(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼用空気が供給される燃焼用空気通路と前記燃焼用空気より酸素濃度の低い排ガスを供給する排ガス用通路との接合部における前記燃焼用空気通路内に排ガス注入部及び排ガスを前記燃焼用空気通路に排出する開口部を有する複数の混合器を備え、燃焼用空気と該燃焼用空気より酸素濃度の低い排ガスとを混合する排ガス混合装置において、
前記複数の混合器の全部または一部の入口部に排ガス注入量を調整する排ガス注入量調整手段を設けたことを特徴とする排ガス混合装置。
【請求項２】
燃焼用空気が供給される燃焼用空気通路と前記燃焼用空気より酸素濃度の低い排ガスを供給する排ガス用通路との接合部における前記燃焼用空気通路内に排ガス注入部及び排ガスを前記燃焼用空気通路に排出する開口部を有する複数の混合器を備え、燃焼用空気と該燃焼用空気より酸素濃度の低い排ガスとを混合する排ガス混合装置において、
前記複数の混合器の全部または一部の入口部に設けられ排ガス注入量を調整する排ガス注入量調整手段と、
前記燃焼用空気通路に供給される燃焼用空気量を計測する燃焼用空気量計測手段と、
前記排ガス用通路に供給される排ガス量を計測する排ガス量計測手段と、
前記燃焼用空気量計測手段または排ガス量計測手段の計測結果もしくは燃焼用空気量計測手段及び排ガス量計測手段の計測結果に基づいて前記排ガス注入量調整手段の調整量を制御する制御手段とを有することを特徴とする排ガス混合装置。
【請求項３】
燃焼用空気が供給される燃焼用空気通路と前記燃焼用空気より酸素濃度の低い排ガスを供給する排ガス用通路との接合部における前記燃焼用空気通路内に排ガス注入部及び排ガスを前記燃焼用空気通路に排出する開口部を有する複数の混合器を備え、燃焼用空気と該燃焼用空気より酸素濃度の低い排ガスとを混合する排ガス混合装置において、
前記複数の混合器の全部または一部の入口部に設けられ排ガス注入量を調整する排ガス注入量調整手段と、
前記燃焼用空気通路における前記複数の混合器出口部における酸素濃度を計測する複数の酸素濃度計測手段と、
前記複数の酸素濃度計測手段の計測結果に基づいて前記排ガス注入量調整手段の調整量を制御する制御手段とを有することを特徴とする排ガス混合装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排ガス混合装置に係り、特に排ガス混合性能を高めて高効率のボイラ運用を可能とするボイラ装置に使用するに好適な排ガス混合装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ボイラの低ＮＯｘ燃焼のための排ガス混合システムあるいはガスタービンの排ガスと燃焼用空気送風機で供給される空気とを混合してボイラ燃焼用空気として用いる排気再燃システム等において、排ガスの空気への混合を低差圧で効率よく行なう方法として従来からエアフォイルが用いられている。
【０００３】
排気再燃システムにおける空気及び排ガスの系統図を図５に示す。同図において燃焼用空気は燃焼用空気送風機１で供給され、空気余熱器２で所定の温度に余熱された後、燃焼用空気ダクト６、７を通してバーナ１０及び二段燃焼用空気ポート１１の風箱８、９に供給される。
【０００４】
一方、ガスタービン３より排出された燃焼ガスは、排ガスクーラ４によって所定の温度まで冷却された後、空気余熱器２後流の混合器５で燃焼用空気と混合される。
【０００５】
排ガス混合装置の詳細を図６及び図７を参照して説明する。図６において、燃焼用空気ダクト１０１内には図７にその外観を示すエアフォイル１０３が設置されており、燃焼用空気ダクト１０１に隣接したガスタービン排ガスダクト１０４を通してガスタービン排ガス１０５がエアフォイル１０３内に供給され、エアフォイル１０３の翼上に設けられた開口１０６から燃焼用空気ダクト１０１内に注入されて燃焼用空気１０２と混合される。
