JP4728176B2

JP4728176B2 - バーナ、ガスタービン燃焼器及びバーナの冷却方法

Info

Publication number: JP4728176B2
Application number: JP2006168987A
Authority: JP
Inventors: 浩美小泉; 洋井上; 俊文笹尾; 勲竹原
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2005-06-24
Filing date: 2006-06-19
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2026-06-19
Also published as: JP2007033022A; HK1138057A1; EP1736707A3; EP1736707B1; EP1736707A2; US20130019584A1; US20070003897A1

Description

本発明は、水素又は一酸化炭素の少なくともいずれかを含む混合燃料を用いるバーナ、ガスタービン燃焼器及びバーナの冷却方法に関する。

近年、ガスタービンの燃料は多様化しつつあり、ガスタービンの主要燃料であるＬＮＧ（液化天然ガス）や軽油、Ａ重油以外に水素や一酸化炭素等を含む多成分からなる混合ガス燃料（以下、単に混合燃料と記載する）の利用が検討されている。こうした混合燃料はＬＮＧに比べて火炎温度が高く、特に水素は可燃範囲が広く燃焼速度が速く燃え易い。

ＬＮＧを燃焼する場合は予混合方式が主流である。しかし、予混合方式で混合燃料を燃焼すると、燃料組成変化による燃焼特性の変化や混合燃料に水素や一酸化炭素を含むことにより逆火が生じやすくなる。そのため、混合燃料を予混合方式で燃焼させることは困難である。従って、混合燃料を燃焼する場合には燃料と空気とを別々に燃焼室内に噴射する拡散燃焼方式のバーナ（特許文献１等参照）を採用するのが一般的である。

特開２００４−３７３０号公報

水素や一酸化炭素を含む混合燃料の場合、拡散燃焼であってもガスタービン着火時の安全性に配慮する必要があり、ガスタービンの起動には軽油等の他種燃料を用いるのが望ましい。軽油等の他種燃料でガスタービンを起動した場合、起動・昇速し、負荷併入した後に、起動用燃料から混合燃料専焼に運転モードを切り換えることになる。ここで、混合燃料専焼とは混合燃料のみを燃焼器に供給する運転モードを言う。ところが、混合燃料専焼に切り換えた後、混合燃料は火炎温度が高く燃焼速度も速いために、ノズル端面に火炎が接近し易くノズル端面におけるメタル温度の上昇が懸念される。

本発明の目的は、水素又は一酸化炭素の少なくともいずれかを含む混合燃料を燃料に用いる場合でも、ノズル端面のメタル温度を適正範囲内に抑えて信頼性を向上させることができるバーナ、ガスタービン燃焼器及びバーナの冷却方法を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、水素又は一酸化炭素の少なくともいずれかを含む混合燃料をガスタービン燃焼器の燃焼室内に噴射するバーナにおいて、前記燃焼室に起動用燃料を噴射する起動用燃料ノズルと、この起動用燃料ノズルの周囲に設けられ、前記混合燃料を噴射する混合燃料ノズルと、この混合燃料ノズルの前記燃焼室側の端部に設けられ、火炎を保持するために圧縮機からの圧縮空気の一部を前記燃焼室に噴射する複数の流路を有するとともに、前記混合燃料ノズルの噴出孔を前記流路の内周部に配設した空気旋回器と、前記燃焼室に臨むノズル端面における前記起動用燃料ノズルと前記空気旋回器との間の領域に設けられ、ノズル端面近傍における火炎温度を低下させるために前記混合燃料ノズルから噴射する混合燃料の一部を前記燃焼室に噴射する冷却孔とを備えたことを特徴とする。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記起動用燃料ノズルは、ガスタービン起動用の液体燃料を噴射する液体燃料ノズルと、この液体燃料ノズルの周囲に設けられ、液体燃料を微粒化するための噴霧空気を噴射する噴霧空気ノズルとからなることを特徴とする。

（３）上記（１）において、また好ましくは、前記起動用燃料ノズルは、前記燃焼室を形成する主室ライナの半径方向の中心部に配置されていることを特徴とする。

（４）上記（１）において、好ましくは、前記起動用燃料ノズルに不活性媒体を供給する不活性媒体供給系統をさらに備え、前記混合燃料の専焼運転時、前記不活性媒体供給系統からの不活性媒体を前記起動用燃料ノズルに供給し、前記起動用燃料ノズルによってノズル端面近傍に不活性媒体を噴射することを特徴とする。

