(57)【要約】      （修正有）【課題】予混合燃焼方式は窒素酸化物の排出を低く抑える事が可能だが、燃料と空気を燃焼室上流の予混合器内で混合させるため、燃料中に可燃性の異物が混入した場合、予混合器内で異物が自発火して燃焼器に不具合が発生する恐れがある。また、燃料系統の上流部に異物を除去するフィルタを設けた場合、フィルタで捕捉した異物を除去するために燃焼器を停止させる必要があり、稼働率の低下を招く。予混合器内の火炎発生を防止することで燃焼器の信頼性向上を図り、且つ、ガスタービンプラントの稼働率向上を図る。【解決手段】燃料系統２００にサイクロン方式等の異物除去セパレータ１を設置し、捕捉した異物を排出するドレン系統２を燃焼室内に直接燃料を噴射する系統１１に接続して、連続的または断続的に異物を排出させる。これにより、燃焼器の信頼性向上を図ると同時に、ガスタービンプラントの稼働率向上を図ることが可能となる。【選択図】図１
2014095330.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室に燃料を直接噴射して拡散火炎を形成する拡散バーナと、
燃料と空気を予め混合させた予混合気を燃焼室に噴射して予混合火炎を形成する予混合バーナとを備え、
前記予混合バーナに供給される燃料が流下する燃料系統に、燃料中の異物を捕捉分離するセパレータを有し、
前記セパレータで捕捉分離した異物を排出する異物排出ドレン系統が、前記拡散バーナに燃料を供給する拡散バーナ燃料系統に接続されていることを特徴とする燃焼器。
【請求項２】
請求項１に記載の燃焼器であって、
前記異物排出ドレン系統に、前記拡散バーナの燃料噴孔の口径よりも大きな異物を捕捉するフィルタが設けられていることを特徴とした燃焼器。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の燃焼器であって、
燃焼室の下流部に、燃料を燃焼室内に噴射する直噴燃料ノズルを備え、
前記異物排出ドレン系統が、前記直噴燃料ノズルの燃料系統に接続されていることを特徴とする燃焼器。
【請求項４】
請求項３に記載の燃焼器であって
前記セパレータを複数有し、複数の前記セパレータが直列に配置され、
前記セパレータのうち、サイズの大きな異物を捕捉するセパレータの異物排出ドレン系統が直噴燃料ノズルの燃料系統に接続され、サイズの小さな異物を捕捉するセパレータの異物排出ドレン系統が拡散バーナの燃料系統に接続されていることを特徴とする燃焼器。
【請求項５】
請求項１から４の何れか一項に記載の燃焼器に於いて、
燃料系統中に燃料に混入された異物の量を検出する検出手段と、
前記検出手段で検出した異物の量に応じてセパレータの異物排出ドレン系統に設けたドレン弁開度を調整する計算器とを備えたことを特徴としたガスタービン燃焼器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料と空気を予め混合した後に燃焼させる予混合燃焼方式の燃焼器に係り、特に燃料と空気を予混合する予混合器内に火炎が形成されることを抑制する構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービン燃焼器に於いて、燃料と空気とを予め混合した後に燃焼室で火炎を形成する予混合燃焼方式は大気汚染物質である窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出を低く抑える事が可能である。
【０００３】
しかし燃料と空気を燃焼室上流部の予混合器内で混合させるため、特許文献１に記述されている様に、燃料中に異物が混入した場合、予混合器内で異物が自発火して火炎が発生し、燃焼器が溶融破損する可能性がある。
【０００４】
このような課題を抑制するため、一般的なガスタービンでは燃料系統の上流部に異物を捕捉するフィルタが設置されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平10-82526
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１では予混合器内に発生した火炎を光学的検知手段により検出し、燃料流量を減少させることで燃焼器の破損を防止している。しかし火炎検知手段の応答性の遅れや検知手段自体に不具合が発生した場合には、予混合器内の火炎形成を防止することが出来ない。
