【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、予め空気を加えて液体燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する際、燃焼ガスの安定燃焼化と、より一層の低ＮＯｘ濃度化とを図る燃焼装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃焼装置には、起動運転から定格運転または停止運転に至るまでの広い負荷範囲に亘って運転の安定化と長寿命化とが求められている。
【０００３】
また、プラントの高熱効率の指向や、環境保護の観点から、燃焼ガス温度のより一層の高温化、ＮＯｘのより一層の低濃度化および燃料の多様化が求められている。
【０００４】
このようなシーズ、ニーズに対し、最近の燃焼装置、例えば火力発電プラントのガスタービンプラントに適用するガスタービン燃焼器では、ＮＯｘの低濃度化に対し、予混合燃焼方式や蒸気・水噴射方式の開発が進められており、また、燃料の多様化、特に種類の異なる液体燃料の多様化の開発が進められている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
最近のガスタービン燃焼器では、ＮＯｘの低濃度化に対し、予混合燃焼方式や蒸気・水噴射方式を開発し、法律規制値の濃度よりも大幅に低い値にまで維持できるようになっている。もっとも、この場合の燃料は、液化天然ガス（ＬＮＧ）であり、液体燃料、例えば灯油、軽油等ではＮＯｘの低濃度化に試行錯誤を繰り返している段階である。
【０００６】
また、燃料の多様化、特に種類の異なる液体燃料に対し、ガスタービン燃焼器では、液体天然ガス（ＬＮＧ）並の低ＮＯｘ濃度を維持するために、液体燃料の微粒化、液体燃料と空気との均一混合化および液体燃料の自己着火等を含む逆火防止等多くの難問が含まれている。このような多くの難問を解決するため、ガスタービン燃焼器は、試行錯誤を繰り返す研究開発を進めているものの、未だ模索中である。
【０００７】
本発明は、このような背景技術に照らしてなされたもので、液体燃料を用いて燃焼ガスを生成する際、燃焼ガスの安定燃焼化と、ＮＯｘの低濃度化とを満たして信頼性の高い運転ができる燃焼装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃焼装置は、上述の目的を達成するために、請求項１記載に記載したように、燃焼室にノズル部を備え、ノズル部から噴射する燃料に燃焼用空気を加えて燃焼させ、燃焼ガスを生成する燃焼装置において、前記ノズル部に液体燃料供給系統からの液体燃料と、水供給系統からの水とのそれぞれを加熱し、ガス化して供給する熱交換器を備えたものである。
【０００９】
また、本発明に係る燃焼装置は、上述の目的を達成するために、請求項２に記載したように、燃焼室にノズル部を備え、ノズル部から噴射する燃料に燃焼用空気を加えて燃焼させ、燃焼ガスを生成する燃焼装置において、前記ノズル部に液体燃料を直接供給する第１液体燃料供給管および水を直接供給する第１水供給配管のそれぞれを備えるとともに、前記ノズル部に第２液体燃料供給配管からの液体燃料および第２水供給配管からの水のそれぞれを加熱し、ガス化して供給する熱交換器を備えたものである。
【００１０】
また、本発明に係る燃焼装置は、上述の目的を達成するために、請求項３に記載したように、ノズル部は、熱交換器でガス化した液体燃料および水を混合させる混合器を備えたものである。
【００１１】
また、本発明に係る燃焼装置は、上述の目的を達成するために、請求項４に記載したように、燃焼室にノズル部を備え、ノズル部から噴射する燃料に燃焼用空気を加えて燃焼させ、燃焼ガスを生成する燃焼装置において、前記ノズル部に液体燃料を直接供給する第１液体燃料供給管および水を直接供給する第１水供給配管のそれぞれを備えるとともに、前記ノズル部に第２液体燃料供給配管からの液体燃料および第２水供給配管からの水のそれぞれを加熱し、ガス化して供給する熱交換器を備える一方、この熱交換器の入口側の前記第２液体燃料供給配管および前記第２水供給配管のそれぞれに介装させた燃料弁および水供給弁と、前記第１液体燃料供給配管および前記第１水供給配管のそれぞれに介装させた燃料弁および水供給弁とのそれぞれに運転状態に応じて弁開閉制御信号を与える演算制御部を備えたものである。
【００１２】
また、本発明に係る燃焼装置は、上述の目的を達成するために、請求項５に記載したように、燃焼室にノズル部を備え、ノズル部から噴射する燃料に燃焼用空気を加えて燃焼させ、燃焼ガスを生成する燃焼装置において、前記ノズル部に液体燃料を直接供給する第１液体燃料供給管および水を直接供給する第１水供給配管のそれぞれを備えるとともに、前記ノズル部に第２液体燃料供給配管からの液体燃料および第２水供給配管からの水のそれぞれを加熱し、ガス化して供給する熱交換器を備える一方、この熱交換器の入口側の前記第２液体燃料供給配管および前記第２水供給配管のそれぞれに介装させた燃料弁および水供給弁と、前記第１液体燃料供給配管および前記水供給配管のそれぞれに介装させた燃料弁および水供給弁と、前記熱交換器の出口側の前記第２水供給管から分岐し、熱利用手段に接続する蒸気配管とを備えたものである。
【００１３】
また、本発明に係る燃焼装置は、上述の目的を達成するために、請求項６に記載したように、蒸気配管は、蒸気弁を備えるとともに、この蒸気弁に開閉制御信号を備える演算制御部を備えたものである。
【００１４】
また、本発明に係る燃焼装置は、上述の目的を達成するために、請求項７に記載したように、燃焼室にノズル部を備え、ノズル部から噴射する燃料に燃焼用空気を加えて燃焼させ、燃焼ガスを生成する燃焼装置において、前記ノズル部に液体燃料供給系統からの液体燃料を加熱し、ガス化して供給する熱交換器を備えたものである。
【００１５】
また、本発明に係る燃焼装置は、上述の目的を達成するために、請求項８に記載したように、液体燃料供給系統は、液体燃料を、直接、燃焼室のノズル部に供給する第１液体燃料供給配管と、液体燃料を熱交換器で加熱し、ガス化して前記燃焼室のノズル部に供給する第２液体燃料供給配管とを備えたものである。
【００１６】
また、本発明に係る燃焼装置は、上述の目的を達成するために、請求項９に記載したように、熱交換器は、加熱源としてガスタービンの排熱を利用するものである。
【００１７】
また、本発明に係る燃焼装置は、上述の目的を達成するために、請求項１０に記載したように、熱交換器は、加熱源として電気ヒータを利用するものである。
【００１８】
また、本発明に係る燃焼装置は、上述の目的を達成するために、請求項１１に記載したように、熱交換器は、加熱源としてガスタービンの排熱と電気ヒータとを併用するものである。
【００１９】
また、本発明に係る燃焼装置は、上述の目的を達成するために、請求項１２に記載したように、燃焼室にノズル部を備え、ノズル部から噴射する燃料に燃焼用空気を加えて燃焼させ、燃焼ガスを生成する燃焼装置において、前記ノズル部に液体燃料を直接供給する第１液体燃料供給管および液体燃料を熱交換器で加熱し、ガス化して供給する第２液体燃料供給配管とを備えるとともに、前記熱交換器の出口側の前記第２液体燃料供給配管から分岐し、前記ガス化した液体燃料を液体燃料供給源に戻す戻し配管を備えたものである。
【００２０】
また、本発明に係る燃焼装置は、上述の目的を達成するために、請求項１３に記載したように、第２液体燃料供給配管は、熱交換器の出口側と戻し配管との間にガス化した液体燃料を減圧する減圧器を備えたものである。
【００２１】
