ガスタービン燃焼器
【課題】本発明は、ガスタービン燃焼器の運転状態に関わらず、液体燃料ノズルの出口部外周側への未燃分カーボンの付着を抑制するとともに、ＮＯｘ排出量を低減し、信頼性の高いガスタービン燃焼器を提供することを目的とする。
【解決手段】空気と燃料とを混合する混合室１１ａと、混合室１１ａに液体燃料を噴出する液体燃料ノズル１３と、液体燃料ノズル１３の外周側に配置され、空気を噴出する筒状の空気孔１６とを有し、空気孔１６の壁面に、空気孔１６内へ気体燃料を供給する気体燃料噴孔１７とを備えたガスタービン燃焼器であって、気体燃料噴孔１７へ水を供給する系統２２３を有する。
【解決手段】空気と燃料とを混合する混合室１１ａと、混合室１１ａに液体燃料を噴出する液体燃料ノズル１３と、液体燃料ノズル１３の外周側に配置され、空気を噴出する筒状の空気孔１６とを有し、空気孔１６の壁面に、空気孔１６内へ気体燃料を供給する気体燃料噴孔１７とを備えたガスタービン燃焼器であって、気体燃料噴孔１７へ水を供給する系統２２３を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体燃料および気体燃料の両方に対応するガスタービン燃焼器に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力自由化に伴い近年の発電事業では、従来の大容量の大型発電所に加え中小容量の分散電源が普及しつつある。中小容量の発電設備には燃料の供給が比較的容易な液体燃料を使用する場合が多く、それに加えて、温室効果ガス排出削減のために天然ガスやバイオ燃料など多様な燃料を使用するニーズが増えている。このような背景を受け、液体燃料，気体燃料の何れにも対応可能なデュアル燃料対応燃焼器を適用するガスタービン発電設備が望まれている。
【０００３】
地球環境保護の観点からガスタービン燃焼器の排出ガスに対するＮＯｘ等の環境規制は厳しさを増しており、その一手段として、燃料を空気と予め混合してから燃焼する予蒸発予混合燃焼方式がある。その一例として、特許文献１には、混合室の略軸中心に液体燃料ノズルが配置され、液体燃料ノズルの外周に混合室を設け、その混合室壁に複数列の円筒状の空気孔を設けたガスタービン燃焼器が開示されている。上記構造のガスタービン燃焼器では、液体燃料ノズルから噴射された液体燃料を蒸発させて空気と均一に混合させる予蒸発予混合燃焼をすることでＮＯｘ排出量の低減を狙っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−６０２８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
液体燃料の中ではＡ重油等の安価な燃料を使用したいというニーズが増加している。残渣油などの高沸点成分が含まれる安価な燃料の燃焼では、ばい煙やＮＯｘの排出量が増加しやすい傾向にある。また、前述のデュアル燃料対応燃焼器のような構造をもつ燃焼器において、液体燃料ノズルから噴射された液体燃料が混合室の壁面に付着すると、付着した液体燃料は熱分解で未燃分カーボンとなって堆積する。未燃分カーボンが混合室に形成した空気孔を閉塞して空気流量を低下させると、液体燃料の微粒化特性が悪化し、ＮＯｘ排出量を増大させる可能性がある。
【０００６】
本発明は混合室への未燃分カーボンの堆積による、ＮＯｘ排出量の増大を防止しつつ、さらにＮＯｘ排出量を低減するガスタービン燃焼器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は、空気と燃料とを混合する混合室と、該混合室に液体燃料を噴出する液体燃料ノズルと、該液体燃料ノズルの外周側に配置され、空気を噴出する筒状の空気孔とを有し、該空気孔の壁面に、該空気孔内へ気体燃料を供給する気体燃料噴孔とを備えたガスタービン燃焼器であって、該気体燃料噴孔へ水を供給する系統を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、混合室への未燃分カーボンの堆積による、ＮＯｘ排出量の増大を防止しつつ、さらにＮＯｘ排出量を低減するガスタービン燃焼器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施例１におけるガスタービン燃焼器の構成を示す断面図及びガスタービン発電プラントの全体構成を概略的に示す概略構成図。
【図２】実施例１の予混合燃焼バーナの詳細構造を表す断面を示した図。
【図３】実施例１の予混合燃焼バーナに設けた空気孔の詳細構造を表す断面を示した図。
【図４】実施例２におけるガスタービン燃焼器の構成を示す断面図及びガスタービン発電プラントの全体構成を概略的に示す概略構成図。
【図５】実施例２の予混合燃焼バーナに設けた空気孔の詳細構造を表す断面を示した図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明を用いたガスタービン燃焼器の実施例について、図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００１１】
本発明の実施形態の一例である液体燃料と気体燃料の両方を燃料として使用できるデュアル燃料対応のガスタービン燃焼器について図１から図３により説明する。図１は、本実施例のガスタービン燃焼器の断面図を含んだガスタービンシステムの構成図である。図１により本実施例のガスタービンシステムの概略構成を説明する。
【００１２】
本実施例に示すガスタービンシステムは、液体燃料および気体燃料をガスタービンの燃料とするガスタービン発電プラントの一部である。ガスタービン発電プラントは主として、空気を圧縮して高圧の燃焼用空気３００を生成する圧縮機１と、この圧縮機１から導入される燃焼用空気３００と燃料とを混合して燃焼ガス４００を生成するガスタービン燃焼器３と、このガスタービン燃焼器３で生成された燃焼ガス４００を供給するタービン２と、このタービン２の回転によって駆動され発電を行う発電機４とを備えている。
【００１３】
上記のガスタービン燃焼器３は、燃料として液体燃料１００と気体燃料２００の何れも燃焼可能なデュアル燃料対応のガスタービン燃焼器である。ガスタービン燃焼器３では液体燃料１００および気体燃料２００と圧縮機１から供給される燃焼用空気３００とを混合して、内筒７に形成された燃焼室６で燃焼させ高温の燃焼ガス４００を生成させる。前記内筒７を内部に収容した外筒５と、この外筒５の端部を覆う閉止板９と、前記内筒７の下流側に接続して生成した高温の燃焼ガス４００をタービン２に導くトランジションピース８とで密閉した圧力容器を構成しており、液体燃料１００および気体燃料２００を供給する液体燃料供給系統１２０，１２１と気体燃料供給系統２２０，２２１は前記閉止板９に接続される。
【００１４】
前記ガスタービン燃焼器３に備えられた内筒７の上流側の軸中心位置には、液体燃料ノズル１２を備えた燃焼安定性の良い拡散燃焼バーナ１０が設置されており、この拡散燃焼バーナ１０の周囲には予混合燃焼バーナ１１が複数個配置されている。前記予混合燃焼バーナ１１は燃料と空気とを予混合させる混合室１１ａを備え、希薄燃焼によりＮＯｘ排出量を低減できる。
【００１５】
ガスタービン燃焼器３に備えられた拡散燃焼バーナ１０は、内側に混合室１０ａを形成する中空円錐形状の円錐プレート１０ｂが設置された構造であり、この円錐プレート１０ｂの壁面には燃焼用空気３００に旋回成分を付与する複数個の空気孔１５が同心円状に２列配設されている。前記拡散燃焼バーナ１０の軸中心位置には、拡散燃焼用の液体燃料１００を噴射する液体燃料ノズル１２が配置されている。前記液体燃料ノズル１２の外周には、拡散燃焼バーナ１０の混合室１０ａに形成した各空気孔１５の上流側に近接した位置に気体燃料２００を噴出する気体燃料ノズル１４が、同心円状に配置されている。前記各気体燃料ノズル１４から噴射する気体燃料２００は、円錐プレート１０ｂに形成した空気孔１５から燃焼用空気３００と混合しながら混合室１０ａへ噴射される構造となっている。
