JP6148133B2 - Gas turbine combustor and gas turbine system - Google Patents
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Description
本発明は、ガスタービン燃焼器及びガスタービンシステムに関する。 The present invention relates to a gas turbine combustor and a gas turbine system.
一般に発熱量の低い燃料は、ガスタービンの主要燃料であるLNG（Liquefied Natural Gas）などの高カロリー燃料に比べて火炎温度が低く燃焼速度が遅いため、燃えにくい燃料である。また、発熱量が低いために、LNGなどの高カロリーガスと同等の燃焼ガス温度を得るためには、燃焼器に供給する燃料流量を増加させる必要がある。このため、低カロリーガス焚き燃焼器では供給する燃料流量が多くなるという特徴がある。なお、燃焼の際に窒素酸化物（NOx）の排出量が少ないことも特徴の一つである。 In general, a fuel with a low calorific value is a fuel that is difficult to burn because the flame temperature is low and the combustion speed is slow compared to a high calorie fuel such as LNG (Liquefied Natural Gas), which is the main fuel of gas turbines. Further, since the calorific value is low, it is necessary to increase the flow rate of fuel supplied to the combustor in order to obtain a combustion gas temperature equivalent to a high calorie gas such as LNG. For this reason, the low-calorie gas-fired combustor is characterized in that the fuel flow rate to be supplied is increased. One feature is that the amount of nitrogen oxide (NOx) emitted during combustion is small.
このような発熱量の低い燃料（低カロリーガス）の代表例として、高炉ガスが挙げられる。高炉ガスは製鉄プロセスにおいて高炉から発生する副生ガスで、近年、この高炉ガスをガスタービン燃料として利用したいというニーズが高まっている。高炉ガスは一酸化炭素（CO）や水素（H2）を主要可燃成分とし、その他にN2やCO2を多量に含む難燃性のガスである。このため、ガスタービンの着火から定格負荷範囲を高炉ガス専焼で運転することは難しい。 A typical example of such a low calorific fuel (low calorie gas) is blast furnace gas. Blast furnace gas is a by-product gas generated from the blast furnace in the steelmaking process, and in recent years, there is an increasing need to use this blast furnace gas as a gas turbine fuel. Blast furnace gas is a flame retardant gas that contains carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ) as main combustible components, and also contains a large amount of N 2 and CO 2 . For this reason, it is difficult to operate the rated load range from igniting the gas turbine with blast furnace gas-only firing.
高炉ガスを用いて、着火から燃焼温度の低い部分負荷範囲を安定に運転（燃焼）するには、水素を含むコークス炉ガスなどを高炉ガスに混合し増熱して運転するか、液体燃料などの起動用燃料を別に設ける必要がある。また、難燃性ガスを安定に燃焼する必要があるため、ガスタービン燃焼器では燃料と空気を別々の流路から供給する拡散燃焼方式を採用するのが一般的である。 In order to stably operate (combust) the partial load range where the combustion temperature is low after ignition using blast furnace gas, the coke oven gas containing hydrogen is mixed with the blast furnace gas to increase the heat, or liquid fuel, etc. It is necessary to provide a separate starting fuel. In addition, since it is necessary to stably burn the flame-retardant gas, a gas turbine combustor generally employs a diffusion combustion method in which fuel and air are supplied from separate flow paths.
低カロリーガス焚きバーナの構造例としては、特許文献１（特開平5-86902）が挙げられる。特許文献１には、バーナの半径方向中心部に起動用の油ノズルを備え、その外周にガス噴孔を配置し、さらにその外周にガス噴孔と空気噴孔を交互に配置した構造が示されている。特許文献１の構造は、大量の低カロリーガスの運動量を利用して強い旋回流を形成することにより、火炎を保持するためにはバーナの半径方向中心部近傍に燃焼ガスが循環する循環ガス領域を形成し、これにより保炎を強化することを特徴としている。 As an example of the structure of a low calorie gas burning burner, Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 5-86902) is cited. Patent Document 1 shows a structure in which an oil nozzle for activation is provided at the center in the radial direction of a burner, gas injection holes are arranged on the outer periphery thereof, and gas injection holes and air injection holes are alternately arranged on the outer periphery thereof. Has been. The structure of Patent Document 1 is a circulation gas region in which combustion gas circulates in the vicinity of the center in the radial direction of the burner in order to maintain a flame by forming a strong swirl flow using the momentum of a large amount of low calorie gas. This is characterized by strengthening flame holding.
特許文献１のようなバーナにおいても、着火から部分負荷範囲では水素を含むコークス炉ガスなどを高炉ガスに混合し増熱して運転するか、液体燃料などの起動用燃料を燃焼することになる。また、高炉ガスが供給されない場合には、液体燃料や天然ガスを用いた運転を実施しという要求がある。さらに、高炉ガスの発熱量が低下した場合にLNGなどで増熱して安定性を向上したいという要求がある。これらの高カロリーガスや液体燃料は高炉ガスに比べて発熱量が高く火炎温度も高くなるため、高炉ガスと比べて窒素酸化物の排出量が増加する。 Even in a burner such as Patent Document 1, in a partial load range from ignition, coke oven gas containing hydrogen or the like is mixed with blast furnace gas to increase the operation, or start-up fuel such as liquid fuel is burned. Moreover, when blast furnace gas is not supplied, there exists a request | requirement of implementing the operation using liquid fuel or natural gas. Furthermore, there is a demand to increase the stability by increasing the heat with LNG when the calorific value of the blast furnace gas decreases. Since these high-calorie gases and liquid fuels have higher calorific values and higher flame temperatures than blast furnace gases, the amount of nitrogen oxide emissions increases compared to blast furnace gases.
