JP2000329346A - Premixture combustor and co-generation system having the combustor - Google Patents
Premixture combustor and co-generation system having the combustorInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、広い負荷範囲での
高い燃焼効率と低NOｘでの運転の双方を可能とする予混
合燃焼器及びその燃焼器を備えるコージェネレーション
システムに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a premixed combustor that enables both high combustion efficiency and low NOx operation over a wide load range, and a cogeneration system including the combustor.
【０００２】[0002]
【従来の技術】ガスタービン用のガス燃焼装置などにお
いて、火炎の温度を下げてNOｘの生成を低減するため
に、燃料と燃料に対する過剰な燃焼用空気を燃焼前に混
合し、希薄な予混合ガスとして燃焼させる予混合燃焼法
が行われている。予混合燃焼法を用いた予混合燃焼器と
して、着火用及び火炎安定化用燃料ガス噴出孔と１次燃
焼用予混合ガスの噴出口を備えた燃焼ガス噴出ブロック
と、該燃焼ガス噴出ブロックからの予混合ガス噴出方向
側に備えられた燃焼室筒体を備えた予混合燃焼器、さら
には、該燃焼室筒体の周壁に少なくとも１段の予混合ガ
スの噴出口をさらに備えた形式の多段式の予混合燃焼器
などが知られている（例えば、特開平５−３４０５０８
号公報、特開平９−２５０７１４号公報、特開平１０−
１９６９０９号公報など参照）。また、着火用燃料ガス
噴出孔とその周囲に少なくとも１個の予混合燃焼バーナ
を備えた燃焼ガス噴出ブロックと、該燃焼ガス噴出ブロ
ックからの予混合ガス噴出方向側に備えられた燃焼室筒
体とを備えた、いわゆるマルチバーナ形式の予混合燃焼
器も知られている（例えば、特開平５−３２２１６９号
公報、特開平９−１５９１４３号公報など参照）。2. Description of the Related Art In a gas combustion device for a gas turbine or the like, in order to reduce the temperature of a flame and reduce the generation of NOx, fuel and excess combustion air for the fuel are mixed before combustion to obtain a lean premix. A premixed combustion method of burning as gas has been performed. As a premixed combustor using a premixed combustion method, a combustion gas ejection block provided with a fuel gas ejection hole for ignition and flame stabilization and an ejection port for a premixed gas for primary combustion, and a combustion gas ejection block. A premixed combustor provided with a combustion chamber cylinder provided on the side of the premixed gas ejection direction, and a peripheral wall of the combustion chamber cylinder further provided with at least one-stage premixed gas ejection port. A multistage premixed combustor is known (for example, see Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-340508).
JP-A-9-250714, JP-A-9-250714
196909 and the like). Also, a combustion gas ejection block provided with an ignition fuel gas ejection hole and at least one premixed combustion burner therearound, and a combustion chamber cylinder provided on the side of the premixed gas ejection direction from the combustion gas ejection block There is also known a so-called multi-burner type premixed combustor provided with (see, for example, JP-A-5-322169 and JP-A-9-159143).
【０００３】図７は、前者の例としての２段式の予混合
燃焼器を示しており、この予混合燃焼器は、筒体１００
の内部の軸方向ほぼ中央より上流側（図において左側）
に燃焼ガス噴出ブロック１０が支持され、燃焼ガス噴出
ブロック１０に連続して燃焼室筒体１０１が配置され、
該燃焼室筒体１０１の内部に燃焼室２０を形成してい
る。燃焼ガス噴出ブロック１０は、中心部にパイロット
燃料ガス噴出口１を有し、該パイロット燃料ガス噴出口
１の周囲には、１次燃焼用予混合ガスの噴出口2が形成
され、さらにその下流には１次燃焼用予混合ガスの噴出
口２と同様の2次燃焼用予混合ガスの噴出口３が形成さ
れている。FIG. 7 shows a two-stage premixed combustor as an example of the former, and this premixed combustor has a cylindrical body 100.
Upstream from the center in the axial direction of the inside (left side in the figure)
The combustion gas ejection block 10 is supported, and the combustion chamber cylinder 101 is arranged continuously with the combustion gas ejection block 10.
A combustion chamber 20 is formed inside the combustion chamber cylinder 101. The combustion gas ejection block 10 has a pilot fuel gas ejection port 1 at the center, and a primary combustion premixed gas ejection port 2 is formed around the pilot fuel gas ejection port 1 and further downstream thereof. Is formed with a secondary combustion premixed gas injection port 3 similar to the primary combustion premixed gas injection port 2.
【０００４】パイロット燃料ガス噴出口１には導管１１
からパイロット燃料ガスGが定量供給され、火炎の安定
化に寄与する。また、１次燃焼用予混合ガス噴出口２に
は導管１２から低負荷時には負荷に応じて燃料ガスＧ１
が供給され、ノズル１２ａから噴出する。一方、さらに
高負荷の場合には、パイロット燃料ガスＧ及び１次燃焼
用燃料ガスＧ１からは一定量の燃料ガスが供給され、２
次燃焼用予混合ガス噴出口３には導管１３から負荷に応
じた量の２次燃料ガスＧ２が供給され、ノズル１３ａか
ら噴出する。なお、図で１５は各予混合ガス噴出口２，
３の上流側に配置されるスワラである。A conduit 11 is connected to the pilot fuel gas injection port 1.
Provides a fixed amount of pilot fuel gas G, thereby contributing to the stabilization of the flame. When the load is low, the fuel gas G1 is supplied from the conduit 12 to the primary combustion premixed gas injection port 2 in accordance with the load.
Is supplied and is ejected from the nozzle 12a. On the other hand, when the load is further increased, a fixed amount of fuel gas is supplied from the pilot fuel gas G and the primary combustion fuel gas G1, and
An amount of secondary fuel gas G2 corresponding to the load is supplied from the conduit 13 to the premixed gas injection port 3 for the next combustion, and is ejected from the nozzle 13a. In the drawing, reference numeral 15 denotes each premixed gas ejection port 2,
3 is a swirler arranged on the upstream side.
