JP4728176B2 - バーナ、ガスタービン燃焼器及びバーナの冷却方法 - Google Patents
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Description
図1は本発明の第1の実施の形態に係るバーナを備えたガスタービンプラントの概略図である。
本実施の形態のガスタービンプラントは、空気圧縮機2、燃焼器3、タービン4、発電機6及びガスタービン駆動用の起動用モータ8等を備えている。空気圧縮機2では吸い込んだ空気101が圧縮され、空気圧縮機2からの圧縮空気102が燃料200,201とともに燃焼器3で燃焼される。燃焼器3からの燃焼ガス110がタービン4に供給されると、燃焼ガス110によりタービン4にて回転動力が得られ、タービン4の回転動力が空気圧縮機2及び発電機6に伝達される。空気圧縮機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。
これら図2及び図3にも示したように、バーナ13は、燃焼室に起動用燃料である液体燃料200を噴射する起動用燃料ノズル15と、気体燃料201を噴射する混合燃料ノズル16と、火炎を保持するために空気圧縮機2からの圧縮空気102のうちの一部の圧縮空気102aを燃焼室に噴射する空気旋回器17とを備えている。
図7に示すように、理論燃焼温度(℃)はF/A(kg/kg)の増加とともに上昇し、あるF/A条件で最大となり、さらにF/Aが高くなるとその後は低下する傾向にある。理論燃焼温度が最大となるF/Aを量論混合比、それよりもF/Aが低い領域を燃料希薄領域、高い状態を燃料過濃領域と呼ぶ。燃料過濃領域はF/Aとの関係を考慮すると、噴霧空気を供給した場合(図7中の領域A)は噴霧空気を供給しない場合(図7中の領域B)よりも量論混合比に近付くものと考えられる。
図8は水素・メタン・窒素の混合ガスを燃焼した場合を表したものである。図示したようにガスタービンの負荷条件に関わらず、噴霧空気を供給した場合の方が噴霧空気を供給しない場合よりもメタル温度が高く、不活性媒体を供給した場合の方が不活性媒体を供給しない場合よりもメタル温度が低くなっている。これは噴霧空気供給の有無や不活性媒体供給の有無によってノズル端面近傍のF/Aが変化し燃焼温度が変化するためと考えられる。特に水素や一酸化炭素を含む燃料の場合は燃焼速度の速さから火炎がノズル端面近傍に接近する傾向にあるためメタル温度は火炎温度の影響を受け易くなる。そこで、本実施の形態のように水素や一酸化炭素を含む混合燃料を燃焼する場合、ノズル端面近傍のF/Aが量論混合比近傍の条件とならないように配慮することでノズル端面のメタル温度上昇を抑制することができる。
図4及び図5に示したバーナは、空気旋回器17の流路17aの内周側に噴出孔16aを設け、空気旋回器17の半径方向中心部に起動用燃料ノズル15を備えている。冷却孔53を省略した点を除けば、図2及び図3に示したバーナと同様の構成である。このような冷却孔がなくノズル端面18の近傍領域の燃料濃度を高めることができないバーナであっても、ノズル端面18のメタル温度の上昇を抑制することができる。
図6に示したガスタービンプラントには、図1に示したプラントと同様に水素や一酸化炭素を含む多成分ガスから成る気体燃料201、ガスタービン起動用燃料である液体燃料200、液体燃料200を微粒化するための噴霧空気103、NOx低減のための蒸気104が用いられる。図1のプラントと同様、不活性媒体供給系統には遮断弁301及び流量調節弁302が、噴霧空気供給系統と不活性媒体供給系統とをつなぐバイパス管路には遮断弁300がそれぞれ備えられている。つまりノズル端面の冷却孔を省略した点を除けば本実施の形態におけるガスタービンプラントは図1のプラントとほぼ同様に構成されている。
第1、第2の実施の形態では、ガスタービンの起動用に液体燃料200を用い、ある負荷帯で混合燃料専焼運転に切替えた後は、液体燃料200の供給を停止する。この場合、液体燃料ノズル20内に液体燃料200が滞留していると、火炎からの熱により液体燃料ノズル20が温められ、滞留していた液体燃料200がノズル内で固形化する現象(コーキング)が発生する。従って、混合燃料専焼運転に切替終了後、窒素などの気体を液体燃料ノズル20内に供給して液体燃料200を燃焼室3にパージすることで、コーキングによる液体燃料ノズル流路の閉塞を防止している。
3 燃焼器
10 外筒
12 主室ライナ
13 バーナ
15 起動用燃料ノズル
16 混合燃料ノズル
16a 噴出孔
