JP4719704B2 - Gas turbine combustor - Google Patents
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Description
本発明は、軽油やA重油などの液体燃料よりも残留炭素を多く含む低質油をガスタービン燃料として用いるガスタービン燃焼器に関するもので、特に、残留炭素を含む低質油燃料を燃焼させた際に発生する煤塵を低減する燃料噴霧ノズル装置を備えたガスタービン燃焼器に関するものである。 The present invention relates to a gas turbine combustor that uses, as a gas turbine fuel, low-quality oil that contains more residual carbon than liquid fuel such as light oil and A heavy oil, and in particular, when a low-quality oil fuel containing residual carbon is burned. The present invention relates to a gas turbine combustor including a fuel spray nozzle device that reduces generated dust.
近年、ガスタービンでは燃料の多様化が検討されており、石油製油所や化学プラントなどで発生する副生油(低質油)をガスタービンの燃料として利用することが検討されている。 In recent years, diversification of fuels has been studied in gas turbines, and the use of by-product oil (low quality oil) generated in petroleum refineries, chemical plants, and the like as fuel for gas turbines has been studied.
この低質油は、ガスタービンの燃料として主に用いられる軽油やA重油に比べて安価であり、この低質油をガスタービンの燃料として利用できれば燃料代のランニングコストを大幅に削減できるなどの利点がある。 This low-quality oil is less expensive than light oil and heavy fuel oil A, which are mainly used as fuel for gas turbines. If this low-quality oil can be used as fuel for gas turbines, there is an advantage that the running cost of fuel costs can be greatly reduced. is there.
しかしながら、この低質油は軽油やA重油に比べて残留炭素を多く含んでいることから、燃焼の際にセノスファなど低質油に多く含まれている残留炭素由来の煤塵が発生して煤塵濃度が高くなり、結果的に煤塵の環境規制値を満足できないという問題を有しており、この問題が低質油をガスタービンの燃料に利用する上で課題となっている大きな原因である。 However, since this low-quality oil contains more residual carbon than light oil and heavy oil A, soot dust derived from residual carbon that is abundant in low-quality oil such as cenosulfa is generated during combustion, resulting in a higher dust concentration. As a result, there is a problem that the environmental regulation value of dust is not satisfied, and this problem is a major cause that is a problem in using low-quality oil as fuel for gas turbines.
特開2004−3730号公報には、一般的な液体燃料を用いたものであるが、NOx排出量の低減を可能にした燃料噴霧ノズルを備えた拡散燃焼用のガスタービン燃焼器の技術が開示されている。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-3730 discloses a technology of a gas turbine combustor for diffusion combustion having a fuel spray nozzle that uses a general liquid fuel but enables reduction of NOx emissions. Has been.
この特開2004−3730号公報に記載されたガスタービン燃焼器の燃料噴霧ノズルには、燃焼室内に燃料を噴射する外周側燃料噴孔と内周側燃料噴孔とが燃焼室に臨むように配設させており、更に内周側燃料噴孔の燃料流路に流路抵抗手段を備えさせた構成となっている。 In the fuel spray nozzle of the gas turbine combustor described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-3730, an outer peripheral fuel injection hole and an inner peripheral fuel injection hole for injecting fuel into the combustion chamber face the combustion chamber. In addition, a flow path resistance means is provided in the fuel flow path of the inner peripheral fuel injection hole.
そして、上記構成の燃料噴霧ノズルでは流路抵抗手段の設置によって外周側燃料噴孔から噴出する燃料よりも流速が遅くなった燃料を内周側燃料噴孔から燃焼室内に噴出させることが可能となるため、燃料噴霧ノズル近傍の燃焼室内に形成される酸素濃度の低い低酸素濃度領域に対して内周側燃料噴孔から燃料噴流を供給して燃焼反応させることができる。 In the fuel spray nozzle having the above-described configuration, it is possible to eject the fuel whose flow velocity is slower than the fuel ejected from the outer peripheral fuel injection hole into the combustion chamber from the inner peripheral fuel injection hole by installing the flow path resistance means. Therefore, the fuel jet can be supplied from the inner peripheral fuel injection hole to cause a combustion reaction to the low oxygen concentration region having a low oxygen concentration formed in the combustion chamber near the fuel spray nozzle.
この結果、全体の燃料噴射量のうち燃焼器内に形成される低酸素濃度領域で燃焼させる燃料の流量割合が増加できるので、高温の燃焼ガス領域を狭い範囲に制限してNOxの発生量を低減させるものである。 As a result, the flow rate of fuel burned in the low oxygen concentration region formed in the combustor of the total fuel injection amount can be increased, so that the high temperature combustion gas region is limited to a narrow range and the amount of NOx generated is reduced. It is to reduce.
ところで、特開2004−3730号公報に記載されたような燃料噴霧ノズルを備えた拡散燃焼用のガスタービン燃焼器の燃料として、軽油やA重油などの液体燃料よりも残留炭素を多く含む低質油を用いた場合には、残留炭素の一部が微粒化した液滴の表面に殻として形成するため、軽油やA重油などの燃料に比べて液滴の蒸発に時間を要する。 By the way, as a fuel of a gas turbine combustor for diffusion combustion provided with a fuel spray nozzle as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-3730, a low quality oil containing more residual carbon than liquid fuel such as light oil or heavy fuel oil A. Is used, a part of the residual carbon is formed as a shell on the surface of the atomized droplet, so that it takes time to evaporate the droplet as compared with a fuel such as light oil or A heavy oil.
