ガスタービン燃焼器及び石炭ガス化複合発電プラント
【課題】
燃料組成に水素を含む燃料を燃焼するガスタービン燃焼器において、ガスタービン燃焼器の構造物の過熱を避け、燃焼安定性と低ＮＯｘ燃焼性能を維持し得る、ガスタービン燃焼器を提供する。
【解決手段】
燃焼室の上流側に位置し複数の空気孔５５−１，５５−２，５５−３を有する空気孔プレート５４と、空気孔に対して同軸に配置され、空気孔に対して燃料組成に水素を含む燃料を供給する複数の燃料ノズル５６からなる多孔同軸噴流バーナを複数個備えて、各多孔同軸噴流バーナの燃焼室側表面が外周側から中央部に向けて燃焼室側に突き出すような傾斜を持ち、かつバーナの中央部が燃焼室から遠ざかるように凹面形状に傾斜を持って窪んでいる構造を有し、バーナ中央部近傍に生じる淀み領域４９に向けて循環する循環ガス４３をバーナから遠ざけるように燃焼室下流側に押し戻す構造、例えば、バーナ中央部に冷却空気孔を有する。
燃料組成に水素を含む燃料を燃焼するガスタービン燃焼器において、ガスタービン燃焼器の構造物の過熱を避け、燃焼安定性と低ＮＯｘ燃焼性能を維持し得る、ガスタービン燃焼器を提供する。
【解決手段】
燃焼室の上流側に位置し複数の空気孔５５−１，５５−２，５５−３を有する空気孔プレート５４と、空気孔に対して同軸に配置され、空気孔に対して燃料組成に水素を含む燃料を供給する複数の燃料ノズル５６からなる多孔同軸噴流バーナを複数個備えて、各多孔同軸噴流バーナの燃焼室側表面が外周側から中央部に向けて燃焼室側に突き出すような傾斜を持ち、かつバーナの中央部が燃焼室から遠ざかるように凹面形状に傾斜を持って窪んでいる構造を有し、バーナ中央部近傍に生じる淀み領域４９に向けて循環する循環ガス４３をバーナから遠ざけるように燃焼室下流側に押し戻す構造、例えば、バーナ中央部に冷却空気孔を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービン燃焼器及び石炭ガス化複合発電プラントに係り、特に、燃料組成として水素を含む燃料を燃焼するガスタービン燃焼器及び石炭ガス化複合発電プラントに関する。
【背景技術】
【０００２】
水素を組成成分として含むガス燃料をガスタービン燃焼器に使用する場合には、水素の燃焼速度が速いため、ガスタービン燃焼器内で形成される火炎が燃焼器構造物に接近し信頼性上の問題を引き起こす可能性がある。
【０００３】
水素が含まれる燃料に対してガスタービン燃焼器の信頼性を確保する燃焼方式としては、ガスタービン燃焼器の燃焼室に直接燃料のみを投入し、燃焼室内で燃料と空気の混合を行なう拡散燃焼方式が有力であるが、この燃焼方式では最も燃焼しやすい状態で火炎が形成されるため、火炎温度が高くなり窒素酸化物（ＮＯｘ）排出量が増大しやすい。
【０００４】
一方、低ＮＯｘ燃焼を行なうには燃料と空気を予め燃料と空気を量論混合比よりも希薄となるよう混合してガスタービン燃焼器に供給する予混合燃焼方式が有力であるが、この予混合燃焼方式ではガスタービン燃焼器の燃焼室に流入する前から可燃範囲の混合気が形成されているため、燃料ガスに含まれる水素濃度が変化して増加すると燃焼室で形成される火炎の位置がガスタービン燃焼器の構造物に接近するのでガスタービン燃焼器の信頼性上の問題を引き起こす可能性が高くなる。また、水素濃度が減少した場合にも、燃焼室で希薄な混合気を燃焼させているため、燃焼速度と可燃範囲が変動して燃焼不安定を起こす可能性が高くなる。
【０００５】
燃料ノズルと空気ノズルとを同軸に配置した同軸噴流ノズル（同軸噴流バーナ）を多数集合化した構造によって、予め燃料と空気の分散性を高めて燃焼室内に供給し、短い距離で燃料と空気を混合することにより、逆火を防ぐとともに低ＮＯｘ燃焼を図るようにしたガスタービン燃焼器がある。
【０００６】
このような同軸噴流ノズル（同軸噴流バーナ）を用いたガスタービン燃焼器として、特許文献１では、空気孔プレートの燃焼室側の面を、中心部が燃焼室下流側に突き出た円錐台形状とすることにより、内周側同軸噴流ノズル群を燃焼安定性の高いバーナとし、外周側同軸噴流ノズル群を低ＮＯｘ燃焼が可能なバーナとしている。また、特許文献１には、空気孔プレートの頭頂部を窪ませて淀みを促進する構造も開示されている（図１８）。頭頂部を窪ませて淀みを促進することにより保炎強化を図り、燃焼安定性を向上させている。さらに、特許文献１では、水素を含む燃料に対しては、空気孔出口周囲での火炎の保炎を防ぎ、空気孔プレートへ火炎が接近しないようにするため、空気孔プレートを円錐の形にすることが記載されている（図２７）。円錐形の構造によって、頭頂部を窪ませる構造とは逆に、バーナ頭頂部の淀みの領域を非常に小さくするようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−７５１７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
水素を組成成分として含むガス燃料をガスタービン燃焼器に使用する場合には、水素の燃焼速度が速いため、ガスタービン燃焼器内で形成される火炎が燃焼器構造物に接近し信頼性上の問題を引き起こす可能性がある。従って、水素が含まれる燃料をガスタービンに適用する場合に、構造物の信頼性を確保しながら、燃焼安定性の維持と低ＮＯｘ燃焼を実現する技術が求められる。
【０００９】
特許文献１は、基本的には、組成が安定した燃料に関して燃焼安定性を維持して低ＮＯｘ燃焼を実現するものである。その中で、特許文献１では、水素を含む燃料に対しては、空気孔プレートを円錐形とすることによって、バーナ頭頂部の淀みの領域を非常に小さくするようにし、空気孔出口周囲での火炎の保炎を防ぎ、空気孔プレートへ火炎が接近しないようにしている。
【００１０】
しかし、空気孔プレートの中心部である円錐の頂点が常に燃焼ガスである循環ガスにさらされると共に、より高温である定常火炎に包み込まれる状態となる。石炭ガス化燃料のように水素を含む燃料の場合には、燃焼ガス及び定常火炎における水蒸気濃度が他の燃料に比較して大きい。水蒸気は輻射率が高い気体であるため、高温の定常火炎に包み込まれる状態となると空気孔プレート中央部は輻射により局所過熱される可能性がある。
【００１１】
本発明の目的は、燃料組成に水素を含む燃料を燃焼するガスタービン燃焼器において、ガスタービン燃焼器の構造物の過熱を避け、燃焼安定性と低ＮＯｘ燃焼性能を維持し得る、ガスタービン燃焼器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、燃料組成に水素を含む燃料を燃焼する、同軸噴流バーナを用いたガスタービン燃焼器において、バーナの燃焼室側表面が外周側から中央部に向けて燃焼室側に突き出すような傾斜を持ち、かつバーナの中央部が燃焼室から遠ざかるように傾斜を持って窪んでいることを特徴とする。
【００１３】
本発明のガスタービン燃焼器は、望ましくは、バーナ中央部近傍に生じる淀み領域に向けて循環する燃焼ガスの一部である循環ガスをバーナから遠ざけるように燃焼室下流側に押し戻す構造を有する。
【００１４】
また、本発明は、石炭ガス化複合発電プラントのガスタービン燃焼器として、上記構成のガスタービン燃焼器を用いるようにしたものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、燃料組成に水素を含む燃料を燃焼するガスタービン燃焼器において、ガスタービン燃焼器の構造物の過熱を避け、燃焼安定性と低ＮＯｘ燃焼性能を維持することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施例であるガスタービン燃焼器を備えた石炭ガス化複合発電プラントの概略構成図である。
【図２】本発明の第一の実施例のガスタービン燃焼器の構造を示す概略断面図である。
【図３】本発明の第一の実施例のガスタービン燃焼器に設置された複数個のメイン多孔同軸噴流バーナの空気プレートを燃焼室側から見た部分断面図である。
【図４】図２に示した第一の実施例のガスタービン燃焼器のメイン多孔同軸噴流バーナに形成した空気プレートの空気孔を示す部分図である。
【図５】図２に示した第一の実施例のガスタービン燃焼器のメイン多孔同軸噴流バーナに形成した空気孔を備えた空気プレートを燃焼室側から見た図である。
【図６】本発明の実施例のガスタービン燃焼器に設置されたメイン多孔同軸噴流バーナを構成する燃料ノズルと空気孔とを流れる流体の空気孔近傍の流れの状況図である。
【図７】図２に示した本発明の第一の実施例であるガスタービン燃焼器のメイン多孔同軸噴流バーナを構成する燃料ノズルと空気孔から燃焼室に噴出する流体と、燃焼室内の燃焼ガスの流れを示す状況図である。
【図８】本発明の第二の実施例のガスタービン燃焼器の構造を示す概略断面図である。
【図９】本発明の第二の実施例のガスタービン燃焼器に設置された複数個のメイン多孔同軸噴流バーナの空気プレートを燃焼室側から見た部分断面図である。
【図１０】図８に示した第二の実施例のガスタービン燃焼器のメイン多孔同軸噴流バーナに形成した空気プレートの空気孔を示す部分図である。
【図１１】図８に示した第二の実施例のガスタービン燃焼器のメイン多孔同軸噴流バーナに形成した空気孔を備えた空気プレートを燃焼室側から見た図である。
【図１２】図８に示した第二の実施例のガスタービン燃焼器のメイン多孔同軸噴流バーナを構成する燃料ノズルと空気孔から燃焼室に噴出する流体と、燃焼室内の燃焼ガスの流れを示す状況図である。
【図１３】図８に示した第二の実施例のガスタービン燃焼器のメイン多孔同軸噴流バーナを構成する燃料ノズルと空気孔から燃焼室に噴出する流体と、燃焼室内の燃焼ガスの流れを示す図１３に示した状況図の断面Ｘの位置における第１の同軸噴流バーナ部からの混合気の分布範囲を示す図である。
【図１４】図８に示した第二の実施例のガスタービン燃焼器のメイン多孔同軸噴流バーナを構成する燃料ノズルと空気孔から燃焼室に噴出する流体と、燃焼室内の燃焼ガスの流れを示す図１３に示した状況図の断面Ｙの位置における第１の同軸噴流バーナ部からの混合気の分布範囲を示す図である。
【図１５】図８に示した第二の実施例のガスタービン燃焼器のメイン多孔同軸噴流バーナを構成する燃料ノズルと空気孔から燃焼室に噴出する流体と、燃焼室内の燃焼ガスの流れを示す図１３に示した状況図のバーナ中心軸における圧力の、空気孔プレート出口からの距離に対する変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
先ず、本発明の実施例を詳細に説明する前に、本発明の理解を容易にするために、本発明と類似の構造を有する特許文献１の図１８と対比して本発明の概要を説明する。
【００１８】
本発明では、バーナの燃焼室側表面が外周側から中央部に向けて燃焼室側に突き出すような傾斜を持ち、かつバーナの中央部が燃焼室から遠ざかるように傾斜を持って窪んでいる。具体的な構成例としては、燃料と空気が供給される燃焼室の上流側に位置し複数の空気孔を有する空気孔プレートと、空気孔プレートの空気孔に対して同軸に配置され、空気孔に対して燃料組成に水素を含む燃料を供給する複数の燃料ノズルからなる多孔同軸噴流バーナを複数個備えて、燃料組成に水素を含む燃料を燃焼するガスタービン燃焼器において、複数個配置した各多孔同軸噴流バーナは、該多孔同軸噴流バーナの燃焼室側表面が外周側から中央部に向けて燃焼室側に突き出すような傾斜を持ち、かつ該多孔同軸噴流バーナの中央部は燃焼室から遠ざかるように凹面形状に傾斜を持って窪んでいる構造を有する。
【００１９】
バーナの燃焼室側表面が外周側から中央部に向けて燃焼室側に突き出すような傾斜を持つ構造とすることによって、内周側同軸噴流ノズルを燃焼安定性の高いバーナとし、外周側同軸噴流ノズルを低ＮＯｘ燃焼が可能なバーナとすることができる。さらにバーナの中央部が燃焼室から遠ざかるように傾斜を持って窪んでいる構造とすることによってバーナの中央部の過熱を避けることができる。
【００２０】
特許文献１の図１８には、本発明に類似する構造が開示されている。しかし、特許文献１は、図１８に開示の構造も含め、図２７に開示の構造以外のものは、組成が安定した燃料に関して燃焼安定性を維持して低ＮＯｘ燃焼を実現するものである。そして、特許文献１では、水素を含む燃料に対しては、空気孔プレートを円錐形とすることによって、バーナ頭頂部の淀みの領域を非常に小さくするようにし、空気孔出口周囲での火炎の保炎を防ぎ、空気孔プレートへ火炎が接近しないようにしている。即ち、特許文献１では、水素を含む燃料に対しては、特に、図１８に開示のように頭頂部を窪ませて淀みを促進する構造とは逆に、図２７に開示のように空気孔プレートを円錐形としてバーナ頭頂部の淀みの領域を小さくする構造としている。
【００２１】
本発明では、水素を含む燃料を燃焼するガスタービン燃焼器に特化し、特許文献１（図２７）とは逆に、多孔同軸噴流バーナの中央部が燃焼室から遠ざかるように凹面形状に傾斜を持って窪んでいる構造としている。多孔同軸噴流バーナの燃焼室側表面の中央部が燃焼室から遠ざかるように傾斜を持って窪んでいる構造とすることによって、バーナ中央部が定常火炎に包み込まれる危険を回避することができ、さらにバーナの中央部は燃焼室から傾斜角を持って遠ざかるように凹面形状に窪んでいることにより、バーナ中央部の表面から定常火炎を見る角度が縮小するため、輻射によりバーナ中央部に流入する熱流束を抑制することができるので、バーナ中央部が過熱される危険をさらに低下させることができる。
【００２２】
そして、本発明では、バーナ中央部近傍に生じる淀み領域に向けて循環する燃焼ガスの一部である循環ガスをバーナから遠ざけるように燃焼室下流側に押し戻す構造を有している。これによって、バーナ中央部の過熱をより確実に避けることができる。
