JP5877138B2 - ガスタービン燃焼器およびガスタービン燃焼器の燃料供給方法 - Google Patents
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Description
本発明はガスタービン燃焼器に関する。
近年、ガスタービン燃焼器においては天然ガスや軽油などの化石燃料に加えて、多様な燃料を使用するニーズが増えている。特に地球温暖化抑制、二酸化炭素排出量低減の観点から、植物から精製されたバイオエタノールをガスタービンの燃料として利用する動きが活発化している。バイオエタノールは灯油や軽油のような液体化石燃料に比べて高価であり、また燃料の安定調達に課題がある。このため、バイオエタノールと液体化石燃料のいずれにも対応したガスタービン燃焼器の需要が増加している。
ガスタービンの効率向上、コスト低減のため、液体燃料用の燃料ノズルとして、圧力噴霧式の燃料ノズルが広く用いられている。圧力噴霧式の燃料ノズルは燃料の微粒化に噴霧空気などの媒体を必要としないため、噴霧空気圧縮機などの付帯設備が不要となり初期コストやランニングコストを低減できるメリットがある。
バイオエタノールは液体化石燃料と比べて単位体積あたりの発熱量が低いため、同じ出力を得るには液体化石燃料に比べ多量のバイオエタノールをガスタービンに供給する必要がある。バイオエタノールと軽油のような発熱量が異なる燃料を同一燃料ノズルで噴霧する場合、燃料の最大流量と最小流量の比が大きくなる。バイオエタノールの最大流量に合わせて圧力噴霧式の燃料ノズルを設計すると、軽油の最小流量条件で、燃料供給圧力と燃焼器内圧との差圧が低くなる。このため、微粒化特性が低下しスモークや煤塵の排出量が増大し、燃焼が不安定となる可能性がある。これに対し、軽油焚きの最大流量に合わせて燃料ノズルを設計すると、バイオエタノールの最大流量を供給するために必要な差圧が増大する。このため、燃料ポンプや燃料配管などの燃料供給系統の仕様が高圧に対応しなければならず燃料系統のコストが増加する可能性がある。
ガスタービン燃焼器に発熱量の異なる２種類の燃料を使用する際に、燃焼不安定や燃料系統のコスト増加を抑制するための燃料供給構造が特許文献１に公開されている。
特許文献１には、燃料供給系統を複数とし、燃料流量が少ない時には１系統から、燃料流量が増加した時には前記系統とともに他の系統から燃料を供給することで、燃料供給系統の最大流量と最小流量の比を小さくし、燃焼を安定化する方法が開示されている。本方法を用いる場合、燃料系統を１系統から複数系統に切り替える際に、燃料ノズルの噴孔面積が増加して燃料ノズルにおける差圧が一時的に低下する。このため、微粒化特性が劣化し、スモークや煤塵の排出量が増大する可能性があった。また、燃料系統を複数設置するため、コストが増加する課題があった。
本発明の目的は、発熱量の低い親水性の燃料と発熱量の高い燃料とを燃料とするガスタービン燃焼器において、いずれの燃料を用いる場合においても、スモークや煤塵の排出量を抑制して安定燃焼できるガスタービン燃焼器を提供することにある。
本発明のガスタービン燃焼器は、発熱量の異なる複数の燃料を燃焼可能なガスタービン燃焼器において、燃料と空気を燃焼させる燃焼室と、前記燃焼室に液体燃料を噴射する液体燃料ノズルと、前記液体燃料ノズルに第一の液体燃料と前記第一の燃料よりも単位体積あたりの発熱量の低い親水性の第二の液体燃料とを供給可能な液体燃料系統と、前記燃焼室に水を噴射する第一の水噴射ノズルと、前記第一の水噴射ノズルに水を供給する第一の水噴射系統と、前記液体燃料系統を流下する液体燃料の流量が、前記第一の液体燃料の定格負荷条件における燃料流量よりも大きな範囲で定められた既定量以上の条件において、前記液体燃料系統を流下する液体燃料の一部を前記第一の水噴射系統に分岐させる第一の分岐配管とを備えたことを特徴とする。
発熱量の低い親水性の燃料と発熱量の高い燃料とを燃料とするガスタービン燃焼器において、いずれの燃料を用いる場合においても、スモークや煤塵の排出量を抑制して安定燃焼できるガスタービン燃焼器を提供できる。
以下、実施例を図面を用いて説明する。
本発明の第1実施例のガスタービン燃焼器について図１および図２を用いて説明する。
図1に本発明にかかるガスタービンの全体図を示す。発電用ガスタービンは圧縮機１、燃焼器２、タービン３を備え、タービン３により発電機４を駆動し電力を得る。圧縮機１で圧縮された圧縮空気２００の流路となるディフューザー５の下流に燃焼器２を配置している。燃焼器２は、主要構成部品を格納する外筒６と、燃料を燃焼させて燃焼ガス２０４を生成する内筒７と、外筒６の上流側の一端を密閉するように燃焼器上流側端部に設置されたエンドカバー８と、内筒７の下流側に接続され燃焼ガスをタービンに導くトランジションピース９を備える。内筒７の内部には燃料と空気を燃焼させる燃焼室３００が存在する。内筒７の上流側にはスワラ１０を配置し、その軸中心部には燃焼室に液体燃料を噴射する液体燃料ノズル１１を設けている。スワラ１０の上流側には気体燃料ノズル１２、エンドカバー８には水噴射ノズル１３をそれぞれ設けている。
