(57)【要約】【課題】低質油燃料焚きガスタービン燃焼器において、スワーラ表面に付着し堆積した未蒸発燃料や煤が原因でスワーラ表面のメタル温度が急激に変動し、バーナの信頼性が低下する。【解決手段】燃焼室に液体燃料を噴射する液体燃料ノズル２０と、液体燃料ノズル２０の外周側に位置し、液体燃料を微粒化するための噴霧空気を噴射する噴霧空気ノズル２１と、噴霧空気ノズル２１の外周側から燃焼室に燃焼用空気を供給するスワーラ１７を有する燃焼器であって、パージ空気１０４を供給するパージ空気孔５０を、スワーラ表面１８上で噴霧空気孔２１ａと燃焼用空気孔２４ａの間に有する。【選択図】  図１
2011074802.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室と、
前記燃焼室に前記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の外周側に位置し、前記液体燃料を微粒化するための噴霧空気を噴射する噴霧空気ノズルと、
前記噴霧空気ノズルの外周側から前記燃焼室に燃焼用空気を供給するスワーラを有する燃焼器であって、
前記スワーラにパージ空気を供給するパージ空気ノズルを備えたことを特徴とする燃焼器。
【請求項２】
請求項１に記載の燃焼器であって、
前記パージ空気ノズルは前記噴霧空気ノズルの外周側に位置し、
前記パージ空気を噴出するパージ空気孔は、前記噴霧空気を噴出する噴霧空気孔と、前記燃焼用空気を噴出する燃焼用空気孔の間に複数個配置されていることを特徴とする燃焼器。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃焼器であって、
前記パージ空気ノズルに供給するパージ空気の流量を調節する流量調節弁と、
前記スワーラの表面に温度検知センサーを有し、
前記温度検知センサーで検知した温度に基づいて、前記流量調節弁を調節する制御装置を備えたことを特徴とする燃焼器。
【請求項４】
請求項３に記載の燃焼器であって、
前記パージ空気ノズルに供給するパージ空気の圧力を調節する圧力調整弁を有し、
前記温度検知センサーで検知した温度に基づいて、前記圧力調節弁を調節する制御装置を備えたことを特徴とする燃焼器。
【請求項５】
空気吸入し圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された圧縮空気と液体燃料とを燃焼させ燃焼ガスを生成する燃焼器と、発生した燃焼ガスにより駆動するタービン４とを備え、
前記燃焼器は、燃焼室と、前記燃焼室に前記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の外周側に位置し前記液体燃料を微粒化するための噴霧空気を噴射する噴霧空気ノズルと、前記噴霧空気ノズルの外周側から前記燃焼室に燃焼用空気を供給するスワーラを有するガスタービンにおいて、
前記圧縮機から抽気した空気を、パージ空気として前記スワーラに供給するパージ空気ノズルを備えたことを特徴とするガスタービン。
【請求項６】
空気吸入し圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された圧縮空気と液体燃料とを燃焼させ燃焼ガスを生成する燃焼器と、発生した燃焼ガスにより駆動するタービン４とを備え、
前記燃焼器は、燃焼室と、前記燃焼室に前記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の外周側に位置し前記液体燃料を微粒化するための噴霧空気を噴射する噴霧空気ノズルと、前記噴霧空気ノズルの外周側から前記燃焼室に燃焼用空気を供給するスワーラを有し、
前記圧縮機から抽気した空気を圧縮する昇圧圧縮機と、
前記昇圧圧縮機で圧縮された空気を、前記噴霧空気ノズルに供給する供給ラインとを有するガスタービンにおいて、
前記供給ラインから抽気した空気を、パージ空気として前記スワーラに供給するパージ空気ノズルを備えたことを特徴とするガスタービン。
【請求項７】
燃焼室と、
前記燃焼室に前記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の外周側に位置し、前記液体燃料を微粒化するための噴霧空気を噴射する噴霧空気ノズルと、
前記噴霧空気ノズルの外周側から前記燃焼室に燃焼用空気を供給するスワーラを有し、
前記スワーラにパージ空気を供給するパージ空気ノズルを備えた燃焼器の運転方法であって、
