WO2023181513A1 - 燃焼システム - Google Patents

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WO2023181513A1
WO2023181513A1 PCT/JP2022/045091 JP2022045091W WO2023181513A1 WO 2023181513 A1 WO2023181513 A1 WO 2023181513A1 JP 2022045091 W JP2022045091 W JP 2022045091W WO 2023181513 A1 WO2023181513 A1 WO 2023181513A1
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WO
WIPO (PCT)
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natural gas
flow rate
combustion
burner
injection part
Prior art date
Application number
PCT/JP2022/045091
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English (en)
French (fr)
Inventor
慎太朗 伊藤
正宏 内田
Original Assignee
株式会社Ihi
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Application filed by 株式会社Ihi filed Critical 株式会社Ihi
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C9/00—Controlling gas-turbine plants; Controlling fuel supply in air- breathing jet-propulsion plants
    • F02C9/26—Control of fuel supply
    • F02C9/40—Control of fuel supply specially adapted to the use of a special fuel or a plurality of fuels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D17/00—Burners for combustion conjointly or alternatively of gaseous or liquid or pulverulent fuel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N1/00—Regulating fuel supply
    • 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
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/34—Feeding into different combustion zones
    • 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
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/36—Supply of different fuels

Definitions

  • Combustion systems such as gas turbine systems that obtain power by burning fuel in a combustor are used.
  • BACKGROUND ART Some combustion systems such as gas turbine systems use ammonia as a fuel, as disclosed in Patent Document 1, for example. By using ammonia as a fuel, carbon dioxide emissions are suppressed.
  • a second fuel that does not contain nitrogen atoms, such as natural gas may be used in addition to ammonia as the first fuel.
  • the flame temperature of the second fuel such as natural gas is higher than that of ammonia. Therefore, it is desired to suppress damage to devices such as burners caused by flames, for example, when the co-firing rate, which is the ratio of the calorific value of ammonia to the total calorific value of ammonia and the second fuel, is low.
  • An object of the present disclosure is to provide a combustion system that can suppress damage to equipment caused by flames.
  • a combustion system of the present disclosure includes a combustor including a first combustion region, a second combustion region continuous to the downstream side with respect to the first combustion region, and a combustor facing the first combustion region.
  • a first burner including an injection section for ammonia as a first fuel, a first injection section for a second fuel not containing nitrogen atoms facing a first combustion zone, and a second injection section for a second fuel facing a second combustion zone.
  • a second burner including an injection part and a second fuel flow rate ratio, which is a ratio between the flow rate of the second fuel injected from the first injection part and the flow rate of the second fuel injected from the second injection part, are adjusted.
  • a control device including a first combustion region, a second combustion region continuous to the downstream side with respect to the first combustion region, and a combustor facing the first combustion region.
  • the control device may adjust the second fuel flow ratio based on the temperature of the first combustion region.
  • the control device may adjust the second fuel flow rate ratio based on the co-firing ratio, which is the ratio of the calorific value of ammonia to the total calorific value of ammonia and the second fuel.
  • An engine including a combustor may be provided, and the control device may adjust the second fuel flow ratio based on the load of the engine.
  • the control device may adjust the second fuel flow rate ratio based on the total calorific value of ammonia and the second fuel.
  • the first burner may include an air injection section facing the first combustion region, and a swirling section that swirls the air injected from the air injection section.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a combustion system according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 shows an example of the relationship between the temperature of the first combustion region, the natural gas flow rate of the first injection part, the natural gas flow rate of the second injection part, and the co-combustion rate in the combustion system according to the embodiment of the present disclosure.
  • FIG. FIG. 3 is an example of the relationship between the temperature of the first combustion region, the natural gas flow rate of the first injection part, the natural gas flow rate of the second injection part, and the engine load in the combustion system according to the embodiment of the present disclosure.
  • FIG. FIG. 4 is a diagram illustrating an example of the configuration of the air injection section of the first burner according to the embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a combustion system 1 according to the present embodiment.
  • the combustion system 1 is a gas turbine system that is an example of a combustion system that generates energy by burning fuel.
  • the combustion system 1 includes a compressor 11a, a turbine 11b, a combustor 12, a first burner 13, a second burner 14, an ammonia supply source 15, and a natural gas supply source 16. , a temperature sensor 17, and a control device 18.
  • the combustion system 1 also includes an engine E1 including a compressor 11a, a turbine 11b, and a combustor 12.
  • Engine E1 is a gas turbine engine.
  • the compressor 11a and the turbine 11b rotate as a unit.
  • the compressor 11a and the turbine 11b are connected to each other by a shaft.
  • the compressor 11a is provided in an intake flow path 101 connected to the combustor 12. Air supplied to the combustor 12 flows through the intake flow path 101 . An intake port (not shown) through which air is taken in from the outside is provided at the upstream end of the intake flow path 101. Air taken in from the intake port passes through the compressor 11a and is sent to the combustor 12. The compressor 11a compresses air and discharges it downstream.
  • the turbine 11b is provided in an exhaust flow path 102 connected to the combustor 12. Exhaust gas discharged from the combustor 12 flows through the exhaust flow path 102 . Exhaust gas discharged from the combustor 12 passes through the turbine 11b and is sent to the downstream side of the turbine 11b in the exhaust flow path 102. The turbine 11b generates rotational power by being rotated by exhaust gas.
  • a generator (not shown) is connected to the compressor 11a.
  • the rotational power transmitted from the turbine 11b to the compressor 11a is used for power generation by the generator.
  • the combustor 12 can be supplied with air, ammonia, and natural gas, respectively, as will be described later.
  • Air compressed by a compressor 11a is supplied to the combustor 12 from an intake flow path 101.
  • combustion is performed using at least one of ammonia and natural gas as fuel. That is, in the combustor 12, both ammonia and natural gas may be used as fuel, or only one of ammonia and natural gas may be used as fuel.
  • Ammonia corresponds to the first fuel.
  • Natural gas corresponds to an example of a second fuel that does not contain nitrogen atoms. However, the second fuel is not limited to natural gas.
  • the second fuel may be, for example, natural gas, hydrogen or kerosene, or a combination thereof.
  • Exhaust gas generated in the combustor 12 is discharged into the exhaust flow path 102.
  • the combustor 12 includes a first combustion region 12a and a second combustion region 12b as combustion regions where fuel is combusted.
  • the first combustion region 12a is located upstream of the second combustion region 12b in the gas flow direction within the combustor 12.
  • the second combustion zone 12b is continuous to the first combustion zone 12a on the downstream side.
  • the combustion area including the first combustion area 12a and the second combustion area 12b is, for example, a space defined by a cylindrical wall.
  • the upstream side of the space corresponds to the first combustion area 12a, and the downstream side of the space corresponds to the second combustion area 12b.
  • the exhaust flow path 102 described above is connected to the downstream end of the second combustion region 12b.
  • the combustor 12 is provided with a first burner 13 and a second burner 14 as burners that inject fuel and air to each combustion region to form a flame.
  • the first burner 13 faces the first combustion area 12a and injects fuel and air into the first combustion area 12a.
  • the first burner 13 is provided at the upstream end of the first combustion region 12a.
  • FIG. 1 shows an example in which the number of first burners 13 is one. However, the number of first burners 13 may be plural.
  • the positional relationship of the plurality of first burners 13 is not limited.
  • the plurality of first burners 13 may be provided at intervals in the circumferential direction of the first combustion region 12a.
  • the first burner 13 includes an ammonia injection section 21, a natural gas injection section 22a, and an air injection section 23a. Each of these injection parts faces the first combustion area 12a. That is, fuel or air is injected from each of these injection parts into the first combustion region 12a.
  • the ammonia injection section 21 includes a flow path that is supplied with ammonia and communicates with the first combustion region 12a. Ammonia supplied to the flow path is injected into the first combustion region 12a.
  • the natural gas injection part 22a includes a flow path that is supplied with natural gas and communicates with the first combustion region 12a. The natural gas supplied to the flow path is injected into the first combustion region 12a.
  • the air injection section 23a includes a flow path through which air is supplied and communicates with the first combustion region 12a. The air supplied to the flow path is injected into the first combustion area 12a.
  • the second burner 14 faces the second combustion area 12b and injects fuel and air into the second combustion area 12b.
  • the second burner 14 is provided on the side of the second combustion area 12b.
  • FIG. 1 shows an example in which the number of second burners 14 is one. However, the number of second burners 14 may be plural.
