(57)【要約】【課題】燃焼室内の燃料ガスと水蒸気の濃度分布の均一化を簡単な構造で、かつ低コストで行え、効果的に低ＮＯｘ化を図ることができるガスタービンの燃料噴射装置を提供する。【解決手段】燃料ガスＨと水蒸気Ｗとを混合して燃焼室２２に噴射する燃料噴射装置４であって、内部に混合室３０を有するノズルハウジング３１と、ノズルハウジング３１に、その外周から混合室３０の周方向に燃料ガスＨを導入する第１導入通路１５と、その外周から混合室３０の周方向に水蒸気Ｗを導入する第２導入通路１６とを備え、混合室３０内で燃料ガスＨと水蒸気Ｗを混合室３０の軸心Ｃ回りに旋回させて混合する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと水蒸気とを混合して燃焼室に噴射する燃料噴射装置であって、
内部に混合室を有するノズルハウジングと、
前記混合室内に接線方向から燃料ガスを導入する第１導入通路と、
前記混合室内に接線方向から水蒸気を導入する第２導入通路とを備え、
前記混合室内で燃料ガスと水蒸気を混合室の軸心回りに旋回させて混合するガスタービンの燃料噴射装置。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料噴射装置において、複数の前記第１導入通路および複数の前記第２導入通路を備え、前記第１導入通路と前記第２導入通路とが前記混合室の周方向に交互に並んでいるガスタービンの燃料噴射装置。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料噴射装置において、前記複数の第１導入通路に燃料ガスを供給する単一の第１供給路と、前記複数の第２導入通路に水蒸気を供給する単一の第２供給路とを備えたガスタービンの燃料噴射装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料噴射装置において、さらに、前記ノズルハウジングの軸心上に配置された中心部材を備え、前記中心部材の外周に前記混合室が形成されているガスタービンの燃料噴射装置。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料噴射装置において、さらに、前記中心部材の外表面に冷却用空気を供給する冷却通路を備えたガスタービンの燃料噴射装置。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料噴射装置において、前記ノズルハウジングの先端部にガス噴射部が設けられ、
前記ガス噴射部は、前記混合室からの混合ガスを燃焼室に噴射するガス噴射孔と、前記中心部材を冷却した後の空気を噴射する空気噴射孔と、前記ガス噴射孔の上流側にガスヘッダ室を形成するノズルブロックとを有し、
前記ノズルブロックに前記冷却通路が形成されているガスタービンの燃料噴射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素ガスのような燃料ガスと水蒸気とを燃焼器内への噴射前に均一な濃度分布となるように予混合しておくことで排気ガス中のＮＯｘを効率よく低減することができるガスタービンの燃料噴射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年のガスタービンシステムにおいては、排気ガスの低ＮＯｘ化およびシステムの高効率化を課題として、燃料と水または水蒸気を燃焼器に噴射する技術が開発されている（例えば特許文献１〜３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平６−６６１５６号公報
【特許文献２】特表２０１０−５３５３０３号公報
【特許文献３】特開平１０−１９６４０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の燃料噴射装置の場合、液体燃料ノズル、水蒸気ノズルおよびガス燃料ノズルからの液体燃料、水蒸気およびガス燃料は、燃焼器への噴射後に燃焼室内で初めて混合されるので、燃焼室内における燃料と水蒸気との濃度分布が不均一なり、燃焼後の排気ガス中に含まれるＮＯｘの低減も不十分である。特許文献２の燃料噴射装置の場合、微細な水滴を混入させた水素燃料の噴射による火炎温度の低減を目的としているが、具体的構造が開示されておらず、燃焼後の排気ガス中に含まれるＮＯｘの効果的な低減は期待できない。さらに、特許文献３の燃料噴射装置の場合、液体燃料と水蒸気を予混合したのち、ノズルに供給し、燃料噴射圧の低減、ひいてはＮＯｘ排出量の低減を図る技術が示されているが、予混合のためのミキサー等付帯設備が必要となる上，燃料として液体燃料を用いているので、燃焼室内の液体燃料と水蒸気の濃度分布の均一化が難しく、したがって、ＮＯｘの大幅な低減も難しい。