また、本発明に係る燃焼装置は、上述の目的を達成するために、請求項１４に記載したように、第２液体燃料供給配管は、熱交換器の出口側と戻し配管との間にガス化した液体燃料を減圧する減圧器を備えるとともに、前記熱交換器の入口側に設けた燃料弁と前記戻し配管の下流側に設けた流量制御弁とに弁開閉制御信号を与える演算制御部とを備えたものである。
【００２２】
また、本発明に係る燃焼装置は、上述の目的を達成するために、請求項１５に記載したように、戻し配管は、凝縮器を備えたものである。
【００２３】
また、本発明に係る燃焼装置は、上述の目的を達成するために、請求項１６に記載したように、演算制御部は、燃焼室で生成された燃焼ガスの状態量信号と駆動機からの負荷信号とに基づいて弁開閉制御信号を演算するものである。
【００２４】
また、本発明に係る燃焼装置は、上述の目的を達成するために、請求項１７に記載したように、ノズル部に備えた第１液体燃料供給配管および第１水供給配管のそれぞれは、起動運転時に使用するものである。
【００２５】
また、本発明に係る燃焼装置は、上述の目的を達成するために、請求項１８に記載したように、ノズル部に備えた第２液体燃料供給配管および第２水供給配管のそれぞれは、予め定められた負荷以上でかつ熱交換器の加熱源利用可能状態になった時に使用するものである。
【００２６】
また、本発明に係る燃焼装置は、上述の目的を達成するために、請求項１９に記載したように、ノズル部に備えた第１液体燃料供給配管は、起動運転時に使用するものである。
【００２７】
また、本発明に係る燃焼装置は、上述の目的を達成するために、請求項２０に記載したように、ノズル部に備えた第２液体燃料供給配管は、予め定められた負荷以上で、かつ熱交換器の加熱源利用可能になった時に使用するものである。
【００２８】
また、本発明に係る燃焼装置は、上述の目的を達成するために、請求項２１に記載したように、ノズル部は、中央部に液体燃料供給通路を備えるとともに、その液体燃料供給通路の外側に向って同心状に形成する水供給通路、水蒸気供給通路、液体燃料ガス供給通路のうち、少なくとも一つ以上を備えるとともに、最も外側にスワラを備えたものである。
【００２９】
また、本発明に係る燃焼装置は、上述の目的を達成するために、請求項２２に記載したように、水蒸気供給通路、液体燃料ガス供給通路のうち、少なくとも一つ以上は、各通路に対して横断方向に向う噴流孔を備えたものである。
【００３０】
また、本発明に係る燃焼装置は、上述の目的を達成するために、請求項２３に記載したように、液体燃料ガス供給通路の噴流孔は、水蒸気供給通路の噴流孔の位置よりも上流側に設けたものである。
【００３１】
また、本発明に係る燃焼装置は、上述の目的を達成するために、請求項２４に記載したように、ノズル部は、頭部を平坦状に形成する燃焼室に複数設置したものである。
【００３２】
また、本発明に係る燃焼装置は、上述の目的を達成するために、請求項２５に記載したように、ノズル部は、頭部を台形状に形成する燃焼室斜面に沿って複数設置したものである。
【００３３】
また、本発明に係る燃焼装置は、上述の目的を達成するために、請求項２６に記載したように、ノズル部は、頭部を階段状に形成する燃焼室の各階に設置したものである。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る燃焼装置の実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。
【００３５】
図１は、本発明に係る燃焼装置を、例えばガスタービンプラントのガスタービン燃焼器として適用する第１実施形態を示す概略系統図である。
【００３６】
ガスタービンプラントは、吸い込んだ空気（大気）を圧縮して高圧空気にする空気圧縮機１と、ガスタービン燃焼器２で生成する燃焼ガスに膨張仕事をさせて駆動機、例えば発電機３を回転駆動させるガスタービン４を備える構成になっている。
【００３７】
また、ガスタービン燃焼器２には、液体燃料供給系統５と水供給系統６とが設けられている。
【００３８】
この液体燃料供給系統５および水供給系統６のそれぞれは、ガスタービン燃焼器２のノズル部７に液体燃料および水のそれぞれを直接供給する第１液体燃料供給配管８および第１水供給管９と、液体燃料および水のそれぞれを加熱し、ガス化してガスタービン燃焼器２に供給する第２液体燃料供給配管１０と第２水供給管１１とをそれぞれ備えている。
【００３９】
また、第１液体燃料供給配管８および第１水供給配管９のそれぞれは、液体燃料タンク１２から供給される液体燃料の流量を制御する燃料弁１３ａと、水タンク１４から供給される水の流量を制御する水供給弁１５ａとをそれぞれ備えている。
【００４０】
また、第２液体燃料供給配管１０および第２水供給配管１１のそれぞれは、上述と同様に、液体燃料タンク１２から供給される液体燃料の流量を制御する燃料弁１３と、水タンク１４から供給される水の流量を制御する水供給弁１５とをそれぞれ備えている。
【００４１】
さらに、第２液体供給配管１０および第２水供給配管１１のそれぞれは、ガスタービン４からの排熱（排ガス）ＷＧＳを加熱源として液体燃料タンク１２および水タンク１４のそれぞれから供給される液体燃料および水のそれぞれを加熱し、ガス化する熱交換器１６と、ガス化した液体燃料および水を混合させてガスタービン燃焼器２のノズル部７に供給する混合器１７とを備えている。
【００４２】
なお、本実施形態は、ガスタービン燃焼器２でガス化した液体燃料ガスとガス化（蒸気化）した水蒸気とを混合器１７で混合し、そのガス化した混合ガスをガスタービン燃焼器２のノズル部７に供給しているが、この例に限らず、ガスタービン燃焼器２でガス化した液体燃料ガスとガス化（蒸気化）した水蒸気を直接、ガスタービン燃焼器２のノズル部７に供給してもよい。これは、燃料または燃焼特性上、水蒸気との混合を必要としないときに用いられる。
【００４３】
また、第２水供給配管１１には、混合器１７の入口側から分岐し、途中に蒸気弁１８を介装させて熱利用手段、例えば貯湯部１９に温水等を供給する蒸気配管２０が設けられている。
【００４４】
また、ガスタービン燃焼器２には、演算制御部２１が設けられている。
【００４５】
この演算制御部２１は、ガスタービン燃焼器２の燃焼室２２の燃焼ガス状態量、例えば燃焼ガス温度、燃焼ガス圧力、燃焼振動値等をセンサ２３で検出し、その検出信号と発電機３からの負荷信号（出力信号）とを基に演算して弁開閉信号等を作り出し、その弁開閉信号等を第１液体燃料供給配管８の燃料弁１３ａ、第２液体燃料供給配管１０の燃料弁１３、第１水供給配管９の水供給弁１５ａ、第２水供給配管１１の水供給弁１５、蒸気配管２０の蒸気弁１８、および他の熱利用手段、例えば、貯湯部１９のそれぞれに与えて燃焼室２２の燃焼ガス状態量を調整するようになっている。
【００４６】
一方、ガスタービン燃焼器２のノズル部７は、図２に示すように、筒状の入口部２４の中央に設置され、その両側に供給される空気に旋回流を与えるスワラ２５，２５を備えている。
【００４７】
このノズル部７は、中央に液体燃料を案内する液体燃料供給通路（ヘッダ）２６、液体燃料供給通路２６の外側に向って順次同心状に配置する水供給通路（ヘッダ）２７、水蒸気供給通路２８、混合ガス供給通路２９または液体燃料ガス供給通路３０のそれぞれを備えている。なお、混合ガス供給通路２９または液体燃料ガス供給通路３０、水蒸気供給通路２８のそれぞれは、入口部２４の空間を通る旋回空気に混合ガス、水蒸気等のそれぞれをジェット状に噴出させる噴流孔３１ａ，３１ｂを列状に配置して備えている。なお、水蒸気供給通路２８、混合ガス供給通路２９または液体燃料ガス供給通路３０には、流れの方向に対して横断方向に向って噴流孔３１ａ，３１ｂが設けられている。また、液体燃料ガス供給通路３０に設けた噴流孔３１ａは、水蒸気供給通路２８に設けた噴流孔３１ｂよりも上流側に設けられている。