  • the positional relationship of the plurality of second burners 14 is not limited.
  • the plurality of second burners 14 may be provided at intervals in the circumferential direction of the second combustion region 12b.
  • the second burner 14 includes a natural gas injection section 22b and an air injection section 23b. Each of these injection parts faces the second combustion area 12b. That is, fuel or air is injected from each of these injection parts into the second combustion region 12b.
  • the natural gas injection section 22b includes a flow path that is supplied with natural gas and communicates with the second combustion region 12b.
  • the natural gas supplied to the flow path is injected into the second combustion region 12b.
  • the air injection section 23b includes a flow path through which air is supplied and communicates with the second combustion region 12b. The air supplied to the flow path is injected into the second combustion region 12b.
  • the natural gas injection part 22a of the first burner 13 is also referred to as the first injection part 22a.
  • the natural gas injection part 22b of the second burner 14 is also referred to as a second injection part 22b.
  • the compressor 11a compresses and discharges air. Air is supplied from the compressor 11a to the first burner 13 and the second burner 14 via the intake flow path 101.
  • the intake flow path 101 includes a flow path 101a, a flow path 101b, and a flow path 101c.
  • the compressor 11a is provided in the flow path 101a.
  • the flow path 101a branches into a flow path 101b and a flow path 101c on the downstream side of the compressor 11a.
  • the flow path 101b is connected to the air injection part 23a of the first burner 13. Therefore, air can be supplied from the compressor 11a to the air injection part 23a of the first burner 13 via the flow path 101a and the flow path 101b.
  • the flow path 101c is connected to the air injection part 23b of the second burner 14. Therefore, air can be supplied from the compressor 11a to the air injection part 23b of the second burner 14 via the flow path 101a and the flow path 101c.
  • the ammonia supply source 15 is, for example, an ammonia tank that stores ammonia.
  • ammonia is stored in a liquid state in the ammonia tank.
  • the ammonia supply source 15 is not limited to an ammonia tank.
  • the ammonia supply source 15 may be a device that generates ammonia.
  • the ammonia supply source 15 is connected to the ammonia injection section 21 of the first burner 13 via a flow path 103. Therefore, ammonia can be supplied from the ammonia supply source 15 to the ammonia injection section 21 of the first burner 13 via the flow path 103. Supply of ammonia from the ammonia supply source 15 to the first burner 13 is realized, for example, by a pump (not shown).
  • a flow control valve 31 is provided in the flow path 103 .
  • the flow rate control valve 31 adjusts the flow rate of ammonia sent to the first burner 13 through the flow path 103. Specifically, the amount of ammonia supplied to the first burner 13 is adjusted by adjusting the opening degree of the flow control valve 31.
  • the natural gas supply source 16 is, for example, a natural gas tank that stores natural gas.
  • natural gas is stored in a liquid state in a natural gas tank.
  • the natural gas supply source 16 is not limited to a natural gas tank.
  • the natural gas supply source 16 may be a device that generates natural gas.
  • the natural gas supply source 16 is connected to the flow path 104.
  • the flow path 104 branches into a flow path 105 and a flow path 106.
  • the flow path 105 is connected to the natural gas injection part 22a of the first burner 13. Therefore, natural gas can be supplied from the natural gas supply source 16 to the natural gas injection part 22a of the first burner 13 via the flow path 104 and the flow path 105.
  • the flow path 106 is connected to the natural gas injection part 22b of the second burner 14. Therefore, natural gas can be supplied from the natural gas supply source 16 to the natural gas injection part 22b of the second burner 14 via the flow path 104 and the flow path 106.
  • Supply of ammonia from the natural gas supply source 16 to the first burner 13 and the second burner 14 is realized by, for example, a pump (not shown).
  • a flow control valve 32 is provided in the flow path 105.
  • the flow rate control valve 32 adjusts the flow rate of natural gas sent to the first burner 13 through the flow path 105. Specifically, the amount of natural gas supplied to the first burner 13 is adjusted by adjusting the opening degree of the flow rate control valve 32.
  • a flow control valve 33 is provided in the flow path 106 .
  • the flow rate control valve 33 adjusts the flow rate of natural gas sent to the second burner 14 through the flow path 106. Specifically, the amount of natural gas supplied to the second burner 14 is adjusted by adjusting the opening degree of the flow rate control valve 33.
  • the temperature sensor 17 detects the temperature of the first combustion region 12a of the combustor 12.
  • the temperature sensor 17 is provided, for example, on the side of the first combustion region 12a.
  • the control device 18 includes a central processing unit (CPU), a ROM in which programs and the like are stored, and a RAM as a work area.
  • the functions of the control device 18 are realized by a central processing unit, ROM, and the like.
  • the control device 18 controls the operation of each device within the combustion system 1. For example, the control device 18 controls the operation of the flow control valves 31, 32, and 33, respectively. Further, the control device 18 acquires information from the temperature sensor 17.
  • the control device 18 controls the flow rate of ammonia injected from the ammonia injection part 21 of the first burner 13. Specifically, the control device 18 controls the flow rate of ammonia injected from the injection part 21 of the first burner 13 by controlling the operation of the flow rate control valve 31 .
  • the control device 18 controls the flow rate of natural gas injected from the first injection part 22a, which is the natural gas injection part of the first burner 13. Specifically, the control device 18 controls the flow rate of natural gas injected from the first injection part 22a of the first burner 13 by controlling the operation of the flow rate control valve 32.
  • the control device 18 controls the flow rate of natural gas injected from the second injection part 22b, which is the natural gas injection part of the second burner 14. Specifically, the control device 18 controls the flow rate of natural gas injected from the second injection part 22b of the second burner 14 by controlling the operation of the flow rate control valve 33.
  • the control device 18 controls the flow rate of ammonia injected from the injection part 21 of the first burner 13, the flow rate of natural gas injected from the first injection part 22a of the first burner 13, and the flow rate of the natural gas injected from the first injection part 22a of the first burner 13.
  • the flow rate of natural gas injected from the fourteen second injection parts 22b can be individually controlled. Therefore, the control device 18 can control the ratio of the amount of ammonia supplied to the combustor 12 and the amount of natural gas supplied to the combustor 12. That is, the control device 18 can control the co-firing rate, which is the ratio of the calorific value of ammonia to the total calorific value of ammonia and natural gas in the combustor 12.
  • the control device 18 controls the flow rate of natural gas injected from the first natural gas injection part 22a of the first burner 13 and the flow rate of natural gas injected from the second natural gas injection part 22b of the second burner 14.
  • the natural gas flow rate ratio which is the ratio to the flow rate, can be adjusted.
  • the second fuel is not limited to natural gas. Therefore, the natural gas flow rate ratio is an example of the second fuel flow rate ratio, which is the ratio between the flow rate of the second fuel injected from the first injection part 22a and the flow rate of the second fuel injected from the second injection part 22b. corresponds to
  • the temperature of the flame formed in the first combustion region 12a becomes excessively high, there is a risk that devices such as the liner of the combustor 12 or the first burner 13 will be damaged.
  • the flame temperature of the second fuel such as natural gas is higher than that of ammonia, when the co-firing rate is low, if natural gas is injected only from the first injection part 22a of the first burner 13, There is a possibility that the temperature of the flame formed in the first combustion region 12a becomes excessively high.
  • the control device 18 controls the flow rate of natural gas injected from the first natural gas injection part 22a of the first burner 13 and the second injection of natural gas of the second burner 14.
  • the natural gas flow rate ratio which is the ratio to the flow rate of natural gas injected from the section 22b, is adjusted. Therefore, without injecting all of the natural gas supplied to the combustor 12 from the first injection part 22a of the first burner 13, a part of the natural gas supplied to the combustor 12 is injected from the second injection part 22a of the second burner 14. It can be injected from the injection part 22b. Therefore, it is possible to prevent the temperature of the flame formed in the first combustion region 12a from becoming excessively high, and therefore damage to the device due to the flame can be suppressed.
  • the control device 18 adjusts the natural gas flow rate ratio based on the temperature of the first combustion region 12a, for example.
  • An example in which the natural gas flow rate ratio is adjusted based on the temperature of the first combustion region 12a will be described below.
  • the control device 18 may adjust the natural gas flow rate ratio based on parameters other than the temperature of the first combustion region 12a.
