JP7704290B2

JP7704290B2 - 燃焼装置およびガスタービン

Info

Publication number: JP7704290B2
Application number: JP2024502832A
Authority: JP
Inventors: 慎太朗伊藤; 壮一郎加藤
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2022-02-25
Filing date: 2022-11-18
Publication date: 2025-07-08
Anticipated expiration: 2042-11-18
Also published as: CN118742722A; EP4484733A1; US12607359B2; EP4484733A4; WO2023162375A1; US20240410584A1; JPWO2023162375A1

Description

本開示は、燃焼装置およびガスタービンに関する。本出願は２０２２年２月２５日に提出された日本特許出願第２０２２－２８４０４号に基づく優先権の利益を主張するものであり、その内容は本出願に援用される。

従来、アンモニアを燃料として使用する燃焼装置が知られている。アンモニアの燃焼性は、悪いことが知られている。例えば、特許文献１は、この問題に対処するために、アンモニアを他の燃料と共に使用するガスタービンを開示する。このガスタービンは、アンモニアの燃焼性が悪い運転領域において、他の燃料の割合を増大させる。

特開２０１０－１９１９５号公報

アンモニアを使用する燃焼装置は、２段燃焼法を使用する場合がある。このような燃焼装置では、１次領域において、アンモニアをある範囲内の当量比で燃焼することによって、アンモニアを燃料として使用しつつ、ＮＯｘおよび未燃アンモニアの双方を低減可能であることが知られている。なお、「当量比」とは、混合気中における燃料濃度を表す指標で、実際の空燃比で、混合気中の燃料と酸素が過不足なく反応する空燃比を意味する理論空燃比を割った値である。しかしながら、燃焼装置では、空気の流量が、燃焼装置の開口面積（例えば、空気孔等の開口の面積）に応じて概ね一定である場合がある。したがって、要求負荷に応じて燃料の流量が変動すると、燃料の当量比も変動する。このため、ある負荷領域では、アンモニアが上記の範囲内の当量比で燃焼されない場合がある。この場合、ＮＯｘおよび未燃アンモニアの双方を低減することができない可能性がある。

本開示は、より広い負荷領域において、アンモニアを燃料として使用しつつ、ＮＯｘおよび未燃アンモニアの双方を低減することができる、燃焼装置およびガスタービンを提供することを目的とする。

本開示の一態様に係る燃焼装置は、各々が、第１燃料としてのアンモニアと、Ｎ原子を含まずかつアンモニアよりも良い着火性を有する第２燃料と、が供給される複数のバーナと、複数のバーナへのアンモニアの流量および第２燃料の流量を調整する制御装置であって、負荷ゼロを含む第１負荷領域では、複数のバーナのうちの少なくとも第１バーナに対して第２燃料を供給し、第１バーナの当量比が所定の第１の値に達する第２負荷領域では、第１バーナに対して、第１バーナにおけるアンモニアおよび第２燃料のトータルの当量比が第１の値に維持されるように、アンモニアの流量を増加させると共に第２燃料の流量を減少させ、第２バーナに対して、第１バーナに供給されない余剰の第２燃料を供給する、ように構成される、制御装置と、を備える。

制御装置は、第１バーナへのアンモニアの流量が所定の第２の値に達する第３負荷領域では、当量比が第１の値に達した第２バーナに対して、第２バーナにおけるアンモニアおよび第２燃料のトータルの当量比が第１の値に維持されるように、アンモニアの流量を増加させると共に第２燃料の流量を減少させる、ように構成されてもよい。

本開示の他の態様は、上記の燃焼装置を備えるガスタービンである。

本開示によれば、より広い負荷領域において、アンモニアを燃料として使用しつつ、ＮＯｘおよび未燃アンモニアの双方を低減することができる。

図１は、実施形態に係るガスタービンを示す概略図である。図２は、図１中のII－II線に沿って得られる断面図である。図３は、ガスタービンにおける負荷に対する空気流量、燃料流量および当量比の推移の例を示すグラフである。図４のＡは、第１バーナの動作を示す。図４のＢは、第２バーナの動作を示す。図４のＣは、第３バーナの動作を示す。図４のＤは、第４バーナの動作を示す。図４のＥは、複数のバーナ１１全体としての動作を示す。