【００４８】
このような構成を備えるノズル部７は、図３（ａ），（ｂ）に示すように、ガスタービン燃焼器２における燃焼室２２の頭部側の平坦部に複数にして配置されている。なお、ノズル部７は、図３（ａ），（ｂ）に示す配置に限らず、例えば、図３（ｃ）に示すように、燃焼室２２の頭部側を階段状に形成する複数の斜面部３２ａ，３２ｂに設置してもよく、また、図３（ｄ）に示すように、頭部を台形状に形成する燃焼室２２の斜面３３に複数配置してもよい。
【００４９】
次に、本実施形態に係る燃焼装置の作用を説明する。
【００５０】
起動時または低負荷時、空気圧縮機１からの高圧空気は、熱交換器１６の器内を加温してガスタービン燃焼器２に供給される。
【００５１】
このとき、液体燃料タンク１２および水タンク１４のそれぞれは、液体燃料を第１液体燃料供給配管８を介してガスタービン燃焼器２のノズル部７に、また水を第１水供給配管９を介してガスタービン燃焼器２のノズル部７にそれぞれ直接供給する。
【００５２】
その際、第１液体燃料配管８の燃料弁１３ａおよび第１水供給配管９の水供給弁１５ａのそれぞれは、演算制御部２１からの制御信号により開閉制御される。
【００５３】
ガスタービン燃焼器２のノズル部７に供給された液体燃料は、図２に示すように、液体燃料供給通路２６に案内され、ここから出口を介して燃焼室２２に噴霧され、点火器（図示せず）により着火され、火炎３４を生成する。
【００５４】
また、ガスタービン燃焼器２のノズル部７に供給された水は、火炎３４の生成後、必要に応じて図２に示すように、水供給通路２７に案内され、ここから出口を介して火炎３４に噴霧され、火炎３４から発生する熱を吸収し、燃焼ガス温度を低下させ、ＮＯｘの濃度を低く抑える。
【００５５】
ガスタービン燃焼器２は、図１に示すように、ガスタービン４の負荷（出力）が上昇し、予め定められた負荷になると、第１液体燃料供給配管８および第１水供給配管９から第２液体燃料供給配管１０および第２水供給配管１１に切り替える。
【００５６】
切り替えられた第２液体燃料供給配管１０は、燃料弁１３を開閉制御させ、液体燃料タンク１２からの液体燃料を熱交換器１６に供給し、ここでガスタービン４からの排熱（排ガス）ＷＧＳを熱源として蒸発させてガス化する。
【００５７】
また、切り替えられた第２水供給配管１１は、水供給弁１５を開口させ、水タンク１４からの水を熱交換器１６に供給し、ここで水を蒸発させて水蒸気化する。
【００５８】
熱交換器１６でガス化し、水蒸気化する液体燃料ガスおよび水蒸気は、混合器１７で混合される。なお、熱交換器１６から混合器１７に供給される水蒸気の一部は、蒸気弁１８を備える蒸気配管２０を介して、熱利用手段、例えば貯湯部１９に供給される。
【００５９】
熱交換器１６からの液体燃料ガスと水蒸気とを混合させた混合器１７は、混合ガスとしてガスタービン燃焼器２のノズル部７に供給し、ここから図２に示すように、混合ガス供給通路２９に案内し、噴流孔３１ａから旋回空気に合流させた後、燃焼室２２の火炎２４に供給する。
【００６０】
このように、本実施形態は、燃焼室２２の火炎２４に供給して燃焼ガスを生成する際、混合器１７で液体燃料ガスに水蒸気を混合させ、燃焼ガス温度を高くさせないようにしているので、燃焼ガスのＮＯｘ濃度を低く抑えることができる。
【００６１】
なお、本実施形態は、混合器１７を設けた場合に対して説明しているが、混合器１７を設けていない場合、熱交換器１６からの液体燃料ガスおよび水蒸気のそれぞれを、図２に示すように、液体燃料ガス供給通路３０、水蒸気供給通路２８のそれぞれに供給する。
【００６２】
液体燃料ガス供給通路３０は、液体燃料ガスを下流側の火炎３４に供給し、燃焼ガスを生成する。
【００６３】
また、水蒸気供給通路２８は、水蒸気を噴流孔３１ｂから旋回空気に噴流して合流させ、合流後、下流側の火炎３４に供給して燃焼ガスの温度を低く抑える。
【００６４】
このように、本実施形態は、混合器１７を設置していなくとも、水蒸気供給通路２８からの水蒸気を旋回空気に合流させて燃焼ガスの温度を低く抑えているので、燃焼ガスから発生するＮＯｘの濃度を低く抑えることができる。
【００６５】
ところで、ＮＯｘ濃度を低く抑えすぎるあまり、燃焼ガスの火炎温度を低く抑えすぎると、火炎３４は不安定になり、燃焼振動を発生させる場合がある。燃焼振動が発生すると、火炎３４は、燃焼室２２の入口部２４に向って進退移動し、いわゆる逆火現象が誘起する。
【００６６】
本実施形態は、このような点を考慮して混合ガス供給通路２９または液体燃料ガス供給通路３０の噴流孔３１ａの下流側の水蒸気供給通路２８に噴流孔３１ｂを形成し、ここから水蒸気を噴出させ、火炎３４の不安定移動に伴う逆火を防止している。
【００６７】
また、液体燃料と水との比率または液体燃料ガスと水蒸気との比率は、火炎３４の安定燃焼に著しく影響を与える。
【００６８】
本実施形態は、このような事象を防止するもので、演算制御部２１を備え、センサ２３で検出する燃焼室２２の燃焼ガスの、例えば燃焼ガス温度または燃焼振動値等の信号と、発電機３からの負荷（出力）信号とに基づいて弁開閉信号弁を演算制御部２１で演算し、その演算信号を第１液体燃料供給配管８の燃料弁１３ａ、第２液体燃料供給配管１０の燃料弁１３、第１水供給配管９の水供給弁１５ａ、第２水供給配管１１の水供給弁１５、蒸気配管２０の蒸気弁１８、熱利用手段、例えば貯湯部１９のそれぞれに与え、液体燃料および水のそれぞれの流量を制御し、燃焼室２２の燃焼ガス状態量を調整する。
【００６９】
したがって、本実施形態では、ガスタービン燃焼器２に供給する液体燃料および水のそれぞれの流量をガスタービン負荷に応じた適正量に制御するので、燃焼室２２の火炎３４を常に安定状態に維持させることができる。
【００７０】
図４は、本発明に係る燃焼装置の第２実施形態を示す概略系統図である。なお、第１実施形態の構成要素と同一構成要素には、同一符号を付す。
【００７１】
本実施形態に係る燃焼装置は、起動運転時、起動用燃料弁３６を介装して液体燃料タンク１２からガスタービン燃焼器２のノズル部７に液体燃料を供給する第１液体燃料供給配管８と、ガスタービン４から熱交換器３５に供給される排熱（排ガス）ＷＧＳが予め定められた温度になったとき、液体燃料タンク１２からガスタービン燃焼器２０のノズル部７にガス化させた液体燃料を切り替えて供給する第２液体燃料供給配管１０とから構成される液体燃料供給系統５を備えたものである。
【００７２】
液体燃料供給系統５のうち、第１液体燃料供給配管８に設けた起動用燃料弁３６は、ガスタービン４から熱交換器３５に供給される排熱ＷＧＳの温度が低いとき、演算制御部２１からの指令により開閉制御され、液体燃料タンク１２からガスタービン燃焼器２のノズル部７に液体燃料を、直接、供給する構成になっている。
【００７３】
なお、本実施形態は、起動運転時、液体燃料タンク１２からガスタービン燃焼器２のノズル部７に液体燃料を供給しているが、この例に限らず、液体燃料に代えて別の系統から天然ガス等のガス燃料を供給してもよい。液体燃料は、ＮＯｘ濃度の発生が高くなることに基づく。
【００７４】
また、液体燃料供給系統５のうち、第２液体燃料供給管８は、燃料弁１３、熱交換器３５、減圧器３７、流量制御弁３８を備え、液体燃料タンク１２からの液体燃料を熱交換器３５でガスタービン４からの排熱ＷＧＳを熱源として蒸発させてガス化し、ガス化した液体燃料を流量制御弁３８で流量制御し、ガスタービン燃焼器２のノズル部７に供給する構成にしている。ここで、ガスタービン燃焼器２のノズル部７は、第１実施形態の構成要素と同一なので、その説明を省略する。
【００７５】
