JP6130737B2 - Combustor and method of operating combustor - Google Patents
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Classifications
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
- F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
- F23R2900/00006—Using laser for starting or improving the combustion process
Description
本発明は、燃焼支援装置を備えた燃焼器、およびその運転方法に関する。 The present invention relates to a combustor including a combustion support device and an operation method thereof.
環境保護の観点からガスタービンにはＮＯｘ排出量のさらなる低減が求められている。ガスタービン燃焼器のＮＯｘ排出量低減のための一方策として、予混合燃焼器があげられるが、この場合、火炎が予混合器内部に入り込み燃焼器を焼損させる逆火現象が懸念される。 From the viewpoint of environmental protection, gas turbines are required to further reduce NOx emissions. A premix combustor is one of the measures for reducing the NOx emission amount of the gas turbine combustor. In this case, there is a concern about a flashback phenomenon in which a flame enters the premixer and burns the combustor.
特許文献１には、燃焼室に燃料を供給する燃料ノズルと、この燃料ノズルの下流側に位置し、空気を供給する空気孔とを多数備え、燃料ノズルの噴出孔と空気孔とを同軸上に配置した燃料燃焼用ノズルから構成される燃焼器が開示されている。 Patent Document 1 includes a fuel nozzle that supplies fuel to the combustion chamber, and a large number of air holes that are located downstream of the fuel nozzle and that supply air. A combustor comprising a fuel combustion nozzle arranged in the above is disclosed.
特許文献２には、機関の燃焼室内にレーザを発振するレーザ発振器と、該レーザ発振器の発振制御を行う発振制御装置とを具備し、上記燃焼室内に複数回のレーザ発振を行って機関の点火を行うレーザ点火装置が開示されている。 Patent Document 2 includes a laser oscillator that oscillates a laser in a combustion chamber of an engine, and an oscillation control device that controls oscillation of the laser oscillator, and performs laser oscillation a plurality of times in the combustion chamber to ignite the engine. A laser igniter that performs the above is disclosed.
ガスタービンは、着火から定格負荷まで幅広い運転条件を安定に運転させるとともに、ＮＯｘ排出量の低減が必要である。特許文献１ではバーナを複数配置したマルチバーナの構成や燃料ノズルによる混合促進構造が開示されているが、ＮＯｘ排出量をさらに低減するためには燃料と空気をより一層均一化する必要がある。しかし、その場合、燃焼安定性が低下する可能性がある。 A gas turbine is required to stably operate over a wide range of operating conditions from ignition to a rated load, and to reduce NOx emissions. Patent Document 1 discloses a multi-burner configuration in which a plurality of burners are arranged and a mixing promotion structure using a fuel nozzle. However, in order to further reduce NOx emissions, it is necessary to make fuel and air more uniform. However, in that case, combustion stability may be reduced.
燃焼安定性の改善のための一方策として、燃焼支援装置の導入が挙げられる。このような燃焼支援装置としては、特許文献２で開示されているようなレーザを用いたものが一手段として考えられる。しかし、この場合、レーザ燃焼支援装置の一部を構成する光学系は、高温となる燃焼器構造に接したり燃焼空気流に曝されたりする。光学系はレンズやミラー、光ファイバなどの光学部品で構成されるが、これらの光学部品は高温の燃焼器や燃焼空気には耐えることができない。したがって、光学系を燃焼器へ組み込むためには冷却する手段が必要となる。しかし、冷却のために別に補機を加えるとすると、それによりシステム全体が複雑になることや、その補機が消費するエネルギによりシステム全体の効率が低下する可能性がある。 One measure for improving combustion stability is the introduction of a combustion support device. As such a combustion support device, one using a laser as disclosed in Patent Document 2 is considered as one means. However, in this case, the optical system constituting a part of the laser combustion support apparatus is in contact with the combustor structure that becomes high temperature or exposed to the combustion air flow. The optical system is composed of optical components such as lenses, mirrors, and optical fibers, but these optical components cannot withstand high-temperature combustors or combustion air. Therefore, a cooling means is required to incorporate the optical system into the combustor. However, if additional auxiliary equipment is added for cooling, the entire system may be complicated thereby, and the efficiency of the entire system may be reduced due to energy consumed by the auxiliary equipment.
そこで本発明は、システムの効率低下を回避しつつ、レーザ燃焼支援装置を用いた燃焼安定性の向上が可能な燃焼器を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a combustor capable of improving combustion stability using a laser combustion support apparatus while avoiding a decrease in system efficiency.
本発明は、レーザ光を発射するレーザ発振器と、前記レーザ発振器から発射されるレーザ光を導く光ファイバケーブルと、前記光ファイバケーブルにより導かれたレーザ光を燃焼室内に位置する焦点に集光させる光学系とを有するレーザ燃焼支援装置と、前記焦点に向かって燃料を噴射する冷却用燃料流路とを備え、前記光学系が前記冷却用燃料流路内に配置されていることを特徴とする。 The present invention provides a laser oscillator that emits laser light, an optical fiber cable that guides laser light emitted from the laser oscillator, and condenses the laser light guided by the optical fiber cable at a focal point located in a combustion chamber. A laser combustion support apparatus having an optical system; and a cooling fuel flow path for injecting fuel toward the focal point, wherein the optical system is disposed in the cooling fuel flow path. .
本発明によれば、システムの効率低下を回避しつつ、レーザ燃焼支援装置を用いた燃焼安定性の向上が可能な燃焼器を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the combustor which can improve the combustion stability using a laser combustion assistance apparatus can be provided, avoiding the efficiency fall of a system.
以下、各実施例について説明する。 Each example will be described below.
