JP2013096324A - ガスタービンシステム - Google Patents

Abstract

【課題】水または水蒸気を供給する付帯設備を簡素化し、高効率に低ＮＯｘ化を図ることができるガスタービンシステムを提供する。
【解決手段】水素ガスＨおよび純水Ｗを噴射する燃料噴射ノズル４を有する燃焼器２と、燃焼器２に供給する純水Ｗを貯留する貯留水槽１２と、燃焼器２に供給する水素ガスＨを昇圧するガス圧縮装置１０と、昇圧された水素ガスＨを燃焼器２に導く燃料供給通路６と、貯留水槽１２と燃料供給通路６とを連通して、昇圧された水素ガスＨによって純水Ｗを加圧する導圧通路１６とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、水または水蒸気を燃焼器内に噴射して、低ＮＯｘ化を図るガスタービンシステムに関するものである。

近年、ガスタービンエンジンにおいては、低ＮＯｘ化および高効率化が課題となっている。低ＮＯｘ化には、燃焼器内への水または水蒸気の噴射が一般的に行われている（例えば、特許文献１および特許文献２）。

特開２００１−０４１４５４号公報 特開２００４−２７８８７５号公報

しかしながら、上記特許文献１および２では、蒸気を圧力噴射方式で燃焼器に噴射するので、均一な濃度で燃焼器内に供給するために蒸気を高圧で噴射する必要があり、昇圧装置およびその駆動動力源のような付帯設備が必要になる。その結果、ガスタービンシステム全体の熱効率が悪くなる。

本発明は、前記課題に鑑みてなされたもので、水または水蒸気を供給する付帯設備を簡素化し、高効率に低ＮＯｘ化を図ることができるガスタービンシステムを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明にかかるガスタービンシステムは、気体燃料および噴射水を噴射する燃料噴射ノズルを有する燃焼器と、前記燃焼器に供給する前記噴射水を貯留する貯留水槽と、前記燃焼器に供給する気体燃料を昇圧する燃料昇圧手段と、昇圧された前記気体燃料を前記燃焼器に導く燃料供給通路と、前記貯留水槽と前記燃料供給通路とを連通して、昇圧された前記気体燃料によって前記噴射水を加圧する導圧通路とを備えている。

この構成によれば、昇圧された気体燃料を用いて、噴射水を加圧するので、噴射水を加圧するための装置およびその動力のような付帯設備が不要となり、システム全体を簡素化しながら、高効率に低ＮＯｘ化を実現できる。

本発明において、前記燃焼器は、前記気体燃料と前記噴射水とを予混合する予混合型であることが好ましい。この構成によれば、噴射水を微粒化するために高圧で供給する圧力噴射型ではなく、気体燃料の流れで噴射水を微粒化する予混合型を用いることにより、噴射水の噴射圧を抑えることができ、気体燃料での加圧が容易になる。その結果、付帯設備の簡素化および高効率な低ＮＯｘ化が実現し易くなる。

予混合型の場合、前記気体燃料は水素ガスであることが好ましい。水素は単位体積当たりのエネルギー密度が低いので、天然ガスと同じ熱量を供給するためには、体積比で３〜４倍の量のガスを供給する必要があり、ノズルを通る流速も３〜４倍となる。この構成によれば、水素の速い流れで噴射水が微粒化され、大量の水素ガスと噴射水との予混合が促進される。その結果、少ない噴射水で効率的に火炎温度を抑制することが可能となり、高効率な低ＮＯｘ化を実現できる。

本発明において、さらに、純水からなる前記噴射水を製造する純水製造装置を備えることが好ましい。ガスタービンエンジンの稼動中に純水製造装置を同時に運転すると、電力消費が大きくなる。この構成によれば、貯留水槽に純水を貯めておくことができるから、例えば、電力消費の少ない夜間に純水製造装置を運転して、1日分の純水を貯めておき、ガスタービンエンジンの稼動中は純水製造装置を運転しないようにすることもできる。これにより、電力消費が抑制されるうえに、純水の消費量も節約され、その結果、高効率な低ＮＯｘ化を実現できる。

本発明のガスタービンエンジンによれば、昇圧された気体燃料を用いて、噴射水を加圧するので、噴射水を加圧するための装置およびその動力源のような付帯設備が不要となり、システム全体を簡素化しながら、高効率に低ＮＯｘ化を実現できる。