（５）上記（１）において、好ましくは、前記混合燃料は、コークス炉ガス、高炉ガス、転炉ガス、石炭、重質油ガス化ガス等であることを特徴とする。

（６）上記目的を達成するために、また本発明は、水素又は一酸化炭素の少なくともいずれかを含む混合燃料を燃焼するガスタービン燃焼器において、圧力容器である外筒と、この外筒の内周側に設けられ、内部に燃焼室を形成する主室ライナと、この主室ライナ内の前記燃焼室にて火炎を形成するためのバーナと、このバーナの火炎形成により発生した燃焼ガスをタービンヘ導く尾筒とを備え、前記バーナは、前記燃焼室に起動用燃料を噴射する起動用燃料ノズルと、この起動用燃料ノズルの周囲に設けられ、前記混合燃料を噴射する混合燃料ノズルと、この混合燃料ノズルの前記燃焼室側の端部に設けられ、火炎を保持するために圧縮機からの圧縮空気の一部を前記燃焼室に噴射する複数の流路を有するとともに、前記混合燃料ノズルの噴出孔を前記流路の内周部に配設した空気旋回器と、前記燃焼室に臨むノズル端面における前記起動用燃料ノズルと前記空気旋回器との間の領域に設けられ、ノズル端面近傍における火炎温度を低下させるために前記混合燃料ノズルから噴射する混合燃料の一部を前記燃焼室に噴射する冷却孔とを備えている。

（７）上記目的を達成するために、また本発明は、水素又は一酸化炭素の少なくともいずれかを含む混合燃料をガスタービン燃焼器の燃焼室内に噴射する拡散燃焼方式のバーナの冷却方法において、前記燃焼室に起動用燃料を噴射する起動用燃料ノズルと、この起動用燃料ノズルの周囲に設けられ、前記混合燃料を噴射する混合燃料ノズルと、この混合燃料ノズルの前記燃焼室側の端部に設けられ、火炎を保持するために圧縮機からの圧縮空気の一部を前記燃焼室に噴射する複数の流路を有するとともに、前記混合燃料ノズルの噴出孔を前記流路の内周部に配設した空気旋回器とを備えたバーナに対して、前記燃焼室に臨むノズル端面における前記起動用燃料ノズルと前記空気旋回器との間の領域に前記混合燃料の一部を噴出する冷却孔を設け、この冷却孔を介して前記混合燃料を前記燃焼室に噴射することでノズル端面近傍における火炎温度を低下させ、これによりノズル端面のメタル温度の上昇を抑制することを特徴とする。

（８）上記（１）において、好ましくは、前記起動用燃料ノズルから燃料をパージする手段を備えたことを特徴とする。

（９）上記（８）において好ましくは、前記燃料をパージする手段は、前記混合燃料ノズルに供給する混合燃料の一部を前記起動用燃料ノズルに供給する系統を備えることを特徴とする。

本発明によれば、水素又は一酸化炭素の少なくともいずれかを含む混合燃料を燃料に用いる場合でも、ノズル端面近傍の燃料濃度を高めることにより火炎温度を低下させることができ、ノズル端面のメタル温度を適正範囲内に抑えて信頼性を向上させることができる。

以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態に係るバーナを備えたガスタービンプラントの概略図である。
本実施の形態のガスタービンプラントは、空気圧縮機２、燃焼器３、タービン４、発電機６及びガスタービン駆動用の起動用モータ８等を備えている。空気圧縮機２では吸い込んだ空気１０１が圧縮され、空気圧縮機２からの圧縮空気１０２が燃料２００，２０１とともに燃焼器３で燃焼される。燃焼器３からの燃焼ガス１１０がタービン４に供給されると、燃焼ガス１１０によりタービン４にて回転動力が得られ、タービン４の回転動力が空気圧縮機２及び発電機６に伝達される。空気圧縮機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。

なお、図１では負荷機器として発電機６を図示したが、負荷機器としてはポンプ等が用いられる場合もある。またタービン４は、１軸式のものに限られず２軸式のものが用いられることもある。

本実施の形態における燃焼器３は水素（Ｈ２）又は一酸化炭素（ＣＯ）の少なくともいずれかを含む多成分混合ガス燃料（混合燃料）を燃焼するものであり、こうした混合燃料である気体燃料２０１の他、ガスタービンの起動用燃料である液体燃料２００、液体燃料２００を微粒化するための噴霧空気１０３、ＮＯｘ低減に必要な不活性媒体（蒸気）１０４の供給系統を備えている。燃焼器３で燃焼される気体燃料２０１には、例えばコークス炉ガスや高炉ガス、転炉ガス等の多成分から成るガス燃料、或いは石炭や重質油等の原料を酸素でガス化して得られる水素や一酸化炭素を含む石炭、重質油ガス化ガス等が挙げられる。また液体燃料２００には、例えば軽油、Ａ重油等が用いられる。

燃焼器３は、圧力容器である外筒１０と、この外筒１０の内周部に設けられ内部に燃焼室を形成する主室ライナ１２と、この主室ライナ１２内の燃焼室にて火炎を形成するためのバーナ１３と、このバーナ１３の火炎形成により発生した燃焼ガス１１０をタービン４ヘと導く尾筒（図示せず）とを備えている。本実施の形態において、バーナ１３は拡散燃焼方式のものであり燃焼器一缶当たりに１つずつ設けられている。