図７は発電用ガスタービンプラントの全体構成を表すシステム図である。図７において、発電用ガスタービンは、吸い込み空気１５を加圧して高圧空気１６を生成する圧縮機１と、圧縮機１で生成した高圧空気１６とガス燃料５０とを燃焼させて高温燃焼ガス１８を生成する燃焼器２と、燃焼器２で生成した高温燃焼ガス１８によって駆動されるタービン３と、タービン３の駆動によって回転され電力を発生させる発電機８と、圧縮機１、タービン３及び発電機８を一体に連結するシャフト７を備える。 FIG. 7 is a system diagram showing the overall configuration of the power generation gas turbine plant. In FIG. 7, the power generation gas turbine pressurizes the suction air 15 to generate the high-pressure air 16, and the high-pressure air 16 generated by the compressor 1 and the gas fuel 50 are combusted to burn the high-temperature combustion gas 18. , The turbine 3 driven by the high-temperature combustion gas 18 generated in the combustor 2, the generator 8 that is rotated by driving the turbine 3 to generate electric power, the compressor 1, the turbine 3, and the power generation A shaft 7 for integrally connecting the machine 8 is provided.
そして、燃焼器２は、ケーシング４の内部に格納されている。また、燃焼器２は、その頭部にバーナ６を備え、このバーナ６の下流側となる燃焼器２の内部に、高圧空気と燃焼ガスとを隔てる概略円筒状の燃焼器ライナ１０を備える。 The combustor 2 is stored inside the casing 4. Further, the combustor 2 includes a burner 6 at the head thereof, and a combustor liner 10 having a substantially cylindrical shape separating high-pressure air and combustion gas inside the combustor 2 on the downstream side of the burner 6.
この燃焼器ライナ１０の外周には、高圧空気を流下させる空気流路を形成する外周壁となるフロースリーブ１１が配設されている。フロースリーブ１１は燃焼器ライナ１０よりも直径が大きく、燃焼器ライナ１０とほぼ同心円の円筒状に配設されている。また、燃焼器ライナ１０の下流側には、燃焼器２の燃焼室５で発生した高温燃焼ガス１８をタービン３に導くための尾筒内筒１２が配設されている。また、尾筒内筒１２の外周側に、尾筒外筒１３が配設されている。 On the outer periphery of the combustor liner 10, a flow sleeve 11 serving as an outer peripheral wall forming an air flow path for allowing high-pressure air to flow down is disposed. The flow sleeve 11 is larger in diameter than the combustor liner 10 and is disposed in a cylindrical shape that is substantially concentric with the combustor liner 10. Further, on the downstream side of the combustor liner 10, a tail cylinder inner cylinder 12 for guiding the high-temperature combustion gas 18 generated in the combustion chamber 5 of the combustor 2 to the turbine 3 is disposed. Further, a tail cylinder outer cylinder 13 is disposed on the outer peripheral side of the tail cylinder inner cylinder 12.
吸い込み空気１５は、圧縮機１によって圧縮された後に高圧空気１６となり、ガスタービン定格負荷では圧力比によっては４００℃以上の高温となる。高圧空気１６は、ケーシング４内に充満した後、尾筒内筒１２と尾筒外筒１３の間の空間に流入し、尾筒内筒１２を外壁面から対流冷却する。さらに高圧空気１６は、フロースリーブ１１と燃焼器ライナ１０との間に形成された環状の流路を通って燃焼器の頭部に向かって流れる。高圧空気１６は流れる途中で、燃焼器ライナ１０の対流冷却に使用される。 The intake air 15 becomes high-pressure air 16 after being compressed by the compressor 1, and becomes a high temperature of 400 ° C. or higher depending on the pressure ratio at the gas turbine rated load. After the high pressure air 16 is filled in the casing 4, it flows into the space between the tail cylinder inner cylinder 12 and the tail cylinder outer cylinder 13, and convectively cools the tail cylinder inner cylinder 12 from the outer wall surface. Further, the high-pressure air 16 flows toward the combustor head through an annular flow path formed between the flow sleeve 11 and the combustor liner 10. The high-pressure air 16 is used for convective cooling of the combustor liner 10 while flowing.
また、高圧空気１６の一部は、燃焼器ライナ１０に設けられた多数の冷却孔から燃焼器ライナ１０内へその内壁面に沿うように噴き出て、冷却空気膜を形成し、燃焼器ライナ１０を高温の燃焼ガス１８から保護し冷却する。高圧空気１６のうち燃焼器ライナ１０の冷却に使用されなかった残りの燃焼用空気１７は、燃焼室５の上流側壁面に位置する空気孔プレート３１に設けられた多数の空気孔３２から燃焼室５に流入する。 A part of the high-pressure air 16 is ejected from a large number of cooling holes provided in the combustor liner 10 into the combustor liner 10 along the inner wall surface thereof to form a cooling air film, and the combustor liner 10 is protected from the hot combustion gas 18 and cooled. Of the high-pressure air 16, the remaining combustion air 17 that has not been used for cooling the combustor liner 10 is formed from a large number of air holes 32 provided in the air hole plate 31 located on the upstream side wall surface of the combustion chamber 5. 5 flows into.
多数の空気孔３２から燃焼器ライナ１０に流入した燃焼用空気１７は、燃料ノズル２６から噴出される燃料とともに、燃焼室５で燃焼して高温燃焼ガス１８を生成する。この高温燃焼ガス１８は尾筒内筒１２を通じてタービン３に供給される。高温燃焼ガス１８は、タービン３を駆動した後に排出されて、排気ガス１９となる。 Combustion air 17 that has flowed into the combustor liner 10 from a large number of air holes 32 is combusted in the combustion chamber 5 together with fuel ejected from the fuel nozzle 26 to generate high-temperature combustion gas 18. This high-temperature combustion gas 18 is supplied to the turbine 3 through the transition piece inner cylinder 12. The high-temperature combustion gas 18 is exhausted after driving the turbine 3 and becomes exhaust gas 19.
タービン３で得られた駆動力は、シャフト７を通じて圧縮機１及び発電機８に伝えられる。タービン３で得られた駆動力の一部は、圧縮機１を駆動して空気を加圧し高圧空気を生成する。また、タービン３で得られた駆動力の他の一部は、発電機８を回転させて電力を発生させる。 The driving force obtained by the turbine 3 is transmitted to the compressor 1 and the generator 8 through the shaft 7. Part of the driving force obtained by the turbine 3 drives the compressor 1 to pressurize the air and generate high-pressure air. Further, another part of the driving force obtained by the turbine 3 rotates the generator 8 to generate electric power.
