JP5618337B2 - 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に関する。

一般に、液体燃料焚きの燃焼器では、液体燃料を燃料ノズルから微粒化させ、小径の燃料液滴群と燃焼空気との混合を促進させて燃焼させる。

液体燃料を微粒化させる燃料ノズルには、液体燃料以外の媒体、例えば、高圧空気などを用い空気のせん断力を利用して微粒化する二流体方式の燃料ノズルと、液体燃料の供給圧力を高くして液体燃料の噴射速度を加速させ微粒化する一流体方式の燃料ノズルがある。

前者の二流体方式は、一流体方式に比べ微粒化性能に優れ、液体燃料焚きの燃焼器での課題の１つである煤塵の排出量抑制に効果がある。しかし、微粒化するための空気が必要なため、例えば、ガスタービンの圧縮機から抽気して用いる場合には、抽気した空気を昇圧する必要があり、昇圧するための動力が必要となることや、抽気した空気を冷却して供給することからガスタービンの効率低下を招くことが懸念される。

これに対し、一流体方式は噴霧空気の供給系統が不要となるため、上述した効率低下や設備を簡素化できる利点がある。しかし、二流体方式よりも微粒化特性が悪く、特に供給圧力の低い条件でその傾向が顕著となる。

液体燃料ノズルは噴霧方式、構造も多種多様で、例えば、特許文献１〜３のように、これまで数多く提唱されている。

特開２００７−１５５１７０号公報 特表２００２−５１９６１７号公報 実開平２−２８９２３号公報

液体化石燃料焚きの燃焼器での重要な開発課題の１つとして、起動時の白煙や煤塵排出量の抑制がある。白煙や煤塵の排出抑制には、燃料を細かい液滴に微粒化し、空気との混合促進を図ることが有効な手段である。このため、液体燃料の微粒化技術が非常に重要といえる。

上述したように、燃料の微粒化を促進するには、液体燃料以外の媒体を用いるのが有効であり、一般的には高圧空気を利用することが多い。高圧空気を得るためには、ガスタービンの圧縮機から抽気し、抽気した空気を冷却、昇圧して供給するため、熱ロスや圧縮機動力によってガスタービン全体の効率を低下させてしまう。

そこで、本発明の狙いは、ガスタービン効率の低下を極力少なくし、液体化石燃料の微粒化を促進できるガスタービン燃焼器を提供することである。

圧縮機から導入される燃焼用空気に液体化石燃料を混合して燃焼させ、生成した燃焼ガスをガスタービンに供給するガスタービン燃焼器であって、前記液体化石燃料を細かい液滴に微粒化する燃料噴射弁を備え、前記燃料噴射弁には前記液体化石燃料を供給する第一の系統と、前記液体化石燃料を微粒化するための媒体としてアルコール燃料を供給する第二の系統とが設けられ、前記第二の系統に、前記液体化石燃料と独立して前記アルコール燃料を供給するための供給系統を備え、前記アルコール燃料を加熱する手段を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、ガスタービン効率の低下を極力少なくし、液体化石燃料の微粒化を促進できるガスタービン燃焼器を提供することができる。

第１の実施形態におけるガスタービン全体構成図である。 第１の実施形態における燃料噴射弁の縦断面図である。 第２の実施形態におけるガスタービン全体構成図である。 第２の実施形態における燃料噴射弁の縦断面図である。 第３の実施形態における燃料噴射弁の縦断面図である。 第４の実施形態における燃料噴射弁の縦断面図である。

以下、本発明を用いたガスタービン燃焼器の実施形態について図面を参照し説明する。
なお、以下に示す本発明の実施形態のガスタービン燃焼器によれば、液体化石燃料を燃焼するガスタービン燃焼器において、液体化石燃料を微粒化する手段として、低沸点の液体燃料を加熱、気化させ、加熱、気化した低沸点の液体燃料のせん断力で液体化石燃料を微粒化する燃料噴射弁を備えることで、ガスタービン効率の低下を抑制しつつ、液体化石燃料等の微粒化を促進することができる。

また、以下に示す本発明の実施形態では、低沸点の液体燃料としてアルコール燃料を用いた場合を例示しているが、具体的には、沸点が常温から１５０℃程度の範囲で、且つ、常温状態で液体であるものを低沸点の液体燃料として想定している。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について、図１、図２を参照しつつ以下に説明する。図１は、本発明のガスタービン燃焼器の第１の実施形態の構成を縦断面図で示すと共に、これを備えるガスタービンプラントの全体構成を概略的に示す概略構成図である。

