JP5610446B2 - ガスタービン燃焼器 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービン燃焼器、特に、バーナを複数個配置したマルチバーナ形式のガスタービン燃焼器の煤塵発生量を低減できる液体燃料および気体燃料の両方に対応したデュアル燃料焚きガスタービン燃焼器に関する。

近年の発電事業では電力需要の逼迫により、燃料の供給が比較的容易な液体燃料など多様な燃料を使用するニーズが増えており、液体燃料用燃焼器を適用するガスタービン発電設備が望まれている。

地球環境保護の観点からガスタービン燃焼器の排ガスに対するＮＯｘ、煤塵等の環境規制は厳しさを増している。環境規制を満たす一手段として、液体燃料を空気と予め混合してから燃焼する予蒸発予混合燃焼方式がある。その一例として、特許文献１には、中空円錐状の混合室を持つ拡散燃焼バーナを中央に配置し、その外周に燃料と燃焼用空気を混合する円筒状の混合室を備えた複数の予混合燃焼バーナを配置するガスタービン燃焼器が開示されている。

前記拡散燃焼バーナには燃焼用空気に旋回を与える空気孔が配設され、高温の燃焼ガスを外周方向に広げることで予混合燃焼バーナの着火源として作用させ、予混合燃焼バーナの燃焼安定性を向上させている。

前記予混合燃焼バーナは、略軸中心に液体燃料ノズルを配置し、液体燃料ノズルの下流側に混合室を設け、その混合室壁に複数列の円筒状の空気孔を設けた構造である。前記液体燃料ノズルから噴射される液体燃料は、混合室内で蒸発して空気と混合することで予蒸発予混合燃焼し、ＮＯｘおよび煤塵排出量の低減を実現できる。

特開２０１０−２３６７３９号公報

マルチバーナ形式のガスタービン燃焼器では、燃料供給量が少ないガスタービンの起動・昇速や低負荷条件では燃料を供給するバーナを限定し、定格に近い負荷条件で全てのバーナに燃料を供給する運用が行われる。特に燃料流量が少ない低負荷条件では拡散燃焼バーナにのみ燃料を供給することで、燃焼ガスの平均温度が低くても燃焼安定性を確保している。しかし、燃料流量が少ない条件や、液体燃料ノズルの微粒化特性の悪い条件では、燃焼の反応速度が低下し、燃焼に要する時間が長くなる。また、液体燃料噴霧角が狭い場合、燃焼用空気の流れに液体燃料が巻き込まれず、液体燃料の液滴の周囲に燃焼に必要な酸素が供給されず、燃焼反応の進行が遅くなる可能性がある。さらに、予混合燃焼バーナに燃料を供給しないときは、予混合燃焼バーナから噴出する燃料用空気により拡散燃焼バーナの燃焼ガスが冷却され、燃焼反応が緩慢になりやすい。これらは煤塵発生の要因となることから、特に低負荷条件での煤塵低減技術が求められている。

本発明の目的は、ガスタービン燃焼器の燃焼安定性を維持しつつ、煤塵の放出量を低減可能な信頼性の高いガスタービン燃焼器を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、液体燃料を混合室に噴出する液体燃料ノズルと、前記混合室を内側に形成する円錐プレートと、前記混合室から流入する燃料を燃焼させる燃焼室と、前記円錐プレートに設けられた複数の空気孔と、前記液体燃料ノズルの周囲に燃焼用空気を噴出する空気孔と、前記円錐プレートに形成された突起部と、該突起部によって形成される断面積が極小値を持つ流路とを有し、燃焼用空気を導入するための空気孔が、前記突起部に設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、ガスタービン燃焼器の燃焼安定性を維持しつつ、煤塵の放出量を低減可能な信頼性の高いガスタービン燃焼器を提供できる。

本発明に関わる実施例１におけるガスタービン燃焼器の拡散燃焼バーナ構造を示す図である（実施例１）。 本発明に関わる実施例１におけるガスタービン燃焼器の構成を示す断面図及びガスタービン発電プラントの全体構成を概略的に示す概略構成図である。 本発明に関わる実施例２におけるガスタービン燃焼器の構成を示す断面図及びガスタービン発電プラントの全体構成を概略的に示す概略構成図である。 本発明に関わるガスタービン燃焼器の実施例２の拡散燃焼バーナ近傍の流れを示す図である。

