(57)【要約】【課題】予蒸発予混合流路体の温度をカーボンが生成される温度以上に加熱、保持して、予蒸発予混合流路体の内面への未燃カーボンの付着を防止する。【解決手段】蒸発した液体燃料と燃焼用空気とを混合する予蒸発予混合流路を形成する予蒸発予混合流路体１５を備えるガスタービン燃焼装置において、前記燃焼器の外筒４と内筒７とで画成された燃焼用空気の通路に設けた燃焼用空気の加熱装置２１と、この加熱装置２１に燃料を供給する液体燃料供給設備１９と、前記液体燃料供給設備１９と前記加熱装置２１とを連結する管路２６に設けた流量調整弁２７と、前記加熱装置２１に供給される燃焼用空気の温度を検出する第１の温度検出器３０と、前記予蒸発予混合流路体１５の温度を検出する第２の温度検出器２９と、前記第１及び第２の温度検出器からの検出信号に基づいて前記流量調整弁２７を制御する制御装置３１とを備えた。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室で燃焼させるための液体燃料を蒸発させ、この蒸発した液体燃料と燃焼用空気とを混合する予蒸発予混合流路を形成する予蒸発予混合流路体を備えるガスタービン燃焼器において、前記燃焼器を構成する燃焼器外筒と燃焼器内筒とで画成された燃焼用空気の通路に設けた燃焼用空気の加熱装置と、この加熱装置に燃料を供給する液体燃料供給設備と、前記燃料供給設備と前記加熱装置とを連結する管路に設けた流量調整弁と、前記加熱装置に供給される燃焼用空気の温度を検出する第１の温度検出器と、前記予蒸発予混合流路体の温度を検出する第２の温度検出器と、前記第１及び第２の温度検出器からの検出信号に基づいて前記流量調整弁を制御する制御手段とを備えたことを特徴とするガスタービン燃焼装置。
【請求項２】
燃焼室で燃焼させるための液体燃料を蒸発させ、この蒸発した液体燃料と燃焼用空気とを混合する予蒸発予混合流路を形成する予蒸発予混合流路体を備えるガスタービン燃焼器において、前記燃焼器を構成する燃焼器外筒と燃焼器内筒とで画成された燃焼用空気の通路に設けた燃焼用空気の加熱装置と、この加熱装置に燃料を供給する気体燃料供給設備と、前記気体燃料供給設備と前記加熱装置とを連結する管路に設けた流量調整弁と、前記加熱装置に供給される燃焼用空気の温度を検出する第１の温度検出器と、前記予蒸発予混合流路体の温度を検出する第２の温度検出器と、前記第１及び第２の温度検出器からの検出信号に基づいて前記流量調整弁を制御する制御手段とを備えたことを特徴とするガスタービン燃焼装置。
【請求項３】
前記燃焼用空気の加熱装置は、前記燃焼器を構成する燃焼器外筒と燃焼器内筒とで画成された燃焼用空気の通路に設けた予混合管と、前記予混合管の上流側に設けた加熱用の燃料噴射ノズルと、前記予混合管内に設けられ、前記燃料噴射ノズルから噴霧された燃料と燃焼用空気との混合燃料を燃焼させて、その燃焼ガスを前記予蒸発予混合流路体に供給する燃焼触媒とで構成したことを特徴とする請求項１または２に記載のガスタービン燃焼装置。
【請求項４】
前記燃焼用空気の加熱装置は、前記燃焼器を構成する燃焼器外筒と燃焼器内筒とで画成された燃焼用空気の通路に設けた予混合管と、前記予混合管の上流側に設けた加熱用の燃料噴射ノズルと、前記加熱用の燃料噴射ノズルと前記予混合管の上流側との間に設けた燃焼用空気の旋回器と、前記予混合管の下流側に設けられ、前記予蒸発予混合流路体に供給燃焼ガスを生起する点火栓とで構成したことを特徴とする請求項１または２に記載のガスタービン燃焼装置。
【請求項５】