【００２３】
また、多孔同軸噴流バーナの燃焼室側表面が外周側から中央部に向けて燃焼室側に突き出すような傾斜を持つことによって、空気孔出口近傍に形成される流速の低い渦（後流）の成長を抑制し、後流に火炎が付着する危険を低減することができ、また、多孔同軸噴流バーナの燃焼室側表面の傾斜に沿って外周側から中央の淀み領域に向かう流れが生じ、この流れが火炎を下流に押し戻すので、後流に火炎がさらに付着しにくくなる。
【００２４】
以下、図面を用いて本発明の実施例であるガスタービン燃焼器、ガスタービン燃焼器の燃料供給装置、ガスタービン燃焼器の燃料供給方法、及びガスタービン燃焼器を用いた発電プラントについて説明する。
【実施例１】
【００２５】
図１は本発明の第一の実施例であるガスタービン燃焼器を有するガスタービンプラントを備えた石炭ガス化複合発電プラント（ＩＧＣＣ：Integrated coal Gasification Combined Cycle、以下ＩＧＣＣと略記する）の概略構成図である。ＩＧＣＣは、地球温暖化防止の観点より、ガスタービン燃焼器に供給されるガス化燃料中の炭素分を分離・回収するシステムが国内外で検討されている。図１に示すＩＧＣＣは二酸化炭素分離・回収装置付きの石炭ガス化複合発電（ＣＣＳ−ＩＧＣＣ）プラントである。
【００２６】
石炭ガス化炉２０２に酸素製造装置２０１からの酸素１７を投入して石炭１６をガス化する。石炭ガス化炉２０２で生成した精製前石炭ガス化ガス１８は、石炭ガス化ガス精製装置２０３によって集塵、脱硫等をした後、流量調整弁２０４を介してシフト反応器２０６に供給される。シフト反応器２０６において水蒸気２０を添加してシフト反応で石炭ガス化ガス中のＣＯをＣＯ２に変換する。そして、二酸化炭素回収装置２０７において石炭ガス化ガス中のＣＯ２を回収し、高水素濃度（ＣＯ２回収後）石炭ガス化ガス２１を製造する。燃料供給系統１２２ｂ、１２３ａ、１２３ｂには、二酸化炭素回収前石炭ガス化ガス供給系統１２０からの二酸化炭素回収前石炭ガス化ガス１９と高水素濃度石炭ガス化ガス供給系統１２１からの高水素濃度石炭ガス化ガス２１とが遮断弁１０３を介して石炭ガス化燃料２２として供給される。二酸化炭素回収前石炭ガス化ガス供給系統１２０には水素濃度検知手段１０２ａと流量調整弁２０５が設けられている。高水素濃度石炭ガス化ガス供給系統１２１には水素濃度検知手段１０２ｂと流量調整弁２０８が設けられている。石炭ガス化燃料２２として利用されない石炭ガス化ガスはガス処理炉２０９を介して排出される。石炭ガス化燃料２２としてＣＯ２を回収した高水素濃度石炭ガス化ガス２１が供給される場合には、燃料のほとんどの成分が水素となる。
【００２７】
燃料組成に水素を含む石炭ガス化燃料２２によって駆動されるガスタービンプラントは、圧縮機５によって外気を吸入して圧縮した圧縮空気１０を、車室７を経由してガスタービン燃焼器９に燃焼用空気１２として供給し、このガスタービン燃焼器９に設置したメイン多孔同軸噴流バーナ５３から石炭ガス化燃料２２と共に燃焼室１に噴射して燃焼させる。また、ガスタービンプラントは、ガスタービン燃焼器９で石炭ガス化燃料２２を燃焼させて発生させた高温高圧の燃焼ガス１３をタービン６に流入させて駆動し、タービン６の回転動力を発電機５０１によって電力として取り出す。なお、図示していないが、ガスタービンの高温排ガスによって蒸気を発生させて、この蒸気によって蒸気タービンを駆動して発電するようにしている。
【００２８】
本発明のガスタービン燃焼器は、上述のようなＩＧＣＣの他に、製鉄プラントから得られる、水素を含む副生ガスであるコークス炉ガス（ＣＯＧ：Coke Oven Gas）、高炉ガス（ＢＦＧ：Blast Furnace Gas）、転炉ガス（ＬＤＧ：Linzer Donawitz Gas）あるいはこれらの混合ガスを燃料として使用するガスタービンや、石油製油所のナフサ分解プラントなどから得られる、水素を含む副生ガスを燃料とするガスタービンに適用することができる。これらの副生ガスは燃料成分の３０％〜６０％が水素となる。
【００２９】
このように、燃料中に含まれる水素濃度が変動する燃料をガスタービン燃焼器に使用する場合に、広範な負荷範囲にわたって水素濃度の変動に影響されずに構造物の過熱を避け、信頼性の高い燃焼安定性を維持すると共に、低ＮＯｘ燃焼性能を維持することが重要となる。
【００３０】
次に、本発明の第一の実施例であるガスタービン燃焼器の構造を説明する。図２は図１に記載したガスタービン燃焼器の概略構造を示す断面図であり、図３乃至図５は図１及び図２に記載したガスタービン燃焼器に設置された多孔同軸噴流バーナを構成する空気孔を形成した壁状部材の空気孔プレートを示す図である。また、図６は図１及び図２に記載したガスタービン燃焼器において、多孔同軸噴流バーナを構成する単一の燃料ノズルと、この単一の燃料ノズルに対応して配置され、多孔同軸噴流バーナを構成する空気孔プレートに形成した単一の空気孔との近傍における流体の流れの様態を示す拡大図である。
【００３１】
ガスタービン燃焼器９は、外周側に設置された燃焼器外筒２と、燃焼器外筒２の内部に設置された燃焼器ライナー３と、この燃焼器ライナー３の下流側に接続した燃焼器尾筒４とを備えた円筒構造であり、燃焼器ライナー３の内部には石炭ガス化燃料２２と燃焼用空気１２を燃焼させる円筒状の燃焼室１が形成されている。また燃焼器尾筒４は、円筒形状の燃焼器ライナー３出口と扇形形状のタービン６の静翼入口の間を滑らかに連絡する部品である。
【００３２】
ガスタービン燃焼器９の燃焼室１内で石炭ガス化燃料２２の燃焼に用いられる燃焼用空気１２は、ガスタービン燃焼器９の燃焼器外筒２と燃焼器ライナー３との間の空間を通じて供給されるが、ガスタービン燃焼器９の頭部に設けた燃焼器エンドカバー８によってせき止められ、この燃焼用空気１２の一部がメイン多孔同軸噴流バーナ５３を構成する空気孔プレート５４に形成した複数の空気孔５５に供給される。
【００３３】
また、燃焼用空気１２の他の一部は、燃焼器ライナー３の壁面に開口した多数の空気孔から冷却空気１１として燃焼室１内に流入し、ガスタービン燃焼器９の燃焼室１で発生した高温高圧の燃焼ガス１３により、燃焼器ライナー３などの構造物が過熱されないよう冷却する。
【００３４】
ガスタービン燃焼器９に供給される石炭ガス化燃料２２は、燃焼器エンドカバー８の外部からエンドカバー８内部に設けた燃料分配器５７の分配流路を通ってメイン多孔同軸噴流バーナ５３の各燃料ノズル５６にそれぞれ配分される。
【００３５】
本実施例に示す二酸化炭素回収付の石炭ガス化複合発電プラントは、石炭ガス化炉２０２が稼動して石炭ガス化燃料２２がガスタービンプラントに供給されるようになるまでの間、外部から石炭ガス化ガス２２とは別の燃料によりガスタービンプラントを起動して電力および熱エネルギを発生し、ガス化炉２０２を起動させる必要がある。このため、本実施例では石炭ガス化複合発電プラントの起動を担うための起動用燃料１５を供給する燃料供給系統１２２ａを持っている。
【００３６】
本実施例のガスタービン燃焼器９は、図１および図５に示すように、燃焼器軸心の中央に起動用燃料噴射ノズル５１を有するパイロットバーナ５０を備え、燃焼器軸心の外周側となる、パイロットバーナ５０の周囲に多孔同軸噴流バーナ構造のメイン多孔同軸噴流バーナ５３を５個配置した構造を採用している。
【００３７】
このため、ガス化炉２０２の起動前にガスタービン燃焼器９のパイロットバーナ５０にパイロット燃料として起動用燃料１５を供給する燃料供給系統１２２ａが配設され、この燃料供給系統１２２ａに起動用燃料１５の流量を調節する起動用燃料パイロットバーナ燃料遮断弁１０４ａ、起動用燃料パイロットバーナ燃料圧力調整弁１０５ａ、および起動用燃料パイロットバーナ燃料流量調整弁１０６ａがそれぞれ設置されている。
【００３８】
また、パイロットバーナにも多孔同軸噴流バーナ構造を採用すればより低ＮＯｘ燃焼が可能なガスタービン燃焼器が構成できる。本実施例ではパイロットバーナ５０にも石炭ガス化燃料２２が供給できるよう構成されており、ガス化炉２０２が稼動した後は、パイロットバーナ５０も石炭ガス化燃料２２により運用される。このため、ガス化炉２０２の起動後に、ガスタービン燃焼器９に設置されたパイロットバーナ５０にパイロット燃料として石炭ガス化燃料２２を供給する燃料供給系統１２２ｂが配設されており、この燃料供給系統１２２ｂに石炭ガス化燃料２２の流量を調節する石炭ガス化燃料パイロットバーナ燃料遮断弁１０４ｂ、石炭ガス化燃料パイロットバーナ燃料圧力調整弁１０５ｂ、および石炭ガス化燃料パイロットバーナ燃料流量調整弁１０６ｂがそれぞれ設置されている。
【００３９】
ガスタービン燃焼器９に設置された複数個の各メイン多孔同軸噴流バーナ５３には、その内周側に設けられた第１の同軸噴流バーナ部５３ａに燃料として石炭ガス化燃料２２を供給する燃料供給系統１２３ａが配設され、この燃料供給系統１２３ａに、石炭ガス化燃料２２の流量を調節する内周側メイン燃料圧力調整弁１０７ａ及び内周側メイン燃料流量調整弁１０８ａがそれぞれ設置されている。
【００４０】
また、ガスタービン燃焼器９に設置された複数個の各メイン多孔同軸噴流バーナ５３には、その外周側（第１の同軸噴流バーナ部５３ａの外周側）に設けられた第２の同軸噴流バーナ部５３ｂに燃料として石炭ガス化燃料２２を供給する燃料供給系統１２３ｂが配設され、この燃料供給系統１２３ｂに、石炭ガス化燃料２２の流量を調節する外周側メイン燃料圧力調整弁１０７ｂ及び外周側メイン燃料流量調整弁１０８ｂがそれぞれ設置されている。尚、図１では、図の簡略化のため、一つのメイン多孔同軸噴流バーナ５３に石炭ガス化燃料２２を供給する燃料供給系統１２３ａ，１２３ｂを図示している。
【００４１】
メイン多孔同軸噴流バーナ５３を構成する多孔同軸噴流バーナは多数の燃料・空気の同軸噴流を形成するバーナであり、かつ燃料と空気の混合の度合いを、メイン多孔同軸噴流バーナ５３を構成する空気ノズルの形状および燃料ノズルの形状で調整することができる。
【００４２】
また、各メイン多孔同軸噴流バーナ５３の保炎能力は、各メイン多孔同軸噴流バーナ５３の内周側に設置した第１の同軸噴流バーナ部５３ａの同軸噴流の混合と噴出方向で調整することができるので、第１の同軸噴流バーナ部５３ａの同軸噴流に保炎の機能を担わせることができる。
【００４３】
また、保炎の機能を強化するように各メイン多孔同軸噴流バーナ５３の内周側にある第１の同軸噴流バーナ部５３ａによって燃料と空気の混合を調整することで、燃焼室１内にて可燃範囲の混合気が形成される位置を、各メイン多孔同軸噴流バーナ５３の構造物からガスタービン燃焼器９の燃焼室の下流方向に離れた位置に設計することが可能であり、外周側の同軸ノズルについては火炎接近に対する裕度を大きく取ることができる。
【００４４】
そこで本実施例のガスタービン燃焼器９においては、メインバーナを構成するメイン多孔同軸噴流バーナ５３において、内周側に設置した第１の同軸噴流バーナ部５３ａと、外周側に設置した第２の同軸噴流バーナ部５３ｂには独立に石炭ガス化燃料２２が供給されるように燃料系統を燃料供給系統１２３ａと燃料供給系統１２３ｂとに分割しており、燃料供給系統１２３ａと燃料供給系統１２３ｂに供給する燃料の配分と各燃料の流量が調整できるように構成している。燃料供給系統１２３ａと燃料供給系統１２３ｂに供給する燃料の配分と各燃料の流量が調整は、例えば、特許文献１に記載のように行う。
【００４５】
メイン多孔同軸噴流バーナ５３に供給される石炭ガス化燃料２２の一部は、燃料供給系統１２３ａを通じてガスタービン燃焼器９の燃焼器エンドカバー８の取り合い口に導かれる。また、石炭ガス化燃料２２の他の一部は、燃料供給系統１２３ｂを通じてガスタービン燃焼器９の燃焼器エンドカバー８の取り合い口に導かれる。そして導かれた各石炭ガス化燃料２２は、図２に示すようにエンドカバー８の内部の流路を通過し、燃料分配器５７の外周側空間からメイン多孔同軸噴流バーナ５３を構成する燃料ノズル５６を通って空気孔プレート５４に開口した空気孔５５に向かって噴出し、空気と同軸の噴流となってメイン多孔同軸噴流バーナ５３からガスタービン燃焼器９の燃焼室１に噴出して燃焼する。
【００４６】
図６は、ガスタービン燃焼器９に設置されたメイン多孔同軸噴流バーナ５３を構成する多数の同軸噴流バーナのうち、１つの同軸噴流バーナを構成する単一の燃料ノズル５６の先端部と、空気孔プレート５４の空気孔５５とを拡大して示した概略図である。同軸噴流バーナとは、燃料の流路と、空気などの酸化剤の流路を、略同じ方向に噴出するように略同心円状に配置したバーナである。
【００４７】
図６に示す同軸噴流バーナでは、空気孔プレート５４が、メイン多孔同軸噴流バーナ５３を構成する１つの燃料ノズル５６と燃焼室１との間に配置されている。燃料ノズル５６は空気孔プレート５４に形成した空気孔５５の上流側に空気孔５５と略同軸上に配置されて、燃料ノズル５６から噴出した石炭ガス化燃料２２が空気孔５５の中心部に流入するように構成されている。また、空気孔プレート５４の上流側には、燃焼用空気１２が引き込まれ、空気孔プレート５４の上流側から供給される燃焼用空気１２も、燃料ノズル５６の外周側から空気孔プレート５４の空気孔５５に流入する。この時、燃焼用空気１２は、空気孔プレート５４の上流側に形成された広い空間から、空気孔プレート５４に形成した狭い空間の空気孔５５に流入する。
【００４８】
そのため、空気孔５５の内部には、燃料流及び燃料流の外周側に形成された環状の空気流が、燃料ノズル５６の下流に生じる後流渦や空気孔入口での燃焼用空気１２の急収縮による剥離渦などの細かい乱れ構造を含んで流下する同軸噴流が形成されることになる。
【００４９】
