(57)【要約】【課題】本発明の目的は、気体燃料を燃焼するガスタービン燃焼器の運転時に大気条件の変動や燃料の組成の変化が生じた場合でも、低ＮＯｘ濃度を達成すると共に、燃焼安定性を確保するデュアル燃料対応のガスタービン燃焼器を提供する。【解決手段】本発明のガスタービン燃焼器は、燃料を供給する液体燃料供給系統と気体燃料供給系統とが配設され、このガスタービン燃焼器の軸中心の拡散燃焼バーナと、前記拡散燃焼バーナの外周側の複数の予混合燃焼バーナとを備え、前記拡散燃焼バーナに液体燃料ノズルと気体燃料ノズルを設け、前記予混合燃焼バーナに別の液体燃料ノズルと気体燃料噴孔を設け、前記拡散燃焼バーナに備えた液体燃料ノズルに前記気体燃料供給系統の一部を接続させてこの液体燃料ノズルから気体燃料を噴射するように構成した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料と気体燃料との双方が燃焼可能なように液体燃料を供給する液体燃料供給系統と、気体燃料を供給する気体燃料供給系統とがそれぞれ配設されたガスタービン燃焼器であって、このガスタービン燃焼器の軸中心に位置して燃料を拡散燃焼させる拡散燃焼バーナと、前記拡散燃焼バーナの外周側に位置して燃料を予混合して燃焼させる複数の予混合燃焼バーナとを備え、
前記拡散燃焼バーナに液体燃料を噴射する液体燃料ノズルと気体燃料を噴射する気体燃料ノズルを設け、前記予混合燃焼バーナに液体燃料を噴射する別の液体燃料ノズルと気体燃料を噴射する気体燃料噴孔を設け、
前記拡散燃焼バーナに備えた液体燃料ノズルに前記気体燃料供給系統の一部を接続させてこの液体燃料ノズルから気体燃料を噴射するように構成したことを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項２】
請求項１に記載のガスタービン燃焼器において、
前記拡散燃焼バーナに備えた液体燃料ノズルに気体燃料を供給する前記気体燃料供給系統に、気体燃料の流量を制御する流量制御弁と、液体燃料供給系統からこの気体燃料供給系統に液体燃料が逆流するのを防止する逆止弁とを設けたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項３】
請求項１に記載のガスタービン燃焼器において、
前記拡散燃焼バーナに備えた液体燃料ノズルに気体燃料を供給する気体燃料供給系統は、前記拡散燃焼バーナに備えた気体燃料ノズルの気体燃料供給系統から分岐して接続されており、この液体燃料ノズルに気体燃料を供給する気体燃料系統には気体燃料の流量を調節する流量制御弁を設けると共に該流量制御弁の下流側に気体燃料の供給圧力に応じて前記液体燃料ノズルから噴射する気体燃料の流量を制御する加圧弁を設けたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項４】
請求項１に記載のガスタービン燃焼器において、
前記拡散燃焼バーナに備えた前記液体燃料ノズルは、大流量の燃料を噴射するメイン噴孔と、小流量の燃料を噴射するパイロット噴孔とを有するデュアルオリフィス型の液体燃料ノズルであって、前記メイン噴孔及びパイロット噴孔に液体燃料を供給する液体燃料供給系統に気体燃料を供給する前記気体燃料供給系統をそれぞれ接続するように配設し、このデュアルオリフィス型の液体燃料ノズルに接続された前記液体燃料供給系統に前記気体燃料供給系統を通じて供給される気体燃料の供給圧力に応じて前記メイン噴孔から噴射する気体燃料の流量を制御する加圧弁を設けたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項５】
請求項１に記載のガスタービン燃焼器において、
前記ガスタービン燃焼器の運転状態量であるガスタービン燃焼器で発生した燃焼ガス中のＮＯｘ濃度と、拡散燃焼バーナの液体燃料ノズルの先端部温度を検出する計測器をそれぞれ設置し、これらの計測器で検出した前記ＮＯｘ濃度及び液体燃料ノズルの先端部温度に基づいて前記拡散燃焼バーナに備えた液体燃料ノズルに気体燃料を供給する前記気体燃料供給系統に設置した気体燃料の流量を調節する流量制御弁の開度を制御する制御装置を設けたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項６】
液体燃料と気体燃料の何れもが燃焼可能なように液体燃料を供給する液体燃料供給系統と、気体燃料を供給する気体燃料供給系統とをそれぞれ配設したガスタービン燃焼器の軸中心に位置して燃料を拡散燃焼させる拡散燃焼バーナと、この拡散燃焼バーナの外周側に位置して燃料を予混合して燃焼させる複数の予混合燃焼バーナとを備え、前記拡散燃焼バーナに液体燃料を噴射する液体燃料ノズルと気体燃料を噴射する気体燃料ノズルを設け、前記予混合燃焼バーナに液体燃料を噴射する別の液体燃料ノズルと気体燃料を噴射する気体燃料噴孔を設けたガスタービン燃焼器の運転方法において、
気体燃料をこのガスタービン燃焼器で燃焼させている場合でガスタービンの負荷が高負荷に増加した際に、前記拡散燃焼バーナに備えた液体燃料ノズルに気体燃料供給系統から気体燃料を供給して前記液体燃料ノズルから気体燃料を噴射して燃焼させ、この液体燃料ノズルから噴射する気体燃料の流量をガスタービンの運転状態量に応じて制御することを特徴とするガスタービン燃焼器の運転方法。
【請求項７】
請求項６に記載のガスタービン燃焼器の運転方法において、