以下に添付図面を参照しながら、本開示の実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す具体的な寸法、材料および数値等は、理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本開示を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本開示に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、実施形態に係るガスタービン１００を示す概略図である。図２は、図１中のII－II線に沿って得られる断面図であり、燃焼装置１を示す概略的な断面図である。図１を参照して、ガスタービン１００は、燃焼装置１と、タービン２と、制御装置９０と、を備える。ガスタービン１００は、他の構成要素をさらに備えてもよい。なお、他の実施形態では、燃焼装置１は、ガスタービン１００以外の他の装置に使用されてもよい。例えば、燃焼装置１は、ジェットエンジンまたは工業炉等の装置に使用されてもよい。

本実施形態では、燃焼装置１は、２段燃焼法を使用し、１次領域Ａｒ１および２次領域Ａｒ２を含む。燃焼装置１は、燃料として、１次燃料としてのアンモニアと、Ｎ原子を含まずかつアンモニアよりも良い着火性を有する第２燃料と、を使用する。第２燃料は、例えば、天然ガス、水素もしくは灯油、または、これらの組み合わせであってもよい。第２燃料はこれらに限定されず、他の燃料であってもよい。

図２を参照して、燃焼装置１は、複数のバーナ１１を含む。本実施形態では、燃焼装置１は、４つのバーナ１１、すなわち、第１バーナ１１ａ、第２バーナ１１ｂ、第３バーナ１１ｃおよび第４バーナ１１ｄを含む。しかしながら、バーナ１１の数はこれに限定されず、２つ、３つ、または、５つ以上であってもよい。例えば、複数のバーナ１１は、概同一中心軸を持つ円環状、マトリクス状または円形状等の任意のパターンに配置されてもよい。

図１を参照して、各バーナ１１は、燃料として、アンモニアおよび第２燃料の供給を受ける。各バーナ１１は、アンモニアを供給するように構成される配管Ｐ１と、第２燃料を供給するように構成される配管Ｐ２と、に接続される。なお、複数のバーナ１１のうちの少なくとも１つ、例えば、後述するように、実際にはアンモニアを使用しない第４バーナ１１ｄは、アンモニアの供給を受けなくてもよい。この場合、第４バーナ１１ｄは、配管Ｐ１に接続されなくてもよい。なお、図１では、配管Ｐ１および配管Ｐ２は互いに合流しているが、配管Ｐ１および配管Ｐ２は互いに合流しなくてもよく、それぞれバーナ１１に直接的に接続されてもよい。また、各バーナ１１は、燃焼用の空気を供給するように構成される配管Ｐ３と接続される。

配管Ｐ１には、バルブＶ１が設けられる。バルブＶ１は、制御装置９０と有線または無線で通信可能に接続されてもよく、制御装置９０によって制御されてもよい。制御装置９０は、バルブＶ１の開度を制御することによって、バーナ１１へのアンモニアの流量を調整する。

配管Ｐ２には、バルブＶ２が設けられる。バルブＶ２は、制御装置９０と有線または無線で通信可能に接続されてもよく、制御装置９０によって制御されてもよい。制御装置９０は、バルブＶ２の開度を制御することによって、バーナ１１への第２燃料の流量を調整する。

上記のように、本実施形態では、バルブＶ１，Ｖ２が、複数のバーナ１１へのアンモニアの流量および第２燃料の流量を調整する調整手段として機能する。調整手段は、複数のバーナ１１へのアンモニアの流量および第２燃料の流量を調整するように、制御装置９０によって制御される。他の実施形態では、調整手段は、例えば流量計またはポンプ等の他の構成要素をさらに含んでもよい。また、さらに他の実施形態では、調整手段は、複数のバルブＶ１および複数のバルブＶ２のうちの少なくとも１つを含まなくてもよい。例えば、調整手段は、少なくとも１つのバルブを含んでもよい。