しかも、液滴内部の燃料が蒸発したあとは、セノスファと呼ばれる液滴表面に形成された殻が残ることになる。 In addition, after the fuel inside the droplets evaporates, a shell formed on the droplet surface called cenosphere remains.
セノスファは燃焼の過程で消滅するものの、低質油は軽油やA重油の燃料に比べて蒸発に時間がかかる上にセノスファの消滅にも反応時間が必要となるため、低質油の燃焼時に発生する煤塵濃度が高くなり、これが残留炭素を含む低質油を燃焼した時の煤塵増加の原因となっている。 Although Senospha disappears in the process of combustion, low quality oil takes longer to evaporate than fuel of light oil and heavy oil A, and reaction time is also required for the disappearance of Senospha, so dust generated when burning low quality oil The concentration becomes higher, which causes an increase in dust when burning low quality oil containing residual carbon.
低質油はガスタービンの燃料として主に用いられる軽油やA重油に比べて安価であり、この低質油をガスタービンの燃料として利用できれば燃料代のランニングコストを大幅に削減できるなどの利点がある。 Low quality oil is less expensive than light oil or heavy fuel oil A, which is mainly used as gas turbine fuel. If this low quality oil can be used as gas turbine fuel, there is an advantage that the running cost of fuel cost can be greatly reduced.
しかしながら、この低質油は軽油やA重油に比べて残留炭素を多く含んでいることから、上述したように低質油の燃焼の際にセノスファなど低質油に多く含まれている残留炭素由来の煤塵が発生して煤塵濃度が高くなり、結果的に煤塵の環境規制値を満足できないという問題を有しており、この問題が低質油をガスタービンの燃料に利用する上で課題となっている大きな原因である。 However, since this low-quality oil contains more residual carbon than light oil and heavy fuel oil A, as described above, when low-quality oil is burned, residual carbon-derived soot that is contained in low-quality oil such as cenosulfa in large quantities. As a result, there is a problem that the dust concentration becomes high, and as a result, the environmental regulation value of dust is not satisfied, and this problem is a major cause that is a problem in using low quality oil as fuel for gas turbines It is.
本発明の目的は、低質油をガスタービン燃焼器の燃料として使用した場合にガスタービンの作動負荷範囲で燃焼安定性を確保すると共に、低質油の燃焼時に発生する煤塵濃度を低減するガスタービン燃焼器を提供することにある。 It is an object of the present invention to ensure combustion stability in the operating load range of a gas turbine when low quality oil is used as a fuel for a gas turbine combustor, and to reduce the concentration of dust generated during combustion of low quality oil. Is to provide a vessel.
本発明のガスタービン燃焼器は、残留炭素を含む低質油燃料をガスタービン燃料として用いるガスタービン燃焼器において、低質油燃料を燃焼室に噴射する燃料噴霧ノズル装置を設置し、この燃料噴霧ノズル装置にはその外周側にガスタービン燃焼器に供給される燃焼用空気の一部を旋回して燃焼室に流入させるスワラーを設け、その半径方向中心部には噴霧空気を燃焼室に噴出させる燃焼空気孔を設け、この燃料噴霧ノズル装置には低質油燃料を噴出する燃料ノズルと、この燃料ノズルの外周側に設置され該燃料ノズルから噴射された低質油燃料を微細化する噴霧空気を噴出する噴霧空気供給ノズルとを備えた噴霧ノズルを燃焼空気孔の外周側に複数個配置したことを特徴とする。 The gas turbine combustor according to the present invention is a gas turbine combustor that uses a low-quality oil fuel containing residual carbon as a gas turbine fuel, and is provided with a fuel spray nozzle device that injects the low-quality oil fuel into the combustion chamber. Is provided with a swirler on the outer peripheral side thereof for swirling a part of the combustion air supplied to the gas turbine combustor and flowing into the combustion chamber, and at the center in the radial direction, the combustion air for ejecting spray air into the combustion chamber The fuel spray nozzle device is provided with a hole, and a fuel nozzle that ejects low-quality oil fuel, and a spray that is installed on the outer peripheral side of the fuel nozzle and ejects atomized air that refines the low-quality oil fuel injected from the fuel nozzle A plurality of spray nozzles provided with an air supply nozzle are arranged on the outer peripheral side of the combustion air hole.
本発明によれば、低質油をガスタービン燃焼器の燃料として使用した場合にガスタービンの作動負荷範囲で燃焼安定性を確保すると共に、低質油の燃焼時に発生する煤塵濃度を低減するガスタービン燃焼器が実現できる。 According to the present invention, when low quality oil is used as a fuel for a gas turbine combustor, combustion stability is ensured in the operating load range of the gas turbine, and concentration of dust generated during combustion of low quality oil is reduced. Can be realized.
次に本発明の実施例であるガスタービン燃焼器について図面を参照して以下に説明する。 Next, a gas turbine combustor which is an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1乃至図3を用いて本発明の一実施例であるガスタービン燃焼器について詳細に説明する。 A gas turbine combustor according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS.