以下、本発明を用いた液体燃料を燃料として使用するガスタービン燃焼器の実施例について、図面を参照して説明する。

なお、以下に示す本発明の実施例は、拡散燃焼バーナの中心に配置した液体燃料ノズル先端の燃焼室側に流路断面積をその上流より縮小するための突起部を有し、前記突起部に燃焼用空気を導入するための空気孔を備えている。そして、本発明の実施例によれば、燃焼器ガスタービン燃焼器から排出される未燃分、特に液体燃料を燃料とする場合の煤塵の排出量を低減するガスタービン燃焼器を提供できる。

本発明の実施形態の一例である液体燃料を使用できるガスタービン燃焼器について図１および図２により説明する。図２は、ガスタービン燃焼器の構成を断面図で示すと共に、ガスタービン燃焼器を備えるガスタービンシステムの構成図である。図２により本実施例のガスタービンシステムの概略構成を説明する。

本実施例に示すガスタービンシステムは、液体燃料をガスタービンの燃料とするガスタービン発電プラントの一部である。ガスタービン発電プラントは主として、空気を圧縮して高圧の燃焼用空気３００を生成する圧縮機１と、この圧縮機１から導入される燃焼用空気３００と燃料とを混合して燃焼ガス４００を生成するガスタービン燃焼器３と、燃焼ガス４００を供給するタービン２と、このタービン２の回転によって駆動され発電を行う発電機４とを備えている。

上記のガスタービン燃焼器３は、燃料として液体燃料１００が供給可能であり、液体燃料１００を微粒化して噴射するために噴霧空気３５０を供給できる構成となっている。噴霧空気３５０は圧縮機１から抽気して熱交換器３０で冷却した後、噴霧空気圧縮機３１で昇圧され液体燃料ノズル１２に供給される。ガスタービン燃焼器３では液体燃料１００と圧縮機１から供給される燃焼用空気３００とを混合して、内筒７に形成される燃焼室６で燃焼させ高温の燃焼ガス４００を生成させる。前記内筒７を内部に収容した外筒５と、この外筒５の端部を覆う閉止板９と、前記内筒７の下流側に接続して生成した高温の燃焼ガス４００をタービン２に導くトランジションピース８とで密閉した圧力容器を構成している。

前記ガスタービン燃焼器３に備えられた内筒７の上流側の軸中心位置には、燃焼安定性の良い拡散燃焼バーナ１０が設置され、その周囲には予混合燃焼バーナ１１が複数個配置される。予混合燃焼バーナ１１の外周側には、拡散燃焼バーナ１０と予混合燃焼バーナ１１を囲鐃するバーナカバー２１が配置され、バーナカバー２１の下流端には拡散燃焼バーナ１０と予混合燃焼バーナ１１を支持するためのプレート１９がバーナカバー２１と一体となって配置されている。

ガスタービン燃焼器３に備えられた予混合燃焼バーナ１１には、予混合燃焼バーナ１１の上流側軸中心位置に液体燃料１００を供給するための液体燃料ノズル１３が設置される。液体燃料ノズル１３から噴射された液体燃料１００は、混合室１１ａ内で予混合燃焼バーナ１１の壁面に設けられた複数の空気孔１６から流入する燃焼用空気３００と混合しながら燃焼室６へ噴出する。液体燃料１００の蒸発・混合が混合室１１ａで促進されるため、未燃分が少ない燃焼が可能となる。

拡散燃焼バーナ１０は、内側に混合室１０ａを形成する中空円錐形状の円錐プレート１０ｂが設置された構造であり、この円錐プレート１０ｂの壁面には燃焼用空気３００を混合室１０ａに噴出するための複数個の空気孔１５が配設されている。前記拡散燃焼バーナ１０の軸中心位置には、拡散燃焼用の液体燃料１００を噴射する液体燃料ノズル１２が配置されており、中心から液体燃料１００が噴射され、その周囲から噴霧空気３５０が供給されることで燃料が微粒化される。液体燃料１００は燃焼用空気３００と混合室１０ａで混合しながら燃焼室６へ流入して燃焼し、高温の燃焼ガス４００となりタービン２を駆動する。

