JP2014052088A - ガスタービン燃焼器 - Google Patents

Abstract

【課題】高炉ガスなどの低カロリーガスをメイン燃料とするガスタービンにおいて、ＬＮＧなどの高カロリーガス燃料による起動や、高カロリーガスと低カロリーガスの混焼運転時の安定燃焼を向上できるガスタービン燃焼器を提供する。
【解決手段】燃焼室１２の上流に配置され該燃焼室１２内にガスと空気を供給し火炎を保持するためのバーナ３００を備えたガスタービン燃焼器３であって、バーナ３００は、ガス噴孔４０１と空気噴孔４０２を円周方向に交互に配置した第１のスワラ２０１を有し、第１のスワラ２０１のガス噴孔４０１には第１のガスを供給し、バーナ３００のガス噴孔４０３と空気噴孔４０２には、ガスおよび空気を旋回して燃焼室内に供給するための旋回流路が形成され、ガス噴孔４０１あるいは空気噴孔４０２の少なくともいずれか一方の噴孔内の旋回流路に第２のガス噴孔を設けるとともに、第２のガス噴孔から第２のガスを供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、高炉ガスや石炭ガス化ガス、バイオマスガス化ガスなど窒素（Ｎ_２）や二酸化炭素（ＣＯ_２）、水蒸気含有量の多い難燃性ガスで、且つ、発熱量が低いガス（低カロリーガス）を安定に燃焼するガスタービン燃焼器に関する。

一般に発熱量の低い燃料は、ガスタービンの主要燃料であるＬＮＧ（Ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ Ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ）に比べて火炎温度が低く燃焼速度が遅いため、燃えにくい燃料である。反面、燃焼の際にＮＯｘ排出量が少ないことも特徴の一つであり、発熱量の低い燃料をいかに利用するかが課題となっている。

このような低カロリーガスの代表例として、高炉ガスが挙げられる。高炉ガスは製鉄プロセスにおいて高炉から発生する副生ガスで、近年、このガスをガスタービン燃料として利用したいというニーズが高まっている。高炉ガスは一酸化炭素（ＣＯ）や水素（Ｈ_２）を主要可燃成分とし、その他にＮ_２やＣＯ_２を多量に含む難燃性のガスである。

このため、高炉ガスの専焼によりガスタービンの着火から定格負荷範囲までを運転することは難しい。着火から燃焼温度の低い部分負荷範囲を安定に運転（燃焼）するには、水素を含むコークス炉ガスや高カロリーガスであるＬＮＧやＬＰＧなどを高炉ガスに混合し増熱して運転するか、起動用の高カロリー燃料系統を別に設ける必要がある。また、難燃性ガスを安定に燃焼する必要があるため、ガスタービン燃焼器では、燃料と空気を別々の流路から供給する拡散燃焼方式を採用するのが一般的である。

その他の低カロリーガスとしては、石炭やバイオマスのガス化ガスが挙げられる。これらの石炭やバイオマスを原料とした燃料も資源有効利用の観点から、ガスタービン燃料としてのニーズは高まっている。石炭あるいは木屑などを原料として空気でガス化して得られた燃料は、Ｎ_２を多量に含む低カロリーガスであり、高炉ガスの場合と同様に、起動用燃料の併用と低カロリーガスの燃焼が可能なバーナが必要となる。

以上述べたように一般に、低カロリーガスは、ＬＮＧなどの高カロリー燃料に比べて火炎温度が低く燃焼速度が遅いため、燃えにくい燃料である。したがって、ガスタービン燃焼器においては、低カロリーガスの安定燃焼技術が重要な課題となる。

また、発熱量が低いために、ＬＮＧなどの高カロリーガスと同等の燃焼ガス温度を得るためには、燃焼器に供給する燃料流量を増加させる必要がある。このため、低カロリーガス焚き燃焼器では供給する燃料流量が多くなることも特徴の一つである。

低カロリーガス焚きバーナの構造例としては、特許文献１が挙げられる。特許文献１では、バーナの半径方向中心部に起動用の油ノズルを備え、その外周にガス噴孔を配置し、さらにその外周にガス噴孔と空気噴孔を交互に配置した構造を採用している。このバーナは、石炭ガス化ガスなどのＮ_２を多量に含む低カロリーガスを対象としたものである。

一般に、旋回噴流によって保炎するバーナにおいて、火炎を保持するためにはバーナの半径方向中心部近傍に循環ガス領域を形成し、バーナより噴出する燃料と空気に熱エネルギーを与える必要がある。