前記ガスタービン燃焼器の運転状態量であるガスタービン燃焼器で発生した燃焼ガス中のＮＯｘ濃度と、拡散燃焼バーナの液体燃料ノズルの先端部温度を検出し、検出した前記ＮＯｘ濃度及び液体燃料ノズルの先端部温度に基づいて前記気体燃料供給系統から液体燃料ノズルに供給する気体燃料の流量を制御することを特徴とするガスタービン燃焼器の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体燃料と液体燃料との双方を燃焼できる液体燃料と気体燃料とのデュアル燃料対応のガスタービン燃焼器およびガスタービン燃焼器の運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、液体燃料、気体燃料の何れの燃焼にも対応できるガスタービン燃焼器が注目を集めており、デュアル燃料対応のガスタービン燃焼器と呼ばれている。
【０００３】
デュアル燃料対応のガスタービン燃焼器は、液体燃料と気体燃料を自由に切り替えて燃焼して運転できるため、燃料インフラに対しフレキシブルに対応できる点で優れたガスタービン燃焼器である。
【０００４】
然しながらこのようなデュアル燃料対応のガスタービン燃焼器においても、地球環境保護の観点からＮＯｘ排出量の低減は重要な技術課題の１つとなっている。
【０００５】
ところで、ガスタービン燃焼器におけるＮＯｘ低減方法として予混合燃焼方式がある。予混合燃焼とは、ガスタービン燃焼器に設けた予混合器内で予め燃料と空気を混合してガスタービン燃焼器の燃焼室に供給し、燃焼させる燃焼方式である。
【０００６】
ガスタービン燃焼器を予混合燃焼させる構成にすることによって、ガスタービン燃焼器の燃焼室内に局部的な高温領域の発生を抑えることで、発生する燃焼ガス中のサーマルＮＯｘ濃度の低減が可能となる。
【０００７】
一般に、ガスタービン燃焼器の予混合燃焼は燃料と空気の混合を促進して希薄な混合ガスを生成して燃焼させるため、燃焼室内に形成する火炎の不安定性や、この火炎の不安定性に伴なって燃焼振動が発生するケースが多い。
【０００８】
このような不具合の現象を回避するために、液体燃料と気体燃料とを使用するデュアル燃料対応のガスタービン燃焼器として、例えば燃焼安定性に優れたメインノズルによる拡散燃焼と、パイロットノズルによる前記予混合燃焼とを組み合わせたガスタービン燃焼器が、特開平５−２１５３３８号公報に開示されている。
【０００９】
前記デュアル燃料対応のガスタービン燃焼器による運転方法は、ガスタービンの負荷に応じて拡散燃焼と予混合燃焼との燃焼比率を制御して、低ＮＯｘ化と燃焼安定性の両立を図るようにしている。
【００１０】
【特許文献１】特開平５−２１５３３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
地球環境保護の観点からガスタービン燃焼器の排出ガスに対する環境規制は厳しさを増してきており、デュアル燃料対応のガスタービン燃焼器でも、環境規制を満足するために予混合燃焼の燃焼割合を高めた運転を行うことが必要となってきている。
【００１２】
デュアル燃料対応のガスタービン燃焼器では、ガスタービンの運用者の都合によって燃料として液体燃料の使用と気体燃料の使用とを選択して使用できる。
【００１３】
しかしながら、前記デュアル燃料対応のガスタービン燃焼器で気体燃料を燃焼させた場合に、大気条件の大幅な変動や、燃料の組成の変化によるカロリーの変動が生じた場合には、ガスタービン燃焼器で発生した燃焼ガス中のＮＯｘ濃度の低減とガスタービン燃焼器の燃焼安定性とを両立させる運転範囲が非常に狭くなり、実質的にガスタービン燃焼器を継続して運転させることが困難となる。
【００１４】
特にガスタービン燃焼器で発生する燃焼ガス中のＮＯｘ濃度の制限値については１桁台のＰＰＭ濃度の極めて低いＮＯｘ排出値が要求されており、予混合燃焼の燃焼比率を高めた運転が一層顕著となる傾向にある。
【００１５】
前記デュアル燃料対応のガスタービン燃焼器では、通常、気体燃料を燃焼させている場合、ＮＯｘ排出量を低減させるために予混合燃焼の比率を高くすると、ガスタービン燃焼器内に形成される火炎が不安定となり逆火や失火、燃焼振動が増大する可能性が高くなる。
【００１６】
逆に、前記デュアル燃料対応のガスタービン燃焼器では、燃焼安定性を向上させるために予混合燃焼の比率を低くすると、拡散燃焼によって排出されるＮＯｘ濃度が増加して環境規制を満足できなくなる可能性が高くなる。
【００１７】
本発明の目的は、気体燃料を燃焼するガスタービン燃焼器の運転時に大気条件の変動や燃料の組成の変化が生じた場合でも、所望の低ＮＯｘ濃度を達成すると共に、燃焼安定性も確保できる液体燃料と気体燃料のデュアル燃料対応のガスタービン燃焼器およびガスタービン燃焼器の運転方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明のガスタービン燃焼器は、液体燃料と気体燃料との双方が燃焼可能なように液体燃料を供給する液体燃料供給系統と、気体燃料を供給する気体燃料供給系統とがそれぞれ配設されたガスタービン燃焼器であって、このガスタービン燃焼器の軸中心に位置して燃料を拡散燃焼させる拡散燃焼バーナと、前記拡散燃焼バーナの外周側に位置して燃料を予混合して燃焼させる複数の予混合燃焼バーナとを備え、前記拡散燃焼バーナに液体燃料を噴射する液体燃料ノズルと気体燃料を噴射する気体燃料ノズルを設け、前記予混合燃焼バーナに液体燃料を噴射する別の液体燃料ノズルと気体燃料を噴射する気体燃料噴孔を設け、前記拡散燃焼バーナに備えた液体燃料ノズルに前記気体燃料供給系統の一部を接続させてこの液体燃料ノズルから気体燃料を噴射するように構成したことを特徴とする。
【００１９】