次に、本発明のガスタービン燃焼器を備えたガスタービンシステムの燃料供給系統および運転方法を説明する。

液体燃料タンク１１０に貯蔵された液体燃料１００は加圧ポンプ１０１で昇圧され、液体燃料供給系統１２０と液体燃料供給系統１２１から閉止板９を介し拡散燃焼バーナ１０および予混合燃焼バーナ１１に供給される。燃料流量は、ガスタービンの負荷に応じて制御する構成となっており、ガスタービンを起動から昇速させて低負荷条件で運転する場合には液体燃料１００を拡散燃焼バーナ１０のみに供給して単独で運転させる。ガスタービンの高負荷条件では燃料流量が増加するため、拡散燃焼バーナ１０に加えて、予混合燃焼バーナ１１にも液体燃料１００を供給する。拡散燃焼と予混合燃焼の燃料流量の比率は、低ＮＯｘと安定燃焼の両立を図るように制御する。

上記の構成を持つガスタービン燃焼器の拡散燃焼バーナの構造を図１で説明する。
拡散燃焼バーナ１０の軸中心位置には液体燃料１００を噴霧空気３５０で微粒化して燃焼室６へ噴射するための二流体噴霧方式の液体燃料ノズル１２が配置されている。液体燃料ノズル１２の周囲に設置した中空円錐形状の円錐プレート１０ｂには空気孔１５ａ、１５ｂ、１５ｃおよび１５ｄがそれぞれ周方向に複数個配設されている。各空気孔から供給された燃焼用空気３００は液体燃料ノズル１２から噴射された液体燃料１００と混合して混合気５０となり、燃焼室６で燃焼する。

液体燃料ノズル１２の先端周囲には、空気孔１５ａが円周方向に傾斜して配設されている。液体燃料ノズル１２の下流位置には円錐プレート１０ｂと一体となった突起部２５が設けられ、その中心に流路断面積が極小値を持つ流路２６が形成されている。突起部２５には流路２６へ燃焼用空気３００を供給するための空気孔１５ｂが配設され、空気孔１５ｂには周方向および軸方向に傾斜が与えられている。流路２６の出口は円錐プレート１０ｂに開口されており、流路２６を抜けると断面積が急拡大する形状となっている。燃焼室６に面した円錐プレート１０ｂには周方向および軸方向に傾斜した空気孔１５ｃ、１５ｄが配設されている。

上記の構造を持つ拡散燃焼バーナ１０近傍の流れとそれによる効果を説明する。
液体燃料ノズル１２から噴出する液体燃料１００及び噴霧空気３５０は各空気孔から供給される燃焼用空気３００と共に流路２６及び混合室１０ａを通り燃焼室６へ供給され燃焼ガス４００となる。

本実施例の拡散燃焼バーナ１０では、円錐プレート１０ｂに突起部２５を設け、液体燃料ノズル１２と混合室１０ａとの間に、断面積が極小値を持つ流路２６を形成している。流路２６には液体燃料ノズル１２の下流に生じる後流渦や突起部２５入口での燃焼用空気３００の収縮による剥離渦などの細かい乱れ構造を含んで流下する流れが形成される。混合室１０ａに噴出する液体燃料１００と燃焼用空気３００の混合気５０は、流路２６の狭い空間で限定されていた渦が大きく拡大して崩壊するにつれて、急速に混合される。

さらに、円周方向に傾斜した空気孔１５ａから供給された燃焼用空気３００は、液体燃料ノズル１２近傍で旋回流を形成する。流路２６では断面積が減少し、液体燃料ノズル１２から噴出した液体燃料１００と空気孔１５ａから供給された燃焼用空気３００の混合気５０の角速度は上昇する。大きな角速度を持った混合気５０は流路２６下流で壁の拘束がなくなると急速に外周方向に広がり、円錐プレート１０ｂに配設された空気孔１５ｃ、１５ｄから流入する燃焼用空気３００と衝突する。燃焼用空気３００との衝突により、液体燃料１００の液滴にせん断力が作用し微粒化が進行する。急拡大で急速混合し、燃焼用空気３００によるせん断力の作用で微粒化された液体燃料１００の液滴群内部に空気孔１５ｃ、１５ｄから流入する燃焼用空気３００が拡散するため、酸化反応が進行して燃え残りである煤塵の発生量を低減できる。