前記燃焼用空気の加熱装置は、前記燃焼器を構成する燃焼器外筒と燃焼器内筒とで画成された燃焼用空気の通路に設けた燃焼用空気の旋回器と、前記旋回器の下流側で液体燃料を噴射するように配置した加熱用の燃料噴射ノズルと、前記加熱用の燃料噴射ノズルの下流側に設けられ、前記予蒸発予混合流路体に供給燃焼ガスを生起する点火栓とで構成したことを特徴とする請求項１または２に記載のガスタービン燃焼装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮機からの燃焼用空気に燃料を混合して燃焼させ、その生成され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装置に係わり、特に、液体燃料を燃焼することができるガスタービン燃焼装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境保全の観点から、低エミッションのガスタービン燃焼器の開発が積極的に進められている。その一方策のガスタービン燃焼器として、予混合室において圧縮機から供給される圧縮空気に燃料を混合し、この予混合気を燃焼室において燃焼させる予混合型燃焼器がある。
【０００３】
この種の予混合型燃焼器においては、予混合室の外周壁の内面にカーボンが堆積するので、このカーボンの堆積を防止し、燃焼ガス中のＮＯｘの排出量を低減するために、予混合室を形成する予混合管を、加熱コイルを絶縁部材で覆った加熱体により形成し、この加熱体の加熱コイルに通電することにより、予混合室の壁面を加熱して、その壁面に付着する液体燃料を蒸発させる方策が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】特許３０３４８５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、液体燃料を燃焼する際のＮＯｘ排出量が低減し、また、水を使用しないので、送水用のポンプが不要であるとの利点から、予蒸発予混合燃焼方式を採用するガスタービン燃焼器が提案されている。この予蒸発予混合燃焼方式を採用するガスタービン燃焼器は、燃料噴射弁から予蒸発予混合流路体に、液体燃料を噴霧して蒸発させて、気化燃料気体とし、この気化燃料気体を燃焼用空気と予め均一に混合して希薄予混合気体としておき、この希薄予混合気体を燃焼器の内筒内で燃焼させるものである。
【０００６】
上述した予蒸発予混合燃焼方式を採用するガスタービン燃焼器においては、燃料噴射弁から予蒸発予混合流路体に、液体燃料を噴霧して蒸発させさせるため、前述した予混合型燃焼器に比べて、予蒸発予混合流路体の流路内に噴霧された液滴状の液体燃料及びこれに含まれているカーボン等の不揮発性の成分が、完全に蒸発しきらずに、流路の内面に付着したまま残留して固化し堆積し、その堆積層を成長させる現象（コーキングと呼ばれている）の発生傾向が著しい。
【０００７】
このため、このコーキング現象を防止するために、前述した従来技術に開示されているように、予蒸発予混合流路体を加熱することが考えられるが、そのためには予蒸発予混合流路体における流路壁の温度を、カーボン付着温度以上で流路壁の耐熱温度以下に維持する必要がある。
【０００８】
しかしながら、予蒸発予混合流路体における流路壁の壁面の伝熱特性は、ガスタービンの運転状態により広い範囲で変化するので、その加熱のための温度管理が難しく、実用に供し得ないのが実情である。
【０００９】
本発明は、上述の事柄に基づいてなされたもので、予蒸発予混合流路体の温度をカーボンが生成される温度以上に加熱、保持して、予蒸発予混合流路体の内面への未燃カーボンの付着を防止することができるガスタービン燃焼装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記の目的を達成するために、第１の発明は、燃焼室で燃焼させるための液体燃料を蒸発させ、この蒸発した液体燃料と燃焼用空気とを混合する予蒸発予混合流路を形成する予蒸発予混合流路体を備えるガスタービン燃焼器において、前記燃焼器を構成する燃焼器外筒と燃焼器内筒とで画成された燃焼用空気の通路に設けた燃焼用空気の加熱装置と、この加熱装置に燃料を供給する液体燃料供給設備と、前記燃料供給設備と前記加熱装置とを連結する管路に設けた流量調整弁と、前記加熱装置に供給される燃焼用空気の温度を検出する第１の温度検出器と、前記予蒸発予混合流路体の温度を検出する第２の温度検出器と、前記第１及び第２の温度検出器からの検出信号に基づいて前記流量調整弁を制御する制御手段とを備えたことを特徴とするガスタービン燃焼器にある。