  • the control device 18 when the temperature of the first combustion region 12a is lower than the upper limit temperature, the control device 18 causes all of the natural gas supplied to the combustor 12 to be injected from the first injection part 22a of the first burner 13, and the second burner The natural gas flow rate ratio is adjusted so that natural gas is not injected from the 14 second injection parts 22b.
  • the control device 18 controls a part of the natural gas supplied to the combustor 12 to be injected from the second injection part 22b of the second burner 14. Adjust the natural gas flow rate ratio so that The upper limit temperature can be set as appropriate, taking into consideration the heat resistance of each device near the first combustion region 12a.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of the relationship between the temperature of the first combustion region 12a, the natural gas flow rate of the first injection part 22a, the natural gas flow rate of the second injection part 22b, and the co-combustion rate in the combustion system 1.
  • the natural gas flow rate of the first injection part 22a means the flow rate of natural gas injected from the first injection part 22a of the first burner 13.
  • the natural gas flow rate of the second injection part 22b means the flow rate of natural gas injected from the second injection part 22b of the second burner 14.
  • the temperature of the first combustion region 12a, the natural gas flow rate of the first injection part 22a, and the natural gas flow rate of the second injection part 22b are shown by a solid line, a dashed line, and a broken line, respectively.
  • the higher the co-combustion rate the higher the ratio of the total amount of ammonia supplied to the total amount of fuel supplied to the combustor 12.
  • the lower the co-combustion rate the higher the ratio of the total amount of natural gas supplied to the total amount of fuel supplied to the combustor 12.
  • the load on engine E1 is constant.
  • the total calorific value of the fuel supplied to the combustor 12 is also approximately constant.
  • the process in which the co-firing rate decreases from a high state corresponds to the process in which the co-firing rate decreases from a high state.
  • the temperature of the first combustion region 12a is lower than the upper limit temperature. Therefore, all of the natural gas supplied to the combustor 12 is injected from the first injection part 22a of the first burner 13, and no natural gas is injected from the second injection part 22b of the second burner 14.
  • the control device 18 adjusts the natural gas flow rate ratio so that the temperature of the first combustion region 12a is maintained at the upper limit temperature in a region where the co-combustion rate is lower than the value R1.
  • the control device 18 controls the ratio of the natural gas flow rate of the second injection part 22b to the total flow rate of natural gas. Adjust the natural gas flow rate ratio so that it becomes higher. As a result, as shown in FIG. 2, in a region where the co-firing rate is lower than the value R1, as the co-firing rate decreases, the ratio of the natural gas flow rate of the second injection part 22b to the total flow rate of natural gas increases. Thereby, the temperature of the first combustion region 12a is maintained at the upper limit temperature. As shown in FIG.
  • natural gas is injected from the second injection part 22b of the second burner 14 in a region where the temperature of the first combustion region 12a is lower than the upper limit temperature (that is, a region where the co-combustion rate is higher than the value R1). All of the natural gas supplied to the combustor 12 is injected from the first injection part 22a of the first burner 13. This prevents the temperature of the first combustion region 12a from decreasing excessively. Therefore, the stability of the flame in the first combustion region 12a is ensured.
  • FIG. 3 shows an example of the relationship between the temperature of the first combustion region 12a, the natural gas flow rate of the first injection part 22a, the natural gas flow rate of the second injection part 22b, and the load of the engine E1 in the combustion system 1. It is a diagram.
  • the temperature of the first combustion region 12a, the natural gas flow rate of the first injection section 22a, and the natural gas flow rate of the second injection section 22b are indicated by a solid line, a dashed line, and a broken line, respectively. has been done.
  • the load on the engine E1 varies depending on, for example, the required amount of power generated by the generator connected to the compressor 11a.
  • the control device 18 adjusts the natural gas flow rate ratio so that the temperature of the first combustion region 12a is maintained at the upper limit temperature in a region where the load of the engine E1 is greater than the value L1.
  • the control device 18 controls the flow rate of natural gas in the second injection part 22b relative to the total flow rate of natural gas. Adjust the natural gas flow rate ratio so that the ratio becomes higher.
  • the ratio of the natural gas flow rate of the second injection part 22b to the total flow rate of natural gas increases. Become. Thereby, the temperature of the first combustion region 12a is maintained at the upper limit temperature.
  • the control device 18 adjusts the natural gas flow rate ratio based on the temperature of the first combustion region 12a. Thereby, it is possible to suppress the temperature of the flame formed in the first combustion region 12a from becoming excessively high. Specifically, when the co-combustion rate is low or when the load on the engine E1 is large, it is possible to suppress the temperature of the first combustion region 12a from exceeding the upper limit temperature. Therefore, damage to the device due to flame can be suppressed. Furthermore, it is possible to suppress the temperature of the first combustion region 12a from decreasing excessively. Specifically, when the co-combustion rate is high or when the load on the engine E1 is small, it is possible to suppress the temperature of the first combustion region 12a from decreasing excessively. Therefore, the stability of the flame in the first combustion region 12a is ensured.
  • control device 18 may adjust the natural gas flow rate ratio based on parameters other than the temperature of the first combustion region 12a.
  • the control device 18 may adjust the natural gas flow rate ratio based on the co-firing rate. For example, information about the co-firing rate that changes according to a preset schedule is input to the control device 18. The control device 18 can obtain the co-firing rate using this information. For example, when the co-combustion rate is higher than the value R1 in FIG. The natural gas flow rate ratio is adjusted so that natural gas is not injected from the second injection part 22b.
  • control device 18 controls the control device 18 so that, for example, when the co-combustion rate is lower than the value R1 in FIG. Then, adjust the natural gas flow rate ratio. Specifically, when the co-firing rate is lower than the value R1 in FIG. 2, the control device 18 causes the ratio of the natural gas flow rate of the second injection part 22b to the total flow rate of natural gas to increase as the co-firing rate decreases. Adjust the natural gas flow ratio accordingly.
  • the temperature of the first combustion area 12a is the upper limit temperature, similar to the case where the natural gas flow rate ratio is adjusted based on the temperature of the first combustion area 12a. Since it is possible to suppress the flame from exceeding the maximum value, it is possible to suppress damage to the device caused by the flame. Furthermore, since the temperature of the first combustion region 12a can be prevented from decreasing excessively, the stability of the flame in the first combustion region 12a is ensured.
  • the control device 18 may adjust the natural gas flow rate ratio based on the load of the engine E1. For example, information on the load of the engine E1 that changes according to a preset schedule is input to the control device 18. The control device 18 can obtain the load of the engine E1 using the information. For example, when the load of the engine E1 is smaller than the value L1 in FIG. The natural gas flow rate ratio is adjusted so that natural gas is not injected from the second injection part 22b of the burner 14.
  • control device 18 controls, for example, when the load of the engine E1 is larger than the value L1 in FIG. Adjust the natural gas flow rate ratio so that Specifically, when the load on the engine E1 is larger than the value L1 in FIG. 3, the control device 18 adjusts the natural gas flow rate of the second injection part 22b with respect to the total flow rate of natural gas as the load on the engine E1 increases. Adjust the natural gas flow rate ratio so that the ratio becomes higher.
  • the temperature of the first combustion area 12a is Since it is possible to prevent the temperature from exceeding the upper limit temperature, damage to the device due to flames can be suppressed. Furthermore, since the temperature of the first combustion region 12a can be prevented from decreasing excessively, the stability of the flame in the first combustion region 12a is ensured.
  • the control device 18 may adjust the natural gas flow rate ratio based on the total calorific value of ammonia and natural gas. For example, information on the load of the engine E1 that changes according to a preset schedule is input to the control device 18. Using this information, the control device 18 can obtain the total calorific value of ammonia and natural gas. The total calorific value has a correlation with the load of the engine E1. Therefore, for example, when the total calorific value is smaller than the threshold value, the control device 18 injects all the natural gas supplied to the combustor 12 from the first injection part 22a of the first burner 13 and The natural gas flow rate ratio is adjusted so that natural gas is not injected from the second injection part 22b.
  • control device 18 controls the natural gas so that, for example, when the total calorific value is larger than the threshold value, a part of the natural gas supplied to the combustor 12 is injected from the second injection part 22b of the second burner 14. Adjust the flow ratio. Specifically, when the total calorific value is larger than the threshold value, the control device 18 controls such that as the load of the total calorific value increases, the ratio of the natural gas flow rate of the second injection part 22b to the total natural gas flow rate increases. Then, adjust the natural gas flow rate ratio.