バーナ６は燃料系統５１、５２の複数の燃料系統を備える。それぞれの燃料系統は燃料流量調整弁２１、２２を備えており、各燃料系統の流量は燃料流量調整弁で調節され、ガスタービンプラント９の発電量が制御される。また複数の燃料系統に分岐する上流側には、燃料を遮断するための燃料遮断弁２０が備えられている。 The burner 6 includes a plurality of fuel systems 51 and 52. Each fuel system includes fuel flow rate adjusting valves 21 and 22, and the flow rate of each fuel system is adjusted by the fuel flow rate adjusting valve, and the power generation amount of the gas turbine plant 9 is controlled. A fuel shut-off valve 20 for shutting off the fuel is provided on the upstream side where the fuel system branches.
図１は、第一の実施例のガスタービン燃焼器を示す図である。 FIG. 1 is a diagram showing a gas turbine combustor according to a first embodiment.
本実施例のバーナ６は、多数の燃料ノズル２６と、燃料を多数の燃料ノズル２６に分配する燃料ノズルヘッダ２４と、空気および燃料が通過する空気孔３２が配置された空気孔プレート３１から構成される。なお、本実施例では、空気孔３２は燃料ノズルに１対１に対応して配置されている。また、バーナ６の空気孔３２は、バーナ中心軸に対して周方向に傾斜した傾斜角を備えており、バーナの下流に旋回流４０を形成し、旋回流４０で生じた循環流４１により空気孔プレートから浮き上がった火炎４２を形成する。浮き上がり火炎４２は、空気孔プレート３１に火炎が付着しないため、空気孔プレート３１の加熱を抑制できるという利点がある。 The burner 6 of this embodiment is composed of a number of fuel nozzles 26, a fuel nozzle header 24 that distributes fuel to the number of fuel nozzles 26, and an air hole plate 31 in which air holes 32 through which air and fuel pass are arranged. Is done. In the present embodiment, the air holes 32 are arranged in one-to-one correspondence with the fuel nozzles. The air hole 32 of the burner 6 has an inclination angle inclined in the circumferential direction with respect to the burner central axis, forms a swirling flow 40 downstream of the burner, and air is generated by the circulating flow 41 generated by the swirling flow 40. A flame 42 floating from the hole plate is formed. The floating flame 42 has an advantage that heating of the air hole plate 31 can be suppressed because no flame adheres to the air hole plate 31.
本実施例では、安定した燃焼を可能にするために、バーナにレーザ燃焼支援装置を組み込んでいる。レーザ燃焼支援装置は、集光光学系を用いて燃焼室内にレーザ光を焦点に集光し、エネルギを集中させ高温な領域を作ることにより、その点を基部として浮き上がり火炎を安定に保持させ、燃焼を安定化する。 In the present embodiment, a laser combustion assisting device is incorporated in the burner in order to enable stable combustion. The laser combustion assist device focuses the laser beam in the combustion chamber using a condensing optical system, concentrates the energy and creates a high-temperature region, lifts that point as a base, stably holds the flame, Stabilize combustion.
本実施例におけるレーザ燃焼支援装置は、レーザ発振器６１、光ファイバケーブル６２、レーザ集光光学系６３から構成される。レーザ発振器６１は、ガスタービン燃焼器の外部に設置され、レーザ発振器から発射されたレーザ光６５は燃料ノズルヘッダ２４の内部を通る光ファイバケーブル６２により、バーナ６の中心軸を貫く流路に設置されたレーザ集光光学系６３に導かれる。図１においては、レーザ集光光学系６３は集光レンズ６４等で構成されるが、光ファイバケーブル６２で導かれたレーザ光６５を一点に集光させる機能を備えていれば集光レンズに限定されるものではなく、例えばミラーやプリズムなどの光学部品もしくはそれらの組み合わせで構成されてもよい。また、後述する他の実施例でも同様である。 The laser combustion support apparatus in this embodiment includes a laser oscillator 61, an optical fiber cable 62, and a laser focusing optical system 63. The laser oscillator 61 is installed outside the gas turbine combustor, and the laser beam 65 emitted from the laser oscillator is installed in a flow path that penetrates the central axis of the burner 6 by an optical fiber cable 62 that passes through the inside of the fuel nozzle header 24. Is guided to the laser condensing optical system 63. In FIG. 1, the laser condensing optical system 63 includes a condensing lens 64 and the like. However, if the laser condensing lens 64 has a function of condensing the laser light 65 guided by the optical fiber cable 62 at one point, the condensing lens is used. It is not limited, For example, you may be comprised by optical components, such as a mirror and a prism, or those combination. The same applies to other embodiments described later.
本実施例では、光ファイバケーブル６２およびレーザ集光光学系６３の周りには燃料の流路が形成されており、マルチバーナ６に供給する燃料流６７が流れる構造となっている。この燃料流６７により、光ファイバケーブル６２およびレーザ集光光学系６３を、高温となるマルチバーナ６の部材および高温の燃焼用空気１７から隔離することができる。これにより、光ファイバケーブル６２やレーザ集光光学系６３といった光学系への入熱を抑制することができる。 In the present embodiment, a fuel flow path is formed around the optical fiber cable 62 and the laser focusing optical system 63, and a fuel flow 67 supplied to the multi-burner 6 flows. By this fuel flow 67, the optical fiber cable 62 and the laser condensing optical system 63 can be isolated from the member of the multi-burner 6 and the high-temperature combustion air 17 that become hot. Thereby, heat input to the optical system such as the optical fiber cable 62 and the laser condensing optical system 63 can be suppressed.
また、燃料流６７の温度は、光学系の耐熱温度よりも十分に低く、ここではおよそ１００℃以下の低温を想定している。したがって、本実施例のように、光学系の周りに光学系の耐熱温度よりも低温の燃料流６７が流下する冷却用燃料流路を備えることにより、光ファイバケーブル６２やレーザ集光光学系６３といった光学系を冷却することができる。 Further, the temperature of the fuel flow 67 is sufficiently lower than the heat resistant temperature of the optical system, and a low temperature of about 100 ° C. or less is assumed here. Therefore, as in this embodiment, the optical fiber cable 62 and the laser condensing optical system 63 are provided around the optical system by providing a cooling fuel flow path in which the fuel flow 67 having a temperature lower than the heat resistant temperature of the optical system flows down. The optical system can be cooled.