【０００５】筒体１００の燃焼ガスの出口側は空気導入
口１００ａとされ、ここから燃焼用空気Ａが供給され
る。該燃焼用空気Ａは、各導管１２、１３から供給され
る１次、２次の燃料ガスＧ１、Ｇ２と混合して予混合ガ
スとなり、それぞれの燃焼用予混合ガス噴出口２、３か
ら燃焼室２０内に噴出する。この種の予混合ガス燃焼装
置では、起動時から最高負荷時までの全域でパイロット
燃料ガス噴出口１からパイロット燃料ガスＧを噴出させ
て拡散燃焼させる。また、中程度の負荷時には、パイロ
ット燃料ガスＧを噴出させて拡散燃焼をさせつつ、１次
燃焼用予混合ガス噴出口２からは１次燃料ガスＧ１を負
荷に応じて供給し、空気Ａとの希薄予混合ガスを燃焼さ
せる。さらに高負荷時には、パイロット燃料ガスＧと１
次燃料ガスＧ１を一定量供給し、負荷に対応して２次燃
料ガスＧ２を供給し、燃焼用の空気Ａと混合させて燃焼
させる。[0005] The outlet side of the combustion gas of the cylinder 100 is an air inlet 100a, from which combustion air A is supplied. The combustion air A is mixed with the primary and secondary fuel gases G1 and G2 supplied from the respective conduits 12 and 13 to become a premixed gas, and the combustion air A is burned from the respective combustion premixed gas injection ports 2 and 3. It squirts into the chamber 20. In this type of premixed gas combustion device, the pilot fuel gas G is ejected from the pilot fuel gas ejection port 1 in the entire region from the start-up to the time of maximum load to perform diffusion combustion. Also, at a moderate load, the primary fuel gas G1 is supplied from the primary combustion premixed gas injection port 2 according to the load while the pilot fuel gas G is ejected to perform diffusion combustion, and the air A and the air are mixed. Is burned. At a higher load, the pilot fuel gas G and 1
A predetermined amount of the secondary fuel gas G1 is supplied, a secondary fuel gas G2 is supplied according to the load, and the secondary fuel gas G2 is mixed with the combustion air A and burned.
【０００６】この燃焼装置によれば、NOｘ排出量の高い
拡散燃焼はパイロットバーナ（パイロット燃料ガス噴出
孔１）のみで採用されており、最高負荷時での燃料比率
で考えても拡散燃焼の比率は約１から２割程度である。
他のほとんどの燃料はNOｘ排出量の低い希薄予混合ガス
として燃焼器内部に供給されるため、負荷を上昇させて
もNOｘ排出量はほとんど上昇しない。１次と２次の希薄
予混合ガスは一般には単独では燃焼しないほど希薄であ
るが、パイロットバーナの安定拡散火炎の保炎作用で反
応が十分に進行する。一方、予混合ガス燃焼方式のガス
燃焼装置ではなく、拡散燃焼によるガス燃焼装置では、
燃料ガスや燃焼用空気に蒸気を混合するか、あるいは燃
焼場の高温域に蒸気を噴射して燃焼ガスの温度を下げる
ことにより、サーマルNOｘを低減することが行われてい
る。According to this combustion apparatus, diffusion combustion having a high NOx emission amount is employed only in the pilot burner (pilot fuel gas outlet 1). Is about 10 to 20%.
Since most other fuels are supplied into the combustor as a lean premixed gas having a low NOx emission, even if the load is increased, the NOx emission hardly increases. Although the primary and secondary lean premixed gases are generally so lean that they cannot be burned alone, the reaction proceeds sufficiently by the flame holding action of the stable diffusion flame of the pilot burner. On the other hand, in a gas combustion device using diffusion combustion instead of a gas combustion device using a premixed gas combustion method,
2. Description of the Related Art Thermal NOx is reduced by mixing steam with fuel gas or combustion air, or by injecting steam into a high temperature region of a combustion field to lower the temperature of combustion gas.
【０００７】また、図８に示すように、ガス燃焼装置F
を動力源とするコージェネレーションシステムも知られ
ている。通常、ガス燃焼器Fと、該ガス燃焼器Fへ空気を
送り込む空気圧縮機Cと、該ガス燃焼器Fからの燃焼ガス
で駆動されるタービンTと、該タービンTで駆動される発
電機Dと、該ガス燃焼器Fからの燃焼ガスを熱源とする廃
熱ボイラBとを備えており、電力を得ると同時に、廃熱
ボイラBからの蒸気を暖房用熱などとして利用してい
る。一般に、ガスタービンを用いたコージェネレーショ
ンシステムは、ガスエンジンを用いたシステムと比較し
て軽量小型で設置面積が小さく、メンテナンスコストが
低いなどの利点がある。[0008] As shown in FIG.
A cogeneration system using a power source is also known. Normally, a gas combustor F, an air compressor C for sending air to the gas combustor F, a turbine T driven by combustion gas from the gas combustor F, and a generator D driven by the turbine T And a waste heat boiler B that uses the combustion gas from the gas combustor F as a heat source to obtain electric power and simultaneously use steam from the waste heat boiler B as heating heat. In general, a cogeneration system using a gas turbine has advantages over a system using a gas engine, such as light weight, small size, small installation area, and low maintenance cost.