【００１６】
ガスタービン燃焼器３に備えられた予混合燃焼バーナ１１については後で詳述するため、ここでは簡単に説明する。予混合燃焼バーナ１１の上流側の軸中心位置に液体燃料１００を供給するための液体燃料ノズル１３が設置されている。前記液体燃料ノズル１３の下流側には、該液体燃料ノズル１３から噴射された液体燃料１００と予混合燃焼バーナ１１の壁面に設けられた複数の空気孔１６から流入する燃焼用空気３００との混合を促進するとともに、液体燃料１００を蒸発するための混合室１１ａを形成している。また、前記空気孔１６の壁面には気体燃料２００を空気孔１６内へ噴出するための気体燃料噴孔１７が設けられている。
【００１７】
次に、本実施例のガスタービン燃焼器を備えたガスタービン発電プラントにおける燃料供給系統について説明する。
【００１８】
ガスタービン燃焼器３に液体燃料１００を供給するには、液体燃料タンク１１０に貯蔵された液体燃料１００を加圧ポンプ１０１で昇圧し、圧力調節弁１０２で圧力を調節する。この圧力が調節された液体燃料１００を液体燃料ノズル１２，１３に供給する液体燃料供給系統１２０，１２１には、液体燃料１００の流量を調節する流量制御弁１０３，１０５と液体燃料１００の供給を遮断する遮断弁１０４，１０６とが配設されている。
【００１９】
一方、ガスタービン燃焼器３に気体燃料２００を供給する場合には、液体状態で燃料タンク２１０に貯蔵され気化器２１１で気化した気体燃料２００の圧力を減圧弁２０１で調節する。気体燃料ノズル１４および気体燃料噴孔１７に供給する燃料の流量を調節する流量制御弁２０２，２０４と気体燃料２００の供給を遮断する遮断弁２０３，２０５を備えた気体燃料供給系統２２０，２２１を配設した構成にして、気体燃料２００をガスタービン燃焼器３に供給するように構成している。
【００２０】
上記に加えて、予混合燃焼バーナ１１に設けた気体燃料噴孔１７から水２５０を供給できるように水供給系統２２３を気体燃料供給系統２２１に接続している。水タンク２６０に貯蔵された水２５０は加圧ポンプ２５１で昇圧し圧力調節弁２５２で圧力を調節し、流量制御弁２５３で流量を調整し、水２５０の供給を遮断する遮断弁２５４を介して気体燃料供給系統２２１の遮断弁２０５の下流側から気体燃料噴孔１７を通って予混合燃焼バーナ１１に供給される。
【００２１】
なお、前記気体燃料供給系統２２１および前記水供給系統２２３には、気体燃料２００または水２５０をガスタービン燃焼器３に供給している時に各供給系統へ気体燃料２００あるいは水２５０が逆流することを防止するために遮断弁２０５および２５４の下流側にそれぞれ逆止弁２０６，２５６が設置されている。
【００２２】
次に、上記構成のガスタービン発電プラントに備えたガスタービン燃焼器の運転方法について説明する。ガスタービン発電プラントの運転者が液体燃料１００を選択した場合は、液体燃料供給系統１２０から拡散燃焼バーナ１０に、液体燃料供給系統１２１から予混合燃焼バーナ１１に液体燃料１００を供給する。一方、ガスタービン発電プラントの運転者が気体燃料２００を選択した場合は気体燃料供給系統２２０から拡散燃焼バーナ１０に、気体燃料供給系統２２１から予混合燃焼バーナ１１に気体燃料２００を供給する。
【００２３】
燃料流量は、ガスタービンの負荷に応じて制御する構成となっており、ガスタービンを起動から昇速させて低負荷条件で運転する場合には液体燃料１００又は気体燃料２００を拡散燃焼バーナ１０のみに供給して単独で運転させる。更に燃料流量が増加するガスタービンの高負荷条件では、拡散燃焼バーナ１０に加えて、予混合燃焼バーナ１１にも液体燃料１００又は気体燃料２００を供給する。
【００２４】
この拡散燃焼バーナ１０と予混合燃焼バーナ１１とを備えたガスタービン燃焼器３では、拡散燃焼と予混合燃焼の燃料流量の比率を制御して、低ＮＯｘと安定燃焼の両立を図るように前記ガスタービン燃焼器３を運用する。通常、拡散燃焼の割合を小さくするとＮＯｘ排出量を低減できる反面、燃焼不安定を引き起こす可能性が大きくなる。
【００２５】
次に、前記ガスタービン燃焼器に備えられた予混合燃焼バーナの構造について、図２を用いて詳細に説明する。図２はガスタービン燃焼器に備えられた予混合燃焼バーナの断面図である。予混合燃焼バーナ１１の上流側の軸中心位置に液体燃料１００を供給するための液体燃料ノズル１３が設置され、この液体燃料ノズル１３の燃焼室６側に該液体燃料ノズル１３から噴射された液体燃料１００と燃焼用空気３００の混合を促進する混合室１１ａを形成している。その上流側が中空円錐形状で、下流側が略円筒形状である。予混合燃焼バーナ１１の前記混合室１１ａの壁面には、予混合燃焼バーナ１１内に燃焼用空気３００を導入するための円筒形状の空気孔１６が予混合燃焼バーナ１１の軸方向に３列、周方向に複数個ずつ設けられている。これらの空気孔１６を設けた壁面には、気体燃料供給系統２２１および水供給系統２２３から燃料ヘッダ１８を通って供給される気体燃料２００または水２５０を噴出するための気体燃料噴孔１７が設けられている。
【００２６】
燃料として液体燃料１００が選択される場合、液体燃料ノズル１３から噴射された液体燃料１００は、混合室１１ａで燃焼用空気３００と混合し、蒸発する。混合・蒸発によって生成された予混合気は燃焼室６で燃焼により高温の燃焼ガスとなる。一方、燃料として気体燃料２００が選択される場合、気体燃料噴孔１７から供給された気体燃料２００は、空気孔１６内や混合室１１ａでの流れの乱れにより燃焼用空気３００と混合して燃焼室６で燃焼し高温の燃焼ガスとなる。
【００２７】
図２は実施例１の予混合燃焼バーナ１１の詳細構造を表す断面を示した図である。図２のＡ−Ａ′矢視断面図に示したように、この断面には空気孔１６が円周方向に６個設けられている。混合室１１ａの断面円の直径を延長した線Ｄ−Ｄ′に対して長さＸ平行移動した位置に空気孔１６を設けることにより、混合室１１ａで旋回流１９が形成される。旋回流１９によって液体燃料ノズル１３から噴射された液体燃料１００の液滴にせん断力が作用して微粒化が促進されるため、液滴の表面積が増加して液体燃料１００が蒸発しやすくなりＮＯｘ排出量の低減に有効である。
【００２８】
次に、図３を用いて本実施例の予混合燃焼バーナの空気孔近傍の構造について説明する。図３は図２に示した空気孔を破線で囲ったＢ部を拡大した図である。燃焼用空気３００は空気孔１６を通って予混合燃焼バーナ１１の混合室１１ａに導入される。空気孔１６には気体燃料噴孔１７が設けられており、Ｃ−Ｃ′矢視断面図に示したように空気孔１６の断面円に対して同一の平面上に気体燃料２００あるいは水２５０を供給する気体燃料噴孔１７が設けられている。気体燃料噴孔１７から供給された気体燃料２００あるいは水２５０の噴流は空気孔１６の断面円の中心を通過して気体燃料噴孔１７の反対側壁面に衝突し、燃焼用空気３００に随伴されて混合室１１ａへ流入する。気体燃料２００あるいは水２５０が混合した燃焼用空気３００は燃焼室で拡散燃焼バーナの燃焼熱から着火エネルギーを得て燃焼により燃焼ガスとなる。
【００２９】
