JPH085077A - 空冷式管巣燃焼型コンバスタ−を備えたガスタ−ビン装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 現状のガスタ−ビンやそのシステムの課題で
あるＮＯｘ抑制、火炎安定性、発電効率の向上を計る。 【構成】 ガスタ−ビンのコンバスタ−において、燃焼
室内燃焼火炎中及び／又は燃焼室器壁に冷却流体として
コンバスタ−の供給空気を使用した熱交換器の伝熱面を
設けた空冷式管巣燃焼型コンバスタ−を備えたガスタ−
ビン装置。 【効果】 ガスタ−ビン燃焼器部の改良のみで安定した
燃焼が得られ、従来のガスタ−ビンサイクルやコンプレ
ッサ−、タ−ビンの設計を変更することなく、著しい低
ＮＯｘ化が達成され、かつ高い発電効率が得られ、更に
コンバスタ−内に設けられた伝熱管群は燃焼火炎を強力
に保炎し、後流に生成するカルマン渦によって流体の混
合が促進される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、産業用や事業用などの
コジェネレイション（熱電併給）やコンバインドサイク
ル発電（複合発電）に使用されるガスタ−ビンにおい
て、その燃焼器（コンバスタ−）部分を改良して、発電
効率を低下させず、ＣＯや未燃炭化水素を発生すること
なしに安定した燃焼と著しい低ＮＯｘ化を達成する空冷
式管巣燃焼型コンバスタ−を備えたガスタ−ビン装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来ガスタ−ビンは他機関と比較して小
型高出力という特徴を有し、発電用や産業用に重用され
ているが、一般にボイラと比較してＮＯｘ排出レベルが
かなり高いという問題があった。そのため低ＮＯｘ対策
として、水や水蒸気噴射、予混合希薄燃焼、触媒燃焼、
その他種々な技術が研究され実用化されているが、いず
れも決め手にはならず、結局のところ排煙脱硝装置に頼
らざるを得ない状況であった。更に近年ガスタ−ビン翼
やコンバスタ−各部の耐熱性、冷却技術の進展に伴な
い、その効率向上のため、ガスタ−ビン翼列に流入する
入口ガス温度（ＴＩＴ）や圧力を高くする方向の技術開
発が進行している。現在では圧力比１５、ＴＩＴ1600Ｋ
にも達している。この場合〔図５〕に示すようにコンプ
レッサ−からの供給空気の内２０％程度はタ−ビン翼冷
却用で、残りの燃焼器用空気の配分は燃焼用空気５５
％、器壁冷却用空気３５％、希釈用空気１０％程度とな
っており、総合的な空気比は３．０程度となっている。
今後これらの冷却用空気や希釈用空気をできるだけ少な
くし、空気比を下げてＴＩＴを上げる技術開発が更に進
むと考えられる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前記したように冷却用
空気や希釈用空気をできるだけ少なくし、空気比を下げ
てＴＩＴを上げる技術が更に進んだ場合には、コンバス
タ−内の火炎温度が必然的に上昇することとになるか
ら、これによってＮＯｘの発生量が更に増大するという
問題が起ることになる。その場合ガスタ−ビンの高効率
化とＮＯｘの発生とは一面トレ−ドオフ（tradeoff）の
関係にある。ガスタ−ビンの低ＮＯｘ化のためには下記
の２方法が有力であると考えられている。 予混合希薄燃焼 燃料と燃焼用空気を予め混合してから燃焼させる方法
で、高空気比化による火炎温度の低下を利用するもので
ある。現在までにかなりの成果が得られているが、この
予混合希薄燃焼法は火炎を安定して形成できる範囲が狭
く、実用化に当っては失火や振動燃焼等を起さない火炎
安定化技術の確立が必要とされている。 水冷式管巣燃焼 本出願人の先願発明（特開平５−２０９５０２号）によ
るもので、〔図６〕に示すようにガスタ−ビンコンバス
タ−内の燃焼反応火炎中に水管を密に配設し、それによ
る撹乱効果により、燃焼と伝熱を促進し低ＮＯｘ化を図
るものである。この場合著しい低ＮＯｘ化が達成され、
下記の特性を有する。 (イ) ガスタ−ビンブレ−ドの耐熱性によって制限を受け
るＴＩＴまでの燃焼ガス冷却は、器壁冷却空気や希釈空
気を使用することなく、この水管配列構成によって達成
されるから低空気比燃焼が可能であり、排ガス量と排ガ
ス熱ロスが大幅に低減する。 (ロ) その場合熱電比は高くなるが、〔図７〕に示すよう
にこの発生蒸気が工場プロセス用や空調用として有効に
利用できる場合、総合熱効率は極めて高く有利となる。 (ハ) しかしながらそのような熱需要がなく、専ら発電需
要のみに対しては、〔図８〕に示すように発生蒸気を蒸
気タ−ビンに送り、別のランキンサイクルを行わせる必
要がある。この水冷管巣燃焼式ガスタ−ビンと廃熱ボイ
ラとを組合わせたコンパインドサイクルの発電効率を試
算し、〔図９〕に示すような従来のガスタ−ビンと廃熱
ボイラとの組合わせによるコンパインドサイクルと比較
したところ、発電出力当りの排ガス量は減らせるが発電
効率は低いことが判った。