また、第２液体燃料供給管８は、減圧器３７と流量制御弁３８との間から分岐させ、途中に凝縮器３９を備えて液体燃料タンク１２に接続するガス化した液体燃料を戻す戻し配管４０を備え、熱交換器３５でガス化した液体燃料が減圧器３７でも予め定められた圧力以上になっている場合、あるいは予め定められたガス流量以上になっている場合等に凝縮器３９の水供給系統４１と熱交換させて液体燃料タンク１２に戻す構成になっている。
【００７６】
なお、熱交換器３５は、液体燃料タンク１２からの液体燃料を蒸発させてガス化するとともに、空気圧縮機１からの高圧空気を高温化させ、高温燃焼用空気としてガスタービン燃焼器２に供給している。
【００７７】
一方、ガスタービン燃焼器２には、第１実施形態と同様に、演算制御部２１が設けられている。
【００７８】
この演算制御部２１は、ガスタービン燃焼器２の燃焼室２２の燃焼ガス状態量、例えば燃焼ガス温度、燃焼振動等をセンサ２３で検出し、その検出信号と発電機３からの負荷信号とを基に演算して弁開閉信号等を作り出し、その弁開閉信号等を第１液体燃料供給配管８の起動用燃料弁３６、第２液体燃料供給配管１０の燃料弁１３、流量制御弁３８のそれぞれに与えて燃焼室２２の燃料ガス状態量を調整している。
【００７９】
このように、本実施形態は、第２液体燃料供給配管１０に液体燃料タンク１２からの液体燃料を蒸発させてガス化する熱交換器３５と、ガス化した液体燃料を減圧する減圧器３７と、ガス化した液体燃料の流量を制御する流量制御弁３８と、ガス化した液体燃料が予め定められた圧力、流量等を超えている場合、液体燃料タンク１２に戻す戻し配管４０を備えたので、適正な状態量の液体燃料をガスタービン燃焼器２に供給することができる。
【００８０】
また、本実施形態は、熱交換器３５でガスタービン４の排熱ＷＧＳを加熱源として液体燃料タンク１２からの液体燃料を蒸発させてガス化するので、従来のように、液体燃料の微粒化、空気との予混合による均一予混合等に要する時間を大幅に短くすることができ、液体燃料特有の自己着火の危険をガス化により防止することができる。
【００８１】
図５は、液体燃料を微粒化して噴霧した場合、ＬＰＧ燃料を使用する場合、本実施形態で示した液体燃料をガス化した場合の、それぞれのＮＯｘ濃度値を比較したＮＯｘ濃度値を示す線図である
この線図から、本実施形態で示した液体燃料のガス化は、ＬＰＧ燃料のＮＯｘ濃度値とほぼ同一値であり、微粒化した液体燃料のＮＯｘ濃度値に較べて大幅に低下していることが認められた。
【００８２】
図６は、本発明に係る燃焼装置の第３実施形態を示す概略系統図である。なお、第１実施形態の構成要素と同一構成要素には同一符号を付す。
【００８３】
本実施形態に係る燃焼装置は、液体燃料タンク１２からガスタービン燃焼器２２のノズル部７にガス化した液体燃料を供給する第２液体燃料供給配管１０に設けた熱交換器１６内に、例えば電気ヒータ等の熱源を持つ加熱装置４２を組み込んだものである。
【００８４】
ガスタービン燃焼器２２は、第２液体燃料供給配管１０を流れる液体燃料をガス化させるために、熱交換器１６の加熱源をガスタービン４の排熱に求めていると、ガスタービン４が予め定められた負荷にならない限り、液体燃料のガス化に必要な排熱の温度を確保することができない。
【００８５】
本実施形態は、このような点を考慮したもので、ガスタービン４の起動運転前から液体燃料をガス化させるため、熱交換器１６内に電気ヒータ等の加熱装置４２を組み込み、電気ヒータ等の加熱装置４２でガス化した液体燃料を戻し配管４０を介して液体燃料タンク１２に循環させておき、ガスタービン４の起動と同時にガス化した液体燃料をガスタービン燃焼器２のノズル部７に供給する構成にしたものである。
【００８６】
このように、本実施形態は、熱源を迅速に確保できる加熱装置４２を備え、液体燃料をより一層早くガス化できる構成にしたので、図５で示したように、ＮＯｘ濃度を液体燃料の微粒化噴霧に較べてＮＯｘ濃度をより低く抑えることができる。
【００８７】
なお、本実施形態は、液体燃料のガス化として熱交換器１６内に電気ヒータ等の加熱装置４２を組み込んだが、この例に限らず、電気ヒータ等の加熱装置４２に、ガスタービン４の排熱を加熱源として利用し、起動時、加熱装置４２を使用し、ガスタービン４の予め定められた負荷になったときガスタービンの排熱をするか、あるいは両方を併用してもよい。
【００８８】
【発明の効果】
以上の説明のとおり、本発明に係る燃焼装置は、液体燃料を加熱してガス化し、水を加熱して蒸気化し、ガス化する液体燃料ガスに蒸気化する水蒸気を加えて混合し、混合ガスを燃焼室に供給して発生する火炎の温度を低く抑えているので、ＮＯｘの濃度をより一層低く抑えることができる。
【００８９】
また、本発明に係る燃焼装置は、燃焼室に供給する液体燃料と水とのそれぞれの流量を負荷（出力）に応じて適正量に制御し、生成される燃焼ガスを安定燃焼させているので、信頼性の高い運転を行うことができる。
【００９０】
また、本発明に係る燃焼装置は、液体燃料を加熱してガス化し、ガス化した液体燃料を減圧し、減圧したガス化燃料の圧力がそれでも高いか、あるいは過流量等になっている場合、もとの供給源に戻し、適正な圧力、流量等に調整してガスタービン燃焼器のノズル部に供給するので、ＮＯｘ濃度のより一層少ない安定した燃焼ガスを生成することができる。
【００９１】
また、本発明に係る燃焼装置は、液体燃料をより早くガス化する加熱手段を備えたので、より早く液体燃料をガス化することができ、この結果、ＮＯｘ濃度をより早く低い濃度に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃焼装置を、ガスタービンプラントのガスタービン燃焼器として適用する第１実施形態を示す概略系統図。
【図２】本発明に係る燃焼装置のノズル部を示す概念図。
【図３】本発明に係る燃焼装置のノズル部の配置を示すもので、（ａ）はノズル部を燃焼室の頭部側に設置する概念図、（ｂ）は（ａ）の平面図、（ｃ）はノズル部を燃焼室に設置する第１変形例を示す概念図、（ｄ）はノズル部を燃焼室に設置する第２変形例を示す概念図。
【図４】本発明に係る燃焼装置の第２実施形態を示す概略系統図。
【図５】液体燃料を微粒化し、噴霧する場合、ＬＰＧ燃料を使用する場合、本発明のようにガス化した液体燃料を使用する場合、ＮＯｘ濃度値を比較したＮＯｘ濃度値線図。
【図６】本発明に係る燃焼装置の第３実施形態を示す概略系統図。
【符号の説明】
１ 空気圧縮機
２ ガスタービン燃焼器
３ 発電機
４ ガスタービン
５ 液体燃料供給系統
６ 水供給系統
７ ノズル部
８ 第１液体燃料供給配管
９ 第１水供給配管
１０ 第２液体燃料供給配管
１１ 第２水供給配管
１２ 液体燃料タンク
１３，１３ａ 燃料弁
１４ 水タンク
１５，１５ａ 水供給弁
１６ 熱交換器
１７ 混合器
１８ 蒸気弁
１９ 貯湯部
２０ 蒸気配管
２１ 演算制御部
２２ 燃焼室
２３ センサ
２４ 入口部
２５ スワラ
２６ 液体燃料供給通路
２７ 水供給通路
２８ 水蒸気供給通路
２９ 混合ガス供給通路
３０ 液体燃料ガス供給通路
３１ａ，３１ｂ 噴流孔
３２ａ，３２ｂ 斜面部
３３ 斜面
３４ 火炎
３５ 熱交換器
３６ 起動用燃料弁
３７ 減圧器
３８ 流量制御弁
３９ 凝縮器
４０ 戻し配管
４１ 水供給系統
４２ 加熱装置[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a combustion apparatus for stabilizing combustion gas and further reducing NOx concentration when generating combustion gas by previously burning liquid fuel by adding air.