【０００６】
ガスタービン排ガスは通常、１３〜１５％の酸素濃度であり、燃焼用空気（酸素濃度２１％）と混合して平均的には所定の酸素濃度となる。排気再燃システムにおいては、ガスタービン排ガスの混合比率を増加した方がガスタービンの廃熱をより多く回収できるためプラント効率は向上する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
排気再燃システムの設計・運用においては、最高効率を目標に、ボイラ安定燃焼限界近傍の風箱酸素濃度となるようにガスタービン排ガス１０５を極力、増加し、燃焼用空気１０２を極力、低減することになる。
【０００８】
しかしながら、ガスタービン排ガスダクト１０４内の圧力損失並びに燃焼用空気ダクト１０１内の流速分布に起因して酸素濃度は一様とはならず、ある分布をもつ。すなわち、燃焼用空気ダクト１０１の上下方向でガスタービン排ガスと燃焼用空気の混合比率が一様とはならない。図８に従来の混合装置出口における酸素濃度分布の例を示す。本例においては、燃焼用空気ダクトの上部が底部に比して酸素濃度が高い分布となっている。このような酸素濃度分布は風箱まで維持されるため、風箱内で最も低い酸素濃度を安定燃焼限界以上に保つ必要がある。図８においては、ダクト底部の酸素濃度を燃焼安定限界１６％以上に維持している例を示している。図８に示すようにダクト上部においては酸素濃度が１７．５％であり、燃焼安定上は過剰な酸素濃度となっている。すなわち、酸素濃度が燃焼安定限界レベル１６％で一様である理想状態に比べてガスタービン排ガスの混合比率を抑制する運用となっており、プラントの運転効率は理想状態に比べて低くなる。
【０００９】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、排ガス混合後の酸素濃度分布を一様にすることにより排ガス混合比率を最大限増加させ、プラントの運転効率を向上させることができる排ガス混合装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の排ガス混合装置は、燃焼用空気が供給される燃焼用空気通路と前記燃焼用空気より酸素濃度の低い排ガスを供給する排ガス用通路との接合部における前記燃焼用空気通路内に排ガス注入部及び排ガスを前記燃焼用空気通路に排出する開口部を有する複数の混合器を備え、燃焼用空気と該燃焼用空気より酸素濃度の低い排ガスとを混合する排ガス混合装置において、前記複数の混合器の全部または一部の入口部に排ガス注入量を調整する排ガス注入量調整手段を設けたことを特徴とする。
【００１１】
本発明の排ガス混合装置は、燃焼用空気が供給される燃焼用空気通路と前記燃焼用空気より酸素濃度の低い排ガスを供給する排ガス用通路との接合部における前記燃焼用空気通路内に排ガス注入部及び排ガスを前記燃焼用空気通路に排出する開口部を有する複数の混合器を備え、燃焼用空気と該燃焼用空気より酸素濃度の低い排ガスとを混合する排ガス混合装置において、前記複数の混合器の全部または一部の入口部に設けられ排ガス注入量を調整する排ガス注入量調整手段と、前記燃焼用空気通路に供給される燃焼用空気量を計測する燃焼用空気量計測手段と、前記排ガス用通路に供給される排ガス量を計測する排ガス量計測手段と、前記燃焼用空気量計測手段または排ガス量計測手段の計測結果もしくは燃焼用空気量計測手段及び排ガス量計測手段の計測結果に基づいて前記排ガス注入量調整手段の調整量を制御する制御手段とを有することを特徴とする。
【００１２】