特許文献２は、循環ガス領域を形成するために低カロリーガスを積極的に利用したものである。内周スワラにガス噴孔を配置し、内周スワラに大部分の燃料を供給することで、大量の低カロリーガスの運動量を利用して強い旋回流を形成し、保炎を強化することを特徴としている。内周スワラから噴出した燃料は、外周スワラから噴出する空気と混合しながら循環ガス領域内に取り込まれるため、その領域内の酸素が不足することもなく、低カロリーガスの安定燃焼が可能である。

特開平５−８６９０２号公報 特開２００５−２４１１７８号公報

しかしながら、このような低カロリーガスをメイン燃料として発電する特許文献２のようなガスタービンプラントにおいて、起動用燃料に液体燃料ではなくＬＮＧなどの高カロリーガスを用いるニーズもある。

前述のように、ＬＮＧは高炉ガスなどの低カロリーガスに比べて発熱量が１０倍以上高いために、燃焼器に供給する燃料流量は発熱量の増加に見合って少なくなり、低カロリーガスの１０分の１程度となる。低カロリーガス焚きバーナのガス噴孔を利用してＬＮＧを燃焼しようとした場合、燃料の噴出流速が極端に遅くなるために保炎性能が著しく低下し、低カロリーガス噴孔を利用したＬＮＧ燃焼は困難となる。したがって、ガス噴孔の共有ができないため、液体燃料バーナの代わりに起動用のＬＮＧ専用バーナが必要となる。

またＬＮＧは低カロリーガスに比べて理論空気量が多いため、バーナの空気量を抑制して低カロリーガスを安定に燃焼するバーナでＬＮＧを燃焼すると、空気不足になりやすい。したがって、ＬＮＧ専用バーナには、安定燃焼のために高カロリーガス噴孔に隣接して空気噴孔を設けることが望ましいが、空気噴孔を設けることによって低カロリーガス専焼時に循環ガス領域内の燃料濃度が低下し、保炎性能が低下するなどの課題があった。さらには、ＢＦＧなどの低カロリーガスとＬＮＧの混焼運転において、ＢＦＧの発熱量がさらに低下した場合には、燃料の反応性が低下するため保炎性能が低下しＣＯ排出濃度が増加しやすくなるなどの課題があった。

本発明の目的は、高炉ガスなどの低カロリーガスをメイン燃料とするガスタービンにおいて、ＬＮＧなどの高カロリーガス燃料による起動や、高カロリーガスと低カロリーガスの混焼運転時の安定燃焼を向上できるガスタービン燃焼器を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明においては、ガスと空気を混合して燃焼するための燃焼室と、燃焼室の上流に配置され該燃焼室内にガスと空気を供給し火炎を保持するためのバーナを備えたガスタービン燃焼器であって、バーナは、ガス噴孔と空気噴孔を円周方向に交互に配置した第１のスワラを有し、第１のスワラのガス噴孔には第１のガスを供給し、空気噴孔には空気を供給し、バーナのガス噴孔と空気噴孔には、ガスおよび空気を旋回して燃焼室内に供給するための旋回流路が形成され、空気噴孔あるいはガス噴孔の少なくともいずれか一方の噴孔内の旋回流路に第２のガス噴孔を設けるとともに、第２のガス噴孔から第２のガスを供給する。

第１のガスは低カロリーガスであり、第２のガスは高カロリーガスである。

本発明によれば、低カロリーガス焚きバーナのガス噴孔、あるいは空気噴孔のいずれか一方の出口流路内に高カロリーガスの噴孔を配置したため、高カロリーガスの噴出流速を低下させることなく燃焼することが可能となり、保炎性能が向上する。

またその実施例によれば、低カロリーガスの保炎を担うスワラの空気を利用できるため、高カロリーガス専焼運転時の空気不足を改善できる。さらには、低カロリーガス噴孔の流路内に高カロリーガス噴孔を配置することで、バーナの旋回流路内で低カロリーガスを増熱でき、混焼運転時の燃焼安定性を向上できる。

本発明の実施例に係るガスタービンの系統と燃焼器の拡大断面図を示す図。 本発明の実施例に係るバーナの断面図。 図２の本発明の実施例に係るバーナの正面図。 本発明の他の実施例に係るバーナの断面図。 図４の本発明の他の実施例に係るバーナの正面図。 従来構造のバーナ断面図。 従来構造のバーナ正面図。 本発明のさらに他の実施例に係るバーナの断面図。 図８の本発明のさらに他の実施例に係るバーナの正面図。 本発明の実施例に係るバーナの断面図。