本実施例において、液体燃料ノズル１１は圧力噴霧式の燃料ノズルを使用している。圧力噴霧式の燃料ノズルは液体燃料圧力と燃焼器２内圧との圧力差により液膜状に液体燃料を噴射して微粒化する方式である。圧力噴霧式の燃料ノズルは微粒化に噴霧空気などの媒体を必要としないため、噴霧空気圧縮機などの付帯設備が不要となり初期コストとランニングコストを低減できるメリットがある。
液体燃料ノズル１１には液体燃料系統１０１が、気体燃料ノズル１２には気体燃料系統１０２が、水噴射ノズル１３には水噴射系統１０３がそれぞれ接続されている。液体燃料系統１０１はバイオエタノールを貯蔵するための燃料タンク１４、灯油や軽油などの液体化石燃料を貯蔵するための燃料タンク１５、燃料ポンプ１７、流量調節弁１８a、遮断弁１９aを備える。気体燃料系統１０２は気体燃料タンク１６、気化器２０、流量調節弁１８b、遮断弁１９b備える。水噴射系統１０３は燃焼室３００に噴射する水を貯蔵するための水タンク２１、水ポンプ２２、流量調節弁１８c、遮断弁１９c、チェック弁２３ｂを備える。本実施例の特徴は液体燃料系統１０１を遮断弁１９ａの下流側において分岐し、一端は液体燃料ノズル１１に接続し、残りは分岐配管としてチェック弁２３ａを介して水噴射系統１０３に接続したことである。
本実施例において、圧縮機1で圧縮された圧縮空気２００は、ディフューザー５を通って燃焼室３００に流入し、外筒６と内筒７の間を通過する。圧縮空気２００の一部は内筒７の冷却空気２０１として燃焼室３００に流入する。冷却空気２０１以外の圧縮空気２００はスワラ１０を通過して旋回流となり内筒７内部に流入する。スワラ１０を通過した圧縮空気２００は、液体燃料ノズル１１から噴射された液体燃料または気体燃料ノズル１２から供給された気体燃料と混合し、燃焼室３００に拡散火炎２０３を形成する。
拡散火炎２０３により発生した燃焼ガス２０４は燃焼器２の下流に設置されたトランジションピース９を通過してタービン３に流入する。燃焼ガス２０４はタービン３および発電機４を駆動した後、排気ダクトを通じて排出される。本発明のように拡散燃焼する場合、ガスタービンの負荷が高い条件では燃焼ガス２０４が高温になり、温度の上昇にともない指数関数的に窒素酸化物の排出量が増加する。そこで、高負荷条件では水噴射ノズル１３から内筒７に向かって水を噴射し、拡散火炎２０３の局所的な高温領域を低減することで、窒素酸化物の排出量を低減する。
チェック弁２３ａは弁内部の流路をばねによる弾性力で閉止しており、液体燃料系統１０１の燃料供給圧力と燃焼室３００の圧力との差が設定値以下においては流路が閉止され、設定値よりも高くなると流路が開き燃料がチェック弁２３ａを流れ始める構造となっている。以下、このチェック弁２３ａの設定値をクラック圧と称する。
次に、上記構成のガスタービンにおいて、液体燃料を用いた場合の液体燃料系統１０１、水噴射系統１０３、チェック弁２３ａの動作について図１とともに図２を用いて説明する。図２の横軸は液体燃料の圧力を、縦軸は液体燃料流量を示す。また、図２中の一点鎖線は液体化石燃料およびバイオエタノールの定格負荷条件での燃料流量と、液体化石燃料燃焼時の最小燃料流量を示す。バイオエタノールは灯油や軽油などの液体化石燃料と比べて発熱量が低く、同じガスタービン負荷を得るには燃料流量が液体化石燃料に比べ多量となる。
液体化石燃料の場合は、定格燃料流量における液体燃料圧力がチェック弁２３ａのクラック圧未満となる。これに対し、バイオエタノールの場合は液体化石燃料よりも流量が増加するため、定格燃料流量における液体燃料圧力がチェック弁２３aのクラック圧以上となる。液体燃料圧力がチェック弁２３ａのクラック圧以上となると液体燃料の一部が分岐配管を介して水噴射系統１０３に分岐し、水噴射系統１０３を通じて水噴射ノズル１３から燃焼室３００に供給される。このため、液体燃料圧力に対する燃料流量が急激に増加する。
図３に従来の燃料系統１系統の場合の燃料圧力と燃料流量の関係の一例を示す。図３に示すようにバイオエタノールと液体化石燃料を燃料系統１系統で噴霧する場合、最大流量はバイオエタノール焚きの定格負荷時になり、最小流量は液体化石燃料焚きの起動時となる。このようなガスタービンでは、バイオエタノール専焼や液体化石燃料専焼のガスタービンと比べて燃料の最大流量と最小流量の比が大きくなる。このため、バイオエタノール焚きの最大流量に合わせて燃料ノズルや系統を設計すると、液体化石燃料焚きの最小流量において燃料供給圧力と燃焼室３００の圧力との差圧が小さくなる。