空気孔プレート５４の空気孔５５を通過した燃料流及び空気流は、空気孔５５より広い空間の燃焼室１に一気に噴出し、空気孔５５の狭い空間で限定されていた渦が大きく拡大して崩壊するにつれて、燃焼室１において燃料流と空気流が急速に混合して、図２に示すように混合気４２が形成される。
【００５０】
このように、空気孔プレート５４に複数の燃料ノズル５６と同軸の複数の空気孔５５をそれぞれ配置し、空気孔５５の上流側に燃料ノズル５６を配置する構成にすると、燃焼室１に流入した燃料は急速に分散するため、燃料と空気の混合度が増加し、短距離で急速に混合できる。
【００５１】
このような構成のメイン多孔同軸噴流バーナ５３においては、同軸噴流バーナを構成する空気孔５５の内部において燃料流が中心部を流れ、燃料流の周囲を空気流が流れているため、燃料ノズル５６のごく近傍では可燃範囲の混合気が形成されない。また、空気孔５５の内部と燃焼室１に流入した直後の非常に狭い領域で混合が進行するため、空気孔プレート５４の近傍に火炎が接近しにくく、ガスタービン燃焼器９は信頼性が高い特徴を持つ。
【００５２】
次に本実施例のガスタービン燃焼器９に５個設置したメイン多孔同軸噴流バーナ５３の一つを抽出して、図７及び図３、図４、図５を用いて燃料流及び空気流の流れの状況を説明する。
【００５３】
図５は空気孔プレート５４を燃焼室１側から見た図、図３は図５に示した空気孔プレート５４の一点鎖線で囲んだメイン多孔同軸噴流バーナ５３の一つを、空気孔プレート５４の燃料ノズル側平面に対して垂直方向に切断した断面図、図４は図５に示した空気孔プレート５４のうち一点鎖線で囲んだメイン多孔同軸噴流バーナ５３の一つに注目して抜き出した図を示す。図４に網掛けを施した領域は空気孔プレート５４の燃焼室側表面が外周側から中央部に向けて傾斜角α０を持って燃焼室側に突出するような傾斜面となっている部分であり、左下がり斜線でハッチングを施した領域はバーナ中央部が燃焼室から傾斜角α1を持って遠ざかるように凹面形状に窪んでいる部分である。
【００５４】
また図５には、燃料ノズル側の空気孔プレート５４の下流で外側に位置する燃焼器ライナー３の位置を破線で示す。また図７は、図５に示した空気孔プレート５４の一点鎖線で囲んだメイン多孔同軸噴流バーナ５３の一つについて、燃料ノズルと空気孔から燃焼室に噴出する流体と、燃焼室内の燃焼ガスの流れを示す状況図である。
【００５５】
図７に示す本実施例のメイン多孔同軸噴流バーナ５３の同軸噴流バーナを構成する燃料ノズル５６と空気孔５５との位置関係において、メイン多孔同軸噴流バーナ５３の内周側に設置した第１の同軸噴流バーナ部５３ａとなるバーナ最内周空気孔５５−１の中心軸は、バーナ中心軸に対して空気孔を配置したピッチ円の円周方向に傾斜している。図４は第１の同軸噴流バーナ部５３ａとなるバーナ最内周空気孔５５−１の一つの中心軸に沿って、空気孔プレート５４を切断した部分断面図である。図４に示すように第１の同軸噴流バーナ部５３ａとなるバーナ最内周空気孔５５−１の中心軸は、バーナ中心軸に対して空気孔を配置したピッチ円の円周方向に傾斜しているので、第１の同軸噴流バーナ部５３ａとなる最内周空気孔５５−１から噴出する内周燃料の燃料流４１−１及び空気流は、最内周空気孔５５−１の中心軸に沿って空気孔を配置したピッチ円の接線方向の旋回成分を持って燃焼室１に噴射され、前述の機構により急速に混合されて混合気４２−１となる。
【００５６】
第１の同軸噴流バーナ部５３ａとなる最内周空気孔５５−１は、図４に示すように円周方向に傾斜した旋回角θを持っているため、最内周空気孔５５−１から噴射された混合気４２−１は、燃焼室１の内部で螺旋状に旋回しながら下流側へ流れる旋回流４６となり、燃焼室１内部で旋回直径を拡大しながら下流側に流出する。
【００５７】
このように拡大しながら流下する旋回流は、旋回の中心軸上に逆方向の圧力勾配を誘導するので、図７に示すように、旋回流の中で火炎４５内の反応により生じた燃焼ガス４４の一部は循環ガス４３として、バーナ中心の近傍に生じる淀み領域４９に向けて循環し、最内周空気孔５５−１から流入する混合気４２−１に対して活性化エネルギを与えることで燃焼反応を維持する着火源として機能する。これにより燃焼室１内部に安定な円錐状の定常火炎４５が形成される。
【００５８】
図７に示す本実施例のガスタービン燃焼器９に設置したメイン多孔同軸噴流バーナ５３の空気孔プレート５４は、図３に示すように燃焼室側表面が外周側から中央部に向けて傾斜角α０を持って燃焼室側に突き出すような構造を持っている。空気孔５５の出口近傍では、高速で空気孔５５を流下した燃料及び空気が急に広い空間に噴出して空気孔壁面の拘束を受けなくなるため、後流４８と呼ばれる流速の低い渦が空気孔プレート５４の燃焼室側表面の法線方向６５に成長する。本実施例では、空気孔プレート５４の燃焼室側表面が外周側から中央部に向けて傾斜角α０を持って燃焼室側に突き出しているため、外周側の第２の空気孔５５−２を流下した燃料及び空気が、空気孔プレート５４の燃焼室側表面の後流４８が成長しようとする空間に対して角度を持って侵入してくる構造となっている。このため、空気孔プレート５４の燃焼室側表面近傍に発生する後流４８は大きく成長することができない。空気孔プレート５４の表面に大きな低流速の渦が存在すると、石炭ガス化燃料２２のように水素を含む燃料の場合には後流４８に火炎が保持されて、空気孔プレート５４が過熱する危険が生じる。本実施例では空気孔プレート５４の燃焼室側表面が外周側から中央部に向けて傾斜角α０を持って燃焼室側に突き出していることで後流４８の成長を抑制し、後流４８に火炎が付着する危険を低減することができる。
【００５９】
また、空気孔プレート５４の燃焼室側の表面が平面状であれば後流が成長し空気孔プレート外周領域と空気孔プレート５４中央の淀み領域４９との間には、後流による圧力回復点が多数存在することになり、空気孔プレート外周部の空気は後流４８に攪拌されるのみである。しかし、空気孔プレート５４の燃焼室側表面を突出させることで前述のように後流の成長が抑制されるので、空気孔プレート外周から中央の淀み領域４９に向かう順圧力勾配が生まれ、図７に示すように淀み点に向けて周囲の気体が巻き込まれる随伴流４０が生じるため、空気孔出口の後流４８に火炎が付着しにくくなる。
【００６０】
しかしながら、空気孔プレート５４の燃焼室側表面が外周側から中央部に向けて傾斜角α０を持って燃焼室側に突き出しているのみでは、バーナ中心近傍の淀み領域４９にむけて空気孔プレート５４の中央部が突出し、常に高温の燃焼ガス４４である循環ガス４３にさらされると共に、より高温である定常火炎４５に包み込まれる状態となる。石炭ガス化燃料２２のように水素を含む燃料の場合には、燃焼ガス４４及び定常火炎４５における水蒸気濃度が他の燃料に比較して大きい。水蒸気は輻射率が高い気体であるため、高温の定常火炎４５に包み込まれる状態となると空気孔プレート５４中央部は輻射により過熱される危険が高い。そこで、本実施例では、図３に示すように、バーナの中央部は燃焼室から傾斜角α1を持って遠ざかるように凹面形状に窪んでいる構造を持つことで、バーナ中央部が定常火炎４５に包み込まれる危険を回避するようにしている。
【００６１】
さらにバーナの中央部は燃焼室から傾斜角α1を持って遠ざかるように凹面形状に窪んでいることにより、バーナ中央部の表面から定常火炎４５を見る角度が縮小するため、輻射によりバーナ中央部に流入する熱流束を抑制することができるので、バーナ中央部が過熱される危険はさらに低下する。
【００６２】
一方、メイン多孔同軸噴流バーナ５３の外周側には第１の同軸噴流バーナ部５３ａの外周側に設置した第２の同軸噴流バーナ部５３ｂとなる、１列の外周側空気孔５５−２が配置されている。この外周側空気孔５５−２は空気孔中心軸がバーナ中心軸と平行になっている。従って、第２の同軸噴流バーナ部５３ｂとなる外周側空気孔５５−２から噴出する外周燃料の燃料流４１−２及び空気流はバーナ中心軸に平行に燃焼室１に噴射され、前述の機構により急速に混合されて混合気４２−２となり、燃焼室内を直進して円錐状に広がる火炎４５に合流する。
【００６３】
この合流する位置において第１の同軸噴流バーナ部５３ａとなる最内周空気孔５５−１から噴出した混合気４２−１の燃焼によって生じた燃焼ガス４４から活性化エネルギを付与されて燃焼反応を開始し、混合気４２−２内部に火炎４５が伝播する。
【００６４】
このように第２の同軸噴流バーナ部５３ｂとなる外周側空気孔５５−２からの混合気４２−２は最内周空気孔５５−１からの混合気４２−１の燃焼反応により生じる燃焼ガス４４を着火源としているため、燃焼反応の開始位置が空気孔プレート５４から下流側になり、より混合の進んだ状態で燃焼するので、より均一で低ＮＯｘ燃焼が可能となる。
【００６５】
なお、本実施例のガスタービン燃焼器９に示す空気孔プレート５４に形成した空気孔５５は円形断面を持つ空気孔のみであるが、空気孔は、円形以外の形状（例えば矩形スロット）でも成立する。
【００６６】
本実施例によれば、燃料中に含まれる水素濃度が変動する燃料をガスタービン燃焼器に使用する場合に、広範な負荷範囲にわたって水素濃度の変動に影響されずに構造物の過熱を避け信頼性の高い燃焼安定性を維持すると共に、低ＮＯｘ燃焼性能を発揮し得る、ガスタービン燃焼器が実現できる。
【実施例２】
【００６７】
本発明の第二の実施例であるガスタービン燃焼器について説明する。本発明の第二の実施例であるガスタービン燃焼器を有するガスタービンプラントもまた、第一の実施例と同様の石炭ガス化複合発電プラントであり、プラントの構成及び運用方法は第一の実施例と同様である。
【００６８】
第２の実施例は、特に、バーナ中央部の過熱をより確実に避けることができるようにするため、バーナ中央部近傍に生じる淀み領域に向けて循環する燃焼ガスの一部である循環ガスをバーナから遠ざけるように燃焼室下流側に押し戻す構造（以下、循環ガス押し戻し構造と称する）を有することを主な特徴とする。
【００６９】
図８は本発明の第二の実施例であるガスタービン燃焼器の概略構造を示す断面図であり、図９乃至図１１は図８に記載したガスタービン燃焼器に設置された多孔同軸噴流バーナを構成する空気孔を形成した壁状部材の空気孔プレートを示す図である。図１１は空気孔プレート５４を燃焼室１側から見た図、図９は図１１に示した空気孔プレート５４の一点鎖線で囲んだメイン多孔同軸噴流バーナ５３の一つを、燃焼ノズル側プレート面に対して垂直方向に切断した断面図、図１０は図１１に示した空気孔プレート５４のうち一点鎖線で囲んだメイン多孔同軸噴流バーナ５３の一つに注目して抜き出した図を示す。図１０の網掛けを施した領域は空気孔プレート５４の燃焼室側表面が外周側から中央部に向けて傾斜角α０を持って燃焼室側に突出するような傾斜面となっている部分であり、左下がり斜線でハッチングを施した領域はバーナ中央部が燃焼室から傾斜角α1を持って遠ざかるように凹面形状に窪んでいる部分である。
【００７０】
また図１１には、燃料ノズル側の空気孔プレート５４の下流で外側に位置する燃焼器ライナー３の位置を破線で示す。また図１２は、図１１に示した空気孔プレート５４の一点鎖線で囲んだメイン多孔同軸噴流バーナ５３の一つについて、燃料ノズルと空気孔から燃焼室に噴出する流体と、燃焼室内の燃焼ガスの流れを示す状況図である。
【００７１】
まず図８に示す第二の実施例のガスタービン燃焼器のメインバーナ５３は、図９乃至図１１に示すように、メインバーナ中央部の燃焼室から傾斜角α1を持って遠ざかるように凹面形状に窪んでいる領域に空気のみを噴出する冷却空気孔５８を持っていることが第一の実施例と異なる。即ち、この冷却空気孔５８が、循環ガス押し戻し構造としての機能を有する。このようにバーナ中央部の窪んだ領域に空気のみを噴出する冷却空気孔５８が開口していると、図１２に示すようにバーナ中央近傍に生じる淀み領域４９に向けて冷却空気１１が噴出し、第１の同軸噴流バーナ部５３ａに対して着火源となる循環ガス４３を空気孔プレート５４から遠ざけるよう押し戻すと共に、循環ガス４３を希釈して温度を低下させる。この効果により、第１の同軸噴流バーナ部５３ａから噴出する燃料と空気の混合気が着火する位置は、燃焼器軸方向下流側に移動し、空気孔プレート５４と定常火炎４５の軸方向距離がより大きくなるため、空気孔プレート５４の過熱を避ける上でより有効である。尚、冷却空気孔は複数でも良い。
【００７２】
次に本実施例ではメインバーナ５３においては図９乃至図１１に示すように、第１の同軸噴流バーナ部５３ａの外周側に第２及び第３の同軸噴流バーナ部となる、２列の外周側空気孔５５−２及び５５−３が配置されている。
【００７３】
図９に示すように第２の外周側空気孔の入口ピッチ円直径６１−２および出口ピッチ円直径６３−２は第１の空気孔の入口ピッチ円直径６１−１および出口ピッチ円直径６３−１よりも大きく、より大きい円周を持つ。第３の空気孔列に関しては第２の空気孔列に比較してさらに大きくなるため、配置できる空気孔の数はさらに増加する。実際に本実施例においては、第１の空気孔列には４個の同軸噴流バーナのみが配置されているが、第２列には８個、第３列には１２個の同軸噴流バーナが配置されている。
【００７４】
第一の実施例と同様に、外周側空気孔５５−２及び５５−３からの混合気４２−２及び４２−３は最内周空気孔５５−１からの混合気４２−１の燃焼反応により生じる燃焼ガス４４が着火源となるため、燃焼反応の開始位置が空気孔プレート５４から下流側になり、より混合の進んだ状態で燃焼するので、より均一で低ＮＯｘ燃焼が可能となる。したがってより燃焼量の大きいガスタービンに本発明を適用する場合には外周側に第３乃至、必要に応じて第４の空気孔列を構成することでメインバーナ内の低ＮＯｘ燃焼を行う同軸噴流バーナの個数が増加し、よりＮＯｘ排出量を抑制することができる。