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。

図１に、本発明の実施例に係るガスタービンの系統と燃焼器の拡大断面図を示す。本発明では、主燃料を低カロリーガスとし、起動時などの補助燃料を高カロリーガスとした燃焼方式を採用している。本実施例では低カロリーガスの例として高炉ガスを、高カロリーガスの例としてＬＮＧを用いた。

図１には、ガスタービンを構成する主要機器と、燃料系統と、燃焼器の拡大構造が示されている。このうちガスタービン５を構成する主要機器は、図１の下部に示されているように、圧縮機２、燃焼器３、タービン４、発電機６、及び起動用モータ８等で構成される。

ガスタービン５は、圧縮機２が大気より吸込んだ空気１０１を圧縮し、圧縮空気１０２をガスタービン燃焼器３に供給し、燃焼器３において燃料と空気の混合・燃焼により熱エネルギーを発生させ、タービン４に燃焼ガス１４０を供給する。タービン４は燃焼ガス１４０の供給により回転動力が与えられ、タービン４の回転動力が圧縮機２及び発電機６に伝達される。圧縮機２に伝えられた回転動力は圧縮動力に用いられ、発電機６に伝えられた回転動力は電気エネルギーに変換される。

ガスタービンの燃料系統は、図１の中段に示されている。ここでは主燃料である低カロリーガスとして高炉ガス６０の系統ＧKと、補助燃料である高カロリーガスとしてＬＮＧガス６０の系統ＧＬを備えた燃焼方式を採用している。ＧＭは燃料切替中の低カロリーガスと高カロリーガスの混合燃焼のために、低カロリーガスである高炉ガス６０を、高カロリーガスであるＬＮＧガス６０に混合するための合流系統である。これらの燃料系統の使用により、ＬＮＧ８０にて起動後、高炉ガス６０との混焼運転、あるいは高炉ガス６０の専焼運転（ＬＮＧから高炉ガスに燃料切替後）が可能となっている。但し、これらのガス系統では図示の右側からガス供給され、図の左側に流れるものとする。

このガスタービンの燃料系統に配置された各種の弁は、制御装置２００により制御されている。これらの弁のうち１５０，１５１は、それぞれ系統Ｇｋ、系統ＧＬの圧力調節弁であり、後述する燃焼器３の燃焼室１２にガスを供給するときの圧力を決定している。３１，３２，３３は燃料調節弁であり、燃焼器３に投入する燃料量を決定する。これにより、ガスタービン５の負荷条件に応じて燃料流量の調整が可能である。なお、７６は、合流系統ＧＭに設けられたＬＮＧバーナ逆流防止用遮断弁、７４は逆止弁である。また６０ａは、パージ用の高炉ガス６０（パージ空気）を示している。

また図１に図示のように、低カロリーガス６０を安定に燃焼する２重旋回バーナに対応するため、高炉ガス６０の系統は２系統（ＧＫＩ，ＧＫＯ）とし、制御装置２００によって内外周スワラに供給する燃料流量の調整が可能となっている。これに対しＬＮＧガス側は、燃焼室中央部分への燃料投入を行う１系統ＧＬのみを備えている。

図１の構成例では、高炉ガスの発熱量低下による不安定燃焼を回避するため、高炉ガスに水素含有量の多いコークス炉ガス（ＣＯＧ：Ｃｏｋｅ Ｏｖｅｎ Ｇａｓ）を混合し増熱することも可能であるが、ＣＯＧ供給量は鉄の生産量に左右されるため、ここではＬＮＧガス８０と高炉ガス６０の系統を示した。

ＬＮＧガス８０の系統ＧＬには、高炉ガス６０への燃料切替が完了後、燃焼ガス１４０がＬＮＧ専用ノズル内への逆流を防止するため、高炉ガス６０をＬＮＧ系統ＧＬへ供給する合流系統ＧＭを備える。この系統ＧＭにはＬＮＧ専焼運転、あるいはＬＮＧと高炉ガスの混焼運転の際に、ＬＮＧガス８０が高炉ガス６０の系統ＧＫに流入することを防止するための逆止弁７４を備える。

ＬＮＧガスの供給を停止し高炉ガス専焼運転に切替えた後は、遮断弁７６を開くことでＬＮＧ専用バーナより高炉ガスを供給できるため、燃焼ガス１４０の逆流を防止でき信頼性の高い運転が可能となる。

