JP6037858B2 - 燃焼器 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンの燃焼器に関する。

ガスタービンに用いられる燃焼器としては、ガス燃料とともに、バックアップの燃料として液体燃料である油燃料を焚くことができるデュアル焚き燃焼器が知られている。
デュアル方式のデュアル焚き燃焼器では、燃焼筒内に油燃料のみならず水を噴射することで、火炎温度の低減を図り、ＮＯｘ（窒素酸化物）や煤などの低減を行っている（例えば特許文献１参照）。水は燃料に混合させて供給したり、別途設けられたノズル穴から噴射させたりしている。ＮＯｘや煤を十分に低減するためには、ある程度の量の水を投入する必要がある。

特開平６−６６１５６号公報

しかしながら、添加する水を増加させることによって、メインノズルなどの燃料ノズルから噴射される燃料の軌跡が変わるなどして、燃焼特性に影響が出る場合がある。燃焼特性が変わることによって、燃焼振動が高くなったり、燃焼器メタル温度が高くなったりするなどの不具合に繋がるため、水の投入量は制限されている。

この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、ＮＯｘや煤などを低減させるために水又は蒸気が供給されるガスタービンの燃焼器において、供給される水又は蒸気が燃料ノズルから噴射される燃料に及ぼす影響を小さくするとともに、圧縮空気に均一に水をいきわたらせることができる燃焼器を提供することにある。

上記の目的を達成するために、この発明は以下の手段を提供している。
本発明の燃焼器は、燃焼器外筒と、前記燃焼器外筒の内部に設けられる筒状の燃焼器内筒と、前記燃焼器外筒の内周面と前記燃焼器内筒の外周面との間に形成された空気流路と、前記燃焼器内筒の内部に設けられ、燃料を噴射する複数の燃料ノズルと、前記空気流路を流れる空気が、前記燃焼器内筒の後端の反転部で流通方向が反転されて前記複数の燃料ノズルに導入される燃焼器であって、前記空気流路における前記反転部よりも以前に設けられ、該空気に水又は蒸気を供給する水供給部とを備え、前記水供給部は、前記燃焼器の内部であって前記燃料ノズルの根元に設けられていることを特徴とする。

上記構成によれば、水又は蒸気を供給するための水供給部を別途設けたことによって、供給される水又は蒸気が燃料ノズルから噴射される燃料に及ぼす影響を小さくすることができる。また、水供給部から燃料ノズルまでに至るまでの距離を十分確保できるため、圧縮空気に均一に水をいきわたらせることができる。
また、上記構成によれば、各燃料ノズルへの水の流入量を調整しやすくなる。

上記燃焼器において、前記水又は蒸気の供給量と前記燃料の噴射量との比Ｗ／Ｆが所定の値までは、前記燃料ノズルから水又は蒸気を供給し、前記比Ｗ／Ｆが所定の値以上からは、前記燃料ノズルからの水又は蒸気の供給量を一定にするとともに、前記水供給部から水を供給するように制御を行う制御部を有することが好ましい。
また、本発明の燃焼器は、燃焼器外筒と、前記燃焼器外筒の内部に設けられる筒状の燃焼器内筒と、前記燃焼器外筒の内周面と前記燃焼器内筒の外周面との間に形成された空気流路と、前記燃焼器内筒の内部に設けられ、燃料を噴射する複数の燃料ノズルと、前記空気流路を流れる空気が、前記燃焼器内筒の後端の反転部で流通方向が反転されて前記複数の燃料ノズルに導入される燃焼器であって、前記空気流路における前記反転部よりも以前に設けられ、該空気に水又は蒸気を供給する水供給部を備え、前記水又は蒸気の供給量と前記燃料の噴射量との比Ｗ／Ｆが所定の値までは、前記燃料ノズルから水又は蒸気を供給し、前記比Ｗ／Ｆが所定の値以上からは、前記燃料ノズルからの水又は蒸気の供給量を一定にするとともに、前記水供給部から水又は蒸気を供給するように制御を行う制御部を有することを特徴とする。
上記燃焼器において、前記水供給部は、前記空気流路上に設けられていることが好ましい。

上記構成によれば、所定のＷ／Ｆまでは、火炎に近い燃料ノズルから水又は蒸気が添加されるため、効果的にＮＯｘが低減される。一方、所定のＷ／Ｆ以上からは、水供給部から水又は蒸気が添加されるため、水又は蒸気の噴射に伴う燃焼振動の増大、メタル温度の上昇などの予想外の挙動を抑制することができる。

上記燃焼器において、前記制御部は、前記水供給部から水又は蒸気を供給する際、前記空気の運動量と前記燃料の運動量の比が一定となるように、前記燃料ノズルからの水又は蒸気の供給量を制御することが好ましい。

