(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と空気を混合して燃焼する燃焼室と、前記燃焼室に燃料と空気を供給して火炎を保持するバーナとを備えた燃焼器において、
前記バーナは、燃料を噴出するガス噴孔と空気を噴出する空気噴孔とを有し、且つ、前記ガス噴孔及び前記空気噴孔が設けられた第１のスワラと、前記ガス噴孔が設けられた第２のスワラとを備え、
前記第２のスワラは、前記第１のスワラの外周に配置され、且つ、前記第１のスワラよりも前記燃焼室下流側に突出するように構成され、
前記第２のスワラは、前記第１のスワラに空気を供給するための空気流路を有し、
前記空気流路は、前記第１のスワラに供給する空気によって、前記第１のスワラよりも前記燃焼室下流側に突出した前記第２のスワラの内周壁を冷却できるように構成されていることを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項２】
請求項１に記載のガスタービン燃焼器において、
前記第２のスワラは、前記空気流路に空気を導入するための空気導入孔を前記第２のスワラの外周壁に複数有し、前記空気流路を前記空気導入孔からの空気の衝突噴流で冷却するよう構成されていることを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項３】
請求項１または２に記載のガスタービン燃焼器において、
前記空気流路の内壁面に乱流促進リブを備えたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項４】
請求項１から３の何れか一項に記載のガスタービン燃焼器において、
前記第２のスワラの前記燃料噴孔に燃料を供給する燃料流路と前記空気流路とがそれぞれ環状の流路であって、前記燃料流路よりも内周に前記空気流路が配置されていることを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項５】
請求項１から４の何れか一項に記載のガスタービン燃焼器において、
前記第１のスワラのガス噴孔と、前記第２のスワラのガス噴孔に供給する燃料系統には、それぞれ流量制御弁を設け、前記各流量制御弁を制御してガスタービンの着火や負荷条件に応じて、前記第１、および第２のスワラに供給する燃料流量比率を制御する制御装置を有することを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項６】
請求項５に記載のガスタービン燃焼器において、
前記制御装置は、燃料ガス発熱量が変動した場合にも、前記第１のスワラにおける理論火炎温度が一定となるように、前記燃料流量比率を制御することを特徴としたガスタービン燃焼器。
【請求項７】
請求項１から５の何れか一項に記載のガスタービン燃焼器において、
前記第１のスワラの半径方向中心部に、起動用の液体燃料を微粒化するための油ノズルを配置したことを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項８】
燃料と空気を混合して燃焼する燃焼室と、前記燃焼室内に燃料と空気を供給して火炎を保持するバーナとを備え、前記バーナに、第１のスワラと、前記第１のスワラの外周に配置された第２のスワラとを有するガスタービン燃焼器の運転方法であって、
前記第１のスワラから燃料と空気とを噴出させて内周火炎を形成し、
前記第２のスワラから前記内周火炎によって加熱された燃料を、前記内周火炎の下流側に噴出させることを特徴とするガスタービン燃焼器の運転方法。
【請求項９】
請求項８に記載のガスタービン燃焼器の運転方法において、
空気を前記第２のスワラに流下させて前記内周火炎によって加熱し、加熱された前記空気を前記第１のスワラから噴出させることを特徴とするガスタービン燃焼器の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービン燃焼器に係り、特に、難燃性ガスで、且つ、発熱量が低いガスの安定燃焼が可能なガスタービン燃焼器のバーナ構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。また、燃焼の際にＮＯｘ排出量が少ないことも特徴の一つである。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、資源有効利用の観点から、この高炉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。