【０００８】その一方において、熱電比が高いために、
民生用需要家などにおいては、熱（蒸気）が余剰となり
システムが本来持つ熱効率を有効に利用できない場合が
起こる。それを改善する方法として、余剰蒸気を燃焼器
出口や燃焼器内部などのガスタービン系内へ戻し、ター
ビンへの作動流体量を増やすことによって発電出力を増
加する方法が、いわゆるチェンサイクルとして知られて
いる。もちろん、熱は熱、電気は電気として１００％消
費するのがもっとも総合効率の高い方法であり、総合効
率は約８０％にまで達する。しかし、熱を有効に利用で
きない場合は多いため、その熱をうまく電気に変えて使
用しようというものである。さらに、チェンサイクルの
ようにガスタービン系内に蒸気を戻す方法は、蒸気を大
気中に放出する必要がないため、いわゆる白煙の対策に
もなるというメリットを持つ。On the other hand, due to the high thermoelectric ratio,
In a consumer consumer or the like, heat (steam) becomes excessive and the system may not be able to effectively use its inherent thermal efficiency. As a method of improving this, a method of returning excess steam to a gas turbine system such as a combustor outlet or the inside of a combustor and increasing the amount of working fluid to the turbine to increase the power generation output is known as a so-called chain cycle. ing. Of course, 100% of heat is consumed as heat and electricity as electricity is the method with the highest total efficiency, and the total efficiency reaches about 80%. However, there are many cases where heat cannot be used effectively, and the heat is converted into electricity and used. Furthermore, the method of returning steam to the gas turbine system as in the chain cycle has the advantage that it is not necessary to discharge the steam to the atmosphere, and therefore, it is also a measure against so-called white smoke.
【０００９】[0009]
【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、ガス燃
焼装置を動力源として搭載するコージェネレーションシ
ステムに関して種々の実験と研究を行う過程において、
ガス燃焼器として前記した予混合燃焼器を搭載したコー
ジェネレーションシステムにおいて、いわゆるチェンサ
イクルを実機で運用しようとすると、NOx低減の観点か
ら好ましくない運転状態が生じうることを経験した。SUMMARY OF THE INVENTION In the course of conducting various experiments and research on a cogeneration system equipped with a gas combustion device as a power source,
In a cogeneration system equipped with the above-described premixed combustor as a gas combustor, when trying to operate a so-called chain cycle with an actual machine, it was experienced that an unfavorable operating state may occur from the viewpoint of NOx reduction.
【００１０】すなわち、発電出力を増加してトータルの
熱効率を向上させるべく、燃焼場出口近傍への余剰蒸気
供給量を増加させていくと、燃焼排ガス温度が低下傾向
となり、TIT（Turbine Inlet Temperature）一定制御
やEGT（Exhaust Gas Temperature）一定制御などの一
般的なガスタービンの出力制御方式では、この燃焼排ガ
ス温度の低下傾向を修正するために、燃料ガスの供給量
が増加する。その結果、当該多段予混合ガス燃焼器が予
定する低NOx燃焼の混合比を超えて燃料ガスが供給され
ることとなり、所期の希薄予混合ができなくなって、サ
ーマルNOｘの発生量が増大するものと考えられる。That is, when the amount of surplus steam supplied to the vicinity of the combustion field outlet is increased in order to increase the power generation output and improve the total thermal efficiency, the temperature of the combustion exhaust gas tends to decrease, and TIT (Turbine Inlet Temperature) In a general gas turbine output control system such as a constant control or an EGT (Exhaust Gas Temperature) constant control, the supply amount of the fuel gas is increased in order to correct the tendency of the combustion exhaust gas temperature to decrease. As a result, the fuel gas is supplied beyond the mixing ratio of the low NOx combustion scheduled by the multistage premixed gas combustor, so that the desired lean premixing cannot be performed, and the amount of generated thermal NOx increases. It is considered something.
【００１１】本発明は上記の事情に鑑みてなされたもの
であり、その目的は、予混合ガス燃焼器を動力源として
搭載するコージェネレーションシステムにおいて、廃熱
ボイラからの余剰蒸気を燃焼室筒体における予混合ガス
の燃焼場出口近傍へ供給し、タービンへの作動流体量を
増やして発電出力を増加させようとする場合に発生する
上記の不都合を解決することのできる予混合ガス燃焼器
及びその燃焼器を持つコージェネレーションを提供する
ことにある。The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a cogeneration system in which a premixed gas combustor is mounted as a power source, in which a surplus steam from a waste heat boiler is used as a combustion chamber cylinder. And a premixed gas combustor capable of solving the above-mentioned disadvantages that occur when an attempt is made to increase the amount of working fluid to the turbine to increase the power generation output by supplying the premixed gas to the vicinity of the combustion field outlet. It is to provide a cogeneration having a combustor.
【００１２】[0012]
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決する本
発明による予混合燃焼器は、少なくとも着火用燃料ガス
噴出孔と１次燃焼用予混合ガスの噴出口を備えた燃焼ガ
ス噴出ブロックと、該燃焼ガス噴出ブロックからの予混
合ガス噴出方向側に備えられた燃焼室筒体とを備えた予
混合燃焼器であって、予混合ガス噴出口から噴出する予
混合ガスが蒸気を付加された状態で燃焼することを可能
とする第１の蒸気供給手段と、燃焼室筒体における予混
合ガスの燃焼場出口近傍へ蒸気を供給する第２の蒸気供
給手段とをさらに備えることを特徴とする。According to the present invention, there is provided a premixed combustor for solving the above-mentioned problems, comprising a combustion gas ejection block having at least a fuel gas ejection hole for ignition and an ejection port for premixed gas for primary combustion. A combustion chamber cylinder provided on the side of the premixed gas ejection direction from the combustion gas ejection block, wherein the premixed gas ejected from the premixed gas ejection port is added with steam. And a second steam supply means for supplying steam to a vicinity of a combustion field outlet of the premixed gas in the combustion chamber cylinder. I do.
【００１３】本発明による予混合燃焼器の他の態様で
は、前記燃焼室筒体の周壁に少なくとも１段の予混合ガ
スの噴出口を備えた燃焼室筒体を持つ予混合燃焼器であ
ってもよい。第１の蒸気供給手段は、予混合燃焼器へ燃
焼用空気を供給する空気流路中に蒸気を供給する手段で
あってもよく、燃焼室筒体における予混合ガスの燃焼場
高温域へ蒸気を供給する手段であってもよい。また、燃
料用のガスに直接蒸気を注入する手段であってもよい。In another embodiment of the premixed combustor according to the present invention, there is provided a premixed combustor having a combustion chamber cylinder provided with at least one stage of premixed gas injection ports on a peripheral wall of the combustion chamber cylinder. Is also good. The first steam supply means may be a means for supplying steam into an air flow path for supplying combustion air to the premixed combustor, and the steam is supplied to the high temperature region of the combustion field of the premixed gas in the combustion chamber cylinder. May be provided. Alternatively, a means for directly injecting steam into the fuel gas may be used.