図２はバーナ１３の側断面の拡大図、図３は燃焼室側から見たバーナ１３の正面図である。
これら図２及び図３にも示したように、バーナ１３は、燃焼室に起動用燃料である液体燃料２００を噴射する起動用燃料ノズル１５と、気体燃料２０１を噴射する混合燃料ノズル１６と、火炎を保持するために空気圧縮機２からの圧縮空気１０２のうちの一部の圧縮空気１０２ａを燃焼室に噴射する空気旋回器１７とを備えている。

起動用燃料ノズル１５は、燃焼室の半径方向の中心部に配置されており、ガスタービン起動用の液体燃料２００を噴射する液体燃料ノズル２０と、液体燃料２００を微粒化するための噴霧空気１０３を噴射する噴霧空気ノズル２１とで構成されている。噴霧空気ノズル２１は液体燃料ノズル２０の周囲を取り囲むようにして設けた内筒２２で形成され、内筒２２の内壁面と液体燃料ノズル２０の外壁面との間に形成された流路に噴霧空気１０３や蒸気１０４が流れる。そして燃焼室に臨む噴霧空気ノズル２１の噴出口２１ａから噴出する噴霧空気１０３や不活性媒体（蒸気）１０４が液体燃料ノズル２０の噴出口２０ａより噴出する液体燃料２００に干渉し、これにより液体燃料２００が微粒化されて燃焼室内に噴霧される。

混合燃料ノズル１６は噴霧空気ノズル２１の周囲を取り囲むようにして設けたボディ２３を本体とし、ボディ２３の内壁面と噴霧空気ノズル２１の内筒２２の外壁面との間に形成された流路に気体燃料２０１が流れる。この混合燃料ノズル１６の燃焼室側の端部には空気旋回器１７が設けられている。図２及び図３に示すように空気旋回器１７は周方向に一定の間隔で圧縮空気１０２ａに旋回成分を与えるための流路１７ａを有している。流路１７ａはボディ２３の燃焼室側の外周部に倣うようにして設けられている。この空気旋回器１７の流路１７ａには、燃焼器３に供給された圧縮機からの圧縮空気１０２の一部であって、圧力バランスによって供給される空気１０２ａが供給される。残りの圧縮空気１０２は、主室ライナ１２の燃焼空気孔や冷却孔を介して燃焼室に流入する。従って、圧縮機２からの圧縮空気によって、主室ライナ１２の冷却も同時に行うことが可能である。

混合燃料ノズル１６の噴出口１６ａは空気旋回器１７の流路１７ａの内周側に設けられており、噴出口１６ａから噴出した気体燃料２０１は空気旋回器１７から噴出する旋回流に同伴して燃焼室内に噴出される。そして空気旋回器１７からの旋回空気１０２ａと気体燃料２０１の混合によって空気旋回器１７の前面に火炎が保持される。

バーナ１３の燃焼室に臨むノズル端面（スワラー端面）１８には冷却孔５３が設けられている。これら冷却孔５３は、噴霧空気の噴出口２１ａと空気旋回器１７の流路１７ａとの間の領域に混合燃料ノズル１６の流路に連通するように複数穿設されている。そして、混合燃料ノズル１６から噴射する気体燃料２０１のうちの一部の気体燃料２０１ａがこれら冷却孔５３を介して燃焼室に噴出する。これによりノズル端面１８近傍における燃料濃度が高まるようになっている。

本実施の形態においては、起動用燃料ノズル１５に液体燃料２００を供給する起動用燃料供給系統、及び混合燃料ノズル１６に気体燃料２０１を供給する混合燃料供給系統をそれぞれ独立して備えている。起動用燃料供給系統は液体燃料ノズル２０の導入口２０ｂに、混合燃料供給系統は混合燃料ノズル１６の導入口１６ｂに接続しており、それぞれ燃料流量を調整する制御弁（図示せず）を備えている。

一方、噴霧空気ノズル２１に噴霧空気１０３を供給する噴霧空気供給系統は噴霧空気ノズル２１の導入口２１ｂに、空気旋回器１７に不活性媒体１０４を供給する不活性媒体供給系統は燃焼器外筒１０の導入口１０ｂにそれぞれ接続している。これら噴霧空気供給系統及び不活性媒体供給系統は互いにバイパス管路を介して接続しており、両者を繋ぐこのバイパス管路にはバイパス管路の流路を開閉する遮断弁３００が設けられている。さらに不活性媒体供給系統のバイパス管路よりも下流側には、不活性媒体供給系統の流路を開閉する遮断弁３０１、及び不活性媒体供給系統を流れる蒸気流量を調節する蒸気流量調節弁３０２が上流側からこの順で設けられている。

上記構成のガスタービンプラントは、始動の際には起動用モータ８等の外部動力によってガスタービンが駆動され、空気圧縮機２の吐出空気１０２と液体燃料２００によって燃焼器３にて着火される。燃料器３からの燃焼ガス１１０はタービン４に供給されてタービン４に回転動力を与える。液体燃料２００の流量の増加に伴ってタービン４が昇速し、起動用モータ８の離脱によりガスタービンは自立運転に移行する。そして無負荷定格回転数に到達したら、発電機６の併入、さらには液体燃料２００の流量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。