【０００７】
また一般的に用いられている燃料系統のフィルタでは、捕捉した異物を除去するために定期的にフィルタユニットを分解清掃する必要があり、そのためにはガスタービンを停止させる必要がある。これはガスタービンプラントの稼働率低下を招くという課題がある。
【０００８】
本発明は上述の課題を鑑みて考案された方策であり、信頼性を向上させると同時に、稼働率を向上させた燃焼器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の特徴は、燃焼器上流部の燃料系統にサイクロン方式等の異物除去セパレータを設置し、捕捉した異物を排出するドレン系統を、燃焼室内に直接燃料を噴射する系統に接続して、連続的または断続的に異物を排出させることにある。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、信頼性を向上させると同時に、稼働率を向上させた燃焼器を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施例を示す燃焼器構造図  （ａ）：燃焼器の横断面図  （ｂ）：Ａ−Ａ野視
【図２】本発明の第２実施例を示す燃焼器構造図
【図３】本発明の第３実施例を示す燃焼器構造図
【図４】本発明の第４実施例を示す燃焼器構造図
【図５】本発明の第５実施例を示す燃焼器構造図
【図６】従来の燃料系統図
【図７】一般的なガスタービン構成の概略図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に示す本発明の各実施例は、燃料中に含まれる異物を燃焼器に導入される前に捕捉することで予混合器内の火炎発生を抑制し、且つガスタービンプラント停止することなく継続的に異物を除去することにより、信頼性及び稼働率の向上を図るものである。
【００１３】
以下に示す本発明の各実施例の特徴は、燃焼器上流部の燃料系統にサイクロン方式等の異物除去セパレータを設置し、捕捉した異物を排出するドレン系統を、燃焼室内に直接燃料を噴射する系統に接続して、連続的または断続的に異物を排出させることにある。
【００１４】
燃焼室に直接燃料を噴射する系統は、燃料と空気を予混合せずに燃焼室内に直接火炎を形成させるため、燃焼器に不具合発生することなく燃焼場において異物を燃やすことが可能となる。また連続的または断続的に異物を排出することで、従来のフィルタの様に定期的にガスタービンを停止させて清掃する必要がない。そのため、信頼性及び稼働率を向上させることが可能となる。
【００１５】
まず始めに、一般的なガスタービン用の燃焼器の概略を図７で説明する。
【００１６】
空気圧縮機１１０から導入された高圧空気１２０は、ディフューザ１３０から車室１４０に導入され、尾筒フロースリーブ１５０に設けられた空気導入孔１５１から、尾筒１５２と尾筒フロースリーブ１５０との間隙に流入する。その後、ライナ５１とライナ外周の同心円上に配置されたライナフロースリーブ５２との間隙を流れた後に流れを反転させ、拡散燃料ノズル２２、および予混合燃焼ノズル３２から噴射される燃料と混合して、ライナ５１内部の燃焼室１６０で火炎を形成し高温高圧の燃焼ガス１７０となる。
【００１７】
このように燃焼器で生成された燃焼ガス１７０は尾筒１５２からタービン１８０に導入される。ガスタービンでは、高温高圧の燃焼ガス１７０が断熱膨張する際に発生する仕事量をタービン１８０に於いて軸回転力に転換することにより、発電機１９０から出力を得ている。空気圧縮機１１０と発電機１９０は、タービン１８０と一つの軸で連結されている。但し、空気圧縮機、タービン、発電機は２軸以上の構成であってもよい。また一般に火力発電所等で広く使用されているガスタービンは、タービン回転軸に対して燃焼器が放射状に複数缶配列されている。
【００１８】
近年のガスタービンでは、燃焼器に供給される高圧空気１２０が約４００℃近い高温であるため、燃料系統に可燃性の異物が混入した場合、予混合燃料ノズル３２から高温空気中に噴射された異物が予混合器３１の内部で自発火して、燃焼器に不具合が発生する恐れがある。