気体燃料噴孔１７から供給された気体燃料２００あるいは水２５０は、空気孔１６の気体燃料噴孔１７とは反対側の壁面に衝突するため、予混合燃焼バーナ１１の外周側あるいは混合室側へ直接噴射されるのを防止できる。これにより、壁面への衝突の衝撃で空気孔１６内に分散され、その後燃焼用空気３００に随伴されて混合室へ流入する。気体燃料２００が燃焼用空気３００に分散・混合することにより、燃料濃度が高いことに起因した局所的な高温燃焼領域の発生を防止でき、ＮＯｘ排出量を低減可能になる。
【００３０】
上記のような構成のガスタービン燃焼器において、液体燃料を燃料として用いるときに気体燃料噴孔１７から水２５０を供給する効果について以下に説明する。
【００３１】
気体燃料噴孔１７から水２５０を供給した場合、水２５０が空気孔１６の壁面に衝突し、その衝撃で液滴となり空気孔１６内に飛散して分散され、燃焼用空気３００に随伴されて混合室へ流入する。水２５０は液滴となり空気孔内に飛散するため、燃焼用空気３００との接触面積が増加し、燃焼用空気３００から熱を受けやすくなり蒸発が促進される。これにより、水２５０の添加による燃焼用空気３００の温度低下および燃焼速度の低下により局所の燃焼温度上昇が抑制され、ＮＯｘ排出量の低減が可能となる。
【００３２】
一方、空気孔１６から混合室１１ａへ燃焼用空気３００を流入させる場合には、空気孔１６の出口に後流５０が生じる。液体燃料ノズルから噴射された液体燃料の液滴の一部が後流５０に巻き込まれると、混合室１１ａあるいはその下流の蒸発室の壁面に液体燃料の液滴が付着する可能性がある。液体燃料１００が壁面に付着したまま長時間滞留すると、熱分解により未燃分カーボンとなり混合室１１ａおよび蒸発の壁面に堆積する。特に、液体燃料１００に燃焼用空気３００の温度より沸点が高い成分（高沸点成分）が存在する場合、高沸点成分の蒸発は困難であるため、熱分解によって生成する未燃分カーボンの堆積量が顕著に増加する。
【００３３】
これに対し本実施例の予混合燃焼バーナ１１の構造では、気体燃料噴孔１７から噴出した水２５０の一部が空気孔１６の壁面を流れることにより予混合燃焼バーナ１１の構造物の温度を低下させている。そうすることで、液体燃料の熱分解反応速度を低下させられる。これにより、高沸点成分が混合室１１ａの壁面に付着しても燃焼用空気３００によって液体のまま混合室１１ａの下流側の燃焼室へ搬送されやすくなり、未燃分カーボンの生成を抑制できる。
【００３４】
以上説明した本実施例のガスタービン燃焼器は、空気と燃料とを混合する混合室１１ａと、混合室１１ａに液体燃料を噴出する液体燃料ノズル１３と、液体燃料ノズル１３の外周側に配置され、空気を噴出する筒状の空気孔１６とを有し、空気孔１６の壁面に、空気孔１６内へ気体燃料を供給する気体燃料噴孔１７とを備えたガスタービン燃焼器であって、気体燃料噴孔１７へ水を供給する系統２２３を有する。そして、液体燃料ノズル１３から液体燃料を供給する際に、気体燃料噴孔１７へ水２５０を供給する。
【００３５】
このように構成したガスタービン燃焼器において、油専焼運転時に気体燃料噴孔から水を噴射することで、予混合燃焼バーナの壁面に液体燃料が付着することで生成する未燃分カーボンの堆積を抑制できる。これにより、混合室への空気流量低下や個々の空気孔から混合室へ流入する空気の流量偏差の増大による液体燃料ノズルから噴射される液体燃料の微粒化特性の変化を抑制でき、燃料濃度偏差による火炎の高温領域の発生が抑制され、ＮＯｘ排出量の増大を防止できる。また、燃焼用空気と水の混合度を高められるため火炎の温度上昇を抑制でき、ＮＯｘ排出量を低減できるガスタービン燃焼器を提供可能となる。
【実施例２】
【００３６】
本発明の第２の実施形態について図４および図５を用いて説明する。図４は本実施例のガスタービン燃焼器の断面図を含んだガスタービンシステムの構成図である。図４に示す本実施例のガスタービン燃焼器の構成およびガスタービンシステムの概略構成は図１に示したものと基本的には共通する。以下、両者の差異について説明する。
【００３７】
図４で示した本実施例のシステムは、水供給系統２２３から分岐した水供給系統２２４を設け、気体燃料供給系統２２０に接続し、拡散燃焼バーナ１０の気体燃料ノズル１４から水２５０を供給できるようにしている。水供給系統２２４は、水タンク２６０に貯蔵された水２５０が加圧ポンプ２５１で昇圧され圧力調節弁２５２で圧力を調節された状態で、水供給系統２２３から分岐される。分岐された水供給系統２２４には水２５０の流量を調整するための流量制御弁２５７と、水２５０の供給を遮断するための遮断弁２５８および逆流を防止するための逆止弁２５９を設けている。水供給系統２２４は気体燃料供給系統２２０に設けた逆止弁２０７の下流側へ合流し、気体燃料ノズル１４を通って拡散燃焼バーナ１０に供給される。
【００３８】
水供給系統２２３，２２４には熱交換器２７０，２７５をそれぞれ設け、燃焼用空気３００の圧力変化に伴い水２５０の温度を調節する。燃焼用空気３００の圧力は拡散燃焼バーナ１０および予混合燃焼バーナ１１の燃料ヘッダ１８を直接計測するのが好ましいが、ここでは水供給系統２２３，２２４の熱交換器２７０，２７５の下流側に圧力計２７２，２７７を設置して計測する。また、水供給系統２２３，２２４の水２５０の温度も熱交換器２７０，２７５の下流側に温度計２７３，２７８を設置して計測する。
【００３９】
圧力計２７２および温度計２７３の計測結果から調節器２７１で熱交換器２７０の運転を制御し、水２５０の温度を調節することで、予混合燃焼バーナ１１に沸点未満の水２５０を供給する。同様に圧力計２７７および温度計２７８の計測結果から調節器２７６で熱交換器２７５の運転を制御し、水２５０の温度を調節することで、拡散燃焼バーナ１０に沸点未満の水２５０を供給する。すなわち、燃焼用空気の圧力を元に気体燃料噴出孔１７から供給する水２５０の温度を沸点未満に設定する。そうすると、液体燃料の熱分解による未燃分のカーボンの生成を抑制できる。
【００４０】
水２５０を拡散燃焼バーナ１０および予混合燃焼バーナ１１に個別に供給する系統を持つことで、拡散燃焼バーナ１０の油専焼においても気体燃料ノズル１４から混合室１０ａへ水２５０を供給できるため、特にＮＯｘ排出量が多い拡散燃焼バーナで形成される火炎の温度を低減でき、ＮＯｘ排出量を低減している。
【００４１】
次に、図５を用いて本実施例の燃焼器の予混合燃焼バーナの空気孔近傍の構造について説明する。予混合燃焼バーナ１１は図２に示したものとほぼ同等である。ただし予混合燃焼バーナ１１の空気孔近傍の構造については実施例１とは異なる。すなわち、図２に示した空気孔を破線で囲ったＢ部を拡大した図３とは別の構造である。この点について図５を用いて説明する。
【００４２】
図５は、図２に示した空気孔を破線で囲ったＢ部に相当する部分を拡大した図である。燃焼用空気３００は空気孔１６を通って予混合燃焼バーナ１１の混合室１１ａに導入される。空気孔１６は円筒状であり、その円筒状の空気孔１６の壁面には気体燃料噴孔１７が設けられている。すなわち、Ｃ−Ｃ′矢視断面図に示したように空気孔１６の断面円に対して接線方向から気体燃料２００あるいは水２５０を供給する気体燃料噴孔１７が設けられている。そうすると、気体燃料噴孔１７から供給された気体燃料２００あるいは水２５０の噴流は空気孔１６の壁面に沿って流れ、燃焼用空気３００に随伴されて混合室１１ａへ流入する。気体燃料２００あるいは水２５０が混合した燃焼用空気３００は燃焼室で拡散燃焼バーナの燃焼熱から着火エネルギーを得て燃焼により燃焼ガスとなる。
【００４３】