図1は、シンプルサイクルのガスタービン発電プラント1の概略構成と、このガスタービン発電プラント1のガスタービン燃焼器3として低質油を燃焼する燃料噴霧ノズル装置60を備えたガスタービン燃焼器の部分拡大図を夫々示したものである。
FIG. 1 shows a schematic configuration of a gas
図1において、ガスタービン発電プラント1は、空気を圧縮して加圧する空気圧縮機2と、この空気圧縮機2で加圧した圧縮空気と燃料の低質油を燃焼して燃焼ガス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で生成した燃焼ガスによって駆動するタービン4と、この駆動されるタービン4により回転され発電する発電機6とを備えている。
In FIG. 1, a gas
また、このシンプルサイクルのガスタービン発電プラント1には起動時に空気圧縮機2を駆動するガスタービン駆動用の起動用モーター8も設置されている。
The gas
上記したガスタービン発電プラント1のガスタービン燃焼器3の頭部には燃料噴霧ノズル装置60が設置されている。
A fuel
この燃料噴霧ノズル装置60のノズル側はガスタービン燃焼器3の内部に形成された燃焼室3aに面しており、燃料噴霧ノズル装置60のノズルと反対側は燃料となる低質油燃料200aをガスタービン燃焼器3の燃料噴霧ノズル装置60を構成するノズルボディ61に供給する低質油燃料系統200が配設されている。
The nozzle side of the fuel
燃料噴霧ノズル装置60のノズルボディ61には燃料噴霧ノズル装置60からガスタービン燃焼器3の燃焼室3aに供給される低質油燃料200aを微粒化するための噴霧空気103aとして、空気圧縮機2で加圧した圧縮空気の一部を昇圧圧縮機14で更に昇圧し、この昇圧した圧縮空気を噴霧空気103aとして燃料噴霧ノズル装置60に導く噴霧空気系統103が配設されている。
The nozzle body 61 of the fuel
この噴霧空気系統103には噴霧される噴霧空気103aの圧力を調節する噴霧空気圧力調節弁15が昇圧圧縮機14の下流側に設置されている。
The
ガスタービン燃焼器3に供給される燃焼用空気102aは、空気圧縮機2で加圧した圧縮空気を燃焼用空気系統102を通じて供給し、ガスタービン燃焼器3の燃焼室3aを区画する円筒形状の燃焼器ライナー11と、この燃焼器ライナー11の外側に設けた円筒形状の外筒10との間の空気流路を通じて流下させて燃焼室3aの内部に流入させている。
The
また、燃料噴霧ノズル装置60には、燃焼器ライナー11と外筒10との間の空気流路を通じて流下する燃焼用空気2aにNOx低減に必要な噴霧蒸気104aをガスタービン燃焼器3の燃焼室3aに噴霧するための蒸気噴霧系統104が配設されている。
Further, in the fuel
この蒸気噴霧系統104には噴霧蒸気104aを遮断する遮断弁301と、この遮断弁301の下流側に位置して燃焼室3aに噴霧する噴霧蒸気104aの最適な流量を調節する蒸気流量調節弁302が夫々設置されている。
The
低質油燃料200aの粘性が高く、この低質油200aを微粒化するために必要な低い粘性を得るために低質油燃料200aの低質油燃料系統200を加温する必要がある場合には、ガスタービンの起動用にガスタービン燃焼器3の燃料噴霧ノズル装置60に軽油などの別燃料を供給してガスタービンを起動しておき、起動後の低負荷条件下で燃料を軽油から低質油燃料200aに切り替える燃料の切り替え操作を実施することも考えられるが、本実施例では低質油燃料200aの単独燃料によってガスタービンが起動可能な場合を想定している。
When the low-
次に上記したガスタービン燃焼器3を備えたガスタービン発電プラント1の運転方法について説明する。
Next, the operation method of the gas
図1において、ガスタービン発電プラント1を始動する場合には、起動用モーター8などの外部動力によって空気圧縮機2とタービン4を一体に回転させ、この空気圧縮機2で圧縮されて燃焼用空気系統102を通じてガスタービン燃焼器3に供給された吐出空気102aと、低質油燃料系統200を通じてガスタービン燃焼器3の燃料噴霧ノズル装置60に供給された低質油200aをガスタービン燃焼器3の燃焼室3aに噴出させて低質油燃料200aに着火して燃焼させる。
In FIG. 1, when starting the gas
そして、ガスタービン燃焼器3の燃焼室3aの内部で低質油燃料200aを燃焼させて発生した燃焼ガス110aは燃焼ガス流路110を通じてタービン4に供給され、この供給された燃焼ガス110aによってタービン4を駆動する。
The combustion gas 110a generated by burning the low
ガスタービン燃焼器3の燃焼室3aで燃焼させる低質油燃料200aの供給流量の増加に伴って燃焼室3a内では低質油燃料200aの燃焼で発生する燃焼ガス110aの流量が増加し、この燃焼ガス110aによって駆動されるタービン4が昇速する。
As the supply flow rate of the low
タービン4が昇速して所望の回転数に昇速すると起動用モーター8が離脱するによりガスタービン発電プラント1は自立運転に入り、無負荷の定格回転数に達する。
When the
ガスタービン発電プラント1が無負荷の定格回転数に到達した後に発電機6を併入して発電を開始するが、更にガスタービン燃焼器3に供給する低質油燃料200aの流量を増加によりガスタービン燃焼器3で発生させる燃焼ガス110aの流量も増加させて、タービン4で駆動させる発電機6の負荷を所望の負荷まで上昇させる発電を行う。