上記構成によれば、燃焼状態の突然変異をさらに抑制することができる。

本発明によれば、水又は蒸気を供給するための水供給部を別途設けたことによって、供給される水又は蒸気が燃料ノズルから噴射される燃料に及ぼす影響を小さくすることができる。また、水供給部から燃料ノズルまでに至るまでの距離を十分確保できるため、圧縮空気に均一に水をいきわたらせることができる。

本発明の第一実施形態の燃焼器における内筒内部の構成を示す断面図である。 本発明の第二実施形態の燃焼器における内筒内部の構成を示す断面図である。 本発明の第三実施形態の燃焼器の制御方法を説明するグラフである。 本発明の第四実施形態の燃焼器の制御方法を説明するグラフである。 本発明の第四実施形態の燃焼器の制御方法を説明するフローチャートである。

（第一実施形態）
以下、本発明の第一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１に示すように、本実施形態のガスタービン燃焼器１（以下、単に燃焼器１と呼ぶ）は、ガス焚きのほかに油焚きが可能なデュアル方式のものであり、車室２の内部に収容された内筒３と、内筒３に嵌合される尾筒４と、内筒３の外周側を覆うとともに車室２の内壁に当接された外筒５とを備える。尾筒４は、中空の管状部材である。内筒３は、同じく中空の管状部材であって、その外径は尾筒４の内径よりも若干小径に形成されている。

また、燃焼器１は、その中心に設置されるとともに拡散燃焼を行うパイロットノズル７と、パイロットノズル７の外周側の周方向に等間隔となるように複数配置されるとともに予混合燃焼を行うメインノズル８とからなる燃料ノズルを備えている。また、燃焼器１は、パイロットノズル７の先端側を覆うように設置されるパイロットコーン９と、メインノズル８の先端側を覆うように設置されるメインバーナ１０と、パイロットノズル７の外壁とパイロットコーン９の内壁との間に設置されるパイロットスワラ１１と、メインノズル８の外壁とメインバーナ１０の内壁との間に設置されるメインスワラ１２と、を備えている。

また、燃焼器１には、内筒３の軸方向（以下、単に軸方向とよぶ）他方側（図１の左側）において内筒３の更に外周に接続された複数の第二リブ１５が設けられている。また、燃焼器１には、軸方向一方側における外筒５と内筒３との間の空間への入り口部分に設けられた多孔板によって構成されるパンチメタル１６を支持する第一リブ１４が設けられている。この第一リブ１４と第二リブ１５とが外筒５及び内筒３に接続されることで、外筒５に内筒３が支持固定される。

メインノズル８には、油燃料とともに水が供給される燃料管１９が接続されている。外筒５の内周面と内筒３の外周面との間には、圧縮空気が流通する空気流路２０が形成されている。この空気流路２０に流入した圧縮空気は、外筒５の底部分（パイロットノズル７及びメインノズル８の基部）の反転部２１で図１の矢印で示すように１８０°転回することで、内筒３の内部に供給される。

そして、空気流路２０上であって反転部２１より上流側には、空気流路２０を流通する圧縮空気に水を噴射するための複数の水噴射ノズル２２（水供給部）が設けられている。具体的には、水噴射ノズル２２は、内筒３の周方向に等間隔に配置されており、水を噴射するための複数の水噴射孔２３を備えている。

次に、本実施形態の燃焼器１の作用について説明する。
まず、図示しない圧縮機の出口から車室２内に排出される圧縮空気は、外筒５と内筒３との間にできる空間に、パンチメタル１６を通じて流れ込む。このパンチメタル１６は、多孔板とすることで抵抗を与えることで、燃焼器１に流れ込む圧縮空気を整流させる役割を果たす。パンチメタル１６を通じて、外筒５と内筒３との間の空間に流れ込んだ圧縮空気は、外筒５の内壁に沿って流れる。この際、圧縮空気には、水噴射ノズル２２から水が供給される。水噴射ノズル２２からは、水が水滴（液体）として供給されるが、圧縮空気の温度によって蒸発し水蒸気となる。
一方、油焚き運転の際においては、パイロットノズル７及びメインノズル８に対する燃料ガスの供給が停止され、それぞれに燃料管１９を介して油燃料及び水が供給される。

そして、圧縮空気が反転部２１で１８０°転回する。圧縮空気と水蒸気とは、反転部２１において圧縮空気に発生する渦によって、より混合される。そして、内筒３の内部に水蒸気を含んだ圧縮空気が供給される。圧縮空気には燃焼器１のパイロットスワラ１１及びメインスワラ１２で旋回流が与えられて、パイロットノズル７による拡散燃焼及びメインノズル８による予混合燃焼に使用される。