気体燃料噴孔１７は、その中心軸を空気孔の出口近傍に配置するのが望ましい。具体的には空気孔１６の入口（予混合燃焼バーナ１１の外側）よりも出口（予混合燃焼バーナ１１の内側）に近い位置に配置するのがよい。特に本実施例では、空気孔１６で形成される円筒に垂直な平面を予混合燃焼バーナ１１の外側から混合室１１ａ側へ移動させたときに最初に円筒と垂直な平面が接しなくなる点Ｐのある平面上に気体燃料噴孔１７の中心を配置した。このように配置することで気体燃料噴孔１７から供給された気体燃料２００あるいは水２５０は空気孔１６の壁面に沿って流れ、一部は壁による拘束がなくなったところから混合室１１ａへ飛散する流れ５１となる。気体燃料２００あるいは水２５０といった流体の勢いを必要以上に失うことなく、流体に旋回力を与えることができるため好適である。
【００４４】
気体燃料２００の場合、空気孔１６の壁面に沿って流れることで内壁に膜状に広がる。そうすると、気体燃料２００が燃焼用空気３００に分散して混合するため、燃料濃度が高いことに起因した局所的な高温燃焼領域の発生を防止でき、ＮＯｘ排出量の低減が可能になる。
【００４５】
次に、上記のような構成のガスタービン燃焼器において、液体燃料を燃料としたときに気体燃料噴孔１７から水２５０を供給する効果について以下に説明する。
【００４６】
気体燃料噴孔１７から水２５０を供給した場合、空気孔１６の壁面で水２５０が液膜状に広がるため、空気孔１６の壁面との接触面積が増加し、熱伝導率が高い壁面から熱を受けやすくなり蒸発が促進される。これにより、水２５０の添加による燃焼用空気３００の温度低下および燃焼速度の低下により局所の燃焼温度上昇が抑制され、ＮＯｘ排出量の低減が可能となる。なお、気体燃料噴孔１７から供給された水２５０の全量が、予混合燃焼バーナ１１で形成された予混合気に混合しており、水２５０の全量がＮＯｘ排出量の低減に寄与するため、水２５０の供給量が少量でもＮＯｘ排出量の低減に有効である。
【００４７】
ここで、空気孔１６から混合室１１ａへ燃焼用空気３００が流入する構造では空気孔１６の出口に後流５０が生じる。液体燃料ノズルから噴射された液体燃料の液滴の一部が後流５０に巻き込まれ未燃分カーボンが壁面に堆積しやすくなる。これに対し本実施例の予混合燃焼バーナ１１の構造では、水２５０が空気孔１６の壁面を流れることにより空気孔１６の壁面温度を低下させて混合室１１ａの壁面温度も低下させることや、後流５０によって流れ５１が壁面に押しつけられ混合室１１ａの壁面に近づき混合室１１ａの壁面を冷却させることで、液体燃料の熱分解反応速度を低下させられる。これにより、高沸点成分が混合室１１ａの壁面に付着しても燃焼用空気３００によって液体のまま混合室１１ａの下流側の燃焼室へ搬送されやすくなり、熱分解による未燃分カーボンの生成を抑制できる。また、水２５０の一部が空気孔１６から混合室１１ａへ飛散する流れ５１により混合室１１ａの壁面への液体燃料の付着が遮られ、水２５０あるいは水蒸気と一緒に燃焼室に流出するため未燃分カーボンの生成を抑制できる。
【００４８】
さらに本実施例のガスタービンでは、気体燃料噴孔１７へ供給する水２５０を加熱する加熱手段である熱交換器２７０，２７５を有している。そのため、水２５０が予混合燃焼バーナ１１へ供給される前に加熱され、気体燃料噴孔１７から噴出した直後から蒸発が開始され、燃焼用空気３００との混合度を高められ、局所的な火炎温度の上昇の防止によりＮＯｘ排出量を低減できる。また、水２５０が熱交換器２７０で加熱されるため空気孔１６近傍で蒸発しやすく、気化熱で構造物の温度を低下させるため、空気孔近傍での熱分解反応速度が低下して混合室１１ａの壁面での未燃分カーボンの生成および堆積を抑制できる。
【００４９】
また、燃焼用空気３００で予混合燃焼バーナ１１が加熱されるため、加熱された水２５０を供給することで常温の水を供給する場合にくらべて急激な温度変化に伴う溶接部などにかかる熱応力を小さくでき、構造物の割れを防止できる。
【００５０】
このように構成したガスタービン燃焼器およびガスタービンシステムにおいては、油専焼運転時に気体燃料噴孔から水を噴射することで、予混合燃焼バーナの空気孔近傍を冷却でき、予混合燃焼バーナの壁面に液体燃料が付着することで生成する未燃分カーボンの堆積を抑制できる。これにより、混合室への空気流量低下や個々の空気孔から混合室へ流入する空気の流量偏差の増大による液体燃料ノズルから噴射される液体燃料の微粒化特性の変化を抑制でき、燃料濃度偏差による火炎の高温領域の発生が抑制され、ＮＯｘ排出量の増大を防止できる。また、燃焼用空気と水の混合度を高められるため火炎の温度上昇を抑制でき、ＮＯｘ排出量を低減できるガスタービン燃焼器を提供可能となる。
【符号の説明】
【００５１】
１ 圧縮機
２ タービン
３ ガスタービン燃焼器
４ 発電機
５ 外筒
６ 燃焼室
７ 内筒
８ トランジションピース
９ 閉止板
１０ 拡散燃焼バーナ
１０ａ，１１ａ 混合室
１０ｂ 円錐プレート
１１ 予混合燃焼バーナ
１２，１３ 液体燃料ノズル
１４ 気体燃料ノズル
１５，１６ 空気孔
１７ 気体燃料噴孔
１８ 燃料ヘッダ
５０ 後流
５１ 流れ
１００ 液体燃料
１０１，２５１ 加圧ポンプ
１０２，２５２ 圧力調節弁
１０３，１０５，２０２，２０４，２５３ 流量制御弁
１０４，１０６，２０３，２０５，２５４ 遮断弁
１１０ 液体燃料タンク
１２０，１２１ 液体燃料供給系統
２００ 気体燃料
２２０，２２１，２２１ 気体燃料供給系統
２０６，２５６ 逆止弁
２１０ 燃料タンク
２２３ 水供給系統
２５０ 水
２６０ 水タンク
２７０ 熱交換器
２７１ 調節器
２７２ 圧力計
２７３ 温度計
３００ 燃焼用空気
４００ 燃焼ガス
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体燃料および気体燃料の両方に対応するガスタービン燃焼器に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力自由化に伴い近年の発電事業では、従来の大容量の大型発電所に加え中小容量の分散電源が普及しつつある。中小容量の発電設備には燃料の供給が比較的容易な液体燃料を使用する場合が多く、それに加えて、温室効果ガス排出削減のために天然ガスやバイオ燃料など多様な燃料を使用するニーズが増えている。このような背景を受け、液体燃料，気体燃料の何れにも対応可能なデュアル燃料対応燃焼器を適用するガスタービン発電設備が望まれている。
【０００３】
地球環境保護の観点からガスタービン燃焼器の排出ガスに対するＮＯｘ等の環境規制は厳しさを増しており、その一手段として、燃料を空気と予め混合してから燃焼する予蒸発予混合燃焼方式がある。その一例として、特許文献１には、混合室の略軸中心に液体燃料ノズルが配置され、液体燃料ノズルの外周に混合室を設け、その混合室壁に複数列の円筒状の空気孔を設けたガスタービン燃焼器が開示されている。上記構造のガスタービン燃焼器では、液体燃料ノズルから噴射された液体燃料を蒸発させて空気と均一に混合させる予蒸発予混合燃焼をすることでＮＯｘ排出量の低減を狙っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−６０２８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
液体燃料の中ではＡ重油等の安価な燃料を使用したいというニーズが増加している。残渣油などの高沸点成分が含まれる安価な燃料の燃焼では、ばい煙やＮＯｘの排出量が増加しやすい傾向にある。また、前述のデュアル燃料対応燃焼器のような構造をもつ燃焼器において、液体燃料ノズルから噴射された液体燃料が混合室の壁面に付着すると、付着した液体燃料は熱分解で未燃分カーボンとなって堆積する。未燃分カーボンが混合室に形成した空気孔を閉塞して空気流量を低下させると、液体燃料の微粒化特性が悪化し、ＮＯｘ排出量を増大させる可能性がある。