拡散燃焼方式のガスタービン燃焼器において、窒素酸化物の排出量を低減するため、燃焼器に水を噴射し、局所的な高温領域の温度を低下する方法がある。高カロリーガスや液体燃料を燃焼している時には、高温の循環ガス領域中心部に向けて水を噴射することで効率的に窒素酸化物を低減でき、噴射する水の量を低減できる。しかし、低カロリーガスを燃焼している時に循環ガス領域の中心へ向けて水を噴射した場合、火炎基部の温度が低下し、燃焼安定性が低下する課題がある。このため、低カロリーガスにおいては、水を循環ガス領域の外周部に向けて噴射し、火炎基部の温度を高く保つ必要がある。 In a diffusion combustion type gas turbine combustor, there is a method in which water is injected into the combustor to reduce the temperature in a local high temperature region in order to reduce the emission amount of nitrogen oxides. When burning high-calorie gas or liquid fuel, nitrogen oxide can be efficiently reduced by injecting water toward the center of the high-temperature circulating gas region, and the amount of water to be injected can be reduced. However, when water is injected toward the center of the circulating gas region when burning low-calorie gas, there is a problem that the temperature of the flame base is lowered and combustion stability is lowered. For this reason, in the low calorie gas, it is necessary to inject water toward the outer periphery of the circulating gas region to keep the temperature of the flame base high.
本発明の目的は、低カロリーガスを燃焼する時においては安定燃焼しながら、高カロリーガスや液体燃料を燃焼する時においては少ない水噴射量で、窒素酸化物の低減が可能なガスタービンシステムを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a gas turbine system capable of reducing nitrogen oxides with a small amount of water injection when burning high-calorie gas or liquid fuel while stably burning when burning low-calorie gas. It is to provide.
燃料と空気を燃焼させる燃焼室と、前記燃焼室にガス燃料と空気を噴射する内周スワラと、前記内周スワラの外周に配置され、前記燃焼室にガス燃料を噴射する外周スワラとを有する旋回バーナと、前記内周スワラの内周に配置され、前記燃焼室にパイロット燃料を噴射するパイロットバーナとを備え、前記外周スワラに設けられた燃料流路内に、前記旋回バーナの軸中心側に向けて水を噴射する水噴射噴孔を有する。 A combustion chamber for combusting fuel and air; an inner swirler for injecting gaseous fuel and air into the combustion chamber; and an outer swirler disposed on the outer periphery of the inner swirler for injecting gas fuel into the combustion chamber. A swirl burner and a pilot burner disposed on the inner periphery of the inner swirler and injecting pilot fuel into the combustion chamber, and in the fuel flow path provided in the outer swirler, on the axial center side of the swirl burner A water injection nozzle for injecting water toward.
本発明によれば、低カロリーガスを燃焼する時においては安定燃焼しながら、高カロリーガスや液体燃料を燃焼する時においては少ない水噴射量で、窒素酸化物の低減が可能なガスタービンシステムを提供できる。 According to the present invention, a gas turbine system capable of reducing nitrogen oxides with a small amount of water injection when burning high calorie gas or liquid fuel while stably burning when low calorie gas is burned. Can be provided.
以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図１に、本発明の第1の実施例としてガスタービン発電システムを示す。ガスタービンは主に圧縮機1、燃焼器2、タービン3等で構成されており、本実施例ではガスタービンの出力により駆動される負荷機器として発電機4が接続されてガスタービン発電システムが構成されている。 FIG. 1 shows a gas turbine power generation system as a first embodiment of the present invention. The gas turbine is mainly composed of a compressor 1, a combustor 2, a turbine 3, and the like. In this embodiment, a gas turbine power generation system is configured by connecting a generator 4 as a load device driven by the output of the gas turbine. Has been.
本実施例のガスタービン発電システムでは、まず、圧縮機1が大気より吸込んだ空気101を圧縮し、燃焼空気102として燃焼器2へと供給する。次に燃焼器2は、圧縮機1からの燃焼空気102と天然ガス201（着火から定格負荷運転時に供給）または高炉ガス202（部分負荷から定格負荷運転時に供給）とを混合して燃焼させ、燃焼ガス50を発生させてタービン3に供給する。タービン3は燃焼ガス50の供給により回転動力が与えられ、タービン3の回転動力が圧縮機1及び発電機4に伝達される。圧縮機1に伝えられた回転動力は圧縮動力に用いられ、発電機4伝えられた回転動力は電気エネルギーに変換される。 In the gas turbine power generation system of the present embodiment, first, the air 101 taken in from the atmosphere by the compressor 1 is compressed and supplied as the combustion air 102 to the combustor 2. Next, the combustor 2 mixes and burns the combustion air 102 from the compressor 1 and natural gas 201 (supplied during ignition and rated load operation) or blast furnace gas 202 (supplied during partial load operation from partial load), Combustion gas 50 is generated and supplied to the turbine 3. The turbine 3 is given rotational power by supplying the combustion gas 50, and the rotational power of the turbine 3 is transmitted to the compressor 1 and the generator 4. The rotational power transmitted to the compressor 1 is used as compression power, and the rotational power transmitted to the generator 4 is converted into electric energy.
天然ガス燃料系統301は遮断弁31、流量調節弁32を備え、着火から定格負荷条件において天然ガス201を燃焼器2に供給する。高炉ガス燃料系統302は、遮断弁33、流量調節弁34を備え、流量調節弁の下流において高炉ガス燃料系統302aおよび302bに分岐する。高炉ガス燃料系統302aと302bは、それぞれ遮断弁33a、33bと流量調節弁34a、34bを供え、部分負荷条件から定格負荷条件において高炉ガス202を燃焼器2に供給する。噴霧水系統303は、遮断弁35、流量調節弁36を備え、ガスタービンの部分負荷条件から定格負荷条件において噴霧水203を燃焼器2に供給する。 The natural gas fuel system 301 includes a shut-off valve 31 and a flow rate control valve 32, and supplies natural gas 201 to the combustor 2 under ignition and rated load conditions. The blast furnace gas fuel system 302 includes a shutoff valve 33 and a flow rate control valve 34, and branches to the blast furnace gas fuel systems 302a and 302b downstream of the flow rate control valve. The blast furnace gas fuel systems 302a and 302b include shut-off valves 33a and 33b and flow rate control valves 34a and 34b, respectively, and supply the blast furnace gas 202 to the combustor 2 from a partial load condition to a rated load condition. The spray water system 303 includes a shut-off valve 35 and a flow rate control valve 36, and supplies the spray water 203 to the combustor 2 under a rated load condition from a partial load condition of the gas turbine.