【０００３】
高炉ガスは一酸化炭素（ＣＯ）や水素（Ｈ2）を主要可燃成分とし、その他にＮ2やＣＯ2を多量に含む難燃性のガスである。このため、ガスタービンの着火から定格負荷範囲を高炉ガス専焼で運転することは難しく、着火から部分負荷範囲を安定に運転（燃焼）するためには、一般に、起動用燃料が別に必要となる。また、難燃性ガスを安定に燃焼するため、ガスタービン燃焼器では燃料と空気を別々の流路から燃焼室に供給する拡散燃焼方式を採用し、液体燃料などの起動用燃料と低カロリーガスのデュアル燃料の燃焼が可能なバーナ構成とするのが一般的である。
【０００４】
また、その他の低カロリーガスとして、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Ｎ2を多量に含む低カロリーガスであり、起動用燃料と低カロリーガスの燃焼が可能なバーナが必要となる。
【０００５】
ここで、石炭ガス化ガスを対象とした低カロリーガス焚きバーナの構造例として、特許文献１（特開平５−８６９０２号公報）が挙げられる。特許文献１には、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バーナの構造が記載されている。
【０００６】
一方、ＬＮＧなどの高カロリー燃料は燃焼の際に火炎温度が高くなるため、低ＮＯｘ燃焼に関して工夫が必要である。その燃焼方法の一例として希薄予混合燃焼が挙げられる。また、予混合燃焼は拡散燃焼に比べて安定燃焼範囲が狭いため、拡散燃焼方式を採用したパイロットバーナで予混合火炎の燃焼安定性を強化するのが一般的である。なお、予混合器においては、燃料と空気を均一に混ぜるための混合距離が必要であり、そのためパイロットバーナよりも予混合バーナが燃焼室下流側に突出する構成となりやすい。
【０００７】
このような構造の一例として、特許文献２には、火炎安定化のためのパイロットバーナと低ＮＯｘ燃焼のための予混合バーナを組み合せ、燃焼器に供給される空気の大部分を予混合器に供給し燃料と空気を予め混合して希薄予混合燃焼によって低ＮＯｘ化を図るものが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平５−８６９０２号公報
【特許文献２】特開平８−８６４０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
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。
【００１０】
特許文献１に記載のバーナ構造において、高炉ガスを燃焼する場合には石炭ガス化ガスに比べてＣＯ2含有量が多いために、内周スワラに形成する火炎温度が低下し、外周スワラから供給する燃料の反応も緩慢となりやすい。したがって、燃焼器出口におけるＣＯ排出濃度が増加しやすくなり、さらに高炉ガスの発熱量が低下した場合には、火炎が吹き飛びやすくなる場合もあった。また、安定燃焼範囲の狭い予混合燃焼を行う特許文献２に記載のバーナ構造で高炉ガスを燃焼する場合、火炎が吹き飛ぶ可能性が高まり、燃焼を行うこと自体が困難となる恐れもある。
【００１１】
本発明の目的は、ＣＯ2を多量に含む高炉ガスなどの難燃性の低カロリーガスをも安定に燃焼できるガスタービン燃焼器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、燃料と空気を混合して燃焼する燃焼室と、前記燃焼室に燃料と空気を供給して火炎を保持するバーナとを備えた燃焼器において、前記バーナは、燃料を噴出するガス噴孔と空気を噴出する空気噴孔とを有し、且つ、前記ガス噴孔及び前記空気噴孔が設けられた第１のスワラと、前記ガス噴孔が設けられた第２のスワラとを備え、前記第２のスワラは、前記第１のスワラの外周に配置され、且つ、前記第１のスワラよりも前記燃焼室下流側に突出するように構成され、前記第２のスワラは、前記第１のスワラに空気を供給するための空気流路を有し、前記空気流路は、前記第１のスワラに供給する空気によって、前記第１のスワラよりも前記燃焼室下流側に突出した前記第２のスワラの内周壁を冷却できるように構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ＣＯ2を多量に含む高炉ガスなどの難燃性の低カロリーガスをも安定に燃焼できるガスタービン燃焼器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１の特徴を示す燃焼器構造、およびシステム系統図である。