また本発明のガスタービン燃焼器の運転方法は、液体燃料と気体燃料の何れもが燃焼可能なように液体燃料を供給する液体燃料供給系統と、気体燃料を供給する気体燃料供給系統とをそれぞれ配設したガスタービン燃焼器の軸中心に位置して燃料を拡散燃焼させる拡散燃焼バーナと、この拡散燃焼バーナの外周側に位置して燃料を予混合して燃焼させる複数の予混合燃焼バーナとを備え、前記拡散燃焼バーナに液体燃料を噴射する液体燃料ノズルと気体燃料を噴射する気体燃料ノズルを設け、前記予混合燃焼バーナに液体燃料を噴射する別の液体燃料ノズルと気体燃料を噴射する気体燃料噴孔を設けたガスタービン燃焼器の運転方法において、気体燃料をこのガスタービン燃焼器で燃焼させている場合でガスタービンの負荷が高負荷に増加した際に、前記拡散燃焼バーナに備えた液体燃料ノズルに気体燃料供給系統から気体燃料を供給して前記液体燃料ノズルから気体燃料を噴射して燃焼させ、この液体燃料ノズルから噴射する気体燃料の流量をガスタービンの運転状態量に応じて制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、気体燃料を燃焼するガスタービン燃焼器の運転時に大気条件の変動や燃料の組成の変化が生じた場合でも、所望の低ＮＯｘ濃度を達成すると共に、燃焼安定性も確保できる液体燃料と気体燃料のデュアル燃料対応のガスタービン燃焼器およびガスタービン燃焼器の運転方法が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
次に、本発明の実施例である液体燃料と気体燃料との双方を燃焼できるデュアル燃料対応のガスタービン燃焼器およびガスタービン燃焼器の運転方法について図面を参照して以下に説明する。
【実施例１】
【００２２】
本発明の一実施例である液体燃料と気体燃料との双方を燃焼できるデュアル燃料対応のガスタービン燃焼器およびガスタービン燃焼器の運転方法を備えたガスタービンプラントについて図１乃至図３を参照して説明する。
【００２３】
図１は、本発明の一実施例となる液体燃料と気体燃料とのデュアル燃料対応のガスタービン燃焼器を備えたガスタービンプラントの全体構成を示す概略構成図である。
【００２４】
図１に示したように、ガスタービンプラントは、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から供給される燃焼用空気３００と燃料とを混合して燃焼し、高温の燃焼ガス４０３を生成する液体燃料と気体燃料とのデュアル燃料対応のガスタービン燃焼器３と、このガスタービン燃焼器３で生成された高温の燃焼ガス４０３を作動流体として供給して回転するタービン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。
【００２５】
なお、本実施例のガスタービンプラントでは圧縮機１とタービン２及び発電機４の軸は連結された１軸構造となっている。
【００２６】
前記ガスタービン燃焼器３は、燃料として気体燃料２１０と、液体燃料１１０との何れも燃焼可能なデュアル燃料対応のガスタービン燃焼器３であり、圧縮機１から供給される燃焼空気３００とこれらの燃料とを混合して燃焼させ、高温の燃焼ガスを生成する燃焼室を形成する内筒７と、気体燃料２１０及び液体燃料１１０を供給する燃料供給系統と燃焼空気３００を供給する圧縮空気供給系統とが配設されており、内部に燃焼室を形成する前記内筒７を収容した外筒５と、この外筒５の端部を覆うエンドカバー６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。
【００２７】
前記外筒５にはその先端が内筒７の内側に位置する点火栓９が取り付けられており、内筒７に噴射された燃料の点火を行うようになっている。
【００２８】
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、燃焼安定性の良い液体燃料ノズル１２を備えた拡散燃焼バーナ１０が設置されており、この拡散燃焼バーナ１０の周囲には低ＮＯｘ化に有効な燃料と空気とを予混合させる混合室１１ａを備えた予混合燃焼バーナ１１が複数個配置されている。
【００２９】
図２は前記ガスタービン燃焼器３に備えられた拡散燃焼バーナ１０の詳細断面を示す断面図であり、拡散燃焼バーナ１０は内側に混合室を形成する中空円錐形状部１０ａが設置された構造であり、この混合室を形成している中空円錐形状部１０ａの壁面には燃焼空気に旋回成分を付与する複数個の空気孔１５が環状に配設されている。
【００３０】
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２１０を噴射する液体燃料ノズル１２が配置されている。
【００３１】
前記液体燃料ノズル１２の外周には、拡散燃焼バーナ１０の中空円錐形状部１０ａに形成した複数個の空気孔１５の数と同数の気体燃料２１０を噴出する気体燃料ノズル１４が、この各空気孔１５の上流側に近接した相対する位置に環状に位置するようにそれぞれ配置されている。
【００３２】
そして、前記各気体燃料ノズル１４から噴射する気体燃料２１０は、中空円錐形状部１０ａに形成した相対する空気孔１５から該中空円錐形状部１０ａの混合室に噴出する空気の流れと同軸方向に該空気孔１５を通じて前記中空円錐形状部１０ａの混合室に噴射される構造となっている。
【００３３】
一方、前記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は、図１及び図８に示したように予混合燃焼バーナ１１の上流側の軸中心位置に液体燃料１１０を供給するための液体燃焼ノズル１３が設置されている。
【００３４】
更に予混合燃焼バーナ１１は、この液体燃料ノズル１３の下流側に該液体燃料ノズル１３から噴射された液体燃料１１０と空気の混合を促進するための中空円錐形状の混合室１１ａをその上流側に形成し、この混合室１１ａの下流側には、液体燃料１１０を蒸発するための略円筒形状の蒸発室１１ｂを形成している。