【００７５】
さらに、本実施例では図１０に示すように第２の同軸噴流バーナ部および第３の同軸噴流バーナ部を構成する第２の空気孔５５−２及び第３の空気孔５５−３について、空気孔中心軸をバーナ中心軸に対して空気孔を配置したピッチ円の円周方向に傾斜した旋回角θ２及びθ３を与えていることが第一の実施例と異なる。このように外周側空気孔５５−２及び５５−３に旋回角θ２及びθ３を与えることで、旋回流によって誘導する逆圧力勾配を強化することができ、バーナ全体の火炎保持能力を高めることができる。
【００７６】
さらにまた、本実施例では図１０に示すように、第１の同軸噴流バーナ部を構成する空気孔５５−１は、バーナ中央部が燃焼室から傾斜角α1を持って遠ざかるように凹面形状に窪んでいる部分に開口している。凹面形状に窪んでいる部分に空気孔５５−１を開口させる構造も、循環ガス押し戻し構造としての機能を有する。さらに、この凹面形状に窪んでいる部分に空気孔５５−１を開口させる構造は次のように燃焼安定性を向上させる機能を有する。
【００７７】
即ち、前述のように、空気孔プレート５４の燃焼室側表面は、傾斜角α０を持って燃焼室側に突出する部分を持ち、後流の成長が抑制されるので、空気孔プレート外周から中央の淀み領域４９に向かう順圧力勾配が生まれ、図１２に示すように淀み点に向けて周囲の気体が巻き込まれる随伴流４０が生じる。第一の実施例では同軸噴流バーナを構成する空気孔の出口が、傾斜角α０を持って燃焼室側に突出する傾斜部分に開口しており、各空気孔から噴出する混合気は随伴流４０にさらされる。このため、部分的に随伴流のもたらす空気を取り込むなど周囲の流動状況の影響を受ける場合もある。本実施例のように第１の同軸噴流バーナ部を構成する空気孔５５−１を、バーナ中央部が燃焼室から傾斜角α1を持って遠ざかるように凹面形状に窪んでいる部分に開口させると、第１の同軸噴流バーナ部は随伴流に直接さらされない位置に出口を持つため、随伴流のもたらす外乱を受けなくなり、より燃焼安定性に優れたバーナ構造となる。
【００７８】
さらにまた、本実施例では第１の同軸噴流バーナ部及び第２、第３の同軸噴流バーナ部を構成する空気孔５５−１、５５−２、５５−３の中心軸は、空気孔を配置した出口ピッチ円の円周方向に傾斜しているだけでなく、出口ピッチ円に空気孔出口位置で引いた接線よりもバーナ中央側に傾いた噴出角度を持つよう内傾角β１、β２、β３を持っている。この内傾角βの効果について、第１の同軸噴流バーナ部を対象に、図１３、図１４及び図１５を用いて説明する。
【００７９】
同軸噴流バーナを構成する空気孔５５の中心軸が空気孔出口ピッチ円に引いた接線よりもバーナ中央側に傾斜した噴出方向を持つと、同軸噴流バーナから噴出する燃料および空気の混合気は燃焼室に旋回直径を縮小しながら噴出する旋回噴流となる。第１の同軸噴流バーナ部を例に取ると、図１３に拡大して示すように空気孔出口に当たる断面Ｘでは空気孔出口に対応した互いに離れた位置に混合気４２−１が存在する。
【００８０】
しかし前述のように第１の空気孔５５−１は旋回角θ1に加え内傾角β１を与えられており、混合気４２−１は旋回直径を縮小しながら燃焼室内に噴出するため、軸方向に下流に移動した断面位置Ｙでは互いに接するように旋回直径を縮小する。この際、空気孔から噴出した際に持っていた噴流の角運動量は保存されるので、旋回直径が縮小した分に応じて旋回速度は増加する。したがって、旋回直径を縮小しながら流下する旋回流によってバーナ中心軸に誘導される圧力勾配は、旋回速度の増加に応じた噴流動圧の増加により下流側に進むにしたがって低下する順圧力勾配を持つ。
【００８１】
一方、前述の断面位置Ｙを過ぎると混合気の旋回流は徐々に旋回直径を拡大するようになる。旋回直径が拡大しながら流下する旋回流は、前述のようにバーナ中心軸上に逆圧力勾配を誘導する。このような旋回流によってバーナ中心軸上に誘導される圧力の変化の様子を、空気孔出口からのバーナ中心軸に沿った距離に対して整理して図１５に示す。
【００８２】
逆圧力勾配により定常火炎４５の燃焼ガス４４の一部が循環ガス４３としてバーナ中央部に生じる淀み領域４９に向けて循環する。しかし、図１５に示すように空気孔プレート５４の近傍の断面位置Ｙより上流の領域には順圧力勾配が形成されているので、循環ガス４３は断面位置Ｙより上流側に遡ることができない。循環ガス４３は火炎の基点となる第１の同軸噴流バーナからの混合気４２−１に対する着火源であるので、着火源が断面位置Ｙよりも空気孔プレート側に侵入しないことで空気孔プレート５４から断面位置Ｙまでには定常火炎４５が侵入することがない。したがって空気孔プレート５４と定常火炎４５の軸方向距離がより大きくなるため、空気孔プレート５４の過熱を避ける上でより有効である。即ち、内傾角βは循環ガス押し戻し構造としての機能を有する。この循環ガス押し戻し構造の効果を最大に発揮させるために、次ように空気孔プレート５４が燃焼室側に突出する最大の高さＨを設定する。
【００８３】
前述の第１の同軸噴流バーナから噴出する混合気４２−１の旋回直径が縮小から拡大に転じる位置Ｙは、第１の空気孔の入口ピッチ円及び出口ピッチ円の直径と、第１の空気孔の軸方向長さ、及び内傾角から求めることができる。空気孔入口から断面位置Ｙまでの距離をλ1、第１の空気孔入口ピッチ円直径６１−１をＤI-1、第１の空気孔出口ピッチ円直径６３−１をＤE-1、第１の空気孔の軸方向長さ６４−１をＬ1とし、前述のように第１の空気孔５５−１の中心軸が空気孔出口で第１の空気孔出口ピッチ円に引いた接線となす角を内傾角β1とすると、λ1は次式（１）で表される。
【００８４】
【数１】
【００８５】
空気孔プレート５４が燃焼室側に突出する最大の高さＨを距離λ1よりも小さいものとすれば、定常火炎４５は空気孔プレート５４に距離λ1よりも近付くことはない。すなわち次式（２）を満たす、空気孔プレート５４が燃焼室側に突出する最大の高さＨを取れば、本実施例により空気孔プレート５４の過熱を避ける効果を最大に発揮することができる。
【００８６】
【数２】
【００８７】
上述の第２の実施例は、幾つかの特徴を併せ持っている。これらの特徴は、上述したように、個々の構成によって特有の作用効果を有する。従って、全ての特徴を具備することは必須ではなく、単独又は幾つかの特徴の組み合わせでも良い。特に、循環ガス押し戻し構造について、本実施例では三つの構造を併せ持っているが、単独又は幾つかの特徴の組み合わせでも良い。
【００８８】
本実施例によれば、燃料中に含まれる水素濃度が変動する燃料をガスタービン燃焼器に使用する場合に、広範な負荷範囲にわたって水素濃度の変動に影響されずに構造物の過熱を避け信頼性の高い燃焼安定性を維持すると共に、低ＮＯｘ燃焼性能を発揮し得る、ガスタービン燃焼器が実現できる。
【符号の説明】
【００８９】
１：燃焼室、２：燃焼器外筒、３：燃焼器ライナー、４：燃焼器尾筒、５：圧縮機、６：タービン、７：車室、８：燃焼器エンドカバー、９：ガスタービン燃焼器、１０：圧縮空気、１１：冷却空気、１２：燃焼用空気、１３：燃焼ガス、１４：燃料、１５：起動用燃料、１６：石炭、１７：酸素、１８：精製前石炭ガス化ガス、１９：二酸化炭素回収前石炭ガス化ガス、２０：水蒸気、２１：高水素濃度（ＣＯ２回収後）石炭ガス化ガス、２２：石炭ガス化燃料、４０：随伴流、４１、４１−１、４１−２：メインバーナ燃料、４２、４２−１、４２−２：混合気、４３：循環ガス、４４：燃焼ガス、４５：火炎、４６：旋回流、４７：循環流、４８：後流、４９：淀み領域、５０：パイロットバーナ、５１：起動用燃料噴射ノズル、５３：メイン多孔同軸噴流バーナ、５４：空気孔プレート、５５、５５−１、５５−２：空気孔、５６：燃料ノズル、５７：燃料分配器、５８：バーナ中央部冷却空気孔、６１、６１−１、６１−２：空気孔入口ピッチ円直径、６２、６２−１、６２−２：空気孔直径、６３、６３−１、６３−２、６３−３：空気孔出口ピッチ円直径、６４、６４−１、６４−２、６４−３：空気孔バーナ軸方向長さ、６５：空気孔プレート燃焼室側表面法線(後流成長方向)、１００：燃料供給制御装置、１０１：燃料圧縮機、１０２、１０２ａ、１０２ｂ：水素濃度検知手段、１０３：遮断弁、１０４ａ：起動用燃料遮断弁、１０４ｂ：水素含有パイロット燃料遮断弁、１０５ａ：起動用燃料パイロット燃料圧力調整弁、１０５ｂ：水素含有パイロット燃料圧力調整弁、１０６ａ：起動用燃料パイロット燃料流量調整弁、１０６ｂ：水素含有燃料パイロット燃料流量調整弁、１０７ａ：内周側メイン燃料圧力調整弁、１０７ｂ：外周側メイン燃料圧力調整弁、１０８ａ：内周側メイン燃料流量調整弁、１０８ｂ：外周側メイン燃料流量調整弁、１０９：逆止弁、２２ａ：燃料系統、１２０：二酸化炭素回収前石炭ガス化ガス供給系統、１２１：高水素濃度石炭ガス化ガス供給系統、１２２ａ、１２２ｂ、１２３ａ、１２３ｂ：燃料供給系統、２０１：酸素製造装置、２０２：石炭ガス化炉、２０３：石炭ガス化ガス精製装置、２０４、２０５：流量調整弁、２０６：シフト反応器、２０７：二酸化炭素回収装置、２０８：流量調整弁、２０９：ガス処理炉、５０１：発電機。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービン燃焼器及び石炭ガス化複合発電プラントに係り、特に、燃料組成として水素を含む燃料を燃焼するガスタービン燃焼器及び石炭ガス化複合発電プラントに関する。
【背景技術】
【０００２】
水素を組成成分として含むガス燃料をガスタービン燃焼器に使用する場合には、水素の燃焼速度が速いため、ガスタービン燃焼器内で形成される火炎が燃焼器構造物に接近し信頼性上の問題を引き起こす可能性がある。
【０００３】
水素が含まれる燃料に対してガスタービン燃焼器の信頼性を確保する燃焼方式としては、ガスタービン燃焼器の燃焼室に直接燃料のみを投入し、燃焼室内で燃料と空気の混合を行なう拡散燃焼方式が有力であるが、この燃焼方式では最も燃焼しやすい状態で火炎が形成されるため、火炎温度が高くなり窒素酸化物（ＮＯｘ）排出量が増大しやすい。
【０００４】
一方、低ＮＯｘ燃焼を行なうには燃料と空気を予め燃料と空気を量論混合比よりも希薄となるよう混合してガスタービン燃焼器に供給する予混合燃焼方式が有力であるが、この予混合燃焼方式ではガスタービン燃焼器の燃焼室に流入する前から可燃範囲の混合気が形成されているため、燃料ガスに含まれる水素濃度が変化して増加すると燃焼室で形成される火炎の位置がガスタービン燃焼器の構造物に接近するのでガスタービン燃焼器の信頼性上の問題を引き起こす可能性が高くなる。また、水素濃度が減少した場合にも、燃焼室で希薄な混合気を燃焼させているため、燃焼速度と可燃範囲が変動して燃焼不安定を起こす可能性が高くなる。
【０００５】
燃料ノズルと空気ノズルとを同軸に配置した同軸噴流ノズル（同軸噴流バーナ）を多数集合化した構造によって、予め燃料と空気の分散性を高めて燃焼室内に供給し、短い距離で燃料と空気を混合することにより、逆火を防ぐとともに低ＮＯｘ燃焼を図るようにしたガスタービン燃焼器がある。
【０００６】
このような同軸噴流ノズル（同軸噴流バーナ）を用いたガスタービン燃焼器として、特許文献１では、空気孔プレートの燃焼室側の面を、中心部が燃焼室下流側に突き出た円錐台形状とすることにより、内周側同軸噴流ノズル群を燃焼安定性の高いバーナとし、外周側同軸噴流ノズル群を低ＮＯｘ燃焼が可能なバーナとしている。また、特許文献１には、空気孔プレートの頭頂部を窪ませて淀みを促進する構造も開示されている（図１８）。頭頂部を窪ませて淀みを促進することにより保炎強化を図り、燃焼安定性を向上させている。さらに、特許文献１では、水素を含む燃料に対しては、空気孔出口周囲での火炎の保炎を防ぎ、空気孔プレートへ火炎が接近しないようにするため、空気孔プレートを円錐の形にすることが記載されている（図２７）。円錐形の構造によって、頭頂部を窪ませる構造とは逆に、バーナ頭頂部の淀みの領域を非常に小さくするようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−７５１７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
水素を組成成分として含むガス燃料をガスタービン燃焼器に使用する場合には、水素の燃焼速度が速いため、ガスタービン燃焼器内で形成される火炎が燃焼器構造物に接近し信頼性上の問題を引き起こす可能性がある。従って、水素が含まれる燃料をガスタービンに適用する場合に、構造物の信頼性を確保しながら、燃焼安定性の維持と低ＮＯｘ燃焼を実現する技術が求められる。
【０００９】
特許文献１は、基本的には、組成が安定した燃料に関して燃焼安定性を維持して低ＮＯｘ燃焼を実現するものである。その中で、特許文献１では、水素を含む燃料に対しては、空気孔プレートを円錐形とすることによって、バーナ頭頂部の淀みの領域を非常に小さくするようにし、空気孔出口周囲での火炎の保炎を防ぎ、空気孔プレートへ火炎が接近しないようにしている。
【００１０】
しかし、空気孔プレートの中心部である円錐の頂点が常に燃焼ガスである循環ガスにさらされると共に、より高温である定常火炎に包み込まれる状態となる。石炭ガス化燃料のように水素を含む燃料の場合には、燃焼ガス及び定常火炎における水蒸気濃度が他の燃料に比較して大きい。水蒸気は輻射率が高い気体であるため、高温の定常火炎に包み込まれる状態となると空気孔プレート中央部は輻射により局所過熱される可能性がある。
【００１１】