【図２】本発明の第１の特徴を示すバーナの正面図である。
【図３】本発明の第１の特徴を示すバーナの断面図である。
【図４】燃料濃度と理論火炎温度の関係を示す図である。
【図５】本発明の第２の特徴を示すバーナの断面図である。
【図６】本発明の第２の特徴を示すバーナの正面図である。
【図７】本発明の第３の特徴を示すバーナ構造図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
上記の課題を解決するためには、内周スワラに形成する火炎温度を高くし、燃焼反応を促進させる必要がある。燃焼反応が緩慢となる原因の一つとして、内周スワラに形成する火炎が外周スワラから供給する燃料で冷却されることが挙げられる。これは、特に、発熱量の低いガスの燃焼において顕著である。局所的な火炎温度が低くなる高炉ガスの燃焼において、内周スワラに形成する火炎の温度が上昇する前に外周燃料が混合（合流）すると、内周火炎の温度はさらに低下し反応が緩慢になりやすい。
【００１６】
以下に示す本発明の各実施例に記載のバーナは、内周スワラよりも外周スワラを燃焼室下流側に突出させている。そのため、内周スワラに形成される内周火炎の温度が上昇する前に外周燃料の混合による内周火炎の温度低下を防止することができる。さらに、突出した外周スワラの内周壁の冷却媒体として、内周スワラに供給する空気や外周スワラから噴出する燃料を用いている。そのため、壁面冷却によって空気および燃料の温度を高め、しいては内周スワラの火炎温度と外周スワラの外周火炎温度を上昇させることができる。かくして内周スワラに形成する火炎温度を高め、燃焼反応を促進させることにより、高炉ガスをも安定に燃焼させることが可能となる。
【００１７】
なお、特許文献２に示すＬＮＧを対象とした希薄予混合燃焼器は、円環状の予混合バーナを、その内周に設けられたパイロットバーナよりも燃焼室下流側に突出させた構成を有している。これはガスタービンの着火、起動から部分負荷範囲の安定燃焼と、低ＮＯｘのための予混合火炎の安定燃焼を目的として、円環状の予混合バーナの内周にパイロットバーナを配置したものである。特許文献２では、着火、起動から部分負荷範囲をパイロットバーナのみで運転するが、本発明の各実施例に記載のバーナでは、低カロリーガスを燃焼する部分負荷範囲も内周スワラと外周スワラの両方に形成する火炎の相互作用によって安定燃焼するものである。
【実施例１】
【００１８】
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
【００１９】
（燃焼器の構成）
図１に、本発明の第１の実施例であるガスタービンの系統と燃焼器の拡大断面図を示す。ガスタービン５は、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、燃焼空気１０２をガスタービン燃焼器３へと供給する。燃焼器３では、圧縮機２による燃焼空気１０２と高炉ガス６０にコークス炉ガス８０を混合した増熱ガス７０（着火〜部分負荷範囲で供給）が混合し、燃焼ガス１４０を発生させタービン４に供給される。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。
【００２０】
燃焼器３においては、圧力容器である外筒１０内にライナ１４によって形成される燃焼室１２を備え、ライナ１４の外周に燃焼室冷却用のフロースリーブ１１を備える。また、燃焼室１２の上流には燃料と空気を別々の流路から燃焼室１２に供給して火炎を保持するバーナ３００を配置している。燃焼器３に供給された燃焼空気１０２は、フロースリーブ１１と燃焼室１２との空間内を流れ、燃焼室１２を冷却しながらライナ１４に設けた燃焼空気孔１３、およびバーナ３００に設けた空気噴孔４０２等により燃焼室１２内に供給される。
【００２１】
