(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
二流体サイクル用の低ＮＯｘ燃焼器の運転方法であって、前記焼却器は、中心部に配置された拡散燃焼式のパイロットバーナー（１２）と、そのまわりに配置された複数の予混合燃焼式のメインバーナー（１４）とを備え、更に、メインバーナーの燃料噴射弁へ流入する空気と混合するように水蒸気を供給する蒸気噴射管（１６）を備え、出力増加のために蒸気噴射を行う際に、噴射する蒸気の一部を前記蒸気噴射管から噴射して、メイン噴射弁へ流入する空気と混合して燃料噴射弁へ供給し、
前記蒸気噴射時に、燃料の増加量に応じて、蒸気噴射量及び蒸気割合を増加させ、これにより蒸気と空気の和と燃料との比率が一定になるように維持する、ことを特徴とする二流体サイクル用の低ＮＯｘ燃焼器の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二流体サイクル用の低ＮＯｘ燃焼器とその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ガスタービンと蒸気タービンを組み合わせて発電効率の向上を図るコージェネレーションシステムが脚光を浴びている。図５は、特公平８−２６７８０号公報に開示された二流体サイクルの構成図であり、ガスタービン設備１の排熱Ｅで発生した水蒸気２を混合器３で圧縮空気４と混合し、この混合ガスを排熱Ｅで加熱してガスタービンの燃焼器５に噴射することにより、余剰水蒸気２ａをユーティリィティとして供給しながら、電力需要に応じて発電出力が増大できるようになっている。なおこの図で６は排熱回収ボイラ、Ａは空気、Ｆは燃料、Ｗは給水である。
【０００３】
一方、環境保護のために、ガスタービンの燃焼排ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）を低減することが義務付けられており、我国では、全国基準でも例えば７０ｐｐｍ以下、大都市（例えば東京）では例えば２５〜３０ｐｐｍ以下にする必要がある。
ＮＯｘの発生要因は、燃焼時の高温火炎により空気中の窒素が酸化する、いわゆるサーマルＮＯｘが主であり、このサーマルＮＯｘを低減するには、火炎中のホットスポットを減少させ、高温火炎の発生をなくすことが効果的である。このため、上述した二流体サイクルでは、水蒸気の噴射により火炎温度を低下させる手段が用いられ、燃焼器には水蒸気を噴射しても安定燃焼ができる拡散燃焼器が使用されていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した二流体サイクルでは、電力需要が大きいときには大量の水蒸気を燃焼器に噴射してガスタービンの出力を増大させ、電力需要が小さく水蒸気の需要が大きいときには、逆に蒸気噴射を最小限に絞って燃料消費を抑制するようになっている。しかし、上述した従来の燃焼器（蒸気噴射拡散燃焼器）では、水蒸気を減らしすぎるとＮＯｘ発生量が増大して規制値を超えるおそれがあり、常に蒸気噴射が必要となり、その分ユーティリィティ蒸気量が減り、かつ燃料消費量が多くなる問題点があった。
【０００５】
一方、低ＮＯｘ化が可能な燃焼器として、上述した蒸気噴射拡散燃焼器の他に希薄予混合燃焼器が知られている。この希薄予混合燃焼器は、燃料を十分な空気量と予混合して均質化し、これを希薄燃焼させるものであり、大量の空気と共に燃焼させるため、ホットスポットがなく、高温火炎の発生をなくし低ＮＯｘ化を実現することができる。
【０００６】
従って従来の希薄予混合燃焼器を二流体サイクル用に適用することにより、蒸気噴射をなくしても、ＮＯｘ発生量を規制値内に抑えることができ、蒸気噴射を必要に応じてなくし、その分ユーティリィティ蒸気量を増やしかつ燃料消費量を低減することができる。
【０００７】
しかし、この希薄予混合燃焼器は、低ＮＯｘ化のために蒸気を必要としない反面、燃焼が不安定になりやすい問題点があった。このため、希薄予混合燃焼器に水蒸気を噴射すると火炎温度が下がり過ぎてほとんど安定燃焼ができず失火してしまったり、燃焼の安定化のために燃料を増加させると燃料領域で燃料が過剰となり、本来の希薄燃焼ができず、十分なＮＯｘ低減効果が得られなくなる、等の問題点があった。