前記スワーラの表面メタル温度の変動にもとづいてパージ空気の供給することを特徴とする燃焼器の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軽油や灯油，Ａ重油などの良質油よりも動粘度が高く、重金属分や残留炭素，窒素分，硫黄分を多く含む低質油を燃料として使用するガスタービン燃焼器に関わり、低質油燃料の燃焼においてバーナの信頼性を向上するためのバーナ構造と制御装置を備えたガスタービン燃焼器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ガスタービンでは、石油精製所や化学プラントで副次的に発生する残渣油などのいわゆる低質油を燃料として使用することが検討されている。低質油燃料は、ガスタービンで従来から使用されている軽油や灯油，Ａ重油などの良質油燃料に比べて動粘度が高く、重金属分や残留炭素，窒素分，硫黄分の含有量が多いが安価である。そのため、低質油燃料を高効率ガスタービンで使用できれば、資源の有効利用や発電コストの低減、さらには高効率化によるＣＯ2削減に貢献できる。
【０００３】
従来の液体燃料焚きガスタービン燃焼器は、特許文献１で開示されているようなバーナ構造を採用している。特許文献１には、燃焼器の軸中心部に液体燃料を噴射する液体燃料ノズルを備え、その周囲には液体燃料を微粒化するための噴霧空気を噴射する噴霧空気ノズル、さらに噴霧空気ノズルの周囲には火炎を安定化するためのスワーラ（燃焼用空気旋回器）を備えるバーナが開示されている。また、このバーナはスワーラに冷却孔を設け、ここからも燃焼用空気を噴射して、燃料と空気の混合促進により煤塵発生を抑制する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３３０２２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
燃料特性のひとつである蒸発温度は燃料の種類によって異なり、一般に低質油の方が良質油よりも蒸発温度が高く、蒸発しにくい。したがって、低質油燃料の燃焼では、蒸発しきれずに残った未蒸発燃料や煤が多く発生し、それらの一部はスワーラ表面に付着し堆積する。堆積した未蒸発燃料や煤の燃焼が繰り返されると、表面メタル温度が大きく変動することにより、熱応力が発生しバーナの信頼性が低下する。低質油燃焼では、このようなスワーラ表面のメタル温度の急激な変動によりバーナの信頼性が低下することが課題となっている。
【０００６】
本発明の目的は、低質油燃料を燃焼させた場合でも、スワーラ表面のメタル温度の急激な変動を抑制し、バーナの信頼性を向上させることができるバーナ構造と制御装置を備えたガスタービン燃焼器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は、燃焼室と、前記燃焼室に前記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の外周側に位置し、前記液体燃料を微粒化するための噴霧空気を噴射する噴霧空気ノズルと、前記噴霧空気ノズルの外周側から前記燃焼室に燃焼用空気を供給するスワーラを有する燃焼器であって、前記スワーラにパージ空気を供給するパージ空気ノズルを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、低質油燃料を燃焼させた場合でも、スワーラ表面のメタル温度の急激な変動を抑制し、バーナの信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施例１におけるガスタービン燃焼器を示す図。
【図２】本発明の実施例２におけるガスタービン燃焼器を示す図。
【図３】本発明の実施例２におけるパージ空気流量の制御を説明する図。
【図４】本発明の実施例３におけるガスタービン燃焼器を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明を実施例を用いて説明する。
【実施例１】
【００１１】
（構成）
図１は本発明の実施例１のガスタービン燃焼器を含むガスタービンプラントの概略構成図である。まず、ガスタービンプラントの概要を説明する。ガスタービンプラント１は、大気より吸入空気１０１を吸入し圧縮する空気圧縮機２、空気圧縮機２により圧縮した燃焼用空気１０２と液体燃料２００を燃焼させ、燃焼ガス１１０を生成する燃焼器３、発生した燃焼ガス１１０を導いて駆動するタービン４、タービン４により回転し発電する発電機６、およびガスタービン起動時に空気圧縮機２を起動するガスタービン起動用モータ８から成る。タービン４の駆動後の燃焼ガス１１０は、排気ガス１１１となってタービン４から排出する。