【００１１】
また、第２の発明は、燃焼室で燃焼させるための液体燃料を蒸発させ、この蒸発した液体燃料と燃焼用空気とを混合する予蒸発予混合流路を形成する予蒸発予混合流路体を備えるガスタービン燃焼器において、前記燃焼器を構成する燃焼器外筒と燃焼器内筒とで画成された燃焼用空気の通路に設けた燃焼用空気の加熱装置と、この加熱装置に燃料を供給する気体燃料供給設備と、前記気体燃料供給設備と前記加熱装置とを連結する管路に設けた流量調整弁と、前記加熱装置に供給される燃焼用空気の温度を検出する第１の温度検出器と、前記予蒸発予混合流路体の温度を検出する第２の温度検出器と、前記第１及び第２の温度検出器からの検出信号に基づいて前記流量調整弁を制御する制御手段とを備えたことを特徴とするガスタービン燃焼器にある。
【００１２】
更に、第３の発明は、第１または第２の発明において、前記燃焼用空気の加熱装置は、前記燃焼器を構成する燃焼器外筒と燃焼器内筒とで画成された燃焼用空気の通路に設けた予混合管と、前記予混合管の上流側に設けた加熱用の燃料噴射ノズルと、前記予混合管内に設けられ、前記燃料噴射ノズルから噴霧された燃料と燃焼用空気との混合燃料を燃焼させて、その燃焼ガスを前記予蒸発予混合流路体に供給する燃焼触媒とで構成したことを特徴とするガスタービン燃焼器にある。
【００１３】
また、第４の発明は、第１または第２の発明において、前記燃焼用空気の加熱装置は、前記燃焼器を構成する燃焼器外筒と燃焼器内筒とで画成された燃焼用空気の通路に設けた予混合管と、前記予混合管の上流側に設けた加熱用の燃料噴射ノズルと、前記加熱用の燃料噴射ノズルと前記予混合管の上流側との間に設けた燃焼用空気の旋回器と、前記予混合管の下流側に設けられ、前記予蒸発予混合流路体に供給燃焼ガスを生起する点火栓とで構成したことを特徴とするガスタービン燃焼器にある。
【００１４】
更に、第５の発明は、第１または第２の発明において、前記燃焼用空気の加熱装置は、前記燃焼器を構成する燃焼器外筒と燃焼器内筒とで画成された燃焼用空気の通路に設けた燃焼用空気の旋回器と、前記旋回器の下流側で液体燃料を噴射するように配置した加熱用の燃料噴射ノズルと、前記加熱用の燃料噴射ノズルの下流側に設けられ、前記予蒸発予混合流路体に供給燃焼ガスを生起する点火栓とで構成したことを特徴とするガスタービン燃焼器にある。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、予蒸発予混合流路体に流入させる燃焼用空気を、予め加熱して温度上昇させ、この加熱された燃焼用空気を、予蒸発予混合流路体に流入して、予蒸発予混合流路体の温度をカーボンが生成される温度以上に加熱、保持することができるので、予蒸発予混合流路体の内面への未燃カーボンの付着を防止することができる。その結果、燃焼器の性能を向上維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明のガスタービン燃焼装置の一実施の形態を図面を用いて説明する。  
図１は本発明のガスタービン燃焼装置の一実施の形態を備えたガスタービン設備を示すもので、この図１において、１は高圧の燃焼用空気を生成する圧縮機、２は圧縮機１からの燃焼用空気と燃料とを混合して燃焼ガスを生成するガスタービン燃焼器、３はガスタービン燃焼器２からの燃焼ガスを導入するガスタービンで、このガスタービン３は圧縮機１に連結している。