圧力噴霧式の燃料ノズルでは差圧が低い場合、微粒化特性が低下し煤塵の排出量が増大する可能性がある。また、液体化石燃料焚きの最大流量に合わせて燃料ノズルや系統を設計すると、バイオエタノール焚きの定格負荷条件において燃料を供給するために必要な燃料の差圧が極めて大きく、高圧のポンプが必要となる。また、燃料ポンプや燃料配管を高圧仕様に変更すると、燃料系統のコストが増加するという課題がある。さらに、定格負荷条件における燃料の差圧が大きくなりすぎると、燃料の噴霧特性が変化し、燃焼器２を構成する部品に燃料噴霧が衝突して当該部品のメタル温度が上昇するなど、燃焼特性が変化する可能性がある。
本実施例では、図２示したようにチェック弁２３ａのクラック圧における燃料流量を液体化石燃料の定格負荷条件における燃料流量よりも大きな範囲で定められる規定量以上とし、クラック圧以上となる燃料流量を水噴射系統に供給することを特徴とする。このように構成することで、液体化石燃料焚き時においてはガスタービンの起動から定格負荷条件までを液体燃料ノズル１１のみで燃料を噴射する。
このとき、液体燃料ノズル１１の仕様は液体化石燃料に合わせて設計でき、液体化石燃料の起動時など燃料流量が少なく差圧が小さい条件においても液体化石燃料を十分に微粒化でき、スモークや煤塵の発生を抑制できる。さらに、定格負荷条件においても液体化石燃料の供給圧力を所望の圧力にできるため、液体化石燃料の微粒化特性を良好な状態に保つことができ、スモークや煤塵の排出量を抑制できる。
また、バイオエタノール焚き時においては、ガスタービンの部分負荷条件以上において燃料供給圧力がチェック弁２３ａのクラック圧以上となる。このため、バイオエタノールの一部を水噴射系統１０３を通じて燃焼室３００に供給でき、バイオエタノールのように発熱量が低く定格負荷条件の燃料流量が多い燃料でも、燃料の差圧の過上昇を防止できる。このように、液体化石燃料焚き時における微粒化特性を良好な状態に保ちながら、バイオエタノール焚き時の燃料供給圧力の過上昇を抑制できる。このため、バイオエタノール焚き時の定格負荷条件においても噴霧特性が大きく変化せず、燃焼器２を構成する部品に燃料噴霧が衝突しないため、当該部品のメタル温度が上昇しない。
また、水噴射系統１０３から噴霧水を供給する場合、バイオエタノールと混合して噴射する。この場合、バイオエタノールは親水性の燃料であり、水噴射系統１０３に供給しても容易に水と混合する。このため、水噴射ノズル１３から燃料と水が分離することなく燃焼室３００に供給され、燃焼不安定などは発生しない。
本実施例においては、バイオエタノールの燃料供給圧力がチェック弁２３ａのクラック圧以上になるとバイオエタノールの一部を水噴射系統１０３を通じて燃焼室３００に供給する。このため、液体燃料ノズル１１から拡散火炎２０３に供給する燃料流量が低減する。バイオエタノールを液体燃料ノズル１１と水噴射ノズル１３に分散して供給することで、液体燃料ノズル１１近傍に形成される拡散火炎２０３の局所的な火炎温度が低下し、窒素酸化物の排出量が低減する。
また、水噴射ノズル１３から供給するバイオエタノールは水と混合した状態で噴射され、内筒７において噴霧水とともに蒸発し、燃焼する。噴霧水が蒸発する時の気化熱により拡散火炎２０３の火炎温度が低減するため、窒素酸化物の排出量がさらに低減する。噴霧水が蒸発することで火炎温度が低下することに加えて、発生した蒸気により局所的な酸素濃度が低下し、燃焼反応が緩慢となる。このため、拡散火炎２０３が長炎化し、周囲への熱損失が増大して拡散火炎２０３の火炎温度がさらに低下する。これにより、窒素酸化物の排出量をさらに低減でき、また燃焼器２を構成する部品のメタル温度を低減することができる。
上述のように、バイオエタノールを水噴射系統に供給する系統と、その系統にクラック圧を液体化石燃料の定格負荷流量条件の圧力以上に設定したチェック弁を備えた燃焼器では、バイオエタノールを分散して供給すること、噴霧水により燃焼反応が緩慢となることで、従来の実施例と比較して窒素酸化物の排出量を低減できる。このため、窒素酸化物の排出量を環境規制値以下とするために必要な水噴射流量が低減するため、ガスタービンの効率を向上できる。また、液体化石燃料を供給する場合でも、微粒化特性を損なうことがないため、煤塵の排出量が増大することを抑制できる。
本発明の第２実施例のガスタービン燃焼器および水噴射制御方法を図４から図７を用いて説明する。