バーナ３００は、内周スワラ２０１と、その外周に配置された環状の外周スワラ２０２とを備えた２重旋回構造を採用している。また、内周スワラ２０１よりも外周スワラ２０２を燃焼室下流側に突出するように構成されている。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することを特徴とする。ガスタービンの着火から部分負荷範囲は、高炉ガス６０にコークス炉ガス８０を混合した増熱ガス７０を供給することで安定に燃焼する。その後、燃料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、高負荷条件（たとえば中間負荷から定格負荷範囲）に到達すると、高炉ガス６０のみの運転も可能となる。
【００２２】
低カロリーガスの供給圧力は燃料系統に設けた圧力調整弁１５０によって調整が可能であり、その下流には、内周スワラ２０１に内周燃料２０１ｆを供給するための第１の燃料系統５１と、外周スワラ２０２に外周燃料２０２ｆを供給する第２の燃料系統５２を備える。それぞれの燃料系統には第１の燃料流量調節弁４１、および第２の燃料流量調節弁４２を備えており、制御装置２００によって、着火から定格負荷範囲における内外周スワラの燃料流量の調節が可能である。
【００２３】
（バーナ構造１）
図２にバーナ３００の正面図を示す。この図は、バーナ３００を下流から見たものである。本実施例のバーナは、内周スワラ２０１と外周スワラ２０２で構成する２重旋回バーナ構造である。
【００２４】
ＣＯ2を多量に含む高炉ガスの燃焼では内周スワラによって形成される内周火炎２５０の火炎温度を高める必要がある。そこで、本実施例のバーナは、内周燃料２０１ｆを噴出するガス噴孔４０１と空気１０２ａを噴出する空気噴孔４０２とが周方向に交互に設けられた内周スワラ２０１と、外周燃料２０２ｆを噴出するガス噴孔４０３が設けられた外周スワラ２０２とを備える。
【００２５】
また、それぞれの噴孔には、図２のＡ−Ａ断面図に示すような旋回角αが設けられている。そのため、低速となる保炎領域（循環ガス領域）がバーナの半径方向中心部近傍に形成され、燃焼安定性を強化できる。更に、本実施例のバーナは、内周スワラ２０１のガス噴孔４０１および空気噴孔４０２の半径方向内側に、保炎強化用ガス噴孔４０４を備えている。保炎強化用ガス噴孔４０４から保炎強化燃料２０３ｆを供給することにより、内周スワラの半径方向中心部近傍に形成する循環ガス領域の燃料濃度を高めることが可能となり、燃焼安定性を向上させることができる。
【００２６】
一方、図１に示したように、外周スワラ２０２においては、ガス噴孔４０１より外周燃料２０２ｆが供給される。外周燃料２０２ｆは内周スワラ２０１から供給される空気１０２ａや、燃焼室１２に供給されるバーナ近傍の空気と混合し、内周スワラ２０１に形成される火炎（内周火炎）を基点に、外周スワラに火炎（外周火炎）が形成される。外周火炎の形成によって、内周火炎周囲の温度は高くなるため、保炎を強化できる。特に、高炉ガスのようなＣＯ2を多量に含む低カロリーガスの燃焼には有効である。
【００２７】
一般に、高炉ガスのようにＣＯ2含有量が多い燃料は密度が大きく、本実施例のように旋回流によって保炎する場合には、密度の大きい燃料は慣性力によって外側に貫通しやすくなる。そこで本実施例のバーナ３００では、バーナに供給する燃料を内周スワラと外周スワラに分け、内周スワラに燃料噴孔と空気噴孔を設けている。これにより、例えば燃料と空気が混合する濃度を量論混合比条件となるように燃料流量を調整して、内周スワラに形成する火炎温度をできるだけ高くすることが可能となり、内周火炎の安定性を向上することができる。
【００２８】
すなわち、内周スワラに空気を導入することで、外側に貫通しやすい燃料の一部と空気の混合が促進し、保炎を賄う内周火炎を安定化できる。さらに本実施例では、内周火炎を火種とし、外周スワラから供給する燃料とライナ１４の壁面に設けられた燃焼空気孔１３より流入する燃焼空気との混合によって外周火炎が形成され、内外周火炎の相互作用でＣＯ2含有量の多い燃料を安定燃焼することを特徴としている。
【００２９】
