入口１４ａの径方向外方に、複数のメイン燃料ノズル１７がメインバーナ１２の周方向に等間隔で配置されている。メイン燃料ノズル１７における空気取入口１４ａに対向する部分には、空気取入口１４ａに向けて第１燃料Ｆ１を噴射する複数の燃料噴射孔（図示せず）が形成されており、空気取入口１４ａには、流入空気に旋回を与えて第１燃料Ｆ１との予混合を促進するスワーラ２１が配置されている。拡散燃焼型のパイロットバーナ１３は、外壁１２１の内側空間に配置されている。

第１燃料供給源１８から供給される第１燃料Ｆ１は、第１燃料制御弁２３により流量を調整されたのちに、メイン燃料ノズル１７から予混合通路１４の空気取入口１４ａに向け噴射される。この噴射された第１燃料Ｆ１は、空気通路２２から空気取入口１４ａ内に流入する圧縮空気Ａとともに、スワーラ２１によって旋回を付与されながら予混合通路１４に導入され、この予混合通路１４内を流動しながら予混合され、環状の予混合気噴出口２
４から予混合気Ｍとして燃焼室１０内に噴出される。

ガスタービンエンジンＧＴの起動時には、第１燃料制御弁２３が閉じられ、第２燃料制御弁２７のみが開かれて、第１燃料供給源１８の第１燃料Ｆ１が、第２燃料制御弁２７を介してパイロットバーナ１３から燃焼室１０内に噴射され、点火プラグ（図示せず）による点火により拡散燃焼される。通常運転時には、パイロットバーナ１３からの第１燃料Ｆ１の供給を継続しながら、その火炎を種火として、メインバーナ１２から燃焼室１０内に噴射された予混合気Ｍを予混合燃焼させて、燃焼室１０の上流部において、第１燃焼領域Ｓ１を形成させる。メインバーナ１２およびパイロットバーナ１３は、空燃比（空気流量／燃料流量）がそれぞれの好ましい所定値になるように制御される。

この第１燃焼領域Ｓ１は、第１燃料Ｆ１を希薄予混合燃焼させることにより、ＮＯx 、ＣＯなどを低減させ、低エミッションを達成する。したがって、第１燃料としては、予混合気Ｍを生成するのに適した予混合特性範囲を有するものが用いられる。その予混合特性範囲としては、比較的長い予混合通路１４内で逆火が発生することのない燃焼速度の範囲と、少量時の燃焼不能や多量時の過熱が生じない発熱量の範囲との双方が含まれる。実験結果によると、燃焼速度Ｍｃｐの範囲は、およそ３２〜３９ｃｍ／ｓであり、発熱量の範囲はおよそ２９〜４２ＭＪ／m^３Ｎである。

燃焼室１０内における第１燃焼領域Ｓ１よりも下流側には、第２燃料供給源１９から供給されて追焚きバーナ２０から噴射される第２燃料Ｆ２が拡散燃焼されることにより、第２燃焼領域Ｓ２が形成される。第２燃料Ｆ２は、拡散燃焼式の追焚きバーナ２０から直接噴射されて拡散燃焼されることから、流量が変動しても、予混合通路１４内への逆火などが生じることがないので、第２燃料Ｆ２として、第１燃料Ｆ１が有する予混合特性範囲を外れた特性の燃料を用いても支障が生じない。また、第２燃料Ｆ２としては、成分が変化するものや低品質のものであっても用いることができる。

第２燃焼領域Ｓ２は、ガスタービンエンジンＧＴの運転負荷の変動に応じて運転範囲を高出力側へ広げるために形成されるものであって、図３に示すように、ガスタービンエンジンＧＴの運転負荷の増大が一定値を越えたときに、図２の第３燃料制御弁２８が運転負荷の変動に応じた開度だけ開くように調整されて、第２燃料供給源１９から所要量の第２燃料Ｆ２が、ミキサー２９および第３燃料制御弁２８を介して追焚きバーナ２０に供給される。図３から明らかなように、エンジンＧＴの運転負荷が増大するのに伴って第２燃料Ｆ２の使用量も増大するので、高負荷においてその時点で十分に利用されていない水素ガスなどを燃焼器２の燃料として大量に使用することができる。この場合、第２燃焼領域Ｓ２での第２燃料Ｆ２の供給量の多少にかかわらず、第１燃焼領域Ｓ１の保炎性能はメインバーナ１２およびパイロットバーナ１３によって確保される。