負荷併入後は不活性媒体供給系統から燃焼器３に蒸気を噴射しＮＯｘの排出量を抑制する。燃焼器３に供給する蒸気１０４は、遮断弁３０１を通過して蒸気流量調節弁３０２にて適正な流量に調節された後、空気圧縮機２からの燃焼空気１０２ａと混合され空気旋回器１７の流路１７ａから燃焼室に噴出する。燃焼空気１０２ａの酸素濃度は蒸気１０４と混合されることで低下する。そこで、低酸素濃度空気で液体燃料２００を燃焼することで燃焼室での火炎温度が低下しＮＯｘ濃度が抑制される。

その後負荷上昇操作がなされると、液体燃料２００から混合ガス燃料である気体燃料２０１ヘの燃料切り換え操作が可能となる。燃料切り換え操作はガスタービン負荷を一定に保ったまま液体燃料２００の流量を減少させ気体燃料２０１の供給量を増加させるようにする。最終的に気体燃料２０１への燃料切り換え操作が完了し混合燃料専焼運転に移行すると、気体燃料２０１の流量増加に伴って負荷上昇が可能となる。混合燃料専焼運転に移行した後は液体燃料２００の供給停止に続き、液体燃料２００を微粒化する噴霧空気１０３を供給停止する。

ここで、本実施の形態のような拡散燃焼用バーナでは、起動用燃料の微粒化のためにバーナの燃焼室側のノズル端面から空気を噴射するのが通常である。しかし、こうした空気の供給は多成分混合ガスを燃焼させる時に、ノズル端面のメタル温度に与える影響が大きい。その原因を図７及び図８により説明する。

図７は水素・メタン・窒素で構成する混合ガスの燃料と空気の質量比率（Ｆ／Ａ）と理論燃焼温度の関係を示した図である。
図７に示すように、理論燃焼温度（℃）はＦ／Ａ（ｋｇ／ｋｇ）の増加とともに上昇し、あるＦ／Ａ条件で最大となり、さらにＦ／Ａが高くなるとその後は低下する傾向にある。理論燃焼温度が最大となるＦ／Ａを量論混合比、それよりもＦ／Ａが低い領域を燃料希薄領域、高い状態を燃料過濃領域と呼ぶ。燃料過濃領域はＦ／Ａとの関係を考慮すると、噴霧空気を供給した場合（図７中の領域Ａ）は噴霧空気を供給しない場合（図７中の領域Ｂ）よりも量論混合比に近付くものと考えられる。

本実施の形態の場合、燃焼器３のノズル端面近傍は燃料過濃領域となっているものと考えられるが、噴霧空気を供給することでＦ／Ａが量論混合比に近付き火炎温度（燃焼温度）が高くなる。一方、蒸気等の不活性媒体を供給する場合には理論燃焼温度は低下する傾向を示す（図７中の領域Ｃ）。

図８は混合燃料専焼運転への移行後において、噴霧空気や不活性媒体の供給とノズル端面におけるメタル温度との相関関係を表したものである。
図８は水素・メタン・窒素の混合ガスを燃焼した場合を表したものである。図示したようにガスタービンの負荷条件に関わらず、噴霧空気を供給した場合の方が噴霧空気を供給しない場合よりもメタル温度が高く、不活性媒体を供給した場合の方が不活性媒体を供給しない場合よりもメタル温度が低くなっている。これは噴霧空気供給の有無や不活性媒体供給の有無によってノズル端面近傍のＦ／Ａが変化し燃焼温度が変化するためと考えられる。特に水素や一酸化炭素を含む燃料の場合は燃焼速度の速さから火炎がノズル端面近傍に接近する傾向にあるためメタル温度は火炎温度の影響を受け易くなる。そこで、本実施の形態のように水素や一酸化炭素を含む混合燃料を燃焼する場合、ノズル端面近傍のＦ／Ａが量論混合比近傍の条件とならないように配慮することでノズル端面のメタル温度上昇を抑制することができる。

本実施の形態の場合、圧縮機からの吐出空気の一部を利用してノズル端面を冷却するとＦ／Ａが量論混合比に近付いて火炎温度が高くなる。したがって水素や一酸化炭素を含む混合燃料を燃焼する場合、スワラー近傍に火炎が接近しメタル温度が上昇し易くなり空気による冷却は困難である。一方、定格負荷条件において空気旋回器１７に供給する空気量を増加する等してノズル端面近傍のＦ／Ａを燃料希薄領域に設定すると、燃料流量を低下させる低負荷条件で未燃分が増加し失火しやすくなるので実用的でない。逆に空気旋回器１７に供給する空気量を極端に抑制しノズル端面近傍のＦ／Ａを高めた場合、可燃範囲よりもさらに燃料過濃領域となるため火炎が吹き飛ぶ等といった燃焼安定性の問題が生じる。