【０００８】
本発明は、かかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち本発明の目的は、電力需要が大きいときには大量の水蒸気を燃焼器に噴射してガスタービンの出力を増大させることができ、かつ電力需要が小さく水蒸気の需要が大きいときに、ＮＯｘの発生を抑制しながら、水蒸気噴射を完全になくし、これによりユーティリィティ蒸気の増加と燃料消費量の低減を図ることができる二流体サイクル用の低ＮＯｘ燃焼器とその運転方法を提供することにある。
【０００９】
参考例によれば、中心部に配置された拡散燃焼式のパイロットバーナー（１２）と、そのまわりに配置された複数の予混合燃焼式のメインバーナー（１４）とを備え、更に、メインバーナーの燃料噴射弁へ流入する空気と混合するように水蒸気を供給する蒸気噴射管（１６）を備え、該蒸気噴射管（１６）に供給しなかった残りの蒸気を噴射する希釈孔（２２ａ）を有する燃焼器ライナ（２２）を備える、ことを特徴とする二流体サイクル用の低ＮＯｘ燃焼器が提供される。
【００１０】
参考例の好ましい実施形態によれば、前記蒸気噴射管（１６）は、メインバーナーの燃料噴射弁の旋回器の上流側に蒸気噴射する蒸気噴射口を有する。また、更に、パイロットバーナーの燃料噴射弁へ流入する空気と混合して水蒸気を供給する蒸気噴射管（１８）を備えることが好ましい。
【００１１】
また、参考例によれば、中心部に配置された拡散燃焼式のパイロットバーナー（１２）と、そのまわりに配置された複数の予混合燃焼式のメインバーナー（１４）とを備え、更に、メインバーナーの燃料噴射弁へ流入する空気と混合するように水蒸気を供給する蒸気噴射管（１６）を備え、出力増加のために蒸気噴射を行う際に、噴射する蒸気の一部を前記蒸気噴射管から噴射して、メイン噴射弁へ流入する空気と混合して燃料噴射弁へ供給し、該蒸気噴射管（１６）に供給しなかった残りの蒸気を燃焼器ライナ（２２）の希釈孔（２２ａ）から噴射する、ことを特徴とする二流体サイクル用の低ＮＯｘ燃焼器の運転方法が提供される。また、前記蒸気噴射時に、燃料の増加量に応じて、蒸気噴射量を増加させ、これにより蒸気と空気の和と燃料との比率をほぼ一定に維持することが好ましい。
【００１２】
また、本発明によれば、二流体サイクル用の低ＮＯｘ燃焼器の運転方法であって、前記焼却器は、中心部に配置された拡散燃焼式のパイロットバーナー（１２）と、そのまわりに配置された複数の予混合燃焼式のメインバーナー（１４）とを備え、更に、メインバーナーの燃料噴射弁へ流入する空気と混合するように水蒸気を供給する蒸気噴射管（１６）を備え、出力増加のために蒸気噴射を行う際に、噴射する蒸気の一部を前記蒸気噴射管から噴射して、メイン噴射弁へ流入する空気と混合して燃料噴射弁へ供給し、
前記蒸気噴射時に、燃料の増加量に応じて、蒸気噴射量及び蒸気割合を増加させ、これにより蒸気と空気の和と燃料との比率が一定になるように維持する、ことを特徴とする二流体サイクル用の低ＮＯｘ燃焼器の運転方法が提供される。
【００１３】
上記本発明の装置及びその運転方法によれば、二流体サイクルのガスタービンにおいて、出力増加のための蒸気噴射を行わない運用状態では、本発明の低ＮＯｘ燃焼器は、従来の希薄予混合燃焼器として作動し、蒸気噴射をなくしても、ＮＯｘ発生量を規制値内に抑えることができ、その分ユーティリィティ蒸気量を増やしかつ燃料消費量を低減することができる。
【００１４】
また、出力増加のために蒸気噴射を行う際は、噴射する蒸気の一部を蒸気噴射管（１６）から噴射させ、予混合燃焼のメイン噴射弁へ流入する空気と混合する。本発明では、メインバーナーの燃料噴射弁の旋回器の上流側に蒸気噴射する蒸気噴射口を有する蒸気噴射管（１６）から、メインバーナーの燃料噴射弁へ流入する空気と混合するように水蒸気を供給するので、蒸気と空気を十分に均一に混合して導入することができる。従って、燃焼的に比較的不安定な予混合燃焼に蒸気を噴射しても、安定した燃焼が可能となる。
