8.2 燃焼制御技術の開発

8.2.1 研究開発目標

8.2.1.1 背景

　水素利用技術の一つとして、画期的な高効率化が期待できる水素燃焼タービンのうち、特に燃焼制御技術の開発について必要な調査研究および基礎実験を行い、要素技術開発およびパイロットプラント開発のために必要な基礎技術を確立する必要がある。このため、平成５年度より、水素・酸素燃焼器の基本方式の調査、小型バーナを用いた燃焼実験、さらに燃焼器壁面冷却および希釈構造等に関する調査・検討を実施してきた。その結果、水蒸気等の不活性ガス中においても燃焼安定性に優れ、かつ量論比燃焼が可能な水素・酸素燃焼器の開発が重要であることが示された。

8.2.1.2 目的

　水素・酸素燃焼器の基本構造を明らかにするため、小型バーナおよび実寸モデル燃焼器を用いた燃焼実験により、水蒸気中での水素・酸素の基本的な燃焼特性を検討する。また、燃焼器壁面冷却および希釈構造等に関する調査、検討を行う。これらの検討結果を基に、500MW級水素燃焼タービン用燃焼器の概念設計を行う。

8.2.2 平成７年度の研究開発成果

(1)　水素／酸素燃焼器の開発
　モデル燃焼器を用いた大気圧燃焼実験を実施し、以下のことを明らかにした（図８−２−１）。

(I) 着火遅れのないスムーズな着火が可能であることがわかった。

(II) 水素噴射口近傍で安定に保炎できることを確認した。

(III) 壁温の制限により水素・酸素流量が定格の80％ではあるが、出口ガス温度はほぼ均一である。燃焼効率は当量比１、水蒸気への酸素添加なしで約97％であるが、水蒸気中に酸素を2.6％添加すると燃焼効率が100％近くまで向上することがわかった（図８−２−２，図８−２−３）。

(2)　パイロットバーナ基礎実験を実施し、水素と酸素の噴出速度と安定燃焼の関係を把握した。また、モデル燃焼器の大気圧燃焼実験を実施し、着火性能、壁面温度特性、量論比付近での燃焼特性を把握した（図８−２−４〜図８−２−６）。

(3)　水素・酸素燃焼バーナ（小型燃焼器）の燃焼実験を実施し、以下のことを明らかにした（図８−２−７）。

(I) 量論比付近での燃焼特性について検討した結果、２MPaの圧力下において燃0.4％となった。この結果は化学平衡状態のものよりも高い値を示している（図８−２−８）。

(II) 各残存濃度に及ぼす圧力の影響は認められなかった。

(III) 吹き消え特性に与える蒸気温度、圧力の影響は認められなかった。しかし、水蒸気中の酸素濃度が低いと吹き消えやすくなる傾向があることがわかった。

(4)　水素／酸素燃焼器の燃焼器壁面冷却および希釈構造の検討

(I) モデル燃焼器を用いた大気圧燃焼実験を実施し、壁面温度分布が不均一であるため、今後さらに希釈・冷却構造の適正化が必要であることがわかった。

(II) 水素・酸素燃焼器の希釈・冷却構造について検討するため、 500MW級燃焼器内のシミュレーション解析を実施し、壁面温度分布、出口ガス温度分布を把握した（図８−２−９ / 図８−２−10 / 図８−２−11）。

(III) 水素・酸素燃焼バーナ（小型燃焼器）の燃焼実験を実施した結果、壁面温度は圧力の増加とともに上昇するため、今後さらに希釈・冷却構造の適正化が必要であることがわかった（図８−２−12）。

(5)　燃焼器の概念設計

(I) 燃焼器構造の基本概念としては、1. アニュラ型燃焼器、2. 酸素の水蒸気による予混合希釈、3. 混合促進型噴射システムを採用することとした。モデル燃焼器の燃焼実験より、今後は現燃焼器構造の改良で 500MW級水素燃焼タービン用燃焼器に対応可能であることがわかった。

(II) 500MW級水素燃焼タービン用燃焼器の１缶分である50MW級燃焼器の概念設計を実施し、燃焼器ライナの寸法および冷却・希釈孔の面積配分について明らかにした。

(III) バーナ方式としては多孔噴射方式、酸素は燃焼器上流にて水蒸気と混合させる方式を採用した 500MW級水素燃焼タービン用燃焼器の概念設計を実施し、燃焼器寸法および本数等について明らかにした。

8.2.3 今後の進め方及び成果

　平成７年度に引き続き、水素・酸素燃焼器の基本構造を明らかにするため、小型バーナ又はモデル燃焼器を用いた燃焼実験により、未燃水素・酸素濃度など水蒸気中での水素・酸素の燃焼特性について検討する。また、燃焼器壁面冷却及び希釈構造等に関する検討を行うと共に高圧燃焼実験に供試する燃焼器の基本設計を行う。さらに、燃焼器評価実験設備の設計および一部製作を行う。