本発明の目的は、燃料組成に水素を含む燃料を燃焼するガスタービン燃焼器において、ガスタービン燃焼器の構造物の過熱を避け、燃焼安定性と低ＮＯｘ燃焼性能を維持し得る、ガスタービン燃焼器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、燃料組成に水素を含む燃料を燃焼する、同軸噴流バーナを用いたガスタービン燃焼器において、バーナの燃焼室側表面が外周側から中央部に向けて燃焼室側に突き出すような傾斜を持ち、かつバーナの中央部が燃焼室から遠ざかるように傾斜を持って窪んでいることを特徴とする。
【００１３】
本発明のガスタービン燃焼器は、望ましくは、バーナ中央部近傍に生じる淀み領域に向けて循環する燃焼ガスの一部である循環ガスをバーナから遠ざけるように燃焼室下流側に押し戻す構造を有する。
【００１４】
また、本発明は、石炭ガス化複合発電プラントのガスタービン燃焼器として、上記構成のガスタービン燃焼器を用いるようにしたものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、燃料組成に水素を含む燃料を燃焼するガスタービン燃焼器において、ガスタービン燃焼器の構造物の過熱を避け、燃焼安定性と低ＮＯｘ燃焼性能を維持することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施例であるガスタービン燃焼器を備えた石炭ガス化複合発電プラントの概略構成図である。
【図２】本発明の第一の実施例のガスタービン燃焼器の構造を示す概略断面図である。
【図３】本発明の第一の実施例のガスタービン燃焼器に設置された複数個のメイン多孔同軸噴流バーナの空気プレートを燃焼室側から見た部分断面図である。
【図４】図２に示した第一の実施例のガスタービン燃焼器のメイン多孔同軸噴流バーナに形成した空気プレートの空気孔を示す部分図である。
【図５】図２に示した第一の実施例のガスタービン燃焼器のメイン多孔同軸噴流バーナに形成した空気孔を備えた空気プレートを燃焼室側から見た図である。
【図６】本発明の実施例のガスタービン燃焼器に設置されたメイン多孔同軸噴流バーナを構成する燃料ノズルと空気孔とを流れる流体の空気孔近傍の流れの状況図である。
【図７】図２に示した本発明の第一の実施例であるガスタービン燃焼器のメイン多孔同軸噴流バーナを構成する燃料ノズルと空気孔から燃焼室に噴出する流体と、燃焼室内の燃焼ガスの流れを示す状況図である。
【図８】本発明の第二の実施例のガスタービン燃焼器の構造を示す概略断面図である。
【図９】本発明の第二の実施例のガスタービン燃焼器に設置された複数個のメイン多孔同軸噴流バーナの空気プレートを燃焼室側から見た部分断面図である。
【図１０】図８に示した第二の実施例のガスタービン燃焼器のメイン多孔同軸噴流バーナに形成した空気プレートの空気孔を示す部分図である。
【図１１】図８に示した第二の実施例のガスタービン燃焼器のメイン多孔同軸噴流バーナに形成した空気孔を備えた空気プレートを燃焼室側から見た図である。
【図１２】図８に示した第二の実施例のガスタービン燃焼器のメイン多孔同軸噴流バーナを構成する燃料ノズルと空気孔から燃焼室に噴出する流体と、燃焼室内の燃焼ガスの流れを示す状況図である。
【図１３】図８に示した第二の実施例のガスタービン燃焼器のメイン多孔同軸噴流バーナを構成する燃料ノズルと空気孔から燃焼室に噴出する流体と、燃焼室内の燃焼ガスの流れを示す図１３に示した状況図の断面Ｘの位置における第１の同軸噴流バーナ部からの混合気の分布範囲を示す図である。
【図１４】図８に示した第二の実施例のガスタービン燃焼器のメイン多孔同軸噴流バーナを構成する燃料ノズルと空気孔から燃焼室に噴出する流体と、燃焼室内の燃焼ガスの流れを示す図１３に示した状況図の断面Ｙの位置における第１の同軸噴流バーナ部からの混合気の分布範囲を示す図である。
【図１５】図８に示した第二の実施例のガスタービン燃焼器のメイン多孔同軸噴流バーナを構成する燃料ノズルと空気孔から燃焼室に噴出する流体と、燃焼室内の燃焼ガスの流れを示す図１３に示した状況図のバーナ中心軸における圧力の、空気孔プレート出口からの距離に対する変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
先ず、本発明の実施例を詳細に説明する前に、本発明の理解を容易にするために、本発明と類似の構造を有する特許文献１の図１８と対比して本発明の概要を説明する。
【００１８】
本発明では、バーナの燃焼室側表面が外周側から中央部に向けて燃焼室側に突き出すような傾斜を持ち、かつバーナの中央部が燃焼室から遠ざかるように傾斜を持って窪んでいる。具体的な構成例としては、燃料と空気が供給される燃焼室の上流側に位置し複数の空気孔を有する空気孔プレートと、空気孔プレートの空気孔に対して同軸に配置され、空気孔に対して燃料組成に水素を含む燃料を供給する複数の燃料ノズルからなる多孔同軸噴流バーナを複数個備えて、燃料組成に水素を含む燃料を燃焼するガスタービン燃焼器において、複数個配置した各多孔同軸噴流バーナは、該多孔同軸噴流バーナの燃焼室側表面が外周側から中央部に向けて燃焼室側に突き出すような傾斜を持ち、かつ該多孔同軸噴流バーナの中央部は燃焼室から遠ざかるように凹面形状に傾斜を持って窪んでいる構造を有する。
【００１９】
バーナの燃焼室側表面が外周側から中央部に向けて燃焼室側に突き出すような傾斜を持つ構造とすることによって、内周側同軸噴流ノズルを燃焼安定性の高いバーナとし、外周側同軸噴流ノズルを低ＮＯｘ燃焼が可能なバーナとすることができる。さらにバーナの中央部が燃焼室から遠ざかるように傾斜を持って窪んでいる構造とすることによってバーナの中央部の過熱を避けることができる。
【００２０】
特許文献１の図１８には、本発明に類似する構造が開示されている。しかし、特許文献１は、図１８に開示の構造も含め、図２７に開示の構造以外のものは、組成が安定した燃料に関して燃焼安定性を維持して低ＮＯｘ燃焼を実現するものである。そして、特許文献１では、水素を含む燃料に対しては、空気孔プレートを円錐形とすることによって、バーナ頭頂部の淀みの領域を非常に小さくするようにし、空気孔出口周囲での火炎の保炎を防ぎ、空気孔プレートへ火炎が接近しないようにしている。即ち、特許文献１では、水素を含む燃料に対しては、特に、図１８に開示のように頭頂部を窪ませて淀みを促進する構造とは逆に、図２７に開示のように空気孔プレートを円錐形としてバーナ頭頂部の淀みの領域を小さくする構造としている。
【００２１】
本発明では、水素を含む燃料を燃焼するガスタービン燃焼器に特化し、特許文献１（図２７）とは逆に、多孔同軸噴流バーナの中央部が燃焼室から遠ざかるように凹面形状に傾斜を持って窪んでいる構造としている。多孔同軸噴流バーナの燃焼室側表面の中央部が燃焼室から遠ざかるように傾斜を持って窪んでいる構造とすることによって、バーナ中央部が定常火炎に包み込まれる危険を回避することができ、さらにバーナの中央部は燃焼室から傾斜角を持って遠ざかるように凹面形状に窪んでいることにより、バーナ中央部の表面から定常火炎を見る角度が縮小するため、輻射によりバーナ中央部に流入する熱流束を抑制することができるので、バーナ中央部が過熱される危険をさらに低下させることができる。
【００２２】
そして、本発明では、バーナ中央部近傍に生じる淀み領域に向けて循環する燃焼ガスの一部である循環ガスをバーナから遠ざけるように燃焼室下流側に押し戻す構造を有している。これによって、バーナ中央部の過熱をより確実に避けることができる。
【００２３】
また、多孔同軸噴流バーナの燃焼室側表面が外周側から中央部に向けて燃焼室側に突き出すような傾斜を持つことによって、空気孔出口近傍に形成される流速の低い渦（後流）の成長を抑制し、後流に火炎が付着する危険を低減することができ、また、多孔同軸噴流バーナの燃焼室側表面の傾斜に沿って外周側から中央の淀み領域に向かう流れが生じ、この流れが火炎を下流に押し戻すので、後流に火炎がさらに付着しにくくなる。
【００２４】
以下、図面を用いて本発明の実施例であるガスタービン燃焼器、ガスタービン燃焼器の燃料供給装置、ガスタービン燃焼器の燃料供給方法、及びガスタービン燃焼器を用いた発電プラントについて説明する。
【実施例１】
【００２５】
図１は本発明の第一の実施例であるガスタービン燃焼器を有するガスタービンプラントを備えた石炭ガス化複合発電プラント（ＩＧＣＣ：Integrated coal Gasification Combined Cycle、以下ＩＧＣＣと略記する）の概略構成図である。ＩＧＣＣは、地球温暖化防止の観点より、ガスタービン燃焼器に供給されるガス化燃料中の炭素分を分離・回収するシステムが国内外で検討されている。図１に示すＩＧＣＣは二酸化炭素分離・回収装置付きの石炭ガス化複合発電（ＣＣＳ−ＩＧＣＣ）プラントである。
【００２６】
石炭ガス化炉２０２に酸素製造装置２０１からの酸素１７を投入して石炭１６をガス化する。石炭ガス化炉２０２で生成した精製前石炭ガス化ガス１８は、石炭ガス化ガス精製装置２０３によって集塵、脱硫等をした後、流量調整弁２０４を介してシフト反応器２０６に供給される。シフト反応器２０６において水蒸気２０を添加してシフト反応で石炭ガス化ガス中のＣＯをＣＯ２に変換する。そして、二酸化炭素回収装置２０７において石炭ガス化ガス中のＣＯ２を回収し、高水素濃度（ＣＯ２回収後）石炭ガス化ガス２１を製造する。燃料供給系統１２２ｂ、１２３ａ、１２３ｂには、二酸化炭素回収前石炭ガス化ガス供給系統１２０からの二酸化炭素回収前石炭ガス化ガス１９と高水素濃度石炭ガス化ガス供給系統１２１からの高水素濃度石炭ガス化ガス２１とが遮断弁１０３を介して石炭ガス化燃料２２として供給される。二酸化炭素回収前石炭ガス化ガス供給系統１２０には水素濃度検知手段１０２ａと流量調整弁２０５が設けられている。高水素濃度石炭ガス化ガス供給系統１２１には水素濃度検知手段１０２ｂと流量調整弁２０８が設けられている。石炭ガス化燃料２２として利用されない石炭ガス化ガスはガス処理炉２０９を介して排出される。石炭ガス化燃料２２としてＣＯ２を回収した高水素濃度石炭ガス化ガス２１が供給される場合には、燃料のほとんどの成分が水素となる。
【００２７】
燃料組成に水素を含む石炭ガス化燃料２２によって駆動されるガスタービンプラントは、圧縮機５によって外気を吸入して圧縮した圧縮空気１０を、車室７を経由してガスタービン燃焼器９に燃焼用空気１２として供給し、このガスタービン燃焼器９に設置したメイン多孔同軸噴流バーナ５３から石炭ガス化燃料２２と共に燃焼室１に噴射して燃焼させる。また、ガスタービンプラントは、ガスタービン燃焼器９で石炭ガス化燃料２２を燃焼させて発生させた高温高圧の燃焼ガス１３をタービン６に流入させて駆動し、タービン６の回転動力を発電機５０１によって電力として取り出す。なお、図示していないが、ガスタービンの高温排ガスによって蒸気を発生させて、この蒸気によって蒸気タービンを駆動して発電するようにしている。
【００２８】
本発明のガスタービン燃焼器は、上述のようなＩＧＣＣの他に、製鉄プラントから得られる、水素を含む副生ガスであるコークス炉ガス（ＣＯＧ：Coke Oven Gas）、高炉ガス（ＢＦＧ：Blast Furnace Gas）、転炉ガス（ＬＤＧ：Linzer Donawitz Gas）あるいはこれらの混合ガスを燃料として使用するガスタービンや、石油製油所のナフサ分解プラントなどから得られる、水素を含む副生ガスを燃料とするガスタービンに適用することができる。これらの副生ガスは燃料成分の３０％〜６０％が水素となる。
【００２９】
このように、燃料中に含まれる水素濃度が変動する燃料をガスタービン燃焼器に使用する場合に、広範な負荷範囲にわたって水素濃度の変動に影響されずに構造物の過熱を避け、信頼性の高い燃焼安定性を維持すると共に、低ＮＯｘ燃焼性能を維持することが重要となる。
【００３０】
次に、本発明の第一の実施例であるガスタービン燃焼器の構造を説明する。図２は図１に記載したガスタービン燃焼器の概略構造を示す断面図であり、図３乃至図５は図１及び図２に記載したガスタービン燃焼器に設置された多孔同軸噴流バーナを構成する空気孔を形成した壁状部材の空気孔プレートを示す図である。また、図６は図１及び図２に記載したガスタービン燃焼器において、多孔同軸噴流バーナを構成する単一の燃料ノズルと、この単一の燃料ノズルに対応して配置され、多孔同軸噴流バーナを構成する空気孔プレートに形成した単一の空気孔との近傍における流体の流れの様態を示す拡大図である。
【００３１】
ガスタービン燃焼器９は、外周側に設置された燃焼器外筒２と、燃焼器外筒２の内部に設置された燃焼器ライナー３と、この燃焼器ライナー３の下流側に接続した燃焼器尾筒４とを備えた円筒構造であり、燃焼器ライナー３の内部には石炭ガス化燃料２２と燃焼用空気１２を燃焼させる円筒状の燃焼室１が形成されている。また燃焼器尾筒４は、円筒形状の燃焼器ライナー３出口と扇形形状のタービン６の静翼入口の間を滑らかに連絡する部品である。
【００３２】
ガスタービン燃焼器９の燃焼室１内で石炭ガス化燃料２２の燃焼に用いられる燃焼用空気１２は、ガスタービン燃焼器９の燃焼器外筒２と燃焼器ライナー３との間の空間を通じて供給されるが、ガスタービン燃焼器９の頭部に設けた燃焼器エンドカバー８によってせき止められ、この燃焼用空気１２の一部がメイン多孔同軸噴流バーナ５３を構成する空気孔プレート５４に形成した複数の空気孔５５に供給される。
【００３３】
また、燃焼用空気１２の他の一部は、燃焼器ライナー３の壁面に開口した多数の空気孔から冷却空気１１として燃焼室１内に流入し、ガスタービン燃焼器９の燃焼室１で発生した高温高圧の燃焼ガス１３により、燃焼器ライナー３などの構造物が過熱されないよう冷却する。
【００３４】
ガスタービン燃焼器９に供給される石炭ガス化燃料２２は、燃焼器エンドカバー８の外部からエンドカバー８内部に設けた燃料分配器５７の分配流路を通ってメイン多孔同軸噴流バーナ５３の各燃料ノズル５６にそれぞれ配分される。