【００１７】
上述したガスタービン燃焼器２は密閉した圧力容器として構成されており、その詳細な構成を図１を用いて更に説明すると、４はその外筒、５は外筒４の一方側に設けたエンドカバー、６は外筒４の一方側に設けたエンドカバーである。７は外筒４内に配置した内筒で、この内筒７はその内部に燃焼ガス生成用の燃焼室を形成し、またその外側に外筒４の内面とによって環状の燃焼用空気の通路を形成している。８は外筒４におけるエンドカバー６側に設けた燃焼用空気の導入孔、９は導入孔８と圧縮機１の高圧段とを連結する燃焼用空気管路、１０はエンドカバー６に設けた燃焼ガスの排出孔、１１は排出孔１０とガスタービン２とを連結する燃焼ガス管路、１２は内筒７の下流側端と排出孔１０との間に設けたトランジションピースである。
【００１８】
１３は先端が内筒７内の中心部に位置するようにエンドカバー５に設けた拡散燃料ノズルで、この拡散燃料ノズル１３は拡散燃焼用の燃料を内筒７内に噴射する。１４は拡散燃料ノズル１３の先端側の周囲に設けた拡散燃焼用の旋回器で、この旋回器１４は拡散燃料ノズル１３による拡散火炎ＦＡを保持するために、燃焼用空気に旋回成分を与える機能を有している。
【００１９】
１５は拡散燃料ノズル１３の周囲に間隔をもって位置するようにエンドカバー５に設けた複数の筒状の予蒸発予混合器、１６は予蒸発予混合器１５内に設けた主燃料ノズル、１７は予蒸発予混合器１５内における主燃料ノズル１６の周囲に設けた予蒸発予混合用の旋回器で、この旋回器１７は液体燃料と燃焼用空気との混合を促進するとともに、予混合火炎ＦＢを保持する機能を有している。１８は先端を内筒７内に臨むように外筒４に設けた点火栓である。
【００２０】
１９は液体燃料供給設備で、この設備１９は燃料タンク、燃料タンク内の燃料を昇圧し供給するポンプ、燃料遮断弁、燃料流量調節弁、燃料流量計等で構成されている。２０は液体燃料供給設備１９と主燃料ノズル１６、拡散燃料ノズル１３とを連結する第１の燃料供給管路である。
【００２１】
２１は外筒４と内筒７とで形成された燃料用空気の通路中に設けた燃料用空気の加熱装置である。この燃料用空気の加熱装置２１の詳細な構造を図１及び図２を用いて説明する。これらの図において、２２は燃料と燃料用空気とを混合させる予混合管で、この予混合管２２は燃料用空気の通路に位置するように外筒４の内面に固定され、また内筒７の外周面に対して燃焼用空気の通過空間を形成するように配置されている。２３は予混合管２２の上流側に設けた加熱用燃料ノズルで、この加熱用燃料ノズル２３は予混合管２２内に燃料を噴射する。２４は予混合管２２内に設けた燃焼触媒で、この燃焼触媒２４は予混合管２２内の混合気を燃焼させる。この燃焼触媒２４はハニカム形状のメタルに触媒を担持して構成されている。２５は予混合管２２の下流側の燃料用空気通路に設けた多孔板で、この多孔板２５は予混合管２２からの燃焼ガスと前述した燃焼用空気の通過空間を通過した燃焼用空気との混合を促進し、燃焼用空気の温度の均一化を図るものである。
【００２２】
図１に戻り、２６は第１の燃料供給管路２０から分岐して加熱用燃料ノズル２３に連結した第２の燃料供給管路、２７は第２の燃料供給管路２６に設けた流量調整弁、２８は第２の燃料供給管路２６における流量調整弁２７の下流側部に設けた燃料遮断弁である。
【００２３】
２９は予蒸発予混合器１５の温度を検出する第１の温度検出器、３０は圧縮機１からの燃料用空気の温度を検出する第２の温度検出器である。
【００２４】
３１は流量調整弁２７の開度を制御する制御装置で、この制御装置３１は第１の温度検出器２９からの検出温度Ｔ１、第２の温度検出器３０からの検出温度Ｔ２及び制御信号Ｃを入出力する入出力部３２と、予蒸発予混合器１５内での未燃カーボンの生成温度、例えば５００℃の温度を設定し記憶する記憶部３３と、前記検出器２９，３０からの検出温度Ｔ１，Ｔ２と記憶部３３に記憶した設定温度とに基づいて予蒸発予混合器１５の温度が設定温度に維持されるように、流量調整弁２７への制御信号を演算する演算部３４とを備えている。