本発明の第１実施形態に係るガスタービンシステムを示す概略構成図である。 同ガスタービンシステムにおけるガスタービンエンジンの燃焼器の縦断面図である。 同燃焼器の燃料噴射ノズルの縦断面図である。 比較例の燃焼器の燃料噴射ノズルの縦断面図である。 同ガスタービンエンジンと従来型のガスタービンエンジンのNOｘの発生量を示すグラフである。 同ガスタービンエンジンと従来型のガスタービンエンジンの噴射水の噴射圧を示すグラフである。 本発明の第２実施形態に係るガスタービンシステムを示す概略構成図である。 （ａ）は、異なる混合方式の燃料噴射ノズルを示す縦断面図で、（ｂ）は正面図である。 （ａ）は、さらに異なる混合方式の燃料噴射ノズルを示す縦断面図で、（ｂ）は正面図である。 （ａ）は、さらに異なる混合方式の燃料噴射ノズルを示す縦断面図で、（ｂ）は正面図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は本発明の第１実施形態のガスタービンシステムの概略構成図を示す。同図において、ガスタービンエンジンＧＴは、圧縮機１と、燃焼器２と、タービン３とを主な構成要素とし、このガスタービンエンジンＧＴに発電機ＰＵが連結されている。燃焼器２は燃料噴射ノズル４を有し、この燃料噴射ノズル弁４に燃料供給通路６と噴射水導入通路８とが接続されている。燃料供給通路６は、燃焼器２に気体燃料である水素ガスＨを供給する通路で、噴射水導入通路８は、燃焼器２に噴射水である純水Ｗを供給する通路である。純水Ｗは、燃焼器２内の火炎温度を下げて低ＮＯｘを図るために供給される。

圧縮機１から供給された圧縮空気Ａと、燃料噴射ノズル４から供給される水素ガスＨとを燃焼器２で燃焼させ、これにより発生する高温高圧の燃焼ガスＧをタービン３に供給して、このタービン３を駆動する。圧縮機１は回転軸９を介してタービン３により駆動され、このタービン３は発電機ＰＵのような負荷を駆動する。

燃料供給通路６には、水素ガスＨを昇圧する燃料昇圧手段であるガス圧縮装置１０が設けられている。ガス圧縮装置１０は、低圧の水素ガスを昇圧して高圧の水素ガスＨを生成し、この昇圧された水素ガスＨが燃料噴射ノズル４を介して燃焼器２に供給される。

噴射水導入通路８には、貯留水槽１２および純水製造装置１４が設けられている。純水製造装置１４は、イオン交換樹脂や逆浸透膜等を用いた公知の方法で、水道水から純水Ｗを製造し、純水製造装置１４により生成された純水Ｗが貯留水槽１２に貯留される。燃料供給通路６と貯留水槽１２は導圧通路１６を介して連通しており、ガス圧縮装置１０により昇圧された水素ガスＨによって貯留水槽１２内の純水Ｗが加圧され、燃料噴射ノズル４を介して燃焼器２に供給される。つまり、燃料噴射ノズル４は水素ガスＨおよび純水Ｗを燃焼器２に供給する。

図２に示すように、燃焼器２は、水素ガスＨと純水Ｗを燃料噴射ノズル４内で混合してから燃焼器２内に噴射する予混合型である。具体的には、燃料噴射ノズル４は、水素ガスＨの流れ（気流）により純水Ｗを微粒子化する内部混合方式であり、燃料噴射ノズル４において水素ガスＨと純水Ｗが予混合された後、燃焼器２の燃焼室２４内に噴射される。

図３に示すように、燃料噴射ノズル４は、内部に純水Ｗが流れる環状の噴射水通路２６が形成され、この噴射水通路２６の外側を囲むようにして環状の気体燃料通路２８が形成されている。気体燃料通路２８の下流端は混合通路３０に連通しており、噴射水通路２６の下流端部に設けられた径方向外側を向く噴射部３２から純水Ｗが混合通路３０に噴射され、水素ガスＨの流れによって微粒子化されながら予混合される。

混合通路３０は、上流部を構成する、周方向に等間隔に配置された複数の軸方向通路からなる絞り部３０ａと、下流部を構成する環状部３０ｂとからなる。前記噴射部３２は絞り部３０ａの各軸方向通路に臨んでいる。絞り部３０ａ内で高速となった水素ガスＨの流れに純水Ｗが噴射されることで、純水Ｗの微粒子化が促進され、環状部３０ｂで水素ガスＨと純水Ｗとの混合気の周方向濃度分布が均一化される。環状部３０ｂの下流端は、燃料噴射ノズル４の周方向に等間隔に形成された複数の噴霧孔３４に連通しており、混合通路３０で予混合された水素ガスＨと純水Ｗの混合気が噴霧孔３４から燃焼室２４内に噴射される。噴霧孔３４の数は、例えば８〜１２個である。

上記構成のガスタービンシステムの運用の一例について説明する。
まず、ガスタービンエンジンＧＴの稼動しない夜間に、図１に示す純水製造装置１４を外部の夜間電力で運転して、１日分の純水Wを製造して貯留水槽１２に貯留しておく。

