(57)【要約】      （修正有）【課題】水素濃度が変化する気体燃料を用いても低ＮＯｘ燃焼が可能なガスタービン燃焼器の提供。【解決手段】複数の燃料ノズル５６と、燃料ノズル５６に対応して空気プレート５４に設けた複数の空気孔５５とが同軸に配置されている多孔同軸噴流バーナを複数個備え、各多孔同軸噴流バーナは、多孔同軸噴流バーナの中央部となる内周側に配設された第１の同軸噴流バーナ部と、多孔同軸噴流バーナの外周部となる外周側に配設された第２の同軸噴流バーナ部とを備え、第１の同軸噴流バーナ部の同軸噴流バーナを形成する空気プレート５４に設けた空気孔５５の直径は、第２の同軸噴流バーナ部の同軸噴流バーナを形成する空気プレート５４に設けた空気孔５５の直径よりも小径に形成し、第１の同軸噴流バーナ部によってガスタービン燃焼器の保炎を担う燃焼を行ない、外周側に配設された前記第２の同軸噴流バーナ部によって低ＮＯｘ燃焼を行なう。【選択図】図１
2011144972.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の燃料ノズルと、前記燃料ノズルに対応して空気プレートに設けた複数の空気孔とが同軸に配置されている多孔同軸噴流バーナを複数個備えて、燃料組成に水素を含むガス化燃料を燃焼するガスタービン燃焼器において、
前記複数個配置した各多孔同軸噴流バーナは、該多孔同軸噴流バーナの中央部となる内周側に配設され、複数の同軸噴流バーナから構成される第１の同軸噴流バーナ部と、
該多孔同軸噴流バーナの外周部となる前記第１の同軸噴流バーナ部の外周側に複数個配設され、それぞれ複数の同軸噴流バーナから構成される第２の同軸噴流バーナ部とを備え、
前記第１の同軸噴流バーナ部を構成する同軸噴流バーナを形成する該空気プレートに設けた空気孔の直径は、前記第２の同軸噴流バーナ部を構成する同軸噴流バーナを形成する該空気プレートに設けた空気孔の直径よりも小径に形成し、
各多孔同軸噴流バーナの内周側に配設された前記第１の同軸噴流バーナ部によってガスタービン燃焼器の保炎を担う燃焼を行ない、外周側に配設された前記前記第２の同軸噴流バーナ部によってガスタービン燃焼器の低ＮＯｘ燃焼を行なうようにした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、
前記各多孔同軸噴流バーナの中央部となる内周側に配設された前記第１の同軸噴流バーナ部を構成する同軸噴流バーナを形成する該空気プレートに設けた空気孔の直径をＤ１、この空気孔の個数をＮ１とし、
前記各多孔同軸噴流バーナの外周部となる前記第１の同軸噴流バーナ部の外周部に複数個配置された前記第２の同軸噴流バーナ部を構成する同軸噴流バーナを形成する該空気プレートに設けた空気孔の直径をＤ２、この空気孔の個数をＮ２とし、ｅを自然対数の底とした場合に、
前記空気孔が式（１）に示す関係式が成り立つ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。
【数１】
2011144972.tif 000007
【請求項３】
複数の燃料ノズルと、前記燃料ノズルに対応して空気プレートに設けた複数の空気孔とが同軸に配置されている多孔同軸噴流バーナを複数個備えて、燃料組成に水素を含むガス化燃料を燃焼するガスタービン燃焼器において、
前記複数個配置した各多孔同軸噴流バーナは、該多孔同軸噴流バーナの中央部となる内周側に配設され、複数の同軸噴流バーナから構成される第１の同軸噴流バーナ部と、
該多孔同軸噴流バーナの外周部となる前記第１の同軸噴流バーナ部の外周側に複数個配設され、それぞれ複数の同軸噴流バーナから構成される第２の同軸噴流バーナ部と、
該多孔同軸噴流バーナの外周部となる前記第２の同軸噴流バーナ部の更に外周側に複数個配設され、それぞれ複数の同軸噴流バーナから構成される第３の同軸噴流バーナ部とを備え、
前記第１の同軸噴流バーナ部を構成する同軸噴流バーナを形成する該空気プレートに設けた空気孔の直径は、前記第２の同軸噴流バーナ部を構成する同軸噴流バーナを形成する該空気プレートに設けた空気孔の直径よりも小径に形成し、
前記第２の同軸噴流バーナ部を構成する同軸噴流バーナを形成する該空気プレートに設けた空気孔の直径は、前記第３の同軸噴流バーナ部を構成する同軸噴流バーナを形成する該空気プレートに設けた空気孔の直径よりも小径に形成し、
各多孔同軸噴流バーナの内周側に配設された前記第１の同軸噴流バーナ部によってガスタービン燃焼器の保炎を担う燃焼を行ない、外周側に配設された前記第２の同軸噴流バーナ部及び前記第３の同軸噴流バーナ部によってガスタービン燃焼器の低ＮＯｘ燃焼を行なうようにしたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項４】
複数の燃料ノズルと、前記燃料ノズルに対応して空気プレートに設けた複数の空気孔とが同軸に配置されている多孔同軸噴流バーナを複数個備えて、燃料組成に水素を含むガス化燃料を燃焼するガスタービン燃焼器において、
前記複数個配置した各多孔同軸噴流バーナは、該多孔同軸噴流バーナの中央部となる内周側からその外周部にかけてｉ列目に配設され、複数の同軸噴流バーナから構成されるｉ列目の同軸噴流バーナ部と、
該多孔同軸噴流バーナの外周部となる前記ｉ列目の同軸噴流バーナ部の外周側に複数個配設され、それぞれ複数の同軸噴流バーナから構成される（ｉ＋１）列目の同軸噴流バーナ部とを備え、
各多孔同軸噴流バーナの内周側に配設された前記ｉ列目の同軸噴流バーナ部によってガスタービン燃焼器の保炎を担う燃焼を行ない、外周側に配設された前記（ｉ＋１）列目の同軸噴流バーナ部によってガスタービン燃焼器の低ＮＯｘ燃焼を行なうようにし、
前記各多孔同軸噴流バーナの中央部から外周部にかけて配設された前記ｉ列目の同軸噴流バーナ部の空気孔の直径をＤ１、この空気孔の個数をＮ１とし、
前記各多孔同軸噴流バーナの中央部から外周部にかけて配設された前記（ｉ＋１）列目の同軸噴流バーナ部の空気孔の直径を直径をＤｉ＋１、この空気孔の個数をＮｉ＋１とし、ｅを自然対数の底とし、ｉを自然数の１から４までの任意の数とした場合に、
前記空気孔が式（２）に示す関係式が成り立つ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。
【数２】
2011144972.tif 000008
【請求項５】
請求項１又は請求項３に記載のガスタービン燃焼器において、
各多孔同軸噴流バーナに備えられた前記同軸噴流バーナ部を構成する同軸噴流バーナを形成する該空気プレートに設けた空気孔は、前記空気孔の中心軸をバーナの中心軸に対して旋回方向に傾斜させて形成してい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、
各多孔同軸噴流バーナに備えられた前記同軸噴流バーナ部を構成する同軸噴流バーナを形成する該空気プレートに設けた空気孔は、更に前記空気孔の中心軸が該空気孔を配置したピッチ円の接線方向よりもバーナ中心側に傾斜させて形成していることを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項７】
請求項４に記載のガスタービン燃焼器において、
各多孔同軸噴流バーナに備えられた前記ｉ列目同軸噴流バーナ部を構成する同軸噴流バーナを形成する該空気プレートに設けた空気孔、及び前記（ｉ＋１）列目の同軸噴流バーナ部を構成する同軸噴流バーナを形成する該空気プレートに設けた空気孔は、前記空気孔の中心軸をバーナの中心軸に対して旋回方向に傾斜させて形成していることを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項８】
請求項７に記載のガスタービン燃焼器において、
各多孔同軸噴流バーナに備えられた前記ｉ列目同軸噴流バーナ部を構成する同軸噴流バーナを形成する該空気プレートに設けた空気孔、及び前記（ｉ＋１）列目の同軸噴流バーナ部を構成する同軸噴流バーナを形成する該空気プレートに設けた空気孔は、更に前記空気孔の中心軸が該空気孔を配置したピッチ円の接線方向よりもバーナ中心側に傾斜させて形成していることを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項９】
複数の燃料ノズルと、前記燃料ノズルに対応して空気プレートに設けた複数の空気孔とが同軸に配置されている多孔同軸噴流バーナを複数個備えて、燃料組成に水素を含むガス化燃料を燃焼するガスタービン燃焼器において、
前記空気孔プレートの複数箇所の燃焼室側の面を燃焼室側に円錐状又は円錐台状に突出させた形状にそれぞれ形成し、
前記複数個配置した各多孔同軸噴流バーナは、該多孔同軸噴流バーナの中央部となる円錐状又は円錐台状に突出させた頂部に近い前記空気プレートの内周側に配設され、複数の同軸噴流バーナから構成される第１の同軸噴流バーナ部と、
該多孔同軸噴流バーナの外周部となる円錐状又は円錐台状に突出させた頂部から離間した前記第１の同軸噴流バーナ部の外周側に複数個配設され、それぞれ複数の同軸噴流バーナから構成される第２の同軸噴流バーナ部と
該多孔同軸噴流バーナの外周部となる前記第２の同軸噴流バーナ部の更に外周側に複数個配設され、それぞれ複数の同軸噴流バーナから構成される第３の同軸噴流バーナ部とを備え、
前記第１の同軸噴流バーナ部を構成する同軸噴流バーナを形成する該空気プレートに設けた空気孔の直径は、前記第２の同軸噴流バーナ部を構成する同軸噴流バーナを形成する該空気プレートに設けた空気孔の直径よりも小径に形成され、
前記第２の同軸噴流バーナ部を構成する同軸噴流バーナを形成する該空気プレートに設けた空気孔の直径は、前記第３の同軸噴流バーナ部を構成する同軸噴流バーナを形成する該空気プレートに設けた空気孔の直径よりも小径に形成されており、
各多孔同軸噴流バーナの内周側に配設された前記第１の同軸噴流バーナ部によってガスタービン燃焼器の保炎を担う燃焼を行ない、外周側に配設された前記前記第２の同軸噴流バーナ部及び前記第３の同軸噴流バーナ部によってガスタービン燃焼器の低ＮＯｘ燃焼を行なうようにしたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項１０】