それに対し本実施の形態においては、ノズル端面に混合ガス燃料２０１の一部を噴出する冷却孔５３を設けたことにより、ノズル端面の燃料濃度が高くなる。そのため、ノズル端面近傍の領域におけるＦ／Ａを増加させることができノズル端面近傍の火炎温度を低下させることができる。よって空気冷却のようにＦ／Ａが量論混合比付近に推移して火炎温度が高くなる現象が生じるようなこともなく、ノズル端面のメタル温度を低下させることができる。

またガスタービンに供給される燃料の温度は燃料種によって多少違いはあるもののコークス炉ガス等は１００℃以下、石炭を酸素でガス化したガス化ガス燃料も２００〜３００℃以下であり、この温度は圧縮機からの吐出空気の温度（およそ３９０℃程度）よりも低い。よって燃料の顕熱を利用することで空気冷却に比べても高い冷却性能を確保することができる。このようにガスタービンの作動負荷範囲において燃焼安定性を確保しつつノズル端面のメタル温度を適正範囲内に抑えることができるので信頼性を向上させることができる。

さらに、本実施の形態によれば、空気旋回器１７の流路１７ａの内周側に気体燃料２０１の噴出孔１６ａを設けたことにより、噴出孔１６ａが空気１０２ａの動圧を受ける。そのため、液体燃料２００の専焼運転中は噴出孔１６ａを介して圧縮機２からの圧縮空気１０２ａが混合燃料ノズル１６内に供給され、ノズル端面に設けた冷却孔５３を介して空気１０２ａが供給される。その際、噴霧した液体燃料２００と冷却孔５３から供給される空気１０２ａとが混合されるため、液体燃料２００が空気旋回器１７から供給される空気１０２ａのみと混合される場合に比べて起動用燃料ノズル５０近傍により多くの空気が供給されるので液体燃料燃焼時の煤抑制に効果的である。

一般に液体燃料は、液体燃料を微粒化させ、微粒化した燃料が蒸発し、燃料と空気が混合して燃焼する、といったプロセスで燃焼する。そのため、燃料と空気の混合が不十分の場合、燃焼の際に煤等の煤塵濃度が増加する。本実施の形態では、起動用の液体燃料を微粒化して噴射する噴霧シース（噴出孔２１ａ）の近傍から気体燃料２０１を噴出するための冷却孔５３を介して噴霧空気１０２ａを供給することができる。これにより液体燃料を燃焼することによる煤発生を抑制する効果が併せて得られる。

以上に加え、本実施の形態では、遮断弁３００を開放することで起動用燃料ノズル１５の噴霧空気供給系統に、ＮＯｘ低減のために使用する蒸気等の不活性媒体１０４の一部を供給することができる。ＮＯｘ低減に必要な蒸気１０４は、気体燃料２０１の専焼運転に移行し噴霧空気１０３の供給を停止した後に供給する。ノズル端面の中心にある起動用燃料ノズル１５から蒸気１０４を噴出することによってノズル端面近傍の火炎温度が低下する（図７も参照）ため、ノズル端面のメタル温度を低下させることができる。

なお、蒸気１０４を起動用燃料ノズル１５に供給する際、噴霧空気供給系統には蒸気１０４の逆流を防止する逆止弁等を設ける必要がある。本実施の形態では、ＮＯｘ低減のための不活性媒体として蒸気を用いる場合を例に挙げて説明したが、一般にプラントで得られる窒素や二酸化炭素等といった他の不活性媒体を利用することも可能であり、これらの場合でも同様の効果が得られる。

また、液体燃料２００を燃焼した後、噴霧空気１０３の供給系統を不活性媒体の供給系統として利用して起動用燃料ノズル１５から不活性媒体を噴射することで、簡素な構成で油・噴霧空気・ガスの３重燃料を供給する構造とすることができる。

本実施の形態においては、冷却孔５３から気体燃料２０１を噴出する構成と起動用燃料ノズル１５の噴霧空気供給系統から不活性媒体を噴出する構成の双方を備える構成としたが、いずれか一方でも高い冷却効果が得られる。ノズル端面の中心部から不活性媒体を噴出することによるノズル端面の冷却機能を省略する場合には、例えば遮断弁３００及びこれを設置しているバイパス管路を省略すれば良い。反対に冷却孔５３からの混合燃料の噴出による冷却機能を省略してもノズル端面の中心から不活性媒体を噴出することによりノズル端面の冷却効果が得られる。

ここで、図４は本実施の形態における冷却孔５３を省略した本発明の第２の実施の形態に係るバーナの部分拡大図、図５はそれを燃焼室側から見た図である。これらの図において先の各図と同様の部分には同符号を付し説明を省略する。
図４及び図５に示したバーナは、空気旋回器１７の流路１７ａの内周側に噴出孔１６ａを設け、空気旋回器１７の半径方向中心部に起動用燃料ノズル１５を備えている。冷却孔５３を省略した点を除けば、図２及び図３に示したバーナと同様の構成である。このような冷却孔がなくノズル端面１８の近傍領域の燃料濃度を高めることができないバーナであっても、ノズル端面１８のメタル温度の上昇を抑制することができる。