突起部２５が形成されていることによるもう一つの効果として、液体燃料ノズル１２と燃焼室６に形成される火炎との輻射伝熱量の減少による液体燃料ノズル１２の温度上昇防止がある。熱分解による液体燃料ノズル１２内でのコークス生成を予防できるため、燃料供給系統の閉塞のリスクを低減した信頼性の高い燃焼器が提供できる。

突起部２５が形成されていることによるさらにもう一つの効果として、流路断面積が極小となる流路２６内の流速を上昇させて周囲より圧力が低い領域を作るエジェクタ効果を生じさせ、空気孔１５ａおよび１５ｂから流入する燃焼用空気３００を増加させることがある。流路２６に液体燃料ノズル１２から液体燃料１００および噴霧空気３５０が高速で噴出することで、液体燃料１００の周囲に供給される燃焼用空気３００を増加させることができる。液体燃料１００の蒸発・混合が促進されるとともに、燃空比が低下して火炎温度の上昇箇所を少なくできるため、ＮＯｘ排出量を低減できる。

次に、空気孔１５ｂが突起部２５に設けられていることによる効果を説明する。空気孔１５ｂを突起部２５に設けることにより、燃焼用空気３００が突起部２５の表面を覆うように流入するため、流路２６への液体燃料１００の付着およびコークスの析出を防止できる。なお、空気孔１５ｂを軸方向、円周方向に傾けることで、流路２６への液体燃料１００の付着およびコークスの析出防止効果は更に向上する。また、液体燃料１００や噴霧空気３５０の流量増加に伴いエジェクタ効果も増大するため、空気孔１５ｂから流入する燃焼用空気３００の流量も増加する。これにより、突起部２５の表面を覆う燃焼用空気３００も増加するため、壁面に燃料が付着することによるコークスの生成を防止する効果も大きくなり、流路２６の断面積減少や閉塞による燃焼安定性の低下に起因したガスタービン燃焼器の信頼性低下を防止できる。

なお、本実施例では、液体燃料１００の噴射で液体燃料ノズル１２の下流に形成されるコーン形状の噴霧軌跡が流路２６の内面に衝突せず、かつ流路２６から最も離れた位置に液体燃料ノズル１２の先端が配置されている。高速で噴射される液体燃料１００の運動量を燃焼用空気３００に伝達することで、流路２６を通過する燃焼用空気３００の流速を上げてエジェクタ効果を得る。運動量の伝達が充分でない場合はエジェクタ効果が低下するため、液体燃料ノズル１２を流路２６から離して設置することで運動量伝達の時間を長くし、流路２６での燃焼用空気３００の平均流速を上げ、エジェクタ効果を増加する。これにより液体燃料１００の蒸発・混合時間も長くなり、促進されるため、局所的な火炎温度の上昇箇所を少なくできＮＯｘ排出量を低減できる。

以上のように、本実施例の構成では、液体燃料の微粒化および液体燃料と燃焼用空気との混合が促進されるため煤塵のような大気汚染物質の発生量を低減できる。また、突起部２５の表面へのコークス生成を防止できるため、信頼性の高いガスタービン燃焼器を提供できる。さらに、液体燃料ノズルの先端やその上流でコークスが生成して燃料が供給不能となる可能性を低減し、信頼性が高い燃焼器を提供できる。

液体燃料の流量が増加するほど液体燃料の周囲に流入する燃焼用空気の流量が増加傾向になるため燃焼温度が低下傾向となり、燃料の予蒸発を促進することで局所の燃焼温度を低下しＮＯｘ排出量の増加を抑制できる。

なお、本実施例では噴霧空気を用いる二流体噴霧方式の液体燃料ノズルを用いて説明したが、渦巻噴射弁方式のような一流体ノズルを用いても効果が期待できる。

本発明の実施形態の一例である液体燃料と気体燃料の両方を燃料として使用できるデュアル燃料対応のガスタービン燃焼器について、図３を用いて説明する。本実施例のガスタービン発電プラントは図２に示した構成に加えて、ガスタービン燃焼器３に気体燃料２００を供給可能にした構成であり、相違箇所について説明する。