次に、図３にバーナ３００の断面図を示す。本実施例のバーナは、内周スワラ２０１に対し外周スワラ２０２が燃焼室下流側（図３の右側）に突出し、突出した外周スワラ２０２の内部に内周スワラ２０１に空気１０２ａを供給するための空気流路２７５を有する。そして、空気流路２７５に空気１０２ａを導入するための複数の空気導入孔４０２ａが、外周スワラ２０２の先端（燃焼室側端面）近傍の外周壁２７１に設けられている。このような構成により本実施例のバーナでは、外周スワラ２０２の内周壁２７０を、空気流路２７５を流下する空気１０２ａと外周スワラ２０２より噴出する外周燃料２０２ｆによって冷却しつつ、冷却後の空気１０２ａを内周スワラ２０１の燃焼用空気に用いることができる。
【００３０】
図２でも説明したように、本実施例のバーナにおいては、内周スワラ２０１と外周スワラ２０２の半径方向中心部近傍に循環ガス領域３０、３１が形成される。内周スワラ２０１においては、循環ガス領域３０によって燃焼ガスの一部が循環し、供給する内周燃料２０１ｆおよび空気１０２ａに連続的に熱を与えることで火炎が保持される。さらに、保炎強化燃料２０３ｆの供給によって循環ガス領域３０内の燃料濃度は高くなり、燃焼安定性が向上する。外周スワラ２０２においても、ガス燃料の旋回噴流によって循環ガス領域３１が形成され、外周火炎の熱が内周スワラ２０１の循環ガス領域３０に取り込まれる。外周燃料２０２ｆは内周火炎２５０からの熱を利用することができるために反応が活性化し、２重旋回バーナによって低カロリーガスの安定燃焼が可能となる。
【００３１】
このようなバーナ構造において、外周スワラ２０２を内周スワラ２０１よりも下流側に突出させた場合、外周スワラ２０２の上流側の内周に、内周火炎２５０が形成されることになる。この時、内周スワラ２０１においては、内周燃料２０１ｆと空気１０２ａの混合・燃焼が進むために内周火炎２５０の温度が十分に上昇する。外周スワラを同一面上に構成した２重旋回バーナに比べると、内周火炎２５０の温度が十分に上昇した内周火炎２５０の下流側に外周燃料２０２ｆが混合するため、安定燃焼が可能となる。特に、ガスの発熱量が低い場合は、その効果が顕著となる。
【００３２】
以上の通り、本実施例のバーナ３００は、ガス噴孔４０１と空気噴孔４０２とが設けられた内周スワラ２０１よりもガス噴孔４０３が設けられた外周スワラ２０２が燃焼室下流側に突出するように構成されている。そのため、内周スワラ２０１に形成される内周火炎２５０の温度を十分に上昇させてから外周燃料２０２ｆを混合することができるため、内周火炎２５０の温度が上昇する前に外周燃料２０２ｆが混合することで生じる内周火炎２５０の温度低下を防止し、内周火炎２５０の燃焼安定性を向上することができる。
【００３３】
また、外周スワラ２０２から噴出する外周燃料２０２ｆが、外周スワラ２０２を流下する際に内周火炎２５０からの熱によって加熱することができるため、外周スワラ２０２に形成される外周火炎２６０の火炎温度を上昇させ、外周火炎２６０の燃焼安定性を向上することができる。また、循環ガス領域３１によって外周火炎２６０の熱が内周火炎２５０に取り込まれるため、外周火炎２６０の火炎温度を上昇させることにより、内周火炎２５０の燃焼安定性をも向上することができる。
【００３４】
さらに、外周スワラ２０２に、内周スワラ２０１に空気１０２ａを供給するための空気流路２７５を有し、空気流路２７５が、内周スワラに供給する空気１０２ａによって、突出した外周スワラ２０２の内周壁２７０を冷却できるように構成されている。内周壁２７０の冷却に用いることで空気１０２ａの温度を高め、しいては内周火炎２５０の火炎温度を上昇させることができる。そして、内周スワラ２０１に形成する内周火炎２５０の火炎温度を高め、内周火炎２５０の燃焼安定性を向上することができる。
【００３５】
このように、各火炎の燃焼温度を上昇させて燃焼反応を促進して燃焼安定性を向上することにより、ＣＯ2を多量に含む高炉ガスなどの難燃性の低カロリーガスを安定に燃焼することができる。
【００３６】
なお、以上の説明において、燃料系統は２系統として説明してきたが、内周スワラと外周スワラに供給する燃料流量比率をあらかじめ最適条件に設定しておけば、燃料を１系統で制御した場合でも安定燃焼が可能である。さらに、本実施例では増熱したガスによるガスタービンの着火、負荷変化を想定して説明してきたが、２重旋回バーナの半径方向中心部に、液体燃料用の油ノズルを配置した場合でも、安定燃焼が可能である。
【００３７】
（運転方法）