After the gas
また、発電機6の負荷併入後は、燃焼ガス110aに含まれるNOx等の濃度を低減させる環境対応のためにガスタービン燃焼器3の燃焼室3aに蒸気噴射系統104を通じて導いた噴射蒸気104aを噴射するように構成している。
In addition, after loading the
ガスタービン燃焼器3の頭部に備えられた燃料噴霧ノズル装置60は、燃料噴霧ノズル装置60の先端部の外周側にスワラー52を設けてあり、ガスタービン燃焼器3に空気圧縮機2から供給された燃焼用空気102aの一部を圧力バランスによって導いて燃料噴霧ノズル装置60の外周側に環状に設けた前記スワラー52で燃焼室3aに供給される燃焼用空気102aに対して旋回流をかけて燃焼室3a内に供給し、燃焼室3aの内部で低質油燃料200aが燃焼して形成する火炎81を保持させるための循環流を生じさせる構造となっている。
The fuel
ガスタービン燃焼器3に供給する噴射蒸気104aは、蒸気噴射系統104に設置した遮断弁301を通過し、蒸気流量調節弁302にて適正な流量に調節された後に空気圧縮機2から燃焼用空気系統102を通じてガスタービン燃焼器3の外筒10と燃焼室ライナー11との間の空気流路を流下する燃焼用空気102a中に該噴射蒸気104aを注入して混合させる。
The injected steam 104 a supplied to the
この噴射蒸気104aが注入された燃焼用空気102aは燃料噴霧ノズル装置60に設けたスワラー52を通じてガスタービン燃焼器3の燃焼室3aに流入する。
The
噴射蒸気104aが混合された燃焼用空気102aは空気中の酸素濃度が低下するので、ガスタービン燃焼器3の燃焼室3a内にて低質油燃料200aをこの低酸素濃度空気で燃焼することで燃焼室3a内に形成される火炎81の温度を低下させて、発生するNOx濃度を抑制することが可能となる。
Since the
一方、低質油燃料200aの微粒化に必要な空気は、圧縮機2の吐出空気を昇圧圧縮機14によって所定の圧力まで昇圧し、この昇圧した空気を噴霧空気系統103を通じてガスタービン燃焼器3の燃料噴霧ノズル装置60に噴霧空気103aとして供給する。
On the other hand, the air necessary for atomization of the low-
そしてこの噴霧空気103aは、噴霧空気系統103に設置した圧力調節弁15によってガスタービン燃焼器3の燃料噴霧ノズル装置60を流れる低質油燃料200aの圧力と噴霧空気103aの供給圧力の比率が一定となるように制御される。
The
次に図1に示した本実施例のガスタービン燃焼器5に設置された燃料噴霧ノズル装置60の部分拡大断面図を図2に示し、図2に示した燃料噴霧ノズル装置60の正面図を図3に示す。
Next, a partially enlarged cross-sectional view of the fuel
図1乃至図3に示したガスタービン燃焼器3の燃料噴霧ノズル装置60において、燃料噴霧ノズル装置60に外部の低質油燃料系統200を介して供給された低質油燃料200aは、燃料噴霧ノズル装置60を構成するノズルボディ61の内側に形成した燃料流路201を通じて燃料噴霧ノズル装置60の内部に導かれ、圧力バランスによってこの燃料流路201から分配された低質油燃料200aを流下させる分配燃料流路202を内部に形成した複数個、例えば4個設置された噴霧ノズル72から燃焼室3aに噴出される。
In the fuel
また、燃料噴霧ノズル装置60に外部の噴霧空気系統103を介して供給された噴霧空気103aは、燃料噴霧ノズル装置60を構成するノズルボディ61の内側に形成した噴霧空気流路203を通じて燃料噴霧ノズル装置60の内部に導かれ、圧力バランスによってこの噴霧空気流路203から分配された噴霧空気103aを流下させる分配噴霧空気流路204を内部に形成した前記の4個の噴霧ノズル72から燃焼室3aに噴出される。
Further, the
燃料噴霧ノズル装置60の内部に4個設けられた噴霧ノズル72には、その軸心側に低質油燃料200aを噴射する燃料ノズル70が設置され、この燃料ノズル70の外周側に低質油燃料200aを微細化する噴霧空気103aを噴射する噴霧空気供給ノズル71が設置された構成となっている。
Four
この燃料ノズル70の内部には分配燃料流路202が形成されていて、燃料噴霧ノズル装置60に形成した燃料流路201から分配された低質油燃料200aを流下させて噴霧ノズル72から燃焼室3aに噴出させるようになっている。
A
また、この噴霧空気供給ノズル71の内部には分配噴霧空気流路204が形成されていて、燃料噴霧ノズル装置60に形成した噴霧空気流路203から分配された噴霧空気103aを流下させて噴霧ノズル72から燃焼室3aに噴出させるようになっている。
Further, a distribution spray
そして、燃料ノズル70と噴霧空気供給ノズル71との双方を備えたこの噴霧ノズル72では、燃料ノズル70から噴射される低質油燃料200aに対して噴霧空気供給ノズル71から噴射される噴霧空気103aの相対速度によって、噴出した低質油燃料200aに対して噴霧空気103aによるせん断力を発生させて低質油燃料200aを微粒化し、この噴霧ノズル72から微細化した低質油燃料200aをガスタービン燃焼器3の燃焼室3aの内部に噴霧させる。
In this
