(57)【要約】【課題】発熱量の異なる２種類のガス燃料を同一バーナで安定燃焼可能とするガスタービン燃焼器を提供することにある。【解決手段】燃料と空気を混合して燃焼するための燃焼室と、前記燃焼室の上流に配置され、前記燃焼室内に前記燃料と前記空気を噴射し火炎を保持するためのバーナを備えるガスタービン燃焼器において、前記バーナは、燃料噴孔と空気噴孔とを周方向に交互に複数個設けた第１スワラと、燃料または空気の噴射が可能な複数の噴孔を設けた第２スワラとを有し、前記第２スワラは前記第１スワラの外周に配置し、前記第２スワラの噴孔の幅は、前記第１スワラの空気噴孔の幅より大きく形成した。【選択図】  図１
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【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ための燃焼室と、前記燃焼室の上流に配置され、前記燃焼室内に前記燃料と前記空気を噴射し火炎を保持するためのバーナを備えるガスタービン燃焼器において、
前記バーナは、燃料噴孔と空気噴孔とを周方向に交互に複数個設けた第１スワラと、燃料または空気の噴射が可能な複数の噴孔を設けた第２スワラとを有し、
前記第２スワラは前記第１スワラの外周に配置し、
前記第２スワラの噴孔の幅は、前記第１スワラの空気噴孔の幅より大きく形成した
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、
発熱量の異なる２種類の燃料ガスのうち、低い発熱量の燃料ガスを前記第２スワラの噴孔に供給可能な一の燃料系統と、
ガスタービンの抽気空気を前記第２スワラの噴孔に供給可能な抽気空気系統を備えた、
ことを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項３】
請求項２に記載のガスタービン燃焼器において、
発熱量の異なる２種類の燃料ガスのうち、高い発熱量の燃料ガスを前記第１スワラの燃料噴孔に供給可能な他の燃料系統を備え、
前記低い発熱量の燃料ガスを燃焼するときは、前記第１スワラの燃料噴孔と前記第２スワラの噴孔とから前記低い発熱量の燃料ガスを噴射し、
前記高い発熱量の燃料ガスを燃焼するときは、前記第１スワラの燃料噴孔から前記高い発熱量の燃料ガスを噴射し、前記第２スワラの噴孔から前記ガスタービンの抽気空気を噴射する
ことを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項４】
請求項３に記載のガスタービン燃焼器において、
供給される燃料ガスの発熱量の違いに応じて、前記第２スワラの噴孔から噴射する流体を前記低い発熱量の燃料ガス、又は前記ガスタービンの抽気空気のいずれかに使い分ける
ことを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項５】
請求項３又は４に記載のガスタービン燃焼器において、
前記低い発熱量の燃料ガスは高炉ガスであり、前記高い発熱量の燃料ガスはコークス炉ガスである
ことを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項６】
請求項１乃至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、
前記燃焼室へ前記第１スワラの空気噴孔を介して圧縮空気を導入する空気流路を更に備え、
前記第１スワラの燃料噴孔を前記第１スワラの前記空気流路内に設け、
前記第１スワラの半径方向内側に、起動用の油ノズルまたはガスノズルを配置した
ことを特徴とするガスタービン燃焼器。
【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、さらに詳しくは、発熱量の異なる２種類の燃料ガスを同一バーナで安定燃焼させ得るガスタービン燃焼器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、発電コストの低減、資源の有効利用、及び地球温暖化防止の観点から、製鉄所で副生する高炉ガスやコークス炉ガスの有効利用が検討されている。高炉ガスは、製鉄プロセスで発生し、一酸化炭素や水素を主要可燃成分とした難燃性のガスであって、発熱量が約１０００ｋｃａｌ／m3Ｎのいわゆる低カロリーガスである。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などを高炉ガスに混合し発熱量を高くして運転（増熱）するか、液体燃料などの起動用燃料を別に設ける必要がある。
【０００３】
一方、コークス炉ガスは、高炉の原料であるコークスを製造する際に発生する副生ガスで、水素とメタンを主成分とした発熱量が４０００ｋｃａｌ／m3Ｎ〜５０００ｋｃａｌ／m3Ｎの中カロリーガスである。水素を含み発熱量が高炉ガスよりも高いため、高炉ガス焚きガスタービンの増熱用のガスや、コークス炉ガス焚きガスタービンの主要燃料などに用いられる。
【０００４】
高炉ガスなどの低カロリーガスを安定して燃焼させることを目的として、バーナの半径方向の中心部に設けた起動用の油ノズルと、その外周にガス噴孔を配置した内周スワラと、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外周スワラとを備えたガスタービン燃焼器がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