複数のバーナ１１、特に、詳しくは後述するように、アンモニアを実際に燃料として使用する第１バーナ１１ａ、第２バーナ１１ｂおよび第３バーナ１１ｃは、１次領域Ａｒ１にアンモニアおよび第２燃料を供給するように、１次領域Ａｒ１に面するよう配置される。バーナ１１の動作については、詳しくは後述する。

燃焼装置１は、２次領域Ａｒ２に希釈空気を供給するための複数の配管Ｐ４に接続される。例えば、複数の配管Ｐ４は、燃焼装置１の周方向に沿って配置されてもよい。他の実施形態では、配管Ｐ４に代えてまたは加えて、２次領域Ａｒ２に希釈空気を供給するための開口が燃焼装置１に設けられてもよい。

燃焼装置１に供給される燃料は、１次領域Ａｒ１および２次領域Ａｒ２においてこの順番で燃焼される。２次領域Ａｒ２からの排ガスは、タービン２に供給され、発電等の運転に使用される。

制御装置９０は、ガスタービン１００の全体または一部を制御する。制御装置９０は、例えば、プロセッサ９０ａ、記憶装置９０ｂおよびコネクタ９０ｃ等の構成要素を含み、これらの構成要素はバスを介して互いに接続される。例えば、プロセッサ９０ａは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等を含む。例えば、記憶装置９０ｂは、ハードディスク、プログラム等が格納されるＲＯＭ、および、ワークエリアとしてのＲＡＭ等を含む。制御装置９０は、コネクタ９０ｃを介してガスタービン１００の各構成要素と有線でまたは無線で通信可能に接続される。例えば、制御装置９０は、液晶ディスプレイまたはタッチパネル等の表示装置、および、キーボード、ボタンまたはタッチパネル等の入力装置等、他の構成要素を更に含んでもよい。例えば、以下に示される制御装置９０の動作は、記憶装置９０ｂに記憶されるプログラムをプロセッサ９０ａに実行することによって、実現されてもよい。

図３は、ガスタービンにおける負荷に対する空気流量、燃料流量および当量比の推移の例を示すグラフである。図３において、横軸は、タービンにおける負荷（％）を示し、左側の縦軸は、空気の流量および燃料の流量を示し、右側の縦軸は、当量比を示す。また、図３において、実線φは当量比を示し、破線Ｒｆは燃料の流量を示し、１点鎖線Ｒａは空気の流量を示す。

一般的に、アンモニアを使用するガスタービンでは、１次領域において、アンモニアをある範囲内の当量比φ、例えば１．１から１．４の間の当量比で燃焼することによって、アンモニアを燃料として使用しつつ、ＮＯｘおよび未燃アンモニアの双方を低減可能であることが知られている。また、アンモニアを上記の範囲の当量比で燃焼することによって、高い温室効果を有するＮ_２Ｏを低減することもできる。しかしながら、例えば、アンモニアが、上記の範囲よりも低い当量比φで燃焼される場合、ＮＯｘが増加する。また、例えば、アンモニアが、上記の範囲よりも高い当量比φで燃焼される場合、ＮＯｘおよび未燃アンモニアの双方が増加する。なお、「当量比」とは、混合気中における燃料濃度を表す指標で、実際の空燃比で、混合気中の燃料と酸素が過不足なく反応する空燃比を意味する理論空燃比を割った値である。また、本開示において、アンモニアおよび第２燃料を同時に燃料として使用する場合、「当量比」は、アンモニアおよび第２燃料のトータルの当量比を意味する。

しかしながら、図３に示されるように、ガスタービンでは、空気の流量Ｒａは、負荷に因らず、燃焼装置の開口面積（例えば、空気孔等の開口の面積）に応じて概ね一定である場合がある。この場合、図３に示されるように、負荷に応じて燃料の流量Ｒｆが変動すると、当量比φも変動する。