[0002]
[Prior art]
Combustion devices are required to have stable operation and long life over a wide load range from start-up operation to rated operation or stop operation.
[0003]
Further, from the viewpoint of high thermal efficiency of the plant and environmental protection, further higher combustion gas temperature, lower NOx concentration and diversification of fuel are required.
[0004]
In response to such seeds and needs, a modern combustion device, for example, a gas turbine combustor applied to a gas turbine plant of a thermal power plant, uses a premixed combustion system or a steam / water injection system to reduce NOx concentration. Developments are underway, and diversification of fuels, especially of different types of liquid fuels, is underway.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In recent gas turbine combustors, a premixed combustion system and a steam / water injection system have been developed to reduce the concentration of NOx, so that the concentration can be maintained at a level significantly lower than the legally regulated level. . However, the fuel in this case is liquefied natural gas (LNG), and liquid fuel, for example, kerosene, light oil, etc., is in a stage where trial and error are repeated to reduce the concentration of NOx.
[0006]
In addition, for diversification of fuels, particularly for different types of liquid fuels, gas turbine combustors require atomization of liquid fuels, liquid fuel and air in order to maintain a low NOx concentration comparable to liquid natural gas (LNG). There are many challenges such as uniform mixing of liquids and prevention of flashbacks, including self-ignition of liquid fuels. In order to solve many of these difficult problems, gas turbine combustors have been conducting research and development through repeated trial and error, but are still exploring.
[0007]
The present invention has been made in view of such background art, and when producing a combustion gas using a liquid fuel, a stable combustion of the combustion gas and a reduction in the concentration of NOx are satisfied to achieve high reliability. An object of the present invention is to provide a combustion device that can be operated.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a combustion apparatus according to the present invention includes a nozzle section in a combustion chamber and adds combustion air to fuel injected from the nozzle section to burn the fuel, as described in claim 1. A combustion device that generates a combustion gas, wherein the nozzle unit includes a heat exchanger that heats and gasifies and supplies each of the liquid fuel from the liquid fuel supply system and water from the water supply system. is there.
[0009]
Further, in order to achieve the above object, the combustion apparatus according to the present invention includes a nozzle section in the combustion chamber, and adds combustion air to fuel injected from the nozzle section to perform combustion. A first liquid fuel supply pipe for directly supplying liquid fuel to the nozzle section and a first water supply pipe for directly supplying water to the combustion section, wherein the second section is provided in the nozzle section. A heat exchanger is provided for heating, gasifying and supplying the liquid fuel from the liquid fuel supply pipe and the water from the second water supply pipe.
[0010]
In addition, in order to achieve the above object, the combustion device according to the present invention includes, as described in claim 3, the nozzle unit includes a mixer that mixes liquid fuel and water gasified by the heat exchanger. It is a thing.
[0011]
Further, in order to achieve the above object, the combustion apparatus according to the present invention includes a nozzle portion in the combustion chamber, and adds combustion air to fuel injected from the nozzle portion to perform combustion. A first liquid fuel supply pipe for directly supplying liquid fuel to the nozzle section and a first water supply pipe for directly supplying water to the combustion section, wherein the second section is provided in the nozzle section. A heat exchanger for heating, gasifying and supplying the liquid fuel from the liquid fuel supply pipe and the water from the second water supply pipe, and the second liquid fuel supply pipe on the inlet side of the heat exchanger And a fuel valve and a water supply valve interposed in each of the second water supply pipe, and a fuel valve and a water supply valve interposed in each of the first liquid fuel supply pipe and the first water supply pipe. That of Depending on the operating conditions in Les those having an arithmetic control unit for providing a valve control signal.
[0012]
Further, in order to achieve the above object, the combustion apparatus according to the present invention includes a combustion chamber provided with a nozzle portion, and adds combustion air to fuel injected from the nozzle portion to perform combustion. A first liquid fuel supply pipe for directly supplying liquid fuel to the nozzle section and a first water supply pipe for directly supplying water to the combustion section, wherein the second section is provided in the nozzle section. A heat exchanger for heating, gasifying and supplying the liquid fuel from the liquid fuel supply pipe and the water from the second water supply pipe, and the second liquid fuel supply pipe on the inlet side of the heat exchanger A fuel valve and a water supply valve interposed in each of the second water supply pipe, a fuel valve and a water supply valve interposed in each of the first liquid fuel supply pipe and the water supply pipe, Heat exchange Branched from the second water supply pipe on the outlet side of the vessel, in which a steam pipe connected to the heat utilization means.
[0013]
Further, in order to achieve the above object, the combustion apparatus according to the present invention, as described in claim 6, has a steam pipe provided with a steam valve and an arithmetic and control unit having the steam valve provided with an opening / closing control signal. It is provided with.
[0014]
Further, in order to achieve the above object, the combustion apparatus according to the present invention includes a nozzle section in the combustion chamber, and adds combustion air to fuel injected from the nozzle section to perform combustion. In the combustion apparatus for generating a combustion gas, a heat exchanger for heating, gasifying and supplying the liquid fuel from the liquid fuel supply system to the nozzle portion is provided.
[0015]
Further, in order to achieve the above object, in the combustion device according to the present invention, as described in claim 8, the liquid fuel supply system supplies the liquid fuel directly to the first nozzle portion of the combustion chamber. A liquid fuel supply pipe; and a second liquid fuel supply pipe which heats the liquid fuel with a heat exchanger, gasifies the gas, and supplies the gasified fuel to a nozzle of the combustion chamber.
[0016]
Further, in the combustion apparatus according to the present invention, in order to achieve the above object, the heat exchanger utilizes exhaust heat of a gas turbine as a heating source.
[0017]
Further, in the combustion apparatus according to the present invention, in order to achieve the above object, the heat exchanger utilizes an electric heater as a heating source, as described in claim 10.
[0018]
Further, in order to achieve the above object, the combustion apparatus according to the present invention is configured such that the heat exchanger uses exhaust heat of a gas turbine and an electric heater as a heat source in combination. is there.
[0019]
Further, in order to achieve the above object, the combustion apparatus according to the present invention includes a nozzle section in the combustion chamber, and adds combustion air to fuel injected from the nozzle section to perform combustion. A first liquid fuel supply pipe for directly supplying the liquid fuel to the nozzle portion, and a second liquid fuel supply pipe for heating and gasifying the liquid fuel to supply the liquid fuel to the nozzle portion. And a return pipe branched from the second liquid fuel supply pipe on the outlet side of the heat exchanger and returning the gasified liquid fuel to a liquid fuel supply source.
[0020]
Further, in order to achieve the above object, the combustion device according to the present invention is configured such that the second liquid fuel supply pipe is provided with a gas between the outlet side of the heat exchanger and the return pipe. And a pressure reducer for reducing the pressure of the converted liquid fuel.
[0021]
Further, in order to achieve the above object, the combustion device according to the present invention is configured such that the second liquid fuel supply pipe is provided with a gas between the outlet side of the heat exchanger and the return pipe. An operation control unit for providing a valve opening / closing control signal to a fuel valve provided on the inlet side of the heat exchanger and a flow control valve provided on the downstream side of the return pipe, together with a decompressor for decompressing the converted liquid fuel. It is provided with.
[0022]
Further, in the combustion device according to the present invention, in order to achieve the above object, as described in claim 15, the return pipe includes a condenser.
[0023]
In the combustion device according to the present invention, in order to achieve the above-described object, as described in claim 16, the arithmetic and control unit is configured to control the state quantity signal of the combustion gas generated in the combustion chamber and the signal from the driving machine. A valve opening / closing control signal is calculated based on the load signal.