図１に示すガスタービンプラントは、主として、空気を圧縮して高圧の燃焼用空気を生成する圧縮機１と、この圧縮機１から導入される燃焼空気１６と液体化石燃料１８とを混合して燃焼ガス１７を生成する燃焼器３と、この燃焼器３で生成された燃焼ガス１７が導入されるタービン２とから構成されている。なお、圧縮機１とタービン２、発電機４の軸は連結されている。

上記燃焼器３は、燃焼空気１６と燃料を燃焼して燃焼ガス１７を生成するための燃焼室２３を形成する内筒９と、燃焼室２３で生成された燃焼ガス１７をタービン２に導くためのトランジションピース１３と、内筒９及びトランジションピース１３を収納した外筒１０と、エンドカバー１４によって構成されている。

内筒９の燃焼ガス流れ方向上流側の軸中心位置には、燃焼空気１６に旋回を付与し、液体化石燃料１８との混合を促進して安定に火炎を形成させるための空気旋回器１１が配置され、その上流には液体化石燃料１８を微粒化する燃料噴射弁１２が配置されている。

図２に燃料噴射弁１２の構成図を示す。燃料噴射弁１２はその軸中心に第一の系統として液体化石燃料１８の液体化石燃料系統１００が形成され、その途中に設けた旋回器１０１で液体化石燃料１８に旋回を付与して噴出する。液体化石燃料系統１００の外周には、液体化石燃料１８を微粒化するための媒体を供給する第二の系統としてアルコール燃料系統１０２が形成され、液体化石燃料同様、その途中に設けた旋回器１０３で旋回を付与して噴出する。

このように構成した本発明の第１の実施形態であるガスタービン燃焼器は、液体化石燃料１８を微粒化するための媒体として低沸点の液体燃料（本実施形態ではアルコール燃料）を使用し、アルコール燃料を保管するアルコール燃料タンク６、ポンプ７、供給配管１９からなる供給系統と、アルコール燃料２１を加熱、気化するための熱交換器８と、加熱、気化したアルコール燃料を供給する系統２０を備えたことである。

このように構成した本発明のガスタービン燃焼器であれば、燃料噴射弁１２からは液体化石燃料１８と気化若しくは一部が気化したアルコール燃料２１が噴射され、アルコール燃料２１のせん断力によって液体化石燃料１８の微粒化を促進できる効果がある。

また、アルコール燃料２１が完全に気化せず、気体と液体の二相流になって噴射された場合であっても、燃料噴射弁１２から噴射された液体のアルコール燃料が、高温の燃焼室内部で蒸発することになるため、蒸発による体積膨張のエネルギーで液体化石燃料１８をより細かくする効果も期待できる。

さらには、同一燃焼温度条件であれば、液体化石燃料１８の単独燃焼に比べ、アルコール燃料２１を投入した分、液体化石燃料１８の供給量を減らすことができる。一般に、二流体方式の燃料噴射弁であれば、液体化石燃料１８の流量が少ないほど微粒化が促進できることから、流量減少による微粒化促進も期待できる。さらには、液体化石燃料１８の流量が減少すれば、燃焼によって生成される煤塵の量も低減できる。

これにより、高圧空気を使用したシステムに比べガスタービンの効率低下を少なくでき、且つ、液体化石燃料１８の微粒化促進効果と、液体化石燃料１８の流量減少による効果で煤塵排出量を低減できる。

また、ガスタービン起動時に液体化石燃料１８を使用した場合、点火失敗を引き起こすと有色煙（白煙）を排出する恐れがあるが、本発明の構成であれば、例えば、起動時には液体化石燃料１８は供給せず、アルコール燃料２１のみで点火することが可能となる。アルコール燃料２１のみで点火するよう運転すれば、万一点火失敗が発生した場合も、有色煙の発生を防止できる。

また、上述の通り、燃料噴射弁１２は低沸点の液体燃料であるアルコール燃料２１を微粒化に利用しているため、アルコール燃料２１を完全に気化させた場合だけでなく、気体と液体の二相流になって噴射された場合であっても、良好な微粒化特性を維持することができる。そのため、アルコール燃料２１を加熱、気化させるための熱源として、温度が不安定な熱源を利用することができる。具体的には、アルコール燃料２１を加熱、気化する方法として、電気式のヒータやガスタービンの排熱を利用する方法などが考えられるが、太陽熱や地熱などの自然エネルギーを利用すれば、プラント全体としての効率をさらに向上することができる。