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、燃焼ガスが循環しバーナより噴出する燃料と空気に熱を与えるための循環ガス領域を形成する必要がある。  
特許文献１に記載のガスタービン燃焼器によれば、内周スワラにガス噴孔のみを配置し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する。このことにより、保炎を強化することを特徴とする。また、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になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平５−８６９０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
高炉ガスを主要燃料とするガスタービン発電設備は、従来、高炉設備のメンテナンスの際には、長期間の発電停止を余儀なくされていた。しかし、近年では、高炉設備のメンテナンスの間にも、例えば、コークス炉ガスを代替燃料として発電したいというニーズが高まっている。このようなニーズを実現するためには、ガスタービン発電設備において、発熱量の異なる２種類のガスを同一バーナで安定的に燃焼できる燃焼器を備える必要がある。
【０００８】
発熱量の異なる２種類のガスを同一バーナで燃焼させることには、以下の課題があった。  
例えば、低カロリーガスを主要燃料とするガスタービン発電設備において、高炉設備のメンテナンスの際に主要燃料を高炉ガスからコークス炉ガスに変更する場合、コークス炉ガスは高炉ガスなどの低カロリーガスに比べて発熱量が約４倍高いために、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４分の１程度になる。このため、低カロリーガス焚きバーナのガス噴孔を利用してコークス炉ガスを燃焼しようとすると、コークス炉ガス燃料の噴出流速が極端に遅くなるために、燃焼ガスの旋回流が弱くなり保炎性能が著しく低下するという課題があった。
【０００９】
一方、コークス炉ガスの仕様に設計したバーナに高炉ガスを供給した場合を想定すると、燃焼器に供給する燃料流量は、コークス炉ガスの約４倍多くなる。このため、燃料ノズルにおける圧力比（燃料供給圧力／燃焼器内圧力）が高くなり、燃料の供給圧力を通常よりも高圧条件にせざるを得なくなる。この結果、コストアップが生じることの他に、燃料噴出流速が極端に速くなり難燃性ガスの保炎ができなくなるという課題があった。
【００１０】
また、低カロリーガス仕様のバーナの場合、ガス噴孔の面積が大きくなるために、ガス噴孔を燃焼室に面するように開口せざるを得ない。この場合、起動用燃料で運転する際に、燃焼器間の圧力のアンバランスが生じたときにガス噴孔を介して燃焼ガスが他缶に逆流しやすくなるという課題があった。
【００１１】
本発明は上述した事柄に基づいてなされたものであって、その目的は、発熱量の異なる２種類のガス燃料を同一バーナで安定燃焼可能とす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】
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、燃料と空気を混合して燃焼するための燃焼室と、前記燃焼室の上流に配置され、前記燃焼室内に前記燃料と前記空気を噴射し火炎を保持するためのバーナを備えるガスタービン燃焼器において、前記バーナは、燃料噴孔と空気噴孔とを周方向に交互に複数個設けた第１スワラと、燃料または空気の噴射が可能な複数の噴孔を設けた第２スワラとを有し、前記第２スワラは前記第１スワラの外周に配置し、前記第２スワラの噴孔の幅は、前記第１スワラの空気噴孔の幅より大きく形成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、高炉ガスなどのＮ2やＣＯ2含有量の多い難燃性ガスと、コークス炉ガスなど高炉ガスに比べて発熱量の高いガスを同一バーナで安定に燃焼することが可能となる。この結果、高炉設備のメンテナンスの間にも、例えば、コークス炉ガスなどを主要燃料として安定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】本発明のガスタービン燃焼器の第１の実施の形態の要部の側断面図をガスタービンプラント全体の模式図と併せて表した概略構成図である。
【図２】本発明のガスタービン燃焼器の第１の実施の形態を構成するバーナを燃焼室側から見た正面図である。
【図３】図２に示すバーナをＡ−Ａ矢視から見た断面図である。
【図４】本発明のガスタービン燃焼器の第１の実施の形態を構成するバーナにおいて、燃料の種類に対する各噴孔の噴射流体を示す表図である。
【図５】従来のガスタービン燃焼器を構成するバーナを燃焼室側から見た正面図である。
【図６Ａ】本発明のガスタービン燃焼器の第１の実施の形態を構成するバーナの要部の側断面図と燃料系統とを併せて表した一の概略構成図である。
【図６Ｂ】本発明のガスタービン燃焼器の第１の実施の形態を構成するバーナの要部の側断面図と燃料系統とを併せて表した他の概略構成図である。
【図７Ａ】本発明のガスタービン燃焼器の第１の実施の形態を構成するバーナの正面図とコークス炉ガス燃焼時の燃料系統とを併せて表した概略構成図である。