本発明の排ガス混合装置は、燃焼用空気が供給される燃焼用空気通路と前記燃焼用空気より酸素濃度の低い排ガスを供給する排ガス用通路との接合部における前記燃焼用空気通路内に排ガス注入部及び排ガスを前記燃焼用空気通路に排出する開口部を有する複数の混合器を備え、燃焼用空気と該燃焼用空気より酸素濃度の低い排ガスとを混合する排ガス混合装置において、前記複数の混合器の全部または一部の入口部に設けられ排ガス注入量を調整する排ガス注入量調整手段と、前記燃焼用空気通路における前記複数の混合器出口部における酸素濃度を計測する複数の酸素濃度計測手段と、前記複数の酸素濃度計測手段の計測結果に基づいて前記排ガス注入量調整手段の調整量を制御する制御手段とを有することを特徴とする。
【００１３】
上記構成の排ガス混合装置では、排ガス注入量調整手段（ダンパ）を設けることによって混合装置出口の酸素濃度は一様に調整もしくは制御されるため、排気再燃システムにおいては排ガスを最大限にボイラに投入できるためプラントの運転効率を理想状態まで高めることが可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１には本発明に係る排ガス混合装置の実施の形態の一例の要部の構成が示されている。図１（ａ）は側面図、図１（ｂ）は図１（ａ）におけるＡ−Ａ矢視断面図である。図１において、燃焼用空気ダクト２０１とガスタービン排ガス注入ダクト２０４との接合部における燃焼用空気ダクト２０１内にはその高さ方向に複数のエアフォイル（混合器）２０３が設けられている。このエアフォイル２０３はその翼上に複数の開口部２０６を有し、エアフォイル２０３の内部には複数の開口部２０６の面積を調整するための複数のダンパ２０７が設置されている。このダンパ２０７は図１（ａ）において矢印Ａ方向に位置調整することにより開口部２０６の面積を調整することができる。したがって、エアフォイル２０３の出口の酸素濃度分布測定結果に基づいて各ダンパの位置を燃焼用空気ダクト２０１の高さ方向について偏差を与えるように調整することにより、エアフォイル２０３出口の酸素濃度分布を一様に調整することができる。例えば、全てのエアフォイル２０３の開口部２０６が全開である場合にエアフォイル２０３出口における酸素濃度が図８に示すような分布である状態に対しては燃焼用空気ダクト２０１の上部に位置するエアフォイル２０３程、ガスタービン排ガスの注入量が多くなるように、すなわちエアフォイル２０３の開口部２０６の開口面積が大きくなるようにダンパの位置に偏差をもたせることにより、酸素濃度分布は一様に調整される。
【００１５】
次に図２に本発明に係る排ガス混合装置の他の実施の形態を示す。この例ではダンパ３０７を複数のエアフォイル３０３の各入口に設置し、その開度を駆動装置３０８を介して図示してない制御手段により運用条件により制御するように構成された点であり、その他の構成は図１の例と同様である。運用条件に応じて自動的にダンパ開度に燃焼用空気ダクト３０１の高さ方向に対し偏差を与え、燃焼用空気ダクト３０１内の高さ方向で排ガス注入量を変化させることにより燃焼用空気ダクト３０１内の高さ方向の燃焼用空気３０２の流量と排ガス３０５の注入流量の比率を一様に保つことができるので、エアフォイル３０３出口における酸素濃度を常に一様に維持することができる。尚、３０４はガスタービン排ガスダクト、３０６はエアフォイル３０３の開口部である。
【００１６】
図３は、図２の構成においてダンパ開度を排ガス注入流量及び燃焼用空気流量に基づいて自動的に調整するための運転・制御特性の例を示している。排ガス注入量と燃焼用空気流量によってエアフォイル（混合器）出口における酸素濃度を一様にするためのダンパ開度の偏差が異なる場合においては、任意の条件に対して試運転結果に基づき適正な開度を設定することにより常にエアフォイル出口における酸素濃度を一様に維持することができる。本例においては燃焼用空気ダクトの下側に位置するダンパ程、その開度を絞って排ガス注入量を抑え、燃焼用空気ダクトの下側の酸素濃度を高めることによりエアフォイル出口の燃焼用空気ダクトにおける高さ方向の酸素濃度分布を一様に維持するように運転・制御特性を設定している。
【００１７】