【００２５】
次に、上述した本発明のガスタービン燃焼器の一実施の形態の動作を図面を用いて説明する。  
まず、圧縮機から供給される高温高圧の燃焼用空気は、図１に示すように、燃焼器の外筒４と燃焼器の内筒７とで形成された燃料用空気の通路を通って、拡散燃料ノズル１３の先端側及び予蒸発予混合器１５内にそれぞれ導入されて、それぞれ拡散燃料ノズル１３及び主燃料ノズル１６からの燃料と混合される。この混合ガスは内筒７内の燃焼室で点火栓１８により点火されて燃焼する。
【００２６】
燃焼によって生成された燃焼ガスは、トランジションピース１２、燃焼ガス管路１１を介してガスタービン２に噴射されてガスタービン２を駆動する。このガスタービン２の駆動により、これに連結した発電機を駆動する。
【００２７】
上述したガスタービン２の駆動に際して、外筒４と内筒７とで形成された燃料用空気の通路中に設けた燃料用空気の加熱装置２１は、圧縮機１からの燃焼用空気を加熱し、この加熱した燃焼用空気を、予蒸発予混合器１５内に導入し、予蒸発予混合器１５の壁面温度を液体燃料の未燃カーボンが生成される温度に保持するものとして機能する。
【００２８】
この燃料用空気の加熱装置２１の加熱動作を図２を用いて説明すると、圧縮機１からの燃焼用空気の一部は、予混合管２２の内部に流入する。この予混合管２２内に流入した燃焼用空気は加熱用燃料ノズル２３から噴霧された液体燃料と混合して、燃焼触媒２４に供給され、燃焼触媒２４によって反応し燃焼ガスになる。
【００２９】
一方、予混合管２２の外周を通る燃焼用空気は、燃焼触媒２４の下流で燃焼ガスと混合し、拡散燃料ノズル１３の先端側及び予蒸発予混合器１５内にそれぞれ供給される。そして、予蒸発予混合器１５は、その壁面が液体燃料の未燃カーボンが生成される温度に保持される。この予蒸発予混合器１５の温度制御は、燃料用空気の加熱装置２１を構成する加熱用燃料ノズル２３への燃料供給のタイミングや供給量の制御で行われるが、これは制御装置３１から流量調整弁２７への制御信号の出力によって実行される。
【００３０】
この実施の形態によれば、予蒸発予混合器１５の内壁面に液体燃料が付着しても、予蒸発予混合器１５の壁面の温度は、未燃カーボンが生成される温度以上に保持されているので、カーボンの付着を確実に抑制することができる。また、この実施の形態によれば、予蒸発予混合器１５内に供給される燃焼用空気は加熱されているので、予蒸発予混合器１５内部に噴霧した液体燃料の蒸発特性は促進し、未蒸発の液滴の発生を抑制することができ、更なるＮＯｘ排出量低減の効果を期待することができる。
【００３１】
図３は本発明のガスタービン燃焼器の他の実施の形態を示すもので、この図３において、図２と同符号のものは同一部分または相当する部分である。この実施の形態は、燃料用空気の加熱装置２１を、予混合管２２の上流側に配置した加熱用燃料ノズル２３と、この加熱用燃料ノズル２３と予混合管２２の上流側部との間に設けた加熱用旋回器３５と、予混合管２２の上流側に配置した点火栓３６とで構成したものである。
【００３２】
この実施の形態では、加熱用燃料ノズル２３から予混合管２２内に供給された液体燃料は、加熱用旋回器３５によって旋回された燃焼用空気と混合し、予混合管２２の下流で予混合火炎として保持される。この予混合火炎によって生成した燃焼ガスが、予蒸発予混合器１５の壁面を、未燃カーボンが生成される温度以上に保持するように、予蒸発予混合器１５に供給される。
【００３３】
この実施の形態によれば、前述した本発明の一実施の形態と同様な効果が得られると共に、前述した本発明の一実施の形態における燃焼触媒を用いないので、そのメンテナンス作業を削減でき、また、燃焼触媒を用いないので、予混合管２２内での圧力損失を低減でき、ガスタービンの性能が向上する。