また、レーザ光６５はレーザ集光光学系６３により燃焼室５内のバーナ中心軸８０上に焦点６６を結び、その点を基部として浮き上がり火炎４２が保持される。また同時に、レーザ集光光学系６３冷却に供された燃料流はバーナ中心軸８０に沿って、燃焼室５内に噴射される。これにより、焦点６６に燃料が供給されるため、レーザの強いエネルギにより燃料分子が分解して生成する活性な化学種が火炎４２に供給され、燃焼が促進され火炎４２はより安定に保持される。 Further, the laser beam 65 is focused on the burner central axis 80 in the combustion chamber 5 by the laser focusing optical system 63, and the laser beam 65 is lifted with that point as a base to hold the flame 42. At the same time, the fuel flow provided for cooling the laser focusing optical system 63 is injected into the combustion chamber 5 along the burner central axis 80. Thereby, since the fuel is supplied to the focal point 66, the active chemical species generated by the decomposition of the fuel molecules by the strong energy of the laser is supplied to the flame 42, the combustion is promoted, and the flame 42 is held more stably. .
図１に示すように、バーナ６の燃料系統は中心軸８０に近い燃料ノズルに燃料を供給する燃料系統５１とその外周の燃料ノズルに燃料を供給する燃料系統５２に分かれている。ここで、図２に本実施例に係るガスタービン燃焼器の、負荷と燃料流量の関係を表す概念図を示す。図２に示すように、本実施例の燃焼器では、バーナ中心軸に近い燃料系統５１にはガスタービン負荷によらず常に燃料が供給される。よって、バーナ中心軸を貫く流路の中にレーザ燃焼支援装置の集光光学系６３を組みこむことで、集光光学系は燃料流により常に冷却されるという利点がある。 As shown in FIG. 1, the fuel system of the burner 6 is divided into a fuel system 51 that supplies fuel to a fuel nozzle near the central shaft 80 and a fuel system 52 that supplies fuel to fuel nozzles on the outer periphery thereof. Here, the conceptual diagram showing the relationship between the load and the fuel flow rate of the gas turbine combustor according to the present embodiment is shown in FIG. As shown in FIG. 2, in the combustor of the present embodiment, fuel is always supplied to the fuel system 51 near the burner central axis regardless of the gas turbine load. Therefore, by incorporating the condensing optical system 63 of the laser combustion support apparatus into the flow path passing through the central axis of the burner, there is an advantage that the condensing optical system is always cooled by the fuel flow.
以上のように、本実施例の構成によれば、集光光学系６３が冷却用燃料流路内に配置されていることにより、集光光学系６３の温度が耐熱温度以上となることを防止できるため、冷却用の補機を追加しなくても高温下においてレーザ燃焼支援装置を用いることができる。そのため、補機の追加によるシステムの複雑化や効率低下を回避しつつ、レーザ燃焼支援装置を用いた燃焼安定性の向上が可能な燃焼器を実現することができる。 As described above, according to the configuration of the present embodiment, the condensing optical system 63 is disposed in the cooling fuel flow path, thereby preventing the temperature of the condensing optical system 63 from exceeding the heat resistant temperature. Therefore, the laser combustion support apparatus can be used at a high temperature without adding an auxiliary machine for cooling. Therefore, it is possible to realize a combustor capable of improving the combustion stability using the laser combustion assisting device while avoiding the complexity of the system and the reduction in efficiency due to the addition of auxiliary equipment.
また、冷却用燃料流路から集光光学系６３を冷却した冷却燃料流６７が焦点６６に向かって噴射されることにより、焦点近傍の燃空比を増加させることができる。これにより、レーザ燃焼支援装置による保炎を強化することができるため、単純にレーザ燃焼支援装置を組み込む場合よりも燃焼安定性を向上させることができる。 Further, the cooling fuel flow 67 that cools the condensing optical system 63 from the cooling fuel flow path is injected toward the focal point 66, whereby the fuel-air ratio in the vicinity of the focal point can be increased. Thereby, since the flame holding by the laser combustion support apparatus can be strengthened, the combustion stability can be improved as compared with the case where the laser combustion support apparatus is simply incorporated.
また、冷却用燃料流路がバーナの中心軸８０上に沿って配置され、集光光学系６３の焦点６６が燃焼室５内のバーナ中心軸８０上に位置することにより、バーナ中心部を起点とした火炎を形成することができ、燃焼安定性を更に向上させることができる。特に、本実施例では、バーナ中心軸に対して周方向に傾斜した傾斜角を有する複数の空気孔によってバーナが形成されており、旋回流４０で生じた循環流４１が生じる。そのため、バーナの中心軸８０上に沿って配置された冷却用燃料流路から冷却燃料流６７が噴射されることにより、高温の燃焼ガスを伴う循環流の熱を保炎に利用することが可能となり、バーナの燃焼安定性を相乗的に向上させることができる。 Further, the cooling fuel flow path is disposed along the burner central axis 80, and the focal point 66 of the condensing optical system 63 is located on the burner central axis 80 in the combustion chamber 5. Thus, the flame stability can be further improved. In particular, in this embodiment, the burner is formed by a plurality of air holes having an inclination angle inclined in the circumferential direction with respect to the burner central axis, and a circulating flow 41 generated by the swirling flow 40 is generated. Therefore, the cooling fuel flow 67 is injected from the cooling fuel flow path disposed along the central axis 80 of the burner, so that the heat of the circulating flow accompanied by the high-temperature combustion gas can be used for flame holding. Thus, the combustion stability of the burner can be synergistically improved.
図３に第２の実施例を示す。本実施例では、図１に示した第１の実施例のバーナ６を複数個組み合わせて１つのバーナ３５を構成するようにしたものである。このような構成とすることで、燃料系統を５１〜５４のように複数化して、ガスタービンの負荷の変化に対して柔軟に対処することができるとともに、組み合わせる数により燃焼器１缶あたりの容量の異なるものを比較的に容易に提供できる。 FIG. 3 shows a second embodiment. In this embodiment, one burner 35 is configured by combining a plurality of burners 6 of the first embodiment shown in FIG. By adopting such a configuration, it is possible to flexibly cope with changes in the load of the gas turbine by multiplying the fuel system as 51 to 54, and the capacity per can of the combustor depending on the number of combinations. Can be provided relatively easily.
