(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＤＭＥ燃料を噴射するために中央に位置するパイロット燃料噴射口を有し、前記パイロット燃料噴射口の周辺に燃料噴射口が等角度で複数配置されているガスタービン燃焼器の燃焼ノズルにおいて、
前記各々の燃料噴射口は、ＤＭＥ燃料上部噴射口とＤＭＥ燃料下部噴射口とが１対をなし、燃焼ノズルの燃料−空気混合噴射旋回翼に連通しており、前記ＤＭＥ燃料上部噴射口は、噴射出口に向って拡大する孔に、前記ＤＭＥ燃料下部噴射口は、噴射出口に向って縮小する孔に、各々形成されていることを特徴とする、ＤＭＥ燃料用ガスタービン燃焼器の燃焼ノズル。
【請求項２】
前記燃焼ノズルが複数設けられ、マルチカップガスタービン燃焼器を構成することを特徴とする、請求項１に記載のＤＭＥ燃料用ガスタービン燃焼器の燃焼ノズル。
【請求項３】
上流側のＤＭＥ燃料上部噴射口と下流側のＤＭＥ燃料下部噴射口とが１対をなしている燃料噴射口の全体直径面積を、天然ガス・ガスタービン燃焼器の燃焼ノズルに形成された燃料噴射口の全体直径面積に対して１０５％〜１５０％に拡大設計し、前記燃料噴射口の数を、天然ガス・ガスタービン燃焼器の燃焼ノズルに形成された燃料噴射口の数よりも多くする、ＤＭＥ燃料用ガスタービン燃焼器の燃焼ノズルの設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＤＭＥ（ＤｉＭｅｔｈｙｌ  Ｅｔｈｅｒ：ＣＨ3ＯＣＨ3）燃料を用いるガスタービン燃焼器の燃焼ノズルとその設計方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
公知のように、ＤＭＥ燃料は、天然ガス、石炭、炭層メタンなどの様々な原料から製造することができ、ＬＰＧのように輸送や貯蔵が容易で、排気特性にも優れているため、最近ではクリーンな新燃料として脚光を浴びている。
【０００３】
このようなＤＭＥ燃料は、大部分が、ガスタービンの主燃料である天然ガスに比べて発熱量が低く、燃焼速度が高く、自然発火温度が低いため、既存の燃焼器にそのまま適用すると、液化および燃焼振動による燃焼器の焼損の恐れが大きいという短所を有している。
【０００４】
すなわち、ＤＭＥ燃料を通常の乾式低窒素酸化物ガスタービン燃焼器（Ｄｒｙ  Ｌｏｗ  ＮＯｘ  Ｇａｓ  Ｔｕｒｂｉｎｅ  Ｃｏｍｂｕｓｔｏｒ）に適用する場合には、速い燃焼速度および低い自然発火温度による火炎の逆火、燃焼振動、燃焼不安定などを発生するという問題点を有していた。
【０００５】
現在のガスタービン発電所では、メタン（ＣＨ4）が８５％以上の体積比率を占める天然ガス（Ｎａｔｕｒａｌ  Ｇａｓ）を主燃料とするか、そのバックアップ燃料（Ｂａｃｋ  Ｕｐ  Ｆｕｅｌ）として、蒸留油（Ｄｉｓｔｉｌｌａｔｅ  Ｏｉｌ）を使っている。しかし、このような燃料は市場価格の変動幅が大きく、それに対応するためには様々な将来燃料が適用できるガスタービンの開発が必要となる。特に、将来には、天然ガス、石炭、バイオマスなどの様々な原料から化学的処理法によって製造される新燃料ＤＭＥ（ＤｉＭｅｔｈｙｌ  Ｅｔｈｅｒ、ＣＨ3ＯＣＨ3）が経済性および技術性の評価後に適用される予定である。
【０００６】
この燃料の場合、高い燃焼速度（Ｂｕｒｎｉｎｇ  ｖｅｌｏｃｉｔｙ）および低い自然発火温度（Ｉｇｎｉｔｉｏｎ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）という燃焼特性を有しており、ガスタービンに適用する時に火炎の逆火による燃焼器の焼損が問題となり、低位発熱量（Ｌｏｗ  Ｈｅａｔｉｎｇ  Ｖａｌｕｅ）も２８．８ＭＪ／ｋｇ（５９．３ＭＪ／Ｎｍ3）であって、４９．０ＭＪ／ｋｇ（３５．９ＭＪ／Ｎｍ3）の天然ガスに比べて低く、燃焼器の改造が必要である。
【０００７】
高セタン価を有するＤＭＥの燃焼特性のためにディーゼル代替燃料としての研究が多く進められており、ディーゼル用自動車をＤＭＥ用に改造するための燃焼器の改造および燃料供給システムの設計に関する特許および論文が多く出ているが、本発明のようにガスタービンを対象とした、燃焼ノズルを改造する方法とその実例に関する発明はない。
【０００８】
本発明による燃焼器は、今後のＤＭＥを用いた発電所の安定した運転によって利用率および信頼度を高めることができ、その結果、ＤＭＥを用いた将来原価の節減に寄与すると予想される。
【０００９】