  • the temperature of the first combustion region 12a, the co-combustion rate, the load of the engine E1, and the total calorific value have been described as parameters used to adjust the natural gas flow rate ratio.
  • a plurality of types of parameters among these parameters may be used in combination as parameters used to adjust the natural gas flow rate ratio.
  • parameters other than those described above may be used as parameters used to adjust the natural gas flow rate ratio.
  • the air injection part 23a of the first burner 13 be devised as described below.
  • such a device will be explained with reference to FIG. 4.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of the configuration of the air injection part 23a of the first burner 13.
  • the first burner 13 includes a rotating portion 24.
  • the swirling section 24 swirls the air injected from the air injection section 23a of the first burner 13.
  • the rotating section 24 includes a shaft 24a and a rotating blade 24b.
  • the shaft 24a extends, for example, on the central axis of the air flow path in the injection section 23a.
  • the swirler blade 24b extends radially outward from the outer peripheral surface of the shaft 24a.
  • a plurality of swirl vanes 24b are provided at intervals in the circumferential direction of the shaft 24a.
  • a swirling force is applied to the air flowing through the injection portion 23a.
  • the swirling section 24 is not limited to the example shown in FIG. 4 as long as it can swirl the air injected from the air injection section 23a of the first burner 13.
  • the first burner 13 includes the swirling part 24 that swirls the air injected from the air injection part 23a of the first burner 13. Thereby, the stability of the flame in the first combustion region 12a is ensured.
  • the rotating portion 24 may be omitted from the first burner 13.
  • the rotational power transmitted from the turbine 11b to the compressor 11a is used as energy to drive the generator.
  • the rotational power transmitted from the turbine 11b to the compressor 11a may be used for other purposes, such as for driving a moving body such as a ship.
  • ammonia injection section 21 and the natural gas injection section 22a are separate injection sections in the first burner 13.
  • ammonia and natural gas may be mixed in advance and injected into the first combustion region 12a from one injection part.
  • one injection part also functions as an ammonia injection part and also functions as a natural gas injection part.
  • ammonia and air may be mixed in advance and injected into the first combustion region 12a from one injection part.
  • ammonia, natural gas, and air may be mixed in advance and injected into the first combustion region 12a from one injection part.
  • natural gas and air may be mixed in advance and injected from one injection part into the second combustion area 12b.
  • the present disclosure contributes to suppressing damage to equipment caused by flames in combustion systems such as gas turbine systems, so for example, the present disclosure contributes to reducing damage to equipment caused by flames in combustion systems such as gas turbine systems. can contribute to ensuring access to
  • Combustion system 12 Combustor 12a: First combustion zone 12b: Second combustion zone 13: First burner 14: Second burner 18: Control device 21: Ammonia injection section 22a: Natural gas injection section (first Injection part) 22b: Natural gas injection part (second injection part) 23a: Air injection part 24: Swivel part E1: Engine

Abstract

  燃焼システム（１）は、第１燃焼領域（１２ａ）と、第１燃焼領域（１２ａ）に対して下流側に連続する第２燃焼領域（１２ｂ）とを含む燃焼器（１２）と、第１燃焼領域（１２ａ）に臨む第１燃料としてのアンモニアの噴射部（２１）と、第１燃焼領域（１２ａ）に臨む窒素原子を含まない第２燃料の第１噴射部（２２ａ）とを含む第１バーナ（１３）と、第２燃焼領域（１２ｂ）に臨む第２燃料の第２噴射部（２２ｂ）を含む第２バーナ（１４）と、第１噴射部（２２ａ）から噴射される第２燃料の流量と、第２噴射部（２２ｂ）から噴射される第２燃料の流量との比である第２燃料流量比を調整する制御装置（１８）と、を備える。