上記実施形態によれば、水を噴射するための水噴射ノズル２２を別途設けたことによって、供給される水が燃料ノズル７，８から噴射される燃料に及ぼす影響を小さくすることができる。
また、水噴射ノズル２２から燃料ノズル７，８までに至るまでの距離を十分確保したことによって、圧縮空気に均一に水をいきわたらせることができる。

なお、上記実施形態では、水噴射ノズル２２から水を噴射する構成を示したが、水噴射ノズル２２からは蒸気（水蒸気）を噴射してもよい。

（第二実施形態）
次に、本発明の第二実施形態の燃焼器１について説明する。なお、本実施形態では、上述した第一実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。
図２に示すように、本実施形態の水噴射ノズル２２は、燃焼器外筒５の内部であって、パイロットノズル７とメインノズル８とを有する燃料ノズル７，８の根元に設けられている。
水噴射ノズル２２から噴射される水は、反転部２１において反転する圧縮空気に向けて噴射される。

上記実施形態によれば、水噴射ノズル２２が各燃料ノズル７，８にそれぞれ設けられていることによって、各燃料ノズル７，８への水の流入量を調整しやすくなる。

（第三実施形態）
次に、本発明の第三実施形態の燃焼器１について説明する。なお、本実施形態では、上述した第一実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。
本実施形態の燃焼器１は、メインノズル８からの水噴射量と、水噴射ノズル２２からの水噴射量とを、水の量と燃料の量との比Ｗ／Ｆに応じて制御することを特徴としている。即ち、本実施形態の燃焼器１は図示しない制御装置（制御部）により、Ｗ／Ｆに基づいて水噴射量が制御される。

具体的には、図３のグラフに示すように、本実施形態の燃焼器１は所定のＷ／Ｆまではメインノズル８から水を噴射し、所定のＷ／Ｆ以上からは、水噴射ノズル２２から水を噴射するように制御される。一方、所定のＷ／Ｆ以上からは、メインノズル８から噴射される水の量が一定となるように制御される。

上記実施形態によれば、所定のＷ／Ｆまでは、火炎に近いメインノズル８から水が添加されるため、効果的にＮＯｘが低減される。一方、所定のＷ／Ｆ以上からは、水噴射ノズル２２から水が添加されるため、水の噴射に伴う燃焼振動の増大、メタル温度の上昇などの予想外の挙動を抑制することができる。

（第四実施形態）
次に、本発明の第四実施形態の燃焼器１について説明する。なお、本実施形態では、上述した第三実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。
本実施形態の燃焼器１は、メインノズル８からの水噴射量と、水噴射ノズル２２からの水噴射量とを、水と燃料との比Ｗ／Ｆに応じて制御し、さらに、空気の運動量と燃料の運動量の比が一定となるように、燃料ノズルからの水噴射量を制御することを特徴としている。

具体的には、図４のグラフに示すように、所定のＷ／Ｆまではメインノズル８から水を噴射し、所定のＷ／Ｆ以上からは、水噴射ノズル２２から水を噴射するように制御する。一方、所定のＷ／Ｆ以上でも僅かにメインノズル８から水を添加する。
所定のＷ／Ｆ以上においてメインノズル８から添加される水噴射量の割合は、以下に示す方法で決定される。

図５は、本実施形態の燃焼器１の制御方法に用いられる、メインノズル８から添加される水噴射量の割合を決定する方法を示すフローチャートである。
まず、運動量比規定工程Ｓ１として、空気と燃料の混合が最適となる運動量比ＲＴを規定する。即ち、空気と燃料の混合が最適となるのは、運動量比ＲＴが最適になる一つの条件に限られるため、この運動量比ＲＴを予め規定する。

次に、添加総流量指令工程Ｓ２として、圧縮空気に添加される水の総流量を決定する。水の総流量は、燃焼器１の仕様や、要求されるＮＯｘの低減量などに応じて決定される。

次に、上流水割合仮定工程Ｓ３として、メインノズル８から添加される水噴射量の割合（上流水割合）を仮定する。即ち、所定のＷ／Ｆ以上において、添加総流量指令工程Ｓ２にて指令された添加される水の総流量に対するメインノズル８からの水の供給量と、上流側の水噴射ノズル２２からの水の供給量との割合を仮定する。

次に、運動量演算工程Ｓ４として、上流水割合仮定工程Ｓ３にて仮定された上流水割合に基づいたメインノズル８から噴射される燃料及び水の運動量（以下、燃料運動量ＦＭと呼ぶ）を演算するとともに、水噴射ノズル２２から添加された水を含んだ圧縮空気の運動量（以下、空気運動量ＡＭと呼ぶ）を演算する。