【０００６】
本発明は混合室への未燃分カーボンの堆積による、ＮＯｘ排出量の増大を防止しつつ、さらにＮＯｘ排出量を低減するガスタービン燃焼器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は、空気と燃料とを混合する混合室と、該混合室に液体燃料を噴出する液体燃料ノズルと、該液体燃料ノズルの外周側に配置され、空気を噴出する筒状の空気孔とを有し、該空気孔の壁面に、該空気孔内へ気体燃料を供給する気体燃料噴孔とを備えたガスタービン燃焼器であって、該気体燃料噴孔へ水を供給する系統を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、混合室への未燃分カーボンの堆積による、ＮＯｘ排出量の増大を防止しつつ、さらにＮＯｘ排出量を低減するガスタービン燃焼器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施例１におけるガスタービン燃焼器の構成を示す断面図及びガスタービン発電プラントの全体構成を概略的に示す概略構成図。
【図２】実施例１の予混合燃焼バーナの詳細構造を表す断面を示した図。
【図３】実施例１の予混合燃焼バーナに設けた空気孔の詳細構造を表す断面を示した図。
【図４】実施例２におけるガスタービン燃焼器の構成を示す断面図及びガスタービン発電プラントの全体構成を概略的に示す概略構成図。
【図５】実施例２の予混合燃焼バーナに設けた空気孔の詳細構造を表す断面を示した図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明を用いたガスタービン燃焼器の実施例について、図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００１１】
本発明の実施形態の一例である液体燃料と気体燃料の両方を燃料として使用できるデュアル燃料対応のガスタービン燃焼器について図１から図３により説明する。図１は、本実施例のガスタービン燃焼器の断面図を含んだガスタービンシステムの構成図である。図１により本実施例のガスタービンシステムの概略構成を説明する。
【００１２】
本実施例に示すガスタービンシステムは、液体燃料および気体燃料をガスタービンの燃料とするガスタービン発電プラントの一部である。ガスタービン発電プラントは主として、空気を圧縮して高圧の燃焼用空気３００を生成する圧縮機１と、この圧縮機１から導入される燃焼用空気３００と燃料とを混合して燃焼ガス４００を生成するガスタービン燃焼器３と、このガスタービン燃焼器３で生成された燃焼ガス４００を供給するタービン２と、このタービン２の回転によって駆動され発電を行う発電機４とを備えている。
【００１３】
上記のガスタービン燃焼器３は、燃料として液体燃料１００と気体燃料２００の何れも燃焼可能なデュアル燃料対応のガスタービン燃焼器である。ガスタービン燃焼器３では液体燃料１００および気体燃料２００と圧縮機１から供給される燃焼用空気３００とを混合して、内筒７に形成された燃焼室６で燃焼させ高温の燃焼ガス４００を生成させる。前記内筒７を内部に収容した外筒５と、この外筒５の端部を覆う閉止板９と、前記内筒７の下流側に接続して生成した高温の燃焼ガス４００をタービン２に導くトランジションピース８とで密閉した圧力容器を構成しており、液体燃料１００および気体燃料２００を供給する液体燃料供給系統１２０，１２１と気体燃料供給系統２２０，２２１は前記閉止板９に接続される。
【００１４】
前記ガスタービン燃焼器３に備えられた内筒７の上流側の軸中心位置には、液体燃料ノズル１２を備えた燃焼安定性の良い拡散燃焼バーナ１０が設置されており、この拡散燃焼バーナ１０の周囲には予混合燃焼バーナ１１が複数個配置されている。前記予混合燃焼バーナ１１は燃料と空気とを予混合させる混合室１１ａを備え、希薄燃焼によりＮＯｘ排出量を低減できる。
【００１５】
ガスタービン燃焼器３に備えられた拡散燃焼バーナ１０は、内側に混合室１０ａを形成する中空円錐形状の円錐プレート１０ｂが設置された構造であり、この円錐プレート１０ｂの壁面には燃焼用空気３００に旋回成分を付与する複数個の空気孔１５が同心円状に２列配設されている。前記拡散燃焼バーナ１０の軸中心位置には、拡散燃焼用の液体燃料１００を噴射する液体燃料ノズル１２が配置されている。前記液体燃料ノズル１２の外周には、拡散燃焼バーナ１０の混合室１０ａに形成した各空気孔１５の上流側に近接した位置に気体燃料２００を噴出する気体燃料ノズル１４が、同心円状に配置されている。前記各気体燃料ノズル１４から噴射する気体燃料２００は、円錐プレート１０ｂに形成した空気孔１５から燃焼用空気３００と混合しながら混合室１０ａへ噴射される構造となっている。
【００１６】
ガスタービン燃焼器３に備えられた予混合燃焼バーナ１１については後で詳述するため、ここでは簡単に説明する。予混合燃焼バーナ１１の上流側の軸中心位置に液体燃料１００を供給するための液体燃料ノズル１３が設置されている。前記液体燃料ノズル１３の下流側には、該液体燃料ノズル１３から噴射された液体燃料１００と予混合燃焼バーナ１１の壁面に設けられた複数の空気孔１６から流入する燃焼用空気３００との混合を促進するとともに、液体燃料１００を蒸発するための混合室１１ａを形成している。また、前記空気孔１６の壁面には気体燃料２００を空気孔１６内へ噴出するための気体燃料噴孔１７が設けられている。
【００１７】
次に、本実施例のガスタービン燃焼器を備えたガスタービン発電プラントにおける燃料供給系統について説明する。
【００１８】
ガスタービン燃焼器３に液体燃料１００を供給するには、液体燃料タンク１１０に貯蔵された液体燃料１００を加圧ポンプ１０１で昇圧し、圧力調節弁１０２で圧力を調節する。この圧力が調節された液体燃料１００を液体燃料ノズル１２，１３に供給する液体燃料供給系統１２０，１２１には、液体燃料１００の流量を調節する流量制御弁１０３，１０５と液体燃料１００の供給を遮断する遮断弁１０４，１０６とが配設されている。
【００１９】
一方、ガスタービン燃焼器３に気体燃料２００を供給する場合には、液体状態で燃料タンク２１０に貯蔵され気化器２１１で気化した気体燃料２００の圧力を減圧弁２０１で調節する。気体燃料ノズル１４および気体燃料噴孔１７に供給する燃料の流量を調節する流量制御弁２０２，２０４と気体燃料２００の供給を遮断する遮断弁２０３，２０５を備えた気体燃料供給系統２２０，２２１を配設した構成にして、気体燃料２００をガスタービン燃焼器３に供給するように構成している。
【００２０】
上記に加えて、予混合燃焼バーナ１１に設けた気体燃料噴孔１７から水２５０を供給できるように水供給系統２２３を気体燃料供給系統２２１に接続している。水タンク２６０に貯蔵された水２５０は加圧ポンプ２５１で昇圧し圧力調節弁２５２で圧力を調節し、流量制御弁２５３で流量を調整し、水２５０の供給を遮断する遮断弁２５４を介して気体燃料供給系統２２１の遮断弁２０５の下流側から気体燃料噴孔１７を通って予混合燃焼バーナ１１に供給される。
【００２１】
なお、前記気体燃料供給系統２２１および前記水供給系統２２３には、気体燃料２００または水２５０をガスタービン燃焼器３に供給している時に各供給系統へ気体燃料２００あるいは水２５０が逆流することを防止するために遮断弁２０５および２５４の下流側にそれぞれ逆止弁２０６，２５６が設置されている。
【００２２】