【０００４】今後エネルギ−需要、とりわけ電力需要の
拡大傾向の中にあって、環境保全やエネルギ−の有効利
用が強く求められるようになるが、現状のガスタ−ビン
やそのシステムにはＮＯｘ抑制、火炎安定性や発電効率
の向上という緊急の課題がある。本発明はかかる課題を
解決して、ＮＯｘ発生の増大を抑制し、火炎の安定性、
発電効率の向上を計ることを目的とするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
ガスタ−ビンのコンバスタ−において、燃焼室内の燃焼
火炎及び／又は燃焼室器壁にその冷却のための冷却流体
として燃焼用空気以外のコンバスタ−への供給空気を用
いた熱交換器伝熱面を設け、これによって燃焼と伝熱を
促進し、水蒸気の発生を伴うことなく火炎冷却によるサ
−マルＮＯｘ発生抑制と高い発電効率とを得ようとする
ものである。この場合、高温となった冷却空気はコンバ
スタ−後部で燃焼ガスと混合してタ−ビンへ送られるよ
うにすることによって、従来のガスタ−ビンサイクルを
全く変えることなく、コンプレッサ−やタ−ビンがその
まま使用されることになる。

【０００６】ここで、熱交換器は熱的に過酷な条件にさ
らされることになり、高温耐熱材料を使用するにしても
伝熱管温度は８００℃程度に制限されるから、外面にセ
ラミック溶射等の熱障壁塗装（サ−マルバリア−コ−テ
ィグ）を施したり、内面には内部フィンや捲付けテ−プ
（ツイストテ−プ）等の伝熱促進機構が必要となる。こ
の場合、サ−マルバリア−コ−ティングを厚くして強化
することにより、その表面温度が燃焼ガス温度近くに上
昇するから、輻射放熱が強化され火炎冷却によるＮＯｘ
抑制に効果を発揮する。この場合は冷却流体が少なくて
も、伝熱管温度自体はその許容温度以下に設計が可能で
あり、また単なる輻射放熱体として冷却流体を通さない
方法も可能である。その他熱交換器としては、ナトリウ
ム等の高温作動熱媒体を用いたヒ−トパイプで構成する
ことによって、直接冷却流体で熱交換するよりも伝熱性
能が良好になり、小型高性能で信頼性の高いコンバスタ
−の設計が可能となる。

【０００７】なお、本発明のコンバスタ−内に設けられ
た伝熱管群は燃焼火炎を強力に保炎し、またその後流で
生成されるカルマン渦によって流体混合が促進されると
いう効果を奏する。そこで保炎面積が小さいために問題
となる従来のバ−ナをなくして、伝熱管群の上流側に燃
焼用空気供給器と燃料供給器とを設け、この伝熱管群で
燃焼のための保炎と混合とを行うことにより、安定した
燃焼が得られる。このための伝熱管群の配列は伝熱管の
直径をＤ、流れ方向のピッチをＬ、流れに直角方向のピ
ッチをＨとしてＬ≧２Ｄ、Ｈ≧１．３Ｄとするのが効果
的である。〔図４〕

【０００８】

【実施例】次に図面によって本発明を詳細に説明する。
〔図１〕は本発明の一実施例で、ガスタ−ビンコンバス
タ−内に空冷熱交換器を設けた場合を示している。コン
プレッサ−からコンバスタ−へ供給される空気は、機能
上、適正な空気比で安定な燃焼を得るための燃焼用空気
とそれ以外の過剰空気（従来ガスタ−ビンの器壁冷却空
気や希釈空気に相当）に配分され、その比率は大略５
５：４５程度である。この希釈空気は燃焼火炎を冷却し
てサ−マルＮＯｘを抑制するための冷却流体として作用
し、高温となった該空気はコンバスタ−後部で燃焼排ガ
スと混合され、所望のＴＩＴとなってタ−ビンに導入さ
れる。この熱交換器の伝熱管には図示していないが数mm
程度の細管を使用しており、設計条件を満足させるた
め、適宜ヘッダ−を設けたり、適当なパス数が設けられ
ている。また伝熱管は熱的に過酷な条件にさらされるか
ら、外面、内面に前記した対策が必要である。なお〔図
２〕に示すようにバ−ナ近傍の高温部には、コンプレッ
サ−からコンバスタ−へ供給される空気の全量を冷却流
体として通す前段熱交換器を設け、後段には希釈冷却空
気のみを冷却流体とした熱交換器を設けてもよい。それ
により、前段熱交換器は管内側流体の質量速度を高くと
ることができるから、伝熱設計上有利になる。