図４に本発明の第２実施例のガスタービンの全体図を示す。本実施例では第１実施例の構成に加え、燃料系統１０１から水噴射系統１０３に分岐する燃料配管に燃料流量計２４を、水噴射系統１０３に水流量計２５を設置し、液体燃料流量計２４および水流量計２５の指示値から水流量の設定値を演算し水噴射系統１０３を流れる水の流量を制御する制御装置２６を設けたことを特徴とする。
拡散燃焼方式のガスタービン燃焼器において、ＮＯｘ低減のために燃焼器に水を噴射する場合、水の流量は燃料流量に対して一定の割合となるように制御する方法がある。図５に第２の実施例において、水の流量をガスタービン負荷に対して一定の割合となるように制御した時の、燃料系統１０１および水噴射系統１０３を流れるバイオエタノールおよび水の流量を示す。図５の横軸はガスタービン負荷、縦軸はバイオエタノールおよび水の流量である。
水はガスタービンの低負荷条件から供給を開始し、負荷の上昇に伴って徐々に流量が増加する。負荷が上昇してバイオエタノールの燃料供給圧力がチェック弁２３ａのクラック圧以上となると、バイオエタノールが水噴射系統１０３に流れ始める。高負荷条件においては水噴射系統１０３を流れるバイオエタノールの流量が増加するため、水の流量設定値が少ないと水噴射系統１０３を流れるバイオエタノールの比率が高くなる。この場合、水噴射ノズル１３の下流に拡散火炎２０５を形成する可能性がある。
図６にエタノールと水の混合比率とその混合燃料が拡散燃焼した時の燃焼温度の関係の一例を示す。図６の横軸は混合燃料中のエタノール混合比率、縦軸は燃焼温度を示す。エタノール混合比率の上昇に伴い燃焼温度が上昇し、エタノール混合比率３５％以上で燃焼温度が１８００Ｋ以上となることがわかる。燃焼温度が１８００Ｋ以上においては、空気中の窒素と酸素が反応して生成する窒素酸化物、いわゆるサーマルＮＯｘの増加が顕著となる。水噴射ノズル１３から供給する混合流体におけるバイオエタノール混合比率が増加すると、拡散火炎２０５の燃焼温度が１８００Ｋ以上となりサーマルＮＯｘの排出量が増大する可能性がある。
そこで、本実施例においては、液体燃料流量計２４および水流量計２５の指示値から水噴射系統１０３を流れるバイオエタノールの比率が
（数１）
ｍｂ/（ｍｗ＋ｍｂ）＊１００≦３５＊α ・・・（式１）
ｍｂ：バイオエタノール流量
ｍｗ：水流量
α：係数
となるように水の流量を制御する制御装置２６を設けた。ここで、係数αは１より小さい正の値であり、エタノールとバイオエタノールの発熱量の違いや環境規制値を考慮して適切に設定することが望ましい。
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ｍｗ：水流量
α：係数
となるように水の流量を制御する制御装置２６を設けた。ここで、係数αは１より小さい正の値であり、エタノールとバイオエタノールの発熱量の違いや環境規制値を考慮して適切に設定することが望ましい。
図７に本実施例におけるガスタービン負荷と水噴射系統を流れるバイオエタノールおよび水流量の関係を示す。低負荷条件では、水流量は負荷の上昇にともなって徐々に増加する。負荷が上昇してバイオエタノールの燃料供給圧力がチェック弁２３ａのクラック圧以上となると、バイオエタノールが水噴射系統１０３に流れ始める。さらに負荷が上昇し、水噴射系統１０３を流れるバイオエタノールの流量割合が増加した場合、制御装置２６で水流量を制御し、水噴射系統１０３を流れる水の流量を増加する。このように水噴射系統１０３を流れるバイオエタノールの流量に比例するように水噴射系統１０３を流れる水の流量を調節することにより、水噴射系統１０３を流れるバイオエタノールの混合比率を設定値以下に保持する。
本実施例のように水流量を制御することで、水噴射ノズル１３の下流に形成される拡散火炎２０５の燃焼温度を１８００Ｋ未満に抑え、サーマルＮＯｘを低減できる。また、本実施例においては、高負荷条件において水噴射系統１０３のバイオエタノール混合比率を設定値以下に保持するため、実施例１よりも水流量が増加する場合がある。水流量の増加により燃焼ガス２０４の流量が増加するため、ガスタービンの出力が増大する効果が得られる。
一方、従来の実施例では、水噴射ノズル１３から噴射する水流量が増大すると、拡散火炎２０３の温度が低下して燃焼反応が緩慢となり、燃焼効率が低下してガスタービンの効率が低下する可能性があった。これに対し本実施例では、水噴射ノズル１３から水とともにバイオエタノールを噴射して燃焼させるため、水流量が増加しても拡散火炎２０３の温度が大幅に低下することがなく、燃焼効率の低下を防止できる。