【図７Ｂ】本発明のガスタービン燃焼器の第１の実施の形態において、コークス炉ガス燃焼時のコークス炉ガスの流量と抽気空気の流量の特性を示す特性図である。
【図８Ａ】本発明のガスタービン燃焼器の第１の実施の形態を構成するバーナの正面図と高炉ガス燃焼時の燃料系統とを併せて表した概略構成図である。
【図８Ｂ】本発明のガスタービン燃焼器の第１の実施の形態において、高炉ガス燃焼時の第１スワラと第２スワラの噴出流体の流量特性を示す特性図である。
【図９】本発明のガスタービン燃焼器の第２の実施の形態を構成するバーナを燃焼室側から見た正面図である。
【図１０】図９に示すバーナをＢ−Ｂ矢視から見た断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明のガスタービン燃焼器の実施の形態を図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１６】
図１は本発明のガスタービン燃焼器の第１の実施の形態の要部の側断面図をガスタービンプラント全体の模式図と併せて表した概略構成図である。本実施の形態においては、ガスタービンの低カロリーガス燃料として高炉ガス９０を用い、中カロリーガス燃料としてコークス炉ガス３８０を用いた。
【００１７】
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等で構成されている。ガスタービン５では、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とガスタービンの起動用燃料（ここでは、高炉ガス９０にコークス炉ガス３８０を混合した増熱ガス９３８）で着火し、燃焼ガス１４０を発生させタービン４に供給する。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。
【００１８】
燃焼器３は、圧力容器である外筒１０と、外筒１０の内部に設けた燃焼室１２と、燃焼室１２の外周に設けた燃焼室冷却用のフロースリーブ１１とを備えている。また、燃焼室９の上流側には燃焼室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が配置されている。
【００１９】
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を冷却しながら燃焼室１２の側壁に設けた空気孔１３、及びバーナ３００に設けた空気噴孔２０１を介して燃焼室１２内に供給される。
【００２０】
バーナ３００は、第１スワラ４０１と第２スワラ４０２で構成する２重旋回構造である。第１スワラ４０１は、高炉ガス９０またはコークス炉ガス３８０を燃焼室１２内に噴射するためのガス噴孔２０２と、燃焼空気１０２を噴射するための空気噴孔２０１を備えている。第２スワラ４０２は、噴孔２０３を備えている。
【００２１】
第１スワラ４０１と第２スワラ４０２は、バーナボディ３１０に固定されている。バーナボディ３１０には、第１スワラ４０１に燃料を供給するための第１燃料系統５０１と、第２スワラ４０２に燃料又は抽気空気７０１ａを供給するための第２燃料系統５０２とが接続されている。第１燃料系統５０１には第１燃料系統流量調節弁５０１ａが設けられ、第２燃料系統５０２には第２燃料系統流量調節弁５０２ａが設けられていて、制御装置３０によりそれぞれの開度が制御される。
【００２２】
第１燃料系統５０１と第２燃料系統５０２の上流には、ガス混合装置９３８Ａが配置されていて、ガス混合装置９３８Ａの出力側から各燃料系統流量調節弁５０１ａ、５０２ａの上流側に燃料ガスが供給される。ガス混合装置９３８Ａの入力側には、高炉ガス９０を供給する高炉ガス系統６０１とコークス炉ガス３８０を供給するコークス炉ガス系統６０２とが接続されている。高炉ガス系統６０１には高炉ガス系統流量調節弁６０１ａが設けられ、コークス炉ガス系統６０２にはコークス炉ガス系統流量調節弁６０２ａが設けられていて、制御装置３０によりそれぞれの開度が制御される。
【００２３】
これらの系統流量調節弁６０１ａ、６０２ａの開度を制御することで、ガス混合装置９３８Ａを介して、ガスタービン５に高炉ガス９０あるいはコークス炉ガス３８０の単体ガスや、ガスタービン５の起動・昇速から部分負荷条件を安定燃焼するために必要な増熱ガス９３８（高炉ガス９０にコークス炉ガス３８０を混合して生成する）を供給することが可能になる。
【００２４】
また、第２スワラ４０２に通じる第２燃料系統５０２において、第２燃料系統流量調節弁５０２ａより下流側の位置に、ガスタービン５の抽気空気７０１ａを供給できる抽気系統７０１が接続されている。抽気系統７０１の上流側はガスタービン５の車室に接続されている。抽気系統７０１には、上流側から、抽気空気７０１の流量を調節する抽気調節弁７０２と燃焼室１２からの燃焼ガスの逆流を防止する逆止弁７０２Ａとが設けられている。抽気調節弁７０２の開度は、制御装置３０により制御される。
【００２５】
制御装置３０には、詳細後述する燃料発熱量制御部と第１スワラ流量制御部と第２スワラ流量制御部とを備えている。燃料発熱量制御部は、所定の発熱量の燃料ガスが形成されるように、高炉ガス系統流量調節弁６０１ａの開度とコークス炉ガス系統流量調節弁６０２ａの開度を制御する。
【００２６】
