JP2014145563A - Combustor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ガスタービンの燃焼器に関する。 The present invention relates to a combustor for a gas turbine.
ガスタービンに用いられる燃焼器としては、ガス燃料とともに、バックアップの燃料として液体燃料である油燃料を焚くことができるデュアル焚き燃焼器が知られている。
デュアル方式のデュアル焚き燃焼器では、燃焼筒内に油燃料のみならず水を噴射することで、火炎温度の低減を図り、NOx(窒素酸化物)や煤などの低減を行っている(例えば特許文献1参照)。水は燃料に混合させて供給したり、別途設けられたノズル穴から噴射させたりしている。NOxや煤を十分に低減するためには、ある程度の量の水を投入する必要がある。
2. Description of the Related Art As a combustor used in a gas turbine, a dual-fired combustor capable of burning oil fuel that is liquid fuel as backup fuel is known along with gas fuel.
In the dual-type dual-fired combustor, not only oil fuel but also water is injected into the combustion cylinder, thereby reducing the flame temperature and reducing NOx (nitrogen oxide), soot, etc. (for example, patents) Reference 1). Water is mixed with fuel and supplied, or is injected from a nozzle hole provided separately. In order to sufficiently reduce NOx and soot, it is necessary to add a certain amount of water.
しかしながら、添加する水を増加させることによって、メインノズルなどの燃料ノズルから噴射される燃料の軌跡が変わるなどして、燃焼特性に影響が出る場合がある。燃焼特性が変わることによって、燃焼振動が高くなったり、燃焼器メタル温度が高くなったりするなどの不具合に繋がるため、水の投入量は制限されている。 However, by increasing the amount of water to be added, the trajectory of the fuel injected from the fuel nozzle such as the main nozzle may change, which may affect the combustion characteristics. The change in combustion characteristics leads to problems such as increased combustion vibration and increased combustor metal temperature, so the amount of water input is limited.
この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、NOxや煤などを低減させるために水又は蒸気が供給されるガスタービンの燃焼器において、供給される水又は蒸気が燃料ノズルから噴射される燃料に及ぼす影響を小さくするとともに、圧縮空気に均一に水をいきわたらせることができる燃焼器を提供することにある。 The present invention has been made in consideration of such circumstances, and its purpose is to supply water or steam supplied in a combustor of a gas turbine to which water or steam is supplied in order to reduce NOx, soot and the like. An object of the present invention is to provide a combustor capable of reducing the influence of the fuel on the fuel injected from the fuel nozzle and uniformly allowing water to flow through the compressed air.
上記の目的を達成するために、この発明は以下の手段を提供している。
本発明の燃焼器は、燃焼器外筒と、前記燃焼器外筒の内部に設けられる筒状の燃焼器内筒と、前記燃焼器外筒の内周面と前記燃焼器内筒の外周面との間に形成された空気流路と、前記燃焼器内筒の内部に設けられ、燃料を噴射する複数の燃料ノズルと、前記空気流路を流れる空気が、前記燃焼器内筒の後端の反転部で流通方向が反転されて前記複数の燃料ノズルに導入される燃焼器であって、前記空気流路における前記反転部よりも以前に設けられ、該空気に水又は蒸気を供給する水供給部とを備えることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention provides the following means.
The combustor according to the present invention includes a combustor outer cylinder, a cylindrical combustor inner cylinder provided inside the combustor outer cylinder, an inner peripheral surface of the combustor outer cylinder, and an outer peripheral surface of the combustor inner cylinder. An air flow path formed between the plurality of fuel nozzles for injecting fuel, and air flowing through the air flow path is provided at a rear end of the combustor inner cylinder. Is a combustor whose flow direction is reversed at the reversing part and introduced into the plurality of fuel nozzles, and is provided before the reversing part in the air flow path, and supplies water or steam to the air And a supply unit.
上記構成によれば、水又は蒸気を供給するための水供給部を別途設けたことによって、供給される水又は蒸気が燃料ノズルから噴射される燃料に及ぼす影響を小さくすることができる。また、水供給部から燃料ノズルまでに至るまでの距離を十分確保できるため、圧縮空気に均一に水をいきわたらせることができる。 According to the said structure, the influence which the supplied water or vapor | steam has on the fuel injected from a fuel nozzle can be made small by providing the water supply part for supplying water or a vapor | steam separately. In addition, since a sufficient distance from the water supply unit to the fuel nozzle can be secured, the compressed air can be uniformly distributed.