【００１４】さらに、本発明は、少なくとも着火用燃料
ガス噴出孔とその周囲に２個以上の予混合燃焼バーナを
備えた燃焼ガス噴出ブロックと、該燃焼ガス噴出ブロッ
クからの予混合ガス噴出方向側に備えられた燃焼室筒体
とを備えており、負荷に応じて使用する予混合燃焼バー
ナの本数を制御するようにした予混合燃焼器であって、
予混合燃焼バーナでの予混合ガスが蒸気を付加された状
態で燃焼することを可能とする第１の蒸気供給手段と、
燃焼室筒体の出口近傍へ蒸気を供給する第２の蒸気供給
手段を備えることを特徴とする予混合燃焼器をも開示す
る。Further, the present invention provides a combustion gas ejection block provided with at least a fuel gas ejection hole for ignition and two or more premixed combustion burners around the hole, and a premixed gas ejection direction side from the combustion gas ejection block. A combustion chamber cylinder provided in the premixed combustor, wherein the number of premixed combustion burners to be used according to the load is controlled,
First steam supply means for enabling the premixed gas in the premixed combustion burner to burn with steam added thereto;
There is also disclosed a premixed combustor including a second steam supply means for supplying steam to a vicinity of an outlet of the combustion chamber cylinder.
【００１５】また、本発明は、上記の予混合燃焼器を動
力源として搭載するコージェネレーションシステムであ
って、前記予混合燃焼器と、該予混合燃焼器へ空気を送
り込む空気圧縮機構と、該予混合燃焼器からの燃焼排ガ
スで駆動されるタービンと、該タービンで駆動される軸
とそれに直結された発電機と、該予混合燃焼器からの燃
焼排ガスを熱源とする廃熱ボイラと、該廃熱ボイラから
の蒸気を前記予混合燃焼器の第１の蒸気供給手段及び／
又は第２の蒸気供給手段に配分するための蒸気配分手段
とを少なくとも備えることを特徴とするコージェネレー
ションシステムを開示する。Further, the present invention is a cogeneration system equipped with the above premixed combustor as a power source, wherein the premixed combustor, an air compression mechanism for sending air to the premixed combustor, A turbine driven by flue gas from the premixed combustor, a shaft driven by the turbine and a generator directly connected thereto, a waste heat boiler using the flue gas from the premixed combustor as a heat source, Steam from a waste heat boiler is supplied to a first steam supply means of the premixed combustor and / or
Alternatively, there is disclosed a cogeneration system comprising at least steam distribution means for distributing to a second steam supply means.
【００１６】本発明による予混合燃焼器及びその燃焼器
を持つコージェネレーションシステムの運転は次のよう
にして行われる。従来の定格負荷範囲での運転時で、蒸
気需要が十分にある場合には、予混合燃焼器の第１の蒸
気供給手段及び第２の蒸気供給手段には蒸気は配分され
ず、予混合燃焼器単独で低NOx燃焼が進行する。この場
合には、排熱ボイラより発生する蒸気の全量を熱として
利用することができるため、総合効率が高い運転が可能
となる。The operation of the premixed combustor and the cogeneration system having the combustor according to the present invention is performed as follows. In the conventional operation in the rated load range, if the steam demand is sufficient, the steam is not distributed to the first steam supply means and the second steam supply means of the premixed combustor, and Low NOx combustion proceeds with the vessel alone. In this case, since the entire amount of steam generated from the exhaust heat boiler can be used as heat, an operation with high overall efficiency can be performed.
【００１７】また、蒸気需要が十分でなく、余剰蒸気が
発生する様な運転状況では、排熱ボイラからの余剰蒸気
を予混合燃焼器の前記第２の蒸気供給手段に分配して、
燃焼室筒体における予混合ガスの燃焼場出口近傍へ供給
する。それにより、タービンへの作動流体量が増加し発
電出力が上がる。この場合には、熱を全て熱として使う
よりは総合効率では低下する。Further, in an operating condition where the demand for steam is not sufficient and surplus steam is generated, surplus steam from the exhaust heat boiler is distributed to the second steam supply means of the premixed combustor,
The premixed gas in the combustion chamber cylinder is supplied to the vicinity of the combustion field outlet. Thereby, the amount of working fluid to the turbine increases, and the power generation output increases. In this case, the overall efficiency is lower than using all the heat as heat.
【００１８】さらに余剰蒸気が発生しつつ、かつ、電力
需要が高い場合には、前記第２の蒸気供給手段による蒸
気注入量を増加させる。このとき、燃焼排ガス温度が低
下傾向となり、一般的なガスタービンの負荷制御に用い
られるTIT（タービン入り口温度）一定制御などの手法
においては、燃料ガスの投入量が増加する。このため、
希薄予混合燃焼技術単独では、燃料ガス増加のために希
薄燃焼の領域を逸脱し、NOx発生量が大幅に増加してし
まう。Further, when excess steam is generated and the power demand is high, the amount of steam injected by the second steam supply means is increased. At this time, the combustion exhaust gas temperature tends to decrease, and the input amount of the fuel gas increases in a technique such as TIT (turbine inlet temperature) constant control used for load control of a general gas turbine. For this reason,
The lean premixed combustion technique alone deviates from the lean burn region due to an increase in fuel gas, and the NOx generation amount is greatly increased.
【００１９】その場合に、予混合燃焼器の第１の蒸気供
給手段にも蒸気を分配する。それにより、予混合ガス噴
出口から噴出する予混合ガスは蒸気が付加された状態で
燃焼することとなり、希薄燃焼における過剰空気と同様
の役割を蒸気が果たし、燃焼温度の低下によるNOx排出
量の上昇の抑制が実現する。なお、第１の蒸気供給手段
に分配される蒸気は、出力増加及び熱電比可変を目的と
して供給される第２の蒸気供給手段と較べてわずかでよ
い。In this case, the steam is also distributed to the first steam supply means of the premixed combustor. As a result, the premixed gas ejected from the premixed gas outlet is burned in a state in which steam is added, and the steam plays a role similar to the excess air in the lean combustion, and the NOx emission due to a decrease in the combustion temperature is reduced. The suppression of the rise is realized. Note that the amount of steam distributed to the first steam supply means may be slightly smaller than that of the second steam supply means supplied for the purpose of increasing output and varying the thermoelectric ratio.