【００１５】
更に、蒸気と燃料の割合は、燃料の増加量に応じて、蒸気噴射量を増加することにより、ＮＯｘの発生を抑えながら燃焼量を増大させ、二流体サイクルの出力を高めることができる。なお、残りの蒸気に関しては、燃焼器ライナの希薄孔など、比較的燃焼に関与しない位置に噴射するのがよい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００１７】
図１は、本発明の二流体サイクル用の低ＮＯｘ燃焼器の全体構成図である。この図に示すように、本発明の二流体サイクル用低ＮＯｘ燃焼器１０は、中央部に配置されたパイロットバーナー１２と、そのまわりに配置された複数（例えば６つ）のメインバーナー１４とを備える。なお、この図において、２２は燃焼器ライナ、２３はケーシング、２４は点火栓（イグナイタ）であり、空気２６がケーシング２３とライナ２２の間を流れてバーナー１２、１４に達し、このバーナーとその他の部分を通ってライナ２２内に流入して火炎２７ａ，２７ｂを形成し、発生した燃焼ガスがスクロール部（図示せず）を通って図示しないガスタービンに導かれ、これを駆動するようになっている。
【００１８】
図１において、パイロットバーナー１２は、燃料Ｆを燃焼室１１内で拡散燃焼させる拡散燃焼バーナーである。
メインバーナー１４は、互いに同軸に配置された主噴射弁１４ａと予混合管１４ｂとからなる。主噴射弁１４ａには、ケーシング３を通して外部から燃料Ｆが供給される。この燃料には、例えばガス燃料を用いる。予混合管１４ｂは、この図で下端部が開口した円筒形の筒であり、内部で燃料と空気が互いに混合しやすくなっている。すなわち、メインバーナー１４は、主噴射弁１４ａと予混合管１４ｂで構成された予混合希薄バーナーである。この構成により、主噴射弁１４ａにより予混合管１４ｂ内に燃料Ｆを噴射し、予混合管１４ｂ内で燃料Ｆを十分な空気量と予混合しこれを希薄燃焼させることができる。
【００１９】
本発明の二流体サイクル用低ＮＯｘ燃焼器１０は、更に、メインバーナー１４の燃料噴射弁（主噴射弁１４ａ）へ流入する空気と混合するように水蒸気を供給する蒸気噴射管１６を備える。
この蒸気噴射管１６は蒸気噴射口１６ａを有し、この蒸気噴射口１６ａはメインバーナー１４の燃料噴射弁１４ａの旋回器の上流側に蒸気噴射するように位置決めされている。
【００２０】
更に、本発明の低ＮＯｘ燃焼器１０は、パイロットバーナー１２の燃料噴射弁へ流入する空気と混合して水蒸気を供給する蒸気噴射管１８を備えている。
【００２１】
上述した本発明の構成により、パイロットバーナー１２により拡散燃焼を行いメインバーナー１４の保炎源を形成できる。また、メインバーナー１４の予混合管１５における予混合燃焼によりＮＯｘの発生を抑制することができる。
【００２２】
【実施例】
以下、上述した低ＮＯｘ燃焼器１０の実施例を説明する。図１に示した低ＮＯｘ燃焼器１０を用い、蒸気噴射管１６からの蒸気噴射（ケース１）、ライナ希釈孔２２ａからの蒸気噴射（ケース２）、スクロール２１への蒸気噴射（ケース３）の３通りの試験を行い、その燃焼効率、発生ＮＯｘ量、その他を試験した。
【００２３】
図２はケース１の本発明の実施例の試験結果であり、図３はケース２の試験結果であり、図４はケース３の試験結果である。図２〜図４において、横軸は蒸気割合（蒸気流量／空気流量）、縦軸はＮＯｘ発生量である。なおこの試験は運転圧力６ａｔａで実施した。
【００２４】
また、表１は、各ケースの長所と短所をまとめたものである。
【００２５】
【表１】
0004635324.tif 000002
【００２６】
図２〜図４及び表１から、ケース１では、蒸気割合を増加させるほど発生するＮＯｘの濃度が下がり、効果的にＮＯｘを低減できることが確認できたが、ケース２と３では、蒸気割合を増加させても効果的なＮＯｘ低減ができないことが確認された。
またケース１では、燃焼器の出口温度Ｔ４を一定に制御しても燃焼効率をほぼ１００％に維持でき、燃料効率の低下はなかった。