[0024]
In the combustion apparatus according to the present invention, in order to achieve the above object, as described in claim 17, each of the first liquid fuel supply pipe and the first water supply pipe provided in the nozzle portion is activated. Used during operation.
[0025]
Further, in order to achieve the above object, the combustion device according to the present invention, as described in claim 18, wherein each of the second liquid fuel supply pipe and the second water supply pipe provided in the nozzle portion is provided in advance. It is used when the load exceeds the specified load and the heat source of the heat exchanger becomes available.
[0026]
Further, in the combustion apparatus according to the present invention, in order to achieve the above object, as described in claim 19, the first liquid fuel supply pipe provided in the nozzle portion is used at the time of start-up operation.
[0027]
Further, in the combustion device according to the present invention, in order to achieve the above-described object, as described in claim 20, the second liquid fuel supply pipe provided in the nozzle portion has a predetermined load or more, and It is used when the heat source of the heat exchanger becomes available.
[0028]
Further, in order to achieve the above object, in the combustion device according to the present invention, the nozzle portion includes a liquid fuel supply passage in a central portion and an outside of the liquid fuel supply passage. And at least one of a water supply passage, a water vapor supply passage, and a liquid fuel gas supply passage which are formed concentrically toward the front end and a swirler on the outermost side.
[0029]
Further, in order to achieve the above object, the combustion device according to the present invention is configured such that at least one of the steam supply passage and the liquid fuel gas supply passage is provided for each passage. It is provided with a jet hole directed in the transverse direction.
[0030]
In the combustion apparatus according to the present invention, in order to achieve the above object, as described in claim 23, the jet hole of the liquid fuel gas supply passage is located upstream of the position of the jet hole of the steam supply passage. It is provided in.
[0031]
Further, in order to achieve the above object, in the combustion device according to the present invention, as described in claim 24, a plurality of nozzle units are provided in a combustion chamber having a flat head.
[0032]
Further, in order to achieve the above object, in the combustion device according to the present invention, as described in claim 25, a plurality of nozzles are installed along a combustion chamber slope having a trapezoidal head. It is.
[0033]
In order to achieve the above object, in the combustion device according to the present invention, as described in claim 26, the nozzle portion is installed on each floor of a combustion chamber having a stepped head. .
[0034]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of a combustion device according to the present invention will be described with reference to the drawings and reference numerals attached to the drawings.
[0035]
FIG. 1 is a schematic system diagram showing a first embodiment in which a combustion device according to the present invention is applied, for example, as a gas turbine combustor of a gas turbine plant.
[0036]
The gas turbine plant rotates an air compressor 1 that compresses the sucked air (atmosphere) into high-pressure air, and a driving device, for example, a generator 3, by performing expansion work on combustion gas generated by a gas turbine combustor 2. The gas turbine 4 to be driven is provided.
[0037]
Further, the gas turbine combustor 2 is provided with a liquid fuel supply system 5 and a water supply system 6.
[0038]
Each of the liquid fuel supply system 5 and the water supply system 6 includes a first liquid fuel supply pipe 8 and a first water supply pipe 9 for directly supplying liquid fuel and water to the nozzle portion 7 of the gas turbine combustor 2, respectively. , A second liquid fuel supply pipe 10 and a second water supply pipe 11 for heating, gasifying and gasifying the liquid fuel and water and supplying the gaseous fuel to the gas turbine combustor 2.
[0039]
Each of the first liquid fuel supply pipe 8 and the first water supply pipe 9 has a fuel valve 13 a for controlling the flow rate of the liquid fuel supplied from the liquid fuel tank 12 and a flow rate of the water supplied from the water tank 14. And a water supply valve 15a for controlling the pressure.
[0040]
Further, each of the second liquid fuel supply pipe 10 and the second water supply pipe 11 has a fuel valve 13 for controlling the flow rate of the liquid fuel supplied from the liquid fuel tank 12 and a supply valve And a water supply valve 15 for controlling the flow rate of the water to be supplied.
[0041]
Further, each of the second liquid supply pipe 10 and the second water supply pipe 11 is provided with liquid fuel supplied from each of the liquid fuel tank 12 and the water tank 14 using the exhaust heat (exhaust gas) WGS from the gas turbine 4 as a heating source. A heat exchanger 16 for heating and gasifying each of the water and the water is provided, and a mixer 17 for mixing the gasified liquid fuel and the water and supplying the mixture to the nozzle unit 7 of the gas turbine combustor 2.
[0042]
In the present embodiment, the liquid fuel gas gasified in the gas turbine combustor 2 and the gasified (vaporized) steam are mixed in the mixer 17, and the gasified mixed gas is mixed in the gas turbine combustor 2. The gas is supplied to the nozzle portion 7, but is not limited to this example. The liquid fuel gas gasified in the gas turbine combustor 2 and the gasified (vaporized) steam are directly supplied to the nozzle portion 7 of the gas turbine combustor 2. May be supplied. This is used when fuel or combustion characteristics do not require mixing with steam.
[0043]
Further, the second water supply pipe 11 is provided with a steam pipe 20 which branches off from the inlet side of the mixer 17, and in which a steam valve 18 is interposed to supply heat utilizing means, for example, hot water to the hot water storage unit 19. Have been.
[0044]
Further, the gas turbine combustor 2 is provided with an arithmetic control unit 21.
[0045]
The arithmetic and control unit 21 detects a state quantity of the combustion gas in the combustion chamber 22 of the gas turbine combustor 2, for example, a combustion gas temperature, a combustion gas pressure, a combustion vibration value, and the like with a sensor 23. A valve opening / closing signal or the like is produced based on the load signal (output signal) of the first liquid fuel supply pipe 8 and the fuel valve 13 a of the second liquid fuel supply pipe 10. , The water supply valve 15 a of the first water supply pipe 9, the water supply valve 15 of the second water supply pipe 11, the steam valve 18 of the steam pipe 20, and other heat utilization means such as the hot water storage unit 19. The combustion gas state quantity of the combustion chamber 22 is adjusted.
[0046]
On the other hand, as shown in FIG. 2, the nozzle portion 7 of the gas turbine combustor 2 is provided at the center of a cylindrical inlet portion 24, and is provided with swirlers 25, 25 that give a swirling flow to air supplied to both sides thereof. ing.
[0047]
The nozzle portion 7 includes a liquid fuel supply passage (header) 26 for guiding the liquid fuel to the center, a water supply passage (header) 27 sequentially and concentrically arranged toward the outside of the liquid fuel supply passage 26, and a steam supply passage 28. , A mixed gas supply passage 29 or a liquid fuel gas supply passage 30. In addition, each of the mixed gas supply passage 29 or the liquid fuel gas supply passage 30 and the water vapor supply passage 28 has a jet hole 31 a for jetting each of the mixed gas, water vapor, and the like in a jet shape to the swirling air passing through the space of the inlet 24. 31b are provided in a row. Note that the steam supply passage 28, the mixed gas supply passage 29, or the liquid fuel gas supply passage 30 is provided with jet holes 31a and 31b in a direction transverse to the flow direction. The jet holes 31a provided in the liquid fuel gas supply passage 30 are provided upstream of the jet holes 31b provided in the steam supply passage 28.
[0048]
As shown in FIGS. 3A and 3B, a plurality of nozzle portions 7 having such a configuration are arranged in a flat portion on the head side of the combustion chamber 22 in the gas turbine combustor 2. In addition, the nozzle part 7 is not limited to the arrangement shown in FIGS. 3A and 3B, and for example, as shown in FIG. 3C, a plurality of steps forming the head side of the combustion chamber 22 in a step shape. It may be installed on the slope portions 32a and 32b, or as shown in FIG. 3D, a plurality of the heads may be arranged on the slope 33 of the combustion chamber 22 having a trapezoidal head.
[0049]
Next, the operation of the combustion device according to the present embodiment will be described.