【００３５】
また予混合燃焼バーナ１１の前記混合室１１ａ及び蒸発室１１ｂの壁面には、予混合燃焼バーナ１１内に燃焼空気を導入するための複数の空気孔１１ｃが設けられており、これらの空気孔１１ｃを設けた壁面には、気体燃料供給系統２２０から供給される気体燃料２１０を噴出するための気体燃料噴孔１１ｄが設けられている。
【００３６】
図１に示したガスタービン燃焼器を備えたガスタービンプラントにおいて、ガスタービン燃焼器３に気体燃料２１０を供給する場合には、液化させた気体燃料２１０を貯蔵する気体燃料タンク２００と、この気体燃料タンク２００から供給する燃料の流量を調節する制御弁２０１と、気体燃料タンク２００から供給された液化させた気体燃料２１０を気化させる蒸発器２０２と、この蒸発器２０２から気体燃料ノズル１４に供給する気体燃料２１０の流量を調節する流量制御弁２０３と気体燃料２１０の流量を遮断する遮断弁２０４、並びに流量制御弁２０５と遮断弁２０６をそれぞれ備えた気体燃料供給系統２２０を配設した構成にして、気体燃料２１０をガスタービン燃焼器３に供給するように構成している。
【００３７】
そして気体燃料供給系統２２０からガスタービン燃焼器３に供給する気体燃料２１０の流量は、ガスタービンの負荷に基づいて制御装置８００の操作によって前記流量制御弁２０３、２０５の弁開度を操作して制御される。
【００３８】
更に気体燃料２１０をガスタービン燃焼器３で燃焼させる気体燃料燃焼時には、ガスタービン燃焼器３に備えた拡散燃焼バーナ１０に設置した液体燃料ノズル１２に気体燃料供給系統２２０の一部と接続させた経路を通じて気体燃料２１０を供給させるように構成している。
【００３９】
前記液体燃料ノズル１２に気体燃料供給系統２２０から供給する気体燃料２１０の流量は、該液体燃料ノズル１２と接続させたこの気体燃料供給系統２２０の途中に気体燃料２１０の流量を調節する流量調節弁２０７と、流量を遮断する燃料遮断弁２０８とを設け、後述する制御装置５０の操作によって流量調節弁２０７の弁開度を操作して制御される。
【００４０】
また、前記気体燃料供給系統２２０には、気体燃料２１０をガスタービン燃焼器３に供給している時に液体燃料供給系統１２０から液体燃料１２０が気体燃料供給系統２１０に逆流することを防止する逆止弁２０９が設置されている。
【００４１】
また、ガスタービン燃焼器３に液体燃料１１０を供給する場合は、液体燃料１１０を貯蔵する液体燃料タンク１００と、この液体燃料タンク１００から供給する燃料を昇圧する加圧昇圧ポンプ１０１と、供給する燃料の圧力を調節する圧力調節弁１０２と、この圧力が調節された液体燃料１１０が液体燃料ノズル１２に供給される流量を調節する流量制御弁１０３と液体燃料１１０の流量を遮断する遮断弁１０４、及び圧力が調節された液体燃料１１０が燃料ノズル１３に供給する流量を調節する流量制御弁１０５と遮断弁１０６とをそれぞれ備えた液体燃料供給系統１２０を配設した構成にして、液体燃料１１０をガスタービン燃焼器３に供給するように構成している。
【００４２】
そして液体燃料供給系統１２０からガスタービン燃焼器３に供給する液体燃料１１０の流量は、ガスタービンの負荷に基づいて制御装置８００の操作によって前記流量制御弁１０３、１０５の弁開度を操作して制御される。
【００４３】
また、前記液体燃料供給系統１２０には、液体燃料１１０をガスタービン燃焼器３に供給している時に気体燃料供給系統２２０から気体燃料２１０が液体燃料供給系統１２０に逆流することを防止する逆止弁１０７が設置されている。
【００４４】
そして前記気体燃料供給系統２２０及び液体燃料供給系統１２０はそれぞれガスタービン燃焼器３に備えた拡散燃焼バーナ１０と、予混合燃焼バーナ１１に接続されており、ガスタービンプラントの運転者が選択した燃料に基づいて気体燃料供給系統２２０、又は液体燃料供給系統１２０からガスタービン燃焼器３の拡散燃焼バーナ１０及び予混合燃焼バーナ１１に供給する気体燃料２１０の供給、又は液体燃料１１０の供給をガスタービンの負荷に応じて制御装置８００によって独立して制御する構成となっている。
【００４５】
上記構成のガスタービンプラントに備えたガスタービン燃焼器３の運転方法について次に簡単に説明する。
【００４６】
ガスタービンを起動から昇速させて、ガスタービンを低負荷条件で運転する場合には、ガスタービン燃焼器３に設置した拡散燃焼バーナ１０に気体燃料２１０又は液体燃料１１０を供給して燃焼させ、この拡散燃焼バーナ１０を単独で運転させる。
【００４７】
更に燃料流量が増加するガスタービンの高負荷条件でガスタービンを運転する場合は、ガスタービン燃焼器３に設置した拡散燃焼バーナ１０による燃焼に加えて、予混合燃焼バーナ１１にも気体燃料２１０又は液体燃料１１０を供給して燃焼させた運転を実施する。
【００４８】
この拡散燃焼バーナ１０と予混合燃焼バーナ１１とを備えたガスタービン燃焼器３によって気体燃料２１０を燃焼させる場合には、拡散燃焼と予混合燃焼の燃焼負荷の割合（具体的には、燃料流量の比率）を制御して、低ＮＯｘと安定燃焼の両立を図るように前記ガスタービン燃焼器３の運転を行う。
【００４９】
通常、拡散燃焼の割合を小さくするとＮＯｘ排出量を低減できる反面、燃焼不安定を引き起こす可能性が大きくなる。
【００５０】
図３に本実施例のガスタービン燃焼器３が気体燃料２１０を燃焼させた場合での、高負荷条件の運転状態における、予混合燃焼／拡散燃焼比率（以下、予混合燃焼比率と呼ぶ）に対する排ガス中のＮＯｘ濃度の特性を示す。
【００５１】