この燃焼器２では、第２燃料Ｆ２が不足した場合、第４燃料制御弁３０を開いて第１燃料供給源１８の第１燃料Ｆ１を逆止弁３１を通して第２燃料供給源１９側に供給して、その第１燃料Ｆ１と第２燃料供給源１９からの第２燃料Ｆ２とをミキサー２９で混合して、追焚きバーナ２０に供給する。第２燃料Ｆ２は、逆止弁３１によって、第１燃料Ｆ１側への流入が防止される。

ここで、空気通路２２内の空気Ａが導入パイプ２５を通って燃焼室１０内に流入することで、追焚きバーナ２０からの水素の濃度が低下して稀薄燃焼状態となり、燃焼温度が低下する結果、ＮＯｘの発生量を抑制することができる。なお、空気により水素ガスが希釈されるので、還元作用は弱いが、予混合燃焼される第１燃焼領域Ｓ１でのＮＯｘ発生量は少ないので、水素ガスの還元作用による低ＮＯｘ化の効果は期待していない。なお、導入パイプ２５を用いなくても、例えば、燃焼筒９における追焚きバーナ２０の近傍に、空気通路２２内の圧縮空気Ａを燃焼室１０内に導入する空気導入孔を一つ以上形成することによっても稀薄燃焼を実現できる。

図４は本発明の第２実施形態を示す。同図において、図２と同一若しくは相当するものに同一の符号を付して、重複する説明を省略する。この第２実施形態のガスタービン燃焼器２Ａが図２のガスタービン燃焼器と相違するのは、第１実施形態の燃焼筒９における通常の追焚きバーナ２０の近傍箇所に、追加の追焚きバーナ３３を設けたことである。この追焚きバーナ３３に、メインバーナ１２への燃料供給系から分岐し、かつ第５燃料制御弁３４が設けられた燃料供給系を接続する。そして、必要に応じて第５燃料制御弁３４を開いて、メインバーナ１２の燃料供給系の第１燃料Ｆ１を、追加の追焚きバーナ３３から第２燃焼領域Ｓ２に噴射させる。

また、追加の追焚きバーナ３３は、通常の追焚きバーナ２０と同数だけ設けて、通常の追焚きバーナ２０と周方向の位置が交互の配置となるように等間隔に設ける。例えば、追加の追焚きバーナ３３および通常の追焚きバーナ２０を共に４つ設ける場合、同一円上に９０度間隔で設けられている４つの通常の追焚きバーナ２０に対し、その上流側または下流側に、４つの追加の追焚きバーナ３３を、４５°位相をずらせて、同一円上に９０度間隔で配置する。これにより、追加の追焚きバーナ３３および通常の追焚きバーナ２０の両方を使用する場合、第２燃焼領域Ｓ２における第１燃料Ｆ１と第２燃料Ｆ２の濃度を均一化して、良好な燃焼状態を得ることができる。

この第２実施形態のガスタービン燃焼器２Ａでは、第１実施形態で説明したのと同様の効果が得られるのに加えて、化学プラントの稼働停止などによって第２燃料Ｆ２である水素ガスが使用不可となる事態が生じた場合、第５燃料制御弁３４を開いて、メインバーナ１２の燃料供給系から分流させた第１燃料Ｆ１を、追焚きバーナ３３を介して燃焼室１０内に噴射することにより、第２燃焼領域Ｓ２を安定的に維持することができる。第２燃料Ｆ２が不足した場合には、通常の追焚きバーナ２０と追加の追焚きバーナ３３の両方を作動させて、第１燃料Ｆ１と第２燃料Ｆ２とを燃焼室１０内に供給する。