【００２７】
上述した試験結果の知見を基に、本発明の運転方法では、出力増加のために蒸気噴射を行う際に、噴射する蒸気の少なくとも一部を前記蒸気噴射管１６から噴射して、メイン噴射弁へ流入する空気と混合して燃料噴射弁へ供給する。また、好ましくは、この蒸気噴射時に、燃料の増加量に応じて、蒸気噴射量を増加させ、これにより蒸気と空気の和と燃料との比率をほぼ一定に維持する。
【００２８】
上述した装置及びその運転方法によれば、二流体サイクルのガスタービンにおいて、出力増加のための蒸気噴射を行わない運用状態では、本発明の低ＮＯｘ燃焼器は、従来の希薄予混合燃焼器として作動し、蒸気噴射をなくしても、ＮＯｘ発生量を規制値内に抑えることができ、その分ユーティリィティ蒸気量を増やしかつ燃料消費量を低減することができる。
【００２９】
また、出力増加のために蒸気噴射を行う際は、噴射する蒸気の少なくとも一部を蒸気噴射管１６から噴射させ、予混合燃焼のメイン噴射弁へ流入する空気と混合する。この噴射により、メインバーナーの燃料噴射弁へ蒸気と空気を十分に均一に混合して導入することができる。従って、安定した燃焼を維持できると共に火炎温度を効果的に下げてＮＯｘの発生量を更に低減することができる。
【００３０】
更に、蒸気と燃料の割合を、燃料の増加量に応じて、蒸気噴射量を増加することにより、火炎温度の上昇を防止しＮＯｘの発生量の増加を抑えながら燃焼量を増大させ、二流体サイクルの出力を高めることができる。なお、残りの蒸気に関しては、燃焼器ライナの希薄孔など、比較的燃焼に関与しない位置に噴射するのがよい。
【００３１】
上述した本発明の二流体サイクル用の低ＮＯｘ燃焼器とその運転方法により、通常では、蒸気噴射による出力増加のために増やした燃料で燃料過濃となり、火炎温度が上昇し、ＮＯｘの増加を招くが、本発明の装置と方法により予混合のメイン噴射弁への蒸気の噴射により火炎温度の上昇が抑えられ、ＮＯｘの増加が抑えられることが試験により確認された。なお、この試験では、メインバーナーの燃料流量とほぼ同量の蒸気噴射を行っても燃焼効率も悪化せず、蒸気噴射前の約１／２のＮＯｘ低減効果が確認された。
【００３２】
なお本発明は上述した実施形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００３３】
【発明の効果】
上述したように、本発明の二流体サイクル用の低ＮＯｘ燃焼器とその運転方法は、電力需要が大きいときには大量の水蒸気を燃焼器に噴射してガスタービンの出力を増大させることができ、かつ電力需要が小さく水蒸気の需要が大きいときに、ＮＯｘの発生を抑制しながら、水蒸気噴射を完全になくし、これによりユーティリィティ蒸気の増加と燃料消費量の低減を図ることができる等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の二流体サイクル用の低ＮＯｘ燃焼器の全体構成図である。
【図２】本発明の実施例の試験結果である。
【図３】別の実施例の試験結果である。
【図４】更に別の実施例の試験結果である。
【図５】従来の二流体サイクルの一例を示す構成図である。
【符号の説明】
１  ガスタービン設備、２  水蒸気、
２ａ  余剰水蒸気（ユーティリィティ）、
３  混合器、４  圧縮空気、５  燃焼器、６  排熱回収ボイラ、
１０  低ＮＯｘ燃焼器、
１２  パイロットバーナー（拡散燃焼バーナー）、
１４  メインバーナー（予混合希薄バーナー）、
１４ａ  主噴射弁、１４ｂ  予混合管、
１６  蒸気噴射管、１８  蒸気噴射管、
２１  スクロール、２２  燃焼器ライナ、２２ａ  希釈孔、
２３  ケーシング、２４  点火栓（イグナイタ）、
２６  空気、２７ａ，２７ｂ  火炎、
Ａ  空気、Ｅ  排熱、Ｆ  燃料、Ｗ  給水、Ｓ  水蒸気
【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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