本発明のガスタービン燃焼器を備えたガスタービンシステムの燃料供給系統は、実施例１に示した液体燃料１００を供給するための液体燃料供給系統１２０、１２１に加えて、気体燃料２００を気体燃料タンク２１０から供給するための気体燃料供給系統２２０、２２１を備えている。それぞれの系統は閉止板９に接続され、拡散燃焼バーナ１０および予混合燃焼バーナ１１に気体燃料２００が供給される。

拡散燃焼バーナ１０および予混合燃焼バーナ１１には、気体燃料２００を混合室１０ａ、１１ａへ供給するための気体燃料ノズル１４、気体燃料噴孔１７が設けられている。気体燃料ノズル１４は拡散燃焼バーナ１０の円錐プレート１０ｂに設けた空気孔１５の上流側に近接した位置に配置されている。気体燃料２００は空気孔１５内および混合室１０ａで燃焼用空気３００と混合しながら燃焼室６へ供給される。他方の気体燃料噴孔１７は、予混合燃焼バーナ１１の軸中心に設けた液体燃料ノズル１３の下流側の混合室１１ａに設けられた複数の空気孔１６の壁面に設けられている。気体燃料噴孔１７から供給された気体燃料２００は空気孔１６および混合室１１ａ内で燃焼用空気３００と混合しながら燃焼室６へ供給される。液体燃料１００を供給する場合と同様に、気体燃料２００と燃焼用空気３００の混合気は燃焼室６で燃焼し、高温の燃焼ガス４００となり、タービン２を駆動する。

上記の構成を持つガスタービン燃焼器の拡散燃焼バーナ近傍の構造を図４で説明する。

実施例１に示したガスタービン燃焼器の拡散燃焼バーナと同様に、拡散燃焼バーナ１０の軸中心位置には液体燃料１００を燃焼室６へ噴射するための二流体噴霧方式の液体燃料ノズル１２を配置しており、その周囲の円錐プレート１０ｂには、空気孔１５ａ、１５ｂ、１５ｃおよび１５ｄがそれぞれ周方向に複数個配設される。

空気孔１５ａは液体燃料ノズル１２の先端周囲に設けられ、燃焼用空気３００が液体燃料ノズル１２の外周からノズル先端方向へ供給される。液体燃料ノズル１２先端の下流位置には円錐状プレート１０ｂと一体となった突起部２５が設けられ、その間に形成された流路２６へ燃焼用空気３００を供給するための空気孔１５ｂが突起部２５に配設される。空気孔１５ｂの入口は、円錐プレート１０ｂに設けられた空気孔１５ｃの壁面に配置されており、空気孔１５ｂは空気孔１５ｃと連通するように形成されている。そのため、空気孔１５ｃに流入した燃焼用空気３００の一部が、流路２６へ供給される。また、空気孔１５ｃ、１５ｄの上流側に近接した位置には、空気孔１５ｃ、１５ｄに気体燃料２００を供給する気体燃料ノズル１４が配置されており、燃料ヘッダ１８に供給された気体燃料２００を空気孔１５ｃ、１５ｄを介して混合室１０ａに供給できるように構成している。

突起部２５の燃焼室６側は曲面形状となっており、燃焼用空気３００がコアンダ効果で曲面に沿って外周方向へ広がりながら流出する。流路２６から流出する燃焼用空気３００は、空気孔１５ｃおよび空気孔１５ｄから流出する気体燃料２００と燃焼用空気３００との混合気５１と衝突して混合室１０ａで混合し、燃焼室６で高温の燃焼ガス４００となる。

気体燃料２００を使用する場合、気体燃料２００が空気孔１５ｃ内に供給されるため、エジェクタ効果で空気孔１５ｃへ流入する燃焼用空気が増加する。しかし、気体燃料２００の流速が速いと、空気孔１５ｃの燃焼室６側壁面に衝突してそのまま空気孔１５ｃ内の壁面に沿って混合室１０ａへ流出するため、燃焼用空気３００との接触面積が狭く、混合しにくい。空気孔１５ｃ内に空気孔１５ｂの入口を設けたことで、燃焼用空気３００が空気孔１５ｂ側にも流れ、気体燃料２００も空気孔１５ｂ側に引き寄せられ、空気孔１５ｃの燃焼室６側壁面に衝突しにくくなる。気体燃料２００が空気孔１５ｃの中心付近を流れることで燃焼用空気３００との接触面積が増加し、混合が促進されるため局所の燃焼温度の上昇を防止できＮＯｘ排出量の低減が可能となる。