このように、本実施例においては、水噴射系統を流れるバイオエタノールの流量に合わせて水流量を制御することでサーマルＮＯｘを低減できる。また、従来の実施例と比較して水流量が増加するため、ガスタービンの出力を増大できる。さらに、水噴射量が増加した場合においても燃焼効率の低下を防止できる。
なお、本実施例は、水噴射系統１０３に設置した水流量計２５の指示値を用いて制御を行う構成であるが、流量調節弁１８ｃの弁開度から算出した水流量を指示値として用いてもよい。
本発明の第３実施例のガスタービン燃焼器について図８から図１２を用いて説明する。本実施形態の基本構成は第１実施例と同様である。本実施例により液体化石燃料およびバイオエタノール焚きの着火特性を向上することができる。
図８に本実施例におけるガスタービン燃焼器の系統図を示す。本実施例の燃料ノズル１１は、先端が二重管状になっており、中央部に設けたパイロット燃料噴孔２７とその外周に設けたメイン燃料噴孔２８の２系統から液体燃料を噴射する。液体燃料系統１０１はバイオエタノールを貯蔵するための燃料タンク１４、灯油や軽油などの液体化石燃料を貯蔵するための燃料タンク１５、燃料ポンプ１７、流量調節弁１８ａ、遮断弁１９ａを備える。液体燃料系統１０１は遮断弁１９ａの下流でパイロット燃料系統１０４ａおよびメイン燃料系統１０５ａに分岐する。パイロット燃料系統１０４ａは下流側でさらにパイロット燃料系統１０４ｂ、１０４ｃに分岐する。
パイロット燃料系統１０４ｂは燃料ノズル１１のパイロット燃料噴孔２７に接続している。また、パイロット燃料系統１０４ｃはチェック弁３７ａ、電磁弁３３を介して水噴射系統１０６に接続している。メイン燃料系統１０５ａにはチェック弁３７ｂが配置され、チェック弁３７ｂの下流でメイン燃料系統１０５ｂ、１０５ｃに分岐する。メイン燃料系統１０５ｂは燃料ノズル１１のメイン燃料噴孔２８に接続している。また、メイン燃料系統１０５ｃはチェック弁３７ｃを介して水噴射系統１０７に接続している。本実施例の燃料系統にはチェック弁３７ａ、３７ｂ、３７ｃの３種類のチェック弁を配置している。この３種類のチェック弁のクラック圧は３７ａ＜３７ｂ＜３７ｃの順に高く設定している。
次に、このように構成した燃料系統における燃料の流れについて説明する。燃料流量が少なく燃料供給圧力がチェック弁３７ａのクラック圧未満の条件では、燃料はパイロット燃料系統１０４ａから１０４ｂを流れ、パイロット燃料噴孔２７から燃焼室３００に供給される。燃料供給圧力がチェック弁３７ａのクラック圧以上チェック弁３７ｂのクラック圧未満の条件では、燃料はパイロット燃料系統１０４ａから１０４ｂ、１０４ｃを流れる。パイロット燃料系統１０４ｂに流れた燃料は、パイロット燃料噴孔２７から燃焼室３００に供給される。パイロット燃料系統１０４ｃに流れた燃料は、電磁弁３３が開いている時に水噴射系統１０６を流れ水噴射ノズル１３ａから燃焼器２に供給される。
燃料供給圧力がチェック弁３７ｂのクラック圧以上チェック弁３７ｃのクラック圧未満の条件では、燃料はパイロット燃料系統１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃおよびメイン燃料系統１０５ａ、１０５ｂに供給される。メイン燃料系統１０５ｂに流れた燃料はメイン燃料噴孔２８から燃焼室３００に供給される。燃料供給圧力がチェック弁３７ｃのクラック圧以上の条件では、燃料はパイロット燃料系統１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃおよびメイン燃料系統１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃに供給される。メイン燃料系統１０５ｃに流れた燃料は水噴射系統１０７を流れ、水噴射ノズル１３ｂから燃焼室３００に供給される。
本実施例では燃料の微粒化やパージに使用する圧縮空気を供給するため、噴霧空気圧縮機３０を設けている。噴霧空気圧縮機３０で圧縮された空気は、噴霧空気系統１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃに供給される。噴霧空気系統１０８ａは、遮断弁３１ａを介して液体燃料系統１０１の遮断弁１９ａ下流に接続している。噴霧空気系統１０８ｂは、遮断弁３１ｂを介してメイン燃料系統１０５ａのチェック弁３７ｂ下流に接続している。噴霧空気系統１０８ｃは電磁弁３３に接続し、計装空気として使用する。ここで、電磁弁３３は噴霧空気系統１０８ｃから圧縮空気が供給されている場合に開となり、供給されていない場合に閉となるように構成している。