図６は図４及び図５に示した本発明の第２の実施の形態に係るバーナを備えたガスタービンプラントの概略図である。
図６に示したガスタービンプラントには、図１に示したプラントと同様に水素や一酸化炭素を含む多成分ガスから成る気体燃料２０１、ガスタービン起動用燃料である液体燃料２００、液体燃料２００を微粒化するための噴霧空気１０３、ＮＯｘ低減のための蒸気１０４が用いられる。図１のプラントと同様、不活性媒体供給系統には遮断弁３０１及び流量調節弁３０２が、噴霧空気供給系統と不活性媒体供給系統とをつなぐバイパス管路には遮断弁３００がそれぞれ備えられている。つまりノズル端面の冷却孔を省略した点を除けば本実施の形態におけるガスタービンプラントは図１のプラントとほぼ同様に構成されている。

本実施の形態におけるプラントも、図１のプラントと同様、液体燃料２００にて負荷併入後、蒸気１０４を燃焼室に噴射することでＮＯｘ排出濃度を低下させることができる。そしてその後の負荷上昇に伴って液体燃料２００から気体燃料２０１に燃料を切り換え、混合燃料専焼に運転モードが移行した後は噴霧空気１０３の供給を停止する。噴霧空気１０３の供給を停止した後、遮断弁３００を開放し起動用燃料ノズル１５を介してノズル端面中心部から蒸気１０４を噴射する。空気旋回器１７の端面の中心にある起動用燃料ノズル１５から蒸気１０４を燃焼室に供給することで、ノズル端面近傍に形成される火炎の温度が低下し、ノズル端面のメタル温度を低減させ信頼性を向上させることができる。

また噴霧空気供給系統を利用して蒸気１０４を起動用燃料ノズル１５に供給することで不活性媒体を起動用燃料ノズル１５に供給するための新たな供給系統を設ける必要もない。一般にノズル端面に燃料を噴射する冷却孔は存在しないので、本実施の形態のバーナは既存の拡散燃焼方式のバーナを利用して容易に構成することができることも大きなメリットである。

図９は本発明の第３の実施の形態に係るバーナを備えたガスタービンプラントの概略図である。
第１、第２の実施の形態では、ガスタービンの起動用に液体燃料２００を用い、ある負荷帯で混合燃料専焼運転に切替えた後は、液体燃料２００の供給を停止する。この場合、液体燃料ノズル２０内に液体燃料２００が滞留していると、火炎からの熱により液体燃料ノズル２０が温められ、滞留していた液体燃料２００がノズル内で固形化する現象（コーキング）が発生する。従って、混合燃料専焼運転に切替終了後、窒素などの気体を液体燃料ノズル２０内に供給して液体燃料２００を燃焼室３にパージすることで、コーキングによる液体燃料ノズル流路の閉塞を防止している。

コーキングは、混合燃料専焼運転（ガス専焼）から起動用液体燃料による運転（油専焼）に燃焼モードを切替えてガスタービンを停止した後も、燃焼器内の温度が高いために同様の事象が発生する。従って、ガスタービンの停止後も、同様に液体燃料ノズル２０から液体燃料をパージすることが必要となる。

図９は、起動用燃料ノズル付近の拡大図を記したものであり、起動用燃料供給系統に窒素４００を供給するパージ系統と、混合燃料供給系統を分岐して起動用燃料供給系統に気体燃料２０１の一部を供給するためのガス燃料パージ系統２０１ａを備えている。それぞれの系統には、窒素パージ系統の遮断弁４０１とガス燃料パージ系統の遮断弁２０１ｂを備えている。

以下、燃料切替と起動用燃料のパージ動作について説明する。液体燃料２００で起動した後、気体燃料２０１へ切替可能な負荷条件に到達後、燃焼器の液体燃料ノズル２０に供給する液体燃料２００の流量を減少させながら、気体燃料２０１の流量を増加させ、燃料の切替操作を行なう。所定量の気体燃料２０１を供給し、液体燃料２００の流量がゼロになると燃料切替が完了する。このとき液体燃料ノズル２０内に液体燃料を滞留させたまま保持すると、火炎からの熱により、液体燃料ノズル２０内でコーキングが発生する。したがって、窒素４００の遮断弁４０１を開く操作をし、窒素４００を液体燃料ノズル２０内に供給することで、滞留していた液体燃料２００を燃焼室3にパージでき、コーキングの発生を抑制することが可能となる。このパージシステムは液体燃料のパージを目的としている。更に、パージ完了後も継続して燃焼器内に窒素４００を供給することで、スワラー端面近傍の火炎温度が低下するため、混合燃料専焼運転（ガス専焼運転時）のスワラー端面におけるメタル温度を低減する効果が得られる。

また、混合燃料供給系統を分岐して起動用燃料供給系統に供給された気体燃料２０１ａを液体燃料ノズル２０に供給し、液体燃料をパージした場合も同様の効果が得られる。また、液体燃料ノズル内に滞留している液体燃料２００を燃焼室内にパージし、パージ完了後も継続して燃焼室内に供給することで、スワラー端面近傍の燃料濃度が濃くなり燃料過濃域が形成される。従って、スワラー端面の火炎温度が低下して、スワラー端面のメタル温度を低下することが可能となる。