したがって、例えば、燃焼装置が、高負荷領域において当量比が１．１から１．４の間になるように設計される場合、低負荷領域では、当量比が上記の範囲より低い可能性がある。この場合、低負荷領域では、ＮＯｘが増加する。対照的に、燃焼装置が、低負荷領域において当量比が１．１から１．４の間になるように設計される場合、高負荷領域では、当量比が上記の範囲より高い可能性がある。この場合、高負荷領域では、ＮＯｘおよび未燃アンモニアの双方が増加する。

本実施形態では、より広い負荷領域において、アンモニアを燃料として使用しつつ、ＮＯｘおよび未燃アンモニアの双方を低減するために、複数のバーナ１１におけるアンモニアの流量および第２燃料の流量を調整する。

続いて、バーナ１１の具体的な動作について説明する。

図４は、各バーナ１１の動作の例を示すグラフである。上記のように、本実施形態では、燃焼装置１は４つのバーナ１１を含む。図４のＡ、Ｂ、ＣおよびＤは、それぞれ、第１バーナ１１ａ、第２バーナ１１ｂ、第３バーナ１１ｃおよび第４バーナ１１ｄの動作を示す。また、図４のＥは、複数のバーナ１１全体としての動作を示す。Ａ、Ｂ、Ｃ、ＤおよびＥの各々において、横軸は、ガスタービンにおける負荷（％）を示し、左側の縦軸は、アンモニア（ＮＨ_３）の流量および第２燃料の流量を示し、右側の縦軸は、当量比を示す。Ａ、Ｂ、Ｃ、ＤおよびＥの各々において、実線φは当量比を示し、破線Ｒ１はアンモニアの流量を示し、１点鎖線Ｒ２は第２燃料の流量を示す。

負荷は、複数の負荷領域Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４に分割される。例えば、負荷領域の数は、バーナ１１の数に対応してもよい。したがって、本実施形態では、負荷は、４つの負荷領域Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４に分割される。

例えば、第１負荷領域Ｓ１は、ゼロ以上かつＬ１未満の範囲である。負荷Ｌ１は、ゼロよりも大きい。例えば、負荷Ｌ１は、後述するように、第１バーナ１１ａにおける当量比φが、所定の第１の値Ｘ１に達するときの負荷であることができる。

第２負荷領域Ｓ２は、Ｌ１以上かつＬ２未満の範囲である。負荷Ｌ２は、負荷Ｌ１よりも高い。例えば、負荷Ｌ２は、後述するように、第１バーナ１１ａにおけるアンモニアの流量Ｒ１が、所定の第２の値Ｘ２に達するときの負荷であることができる。

第３負荷領域Ｓ３は、Ｌ２以上かつＬ３未満の範囲である。負荷Ｌ３は、負荷Ｌ２よりも高くかつ１００よりも小さい。例えば、負荷Ｌ３は、後述するように、第２バーナ１１ｂにおけるアンモニアの流量Ｒ１が、第２の値Ｘ２に達するときの負荷であることができる。

第４負荷領域Ｓ４は、Ｌ３以上かつ１００以下の範囲である。

以下の説明では、各負荷領域Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４は、単に「領域」とも称され得る。また、以下の説明において、当量比φは、バーナ１１に供給されるアンモニアの流量Ｒ１および第２燃料の流量Ｒ２と、バーナ１１に供給される空気の流量と、に基づいて推測されてもよい。

本実施形態では、より良い理解のために、図４のＡは、負荷０％および領域Ｓ３，Ｓ４において、Ｒ２＝０であるように記載されている。しかしながら、これらの領域においても、パイロット火炎を維持するために、少量の第２燃料が使用されてもよい。また、負荷０％においては、タービン２の回転を維持するために、少量の第２燃料が使用されてもよい。Ｂ、ＣおよびＤにおいてＲ２＝０である領域についても、同様である。

図４のＡを参照して、領域Ｓ１では、プロセッサ９０ａは、第１バーナ１１ａに対して第２燃料を供給するよう、調整手段を制御する。例えば、プロセッサ９０ａは、負荷に対して、第２燃料の流量Ｒ２が線形に増加するように、調整手段を制御してもよい。第２燃料の流量Ｒ２の増加に伴って、当量比φも増加する。領域Ｓ１では、第１バーナ１１ａに対して、アンモニアは供給されない。

