(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と燃焼用空気とを燃焼させる燃焼室及び、該燃焼室の上流側の板状部材に設けられた該燃焼用空気を供給する複数の空気孔と、該空気孔から燃焼用空気と燃料の同軸噴流が前記燃焼室に供給されるように配置された燃料ノズルとを備えたバーナを備えた燃焼装置であって、
前記板状部材を保持部材によって保持するとともに、該保持部材の内部に冷却燃料流路を備え、
該冷却燃料流路を流れた燃料を前記燃料ノズルに供給することを特徴とする燃焼装置。
【請求項２】
燃料と燃焼用空気とを燃焼させる燃焼室及び、該燃焼室の上流側の板状部材に設けられた該燃焼用空気を供給する複数の空気孔と、該空気孔から燃焼用空気と燃料の同軸噴流が前記燃焼室に供給されるように配置された燃料ノズルとを備えたバーナを複数備えた燃焼装置であって、
前記板状部材を保持するために設けられた保持部材と、
該保持部材の内部であって、前記バーナ毎に形成された複数の冷却燃料流路と、
前記バーナに対応する複数の燃料供給系統とを備え、
該燃料供給系統からの燃料が前記保持部材の前記冷却燃料流路を流れ、前記燃料ノズルに供給されることを特徴とする燃焼装置。
【請求項３】
燃料と燃焼用空気とを燃焼させる燃焼室及び、該燃焼室の上流側の板状部材に設けられた該燃焼用空気を供給する複数の空気孔と、該空気孔から燃焼用空気と燃料の同軸噴流が前記燃焼室に供給されるように配置された燃料ノズルとを備えたバーナを複数備えた燃焼装置であって、
前記板状部材を保持するために設けられた保持部材と、
該保持部材の内部であって、前記バーナ毎に形成された複数の燃料流路と、
前記バーナに対応する複数の燃料供給系統を備え、
ガスタービンが部分負荷運転の場合に、一部の該燃料供給系統からの燃料が前記保持部材の前記燃料流路を流れ、前記燃料ノズルに供給されることを特徴とする燃焼装置。
【請求項４】
請求項１乃至３記載の燃焼装置であって、前記保持部材の厚さ方向に貫通する冷却孔を設けたことを特徴とする燃焼装置。
【請求項５】
燃料と燃焼用空気とを燃焼させる燃焼室の上流側に設けられた板状部材より、燃焼用空気と燃料の同軸噴流を供給するバーナを備えた燃焼装置の燃料供給方法であって、
前記板状部材を保持する保持部材の内部に設けられた冷却燃料流路に燃料が流れた後に、該燃料を前記燃焼室に供給することを特徴とする燃焼装置の燃料供給方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼装置及び燃焼装置の燃料供給方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
環境保全の立場から、燃焼装置においてＮＯｘ排出量を低減することが重要な課題となっている。特に近年では、燃焼装置を使用する製品の一つであるガスタービンプラントは高出力化，高効率化していく傾向にある。それに伴い、ガスタービンに使用するガスタービン燃焼器の燃焼ガス温度も高温化している。そのため高温条件下で発生しやすいサーマルＮＯｘの低減が重要課題となっている。そこで、燃料と燃焼用空気とを複数の同軸噴流として燃焼室に供給し、燃焼させることでＮＯｘを抑制させる方法が特許文献１に開示されている。
【０００３】
また、サーマルＮＯｘを抑制するには、燃料量に対し十分な量の燃焼用空気を供給する必要がある。しかし、燃焼器の高温部材を冷却するために燃焼用空気の一部を用いると、その分の燃焼用空気が減少して燃空比が減少しＮＯｘが抑制できない可能性があった。そこで、燃焼器などのガスタービン高温部材を冷却するための冷却空気量を減少させ、その分の空気量を燃焼用空気として使用できる技術が特許文献２に開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１４８７３４号公報
【特許文献２】特開２００１−２７１６５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、燃焼室に燃料と燃焼用空気の同軸噴流を供給するバーナを複数備えたガスタービン燃焼器を考えた場合、燃焼室の上流側に配置され、同軸噴流を燃焼室に噴出する空気孔を形成した板状部材を保持する保持部材の冷却が必要となる。また、複数のバーナを備えた場合はガスタービン負荷によってバーナの使用を切り替えるため、保持部材の冷却箇所をガスタービン負荷に応じて変更することが望ましい。しかし、特許文献２には燃焼器の冷却箇所をガスタービン負荷に応じて変更する方法については開示されていない。
【０００６】
そこで、本発明では負荷に応じて保持部材への適切な冷却が可能になるとともに、更なる低ＮＯｘ化を図る燃焼装置及び燃焼装置の燃料供給方法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】
【０００７】