次に、上記構成のガスタービン発電プラントに備えたガスタービン燃焼器の運転方法について説明する。ガスタービン発電プラントの運転者が液体燃料１００を選択した場合は、液体燃料供給系統１２０から拡散燃焼バーナ１０に、液体燃料供給系統１２１から予混合燃焼バーナ１１に液体燃料１００を供給する。一方、ガスタービン発電プラントの運転者が気体燃料２００を選択した場合は気体燃料供給系統２２０から拡散燃焼バーナ１０に、気体燃料供給系統２２１から予混合燃焼バーナ１１に気体燃料２００を供給する。
【００２３】
燃料流量は、ガスタービンの負荷に応じて制御する構成となっており、ガスタービンを起動から昇速させて低負荷条件で運転する場合には液体燃料１００又は気体燃料２００を拡散燃焼バーナ１０のみに供給して単独で運転させる。更に燃料流量が増加するガスタービンの高負荷条件では、拡散燃焼バーナ１０に加えて、予混合燃焼バーナ１１にも液体燃料１００又は気体燃料２００を供給する。
【００２４】
この拡散燃焼バーナ１０と予混合燃焼バーナ１１とを備えたガスタービン燃焼器３では、拡散燃焼と予混合燃焼の燃料流量の比率を制御して、低ＮＯｘと安定燃焼の両立を図るように前記ガスタービン燃焼器３を運用する。通常、拡散燃焼の割合を小さくするとＮＯｘ排出量を低減できる反面、燃焼不安定を引き起こす可能性が大きくなる。
【００２５】
次に、前記ガスタービン燃焼器に備えられた予混合燃焼バーナの構造について、図２を用いて詳細に説明する。図２はガスタービン燃焼器に備えられた予混合燃焼バーナの断面図である。予混合燃焼バーナ１１の上流側の軸中心位置に液体燃料１００を供給するための液体燃料ノズル１３が設置され、この液体燃料ノズル１３の燃焼室６側に該液体燃料ノズル１３から噴射された液体燃料１００と燃焼用空気３００の混合を促進する混合室１１ａを形成している。その上流側が中空円錐形状で、下流側が略円筒形状である。予混合燃焼バーナ１１の前記混合室１１ａの壁面には、予混合燃焼バーナ１１内に燃焼用空気３００を導入するための円筒形状の空気孔１６が予混合燃焼バーナ１１の軸方向に３列、周方向に複数個ずつ設けられている。これらの空気孔１６を設けた壁面には、気体燃料供給系統２２１および水供給系統２２３から燃料ヘッダ１８を通って供給される気体燃料２００または水２５０を噴出するための気体燃料噴孔１７が設けられている。
【００２６】
燃料として液体燃料１００が選択される場合、液体燃料ノズル１３から噴射された液体燃料１００は、混合室１１ａで燃焼用空気３００と混合し、蒸発する。混合・蒸発によって生成された予混合気は燃焼室６で燃焼により高温の燃焼ガスとなる。一方、燃料として気体燃料２００が選択される場合、気体燃料噴孔１７から供給された気体燃料２００は、空気孔１６内や混合室１１ａでの流れの乱れにより燃焼用空気３００と混合して燃焼室６で燃焼し高温の燃焼ガスとなる。
【００２７】
図２は実施例１の予混合燃焼バーナ１１の詳細構造を表す断面を示した図である。図２のＡ−Ａ′矢視断面図に示したように、この断面には空気孔１６が円周方向に６個設けられている。混合室１１ａの断面円の直径を延長した線Ｄ−Ｄ′に対して長さＸ平行移動した位置に空気孔１６を設けることにより、混合室１１ａで旋回流１９が形成される。旋回流１９によって液体燃料ノズル１３から噴射された液体燃料１００の液滴にせん断力が作用して微粒化が促進されるため、液滴の表面積が増加して液体燃料１００が蒸発しやすくなりＮＯｘ排出量の低減に有効である。
【００２８】
次に、図３を用いて本実施例の予混合燃焼バーナの空気孔近傍の構造について説明する。図３は図２に示した空気孔を破線で囲ったＢ部を拡大した図である。燃焼用空気３００は空気孔１６を通って予混合燃焼バーナ１１の混合室１１ａに導入される。空気孔１６には気体燃料噴孔１７が設けられており、Ｃ−Ｃ′矢視断面図に示したように空気孔１６の断面円に対して同一の平面上に気体燃料２００あるいは水２５０を供給する気体燃料噴孔１７が設けられている。気体燃料噴孔１７から供給された気体燃料２００あるいは水２５０の噴流は空気孔１６の断面円の中心を通過して気体燃料噴孔１７の反対側壁面に衝突し、燃焼用空気３００に随伴されて混合室１１ａへ流入する。気体燃料２００あるいは水２５０が混合した燃焼用空気３００は燃焼室で拡散燃焼バーナの燃焼熱から着火エネルギーを得て燃焼により燃焼ガスとなる。
【００２９】
気体燃料噴孔１７から供給された気体燃料２００あるいは水２５０は、空気孔１６の気体燃料噴孔１７とは反対側の壁面に衝突するため、予混合燃焼バーナ１１の外周側あるいは混合室側へ直接噴射されるのを防止できる。これにより、壁面への衝突の衝撃で空気孔１６内に分散され、その後燃焼用空気３００に随伴されて混合室へ流入する。気体燃料２００が燃焼用空気３００に分散・混合することにより、燃料濃度が高いことに起因した局所的な高温燃焼領域の発生を防止でき、ＮＯｘ排出量を低減可能になる。
【００３０】
上記のような構成のガスタービン燃焼器において、液体燃料を燃料として用いるときに気体燃料噴孔１７から水２５０を供給する効果について以下に説明する。
【００３１】
気体燃料噴孔１７から水２５０を供給した場合、水２５０が空気孔１６の壁面に衝突し、その衝撃で液滴となり空気孔１６内に飛散して分散され、燃焼用空気３００に随伴されて混合室へ流入する。水２５０は液滴となり空気孔内に飛散するため、燃焼用空気３００との接触面積が増加し、燃焼用空気３００から熱を受けやすくなり蒸発が促進される。これにより、水２５０の添加による燃焼用空気３００の温度低下および燃焼速度の低下により局所の燃焼温度上昇が抑制され、ＮＯｘ排出量の低減が可能となる。
【００３２】
一方、空気孔１６から混合室１１ａへ燃焼用空気３００を流入させる場合には、空気孔１６の出口に後流５０が生じる。液体燃料ノズルから噴射された液体燃料の液滴の一部が後流５０に巻き込まれると、混合室１１ａあるいはその下流の蒸発室の壁面に液体燃料の液滴が付着する可能性がある。液体燃料１００が壁面に付着したまま長時間滞留すると、熱分解により未燃分カーボンとなり混合室１１ａおよび蒸発の壁面に堆積する。特に、液体燃料１００に燃焼用空気３００の温度より沸点が高い成分（高沸点成分）が存在する場合、高沸点成分の蒸発は困難であるため、熱分解によって生成する未燃分カーボンの堆積量が顕著に増加する。
【００３３】
これに対し本実施例の予混合燃焼バーナ１１の構造では、気体燃料噴孔１７から噴出した水２５０の一部が空気孔１６の壁面を流れることにより予混合燃焼バーナ１１の構造物の温度を低下させている。そうすることで、液体燃料の熱分解反応速度を低下させられる。これにより、高沸点成分が混合室１１ａの壁面に付着しても燃焼用空気３００によって液体のまま混合室１１ａの下流側の燃焼室へ搬送されやすくなり、未燃分カーボンの生成を抑制できる。
【００３４】
以上説明した本実施例のガスタービン燃焼器は、空気と燃料とを混合する混合室１１ａと、混合室１１ａに液体燃料を噴出する液体燃料ノズル１３と、液体燃料ノズル１３の外周側に配置され、空気を噴出する筒状の空気孔１６とを有し、空気孔１６の壁面に、空気孔１６内へ気体燃料を供給する気体燃料噴孔１７とを備えたガスタービン燃焼器であって、気体燃料噴孔１７へ水を供給する系統２２３を有する。そして、液体燃料ノズル１３から液体燃料を供給する際に、気体燃料噴孔１７へ水２５０を供給する。
【００３５】
このように構成したガスタービン燃焼器において、油専焼運転時に気体燃料噴孔から水を噴射することで、予混合燃焼バーナの壁面に液体燃料が付着することで生成する未燃分カーボンの堆積を抑制できる。これにより、混合室への空気流量低下や個々の空気孔から混合室へ流入する空気の流量偏差の増大による液体燃料ノズルから噴射される液体燃料の微粒化特性の変化を抑制でき、燃料濃度偏差による火炎の高温領域の発生が抑制され、ＮＯｘ排出量の増大を防止できる。また、燃焼用空気と水の混合度を高められるため火炎の温度上昇を抑制でき、ＮＯｘ排出量を低減できるガスタービン燃焼器を提供可能となる。