これらのパージシステムにおいて、起動用燃料ノズル１５に設けられた液体燃料ノズル２０から窒素４００、または気体燃料２０１ａを混合燃料専焼運転時（ガス専焼時）も継続して供給する手段と、第１の実施の形態におけるスワラー端面の冷却方法とを組み合わせることも可能である。以上より、水素や一酸化炭素などを含む燃料を燃焼させても、スワラー端面を効果的に冷却することが可能となる。

なお、図２に示すように、スワラー端面１８には噴霧空気の噴出口２１ａ、気体燃料２０１を燃焼室に噴出させる冷却孔５３、圧縮空気を燃焼室に供給する空気旋回器１７の流路１７ａを備えている。また、混合燃料ノズル１６や噴霧空気ノズル２１から燃焼室にそれぞれ噴出する気体燃料や噴霧空気の噴出口が、ノズル端面に相当する。

以上のように、第１乃至第３の実施の形態では、燃焼室に面した起動用燃料ノズル１５及び混合燃料ノズル１６近傍の端部であるスワラー近傍における火炎の温度を低下させるための手段を示した。図８に示すように、混合燃料専焼運転への移行後に噴霧空気１０３を供給すると、スワラー端面のメタル温度が上昇し、スワラーを形成する材料の融点を超える可能性がある。例えば、ＳＵＳ鋼の融点は６５０℃である。この融点を超えると、火炎によってスワラーが焼損して空気旋回器１７が機能しなくなったり、混合燃料ノズル１６の噴出口１６ａを塞いでしまうことにより、バーナが火炎を保持することができなくなり、燃焼器の信頼性を低下させる可能性がある。そこで、燃焼室に面したスワラー近傍における火炎の温度を、スワラー部材の融点以下に低下させる手段を備えることにより、スワラー部材の焼損を抑制し、燃焼器の信頼性を向上させることができる。

また、第１乃至第３の実施の形態は、既存のバーナを改造する際にも有用である。例えば、既存の燃焼器がＬＮＧ（液化天然ガス）や軽油、Ａ重油を使用していた場合にも、燃料種の変更が簡単な改造で対応できる。

具体的には、第１及び第２の実施の形態は、既存のバーナを改造する際にも有用である。例えば、起動用燃料ノズル１５と混合燃料ノズル１６とを備えたバーナの場合、起動用燃料ノズル１５に液体燃料を用いるバーナであれば、液体燃料を微粒化するために噴霧空気供給系統も備えていると考えられる。そこで、噴霧空気ノズル２１の上流側である噴霧空気供給系統に不活性媒体を供給するように改造するだけで、スワラー近傍のメタル温度を低下させることができる。

そして、バーナ１３の燃焼室に面するノズル端面（スワラー端面）１８に冷却孔５３を備えた部材に交換することにより、スワラー近傍のメタル温度を更に低下させることもできる。但し、当該部材の交換は燃焼器からバーナ１３を分解する必要があるため、噴霧空気供給系統に不活性媒体を供給するように改造する方が、燃焼器を分解せず容易に改造することが可能である。

更に、第３の実施の形態も、既存のバーナを改造する際にも有用である。液体燃料ノズル２０の内部に滞留する液体燃料２００をパージするために、起動用燃料供給系統に窒素４００を供給するパージ系統を増設するだけで、第３の実施の形態と同様の効果を得ることができる。但し、窒素４００を供給するためには、補機が必要となり設備が大型化する。そこで、混合燃料供給系統を分岐して起動用燃料供給系統に気体燃料２０１の一部を供給するためのガス燃料パージ系統２０１ａを増設することにより、混合燃料をバーナに供給するために既存の混合燃料供給系統に配置されたガス圧縮機の吐出圧力を流用することが可能であるため、設備を小型化できる。

本発明の第１の実施の形態に係るバーナを備えたガスタービンプラントの概略図である。本発明の第１の実施の形態に係るバーナの側断面の拡大図である。燃焼室側から見た本発明の第１の実施の形態に係るバーナの正面図である。本発明の第２の実施の形態に係るバーナの部分拡大図である。燃焼室側から見た本発明の第２の実施の形態に係るバーナの正面図である。本発明の第２の実施の形態に係るバーナを備えたガスタービンプラントの概略図である。水素・メタン・窒素で構成する混合ガスの燃料と空気の質量比率と理論燃焼温度の関係を示した図である。混合燃料専焼運転への移行した後の噴霧空気や不活性媒体の供給とノズル端面メタル温度との相関関係を表したものである。起動用ノズル内に滞留する液体燃料をパージする系統を示した図である。