燃焼器2は、圧力容器である外筒10と、内部に燃焼室12を形成する円筒状のライナ13と、外筒10とライナ13の間にあって燃焼室12を冷却するためのフロースリーブ11を備える。燃焼室12の上流には、燃焼室12に燃料と空気を噴出し火炎を形成するためのバーナ401が配置されている。 The combustor 2 includes an outer cylinder 10 that is a pressure vessel, a cylindrical liner 13 that forms a combustion chamber 12 therein, and a flow sleeve 11 that is interposed between the outer cylinder 10 and the liner 13 to cool the combustion chamber 12. Prepare. A burner 401 for ejecting fuel and air into the combustion chamber 12 to form a flame is disposed upstream of the combustion chamber 12.
図2にバーナ401の拡大断面図および正面図を示す。バーナ401は、内周スワラ403、外周スワラ404、パイロットバーナ405を備えた2重旋回構造としている。燃焼器2に供給された燃焼空気102はフロースリーブ11の外側に導かれ、フロースリーブ11に設けた空気孔14を通じてフロースリーブ11とライナ13との空間内に流入し、ライナ13を冷却しながらライナ13の側壁に設けた空気孔15およびバーナ401に設けた空気噴孔402から燃焼室12内に供給される。 FIG. 2 shows an enlarged sectional view and a front view of the burner 401. The burner 401 has a double swivel structure including an inner swirler 403, an outer swirler 404, and a pilot burner 405. Combustion air 102 supplied to the combustor 2 is guided to the outside of the flow sleeve 11 and flows into the space between the flow sleeve 11 and the liner 13 through the air holes 14 provided in the flow sleeve 11, while cooling the liner 13. The air is supplied into the combustion chamber 12 from an air hole 15 provided in the side wall of the liner 13 and an air injection hole 402 provided in the burner 401.
パイロットバーナ405はパイロットガス噴孔406を備え、着火から定格負荷運転時において天然ガス201を供給する。内周スワラ403には内周スワラガス噴孔407と空気噴孔402が周方向に交互に配置され、その外側に設けられた外周スワラ404には、外周スワラガス噴孔408が配置され、部分負荷から定格負荷運転時において高炉ガス202を供給する。内周スワラガス噴孔407および外周スワラガス噴孔408は旋回角を設けることで循環ガス領域をバーナの半径方向中心部近傍に形成し、燃焼安定性を強化するように構成している。 The pilot burner 405 includes a pilot gas injection hole 406 and supplies natural gas 201 during ignition and rated load operation. Inner circumferential swirler gas injection holes 407 and air injection holes 402 are alternately arranged in the circumferential direction on the inner circumferential swirler 403, and an outer circumferential swirler gas injection hole 408 is arranged on the outer circumferential swirler 404 provided on the outer side thereof. Blast furnace gas 202 is supplied during rated load operation. The inner swirler gas nozzle hole 407 and the outer swirler gas nozzle hole 408 are configured to form a circulation gas region in the vicinity of the center portion in the radial direction of the burner by providing a turning angle, thereby enhancing combustion stability.
このようなパイロットバーナ405では、まず内周スワラ403において、内周スワラガス噴孔407と空気噴孔402を交互に配置することで、燃料と空気を別々の流路から供給する拡散燃焼により安定な燃焼を実現することができる。一方、外周スワラ404においては、外周スワラガス噴孔408から供給される高炉ガス202は空気噴孔402やライナ13から供給される燃焼空気102と混合し、内周スワラ403の下流に形成される内周火炎501を基点として、外周スワラ404下流に外周火炎502が形成される。外周火炎502の形成によって、内周火炎501周囲の温度が高くなるため、保炎を強化できる。 In such a pilot burner 405, first, in the inner swirler 403, the inner swirler gas injection holes 407 and the air injection holes 402 are alternately arranged, so that stable combustion is achieved by diffusion combustion in which fuel and air are supplied from separate flow paths. Combustion can be realized. On the other hand, in the outer peripheral swirler 404, the blast furnace gas 202 supplied from the outer peripheral swirler gas injection hole 408 is mixed with the combustion air 102 supplied from the air injection hole 402 and the liner 13, and is formed downstream of the inner peripheral swirler 403. The peripheral flame 502 is formed downstream of the outer swirler 404 with the peripheral flame 501 as a base point. The formation of the outer peripheral flame 502 increases the temperature around the inner peripheral flame 501, so flame holding can be strengthened.
また、外周スワラ404には噴霧水203を供給するための水噴射流路409が形成されている。水噴射流路409から流入した噴霧水203は、パイロットバーナ405の内周側に向かって設けられた水噴射噴孔410から外周スワラ燃料流路411に噴射され、外周スワラガス噴孔408を通じて燃焼室12に供給する。水噴射流路409は外周スワラ燃料流路411の外周に配置し、水噴射噴孔410を高炉ガス202の流れ方向に向かって概略30度から60度の角度で傾斜するように形成している。このように構成することで、噴霧水203が外周スワラガス噴孔408を介して燃焼室12の軸中心部に供給される。 In addition, the outer swirler 404 is formed with a water jet passage 409 for supplying the spray water 203. The spray water 203 that has flowed in from the water injection channel 409 is injected into the outer swirler fuel channel 411 from the water injection nozzle 410 provided toward the inner periphery of the pilot burner 405, and the combustion chamber passes through the outer swirler gas nozzle 408. Supply to 12. The water injection channel 409 is disposed on the outer periphery of the outer swirler fuel channel 411, and the water injection nozzle 410 is formed so as to be inclined at an angle of approximately 30 degrees to 60 degrees toward the flow direction of the blast furnace gas 202. . With this configuration, the spray water 203 is supplied to the axial center portion of the combustion chamber 12 via the outer swirler gas injection hole 408.