ここで、図３のＡ点はＮＯｘの規制条件値を示している。ガスタービン燃焼器３の予混合燃焼比率を徐々に増加させて運転を行うとＮＯｘ濃度の値が次第に低下し、予混合燃焼比率がＢ点まで増加させるとＮＯｘ規制条件を満たす値までＮＯｘ濃度の値が減少することを示している。
【００５２】
しかしながら予混合燃焼比率をＢ点を超えて更に高くしてＣ点にまで達すると、図３に斜線で示した失火／燃焼不安定条件の領域に到達してしまい、失火や燃焼不安定を引き起こす可能性が高くなる。
【００５３】
そのため、ＮＯｘの濃度を規制値以下に低下させながら、失火や燃焼不安定を回避させてガスタービン燃焼器３を運転する場合には、図３の予混合燃焼比率がＢ、Ｃ点間の狭い運転範囲内でガスタービン燃焼器３を運転する必要がある。
【００５４】
一般に実際のガスタービンでは、季節の変化に対する大気条件の違いや使用する燃料の組成にばらつきがあるため、それらの条件によってＮＯｘ濃度の特性や燃焼安定性が変化する。
【００５５】
したがって、ＮＯｘ濃度の排出規制値を満足しながら失火や燃焼不安定を回避できる予混合燃焼比率の運転範囲が大きいほどガスタービン燃焼器３の運用性に対する信頼性が高くなる。
【００５６】
そこで、上記点を鑑みた対策を講じた図１、図２及び図８に示した本実施例のガスタービン燃焼器３の構成について説明する。
【００５７】
本実施例のガスタービン燃焼器３では、気体燃料２１０をガスタービン燃焼器３で燃焼させる気体燃料２１０の燃焼時において、ガスタービン燃焼器３に備えた拡散燃焼バーナ１０に設置した液体燃料ノズル１２に、気体燃料２１０を噴射する気体燃料供給系統２２０の一部を接続させ、この気体燃料供給系統２２０の途中に気体燃料２１０の流量を調節する流量調節弁２０７、及び流量を遮断する燃料遮断弁２０８と、この流量調節弁２０７の開度を制御する制御装置５０を設置し、更に気体燃料供給系統２１０に液体燃料１２０が逆流することを防止する逆止弁２０９を設置した構成を採用している。
【００５８】
上記構成を備えたガスタービン燃焼器３では、気体燃料２１０を燃焼させる高負荷運転時の燃焼安定性が損なわれる可能性のある高い予混合燃焼比率において、拡散燃焼バーナ１０に設置した液体燃料ノズル１２に前記気体燃料供給系統２２０を通じて気体燃料２１０を供給し、制御装置５０により流量調節弁２０７の開度を調節して所望の流量の気体燃料２１０をこの液体燃料ノズル１２から前記拡散燃焼バーナ１０に噴射して燃焼させることによって、前記拡散燃焼バーナ１０の下流の混合室内に安定した火炎を形成させることが可能となる。
【００５９】
この場合のガスタービン燃焼器３に設けた前記拡散燃焼バーナ１０における燃焼状態を図２を用いて詳細に説明すると、拡散燃焼バーナ１０の混合室を形成する中空円錐形状部１０ａの壁面に設けた複数の空気孔１５から供給された燃焼用空気と、この拡散燃焼バーナ１０の軸中心に設置した液体燃料ノズル１２の外周に設けた気体燃料ノズル１４から噴射される気体燃料２１０とが、前記拡散燃焼バーナ１０の下流側の混合室で混合して燃焼し、火炎４００を形成する。
【００６０】
通常、予混合燃焼比率が高くなると、気体燃料ノズル１４から噴射される気体燃料２１０が減少するため、前記火炎４００の形成が不安定となる。
【００６１】
そこで本実施例のガスタービン燃焼器３では、前記拡散燃焼バーナ１０に設置した液体燃料ノズル１２に気体燃料供給系統２２０を通じて所望の流量の気体燃料２１０を供給してこの液体燃料ノズル１２から前記拡散燃焼バーナ１０の下流側の混合室に噴射させて燃焼させることにより小火炎４０２を形成させている。
【００６２】
即ち、火炎４００の形成が不安定となる予混合燃焼比率の高い条件で、液体燃料ノズル１２の下流側の混合室内の火炎４００の上流位置に、液体燃料ノズル１２から供給した気体燃料２１０を燃焼させて小火炎４０２を形成するものである。
【００６３】
この小火炎４０２を混合室内で火炎４００の上流に形成させることによって、液体燃料ノズル１２の下流側の混合室内における火炎４００の形成の安定性を増すことが可能となる。この結果、ＮＯｘの排出規制値を満足すると共に、失火や燃焼不安定を回避した予混合燃焼比率の運転範囲が大きな信頼性の高いデュアル燃料対応のガスタービン燃焼器が実現できる。
【００６４】
図３に本実施例のガスタービン燃焼器３で気体燃料２１０を燃焼させた場合の高負荷運転時の高い予混合燃焼比率での運転状態に対するＮＯｘの特性と、拡散燃焼バーナ１０の液体燃料ノズル１２から噴射させる気体燃料２１０の流量の特性を示す。
【００６５】
図中の特性カーブ（１）は液体燃料ノズル１２の下流側の混合室内に小火炎４０２が形成されないときのＮＯｘ特性を、特性カーブ（２）は前記混合室内に小火炎４０２が形成されたときのＮＯｘ特性を示す。
【００６６】
ここで、特性カーブ（２）のＮＯｘ特性は、小火炎４０２から生成されるサーマルＮＯｘの影響によって、特性カーブ（１）の特性に比べてＮＯｘ排出量は高くなるものの、高い予混合燃焼比率でのガスタービン燃焼器３の運転が可能となる。
【００６７】
即ち、本実施例のガスタービン燃焼器３による気体燃料２１０を燃焼させた場合における高負荷運転時の高い予混合燃焼比率での運転では、予混合燃焼比率がＢ点からＣ点までは、小火炎４０２が形成されない程度の流量の気体燃料２１０を液体燃料ノズル１２から下流側の混合室内に噴射して燃焼させ、Ｃ点よりも予混合燃焼比率が高くなるＤ点までの運転範囲では、小火炎４０２が形成できる流量まで液体燃料ノズル１２を通じて噴射する気体燃料２１０の流量を増加させて前記混合室内で燃焼させる。
【００６８】