また本例では燃焼用空気流量が低い場合、排ガス注入流量の影響が大きくなるため、ダンパ開度の設定偏差が大きくなっている。すなわち、中段、下段のダンパのダンパ開度が更に絞られている。
【００１８】
次に図４に本発明に係る排ガス混合装置の更に他の実施の形態を示す。本例は、エアフォイル出口に設けた複数の酸素濃度測定器の酸素濃度を示す測定信号に基づきダンパの開度を自動的に制御するように構成されている。
【００１９】
同図において、４０１は燃焼用空気ダクト、４０２は燃焼用空気、４０３はエアフォイル、４０４はガスタービン排ガスダクト、４０５はガスタービン排ガスである。各エアフォイル（混合器）４０３出口には酸素濃度測定器４０９が設けられ、またガスタービン排ガスダクト４０４内における各エアフォイル入口にはガスタービン排ガス注入量を調節するダンパ４０７が設けられ、駆動装置４０８により駆動されるようになっている。
【００２０】
また４１１は制御装置であり、各酸素濃度測定器４０９の測定信号４１０に基づいて各駆動装置４０８に制御信号を出力し、各ダンパ４０７の開度を調節し、エアフォイル４０３出口の燃焼用空気ダクト４０１内の高さ方向における酸素濃度を一定に制御する。例えば、酸素濃度測定値が最も高い位置に相当するダンパ４０７は全開となるように制御される。その他のダンパ４０７については対応する酸素濃度測定器４０９の計測値が全酸素濃度測定器の計測値の平均値より高い場合は開度を増加させ、平均より低い場合は開度を現象させるように制御装置４１１により制御することによりエアフォイル４０３出口の燃焼用空気ダクト４０１内の高さ方向における酸素濃度を一定に制御することができる。
【００２１】
【発明の効果】
本発明によれば、燃焼用空気とガスタービン排ガスとを混合する混合器出口における酸素濃度が一様に保たれ、ガスタービン排ガスを最大限に投入できるため、排気再燃システムにおけるプラントの運転効率を最大限に高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る排ガス混合装置の実施の形態の一例の要部の構成を示す構成図である。
【図２】本発明に係る排ガス混合装置の他の実施の形態を示す構成図である。
【図３】図２に示した排ガス混合装置においてダンパ開度を排ガス注入流量及び燃焼用空気流量に基づいて自動的に調整するための運転・制御特性の一例を示す図である。
【図４】本発明に係る排ガス混合装置の更に他の実施の形態を示す構成図である。
【図５】排気再燃システムの概略構成を示す系統図である。
【図６】従来の排ガス混合装置の具体的構成を示す側面図及び正面図である。
【図７】図６に示した従来の排ガス混合装置の混合器の外観構成を示す斜視図である。
【図８】従来の排ガス混合装置出口における酸素濃度分布の例を示す図である。
【符号の説明】
１  燃焼用空気送風機
２  空気余熱器
３  ガスタービン
４  排ガスクーラ
５  混合器
６  燃焼用空気ダクト
７  二段燃焼用空気ダクト
８  バーナ用風箱
９  二段燃焼用空気ポート用風箱
１０  バーナ
１１  二段燃焼用空気ポート
１２  火炉
１０１  燃焼用空気ダクト
１０２  燃焼用空気
１０３  エアフォイル
１０４  ガスタービン排ガスダクト
１０５  ガスタービン排ガス
１０６  エアフォイル開口
２０１  燃焼用空気ダクト
２０２  燃焼用空気
２０３  エアフォイル
２０４  ガスタービン排ガス注入ダクト
２０５  ガスタービン排ガス
２０６  エアフォイル開口
２０７  ダンパ
３０７  ダンパ
３０８  駆動装置
４０７  ダンパ
４０８  駆動装置
４０９  酸素濃度測定器
４１１  制御装置
【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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