水噴射系統１０３は燃焼器に噴射する水を貯蔵するための水タンク２１、水ポンプ２２、流量調節弁１８ｃ、遮断弁１９ｃを備えており、遮断弁１９ｃ下流において水噴射系統１０６、１０７に分岐している。水噴射系統１０６はチェック弁３７ｄを介して水噴射ノズル１３ａに接続し、水噴射系統１０７はチェック弁３７ｅを介して水噴射ノズル１３ｂに接続している。水噴射ノズル１３ａは、図９Ａ−Ａ矢視図に示すように火炎伝播管４０と同じ周方向位置に配置している。
まず本実施例において液体化石燃料を燃料とした場合の燃料供給方法について図８、９を用いて説明する。図９に液体化石燃料を燃料としたガスタービンの着火、昇速時の燃料供給圧力と燃料流量の関係を示す。液体化石燃料の着火時には燃料流量が少なく燃料供給圧力が低い。このため、燃料供給圧力はチェック弁３７ａのクラック圧以下となり、燃料はパイロット燃料噴孔２７から燃焼室３００に供給される。着火時は燃料供給圧力が低く、差圧が十分に取れないため燃料が微粒化しにくい。そこで噴霧空気圧縮機３０を起動し遮断弁３１ｂを開とする。圧縮空気はメイン燃料系統１０５ｂを通じ、メイン燃料噴孔２８から燃焼室３００に供給される。
パイロット燃料噴孔２７から供給される液体化石燃料は、メイン燃料噴孔２８から供給される圧縮空気との速度差により生じるせん断力によって微粒化される。パイロット燃料噴孔２７から噴射された液体燃料は点火栓のスパークなどで強制的に着火させる。複数の燃焼器２を備えたガスタービンでは、燃焼室３００を火炎伝播管４０で接続している。点火栓で強制的に着火して火炎を形成した燃焼室３００から、火炎伝播管４０を通じて隣接する燃焼室３００に高温の燃焼ガスを流通させて全ての燃焼室３００に火炎を形成する。燃料を圧縮空気で微粒化することで燃料と空気の混合が促進され、良好な着火、火炎伝播特性を得ることができる。
昇速時においては、着火時よりも燃料流量が増加するため、燃料供給圧力がチェック弁３７ａのクラック圧を上回る。昇速時においても噴霧空気圧縮機３０は起動しており、圧縮空気により燃料を微粒化している。このため、燃料系統１０８ｃに圧縮空気が供給されており、電磁弁３３は開となっている。このため、燃料の一部はパイロット燃料系統１０４ｃ、電磁弁３３、水噴射系統１０６を通じて、水噴射ノズル１３ａから燃焼室３００に供給される。
昇速時においてガスタービンの回転数がさらに上昇すると、燃料流量が増加し燃料供給圧力が高くなりチェック弁３７ｂのクラック圧を上回る。この時に合わせて、噴霧空気圧縮機３０を停止する。これにより、電磁弁３３が閉止し水噴射系統１０６への燃料供給が停止し、燃料はパイロット燃料系統１０４ｂおよびメイン燃料系統１０５ｂを通じて燃焼室３００に供給される。
図１０に、第３の実施例において、水の流量をガスタービン負荷に対して一定の割合となるように制御した時の、液体化石燃料および水の流量を示す。図１０の横軸はガスタービン負荷、縦軸は液体化石燃料および水の流量である。水はガスタービンの低負荷条件から供給を開始し、負荷の上昇に伴って徐々に流量が増加する。液体化石燃料はバイオエタノールよりも定格負荷における燃料流量が少ないため、燃料供給圧力はチェック弁３７ｃのクラック圧以下となる。このため、液体化石燃料はパイロット燃料系統１０４ｂおよびメイン燃料系統１０５ｂから、水は水噴射系統１０６および１０７から供給される。
次に、バイオエタノールを燃料とした場合について、図８、１１を用いて説明する。図１１にバイオエタノールを燃料としたガスタービンの着火、昇速時の燃料供給圧力と燃料流量の関係を示す。バイオエタノールの着火時は液体化石燃料よりも燃料流量が多く、燃料供給圧力がチェック弁３７ａのクラック圧以上となる。着火時には噴霧空気圧縮機３０は起動しており、電磁弁３３は開となっているため、燃料はパイロット燃料系統１０４ｂおよび水噴射系統１０６を通じて燃焼室３００に供給される。この時、水噴射系統１０６は火炎伝播管４０と同じ周方向位置に配置していた水噴射ノズル１３ａに接続している。このため、着火時において水噴射ノズル１３ａから供給したバイオエタノールにより火炎伝播管４０近傍の火炎温度が上昇し、隣接する燃焼器に流通する燃焼ガスの温度が高くなり、火炎伝播特性が向上する。
バイオエタノールを燃料とした場合の昇速時において、着火時よりも燃料流量が増加して燃料供給圧力が高くなり、チェック弁３７ｂのクラック圧を上回る。この時に合わせて、噴霧空気圧縮機３０を停止し、電磁弁３３が閉止することで水噴射系統１０６への燃料供給が停止する。これにより、バイオエタノールはパイロット燃料系統１０４ｂおよびメイン燃料系統１０５ｂを通じて燃焼室３００に供給される。電磁弁３３を閉止しない場合、負荷運転時に水噴射ノズル１３ａから燃焼室３００に供給される燃料流量が増大し、燃焼器２を構成する部品のメタル温度が上昇する可能性がある。本実施例のように燃料系統を制御すると、昇速過程以降で水噴射系統１０６への燃料供給が停止し燃焼器２を構成する部品のメタル温度上昇を抑制できる。