【００３５】
本実施例に示す二酸化炭素回収付の石炭ガス化複合発電プラントは、石炭ガス化炉２０２が稼動して石炭ガス化燃料２２がガスタービンプラントに供給されるようになるまでの間、外部から石炭ガス化ガス２２とは別の燃料によりガスタービンプラントを起動して電力および熱エネルギを発生し、ガス化炉２０２を起動させる必要がある。このため、本実施例では石炭ガス化複合発電プラントの起動を担うための起動用燃料１５を供給する燃料供給系統１２２ａを持っている。
【００３６】
本実施例のガスタービン燃焼器９は、図１および図５に示すように、燃焼器軸心の中央に起動用燃料噴射ノズル５１を有するパイロットバーナ５０を備え、燃焼器軸心の外周側となる、パイロットバーナ５０の周囲に多孔同軸噴流バーナ構造のメイン多孔同軸噴流バーナ５３を５個配置した構造を採用している。
【００３７】
このため、ガス化炉２０２の起動前にガスタービン燃焼器９のパイロットバーナ５０にパイロット燃料として起動用燃料１５を供給する燃料供給系統１２２ａが配設され、この燃料供給系統１２２ａに起動用燃料１５の流量を調節する起動用燃料パイロットバーナ燃料遮断弁１０４ａ、起動用燃料パイロットバーナ燃料圧力調整弁１０５ａ、および起動用燃料パイロットバーナ燃料流量調整弁１０６ａがそれぞれ設置されている。
【００３８】
また、パイロットバーナにも多孔同軸噴流バーナ構造を採用すればより低ＮＯｘ燃焼が可能なガスタービン燃焼器が構成できる。本実施例ではパイロットバーナ５０にも石炭ガス化燃料２２が供給できるよう構成されており、ガス化炉２０２が稼動した後は、パイロットバーナ５０も石炭ガス化燃料２２により運用される。このため、ガス化炉２０２の起動後に、ガスタービン燃焼器９に設置されたパイロットバーナ５０にパイロット燃料として石炭ガス化燃料２２を供給する燃料供給系統１２２ｂが配設されており、この燃料供給系統１２２ｂに石炭ガス化燃料２２の流量を調節する石炭ガス化燃料パイロットバーナ燃料遮断弁１０４ｂ、石炭ガス化燃料パイロットバーナ燃料圧力調整弁１０５ｂ、および石炭ガス化燃料パイロットバーナ燃料流量調整弁１０６ｂがそれぞれ設置されている。
【００３９】
ガスタービン燃焼器９に設置された複数個の各メイン多孔同軸噴流バーナ５３には、その内周側に設けられた第１の同軸噴流バーナ部５３ａに燃料として石炭ガス化燃料２２を供給する燃料供給系統１２３ａが配設され、この燃料供給系統１２３ａに、石炭ガス化燃料２２の流量を調節する内周側メイン燃料圧力調整弁１０７ａ及び内周側メイン燃料流量調整弁１０８ａがそれぞれ設置されている。
【００４０】
また、ガスタービン燃焼器９に設置された複数個の各メイン多孔同軸噴流バーナ５３には、その外周側（第１の同軸噴流バーナ部５３ａの外周側）に設けられた第２の同軸噴流バーナ部５３ｂに燃料として石炭ガス化燃料２２を供給する燃料供給系統１２３ｂが配設され、この燃料供給系統１２３ｂに、石炭ガス化燃料２２の流量を調節する外周側メイン燃料圧力調整弁１０７ｂ及び外周側メイン燃料流量調整弁１０８ｂがそれぞれ設置されている。尚、図１では、図の簡略化のため、一つのメイン多孔同軸噴流バーナ５３に石炭ガス化燃料２２を供給する燃料供給系統１２３ａ，１２３ｂを図示している。
【００４１】
メイン多孔同軸噴流バーナ５３を構成する多孔同軸噴流バーナは多数の燃料・空気の同軸噴流を形成するバーナであり、かつ燃料と空気の混合の度合いを、メイン多孔同軸噴流バーナ５３を構成する空気ノズルの形状および燃料ノズルの形状で調整することができる。
【００４２】
また、各メイン多孔同軸噴流バーナ５３の保炎能力は、各メイン多孔同軸噴流バーナ５３の内周側に設置した第１の同軸噴流バーナ部５３ａの同軸噴流の混合と噴出方向で調整することができるので、第１の同軸噴流バーナ部５３ａの同軸噴流に保炎の機能を担わせることができる。
【００４３】
また、保炎の機能を強化するように各メイン多孔同軸噴流バーナ５３の内周側にある第１の同軸噴流バーナ部５３ａによって燃料と空気の混合を調整することで、燃焼室１内にて可燃範囲の混合気が形成される位置を、各メイン多孔同軸噴流バーナ５３の構造物からガスタービン燃焼器９の燃焼室の下流方向に離れた位置に設計することが可能であり、外周側の同軸ノズルについては火炎接近に対する裕度を大きく取ることができる。
【００４４】
そこで本実施例のガスタービン燃焼器９においては、メインバーナを構成するメイン多孔同軸噴流バーナ５３において、内周側に設置した第１の同軸噴流バーナ部５３ａと、外周側に設置した第２の同軸噴流バーナ部５３ｂには独立に石炭ガス化燃料２２が供給されるように燃料系統を燃料供給系統１２３ａと燃料供給系統１２３ｂとに分割しており、燃料供給系統１２３ａと燃料供給系統１２３ｂに供給する燃料の配分と各燃料の流量が調整できるように構成している。燃料供給系統１２３ａと燃料供給系統１２３ｂに供給する燃料の配分と各燃料の流量が調整は、例えば、特許文献１に記載のように行う。
【００４５】
メイン多孔同軸噴流バーナ５３に供給される石炭ガス化燃料２２の一部は、燃料供給系統１２３ａを通じてガスタービン燃焼器９の燃焼器エンドカバー８の取り合い口に導かれる。また、石炭ガス化燃料２２の他の一部は、燃料供給系統１２３ｂを通じてガスタービン燃焼器９の燃焼器エンドカバー８の取り合い口に導かれる。そして導かれた各石炭ガス化燃料２２は、図２に示すようにエンドカバー８の内部の流路を通過し、燃料分配器５７の外周側空間からメイン多孔同軸噴流バーナ５３を構成する燃料ノズル５６を通って空気孔プレート５４に開口した空気孔５５に向かって噴出し、空気と同軸の噴流となってメイン多孔同軸噴流バーナ５３からガスタービン燃焼器９の燃焼室１に噴出して燃焼する。
【００４６】
図６は、ガスタービン燃焼器９に設置されたメイン多孔同軸噴流バーナ５３を構成する多数の同軸噴流バーナのうち、１つの同軸噴流バーナを構成する単一の燃料ノズル５６の先端部と、空気孔プレート５４の空気孔５５とを拡大して示した概略図である。同軸噴流バーナとは、燃料の流路と、空気などの酸化剤の流路を、略同じ方向に噴出するように略同心円状に配置したバーナである。
【００４７】
図６に示す同軸噴流バーナでは、空気孔プレート５４が、メイン多孔同軸噴流バーナ５３を構成する１つの燃料ノズル５６と燃焼室１との間に配置されている。燃料ノズル５６は空気孔プレート５４に形成した空気孔５５の上流側に空気孔５５と略同軸上に配置されて、燃料ノズル５６から噴出した石炭ガス化燃料２２が空気孔５５の中心部に流入するように構成されている。また、空気孔プレート５４の上流側には、燃焼用空気１２が引き込まれ、空気孔プレート５４の上流側から供給される燃焼用空気１２も、燃料ノズル５６の外周側から空気孔プレート５４の空気孔５５に流入する。この時、燃焼用空気１２は、空気孔プレート５４の上流側に形成された広い空間から、空気孔プレート５４に形成した狭い空間の空気孔５５に流入する。
【００４８】
そのため、空気孔５５の内部には、燃料流及び燃料流の外周側に形成された環状の空気流が、燃料ノズル５６の下流に生じる後流渦や空気孔入口での燃焼用空気１２の急収縮による剥離渦などの細かい乱れ構造を含んで流下する同軸噴流が形成されることになる。
【００４９】
空気孔プレート５４の空気孔５５を通過した燃料流及び空気流は、空気孔５５より広い空間の燃焼室１に一気に噴出し、空気孔５５の狭い空間で限定されていた渦が大きく拡大して崩壊するにつれて、燃焼室１において燃料流と空気流が急速に混合して、図２に示すように混合気４２が形成される。
【００５０】
このように、空気孔プレート５４に複数の燃料ノズル５６と同軸の複数の空気孔５５をそれぞれ配置し、空気孔５５の上流側に燃料ノズル５６を配置する構成にすると、燃焼室１に流入した燃料は急速に分散するため、燃料と空気の混合度が増加し、短距離で急速に混合できる。
【００５１】
このような構成のメイン多孔同軸噴流バーナ５３においては、同軸噴流バーナを構成する空気孔５５の内部において燃料流が中心部を流れ、燃料流の周囲を空気流が流れているため、燃料ノズル５６のごく近傍では可燃範囲の混合気が形成されない。また、空気孔５５の内部と燃焼室１に流入した直後の非常に狭い領域で混合が進行するため、空気孔プレート５４の近傍に火炎が接近しにくく、ガスタービン燃焼器９は信頼性が高い特徴を持つ。
【００５２】
次に本実施例のガスタービン燃焼器９に５個設置したメイン多孔同軸噴流バーナ５３の一つを抽出して、図７及び図３、図４、図５を用いて燃料流及び空気流の流れの状況を説明する。
【００５３】
図５は空気孔プレート５４を燃焼室１側から見た図、図３は図５に示した空気孔プレート５４の一点鎖線で囲んだメイン多孔同軸噴流バーナ５３の一つを、空気孔プレート５４の燃料ノズル側平面に対して垂直方向に切断した断面図、図４は図５に示した空気孔プレート５４のうち一点鎖線で囲んだメイン多孔同軸噴流バーナ５３の一つに注目して抜き出した図を示す。図４に網掛けを施した領域は空気孔プレート５４の燃焼室側表面が外周側から中央部に向けて傾斜角α０を持って燃焼室側に突出するような傾斜面となっている部分であり、左下がり斜線でハッチングを施した領域はバーナ中央部が燃焼室から傾斜角α1を持って遠ざかるように凹面形状に窪んでいる部分である。
【００５４】
また図５には、燃料ノズル側の空気孔プレート５４の下流で外側に位置する燃焼器ライナー３の位置を破線で示す。また図７は、図５に示した空気孔プレート５４の一点鎖線で囲んだメイン多孔同軸噴流バーナ５３の一つについて、燃料ノズルと空気孔から燃焼室に噴出する流体と、燃焼室内の燃焼ガスの流れを示す状況図である。
【００５５】
図７に示す本実施例のメイン多孔同軸噴流バーナ５３の同軸噴流バーナを構成する燃料ノズル５６と空気孔５５との位置関係において、メイン多孔同軸噴流バーナ５３の内周側に設置した第１の同軸噴流バーナ部５３ａとなるバーナ最内周空気孔５５−１の中心軸は、バーナ中心軸に対して空気孔を配置したピッチ円の円周方向に傾斜している。図４は第１の同軸噴流バーナ部５３ａとなるバーナ最内周空気孔５５−１の一つの中心軸に沿って、空気孔プレート５４を切断した部分断面図である。図４に示すように第１の同軸噴流バーナ部５３ａとなるバーナ最内周空気孔５５−１の中心軸は、バーナ中心軸に対して空気孔を配置したピッチ円の円周方向に傾斜しているので、第１の同軸噴流バーナ部５３ａとなる最内周空気孔５５−１から噴出する内周燃料の燃料流４１−１及び空気流は、最内周空気孔５５−１の中心軸に沿って空気孔を配置したピッチ円の接線方向の旋回成分を持って燃焼室１に噴射され、前述の機構により急速に混合されて混合気４２−１となる。
【００５６】
第１の同軸噴流バーナ部５３ａとなる最内周空気孔５５−１は、図４に示すように円周方向に傾斜した旋回角θを持っているため、最内周空気孔５５−１から噴射された混合気４２−１は、燃焼室１の内部で螺旋状に旋回しながら下流側へ流れる旋回流４６となり、燃焼室１内部で旋回直径を拡大しながら下流側に流出する。
【００５７】
このように拡大しながら流下する旋回流は、旋回の中心軸上に逆方向の圧力勾配を誘導するので、図７に示すように、旋回流の中で火炎４５内の反応により生じた燃焼ガス４４の一部は循環ガス４３として、バーナ中心の近傍に生じる淀み領域４９に向けて循環し、最内周空気孔５５−１から流入する混合気４２−１に対して活性化エネルギを与えることで燃焼反応を維持する着火源として機能する。これにより燃焼室１内部に安定な円錐状の定常火炎４５が形成される。
【００５８】
図７に示す本実施例のガスタービン燃焼器９に設置したメイン多孔同軸噴流バーナ５３の空気孔プレート５４は、図３に示すように燃焼室側表面が外周側から中央部に向けて傾斜角α０を持って燃焼室側に突き出すような構造を持っている。空気孔５５の出口近傍では、高速で空気孔５５を流下した燃料及び空気が急に広い空間に噴出して空気孔壁面の拘束を受けなくなるため、後流４８と呼ばれる流速の低い渦が空気孔プレート５４の燃焼室側表面の法線方向６５に成長する。本実施例では、空気孔プレート５４の燃焼室側表面が外周側から中央部に向けて傾斜角α０を持って燃焼室側に突き出しているため、外周側の第２の空気孔５５−２を流下した燃料及び空気が、空気孔プレート５４の燃焼室側表面の後流４８が成長しようとする空間に対して角度を持って侵入してくる構造となっている。このため、空気孔プレート５４の燃焼室側表面近傍に発生する後流４８は大きく成長することができない。空気孔プレート５４の表面に大きな低流速の渦が存在すると、石炭ガス化燃料２２のように水素を含む燃料の場合には後流４８に火炎が保持されて、空気孔プレート５４が過熱する危険が生じる。本実施例では空気孔プレート５４の燃焼室側表面が外周側から中央部に向けて傾斜角α０を持って燃焼室側に突き出していることで後流４８の成長を抑制し、後流４８に火炎が付着する危険を低減することができる。
【００５９】
また、空気孔プレート５４の燃焼室側の表面が平面状であれば後流が成長し空気孔プレート外周領域と空気孔プレート５４中央の淀み領域４９との間には、後流による圧力回復点が多数存在することになり、空気孔プレート外周部の空気は後流４８に攪拌されるのみである。しかし、空気孔プレート５４の燃焼室側表面を突出させることで前述のように後流の成長が抑制されるので、空気孔プレート外周から中央の淀み領域４９に向かう順圧力勾配が生まれ、図７に示すように淀み点に向けて周囲の気体が巻き込まれる随伴流４０が生じるため、空気孔出口の後流４８に火炎が付着しにくくなる。
【００６０】