つづいて、昼間にガスタービンエンジンＧＴを稼動して発電を行う。このとき、純水製造装置１４は運転せず、ガス圧縮装置１０のみが外部電力により運転する。ガス圧縮装置１０により昇圧された高圧水素ガスHの大部分は燃料供給通路６を介して燃料噴射ノズル４に供給され、一部分は導圧通路１６を通って貯留水槽１２に導かれる。夜間に貯留水槽１２に貯留された純水Wは、導圧通路１６を介して貯留水槽１２に導かれた高圧水素ガスＨによって加圧され、噴射水導入通路８を介して燃料噴射ノズル４に供給される。燃料噴射ノズル４は、供給された高圧水素ガスHと純水Wを予混合して燃焼器２に噴射する。燃焼器２に噴射された水素ガスＨは、圧縮機１から供給された圧縮空気Ａとともに燃焼器２で燃焼される。

本実施形態のガスタービンシステムの検証試験を行った。比較例として用いたガスタービンシステムは、上記実施形態の貯留水槽１２、導圧通路１６に代えて、高圧ポンプのような水加圧装置を設け、さらに、燃料噴射ノズル４Ａは内部混合方式ではなく、図４に示す圧力噴射型を用いている。この圧力噴射型では、純水Wが水加圧装置（図示せず）により昇圧されて燃料噴射ノズル４Ａに供給され、水素ガスＨの複数の噴霧孔４４とは別の複数の噴霧孔４６から燃焼室２４に噴射され、燃焼室２４内で水素ガスHと混ざる。

図５は純水Wの噴射量に対するNOｘの発生量を示すグラフで、図６は純水Wの噴射圧を示すグラフである。図５に示すように、本実施形態のガスタービンシステムでは、純水の噴射量が増加するに従い、比較例のガスタービンシステムに比べて大きくNOｘの発生量が減少していき、純水の噴射量が１００ｋｇ／ｈｒ近傍では半分以下になっている。

さらに、図６に示すように、本実施形態のガスタービンシステムでは、純水の噴射量が増加しても、純水の噴射圧はそれほど増加せず、純水の噴射量が１００ｋｇ／ｈｒ近傍では、比較例のガスタービンシステムの３分の１以下になっている。

特に、水素ガスＨは優れた保炎性を有する一方で、天然ガスに比べて燃焼温度が高いためＮＯｘ発生量が大きく、さらに燃焼速度が大きいため燃料噴射ノズル４の近傍で火炎が形成される。このため、図４の圧力噴射型の燃焼器では、火炎に純水Ｗを効果的に混入させるのが難しく、ＮＯｘ発生量を抑えるのが難しい。しかも、純水Ｗを燃焼室２４内で微粒子化するために大きな圧力で噴射する必要がある。これに対し、図３の予混合型の燃焼器２では、水素ガスＨと微粒化された純水Ｗが予め十分混合されることから、燃料噴射ノズル４から高圧で燃焼室２４内に噴射する必要がない。しかも、水素ガスＨは密度が低いので、天然ガスと同じ熱量を供給するためには、体積比で３〜４倍の量のガスを供給する必要があり、その結果、図３の燃料噴射ノズル４を通る流速も３〜４倍となる。したがって、燃料噴射ノズル４の混合通路３０において、水素ガスＨの速い流れで純水Ｗが効果的に微粒化され、大量の水素ガスＨと純水Ｗとの予混合が促進される。

上記構成において、図１に示すように、昇圧された水素ガスＧを用いて、貯留水槽１２内の純水Ｗを加圧するので、純水Ｗを加圧するための装置およびその動力源のような付帯設備が不要となり、ガスタービンエンジンＧＴを含むシステム全体を簡素化しながら、高効率に低ＮＯｘ化を実現できる。

また、図３に示すように、燃焼器２は、水素ガスＨと純水Ｗとを予め混合する予混合型であるので、圧力噴射型の燃焼に比べて純水Ｗの噴射圧を抑えることができ、導圧通路１６を介した水素ガスＨによる加圧が容易になる。その結果、付帯設備の簡素化および高効率な低ＮＯｘ化が実現し易くなる。

さらに、水素ガスＨは天然ガスよりも流量が多くなるので、水素ガスＨの速い流れによって純水Ｗとの予混合が促進されるから、少ない純水Ｗの量で効率的に火炎温度を下げて低ＮＯｘ化を実現できる。

このように、純水Ｗの使用量が少なくて済むから、電力消費の少ない夜間に、図１に示す純水製造装置１４で純水を製造して、1日分の純水Ｗを貯留水槽１２に貯めておくことが可能となる。その結果、ガスタービンエンジンＧＴの稼動中に純水製造装置１４を運転する必要がなくなり、昼間の電力消費が抑制されるうえに、ガスタービンエンジンＧＴの稼動中に高圧で純水を噴射し続ける圧力噴射型の燃焼器に比べて純水Ｗの使用量が節約され、高効率な低ＮＯｘ化を実現できる。