Description

燃焼システム
　本開示は、燃焼システムに関する。本出願は２０２２年３月２５日に提出された日本特許出願第２０２２－０４９７０８号に基づく優先権の利益を主張するものであり、その内容は本出願に援用される。
　燃焼器で燃料を燃焼させることによって動力を得るガスタービンシステム等の燃焼システムが利用されている。ガスタービンシステム等の燃焼システムとして、例えば、特許文献１に開示されているように、アンモニアを燃料として用いるものがある。アンモニアを燃料として用いることによって、二酸化炭素の排出が抑制される。
特開２０１６－１９１５０７号公報
　アンモニアを燃料として用いる燃焼システムでは、第１燃料としてのアンモニアに加えて、天然ガス等の窒素原子を含まない第２燃料が併用される場合がある。天然ガス等の第２燃料の火炎温度は、アンモニアの火炎温度と比較して高い。ゆえに、例えば、アンモニアおよび第２燃料の総発熱量に対するアンモニアの発熱量の比率である混焼率が低い場合等において、火炎によるバーナ等の装置の損傷を抑制することが望まれている。
　本開示の目的は、火炎による装置の損傷を抑制することが可能な燃焼システムを提供することである。
　上記課題を解決するために、本開示の燃焼システムは、第１燃焼領域と、第１燃焼領域に対して下流側に連続する第２燃焼領域とを含む燃焼器と、第１燃焼領域に臨む第１燃料としてのアンモニアの噴射部と、第１燃焼領域に臨む窒素原子を含まない第２燃料の第１噴射部とを含む第１バーナと、第２燃焼領域に臨む第２燃料の第２噴射部を含む第２バーナと、第１噴射部から噴射される第２燃料の流量と、第２噴射部から噴射される第２燃料の流量との比である第２燃料流量比を調整する制御装置と、を備える。
　制御装置は、第１燃焼領域の温度に基づいて、第２燃料流量比を調整してもよい。
　制御装置は、アンモニアおよび第２燃料の総発熱量に対するアンモニアの発熱量の比率である混焼率に基づいて、第２燃料流量比を調整してもよい。
　燃焼器を含むエンジンを備え、制御装置は、エンジンの負荷に基づいて、第２燃料流量比を調整してもよい。
　制御装置は、アンモニアおよび第２燃料の総発熱量に基づいて、第２燃料流量比を調整してもよい。
　第１バーナは、第１燃焼領域に臨む空気の噴射部と、空気の噴射部から噴射される空気を旋回させる旋回部と、を備えてもよい。
　本開示によれば、火炎による装置の損傷を抑制することができる。
図１は、本開示の実施形態に係る燃焼システムの構成を示す模式図である。 図２は、本開示の実施形態に係る燃焼システムにおける第１燃焼領域の温度、第１噴射部の天然ガス流量、および、第２噴射部の天然ガス流量と、混焼率との関係の一例を示す図である。 図３は、本開示の実施形態に係る燃焼システムにおける第１燃焼領域の温度、第１噴射部の天然ガス流量、および、第２噴射部の天然ガス流量と、エンジンの負荷との関係の一例を示す図である。 図４は、本開示の実施形態に係る第１バーナの空気の噴射部の構成の一例を示す図である。
　以下に添付図面を参照しながら、本開示の実施形態について説明する。実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本開示を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本開示に直接関係のない要素は図示を省略する。
　図１は、本実施形態に係る燃焼システム１の構成を示す模式図である。燃焼システム１は、燃料を燃焼させることによりエネルギーを生成する燃焼システムの一例に相当するガスタービンシステムである。図１に示すように、燃焼システム１は、圧縮機１１ａと、タービン１１ｂと、燃焼器１２と、第１バーナ１３と、第２バーナ１４と、アンモニア供給源１５と、天然ガス供給源１６と、温度センサ１７と、制御装置１８とを備える。また、燃焼システム１は、圧縮機１１ａと、タービン１１ｂと、燃焼器１２とを含むエンジンＥ１を備える。エンジンＥ１は、ガスタービンエンジンである。
　圧縮機１１ａおよびタービン１１ｂは、一体として回転する。圧縮機１１ａとタービン１１ｂとは、シャフトによって互いに連結されている。
　圧縮機１１ａは、燃焼器１２と接続される吸気流路１０１に設けられている。吸気流路１０１には、燃焼器１２に供給される空気が流通する。吸気流路１０１の上流側の端部には、空気が外部から取り込まれる不図示の吸気口が設けられる。吸気口から取り込まれた空気は、圧縮機１１ａを通過して、燃焼器１２に送られる。圧縮機１１ａは、空気を圧縮して下流側に吐出する。
　タービン１１ｂは、燃焼器１２と接続される排気流路１０２に設けられている。排気流路１０２には、燃焼器１２から排出された排気ガスが流通する。燃焼器１２から排出された排気ガスは、タービン１１ｂを通過して、排気流路１０２のうちタービン１１ｂより下流側に送られる。タービン１１ｂは、排気ガスによって回されることによって、回転動力を生成する。
　圧縮機１１ａには、不図示の発電機が接続されている。タービン１１ｂから圧縮機１１ａに伝達された回転動力は、当該発電機による発電に利用される。
　燃焼器１２には、後述するように、空気、アンモニアおよび天然ガスがそれぞれ供給可能となっている。燃焼器１２には、圧縮機１１ａにより圧縮された空気が吸気流路１０１から供給される。燃焼器１２では、アンモニアおよび天然ガスの少なくとも一方を燃料として用いて燃焼が行われる。つまり、燃焼器１２では、アンモニアおよび天然ガスの両方が燃料として用いられてもよく、アンモニアおよび天然ガスの一方のみが燃料として用いられてもよい。アンモニアは、第１燃料に相当する。天然ガスは、窒素原子を含まない第２燃料の一例に相当する。ただし、第２燃料は、天然ガスに限定されない。第２燃料は、例えば、天然ガス、水素もしくは灯油、または、これらの組み合わせであってもよい。燃焼器１２で生じた排気ガスは、排気流路１０２に排出される。
　燃焼器１２は、燃料が燃焼する燃焼領域として、第１燃焼領域１２ａと、第２燃焼領域１２ｂとを含む。第１燃焼領域１２ａは、燃焼器１２内におけるガスの流れ方向において、第２燃焼領域１２ｂよりも上流側に位置する。第２燃焼領域１２ｂは、第１燃焼領域１２ａに対して下流側に連続する。第１燃焼領域１２ａおよび第２燃焼領域１２ｂを含む燃焼領域は、例えば、円筒形状の壁部により区画される空間である。当該空間の上流側が第１燃焼領域１２ａに相当し、当該空間の下流側が第２燃焼領域１２ｂに相当する。上述した排気流路１０２は、第２燃焼領域１２ｂの下流端に接続されている。燃焼器１２には、火炎を形成するための燃料および空気を各燃焼領域に噴射するバーナとして、第１バーナ１３と、第２バーナ１４とが設けられている。
　第１バーナ１３は、第１燃焼領域１２ａに臨み、第１燃焼領域１２ａに燃料および空気を噴射する。第１バーナ１３は、第１燃焼領域１２ａの上流端に設けられる。図１では、第１バーナ１３の数が１つである例が示されている。ただし、第１バーナ１３の数は複数であってもよい。複数の第１バーナ１３の位置関係は限定されない。例えば、複数の第１バーナ１３は、第１燃焼領域１２ａの周方向に間隔を空けて設けられてもよい。第１バーナ１３は、アンモニアの噴射部２１と、天然ガスの噴射部２２ａと、空気の噴射部２３ａとを含む。これらの各噴射部は、第１燃焼領域１２ａに臨む。つまり、これらの各噴射部から第１燃焼領域１２ａに燃料または空気が噴射される。
　アンモニアの噴射部２１は、具体的には、アンモニアが供給され第１燃焼領域１２ａと連通する流路を含む。当該流路に供給されたアンモニアが第１燃焼領域１２ａに噴射される。天然ガスの噴射部２２ａは、具体的には、天然ガスが供給され第１燃焼領域１２ａと連通する流路を含む。当該流路に供給された天然ガスが第１燃焼領域１２ａに噴射される。空気の噴射部２３ａは、具体的には、空気が供給され第１燃焼領域１２ａと連通する流路を含む。当該流路に供給された空気が第１燃焼領域１２ａに噴射される。
　第２バーナ１４は、第２燃焼領域１２ｂに臨み、第２燃焼領域１２ｂに燃料および空気を噴射する。第２バーナ１４は、第２燃焼領域１２ｂの側部に設けられる。図１では、第２バーナ１４の数が１つである例が示されている。ただし、第２バーナ１４の数は複数であってもよい。複数の第２バーナ１４の位置関係は限定されない。例えば、複数の第２バーナ１４は、第２燃焼領域１２ｂの周方向に間隔を空けて設けられてもよい。第２バーナ１４は、天然ガスの噴射部２２ｂと、空気の噴射部２３ｂとを含む。これらの各噴射部は、第２燃焼領域１２ｂに臨む。つまり、これらの各噴射部から第２燃焼領域１２ｂに燃料または空気が噴射される。