以上で述べてきた燃焼器2の運転方法について、図1および図3を用いて説明する。ガスタービンの起動時には起動用モータなどの外部動力によってガスタービンを駆動し、燃焼器2の着火に必要な燃焼空気102および天然ガス201を供給し、点火栓により着火して燃焼器2内にパイロット火炎503を形成する。燃焼器2の着火後、燃焼ガス50がタービン3に供給され、天然ガス201の流量増加とともにタービン3が昇速し、起動用モータの離脱によりガスタービンが自立運転に入り、無負荷定格回転数に到達する。ガスタービンが無負荷定格回転数に到達後は、発電機4の併入、さらには天然ガス201の流量増加によりタービン3の入口ガス温度が上昇し、負荷が上昇する。負荷が上昇し、燃焼器出口の燃焼ガス温度が上昇し燃焼安定性が高くなることで、高炉ガス202への燃料切替が可能となる。 The operation method of the combustor 2 described above will be described with reference to FIG. 1 and FIG. When starting the gas turbine, the gas turbine is driven by external power such as a starting motor, supplying the combustion air 102 and natural gas 201 necessary for ignition of the combustor 2, and ignited by the spark plug, and piloted in the combustor 2. A flame 503 is formed. After the combustor 2 is ignited, the combustion gas 50 is supplied to the turbine 3, the turbine 3 is accelerated with an increase in the flow rate of the natural gas 201, and the gas turbine enters a self-sustaining operation by the release of the starting motor, and the no-load rated rotational speed To reach. After the gas turbine reaches the no-load rated rotation speed, the inlet gas temperature of the turbine 3 rises due to the addition of the generator 4 and the increase in the flow rate of the natural gas 201, and the load rises. The load is increased, the combustion gas temperature at the combustor outlet is increased, and the combustion stability is increased, so that the fuel can be switched to the blast furnace gas 202.
図3に燃料切替前の天然ガス専焼時におけるバーナ401の拡大断面図を示す。天然ガス201専焼時には、バーナ401下流にはパイロット火炎503が形成される。天然ガス201の発熱量は高炉ガス202よりも高いため、パイロット火炎503には局所的な高温領域が形成される。このため、燃焼ガス温度の高い燃料切替前においては、水噴射流路409、水噴射噴孔410を通じて噴霧水203を供給する。天然ガス201専焼時においては、外周スワラ燃料流路411には高炉ガス202が供給されていないため、バーナ内周側への傾斜角を持つ水噴射噴孔410から噴出した噴霧水203は外周スワラガス噴孔408を通じて燃焼室12の軸中心部に供給され、高温のパイロット火炎503の温度を低減する。 FIG. 3 shows an enlarged cross-sectional view of the burner 401 at the time of natural gas burning before fuel switching. When natural gas 201 is exclusively burned, a pilot flame 503 is formed downstream of the burner 401. Since the calorific value of the natural gas 201 is higher than that of the blast furnace gas 202, a local high temperature region is formed in the pilot flame 503. For this reason, the spray water 203 is supplied through the water injection channel 409 and the water injection nozzle 410 before the fuel is switched at a high combustion gas temperature. At the time of natural gas 201 firing, the blast furnace gas 202 is not supplied to the outer swirler fuel flow path 411, so the spray water 203 ejected from the water injection holes 410 having an inclination angle toward the inner peripheral side of the burner is the outer swirler gas. Supplied to the axial center of the combustion chamber 12 through the nozzle hole 408, the temperature of the high temperature pilot flame 503 is reduced.
図4に図3のA-A断面における燃焼室12の半径方向温度分布を示す。天然ガス専焼時にはパイロットガス噴孔406のみから燃料が供給されており、燃焼室12は軸中心部の温度が高く、半径方向外側では温度が低い分布となる。一般的に、空気中の窒素が高温で酸化されて発生する窒素酸化物は、燃焼温度が1800K以上の領域で発生する。このため、噴霧水203を燃焼室12の軸中心部に供給することで、燃焼温度が1800K以上の高温領域の温度を低減することができる。これにより、より少ない噴霧水203の供給量で効率的に窒素酸化物を低減することができる。 FIG. 4 shows a temperature distribution in the radial direction of the combustion chamber 12 in the AA section of FIG. During natural gas combustion, fuel is supplied only from the pilot gas injection holes 406, and the combustion chamber 12 has a high temperature at the center of the shaft and a low temperature distribution radially outward. In general, nitrogen oxides generated by oxidation of nitrogen in air at a high temperature are generated in a region where the combustion temperature is 1800K or higher. For this reason, by supplying the spray water 203 to the axial center portion of the combustion chamber 12, the temperature in the high temperature region where the combustion temperature is 1800K or more can be reduced. Thereby, nitrogen oxides can be efficiently reduced with a smaller supply amount of spray water 203.
図5に高炉ガス燃焼時のバーナ401の拡大断面図を示す。天然ガス専焼で負荷が上昇し、高炉ガスへの燃料切替が可能となったら、天然ガス201の流量を低減しながら高炉ガス202の流量を増加し、燃料切替を実施して内周火炎501および外周火炎502を形成する。高炉ガス202は発熱量が低いため、燃焼室12に局所的な高温領域が形成されず、窒素酸化物の排出量は低くなる。しかし、供給する高炉ガス202の発熱量によっては、高炉ガス202の燃焼安定性を増加するためにコークス炉ガスや天然ガスを混合し、高炉ガス202を増熱してから供給する場合がある。このような場合、天然ガス専焼と同様に、燃焼室12に高温領域が形成され、窒素酸化物の排出量が増加する恐れがあるため、燃焼室12に噴霧水203を供給する。 FIG. 5 shows an enlarged cross-sectional view of the burner 401 during blast furnace gas combustion. When the load increases due to natural gas firing and fuel switching to blast furnace gas is possible, the flow rate of blast furnace gas 202 is increased while reducing the flow rate of natural gas 201, and fuel switching is performed to change the inner flame 501 and A peripheral flame 502 is formed. Since the blast furnace gas 202 has a low calorific value, a local high temperature region is not formed in the combustion chamber 12, and the emission amount of nitrogen oxides is low. However, depending on the calorific value of the supplied blast furnace gas 202, in order to increase the combustion stability of the blast furnace gas 202, coke oven gas or natural gas may be mixed and supplied after increasing the heat of the blast furnace gas 202. In such a case, similarly to natural gas firing, a high temperature region is formed in the combustion chamber 12 and the discharge amount of nitrogen oxides may increase, so the spray water 203 is supplied to the combustion chamber 12.