請求項９に記載のガスタービン燃焼器において、
各多孔同軸噴流バーナに備えられた前記同軸噴流バーナ部を構成する同軸噴流バーナを形成する該空気プレートに設けた空気孔は、前記空気孔の中心軸をバーナの中心軸に対して旋回方向に傾斜させて形成していることを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項１１】
請求項１０に記載のガスタービン燃焼器において、
各多孔同軸噴流バーナに備えられた前記同軸噴流バーナ部を構成する同軸噴流バーナを形成する該空気プレートに設けた空気孔は、更に前記空気孔の中心軸が該空気孔を配置したピッチ円の接線方向よりもバーナ中心側に傾斜させて形成していることを特徴とする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、複数の同軸ノズルを備えたガスタービン燃焼器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
産業用電力を支える発電プラントのひとつに、天然ガスや石油などの化石資源を燃料とするガスタービン発電プラントがある。このガスタービン発電プラントは化石資源を燃料とし、地球温暖化物質の二酸化炭素（ＣＯ２）を排出するため、これまで以上に発電効率の向上が求められている。
【０００３】
発電効率を向上させる手段として、ガスタービン燃焼器から排出される燃焼ガスの高温化が挙げられる。
【０００４】
しかし、燃焼ガスの高温化に伴い、燃焼ガス中に含まれる、環境阻害物質である窒素酸化物（ＮＯｘ）が指数関数的に増加する。そのため、発電効率を高めながらＮＯｘを低減する対策が重要な技術課題となっている。
【０００５】
そこで近年、発電コスト低減や資源有効利用のほか地球温暖化防止の観点からも、石油製油所で発生するオフガスや、製鉄プロセスで発生するコークス炉ガス（ＣＯＧ：Coke Oven Gas、以下ＣＯＧと略記する）などの水素（Ｈ２）を含む副生ガスを発電用ガスタービンに用いられるガスタービン燃焼器のガス化燃料として有効利用することが求められている。
【０００６】
また、豊富な資源である石炭を酸素でガス化して発電する石炭ガス化発電プラント（ＩＧＣＣ：Integrated coal Gasification Combined Cycle、以下ＩＧＣＣと略記する）では地球温暖化防止の観点より、石炭ガス化発電プラントのガスタービン燃焼器に供給されるガス化燃料中の炭素分を分離・回収するシステムが国内外で検討されている。しかも地球環境保護の観点から石炭ガス化発電プラントの発電効率の向上と汚染排出物質の低減も強く求められている。
【０００７】
これらの製油所オフガスやＣＯＧで燃料成分の３０％〜６０％、二酸化炭素分離回収付のＩＧＣＣプラントでは燃料のほとんどの成分が水素となる。水素は燃焼速度が速いため、ガスタービン燃焼器内で形成される火炎が水素濃度の変化によって燃焼器構造物に接近し信頼性上の問題を引き起こす可能性がある。
【０００８】
また、製油所のオフガスやＣＯＧの副生ガスのみならず、ＩＧＣＣプラントも二酸化炭素回収率の変化によって大きく水素濃度が変化するため、状況によって燃焼速度が増加してガスタービン燃焼器の構造物に火炎が接近し信頼性上の問題を引き起こすことに対処する対策が求められる。
【０００９】
上記の課題のうち、水素濃度の変化に対処する技術の一例として特開２００７−１１３４８７号公報には、水素を燃料組成に含む低カロリーガス燃料において、ガスタービン負荷が急落した場合に、別途、水素ガスの必要量を燃料ガスに供給するようにしてガスタービン燃焼器の失火を回避して燃焼器での安定燃焼を維持する技術が開示されている。
【００１０】
また、燃焼安定性を確保しながら低ＮＯｘ燃焼を実現する構造の一例として特開２００８−２９２１３９号公報には、小口径の燃料ノズルと空気ノズルとを同軸に配置した多数の同軸ノズルを集合化して構造的に予め燃料と空気の分散性を高めてＮＯｘを低減するガスタービン燃焼器の同軸ノズルバーナ（以下、多孔同軸噴流バーナと称す）において、先端の形状がそれぞれ異なる燃料ノズルを複数配置して多孔同軸噴流バーナに供給する燃料・空気の混合気に分布を持たせ、燃焼安定性を確保しながら低ＮＯｘ燃焼を実現する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００７−１１３４８７号公報
【特許文献２】特開２００８−２９２１３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、特開２００７−１１３４８７号公報に開示されているガスタービン燃焼器の技術は、ガスタービン負荷が急落した場合に必要最小出力を維持するものに過ぎず、広範な負荷範囲に対して水素濃度の変動に対処する技術は開示されていない。
【００１３】
また、特開２００８−２９２１３９に開示されているガスタービン燃焼器の技術は、組成が安定した燃料に関して燃焼安定性を維持して低ＮＯｘ燃焼を実現するものに過ぎず、広範な負荷範囲に対して水素濃度の変動に対処する技術は開示されていない。
【００１４】
水素を燃料組成に含む低カロリーガス燃料をガスタービン燃焼器に使用する場合には、水素は燃焼速度が速いため、ガスタービン燃焼器内で形成される火炎が燃焼器構造物に接近した場合は信頼性上の問題を引き起こす可能性が高い。
【００１５】
また、ガスタービン燃焼器の構造物に火炎の接近が起きないようにガスタービン燃焼器を設計した場合であっても、製油所のオフガスやＣＯＧのみならず、ＩＧＣＣプラントも二酸化炭素回収率の変化によって燃料ガスに含まれる水素濃度が大きく変化するため、水素濃度の変化の状況に応じてガスタービン燃焼器の構造物に火炎が接近する課題に対処することが求められる。
【００１６】
燃料ガスに含まれる水素濃度の変化に対してガスタービン燃焼器の信頼性を確保する燃焼方式としては、ガスタービン燃焼器の燃焼室に直接燃料のみを投入し、燃焼室内で燃料と空気の混合を行なう拡散燃焼方式が有力であるが、この燃焼方式では最も燃焼しやすい混合気に対して火炎が形成されるため火炎温度が高くなり窒素酸化物（ＮＯｘ）排出量が増大しやすい。
【００１７】
地球環境保護の観点からは二酸化炭素削減の他に、酸性雨や光化学スモッグの主要な原因物質となるＮＯｘの低減も重要であり、幅広い水素濃度の変動に対応し、かつ低ＮＯｘ燃焼を行なうガスタービン燃焼器の燃焼方式が必要となっている。
【００１８】
一方、低ＮＯｘ燃焼を行なうには燃料と空気を予め燃料が量論混合比よりも希薄となるよう混合してガスタービン燃焼器に供給する予混合燃焼方式が有力であるが、この予混合燃焼方式ではガスタービン燃焼器の燃焼室に流入する前から可燃範囲の混合気が形成されているため、燃料ガスに含まれる水素濃度が変化して増加すると燃焼室で形成される火炎の位置がガスタービン燃焼器の構造物に接近するのでガスタービン燃焼器の信頼性上の問題を引き起こす可能性が高くなる。
【００１９】
また、水素濃度が変化して減少した場合にも、燃焼室で希薄な混合気を燃焼させているため、燃焼速度と可燃範囲が変動して燃焼不安定を起こす可能性が高くなる。
【００２０】
本発明の目的は、燃料中に含まれる水素濃度が変動する燃料をガスタービン燃焼器に使用する場合に、広範な負荷範囲にわたって水素濃度の変動に起因する火炎位置の変動を抑制して信頼性の高い燃焼安定性を維持すると共に、低ＮＯｘ燃焼性能を維持し得る、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】
【００２１】
本発明のガスタービン燃焼器は、複数の燃料ノズルと、前記燃料ノズルに対応して空気プレートに設けた複数の空気孔とが同軸に配置されている多孔同軸噴流バーナを複数個備えて、燃料組成に水素を含むガス化燃料を燃焼するガスタービン燃焼器において、前記複数個配置した各多孔同軸噴流バーナは、該多孔同軸噴流バーナの中央部となる内周側に配設され、複数の同軸噴流バーナから構成される第１の同軸噴流バーナ部と、該多孔同軸噴流バーナの外周部となる前記第１の同軸噴流バーナ部の外周側に複数個配設され、それぞれ複数の同軸噴流バーナから構成される第２の同軸噴流バーナ部とを備え、前記第１の同軸噴流バーナ部を構成する同軸噴流バーナを形成する該空気プレートに設けた空気孔の直径は、前記第２の同軸噴流バーナ部を構成する同軸噴流バーナを形成する該空気プレートに設けた空気孔の直径よりも小径に形成し、各多孔同軸噴流バーナの内周側に配設された前記第１の同軸噴流バーナ部によってガスタービン燃焼器の保炎を担う燃焼を行ない、外周側に配設された前記前記第２の同軸噴流バーナ部によってガスタービン燃焼器の低ＮＯｘ燃焼を行なうようにしたことを特徴とする。
【００２２】
また、本発明のガスタービン燃焼器は、複数の燃料ノズルと、前記燃料ノズルに対応して空気プレートに設けた複数の空気孔とが同軸に配置されている多孔同軸噴流バーナを複数個備えて、燃料組成に水素を含むガス化燃料を燃焼するガスタービン燃焼器において、前記複数個配置した各多孔同軸噴流バーナは、該多孔同軸噴流バーナの中央部となる内周側に配設され、複数の同軸噴流バーナから構成される第１の同軸噴流バーナ部と、該多孔同軸噴流バーナの外周部となる前記第１の同軸噴流バーナ部の外周側に複数個配設され、それぞれ複数の同軸噴流バーナから構成される第２の同軸噴流バーナ部と、該多孔同軸噴流バーナの外周部となる前記第２の同軸噴流バーナ部の更に外周側に複数個配設され、それぞれ複数の同軸噴流バーナから構成される第３の同軸噴流バーナ部とを備え、前記第１の同軸噴流バーナ部を構成する同軸噴流バーナを形成する該空気プレートに設けた空気孔の直径は、前記第２の同軸噴流バーナ部を構成する同軸噴流バーナを形成する該空気プレートに設けた空気孔の直径よりも小径に形成し、前記第２の同軸噴流バーナ部を構成する同軸噴流バーナを形成する該空気プレートに設けた空気孔の直径は、前記第３の同軸噴流バーナ部を構成する同軸噴流バーナを形成する該空気プレートに設けた空気孔の直径よりも小径に形成し、各多孔同軸噴流バーナの内周側に配設された前記第１の同軸噴流バーナ部によってガスタービン燃焼器の保炎を担う燃焼を行ない、外周側に配設された前記第２の同軸噴流バーナ部及び前記第３の同軸噴流バーナ部によってガスタービン燃焼器の低ＮＯｘ燃焼を行なうようにしたことを特徴とする。