【００２０】本発明によれば、従来の負荷範囲で、熱需
要が十分にある場合には、希薄予混合のドライ低NOx燃
焼を行い、電力需要が高いときや余剰蒸気が発生する場
合には、蒸気の有効な利用によるNOx削減効果、出力増
加効果、熱電比可変効果を有効に利用できるので、予混
合燃焼器を持つコージェネレーションシステムにおい
て、低負荷から高負荷までの広い運転範囲で、電気と熱
の各需要に応じたフレキシブルな、なおかつ無駄のない
総合効率の高い運転を行うことができる。According to the present invention, in the conventional load range, when the heat demand is sufficient, the lean premixed dry low NOx combustion is performed, and when the power demand is high or surplus steam is generated, Effective use of steam, NOx reduction effect, output increase effect, and variable thermoelectric ratio effect can be used effectively, so in a cogeneration system with a premixed combustor, electricity can be obtained over a wide operating range from low to high loads. The operation can be performed flexibly and efficiently without waste according to each demand of heat and heat.
【００２１】[0021]
【発明の実施の形態】以下、本発明を具体的な実施の様
態により説明する。図１は、本発明による予混合燃焼器
Ｆを動力源とするコージェネレーションシステムの要部
の一例を示しており、前記図８に示したコージェネレー
ションシステムとでは、廃熱ボイラＢからの蒸気が管路
Ｐ及び適宜の分配器Ｖを介して、第１の供給管Ｐ１と第
２の供給管Ｐ２とに分配され、そこから予混合燃焼器Ｆ
に供給されるようになっている点で異なっている。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described with reference to specific embodiments. FIG. 1 shows an example of a main part of a cogeneration system using a premixed combustor F as a power source according to the present invention. In the cogeneration system shown in FIG. Via a line P and a suitable distributor V, it is distributed to a first supply pipe P1 and a second supply pipe P2, from which the premixed combustor F
The difference is that it is supplied to
【００２２】図２は、本発明による予混合燃焼器Ｆの一
例である２段予混合燃焼器を説明する断面図であり、前
記図６に示した２段予混合燃焼器とは、コージェネレー
ションシステムの廃熱ボイラＢから延びる第１の供給管
Ｐ１及び第２の供給管Ｐ２にそれぞれ接続する第１と第
２の蒸気噴射マニフォールド３１、３２が設けられてい
る点で相違しており、他の構成は同じである。従って、
同じ部材には同じ符号を付し、説明は省略する。FIG. 2 is a sectional view for explaining a two-stage premix combustor which is an example of the premix combustor F according to the present invention. The two-stage premix combustor shown in FIG. The difference is that first and second steam injection manifolds 31 and 32 are respectively connected to a first supply pipe P1 and a second supply pipe P2 extending from the waste heat boiler B of the system. Is the same. Therefore,
The same members have the same reference characters allotted, and description thereof will be omitted.
【００２３】前記第１の蒸気噴射マニフォールド３１
は、筒体１００の円周方向に適数形成した開口を通過し
て、その先端を筒体１００と燃焼室筒体１０１との間の
空間、すなわち、空気導入口１００ａに連通する空間に
解放している。また、前記第２の蒸気噴射マニフォール
ド３２は、筒体１００の円周方向に適数形成した開口を
通過し、さらに、燃焼室筒体１０１の下流域、すなわ
ち、燃焼室筒体１０１における燃焼ガスの出口近傍に形
成した希釈孔３３を通過して、その先端を燃焼室２０内
に解放している。なお、この例において、第２の蒸気噴
射マニフォールド３２の先端は垂直面に約３０度の角度
で下流側に傾斜している。このように傾斜させることに
より、燃焼領域への蒸気の逆流がなく、火炎に悪影響を
与えることなく大量の蒸気を注入できる利点がある。The first steam injection manifold 31
Is opened through an appropriate number of openings formed in the circumferential direction of the cylinder 100, and the leading end thereof is released into a space between the cylinder 100 and the combustion chamber cylinder 101, that is, a space communicating with the air inlet 100a. are doing. In addition, the second steam injection manifold 32 passes through an appropriate number of openings formed in the circumferential direction of the cylinder 100, and further, a downstream region of the combustion chamber cylinder 101, that is, the combustion gas in the combustion chamber cylinder 101. Through the dilution hole 33 formed in the vicinity of the outlet, and the tip thereof is released into the combustion chamber 20. Note that, in this example, the tip of the second steam injection manifold 32 is inclined downstream at an angle of about 30 degrees with respect to the vertical plane. By providing such an inclination, there is an advantage that there is no backflow of steam to the combustion area, and a large amount of steam can be injected without adversely affecting the flame.
【００２４】次に、図２の予混合燃焼器Ｆを図１のコー
ジェネレーションシステムに適用したときの、熱と電気
の供給量及び熱電比可変の状態を説明する図３を参照し
ながら、図１に示したコージェネレーションシステムの
運転態様について説明する。図３での直線Ａは上記コー
ジェネレーションシステムでの電気と熱の供給量を示す
直線であり、従来の希薄予混合燃焼器の負荷範囲内で蒸
気の需要が高い場合には、第１と第２の蒸気噴射マニフ
ォールド３１、３２からの蒸気の供給は行わずに、直線
Ａに沿った従来通りの希薄予混合燃焼を単独で行う。図
６に示すグラフは、そのような運転時での一般的な希薄
予混合ガスタービン燃焼器でのＮＯｘ排出量と燃焼効率
の推移を示している。Next, referring to FIG. 3, which illustrates the state of supply and supply of heat and electricity and a change in the thermoelectric ratio when the premixed combustor F of FIG. 2 is applied to the cogeneration system of FIG. An operation mode of the cogeneration system shown in FIG. 1 will be described. The straight line A in FIG. 3 is a straight line indicating the supply amounts of electricity and heat in the cogeneration system. When the demand for steam is high within the load range of the conventional lean premixed combustor, the first and second straight lines are used. The conventional lean premix combustion along the straight line A is performed independently without supplying the steam from the steam injection manifolds 31 and 32 of FIG. The graph shown in FIG. 6 shows changes in NOx emission and combustion efficiency in a general lean premixed gas turbine combustor during such operation.