【実施例２】
【００３６】
本発明の第２の実施形態について図４および図５を用いて説明する。図４は本実施例のガスタービン燃焼器の断面図を含んだガスタービンシステムの構成図である。図４に示す本実施例のガスタービン燃焼器の構成およびガスタービンシステムの概略構成は図１に示したものと基本的には共通する。以下、両者の差異について説明する。
【００３７】
図４で示した本実施例のシステムは、水供給系統２２３から分岐した水供給系統２２４を設け、気体燃料供給系統２２０に接続し、拡散燃焼バーナ１０の気体燃料ノズル１４から水２５０を供給できるようにしている。水供給系統２２４は、水タンク２６０に貯蔵された水２５０が加圧ポンプ２５１で昇圧され圧力調節弁２５２で圧力を調節された状態で、水供給系統２２３から分岐される。分岐された水供給系統２２４には水２５０の流量を調整するための流量制御弁２５７と、水２５０の供給を遮断するための遮断弁２５８および逆流を防止するための逆止弁２５９を設けている。水供給系統２２４は気体燃料供給系統２２０に設けた逆止弁２０７の下流側へ合流し、気体燃料ノズル１４を通って拡散燃焼バーナ１０に供給される。
【００３８】
水供給系統２２３，２２４には熱交換器２７０，２７５をそれぞれ設け、燃焼用空気３００の圧力変化に伴い水２５０の温度を調節する。燃焼用空気３００の圧力は拡散燃焼バーナ１０および予混合燃焼バーナ１１の燃料ヘッダ１８を直接計測するのが好ましいが、ここでは水供給系統２２３，２２４の熱交換器２７０，２７５の下流側に圧力計２７２，２７７を設置して計測する。また、水供給系統２２３，２２４の水２５０の温度も熱交換器２７０，２７５の下流側に温度計２７３，２７８を設置して計測する。
【００３９】
圧力計２７２および温度計２７３の計測結果から調節器２７１で熱交換器２７０の運転を制御し、水２５０の温度を調節することで、予混合燃焼バーナ１１に沸点未満の水２５０を供給する。同様に圧力計２７７および温度計２７８の計測結果から調節器２７６で熱交換器２７５の運転を制御し、水２５０の温度を調節することで、拡散燃焼バーナ１０に沸点未満の水２５０を供給する。すなわち、燃焼用空気の圧力を元に気体燃料噴出孔１７から供給する水２５０の温度を沸点未満に設定する。そうすると、液体燃料の熱分解による未燃分のカーボンの生成を抑制できる。
【００４０】
水２５０を拡散燃焼バーナ１０および予混合燃焼バーナ１１に個別に供給する系統を持つことで、拡散燃焼バーナ１０の油専焼においても気体燃料ノズル１４から混合室１０ａへ水２５０を供給できるため、特にＮＯｘ排出量が多い拡散燃焼バーナで形成される火炎の温度を低減でき、ＮＯｘ排出量を低減している。
【００４１】
次に、図５を用いて本実施例の燃焼器の予混合燃焼バーナの空気孔近傍の構造について説明する。予混合燃焼バーナ１１は図２に示したものとほぼ同等である。ただし予混合燃焼バーナ１１の空気孔近傍の構造については実施例１とは異なる。すなわち、図２に示した空気孔を破線で囲ったＢ部を拡大した図３とは別の構造である。この点について図５を用いて説明する。
【００４２】
図５は、図２に示した空気孔を破線で囲ったＢ部に相当する部分を拡大した図である。燃焼用空気３００は空気孔１６を通って予混合燃焼バーナ１１の混合室１１ａに導入される。空気孔１６は円筒状であり、その円筒状の空気孔１６の壁面には気体燃料噴孔１７が設けられている。すなわち、Ｃ−Ｃ′矢視断面図に示したように空気孔１６の断面円に対して接線方向から気体燃料２００あるいは水２５０を供給する気体燃料噴孔１７が設けられている。そうすると、気体燃料噴孔１７から供給された気体燃料２００あるいは水２５０の噴流は空気孔１６の壁面に沿って流れ、燃焼用空気３００に随伴されて混合室１１ａへ流入する。気体燃料２００あるいは水２５０が混合した燃焼用空気３００は燃焼室で拡散燃焼バーナの燃焼熱から着火エネルギーを得て燃焼により燃焼ガスとなる。
【００４３】
気体燃料噴孔１７は、その中心軸を空気孔の出口近傍に配置するのが望ましい。具体的には空気孔１６の入口（予混合燃焼バーナ１１の外側）よりも出口（予混合燃焼バーナ１１の内側）に近い位置に配置するのがよい。特に本実施例では、空気孔１６で形成される円筒に垂直な平面を予混合燃焼バーナ１１の外側から混合室１１ａ側へ移動させたときに最初に円筒と垂直な平面が接しなくなる点Ｐのある平面上に気体燃料噴孔１７の中心を配置した。このように配置することで気体燃料噴孔１７から供給された気体燃料２００あるいは水２５０は空気孔１６の壁面に沿って流れ、一部は壁による拘束がなくなったところから混合室１１ａへ飛散する流れ５１となる。気体燃料２００あるいは水２５０といった流体の勢いを必要以上に失うことなく、流体に旋回力を与えることができるため好適である。
【００４４】
気体燃料２００の場合、空気孔１６の壁面に沿って流れることで内壁に膜状に広がる。そうすると、気体燃料２００が燃焼用空気３００に分散して混合するため、燃料濃度が高いことに起因した局所的な高温燃焼領域の発生を防止でき、ＮＯｘ排出量の低減が可能になる。
【００４５】
次に、上記のような構成のガスタービン燃焼器において、液体燃料を燃料としたときに気体燃料噴孔１７から水２５０を供給する効果について以下に説明する。
【００４６】
気体燃料噴孔１７から水２５０を供給した場合、空気孔１６の壁面で水２５０が液膜状に広がるため、空気孔１６の壁面との接触面積が増加し、熱伝導率が高い壁面から熱を受けやすくなり蒸発が促進される。これにより、水２５０の添加による燃焼用空気３００の温度低下および燃焼速度の低下により局所の燃焼温度上昇が抑制され、ＮＯｘ排出量の低減が可能となる。なお、気体燃料噴孔１７から供給された水２５０の全量が、予混合燃焼バーナ１１で形成された予混合気に混合しており、水２５０の全量がＮＯｘ排出量の低減に寄与するため、水２５０の供給量が少量でもＮＯｘ排出量の低減に有効である。
【００４７】
ここで、空気孔１６から混合室１１ａへ燃焼用空気３００が流入する構造では空気孔１６の出口に後流５０が生じる。液体燃料ノズルから噴射された液体燃料の液滴の一部が後流５０に巻き込まれ未燃分カーボンが壁面に堆積しやすくなる。これに対し本実施例の予混合燃焼バーナ１１の構造では、水２５０が空気孔１６の壁面を流れることにより空気孔１６の壁面温度を低下させて混合室１１ａの壁面温度も低下させることや、後流５０によって流れ５１が壁面に押しつけられ混合室１１ａの壁面に近づき混合室１１ａの壁面を冷却させることで、液体燃料の熱分解反応速度を低下させられる。これにより、高沸点成分が混合室１１ａの壁面に付着しても燃焼用空気３００によって液体のまま混合室１１ａの下流側の燃焼室へ搬送されやすくなり、熱分解による未燃分カーボンの生成を抑制できる。また、水２５０の一部が空気孔１６から混合室１１ａへ飛散する流れ５１により混合室１１ａの壁面への液体燃料の付着が遮られ、水２５０あるいは水蒸気と一緒に燃焼室に流出するため未燃分カーボンの生成を抑制できる。
【００４８】
さらに本実施例のガスタービンでは、気体燃料噴孔１７へ供給する水２５０を加熱する加熱手段である熱交換器２７０，２７５を有している。そのため、水２５０が予混合燃焼バーナ１１へ供給される前に加熱され、気体燃料噴孔１７から噴出した直後から蒸発が開始され、燃焼用空気３００との混合度を高められ、局所的な火炎温度の上昇の防止によりＮＯｘ排出量を低減できる。また、水２５０が熱交換器２７０で加熱されるため空気孔１６近傍で蒸発しやすく、気化熱で構造物の温度を低下させるため、空気孔近傍での熱分解反応速度が低下して混合室１１ａの壁面での未燃分カーボンの生成および堆積を抑制できる。