第１スワラ流量制御部は、所定のガス燃料の流量を確保するために第１の燃料系統５０１の流量調節弁５０１ａの開度を制御する。第２スワラ流量制御部は、所定のガス燃料の流量を確保するために第２の燃料系統５０２の流量調節弁５０２ａの開度を制御すると共に、抽気空気の流量を確保するために抽気空気流量調節弁７０２の開度を制御する。
【００２７】
次に、バーナ構造について図２乃至図５を用いて説明する。図２は本発明のガスタービン燃焼器の第１の実施の形態を構成するバーナを燃焼室側から見た正面図、図３は図２に示すバーナをＡ−Ａ矢視から見た断面図、図４は本発明のガスタービン燃焼器の第１の実施の形態を構成するバーナにおいて、燃料の種類に対する各噴孔の噴射流体を示す表図である。図２乃至図４において、図１に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。
【００２８】
図２に示すように、本実施の形態のバーナ３００は、軸中心部に第１スワラ４０１を配置し、その外周側に第２スワラ４０２を配置する２重旋回構造を採用している。第１スワラ４０１には、空気噴孔２０１とガス噴孔２０２とが、周方向に互い違いに複数個配置されている。ガス噴孔２０２には、図３に示すように、旋回角αが設けられている。また、空気噴孔２０１にも図示しない旋回角を設けている。このことにより、ガス噴孔２０２から噴出するガスと空気噴孔２０１から噴出する空気とに旋回成分を与えられるので、バーナ３００の半径方向中心部に負圧を生じさせ、燃焼ガスの循環ガス領域を形成できる。
【００２９】
循環ガス領域は、燃焼ガスの循環によってバーナから供給されるガスと空気に熱エネルギーを連続的に与える役割を担っており、これによりガスタービン燃焼器のような高流速条件でも火炎を保持することが可能となる。この保炎方式は、特に、発熱量の低い難燃性ガスの燃焼において有効である。
【００３０】
第２スワラ４０２には、周方向に複数個、ガス噴孔２０３のみを配置している。本実施の形態においては、ガスタービン５に供給するガス燃料の種類（発熱量）に応じて、ガス噴孔２０３からの噴射流体を変更することを特徴としている。具体的には、図４に示すように、高炉ガス焚き運転の場合には第２スワラ４０２のガス噴孔２０３から高炉ガス９０を供給し、コークス炉ガス焚き運転の場合には、ガスタービン５の抽気空気７０１ａを供給する。
【００３１】
また、詳細は後述するが、第２スワラ４０２のガス噴孔２０３の幅Ｗ２と第１スワラ４０１の空気孔２０１の幅Ｗ１とを、Ｗ２＞Ｗ１の関係となるように形成したことを特徴とする。
【００３２】
高炉ガス９０は、ガス中の不活性ガスの含有量が全体の約７０％を占める反応性の低い燃料である。本実施の形態は、第１スワラ４０１と第２スワラ４０２とに内周火炎と外周火炎とを形成するので、内外周火炎の熱の授受（相互作用）がなされ保炎性を高められる。
【００３３】
一方、コークス炉ガス３８０は、ガス中の可燃成分が全体の約９０％を占め、水素も５０％以上含むため反応性が良く火炎温度の高い燃料である。コークス炉ガス燃焼では、高炉ガス９０に比べてコークス炉ガス３８０の発熱量が高いので、ガスタービン燃焼器３に供給される燃料流量が少なくなる。このため、本実施の形態では、コークス炉ガス３８０は第１スワラ４０１のみに供給する。また、燃焼器間の圧力のアンバランスが生じた場合、第２スワラ４０２のガス噴孔２０３を介して燃焼ガスが他缶に逆流しやすくなる。この燃焼ガスの逆流を防止するために、ガスタービン車室からの抽気空気７０１ａを第２スワラ４０２のガス噴孔２０３に供給する。
【００３４】
すなわち、ガスタービン５に供給する２種類の燃料のうち、発熱量が高いコークス炉ガス３８０を供給する場合には、第２スワラ４０２のガス噴孔２０３に抽気空気７０１ａを供給する。このことにより、第２スワラ４０２のガス噴孔２０３から燃焼室１２内に抽気空気７０１ａが供給されるので、ガス噴孔２０３を介して燃焼ガス１４０が他缶に逆流することを防止できる。この結果、信頼性が向上する。
【００３５】
また、コークス炉ガス３８０は、燃焼させると火炎温度が高くなるため、第１スワラ４０１に形成した火炎により燃焼室１２の壁面温度が上昇しやすくなる。本実施の形態においては、抽気空気７０１ａを供給することにより、第１スワラ４０１に形成する火炎を空気によって包み込むことが可能となるため、燃焼室１２の壁面温度の上昇を防止できる。
【００３６】
次に、本実施の形態と比較するために、従来バーナについて図５を用いて説明する。図５は従来のガスタービン燃焼器を構成するバーナを燃焼室側から見た正面図である。図５において、図１乃至図４に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。
【００３７】
図５に示す従来のバーナは、第２スワラ４０２のガス噴孔２０３の幅Ｗ２と第１スワラ４０１の空気孔２０１の幅Ｗ１とを大略同じ大きさに形成した点が図２に示す本実施の形態のバーナ３００と異なり、それ以外は同じ構成である。なお、ガス噴孔２０３の噴孔面積は、従来例と本実施の形態とにおいて、同一に形成している。
【００３８】
従来のバーナにおいては、第２スワラ４０２のガス噴孔２０３の幅が小さいので、ａで示す第２スワラ４０２のガス噴孔２０３とｂで示す隣接するガス噴孔２０３との間隙が本実施の形態の間隙よりも大きい。このため、ｃで示す第１スワラ４０１のガス噴孔２０２から噴出するコークス炉ガス３８０の火炎が、第２スワラ４０２のガス噴孔２０３であるａとｂとから噴出される空気流をすり抜けて、燃焼室壁面の近傍まで到達しやすくなるという問題があった。