しかしながら、空気孔プレート５４の燃焼室側表面が外周側から中央部に向けて傾斜角α０を持って燃焼室側に突き出しているのみでは、バーナ中心近傍の淀み領域４９にむけて空気孔プレート５４の中央部が突出し、常に高温の燃焼ガス４４である循環ガス４３にさらされると共に、より高温である定常火炎４５に包み込まれる状態となる。石炭ガス化燃料２２のように水素を含む燃料の場合には、燃焼ガス４４及び定常火炎４５における水蒸気濃度が他の燃料に比較して大きい。水蒸気は輻射率が高い気体であるため、高温の定常火炎４５に包み込まれる状態となると空気孔プレート５４中央部は輻射により過熱される危険が高い。そこで、本実施例では、図３に示すように、バーナの中央部は燃焼室から傾斜角α1を持って遠ざかるように凹面形状に窪んでいる構造を持つことで、バーナ中央部が定常火炎４５に包み込まれる危険を回避するようにしている。
【００６１】
さらにバーナの中央部は燃焼室から傾斜角α1を持って遠ざかるように凹面形状に窪んでいることにより、バーナ中央部の表面から定常火炎４５を見る角度が縮小するため、輻射によりバーナ中央部に流入する熱流束を抑制することができるので、バーナ中央部が過熱される危険はさらに低下する。
【００６２】
一方、メイン多孔同軸噴流バーナ５３の外周側には第１の同軸噴流バーナ部５３ａの外周側に設置した第２の同軸噴流バーナ部５３ｂとなる、１列の外周側空気孔５５−２が配置されている。この外周側空気孔５５−２は空気孔中心軸がバーナ中心軸と平行になっている。従って、第２の同軸噴流バーナ部５３ｂとなる外周側空気孔５５−２から噴出する外周燃料の燃料流４１−２及び空気流はバーナ中心軸に平行に燃焼室１に噴射され、前述の機構により急速に混合されて混合気４２−２となり、燃焼室内を直進して円錐状に広がる火炎４５に合流する。
【００６３】
この合流する位置において第１の同軸噴流バーナ部５３ａとなる最内周空気孔５５−１から噴出した混合気４２−１の燃焼によって生じた燃焼ガス４４から活性化エネルギを付与されて燃焼反応を開始し、混合気４２−２内部に火炎４５が伝播する。
【００６４】
このように第２の同軸噴流バーナ部５３ｂとなる外周側空気孔５５−２からの混合気４２−２は最内周空気孔５５−１からの混合気４２−１の燃焼反応により生じる燃焼ガス４４を着火源としているため、燃焼反応の開始位置が空気孔プレート５４から下流側になり、より混合の進んだ状態で燃焼するので、より均一で低ＮＯｘ燃焼が可能となる。
【００６５】
なお、本実施例のガスタービン燃焼器９に示す空気孔プレート５４に形成した空気孔５５は円形断面を持つ空気孔のみであるが、空気孔は、円形以外の形状（例えば矩形スロット）でも成立する。
【００６６】
本実施例によれば、燃料中に含まれる水素濃度が変動する燃料をガスタービン燃焼器に使用する場合に、広範な負荷範囲にわたって水素濃度の変動に影響されずに構造物の過熱を避け信頼性の高い燃焼安定性を維持すると共に、低ＮＯｘ燃焼性能を発揮し得る、ガスタービン燃焼器が実現できる。
【実施例２】
【００６７】
本発明の第二の実施例であるガスタービン燃焼器について説明する。本発明の第二の実施例であるガスタービン燃焼器を有するガスタービンプラントもまた、第一の実施例と同様の石炭ガス化複合発電プラントであり、プラントの構成及び運用方法は第一の実施例と同様である。
【００６８】
第２の実施例は、特に、バーナ中央部の過熱をより確実に避けることができるようにするため、バーナ中央部近傍に生じる淀み領域に向けて循環する燃焼ガスの一部である循環ガスをバーナから遠ざけるように燃焼室下流側に押し戻す構造（以下、循環ガス押し戻し構造と称する）を有することを主な特徴とする。
【００６９】
図８は本発明の第二の実施例であるガスタービン燃焼器の概略構造を示す断面図であり、図９乃至図１１は図８に記載したガスタービン燃焼器に設置された多孔同軸噴流バーナを構成する空気孔を形成した壁状部材の空気孔プレートを示す図である。図１１は空気孔プレート５４を燃焼室１側から見た図、図９は図１１に示した空気孔プレート５４の一点鎖線で囲んだメイン多孔同軸噴流バーナ５３の一つを、燃焼ノズル側プレート面に対して垂直方向に切断した断面図、図１０は図１１に示した空気孔プレート５４のうち一点鎖線で囲んだメイン多孔同軸噴流バーナ５３の一つに注目して抜き出した図を示す。図１０の網掛けを施した領域は空気孔プレート５４の燃焼室側表面が外周側から中央部に向けて傾斜角α０を持って燃焼室側に突出するような傾斜面となっている部分であり、左下がり斜線でハッチングを施した領域はバーナ中央部が燃焼室から傾斜角α1を持って遠ざかるように凹面形状に窪んでいる部分である。
【００７０】
また図１１には、燃料ノズル側の空気孔プレート５４の下流で外側に位置する燃焼器ライナー３の位置を破線で示す。また図１２は、図１１に示した空気孔プレート５４の一点鎖線で囲んだメイン多孔同軸噴流バーナ５３の一つについて、燃料ノズルと空気孔から燃焼室に噴出する流体と、燃焼室内の燃焼ガスの流れを示す状況図である。
【００７１】
まず図８に示す第二の実施例のガスタービン燃焼器のメインバーナ５３は、図９乃至図１１に示すように、メインバーナ中央部の燃焼室から傾斜角α1を持って遠ざかるように凹面形状に窪んでいる領域に空気のみを噴出する冷却空気孔５８を持っていることが第一の実施例と異なる。即ち、この冷却空気孔５８が、循環ガス押し戻し構造としての機能を有する。このようにバーナ中央部の窪んだ領域に空気のみを噴出する冷却空気孔５８が開口していると、図１２に示すようにバーナ中央近傍に生じる淀み領域４９に向けて冷却空気１１が噴出し、第１の同軸噴流バーナ部５３ａに対して着火源となる循環ガス４３を空気孔プレート５４から遠ざけるよう押し戻すと共に、循環ガス４３を希釈して温度を低下させる。この効果により、第１の同軸噴流バーナ部５３ａから噴出する燃料と空気の混合気が着火する位置は、燃焼器軸方向下流側に移動し、空気孔プレート５４と定常火炎４５の軸方向距離がより大きくなるため、空気孔プレート５４の過熱を避ける上でより有効である。尚、冷却空気孔は複数でも良い。
【００７２】
次に本実施例ではメインバーナ５３においては図９乃至図１１に示すように、第１の同軸噴流バーナ部５３ａの外周側に第２及び第３の同軸噴流バーナ部となる、２列の外周側空気孔５５−２及び５５−３が配置されている。
【００７３】
図９に示すように第２の外周側空気孔の入口ピッチ円直径６１−２および出口ピッチ円直径６３−２は第１の空気孔の入口ピッチ円直径６１−１および出口ピッチ円直径６３−１よりも大きく、より大きい円周を持つ。第３の空気孔列に関しては第２の空気孔列に比較してさらに大きくなるため、配置できる空気孔の数はさらに増加する。実際に本実施例においては、第１の空気孔列には４個の同軸噴流バーナのみが配置されているが、第２列には８個、第３列には１２個の同軸噴流バーナが配置されている。
【００７４】
第一の実施例と同様に、外周側空気孔５５−２及び５５−３からの混合気４２−２及び４２−３は最内周空気孔５５−１からの混合気４２−１の燃焼反応により生じる燃焼ガス４４が着火源となるため、燃焼反応の開始位置が空気孔プレート５４から下流側になり、より混合の進んだ状態で燃焼するので、より均一で低ＮＯｘ燃焼が可能となる。したがってより燃焼量の大きいガスタービンに本発明を適用する場合には外周側に第３乃至、必要に応じて第４の空気孔列を構成することでメインバーナ内の低ＮＯｘ燃焼を行う同軸噴流バーナの個数が増加し、よりＮＯｘ排出量を抑制することができる。
【００７５】
さらに、本実施例では図１０に示すように第２の同軸噴流バーナ部および第３の同軸噴流バーナ部を構成する第２の空気孔５５−２及び第３の空気孔５５−３について、空気孔中心軸をバーナ中心軸に対して空気孔を配置したピッチ円の円周方向に傾斜した旋回角θ２及びθ３を与えていることが第一の実施例と異なる。このように外周側空気孔５５−２及び５５−３に旋回角θ２及びθ３を与えることで、旋回流によって誘導する逆圧力勾配を強化することができ、バーナ全体の火炎保持能力を高めることができる。
【００７６】
さらにまた、本実施例では図１０に示すように、第１の同軸噴流バーナ部を構成する空気孔５５−１は、バーナ中央部が燃焼室から傾斜角α1を持って遠ざかるように凹面形状に窪んでいる部分に開口している。凹面形状に窪んでいる部分に空気孔５５−１を開口させる構造も、循環ガス押し戻し構造としての機能を有する。さらに、この凹面形状に窪んでいる部分に空気孔５５−１を開口させる構造は次のように燃焼安定性を向上させる機能を有する。
【００７７】
即ち、前述のように、空気孔プレート５４の燃焼室側表面は、傾斜角α０を持って燃焼室側に突出する部分を持ち、後流の成長が抑制されるので、空気孔プレート外周から中央の淀み領域４９に向かう順圧力勾配が生まれ、図１２に示すように淀み点に向けて周囲の気体が巻き込まれる随伴流４０が生じる。第一の実施例では同軸噴流バーナを構成する空気孔の出口が、傾斜角α０を持って燃焼室側に突出する傾斜部分に開口しており、各空気孔から噴出する混合気は随伴流４０にさらされる。このため、部分的に随伴流のもたらす空気を取り込むなど周囲の流動状況の影響を受ける場合もある。本実施例のように第１の同軸噴流バーナ部を構成する空気孔５５−１を、バーナ中央部が燃焼室から傾斜角α1を持って遠ざかるように凹面形状に窪んでいる部分に開口させると、第１の同軸噴流バーナ部は随伴流に直接さらされない位置に出口を持つため、随伴流のもたらす外乱を受けなくなり、より燃焼安定性に優れたバーナ構造となる。
【００７８】
さらにまた、本実施例では第１の同軸噴流バーナ部及び第２、第３の同軸噴流バーナ部を構成する空気孔５５−１、５５−２、５５−３の中心軸は、空気孔を配置した出口ピッチ円の円周方向に傾斜しているだけでなく、出口ピッチ円に空気孔出口位置で引いた接線よりもバーナ中央側に傾いた噴出角度を持つよう内傾角β１、β２、β３を持っている。この内傾角βの効果について、第１の同軸噴流バーナ部を対象に、図１３、図１４及び図１５を用いて説明する。
【００７９】
同軸噴流バーナを構成する空気孔５５の中心軸が空気孔出口ピッチ円に引いた接線よりもバーナ中央側に傾斜した噴出方向を持つと、同軸噴流バーナから噴出する燃料および空気の混合気は燃焼室に旋回直径を縮小しながら噴出する旋回噴流となる。第１の同軸噴流バーナ部を例に取ると、図１３に拡大して示すように空気孔出口に当たる断面Ｘでは空気孔出口に対応した互いに離れた位置に混合気４２−１が存在する。
【００８０】
しかし前述のように第１の空気孔５５−１は旋回角θ1に加え内傾角β１を与えられており、混合気４２−１は旋回直径を縮小しながら燃焼室内に噴出するため、軸方向に下流に移動した断面位置Ｙでは互いに接するように旋回直径を縮小する。この際、空気孔から噴出した際に持っていた噴流の角運動量は保存されるので、旋回直径が縮小した分に応じて旋回速度は増加する。したがって、旋回直径を縮小しながら流下する旋回流によってバーナ中心軸に誘導される圧力勾配は、旋回速度の増加に応じた噴流動圧の増加により下流側に進むにしたがって低下する順圧力勾配を持つ。
【００８１】
一方、前述の断面位置Ｙを過ぎると混合気の旋回流は徐々に旋回直径を拡大するようになる。旋回直径が拡大しながら流下する旋回流は、前述のようにバーナ中心軸上に逆圧力勾配を誘導する。このような旋回流によってバーナ中心軸上に誘導される圧力の変化の様子を、空気孔出口からのバーナ中心軸に沿った距離に対して整理して図１５に示す。
【００８２】
逆圧力勾配により定常火炎４５の燃焼ガス４４の一部が循環ガス４３としてバーナ中央部に生じる淀み領域４９に向けて循環する。しかし、図１５に示すように空気孔プレート５４の近傍の断面位置Ｙより上流の領域には順圧力勾配が形成されているので、循環ガス４３は断面位置Ｙより上流側に遡ることができない。循環ガス４３は火炎の基点となる第１の同軸噴流バーナからの混合気４２−１に対する着火源であるので、着火源が断面位置Ｙよりも空気孔プレート側に侵入しないことで空気孔プレート５４から断面位置Ｙまでには定常火炎４５が侵入することがない。したがって空気孔プレート５４と定常火炎４５の軸方向距離がより大きくなるため、空気孔プレート５４の過熱を避ける上でより有効である。即ち、内傾角βは循環ガス押し戻し構造としての機能を有する。この循環ガス押し戻し構造の効果を最大に発揮させるために、次ように空気孔プレート５４が燃焼室側に突出する最大の高さＨを設定する。
【００８３】
前述の第１の同軸噴流バーナから噴出する混合気４２−１の旋回直径が縮小から拡大に転じる位置Ｙは、第１の空気孔の入口ピッチ円及び出口ピッチ円の直径と、第１の空気孔の軸方向長さ、及び内傾角から求めることができる。空気孔入口から断面位置Ｙまでの距離をλ1、第１の空気孔入口ピッチ円直径６１−１をＤI-1、第１の空気孔出口ピッチ円直径６３−１をＤE-1、第１の空気孔の軸方向長さ６４−１をＬ1とし、前述のように第１の空気孔５５−１の中心軸が空気孔出口で第１の空気孔出口ピッチ円に引いた接線となす角を内傾角β1とすると、λ1は次式（１）で表される。
【００８４】
【数１】
【００８５】
空気孔プレート５４が燃焼室側に突出する最大の高さＨを距離λ1よりも小さいものとすれば、定常火炎４５は空気孔プレート５４に距離λ1よりも近付くことはない。すなわち次式（２）を満たす、空気孔プレート５４が燃焼室側に突出する最大の高さＨを取れば、本実施例により空気孔プレート５４の過熱を避ける効果を最大に発揮することができる。
【００８６】
【数２】
【００８７】
上述の第２の実施例は、幾つかの特徴を併せ持っている。これらの特徴は、上述したように、個々の構成によって特有の作用効果を有する。従って、全ての特徴を具備することは必須ではなく、単独又は幾つかの特徴の組み合わせでも良い。特に、循環ガス押し戻し構造について、本実施例では三つの構造を併せ持っているが、単独又は幾つかの特徴の組み合わせでも良い。
【００８８】