燃料噴霧ノズル装置60の噴霧ノズル72から燃焼室3aの内部に噴霧された微細化した低質油燃料200aは、燃焼室3aの内部で蒸発・気化して燃焼し火炎81を形成するが、この火炎81は複数個設置された噴霧ノズル72の数に応じて燃焼室3a内に形成される。
The refined low
また燃料噴霧ノズル装置60には、4個設置した噴霧ノズル72の内周側の中心部に設けた燃焼空気孔65から噴霧空気103aの一部を燃焼室3a内の軸心に沿って噴出させることにより、噴霧された低質油燃料200aの近傍に噴霧空気103aを供給して、噴霧ノズル72の近傍で煤塵が発生することを抑制している。
Further, in the fuel
即ち、燃料噴霧ノズル装置60に外部の噴霧空気系統103を介して供給された噴霧空気103aは、燃料噴霧ノズル装置60を構成するノズルボディ61の内側に形成した噴霧空気流路203を通じて燃料噴霧ノズル装置60の内部に導かれる。
That is, the
該燃料噴霧ノズル装置60の内部には噴霧空気流路203から分配された噴霧空気103aを流下させる分配噴霧空気流路205が形成されており、圧力バランスによって噴霧空気流路203から分配された噴霧空気103aを分配噴霧空気流路205を通じて流下させている。
In the fuel
この分配噴霧空気流路205は噴霧ノズル72の内周側となる燃料噴霧ノズル装置60の半径方向中心部に設けた燃焼空気孔65に連通するように形成されることによって、燃焼空気孔65から噴霧空気103aの一部を燃焼室3a内の軸心に沿って噴出させている。
The distribution spray
前記した燃料噴霧ノズル装置60を備えたガスタービン燃焼器3を採用したことによって、燃焼室3a内で供給された低質油燃料200aが燃焼する際に煤塵の発生を抑制、或いは煤塵濃度を大幅に低減できる理由について以下に説明する。
By adopting the
ガスタービン燃焼器3の燃焼室3a内では、燃料噴霧ノズル装置60から噴霧された低質油燃料200aの燃料濃度は燃焼室3aの軸心近傍の領域の方が半径方向外方側と比較して燃料濃度が高くなるので、軸心近傍の領域の酸素濃度は逆に半径方向外方側のそれよりも低くなる。
In the
この状態で燃焼室3a内で噴霧された低質油燃料200aを燃焼させた場合は、燃料濃度が高く酸素濃度が低い燃焼室3a内の軸心近傍の領域から煤塵が多量に発生することになる。
When the low
従って、低質油燃料200aの燃焼時に煤の発生を抑制するために、燃料噴霧ノズル装置60の先端部の半径方向中心部に設けた燃焼空気孔65から噴霧空気103aを燃焼室3a内の軸心近傍の領域に供給することによって、この軸心近傍の領域の状況は燃料濃度を下げて酸素濃度が増加する状態に改善される。
Therefore, in order to suppress the generation of soot during combustion of the low-
この結果、燃焼室3a内で噴霧された低質油燃料200aを燃焼させた場合でも、煤塵の発生を抑制、或いは大幅に低減させることが可能となる。
As a result, even when the low
そして、上記した構造のガスタービン燃焼器3に供給される低質油燃料200aの流量を増加させて該ガスタービン燃焼器3で発生する燃焼ガス110aを増加させ、この燃焼ガス110aでタービン4を駆動して発電機6の負荷を増加させていき、最終的にはガスタービン発電プラント1を定格負荷に到達させる。
The flow rate of the low-
発電機6の負荷上昇に伴ってガスタービン燃焼器3の燃焼室3a内の圧力も上昇するので、このガスタービン燃焼器3の圧力等の状態の変化に応じてガスタービン燃焼器3の燃料噴霧ノズル装置60に供給される噴霧空気103aの流量、即ち噴霧空気103aの供給圧力も前記の状態の変化に対応した必要な条件となるように運転制御する。
As the load on the
本実施例のガスタービン燃焼器3に設けた燃料噴霧ノズル装置60においては、燃料噴霧ノズル装置60に噴霧ノズル72を複数個設置させ、これらの噴霧ノズル72は軸心側に低質油燃料200aを噴射する燃料ノズル70と、燃料ノズル70の外周側に低質油燃料200aを微細化する噴霧空気103aを噴射する噴霧空気供給ノズル71とを備えた構成としたことから、燃焼室3aの内部には複数個の噴霧ノズル72から夫々噴射された低質油燃料200aによって複数の火炎81を形成することになる。
In the fuel
この噴霧空気供給ノズル71の噴霧空気103aを流下させる流路の途中には旋回器71bが設置されており、流下する噴霧空気103aに旋回を与えることができる。
A
上記したようにガスタービン燃焼器3に設ける燃料噴霧ノズル装置60を構成したことによって、燃料噴霧ノズル装置60から燃焼室3aの内部に噴射された低質油燃料200aが燃焼して形成する隣り合う火炎81に接する該燃焼室3a内の領域では温度の低下が少なくなるので、燃焼室3aの内部に噴射された低質油燃料200aの液滴の蒸発が更に促進され、燃焼室3a内で低質油燃料200aが燃焼して形成する火炎81をより良好に形成させることが可能になる。
By configuring the fuel
また、燃料噴霧ノズル装置60に燃料ノズル70と噴霧空気供給ノズル71を備えた構成の噴霧ノズル72を複数個、本実施例では4個設けたことによって、噴霧ノズル72の1個当たりの低質油燃料200aの燃料流量を減少できるので燃焼室3a内に形成される火炎81の長さを短くすることができる。
Further, the fuel