以上述べてきたバーナ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。ガスタービンの回転数を燃焼器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。高炉ガス６０にコークス炉ガス８０を混合し、増熱したガス７０を２重旋回バーナ３００に供給することで、燃焼器３内で着火が可能となる。燃焼器の着火後、燃焼ガス１４０がタービン４に供給され、増熱ガス７０の流量増加とともにタービン４が昇速、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。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、さらには増熱ガス７０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、燃焼器出口ガス温度が高くなると燃焼安定性が増加するため、増熱用に供給していたコークス炉ガス８０の供給を停止することが可能となる。
【００３８】
バーナ３００においては、内周スワラ２０１に形成される内周火炎２５０と外周スワラ２０２に形成する外周火炎２６０の相互作用によって、高炉ガス６０専焼であっても、安定に火炎を保持できる。特に、本実施例のバーナ３００は、内周スワラ２０１に対し外周スワラ２０２を燃焼室下流側に突出しているため、内周火炎２５０の温度が十分に上昇する前に外周燃料２０２ｆが合流、混合することがなくなり、内周火炎温度の低下を防止でき、安定燃焼が可能となる。内周スワラ２０１に供給される空気１０２ａは、外周スワラ２０２の内周壁２７０を冷却した空気であり、空気温度の上昇により内周火炎２５０の温度も高くなり、燃焼安定性が向上する。同様に、外周スワラ２０２の内周壁２７０は外周燃料２０２ｆでも冷却しており、冷却後の燃料温度が高くなるため外周火炎２６０の温度上昇に寄与する。
【００３９】
さらに、本実施例では、バーナに供給する２系統の燃料流量比率を調整することが可能なため、カロリーの低いガスに対して十分な安定燃焼裕度を確保しつつ、発熱量の高い増熱ガスに対しては低ＮＯｘ燃焼が可能である。すなわち、図４に示すように、高炉ガスＢのような低カロリーガスに対しては当量比１.０近傍を運転点とし、運用することで安定燃焼を確保することができる。これに対し、低カロリーガスの中でも増熱したガスにおいては当量比１.０近傍の理論火炎温度が高くなるため、高炉ガスＢに比べてＮＯｘ排出量が増加する。このため、本実施例では、増熱ガスに対して理論火炎温度が設定温度Ｔ℃となるように当量比（燃料流量比率）を制御することで、増熱ガス運用時の低ＮＯｘ燃焼とバーナの信頼性を向上できる。
【実施例２】
【００４０】
（バーナ構造２）
図５および図６に本発明の第２の実施例であるバーナの構造図を示す。本実施形態が第１の実施例と異なる点は、外周スワラ２０２の外周壁２７１に設けた空気孔導入部を複数の空気孔導入孔４０２ａで構成し、空気流路２７５を空気孔導入孔４０２ａからの空気１０２ａの衝突噴流で冷却するインピンジメント冷却構造としたことにある。図５は、本発明の第２の実施例を示すバーナの断面を示したものである。インピンジメント冷却方式を用いたときの利点は、少ない空気量で幅広い領域を冷却できることと、温度が高くなる領域に冷却孔を設けることで効率良く冷却することが可能になることである。
【００４１】
本実施例のようなバーナ構造においては、内周スワラ２０１に形成する内周火炎２５０が燃焼室下流側に向けて円錐状に広がるため、外周スワラ２０２の出口付近の壁面温度が高くなりやすい。本実施例では、外周スワラ２０２の下流側出口部付近の内周壁２７０を中心に冷却するために、外周スワラ２０２の外周壁２７１に設けた空気孔導入部を複数の小孔である空気孔導入孔４０２ａを設け、外周スワラ２０２内の空気流路２７５を衝突噴流によって冷却することを特徴とする。なお、内周火炎２５０の広がりが大きく外周スワラ２０２の空気流路２７５の内周スワラ２０１側（図５の左側）の温度が上昇する場合には、空気孔導入孔４０２ａ（インピンジメント冷却孔）の軸方向位置を最適化することでメタル温度の低減が可能である。
【００４２】