【００４９】
また、燃焼用空気３００で予混合燃焼バーナ１１が加熱されるため、加熱された水２５０を供給することで常温の水を供給する場合にくらべて急激な温度変化に伴う溶接部などにかかる熱応力を小さくでき、構造物の割れを防止できる。
【００５０】
このように構成したガスタービン燃焼器およびガスタービンシステムにおいては、油専焼運転時に気体燃料噴孔から水を噴射することで、予混合燃焼バーナの空気孔近傍を冷却でき、予混合燃焼バーナの壁面に液体燃料が付着することで生成する未燃分カーボンの堆積を抑制できる。これにより、混合室への空気流量低下や個々の空気孔から混合室へ流入する空気の流量偏差の増大による液体燃料ノズルから噴射される液体燃料の微粒化特性の変化を抑制でき、燃料濃度偏差による火炎の高温領域の発生が抑制され、ＮＯｘ排出量の増大を防止できる。また、燃焼用空気と水の混合度を高められるため火炎の温度上昇を抑制でき、ＮＯｘ排出量を低減できるガスタービン燃焼器を提供可能となる。
【符号の説明】
【００５１】
１ 圧縮機
２ タービン
３ ガスタービン燃焼器
４ 発電機
５ 外筒
６ 燃焼室
７ 内筒
８ トランジションピース
９ 閉止板
１０ 拡散燃焼バーナ
１０ａ，１１ａ 混合室
１０ｂ 円錐プレート
１１ 予混合燃焼バーナ
１２，１３ 液体燃料ノズル
１４ 気体燃料ノズル
１５，１６ 空気孔
１７ 気体燃料噴孔
１８ 燃料ヘッダ
５０ 後流
５１ 流れ
１００ 液体燃料
１０１，２５１ 加圧ポンプ
１０２，２５２ 圧力調節弁
１０３，１０５，２０２，２０４，２５３ 流量制御弁
１０４，１０６，２０３，２０５，２５４ 遮断弁
１１０ 液体燃料タンク
１２０，１２１ 液体燃料供給系統
２００ 気体燃料
２２０，２２１，２２１ 気体燃料供給系統
２０６，２５６ 逆止弁
２１０ 燃料タンク
２２３ 水供給系統
２５０ 水
２６０ 水タンク
２７０ 熱交換器
２７１ 調節器
２７２ 圧力計
２７３ 温度計
３００ 燃焼用空気
４００ 燃焼ガス
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気と燃料とを混合する混合室と、
該混合室に液体燃料を噴出する液体燃料ノズルと、
該液体燃料ノズルの外周側に配置され、空気を噴出する筒状の空気孔とを有し、
該空気孔の壁面に、該空気孔内へ気体燃料を供給する気体燃料噴孔とを備えたガスタービン燃焼器であって、
該気体燃料噴孔へ水を供給する系統を有することを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項２】
請求項１に記載のガスタービン燃焼器であって、
該気体燃料供給孔は、該気体燃料供給孔から供給された流体が該空気孔の壁面に沿って流れるように設けられてい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１または２に記載のガスタービン燃焼器であって、
該空気孔は円筒状であり、
該円筒状の空気孔の断面円に対して接線方向から流体が供給されるよう該気体燃料噴孔が設けられてい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１から３の何れかに記載のガスタービン燃焼器であって、該気体燃料噴孔へ供給する水を加熱する加熱手段を有する
ことを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項５】
請求項１から４の何れかに記載のガスタービン燃焼器であって、
該空気孔の入口よりも出口に近い位置に該気体燃料噴孔を配置する構造を持つことを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項６】
空気と燃料とを混合する混合室と、
該混合室に液体燃料を噴出する液体燃料ノズルと、
該液体燃料ノズルの外周側に配置され、空気を噴出する筒状の空気孔とを有し、
該空気孔の壁面に、該空気孔内へ気体燃料を供給する気体燃料噴孔とを備えたガスタービン燃焼器の運転方法であって、
該液体燃料ノズルから液体燃料を供給する際に、
該気体燃料噴孔へ水を供給することを特徴とするガスタービン燃焼器の運転方法。
【請求項７】
請求項６に記載のガスタービン燃焼器の運転方法であって、
燃焼用空気の圧力を元に該気体燃料噴孔から供給する水の温度を決定する
ことを特徴とするガスタービン燃焼器の運転方法。
【請求項１】
空気と燃料とを混合する混合室と、
該混合室に液体燃料を噴出する液体燃料ノズルと、
該液体燃料ノズルの外周側に配置され、空気を噴出する筒状の空気孔とを有し、
該空気孔の壁面に、該空気孔内へ気体燃料を供給する気体燃料噴孔とを備えたガスタービン燃焼器であって、
該気体燃料噴孔へ水を供給する系統を有することを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項２】
請求項１に記載のガスタービン燃焼器であって、
該気体燃料供給孔は、該気体燃料供給孔から供給された流体が該空気孔の壁面に沿って流れるように設けられてい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１または２に記載のガスタービン燃焼器であって、
該空気孔は円筒状であり、
該円筒状の空気孔の断面円に対して接線方向から流体が供給されるよう該気体燃料噴孔が設けられてい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１から３の何れかに記載のガスタービン燃焼器であって、該気体燃料噴孔へ供給する水を加熱する加熱手段を有する
ことを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項５】
請求項１から４の何れかに記載のガスタービン燃焼器であって、
該空気孔の入口よりも出口に近い位置に該気体燃料噴孔を配置する構造を持つことを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項６】
空気と燃料とを混合する混合室と、
該混合室に液体燃料を噴出する液体燃料ノズルと、
該液体燃料ノズルの外周側に配置され、空気を噴出する筒状の空気孔とを有し、
該空気孔の壁面に、該空気孔内へ気体燃料を供給する気体燃料噴孔とを備えたガスタービン燃焼器の運転方法であって、
該液体燃料ノズルから液体燃料を供給する際に、
該気体燃料噴孔へ水を供給することを特徴とするガスタービン燃焼器の運転方法。
【請求項７】
請求項６に記載のガスタービン燃焼器の運転方法であって、
燃焼用空気の圧力を元に該気体燃料噴孔から供給する水の温度を決定する
ことを特徴とするガスタービン燃焼器の運転方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−２４４３８（Ｐ２０１３−２４４３８Ａ）
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５７３９６（Ｐ２０１１−１５７３９６）
【出願日】平成２３年７月１９日（２０１１．７．１９）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月１９日（２０１１．７．１９）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
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