【００１２】
次に、バーナ１３の構造を説明する。バーナ１３は、燃焼器３の軸中心部に液体燃料２００を噴射する液体燃料ノズル２０を備える。本発明では、液体燃料２００として残渣油などの低質油燃料を想定する。液体燃料ノズル２０の外周には、液体燃料２００を微粒化するための噴霧空気１０３を噴射する噴霧空気ノズル２１を備える。また、噴霧空気ノズル２１の外周には、スワーラ１７に設けたパージ空気孔５０からパージ空気１０４を噴射するためのパージ空気ノズル２３を備える。パージ空気ノズル２３の外周には火炎安定化のために燃焼用空気１０２ａに旋回を与えるスワーラ１７を備える。なお、パージ空気孔５０は、スワーラ表面１８上で噴霧空気孔２１ａと燃焼用空気孔２４ａの間の位置に複数個設置するのが望ましい。
【００１３】
次に、空気の供給方法を説明する。燃焼用空気１０２は空気圧縮機２から燃焼器３に供給し、主室ライナ１２を冷却した後に燃焼用空気孔２４ａから燃焼室５に噴射する。噴霧空気１０３としては、空気圧縮機２から抽気した抽気空気１０５をクーラー９で冷却した後、昇圧圧縮機７で昇圧した昇圧空気１０６を利用する。パージ空気１０４は、噴霧空気１０３の供給ラインからオリフィス３０５を介して分岐させて供給する。昇圧空気１０６の流量は、圧力調節弁３００でバイパス空気１０７の流量を変化させて調節し、噴霧空気圧と燃焼器内圧の比を一定に保ちながら、噴霧空気１０３とパージ空気１０４を供給する。
【００１４】
（作用・効果）
まず、低質油燃料の燃焼でスワーラ表面のメタル温度が急激に変動する原因を説明する。一般に低質油燃料は良質油燃料よりも蒸発温度が高く、蒸発しにくい特性をもつ。良質油燃料の場合、蒸発温度はスワーラ表面メタル温度よりも低い。その結果、スワーラ表面１８に未蒸発燃料が付着してもすぐに蒸発するため、未蒸発燃料がスワーラ表面１８に堆積することは少なく、表面メタル温度はほぼ一定となる。
【００１５】
これに対して低質油燃料の場合、蒸発温度はスワーラ表面メタル温度よりも高い。一般に低質油燃料には高沸点炭化水素である重質分が多く含まれており、スワーラ表面１８に未蒸発燃料が付着すると、重質分がスワーラ表面１８で蒸発されずに堆積することになる。重質分から成る未蒸発燃料は火炎からの熱放射を受けることで燃焼して消滅し、再び堆積して燃焼するという現象が繰り返される。さらに、未蒸発燃料の燃焼により煤が発生し、煤も燃焼と消滅を繰り返す。したがって、未蒸発燃料や煤の燃焼と消滅の繰り返しにより、表面メタル温度が激しく変動する。このような過程でスワーラ表面のメタル温度が激しく変動すると、熱応力が生じバーナの信頼性が低下する。
【００１６】
そこで、本実施例の燃焼器では、スワーラ１７にパージ空気孔５０を設け、そこからパージ空気１０４を噴射することにより、スワーラ表面１８の未蒸発燃料や煤を除去している。そうすると、スワーラ表面１８のメタル温度の急激な上昇を抑制でき、バーナの信頼性を向上させることができる。
【実施例２】
【００１７】
（構成）
本発明の実施例２を図２に示す。本実施例の特徴は、スワーラ表面１８に温度検知センサー３０を設置し、その信号を受けて圧力調節弁３００と流量調節弁３０１を調節して、パージ空気孔５０からパージ空気１０４を噴射するように制御する制御装置３３を備える点である。なお、温度検知センサー３０は、スワーラ表面１８上で噴霧空気孔２１ａと燃焼用空気孔２４ａの間の位置に複数個設置するのが望ましい。
【００１８】
パージ空気１０４は、噴霧空気１０３の供給ラインから流量調節弁３０１を介して分岐する。パージ空気１０４を供給する際は、噴霧空気圧と燃焼器内圧の比を一定に保ちながら、流量調節弁３０１と圧力調節弁３００を調節し、パージ空気１０４を供給する。
【００１９】
（作用・効果）
スワーラ表面１８に未蒸発燃料や煤が堆積し燃焼し始めると、スワーラ表面温度が上昇するため、それらの堆積はスワーラ表面温度の上昇で判断できる。本実施例では、温度検知センサー３０でスワーラ表面温度を監視し、その温度が設定温度Ｔcよりも高くなったときに制御装置３３により流量調節弁３０１と圧力調節弁３００を調節し、パージ空気１０４を噴射する。なお、温度検知センサー３０を複数個設置した場合は、評価するスワーラ表面温度として、各センサーの検知温度の平均値、もしくはそれらの最大値を使用する。
【００２０】