【００３９】
本実施の形態においては、上述したように第１スワラ４０１の空気孔２０１の幅Ｗ１よりも第２スワラ４０２のガス噴孔２０３の幅Ｗ２を大きく形成したことを特徴としている。このことにより、第２スワラ４０２から噴出する抽気空気７０１ａで第１スワラ４０１に形成する火炎を包み込むことができる。この結果、燃焼室の壁面の温度上昇を防止できる。また、火炎の温度が低下するため、拡散燃焼であっても低ＮＯｘ燃焼が可能になる。
【００４０】
次に、高炉ガス焚きの場合とコークス炉ガス焚きの場合の燃料系統とバーナの動作について図６Ａと図６Ｂとを用いて説明する。図６Ａは本発明のガスタービン燃焼器の第１の実施の形態を構成するバーナの要部の側断面図と燃料系統とを併せて表した一の概略構成図、図６Ｂは本発明のガスタービン燃焼器の第１の実施の形態を構成するバーナの要部の側断面図と燃料系統とを併せて表した他の概略構成図である。図６Ａ及び図６Ｂにおいて、図１乃至図５に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。
【００４１】
図６Ａは、高炉ガス焚き運転時の燃料系統とバーナの断面を示す。図６Ａにおいては、高炉ガス系統６０１から供給された高炉ガス９０が、ガス混合装置９３８Ａを介して第１燃料系統５０１と第２燃料系統５０２とに供給される。第１燃料系統５０１からは第１スワラ４０１へ高炉ガス９０が供給され、第２燃料系統５０２からは第２スワラ４０２へ高炉ガス９０が供給される。
【００４２】
第１スワラ４０１においては、高炉ガス９０および燃焼空気１０２に旋回が付与されることでバーナ３００の半径方向中心部に負圧が生じ循環ガス領域５０が形成され、内周火炎４５０が保持される。また、第２スワラ４０２より高炉ガス９０を燃焼室１２内に噴射することで外周火炎４５１が形成され、内周火炎４５０と外周火炎４５１の相互作用（熱の授受）により高炉ガス９０の安定燃焼が可能となる。
【００４３】
図６Ｂは、コークス炉ガス焚き運転時の燃料系統とバーナの断面を示す。図６Ｂにおいては、コークス炉ガス系統６０２から供給されたコークス炉ガス３８０が、ガス混合装置９３８Ａを介して第１燃料系統５０１に供給される。また、抽気系統７０１から供給されたガスタービン５の抽気空気７０１ａが、第２燃料系統５０２に供給される。第１燃料系統５０１からは第１スワラ４０１へコークス炉ガス３８０が供給され、第２燃料系統５０２からは第２スワラ４０２へ抽気空気７０１ａが供給される。
【００４４】
第１スワラ４０１において、コークス炉ガス３８０と燃焼空気１０２に旋回を与えることで循環ガス領域５０が形成され、それにより火炎４５２が保持される。コークス炉ガス燃焼では、第１スワラ４０１のみに燃料を供給するために、第２スワラ４０２のガス噴孔２０３には抽気空気７０１ａを供給する。燃焼室１２内に噴射された抽気空気７０１ａは旋回噴流のため火炎４５２を包み込み、それにより火炎４５２の温度は低くなるため、拡散燃焼方式であっても低ＮＯｘ燃焼が可能となる。また、従来、燃焼室１２のＡ部で示す部位の近傍のメタル温度が上昇傾向にあったが、本実施の形態においては、火炎４５２の外周を抽気空気７０１ａで覆うため、燃焼室１２の壁面のメタル温度を低減できるという効果が得られる。
【００４５】
次に、コークス炉ガス焚き運転における燃料流量と抽気空気流量の挙動について図７Ａと図７Ｂとを用いて説明する。図７Ａは本発明のガスタービン燃焼器の第１の実施の形態を構成するバーナの正面図とコークス炉ガス燃焼時の燃料系統とを併せて表した概略構成図、図７Ｂは本発明のガスタービン燃焼器の第１の実施の形態において、コークス炉ガス燃焼時のコークス炉ガスの流量と抽気空気の流量の特性を示す特性図である。図７Ａ及び図７Ｂにおいて、図１乃至図６Ｂに示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。
【００４６】
図７Ａに示すように、コークス炉ガス３８０は、第１スワラ４０１のみに供給するため、高炉ガス供給系統６０１の流量調節弁６０１ａを閉止する。また、第２スワラ４０２にはガスタービン５の抽気空気７０１ａを供給するため、第２スワラ４０２に通じる第２の燃料系統の流量調節弁５０２ａを閉止する。ガスタービン５の車室より抽気した抽気空気７０１ａのバーナ３００への供給流量は、抽気空気流量調節弁７０２の開度を調節することで調整可能である。
【００４７】
図７Ｂにおいて、横軸は時間を示し、縦軸はコークス炉ガスと抽気空気の流量を示す。実線で示す特性はコークス炉ガス３８０の流量を、破線で示す特性は抽気空気７０１aの流量をそれぞれ示す。図中ｔ１はガスタービン５の着火時刻を、ｔ２はガスタービン５の無負荷定格回転数到達時刻を、ｔ３は定格負荷到達時刻をそれぞれ示している。  
ｔ１の着火時刻の前に、第１スワラ４０１にコークス炉ガス３８０が供給され、燃焼器３にて着火が検知される（ｔ１）と、コークス炉ガス３８０の流量を徐々に増加することで、ガスタービン５の回転数は増加し、ｔ２の無負荷定格回転数到達時刻に至る。ここで、ガスタービン５の昇速過程において、第２スワラ４０２に抽気空気７０１ａを供給開始する。このことにより、昇速過程で燃焼器３の圧力のアンバランスが生じた場合でも、第２スワラ４０２のガス噴孔２０３を介した燃焼ガス１４０の逆流を防止できる。