このような構成を持つガスタービン燃焼器で液体燃料１００を使用する場合、流路２６では液体燃料１００の進行方向に対して垂直方向から燃焼用空気３００を供給するため、液滴にせん断力が働きやすく、液体燃料１００の微粒化を促進できる。同様に、突起部２５の下流で進行方向とのなす角度が垂直に近い混合気５０と燃焼用空気３００が衝突するため、液体燃料１００の微粒化を促進できる。これらの効果で燃焼速度の上昇で煤塵の発生量を低減できる。

また、突起部２５の出口部が曲面となることで、火炎からの熱輻射に起因した円錐プレート１０ｂへの応力集中を防止でき、ガスタービン燃焼器の信頼性を確保できる。なお、本効果は、実施例１の突起部２５の燃焼室側に曲面部を形成した場合にも得ることができる。

本実施例の構成では、ガスタービン燃焼器の拡散燃焼バーナに液体燃料が供給される場合、液体燃料の微粒化および液体燃料と燃焼用空気との混合が促進されるため煤塵のような大気汚染物質の発生量を低減できる。また、液体燃料ノズルの先端やその上流でコークスが生成して燃料が供給不能となることを防止でき、信頼性を確保できる。さらに、気体燃料を用いる場合でも気体燃料と燃焼用空気の混合を促進することでＮＯｘ排出量の低減ができるガスタービン燃焼器を提供できる。

なお、ここでは煤塵が発生しやすい液体燃料を拡散燃焼バーナに供給する場合について説明したが、気化しやすい液体燃料については燃料の蒸発により突起における流速がさらに上昇し、突起に供給される燃焼用空気の流量が増加するため、局所の燃焼温度を低下してＮＯｘ排出量を低減にも有効である。

１ 圧縮機
２ タービン
３ ガスタービン燃焼器
４ 発電機
５ 外筒
６ 燃焼室
７ 内筒
８ トランジションピース
９ 閉止板
１０ 拡散燃焼バーナ
１０ａ、１１ａ 混合室
１０ｂ 円錐プレート
１１ 予混合燃焼バーナ
１２、１３ 液体燃料ノズル
１４ 気体燃料ノズル
１５、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１６ 空気孔
１７ 気体燃料噴孔
１８ 燃料ヘッダ
１９ プレート
２１ バーナカバー
２５ 突起部
２６ 流路
２７ ディフューザ
３０ 熱交換器
３１ 噴霧空気圧縮機
５０、５１ 混合気
１００、１５０ 液体燃料
１０１、１５１ 加圧ポンプ
１１０ 液体燃料タンク
１２０、１２１ 液体燃料供給系統
２１０ 気体燃料タンク
２２０、２２１ 気体燃料供給系統
３００ 燃焼用空気
３５０ 噴霧空気
４００ 燃焼ガス

Claims (4)

1. 液体燃料を混合室に噴出する液体燃料ノズルと、
   前記混合室を内側に形成する円錐プレートと、
   前記混合室から流入する燃料を燃焼させる燃焼室と、
   前記円錐プレートに設けられた複数の空気孔とを有するガスタービン燃焼器であって、
   前記液体燃料ノズルの周囲に燃焼用空気を噴出する空気孔と、
   前記円錐プレートに形成された突起部とを有し、
   該突起部によって、前記液体燃料ノズルと前記混合室との間に、断面積が極小値を持つ流路が形成されており、
   燃焼用空気を導入するための空気孔が、前記突起部に設けられていることを特徴とするガスタービン燃焼器。
2. 請求項１に記載のガスタービン燃焼器であって、
   前記円錐プレートに設けられた空気孔に気体燃料を供給する気体燃料ノズルを備えたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
3. 請求項２に記載のガスタービン燃焼器であって、
   前記突起部に設けられた空気孔が、
   前記円錐プレートに設けられた空気孔と連通するように形成されることを特徴とするガスタービン燃焼器。
4. 請求項１〜３の何れかに記載のガスタービン燃焼器であって、
   前記突起部が燃焼室側に曲面部を持つことを特徴とするガスタービン燃焼器。