【００２３】
また、本発明のガスタービン燃焼器は、複数の燃料ノズルと、前記燃料ノズルに対応して空気プレートに設けた複数の空気孔とが同軸に配置されている多孔同軸噴流バーナを複数個備えて、燃料組成に水素を含むガス化燃料を燃焼するガスタービン燃焼器において、前記複数個配置した各多孔同軸噴流バーナは、該多孔同軸噴流バーナの中央部となる内周側からその外周部にかけてｉ列目に配設され、複数の同軸噴流バーナから構成されるｉ列目の同軸噴流バーナ部と、該多孔同軸噴流バーナの外周部となる前記ｉ列目の同軸噴流バーナ部の外周側に複数個配設され、それぞれ複数の同軸噴流バーナから構成される（ｉ＋１）列目の同軸噴流バーナ部とを備え、各多孔同軸噴流バーナの内周側に配設された前記ｉ列目の同軸噴流バーナ部によってガスタービン燃焼器の保炎を担う燃焼を行ない、外周側に配設された前記（ｉ＋１）列目の同軸噴流バーナ部によってガスタービン燃焼器の低ＮＯｘ燃焼を行なうようにし、前記各多孔同軸噴流バーナの中央部から外周部にかけて配設された前記ｉ列目の同軸噴流バーナ部の空気孔の直径をＤｉ、この空気孔の個数をＮｉとし、前記各多孔同軸噴流バーナの中央部から外周部にかけて配設された前記（ｉ＋１）列目の同軸噴流バーナ部の空気孔の直径を直径をＤｉ＋１、この空気孔の個数をＮｉ＋１とし、ｅを自然対数の底とし、ｉを自然数の１から４までの任意の数とした場合に、前記空気孔が式（１）に示す関係式が成り立つように構成されていることを特徴とする。
【００２４】
【数１】
2011144972.tif 000003
【００２５】
また、本発明のガスタービン燃焼器は、複数の燃料ノズルと、前記燃料ノズルに対応して空気プレートに設けた複数の空気孔とが同軸に配置されている多孔同軸噴流バーナを複数個備えて、燃料組成に水素を含むガス化燃料を燃焼するガスタービン燃焼器において、前記空気孔プレートの複数箇所の燃焼室側の面を燃焼室側に円錐状又は円錐台状に突出させた形状にそれぞれ形成し、前記複数個配置した各多孔同軸噴流バーナは、該多孔同軸噴流バーナの中央部となる円錐状又は円錐台状に突出させた頂部に近い前記空気プレートの内周側に配設され、複数の同軸噴流バーナから構成される第１の同軸噴流バーナ部と、該多孔同軸噴流バーナの外周部となる円錐状又は円錐台状に突出させた頂部から離間した前記第１の同軸噴流バーナ部の外周側に複数個配設され、それぞれ複数の同軸噴流バーナから構成される第２の同軸噴流バーナ部と、該多孔同軸噴流バーナの外周部となる前記第２の同軸噴流バーナ部の更に外周側に複数個配設され、それぞれ複数の同軸噴流バーナから構成される第３の同軸噴流バーナ部とを備え、前記第１の同軸噴流バーナ部を構成する同軸噴流バーナを形成する該空気プレートに設けた空気孔の直径は、前記第２の同軸噴流バーナ部を構成する同軸噴流バーナを形成する該空気プレートに設けた空気孔の直径よりも小径に形成され、前記第２の同軸噴流バーナ部を構成する同軸噴流バーナを形成する該空気プレートに設けた空気孔の直径は、前記第３の同軸噴流バーナ部を構成する同軸噴流バーナを形成する該空気プレートに設けた空気孔の直径よりも小径に形成されており、各多孔同軸噴流バーナの内周側に配設された前記第１の同軸噴流バーナ部によってガスタービン燃焼器の保炎を担う燃焼を行ない、外周側に配設された前記前記第２の同軸噴流バーナ部及び前記第３の同軸噴流バーナ部によってガスタービン燃焼器の低ＮＯｘ燃焼を行なうようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、燃料中に含まれる水素濃度が変動する燃料をガスタービン燃焼器に使用する場合に、広範な負荷範囲にわたって水素濃度の変動に起因する火炎位置の変動を抑制して信頼性の高い燃焼安定性を維持すると共に、低ＮＯｘ燃焼性能を維持し得るガスタービン燃焼器が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施例であるガスタービン燃焼器を備えた石炭ガス化複合発電プラントの概略構成図。
【図２】本発明の実施例のガスタービン燃焼器の構造を示す概略断面図。
【図３】本発明の実施例のガスタービン燃焼器に設置された複数個のメイン多孔同軸噴流バーナの空気プレートをバーナの側面から見た部分断面図。
【図４】図３に示した実施例のガスタービン燃焼器のメイン多孔同軸噴流バーナに形成した空気プレートの空気孔を示す部分図。
【図５】図３に示した実施例のガスタービン燃焼器のメイン多孔同軸噴流バーナに形成した空気孔を備えた空気プレートを燃焼室側から見た図。
【図６】本発明の実施例のガスタービン燃焼器に設置されたメイン多孔同軸噴流バーナを構成する燃料ノズルと空気孔とを流れる流体の空気孔近傍の流れの状況図。
【図７】図１に示した本発明の実施例の石炭ガス化複合発電プラントにおける燃料流量の変化をガスタービン運転回転数及びガスタービン負荷に対して示した特性図。
【図８】本発明の実施例であるガスタービン燃焼器のメイン多孔同軸噴流バーナを構成する燃料ノズルと空気孔から燃焼室に噴出する流体と、燃焼室内の燃焼ガスの流れを示す状況図。
【図９】本発明の実施例であるガスタービン燃焼器におけるメイン多孔同軸噴流バーナの安定な定常火炎を維持するための条件を示した特性図。
【図１０】本発明の実施例であるガスタービン燃焼器におけるメイン多孔同軸噴流バーナにおいて火炎接近を生じさせないための条件を示した特性図。
【図１１】本発明の実施例であるガスタービン燃焼器におけるメイン多孔同軸噴流バーナの内周燃料比率を変化させた際の混合気中の水素濃度の変化を比較例の場合と共に示した特性図。
【図１２】本発明の実施例であるガスタービン燃焼器のメイン多孔同軸噴流バーナにおける定格負荷における水素濃度の変化に対する燃料供給量の配分の変化の状況を比較例の場合と共に示した特性図。
【図１３】本発明の実施例であるガスタービン燃焼器におけるメイン多孔同軸噴流バーナの内周燃料比率を変化させた際のメインバーナ内周の燃焼ガス温度およびガスタービン燃焼器からの排出ＮＯｘの変化を比較例の場合と共に示した特性図。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明の実施例であるガスタービン燃焼器、ガスタービン燃焼器の燃料供給装置及びガスタービン燃焼器の燃料供給方法について図面を用いて以下に説明する。
【実施例】
【００２９】
本発明の実施例であるガスタービン燃焼器について、図１、図２、及び図１２を用いて説明する。
【００３０】
図１は本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器を有するガスタービンプラントを備えた石炭ガス化複合発電プラントの概略構成図である。
【００３１】
本発明のガスタービン燃焼器は以下にあげる石炭ガス化複合発電プラントの他、製鉄プラントから得られる副生ガスであるコークス炉ガス（ＣＯＧ：Coke Oven Gas）、高炉ガス（ＢＦＧ：Blast Furnace Gas）、転炉ガス（ＬＤＧ：Linzer Donawitz Gas）あるいはこれらの混合ガスを燃料として使用するガスタービンや、ナフサ分解プラントなどから得られる副生ガスを燃料とするガスタービンに適用しても良い。
【００３２】
図２は図１に記載した本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器の概略構造を示す断面図であり、図３乃至図５は図１及び図２に記載した本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器に設置された多孔同軸噴流バーナを構成する空気孔を形成した壁状部材の空気孔プレートをそれぞれ示した部分図である。
【００３３】
また、図６は図１、図２乃至図５に記載した本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器において、メイン多孔同軸噴流バーナを構成する単一の燃料ノズルと、この単一の燃料ノズルに対応して配置されており、前記メイン多孔同軸噴流バーナを構成する空気孔プレートに形成した単一の空気孔の近傍における流体の流れの様態を示す拡大図である。
【００３４】
前記した本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器を有するガスタービンプラントを備えた図１に示す二酸化炭素分離・回収装置付きの石炭ガス化複合発電（ＣＣＳ−ＩＧＣＣ）プラントでは、石炭をガス化して生成した燃料組成に水素を含む石炭ガス化燃料２２は、ガスタービンプラントに供給する。
【００３５】
この石炭ガス化複合発電プラントで生成した石炭ガス化燃料２２によって駆動されるガスタービンプラントは、圧縮機５によって外気を吸入して圧縮した圧縮空気１０を車室７を経由してガスタービン燃焼器９に燃焼用空気１２として供給し、このガスタービン燃焼器９に設置したメイン多孔同軸噴流バーナ５３から前記石炭ガス化燃料２２と共に燃焼室に噴射して燃焼させる。
【００３６】
そして前記ガスタービン燃焼器９で石炭ガス化燃料２２を燃焼させて発生させた高温高圧の燃焼ガス１３をタービン６に流入させて駆動し、タービン６の回転動力を電力として取り出す発電機５０１を備えている。
【００３７】
前記ガスタービン燃焼器９は、外周側に設置された燃焼器外筒２と、燃焼器外筒２の内部に設置された燃焼器ライナー３と、この燃焼器ライナー３の下流側に接続した燃焼器尾筒４とを備えた円筒構造であり、前記燃焼器ライナー３の内部には石炭ガス化燃料２２と燃焼用空気１２を燃焼させる円筒状の燃焼室１が形成されている。
【００３８】
円筒形状の燃焼器出口を有する燃焼器ライナー３とタービン６の入口となる静翼入口形状とは、両者の間を滑らかに連絡するための燃焼器尾筒４によって接続されている。
【００３９】