【００２５】電力需要に対して蒸気需要が少ない場合に
は、廃熱ボイラＢからの余剰蒸気を管路Ｐ及び適宜の分
配器Ｖを介して第２の供給管Ｐ２に分配し、第２の蒸気
噴射マニフォールド３２から燃焼室筒体１０１の希釈孔
３３より蒸気を供給することにより、余剰蒸気の適切な
処理を行いつつ、タービン作動流体量の増加による発電
出力の増加を実現する（図３での領域Ｂでの運転態
様）。ただし、このように第２の蒸気噴射マニフォール
ド３２から蒸気を噴射できる負荷は、希薄予混合燃焼の
最低負荷よりもやや高い必要がある。それは、希薄予混
合燃焼の最低負荷付近では、希釈孔からの蒸気注入で燃
焼効率が落ちる傾向にあるためである。そのために、図
３で直線Ｌ１で示される燃焼効率による制限領域は存在
する。When the demand for steam is less than the demand for electric power, surplus steam from the waste heat boiler B is distributed to the second supply pipe P2 via the pipe P and an appropriate distributor V, and By supplying steam from the steam injection manifold 32 through the dilution hole 33 of the combustion chamber cylinder 101, it is possible to increase the power generation output by increasing the amount of turbine working fluid while performing appropriate processing of surplus steam (see FIG. 3). Operation mode in region B). However, the load at which steam can be injected from the second steam injection manifold 32 needs to be slightly higher than the minimum load of lean premixed combustion. This is because near the minimum load of lean premixed combustion, the combustion efficiency tends to decrease due to steam injection from the dilution hole. For this reason, there is a limited area due to the combustion efficiency indicated by the straight line L1 in FIG.
【００２６】電気需要の上昇に伴い、発電出力のさらな
る上昇が求められる場合には、第２の蒸気噴射マニフォ
ールド３２から燃焼室筒体１０１への蒸気の供給量をさ
らに増加させる。それにより、タービンＴへの作動流体
量が増加し、発電出力が上昇する。電力需要に応じて、
第２の蒸気噴射マニフォールド３２からの供給蒸気量を
次第に増加させていく。When a further increase in the power generation output is required with an increase in the demand for electricity, the supply amount of steam from the second steam injection manifold 32 to the combustion chamber cylinder 101 is further increased. Thereby, the amount of working fluid to the turbine T increases, and the power generation output increases. According to electricity demand,
The amount of steam supplied from the second steam injection manifold 32 is gradually increased.
【００２７】ガスタービンの出力はタービン入り口（Ｔ
ＩＴ）温度による制限があり（図３での直線Ｌ２）、そ
の領域内での運転となるが、第２の蒸気噴射マニフォー
ルド３２からの供給蒸気量を次第に増加させていくに従
い、燃焼器出口の燃焼ガス温度が低下傾向となる。その
ため、タービン入り口（ＴＩＴ）温度など、タービンへ
の温度負荷が下がるため、さらに多くの燃料を注入する
ことが可能となる。そこで、２次燃料ガスＧ２の供給量
をさらに増加する制御が行われ、さらに発電出力を上げ
ると共に、同時に、前記第１の蒸気噴射マニフォールド
３１への蒸気の分配を開始する。第１の蒸気噴射マニフ
ォールド３１から噴出する蒸気は、空気導入口１００ａ
からの燃焼用空気Ａに混入し、前記各導管１２、１３か
ら供給される１次、２次の燃料ガスＧ１、Ｇ２と混合し
て予混合ガスとなり、それぞれの燃焼用予混合ガス噴出
口２、３から燃焼室２０内に噴出する。The output of the gas turbine is at the turbine inlet (T
IT) There is a limit due to the temperature (straight line L2 in FIG. 3), and the operation is performed within that range. However, as the amount of steam supplied from the second steam injection manifold 32 is gradually increased, the temperature at the combustor outlet is increased. The combustion gas temperature tends to decrease. As a result, the temperature load on the turbine, such as the turbine inlet (TIT) temperature, decreases, so that more fuel can be injected. Therefore, control for further increasing the supply amount of the secondary fuel gas G2 is performed, and the power generation output is further increased, and at the same time, the distribution of steam to the first steam injection manifold 31 is started. The steam ejected from the first steam injection manifold 31 is supplied to the air inlet 100a.
And mixed with the primary and secondary fuel gases G1 and G2 supplied from the conduits 12 and 13 to form a premixed gas. 3, and blows out into the combustion chamber 20.
【００２８】２次燃料ガスＧ２の供給量を増加したこと
により、本来の希薄予混合燃焼領域を逸脱し、燃焼領域
の高温下によるサーマルNOxの発生量が急激に増加する
が、前記第１の蒸気噴射マニフォールド３１からの蒸気
噴射により、蒸気が希薄予混合燃焼による過剰空気と同
様の役割を果たし、NOxの発生を抑制することができ
る。By increasing the supply amount of the secondary fuel gas G2, it deviates from the original lean premixed combustion region and the amount of thermal NOx generated due to the high temperature in the combustion region sharply increases. By the steam injection from the steam injection manifold 31, the steam plays the same role as the excess air due to the lean premix combustion, and the generation of NOx can be suppressed.