[0050]
At the time of start-up or low load, the high-pressure air from the air compressor 1 heats the inside of the heat exchanger 16 and is supplied to the gas turbine combustor 2.
[0051]
At this time, each of the liquid fuel tank 12 and the water tank 14 supplies the liquid fuel to the nozzle portion 7 of the gas turbine combustor 2 via the first liquid fuel supply pipe 8 and the water via the first water supply pipe 9. To supply directly to the nozzle section 7 of the gas turbine combustor 2.
[0052]
At that time, each of the fuel valve 13 a of the first liquid fuel pipe 8 and the water supply valve 15 a of the first water supply pipe 9 is controlled to open and close by a control signal from the arithmetic and control unit 21.
[0053]
As shown in FIG. 2, the liquid fuel supplied to the nozzle portion 7 of the gas turbine combustor 2 is guided to a liquid fuel supply passage 26, from which the liquid fuel is sprayed into a combustion chamber 22 through an outlet, and is ignited (see FIG. 2). (Not shown) to generate a flame 34.
[0054]
Further, the water supplied to the nozzle portion 7 of the gas turbine combustor 2 is guided to a water supply passage 27 as shown in FIG. The fuel is sprayed to the nozzle 34 and absorbs the heat generated from the flame 34 to lower the temperature of the combustion gas and keep the NOx concentration low.
[0055]
As shown in FIG. 1, when the load (output) of the gas turbine 4 increases and reaches a predetermined load, the gas turbine combustor 2 switches from the first liquid fuel supply pipe 8 and the first water supply pipe 9 to the second liquid fuel supply pipe 9. Switch to the two liquid fuel supply pipe 10 and the second water supply pipe 11.
[0056]
The switched second liquid fuel supply pipe 10 controls the opening and closing of the fuel valve 13 to supply the liquid fuel from the liquid fuel tank 12 to the heat exchanger 16, where the exhaust heat (exhaust gas) WGS from the gas turbine 4 is supplied. Is evaporated as a heat source to gasify.
[0057]
The switched second water supply pipe 11 opens the water supply valve 15 and supplies the water from the water tank 14 to the heat exchanger 16, where the water is evaporated to steam.
[0058]
The liquid fuel gas and steam which are gasified and steamed in the heat exchanger 16 are mixed in the mixer 17. A part of the steam supplied from the heat exchanger 16 to the mixer 17 is supplied to a heat utilization unit, for example, a hot water storage unit 19 via a steam pipe 20 having a steam valve 18.
[0059]
A mixer 17 in which the liquid fuel gas and the steam from the heat exchanger 16 are mixed is supplied to the nozzle portion 7 of the gas turbine combustor 2 as a mixed gas, and as shown in FIG. After being guided to the jet 29 and joined to the swirling air from the jet hole 31 a, it is supplied to the flame 24 of the combustion chamber 22.
[0060]
As described above, in the present embodiment, when the combustion gas is supplied to the flame 24 of the combustion chamber 22 to generate the combustion gas, the vapor is mixed with the liquid fuel gas by the mixer 17 so as not to increase the combustion gas temperature. In addition, the NOx concentration of the combustion gas can be kept low.
[0061]
In this embodiment, the case where the mixer 17 is provided is described. However, when the mixer 17 is not provided, each of the liquid fuel gas and the steam from the heat exchanger 16 is shown in FIG. As shown, the liquid fuel gas is supplied to each of the liquid fuel gas supply passage 30 and the water vapor supply passage 28.
[0062]
The liquid fuel gas supply passage 30 supplies the liquid fuel gas to the flame 34 on the downstream side to generate combustion gas.
[0063]
In addition, the steam supply passage 28 jets steam into the swirling air from the jet holes 31b to join the swirling air, and after the joining, supplies the steam to the downstream flame 34 to suppress the temperature of the combustion gas.
[0064]
As described above, in the present embodiment, even if the mixer 17 is not installed, the steam from the steam supply passage 28 is combined with the swirling air to keep the temperature of the combustion gas low, so that NOx generated from the combustion gas is reduced. Concentration can be kept low.
[0065]
By the way, when the NOx concentration is too low and the flame temperature of the combustion gas is too low, the flame 34 becomes unstable and may generate combustion oscillation. When the combustion oscillation occurs, the flame 34 moves forward and backward toward the inlet 24 of the combustion chamber 22, and a so-called flashback phenomenon is induced.
[0066]
In the present embodiment, in consideration of such a point, a jet hole 31b is formed in the steam supply passage 28 downstream of the jet hole 31a of the mixed gas supply passage 29 or the liquid fuel gas supply passage 30, and steam is ejected therefrom. As a result, flashback due to unstable movement of the flame 34 is prevented.
[0067]
Further, the ratio between liquid fuel and water or the ratio between liquid fuel gas and water vapor significantly affects the stable combustion of the flame 34.
[0068]
The present embodiment prevents such a phenomenon, and includes an arithmetic and control unit 21, which detects a signal of the combustion gas in the combustion chamber 22 detected by a sensor 23, such as a combustion gas temperature or a combustion vibration value, and a generator. The computation control unit 21 computes a valve opening / closing signal valve based on the load (output) signal from the fuel cell 3 and the fuel signal 13 a of the first liquid fuel supply pipe 8 and the fuel signal of the second liquid fuel supply pipe 10. The liquid fuel is supplied to each of the valve 13, the water supply valve 15 a of the first water supply pipe 9, the water supply valve 15 of the second water supply pipe 11, the steam valve 18 of the steam pipe 20, and a heat utilization unit, for example, a hot water storage unit 19. The flow rates of water and water are controlled to adjust the amount of combustion gas in the combustion chamber 22.
[0069]
Therefore, in the present embodiment, the flow rates of the liquid fuel and water supplied to the gas turbine combustor 2 are controlled to appropriate amounts according to the gas turbine load, so that the flame 34 of the combustion chamber 22 is always maintained in a stable state. be able to.
[0070]
FIG. 4 is a schematic system diagram showing a second embodiment of the combustion device according to the present invention. The same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals.
[0071]
In the combustion apparatus according to the present embodiment, at the time of start-up operation, a first liquid fuel supply pipe 8 that supplies liquid fuel from the liquid fuel tank 12 to the nozzle portion 7 of the gas turbine combustor 2 with the start-up fuel valve 36 interposed therebetween. When the exhaust heat (exhaust gas) WGS supplied from the gas turbine 4 to the heat exchanger 35 reaches a predetermined temperature, the gas is gasified from the liquid fuel tank 12 to the nozzle portion 7 of the gas turbine combustor 20. The liquid fuel supply system 5 includes a second liquid fuel supply pipe 10 for switching and supplying liquid fuel.
[0072]
When the temperature of the exhaust heat WGS supplied from the gas turbine 4 to the heat exchanger 35 is low, the start-up fuel valve 36 provided in the first liquid fuel supply pipe 8 in the liquid fuel supply system 5 is operated by the arithmetic and control unit 21. The liquid fuel is directly supplied from the liquid fuel tank 12 to the nozzle portion 7 of the gas turbine combustor 2 by the opening / closing control according to a command from the fuel cell.
[0073]
In the present embodiment, the liquid fuel is supplied from the liquid fuel tank 12 to the nozzle portion 7 of the gas turbine combustor 2 during the start-up operation. However, the present invention is not limited to this example. Gas fuel such as natural gas may be supplied. Liquid fuels are based on high NOx concentrations.
[0074]
In the liquid fuel supply system 5, the second liquid fuel supply pipe 8 includes a fuel valve 13, a heat exchanger 35, a pressure reducer 37, and a flow control valve 38, and exchanges liquid fuel from the liquid fuel tank 12 with heat. The exhaust gas WGS from the gas turbine 4 is evaporated and gasified by using a heat source as a heat source in the heater 35, the flow rate of the gasified liquid fuel is controlled by the flow control valve 38, and the gas fuel is supplied to the nozzle portion 7 of the gas turbine combustor 2. I have. Here, the nozzle portion 7 of the gas turbine combustor 2 is the same as the component of the first embodiment, and therefore the description thereof will be omitted.