図１２に、第３の実施例において、水の流量をガスタービン負荷に対して一定の割合となるように制御した時の、バイオエタノールおよび水の流量を示す。図１２の横軸はガスタービン負荷、縦軸はバイオエタノールおよび水の流量である。水はガスタービンの低負荷条件から供給を開始し、水噴射系統１０６および１０７から燃焼器２に供給される。ガスタービンの負荷が上昇し、バイオエタノールの燃料供給圧力がチェック弁３７ｃのクラック圧以上となると、バイオエタノールが水噴射系統１０７に供給される。このため、高負荷条件においては、水噴射系統１０７では水およびバイオエタノールの混合燃料が、水噴射系統１０６では水のみが供給される。
以上で説明した本実施例に係るガスタービン燃焼器の各条件における運転内容をまとめた表を以下に示す。
本実施例の特徴は、パイロット燃料流路１０４ａから分岐した分岐配管を、チェック弁３７ａ、電磁弁３３を介して水噴射系統１０６に接続したことがある。また、電磁弁３３は噴霧空気を計装空気として使用し、遮断弁３１ａが開いてメイン燃料流路１０５に噴霧空気が供給されている時に開となり、噴霧空気が供給されていない時に閉となるように構成し、チェック弁３７ａのクラック圧をバイオエタノールを用いた着火時における燃料流量条件において開となるように構成したことがある。従来のガスタービン燃焼器においては、チェック弁３７ｂのクラック圧を発熱量が高く燃料流量の少ない液体化石燃料に合わせて設定すると、バイオエタノールの着火時において燃料供給圧力がチェック弁３７ｂのクラック圧以上になる可能性があった。
この場合、バイオエタノールがパイロット燃料系統１０４ｂおよびメイン燃料系統１０５ｂに流入し、パイロット燃料噴孔２７およびメイン燃料噴孔２８から燃焼室３００に供給される。着火時にメイン燃料噴孔２８からバイオエタノールが供給されると、燃料の微粒化のためにメイン燃料噴孔２８から供給する圧縮空気の流量が低下する。これにより、バイオエタノールの微粒化が損なわれ、着火特性が低下する可能性があった。
これに対し本実施例の構成におけるバイオエタノールの着火時は、燃料を液体燃料系統を流下する燃料の一部を分岐系統に分岐して、パイロット燃料噴孔２７のみならず水噴射ノズル１３ａから供給することができる。このため、着火時におけるメイン系統へのバイオエタノールの流入を防止でき、メイン燃料噴孔２８から供給する圧縮空気の流量が低下せず、良好な着火特性を得ることができる。また、火炎伝播管４０と同じ周方向位置に配置していた水噴射ノズル１３ａにバイオエタノールを供給するため、火炎伝播管４０近傍の火炎温度が上昇し、火炎伝播特性を向上できる。
以上の構成とすることで、燃焼器の着火特性および火炎伝播特性を向上できる。また、燃焼器構成部品のメタル温度上昇を抑制でき、信頼性の高い燃焼器を提供できる。
１ 圧縮機
２ 燃焼器
３ タービン
４ 発電機
５ ディフューザー
６ 外筒
７ 内筒
８ エンドカバー
９ トランジションピース
１０ スワラ
１１ 液体燃料ノズル
１２ 気体燃料ノズル
１３ 水噴射ノズル
１４ バイオエタノール燃料タンク
１５ 液体化石燃料タンク
１６ 気体燃料タンク
１７ 液体燃料ポンプ
１８ 流量調節弁
１９ 遮断弁
２０ 気化器
２１ 水タンク
２２ 水ポンプ
２３ａ チェック弁（液体燃料系統）
２３ｂ チェック弁(水噴射系統)
２３ｃ チェック弁（パイロット燃料系統)
２３ｄ チェック弁(水噴射系統、実施例３)
２４ 液体燃料流量計
２５ 水流量計
２６ 制御装置
２７ パイロット燃料噴孔
２８ メイン燃料噴孔
３０ 噴霧空気圧縮機
３１ 遮断弁
３３ 電磁弁
３７ チェック弁
４０ 火炎伝播管
１０１ 液体燃料系統
１０２ 気体燃料系統
１０３ 水噴射系統
１０４ パイロット燃料系統
１０５ メイン燃料系統
１０６ 水噴射系統１(実施例３)
１０７ 水噴射系統２(実施例３)
１０８ 噴霧空気系統
２００ 圧縮空気
２０１ 冷却空気
２０２ 燃焼空気
２０３，２０５ 拡散火炎
２０４ 燃焼ガス
３００ 燃焼室
２ 燃焼器
３ タービン
４ 発電機
５ ディフューザー
６ 外筒
７ 内筒
８ エンドカバー
９ トランジションピース
１０ スワラ
１１ 液体燃料ノズル
１２ 気体燃料ノズル
１３ 水噴射ノズル
１４ バイオエタノール燃料タンク
１５ 液体化石燃料タンク
１６ 気体燃料タンク
１７ 液体燃料ポンプ
１８ 流量調節弁
１９ 遮断弁
２０ 気化器
２１ 水タンク
２２ 水ポンプ
２３ａ チェック弁（液体燃料系統）
２３ｂ チェック弁(水噴射系統)
２３ｃ チェック弁（パイロット燃料系統)