図１において最後に燃焼器の具体的な構造について説明する。燃焼器３には、圧縮空気１０２と、高カロリーガス８０と、低カロリーガス６０が導入される。以下の説明では、この順に燃焼器の構造を説明する。

まず、圧縮空気１０２を導入するための構造について説明する。燃焼器３は、圧力容器である外筒１０内に、燃焼室冷却用のフロースリーブ１１、燃焼室側壁９を介して燃焼室１２を構成する。フロースリーブ１１と燃焼室側壁９により形成された流路Ｐ１には、圧縮機２によって圧縮された圧縮空気１０２が、燃焼器３内の燃焼ガス流１４０の下流側から上流側に向かって流れ、燃焼室１２を冷却しながら燃焼室１２の側壁９に設けた空気孔１３、およびバーナ３００に設けた空気噴孔４０２等より燃焼室１２内に供給される。

次に高カロリーガス８０と、低カロリーガス６０を導入するための構造について説明する。燃焼室１２の上流には燃焼室１２に燃料と空気を噴出し火炎を保持するためのバーナ３００を配置している。バーナ３００は、内周スワラ２０１と外周スワラ２０２で構成する２重旋回構造を採用している。内周スワラ２０１には、ガス噴孔４０１と空気噴孔４０２が形成されており、外周スワラ２０２には、ガス噴孔４０３が形成されている。

このうち内周スワラ２０１には、系統ＧＫのうち系統ＧＫＩが接続されて高炉ガス６０Ｉが供給され，高炉ガス６０Ｉは内周スワラのガス噴孔４０１から燃焼室１２内に投入される。また内周スワラ２０１の空気噴孔４０２には、先に述べた圧縮空気１０２が導入されている。外周スワラ２０２には、系統ＧＫのうち系統ＧＫＯが接続されて高炉ガス６０Ｏが供給され、高炉ガス６０Ｏは外周スワラのガス噴孔４０３から燃焼室１２内に投入される。なお、内周スワラ２０１、および外周スワラ２０２に供給する低カロリーガス６０の流量および発熱量は、ガスタービンの負荷条件によって変化可能とされる。

高カロリーガス８０は、系統ＧＬを介して燃焼器３の中央部、つまり内周スワラ２０１よりも中央に近い位置に導入され、ガス噴孔５００を介して内周スワラ２０１の空気噴孔４０２に投入される。また高カロリーガス８０は、ガス噴孔５００を介して内周スワラ２０１のガス噴孔４０１に投入される。本発明は、高カロリーガス８０を空気および低カロリーガスの噴孔に投入させる点に特徴がある。

図１に示す構造により、本発明によれば、ガスタービンの着火から部分負荷範囲はＬＮＧを供給し、ＬＮＧの流量を増加させ燃焼温度が高くなるにつれて負荷が上昇し、高炉ガスの専焼が可能な負荷条件（たとえば５０％負荷以上）に到達後は、ＬＮＧから高炉ガスに燃料を切替えることで高炉ガスの専焼運転が可能となる。

先に述べたように、本発明では図１のバーナ構造を有しこれにより高カロリーガス８０を空気および低カロリーガスの噴孔に投入させる点に特徴があるものであるが、このように構成することの意義について従来のバーナ構造例を例にとり対比説明する。なお、従来のバーナ構造例は低カロリーガスバーナとＬＮＧ専用バーナを組合せて、燃焼運転を行うものについて説明する。図６および図７に、従来のバーナ構造例によるバーナの断面図と正面図をそれぞれ示す。

図６の断面図には、２重旋回バーナではなくガス燃料６０と空気１０２ａの順旋回バーナ（図１の２重旋回バーナの内周スワラに相当し、ガス噴孔４０１と空気噴孔４０２を備える）と，ＬＮＧ８０を使用する専用バーナ（ガス噴孔５００）を組合せた構造を示した。ここでは、起動用のＬＮＧ専用バーナは低カロリーガスを保炎するスワラの半径方向内側に配置している。

図７の正面図に示すように、スワラは周方向に低カロリーガス噴孔４０１と空気の噴孔４０２をそれぞれ交互に配置している。これにより、低カロリーガス６０と空気１０２ａの旋回によってバーナの半径方向中心部近傍は負圧となり、スワラの半径方向中心部近傍において燃焼ガスが循環し、循環ガス領域５０が形成される。循環ガス領域５０はスワラから供給する燃料と空気に熱エネルギーを連続的に与える役割をしており、これにより保炎が強化される。