図４のＢ、ＣおよびＤを参照して、領域Ｓ１では、第２バーナ１１ｂ、第３バーナ１１ｃおよび第４バーナ１１ｄに対して、アンモニアおよび第２燃料は供給されない。なお、上記のように、領域Ｓ１において、第２バーナ１１ｂ、第３バーナ１１ｃおよび第４バーナ１１ｄに対して、パイロット火炎を維持するために、少量の第２燃料が使用されてもよい。以下、同様な説明は省略する。

図４のＡを参照して、負荷Ｌ１において、第１バーナ１１ａにおける第２燃料の当量比φが、所定の第１の値Ｘ１に達する（第２燃料の当量比φｓ＝Ｘ１）。なお、第１バーナ１１ａでは、第２燃料の当量比φが、予め定められた量の第２燃料によって、負荷Ｌ１において第１の値Ｘ１に達するように、空気流量（例えば、開口面積）が規定される。第１の値Ｘ１は、アンモニアが燃焼される場合に、ＮＯｘおよび未燃アンモニアの双方を低減可能な範囲内の値、例えば、１．１から１．４の間の値であることができる。つまり、第１の値Ｘ１は、最適当量比とも言える。したがって、第１バーナ１１ａでは、負荷Ｌ１を含む領域Ｓ２から、ＮＯｘおよび未燃アンモニアの双方を低減しながら、アンモニアを燃焼することができる環境が整う。

したがって、プロセッサ９０ａは、領域Ｓ２において、第１バーナ１１ａに対して、アンモニアおよび第２燃料のトータルの当量比φが第１の値Ｘ１に維持されるように、アンモニアの流量Ｒ１を増加させると共に第２燃料の流量Ｒ２を減少させるよう、調整手段を制御する（アンモニアの当量比φａ＋第２燃料の当量比φｓ＝φｃｏｎｓｔ（＝Ｘ１））。例えば、プロセッサ９０ａは、負荷に対して、アンモニアの流量Ｒ１が線形に増加し、かつ、第２燃料の流量Ｒ２が線形に減少するように、調整手段を制御してもよい。

図４のＢを参照して、領域Ｓ２では、プロセッサ９０ａは、第２バーナ１１ｂに対して、第１バーナ１１ａに供給できない余剰の第２燃料の供給を開始するように、調整手段を制御する。例えば、プロセッサ９０ａは、負荷に対して、第２燃料の流量Ｒ２が線形に増加するように、調整手段を制御してもよい。

図４のＣおよびＤを参照して、領域Ｓ２では、第３バーナ１１ｃおよび第４バーナ１１ｄに対して、アンモニアおよび第２燃料は供給されない。

図４のＡを参照して、負荷Ｌ２において、第１バーナ１１ａにおけるアンモニアの流量Ｒ１は、所定の第２の値Ｘ２に達する。第２の値Ｘ２は、１つのバーナ１１に対して供給可能なアンモニアの最大流量、例えば、アンモニアによって当量比φが第１の値Ｘ１に達する値であってもよい（φａ＝Ｘ１）。つまり、第２の値Ｘ２は、バーナ１１へのアンモニア供給流量上限値とも言える。したがって、第１バーナ１１ａにおいて、もはやアンモニアの流量Ｒ１を増加させることはできない。よって、プロセッサ９０ａは、負荷Ｌ２を含む領域Ｓ３からは、第１バーナ１１ａでは、アンモニアの流量Ｒ１が第２の値Ｘ２に維持され、かつ、第２燃料の流量Ｒ２が０に維持されるように、調整手段を制御する。パイロット火炎を維持するために少量の第２燃料が使用される場合には、その量が維持される。