【００２９】図４は実験を通して得られた、第１の蒸気
噴射マニフォールド３１に分配される蒸気量（すなわ
ち、希薄予混合燃焼器の燃焼領域に供給される蒸気量）
と燃焼効率の推移を示すグラフであり、図５は、同じ条
件でのNOxの排出量を示すグラフである（ただし、これ
らのグラフでは、希釈孔内へも蒸気注入を行ってい
る）。図３における燃焼場への蒸気未注入の燃焼効率
（―●― ０kg/h）は、図６の希釈孔からも蒸気を注入
しないときの燃焼効率と比較して、燃焼効率がわずかに
落ちている。これは、燃焼ガス中に含まれる未燃排出物
（メタンや一酸化炭素）などは燃焼器を出た後にも反応
が進行するが、それが希釈孔内への蒸気注入の冷却作用
により遮断されたためであると考えられる。また、図４
に示すように、燃焼効率は燃焼場への蒸気注入量に対応
して下降しているが、負荷が上昇するに従って（図４で
は左の方へ行くに従って）燃焼場への蒸気注入量を適切
に増加させることにより、目標燃焼効率を十分に達成す
ることができる。また、図５のようにNOx排出濃度は、
負荷が上昇するに従って（図５では左の方へ行くに従っ
て）上昇していくが、燃焼場への蒸気注入量を負荷に応
じて適切に増加させていけば、NOx排出量は規制値（目
標値）以下のレベルに十分に抑えられることがわかる。FIG. 4 shows the amount of steam distributed to the first steam injection manifold 31 (that is, the amount of steam supplied to the combustion region of the lean premixed combustor) obtained through the experiment.
FIG. 5 is a graph showing the NOx emission amount under the same conditions (however, in these graphs, steam is also injected into the dilution holes). The combustion efficiency (-● -0 kg / h) when steam is not injected into the combustion field in FIG. 3 is slightly lower than the combustion efficiency when steam is not injected from the dilution hole in FIG. I have. This is because unburned emissions (methane and carbon monoxide) contained in the combustion gas react even after leaving the combustor, but they are cut off by the cooling action of steam injection into the dilution holes. It is considered that it is. FIG.
As shown in the figure, the combustion efficiency decreases in response to the amount of steam injected into the combustion field. However, as the load increases (in FIG. 4, the amount of steam injected into the combustion field becomes appropriate). , The target combustion efficiency can be sufficiently achieved. Also, as shown in FIG.
The load rises as the load rises (going to the left in FIG. 5), but if the amount of steam injected into the combustion field is increased appropriately according to the load, the NOx emission will reach the regulation value (target It can be seen that the level can be sufficiently suppressed to the following level.
【００３０】[0030]
【発明の効果】このように本発明によれば、蒸気を有効
利用することによって、従来の希薄予混合燃焼器を用い
ながら、その作動可能範囲を高負荷側（高発電出力側）
に拡大可能となる。すなわち、本発明による希薄予混合
燃焼器を持つコージェネレーションシステムにあって
は、低負荷時でのシンプルサイクル運転時では、希薄予
混合燃焼単独で低NOx燃焼を実現できるため、蒸気を熱
として最大限に有効利用でき、総合効率の高い運用が可
能となる。一方、蒸気併用の高負荷時には、燃焼場に適
正量の蒸気を注入することにより、燃焼効率を高いレベ
ルに保ちつつ、NOxを目標値以下に維持することができ
る。また、シンプルサイクルと比較して大幅に発電出力
を増加でき、さらに熱と電気の比率を可変にすることも
可能となる。As described above, according to the present invention, the operable range is increased on the high load side (high power generation output side) while using the conventional lean premixed combustor by effectively utilizing the steam.
It can be expanded to That is, in the cogeneration system having the lean premixed combustor according to the present invention, during the simple cycle operation at a low load, low NOx combustion can be realized by lean premixed combustion alone. It can be used effectively for a limited time, and operation with high overall efficiency is possible. On the other hand, at the time of high load using steam, by injecting an appropriate amount of steam into the combustion field, it is possible to maintain NOx below a target value while maintaining combustion efficiency at a high level. Further, the power generation output can be greatly increased as compared with the simple cycle, and the ratio of heat to electricity can be made variable.
【図１】本発明による予混合燃焼器を動力源とするコジ
ェネレーションシステムの要部の一例を示す図。FIG. 1 is a diagram showing an example of a main part of a cogeneration system using a premixed combustor according to the present invention as a power source.
【図２】本発明による予混合燃焼器の一例である２段予
混合燃焼器を説明する断面図。FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a two-stage premixed combustor as an example of the premixed combustor according to the present invention.
【図３】本発明による予混合燃焼器燃焼器をコージェネ
レーションシステムに適用したときの、熱と電気の供給
量及び熱電比可変の概念を説明する図。FIG. 3 is a diagram illustrating the concept of changing the supply amounts of heat and electricity and the thermoelectric ratio when a premixed combustor combustor according to the present invention is applied to a cogeneration system.
【図４】実験をとおして得られた、第１の蒸気供給手段
（第１の蒸気噴射マイフォールド）に分配される蒸気量
と燃焼効率の推移を示すグラフ。FIG. 4 is a graph showing changes in the amount of steam distributed to the first steam supply means (first steam injection my fold) and combustion efficiency, obtained through an experiment.
【図５】同じ条件でのＮＯｘの排出量の推移を示すグラ
フ。FIG. 5 is a graph showing a change in NOx emission under the same conditions.
【図６】一般的な希薄予混合ガスタービン燃焼器のＮＯ
ｘ排出利量と燃焼効率の推移を示すグラフ。FIG. 6: NO of a general lean premixed gas turbine combustor
The graph which shows transition of x emission yield and combustion efficiency.
【図７】予混合燃焼器の一例である２段予混合燃焼器を
説明する断面図。FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a two-stage premix combustor which is an example of the premix combustor.
【図８】予混合燃焼器を動力源とするコジェネレーショ
ンシステムの要部の一例を示す図。FIG. 8 is a diagram showing an example of a main part of a cogeneration system using a premixed combustor as a power source.