　天然ガスの噴射部２２ｂは、具体的には、天然ガスが供給され第２燃焼領域１２ｂと連通する流路を含む。当該流路に供給された天然ガスが第２燃焼領域１２ｂに噴射される。空気の噴射部２３ｂは、具体的には、空気が供給され第２燃焼領域１２ｂと連通する流路を含む。当該流路に供給された空気が第２燃焼領域１２ｂに噴射される。
　以下では、天然ガスの噴射部のうち、第１バーナ１３の天然ガスの噴射部２２ａを第１噴射部２２ａとも呼ぶ。天然ガスの噴射部のうち、第２バーナ１４の天然ガスの噴射部２２ｂを第２噴射部２２ｂとも呼ぶ。
　上述したように、圧縮機１１ａは、空気を圧縮して吐出する。圧縮機１１ａから第１バーナ１３および第２バーナ１４へ吸気流路１０１を介して空気が供給される。吸気流路１０１は、流路１０１ａと、流路１０１ｂと、流路１０１ｃとを含む。圧縮機１１ａは、流路１０１ａに設けられる。流路１０１ａは、圧縮機１１ａよりも下流側において、流路１０１ｂと流路１０１ｃに分岐している。
　流路１０１ｂは、第１バーナ１３の空気の噴射部２３ａと接続されている。ゆえに、圧縮機１１ａから第１バーナ１３の空気の噴射部２３ａへ、流路１０１ａおよび流路１０１ｂを介して空気を供給できる。流路１０１ｃは、第２バーナ１４の空気の噴射部２３ｂと接続されている。ゆえに、圧縮機１１ａから第２バーナ１４の空気の噴射部２３ｂへ、流路１０１ａおよび流路１０１ｃを介して空気を供給できる。
　アンモニア供給源１５は、例えば、アンモニアを貯蔵するアンモニアタンクである。アンモニアタンクには、例えば、アンモニアが液体の状態で貯蔵される。ただし、アンモニア供給源１５は、アンモニアタンクに限定されない。例えば、アンモニア供給源１５は、アンモニアを生成する装置等であってもよい。
　アンモニア供給源１５は、流路１０３を介して第１バーナ１３のアンモニアの噴射部２１と接続されている。ゆえに、アンモニア供給源１５から第１バーナ１３のアンモニアの噴射部２１へ、流路１０３を介してアンモニアを供給できる。アンモニア供給源１５から第１バーナ１３へのアンモニアの供給は、例えば、不図示のポンプによって実現される。流路１０３には、流量制御弁３１が設けられる。流量制御弁３１は、流路１０３を通り第１バーナ１３に送られるアンモニアの流量を調整する。具体的には、流量制御弁３１の開度が調整されることによって、第１バーナ１３へのアンモニアの供給量が調整される。
　天然ガス供給源１６は、例えば、天然ガスを貯蔵する天然ガスタンクである。天然ガスタンクには、例えば、天然ガスが液体の状態で貯蔵される。ただし、天然ガス供給源１６は、天然ガスタンクに限定されない。例えば、天然ガス供給源１６は、天然ガスを生成する装置等であってもよい。
　天然ガス供給源１６は、流路１０４と接続されている。流路１０４は、流路１０５と流路１０６に分岐している。流路１０５は、第１バーナ１３の天然ガスの噴射部２２ａと接続されている。ゆえに、天然ガス供給源１６から第１バーナ１３の天然ガスの噴射部２２ａへ、流路１０４および流路１０５を介して天然ガスを供給できる。流路１０６は、第２バーナ１４の天然ガスの噴射部２２ｂと接続されている。ゆえに、天然ガス供給源１６から第２バーナ１４の天然ガスの噴射部２２ｂへ、流路１０４および流路１０６を介して天然ガスを供給できる。天然ガス供給源１６から第１バーナ１３および第２バーナ１４へのアンモニアの供給は、例えば、不図示のポンプによって実現される。
　流路１０５には、流量制御弁３２が設けられる。流量制御弁３２は、流路１０５を通り第１バーナ１３に送られる天然ガスの流量を調整する。具体的には、流量制御弁３２の開度が調整されることによって、第１バーナ１３への天然ガスの供給量が調整される。流路１０６には、流量制御弁３３が設けられる。流量制御弁３３は、流路１０６を通り第２バーナ１４に送られる天然ガスの流量を調整する。具体的には、流量制御弁３３の開度が調整されることによって、第２バーナ１４への天然ガスの供給量が調整される。
　温度センサ１７は、燃焼器１２の第１燃焼領域１２ａの温度を検出する。温度センサ１７は、例えば、第１燃焼領域１２ａの側部に設けられる。
　制御装置１８は、中央処理装置（ＣＰＵ）、プログラム等が格納されたＲＯＭ、ワークエリアとしてのＲＡＭ等を含む。制御装置１８の機能は、中央処理装置およびＲＯＭ等によって実現される。制御装置１８は、燃焼システム１内の各装置の動作を制御する。例えば、制御装置１８は、流量制御弁３１、３２、３３の動作をそれぞれ制御する。また、制御装置１８は、温度センサ１７から情報を取得する。
　制御装置１８は、第１バーナ１３のアンモニアの噴射部２１から噴射されるアンモニアの流量を制御する。具体的には、制御装置１８は、流量制御弁３１の動作を制御することによって、第１バーナ１３の噴射部２１から噴射されるアンモニアの流量を制御する。
　制御装置１８は、第１バーナ１３の天然ガスの噴射部である第１噴射部２２ａから噴射される天然ガスの流量を制御する。具体的には、制御装置１８は、流量制御弁３２の動作を制御することによって、第１バーナ１３の第１噴射部２２ａから噴射される天然ガスの流量を制御する。
　制御装置１８は、第２バーナ１４の天然ガスの噴射部である第２噴射部２２ｂから噴射される天然ガスの流量を制御する。具体的には、制御装置１８は、流量制御弁３３の動作を制御することによって、第２バーナ１４の第２噴射部２２ｂから噴射される天然ガスの流量を制御する。
　上記のように、制御装置１８は、第１バーナ１３の噴射部２１から噴射されるアンモニアの流量、第１バーナ１３の第１噴射部２２ａから噴射される天然ガスの流量、および、第２バーナ１４の第２噴射部２２ｂから噴射される天然ガスの流量を個別に制御できる。ゆえに、制御装置１８は、燃焼器１２へのアンモニアの供給量と、燃焼器１２への天然ガスの供給量との比を制御できる。つまり、制御装置１８は、燃焼器１２におけるアンモニアおよび天然ガスの総発熱量に対するアンモニアの発熱量の比率である混焼率を制御できる。
　さらに、制御装置１８は、第１バーナ１３の天然ガスの第１噴射部２２ａから噴射される天然ガスの流量と、第２バーナ１４の天然ガスの第２噴射部２２ｂから噴射される天然ガスの流量との比である天然ガス流量比を調整できる。上述したように、第２燃料は、天然ガスに限定されない。ゆえに、天然ガス流量比は、第１噴射部２２ａから噴射される第２燃料の流量と、第２噴射部２２ｂから噴射される第２燃料の流量との比である第２燃料流量比の一例に相当する。
　燃焼システム１では、第１燃焼領域１２ａで形成される火炎の温度が過度に高くなると、燃焼器１２のライナーまたは第１バーナ１３等の装置が損傷するおそれがある。例えば、天然ガス等の第２燃料の火炎温度はアンモニアの火炎温度と比較して高いので、混焼率が低い場合に、天然ガスを第１バーナ１３の第１噴射部２２ａのみから噴射させると、第１燃焼領域１２ａで形成される火炎の温度が過度に高くなるおそれがある。例えば、エンジンＥ１の負荷が高い場合、燃焼器１２へ供給される燃料の総供給量が多くなるので、天然ガスを第１バーナ１３の第１噴射部２２ａのみから噴射させると、第１燃焼領域１２ａで形成される火炎の温度が過度に高くなるおそれがある。
　以上説明したように、燃焼システム１では、制御装置１８は、第１バーナ１３の天然ガスの第１噴射部２２ａから噴射される天然ガスの流量と、第２バーナ１４の天然ガスの第２噴射部２２ｂから噴射される天然ガスの流量との比である天然ガス流量比を調整する。ゆえに、燃焼器１２へ供給される天然ガスの全てを第１バーナ１３の第１噴射部２２ａから噴射させずに、燃焼器１２へ供給される天然ガスの一部を第２バーナ１４の第２噴射部２２ｂから噴射させることができる。よって、第１燃焼領域１２ａで形成される火炎の温度が過度に高くなることを抑制できるので、火炎による装置の損傷を抑制することができる。
　以下、図２および図３を参照して、制御装置１８による天然ガス流量比の調整に関する処理について詳細に説明する。制御装置１８は、例えば、第１燃焼領域１２ａの温度に基づいて、天然ガス流量比を調整する。以下、第１燃焼領域１２ａの温度に基づいて、天然ガス流量比が調整される例を説明する。ただし、後述するように、制御装置１８は、第１燃焼領域１２ａの温度以外のパラメータに基づいて、天然ガス流量比を調整してもよい。
　例えば、制御装置１８は、第１燃焼領域１２ａの温度が上限温度より低い場合、燃焼器１２へ供給される天然ガスの全てが第１バーナ１３の第１噴射部２２ａから噴射され、第２バーナ１４の第２噴射部２２ｂからは天然ガスが噴射されないように、天然ガス流量比を調整する。また、制御装置１８は、第１燃焼領域１２ａの温度が上限温度に到達している場合、燃焼器１２へ供給される天然ガスの一部が第２バーナ１４の第２噴射部２２ｂから噴射されるように、天然ガス流量比を調整する。上限温度は、第１燃焼領域１２ａの近傍の各装置の耐熱性等を加味して適宜設定され得る。