噴霧水203は、天然ガス専焼時と同様に、水噴射流路409、水噴射噴孔410を通じて外周スワラ燃料流路411に噴射される。一方、高炉ガス202を燃焼させる際には、外周スワラ燃料流路411には高炉ガス202が供給されており、水噴射噴孔410から噴出した噴霧水203は高炉ガス202のせん断力によって微粒化される。微粒化された噴霧水203は、外周スワラ燃料流路411を流れる高炉ガス202に搬送されて燃焼室12の半径方向外側に流入し、燃焼室12に形成される循環流に流入しながら外周火炎502および内周火炎501の温度を低減する。 The spray water 203 is injected into the outer swirler fuel flow path 411 through the water injection flow path 409 and the water injection injection hole 410 as in the case of natural gas combustion. On the other hand, when the blast furnace gas 202 is burned, the blast furnace gas 202 is supplied to the outer swirler fuel flow path 411, and the spray water 203 ejected from the water injection nozzle 410 is atomized by the shear force of the blast furnace gas 202. Is done. The atomized spray water 203 is transferred to the blast furnace gas 202 flowing through the outer swirler fuel flow path 411, flows into the radially outer side of the combustion chamber 12, and flows into the circulating flow formed in the combustion chamber 12 while flowing into the outer flame. Reduce the temperature of 502 and the inner flame 501.
図6に、図5のB-B断面における燃焼室12の半径方向温度分布を示す。高炉ガス202を燃焼する時には、内周火炎501と外周火炎502が形成されること、発熱量が低く局所的な最高温度が天然ガス201専焼と比べて低下することから、半径方向の温度差が小さい温度分布となる。このため、本実施例のように噴霧水203を高炉ガス202とともに燃焼室12の半径方向外側に供給し、外周火炎502および内周火炎501の温度を低減することで、少ない噴霧水203の供給量で効率的に窒素酸化物を低減することができる。また、噴霧水203が燃焼室12の軸中心部に供給される場合と比べ、保炎の基点となる内周火炎501の火炎温度を高く保つことができる。これにより、天然ガス201よりも発熱量が低く燃焼安定性が低い高炉ガス202燃焼時においても、窒素酸化物の排出量を低減しながら燃焼安定性を保つことができる。 FIG. 6 shows a temperature distribution in the radial direction of the combustion chamber 12 in the BB cross section of FIG. When burning the blast furnace gas 202, the inner flame 501 and the outer flame 502 are formed, and the local maximum temperature is lower than that of the natural gas 201, because the calorific value is low and the local maximum temperature is reduced. Small temperature distribution. For this reason, the spray water 203 is supplied to the radially outer side of the combustion chamber 12 together with the blast furnace gas 202 as in this embodiment, and the temperature of the outer peripheral flame 502 and the inner peripheral flame 501 is reduced, thereby supplying less spray water 203. Nitrogen oxide can be efficiently reduced by the amount. Further, as compared with the case where the spray water 203 is supplied to the axial center portion of the combustion chamber 12, the flame temperature of the inner peripheral flame 501 serving as the flame holding base point can be kept high. As a result, even during combustion of the blast furnace gas 202 having a lower calorific value and lower combustion stability than the natural gas 201, it is possible to maintain combustion stability while reducing the emission amount of nitrogen oxides.
このように、本実施例は、内周スワラ403と外周スワラ404とで構成されるバーナ401と、バーナ401の軸中心に配置されたパイロットバーナ405とを備えたガスタービン燃焼器において、外周スワラ404に設けた外周スワラ燃料流路411中にバーナ401の軸中心側に向けて水を噴射するための水噴射噴孔410を設けたことを特徴とする。これにより、パイロットバーナ405から天然ガス201を供給して燃焼させる時には、燃焼室12の軸中心部に形成される高温領域に向けて水を噴射することで効率的に窒素酸化物を低減できる。また、高炉ガス202を燃焼させる時においては、噴霧水203を外周スワラ燃料流路411を流れる高炉ガス202とともに燃焼室12に供給することで、外周火炎502および内周火炎501の温度を低減し、少ない噴霧水203の供給量で効率的に窒素酸化物を低減することができる。また、保炎の基点となる内周火炎501の温度を高く保つことができ、燃焼安定性を確保できる。 As described above, in this embodiment, in the gas turbine combustor including the burner 401 including the inner swirler 403 and the outer swirler 404 and the pilot burner 405 disposed at the axial center of the burner 401, the outer swirler. A water injection nozzle 410 for injecting water toward the axial center side of the burner 401 is provided in the outer swirler fuel channel 411 provided in 404. As a result, when the natural gas 201 is supplied from the pilot burner 405 and burned, nitrogen oxides can be efficiently reduced by injecting water toward the high temperature region formed in the axial center portion of the combustion chamber 12. Further, when the blast furnace gas 202 is burned, the temperature of the outer flame 502 and the inner flame 501 is reduced by supplying the spray water 203 to the combustion chamber 12 together with the blast furnace gas 202 flowing through the outer swirler fuel channel 411. Therefore, nitrogen oxides can be efficiently reduced with a small supply amount of spray water 203. In addition, the temperature of the inner flame 501 that is the base point of flame holding can be kept high, and combustion stability can be ensured.
図7に本実施例における水噴射構造の別の実施形態を備えたバーナ401の拡大断面図を示す。先に説明した構成と比較して、本実施形態は、水噴射流路409に水噴射ノズル412を備え、水噴射ノズル412の先端部が外周スワラ燃料流路411に突出していることを特徴としている。ここで、水噴射ノズル412の先端部は、燃焼特性に影響を与えない範囲で外周スワラ燃料流路411の中央側に配置することが望ましい。高炉ガス202専焼時において、水噴射ノズル412から供給する噴霧水203は、高炉ガス202のせん断力によって可能な限り微粒化することが求められる。噴霧水203の微粒化が不十分な場合、高炉ガス専焼時においても噴霧の貫通力が増大し燃焼室12の軸中心部に噴霧水203が供給される可能性がある。 FIG. 7 shows an enlarged cross-sectional view of a burner 401 provided with another embodiment of the water injection structure in the present embodiment. Compared with the configuration described above, the present embodiment is characterized in that the water injection channel 409 includes a water injection nozzle 412 and the tip of the water injection nozzle 412 protrudes into the outer swirler fuel channel 411. Yes. Here, it is desirable that the tip of the water injection nozzle 412 be disposed on the center side of the outer swirler fuel channel 411 within a range that does not affect the combustion characteristics. When the blast furnace gas 202 is exclusively burned, the spray water 203 supplied from the water injection nozzle 412 is required to be atomized as much as possible by the shearing force of the blast furnace gas 202. If atomization of the spray water 203 is insufficient, the spray penetration force may increase even during blast furnace gas firing, and the spray water 203 may be supplied to the axial center of the combustion chamber 12.