図４のＢを参照して、負荷Ｌ２において、第２バーナ１１ｂにおける第２燃料の当量比φも、第１の値Ｘ１に達する。なお、第２バーナ１１ｂでは、第２燃料の当量比φが、第１バーナ１１ａからの余剰の第２燃料の量によって、負荷Ｌ２において第１の値Ｘ１に達するように、空気流量（例えば、開口面積）が規定される。したがって、第２バーナ１１ｂでも、負荷Ｌ２を含む領域Ｓ３から、ＮＯｘおよび未燃アンモニアの双方を低減しながら、アンモニアを燃焼することができる環境が整う。

なお、図４のＢでは、負荷Ｌ２において、第２バーナ１１ｂにおける第２燃料の当量比φが、第１の値Ｘ１に達するが、プロセッサ９０ａは、この当量比φが、負荷Ｌ２よりも低い負荷において、第１の値Ｘ１に達するように調整手段を制御してもよい。この場合でも、第２バーナ１１ｂにおいて、領域Ｓ３から、ＮＯｘおよび未燃アンモニアの双方を低減しながら、アンモニアを燃焼することができる環境が整う。

したがって、プロセッサ９０ａは、領域Ｓ３において、第２バーナ１１ｂに対して、アンモニアおよび第２燃料のトータルの当量比φが第１の値Ｘ１に維持されるように、アンモニアの流量Ｒ１を増加させると共に第２燃料の流量Ｒ２を減少させるよう、調整手段を制御する。例えば、プロセッサ９０ａは、負荷に対して、アンモニアの流量Ｒ１が線形に増加し、かつ、第２燃料の流量Ｒ２が線形に減少するように、調整手段を制御してもよい。

図４のＣを参照して、領域Ｓ３では、プロセッサ９０ａは、第３バーナ１１ｃに対して、第２バーナ１１ｂに供給できない余剰の第２燃料の供給を開始するように、調整手段を制御する。例えば、プロセッサ９０ａは、負荷に対して、第２燃料の流量Ｒ２が線形に増加するように、調整手段を制御してもよい。

図４のＤを参照して、領域Ｓ３では、第４バーナ１１ｄに対して、アンモニアおよび第２燃料は供給されない。

図４のＢを参照して、負荷Ｌ３において、第２バーナ１１ｂにおけるアンモニアの流量Ｒ１も、第２の値Ｘ２に達する。したがって、第２バーナ１１ｂにおいて、もはやアンモニアの流量Ｒ１を増加させることはできない。よって、プロセッサ９０ａは、負荷Ｌ３を含む領域Ｓ４からは、第２バーナ１１ｂでは、アンモニアの流量Ｒ１が第２の値Ｘ２に維持され、かつ、第２燃料の流量Ｒ２が０に維持されるように、調整手段を制御する。パイロット火炎を維持するために少量の第２燃料が使用される場合には、その量が維持される。

図４のＣを参照して、負荷Ｌ３において、第３バーナ１１ｃにおける第２燃料の当量比φも、第１の値Ｘ１に達する。なお、第３バーナ１１ｃでは、第２燃料の当量比φが、第２バーナ１１ｂからの余剰の第２燃料の量によって、負荷Ｌ３において第１の値Ｘ１に達するように、空気流量（例えば、開口面積）が規定される。したがって、第３バーナ１１ｃでも、負荷Ｌ３を含む領域Ｓ４から、ＮＯｘおよび未燃アンモニアの双方を低減しながら、アンモニアを燃焼することができる環境が整う。

なお、図４のＣでは、負荷Ｌ３において、第３バーナ１１ｃにおける第２燃料の当量比φが、第１の値Ｘ１に達するが、プロセッサ９０ａは、この当量比φが、負荷Ｌ３よりも低い負荷において、第１の値Ｘ１に達するように調整手段を制御してもよい。この場合でも、第３バーナ１１ｃにおいて、領域Ｓ４から、ＮＯｘおよび未燃アンモニアの双方を低減しながら、アンモニアを燃焼することができる環境が整う。