本発明では、板状部材を保持部材によって保持するとともに、保持部材の内部に冷却燃料流路を備え、冷却燃料流路を流れた燃料を燃料ノズルに供給することを特徴とする燃焼装置及び燃焼装置の燃料供給方法を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によって、負荷に応じて保持部材への適切な冷却が可能になるとともに、更なる低ＮＯｘ化を図る燃焼装置及び燃焼装置の燃料供給方法を提供することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の実施例を以下に示す。
【実施例１】
【００１０】
以下、燃焼装置の一例としてガスタービン燃焼器を説明する。図１は、バーナを燃焼室から見た図である。また、図２は燃焼器の縦断面を含むガスタービンの系統図である。
【００１１】
ガスタービンは、外部から供給された空気２５を圧縮する圧縮機１と、圧縮機１からの燃焼用空気２６と燃料を混合燃焼させるガスタービン燃焼器５と、ガスタービン燃焼器５が排出する燃焼ガス２７により回転駆動するタービン２８とを備える。圧縮機１とタービン２８は一つの回転軸で連結されており、当該回転軸には発電機２９も連結されている。そのため、タービン２８の回転により圧縮機１と発電機２９を駆動する。
【００１２】
ガスタービン燃焼器５は、燃焼器外筒２の内側に燃焼器ライナ３を備え、燃焼器外筒２と燃焼器ライナ３との間の流路に燃焼用空気２６が流れる。燃焼用空気２６は、圧縮機１からの圧縮空気である。燃焼器外筒２の上流側は、閉止板６により密閉されている。ここで、燃焼器ライナ３の内部を流れる燃焼ガス２７が流れる方向を下流方向とし、燃料と空気を噴出する空気孔９を設置した側を上流側と規定する。
【００１３】
燃焼器ライナ３の上流側には、燃料と燃焼用空気を噴射するバーナが複数個備えられている。図１はバーナを７個備えた場合の図であり、その一部のバーナが図２に示されている。このようなバーナ配置により、各バーナに燃料を別々に供給することができ、ガスタービンの様々な部分負荷運転に対応できる。なお、本実施例では、中央部のバーナを中央バーナ、外周部のバーナを外周バーナと称する。
【００１４】
燃焼器ライナ３の上流側には、それぞれのバーナを構成する板状部材１１，１０Ａ，
１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆを備え、当該板状部材１１，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆには複数の空気孔９が設けられている。そして、７つの板状部材１１，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆは保持部材１２により保持されており、板状部材１１，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆと保持部材１２により燃焼室４の上流側を区画する。なお、板状部材１１，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆと保持部材１２は一体部材であっても構わない。それぞれの板状部材１１，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆの上流側には、燃料ノズル８を備えた燃料分配器７を設置しており、燃料分配器７は閉止板６により保持されている。燃料分配器７の下流側には複数の燃料ノズル８が設けられ、複数の空気孔９に対応するように当該燃料ノズル８が設けられている。そして、空気が燃料を包み込む同軸噴流が空気孔９から燃焼室４へ噴出するように、燃料ノズル８が空気孔９に対して設けられる。
【００１５】
次に、燃料供給系統について説明する。燃料供給設備１６から供給された燃料は、燃料遮断弁１７を通過した後にそれぞれのバーナに分岐される。そして、流量調節弁１８，
１９，２０を通過した燃料は、中央バーナおよび外周バーナに供給される。例えば板状部材１０Ｄを備えた外周バーナの場合、流量調節弁１８を通過した燃料２１は、閉止板６を貫通する冷却燃料供給系統１３を流下し、保持部材１２の内部に設けられた冷却燃料流路１４Ｄに導かれる。冷却燃料流路１４Ｄは、後述のように保持部材１２の冷却に適した流路で設けられる。この冷却燃料流路１４Ｄによって保持部材１２を冷却した燃料は、再度、閉止板６を貫通するように設けられた分配器供給系統１５を流れ、燃料分配器７に供給される。このように、外周バーナに燃料を供給する燃料供給系統は、外周バーナに燃料を供給する流量を調整する流量調節弁１８と、冷却燃料供給系統１３と、冷却燃料流路14Ｄと、分配器供給系統１５とによって構成される。中央バーナと他の外周バーナにおける燃料供給系統も同様である。また、本実施例におけるバーナとは、燃料を燃料ノズル８に分配する燃料分配器７と、燃焼室に燃料を噴射する燃料ノズル８と、燃料と空気を燃焼室に噴出する空気孔９と、当該空気孔９を備えた板状部材を備える。
【００１６】