[0075]
The second liquid fuel supply pipe 8 is branched from between the decompressor 37 and the flow control valve 38, and is provided with a condenser 39 on the way, and is connected to the liquid fuel tank 12 to return gasified liquid fuel. When the liquid fuel gasified by the heat exchanger 35 has a pressure equal to or higher than a predetermined pressure in the decompressor 37 or has a gas flow rate equal to or higher than a predetermined gas flow rate, It is configured to exchange heat with the water supply system 41 and return to the liquid fuel tank 12.
[0076]
The heat exchanger 35 evaporates and gasifies the liquid fuel from the liquid fuel tank 12, raises the pressure of the high-pressure air from the air compressor 1, and supplies the high-pressure air to the gas turbine combustor 2 as high-temperature combustion air. are doing.
[0077]
On the other hand, the gas turbine combustor 2 is provided with an arithmetic control unit 21 as in the first embodiment.
[0078]
The arithmetic control unit 21 detects a state quantity of the combustion gas in the combustion chamber 22 of the gas turbine combustor 2, for example, a combustion gas temperature, a combustion vibration, and the like by the sensor 23, and outputs a detection signal and a load signal from the generator 3. A valve opening / closing signal or the like is created based on the calculated values, and the valve opening / closing signal or the like is generated, and the valve opening / closing signal or the like is transmitted to the starting fuel valve 36 of the first liquid fuel supply pipe 8, the fuel valve 13 of the second liquid fuel supply pipe 10, and the flow control valve 38 To adjust the amount of fuel gas state in the combustion chamber 22.
[0079]
As described above, in the present embodiment, the heat exchanger 35 that evaporates and gasifies the liquid fuel from the liquid fuel tank 12 to the second liquid fuel supply pipe 10 and the decompressor 37 that decompresses the gasified liquid fuel are provided. A flow control valve 38 for controlling the flow rate of gasified liquid fuel, and a return pipe 40 for returning to the liquid fuel tank 12 when the gasified liquid fuel exceeds a predetermined pressure, flow rate, or the like. In addition, an appropriate amount of liquid fuel can be supplied to the gas turbine combustor 2.
[0080]
Further, in the present embodiment, the liquid fuel from the liquid fuel tank 12 is evaporated and gasified by using the exhaust heat WGS of the gas turbine 4 in the heat exchanger 35 as a heating source. In addition, the time required for uniform premixing or the like by premixing with air can be greatly reduced, and the danger of self-ignition inherent to liquid fuel can be prevented by gasification.
[0081]
FIG. 5 is a graph showing the NOx concentration values obtained by comparing the respective NOx concentration values when the liquid fuel is atomized and sprayed, when the LPG fuel is used, and when the liquid fuel shown in the present embodiment is gasified. It is a figure
From this diagram, it can be seen that the gasification of the liquid fuel shown in the present embodiment is almost the same as the NOx concentration value of the LPG fuel, and is significantly lower than the NOx concentration value of the atomized liquid fuel. Was observed.
[0082]
FIG. 6 is a schematic system diagram showing a third embodiment of the combustion device according to the present invention. Note that the same components as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals.
[0083]
The combustion apparatus according to the present embodiment includes, for example, a heat exchanger 16 provided in a second liquid fuel supply pipe 10 that supplies gasified liquid fuel from a liquid fuel tank 12 to a nozzle unit 7 of a gas turbine combustor 22. A heating device 42 having a heat source such as an electric heater is incorporated.
[0084]
When the gas turbine combustor 22 seeks the heat source of the heat exchanger 16 for exhaust heat of the gas turbine 4 in order to gasify the liquid fuel flowing through the second liquid fuel supply pipe 10, the gas turbine 4 Unless the specified load is reached, the temperature of the exhaust heat required for gasifying the liquid fuel cannot be secured.
[0085]
In the present embodiment, in consideration of such a point, a heating device 42 such as an electric heater is incorporated in the heat exchanger 16 so as to gasify the liquid fuel before the gas turbine 4 is started. The liquid fuel gasified by the heating device 42 is circulated to the liquid fuel tank 12 via the return pipe 40, and the gasified liquid fuel is supplied to the nozzle portion 7 of the gas turbine combustor 2 at the same time when the gas turbine 4 is started. It is configured to supply.
[0086]
As described above, the present embodiment is provided with the heating device 42 that can quickly secure the heat source, and is configured to be able to gasify the liquid fuel more quickly. Therefore, as shown in FIG. The NOx concentration can be suppressed lower than that of the atomized spray.
[0087]
In this embodiment, the heating device 42 such as an electric heater is incorporated in the heat exchanger 16 for gasifying the liquid fuel. However, the present invention is not limited to this example. The heat may be used as a heating source, and the heating device 42 may be used at the time of startup, and the gas turbine 4 may be exhausted when a predetermined load is applied to the gas turbine 4, or both may be used together.
[0088]
【The invention's effect】
As described above, the combustion apparatus according to the present invention heats and gasifies the liquid fuel, heats and vaporizes the water, and adds and mixes the vaporized liquid fuel gas with the vaporized water vapor to form a mixed gas. Is supplied to the combustion chamber to reduce the temperature of the generated flame, so that the NOx concentration can be further reduced.
[0089]
Further, the combustion device according to the present invention controls the respective flow rates of the liquid fuel and water to be supplied to the combustion chamber to appropriate amounts according to the load (output), and stably combusts the generated combustion gas. , Reliable operation can be performed.
[0090]
Further, the combustion apparatus according to the present invention heats and gasifies the liquid fuel, decompresses the gasified liquid fuel, and when the pressure of the decompressed gasified fuel is still high, or when the flow rate is excessive, Since the gas is returned to the original supply source and adjusted to an appropriate pressure, flow rate, and the like and supplied to the nozzle of the gas turbine combustor, a stable combustion gas having a lower NOx concentration can be generated.
[0091]
Further, since the combustion device according to the present invention includes the heating means for gasifying the liquid fuel more quickly, the liquid fuel can be gasified more quickly, and as a result, the NOx concentration can be suppressed to a lower concentration earlier. Can be.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic system diagram showing a first embodiment in which a combustion device according to the present invention is applied as a gas turbine combustor of a gas turbine plant.
FIG. 2 is a conceptual diagram showing a nozzle portion of the combustion device according to the present invention.
FIGS. 3A and 3B show the arrangement of a nozzle portion of the combustion device according to the present invention, wherein FIG. 3A is a conceptual diagram in which the nozzle portion is installed on the head side of a combustion chamber, FIG. 3B is a plan view of FIG. (C) is a conceptual diagram showing a first modified example in which a nozzle is installed in a combustion chamber, and (d) is a conceptual diagram showing a second modified example in which a nozzle is installed in a combustion chamber.
FIG. 4 is a schematic system diagram showing a second embodiment of the combustion device according to the present invention.
FIG. 5 is a NOx concentration value diagram comparing NOx concentration values when atomizing and spraying liquid fuel, when using LPG fuel, and when using gasified liquid fuel as in the present invention.
FIG. 6 is a schematic system diagram showing a third embodiment of the combustion device according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1 air compressor
2 Gas turbine combustor
3 generator
4 Gas turbine
5 Liquid fuel supply system
6 Water supply system
7 Nozzle part
8 First liquid fuel supply pipe
9 First water supply pipe
10 Second liquid fuel supply pipe
11 Second water supply pipe
12 Liquid fuel tank
13,13a Fuel valve
14 water tank
15, 15a Water supply valve
16 heat exchanger
17 Mixer
18 Steam valve
19 Hot water storage
20 Steam piping
21 Operation control unit
22 Combustion chamber
23 Sensor
24 Entrance
25 Swara
26 Liquid fuel supply passage
27 Water supply passage
28 Steam supply passage
29 Mixed gas supply passage
30 Liquid fuel gas supply passage
31a, 31b Jet hole
32a, 32b Slope
33 Slope
34 Flame
35 heat exchanger
36 Fuel valve for starting
37 pressure reducer
38 Flow control valve
39 condenser
40 Return piping
41 Water supply system
42 Heating device