このような構成においても、バーナ３５を構成するそれぞれのバーナ６にレーザ燃焼支援装置を組み込み、その周囲に燃料の流路を形成することにより、実施例１と同様の原理で光学系の加熱の抑制や冷却を行なうことができる。なお、レーザ燃焼促進装置は組み合わせた全てのバーナに組み込んでも、一部のバーナに組み込んでもよく、燃焼器全体として必要な燃焼安定性が達成されるように適宜設定しても良い。 Even in such a configuration, the laser combustion assisting device is incorporated in each burner 6 constituting the burner 35, and a fuel flow path is formed around the burner 35, so that the heating of the optical system can be performed in the same principle as in the first embodiment. Suppression and cooling can be performed. The laser combustion promoting device may be incorporated in all burners in combination, or may be incorporated in a part of the burners, and may be set as appropriate so as to achieve the necessary combustion stability for the entire combustor.
図４は、実施例３におけるレーザ燃焼支援装置を組み込んだガスタービン燃焼器におけるレーザ燃焼支援装置部分の拡大断面図である。 FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of a laser combustion support device portion in a gas turbine combustor incorporating the laser combustion support device according to the third embodiment.
レーザ集光光学系６３を構成するレンズやミラー、プリズムなどの光学部品は熱により歪みが生じ、焦点位置６６が定まらなくなる恐れがある。また、熱による歪み具合は温度により異なるため、温度の変化によって焦点位置６６が変化し、ひいては浮き上がり火炎４２が保持される位置が変化してしまう恐れがある。そして、保炎位置が意図せず変化した場合、燃焼安定性の低下やＮＯｘ排出量の増加を招く恐れがある。 Optical components such as lenses, mirrors, and prisms constituting the laser condensing optical system 63 are distorted by heat, and the focal position 66 may not be determined. In addition, since the degree of distortion due to heat differs depending on the temperature, the focal position 66 changes due to a change in temperature, and as a result, the position where the flame 42 is lifted may be changed. If the flame holding position is changed unintentionally, there is a risk of lowering combustion stability and increasing NOx emission.
そこで、本実施例ではこのような課題に鑑み、実施例１や実施例２の燃焼器に対し、レーザ集光光学系６３の温度が一定になるように冷却用燃料流６７の流量を制御する機能を付与したことを特徴としている。 Therefore, in the present embodiment, in view of such problems, the flow rate of the cooling fuel flow 67 is controlled so that the temperature of the laser focusing optical system 63 is constant with respect to the combustors of the first and second embodiments. It is characterized by the addition of functions.
本実施例の燃焼器は、冷却用燃料流６７の流量を制御する具体的な構成として、レーザ集光光学系６３の温度を測定する温度センサ６９と、冷却用燃料流量調整弁６８と、温度センサ６９からの測定信号に基づいて冷却用燃料流量調整弁６８の開度を制御する燃料流量制御装置５６を備えている。 The combustor of the present embodiment has a temperature sensor 69 that measures the temperature of the laser focusing optical system 63, a cooling fuel flow rate adjustment valve 68, and a temperature as a specific configuration for controlling the flow rate of the cooling fuel flow 67. A fuel flow control device 56 that controls the opening degree of the cooling fuel flow rate adjustment valve 68 based on a measurement signal from the sensor 69 is provided.
次に制御内容について説明する。本実施例では、まず、温度センサ６９によりレーザ集光光学系６３の温度を測定する。温度センサ６９から送られた測定信号は燃料流量制御装置５６に送られる。燃料流量制御装置５６は、送られてきた測定信号に基づいてレーザ集光光学系６３の温度が一定となるよう冷却用燃料流量調整弁６８の開度を定め、冷却用燃料流量調整弁６８に対し開度の制御信号を送り、冷却用燃料流量調整弁６８の開度を制御する。かくして、燃料流量制御装置５６により、冷却用燃料流量は、レーザ集光光学系６３の温度が一定となるように制御される。 Next, the contents of control will be described. In this embodiment, first, the temperature of the laser focusing optical system 63 is measured by the temperature sensor 69. The measurement signal sent from the temperature sensor 69 is sent to the fuel flow control device 56. The fuel flow rate control device 56 determines the opening degree of the cooling fuel flow rate adjustment valve 68 based on the transmitted measurement signal so that the temperature of the laser condensing optical system 63 becomes constant, and sends the cooling fuel flow rate adjustment valve 68 to the cooling fuel flow rate adjustment valve 68. On the other hand, an opening degree control signal is sent to control the opening degree of the cooling fuel flow rate adjustment valve 68. Thus, the fuel flow rate control device 56 controls the cooling fuel flow rate so that the temperature of the laser focusing optical system 63 is constant.
以上のように、本実施例の構成によれば、レーザ集光光学系６３の温度が耐熱温度よりも小さい任意の目標温度となるように冷却用燃料流６７の流量を制御し、レーザ集光光学系６３の焦点を目標温度に対応した任意の位置に保持することができる。これにより、例えば浮き上がり火炎４２を同じ位置に定在させることが可能となるため、より高い燃焼安定性を実現することができる。また、保炎位置が意図せず変化することに起因する燃焼安定性の低下やＮＯｘ排出量の増加を回避することもできる。 As described above, according to the configuration of the present embodiment, the flow rate of the cooling fuel flow 67 is controlled so that the temperature of the laser focusing optical system 63 becomes an arbitrary target temperature lower than the heat resistant temperature, and the laser focusing is performed. The focal point of the optical system 63 can be held at an arbitrary position corresponding to the target temperature. As a result, for example, the floating flame 42 can be fixed at the same position, so that higher combustion stability can be realized. Further, it is possible to avoid a decrease in combustion stability and an increase in NOx emission due to an unintentional change in the flame holding position.