すなわち、本発明は、ＤＭＥ燃料をガスタービン燃焼器に適用する際に最適に燃焼させ、将来燃料の原価節減と信頼度の向上および燃料多角化を追求できる、ＤＭＥ燃料用ガスタービン燃焼器の燃焼ノズルとその設計方法を与える。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、ＤＭＥ燃料を用いるガスタービン燃焼器の燃焼ノズルとその設計方法を提供することを目的としている。
【００１１】
本発明により、ＤＭＥ燃料を発電所のガスタービンに適用する際に最適に燃焼させ、窮極的には将来燃料の多角化と将来信頼度の増加および将来原価の節減をすることができる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
請求項１に記載の発明によれば、ＤＭＥ燃料を噴射するために中央に位置するパイロット燃料噴射口を有し、パイロット燃料噴射口の周辺に燃料噴射口が等角度で複数配置されているガスタービン燃焼器の燃焼ノズルにおいて、各々の燃料噴射口は、ＤＭＥ燃料上部噴射口とＤＭＥ燃料下部噴射口とが１対をなし、燃焼ノズルの燃料−空気混合噴射旋回翼に連通しており、ＤＭＥ燃料上部噴射口は、噴射出口に向って拡大する孔に、ＤＭＥ燃料下部噴射口は、噴射出口に向って縮小する孔に、各々形成されていることを特徴とする、ＤＭＥ燃料用ガスタービン燃焼器の燃焼ノズルが提供される。
【００１３】
請求項２に記載の発明によれば、燃焼ノズルが複数設けられ、マルチカップガスタービン燃焼器を構成することを特徴とする、請求項１に記載のＤＭＥ燃料用ガスタービン燃焼器の燃焼ノズルが提供される。
【００１４】
請求項３に記載の発明によれば、上流側のＤＭＥ燃料上部噴射口と下流側のＤＭＥ燃料下部噴射口とが１対をなしている燃料噴射口の全体直径面積を、天然ガス・ガスタービン燃焼器の燃焼ノズルに形成された燃料噴射口の全体直径面積に対して１０５％〜１５０％に拡大設計し、前記燃料噴射口の数を、天然ガス・ガスタービン燃焼器の燃焼ノズルに形成された燃料噴射口の数よりも多くする、ＤＭＥ燃料用ガスタービン燃焼器の燃焼ノズルの設計方法が提供される。
【発明の効果】
【００１５】
各請求項に記載の発明によれば、ＤＭＥ燃料を用いるガスタービン燃焼器の燃焼ノズルとその設計方法を提供するという共通の効果を奏する。
【００１６】
すなわち、本発明は、天然ガス用ガスタービン燃焼器をＤＭＥ燃料用として設計する時に最も重要な燃焼ノズルの設計方法を提示している。本発明は、ガスタービン燃料をＤＭＥに切り換える時に安定した運転を可能にし、燃焼効率の増加およびＮＯｘなどの有害排気ガスの減少効果をもたらす。
【００１７】
したがって、窮極的には、将来燃料としてのＤＭＥの利用率を高めると共に、将来原価の節減、将来燃料の多角化、および発電所の信頼度増加に大きく寄与することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、添付図面を用いて本発明の実施形態について説明する。なお、複数の添付図面において、同一又は相当する部材には、同一の符号を付している。
【００１９】
図１は本発明に係るＤＭＥ燃料用ガスタービン燃焼器の燃焼ノズルを示す斜視図であり、図２は図１の部分断面の斜視図である。
【００２０】
本発明は、ＤＭＥ燃料を噴射するために中央に位置するパイロット燃料噴射口１０５を有し、パイロット燃料噴射口１０５の周辺に燃料噴射口１０８が等角度で複数配置されているガスタービン燃焼器の燃焼ノズルにおいて、各々の燃料噴射口１０８は、ＤＭＥ燃料上部噴射口１０２とＤＭＥ燃料下部噴射口１０３とが１対をなし、燃焼ノズル１０１の燃料−空気混合噴射旋回翼１０４に連通しており、ＤＭＥ燃料上部噴射口１０２は、噴射出口に向って拡大する孔に、ＤＭＥ燃料下部噴射口１０３は、噴射出口に向って縮小する孔に各々形成されている。
【００２１】
上記本発明は次のような設計方法によってなされる。
【００２２】
［第１段階］
燃焼器に対する入熱エネルギの大きさを示す指数であるウォッベ指数（Ｗｏｂｂｅ  Ｉｎｄｅｘ）を既存の天然ガス燃焼器とＤＭＥ燃焼器に対して計算する。
先ず、ウォッベ指数は下記の式（１）のように発熱量と比重の関数で表す。
【数１】
0004603602.tif 000002
ここで、
ＷＩ＝ウォッベ指数（Ｗｏｂｂｅ  Ｉｎｄｅｘ）
Ｑ：低位発熱量（ｋｃａｌ／Ｎｍ3）
ｄ：０℃、１ａｔｍにおけるガス比重
を示す。
【００２３】
［第２段階］