17 空気旋回器
17a 流路
18 ノズル端面
20 液体燃料ノズル
21 噴霧空気ノズル
53 冷却孔
102 圧縮空気
102a 燃焼空気
103 噴霧空気
104 不活性媒体
200 液体燃料
201 気体燃料
201b 遮断弁
400 窒素
401 遮断弁
Claims (9)
- 水素又は一酸化炭素の少なくともいずれかを含む混合燃料をガスタービン燃焼器の燃焼室内に噴射するバーナにおいて、
前記燃焼室に起動用燃料を噴射する起動用燃料ノズルと、
この起動用燃料ノズルの周囲に設けられ、前記混合燃料を噴射する混合燃料ノズルと、
この混合燃料ノズルの前記燃焼室側の端部に設けられ、火炎を保持するために圧縮機からの圧縮空気の一部を前記燃焼室に噴射する複数の流路を有するとともに、前記混合燃料ノズルの噴出孔を前記流路の内周部に配設した空気旋回器と、
前記燃焼室に臨むノズル端面における前記起動用燃料ノズルと前記空気旋回器との間の領域に設けられ、ノズル端面近傍における火炎温度を低下させるために前記混合燃料ノズルから噴射する混合燃料の一部を前記燃焼室に噴射する冷却孔と
を備えたことを特徴とするバーナ。 - 請求項1のバーナにおいて、前記起動用燃料ノズルは、ガスタービン起動用の液体燃料を噴射する液体燃料ノズルと、この液体燃料ノズルの周囲に設けられ、液体燃料を微粒化するための噴霧空気を噴射する噴霧空気ノズルとからなることを特徴とするバーナ。
- 請求項1のバーナにおいて、前記起動用燃料ノズルは、前記燃焼室を形成する主室ライナの半径方向の中心部に配置されていることを特徴とするバーナ。
- 請求項1のバーナにおいて、前記起動用燃料ノズルに不活性媒体を供給する不活性媒体供給系統をさらに備え、前記混合燃料の専焼運転時、前記不活性媒体供給系統からの不活性媒体を前記起動用燃料ノズルに供給し、前記起動用燃料ノズルによってノズル端面近傍に不活性媒体を噴射することを特徴とするバーナ。
- 請求項1のバーナにおいて、前記混合燃料は、コークス炉ガス、高炉ガス、転炉ガス、石炭、重質油ガス化ガス等であることを特徴とするバーナ。
- 水素又は一酸化炭素の少なくともいずれかを含む混合燃料を燃焼するガスタービン燃焼器において、
圧力容器である外筒と、
この外筒の内周側に設けられ、内部に燃焼室を形成する主室ライナと、
この主室ライナ内の前記燃焼室にて火炎を形成するためのバーナと、
このバーナの火炎形成により発生した燃焼ガスをタービンヘ導く尾筒と
を備え、前記バーナは、
前記燃焼室に起動用燃料を噴射する起動用燃料ノズルと、
この起動用燃料ノズルの周囲に設けられ、前記混合燃料を噴射する混合燃料ノズルと、
この混合燃料ノズルの前記燃焼室側の端部に設けられ、火炎を保持するために圧縮機からの圧縮空気の一部を前記燃焼室に噴射する複数の流路を有するとともに、前記混合燃料ノズルの噴出孔を前記流路の内周部に配設した空気旋回器と、
前記燃焼室に臨むノズル端面における前記起動用燃料ノズルと前記空気旋回器との間の領域に設けられ、ノズル端面近傍における火炎温度を低下させるために前記混合燃料ノズルから噴射する混合燃料の一部を前記燃焼室に噴射する冷却孔と
を備えていることを特徴とするガスタービン燃焼器。 - 水素又は一酸化炭素の少なくともいずれかを含む混合燃料をガスタービン燃焼器の燃焼室内に噴射する拡散燃焼方式のバーナの冷却方法において、
前記燃焼室に起動用燃料を噴射する起動用燃料ノズルと、
この起動用燃料ノズルの周囲に設けられ、前記混合燃料を噴射する混合燃料ノズルと、
この混合燃料ノズルの前記燃焼室側の端部に設けられ、火炎を保持するために圧縮機からの圧縮空気の一部を前記燃焼室に噴射する複数の流路を有するとともに、前記混合燃料ノズルの噴出孔を前記流路の内周部に配設した空気旋回器とを備えたバーナに対して、
前記燃焼室に臨むノズル端面における前記起動用燃料ノズルと前記空気旋回器との間の領域に前記混合燃料の一部を噴出する冷却孔を設け、この冷却孔を介して前記混合燃料を前記燃焼室に噴射することでノズル端面近傍における火炎温度を低下させ、これによりノズル端面のメタル温度の上昇を抑制することを特徴とするバーナの冷却方法。 - 請求項1のバーナにおいて、前記起動用燃料ノズルから燃料をパージする手段を備えたことを特徴とするバーナ。
- 請求項8のバーナにおいて、
前記燃料をパージする手段は、前記混合燃料ノズルに供給する混合燃料の一部を前記起動用燃料ノズルに供給する系統を備えることを特徴とするバーナ。
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