燃料運動量ＦＭは、例えば、燃料管１９に設けられた流量計によって計測された流量と、メインノズル８の口径によって演算することができる。空気運動量ＡＭは、例えば、ガスタービンの圧縮機の回転数、負荷、ＩＧＶ（Inlet Guide Vane、入口案内翼）のコントロール状態などの数値を用いて演算することができる。これらの数値は、ガスタービンの制御装置が予め設定した運転マップにより把握することができる。

次いで、運動量比比較工程Ｓ５として、予め規定された運動量比ＲＴと運動量演算工程Ｓ４で演算された燃料運動量ＦＭと空気運動量ＡＭとから算出された運動量比ＲＡとを比較する。ここで、算出された運動量比ＲＡが、規定された運動量比ＲＴと等しい場合、上流水割合仮定工程Ｓ３にて仮定された燃料側水割合を採用する。一方、算出された運動量比ＲＡが、規定された運動量比ＲＴと等しくない場合、上流水割合仮定工程Ｓ３から運動量演算工程Ｓ４までの一連の工程を再度実施する。
以上のＳ１〜Ｓ５までの工程により、メインノズル８から添加される水噴射量の割合が決定される。即ち、以上の工程により決定された燃料側水割合とすることによって、空気の運動量と燃料の運動量の比が一定となるように制御される。

上記実施形態によれば、空気と燃料の混合が最適となる運動量比を保つように燃料側の水噴射量が調整されるため、燃焼状態の突然変異をさらに抑制することができる。

なお、上記実施形態では、規定された運動量比ＲＴと算出された運動量比ＲＡとを比較しながら上流水割合を決定したが、これに限ることはなく、あらかじめ運動量計算を実施して作成した運転マップに従って運転してもよい。

１ 燃焼器
２ 車室
３ 内筒
４ 尾筒
５ 外筒
７ パイロットノズル
８ メインノズル
９ パイロットコーン
１０ メインバーナ
１１ パイロットスワラ
１２ メインスワラ
１４ 第一リブ
１５ 第二リブ
１６ パンチメタル
１７ 支柱
１９ 燃料管
２０ 空気流路
２１ 反転部
２２ 水噴射ノズル（水供給部）
２３ 水噴射孔

Claims (5)

1. 燃焼器外筒と、
   前記燃焼器外筒の内部に設けられる筒状の燃焼器内筒と、
   前記燃焼器外筒の内周面と前記燃焼器内筒の外周面との間に形成された空気流路と、
   前記燃焼器内筒の内部に設けられ、燃料を噴射する複数の燃料ノズルと、
   前記空気流路を流れる空気が、前記燃焼器内筒の後端の反転部で流通方向が反転されて前記複数の燃料ノズルに導入される燃焼器であって、
   前記空気流路における前記反転部よりも以前に設けられ、該空気に水又は蒸気を供給する水供給部を備え、
   前記水供給部は、前記燃焼器の内部であって前記燃料ノズルの根元に設けられていることを特徴とする燃焼器。
2. 前記水又は蒸気の供給量と前記燃料の噴射量との比Ｗ／Ｆが所定の値までは、前記燃料ノズルから水又は蒸気を供給し、前記比Ｗ／Ｆが所定の値以上からは、前記燃料ノズルからの水又は蒸気の供給量を一定にするとともに、前記水供給部から水又は蒸気を供給するように制御を行う制御部を有することを特徴とする請求項１に記載の燃焼器。
3. 燃焼器外筒と、
   前記燃焼器外筒の内部に設けられる筒状の燃焼器内筒と、
   前記燃焼器外筒の内周面と前記燃焼器内筒の外周面との間に形成された空気流路と、
   前記燃焼器内筒の内部に設けられ、燃料を噴射する複数の燃料ノズルと、
   前記空気流路を流れる空気が、前記燃焼器内筒の後端の反転部で流通方向が反転されて前記複数の燃料ノズルに導入される燃焼器であって、
   前記空気流路における前記反転部よりも以前に設けられ、該空気に水又は蒸気を供給する水供給部を備え、
   前記水又は蒸気の供給量と前記燃料の噴射量との比Ｗ／Ｆが所定の値までは、前記燃料ノズルから水又は蒸気を供給し、前記比Ｗ／Ｆが所定の値以上からは、前記燃料ノズルからの水又は蒸気の供給量を一定にするとともに、前記水供給部から水又は蒸気を供給するように制御を行う制御部を有することを特徴とする燃焼器。
4. 前記水供給部は、前記空気流路上に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の燃焼器。
5. 前記制御部は、前記水供給部から水又は蒸気を供給する際、前記空気の運動量と前記燃料の運動量の比が一定となるように、前記燃料ノズルからの水又は蒸気の供給量を制御することを特徴とする請求項２から４のいずれか一項に記載の燃焼器。

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