噴霧水203の微粒化を促進するためには、噴霧水203と高炉ガス202との速度差を拡大し、噴霧水203を微粒化するためのせん断力を強めることが有効である。外周スワラ燃料流路411を流れる高炉ガス202の流速は、主流となる流路中央部で最大となる。そこで、本実施形態においては、噴霧水ノズル412の先端部を外周スワラ燃料流路411内に突出させ、この水噴射ノズルに水噴射噴孔を設置している。このように構成することで、噴霧水203と高炉ガス202の速度差を拡大し、噴霧水203の微粒化を促進することができる。 In order to promote atomization of the spray water 203, it is effective to increase the shearing force for atomizing the spray water 203 by increasing the speed difference between the spray water 203 and the blast furnace gas 202. The flow rate of the blast furnace gas 202 flowing through the outer swirler fuel channel 411 is maximum at the center of the main channel. Therefore, in the present embodiment, the tip of the spray water nozzle 412 protrudes into the outer swirler fuel flow path 411, and a water injection nozzle is provided in this water injection nozzle. By comprising in this way, the speed difference of the spray water 203 and the blast furnace gas 202 can be expanded, and atomization of the spray water 203 can be accelerated | stimulated.
なお、本実施形態のように、噴霧水ノズル412の先端部を外周スワラ燃料流路411を外周スワラ燃料流路411の中央部まで突出させることにより、噴霧水203と高炉ガス202の速度差を最大限確保し、噴霧水203の微粒化をより効果的に促進することができる。 As in the present embodiment, the tip of the spray water nozzle 412 is protruded from the outer swirler fuel flow path 411 to the center of the outer swirler fuel flow path 411, so that the speed difference between the spray water 203 and the blast furnace gas 202 is increased. As much as possible, the atomization of the spray water 203 can be promoted more effectively.
図8に本実施例における水噴射構造の更に別の実施形態を備えたバーナ401の拡大断面図を示す。先に説明した構成と異なり、本実施形態では、複数の水供給配管413が外周スワラ404の外側に別体として配置されている。そして、水供給配管413の先端部には外周スワラ404方向に開口する水噴射噴孔410が形成されている。また、外周スワラ404には、外周スワラ404外壁面と外周スワラ燃料流路411を接続する外周スワラ水噴射流路414が形成され、水噴射噴孔410から供給された噴霧水203が外周スワラ燃料流路411内に噴射されるように構成している。 FIG. 8 shows an enlarged cross-sectional view of a burner 401 provided with still another embodiment of the water injection structure in the present embodiment. Unlike the configuration described above, in the present embodiment, a plurality of water supply pipes 413 are arranged separately from the outer periphery swirler 404. A water injection nozzle 410 that opens in the direction of the outer swirler 404 is formed at the tip of the water supply pipe 413. Also, the outer swirler 404 is formed with an outer swirler water injection channel 414 connecting the outer wall of the outer swirler 404 and the outer swirler fuel channel 411, and the spray water 203 supplied from the water injection nozzle 410 is the outer swirler fuel. It is configured to be injected into the flow path 411.
図2や図7に示す構成においては、外周スワラ404自体に外周スワラ燃料流路411および水噴射流路409の双方が形成されている。このため、供給される高炉ガス202の温度が高い場合には、外周スワラ燃料流路411と水噴射流路409の間で大きな温度勾配が生じて熱応力が増加し、外周スワラ411の信頼性が低下する可能性がある。また、外周スワラ404内部に高炉ガス202および噴霧水203の流路を設けるため、構造が複雑化しコストが増加する可能性がある。 In the configuration shown in FIGS. 2 and 7, both the outer swirler fuel channel 411 and the water injection channel 409 are formed in the outer swirler 404 itself. For this reason, when the temperature of the supplied blast furnace gas 202 is high, a large temperature gradient is generated between the outer swirler fuel flow path 411 and the water injection flow path 409 to increase the thermal stress, and the reliability of the outer swirler 411 is improved. May be reduced. Further, since the flow path for the blast furnace gas 202 and the spray water 203 is provided inside the outer swirler 404, the structure may be complicated and the cost may increase.
これに対し本実施形態では、外周スワラ404に設けられていた水噴射流路の代わりに、複数の水供給配管413を配置し、外周スワラ404と水供給配管413を分離している。このように水噴射噴孔に水を供給する水配管を外周スワラの外部に別体として配置することにより、外周スワラ404内部の温度勾配を低減し、熱応力の増加を抑制できる。また、外周スワラ404の構造を簡略化することで、製造コストの低減も図ることができる。 In contrast, in the present embodiment, a plurality of water supply pipes 413 are arranged in place of the water injection flow path provided in the outer peripheral swirler 404, and the outer peripheral swirler 404 and the water supply pipe 413 are separated. Thus, by arranging the water pipe for supplying water to the water injection nozzle as a separate body outside the outer swirler, the temperature gradient inside the outer swirler 404 can be reduced, and an increase in thermal stress can be suppressed. In addition, the manufacturing cost can be reduced by simplifying the structure of the outer swirler 404.
本実施例では起動用燃料として天然ガスを例に説明したが、高炉ガスにコークス炉ガスを混合した増熱ガスや液体燃料などを用いた場合も同様の効果が得られる。また、低カロリー燃料として高炉ガスを例に説明したが、バイオマスガス化ガスなど水分や不活性成分の比率が高く、発熱量の低い燃料においても同様の効果が得られる。 In this embodiment, natural gas has been described as an example of the starting fuel. However, the same effect can be obtained by using a heat increasing gas obtained by mixing a coke oven gas with a blast furnace gas, a liquid fuel, or the like. Further, although blast furnace gas has been described as an example of the low calorie fuel, the same effect can be obtained even in a fuel having a high ratio of moisture and inert components such as biomass gasification gas and a low calorific value.