１…パイロット燃料ガス噴出孔、２…１次燃焼用予混合
ガス噴出口、３…２次燃焼用予混合ガスの噴出口、２０
…燃焼室、３１…第１の蒸気噴射マイフォールド（第１
の蒸気供給手段）、３２…第２の蒸気噴射マイフォール
ド（第２の蒸気供給手段）、３３…希釈孔、１００…筒
体、１００ａ…空気導入口、１０１…燃焼筒、Ｐ１，Ｐ
２…蒸気供給管DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Pilot fuel gas injection hole, 2 ... Primary combustion premixed gas injection port, 3 ... Secondary combustion premixed gas injection port, 20
... combustion chamber, 31 ... first steam injection my fold (first
, 32 ... second steam injection myfold (second steam supply means), 33 ... dilution hole, 100 ... cylinder, 100a ... air inlet, 101 ... combustion cylinder, P1, P
2. Steam supply pipe
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ２３Ｃ 11/00 ３２２ Ｆ２３Ｃ 11/00 ３２２ ３３３ ３３３ ３３４ ３３４ Ｆ２３Ｒ 3/28 Ｆ２３Ｒ 3/28 Ｄ ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) F23C 11/00 322 F23C 11/00 322 333 333 334 334 334 F23R 3/28 F23R 3/28 D
Claims (7)
燃焼用予混合ガスの噴出口を備えた燃焼ガス噴出ブロッ
クと、該燃焼ガス噴出ブロックからの予混合ガス噴出方
向側に備えられた燃焼室筒体とを備えた予混合燃焼器で
あって、 予混合ガス噴出孔から噴出する予混合ガスが蒸気を付加
された状態で燃焼することを可能とする第１の蒸気供給
手段と、 燃焼室筒体における予混合ガスの燃焼場出口近傍へ蒸気
を供給する第２の蒸気供給手段を備えることを特徴とす
る予混合燃焼器。1. A combustion gas ejection block having at least an ignition fuel gas ejection hole and a primary combustion premixed gas ejection port, and combustion provided on a side of a premixed gas ejection direction from the combustion gas ejection block. A premixed combustor comprising a chamber cylinder, a first steam supply means for enabling a premixed gas ejected from a premixed gas ejection hole to burn in a state in which steam is added; A premixed combustor comprising: a second steam supply unit that supplies steam to a vicinity of a combustion field outlet of a premixed gas in a chamber cylinder.
壁に少なくとも１段の予混合ガスの噴出口とを備えた予
混合燃焼器であることを特徴とする請求項１記載の予混
合燃焼器。2. The premixed combustor according to claim 1, wherein the premixed combustor is provided with at least one stage of premixed gas injection ports on a peripheral wall of the combustion chamber cylinder. Premixed combustor.
器へ燃焼用空気を供給する空気流路中に蒸気を供給する
手段であることを特徴とする請求項１又は２記載の予混
合燃焼器。3. The preheating apparatus according to claim 1, wherein the first steam supply means is means for supplying steam into an air passage for supplying combustion air to a premixed combustor. Mixed combustor.
における予混合ガスの燃焼場高温域へ蒸気を供給する手
段であることを特徴とする請求項第1又は２記載の予混
合燃焼器。4. The premixing system according to claim 1, wherein said first steam supply unit is a unit for supplying steam to a high temperature region of a combustion field of a premixed gas in a combustion chamber cylinder. Combustor.
に形成された希釈孔に配置した蒸気ノズルを用いて、燃
焼場の後流へ蒸気を供給する手段であることを特徴とす
る請求項1ないし４いずれか記載の予混合燃焼器。5. The method according to claim 1, wherein the second steam supply means is a means for supplying steam to a downstream side of the combustion field using a steam nozzle arranged in a dilution hole formed in the combustion chamber cylinder. The premixed combustor according to any one of claims 1 to 4, wherein:
周囲に２個以上の予混合燃焼バーナを備えた燃焼ガス噴
出ブロックと、該燃焼ガス噴出ブロックからの予混合ガ
ス噴出方向側に備えられた燃焼室筒体とを備えており、
負荷に応じて使用する予混合燃焼バーナの本数を制御す
るようにした予混合燃焼器であって、 予混合燃焼バーナでの予混合ガスが蒸気を付加された状
態で燃焼することを可能とする第１の蒸気供給手段と、 燃焼室筒体の出口近傍へ蒸気を供給する第２の蒸気供給
手段を備えることを特徴とする予混合燃焼器。6. A combustion gas ejection block having at least a fuel gas ejection hole for ignition and two or more premixed combustion burners around the hole, and a combustion gas ejection block provided on the side of the premixed gas ejection direction from the combustion gas ejection block. And a combustion chamber cylinder,
A premixed combustor in which the number of premixed combustion burners to be used is controlled according to a load, wherein the premixed gas in the premixed combustion burner can be burned with steam added. A premixed combustor comprising: first steam supply means; and second steam supply means for supplying steam to a vicinity of an outlet of a combustion chamber cylinder.
燃焼器と、該予混合燃焼器へ空気を送り込む空気圧縮機
と、該予混合燃焼器からの燃焼排ガスで駆動されるター
ビンと、該タービンで駆動される発電機と、該予混合燃
焼器からの燃焼排ガスを熱源とする廃熱ボイラと、該廃
熱ボイラからの蒸気を前記予混合燃焼器の第１の蒸気供
給手段及び／又は第２の蒸気供給手段に配分するための
蒸気配分手段とを少なくとも備えることを特徴とするコ
ージェネレーションシステム。7. A premixed combustor according to any one of claims 1 to 6, an air compressor for feeding air to the premixed combustor, and a turbine driven by combustion exhaust gas from the premixed combustor. A generator driven by the turbine, a waste heat boiler using the combustion exhaust gas from the premix combustor as a heat source, and a first steam supply means and / or a steam from the waste heat boiler for the premix combustor. Or a steam distribution means for distributing the steam to the second steam supply means.
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|---|---|---|---|
| JP11140145A JP2000329346A (en) | 1999-05-20 | 1999-05-20 | Premixture combustor and co-generation system having the combustor |
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|---|---|
| JP (1) | JP2000329346A (en) |
Cited By (7)
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