実施例３においては、レーザ集光光学系６３の温度が一定となるように冷却用燃料流量を制御し、浮き上がり火炎４２を定在させるようにしたが、本実施例ではガスタービン燃焼器の負荷条件に応じて積極的に焦点位置を制御するものである。具体的には、本実施例では、燃料流量制御装置５６において、燃料流量調節弁２１、２２の開度から燃焼器の負荷条件を推定し、推定した負荷条件に応じた好適な焦点位置となるよう冷却用燃料流量調整弁６８の開度を制御する構成としている。 In the third embodiment, the cooling fuel flow rate is controlled so that the temperature of the laser condensing optical system 63 is constant, and the rising flame 42 is made to be stationary, but in this embodiment, the load of the gas turbine combustor is set. The focus position is positively controlled according to the conditions. Specifically, in this embodiment, in the fuel flow control device 56, the load condition of the combustor is estimated from the opening degree of the fuel flow control valves 21 and 22, and a suitable focal position according to the estimated load condition is obtained. Thus, the opening degree of the cooling fuel flow rate adjustment valve 68 is controlled.
ガスタービン燃焼器は、負荷が低いと燃焼温度が低くなりＣＯや燃料の未燃分が発生しやすくなる。そのため、火炎はバーナにより近づけるほうが好ましい。逆に負荷が定格に近づくと燃焼温度が高くなりＮＯｘ排出量が増えることとなる。そのため、燃料と空気の混合距離を十分に確保するために火炎をバーナから遠ざけるほうが好ましい。このように、ガスタービン燃焼器は負荷条件によって、燃焼室内における燃焼状態が変化し、それに応じて浮き上がり火炎を定在させる最適な位置は異なる。 In a gas turbine combustor, when the load is low, the combustion temperature becomes low and unburned CO and fuel are likely to be generated. Therefore, it is preferable to bring the flame closer to the burner. Conversely, when the load approaches the rating, the combustion temperature increases and the amount of NOx emissions increases. Therefore, it is preferable to keep the flame away from the burner in order to ensure a sufficient mixing distance of fuel and air. As described above, the gas turbine combustor changes in the combustion state in the combustion chamber depending on the load condition, and the optimal position where the flame rises and stays in accordance with the change.
一方で、実施例３で説明したとおり、レーザ集光光学系の焦点位置はその温度によって変化する。レーザ集光光学系の温度と焦点位置との関係を表す概念図を図５に示す。 On the other hand, as described in the third embodiment, the focal position of the laser focusing optical system varies depending on the temperature. FIG. 5 is a conceptual diagram showing the relationship between the temperature of the laser focusing optical system and the focal position.
このように、あらかじめ図５に示すようなレーザ集光光学系の温度と焦点位置との関係が明らかになっていれば、燃料流量により光学系の温度を制御することで、焦点位置を積極的に変化させ、負荷条件によって変化する燃焼状態に適した位置に浮き上がり火炎を定在させることができる。 As described above, if the relationship between the temperature of the laser focusing optical system and the focal position as shown in FIG. 5 has been clarified in advance, the focal position is positively controlled by controlling the temperature of the optical system by the fuel flow rate. And the flame can be made to stand at a position suitable for the combustion state that changes depending on the load condition.
そこで、本実施例では、低負荷条件になるほど冷却用燃料流の流量を増加させて光学系の温度を低温に保ち、焦点位置をバーナに近づけることで火炎をバーナ近傍に形成し、高負荷条件になるほど冷却用燃料流の流量を減少させて光学系の温度を上昇させ、焦点位置をバーナから遠ざけることで火炎をバーナから遠ざける制御を行なう。これにより、低負荷条件におけるＣＯや燃料の未燃分の発生や、高負荷条件におけるＮＯｘ排出量の増加を抑制することができる。 Therefore, in this embodiment, the flow rate of the cooling fuel flow is increased as the low load condition is maintained, the temperature of the optical system is kept low, and the flame is formed in the vicinity of the burner by bringing the focal point closer to the burner. The temperature of the optical system is increased by decreasing the flow rate of the cooling fuel flow, and the flame is moved away from the burner by moving the focal point away from the burner. Thereby, generation | occurrence | production of the unburned part of CO and fuel in low load conditions, and the increase in NOx discharge | emission amount in high load conditions can be suppressed.
なお、本実施例では燃料流量制御装置５６において燃料流量調節弁２１、２２の開度から燃焼器の負荷条件を推定しているが、ガスタービンの負荷条件等を用いても良い。また、燃料流量制御装置５６ではなく、別途設けた演算装置によって負荷条件を推定し、これに基づいて冷却用燃料流量調整弁６８の開度を制御する構成としても良い。 In this embodiment, the load condition of the combustor is estimated from the opening degree of the fuel flow control valves 21 and 22 in the fuel flow control device 56, but the load condition of the gas turbine may be used. Moreover, it is good also as a structure which estimates the load conditions with the arithmetic unit provided separately instead of the fuel flow control apparatus 56, and controls the opening degree of the fuel flow adjustment valve 68 for cooling based on this.
以上のように、本実施例の構成によれば、ガスタービン燃焼器の負荷条件によって変化する燃焼状態に応じて、それに適した位置に浮き上がり火炎を定在させることができる。これにより、燃焼安定性を維持しつつ、低負荷条件におけるＣＯや燃料の未燃分の発生や、高負荷条件におけるＮＯｘ排出量の増加を抑制することが可能となる。 As described above, according to the configuration of the present embodiment, it is possible to float up and make a flame stand at a position suitable for the combustion state that changes depending on the load condition of the gas turbine combustor. This makes it possible to suppress the occurrence of unburned CO and fuel under low load conditions and the increase in NOx emissions under high load conditions while maintaining combustion stability.
本実施例では、レーザ燃焼支援装置を予混合燃焼型のガスタービン燃焼器に組み込んだ場合の例を説明する。 In the present embodiment, an example in which the laser combustion support apparatus is incorporated in a premixed combustion type gas turbine combustor will be described.
図６は、本実施例における予混合バーナを示した図である。 FIG. 6 is a view showing a premix burner in the present embodiment.