上記した制御を行うことによって、気体燃料２１０を燃焼させた時のガスタービン負荷を高負荷条件で運転する場合に、予混合燃焼比率がＢ−Ｃ点間の運転範囲では特性カーブ（１）のＮＯｘ特性を持たせ、予混合燃焼比率がＣ−Ｄ点間の運転範囲では特性カーブ（２）のＮＯｘ特性を持たせてガスタービン燃焼器３を運転することが可能となり、ＮＯｘ排出量を規制値以下に低減させながら、燃料が燃焼する火炎を安定に形成できるようにガスタービン燃焼器での予混合燃焼比率の範囲を拡大させて、失火や燃焼不安定を回避したガスタービン燃焼器３が実現できる。
【００６９】
図４には、上記した本実施例のガスタービン燃焼器３において、気体燃料２１０を燃焼させた場合のガスタービン燃焼器３の運転を実現する燃料供給系統の制御の概要を示す制御ブロック図である。
【００７０】
図４の制御ブロック図において、気体燃料供給系統２２０に設けた流量制御弁２０３、２０５、２０７の開度は制御装置５０によって動作するように構成されている。
【００７１】
制御装置５０は、図示していない各計測器で計測したＮＯｘ排出量８０１、液体燃料ノズル１２の先端部温度８０２、及び燃焼振動８０３の各計測値の入力に基づいて前記各燃料制御弁の開度を演算し、指令信号をこの制御装置５０から各燃料制御弁に出力してガスタービン燃焼器３に供給する気体燃料２１０の流量を調節する。
【００７２】
例えば、ガスタービン燃焼器３の高負荷運転時の高い予混合燃焼比率が図３のＣ点に示したような運転状態となり燃焼不安定（燃焼振動増大）が発生した場合、又は燃焼不安定が発生する可能性が大となった場合には、前記各計測器の計測値に基づいて制御装置５０で演算した指令信号を気体燃料供給系統２２０の流量制御弁２０７に出力し、この流量制御弁２０７の開度を大きくなるように操作して拡散燃焼バーナ１０の液体燃料ノズル１２に燃料供給系統２２０を通じて供給する気体燃料２１０の流量を増やして、液体燃料ノズル１２から混合室に噴出する気体燃料噴射量Ｆｎを増加させ、小火炎４０２を形成させる。
【００７３】
前記制御装置５０では、同時にこの気体燃料噴射量Ｆｎの増加分に見合った液体燃料１２０の燃料量を演算して前記拡散燃焼バーナ１０の気体燃料ノズル１４から供給する気体燃料Ｆｐの流量が減少するように気体燃料供給系統２２０の流量制御弁２０３の開度が小さくなるように操作して前記気体燃料ノズル１４から混合室に噴出する気体燃料噴射量Ｆｐを減少させ、液体燃料ノズル１２の下流側の混合室内に形成される火炎４００の大きさを調節する。
【００７４】
この結果、液体燃料ノズル１２の先端部温度Ｔｎは液体燃料ノズル１２から噴出する気体燃料噴射量Ｆｎを増加して混合室に小火炎４０２を形成したときの温度Ｔｆ以上（Ｔｎ＞Ｔｆ）となるようにして、ガスタービン燃焼器３を運転することができる。
【００７５】
上記のようにガスタービン燃焼器３を運転することによって気体燃料２１０を燃焼させた場合でも失火／燃焼不安定を回避した安定燃焼を確保して、且つ、低ＮＯｘの燃焼が可能となり、図３の予混合燃焼比率がＢ−Ｃ−Ｄ点間に至る広い運転範囲でのガスタービン燃焼器３の運転がを実現できる。
【００７６】
また、ＮＯｘ排出量、液体燃料ノズル１２の先端部温度、燃焼振動の各検出値は前述したように各計測器による計測値を制御装置５０にフィードバック制御することによって、気体燃料２１０及び液体燃料１１０の各燃料供給量はガスタービン燃焼器３の運転状態量の変化に応じて調節できるように構成されている。
【００７７】
上記したように本実施例によれば、気体燃料を燃焼するガスタービン燃焼器の運転時に大気条件の変動や燃料の組成の変化が生じた場合でも、所望の低ＮＯｘ濃度を達成すると共に、燃焼安定性も確保できる液体燃料と気体燃料のデュアル燃料対応のガスタービン燃焼器およびガスタービン燃焼器の運転方法が実現できる。
【実施例２】
【００７８】
次に本発明の他の実施例である液体燃料と気体燃料との双方を燃焼できるデュアル燃料対応のガスタービン燃焼器を備えたガスタービンプラントについて図５及び図６を参照して説明する。
【００７９】
図５及び図６に示した本実施例のデュアル燃料対応のガスタービン燃焼器３を備えたガスタービンプラントは、図１乃至図４に示した先の実施例と基本構成は共通しているので、両者に共通した構成に説明は省略し、相違する構成について以下に説明する。
【００８０】
図５及び図６に示すように本実施例のガスタービン燃焼器３においては、気体燃料ノズル１４に接続されている気体燃料供給系統２２０の遮断弁２０４の下流位置で気体燃料供給系統２２０を２系統に分岐しており、分岐した一方側の気体燃料供給系統２２０は液体燃料ノズル１２に接続し、分岐した他方側の気体燃料供給系統２２０は気体燃料ノズル１４に接続している。
【００８１】
液体燃料ノズル１２に接続された前記一方の気体燃料供給系統２２０の途中には、気体燃料の流量、具体的には気体燃料２１０の供給圧力に応じて前記液体燃料ノズル１２に供給される気体燃料２１０の流量が変化する加圧弁５００を設置し、この加圧弁５００の下流側に前記一方側の気体燃料供給系統２２０への液体燃料１１０の逆流を防止する逆止弁２０９を設置した構成である。
【００８２】
図６は加圧弁５００の詳細構造図を示すものである。図６（ａ）は気体燃料２１０の供給圧力が高い大流量時の加圧弁５００の動作状態を、図６（ｂ）は気体燃料２１０の供給圧力が低い小流量時の加圧弁５００の動作状態をそれぞれ示している。
【００８３】
加圧弁５００は加圧弁ボディ５０１と、この加圧弁ボディ５０１内に収容され、該加圧弁ボディ５０１内の気体燃料２１０の圧力を受けて移動する受圧ブロック５０２と、加圧弁ボディ５０１内に収容され、受圧ブロック５０２を支持するスプリング５０５と、同じく加圧弁ボディ５０１内に収容され、受圧ブロック５０２と当接してその移動を阻止するストッパ部材５０６とによって構成されている。
【００８４】