また、使用する低沸点の液体燃料を植物由来のバイオエタノールにすれば、カーボンニュートラルで、ＣＯ２削減にもつながる。また、バイオエタノールは、一般的な気体燃料であるＬＮＧと比較して密度が大きく、任意の速度で噴射した場合の運動エネルギーが大きくなるため、液体燃料の微粒化促進も期待できる。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態について、図３、図４を参照しつつ以下に説明する。図３は本発明のガスタービン燃焼器の第２の実施形態の構成を縦断面図で示すと共に、これを備えるガスタービンプラントの全体構成を概略的に示す概略構成図である。図４は図３の燃料噴射弁１２の部分詳細断面図である。基本的な構成は第１の実施形態と同様である。本実施形態と第１の実施形態の相違点は、低沸点の液体燃料（本実施形態ではアルコール燃料とする）を加熱する手段として、高圧噴霧空気の熱を利用したことである。また、図４に示す通り、本実施形態の燃料噴射弁１２は、第一の系統である液体化石燃料系統１００と第二の系統であるアルコール燃料系統１０２に加え、第三の系統として高圧の噴霧空気を供給する高圧噴霧空気系統１０４を備えた３重管構造としている。

通常、噴霧空気２２は、圧縮機１の吐出空気の一部を抽気し、水冷方式の熱交換器で温度を下げて噴霧空気圧縮機５によって、所定の圧力まで加圧して燃料噴射弁１２の高圧噴霧空気系統１０４に供給される。水冷方式の熱交換器で取り去った熱は、ガスタービンに回収されないため効率が低下することになる。

一方、本発明の第２の実施形態は、従来の水冷方式の熱交換器に変えて、圧縮機１から抽気した噴霧空気とアルコール燃料を熱交換させる熱交換器８を備えている。水の代わりにアルコール燃料を用いて噴霧空気を冷却すると共に、逆に、噴霧空気の熱を利用して加熱、気化されたアルコール燃料を燃料噴射弁１２に供給することで、抽気空気の熱を回収しつつ、液体化石燃料１８の微粒化に寄与することができる。

図４に示すように燃料噴射弁１２は、軸中心位置にアルコール燃料２１を噴射する噴出孔、その外周に液体化石燃料１８を噴射する噴出孔、さらにその外周に噴霧空気２２を噴射する噴出孔が形成されている。また、各系統に設置した旋回器１０１、１０３、１０５のうち、液体化石燃料１８の旋回器１０１のみ旋回方向を逆にしている。これにより、噴射された液体化石燃料１８の内周にはアルコール燃料２１、外周には噴霧空気２２が噴射され、両者のせん断力によって、液体化石燃料１８の微粒化を促進でき、第一の実施形態以上の煤塵の低減効果が期待できる。

また、本システムにおいてもアルコール燃料は完全に気化させなくても良く、それによる効果は第一の実施形態と同様である。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態について、図５を参照しつつ以下に説明する。本実施形態の基本的な構成は第２の実施形態と同様である。本実施形態と第２の実施形態の相違点は噴射弁１２の構造が異なる点である。本実施形態の燃料噴射弁１２は中央に液体化石燃料１８を噴射する噴出孔、その外周にアルコール燃料２１を噴射する噴出孔、さらにその外周に噴霧空気２２を噴射する噴出孔が形成されていることである。

一般に、液体化石燃料が周囲の熱を受けて固化するコーキング現象が開始される温度は、燃料の種類によって異なるが、例えば軽油であれば約１８０℃と言われている。このため、従来は噴射弁に供給する高圧噴霧空気の温度は、コーキング防止の観点からこの温度以下に管理する必要があった。

しかし、本実施形態であれば、高圧噴霧空気系統１０４と液体化石燃料系統１００の間にアルコール燃料系統１０２が配置されるため、噴霧空気２２の熱が液体化石燃料１８に直接伝わらないこと、アルコール燃料は含酸素燃料であるためコーキングし難い燃料であることから、液体化石燃料系統１００内でのコーキングに対する信頼性をより向上することができる。