予混合バーナ３５は、燃料流路３８から供給された燃料が、旋回器３６により旋回をかけられた燃焼用空気１７と予混合路３７内で急速に混合することで、燃焼室５において予混合燃焼を行うものである。本実施例では、旋回器を用いた予混合バーナの燃焼の安定化を目的に実施例１と同様なレーザ燃焼支援装置を組み込むための冷却方法を提供する。 The premix burner 35 is premixed in the combustion chamber 5 by rapidly mixing the fuel supplied from the fuel flow path 38 with the combustion air 17 swirled by the swirler 36 in the premix path 37. It burns. The present embodiment provides a cooling method for incorporating a laser combustion assisting device similar to that of the first embodiment for the purpose of stabilizing the combustion of a premix burner using a swirler.
実施例１と同様に、レーザ燃焼支援装置はレーザ発振器６１、光ファイバケーブル６２、レーザ集光光学系６３から構成される。レーザ発振器６１は、ガスタービン燃焼器の外部に設置される。レーザ発振器から発射されたレーザ光６５は光ファイバケーブル６２により、燃料流路３８内に組み込まれたレーザ集光光学系６３に導かれる。 Similar to the first embodiment, the laser combustion support apparatus includes a laser oscillator 61, an optical fiber cable 62, and a laser focusing optical system 63. The laser oscillator 61 is installed outside the gas turbine combustor. Laser light 65 emitted from the laser oscillator is guided to a laser condensing optical system 63 incorporated in the fuel flow path 38 through an optical fiber cable 62.
レーザ燃焼支援装置は、集光光学系を用いて燃焼室内にレーザ光を焦点に集光し、エネルギを集中させ高温な領域を作ることにより、その点で火炎を安定に保持させ、燃焼を安定化する。このとき、集光光学系６３はその周囲の燃料流３９により、燃焼用空気および燃焼器ライナ、外筒から隔離されて入熱が抑制されると共に、燃料流３９自体により対流冷却される。 The laser combustion support device uses a condensing optical system to focus the laser beam in the combustion chamber and concentrate the energy to create a high-temperature region. Turn into. At this time, the condensing optical system 63 is isolated from the combustion air, the combustor liner, and the outer cylinder by the fuel flow 39 around the condensing optical system 63, and heat input is suppressed, and convection cooling is performed by the fuel flow 39 itself.
したがって、本実施例の構成においても、実施例１と同様に、集光光学系６３の温度が耐熱温度以上となることを防止でき、冷却用の補機を追加しなくても高温下においてレーザ燃焼支援装置を用いることができる。また、燃焼器に供給される燃料流を冷却に利用するため、冷却のために別途補機を導入することによるシステムの複雑化や補機がエネルギを消費することによるガスタービンの効率低下という問題がないという点も同様である。 Therefore, also in the configuration of the present embodiment, similarly to the first embodiment, it is possible to prevent the temperature of the condensing optical system 63 from exceeding the heat resistance temperature, and the laser can be used at a high temperature without adding a cooling auxiliary machine. A combustion assist device can be used. In addition, since the fuel flow supplied to the combustor is used for cooling, there is a problem in that the system becomes complicated by introducing an auxiliary machine for cooling, and the efficiency of the gas turbine is reduced due to the energy consumed by the auxiliary machine. The same is true for the absence of.
また、実施例２のように本実施例のバーナを複数配置してマルチバーナとしても良く、実施例３や実施例４のように冷却用燃料の流量を制御する構成としても良い。このような構成とすることにより、本実施例のようなバーナであっても、各実施例で説明したのと同様の効果を得ることが可能である。 Further, a plurality of burners according to the present embodiment may be arranged as in the second embodiment to form a multi-burner, or the flow rate of the cooling fuel may be controlled as in the third and fourth embodiments. By adopting such a configuration, even with the burner as in the present embodiment, it is possible to obtain the same effects as described in each embodiment.
１ 圧縮機
２ 燃焼器
３ タービン
４ ケーシング
５ 燃焼室
６ バーナ
７ シャフト
８ 発電機
９ ガスタービンプラント
１０ 燃焼器ライナ
１１ フロースリーブ
１２ 尾筒内筒
１３ 尾筒外筒
１５ 吸い込み空気
１６ 高圧空気
１７ 燃焼用空気
１８ 高温燃焼ガス
１９ 排気ガス
２０ 燃料遮断弁
２１、２２ 燃料流量調節弁
２４ 燃料ノズルヘッダ
２６ 燃料ノズル
２７ 燃料噴流
３１ 空気孔プレート
３２ 空気孔
３４ マルチバーナ
３５ 予混合バーナ
３６ 旋回器
３７ 予混合路
３８ 燃料流路
３９ 燃料流
４０ 旋回流
４１ 循環流
４２ 浮き上がり火炎
４３ 火炎
５０〜５５ 燃料
５６ 燃料流量制御装置
６１ レーザ発振器
６２ 光ファイバケーブル
６３ レーザ集光光学系
６４ 集光レンズ
６５ レーザ光
６６ 光学系焦点位置
６７ 冷却用燃料流
６８ 冷却用燃料流量調整弁
６９ 温度センサ
８０ バーナ中心軸
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Compressor 2 Combustor 3 Turbine 4 Casing 5 Combustion chamber 6 Burner 7 Shaft 8 Generator 9 Gas turbine plant 10 Combustor liner 11 Flow sleeve 12 Cylinder inner cylinder 13 Cylinder outer cylinder 15 Suction air 16 High-pressure air 17 For combustion Air 18 High-temperature combustion gas 19 Exhaust gas 20 Fuel shut-off valves 21, 22 Fuel flow control valve 24 Fuel nozzle header 26 Fuel nozzle 27 Fuel jet 31 Air hole plate 32 Air hole 34 Multi burner 35 Premix burner 36 Swivel 37 Premix path 38 fuel flow path 39 fuel flow 40 swirl flow 41 circulating flow 42 lift flame 43 flame 50-55 fuel 56 fuel flow control device 61 laser oscillator 62 optical fiber cable 63 laser condensing optical system 64 condensing lens 65 laser light 66 optical system Focal point 67 Cooling fuel flow 68 Cooling fuel flow rate adjustment valve 69 Temperature sensor 80 Burner center axis
Claims (9)
レーザ光を発射するレーザ発振器と、前記レーザ発振器から発射されるレーザ光を導く光ファイバケーブルと、前記光ファイバケーブルにより導かれたレーザ光を前記燃焼室内に位置する焦点に集光させる光学系とを有するレーザ燃焼支援装置と、
前記焦点に向かって燃料を噴射する冷却用燃料流路とを備え、
前記光学系が前記冷却用燃料流路内に配置されていることを特徴とする燃焼器。 A combustor having a burner for supplying fuel and air to the combustion chamber,
A laser oscillator for emitting laser light; an optical fiber cable for guiding laser light emitted from the laser oscillator; and an optical system for condensing the laser light guided by the optical fiber cable at a focal point located in the combustion chamber; A laser combustion support device comprising:
A cooling fuel flow path for injecting fuel toward the focal point,
The combustor, wherein the optical system is disposed in the cooling fuel flow path.