上記燃焼器において、前記水供給部は、前記空気流路上に設けられていることが好ましい。 The said combustor WHEREIN: It is preferable that the said water supply part is provided on the said air flow path.
上記燃焼器において、前記水供給部は、前記燃焼器の内部であって前記燃料ノズルの根元に設けられていることが好ましい。
上記構成によれば、各燃料ノズルへの水の流入量を調整しやすくなる。
In the combustor, it is preferable that the water supply unit is provided inside the combustor and at the base of the fuel nozzle.
According to the said structure, it becomes easy to adjust the inflow amount of the water to each fuel nozzle.
上記燃焼器において、前記水又は蒸気の供給量と前記燃料の噴射量との比W/Fが所定の値までは、前記燃料ノズルから水又は蒸気を供給し、前記比W/Fが所定の値以上からは、前記燃料ノズルからの水又は蒸気の供給量を一定にするとともに、前記水供給部から水を供給するように制御を行う制御部を有することが好ましい。 In the combustor, water or steam is supplied from the fuel nozzle until the ratio W / F between the supply amount of the water or steam and the injection amount of the fuel reaches a predetermined value, and the ratio W / F is predetermined. From the above value, it is preferable to have a control unit that controls the supply amount of water or steam from the fuel nozzle to be constant and supplies water from the water supply unit.
上記構成によれば、所定のW/Fまでは、火炎に近い燃料ノズルから水又は蒸気が添加されるため、効果的にNOxが低減される。一方、所定のW/F以上からは、水供給部から水又は蒸気が添加されるため、水又は蒸気の噴射に伴う燃焼振動の増大、メタル温度の上昇などの予想外の挙動を抑制することができる。 According to the above configuration, since water or steam is added from the fuel nozzle close to the flame up to a predetermined W / F, NOx is effectively reduced. On the other hand, since water or steam is added from the water supply unit from a predetermined W / F or higher, it is possible to suppress unexpected behavior such as an increase in combustion vibration associated with water or steam injection and an increase in metal temperature. Can do.
上記燃焼器において、前記制御部は、前記水供給部から水又は蒸気を供給する際、前記空気の運動量と前記燃料の運動量の比が一定となるように、前記燃料ノズルからの水又は蒸気の供給量を制御することが好ましい。 In the combustor, when supplying water or steam from the water supply unit, the control unit supplies water or steam from the fuel nozzle so that a ratio between the momentum of the air and the momentum of the fuel is constant. It is preferable to control the supply amount.
上記構成によれば、燃焼状態の突然変異をさらに抑制することができる。 According to the said structure, the mutation of a combustion state can further be suppressed.
本発明によれば、水又は蒸気を供給するための水供給部を別途設けたことによって、供給される水又は蒸気が燃料ノズルから噴射される燃料に及ぼす影響を小さくすることができる。また、水供給部から燃料ノズルまでに至るまでの距離を十分確保できるため、圧縮空気に均一に水をいきわたらせることができる。 According to the present invention, by separately providing the water supply unit for supplying water or steam, the influence of the supplied water or steam on the fuel injected from the fuel nozzle can be reduced. In addition, since a sufficient distance from the water supply unit to the fuel nozzle can be secured, the compressed air can be uniformly distributed.