ガスタービン燃焼器９の燃焼室１内で石炭ガス化燃料２２の燃焼に用いられる燃焼用空気１２は、ガスタービン燃焼器９の燃焼器外筒２と燃焼器ライナー３との間の空間を通じて供給されるが、ガスタービン燃焼器９の頭部に設けた燃焼器エンドカバー８によってせき止められ、この燃焼用空気１２の一部がメイン多孔同軸噴流バーナ５３を構成する空気孔プレート５４に形成した複数の空気孔５５に供給される。
【００４０】
また、前記燃焼用空気１２の他の一部は、燃焼器ライナー３の壁面に開口した多数の燃焼用空気孔から冷却空気１１として燃焼室１内に流入し、前記ガスタービン燃焼器９の燃焼室１で発生した高温高圧の燃焼ガス１３の温度を冷却させる。
【００４１】
ガスタービン燃焼器９に供給される石炭ガス化燃料２２は、燃焼器エンドカバー８の外部からエンドカバー８内部に設けた燃料分配器５７の分配流路を通ってメイン多孔同軸噴流バーナ５３の各燃料ノズル５６にそれぞれ配分される。
【００４２】
本実施例に示すガスタービン燃焼器９を備えたガスタービンプラントは二酸化炭素回収付の石炭ガス化複合発電プラントに設置されており、石炭ガス化炉２０２が稼動して石炭ガス化燃料２２がガスタービンプラントに供給されるようになるまでの間の前記石炭ガス化複合発電プラントの起動を担うための起動用燃料１５を、外部から別途供給する燃料供給系統１２２ａを持っている。
【００４３】
このため石炭ガス化複合発電プラントに設置されたガスタービンプラントの本実施例であるガスタービン燃焼器９は、図１、図２、及び図３乃至図５に示すように、燃焼器軸心の中央に起動用燃料噴射ノズル５１を有するパイロットバーナ５０を備え、燃焼器軸心の外周側となる前記パイロットバーナ５０の周囲に多孔同軸噴流バーナ構造のメイン多孔同軸噴流バーナ５３を５個配置した構造を採用している。起動用燃料１５が比較的安価で豊富に供給できる場合には、安定した運転と簡素化した制御が可能なように、パイロットバーナ５０は起動用燃料１５専焼として外部から別途供給する起動用燃料１５により運用される拡散バーナとしてもよい。またパイロットバーナにも多孔同軸噴流バーナ構造を採用すればより低NOx燃焼が可能なガスタービン燃焼器が構成できる。
【００４４】
図１に示した石炭ガス化複合発電プラントでは、まず起動用燃料１５を燃料供給系統１２２ａを通じて本実施例のガスタービン燃焼器９のパイロットバーナ５０に供給して燃焼させてガスタービンプラントをある一定負荷まで起動しておき、石炭から石炭ガスを生成する石炭ガス化炉２０２と、石炭ガス化炉２０２で生成した石炭ガスを精製する石炭ガス化ガス精製装置２０３と、石炭ガス化炉２０２で生成した石炭ガスから二酸化炭素と水素を生成するシフト反応器２０６と、シフト反応器２０６で生成した二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収装置２０７の各装置の運転を開始することで、石炭ガス化炉２０２で生成した水素を含む石炭ガス化燃料２１が石炭ガス化燃料２２として燃料供給系統１２２ａを通じて本実施例のガスタービン燃焼器９に供給されるようになる。
【００４５】
石炭ガス化複合発電プラントにおける石炭のガス化は、まず酸素製造装置２０１によって精製した酸素１７と石炭１６を石炭ガス化炉２０２において一酸化炭素と水素を主成分とする精製前石炭ガス化ガス１８とし、ガス精製装置２０３において不純物などを除去して二酸化炭素回収前の石炭ガス化ガス１９を製造する。
【００４６】
製造された二酸化炭素回収前の石炭ガス化ガス１９の一部は流量調整弁２０５を介して水素濃度検出手段１０２ａが備えられた燃料系統２２ａを通じて、ガスタービン燃焼器９に至る下流側のガスタービン燃料供給系統１２２ｂ、１２３ａ、１２３ｂに石炭ガス化燃料２２として供給され、また、石炭ガス化ガス１９の一部は流量調整弁２０４を介してシフト反応器２０６に導かれ、残余のガスがガス処理炉２０９で燃焼処理される。
【００４７】
シフト反応器２０６では二酸化炭素回収前の石炭ガス化ガス１９に水蒸気２０を供給してシフト反応を起こさせ、組成中の一酸化炭素を二酸化炭素と水素に転換して二酸化炭素回収装置２０７に送り、水蒸気および二酸化炭素を回収して高水素濃度の石炭ガス化ガス２１を精製する。
【００４８】
この高水素濃度の石炭ガス化ガス２１も流量調整弁２０８を介して水素濃度検出手段１０２ｂが備えられた燃料系統２２ａを通じてガスタービン燃焼器９に至る下流側のガスタービン燃料供給系１２２ｂ、１２３ａ、１２３ｂに石炭ガス化燃料２２として供給され、残余のガスがガス処理炉２０９で燃焼処理される。
【００４９】
本実施例に示す石炭ガス化複合発電プラントでは、上記の二酸化炭素回収前の石炭ガス化ガス１９と高水素濃度の石炭ガス化ガス２１をガス化炉２０２およびシフト反応器２０６、二酸化炭素回収装置２０７の運転状況に応じて混合した燃料組成に水素を含む石炭ガス化燃料２２が前記ガスタービン燃焼器９に供給される。
【００５０】
石炭ガス化燃料２２が石炭ガス化複合発電プラントから供給されるようになると、起動用燃料１５は石炭ガス化燃料２２で置き換えられるため、前記ガスタービン燃焼器９には、燃料系統１２２ｂを通じて導かれ、その燃焼器軸心中央に起動用燃料１５を噴射する起動用燃料噴射ノズル５１と、起動用燃料の燃焼用空気を供給する空気孔５５とから構成されるパイロットバーナ５０が備えられている。
【００５１】
更に前記ガスタービン燃焼器９には、燃焼器軸心の外周側となる前記パイロットバーナ５０の外周側に、空気孔５５に対して同軸に配置された燃料ノズル５６を持つ多孔同軸噴流バーナ構造となるメイン多孔同軸噴流バーナ５３が複数個、図５に示す本実施例のガスタービン燃焼器９ではメイン多孔同軸噴流バーナ５３を５個配置した構造を採用している。
【００５２】
このため、石炭ガス化複合発電プラントの起動前に前記ガスタービン燃焼器９のパイロットバーナ５０にパイロット燃料として起動用燃料１５を供給する燃料供給系統１２２ａが配設され、この燃料供給系統１２２ａに起動用燃料１５の流量を調節する起動用燃料パイロットバーナ燃料遮断弁１０４ａ、起動用燃料パイロットバーナ燃料圧力調整弁１０５ａ、および起動用燃料パイロットバーナ燃料流量調整弁１０６ａがそれぞれ設置されている。
【００５３】
また、石炭ガス化複合発電プラントの起動後に、前記ガスタービン燃焼器９に設置されたパイロットバーナ５０にパイロット燃料として石炭ガス化燃料２２を供給する燃料供給系統１２２ｂが配設されており、この燃料供給系統１２２ｂに石炭ガス化燃料２２の流量を調節する石炭ガス化燃料パイロットバーナ燃料遮断弁１０４ｂ、石炭ガス化燃料パイロットバーナ燃料圧力調整弁１０５ｂ、および石炭ガス化燃料パイロットバーナ燃料流量調整弁１０６ｂがそれぞれ設置されている。
【００５４】
更に、前記ガスタービン燃焼器９に設置された複数個の各メイン多孔同軸噴流バーナ５３には、その内周側に設けられた第１の同軸噴流バーナ部５３ａに燃料として石炭ガス化燃料２２を供給する燃料供給系統１２３ａが配設され、この燃料供給系統１２３ａに、石炭ガス化燃料２２の流量を調節する内周側メイン燃料圧力調整弁１０７ａ及び内周側メイン燃料流量調整弁１０８ｂがそれぞれ設置されている。
【００５５】
また、前記ガスタービン燃焼器９に設置された複数個の各メイン多孔同軸噴流バーナ５３には、その外周側（第１の同軸噴流バーナ部５３ａの外周側）に設けられた第２の同軸噴流バーナ部５３ｂに燃料として石炭ガス化燃料２２を供給する燃料供給系統１２３ｂが配設され、この燃料供給系統１２３ｂに、石炭ガス化燃料２２の流量を調節する外周側メイン燃料圧力調整弁１０７ｂ及び外周側メイン燃料流量調整弁１０８ｂがそれぞれ設置されている。
【００５６】
ガスタービン燃焼器９のパイロットバーナ５０の外周側に複数個配設した前記メイン多孔同軸噴流バーナ５３に関しても前記したように多孔同軸噴流バーナ構造を採用している。
【００５７】
このメイン多孔同軸噴流バーナ５３を構成する多孔同軸噴流バーナは多数の燃料・空気の同軸噴流を形成するバーナであり、かつ燃料と空気の混合の度合いをメイン多孔同軸噴流バーナ５３を構成する空気ノズルの形状および燃料ノズルの形状で調整することができる。
【００５８】
また、各メイン多孔同軸噴流バーナ５３を構成するバーナ単体の保炎能力は、各メイン多孔同軸噴流バーナ５３の中心軸に面した内周側に設置した第１の同軸噴流バーナ部５３ａの同軸噴流の混合と噴出方向で調整することができるので、各メイン多孔同軸噴流バーナ５３の中の内周部分となる第１の同軸噴流バーナ部５３ａの同軸噴流に保炎の機能を担わせることができる。
【００５９】
また上記のように保炎の機能を強化するように各メイン多孔同軸噴流バーナ５３の内周側の第１の同軸噴流バーナ部５３ａによって燃料と空気の混合を調整することで、燃焼室１内にて可燃範囲の混合気が形成される位置を、各メイン多孔同軸噴流バーナ５３の構造物からガスタービン燃焼器９の燃焼室の下流方向に離れた位置に設計することが可能であり、内周側の同軸ノズルについては火炎接近に対する裕度を大きく取ることができる。
【００６０】
そこで本実施例のガスタービン燃焼器９においては、メインバーナを構成するメイン多孔同軸噴流バーナ５３において、内周側に設置した第１の同軸噴流バーナ部５３ａと、外周側に設置した第２の同軸噴流バーナ部５３ｂには独立に石炭ガス化燃料２２が供給されるように燃料系統を燃料供給系統１２３ａと燃料供給系統１２３ｂとに分割しており、燃料供給系統１２３ａと燃料供給系統１２３ｂに供給する燃料の配分と各燃料の流量が調整できるように構成している。
【００６１】
メイン多孔同軸噴流バーナ５３に供給される石炭ガス化燃料２２の一部は、燃料供給系統１２３ａにそれぞれ設置した内周側メイン燃料圧力調整弁１０７ａ、内周側メイン燃料流量調整弁１０８ａ及び燃料供給系統１２３ａを通じてガスタービン燃焼器９の燃焼器エンドカバー８の取り合い口に導かれる。
【００６２】
また、前記石炭ガス化燃料２２の他の一部は、燃料供給系統１２３ｂにそれぞれ設置した外周側メイン燃料圧力調整弁１０７ｂ、外周側メイン燃料流量調整弁１０８ｂ及び燃料供給系統１２３ｂを通じてガスタービン燃焼器９の燃焼器エンドカバー８の取り合い口に導かれる。