図9に本発明の第2実施例におけるガスタービン発電システムの系統図を示す。本実施例では起動用燃料として油燃料205を用いており、油燃料系統305からパイロットバーナ405へ油燃料205を供給する。また、本実施例では第１実施例の構成に加え、燃焼空気102の一部を抽気し、抽気空気103として高炉ガス燃料系統302bに供給するための抽気空気系統304を設けたことを特徴とする。抽気空気系統304にも流量調節弁が設置されており、抽気する燃焼空気102の流量を調節することができる。また、高炉ガス燃料系統302bおよび抽気空気系統304には流量調節弁の下流側に逆止弁が設置され、高炉ガス202と抽気空気103が混合しないように構成されている。 FIG. 9 shows a system diagram of a gas turbine power generation system according to the second embodiment of the present invention. In this embodiment, the oil fuel 205 is used as the starting fuel, and the oil fuel 205 is supplied from the oil fuel system 305 to the pilot burner 405. Further, in this embodiment, in addition to the configuration of the first embodiment, an extraction air system 304 for extracting a part of the combustion air 102 and supplying the extracted air 103 to the blast furnace gas fuel system 302b is provided. To do. The extraction air system 304 is also provided with a flow rate control valve, and the flow rate of the combustion air 102 to be extracted can be adjusted. The blast furnace gas fuel system 302b and the extraction air system 304 are provided with a check valve on the downstream side of the flow control valve so that the blast furnace gas 202 and the extraction air 103 are not mixed.
図10に本発明の第2実施例におけるバーナ401の拡大断面図を示す。図10は起動用燃料として油燃料205aを用いた場合を示す。図10では、油燃料205aをパイロットバーナ405に供給し、パイロット油噴孔415から燃焼室12へ油燃料205aを噴射している。また、実施例1と同様に、水噴射流路409に噴霧水203を供給している。これにより、実施例1と同様に燃焼室12の軸中心部に形成されるパイロット火炎503の高温領域に水を噴射し、窒素酸化物を低減できる。 FIG. 10 shows an enlarged sectional view of the burner 401 in the second embodiment of the present invention. FIG. 10 shows a case where oil fuel 205a is used as the starting fuel. In FIG. 10, the oil fuel 205a is supplied to the pilot burner 405, and the oil fuel 205a is injected from the pilot oil injection hole 415 into the combustion chamber 12. Further, similarly to the first embodiment, the spray water 203 is supplied to the water injection flow path 409. As a result, water can be injected into the high temperature region of the pilot flame 503 formed at the axial center of the combustion chamber 12 as in the first embodiment, and nitrogen oxides can be reduced.
図11に、起動用燃料として図10で用いた油燃料205aよりも沸点が高い油燃料205bを用いる場合を示す。なお、図11に示すバーナの構造は、図10に示すバーナ構造と同じである。油燃料の沸点が高くなると、図10よりも油燃料205の蒸発や燃焼空気102との混合が遅れるため、パイロット火炎503が燃焼室12の下流側に形成される。このため、噴霧水203の噴射位置が油燃料205aを用いる場合と同一の場合、油燃料205bの燃焼反応が十分進む前に噴霧水203が供給されることで、パイロット火炎503の燃焼が不安定になる可能性があった。 FIG. 11 shows a case where oil fuel 205b having a boiling point higher than that of oil fuel 205a used in FIG. 10 is used as the starting fuel. The burner structure shown in FIG. 11 is the same as the burner structure shown in FIG. When the boiling point of the oil fuel increases, the evaporation of the oil fuel 205 and the mixing with the combustion air 102 are delayed more than in FIG. 10, so that the pilot flame 503 is formed on the downstream side of the combustion chamber 12. For this reason, when the spray position of the spray water 203 is the same as when the oil fuel 205a is used, the spray water 203 is supplied before the combustion reaction of the oil fuel 205b sufficiently proceeds, so that the combustion of the pilot flame 503 is unstable. There was a possibility of becoming.
このような課題を解決するため、本実施例においては、沸点の高い油燃料205bを用いる場合に、抽気空気103を高炉ガス燃料系統302bに供給している。水噴射噴孔410から噴出する噴霧水203は抽気空気103のせん断力によって微粒化され、抽気空気103とともに燃焼室12に流入する。抽気空気103を供給することで噴霧水203の噴射方向が変更され、噴霧水203は、燃焼室12のより下流側でパイロット火炎503と混合される。これにより、沸点が高い油燃料を用いた場合においても、パイロット火炎503の高温領域に噴霧水203を供給することができ、パイロット火炎503の燃焼安定性を高く保つことができる。 In order to solve such a problem, in this embodiment, when the oil fuel 205b having a high boiling point is used, the extraction air 103 is supplied to the blast furnace gas fuel system 302b. The spray water 203 ejected from the water injection nozzle 410 is atomized by the shearing force of the extraction air 103 and flows into the combustion chamber 12 together with the extraction air 103. By supplying the bleed air 103, the spraying direction of the spray water 203 is changed, and the spray water 203 is mixed with the pilot flame 503 on the downstream side of the combustion chamber 12. As a result, even when oil fuel having a high boiling point is used, the spray water 203 can be supplied to the high temperature region of the pilot flame 503, and the combustion stability of the pilot flame 503 can be kept high.
このように、高炉ガス燃料系統302bに抽気空気103を供給する抽気空気系統304を備えた本実施例の構成によれば、例えば燃料の発熱量に応じて水の供給位置を連続的に変化させる事が可能となるため、より少量の水噴射量で、窒素酸化物の低減を図ることができる。なお、本実施例では燃料の発熱量に応じて水の供給位置を変化される例を示したが、水の供給位置はこの他にも様々な要素に基づいて変化させる事が可能であり、例えば、火炎の安定性を優先した運転を行ないたい場合に、水の供給位置をあえて下流側にシフトさせ、バーナ中央部に形成される火炎の温度を確保しても良い。 As described above, according to the configuration of the present embodiment including the extraction air system 304 that supplies the extraction air 103 to the blast furnace gas fuel system 302b, for example, the water supply position is continuously changed according to the heat generation amount of the fuel. Therefore, nitrogen oxides can be reduced with a smaller amount of water injection. In the present embodiment, an example in which the water supply position is changed according to the amount of heat generated by the fuel is shown. However, the water supply position can be changed based on various other factors, For example, when an operation that prioritizes flame stability is desired, the water supply position may be shifted to the downstream side to ensure the temperature of the flame formed in the center of the burner.