(第一実施形態)
以下、本発明の第一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図1に示すように、本実施形態のガスタービン燃焼器1(以下、単に燃焼器1と呼ぶ)は、ガス焚きのほかに油焚きが可能なデュアル方式のものであり、車室2の内部に収容された内筒3と、内筒3に嵌合される尾筒4と、内筒3の外周側を覆うとともに車室2の内壁に当接された外筒5とを備える。尾筒4は、中空の管状部材である。内筒3は、同じく中空の管状部材であって、その外径は尾筒4の内径よりも若干小径に形成されている。
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1, the gas turbine combustor 1 (hereinafter simply referred to as the combustor 1) of the present embodiment is a dual type capable of oiling in addition to gas burning. The inner cylinder 3 accommodated in the inner cylinder 3, the tail cylinder 4 fitted to the inner cylinder 3, and the
また、燃焼器1は、その中心に設置されるとともに拡散燃焼を行うパイロットノズル7と、パイロットノズル7の外周側の周方向に等間隔となるように複数配置されるとともに予混合燃焼を行うメインノズル8とからなる燃料ノズルを備えている。また、燃焼器1は、パイロットノズル7の先端側を覆うように設置されるパイロットコーン9と、メインノズル8の先端側を覆うように設置されるメインバーナ10と、パイロットノズル7の外壁とパイロットコーン9の内壁との間に設置されるパイロットスワラ11と、メインノズル8の外壁とメインバーナ10の内壁との間に設置されるメインスワラ12と、を備えている。
The
また、燃焼器1には、内筒3の軸方向(以下、単に軸方向とよぶ)他方側(図1の左側)において内筒3の更に外周に接続された複数の第二リブ15が設けられている。また、燃焼器1には、軸方向一方側における外筒5と内筒3との間の空間への入り口部分に設けられた多孔板によって構成されるパンチメタル16を支持する第一リブ14が設けられている。この第一リブ14と第二リブ15とが外筒5及び内筒3に接続されることで、外筒5に内筒3が支持固定される。
Further, the
メインノズル8には、油燃料とともに水が供給される燃料管19が接続されている。外筒5の内周面と内筒3の外周面との間には、圧縮空気が流通する空気流路20が形成されている。この空気流路20に流入した圧縮空気は、外筒5の底部分(パイロットノズル7及びメインノズル8の基部)の反転部21で図1の矢印で示すように180°転回することで、内筒3の内部に供給される。
The
そして、空気流路20上であって反転部21より上流側には、空気流路20を流通する圧縮空気に水を噴射するための複数の水噴射ノズル22(水供給部)が設けられている。具体的には、水噴射ノズル22は、内筒3の周方向に等間隔に配置されており、水を噴射するための複数の水噴射孔23を備えている。
A plurality of water injection nozzles 22 (water supply units) for injecting water into the compressed air flowing through the
次に、本実施形態の燃焼器1の作用について説明する。
まず、図示しない圧縮機の出口から車室2内に排出される圧縮空気は、外筒5と内筒3との間にできる空間に、パンチメタル16を通じて流れ込む。このパンチメタル16は、多孔板とすることで抵抗を与えることで、燃焼器1に流れ込む圧縮空気を整流させる役割を果たす。パンチメタル16を通じて、外筒5と内筒3との間の空間に流れ込んだ圧縮空気は、外筒5の内壁に沿って流れる。この際、圧縮空気には、水噴射ノズル22から水が供給される。水噴射ノズル22からは、水が水滴(液体)として供給されるが、圧縮空気の温度によって蒸発し水蒸気となる。
一方、油焚き運転の際においては、パイロットノズル7及びメインノズル8に対する燃料ガスの供給が停止され、それぞれに燃料管19を介して油燃料及び水が供給される。
Next, the operation of the
First, compressed air discharged from the compressor outlet (not shown) into the
On the other hand, during the oiling operation, the supply of fuel gas to the
そして、圧縮空気が反転部21で180°転回する。圧縮空気と水蒸気とは、反転部21において圧縮空気に発生する渦によって、より混合される。そして、内筒3の内部に水蒸気を含んだ圧縮空気が供給される。圧縮空気には燃焼器1のパイロットスワラ11及びメインスワラ12で旋回流が与えられて、パイロットノズル7による拡散燃焼及びメインノズル8による予混合燃焼に使用される。
Then, the compressed air turns 180 ° at the reversing
上記実施形態によれば、水を噴射するための水噴射ノズル22を別途設けたことによって、供給される水が燃料ノズル7,8から噴射される燃料に及ぼす影響を小さくすることができる。
また、水噴射ノズル22から燃料ノズル7,8までに至るまでの距離を十分確保したことによって、圧縮空気に均一に水をいきわたらせることができる。