このように構成されたバーナにより、燃料分配器７に供給された燃料２４は燃料ノズル８から空気孔９に噴射される。また、燃焼器外筒２と燃焼器ライナ３との間の流路を流れた燃焼用空気２６も、閉止板６まで到達した後に空気孔９に引き込まれる。従って、燃焼室４に燃料と空気の同軸噴流が空気孔９から噴射され、燃焼室４で火炎を形成し、燃焼ガス２７が発生する。当該燃焼ガス２７は、燃焼室４の下流で連通している燃焼器尾筒を通過して前述のタービン２８に供給される。
【００１７】
本実施例では、板状部材１１を保持部材１２によって保持するとともに、保持部材１２の内部に冷却燃料流路１４を備え、冷却燃料流路１４を流れた燃料を燃料ノズル８に供給する。このように、燃料を用いて保持部材１２を冷却するため、保持部材１２を冷却する冷却空気が不要となる。したがって、冷却用に用いていた空気を燃焼用空気２６として使用でき、燃焼用空気量を増やすことができる。このような燃焼用空気量の増加によりNOx排出量が低減される。
【００１８】
図７は、本実施例によるＮＯｘ排出量の低減効果を示す。図７のグラフの横軸は、燃焼室４に供給される燃料と燃焼用空気について、燃焼用空気流量に対する燃料流量の比（燃空比）を表し、縦軸はＮＯｘ排出量を表す。
【００１９】
点Ｐは、保持部材１２を空気で冷却する場合（以下、比較例という）の燃空比(Ｆ／Ａ)とＮＯｘ排出量を示す。一方、本実施例のように燃料を用いて保持部材１２を冷却する方法では、比較例に比べて燃焼用空気量を増やすことができる。そのため、本実施例における燃空比は点Ｐに比べ小さくなり、火炎温度が低下する。従って、火炎温度の低下によりＮＯｘ排出量も下がる（図中の点Ｑ）。このように、燃料を用いて保持部材を冷却する方法により、比較例に比べＮＯｘ排出量が低減される。
【００２０】
さらに、本実施例では次の効果も得られる。燃料２２は、冷却燃料流路１４を通過する間に保持部材１２から熱を奪うため、燃料の温度は上昇する。その結果、空気孔９から燃焼室４に供給される燃料の温度も上昇する。燃焼速度は燃焼室４に供給された燃料と燃焼用空気の温度とともに増加する性質を有する。そのため、本実施例のように燃料を保持部材１２の冷却用として用いた場合、比較例と比べ燃焼速度が増加する。このような燃焼速度の増加は火炎の安定化に寄与するため、本実施例により火炎安定化の効果も得られる。
【００２１】
本実施例では、板状部材１１，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆを保持するために設けられた保持部材１２と、保持部材１２の内部であって、バーナ毎に形成された複数の冷却燃料流路１４，１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ，１４Ｄ，１４Ｅ，１４Ｆと、バーナに対応する複数の燃料供給系統とを備え、燃料供給系統からの燃料が保持部材１２の冷却燃料流路１４，１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ，１４Ｄ，１４Ｅ，１４Ｆを流れ、燃料ノズル８に供給している。
【００２２】
ここで、板状部材１１，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆは空気孔９が形成され、圧縮機１からの燃焼用空気２６が供給されるため、更に冷却する必要性は少ない。しかし、燃焼室４の上流側を区画する板状部材１１，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，
１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆと保持部材１２において、中央バーナを構成する板状部材１１および外周バーナを構成する板状部材１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，10Ｆ以外の領域（即ち、保持部材１２）では、その下流に再循環流領域が形成される。この再循環流領域により、燃焼室４で形成される高温の燃焼ガス２７が上流の保持部材１２に運ばれる。さらに保持部材１２は燃焼ガス２７からの放射熱も受ける。その結果、保持部材１２のメタル温度が高くなるため、保持部材１２の信頼性を確保するために保持部材１２を冷却する必要が生じる。
【００２３】
また、本実施例では、各バーナにつきそれぞれ別々の燃料供給系統を設けている。そのため、ガスタービン負荷に応じてそれぞれの燃料供給系統に設けられた流量調節弁１８，１９，２０を調整することにより、燃料を供給するバーナの数を制御することが可能である。
【００２４】
具体的には、ガスタービン負荷を定格まで上昇させる途中の部分負荷運転では、例えば、以下のような運転方法を採用する。まず、中央バーナに燃料を供給し、次に、板状部材１０Ａを備えた外周バーナに燃料を供給する。そして、板状部材１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆを備えた外周バーナの順に燃料を順次供給していくことで、ガスタービン負荷を定格まで導く。このような運転方法では、中央バーナにのみ燃料を供給している間は、主に中央バーナを構成する板状部材１１の周囲における保持部材１２のメタル温度が上昇する。しかし、冷却燃料流路１４を通過する燃料により、メタル温度が上昇した領域のみを冷却することが出来る。