一方で、ＬＮＧ専用バーナには高カロリーガス８０を噴射するためのガス噴孔５００がバーナの端面に設けられている。ガス噴孔５００から燃焼室内にＬＮＧ８０を噴射することで、高カロリーガスの燃焼が可能である。なお、ＬＮＧ専焼運転時は、ガス噴孔４０１を介して燃焼ガス１４０が他缶に逆流しないようにパージ空気６０ａ等を供給する必要がある。また、ＬＮＧ８０から高炉ガス６０に燃料を切替える際には、ガス噴孔４０１より高炉ガス６０を供給し、混焼運転から最終的には高炉ガス専焼運転に切替える。

ところで、図７のバーナの正面図の右側には、低カロリーガス噴孔４０１と空気の噴孔４０２のＡ−Ａ断面を示しており、これによれば噴孔には旋回を与えるための旋回角θを設けている。またＬＮＧのガス噴孔５００は、半径方向中心部近傍に複数配置する構造である。

なお図６の断面図と図７の正面図の関係であるが、これは図７のＢ−Ｂ断面を図６に表したものである。ガスと空気の両方の噴孔から噴射した場合の事例を図面に示すためにこのような断面での図示をしている。その都度の説明を割愛するが、以後の図２と図３の図示、図８と図９の図示、も同様の考えに基づいて断面を表示している。

このような図２、図３に示す配置のバーナ構造においては、ＬＮＧ専焼時の空気不足を改善するためにガス噴孔５００の周囲に空気孔を複数設けており、この結果保炎を担う循環ガス領域５０内の燃料濃度が低下し、低カロリーガス焚きの燃焼性能が低下しやすくなる。

つまり、従来のバーナ構造では、高カロリーガスを直接燃焼室に投入し、かつそこでの空気不足を補うためにガス噴孔５００の周囲に空気孔を複数設けることが、燃焼低下につながっていた。

そこで本発明では、高カロリーガスを直接燃焼室に投入しないことにした。図２のバーナ断面図に示すように、高カロリーガスを低カロリーガス噴孔４０１、あるいは空気噴孔４０２のいずれか一方の旋回流路Ｌ内に投入する。このため、低カロリーガス噴孔４０１、空気噴孔４０２の旋回流路Ｌ内には高カロリーガス（ＬＮＧ８０）のガス噴孔５００を設けている。

図２では、ガス噴孔４０１と空気噴孔４０２の両方の旋回流路Ｌ内にＬＮＧ８０のガス噴孔５００を設けた構造例を示している。なお、図２において旋回流路は図示のＬの部分に相当している。この構造によれば、ＬＮＧ８０をガス噴孔４０１と空気噴孔４０２の旋回流路出口近傍から噴射するために、燃焼室入口近傍ではＬＮＧ８０と燃焼空気１０２が隣接しており、従来例で説明した空気不足による不安定燃焼を改善することができる。

また、ＬＮＧ８０のガス噴孔５００を低カロリーガス噴孔４０１、あるいは空気噴孔４０２の旋回流路内に設けたことから、低カロリーガス６０のスワラを利用しつつもＬＮＧ８０の噴出流速はガス噴孔５００の出口面積に依存するため、最適な燃料噴出流速での燃焼が可能であり、低カロリーガスバーナでＬＮＧを安定に燃焼できる。

さらに、ＬＮＧ８０から高炉ガス６０に燃料を切り替える際には、ガス噴孔４０１内で高炉ガス６０にＬＮＧ８０が混合することになる。このため、高炉ガス６０はスワラの旋回流路内でＬＮＧ８０により増熱されるため、混焼運転時の燃焼安定性を向上できる。特に、高炉ガス６０の発熱量が低下したときには、この効果は顕著である。

図３は、図２のバーナを正面から見た図である。ガス噴孔４０１と空気噴孔４０２の両方からＬＮＧ８０を噴射した構造であり、噴射したＬＮＧ８０は隣接するスワラ空気１０２ａと混合して安定燃焼が可能である。なお、起動用のＬＮＧ８０をガス噴孔４０１のみ、あるいは空気噴孔４０２のみから噴射した場合も、前述のガスと空気の両方の噴孔から噴射した場合と同様の効果が得られる。