【０００９】〔図３〕はコンバスタ−内に、ナトリウム
等の高温作動熱媒体を封入したヒ−トパイプの加熱部を
挿入配置した本発明の一実施例で、冷却側はコンバスタ
−ケ−シング内又は外に設けられ、希釈冷却空気を冷却
流体として作動させるものである。これによって直接冷
却流体で熱交換する前記実施例よりも伝熱性能が向上
し、小型高性能で信頼性の高いコンバスタ−の設計が可
能となる。なおヒ−トパイプとしては直管で、できるだ
け垂直姿勢となるように構成し、下部を加熱部、上部を
冷却部とするのが熱輸送能力上有利であるが、本発明は
それに限定されるものではなく、ヒ−トパイプ自体の設
計によっては上部加熱やヒ−トパイプを束にして曲げる
など、全体のまとまりから任意の構成が可能である。

【００１０】〔図４〕はガスタ−ビンのコンバスタ−に
おいて、従来のバ−ナをなくして、伝熱管群で燃焼のた
めの保炎と混合とを行う場合の本発明の一実施例で、こ
のための伝熱管群の配列としては伝熱管の直径をＤ、流
れ方向のピッチをＬ、流れに直角方向のピッチをＨとし
てＬ≧２Ｄ、Ｈ≧１．３Ｄとするのが効果的である。

【００１１】

【発明の効果】本発明の効果を纏めると次の通りであ
る。本発明により、ガスタ−ビン燃焼器部の改良のみ
で、ＣＯや未燃炭化水素を発生することなく振動燃焼や
失火のない安定した燃焼が得られ、従来のガスタ−ビン
サイクルや信頼性の確立されたコンプレッサ−、タ−ビ
ンの設計を変えることなく、脱硝装置が不要となるまで
の著しい低ＮＯｘ化が達成された。また従来のように、
ガスタ−ビンコンバスタ−内で蒸気の発生が伴わないの
で高い発電効率が得られた。更に本発明のコンバスタ−
内に設けられた伝熱管群は燃焼火炎を強力に保炎し、ま
た後流において生成するカルマン渦によって流体の混合
が促進されるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による空冷式管巣燃焼型コンバスタ−を
備えたガスタ−ビンの概念とフロ−を示す一実施例。

【図２】本発明による空冷式管巣燃焼型コンバスタ−を
備えたガスタ−ビンの他の一実施例。

【図３】本発明によるコンバスタ−内にヒ−トパイプ熱
交換器を構成した空冷式管巣燃焼型コンバスタ−を備え
たガスタ−ビンの概念とフロ−を示す本発明の他の一実
施例。

【図４】本発明による空冷式管巣燃焼型コンバスタ−の
一実施例。

【図５】従来のガスタ−ビンの空気流れ。

【図６】水冷式管巣燃焼の概念図。

【図７】従来の水冷管巣燃焼式ガスタ−ビンをコジェネ
レイションに適用した場合のフロ−。

【図８】従来の水冷管巣燃焼式ガスタ−ビンをコンバイ
ンドサイクルに適用した場合のフロ−。

【図９】従来のコンバインドサイクルのフロ−。

【符号の説明】

１，10．コンバスタ− ２．コンプレッサ− ３．タ−ビン ４．熱交換器 ５．廃熱ボイラ ６．ヒ−トパイプ熱交換器

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガスタ−ビンのコンバスタ−において、
   燃焼室内燃焼火炎中及び／又は燃焼室器壁に、その冷却
   のための冷却流体としてコンバスタ−への供給空気の一
   部又は大部分を用いた熱交換器の伝熱面を設けたことを
   特徴とする空冷式管巣燃焼型コンバスタ−を備えたガス
   タ−ビン装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の熱交換器に外面をセラミ
   ックス溶射等の熱障壁塗装（サ−マルバリア−コ−ティ
   ング）を施し、内面には内部フィンや捲付けテ−プ（ツ
   イストテ−プ）等の伝熱促進機構を設けたことを特徴と
   する空冷式管巣燃焼型コンバスタ−を備えたガスタ−ビ
   ン装置。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載の熱交換器は加熱側
   を燃焼火炎、冷却側を冷却希釈用空気として作動させる
   ナトリウム等高温作動熱媒体を用いたヒ−トパイプとし
   たことを特徴とする空冷式管巣燃焼型コンバスタ−を備
   えたガスタ−ビン装置。
4. 【請求項４】 請求項３記載の高温となった冷却流体は
   コンバスタ−後部で燃焼ガスと混合させてタ−ビンへ導
   入するようになしたことを特徴とする空冷式管巣燃焼型
   コンバスタ−を備えたガスタ−ビン装置。
5. 【請求項５】 ガスタ−ビンのコンバスタ−において、
   伝熱管群上流側に空気供給器と燃料供給器を設け、従来
   のバ−ナをなくして燃焼のための保炎と混合とが該伝熱
   管のみで行われることを特徴とする空冷式管巣燃焼型コ
   ンバスタ−を備えたガスタ−ビン装置。
6. 【請求項６】 請求項５記載の伝熱管の配列が流れ方向
   のピッチをＬ、流れに直角方向のピッチをＨ、伝熱管の
   直径をＤとしてＬ≧２Ｄ、Ｈ≧１．３Ｄとしたことを特
   徴とする空冷式管巣燃焼型コンバスタ−を備えたガスタ
   −ビン装置。