前記受圧ブロック５０２には、中央に気体燃料２１０の第１の通路５０３が形成され、この第１の通路５０３の周囲でストッパ部材５０６に面する位置に複数の第２の通路５０４が形成されている。
【００８５】
次に前記加圧弁５００の動作状態を説明すると、本実施例のガスタービン燃焼器３で気体燃料２１０を燃焼させる運転を行う場合に予混合燃焼比率の低い運転条件（拡散燃焼バーナ１０に供給される気体燃料が多い条件）では、気体燃料供給系統２２０を通じて加圧弁ボディ５０１内に供給された気体燃料２１０の圧力によって受圧ブロック５０２が受ける圧力が高くなってストッパ部材５０６に当接するまで受圧ブロック５０２が移動するため、この受圧ブロック５０２を支持するスプリング５０５の縮み量が大きくなる。
【００８６】
よって、受圧ブロック５０２の第２の通路５０４はこの受圧ブロック５０２とストッパ部材５０６との当接によって通路が閉塞されるので、第１の通路５０３からのみ気体燃料２１０が加圧弁５００を介して液体燃料ノズル１２に供給されることになり、液体燃料ノズル１２に供給される気体燃料２１０の流量は少なくなる。
【００８７】
これに対して、本実施例のガスタービン燃焼器３における気体燃料２１０を燃焼させる運転を行う場合に予混合燃焼比率の高い運転条件（拡散燃焼バーナ１０に供給される気体燃料が少ない条件）では、気体燃料供給系統２２０を通じて加圧弁ボディ５０１内に供給された気体燃料２１０の圧力によって受圧ブロック５０２が受ける圧力が小さくなるため、この受圧ブロック５０２を支持するスプリング５０５の縮み量も小さくなり、受圧ブロック５０２の第１通路５０３及び第２通路５０４の何れからも気体燃料２１０が加圧弁５００を介して液体燃料ノズル１２に供給されるので、液体燃料ノズル１２に供給される気体燃料２１０の流量は多くなる。
【００８８】
従って、図１乃至図４に示した先の実施例のガスタービン燃焼器３と同様の燃料流量の制御が可能となり、先の実施例のガスタービン燃焼器３に比べて気体燃料供給系統の系統数を削減でき、低コストで同様の効果を得ることが可能となる。
【００８９】
本実施例によれば、気体燃料を燃焼するガスタービン燃焼器の運転時に大気条件の変動や燃料の組成の変化が生じた場合でも、所望の低ＮＯｘ濃度を達成すると共に、燃焼安定性も確保できる液体燃料と気体燃料のデュアル燃料対応のガスタービン燃焼器およびガスタービン燃焼器の運転方法が実現できる。
【実施例３】
【００９０】
次に本発明の他の実施例である液体燃料と気体燃料との双方を燃焼できるデュアル燃料対応のガスタービン燃焼器を備えたガスタービンプラントについて図７を参照して説明する。
【００９１】
図７に示した本実施例のデュアル燃料対応のガスタービン燃焼器３を備えたガスタービンプラントは、図１乃至図４に示した先の実施例と基本構成は共通しているので、両者に共通した構成に説明は省略し、相違する構成について以下に説明する。
【００９２】
図７に示したように、本実施例のガスタービン燃焼器３に備えた拡散燃焼バーナ１０には、先の実施例の液体燃料ノズル１２に替えて圧力噴霧式のデュアルオリフィス型の液体燃料ノズル５０を設置している。
【００９３】
圧力噴霧式の液体燃料ノズル５０とは、液体燃料の供給圧力を高めて液体燃料の噴出速度を高くし微粒化する液体燃料ノズル５０のことであり、液体燃料１１０を微粒化するための燃料以外の媒体、例えば、空気などが不要となるため、媒体源や制御系統の削減による低コスト化が可能となる。
【００９４】
但し圧力噴霧式の液体燃料ノズル５０は、燃料供給圧力の低い着火や低負荷時に微粒化が損なわれる課題がある。そこでこの課題を解決する手段として、本実施例のガスタービン燃焼器３に備えたの圧力噴霧式の液体燃料ノズル５０では、着火時などの低流量条件では微粒化性能を向上するためのパイロット噴孔５３を軸心に形成し、高負荷条件などの大流量条件では供給圧力を過上昇させずに燃料を噴出することができるメイン噴孔５４を前記パイロット噴孔５３の外周側に形成した２つの燃料噴孔を有する構造を採用したものであり、一般にデュアルオリスフィス型燃料ノズルと呼ばれている。
【００９５】
本実施例の燃料ノズル５０の内部には、大流量の燃料を流下して該メイン噴孔５４から噴出させる流路となるメイン流路５２と、小流量の燃料を流下して該パイロット噴孔５３から噴出させるパイロット燃料流路５１とが配設されている。
【００９６】
更に前記燃料ノズル５０のメイン流路５２の上流側には加圧弁５５が設置されており、この加圧弁５５の上流側でパイロット燃料流路５１とメイン流路５２とが集合して接続されている。
【００９７】
次に前記加圧弁５５の動作について説明すると、加圧弁５５には所定の圧力（クラック圧力と呼ぶ）が設定されており、クラック圧力以上の圧力が順方向に加わると弁が開き始めて燃料が流れる。
【００９８】
さらに、この加圧弁５５は逆止弁としての働きも兼ねており、逆圧がかかった場合には、加圧弁５５は閉止されて燃料の逆流を防止できる構造となっている。
【００９９】
上記した構成によって、ガスタービン燃焼器３が着火時のような気体燃料２１０の流量の少ない状態では、メイン流路５２に設置された加圧弁５５にはクラック圧力以上の燃料圧力が付加されないため、加圧弁５５に供給された燃料はメイン流路５２には流れずにパイロット流路５１にのみ供給されることになる。
【０１００】
その後、ガスタービンが昇速し、負荷が上昇するに伴い気体燃料２１０の流量が増加することで、加圧弁５５に付加される気体燃料２１０の圧力が上昇し、加圧弁５５にクラック圧力以上の圧力が作用して加圧弁５５が開き、パイロット流路５１に加えメイン流路５２にも燃料が供給されることとなる。
【０１０１】