２３ｄ チェック弁(水噴射系統、実施例３)
２４ 液体燃料流量計
２５ 水流量計
２６ 制御装置
２７ パイロット燃料噴孔
２８ メイン燃料噴孔
３０ 噴霧空気圧縮機
３１ 遮断弁
３３ 電磁弁
３７ チェック弁
４０ 火炎伝播管
１０１ 液体燃料系統
１０２ 気体燃料系統
１０３ 水噴射系統
１０４ パイロット燃料系統
１０５ メイン燃料系統
１０６ 水噴射系統１(実施例３)
１０７ 水噴射系統２(実施例３)
１０８ 噴霧空気系統
２００ 圧縮空気
２０１ 冷却空気
２０２ 燃焼空気
２０３，２０５ 拡散火炎
２０４ 燃焼ガス
３００ 燃焼室
Claims (6)
- 発熱量の異なる複数の燃料を燃焼可能なガスタービン燃焼器において、
燃料と空気を燃焼させる燃焼室と、
前記燃焼室に液体燃料を噴射する液体燃料ノズルと、
前記液体燃料ノズルに第一の液体燃料と前記第一の燃料よりも単位体積あたりの発熱量の低い親水性の第二の液体燃料とを供給可能な液体燃料系統と、
前記燃焼室に水を噴射する第一の水噴射ノズルと、
前記第一の水噴射ノズルに水を供給する第一の水噴射系統と、
前記液体燃料系統を流下する液体燃料の流量が、前記第一の液体燃料の定格負荷条件における燃料流量よりも大きな範囲で定められた既定量以上の条件において、前記液体燃料系統を流下する液体燃料の一部を前記第一の水噴射系統に分岐させる第一の分岐配管とを備えたことを特徴とするガスタービン燃焼器。 - 請求項１に記載のガスタービン燃焼器において、
前記第一の分岐配管を流下する液体燃料の流量を測定する燃料流量測定手段と、
前記第一の水噴射系統を流下する水の流量を測定する水流量測定手段と、
前記燃料流量測定手段の指示値と前記水流量測定手段の指示値に基づいて前記第一の水噴射系統を流下する水の流量を制御する制御装置とを備えたことを特徴とするガスタービン燃焼器。 - 請求項１又は２に記載のガスタービン燃焼器において、
前記液体燃料系統が、パイロット燃料系統と、所定の燃料流量以上の条件において燃料が流下するメイン燃料系統とを有し、
前記メイン燃料系統に噴霧空気を供給するための噴霧空気系統と、
前記燃焼室に水を噴射する第二の水噴射ノズルと、
前記第二の水噴射ノズルに水を供給する第二の水噴射系統と、
前記第二の液体燃料の着火時における燃料流量条件において、前記液体燃料系統を流下する燃料の一部を前記第二の水噴射系統に分岐する第二の分岐配管と、
前記第二の分岐配管に設けられた、前記液体燃料ノズルに噴霧空気が供給されているときに開となる電磁弁とを備えたことを特徴とするガスタービン燃焼器。 - 請求項３に記載のガスタービン燃焼器において、
前記燃焼室と、隣接する他の燃焼器の燃焼室とを接続する火炎伝播管を備え、
前記第二の水噴射ノズルと前記火炎伝播管とが、当該ガスタービン燃焼器の周方向について同位相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。 - 請求項２に記載のガスタービン燃焼器の燃料供給方法において、
前記第一の分岐配管を流下する液体燃料の流量に比例するように前記水噴射系統を流下する水の流量を調節することを特徴とするガスタービン燃焼器の燃料供給方法。 - 請求項１から３の何れか一項に記載のガスタービン燃焼器の燃料供給方法において、
前記第二の液体燃料として、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燃料供給方法。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2012173573A JP5877138B2 (ja) | 2012-08-06 | 2012-08-06 | ガスタービン燃焼器およびガスタービン燃焼器の燃料供給方法 |
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Family Applications (1)
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| JP2012173573A Active JP5877138B2 (ja) | 2012-08-06 | 2012-08-06 | ガスタービン燃焼器およびガスタービン燃焼器の燃料供給方法 |
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2012
- 2012-08-06 JP JP2012173573A patent/JP5877138B2/ja active Active
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