また、本実施形態では噴霧空気２２を過剰に冷却する必要がなくなるため、ガスタービン効率の低下を小さくできる効果もある。

（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態について、図６を参照しつつ以下に説明する。図６は本発明の第３の実施形態を備えた燃料噴射弁１２の縦断面図を示したものである。本実施形態の基本的な構成は第２の実施形態と同様である。本実施形態は燃料噴射弁１２の内部で高圧噴霧空気系統１０４とアルコール燃料系統１０２とを合流させることで、噴霧空気２２とアルコール燃料２１とを混合させてから噴射するように構成したことである。

このように構成した本発明の実施形態であれば、アルコール燃料２１を液体のまま燃料噴射弁１２に供給し、燃料噴射弁１２内部で噴霧空気２２の熱によって加熱、気化して噴射できるため、噴霧空気２２の冷却とアルコール燃料２１を加熱するための熱交換器が不要となり、コスト削減が可能となる。また、アルコール燃料が供給される分、噴霧空気２２の流量低減が可能となるため、抽気量削減による効率向上も期待できる。

以上、液体化石燃料１８と、例えば、アルコール燃料２１の組合せで説明したが、液体化石燃料１８の代わりにアルコール燃料としても、本特許の効果が期待できるのは言うまでもない。

１ 圧縮機
２ タービン
３ 燃焼器
４ 発電機
５ 噴霧空気圧縮機
６ アルコール燃料タンク
８ 熱交換器
９ 内筒
１２ 燃料噴射弁
１３ トランジションピース
１４ エンドカバー
１６ 燃焼空気
１７ 燃焼ガス
１８ 液体化石燃料
２１ アルコール燃料
２２ 噴霧空気
２３ 燃焼室
１００ 液体化石燃料系統
１０２ アルコール燃料系統
１０４ 高圧噴霧空気系統

Claims (7)

1. 圧縮機から導入される燃焼用空気に液体化石燃料を混合して燃焼させ、生成した燃焼ガスをガスタービンに供給するガスタービン燃焼器であって、
   前記液体化石燃料を細かい液滴に微粒化する燃料噴射弁を備え、
   前記燃料噴射弁には前記液体化石燃料を供給する第一の系統と、前記液体化石燃料を微粒化するための媒体としてアルコール燃料を供給する第二の系統とが設けられ、
   前記第二の系統に、前記液体化石燃料と独立して前記アルコール燃料を供給するための供給系統を備え、
   前記アルコール燃料を加熱する手段を備えた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、
   前記燃料噴射弁には前記液体化石燃料を微粒化するための噴霧空気を供給する第三の系統が
   設けられている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、
   前記第二の系統に供給する前記アルコール燃料を加熱する手段が、前記第三の系統に供給される噴霧空気の熱を利用して前記アルコール燃料の加熱を行うよう構成されていることを特徴とするガスタービン燃焼器。
4. 請求項１から３のうち何れか一項に記載のガスタービン燃焼器の運転方法であって、
   前記第二の系統に供給する前記アルコール燃料として、植物由来のバイオエタノールを供給することを特徴とするガスタービン燃焼器の運転方法。
5. 請求項２又は３に記載のガスタービン燃焼器であって、
   前記燃料噴射弁は、該燃料噴射弁の軸中心から外周側に向かって第一の噴出孔、第二の
   噴出孔、第三の噴出孔が形成され、
   前記第一の噴出孔が、前記第二の系統から供給される前記アルコール燃料を噴射し、
   前記第二の噴出孔が、前記第一の系統から供給される前記液体化石燃料を噴射し、
   前記第三の噴出孔が、前記第三の系統から供給される前記噴霧空気を噴射するよう構成
   されていることを特徴とするガスタービン燃焼器。
6. 請求項２又は３に記載のガスタービン燃焼器であって、
   前記燃料噴射弁は、該燃料噴射弁の軸中心から外周側に向かって第一の噴出孔、第二の
   噴出孔、第三の噴出孔が形成され、
   前記第一の噴出孔が、前記第一の系統から供給される前記液体化石燃料を噴射し、
   前記第二の噴出孔が、前記第二の系統から供給される前記アルコール燃料を噴射し、
   前記第三の噴出孔が、前記第三の系統から供給される前記噴霧空気を噴射するよう構成
   されていることを特徴とするガスタービン燃焼器。
7. 請求項２又は３に記載のガスタービン燃焼器であって、
   前記燃料噴射弁の内部で、前記第二の系統と前記第三の系統とが合流するよう構成され
   ていることを特徴とするガスタービン燃焼器。