次に、図５のＢ−Ｂ位置における断面構造を図６に示す。外周スワラ２０２の流路には、内周スワラ２０１の空気孔４０２に通じる空気流路２７５と外周スワラ２０２のガス噴孔４０３に通じるガス燃料流路２７６を複数設け、それらを交互に配置する構造としてある。空気流路２７５の内側（底面）は空気１０２ａの衝突噴流によって効率良く冷却することが可能であり、ガス燃料流路２７６は外周燃料２０２ｆの強制対流によって冷却が可能である。
【００４３】
また、本実施例のバーナでは、空気流路２７５を空気孔導入孔４０２ａからの空気１０２ａの衝突噴流で冷却する構成を有することで、冷却効率を向上することができる。冷却効率の向上は、言い換えると、空気１０２ａを効率良く加熱できることを意味する。即ち、空気１０２ａを効率良く加熱することができる本実施例のバーナでは、内周スワラ２０１の空気噴孔４０２から噴出する空気１０２ａの温度を十分に上昇させることができるため、内周火炎２５０の火炎温度を十分に上昇させることができ、バーナの燃焼安定性を向上することができる。
【実施例３】
【００４４】
（バーナ構造３）
図７に、本発明の第３の実施例であるバーナの断面図を示す。本実施例の特徴は、外周スワラ２０２に設ける燃料、および空気流路をいずれも環状の流路（断面Ｃ−Ｃ参照）とし、且つ、ガス燃料流路２７６よりも空気流路２７５を半径方向の内側に設け、空気流路の内壁面に沿って乱流促進リブ３１０を備えたことにある。
【００４５】
ガスタービンの着火、起動から定格負荷範囲の運転において、ガス発熱量が変化しても安定燃焼するために内周スワラと外周スワラに供給する燃料流量比率を変化させる場合もある。その際、外周スワラ２０２に供給する外周燃料２０２ｆの流量が少なくなる場合には、外周スワラの冷却性能が不十分となる恐れがある。
【００４６】
このため、本実施例では、内周スワラ２０１に常に一定の流量が供給される空気１０２ａで外周スワラ２０２の内周壁２７０を冷却することを特徴とする。これにより、内外周スワラに供給する燃料流量比率が変化しても、空気１０２ａによって常に外周スワラの冷却が可能であり、バーナの信頼性を向上することができる。特に、本実施例では、環状の空気流路に乱流促進リブ３１０を設けたため、伝熱面積の増加と冷却空気の乱れの増幅により、効率良く外周スワラ２０２の内周壁２７０を冷却することが可能である。
【００４７】
また、乱流促進リブ３１０を設けることで冷却効率を向上する本実施例においても、内周スワラ２０１に供給する空気１０２ａを効率良く加熱することが可能であり、空気１０２ａを十分に加熱してから内周スワラ２０１の空気噴孔４０２から噴出させることができる。そのため、内周火炎２５０の火炎温度を十分に上昇させることができ、バーナの燃焼安定性を向上することができる。
【符号の説明】
【００４８】
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（ライナ）
１３  燃焼空気孔
３０  内周スワラの循環ガス領域
３１  外周スワラの循環ガス領域
４１  第１の燃料流量調節弁（内周燃料系統）
４２  第２の燃料流量調節弁（外周燃料系統）
５１  第１の燃料系統（内周燃料系統）
５２  第２の燃料系統（外周燃料系統）
６０  低カロリーガス（高炉ガス）
７０  高炉ガスにコークス炉ガスを混合した増熱ガス
８０  コークス炉ガス
１０１  空気
１０２  燃焼空気
１０２ａ  内周スワラの燃焼空気
１４０  燃焼ガス
１５０  圧力調整弁
２００  制御装置
２０１  内周スワラ
２０１ｆ  内周燃料
２０２  外周スワラ
２０２ｆ  外周燃料
２０３ｆ  保炎強化燃料
２５０  内周火炎
２６０  外周火炎
２７５  外周スワラ内の空気流路
２７６  外周スワラ内のガス燃料流路
３００  バーナ
３１０  乱流促進リブ
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
【図１】
0005878428.tif 000002
【図２】
0005878428.tif 000003
【図３】
0005878428.tif 000004
【図４】
0005878428.tif 000005
【図５】
0005878428.tif 000006
【図６】
0005878428.tif 000007
【図７】
0005878428.tif 000008