【００６３】
そして導かれた前記各石炭ガス化燃料２２は、エンドカバー８の内部の流路を通過し、燃料分配器５７の外周側空間からメイン多孔同軸噴流バーナ５３を構成する燃料ノズル５６を通って空気孔プレート５４に開口した空気孔５５に向かって噴出し、空気と同軸の噴流となって前記メイン多孔同軸噴流バーナ５３からガスタービン燃焼器９の燃焼室１に噴出して燃焼する。
【００６４】
上記したＣＣＳ−ＩＧＣＣプラントに備えられた本実施例のガスタービン燃焼器を有するガスタービンプラントを運転した際の燃料流量の変化をガスタービン回転数およびガスタービン負荷に対して整理したものを図７に示す。
【００６５】
前述したようにＣＣＳ−ＩＧＣＣプラントは、まず起動用燃料１５によりガスタービンをある一定負荷まで起動しておき、石炭ガス化炉２０２、石炭ガス化ガス精製装置２０３や、シフト反応器２０６、二酸化炭素回収装置２０７が運転を開始して、水素を含む石炭ガス化燃料２１が供給されるようになる。
【００６６】
次に、図１において、図示しない起動用モータによって着火回転数まで起動したガスタービンプラントのガスタービン燃焼器９には、まず起動用燃料１５が燃料供給系統１２２ａを通じて供給され、定格回転数無負荷運転状態（ＦＳＮＬ：Full Speed No Load）を経てある負荷までは起動用燃料１５により運用されるガスタービン燃焼器９のパイロットバーナ５０のみでガスタービンを運用する。
【００６７】
ガスタービンの出力がある一定負荷に達し、酸素製造装置２０１などの所内動力がまかなえるようになると、石炭ガス化炉２０２などの運転が開始され、ＣＣＳ−ＩＧＣＣプラントから石炭ガス化燃料２２の供給が開始されて起動用燃料１５から石炭ガス化燃料２２への燃料の切替が実施されてガスタービン燃焼器９に供給される。
【００６８】
石炭ガス化燃料２２はガスタービン燃焼器９に設置したパイロットバーナ５０と、メイン多孔同軸噴流バーナ５３に供給され、以降は定格負荷（ＦＳＦＬ：Full Speed Full Load）まで石炭ガス化燃料２２のみでガスタービン運用が実施される。
【００６９】
図７において、石炭ガス化燃料２２への燃料切替後の燃料流量が大きく増加しているのは、石炭ガス化燃料２２の重量当たり発熱量が起動用燃料１５に比較して小さく、タービン入口での燃焼ガス１３の温度を実現するためにはより多くの燃料を必要とするためである。
【００７０】
但し、ＣＣＳ−ＩＧＣＣプラントで石炭ガス化燃料２２の製造が開始されても、図１に図示しない排熱回収ボイラでの蒸気製造が十分でなければ二酸化炭素分離回収に必要とされる水蒸気量が確保できないので、石炭ガス化燃料２２は最初は水素濃度が低い二酸化炭素回収前の石炭ガス化ガス１９の比率が高く、水素濃度が低い条件で供給される。
【００７１】
このため前記ＣＣＳ−ＩＧＣＣプラントではガスタービン運転状態によってガスタービン燃焼器９に供給する石炭ガス化燃料２２中の水素濃度が大きく変化することになる。
【００７２】
【表１】
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【００７３】
表１は、図１に示した本発明の第１実施例の石炭ガス化複合発電プラントで使用される燃料組成の一例を示すものである。表１の燃料組成例は石炭ガス化複合発電プラント（ＣＣＳ−ＩＧＣＣプラント）における一例であり、プラント運転状態および使用する原料炭の炭種によって表１に示す組成は若干変化するが、表１からもわかる通りＣＣＳ−ＩＧＣＣプラントではプラント運転状態に応じて水素濃度が２５％程度から８０％を超えるまで大きく変化している。
【００７４】
次に図２および図６を用いて本実施例のガスタービン燃焼器９の概略構造について説明する。本実施例のガスタービン燃焼器９は、燃焼器外筒２の内部において、燃料と空気の混合気４２をその内部で燃焼させる燃焼器ライナー３と、燃焼器ライナー３の内部に形成された燃焼室１を備えている。
【００７５】
圧縮機５から供給された圧縮空気１０は、燃焼器外筒２と燃焼器ライナー３の間の空間を通じてガスタービン燃焼器９に流入し、圧縮空気１０の一部は燃焼器ライナー３を冷却する冷却空気１１となる。また、圧縮空気１０の残りは燃焼用空気１２として、燃焼器エンドカバー８と空気孔プレート５４の間の空間に入る。
【００７６】
一方、石炭ガス化燃料２２は燃焼器エンドカバー８の外部から燃料分配器５７に流入し、メイン多孔同軸噴流バーナ５３を構成する空気孔プレート５４の上流側に配置された複数の燃料ノズル５６から噴出される。
【００７７】
空気孔プレート５４には、複数の燃料ノズル５６に対応して空気孔プレート５４に設けられた複数の各バーナの中心軸に対して同軸となるように円周方向に複数の空気孔５５がそれぞれ配置されている。
【００７８】
前記各空気孔５５から噴出した燃料流・空気流は、燃焼室１で燃焼して火炎４５を形成する。その後、燃焼ガス１３は図２には図示しない燃焼器尾筒４を下流側に流れてタービン６に流入し、発電機５０１を駆動する。
【００７９】
図６は、ガスタービン燃焼器９に設置されたメイン多孔同軸噴流バーナ５３を構成する多数の同軸噴流バーナのうち、模式的に１つの同軸噴流バーナを構成する単一の燃料ノズル５６の先端部と、空気孔プレート５４の空気孔５５とを拡大して示した概略図である。
【００８０】
図６に示したメイン多孔同軸噴流バーナ５３を構成する１つの燃料ノズル５６と、１つの空気孔５５を形成した空気孔プレート５４は、燃料ノズル５６と燃焼室１との間に配置されている。また、空気孔プレート５４の上流側には、燃焼用空気１２が引き込まれ、燃料ノズル５６は空気孔プレート５４に形成した空気孔５５の上流側に空気孔５５と同軸上に配置されて、燃料ノズル５６から噴出した石炭ガス化燃料２２が空気孔５５の中心部に流入するように構成されている。
【００８１】
また、空気孔プレート５４の上流側から供給される燃焼用空気１２も、燃料ノズル５６の外周側から空気孔プレート５４の空気孔５５に流入する。この時、燃焼用空気１２は、空気孔プレート５４の上流側に形成された広い空間から、空気孔プレート５４に形成した狭い空間の空気孔５５に流入する。
【００８２】
そのため、空気孔５５の内部には、燃料流及び燃料流の外周側に形成された環状の空気流が、燃料ノズル５６の下流に生じる後流渦や空気孔入口での燃焼用空気１２の急収縮による剥離渦などの細かい乱れ構造を含んで流下する同軸噴流が形成されることになる。
【００８３】
空気孔プレート５４の空気孔５５を通過した燃料流及び空気流は、空気孔５５より広い空間の燃焼室１に一気に噴出し、空気孔５５の狭い空間で限定されていた渦が大きく拡大して崩壊するにつれて、燃焼室１において燃料流と空気流が急速に混合する。
【００８４】
このように、空気孔プレート５４に複数の燃料ノズル５６と同軸の複数の空気孔５５をそれぞれ配置し、空気孔５５の上流側に前記燃料ノズル５６を配置する構成にすると、燃焼室１に流入した燃料は急速に分散するため、燃料と空気の混合度が増加し、短距離で急速に混合できる。
【００８５】
上記構成のガスタービン燃焼器９のメイン多孔同軸噴流バーナ５３においては、同軸噴流バーナを構成する空気孔５５の内部において燃料流が中心部を流れ、燃料流の周囲を空気流が流れているため、燃料ノズル５６のごく近傍では可燃範囲の混合気が形成されない。また、空気孔５５の内部と燃焼室１に流入した直後の非常に狭い領域で混合が進行するため、空気孔プレート５４の近傍に火炎が接近しにくく、ガスタービン燃焼器９は信頼性が高い特徴を持つ。
【００８６】
次に本実施例のガスタービン燃焼器９に５個設置したメイン多孔同軸噴流バーナ５３の一つを抽出して、燃料流及び空気流の流れの状況を図８を用いて説明する。
【００８７】
図８において、本実施例のガスタービン燃焼器９に設置したメイン多孔同軸噴流バーナ５３の同軸噴流バーナを構成する上記燃料ノズル５６と空気孔５５との位置関係において、メイン多孔同軸噴流バーナ５３の内周側に設置した第１の同軸噴流バーナ部５３ａとなるバーナ最内周空気孔５５−１の中心軸はバーナ中心軸に対して空気孔を配置したピッチ円の円周方向に傾斜している。
【００８８】
従って、第１の同軸噴流バーナ部５３ａとなる最内周空気孔５５−１から噴出する内周燃料の燃料流４１−１及び空気流は、最内周空気孔５５−１の中心軸に沿って燃焼室１に噴射され、前述の機構により急速に混合されて混合気４２−１となる。
【００８９】
第１の同軸噴流バーナ部５３ａとなる最内周空気孔５５−１は円周方向に傾斜した旋回角を持っているため、最内周空気孔５５−１から噴射された混合気４２−１は、燃焼室１の内部で螺旋状に旋回しながら下流側へ流れる旋回流４６となり、燃焼室１内部で旋回半径を拡大しながら下流側に流出する。
【００９０】
このように拡大しながら流下する旋回流は、旋回の中心軸上に逆方向の圧力勾配を誘導するので、図８に示すように旋回流の中で火炎４５内の反応により生じた燃焼ガス４４の一部は循環ガス４３として、バーナ中心６０の近傍に生じる淀み領域４９に向けて循環し、最内周空気孔５５−１から流入する混合気４２−１に対して活性化エネルギを与えることで燃焼反応を維持する着火源として機能する。これにより燃焼室１内部に安定な円錐状の定常火炎４５が形成される。
また、上記の旋回を付与した最内周空気孔５５−１について空気孔５５−１の中心軸を空気孔入口で定義されるピッチ円直径６１−１の接線方向から中心軸側に傾けることで混合気４２−１が燃焼室１の中心側に傾斜して噴出するように内傾角ψ１を与えることも信頼性を確保する上で有効である。旋回角θ１に加えて内傾角ψ１を与えた第１の同軸噴流バーナ部５３ａとなる１列目（最内周）空気孔５５−１から噴出する燃料と空気の混合気４２−１は、旋回角θ１、内傾角ψ１およびピッチ円直径６１−１で定まる特定の位置までは互いに接近しながら螺旋状に旋回し燃焼室１の軸方向に進むにつれて縮小するので、旋回半径を拡大しながら流下するようになる位置がより空気孔プレート５４から下流側になり、構造物と火炎との距離が拡大するので信頼性が高くなる。
【００９１】