　図２は、燃焼システム１における第１燃焼領域１２ａの温度、第１噴射部２２ａの天然ガス流量、および、第２噴射部２２ｂの天然ガス流量と、混焼率との関係の一例を示す図である。第１噴射部２２ａの天然ガス流量は、第１バーナ１３の第１噴射部２２ａから噴射される天然ガスの流量を意味する。第２噴射部２２ｂの天然ガス流量は、第２バーナ１４の第２噴射部２２ｂから噴射される天然ガスの流量を意味する。図２では、第１燃焼領域１２ａの温度、第１噴射部２２ａの天然ガス流量、および、第２噴射部２２ｂの天然ガス流量が、それぞれ実線、一点鎖線および破線によって示されている。
　混焼率が高いほど、燃焼器１２へ供給される燃料の総供給量に対するアンモニアの総供給量の割合が高くなる。一方、混焼率が低いほど、燃焼器１２へ供給される燃料の総供給量に対する天然ガスの総供給量の割合が高くなる。図２の例では、エンジンＥ１の負荷は一定である。この場合、燃焼器１２へ供給される燃料の総発熱量も概ね一定となる。
　図２を参照し、混焼率が高い状態から低下する過程について考える。図２の例では、混焼率が右端から左側へ推移する過程が、混焼率が高い状態から低下する過程に相当する。図２の例では、混焼率が値Ｒ１より高い領域では、第１燃焼領域１２ａの温度が上限温度より低くなっている。ゆえに、燃焼器１２へ供給される天然ガスの全てが第１バーナ１３の第１噴射部２２ａから噴射され、第２バーナ１４の第２噴射部２２ｂからは天然ガスが噴射されない。混焼率が値Ｒ１より高い領域において、混焼率が低下するにつれて、第１噴射部２２ａの天然ガス流量は増加する。それにより、混焼率が値Ｒ１より高い領域において、混焼率が低下するにつれて、第１燃焼領域１２ａの温度も上昇する。
　そして、混焼率が値Ｒ１に到達すると、第１燃焼領域１２ａの温度が上限温度に到達する。ゆえに、混焼率が値Ｒ１より低い領域では、燃焼器１２へ供給される天然ガスの一部が第２バーナ１４の第２噴射部２２ｂから噴射される。具体的には、制御装置１８は、混焼率が値Ｒ１より低い領域では、第１燃焼領域１２ａの温度が上限温度に維持されるように、天然ガス流量比を調整する。
　例えば、制御装置１８は、混焼率が低下することに起因して第１燃焼領域１２ａの温度が上限温度を超えた場合、天然ガスの総流量に対する第２噴射部２２ｂの天然ガス流量の割合が高くなるように、天然ガス流量比を調整する。その結果、図２に示すように、混焼率が値Ｒ１より低い領域では、混焼率が低下するにつれて、天然ガスの総流量に対する第２噴射部２２ｂの天然ガス流量の割合が高くなる。それにより、第１燃焼領域１２ａの温度が上限温度に維持される。図２に示すように、混焼率が値Ｒ１より低い領域では、混焼率が低下するにつれて、第１噴射部２２ａの天然ガス流量は増加する。それにより、第１バーナ１３のアンモニアの噴射部２１から第１燃焼領域１２ａに供給されるアンモニアの流量が混焼率の低下に伴って低下することに起因する第１燃焼領域１２ａの温度の低下が抑制される。
　上述したように、第１燃焼領域１２ａの温度が上限温度より低くなる領域（つまり、混焼率が値Ｒ１より高い領域）では、第２バーナ１４の第２噴射部２２ｂからは天然ガスが噴射されずに、燃焼器１２へ供給される天然ガスの全てが第１バーナ１３の第１噴射部２２ａから噴射される。それにより、第１燃焼領域１２ａの温度が過度に低下することが抑制される。ゆえに、第１燃焼領域１２ａにおける火炎の安定性が確保される。
　図３は、燃焼システム１における第１燃焼領域１２ａの温度、第１噴射部２２ａの天然ガス流量、および、第２噴射部２２ｂの天然ガス流量と、エンジンＥ１の負荷との関係の一例を示す図である。図３では、図２と同様に、第１燃焼領域１２ａの温度、第１噴射部２２ａの天然ガス流量、および、第２噴射部２２ｂの天然ガス流量が、それぞれ実線、一点鎖線および破線によって示されている。
　エンジンＥ１の負荷は、例えば、圧縮機１１ａと接続される発電機による発電量の要求値に応じて変動する。エンジンＥ１の負荷が高いほど、燃焼器１２へ供給される燃料の総発熱量が多くなる。図３の例では、混焼率は一定である。
　図３を参照し、エンジンＥ１の負荷が小さい状態から増加する過程について考える。図３の例では、エンジンＥ１の負荷が左端から右側へ推移する過程が、エンジンＥ１の負荷が小さい状態から増大する過程に相当する。図３の例では、エンジンＥ１の負荷が値Ｌ１より小さい領域では、第１燃焼領域１２ａの温度が上限温度より低くなっている。ゆえに、燃焼器１２へ供給される天然ガスの全てが第１バーナ１３の第１噴射部２２ａから噴射され、第２バーナ１４の第２噴射部２２ｂからは天然ガスが噴射されない。エンジンＥ１の負荷が値Ｌ１より小さい領域において、エンジンＥ１の負荷が増加するにつれて、第１噴射部２２ａの天然ガス流量は増加する。それにより、エンジンＥ１の負荷が値Ｌ１より小さい領域において、エンジンＥ１の負荷が増加するにつれて、第１燃焼領域１２ａの温度も上昇する。
　そして、エンジンＥ１の負荷が値Ｌ１に到達すると、第１燃焼領域１２ａの温度が上限温度に到達する。ゆえに、エンジンＥ１の負荷が値Ｌ１より大きい領域では、燃焼器１２へ供給される天然ガスの一部が第２バーナ１４の第２噴射部２２ｂから噴射される。具体的には、制御装置１８は、エンジンＥ１の負荷が値Ｌ１より大きい領域では、第１燃焼領域１２ａの温度が上限温度に維持されるように、天然ガス流量比を調整する。
　例えば、制御装置１８は、エンジンＥ１の負荷が増加することに起因して第１燃焼領域１２ａの温度が上限温度を超えた場合、天然ガスの総流量に対する第２噴射部２２ｂの天然ガス流量の割合が高くなるように、天然ガス流量比を調整する。その結果、図３に示すように、エンジンＥ１の負荷が値Ｌ１より大きい領域では、エンジンＥ１の負荷が増加するにつれて、天然ガスの総流量に対する第２噴射部２２ｂの天然ガス流量の割合が高くなる。それにより、第１燃焼領域１２ａの温度が上限温度に維持される。
　上述したように、第１燃焼領域１２ａの温度が上限温度より低くなる領域（つまり、エンジンＥ１の負荷が値Ｌ１より小さい領域）では、第２バーナ１４の第２噴射部２２ｂからは天然ガスが噴射されずに、燃焼器１２へ供給される天然ガスの全てが第１バーナ１３の第１噴射部２２ａから噴射される。それにより、第１燃焼領域１２ａの温度が過度に低下することが抑制される。ゆえに、第１燃焼領域１２ａにおける火炎の安定性が確保される。燃料の投入量が少ない着火時、または、着火直後においても、第２バーナ１４の第２噴射部２２ｂからは天然ガスが噴射されずに、燃焼器１２へ供給される天然ガスの全てが第１バーナ１３の第１噴射部２２ａから噴射される。それにより、第１燃焼領域１２ａの温度が過度に低下することが抑制され、第１燃焼領域１２ａにおける安定的な着火が実現される。
　以上説明したように、制御装置１８は、第１燃焼領域１２ａの温度に基づいて、天然ガス流量比を調整する。それにより、第１燃焼領域１２ａで形成される火炎の温度が過度に高くなることを抑制できる。具体的には、混焼率が低い場合、または、エンジンＥ１の負荷が大きい場合に、第１燃焼領域１２ａの温度が上限温度を超えることを抑制できる。ゆえに、火炎による装置の損傷を抑制することができる。さらに、第１燃焼領域１２ａの温度が過度に低下することを抑制できる。具体的には、混焼率が高い場合、または、エンジンＥ１の負荷が小さい場合に、第１燃焼領域１２ａの温度が過度に低下することを抑制できる。ゆえに、第１燃焼領域１２ａにおける火炎の安定性が確保される。
　上記では、第１燃焼領域１２ａの温度に基づいて天然ガス流量比が調整される例を説明した。ただし、制御装置１８は、第１燃焼領域１２ａの温度以外のパラメータに基づいて、天然ガス流量比を調整してもよい。
　制御装置１８は、混焼率に基づいて、天然ガス流量比を調整してもよい。例えば、予め設定されているスケジュールで変化する混焼率の情報が制御装置１８に入力される。制御装置１８は、当該情報を用いて、混焼率を取得できる。制御装置１８は、例えば、混焼率が図２中の値Ｒ１より高い場合、燃焼器１２へ供給される天然ガスの全てが第１バーナ１３の第１噴射部２２ａから噴射され、第２バーナ１４の第２噴射部２２ｂからは天然ガスが噴射されないように、天然ガス流量比を調整する。
　また、制御装置１８は、例えば、混焼率が図２中の値Ｒ１より低い場合、燃焼器１２へ供給される天然ガスの一部が第２バーナ１４の第２噴射部２２ｂから噴射されるように、天然ガス流量比を調整する。具体的には、制御装置１８は、混焼率が図２中の値Ｒ１より低い場合、混焼率が低下するにつれて、天然ガスの総流量に対する第２噴射部２２ｂの天然ガス流量の割合が高くなるように、天然ガス流量比を調整する。
　混焼率に基づいて天然ガス流量比が調整される場合においても、第１燃焼領域１２ａの温度に基づいて天然ガス流量比が調整される場合と同様に、第１燃焼領域１２ａの温度が上限温度を超えることを抑制できるので、火炎による装置の損傷を抑制することができる。さらに、第１燃焼領域１２ａの温度が過度に低下することを抑制できるので、第１燃焼領域１２ａにおける火炎の安定性が確保される。