ところで上記説明では、高カロリーガスを低カロリーガスと空気のいずれかの噴孔から噴射させればよいとしているが、混焼を安定化させるためには低カロリーガスと空気の両方から高カロリーガスを噴射させるのがよい。酸素不足を補いたいのであれば空気の噴孔から噴射させるのがよい。

本発明に係るバーナ構造の他の事例について、図４、および図５に示す。図４のバーナの断面が図２のバーナと異なる点は、ＬＮＧ専用バーナの端面にＬＮＧ噴孔５００ｄを設けたことにある。バーナ端面に設けたＬＮＧ噴孔５００ｄは図６で説明したバーナと同じ構造であるが、ＬＮＧの全流量のうち一部の燃料を噴孔５００ｄより供給するため、バーナ端面にＬＮＧの拡散火炎を形成するも一部の燃料を噴射するために、空気不足を改善できる。

またこの構造によれば、混焼運転においては、バーナの前面に形成するＬＮＧのパイロット火炎６００を火種とし、バーナの旋回ガス流路内で高炉ガス６０とＬＮＧ８０との混合による増熱ガス６８がスワラ２０１より供給される。このため、増熱された高炉ガス６８は反応性が高くなり、混焼運転時の燃焼安定性が向上する。

特に、ＬＮＧ８０は旋回流路の半径方向中心側から供給されるため、燃焼器の上流側で高炉ガスにあらかじめＬＮＧを混合して増熱した場合に比べ、本発明の増熱ガス６８は半径方向中心側（ＬＮＧバーナ側）に向かうほどＬＮＧ濃度が高くなる。このため、パイロット火炎６００に隣接する方が増熱ガス中のＬＮＧ濃度が高いため反応性が高く、安定した混焼運転が可能となる。

ＬＮＧから高炉ガスに燃料を切り替えた後は、ＬＮＧ専用バーナに高炉ガス６０を供給することで、ＬＮＧ停止後に燃焼ガスが逆流することを防止できる。

図５に、図４のバーナの正面図を示す。バーナの半径方向中心部近傍にＬＮＧ噴孔５００ｄを複数配置しつつ、低カロリーガスのスワラに設けたガス噴孔４０１、空気噴孔４０２の旋回流路内にＬＮＧ８０を噴射する構造である。

この構造はスワラ空気１０２ａを積極的に利用した燃焼が可能であること、さらには、バーナの径方向中心部近傍に形成するパイロット火炎を積極的に利用した混焼、燃料切替運転が可能なことを特徴とする。

本発明に係るバーナ構造の他の事例について、図８、および図９に示す。本構造は、低カロリーガスをさらに安定に燃焼するための２重旋回バーナ（内周スワラ２０１と外周スワラ２０２で構成）と、ＬＮＧ専用バーナを組み合せたものである。ここで、図８の構成は、図１の構成と類似であるので、図９について先に説明する。

図９に示すバーナの正面図によれば、バーナの半径方向中心部近傍に保炎強化燃料噴孔４０４を配置し、その外周に内周スワラ２０１、さらにその外周に外周スワラ２０２を配置する。ＬＮＧの噴孔５００は、内周スワラのガス噴孔４０１、および空気噴孔４０２の旋回流路内に設け、噴射したＬＮＧは空気孔４０２より噴出する空気１０２ａと、ガス噴孔４０１、４０３より供給するパージ空気と混合・燃焼し、安定燃焼が可能である。

ここで内周スワラ２０１は、図９に明示されているようにガス噴孔４０１と空気噴孔４０２を交互に配置するとともに、外周スワラ２０２には低カロリーガス焚きバーナの安定性強化のため、一部の高炉ガス６０を供給する噴孔４０３を備えている。ここまでの構造は、図1と同じである。

図8、図9ではさらに、内周スワラ２０１の半径方向内側には低カロリーガス専焼時の保炎を強化するための保炎強化燃料噴孔４０４を備えている。保炎強化燃料としてＬＮＧ８０を保炎強化燃料噴孔４０４に供給するためには、ＬＮＧバーナコーン９０を利用して燃焼室に噴射可能である。

またＬＮＧバーナコーン９０には、内周スワラ２０１のガス噴孔４０１、および空気噴孔４０２の旋回流路Ｌ内からＬＮＧ８０を噴射するための噴孔５００を備えている。なおＬＮＧ８０にて運転中は、内外周スワラのガス噴孔４０１、４０３へパージ空気６０ａを供給することで、燃焼ガス１４０のガス噴孔内への逆流を防止することが可能となる。