一方、メイン多孔同軸噴流バーナ５３の外周側には前記第１の同軸噴流バーナ部５３ａの外周側に設置した第２の同軸噴流バーナ部５３ｂとなる、１列の外周側空気孔５５−２が配置されている。この外周側空気孔５５−２は空気孔中心軸がバーナ中心軸と平行になっている。従って、第２の同軸噴流バーナ部５３ｂとなる外周側空気孔５５−２から噴出する外周燃料の燃料流４１−２及び空気流はバーナ中心軸に平行に燃焼室１に噴射され、前述の機構により急速に混合されて混合気４２−２となり、燃焼室内を直進して円錐状に広がる火炎４５に合流する。
【００９２】
この合流する位置において第１の同軸噴流バーナ部５３ａとなる最内周空気孔５５−１から噴出した混合気４２−１の燃焼によって生じた燃焼ガス４４から活性化エネルギを付与されて燃焼反応を開始し、混合気４２−２内部に火炎４５が伝播する。
【００９３】
このように第２の同軸噴流バーナ部５３ｂとなる外周側空気孔５５−２からの混合気４２−２は最内周空気孔５５−１からの混合気４２−１の燃焼反応により生じる燃焼ガス４４を着火源としているため、燃焼反応の開始位置が空気孔プレート５４から下流側になり、より混合の進んだ状態で燃焼するので、より均一で低ＮＯｘ燃焼が可能となる。
本実施例では外周側空気孔は１列のみの構成としているが、より燃焼量が大きいガスタービンに適用する場合には上記空気孔のさらに外側に第３、第４の空気孔列を構成することが低NOx燃焼を行なううえで有効である。また外周側空気孔５５−２に旋回角θ２を与えることで、旋回流によって誘導する逆圧力勾配を強化することができ、バーナ全体の火炎保持能力を高めることができる。その上で更に内傾角ψ２を与えることで、前述の最内周空気孔５５−１の場合と同様に、信頼性が高く燃焼安定性の良い燃焼器が得られる。
【００９４】
本実施例のガスタービン燃焼器９におけるメイン多孔同軸噴流バーナ５３及びパイロットバーナ５０を構成する空気孔プレート５４を図３乃至図５に示す。
【００９５】
図５は空気孔プレート５４を燃焼室１側から見た図、図３は図５に示した空気孔プレート５４の破線で囲んだメイン多孔同軸噴流バーナ５３の一つを、燃焼ノズル側プレート面に対して垂直方向に切断した断面図、図４は図５に示した空気孔プレート５４のうち破線で囲んだメイン多孔同軸噴流バーナ５３の一つに注目して抜き出した図を示す。
【００９６】
また図５には、燃料ノズル側の空気孔プレート５４の下流外側に位置する燃焼器ライナー３の位置を破線で示す。
【００９７】
図３乃至図５において、空気孔プレート５４の中心部の破線で囲った部分には前述のパイロットバーナ５０に対応する複数の空気孔５５が環状に設けられている。
【００９８】
また、パイロットバーナ５０の空気孔５５には、空気孔５５から噴出する燃料と空気の混合気が燃焼室１側から見て反時計回りに旋回するように旋回角が付与されている。空気孔５５に与える旋回角θは、空気孔５５の中心軸がパイロットバーナ５０の中心軸となす角度として定義される。
【００９９】
また、本実施例のガスタービン燃焼器９には、パイロットバーナ５０の外周に５個のメイン多孔同軸噴流バーナ５３が設けられている。前記各メイン多孔同軸噴流バーナ５３を構成する複数の燃料ノズル５６に対応する位置となる空気孔プレート５４には、内周側の複数の空気孔５５−１と、外周側の複数の空気孔５５−２とが環状にそれぞれ設けられている。
【０１００】
空気孔プレート５４のうち、破線で囲んだメイン多孔同軸噴流バーナ５３の一つに注目すると、メイン多孔同軸噴流バーナ５３の空気孔５５は、同一のピッチ円を持つ第１の同軸噴流バーナ部５３ａを構成する空気孔５５−１と、第２の同軸噴流バーナ部５３ｂを構成する空気孔５５−２との２列の空気孔群からなっている。
【０１０１】
図３及び図４に示すように、空気孔プレート５４に形成した空気孔５５のうち、メイン多孔同軸噴流バーナ５３の内周側に設置する前記第１の同軸噴流バーナ部５３ａを構成する１列目（最内周）には、ピッチ円直径６１−１の円周上に空気孔直径６２−１の円形断面を持つ１列目（最内周）空気孔５５−１が５つ配置されている。
【０１０２】
この第１の同軸噴流バーナ部５３ａを構成する１列目（最内周）空気孔５５−１には前述の図８に示したように、空気孔から噴出する燃料と空気との混合気４２−１が燃焼室１側から見て反時計回りに旋回するように旋回角θが付与されている。
【０１０３】
このため旋回を付与した最内周空気孔５５−１は空気孔５５−１の中心軸が空気孔プレート５４の法線に対して傾斜しているため、円形の断面を持つが楕円形状に見える。
また、前述のように最内周空気孔５５−１について空気孔５５−１の中心軸を空気孔入口で定義されるピッチ円直径６１−１の接線方向から中心軸側に傾けることで混合気４２−１が燃焼室１の中心側に傾斜して噴出するように内傾角ψ１を与えることも信頼性を確保する上で有効である。
【０１０４】
第１の同軸噴流バーナ部５３ａを構成する１列目（最内周）空気孔５５−１の外周には、メイン多孔同軸噴流バーナ５３の外周側に設置する第２の同軸噴流バーナ部５３ｂを構成する、ピッチ円直径６１−２の円周上に空気孔直径６２−２の円形断面を持つ２列目（外周側）空気孔５５−２が１０個配置されている。
また、前述のようにより燃焼量が大きいガスタービンに適用する場合には上記空気孔のさらに外側に第３、第４の空気孔列を構成することが低NOx燃焼を行なううえで有効である。
【０１０５】
前記第２の同軸噴流バーナ部５３ｂを構成する２列目（外周側）空気孔５５−２については前述のとおり旋回は付与しておらず、バーナ中心軸と平行な空気孔となっている。燃料中の水素濃度変動範囲が大きい場合などには、前述のように外周側空気孔５５−２にも旋回角θ２を与えることで、旋回流によって誘導する逆圧力勾配を強化することができ、バーナ全体の火炎保持能力を高めることができる。その上で更に内傾角ψ２を与えることで、前述の最内周空気孔５５−１の場合と同様に、信頼性が高く燃焼安定性の良い燃焼器が得られる。
【０１０６】
なお、本実施例のガスタービン燃焼器９に示す空気孔プレート５４に形成した空気孔５５は円形断面を持つ空気孔のみであるが、前述の空気孔は、円形以外の形状（例えば矩形スロット）でも成立する。
【０１０７】
また、本実施例のガスタービン燃焼器９に示す空気孔プレート５４は平板状の構造を用いたが、空気孔プレート５４の燃焼室に面した側の面を円錐または円錐台状に窪んだ凹形状とすることで、更に信頼性の高い構造とすることができる。空気孔プレート５４出口面が凹形状に傾斜していることにより、１列目の空気孔５５−１及び２列目の空気孔５５−２から噴出する流体と構造物の表面のなす角が急峻になり、構造物表面の法線方向に大きな自由空間が取れないので、空気孔周囲、特に外周側に生じる後流渦は非常に小さくなる。空気孔周囲、特に外周側に生じる後流渦に存在する低流速領域に可燃範囲の混合気が侵入することが構造物に対して火炎が接近する要因となるため、空気孔プレート５４出口面を円錐ないし円錐台状に窪んだ形状としても良い。
逆に空気孔プレート５４の燃焼室に面した側の面を円錐または円錐台状に突出した凸形状とすることでも、更に信頼性の高い構造とすることができる。円錐台状に窪んだ凹形状と同様に、空気孔プレート５４の出口面が傾斜していることにより、空気孔５５から噴出する流体と構造物の表面のなす角が急峻になり、構造物表面の法線方向に大きな自由空間が取れないので、空気孔周囲に生じる後流渦は非常に小さくなる。その上に、空気孔プレート５４の出口面が燃焼室１側に突出した形状を持つ場合には、空気孔プレート５４上をメイン多孔同軸噴流バーナ５３の中央部に向かって周囲空気の巻き込み流れが流れ、空気孔周囲の流体をメイン多孔同軸噴流バーナ５３の中央部に向けて押し流すので、空気孔近傍に低流速の領域がほとんどなく可燃範囲の混合気が滞留することがないので、火炎が接近することを防止する効果が円錐台状に窪んだ凹形状に比較しても更に大きい。更に空気孔プレート５４の表面は上記の巻き込み流れで覆われるため、局所的な過熱を避けることができ信頼性の高いメイン多孔同軸噴流バーナ５３の構造が得られる。
【０１０８】
本実施例のガスタービン燃焼器９は複数のメイン多孔同軸噴流バーナ５３を構成する各同軸噴流バーナにおいては、内周側に設置した第１の同軸噴流バーナ部５３ａの空気孔５５−１の径を、外周側に設置した第２の同軸噴流バーナ部５３ｂの空気孔５５−２の径よりも小さくなるような空気孔の構成を備えている。
【０１０９】
すなわち、メイン多孔同軸噴流バーナ５３の第１の同軸噴流バーナ部５３ａとなる最内周空気孔５５−１の直径６２−１は、第２の同軸噴流バーナ部５３ｂとなる外周側空気孔５５−２の直径６２−２よりも小さい。
【０１１０】
本実施例のガスタービン燃焼器による作用および効果を最大に発揮するには、メイン多孔同軸噴流バーナ５３の内周側に設置する第１の同軸噴流バーナ部５３ａを構成する最内周空気孔５５−１の直径６２−１が、メイン多孔同軸噴流バーナ５３の外周側に設置する第２の同軸噴流バーナ部５３ｂを構成する外周側空気孔５５−２の直径６２−２に対して、式（２）によって表される値の近傍の比率であることが望ましい。
【０１１１】
すなわち、最内周空気孔５５−１の直径６２−１をＤ１、個数をＮ１とし、外周側空気孔５５−２の直径６２−２をＤ２、個数をＮ２とすれば、
【０１１２】
【数２】
2011144972.tif 000005
【０１１３】
但し、πは円周率（３．１４１５９２：）、ｅは自然対数の底（２．７１８２８：）である。
【０１１４】
最内周空気孔５５−１の直径６２−１が外周側空気孔５５−２の直径６２−２に対して式（２）の比率であれば、最内周空気孔５５−１に対応する同軸に配設された燃料ノズル５６−１に供給する燃料流量の変化が燃焼安定性および火炎接近の防止に及ぼす効果を極大にしつつ、最内周空気孔５５−１に対応する燃料ノズル５６−１に供給する燃料流量の変化がバーナ全体から排出されるＮＯｘに対する影響を極小に抑制することができる。
【０１１５】
ただし、空気孔の直径の比Ｄ１／Ｄ２は式（２）に厳密に一致する必要はなく加工上の利便などで多少の前後があっても制御定数の変更でほぼ同等の効果が実現できる。