According to the above embodiment, by separately providing the
In addition, by ensuring a sufficient distance from the
なお、上記実施形態では、水噴射ノズル22から水を噴射する構成を示したが、水噴射ノズル22からは蒸気(水蒸気)を噴射してもよい。
In addition, in the said embodiment, although the structure which injects water from the
(第二実施形態)
次に、本発明の第二実施形態の燃焼器1について説明する。なお、本実施形態では、上述した第一実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。
図2に示すように、本実施形態の水噴射ノズル22は、燃焼器外筒5の内部であって、パイロットノズル7とメインノズル8とを有する燃料ノズル7,8の根元に設けられている。
水噴射ノズル22から噴射される水は、反転部21において反転する圧縮空気に向けて噴射される。
(Second embodiment)
Next, the
As shown in FIG. 2, the
The water sprayed from the
上記実施形態によれば、水噴射ノズル22が各燃料ノズル7,8にそれぞれ設けられていることによって、各燃料ノズル7,8への水の流入量を調整しやすくなる。
According to the above embodiment, the
(第三実施形態)
次に、本発明の第三実施形態の燃焼器1について説明する。なお、本実施形態では、上述した第一実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。
本実施形態の燃焼器1は、メインノズル8からの水噴射量と、水噴射ノズル22からの水噴射量とを、水の量と燃料の量との比W/Fに応じて制御することを特徴としている。即ち、本実施形態の燃焼器1は図示しない制御装置(制御部)により、W/Fに基づいて水噴射量が制御される。
(Third embodiment)
Next, the
The
具体的には、図3のグラフに示すように、本実施形態の燃焼器1は所定のW/Fまではメインノズル8から水を噴射し、所定のW/F以上からは、水噴射ノズル22から水を噴射するように制御される。一方、所定のW/F以上からは、メインノズル8から噴射される水の量が一定となるように制御される。
Specifically, as shown in the graph of FIG. 3, the
上記実施形態によれば、所定のW/Fまでは、火炎に近いメインノズル8から水が添加されるため、効果的にNOxが低減される。一方、所定のW/F以上からは、水噴射ノズル22から水が添加されるため、水の噴射に伴う燃焼振動の増大、メタル温度の上昇などの予想外の挙動を抑制することができる。
According to the embodiment, water is added from the
(第四実施形態)
次に、本発明の第四実施形態の燃焼器1について説明する。なお、本実施形態では、上述した第三実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。
本実施形態の燃焼器1は、メインノズル8からの水噴射量と、水噴射ノズル22からの水噴射量とを、水と燃料との比W/Fに応じて制御し、さらに、空気の運動量と燃料の運動量の比が一定となるように、燃料ノズルからの水噴射量を制御することを特徴としている。
(Fourth embodiment)
Next, a
The
具体的には、図4のグラフに示すように、所定のW/Fまではメインノズル8から水を噴射し、所定のW/F以上からは、水噴射ノズル22から水を噴射するように制御する。一方、所定のW/F以上でも僅かにメインノズル8から水を添加する。
所定のW/F以上においてメインノズル8から添加される水噴射量の割合は、以下に示す方法で決定される。
Specifically, as shown in the graph of FIG. 4, water is injected from the
The ratio of the water injection amount added from the
図5は、本実施形態の燃焼器1の制御方法に用いられる、メインノズル8から添加される水噴射量の割合を決定する方法を示すフローチャートである。
まず、運動量比規定工程S1として、空気と燃料の混合が最適となる運動量比RTを規定する。即ち、空気と燃料の混合が最適となるのは、運動量比RTが最適になる一つの条件に限られるため、この運動量比RTを予め規定する。
FIG. 5 is a flowchart showing a method for determining the ratio of the amount of water injection added from the
First, as the momentum ratio defining step S1, the momentum ratio RT that optimizes the mixing of air and fuel is defined. That is, the optimum mixing of air and fuel is limited to one condition that optimizes the momentum ratio RT, and thus the momentum ratio RT is defined in advance.