この結果、燃料噴霧ノズル装置60から燃焼室3a内に噴霧された低質油燃料200aが燃焼室3aの軸心方向に到達する位置が形成される火炎81の長さの短縮に伴なって燃料噴霧ノズル装置60側により近くシフトするため、この長さが短くなった火炎81の後方の下流側におけるセノスファの粒子が燃焼するセノスファの反応時間を十分に確保することが可能となり、煤塵の発生を抑制、或いは低減することができる。
As a result, the fuel spray is accompanied by the shortening of the length of the
残留炭素を含む低質油燃料200aを燃焼させた際に残留炭素分の一部がセノスファ粒子を経て煤塵となるので、火炎81の長さをの短縮させて該火炎81の後方の下流側のセノスファの粒子が燃焼するセノスファの反応時間を確保するようにすれば、セノスファ粒子が燃焼するので発生する煤塵を従来に比較して約50%程度に減少できることになる。
When the low-
燃料噴霧ノズル装置60では、噴霧空気103aも噴霧空気流路203及び分配噴霧空気流路204を通じてボディー61内で圧力バランスによって4個設置された噴霧ノズル72に供給される噴霧空気103aと、噴霧空気流路203及び分配噴霧空気流路205を通じて燃料噴霧ノズル装置60の先端部に形成した煤発生を抑制する燃焼空気孔65に供給される噴霧空気103aとに分配される。
In the fuel
前述したように4個設置された噴霧ノズル72では、噴霧ノズル72に低質油燃料200aを噴出する軸心側に設置した燃料ノズル70と、燃料ノズル70の外周側に噴霧空気103aを噴出する噴霧空気供給ノズル71とを備えさせた構成にしたことによって、低質油燃料200aとの相対速度によりこの低質油燃料200aに対して噴霧空気供給ノズル71から噴射する噴霧空気103aによるせん断力が加わった結果、燃料ノズル70から噴出する低質油燃料200aが微粒化される。
As described above, in the four
そしてこの微粒化された低質油燃料200aが噴霧ノズル72の先端から燃焼室3aの内部に噴射される。
The atomized low
即ち、燃料噴霧ノズル装置60に燃料ノズル70と噴霧空気供給ノズル71とを備えさせた構造の噴霧ノズル72を複数設けることで、微粒化用の噴霧空気103aと低質油燃料200aの相対速度は確保しつつ、噴霧ノズル72の1個当たりの低質油燃料200aの燃料流量が減少するので燃焼室3a内で低質油燃料200aが燃焼して形成される火炎81の長さを短くすることができる。
That is, by providing a plurality of
この火炎81の長さの短縮によって、噴霧される低質油燃料200aの燃焼室3aの軸心方向に到達する位置が燃料噴霧ノズル装置60側により近くシフトするため、低質油燃料200aが燃焼して形成する火炎81の後方の下流側におけるセノスファの粒子が燃焼するセノスファの反応時間を十分に確保することが可能となり、煤塵の発生を抑制、或いは大幅に低減することができる。
By shortening the length of the
図3には燃料噴霧ノズル装置60の正面図を示しているが、燃料噴霧ノズル装置60には燃料ノズル70と噴霧空気供給ノズル71とを備えた構造の4個の噴霧ノズル72を周方向に均等に配置しており、煤抑制のための燃焼空気孔65は燃料噴霧ノズル装置60の先端部の半径方向中心部の近傍に形成してある。
FIG. 3 shows a front view of the fuel
また、環状に配置した4個の噴霧ノズル72の外周側となる燃料噴霧ノズル装置60の先端部には燃焼室3aに供給される燃焼用空気102aに燃焼室3a内で低質油燃料200aの燃焼火炎を保持させるための旋回流を生じさせるスワラー52が配置されている。
Further, the
燃料噴霧ノズル装置60の噴霧ノズル72から噴出された低質油燃料200aは、燃料噴霧ノズル装置60の外周側に設けた空気旋回器52から供給される燃焼用空気102aと混合して燃料噴霧ノズル装置60の先端からガスタービン燃焼器3の燃焼室3aの内部に噴射されて燃焼するが、この空気旋回器52により燃焼室3aに供給された燃焼用空気102aの旋回流によって、燃焼室3aの内部で燃料噴霧ノズル装置60の先端近傍に低速域となる循環流を形成することで低質油燃料200aが燃焼して形成する火炎81を保炎している。
The low
燃料噴霧ノズル装置60に円環状に4個配置された噴霧ノズル72の内周側に面した燃焼室3a内では、噴霧ノズル72の燃料ノズル70から噴霧した低質油燃料200aの燃料濃度が高くなる。
The fuel concentration of the low
よって燃料噴霧ノズル装置60の先端部の半径方向中心部に形成した燃焼空気孔65から燃焼室3a内の軸心方向に噴霧用空気103aを供給して酸素の濃度を増加させて燃焼室3a内の軸心部での燃料濃度が低くなるように改善したので、煤塵の生成を抑制することができる。
Therefore, the atomizing
煤塵抑制のための噴霧空気103aは、燃料噴霧ノズル装置60の内部において、通常の燃焼用空気102aよりも供給圧力の高い噴霧空気103aから圧力バランスによって分配された噴霧空気103aを使用するため、噴霧空気103aを噴出させる燃焼空気孔65や燃焼用空気102aを供給するための流路面積を大きくする必要もなく、従来の燃料噴霧ノズル装置60と同等の大きさで煤塵抑制の燃焼用空気103aを供給することが可能である。
Since the
次に、図4にガスタービン燃焼器3で使用される燃料に含まれる残留炭素と、この燃料を燃焼させた際に発生する燃焼ガス中の煤塵濃度との関係を示す。