　制御装置１８は、エンジンＥ１の負荷に基づいて、天然ガス流量比を調整してもよい。例えば、予め設定されているスケジュールで変化するエンジンＥ１の負荷の情報が制御装置１８に入力される。制御装置１８は、当該情報を用いて、エンジンＥ１の負荷を取得できる。制御装置１８は、例えば、エンジンＥ１の負荷が図３中の値Ｌ１より小さい場合、燃焼器１２へ供給される天然ガスの全てが第１バーナ１３の第１噴射部２２ａから噴射され、第２バーナ１４の第２噴射部２２ｂからは天然ガスが噴射されないように、天然ガス流量比を調整する。
　また、制御装置１８は、例えば、エンジンＥ１の負荷が図３中の値Ｌ１より大きい場合、燃焼器１２へ供給される天然ガスの一部が第２バーナ１４の第２噴射部２２ｂから噴射されるように、天然ガス流量比を調整する。具体的には、制御装置１８は、エンジンＥ１の負荷が図３中の値Ｌ１より大きい場合、エンジンＥ１の負荷が増加するにつれて、天然ガスの総流量に対する第２噴射部２２ｂの天然ガス流量の割合が高くなるように、天然ガス流量比を調整する。
　エンジンＥ１の負荷に基づいて天然ガス流量比が調整される場合においても、第１燃焼領域１２ａの温度に基づいて天然ガス流量比が調整される場合と同様に、第１燃焼領域１２ａの温度が上限温度を超えることを抑制できるので、火炎による装置の損傷を抑制することができる。さらに、第１燃焼領域１２ａの温度が過度に低下することを抑制できるので、第１燃焼領域１２ａにおける火炎の安定性が確保される。
　制御装置１８は、アンモニアおよび天然ガスの総発熱量に基づいて、天然ガス流量比を調整してもよい。例えば、予め設定されているスケジュールで変化するエンジンＥ１の負荷の情報が制御装置１８に入力される。制御装置１８は、当該情報を用いて、アンモニアおよび天然ガスの総発熱量を取得できる。総発熱量は、エンジンＥ１の負荷と相関を有する。ゆえに、制御装置１８は、例えば、総発熱量が閾値より小さい場合、燃焼器１２へ供給される天然ガスの全てが第１バーナ１３の第１噴射部２２ａから噴射され、第２バーナ１４の第２噴射部２２ｂからは天然ガスが噴射されないように、天然ガス流量比を調整する。
　また、制御装置１８は、例えば、総発熱量が閾値より大きい場合、燃焼器１２へ供給される天然ガスの一部が第２バーナ１４の第２噴射部２２ｂから噴射されるように、天然ガス流量比を調整する。具体的には、制御装置１８は、総発熱量が閾値より大きい場合、総発熱量の負荷が増加するにつれて、天然ガスの総流量に対する第２噴射部２２ｂの天然ガス流量の割合が高くなるように、天然ガス流量比を調整する。
　アンモニアおよび天然ガスの総発熱量に基づいて天然ガス流量比が調整される場合においても、第１燃焼領域１２ａの温度に基づいて天然ガス流量比が調整される場合と同様に、第１燃焼領域１２ａの温度が上限温度を超えることを抑制できるので、火炎による装置の損傷を抑制することができる。さらに、第１燃焼領域１２ａの温度が過度に低下することを抑制できるので、第１燃焼領域１２ａにおける火炎の安定性が確保される。
　上記では、天然ガス流量比の調整に用いられるパラメータとして、第１燃焼領域１２ａの温度、混焼率、エンジンＥ１の負荷、および、総発熱量について説明した。ただし、天然ガス流量比の調整に用いられるパラメータとして、これらのパラメータのうちの複数種類のパラメータが併用されてもよい。また、天然ガス流量比の調整に用いられるパラメータとして、上記で説明したパラメータ以外のパラメータが用いられてもよい。
　第１燃焼領域１２ａにおける火炎の安定性を確保する観点では、第１バーナ１３の空気の噴射部２３ａに後述する工夫が施されることが好ましい。以下、図４を参照して、このような工夫について説明する。
　図４は、第１バーナ１３の空気の噴射部２３ａの構成の一例を示す図である。図４に示すように、第１バーナ１３は、旋回部２４を備える。旋回部２４は、第１バーナ１３の空気の噴射部２３ａから噴射される空気を旋回させる。図４の例では、旋回部２４は、シャフト２４ａと、旋回翼２４ｂとを含む。シャフト２４ａは、例えば、噴射部２３ａにおける空気の流路の中心軸上に延在する。旋回翼２４ｂは、シャフト２４ａの外周面からシャフト２４ａの径方向外側に延在する。例えば、旋回翼２４ｂは、シャフト２４ａの周方向に間隔を空けて複数設けられる。それにより、図４中で矢印によって示すように、噴射部２３ａ内を流通する空気に旋回力が付与される。ただし、旋回部２４は、第１バーナ１３の空気の噴射部２３ａから噴射される空気を旋回させることができればよく、図４の例に限定されない。
　以上説明したように、第１バーナ１３は、第１バーナ１３の空気の噴射部２３ａから噴射される空気を旋回させる旋回部２４を備える。それにより、第１燃焼領域１２ａにおける火炎の安定性が確保される。ただし、第１バーナ１３から旋回部２４が省略されてもよい。
　以上、添付図面を参照しながら本開示の実施形態について説明したが、本開示はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。
　上記では、燃焼システム１において、タービン１１ｂから圧縮機１１ａに伝達された回転動力が発電機を駆動させるエネルギーとして利用される例を説明した。ただし、燃焼システム１において、タービン１１ｂから圧縮機１１ａに伝達された回転動力が、例えば、船舶等の移動体を駆動させる目的等の他の用途に利用されてもよい。
　上記では、第１バーナ１３において、アンモニアの噴射部２１と、天然ガスの噴射部２２ａとが別々の噴射部である例を説明した。ただし、第１バーナ１３において、アンモニアと天然ガスとが、予め混合され、１つの噴射部から第１燃焼領域１２ａに噴射されてもよい。この場合、１つの噴射部が、アンモニアの噴射部としても機能し、天然ガスの噴射部としても機能する。同様に、第１バーナ１３において、アンモニアと空気とが、予め混合され、１つの噴射部から第１燃焼領域１２ａに噴射されてもよい。同様に、第１バーナ１３において、アンモニアと天然ガスと空気とが、予め混合され、１つの噴射部から第１燃焼領域１２ａに噴射されてもよい。同様に、第２バーナ１４において、天然ガスと空気とが、予め混合され、１つの噴射部から第２燃焼領域１２ｂに噴射されてもよい。
　本開示は、ガスタービンシステム等の燃焼システムにおける火炎による装置の損傷の抑制に資するので、例えば、持続可能な開発目標（ＳＤＧｓ）の目標７「手ごろで信頼でき、持続可能かつ近代的なエネルギーへのアクセスを確保する」に貢献することができる。
１：燃焼システム　１２：燃焼器　１２ａ：第１燃焼領域　１２ｂ：第２燃焼領域　１３：第１バーナ　１４：第２バーナ　１８：制御装置　２１：アンモニアの噴射部　２２ａ：天然ガスの噴射部（第１噴射部）　２２ｂ：天然ガスの噴射部（第２噴射部）　２３ａ：空気の噴射部　２４：旋回部　Ｅ１：エンジン

Claims (6)

  1. 　第１燃焼領域と、前記第１燃焼領域に対して下流側に連続する第２燃焼領域とを含む燃焼器と、
    　前記第１燃焼領域に臨む第１燃料としてのアンモニアの噴射部と、前記第１燃焼領域に臨む窒素原子を含まない第２燃料の第１噴射部とを含む第１バーナと、
    　前記第２燃焼領域に臨む前記第２燃料の第２噴射部を含む第２バーナと、
    　前記第１噴射部から噴射される前記第２燃料の流量と、前記第２噴射部から噴射される前記第２燃料の流量との比である第２燃料流量比を調整する制御装置と、
    　を備える、
    　燃焼システム。
  2. 　前記制御装置は、前記第１燃焼領域の温度に基づいて、前記第２燃料流量比を調整する、
    　請求項１に記載の燃焼システム。
  3. 　前記制御装置は、前記アンモニアおよび前記第２燃料の総発熱量に対する前記アンモニアの発熱量の比率である混焼率に基づいて、前記第２燃料流量比を調整する、
    　請求項１または２に記載の燃焼システム。
  4. 　前記燃焼器を含むエンジンを備え、
    　前記制御装置は、前記エンジンの負荷に基づいて、前記第２燃料流量比を調整する、
    　請求項１または２に記載の燃焼システム。
  5. 　前記制御装置は、前記アンモニアおよび前記第２燃料の総発熱量に基づいて、前記第２燃料流量比を調整する、
    　請求項１または２に記載の燃焼システム。
  6. 　前記第１バーナは、
    　前記第１燃焼領域に臨む空気の噴射部と、
    　前記空気の噴射部から噴射される前記空気を旋回させる旋回部と、
    　を備える、
    　請求項１または２に記載の燃焼システム。
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