一般に、低カロリーガスを安定に燃焼するためにはバーナの空気量を抑制し燃焼する。したがって、空気量を抑制したバーナでＬＮＧを燃焼すると理論空気量の違いから空気不足となりやすいが、図１、図８のような２重旋回バーナにおいては、ＬＮＧ運転中に内外周スワラのガス噴孔４０１、４０３よりパージ空気を供給するため、半径方向外側にまで広く空気を供給できる。このため、ＬＮＧ焚きにおける空気不足を改善でき、安定燃焼が可能となる。

以上述べてきたバーナ構造の低カロリーガス焚きガスタービン燃焼器の運転方法について、図１をもとに説明する。

始動時、ガスタービンは起動用モータ８などの外部動力によって駆動される。外部駆動状態では、燃料調節弁３１，３２，３３を閉じており、一切のガス燃料を投入していない。ガスタービンの回転数を燃焼器３の着火条件相当の回転数に保持することで、燃焼器３には着火に必要な燃焼空気１０２が供給され、着火条件が成立する。

ガスタービンは起動当初の、昇速、低負荷運転段階では、高カロリーガス専焼運転が行われる。このため燃料調節弁３３を開き、高カロリーガスであるＬＮＧ８０をバーナ３００に供給することで、燃焼器３にて着火が可能となる。燃焼器３の着火により燃焼ガス１４０がタービン４に供給され、ＬＮＧ８０の流量増加とともにタービン４が昇速し、起動用モータ８の離脱によりガスタービンは自立運転に入り、無負荷定格回転数に到達する。

昇速に伴い燃焼器の圧力が上昇するため、バーナ３００においては燃焼ガス１４０が他缶に逆流するのを防止するために、ガス噴孔４０１、４０３にパージ空気６０ａを供給する。図１のガス系統において、燃料調節弁３１，３２を開き、高炉ガス６０の２系統（ＧＫＩ，ＧＫＯ）にパージ空気６０ａを供給する。

ガスタービンが無負荷定格回転数に到達後は、発電機６の併入、さらにはＬＮＧ８０の流量増加によりタービン４の入口ガス温度が上昇し、負荷が上昇する。負荷の上昇に伴い、燃焼器３出口の燃焼ガス１４０の温度が高くなると燃焼安定性が増加するため、ＬＮＧ８０から高炉ガス６０への燃料切替が可能となる。

燃料切替状態では、高カロリーガスと低カロリーガスの混焼が実施される。バーナ３００においては、パージ空気６０ａの流量を低下させつつ、低カロリーガス６０の流量を増加させ、ＬＮＧ８０から高炉ガス６０へ燃料切替操作を開始する。燃料切替においては、バーナ３００のガス噴孔内で高炉ガス６０をＬＮＧ８０によって部分的に増熱できるため、安定燃焼が可能である。

燃料切替後は、高炉ガス系統ＧＫとＬＮＧ系統ＧＬの合流系統ＧＭの遮断弁７６を開け、ＬＮＧ系統の流量調節弁３３により流量を調節することで、ＬＮＧ専用バーナの燃焼ガス１４０逆流防止が可能である。高炉ガス６０に燃料を切替後は、高炉ガス６０の流量をさらに増加させることで負荷が上昇し、定格負荷条件に到達できる。

図１０に、本発明の他の実施例であるであるバーナの断面図を示す。図８で説明した２重旋回バーナとＬＮＧ専用バーナを組み合わせた構造に対し、図１０の構造の特徴は外周スワラ２０２より供給する高炉ガス６０ＯにもＬＮＧ８０を混合したことにある。外周スワラ２０２のガス噴孔４０３の旋回流路Ｌ内でＬＮＧ８０を噴射するためのガス噴孔を配置するのは、構造が複雑となりやすい。このため、図１０ではバーナやバーナに供給する各燃料供給用の配管等を固定するためのフランジ９５を利用するこのため、図１０の実施例では、フランジ９５内にガス噴孔８００を形成しており、高炉ガス６０ＯにＬＮＧ８０を混合させる。かくして、外周スワラに供給する高炉ガス６０にフランジ内部でＬＮＧ８０を合流させ、外周スワラ２０２のガス噴孔４０３からも増熱ガス６８ａを供給する。

このようにすることで、内周スワラで高炉ガス６０の火炎が形成された際、外周スワラから供給する増熱ガス６８ａは高炉ガス６０よりも反応性が高いため、混焼時に外周火炎６０２が形成されやすい。それにより、ＣＯなどの未燃分排出量を抑えた混焼運転が可能となる。