Next, FIG. 4 shows the relationship between the residual carbon contained in the fuel used in the
この図4は同一のガスタービンの負荷条件において燃料中の残留炭素による煤塵濃度の変化を示しており、図4から燃料中の残留炭素濃度の増加に伴って発生する燃焼ガス中の煤塵濃度が高くなるのがわかる。 FIG. 4 shows the change in the soot concentration due to the residual carbon in the fuel under the same gas turbine load condition. From FIG. 4, the soot concentration in the combustion gas generated as the residual carbon concentration in the fuel increases. You can see it gets higher.
ここで燃料中の残留炭素濃度の増加に伴なって発生する燃焼ガス中の煤塵濃度が高くなる理由は、残留炭素の一部がガスタービン燃焼器3の燃焼室3aに噴霧した燃料の液滴の表面に殻を形成するため、通常の燃料の液滴に比べて液滴の蒸発・気化に時間がかかること、さらには、液滴が蒸発した後にセノスファが残り、残ったセノスファがガスタービン燃焼器3の出口においても燃え切らずに残留することが原因と考えられる。
Here, the reason why the concentration of soot in the combustion gas generated with the increase in the residual carbon concentration in the fuel is high is that a part of the residual carbon is sprayed on the
但し、一旦発生したセノスファも該セノスファが燃焼する時間を確保することで消滅する性質を持っている。 However, once the cenosphere is generated, the cenosphere has the property of disappearing by securing the time for the cenosphere to burn.
図5に燃料が燃焼して燃焼室3a内に滞留する燃焼ガスの滞留時間と、燃焼ガス中の煤塵濃度との関係を示す。
FIG. 5 shows the relationship between the residence time of the combustion gas in which the fuel burns and stays in the
この図5は、通常のガスタービン燃焼器3の長さを基準とし、ガスタービン燃焼器3の空気配分や燃焼空気孔の位置を変えることなくガスタービン燃焼器3の燃焼室の長さを長くしたときの燃焼器出口における煤塵濃度の変化の状況を、燃焼室3a内における燃焼ガスの滞留時間で表わしたものである。
FIG. 5 is based on the length of a normal
図5にガスタービン燃焼器3の燃焼室3aにおける燃焼ガスの滞留時間と煤塵濃度の関係を示したように、燃焼器出口の基準位置で測定した煤塵濃度に比べて、燃焼ガスの滞留時間を長くするほど発生する煤塵濃度が低下する傾向にあるのがわかる。
As shown in FIG. 5, the relationship between the residence time of the combustion gas in the
これは、燃焼ガスの滞留時間を長くとることで燃焼によって発生したセノスファの反応に必要な時間を確保できるためと考えられる。 This is considered to be because the time required for the reaction of senospha generated by combustion can be secured by increasing the residence time of the combustion gas.
また、セノスファはガスタービン燃焼器3の希釈空気を供給した燃焼器出口温度に近い条件でも反応することがわかっている。燃焼器出口近傍の温度は、NOxが生成するといわれている1500℃よりも低い温度となっており、燃焼器出口近傍で燃焼ガスの滞留時間を確保することは、NOxを増加させることなく煤塵の濃度を低減するのに有効である。
Further, it has been found that senospha reacts even under conditions close to the combustor outlet temperature supplied with the diluted air of the
以上の説明から、燃焼器出口近傍で燃焼ガスの滞留時間を十分に確保することは、セノスファの低減に重要であることが理解できる。 From the above description, it can be understood that securing sufficient residence time of the combustion gas in the vicinity of the combustor outlet is important for the reduction of cenosphere.