【００１９】
本発明の第１の実施例を図１で説明する。
【００２０】
燃焼器は、中央部に配置した拡散バーナ２１と、その外周に複数設置した予混合バーナ３１で構成されている。ここで拡散バーナ２１には燃料を燃焼室に直接噴射する拡散燃料噴孔２２が設けられ、また予混合バーナ３１には予混合器内に燃料を噴射する予混合燃料ノズル３２と空気に旋回を与える旋回器３３を備えている。
【００２１】
燃料は燃料母管２００から供給され、遮断弁４を介して異物除去セパレータ１に導入される。その後、燃料は燃料系統１１、１２に分岐され、燃焼器の拡散バーナ２１と予混合バーナ３１に流れる。ここで異物除去セパレータ１の異物排出ドレン系統２は、ドレン流量調整弁３を介して拡散バーナ２１の燃料系統１１に接続される。
【００２２】
ここで従来ガスタービンの燃料系統を図６で説明する。一般的には燃焼器への異物混入を抑制するために燃料系統にフィルタ５を設けている。この構成はシンプルではあるが、ガスタービンの運転時間と共にフィルタに異物が蓄積していくため、フィルタが異物で閉塞しないように定期的にフィルタを分解して清掃する必要がある。その際にはガスタービンに供給する燃料を停止させる必要があるため、ガスタービンプラントを停止させることが必要となる。このためガスタービンプラントの稼働率が低下するという課題がある。
【００２３】
上記を鑑みて考案した図１に示す本発明の第１実施例では、異物除去セパレータ１で捕捉した異物を異物排出ドレン系統２から拡散バーナ２１の燃料系統１１に連続的または断続的に流している。燃焼室に直接燃料を噴射する拡散バーナ２１では、燃料と空気を予混合せずに燃焼室内１６０に供給し、直接火炎を形成させる。そのため、燃料中に異物が混入しても燃焼器に不具合が発生すること無く異物を燃やすことが可能である。また連続的または断続的に異物を排出することで、従来のフィルタの様に定期的にガスタービンを停止させて清掃する必要がない。つまり本方策により燃焼器の信頼性向上を図ると同時に、燃焼器の稼働率向上を図ることが可能となる。これにより、本実施例に係る燃焼器が適用されたガスタービンプラントにおいても信頼性と稼働率を向上させることができる。
【００２４】
本発明の第２の実施例を図２で説明する。
【００２５】
燃焼器の基本的な構造は図１と同様であり、中央部に配置した拡散バーナ２１と、その外周に複数設置した予混合バーナ３１で構成されているが、異物除去セパレータ１の異物排出ドレン系統２に、拡散燃料噴孔２２の孔径よりも大きい異物を捕捉するフィルタ５を設けたことを特徴としている。
【００２６】
ガスタービン燃焼器では、プラント出力、燃料組成、燃料流量に応じて燃焼器構造を変えて最適化を図っているため、拡散燃料噴孔２２の孔径が小さい燃焼器の場合、大きな異物が飛来すると拡散燃料噴孔２２が閉塞し、所定の燃料が流れずガスタービンが停止する可能性もある。上記課題を踏まえて考案した本案では、拡散燃料噴孔２２の孔径よりも大きい異物はフィルタ５で捕捉し、小さい異物は拡散バーナ２１で燃焼させることで、拡散燃料噴孔２２の閉塞を防止することが可能となる。
【００２７】
またフィルタ５は定期的に分解清掃する必要があるが、小さい異物は拡散バーナ２１で燃焼させるため、図６に示す従来構造に対してフィルタ５の異物蓄積量は少なくなるため、フィルタの点検インターバルを延ばすことが可能となる。したがって、本方策によれば、燃焼器の稼働率を向上しつつ、燃焼器の信頼性向上効果をより顕著なものとすることが可能となる。
【００２８】
本発明の第３の実施例を図３で説明する。
【００２９】
燃焼器の基本的な構造は、中央部に拡散バーナ２１を配置し、その外周に予混合バーナ３１を複数設置しており、ライナ５１の下流部には燃焼室１６０に直接燃料を噴射する直噴燃料ノズル４１を設けている。直噴燃料ノズル４１の燃料噴孔は、拡散バーナ２１の燃料噴孔よりも噴孔径が大きく設定されており、拡散バーナの一つとして機能させる事ができる。
【００３０】
異物除去セパレータは二重（直列）に配置しており、上流側の異物除去セパレータ１aでは拡散燃料噴孔２２の孔径よりも大きい異物を捕捉して直噴燃料ノズル４１に接続し、下流側の異物除去セパレータ１bでは拡散燃料噴孔２２の孔径よりも小さい異物を捕捉して拡散バーナ２１の燃料系統１１に接続する。