次に、添加総流量指令工程S2として、圧縮空気に添加される水の総流量を決定する。水の総流量は、燃焼器1の仕様や、要求されるNOxの低減量などに応じて決定される。
Next, as the total addition flow rate command step S2, the total flow rate of water added to the compressed air is determined. The total flow rate of water is determined according to the specifications of the
次に、上流水割合仮定工程S3として、メインノズル8から添加される水噴射量の割合(上流水割合)を仮定する。即ち、所定のW/F以上において、添加総流量指令工程S2にて指令された添加される水の総流量に対するメインノズル8からの水の供給量と、上流側の水噴射ノズル22からの水の供給量との割合を仮定する。
Next, as the upstream water ratio assumption step S3, the ratio of the water injection amount added from the main nozzle 8 (upstream water ratio) is assumed. That is, at a predetermined W / F or higher, the supply amount of water from the
次に、運動量演算工程S4として、上流水割合仮定工程S3にて仮定された上流水割合に基づいたメインノズル8から噴射される燃料及び水の運動量(以下、燃料運動量FMと呼ぶ)を演算するとともに、水噴射ノズル22から添加された水を含んだ圧縮空気の運動量(以下、空気運動量AMと呼ぶ)を演算する。
Next, as the momentum calculation step S4, the momentum of fuel and water injected from the
燃料運動量FMは、例えば、燃料管19に設けられた流量計によって計測された流量と、メインノズル8の口径によって演算することができる。空気運動量AMは、例えば、ガスタービンの圧縮機の回転数、負荷、IGV(Inlet Guide Vane、入口案内翼)のコントロール状態などの数値を用いて演算することができる。これらの数値は、ガスタービンの制御装置が予め設定した運転マップにより把握することができる。
The fuel momentum FM can be calculated from, for example, the flow rate measured by a flow meter provided in the
次いで、運動量比比較工程S5として、予め規定された運動量比RTと運動量演算工程S4で演算された燃料運動量FMと空気運動量AMとから算出された運動量比RAとを比較する。ここで、算出された運動量比RAが、規定された運動量比RTと等しい場合、上流水割合仮定工程S3にて仮定された燃料側水割合を採用する。一方、算出された運動量比RAが、規定された運動量比RTと等しくない場合、上流水割合仮定工程S3から運動量演算工程S4までの一連の工程を再度実施する。
以上のS1〜S5までの工程により、メインノズル8から添加される水噴射量の割合が決定される。即ち、以上の工程により決定された燃料側水割合とすることによって、空気の運動量と燃料の運動量の比が一定となるように制御される。
Next, as a momentum ratio comparison step S5, a predetermined momentum ratio RT is compared with the momentum ratio RA calculated from the fuel momentum FM calculated in the momentum calculation step S4 and the air momentum AM. Here, if the calculated momentum ratio RA is equal to the prescribed momentum ratio RT, the fuel-side water ratio assumed in the upstream water ratio assumption step S3 is adopted. On the other hand, when the calculated momentum ratio RA is not equal to the prescribed momentum ratio RT, a series of steps from the upstream water ratio assumption step S3 to the momentum calculation step S4 is performed again.
The ratio of the water injection amount added from the
上記実施形態によれば、空気と燃料の混合が最適となる運動量比を保つように燃料側の水噴射量が調整されるため、燃焼状態の突然変異をさらに抑制することができる。 According to the above embodiment, since the water injection amount on the fuel side is adjusted so as to maintain the momentum ratio at which the mixing of air and fuel is optimal, the combustion state mutation can be further suppressed.
なお、上記実施形態では、規定された運動量比RTと算出された運動量比RAとを比較しながら上流水割合を決定したが、これに限ることはなく、あらかじめ運動量計算を実施して作成した運転マップに従って運転してもよい。 In the embodiment described above, the upstream water ratio is determined while comparing the prescribed momentum ratio RT and the calculated momentum ratio RA. However, the present invention is not limited to this, and the operation created by performing the momentum calculation in advance. You may drive according to the map.
1 燃焼器
2 車室
3 内筒
4 尾筒
5 外筒
7 パイロットノズル
8 メインノズル
9 パイロットコーン
10 メインバーナ
11 パイロットスワラ
12 メインスワラ
14 第一リブ
15 第二リブ
16 パンチメタル
17 支柱
19 燃料管
20 空気流路
21 反転部
22 水噴射ノズル(水供給部)
23 水噴射孔
DESCRIPTION OF
23 Water injection holes
Claims (5)
前記燃焼器外筒の内部に設けられる筒状の燃焼器内筒と、
前記燃焼器外筒の内周面と前記燃焼器内筒の外周面との間に形成された空気流路と、
前記燃焼器内筒の内部に設けられ、燃料を噴射する複数の燃料ノズルと、
前記空気流路を流れる空気が、前記燃焼器内筒の後端の反転部で流通方向が反転されて前記複数の燃料ノズルに導入される燃焼器であって、
前記空気流路における前記反転部よりも以前に設けられ、該空気に水又は蒸気を供給する水供給部を備えることを特徴とする燃焼器。 A combustor barrel,
A cylindrical combustor inner cylinder provided inside the combustor outer cylinder;
An air flow path formed between an inner peripheral surface of the combustor outer cylinder and an outer peripheral surface of the combustor inner cylinder;
A plurality of fuel nozzles provided inside the combustor inner cylinder and for injecting fuel;
The combustor in which the air flowing through the air flow path is introduced into the plurality of fuel nozzles by reversing the flow direction at the reversing portion at the rear end of the combustor inner cylinder,
A combustor comprising a water supply unit that is provided before the reversing unit in the air flow path and supplies water or steam to the air.
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