【００４８】
その後、コークス炉ガス３８０の流量を徐々に増加することで、ガスタービン５の負荷は増加し、ｔ３の定格負荷到達時刻に至る。抽気空気７０１ａは、燃料流量の増加に合わせ負荷の上昇とともに増加する。
【００４９】
次に、高炉ガス焚き運転、あるいは高炉ガス９０からコークス炉ガス３８０に燃料を切り替える際の燃料流量と抽気空気流量の挙動について図８Ａと図８Ｂとを用いて説明する。図８Ａは本発明のガスタービン燃焼器の第１の実施の形態を構成するバーナの正面図と高炉ガス燃焼時の燃料系統とを併せて表した概略構成図、図８Ｂは本発明のガスタービン燃焼器の第１の実施の形態において、高炉ガス燃焼時の第１スワラと第２スワラの噴出流体の流量特性を示す特性図である。図８Ａ及び図８Ｂにおいて、図１乃至図７Ｂに示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。
【００５０】
図８Ａに示すように、高炉ガス９０を供給する高炉ガス系統６０１に配置された高炉ガス系統流量調節弁６０１ａと、コークス炉ガス３８０を供給するコークス炉ガス系統６０２に配置されたコークス炉ガス系統流量調節弁６０２ａとを制御することで、ガス混合装置９３８Ａを介して、ガスタービン５に高炉ガス９０あるいはコークス炉ガス３８０の単体ガスや、ガスタービン５の起動・昇速から部分負荷条件を安定燃焼するために必要な増熱ガス９３８（高炉ガス９０にコークス炉ガス３８０を混合して生成する）を供給することができる。
【００５１】
図８Ｂにおいて、横軸は時間を示していて、縦軸の（ａ）〜（ｃ）は上から順に燃料発熱量制御、第１スワラ流量制御、第２スワラ流量制御を示している。また、図中ｔ１はガスタービン５の着火時刻を、ｔ２はガスタービン５の無負荷定格回転数到達時刻を、ｔ３は中間負荷（５０％負荷）到達時刻を、ｔ４は定格負荷到達時刻を、それぞれ示している。また、ｔ５は負荷降下開始時刻を、ｔ６は高炉ガス９０からコークス炉ガス３８０への燃料切換開始時刻を、ｔ７は燃料切換完了時刻をそれぞれ示している。
【００５２】
ここで、（ａ）の燃料発熱量制御とは、制御装置３０の燃料発熱制御部が行うガス混合装置９３８Ａに供給される高炉ガス９０とコークス炉ガス３８０の流量制御であり、所定の発熱量の燃料ガスが形成されるように、高炉ガス系統流量調節弁６０１ａの開度とコークス炉ガス系統流量調節弁６０２ａの開度とを制御する。
【００５３】
（ｂ）の第１スワラ流量制御とは、制御装置３０の第１スワラ流量制御部が行う第１スワラ４０１に供給される燃料ガスの流量制御であり、所定のガス燃料の流量が確保できるように、第１の燃料系統５０１の流量調節弁５０１ａの開度を制御する。
【００５４】
（ｃ）の第２スワラ流量制御とは、制御装置３０の第２スワラ流量制御部が行う第２スワラ４０２に供給される燃料ガスの流量制御又は抽気空気７０１ａの流量制御であり、所定のガス燃料の流量又は抽気空気の流量が確保できるように、第２の燃料系統５０２の流量調節弁５０２ａの開度と抽気空気流量調節弁７０２の開度とを制御する。
【００５５】
ｔ１の着火時刻の前に、ガス混合装置９３８Ａにて高炉ガス９０に所定のコークス炉ガス３８０を混合して形成した増熱ガス９３８をガスタービン５に供給し、燃焼器３にて着火が検知される（ｔ１）と、増熱ガス９３８の流量を徐々に増加することで、ガスタービン５の回転数は増加し、ｔ２の無負荷定格回転数到達時刻に至る。コークス炉ガス３８０よりも増熱ガス９３８の発熱量が低く同一の燃焼温度条件であっても燃料流量が多くなるため、本実施の形態においては、第１スワラ４０１および第２スワラ４０２のいずれのガス噴孔２０２、２０３にも燃料を供給することができる。これにより、増熱ガス９３８による運転時は、コークス炉ガス専焼運転のように第２スワラ４０２のガス噴孔２０３に抽気空気７０１ａを供給する必要がなくなる。
【００５６】
その後、増熱ガス９３８の流量を徐々に増加することで、ガスタービン５の負荷は増加し、ｔ３の中間負荷到達時刻に至る。中間負荷条件に到達すると燃焼器３の出口ガス温度が高くなり高炉ガス９０を安定に燃焼することが可能になる。このため、さらに負荷上昇運転する場合には、図８Ｂの（ａ）で示すように、ガス混合装置９３８Ａにて混合するコークス炉ガス３８０を徐々に減少させて増熱ガス９３８を形成する。増熱ガス９３８の流量の増加によりガスタービン５の負荷は上昇し、ｔ４の定格負荷到達時刻に至る。定格負荷に到達すると（ａ）に示すようにコークス炉ガス３８０の供給は停止され、高炉ガス９０の専燃運転状態になる。
【００５７】
ところで、従来の高炉ガス焚きのガスタービンの場合、高炉ガス焚きで運転中に、高炉設備のメンテナンスにより製鉄設備を停止する際には、高炉ガス９０の供給が停止するためガスタービン５を停止する必要があった。本実施の形態においては、同一のバーナ３００で高炉ガス９０とコークス炉ガス３８０のいずれの燃料も燃焼できるので、高炉ガス９０の供給が停止する前に燃料をコークス炉ガス３８０に切り替えることが可能である。この燃料の切り替えについて説明する。
【００５８】
まず、定格負荷運転状態から中間負荷状態にするために、ｔ５から負荷降下を開始し、増熱ガス９３８中間負荷に到達する。図８Ｂの（ａ）で示すように、時刻ｔ３’から、ガス混合装置９３８Ａにて混合するコークス炉ガス３８０を徐々に増加させて増熱ガス９３８を形成し、高炉ガス専焼から増熱ガス９３８での燃焼状態にして時刻ｔ６まで待機する。