したがって、プロセッサ９０ａは、領域Ｓ４において、第３バーナ１１ｃに対して、アンモニアおよび第２燃料のトータルの当量比φが第１の値Ｘ１に維持されるように、アンモニアの流量Ｒ１を増加させると共に第２燃料の流量Ｒ２を減少させるよう、調整手段を制御する。例えば、プロセッサ９０ａは、負荷に対して、アンモニアの流量Ｒ１が線形に増加し、かつ、第２燃料の流量Ｒ２が線形に減少するように、調整手段を制御してもよい。

図４のＤを参照して、領域Ｓ４では、プロセッサ９０ａは、第４バーナ１１ｄに対して、第３バーナ１１ｃに供給できない余剰の第２燃料の供給を開始するように、調整手段を制御する。例えば、プロセッサ９０ａは、負荷に対して、第２燃料の流量Ｒ２が線形に増加するように、調整手段を制御してもよい。

図４のＥを参照して、以上のような動作によれば、バーナ１１全体に着目する場合、当量比φは、負荷０％から負荷１００％に向かって線形に増加する。

しかしながら、図４のＡに示されるように、単一の第１バーナ１１ａに着目する場合、アンモニアが実際に使用される領域Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４（Ｒ１>０）では、当量比φは、ＮＯｘおよび未燃アンモニアの双方を低減可能な第１の値Ｘ１に維持される。したがって、単一の第１バーナ１１ａでは、アンモニアが実際に使用される領域Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４において、アンモニアに起因するＮＯｘの増加を抑制することができ、かつ、未燃アンモニアを低減することができる。

同様に、図４のＢに示されるように、単一の第２バーナ１１ｂに着目する場合、アンモニアが実際に使用される領域Ｓ３，Ｓ４（Ｒ１>０）では、当量比φは、第１の値Ｘ１に維持される。したがって、単一の第２バーナ１１ｂでは、アンモニアが実際に使用される領域Ｓ３，Ｓ４において、アンモニアに起因するＮＯｘの増加を抑制することができ、かつ、未燃アンモニアを低減することができる。

同様に、図４のＣに示されるように、単一の第３バーナ１１ｃに着目する場合、アンモニアが実際に使用される領域Ｓ４（Ｒ１>０）では、当量比φは、第１の値Ｘ１に維持される。したがって、単一の第３バーナ１１ｃでは、アンモニアが実際に使用される領域Ｓ４において、アンモニアに起因するＮＯｘの増加を抑制することができ、かつ、未燃アンモニアを低減することができる。

以上の説明のように、第１バーナ１１ａ、第２バーナ１１ｂおよび第３バーナ１１ｃの各々では、アンモニアが実際に使用される領域において、アンモニアに起因するＮＯｘの増加を抑制することができ、かつ、未燃アンモニアを低減することができる。したがって、バーナ１１全体としても、大部分の負荷領域Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４において、ＮＯｘおよび未燃アンモニアの双方を低減しつつ、アンモニアを燃料として使用することができる。

なお、図４のＤに示されるように、第４バーナ１１ｄでは、アンモニアは燃料として使用されない。また、第４バーナ１１ｄでは、当量比φは、第１の値Ｘ１に達してもよいし、または、達しなくてもよい。

以上のように、本実施形態に係るガスタービン１００の燃焼装置１は、各々が、第１燃料としてのアンモニアと、Ｎ原子を含まずかつアンモニアよりも良い着火性を有する第２燃料と、が供給される複数のバーナ１１と、複数のバーナ１１へのアンモニアの流量Ｒ１および第２燃料の流量Ｒ２を調整する制御装置９０と、を備える。また、制御装置９０は、負荷ゼロを含む第１負荷領域Ｓ１では、複数のバーナ１１のうちの少なくとも第１バーナ１１ａに対して第２燃料を供給し、第１バーナ１１ａの当量比φが所定の第１の値Ｘ１に達する第２負荷領域Ｓ２では、第１バーナ１１ａに対して、第１バーナ１１ａにおけるアンモニアおよび第２燃料のトータルの当量比φが第１の値Ｘ１に維持されるように、アンモニアの流量Ｒ１を増加させると共に第２燃料の流量Ｒ２を減少させ、第２バーナ１１ｂに対して、第１バーナ１１ａに供給されない余剰の第２燃料を供給する、ように構成される。このような構成によれば、当量比φが、ＮＯｘおよび未燃アンモニアの双方を低減可能な範囲内の第１の値Ｘ１に達したバーナ１１から、アンモニアが使用され始める。したがって、負荷Ｌ１以降の領域Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４において、アンモニアを燃料として使用しつつ、ＮＯｘおよび未燃アンモニアの双方を低減することができる。また、高い温室効果を有するＮ_２Ｏを低減することもできる。