逆に言えば、煤塵の濃度を低減させるために燃焼器出口近傍で燃焼ガスの滞留時間を確保するには、ガスタービン燃焼器3の燃焼室3a内に燃料噴霧ノズル装置60から噴霧された低質油燃料200aが燃焼して形成される火炎81の長さを短縮すれば、この長さが短縮した火炎81の後部の下流側にセノスファの粒子が燃焼するセノスファの反応領域を作り出して、燃焼器出口近傍での燃焼ガスの滞留時間を十分に確保できることを意味する。
In other words, in order to ensure the residence time of the combustion gas in the vicinity of the combustor outlet in order to reduce the concentration of dust, the low quality sprayed from the fuel
以上説明したように、本実施例のガスタービン燃焼器3では、燃料多様化の一環として軽油やA重油よりも残留炭素が多い低質油燃料200aを燃料として使用するためにガスタービン燃焼器3に設置した燃料噴霧ノズル装置60には低質油燃料200aを燃焼室3a内に噴射する燃料ノズル70と、燃料ノズル70の外周側に低質油燃料200aを微細化する噴霧空気103aを噴射する噴霧空気供給ノズル71とを備えた噴霧ノズル72を複数個設置させている。
As described above, in the
更に燃料噴霧ノズル装置60の先端部の半径方向中心部には噴霧空気を燃焼室3a内の軸心方向に噴出する燃焼空気孔65を、燃料噴霧ノズル装置60の先端部の外周側には燃焼用空気を旋回させるスワラー52を夫々設けることにより、燃焼室3aの内部に低質油燃料200aが燃焼した複数の火炎81を形成することで、隣り合う火炎81と接する燃焼室3a内の領域の温度低下を少なくして低質油燃料200aの液滴の蒸発を促進させている。
Further, a
また、燃料を噴霧する噴霧ノズル72を複数個設けたことから、1個当たりの噴霧ノズル72が負担する低質油燃料200aの燃料流量を減少するために、燃焼室3aの内部に噴霧された低質油燃料200aの到達位置が燃料噴霧ノズル装置60側にシフトし、火炎81の長さを短くすることが可能となる。
Further, since a plurality of
また、複数設けた噴霧ノズル72の内周側となる燃料噴霧ノズル装置60の先端部の半径方向中心部に噴霧空気103aを燃焼室3aの軸心方向に噴出させる燃焼空気孔65を設けたことで、火炎81の近傍となる燃焼室3aの軸心部の燃料過濃域を改善して煤の生成を抑制する。
In addition, a
前述したように燃焼室3a内に形成する火炎81の長さを短くすることによって、燃焼室3a内で低質油燃料200aの燃焼によって一旦発生したセノスファ(残留炭素由来の煤塵)も火炎81の後方部の下流側における高温の燃焼ガス雰囲気下でセノスファの粒子が燃焼するセノスファの反応時間を十分に確保することが可能となり、煤塵の発生を抑制、或いは大幅に低減することができる。
As described above, by shortening the length of the
したがって低質油燃料200aを燃料に使用した場合でも、ガスタービン燃焼器3の長さを大きくせずに燃料が燃焼時に発生する煤塵濃度を抑制或いは低減することが可能となる。
Therefore, even when the low-
本発明の実施例によれば、低質油をガスタービン燃焼器の燃料として使用した場合にガスタービンの作動負荷範囲で燃焼安定性を確保すると共に、低質油の燃焼時に発生する煤塵濃度を低減するガスタービン燃焼器が実現できる。 According to an embodiment of the present invention, when low quality oil is used as a fuel for a gas turbine combustor, combustion stability is ensured in the operating load range of the gas turbine, and the concentration of dust generated during combustion of the low quality oil is reduced. A gas turbine combustor can be realized.
本発明は残留炭素を含む低質油燃料を使用する場合に煤塵の発生を低減させたいガスタービン燃焼器に適用可能である。 The present invention is applicable to a gas turbine combustor that wants to reduce the generation of soot when using a low quality oil fuel containing residual carbon.
1:ガスタービン発電プラント、2:空気圧縮機、3:ガスタービン燃焼器、3a:燃焼室、4:タービン、6:発電機、8:起動用モーター、10:外筒、11:燃焼室ライナー、14:昇圧圧縮機、15:圧力調節弁、52:スワラー、60:燃料噴霧ノズル装置、61:ノズルボディ、65:燃焼用空気孔、70:燃料ノズル、71:噴霧空気供給ノズル、72:噴霧ノズル、81:火炎、102:燃焼用空気系統、102a:燃焼用空気、103:噴霧空気系統、103a:噴霧空気、104:噴射蒸気系統、104a:噴射蒸気、110:燃焼ガス流路、110a:燃焼ガス、200:低質油燃料系統、200a:低質油燃料、201:燃料流路、202:分配燃料流路、203:噴霧空気流路、204、205:分配噴霧空気流路、301:遮断弁、302:流量調節弁。 1: Gas turbine power plant, 2: Air compressor, 3: Gas turbine combustor, 3a: Combustion chamber, 4: Turbine, 6: Generator, 8: Motor for start-up, 10: Outer cylinder, 11: Combustion chamber liner 14: Booster compressor, 15: Pressure control valve, 52: Swirler, 60: Fuel spray nozzle device, 61: Nozzle body, 65: Combustion air hole, 70: Fuel nozzle, 71: Spray air supply nozzle, 72: Spray nozzle, 81: flame, 102: combustion air system, 102a: combustion air, 103: spray air system, 103a: spray air, 104: spray steam system, 104a: spray steam, 110: combustion gas flow path, 110a : Combustion gas, 200: Low quality oil fuel system, 200a: Low quality oil fuel, 201: Fuel flow path, 202: Distribution fuel flow path, 203: Spray air flow path, 204, 205: Distribution spray air flow , 301: shutoff valve, 302: flow rate control valve.
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