第１燃料として天然ガスを使用している場合、通常の追焚きバーナ２０は、体積の少ない天然ガスに対応する小さなバーナ径に設定される。ここで、水素ガスは天然ガスよりも単位熱量当たりの体積が大きいので、通常の追焚きバーナ２０を水素ガスの噴射に使用すると、必要量を噴射することができない。これに対し、この第２実施形態では、水素ガス用の追加の追焚きバーナ３３を設けているので、この追焚きバーナ３３を、水素ガスの体積に対応した大きなバーナ径に設定することにより、第２燃料Ｆ２としての水素ガスを噴射する場合に、必要量を噴射することができる。

発明者らの分析によれば、予混合燃焼方式のメインバーナ１２と追焚きバーナ２０とを組み合わせたガスタービン燃焼器２Ａでは、メインバーナ１２による低エミッション性能に悪影響を与えない第２燃料Ｆ２の割合は、熱量換算で全体の３０％程度である。その場合、この第２実施形態のガスタービン燃焼器２Ａでは、通常の追焚きバーナ２０から噴射する第２燃料Ｆ２を１００％水素ガスとし、水素ガスの熱量を第１燃料Ｆ１である天然ガスの１／４とすると、体積流量配分に換算して、第１燃料Ｆ１（天然ガス）対第２燃料Ｆ２（水素ガス）の体積比が７：１２となる。すなわち、第１燃料Ｆ１が３６．８４％（７／１９）で、第２燃料Ｆ２が６３．１５％（１２／１９）となる。

従来のように第１燃料Ｆ１の天然ガスに第２燃料Ｆ２の水素ガスが混合されて予混合燃焼に用いる場合、逆火や異常燃焼の回避を考慮すると、第２燃料Ｆ２の混合割合の上限が体積比で５％程度であるのに比較して、本発明では、燃料全体の６０％余りを第２燃料Ｆ２の水素ガスで賄うことができる。したがって、従来において十分に利用できなかった水素ガスをガスタービン燃焼器２Ａの第２燃料として大量に有効利用することができる。

以上のとおり、図面を参照しながら好適な実施形態を説明したが、当業者であれば、本件明細書を見て、自明な範囲内で種々の変更および修正を容易に想定するであろう。したがって、そのような変更および修正は、請求の範囲から定まる発明の範囲内のものと解釈される。

１０ 燃焼室
１２ メインバーナ
１３ パイロットバーナ
２０ 追焚きバーナ
２５ 導入パイプ
３３ 追加の追焚きバーナ
Ｓ１ 第１燃焼領域
Ｓ２ 第２燃焼領域
Ｍ 予混合気

Claims (6)

1. 燃焼室内の第１燃焼領域に予混合用の第１燃料を含む予混合気を供給して予混合燃焼させるメインバーナと、
   前記燃焼室内の前記第１燃焼領域よりも下流の第２燃焼領域に、前記第１燃料とは異なる組成の追焚き用の第２燃料を供給して拡散燃焼させる追焚きバーナと、
   前記第１燃料を前記第２燃焼領域に供給して燃焼させる追加の追焚き用バーナとを備え、
   前記第１燃料は、予混合気を生成するのに適した予混合特性範囲を有し、前記第２燃料は前記予混合特性範囲から外れた特性を有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において、さらに、前記第１燃料を前記第１燃焼領域に噴射して拡散燃焼させるパイロットバーナを備えたガスタービン燃焼器。
3. 請求項１または２に記載のガスタービン燃焼器において、前記第２燃料は水素であるガスタービン燃焼器。
4. 請求項１または２に記載のガスタービン燃焼器において、前記第１燃料は天然ガスであり、前記第２燃料は水素または水素含有ガスであるガスタービン燃焼器。
5. 請求項３または４に記載のガスタービン燃焼器において、前記燃焼室を形成する燃焼筒と、前記燃焼筒に設けられて前記燃焼筒の外部から内部の燃焼室に空気を導入する導入パイプとを備え、
   前記追焚きバーナは、前記導入パイプの中空部に挿入されているガスタービン燃焼器。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載のガスタービン燃焼器において、前記追焚き用の第２燃料は前記第２燃焼領域において稀薄燃焼されるガスタービン燃焼器。

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