また、燃焼装置１では、制御装置９０は、第１バーナ１１ａへのアンモニアの流量Ｒ１が所定の第２の値Ｘ２に達する第３負荷領域Ｓ３では、当量比φが第１の値Ｘ１に達した第２バーナ１１ｂに対して、第２バーナ１１ｂにおけるアンモニアおよび第２燃料のトータルの当量比φが第１の値Ｘ１に維持されるように、アンモニアの流量Ｒ１を増加させると共に第２燃料の流量Ｒ２を減少させる、ように構成される。このような構成によれば、負荷の増加に応じて、アンモニアを使用するバーナ１１の数を増やすことができる。

以上、添付図面を参照しながら実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記の実施形態では、第１負荷領域Ｓ１において、第２バーナ１１ｂ、第３バーナ１１ｃおよび第４バーナ１１ｄには、第２燃料は供給されない。しかしながら、他の実施形態では、第１負荷領域Ｓ１において、第２バーナ１１ｂ、第３バーナ１１ｃおよび第４バーナ１１ｄにも、第２燃料が供給されてもよい。なお、上記の実施形態のように、第１負荷領域Ｓ１において、第１バーナ１１ａのみに集中的に第２燃料を供給する場合には、当量比φが、より低い負荷において第１の値Ｘ１に達するので、アンモニアをより低い負荷から使用することができる。

本開示は、ＣＯ_２放出の削減につながるアンモニアの使用を促進することができるので、例えば、持続可能な開発目標（ＳＤＧｓ）の目標７「手ごろで信頼でき、持続可能かつ近代的なエネルギへのアクセスを確保する」に貢献することができる。

１燃焼装置
１１バーナ
１１ａ第１バーナ
１１ｂ第２バーナ
９０制御装置
１００ガスタービン
Ｒ１アンモニアの流量
Ｒ２第２燃料の流量
Ｓ１第１負荷領域
Ｓ２第２負荷領域
Ｓ３第３負荷領域
Ｘ１第１の値
Ｘ２第２の値
φ 当量比

Claims

各々が、第１燃料としてのアンモニアと、Ｎ原子を含まずかつアンモニアよりも良い着火性を有する第２燃料と、が供給される複数のバーナと、
前記複数のバーナへのアンモニアの流量および前記第２燃料の流量を調整する制御装置であって、
負荷ゼロを含む第１負荷領域では、前記複数のバーナのうちの少なくとも第１バーナに対して前記第２燃料を供給し、
前記第１バーナの当量比が所定の第１の値に達する第２負荷領域では、前記第１バーナに対して、前記第１バーナにおけるアンモニアおよび前記第２燃料のトータルの当量比が前記第１の値に維持されるように、アンモニアの流量を増加させると共に前記第２燃料の流量を減少させ、第２バーナに対して、前記第１バーナに供給されない余剰の第２燃料を供給する、
ように構成される、制御装置と、
を備える、燃焼装置。
前記制御装置は、
前記第１バーナへのアンモニアの流量が所定の第２の値に達する第３負荷領域では、当量比が前記第１の値に達した前記第２バーナに対して、前記第２バーナにおけるアンモニアおよび前記第２燃料のトータルの当量比が前記第１の値に維持されるように、アンモニアの流量を増加させると共に前記第２燃料の流量を減少させる、
ように構成される、請求項１に記載の燃焼装置。
請求項１または２に記載の燃焼装置を備えるガスタービン。