【００５９】
高炉ガス９０からコークス炉ガス３８０への燃料切換開始時刻ｔ６から、ガス混合装置９３８Ａにて混合するコークス炉ガス３８０の流量をさらに徐々に増加させると共に高炉ガス９０の流量を徐々に減少させて増熱ガス９３８を形成する。このことにより、燃料切換完了時刻ｔ７においては、ガスタービン運転の燃料を増熱ガス９３８からコークス炉ガス３８０専焼状態に切り替わる。
【００６０】
燃焼器３においては、時刻ｔ６から時刻ｔ７の間に、まず第１スワラ４０１が時刻ｔ３から時刻ｔ６までと同じ燃料流量状態となるように燃料流量を保持しながら、ガスタービン燃料が高炉ガス９０を含む増熱ガス９３８からコークス炉ガス３８０のみに切り替わる。
【００６１】
また、第２スワラ４０２においては、時刻ｔ６から時刻ｔ７の間に、図８Ｂの（ｃ）に示すように、第２燃料系統５０２からの燃料ガスの供給を第２の燃料系統の流量調節弁５０２ａを制御して徐々に減少させると共に、抽気空気系統７０１からの抽気空気７０１ａの供給を抽気空気流量調節弁７０２の制御により徐々に増加して、ガス噴孔２０３に供給する。これにより、燃焼器間の圧力のアンバランスが生じても、第２スワラ４０２のガス噴孔２０３を介して燃焼ガスが他缶に逆流することがなくなり、燃焼器３の信頼性が向上する。
【００６２】
次に、本発明のガスタービン燃焼器の実施の形態の運転方法について図１を用いて説明する。
【００６３】
始動時、ガスタービン５は起動用モータ８等の外部動力によって駆動される。ガスタービン５の回転数を燃焼器３の着火条件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が供給されて着火条件が成立する。
【００６４】
ここで、例えば高炉ガス９０にコークス炉ガス３８０を混合した増熱ガス９３８を燃焼器３に供給することで、燃焼器３内にて増熱ガス９３８による着火が可能となる。燃焼器３の着火後、燃焼ガス１４０がタービン４に供給され、増熱ガス９３８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５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５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９３８の流量の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。
【００６５】
ガスタービン５が部分負荷条件（たとえば５０％負荷）に到達すると燃焼器出口ガス温度が高くなるため、難燃性ガスの反応性も高くなり増熱ガス９３８から高炉ガス９０への発熱量調整をすることで高炉ガス専焼運転が可能となる。
【００６６】
増熱ガス９３８から高炉ガス９０への発熱量調整は、ガス混合装置９３８Ａに供給される高炉ガス９０とコークス炉ガス３８０の流量制御であり、所定の発熱量の燃料ガスが形成されるように、高炉ガス系統流量調節弁６０１ａの開度とコークス炉ガス系統流量調節弁６０２ａの開度とを制御する。
【００６７】
図８Ａ及び図８Ｂで説明したように、本実施の形態において、増熱ガス９３８にてガスタービン５を起動する際には、バーナ３００の第１スワラ４０１と第２スワラ４０２のいずれにも燃料を供給して運転することができる。一方、コークス炉ガス３８０で起動する場合には、図７Ａ及び図７Ｂで説明したように、ガスタービン５の着火後、あるいは昇速開始時に抽気空気７０１ａをバーナ３００の第２スワラ４０２のガス噴孔２０３に供給する。これにより、ガスタービン５の昇速、負荷運転中にガス噴孔２０３を介して燃焼ガス１４０が他缶に逆流することが防止できるとともに、火炎温度の高かいコークス炉ガス３８０を燃焼する際に、燃焼室壁面温度の上昇を防止できる。
【００６８】
さらに、バーナ３００に形成される火炎と抽気空気７０１ａが接するために燃焼反応が促進し、火炎が短くなるために燃焼室側壁より流入する燃焼空気が循環ガス領域５０内に取り込みやすくなり、それらにより火炎温度が低下するため低ＮＯｘ燃焼が可能となる。
【００６９】
上述した本発明のガスタービン燃焼器の第１の実施の形態によれば、高炉ガス９０などのＮ2やＣＯ2含有量の多い難燃性ガスと、コークス炉ガス３８０など高炉ガス９０に比べて発熱量の高いガスを同一バーナ３００で安定に燃焼することが可能となる。この結果、高炉設備のメンテナンスの間にも、例えば、コークス炉ガス３８０などを主要燃料として安定燃焼できるガスタービン燃焼器を提供できる。
【実施例２】
【００７０】
以下、本発明のガスタービン燃焼器の第２の実施の形態を図面を用いて説明する。図９は本発明のガスタービン燃焼器の第２の実施の形態を構成するバーナを燃焼室側から見た正面図、図１０は図９に示すバーナをＢ−Ｂ矢視から見た断面図である。図９及び図１０において、図１乃至図８Ｂに示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。
【００７１】
図９及び図１０に示す本発明のガスタービン燃焼器の第２の実施の形態は、大略第１の実施の形態と同様の機器で構成されるが、以下の構成が異なる。本実施の形態においては、バーナ３００の半径方向中心部に液体燃料用の起動用ノズル８００を備えた点と、第１スワラ４０１のガス噴孔２０２の出口を第１スワラ４０１の空気流路２０１ａ内に設けた点が異なっている。