第１段階で求めたウォッベ指数を用いて入熱量を同一にする条件で燃料噴射口の最小断面積の和を計算する（条件：燃料ガス注入圧力（Ｐ）は同一にする条件である。これは、燃料ガス注入圧力が高くなると燃料が空気中に浸透する距離が変わり、不完全燃焼や拡散燃焼による窒素酸化物が発生する心配があるためである）。
【数２】
0004603602.tif 000003
ここで、
Ｉ：入熱量（ｋｃａｌ／ｈｒ）
Ｄ：ノズル孔の直径（ｍｍ）
Ｋ：流量係数（約０．８）、常数
Ｐ：燃料ガス注入圧力（ｍｍＨ2Ｏ）
ＷＩ：ウォッベ指数
を示す。
天然ガス（Ｎａｔｕｒａｌ  Ｇａｓ、下付添え字はＮ．Ｇ．で表す）とＤＭＥに対して入熱量を計算すると下記の式（３）および式（４）の通りである。
【数３】
0004603602.tif 000004
【数４】
0004603602.tif 000005
【数５】
0004603602.tif 000006
上記の式（３）と式（４）を式（５）に代入した後、表１の天然ガスとＤＭＥの物性を用いて計算すると下記の式（６）のように整理することができる。
【数６】
0004603602.tif 000007
一方、上記の１．０８６という燃料噴射口直径の拡大比率は天然ガスおよびＤＭＥの発熱量測定から計算すべきであり、その拡大率は天然ガスおよびＤＭＥの物性変化に応じて１０５〜１５０％の範囲内で設計することができる。
【表１】
0004603602.tif 000008
すなわち、本発明に係るＤＭＥ燃料上部噴射口１０２と下部噴射口１０３を有する燃焼ノズル１０１の燃料噴射口１０８の全体直径面積は、既存の天然ガス・ガスタービン燃焼器の燃焼ノズルの燃料噴射口より１０５〜１５０％に拡大設計される。
【００２４】
［第３段階］
入熱量を同一にする条件で、ＮＯｘの低減、燃焼効率の向上、火炎の逆火防止などの燃焼性能を向上させるために、燃料噴射口１０８を、以下の（ｉ）、（ii）、（iii）の条件に合わせて設計する。
第２段階の結果を用いて燃料噴射口の直径の大きさだけを変えて適用する時、入熱量は同一にすることができたものの、ＮＯｘ発生量が増加し、燃焼効率が落ちるという結果を燃焼試験によって得た。これを補うために、燃料噴射口１０８の個数を増やし、燃料噴射口の位置を上流および下流にむらなく分配することにより、火炎の逆火を防止し、燃料−空気混合度を十分増加させ、燃焼効率を増加させることができるという効果を確認した。
（ｉ）本発明に係る燃焼ノズル１０１は、旋回流動と共にむらのない燃料分配のために、燃焼ノズル１０１の燃料噴射口１０８を、燃料噴射口１つ当たり、上流側のＤＭＥ燃料上部噴射口１０２と下流側のＤＭＥ燃料下部噴射口１０３の２つに分けて設計するが、全体燃料噴射口１０８の最小断面積の和は第２段階で導き出された断面積と一致する。
【数７】
0004603602.tif 000009
（ii）ＤＭＥ燃料上部噴射口１０２：燃料噴射口１０８において、燃焼室の近くに位置するので、燃料の、むらのない分配と燃焼振動を低減するために、流動の離脱（Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ）が発生しないように滑らかな面を維持しなければならない。よって、燃料の出口側へ拡大する流路を設計する。
（iii）ＤＭＥ燃料下部噴射口１０３：燃料噴射口１０８において、前述のＤＭＥ燃料上部噴射口１０２より燃焼室から遠くに位置するので、燃料の空気側への浸透距離が長く、むらのない噴出（ｊｅｔ）形状をなす必要がある。よって、燃料の出口側へ縮小する流路を設計する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係るＤＭＥ燃料用ガスタービン燃焼器の燃焼ノズルを示す斜視図である。
【図２】図１に示したＤＭＥ燃料用ガスタービン燃焼器の燃焼ノズルの部分断面の斜視図である。
【図３】図２におけるＩ−Ｉ線拡大正面図と断面図である。
【図４】本発明に係るＤＭＥ燃料用ガスタービン燃焼器の燃焼ノズルを複数取り付けたマルチカップ燃焼器（Ｍｕｌｔｉ−ｃｕｐ  Ｃｏｍｂｕｓｔｏｒ）の実施形態の正面図である。
【符号の説明】
【００２６】
１０１    燃焼ノズル
１０２    ＤＭＥ燃料上部噴射口
１０３    ＤＭＥ燃料下部噴射口
１０４    燃料−空気混合噴射旋回翼
１０５    パイロット燃料噴射口
１０８    燃料噴射口
【図１】
0004603602.tif 000010
【図２】
0004603602.tif 000011
【図３】
0004603602.tif 000012
【図４】
0004603602.tif 000013