本実施例によれば、燃料中に含まれる水素濃度が変動する燃料をガスタービン燃焼器に使用する場合に、広範な負荷範囲にわたって水素濃度の変動に影響されずに構造物の過熱を避け信頼性の高い燃焼安定性を維持すると共に、低ＮＯｘ燃焼性能を発揮し得る、ガスタービン燃焼器が実現できる。
【符号の説明】
【００８９】
１：燃焼室、２：燃焼器外筒、３：燃焼器ライナー、４：燃焼器尾筒、５：圧縮機、６：タービン、７：車室、８：燃焼器エンドカバー、９：ガスタービン燃焼器、１０：圧縮空気、１１：冷却空気、１２：燃焼用空気、１３：燃焼ガス、１４：燃料、１５：起動用燃料、１６：石炭、１７：酸素、１８：精製前石炭ガス化ガス、１９：二酸化炭素回収前石炭ガス化ガス、２０：水蒸気、２１：高水素濃度（ＣＯ２回収後）石炭ガス化ガス、２２：石炭ガス化燃料、４０：随伴流、４１、４１−１、４１−２：メインバーナ燃料、４２、４２−１、４２−２：混合気、４３：循環ガス、４４：燃焼ガス、４５：火炎、４６：旋回流、４７：循環流、４８：後流、４９：淀み領域、５０：パイロットバーナ、５１：起動用燃料噴射ノズル、５３：メイン多孔同軸噴流バーナ、５４：空気孔プレート、５５、５５−１、５５−２：空気孔、５６：燃料ノズル、５７：燃料分配器、５８：バーナ中央部冷却空気孔、６１、６１−１、６１−２：空気孔入口ピッチ円直径、６２、６２−１、６２−２：空気孔直径、６３、６３−１、６３−２、６３−３：空気孔出口ピッチ円直径、６４、６４−１、６４−２、６４−３：空気孔バーナ軸方向長さ、６５：空気孔プレート燃焼室側表面法線(後流成長方向)、１００：燃料供給制御装置、１０１：燃料圧縮機、１０２、１０２ａ、１０２ｂ：水素濃度検知手段、１０３：遮断弁、１０４ａ：起動用燃料遮断弁、１０４ｂ：水素含有パイロット燃料遮断弁、１０５ａ：起動用燃料パイロット燃料圧力調整弁、１０５ｂ：水素含有パイロット燃料圧力調整弁、１０６ａ：起動用燃料パイロット燃料流量調整弁、１０６ｂ：水素含有燃料パイロット燃料流量調整弁、１０７ａ：内周側メイン燃料圧力調整弁、１０７ｂ：外周側メイン燃料圧力調整弁、１０８ａ：内周側メイン燃料流量調整弁、１０８ｂ：外周側メイン燃料流量調整弁、１０９：逆止弁、２２ａ：燃料系統、１２０：二酸化炭素回収前石炭ガス化ガス供給系統、１２１：高水素濃度石炭ガス化ガス供給系統、１２２ａ、１２２ｂ、１２３ａ、１２３ｂ：燃料供給系統、２０１：酸素製造装置、２０２：石炭ガス化炉、２０３：石炭ガス化ガス精製装置、２０４、２０５：流量調整弁、２０６：シフト反応器、２０７：二酸化炭素回収装置、２０８：流量調整弁、２０９：ガス処理炉、５０１：発電機。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と空気が供給される燃焼室と、
前記燃焼室の上流側に位置し複数の空気孔を有する空気孔プレートと、前記空気孔に対して同軸に配置され前記空気孔に対して燃料組成として水素を含む燃料を供給する複数の燃料ノズルとで構成される複数の同軸噴流バーナを有する多孔同軸噴流バーナとを備えたガスタービン燃焼器であって、
前記多孔同軸噴流バーナは、前記多孔同軸噴流バーナの燃焼室側表面が外周側から中央部に向けて燃焼室側に突き出すような傾斜を持ち、かつ前記多孔同軸噴流バーナの中央部が前記燃焼室から遠ざかるように傾斜を持って窪んでいることを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項２】
燃料と空気が供給される燃焼室と、
前記燃焼室の上流側に位置し複数の空気孔を有する空気孔プレートと、前記空気孔に対して同軸に配置され前記空気孔に対して燃料を供給する複数の燃料ノズルとで構成される複数の同軸噴流バーナを有する多孔同軸噴流バーナとを備えたガスタービン燃焼器であって、
前記多孔同軸噴流バーナは、前記多孔同軸噴流バーナの燃焼室側表面が外周側から中央部に向けて燃焼室側に突き出すような傾斜を持ち、かつ前記多孔同軸噴流バーナの中央部が前記燃焼室から遠ざかるように傾斜を持って窪んでおり、前記多孔同軸噴流バーナの中央部近傍に生じる淀み領域に向けて循環する燃焼ガスの一部である循環ガスを前記多孔同軸噴流バーナの中央部から遠ざけるように燃焼室下流側に押し戻す構造を有することを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項３】
請求項２に記載のガスタービン燃焼器において、前記押し戻す構造は、前記多孔同軸噴流バーナの中央部に設けた前記燃焼室側へ空気のみを噴出する冷却空気孔であることを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項４】
請求項２に記載のガスタービン燃焼器において、前記押し戻す構造は、前記多孔同軸噴流バーナの中央部が前記燃焼室から遠ざかるように傾斜を持って窪んでいる箇所に開口を有するように設けられた前記同軸噴流バーナであることを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項５】
請求項２に記載のガスタービン燃焼器において、前記多孔同軸噴流バーナは、前記多孔同軸噴流バーナの中央部となる内周側に配設され、複数の前記同軸噴流バーナから構成される第１の同軸噴流バーナ部と、前記多孔同軸噴流バーナの外周部となる前記第１の同軸噴流バーナ部の外周側に複数個配設され、それぞれ複数の前記同軸噴流バーナから構成される第２の同軸噴流バーナ部とを備え、前記多孔同軸噴流バーナの中央部の窪み部に前記第１の同軸噴流バーナ部を構成する前記同軸噴流バーナを開口させたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項６】
請求項２に記載のガスタービン燃焼器において、前記多孔同軸噴流バーナは、前記多孔同軸噴流バーナの中央部となる内周側に配設され、複数の前記同軸噴流バーナから構成される第１の同軸噴流バーナ部と、前記多孔同軸噴流バーナの外周部となる前記第１の同軸噴流バーナ部の外周側に複数個配設され、それぞれ複数の前記同軸噴流バーナから構成される第２の同軸噴流バーナ部とを備え、
前記押し戻す構造は、前記第１の同軸噴流バーナ部を構成する空気孔の中心軸を、前記第１の同軸噴流バーナ部を構成する空気孔を配置する出口ピッチ円方向に傾斜させるとともに、前記出口ピッチ円に引いた接線方向より前記多孔同軸噴流バーナの中央側に傾斜させる構成であることを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項７】
請求項６に記載のガスタービン燃焼器において、前記第１の同軸噴流バーナ部の空気孔列の入口ピッチ円直径をＤＩ−１、この空気孔列の出口ピッチ円直径をＤＥ−１とし、前記第１の同軸噴流バーナ部を構成する空気孔の中心軸が前記空気孔列の出口ピッチ円に空気孔出口位置で引いた接線となす角をβ１とし、前記第１の同軸噴流バーナ部を構成する空気孔の軸方向長さをＬ１とし、前記空気孔プレートが燃焼室側に最大に突出する高さをＨとした場合に、
前記空気孔プレートが燃焼室側に最大に突出する高さをＨが式（２）に示す関係式が成り立つように構成されていることを特徴とするガスタービン燃焼器。
【数１】
【請求項８】
石炭ガス化ガスをガスタービンプラントの燃料としてガスタービン燃焼器に供給するようにした石炭ガス化複合発電プラントであって、前記ガスタービン燃焼器として請求項１〜７の何れかに記載のガスタービン燃焼器を用いたことを特徴とする石炭ガス化複合発電プラント。
【請求項１】
燃料と空気が供給される燃焼室と、
前記燃焼室の上流側に位置し複数の空気孔を有する空気孔プレートと、前記空気孔に対して同軸に配置され前記空気孔に対して燃料組成として水素を含む燃料を供給する複数の燃料ノズルとで構成される複数の同軸噴流バーナを有する多孔同軸噴流バーナとを備えたガスタービン燃焼器であって、
前記多孔同軸噴流バーナは、前記多孔同軸噴流バーナの燃焼室側表面が外周側から中央部に向けて燃焼室側に突き出すような傾斜を持ち、かつ前記多孔同軸噴流バーナの中央部が前記燃焼室から遠ざかるように傾斜を持って窪んでいることを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項２】
燃料と空気が供給される燃焼室と、
前記燃焼室の上流側に位置し複数の空気孔を有する空気孔プレートと、前記空気孔に対して同軸に配置され前記空気孔に対して燃料を供給する複数の燃料ノズルとで構成される複数の同軸噴流バーナを有する多孔同軸噴流バーナとを備えたガスタービン燃焼器であって、
前記多孔同軸噴流バーナは、前記多孔同軸噴流バーナの燃焼室側表面が外周側から中央部に向けて燃焼室側に突き出すような傾斜を持ち、かつ前記多孔同軸噴流バーナの中央部が前記燃焼室から遠ざかるように傾斜を持って窪んでおり、前記多孔同軸噴流バーナの中央部近傍に生じる淀み領域に向けて循環する燃焼ガスの一部である循環ガスを前記多孔同軸噴流バーナの中央部から遠ざけるように燃焼室下流側に押し戻す構造を有することを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項３】
請求項２に記載のガスタービン燃焼器において、前記押し戻す構造は、前記多孔同軸噴流バーナの中央部に設けた前記燃焼室側へ空気のみを噴出する冷却空気孔であることを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項４】
請求項２に記載のガスタービン燃焼器において、前記押し戻す構造は、前記多孔同軸噴流バーナの中央部が前記燃焼室から遠ざかるように傾斜を持って窪んでいる箇所に開口を有するように設けられた前記同軸噴流バーナであることを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項５】
請求項２に記載のガスタービン燃焼器において、前記多孔同軸噴流バーナは、前記多孔同軸噴流バーナの中央部となる内周側に配設され、複数の前記同軸噴流バーナから構成される第１の同軸噴流バーナ部と、前記多孔同軸噴流バーナの外周部となる前記第１の同軸噴流バーナ部の外周側に複数個配設され、それぞれ複数の前記同軸噴流バーナから構成される第２の同軸噴流バーナ部とを備え、前記多孔同軸噴流バーナの中央部の窪み部に前記第１の同軸噴流バーナ部を構成する前記同軸噴流バーナを開口させたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項６】
請求項２に記載のガスタービン燃焼器において、前記多孔同軸噴流バーナは、前記多孔同軸噴流バーナの中央部となる内周側に配設され、複数の前記同軸噴流バーナから構成される第１の同軸噴流バーナ部と、前記多孔同軸噴流バーナの外周部となる前記第１の同軸噴流バーナ部の外周側に複数個配設され、それぞれ複数の前記同軸噴流バーナから構成される第２の同軸噴流バーナ部とを備え、
前記押し戻す構造は、前記第１の同軸噴流バーナ部を構成する空気孔の中心軸を、前記第１の同軸噴流バーナ部を構成する空気孔を配置する出口ピッチ円方向に傾斜させるとともに、前記出口ピッチ円に引いた接線方向より前記多孔同軸噴流バーナの中央側に傾斜させる構成であることを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項７】
請求項６に記載のガスタービン燃焼器において、前記第１の同軸噴流バーナ部の空気孔列の入口ピッチ円直径をＤＩ−１、この空気孔列の出口ピッチ円直径をＤＥ−１とし、前記第１の同軸噴流バーナ部を構成する空気孔の中心軸が前記空気孔列の出口ピッチ円に空気孔出口位置で引いた接線となす角をβ１とし、前記第１の同軸噴流バーナ部を構成する空気孔の軸方向長さをＬ１とし、前記空気孔プレートが燃焼室側に最大に突出する高さをＨとした場合に、
前記空気孔プレートが燃焼室側に最大に突出する高さをＨが式（２）に示す関係式が成り立つように構成されていることを特徴とするガスタービン燃焼器。
【数１】
【請求項８】
石炭ガス化ガスをガスタービンプラントの燃料としてガスタービン燃焼器に供給するようにした石炭ガス化複合発電プラントであって、前記ガスタービン燃焼器として請求項１〜７の何れかに記載のガスタービン燃焼器を用いたことを特徴とする石炭ガス化複合発電プラント。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１３−１０４６５３（Ｐ２０１３−１０４６５３Ａ）
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５１２５４（Ｐ２０１１−２５１２５４）
【出願日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２２年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構 ゼロエミッション石炭火力技術開発プロジェクト・ゼロエミッション石炭火力基盤技術開発 革新的ガス化技術に関する基盤研究事業 石炭ガス化発電用高水素濃度対応低ＮＯｘ技術開発委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２２年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構 ゼロエミッション石炭火力技術開発プロジェクト・ゼロエミッション石炭火力基盤技術開発 革新的ガス化技術に関する基盤研究事業 石炭ガス化発電用高水素濃度対応低ＮＯｘ技術開発委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
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