前記バーナは、前記燃焼室に空気および燃料を供給する複数の空気孔が設けられた空気孔プレートを備え、
前記空気孔はバーナ中心軸に対して周方向に傾斜した傾斜角を有することを特徴とする燃焼器。 A combustor according to claim 1,
The burner includes an air hole plate provided with a plurality of air holes for supplying air and fuel to the combustion chamber,
The combustor, wherein the air hole has an inclination angle inclined in a circumferential direction with respect to a burner central axis.
前記バーナは、燃料と空気を混合して前記燃焼室に供給する予混合路と、前記予混合路に燃料を供給する燃料流路と、前記燃料流路の周囲に位置し空気に旋回をかけて前記予混合路に供給する旋回器とを備えた燃焼器において、前記バーナの燃料流路内に組み込まれたレーザ燃焼支援装置の集光光学系が燃料流により冷却されることを特徴とする燃焼器。 A combustor according to claim 1,
The burner mixes fuel and air and supplies the fuel to the combustion chamber, a fuel flow path for supplying fuel to the premix path, and a periphery of the fuel flow path for swirling the air. In the combustor including the swirler for supplying to the premixing path, the condensing optical system of the laser combustion support apparatus incorporated in the fuel flow path of the burner is cooled by the fuel flow. Combustor.
前記冷却用燃料流路が前記バーナの中心軸上に沿って配置され、
前記光学系の焦点が前記バーナの中心軸上に位置することを特徴とする燃焼器。 A combustor according to any one of claims 1 to 3,
The cooling fuel flow path is disposed along a central axis of the burner;
The combustor characterized in that the focal point of the optical system is located on the central axis of the burner.
前記光学系の温度を測定する温度センサと、
前記冷却用燃料流路を流下する冷却用燃料の流量を調整する冷却用燃料流量調整弁と、
前記温度センサからの測定信号を受信し、前記冷却用燃料流量調整弁の開度を制御する信号を送信できる燃料流量制御装置とを備え、
前記燃料流量制御装置が、前記光学系の温度を前記光学系の耐熱温度よりも小さい任意の目標温度となるように、前記冷却用燃料流量調整弁の開度を制御することを特徴とする燃焼器。 A combustor according to any one of claims 1 to 4, wherein
A temperature sensor for measuring the temperature of the optical system;
A cooling fuel flow rate adjustment valve for adjusting the flow rate of the cooling fuel flowing down the cooling fuel flow path;
A fuel flow rate control device capable of receiving a measurement signal from the temperature sensor and transmitting a signal for controlling the opening degree of the cooling fuel flow rate adjustment valve;
Combustion characterized in that the fuel flow rate control device controls the opening of the cooling fuel flow rate adjustment valve so that the temperature of the optical system becomes an arbitrary target temperature lower than the heat resistant temperature of the optical system. vessel.
該燃焼器の燃焼状態に応じて前記目標温度を設定する手段を備えたことを特徴とする燃焼器。 The combustor according to claim 5.
A combustor comprising means for setting the target temperature according to a combustion state of the combustor.
バーナを複数個組み合わせて構成されるマルチバーナを備え、
前記マルチバーナを構成するバーナのうち一部もしくは全てのバーナが、前記レーザ燃焼支援装置の前記光学系が配置された前記冷却用燃料流路を備えたことを特徴とする燃焼器。 A combustor according to any one of claims 1 to 6,
It is equipped with a multi-burner configured by combining multiple burners,
A combustor, wherein a part or all of the burners constituting the multi-burner include the cooling fuel flow path in which the optical system of the laser combustion support device is disposed.
レーザ光を発射するレーザ発振器と、前記レーザ発振器から発射されるレーザ光を導く光ファイバケーブルと、前記光ファイバケーブルにより導かれたレーザ光を前記燃焼室内に位置する焦点に集光させる光学系とを有するレーザ燃焼支援装置と、
前記焦点に向かって燃料を噴射する冷却用燃料流路とを備え、
前記光学系が前記冷却用燃料流路内に配置された燃焼器の運転方法であって、
前記光学系の温度が耐熱温度以上の温度とならないように、前記冷却用燃料流路に供給する冷却用燃料の流量を制御することを特徴とする燃焼器の運転方法。 A burner for supplying fuel and air to the combustion chamber;
A laser oscillator for emitting laser light; an optical fiber cable for guiding laser light emitted from the laser oscillator; and an optical system for condensing the laser light guided by the optical fiber cable at a focal point located in the combustion chamber; A laser combustion support device comprising:
A cooling fuel flow path for injecting fuel toward the focal point,
A method of operating a combustor in which the optical system is disposed in the cooling fuel flow path,
A method of operating a combustor, characterized by controlling a flow rate of a cooling fuel supplied to the cooling fuel flow path so that a temperature of the optical system does not become a temperature higher than a heat resistant temperature.
燃焼器の燃焼状態に応じて前記光学系の温度を変化させることを特徴とする燃焼器の運転方法。 The driving method according to claim 8, wherein
A method of operating a combustor, wherein the temperature of the optical system is changed in accordance with a combustion state of the combustor.
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