【００７２】
起動用ノズル８００は、ガスタービン５の着火起動、昇速から部分負荷範囲（例えば、５０％負荷）の安定燃焼を賄うことを目的に、部分負荷条件にて起動用燃料から高炉ガス９０（コークス炉ガス焚きでも起動用燃料を備えることもある）へ燃料を切り替え、高炉ガス専焼までスムーズな運転を可能とする。
【００７３】
ここで、図２に示す第１の実施の形態のバーナ３００に起動用ノズル８００を備えて起動用燃料で運転する場合を想定すると、第１スワラ４０１のガス噴孔２０２は燃焼室１２に直接面して開口しているため、燃焼器間の圧力に差が生じた場合には、起動用燃料で発生する高温の燃焼ガスが圧力の高い燃焼器から圧力の低い燃焼器にガス噴孔２０２を介して逆流し、バーナ３００およびボディーを焼損する恐れがある。
【００７４】
これを防ぐためには、例えば、第２スワラ４０２に設けた抽気空気系統７０１を第１スワラ４０１にも備える必要が出てくる。しかし、第１スワラ４０１と第２スワラ４０２の両方に抽気空気系統７０１を備えることは、系統および制御が複雑化するのみではなく、コストアップにつながるという問題が生じる。
【００７５】
本実施の形態においては、図１０で示すように、第１スワラ４０１のガス噴孔２０２の出口を第１スワラ４０１の空気流路２０１ａ内に設けたことを特徴とする。このように配置することで、ガス噴孔２０２の出口は、燃焼室１２内よりも圧力の高い燃焼空気１０２に常に覆われるため、起動用燃料で運転中も燃焼ガス１４０が他缶に逆流する恐れがなくなる。  
また、ガス噴孔２０２の出口は、空気噴孔２０１のごく近傍に配置するため、特に、水素を多く含むコークス炉ガス３８０を燃焼する場合において、バーナ３００の空気流路２０１ａ内に火炎が逆流（逆火）する恐れもなくなる。
【００７６】
上述した本発明のガスタービン燃焼器の第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００７７】
また、上述した本発明のガスタービン燃焼器の第２の実施の形態によれば、第１スワラ４０１のガス噴孔２０２の出口を第１スワラ４０１の空気流路２０１ａ内に設けたので、起動用燃料で運転中も燃焼ガス１４０が他缶に逆流することを抑制できる。
【００７８】
なお、本発明のガスタービン燃焼器の第２の実施の形態において、起動用燃料として液体燃料を用いた場合を例に説明したが、ＬＮＧやＬＰＧなどを噴射する起動用ガスノズルを配置した場合も同様の効果が得られる。その場合、起動用ガスノズルは、第１スワラ４０１の半径方向内側に配置し、複数の噴孔を備えることを特徴とする。
【００７９】
また、本発明は上述した第１及び第２の実施の形態に限られるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記した実施形態は本発明をわかり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
【符号の説明】
【００８０】
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
３０        制御装置
５０        循環ガス領域
９０        高炉ガス
１０１      空気
１０２      圧縮空気（燃焼空気）
１４０      燃焼ガス
２０１      第１スワラの空気噴孔
２０１ａ    第１スワラ内の空気流路
２０２      第１スワラのガス噴孔
２０３      第２スワラのガス噴孔
３００      バーナ
３１０      燃料ノズルボディー
３８０      コークス炉ガス
４０１      第１スワラ（内周スワラ）
４０２      第２スワラ（外周スワラ）
４５０      高炉ガスによる内周火炎
４５１      高炉ガスによる外周火炎
４５２      コークス炉ガスによる火炎
５０１      第１の燃料系統（第１スワラ）
５０１ａ    第１の燃料系統の流量調節弁
５０２      第２の燃料系統（第２スワラ）
５０２ａ    第２の燃料系統の流量調節弁
６０１      高炉ガスの供給系統
６０１ａ    高炉ガスの供給系統の流量調節弁
６０２      コークス炉ガスの供給系統
６０２ａ    コークス炉ガスの供給系統の流量調節弁
７０１      抽気空気系統
７０１ａ    ガスタービン車室からの抽気空気
７０２      抽気空気流量調節弁
８００      軽油やＡ重油などの起動用液体燃料ノズル
９３８      増熱ガス（高炉ガスにコークス炉ガスを混合）
９３８Ａ    ガス混合装置
【図１】
2015230120.tif 000003
【図２】
2015230120.tif 000004
【図３】
2015230120.tif 000005
【図４】
2015230120.tif 000006
【図５】
2015230120.tif 000007
【図６Ａ】
2015230120.tif 000008
【図６Ｂ】
2015230120.tif 000009
【図７Ａ】
2015230120.tif 000010
【図７Ｂ】
2015230120.tif 000011
【図８Ａ】
2015230120.tif 000012
【図８Ｂ】
2015230120.tif 000013
【図９】
2015230120.tif 000014
【図１０】
2015230120.tif 000015