図７は本発明の第２実施形態のガスタービンシステムの概略構成図を示す。第２実施形態では、第１実施形態のガス圧縮装置１０で低圧水素ガスを昇圧するのに代えて、液体水素を燃料昇圧手段である液体水素圧縮装置４０で昇圧した後、蒸発器４２で高圧水素ガスＨを生成する点で、第１実施形態と異なっており、その他の構成は第１実施形態と同じである。第２実施形態においても、上記第１実施形態と同様の効果を奏する。

上記各実施形態における燃料噴射ノズル４の構造は、図３に示した内部混合方式に限定されず、例えば、図８〜１０の混合方式のものとすることもできる。

図８（ａ）および（ｂ）は、外部混合方式の燃料噴霧ノズル４Ｂを示す。図３の内部混合方式の燃料噴霧ノズル４がノズルの内部の混合通路３０で水素ガスＨのような気体燃料と噴射水（純水Ｗ）を混合しているのに対し、図８（ａ）および（ｂ）の外部混合方式の燃料噴霧ノズル４Ｂは、ノズルの外部、具体的には、噴霧孔３４Ｂにおいて気体燃料Ｈと噴射水Ｗを合流させたのち、噴霧孔３４Ｂから外部に噴射して、外部で混合させている。噴霧孔３４Ｂは、燃料噴霧ノズル４Ｂの軸心Ｃと同心の二重の円周上に複数配置されている。

図９（ａ）および（ｂ）は、Ｙジェット方式の燃料噴霧ノズル４Ｃを示す。図３の内部混合方式の燃料噴霧ノズル４が、噴射水通路２６の下流端部に設けられた径方向外側を向く噴射部３２から径方向に噴射水Ｗを噴霧することで気体燃料Ｈと噴射水Ｗを混合しているのに対し、図９（ａ）および（ｂ）のＹジェット方式の燃料噴霧ノズル４Ｃは、環状の気体燃料通路２８Ｃの下流端に、下流に進むにつれて径方向内側に傾斜した噴射部３２Ｃを有する。噴射部３２Ｃは、周方向に複数並んで配置されており、この噴射部３２Ｃから斜め方向に気体燃料Ｈを噴射することで、中央部の噴射水通路２６Ｃから流入する噴射水Ｗと混合させて、噴霧孔３４Ｃから噴霧している。噴霧孔３４Ｃは、燃料噴霧ノズル４Ｃの軸心Ｃと同心の三重の円周上に複数配置されている。

図１０（ａ）および（ｂ）は、液膜微粒化方式の燃料噴霧ノズル４Ｄを示す。この燃料噴霧ノズル４Ｄは、環状の噴射水通路２６Ｄの内径側と外径側にそれぞれ環状の内側気体燃料通路２８Ｄｉおよび外側気体燃料通路２８Ｄｏが設けられ、これら内側および外側気体燃料通路２８Ｄｉ、２８Ｄｏの下流部にスワーラ５０，５２がそれぞれ設けられている。内側および外側気体燃料通路２８Ｄｉ、２８Ｄｏを流れる気体燃料Ｈが、スワーラ５０，５２によって旋回が付与された状態で、薄い環状膜からなる噴射水Ｗと混合させることにより、燃料噴霧ノズル４Ｄの外部で微粒化された混合気が得られる。

以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能であり、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

１ 圧縮機
２ 燃焼器
３ タービン
４ 燃料噴射ノズル
６ 燃料供給通路
１０ ガス圧縮装置（燃料昇圧手段）
１２ 貯留水槽
１４ 純水製造装置
１６ 導圧通路
４０ 液体水素圧縮装置（燃料昇圧手段）
ＧＴ ガスタービンエンジン
Ｈ 水素ガス（気体燃料）
Ｗ 純水（噴射水）

Claims (4)

1. 気体燃料および噴射水を噴射する燃料噴射ノズルを有する燃焼器と、
   前記燃焼器に供給する前記噴射水を貯留する貯留水槽と、
   前記燃焼器に供給する気体燃料を昇圧する燃料昇圧手段と、
   昇圧された前記気体燃料を前記燃焼器に導く燃料供給通路と、
   前記貯留水槽と前記燃料供給通路とを連通して、昇圧された前記気体燃料によって前記噴射水を加圧する導圧通路と、
   を備えたガスタービンシステム。
2. 請求項１において、前記燃焼器は、前記気体燃料と前記噴射水とを予混合する予混合型であるガスタービンシステム。
3. 請求項２において、前記気体燃料は水素ガスであるガスタービンシステム。
4. 請求項１，２または３において、さらに、純水からなる前記噴射水を製造する純水製造装置を備えたガスタービンシステム。

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