【００３１】
本構造とすることで、拡散燃料噴孔２２の孔径よりも大きな異物が飛来した際には、直噴燃料ノズル４１から燃焼室に噴射され燃焼するため、大きな異物による拡散燃料噴孔２２の閉塞を防止することが可能である。また燃料系統中にフィルタを設けないため、フィルタ分解清掃に伴うガスタービン停止が無く、ガスタービンプラントの稼働率向上を図ることが可能となる。
【００３２】
したがって、本方策によれば、燃焼器の稼働率を向上効果と、燃焼器の信頼性向上効果をより顕著なものとすることが可能となる。
【００３３】
本発明の第４の実施例を図４で説明する。
【００３４】
燃焼器の基本的な構造は図３と同様であり、中央部に配置した拡散バーナ２１と、その外周に複数設置した予混合バーナ３１と、燃焼室１６０に直接燃料を噴射する直噴燃料ノズル４１で構成されている。
【００３５】
本案では異物除去セパレータ１の異物排出ドレン系統２を、ライナ５１の下流部で燃焼室１６０に直接燃料を噴射する直噴燃料ノズル４１の系統に接続して、異物の含まれた燃料をライナ５１内に噴射して燃焼させることを特徴としている。
【００３６】
本案では拡散バーナ２１の燃料系統１１に変更を加える必要が無いため、予混合器の不具合を防止するために燃焼器を交換する際には、既設の拡散および予混合燃料配管をそのまま利用することが可能である。
【００３７】
また従来のフィルタ方式の様に異物を除去するためにガスタービンプラントを停止させる必要が無いため、ガスタービンプラントの稼働率向上を図ることが可能である。
【００３８】
したがって、本方策によれば、より簡易な構成で、燃焼器の稼働率を向上効果と、燃焼器の信頼性向上効果をより顕著なものとすることが可能となり、既設のプラントの改造等にも好適である。
【００３９】
本発明の第５の実施例を図５で説明する。
【００４０】
基本的な構成は第１の実施例を同様であるが、本案では、飛来する異物の量を検出する手段６を異物除去セパレータ１の上流部に設け、その飛来量に基づき計算器７を介してドレン流量調整弁３の開度を適切に調整することを特徴としている。例えば異物の飛来量が多い場合には弁開度を継続的に大きく開き、また異物の飛来量が少ない場合には断続的にドレン流量調整弁３を開閉させるという制御方法を取る。この時、ドレン流量調整弁３の開度に合わせて、拡散バーナ２１の燃料調整弁１３の開度も制御し、拡散バーナ２１に流れるトータル燃料を設定値に合わせる方法も考えられる。尚、異物の飛来量を検出する手段６は、異物除去セパレータ１の上流に限らず、燃料母管２００の上流部、異物除去セパレータ１の内部、または異物除去セパレータ１の下流部に設けても同様の効果が得られる。
【００４１】
なお、以上で説明した本発明の各実施例では、拡散バーナに供給される燃料と予混合バーナに供給される燃料の双方が流下する燃料供給系統２００にセパレータを設ける構成としたが、例えば、予混合バーナに供給される燃料のみが流下する予混合バーナ燃料系統１２にセパレータを設ける構成とした場合も、同様の効果を得る事ができる。
【符号の説明】
【００４２】
１・・・異物除去セパレータ、２・・・異物排出ドレン系統、３・・・ドレン流量調整弁、４・・・燃料遮断弁、５・・・フィルタ、６・・・異物量検出手段、７・・・計算器、１１・・・拡散バーナ燃料系統、１２・・・予混合バーナ燃料系統、１３・・・拡散バーナ燃料調整弁、２１・・・拡散バーナ、２２・・・拡散燃料噴孔、３１・・・予混合バーナ、３２・・・予混合燃料ノズル、３３・・・旋回器、４１・・・直噴燃料ノズル、５１・・・ライナ、５２・・・ライナフロースリーブ、１１０・・・空気圧縮機、１２０・・・高圧空気、１３０・・・ディフューザ、１４０・・・車室、１５０・・・尾筒フロースリーブ、１５１・・・空気導入孔、１５２・・・尾筒、１６０・・・燃焼室、１７０・・・高温燃焼ガス流、１８０・・・タービン、１９０・・・発電機、２００・・・燃料供給系統
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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