以上で説明した各実施例は、燃料と空気を燃焼させる燃焼室と、前記燃焼室にガス燃料と空気を噴射する内周スワラと、前記内周スワラの外周に配置され、前記燃焼室にガス燃料を噴射する外周スワラとを有する旋回バーナと、前記内周スワラの内周に配置され、前記燃焼室にパイロット燃料を噴射するパイロットバーナとを備え、前記外周スワラに設けられた燃料流路内に、前記旋回バーナの軸中心側に向けて水を噴射する水噴射噴孔を有することを特徴とする。 Each of the embodiments described above is disposed on a combustion chamber that burns fuel and air, an inner swirler that injects gaseous fuel and air into the combustion chamber, and an outer periphery of the inner swirler. A swirl burner having an outer peripheral swirler that injects fuel, and a pilot burner that is disposed on the inner periphery of the inner peripheral swirler and injects pilot fuel into the combustion chamber, and in a fuel flow path provided in the outer peripheral swirler And a water injection nozzle for injecting water toward the axial center of the swirl burner.
これにより、高カロリーガスや液体燃料を燃焼する時には、外周スワラに設けた燃料流路を通じて高温の循環ガス領域中心部に向けて、水を噴射することができる。また、低カロリーガスを燃焼する時には、外周スワラに低カロリーガスが供給されるため、外周スワラ燃料流路に噴射された水は低カロリーガスのせん断力で微粒化されて水の噴射方向が変化し、水を循環ガス領域の外周部に向けて噴射することができる。 Thereby, when burning high-calorie gas or liquid fuel, water can be injected toward the center of the hot circulating gas region through the fuel flow path provided in the outer swirler. In addition, when burning low calorie gas, low calorie gas is supplied to the outer swirler, so the water injected into the outer swirler fuel flow path is atomized by the shear force of the low calorie gas and the water injection direction changes. And water can be injected toward the outer peripheral part of a circulation gas area | region.
そして、高カロリーガスや液体燃料を燃焼する時には高温の循環ガス領域中心部に向けて水を噴射することで効率的に窒素酸化物を低減できる。また、低カロリーガスを燃焼する時においては、水を循環ガス領域の外周部に向けて噴射し、火炎基部の温度を高く保つことで燃焼安定性を確保できる。 And when burning high-calorie gas or liquid fuel, nitrogen oxides can be efficiently reduced by injecting water toward the center of the high-temperature circulating gas region. Further, when burning the low calorie gas, it is possible to ensure combustion stability by injecting water toward the outer periphery of the circulation gas region and keeping the temperature of the flame base high.
１…圧縮機、２…燃焼器、３…タービン、４…発電機
１０…外筒、１１…フロースリーブ、１２…燃焼室、１３…ライナ、１４…空気孔(フロースリーブ)、１５…空気孔(ライナ)、
５０…燃焼ガス
１０１…空気、１０２…燃焼空気、１０３…抽気空気
２０１…天然ガス、２０２…高炉ガス、２０３・・・噴霧水、２０５・・・油燃料
３０１…天然ガス燃料系統、３０２…高炉ガス燃料系統、３０３…噴霧水系統、
３０４…抽気空気系統、３０５・・・油燃料系統
４０１…バーナ、４０２…空気噴孔、４０３…内周スワラ、４０４…外周スワラ、
４０５…パイロットバーナ、４０６…パイロットガス噴孔、４０７…内周スワラガス噴孔、
４０８…外周スワラガス噴孔、４０９・・・水噴射流路、４１０・・・水噴射噴孔、
４１１・・・外周スワラ燃料流路、４１２・・・水噴射ノズル、４１３・・・水供給配管、
４１４・・・外周スワラ水噴射流路、４１５・・・パイロット油噴孔
５０１…内周火炎、５０２…外周火炎、５０３・・・パイロット火炎
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Compressor, 2 ... Combustor, 3 ... Turbine, 4 ... Generator 10 ... Outer cylinder, 11 ... Flow sleeve, 12 ... Combustion chamber, 13 ... Liner, 14 ... Air hole (flow sleeve), 15 ... Air hole (Liner),
DESCRIPTION OF SYMBOLS 50 ... Combustion gas 101 ... Air, 102 ... Combustion air, 103 ... Extraction air 201 ... Natural gas, 202 ... Blast furnace gas, 203 ... Spray water, 205 ... Oil fuel 301 ... Natural gas fuel system, 302 ... Blast furnace Gas fuel system, 303 ... spray water system,
304 ... Extraction air system, 305 ... Oil fuel system 401 ... Burner, 402 ... Air hole, 403 ... Inner swirler, 404 ... Outer swirler,
405 ... Pilot burner, 406 ... Pilot gas nozzle hole, 407 ... Inner swirl gas nozzle hole,
408 ... Outer swirl gas injection hole, 409 ... Water injection flow path, 410 ... Water injection injection hole,
411: outer swirler fuel flow path, 412: water injection nozzle, 413: water supply pipe,
414: outer swirler water injection flow path, 415: pilot oil injection hole 501 ... inner flame, 502 ... outer flame, 503 ... pilot flame
Claims (5)
前記外周スワラに設けられた燃料流路内に、前記旋回バーナの軸中心側に向けて水を噴射する水噴射噴孔を有することを特徴とするガスタービン燃焼器。 A combustion chamber for combusting fuel and air; an inner swirler for injecting gaseous fuel and air into the combustion chamber; and an outer swirler disposed on the outer periphery of the inner swirler for injecting gas fuel into the combustion chamber. A gas turbine combustor including a swirl burner and a pilot burner disposed on an inner periphery of the inner swirler and injecting pilot fuel into the combustion chamber;
A gas turbine combustor having a water injection nozzle for injecting water toward the axial center side of the swirl burner in a fuel flow path provided in the outer peripheral swirler.
燃焼空気の一部を抽気して前記外周スワラ燃料流路に供給する抽気空気系統と、抽気する燃焼空気の流量を調節する流量調節弁とを備えたことを特徴とするガスタービンシステム。 5. A gas turbine combustor according to claim 1, a compressor for compressing air to supply combustion air to the gas turbine combustor, and a turbine driven by combustion gas generated by the gas turbine combustor. A gas turbine system comprising:
A gas turbine system comprising: an extraction air system for extracting a part of combustion air and supplying the extracted air to the outer swirler fuel flow path; and a flow rate adjusting valve for adjusting a flow rate of the combustion air to be extracted.
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