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

　水素燃焼タービンによる発電システムは、画期的な高効率化が可能な水素利用技術として期待されておりその開発においては水素燃焼タービンが最も重要な開発要素となる。
　特に水素・酸素燃焼器の開発では、水蒸気などの不活性ガスを用いた水素・酸素燃焼における燃焼制御技術が重要であり、プロジェクトの第�T期では、第�U期以降の要素開発およびパイロットプラント開発に必要な基礎・基盤技術を確立しておく必要がある。
　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、小型バーナによる燃焼実験、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。
　また、平成７年度からはモデル燃焼器の燃焼試験を開始し、燃焼方式・基本構造について、より具体的な検討を進めてきた。その結果、量論比近傍における残存水素・酸素の低減可能性、燃焼器壁面冷却・希釈構造の適正化、燃焼器排ガスの残存水素・酸素濃度及び温度計測手法等についてさらに検討が必要と考えられた。

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、モデル燃焼器を用いた燃焼試験により、残存水素・酸素濃度など、水蒸気を用いた水素・酸素燃焼の燃焼特性や、燃焼器壁面冷却・希釈構造について検討する。また、燃焼器排ガスの計測手法について調査・検討する。さらに、これらの検討結果に基づき、燃焼器評価試験に供試する燃焼器の基本設計ならびに製作を行うとともに、評価試験用燃焼試験設備を設計し、その一部を製作する。

8.2.2 平成８年度の研究開発成果

(1) 水素・酸素燃焼器の開発

1. アニュラー型燃焼器
   （燃焼方式：バーナ部で酸素を水蒸気と混合した後、水素と燃焼させる）
   1. 火炎形状および冷却・希釈蒸気配分の適正化を図った大気圧試験用セクターモデル燃焼器の燃焼試験を実施し、次のことを明らかにした。 （図８−２−１）
      • 着火限界、吹き消え限界は、スワラに供給する水蒸気中の酸素濃度に依存する。
      • 壁面温度を耐熱許容温度以下に維持できる。
      • 量論比近傍での残存水素・酸素濃度は、いずれも１％以下である（図８−２−２）。
   2. 加圧試験用セクターモデル燃焼器について３ataまでの燃焼試験を実施し、今後さらに、水素噴射方式の改良による混合改善、ならびに壁面冷却水蒸気配分の適正化が必要であることが明らかになった。

2. キャン型燃焼器（Ｉ）
   （燃焼方式：バーナ近傍で水素と酸素を燃焼後、水蒸気で希釈する）
   1. 同軸インジェクタを用いたモデル燃焼器の大気圧燃焼試験を実施した結果、水素・酸素の混合と保炎の改善が必要であることが分かった。
      　（図８−２−３）
   2. 燃焼器内の旋回を強化し、混合および保炎性能の改善を図ったモデル燃焼器の大気圧燃焼試験を実施した結果、着火・吹き消え特性は良好であることが明らかになった。また、水蒸気配分の適正化などの改良が必要であることが分かった。（図8-2-4）

3. キャン型燃焼器（ II ）
   （燃焼方式：予め酸素を水蒸気と混合してスクープより供給し、水素と燃焼させる）

   酸素を水蒸気と混合させるとともに、一部の酸素を燃焼器１次スクープより供給する方式のモデル燃焼器を試作し、20ataでの加圧燃焼試験を実施した。その結果､酸素濃度を低減できる可能性があることが分かった。
   （図８−２−５〜６）

(2) 水素・酸素燃焼器の排ガス計測手法の検討

1. 残存水素・酸素濃度計測手法の検討
   1. 残存水素・酸素濃度の計測手法について調査・検討した結果、水蒸気のままで計測するガスクロマトグラフ法は、測定精度の観点では有利であるが、測定時間が長いため、燃焼制御への適用は難しいことが分かった。
   2. 残存水素・酸素の連続分析システムを試作し、加圧燃焼試験に供した結果、燃焼制御に適用するためには、より応答速度の速いセンサーの利用が必要であることが明らかになった。（図８−２−７）
   3. 残存水素・酸素濃度の非接触計測手法について調査・検討した結果、残存酸素については吸収光法を適用できる可能性があるが、残存水素については精度および取り扱いの観点から、当面、非接触計測手法の適用は難しいことが明らかになった。

2. ガス温度計測手法の検討
   燃焼器出口ガス温度の計測手法について、調査・検討した結果、温度、雰囲気、取り扱いなどの観点から、白金系熱電対（Pt･40Rh／Pt･20Rh）が有望であることが明らかになった。

(3) 評価試験用燃焼器の基本設計
　これまでの検討結果を基に、評価試験用燃焼器の基本設計を行い、燃焼方式、基本構造、主要寸法などを明らかにした。

(4) 評価試験用燃焼試験設備

　前年度に検討した基本使用に基づいて評価試験用燃焼試験設備の詳細設計を行い、設備の仕様、構成、配置等を明らかにするとともに、その一部を製作した。 （図８−２−８）

8.2.3 今後の進め方及び課題

　平成８年度に引き続き、モデル燃焼器の改良および燃焼試験を実施し、水素・酸素燃焼器の基本構造について検討する。また、評価試験用燃焼器の詳細設計・製作を行い、大気圧条件下での燃焼予備試験によって燃焼特性、壁面冷却特性等の基本特性の確認、改良を行う。さらに、評価試験の試験条件、試験方法等、試験の詳細内容を検討するとともに、評価試験用燃焼試験設備の製作および試運転・調整を行う。