また前述のように、より燃焼量が大きいガスタービンに適用する場合には、上記外周側空気孔のさらに外側に第３、第４の空気孔列を構成することが低NOx燃焼を行なううえで有効である。外周側空気孔を複数列設置した場合には、第１の同軸噴流バーナ部５３ａとなる１列目（最内周側）空気孔５５−１の直径６２−１を、第２の同軸噴流バーナ部５３ｂとなる２列目（外周側）空気孔５５−２の直径６２−２よりも小さく形成し、更に、第２の同軸噴流バーナ部５３ｂとなる２列目（外周側）空気孔５５−２の直径６２−２を、第３の同軸噴流バーナ部５３ｃとなる３列目（最外周側）空気孔５５−３の直径６２−３よりも小さく形成することによって、２列目（外周側）空気孔５５−２からの混合気４２−２は３列目（最外周側）空気孔５５−３からの混合気４２−３よりも水素濃度が高く燃焼速度が速い条件が実現できる。
上記した構造によって、メイン多孔同軸噴流バーナ５３を構成する最内周空気孔５５−１からの混合気４２−１の燃焼によって生じる燃焼ガス４４を着火源として、外周側の混合気４２−２および最外周側の混合気４２−３に火炎を伝播させる際に、着火源になる１列目空気孔からの混合気４２−１の燃焼ガス４４に近い混合気４２−２内の火炎伝播速度をより速く取ることが可能になり、燃焼反応の伝播が確実に行われるので火炎の安定性が向上する。
また、構造配置上、本実施例のガスタービン燃焼器９に設けたメイン多孔同軸噴流バーナ５３を構成する最外周側空気孔５５−３は最も多くの空気孔が配列できるので、最外周側の空気孔径６２−３を最も大きくすることで燃料希薄条件で燃焼する燃料の分率を最も高く取ることができ、低ＮＯｘ燃焼の実現にも効果が高い。
【０１１６】
上記した作用効果を実現する本実施例のガスタービン燃焼器９に設けたメイン多孔同軸噴流バーナ５３の前記外周側空気孔の直径比は次に示す式（３）で規定される比の近傍の値を取ることが望ましい。
【０１１７】
すなわち、最内周側から最外周側にかけてのｉ列目の空気孔５５−ｉの直径６２−ｉをＤｉ、個数をＮｉ、その外周側（ｉ＋１）列目の空気孔５５−（ｉ＋１）の直径６２−（ｉ＋１）をＤ（ｉ＋１）、個数をＮｉ＋１とすれば、
【０１１８】
【数３】
2011144972.tif 000006
【０１１９】
但し、πは円周率（３．１４１５９２：）、ｅは自然対数の底（２．７１８２８：）、ｉは１から４までの任意の自然数である。
【０１２０】
外周側（ｉ＋１）列目の空気孔５５−ｉ＋１の直径６２−（ｉ＋１）が、その内周にあるｉ列目の空気孔５５−ｉの直径６２−ｉよりも大きいとき、空気孔５５−（ｉ＋１）から噴出する混合気はｉ列目の空気孔５５−ｉから噴出する混合気より当量比が低く、より遅い燃焼速度を持つため、より下流側で燃焼反応が進行するようになり、水素濃度が上昇した際に空気孔プレート５４に対して火炎が接近する危険がより低くなる。
【０１２１】
但し、外周側（ｉ＋１）列目の空気孔５５−（ｉ＋１）の直径６２−（ｉ＋１）が過度にｉ列目の空気孔５５−ｉの直径６２−ｉよりも大きいと、ｉ列目の空気孔５５−ｉからの混合気が燃焼して生じる燃焼ガスと空気孔５５−（ｉ＋１）から噴出する混合気の混合平均温度が低下し、かつ空気孔５５−（ｉ＋１）から噴出する混合気の水素濃度が低くなるため火炎伝播が円滑に行われなくなる恐れがある。
【０１２２】
外周側空気孔の直径比が式（３）の値近傍であれば、ｉ列目の空気孔５５−ｉからの混合気が燃焼して生じる燃焼ガスと空気孔５５−（ｉ＋１）から噴出する混合気の混合平均温度を過度に低下させることなく、外周側に進むにつれてより燃焼速度が遅くなるような火炎形態が実現でき、円滑な火炎伝播を確保しながら上流側への火炎接近を防止できる。
【０１２３】
但し、空気孔の比は式（３）に厳密に一致する必要はなく加工上の利便などで多少の前後があってもほぼ同等の効果が実現できる。
【０１２４】
本実施例のガスタービン燃焼器を採用することによる作用および効果について図９から図１３を用いて説明する。
【０１２５】
図９はガスタービン燃焼器に設置したメインバーナの一つについて安定な火炎を維持するための条件を整理した図である。前述したように本実施例のガスタービン燃焼器９に関わる多孔同軸噴流バーナ５３の第１の同軸噴流バーナ部５３ａを構成する最内周空気孔５５−１は円周方向に傾斜した旋回角を持っているため、図８に示すように最内周空気孔５５−１から噴射された混合気４２−１は、燃焼室１の内部で螺旋状に旋回しながら下流側へ流れる旋回流４６となり、燃焼室１内部で旋回半径を拡大しながら下流側に流出する。
【０１２６】
このように拡大しながら流下する旋回流４６は、旋回の中心軸上に逆方向の圧力勾配を誘導するので、旋回流の中で火炎４５内の反応により生じた燃焼ガス４４の一部は循環ガス４３として、空気孔プレート５４のバーナ中心６０近傍に生じる淀み領域４９に向けて循環し、最内周空気孔５５−１から流入する混合気４２−１に対して活性化エネルギを与えることで燃焼反応を維持する着火源として機能する。これによって燃焼室１内部に安定な円錐状の定常火炎４５が形成される。
【０１２７】
従ってメイン多孔同軸噴流バーナ５３に備えたメイン多孔同軸噴流バーナ５３において安定な定常火炎を維持するには、循環ガス４３が最内周空気孔５５−１から流入する混合気４２−１に対して与える活性化エネルギによって混合気４２−１が安定に燃焼反応を開始できるかどうかに依存し、そのためには循環ガス４３と混合気４２−１を混合した際の混合平均温度Ｔｍｉｘに対して、混合気４２−１中の水素濃度を着火が起きる水準に確保することが必要である。
【０１２８】
この条件が満足される範囲は図９に網掛けを施して示す安定燃焼維持範囲に相当する。前述のように本実施例のガスタービン燃焼器９を備えたＣＣＳ−ＩＧＣＣプラントでは石炭ガス化燃料２２中の水素濃度が大きく変化するため、二酸化炭素回収率が低い水素濃度の低い条件では、前記第１の同軸噴流バーナ部５３ａの燃料ノズル５６から、より多くのメインバーナ内周燃料４１−１を噴出することが必要となり、逆に二酸化炭素回収率が高い水素濃度の高い条件ではこの内周燃料４１−１は低減できる。
【０１２９】
一方、図１０にメイン多孔同軸噴流バーナ５３において火炎接近を生じさせないための条件を整理して示す。図８に示すように外周側空気孔５５−２から噴出する混合気４２−２は燃焼室１内を直進して円錐状に広がる火炎４５に合流する。
【０１３０】
この合流する位置において内周空気孔５５−１から噴出した混合気４２−１の燃焼により生じた燃焼ガス４４から活性化エネルギを付与されて燃焼反応を開始し、混合気４２−２内部に火炎４５が伝播する。
【０１３１】
この時、内周側混合気４２−１の燃焼により生成した燃焼ガス４４と外周側空気孔５５−２からの混合気４２−２の混合平均温度ＴｍｉｘＯｕｔに対して、混合気４２−２中の水素濃度がある濃度を超えると混合気中を伝播する火炎の燃焼速度が混合気の流速に対して過大になり火炎が上流側の空気孔プレート５４に対して接近する危険が生じる。このような条件となる範囲を図１０に火炎接近範囲として網掛けして示す。
【０１３２】
本実施例のガスタービン燃焼器９において、メイン多孔同軸噴流バーナ５３を広範な負荷範囲において水素濃度の変動に対処して燃焼安定性を維持し、信頼性の高い燃焼を行ないつつ低ＮＯｘ燃焼を実現するには、メイン多孔同軸噴流バーナ５３を構成する前記第１の同軸噴流バーナ部５３ａから燃焼室１に噴出する内周の混合気４２−１について図９に示す安定燃焼維持範囲の水素濃度を確保しながら、メイン多孔同軸噴流バーナ５３を構成する前記第２の同軸噴流バーナ部５３ｂから燃焼室１に噴出する外周の混合気４２−２について図１０に示す火炎接近範囲の水素濃度に達しないよう制限し、かつ可能な限りメイン多孔同軸噴流バーナ５３の外周側での燃焼量を多く取ることが必要になる。
【０１３３】
図１１に、ある組成の石炭ガス化燃料２２に対して、ガスタービン燃焼器のメインバーナ内周燃料比率を横軸に取り、縦軸に混合気中の水素濃度を取って、本発明の実施例であるガスタービン燃焼器９のメイン多孔同軸噴流バーナ５３による作用効果を示す。
【０１３４】
メインバーナ内周燃料比率はメイン多孔同軸噴流バーナ５３の第１の同軸噴流バーナ部５３ａとなる最内周（１列目）の空気孔群に対応する燃料ノズル５６に供給する燃料流量をメイン多孔同軸噴流バーナ５３全体に供給する燃料流量で割った比率である。
【０１３５】
これに対して図１１に示したように、比較例のガスタービン燃焼器の技術に基づく均一な空気孔径を持つ多孔同軸噴流バーナでは、メインバーナ内周燃料比率の増加に対して内周混合気４２−１の水素濃度は一定の割合で増加し、外周混合気４２−２の水素濃度は内周に比較して少ない割合で減少する。
【０１３６】
本発明の実施例と比較例とで水素濃度の増加及び減少の傾きが異なる理由は、１列に配置されている空気孔の個数が内周側よりも外周側のほうが多いことによる。
【０１３７】
本発明の実施例であるガスタービン燃焼器におけるメイン多孔同軸噴流バーナ５３を構成する空気孔プレート５４では、第１の同軸噴流バーナ部５３ａを構成する内周側空気孔５５−１の内周側空気孔直径６２−１を、第２の同軸噴流バーナ部５３ｂを構成する外周側空気孔５５−２の外周側空気孔直径６２−２よりも小さく形成した場合に、内周側空気孔５５−１から噴出する内周側混合気４２−１の水素濃度はメインバーナ内周燃料比率の増加に対して比較例の技術よりも大きな割合で増加し、また全体的に高い濃度側に移行する。
【０１３８】
また本発明の実施例であるガスタービン燃焼器におけるメイン多孔同軸噴流バーナ５３の第２の同軸噴流バーナ部５３ｂを構成する外周側空気孔５５−２から噴出する外周側混合気４２−２の水素濃度はメインバーナ内周燃料比率の増加に対して比較例の技術よりも少ない割合で減少し、また全体的に低い濃度側に移行する。これは最内周空気孔５５−１の直径６２−１を外周側空気孔５５−２の直径６２−２よりも小さくしたことで最内周空気孔５５−１に流入する燃焼用空気１２の流量が低下したことによる。
【０１３９】
すなわち、メイン多孔同軸噴流バーナ５３の内周側混合気中の空気の分率が低下し、相対的に水素濃度が増加すること、およびメイン多孔同軸噴流バーナ５３の外周側では空気の分率が増加して相対的に水素濃度が低下することによるものである。