また、圧力噴霧式の液体燃料ノズル５０に配設したパイロット流路５１及びメイン流路５２には、ガスタービン停止時や、液体燃料１１０から気体燃料２１０に切り替えて燃料を供給した直後に液体燃料ノズル５０の内部に滞留する液体燃料１１０を燃焼器内部に排出するために、パージ空気を供給するパージ空気圧縮機６００と、逆止弁６０１及び制御弁６０３を備えたパイロットパージ空気系統６０５がパイロット流路５１に接続されており、逆止弁６０２及び制御弁６０４を備えたメインパージ空気系統６０６がメイン流路５２に接続されている。
【０１０２】
上記のように構成された本実施例のガスタービン燃焼器３では、パイロットパージ空気系統６０５の途中と、メインパージ空気系統６０６の途中に前記加圧弁７００で分配された気体燃料供給系統２２１、２２２が接続するように構成されている。
【０１０３】
この加圧弁７００の基本構成は、図６に示した先の実施例の加圧弁５００の基本構成と同様であり、本実施例の加圧弁７００ではパイロットパージ空気系統６０５に加圧弁７００の第１の流路２２１が接続され、メインパージ空気系統６０６に加圧弁７００の第２の流路２２２が接続している。
【０１０４】
このように構成することにより、予混合燃焼比率の低い運転条件（拡散燃焼バーナの気体燃料が多い条件）では、加圧弁７００を構成する加圧弁ボディ７０１内に供給した大流量の気体燃料２１０の圧力によって該加圧弁ボディ７０１内に設置した受圧ブロック７０２が受ける圧力が高くなるため、受圧ブロック７０２を支持するスプリング７０５が縮んで受圧ブロック７０２に形成した第１の通路７０３を通じて前記気体燃料２１０を気体燃料供給系統２２１に流下させ、パイロット燃料流路５１を通じて燃料ノズル５０のパイロット噴孔５３からのみこの気体燃料２１０を噴射させる。
【０１０５】
一方、気体燃料２１０を燃焼させてガスタービン燃焼器３を運転する予混合燃焼比率の高い運転条件では、加圧弁７００を構成する加圧弁ボディ７０１内に供給した小流量の気体燃料２１０の圧力によって該加圧弁ボディ７０１内に設置した受圧ブロック７０２が受ける圧力が小さくなるため、受圧ブロック７０２を支持するスプリング７０４の縮み量が小さく、よって受圧ブロック７０２に形成した第１の通路７０３を通じて前記気体燃料２１０を気体燃料供給系統２２１に流下させ、パイロット燃料流路５１を通じて燃料ノズル５０のパイロット噴孔５３からのみこの気体燃料２１０を噴射させる。
【０１０６】
更にこれに加えて、加圧弁ボディ７０１内に設置した受圧ブロック７０２の第１の通路７０３を通過した気体燃料２１０を該加圧弁ボディ７０１に接続した第２の通路となる気体燃料供給系統２２２を通じて気体燃料２１０を流下させ、メイン流路５２を通じて燃料ノズル５０のメイン噴孔５４からこの気体燃料２１０を噴射させる。
【０１０７】
即ち、燃料ノズル５０のパイロット噴孔５３及びメイン噴孔５４の両方から気体燃料２１０を供給して噴射することができる。
【０１０８】
本実施例によれば、気体燃料を燃焼するガスタービン燃焼器の運転時に大気条件の変動や燃料の組成の変化が生じた場合でも、所望の低ＮＯｘ濃度を達成すると共に、燃焼安定性も確保できる液体燃料と気体燃料のデュアル燃料対応のガスタービン燃焼器およびガスタービン燃焼器の運転方法が実現できる。
【産業上の利用可能性】
【０１０９】
本発明は、液体燃料と気体燃料との双方を燃焼できる液体燃料と気体燃料とのデュアル燃料対応のガスタービン燃焼器およびガスタービン燃焼器の運転方法に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１１０】
【図１】本発明の一実施例であるデュアル燃料対応のガスタービン燃焼器を備えたガスタービンプラントの全体構成を示す概略構成図。
【図２】図１に示した実施例のガスタービン燃焼器に備えられた拡散燃焼バーナの側断面図
【図３】図１に示した実施例のガスタービン燃焼器における予混合燃焼比率に対するＮＯｘ排出量を示す特性図。
【図４】図１に示した実施例のガスタービン燃焼器における燃料供給系統の制御の概要を示す制御ブロック図。
【図５】本発明の他の実施例であるデュアル燃料対応のガスタービン燃焼器を備えたガスタービンプラントの全体構成を示す概略構成図。
【図６】図１に示した実施例のガスタービン燃焼器を備えたガスタービンプラントに設けられた加圧弁を示す断面図。
【図７】本発明の更に他の実施例であるデュアル燃料対応のガスタービン燃焼器を備えたガスタービンプラントの概略構成図及び加圧弁を示す断面図。
【図８】図１に示した実施例のガスタービン燃焼器を示す拡大図。
【符号の説明】
【０１１１】
１：圧縮機、２：タービン、３：ガスタービン燃焼器、５：外筒、７：内筒、８：トランジションピース、９：点火栓、１０：拡散燃焼バーナ、１１：予混合燃焼バーナ、１２：液体燃料ノズル、５０：制御装置、１００：液体燃料タンク、１０３、１０５：流量制御弁、１１０：液体燃料、１２０：液体燃料供給系統、２００：気体燃料タンク、２０３、２０５、２０７：流量制御弁、２１０：気体燃料、２２０：気体燃料供給系統、３００：燃焼空気、４００：拡散火炎、４０２：小火炎、４０３：燃焼ガス、５００、７００：加圧弁、８００：制御装置。
【図１】
2010054087.tif 000003
【図２】
2010054087.tif 000004
【図３】
2010054087.tif 000005
【図４】
2010054087.tif 000006
【図５】
2010054087.tif 000007
【図６】
2010054087.tif 000008
【図７】
2010054087.tif 000009
【図８】
2010054087.tif 000010