なお、内周スワラと外周スワラに供給するＬＮＧ６０は、燃料ノズルボディー内部の面積配分によって決まり、高炉ガスに混合するための新たなバルブは必要ない。また、燃料切替完了後は、ＬＮＧ８０の系統より高炉ガス６０を分岐して供給すれば、燃焼ガス１４０がＬＮＧ専用ノズルを介して逆流することを防止できる。

以上述べてきたように、本バーナ構造を用いることでＬＮＧ専焼、ＬＮＧと高炉ガスの混焼、高炉ガス専焼運転が可能となる。なお、本実施例では高カロリーガスの例としてＬＮＧを用いて説明したが、ＬＰＧやブタンなどのガス燃料でも同様の効果が得られる。

２：圧縮機
３：燃焼器
４：タービン
５：ガスタービン
６：発電機
８：起動用モータ
１０：外筒
１１：フロースリーブ
１２：燃焼室
１３：燃焼空気孔
１０１：空気
３１：高炉ガス内周燃料流量調節弁
３２：高炉ガス外周燃料流量調節弁
３３：ＬＮＧ流量調節弁
６０：低カロリーガス（高炉ガス）
６８：高炉ガスにＬＮＧを混合した増熱ガス
６８ａ：外周側増熱ガス
７４：逆止弁
７６：ＬＮＧバーナ逆流防止用遮断弁
８０：ＬＮＧ
９０：ＬＮＧバーナコーン
９５：フランジ
１０２：圧縮空気
１４０：燃焼ガス
１５０：高炉ガス圧力調整弁
１５１：ＬＮＧ圧力調節弁
２００：制御装置
２０１：内周スワラ
２０２：外周スワラ
２０３ｆ：保炎強化燃料
１０２ａ：スワラの空気
３００：バーナ
５０：循環ガス領域
４０１：内周スワラのガス噴孔
４０２：内周スワラの空気噴孔
４０３：外周スワラのガス噴孔
４０４：内周スワラの保炎強化用ガス噴孔
６００：パイロット火炎

Claims (6)

1. ガスと空気を混合して燃焼するための燃焼室と、該燃焼室の上流に配置され該燃焼室内に前記ガスと空気を供給し火炎を保持するためのバーナを備えたガスタービン燃焼器であって、
   前記バーナは、ガス噴孔と空気噴孔を円周方向に交互に配置した第１のスワラを有し、該第１のスワラの前記ガス噴孔には第１のガスを供給し、前記空気噴孔には空気を供給し、
   前記バーナの前記ガス噴孔と前記空気噴孔には、前記ガスおよび空気を旋回して燃焼室内に供給するための旋回流路が形成され、前記空気噴孔あるいは前記ガス噴孔の少なくともいずれか一方の噴孔内の前記旋回流路に第２のガス噴孔を設けるとともに、前記第２のガス噴孔から第２のガスを供給したことを特徴とするガスタービン燃焼器。
2. 請求項１記載のガスタービン燃焼器において、
   前記第１のガスは低カロリーガスであり、前記第２のガスは高カロリーガスであることを特徴とするガスタービン燃焼器。
3. 請求項１または請求項２記載のガスタービン燃焼器において、
   前記バーナは、前記第１のスワラの半径方向内周側端面に複数のガス噴孔を備えており、該ガス噴孔を介して前記第２のガスが前記燃焼室内に供給されていることを特徴とするガスタービン燃焼器。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のガスタービン燃焼器において、
   前記バーナは、前記第１のスワラの半径方向外周側にガス噴孔を配置した第２のスワラを有し、該第２のスワラの前記ガス噴孔には前記第１のガスを供給するとともに、前記第２のスワラのガス噴孔には、前記第１のガスを旋回して燃焼室内に供給するための旋回流路が形成されていることを特徴とするガスタービン燃焼器。
5. 請求項４に記載のガスタービン燃焼器において、
   前記第２のスワラのガス噴孔に形成された前記旋回流路の上流側に前記第２のガスを投入する第３のガス噴孔が形成されていることを特徴とするガスタービン燃焼器。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のガスタービン燃焼器において、
   前記第一のガスは、高炉ガスや石炭ガス、バイオガス化ガスなどの低カロリーガスであり、
   前記第二のガスは、ＬＮＧやＬＰＧ、ブタンガスなどの高カロリーガスであることを特徴としたガスタービン燃焼器。

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