符号の説明

２空気圧縮機
３燃焼器
１０外筒
１２主室ライナ
１３バーナ
１５起動用燃料ノズル
１６混合燃料ノズル
１６ａ噴出孔
１７空気旋回器
１７ａ流路
１８ノズル端面
２０液体燃料ノズル
２１噴霧空気ノズル
５３冷却孔
１０２圧縮空気
１０２ａ燃焼空気
１０３噴霧空気
１０４不活性媒体
２００液体燃料
２０１気体燃料
２０１ｂ遮断弁
４００窒素
４０１遮断弁

Claims

水素又は一酸化炭素の少なくともいずれかを含む混合燃料をガスタービン燃焼器の燃焼室内に噴射するバーナにおいて、
前記燃焼室に起動用燃料を噴射する起動用燃料ノズルと、
この起動用燃料ノズルの周囲に設けられ、前記混合燃料を噴射する混合燃料ノズルと、
この混合燃料ノズルの前記燃焼室側の端部に設けられ、火炎を保持するために圧縮機からの圧縮空気の一部を前記燃焼室に噴射する複数の流路を有するとともに、前記混合燃料ノズルの噴出孔を前記流路の内周部に配設した空気旋回器と、
前記燃焼室に臨むノズル端面における前記起動用燃料ノズルと前記空気旋回器との間の領域に設けられ、ノズル端面近傍における火炎温度を低下させるために前記混合燃料ノズルから噴射する混合燃料の一部を前記燃焼室に噴射する冷却孔と
を備えたことを特徴とするバーナ。
請求項１のバーナにおいて、前記起動用燃料ノズルは、ガスタービン起動用の液体燃料を噴射する液体燃料ノズルと、この液体燃料ノズルの周囲に設けられ、液体燃料を微粒化するための噴霧空気を噴射する噴霧空気ノズルとからなることを特徴とするバーナ。
請求項１のバーナにおいて、前記起動用燃料ノズルは、前記燃焼室を形成する主室ライナの半径方向の中心部に配置されていることを特徴とするバーナ。
請求項１のバーナにおいて、前記起動用燃料ノズルに不活性媒体を供給する不活性媒体供給系統をさらに備え、前記混合燃料の専焼運転時、前記不活性媒体供給系統からの不活性媒体を前記起動用燃料ノズルに供給し、前記起動用燃料ノズルによってノズル端面近傍に不活性媒体を噴射することを特徴とするバーナ。
請求項１のバーナにおいて、前記混合燃料は、コークス炉ガス、高炉ガス、転炉ガス、石炭、重質油ガス化ガス等であることを特徴とするバーナ。
水素又は一酸化炭素の少なくともいずれかを含む混合燃料を燃焼するガスタービン燃焼器において、
圧力容器である外筒と、
この外筒の内周側に設けられ、内部に燃焼室を形成する主室ライナと、
この主室ライナ内の前記燃焼室にて火炎を形成するためのバーナと、
このバーナの火炎形成により発生した燃焼ガスをタービンヘ導く尾筒と
を備え、前記バーナは、
前記燃焼室に起動用燃料を噴射する起動用燃料ノズルと、
この起動用燃料ノズルの周囲に設けられ、前記混合燃料を噴射する混合燃料ノズルと、
この混合燃料ノズルの前記燃焼室側の端部に設けられ、火炎を保持するために圧縮機からの圧縮空気の一部を前記燃焼室に噴射する複数の流路を有するとともに、前記混合燃料ノズルの噴出孔を前記流路の内周部に配設した空気旋回器と、
前記燃焼室に臨むノズル端面における前記起動用燃料ノズルと前記空気旋回器との間の領域に設けられ、ノズル端面近傍における火炎温度を低下させるために前記混合燃料ノズルから噴射する混合燃料の一部を前記燃焼室に噴射する冷却孔と
を備えていることを特徴とするガスタービン燃焼器。
水素又は一酸化炭素の少なくともいずれかを含む混合燃料をガスタービン燃焼器の燃焼室内に噴射する拡散燃焼方式のバーナの冷却方法において、
前記燃焼室に起動用燃料を噴射する起動用燃料ノズルと、
この起動用燃料ノズルの周囲に設けられ、前記混合燃料を噴射する混合燃料ノズルと、
この混合燃料ノズルの前記燃焼室側の端部に設けられ、火炎を保持するために圧縮機からの圧縮空気の一部を前記燃焼室に噴射する複数の流路を有するとともに、前記混合燃料ノズルの噴出孔を前記流路の内周部に配設した空気旋回器とを備えたバーナに対して、
前記燃焼室に臨むノズル端面における前記起動用燃料ノズルと前記空気旋回器との間の領域に前記混合燃料の一部を噴出する冷却孔を設け、この冷却孔を介して前記混合燃料を前記燃焼室に噴射することでノズル端面近傍における火炎温度を低下させ、これによりノズル端面のメタル温度の上昇を抑制することを特徴とするバーナの冷却方法。
請求項１のバーナにおいて、前記起動用燃料ノズルから燃料をパージする手段を備えたことを特徴とするバーナ。
請求項８のバーナにおいて、
前記燃料をパージする手段は、前記混合燃料ノズルに供給する混合燃料の一部を前記起動用燃料ノズルに供給する系統を備えることを特徴とするバーナ。