【００２５】
これに対し、保持部材１２を一律に冷却した場合、一部のバーナのみに燃料を供給する部分負荷運転では、燃料を供給していないバーナ周辺の保持部材１２が冷却され過ぎる可能性が生じる。燃料を供給したバーナのみから燃焼室４に火炎が発生し、燃料を供給しないバーナからは火炎が発生しないためである。そこで本実施例では、バーナ毎に形成された複数の冷却燃料流路１４，１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ，１４Ｄ，１４Ｅ，１４Ｆと、バーナに対応する複数の燃料供給系統とを備えることにより、燃料を供給しないバーナに対応する冷却燃料流路には燃料が流れないため、保持部材１２が一律に冷却され過ぎることを抑制することができる。そして、部分負荷の状態に応じて冷却が必要となるバーナ付近の保持部材１２のみを適切に冷却することが可能となる。
【００２６】
なお、図１では、バーナ以外の領域（デッドスペース）である保持部材１２に、波状の冷却燃料流路１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ，１４Ｄ，１４Ｅ，１４Ｆを設けたが、流路形状はこれに限る必要はない。板状部材や保持部材１２の形状などの条件に応じて、最適の流路形状を設定することができる。
【実施例２】
【００２７】
図３は、実施例２においてバーナを燃焼室から見た図である。実施例１では、各バーナにつきそれぞれ別々の燃料供給系統を設けているが、実施例２では、２つ、あるいは複数のバーナの燃料供給系統をひとつにまとめている。燃料供給系統の数を減らすことにより、燃料供給系統の簡素化が図れる。
【００２８】
例えば、図３に示すように、６つの外周バーナについて、互いに隣接する２つのバーナを構成する板状部材１０の周辺にそれぞれ共通の冷却燃料流路１４Ｇと、それらに燃料を供給する燃料供給系統を設ける。その結果、６つの外周バーナに対して必要な燃料供給系統数は３つとなり、燃料供給系統の簡素化が図れる。
【実施例３】
【００２９】
図４は実施例３においてバーナを燃焼室から見た図、図５はバーナおよび燃料供給系統部分の縦断側面図である。実施例３の保持部材１２は、実施例１の保持部材において、厚さ方向に貫通する冷却空気孔３０も設けた構造となっている。したがって、燃料と冷却空気３１との併用により保持部材１２を冷却するので、冷却効果が増す。
【００３０】
ただし、冷却空気３１は圧縮機１から供給された燃焼用空気２６の一部を用いるため、その分燃焼用空気量が減少してしまうが、保持部材１２の冷却効果を増強させたい場合に実施例３は効果的である。
【実施例４】
【００３１】
図６は、実施例４におけるバーナを燃焼室から見た図である。実施例４の保持部材１２は、実施例２の保持部材１２において、厚さ方向に貫通する冷却空気孔３０も設けた構造となっている。この実施例の効果は基本的には実施例３と同様であるが、複数のバーナへの燃料供給系統をひとつにまとめているため、燃料供給系統の簡素化を図ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】実施例１においてバーナを燃焼室から見た図である。
【図２】実施例１において燃焼器の縦断面を含むガスタービンの系統図である。
【図３】実施例２においてバーナを燃焼室から見た図である。
【図４】実施例３においてバーナを燃焼室から見た図である。
【図５】実施例３においてバーナおよび燃料供給系統部分の縦断側面図である。
【図６】実施例４におけるバーナを燃焼室から見た図である。
【図７】実施例１によるＮＯｘ排出量の低減効果を示す。
【符号の説明】
【００３３】
１…圧縮機、２…燃焼器外筒、３…燃焼器ライナ、４…燃焼室、５…ガスタービン燃焼器、６…閉止板、７…燃料分配器、８…燃料ノズル、９…空気孔、１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆ，１１…板状部材、１２…保持部材、１３…冷却燃料供給系統、１４，１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ，１４Ｄ，１４Ｅ，１４Ｆ，１４Ｇ…冷却燃料流路、１５…分配器供給系統、１６…燃料供給設備、１７…燃料遮断弁、１８，１９，
２０…流量調節弁、２１，２２，２３，２４…燃料、２５…空気、２６…燃焼用空気、
２７…燃焼ガス、２８…タービン、２９…発電機、３０…冷却空気孔、３１…冷却空気。
【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】
0004622885.tif 000006
【図６】
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【図７】
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