図３にパージ空気流量の制御の一例を示す。実線が本実施例の温度の推移（図３上図）及びパージ空気量の制御（図３下図）を示す。スワーラ表面温度（本図の本実施例のスワーラ表面メタル温度の変化７０）が初期温度Ｔ0から上昇し、設定温度Ｔc1（本図制御装置が圧力調節弁の制御を開始する設定温度７２）を超えた時点（本図の時間ｔs1）で、温度検知センサー３０の信号を受けた制御装置３３から流量調節弁３０１と圧力調節弁３００に指令が行く。
【００２１】
この指令により、流量調節弁３０１が開放し、圧力調節弁３００の開度が小さくなって、噴霧空気圧と燃焼器内圧の比を一定に保ちながら、パージ空気１０４が供給される（本図パージ空気流量７１）。パージ空気１０４により、スワーラ表面１８で燃焼している未蒸発燃料や煤が除去されるため、スワーラ表面温度は急激に上昇することなく徐々に低下していく。
【００２２】
その後、スワーラ表面温度が初期温度Ｔ0に戻ると（本図の時間ｔf1の時点）、流量調節弁３０１を閉止しパージ空気１０４の供給を止める。このように、スワーラ表面メタル温度の上昇に応じてパージ空気１０４を供給する制御によって、スワーラ表面メタル温度の変動を小さくできる。
【００２３】
ここで、パージ空気１０４を供給しない比較例の場合を説明する。図３の上図の破線が、比較例の温度の推移を示す。比較例の場合、スワーラ表面１８に堆積した未蒸発燃料の燃焼により、スワーラ表面メタル温度は、熱応力に対するメタル温度の制限値Ｔc2（本図熱応力に対するスワーラ表面メタル温度の制限値７３）に接近する場合がある（本図比較例のスワーラ表面メタル温度の変化７４）。
【００２４】
これに対し本実施例の制御では、メタル温度のオーバーシュート分を考慮した設定温度Ｔc1を設定することで、表面メタル温度はＴc2に対し十分に低く制御することが可能となり、バーナの信頼性を大幅に向上させることができる。本実施例のように、温度検知センサーで検知した温度に基づいて流量調節弁を調節する制御装置を備えた燃焼器では、スワーラ表面温度が上昇したときにのみパージ空気１０４を供給することにより、パージ空気１０４供給により生じるガスタービンの効率低下を最小限に抑えつつ、バーナ信頼性を向上させることができる。
【実施例３】
【００２５】
（構成）
図４に本発明の実施例３を示す。本実施例の特徴は、パージ空気１０４を圧縮機２の抽気空気１０５から分岐させて供給する点である。燃焼器や制御系の構成、およびパージ空気流量の制御方法は実施例２と同様である。
【００２６】
（作用・効果）
本実施例で供給するパージ空気１０４は、クーラー９による冷却前の抽気空気１０５から分岐するため、実施例２の場合と比べてパージ空気１０４の温度が高い。したがって、パージ空気１０４を燃焼室５内の燃焼領域に供給しても、燃焼領域の温度を大幅に低下させないため、燃焼安定性の低下を低減できる。また、パージ空気１０４は、昇圧圧縮機７で圧縮される抽気空気１０５から分岐するため、パージ空気１０４供給時には、昇圧圧縮機７で圧縮される抽気空気１０５の流量が減少する。したがって、実施例２に比べて昇圧圧縮機７にかかる負担は少なくなるため、パージ空気１０４供給時のガスタービンの効率低下を低減できる。したがって、本実施例により、燃焼安定性やガスタービンの効率低下を最小限に抑えながら、スワーラ表面１８のメタル温度の急激な上昇を抑制して、バーナの信頼性を向上させることができる。
【符号の説明】
【００２７】
１  ガスタービンプラント
２  空気圧縮機
３  燃焼器
４  タービン
５  燃焼室
６  発電機
７  昇圧圧縮機
８  ガスタービン起動用モータ
９  クーラー
１０  外筒
１２  主室ライナ
１３  バーナ
１７  スワーラ
１８  スワーラ表面
２０  液体燃料ノズル
２０ａ  液体燃料孔
２１  噴霧空気ノズル
２１ａ  噴霧空気孔
２３  パージ空気ノズル
２４ａ  燃焼用空気孔
３０  温度検知センサー
３３，３４  制御装置
５０  パージ空気孔
７０  本実施例のスワーラ表面メタル温度の変化
７１  パージ空気流量
７２  制御装置が圧力調節弁の制御を開始する設定温度
７３  熱応力に対するスワーラ表面メタル温度の制限値
７４  比較例のスワーラ表面メタル温度の変化
１０１  吸入空気
１０２，１０２ａ  燃焼用空気
１０３  噴霧空気
１０４  パージ空気
１０５  抽気空気
１０６  昇圧空気
１０７  バイパス空気
１１０  燃焼ガス
１１１  排気ガス
２００  液体燃料
３００  圧力調節弁
３０１，３０２  流量調節弁
３０５  オリフィス
【図１】
2011074802.tif 000003
【図２】
2011074802.tif 000004
【図３】
2011074802.tif 000005
【図４】
2011074802.tif 000006