【００３４】
図４は本発明のガスタービン燃焼器の更に他の実施の形態を示すもので、この図４において、図２と同符号のものは同一部分または相当する部分である。この実施の形態は、燃料用空気の加熱装置２１を、拡散燃焼形式に構成したもので、燃料用空気の通路に位置するように外筒４の内面に固定した筒状の保持体３７と、この保持体３７の中心部から燃料を噴霧する加熱用燃料ノズル３８と、この加熱用燃料ノズル３８の外周と保持体３７の内面との間に設けた加熱用旋回器３９と、保持体３７の下流側に設けた点火栓４０とで構成したものである。
【００３５】
この実施の形態では、加熱用燃料ノズル３８から噴射された液体燃料は、加熱用旋回器３９によって旋回された燃焼用空気と混合し、その下流で拡散火炎として保持される。この拡散合火炎によって生成した燃焼ガスが、予蒸発予混合器１５の壁面を、未燃カーボンが生成される温度以上に保持するように、予蒸発予混合器１５に供給される。
【００３６】
この実施の形態によれば、液体燃料を拡散燃焼させて、燃焼用空気を加熱するので、未燃カーボンが生成されることがなく、予蒸発予混合器１５の壁面を、未燃カーボンが生成される温度以上に保持することができる。その結果、燃焼に関する信頼性を向上させることができる。
【００３７】
図５は本発明のガスタービン燃焼設備の他の実施の形態を示すもので、この図において、図１と同符号のものは同一部分もしくは相当する部分である。この実施の形態は、加熱用燃料ノズル２３を管路４１によって気体燃料設備４２に連結して構成したものである。
【００３８】
この実施の形態によれば、燃料用空気の加熱装置２１を構成する加熱用燃料ノズルに供給する燃料は、気体燃料であるので、未燃カーボンが生成されることなく、予蒸発予混合器１５の壁面を、未燃カーボンが生成される温度以上に保持することができる。その結果、燃焼に関する信頼性を更に向上させることができる。また、前述した触媒燃焼方式や予混合燃焼方式と組み合わせることにより、さらにＮＯｘ排出特性を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明のガスタービン燃焼装置の一実施の形態を備えたガスタービン設備の全体構成を示す図である。
【図２】図１に示す本発明のガスタービン設備に用いたガスタービン燃焼装置の一実施の形態を拡大して示す断面図である。
【図３】本発明のガスタービン燃焼装置の他の実施の形態を示す断面図である。
【図４】本発明のガスタービン燃焼装置の更に他の実施の形態を示す断面図である。
【図５】本発明のガスタービン燃焼装置の一実施の形態を備えたガスタービン設備の他の例の全体構成を示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
１          圧縮機
２          ガスタービン燃焼器
３          ガスタービン燃焼器
４          外筒
７          内筒
９          燃焼用空気管路
１３        拡散燃料ノズル
１５        予蒸発予混合器
１６        主燃料ノズル
１９        液体燃料供給設備
２０        第１の燃料供給管路
２１        燃料用空気の加熱装置
２６        第２の燃料供給管路
２７        流量調整弁
２８        燃料遮断弁
２９        第１の温度検出器
３０        第２の温度検出器
３１        制御装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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