【０１４０】
さらにメイン多孔同軸噴流バーナ５３の内周側に流入する燃焼用空気１２の流量が減少することで、循環ガス４３と内周側混合気４２−１を混合した際の混合平均温度Ｔｍｉｘは高くなり、上述の水素濃度の上昇と合わせると、本実施例のガスタービン燃焼器９におけるメイン多孔同軸噴流バーナ５３の内周側混合気４２−１の状態は図９上で右上側に移行することになる。
【０１４１】
またメイン多孔同軸噴流バーナ５３の外周側についても内周側混合気４２−１の流量が減少し外周側混合気４２−２の流量が増加するため、内周側混合気４２−１の燃焼により生成した燃焼ガス４４と外周側空気孔５５−２からの混合気４２−２の混合平均温度ＴｍｉｘＯｕｔは熱源となる燃焼ガス４４が減少し燃焼前の温度の低い混合気が増加しているので低下することになる。
【０１４２】
従って、上述の外周側混合気４２−２の水素濃度低下と合わせると、本発明の実施例であるガスタービン燃焼器におけるメイン多孔同軸噴流バーナ５３の外周側混合気４２−２の状態は図１０に示した領域で左下側に移行することになる。
【０１４３】
以上より本発明の実施例であるガスタービン燃焼器９に前記したメイン多孔同軸噴流バーナ５３の構造を採用すれば、より少ないメインバーナ内周燃料比率で安定燃焼が維持でき、かつ、メイン多孔同軸噴流バーナ５３の外周混合気４２−２中の水素濃度が低く抑制でき、メイン多孔同軸噴流バーナ５３の内周側混合気４２−１の燃焼により生成した燃焼ガス４４と外周側空気孔５５−２からの混合気４２−２の混合平均温度ＴｍｉｘＯｕｔも低くなるので火炎接近に対する裕度が拡大し、広い範囲で燃焼安定性を維持して信頼性の高い燃焼が行ない得ると共に、低ＮＯｘ燃焼を実現することが可能となる。
【０１４４】
図１２に定格負荷（ＦＳＦＬ）条件において水素濃度の変化に対して燃焼安定性を維持し、信頼性の高い燃焼を行なうために必要な本発明の実施例であるガスタービン燃焼器９におけるメインバーナ内周燃料比率の変化を、比較例の技術における均一な空気孔直径を持つ多孔同軸噴流バーナと比較して示す。
【０１４５】
ガスタービン燃焼器９に設けたメイン多孔同軸噴流バーナ５３の最内周には図４及び図５に示したように空気孔５５−１が５個しか配置されていないため、メインバーナ内周燃料比率を増加すると内周側では急激に当量比が量論混合比に近くなるように増加して局所的な火炎温度が上昇する。よって、メインバーナ内周燃料比率を増加した場合にはメインバーナ全体から排出されるＮＯｘは増加する。
【０１４６】
比較例のガスタービン燃焼器の技術に基づく均一な空気孔直径を持つ多孔同軸噴流バーナの場合には、燃料中の水素濃度の増加に従って、安定燃焼維持のために必要な内周側混合気の水素濃度確保に必要な内周燃料流量が減少し、メインバーナ内周燃料比率が減少する。
【０１４７】
これに対して本発明の実施例であるガスタービン燃焼器９におけるメイン多孔同軸噴流バーナ５３に採用した構造によれば、第１の同軸噴流バーナ部５３ａとなる最内周の空気孔５５−１の直径を、第２の同軸噴流バーナ部５３ｂとなる外周側の空気孔５５−２よりも小さい直径となるように形成したので、図１２に示したように、より少ないメインバーナ内周燃料比率によって安定燃焼が維持でき、高温で燃焼する比率が小さくなっているため、全体的に内周バーナ燃料比率が低い運用条件に移行するので、低ＮＯｘ燃焼も実現できる。
【０１４８】
一方、水素濃度が高い濃度では前述の図１０で説明したメインバーナの外周側での火炎接近の危険が生じてくる。このため、火炎接近の危険を回避する必要からメインバーナの外周側の混合気の水素濃度を抑制しなければならず、メインバーナの外周側に供給する燃料を削減して再びメインバーナ内周燃料比率を増加させる必要が生じる。
【０１４９】
本実施例であるガスタービン燃焼器９に前記した構造のメイン多孔同軸噴流バーナ５３に採用した構造によれば、メイン多孔同軸噴流バーナ５３の第２の同軸噴流バーナ部５３ｂとなる外周側空気孔５５−２から噴出する外周混合気４２−２中の水素濃度を低く抑制でき、メイン多孔同軸噴流バーナ５３の第１の同軸噴流バーナ部５３ａとなる内周側空気孔５５−１から噴出する内周側混合気４２−１の燃焼によって生成した燃焼ガス４４と外周側空気孔５５−２からの混合気４２−２の混合平均温度ＴｍｉｘＯｕｔも低くなるので火炎接近に対する裕度が拡大している。
【０１５０】
また、燃料中の水素濃度の増加に従ってメインバーナ内周燃料比率を削減できる運転範囲もより高い水素濃度まで広がっている。
【０１５１】
さらにメインバーナの外周側での火炎接近の危険を回避するために、再びメインバーナ内周燃料比率を増加させる必要が生じた後も、本実施例であるガスタービン燃焼器９のメイン多孔同軸噴流バーナ５３では上述のように外周混合気４２−２中の水素濃度が低く抑制でき、内周側混合気４２−１の燃焼によって生成した燃焼ガス４４と外周側空気孔５５−２からの混合気４２−２の混合平均温度ＴｍｉｘＯｕｔも低くなっているので、比較例の技術よりも低い内周燃料比率に抑制することができ、より広い範囲で燃焼安定性を維持し、信頼性の高い燃焼を行ないながら低ＮＯｘ燃焼が実現できる。
【０１５２】
次に図１３を用いて本発明の実施例であるガスタービン燃焼器９による低ＮＯｘ燃焼の作用効果について説明する。
【０１５３】
図１３は、ある組成の石炭ガス化燃料２２に対して、ガスタービン燃焼器もメインバーナ内周燃料比率を変化させた際における本実施例の前記メイン多孔同軸噴流バーナ５３を構成する第１の同軸噴流バーナ部５３ａとなる内周側空気孔５５−１から噴出する内周混合気４２−１の燃焼ガス温度と、ガスタービン燃焼器９から排出されるＮＯｘの排出量との変化を、比較例の技術の均一な空気孔直径を持つ多孔同軸噴流バーナと比較して示したものである。
【０１５４】
前述したように本発明の実施例であるガスタービン燃焼器９の多孔同軸噴流バーナ５３に採用した構造によれば、より少ないメインバーナ内周燃料比率で内周側混合気４２−１の水素濃度が高くなるため、より少ないメインバーナ内周燃料比率によって高温の内周混合気４２−１の燃焼ガス温度が得られている。広く知られているようにＮＯｘ排出量は局所高温部分の領域大きさに強く依存して増加する。
【０１５５】
よって本発明の実施例であるガスタービン燃焼器９の多孔同軸噴流バーナ５３によれば、より少ないメインバーナ内周燃料比率で安定な燃焼が維持できる上、比較例の技術と比べて同等の高温火炎を形成しても高温で燃焼する燃料の分率が低く抑制できるので、最終的にガスタービン燃焼器９から排出されるＮＯｘ排出量を低下させることができる。
【０１５６】
以上に述べたように本実施例であるガスタービン燃焼器９の多孔同軸噴流バーナ５３の構造を採用すれば、より少ないメインバーナ内周燃料比率で安定燃焼が維持でき、かつその際の外周混合気４２−２中の水素濃度が低く抑制でき、内周側混合気４２−１の燃焼により生成した燃焼ガス４４と外周側空気孔５５−２からの混合気４２−２の混合平均温度ＴｍｉｘＯｕｔも低くなるので火炎接近に対する裕度が拡大し、より広い範囲で燃焼安定性を維持し、信頼性の高い燃焼を行ないつつ低ＮＯｘ燃焼を実現することができる。
【０１５７】
また、既存のガスタービン燃焼器が比較例の多孔同軸噴流バーナを採用したガスタービン燃焼器である場合に、空気孔プレート５４を本実施例であるガスタービン燃焼器のメイン多孔同軸噴流バーナ５３を構成する空気孔５５を形成した空気孔プレート５４に交換することで、広い範囲で燃焼安定性を維持して信頼性の高い燃焼を行なうと共に、低ＮＯｘ燃焼を実現することができるガスタービン燃焼器に改造することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【０１５８】
本発明は燃料中に含まれる水素濃度が変動する燃料を使用するガスタービン燃焼器に適用することが可能である。
【符号の説明】
【０１５９】
１：燃焼室、２：燃焼器外筒、３：燃焼器ライナー、４：燃焼器尾筒、５：圧縮機、６：タービン、７：車室、８：燃焼器エンドカバー、９：ガスタービン燃焼器、１０：圧縮空気、１１：冷却空気、１２：燃焼用空気、１３：燃焼ガス、１４：燃料、１５：起動用燃料、１６：石炭、１７：酸素、１８：精製前石炭ガス化ガス、１９：二酸化炭素回収前石炭ガス化ガス、２０：水蒸気、２１：高水素濃度（ＣＯ２回収後）石炭ガス化ガス、２２：石炭ガス化燃料、４１、４１−１、４１−２：メインバーナ燃料、４２、４２−１、４２−２：混合気、４３：循環ガス、４４：燃焼ガス、４５：火炎、４６：旋回流、４７：循環流、４８：後流、４９：淀み領域、５０：パイロットバーナ、５１：起動用燃料噴射ノズル、５３：メイン多孔同軸噴流バーナ、  ５４：空気孔プレート、５５、５５−１、５５−２：空気孔、５６：燃料ノズル、５７：燃料分配器、６０：バーナ中心、６１、６１−１、６１−２：空気孔ピッチ円直径  ６２、６２−１、６２−２：空気孔直径、１００：燃料供給制御装置、１０１：燃料圧縮機、１０２、１０２ａ、１０２ｂ：水素濃度検知手段、１０３：遮断弁、１０４ａ：起動用燃料遮断弁、１０４ｂ：水素含有パイロット燃料遮断弁、１０５ａ：起動用燃料パイロット燃料圧力調整弁、１０５ｂ：水素含有パイロット燃料圧力調整弁、１０６ａ：起動用燃料パイロット燃料流量調整弁、１０６ｂ：水素含有燃料パイロット燃料流量調整弁、１０７ａ：内周側メイン燃料圧力調整弁、１０７ｂ：外周側メイン燃料圧力調整弁、１０８ａ：内周側メイン燃料流量調整弁、１０８ｂ：外周側メイン燃料流量調整弁、１０９：逆止弁、２２ａ：燃料系統、１２２ａ、１２２ｂ、１２３ａ、１２３ｂ：燃料供給系統、２０１：酸素製造装置、２０２：石炭ガス化炉、２０３：石炭ガス化ガス精製装置、２０４、２０５：流量調整弁、２０６：シフト反応器、２０７：二酸化炭素回収装置、２０８：流量調整弁、２０９：ガス処理炉、５０１：発電機。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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