【０００５】
本発明の目的は、燃焼室内の燃料ガスと水蒸気の濃度分布の均一化を簡単な構造で、かつ低コストで行え、効果的に低ＮＯｘ化を図ることができるガスタービンの燃料噴射装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するために、本発明に係るガスタービンの燃料噴射装置は、燃料ガスと水蒸気とを混合して燃焼室に噴射する燃料ノズルを備えた燃料噴射装置であって、内部に混合室を有するノズルハウジングと、前記混合室内に接線方向から燃料ガスを導入する第１導入通路と、前記混合室内に接線方向から水蒸気を導入する第２導入通路とを備え、前記混合室内で燃料ガスと水蒸気を混合室の軸心回りに旋回させて混合する。
【０００７】
この構成によれば、燃料ガスおよび水蒸気は、ノズルハウジングの混合室の軸心回りに旋回しながら混合されるので、旋回させずに両者を混合する場合に比べ、混合室内で燃料ガスと水蒸気とが長い移動距離と時間をかけて混合される結果、燃料ガスと水蒸気との予混合が十分に行われ、燃料ガスと水蒸気の濃度分布の均一化が図れる。この燃料ガスと水蒸気の濃度分布が均一化されたものが燃焼室内に噴射されて燃焼するので、効果的な低ＮＯｘ化を達成できる。また、燃料と蒸気を予混合して噴射することで燃焼場に効果的に蒸気を噴射できるから，使用する水蒸気量を低減できるので、ガスタービンシステム全体の効率が向上する。さらに、予混合のためのミキサー等付帯設備が不要であり，燃料噴射装置も簡単な構造であるので、低コストで製作できる。
【０００８】
本発明の燃料噴射装置において、複数の前記第１導入通路および複数の前記第２導入通路を備え、前記第１導入通路と前記第２導入通路とが前記混合室の周方向に交互に並んでいることが好ましい。この構成によれば、第１導入通路からの燃料ガスと第２導入通路からの水蒸気を混合室に周方向から均等に導入することができ、したがって、混合室内での燃料ガスと水蒸気の濃度分布の均一化を一層効率的に行うことができる。
【０００９】
本発明の燃料噴射装置において、前記複数の第１導入通路に燃料ガスを供給する単一の第１供給路と、前記複数の第２導入通路に水蒸気を供給する単一の第２供給路とを備えていることが好ましい。この構成によれば、複数の第１導入通路および複数の第２導入通路がそれぞれ、単一の第１供給路、単一の第２供給路から分岐した構造となるので、複数の第１導入通路および第２導入通路を設けながらも、燃料噴射装置の構造を簡素化でき、コストも低減できる。
【００１０】
本発明の燃料噴射装置において、さらに、前記ノズルハウジングの軸心上に配置された中心部材を備え、前記中心部材の外周に前記混合室が形成されていることが好ましい。この構成によれば、混合室内に導入される燃料ガスおよび水蒸気を円滑に旋回させることができ、均一混合が促進される。
【００１１】
本発明の燃料噴射装置において、さらに、前記中心部材の外表面に冷却用空気を供給する冷却通路を備えていることが好ましい。この構成によれば、燃焼室内の火炎によって加熱される中心部材の外表面が冷却通路からの冷却用空気で冷却されることで、中心部材の熱損傷を防止できる。
【００１２】
本発明の燃料噴射装置において、前記ノズルハウジングの先端部にガス噴射部が設けられ、前記ガス噴射部は、前記混合室からの混合ガスを燃焼室に噴射するガス噴射孔と、前記中心部材を冷却した後の空気を噴射する空気噴射孔と、前記ガス噴射孔の上流側にガスヘッダ室を形成するノズルブロックとを有し、前記ノズルブロックに前記冷却通路が形成されていることが好ましい。
【００１３】
この構成によれば、ノズルハウジングの先端部に設けられるガス噴射部がガス噴射孔と空気噴射孔とノズルブロックを有し、ノズルブロックにガスヘッダ室と冷却通路が形成されたコンパクトな構造となるので、ガスタービンシステムに搭載する際の配置スペースの省スペース化が図られる。また、混合ガスがガスヘッダ室内で減速して混合が一層促進される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、燃料ガスおよび水蒸気は、ノズルハウジングの混合室の軸心回りに旋回しながら混合されるので、旋回させずに両者を混合する場合に比べ、混合室内で燃料ガスと水蒸気とが長い移動距離と時間をかけて混合される結果、燃料ガスと水蒸気との予混合が十分に行われ、燃料ガスと水蒸気の濃度分布の均一化が図れる。この燃料ガスと水蒸気の濃度分布が均一化されたものが燃焼室内に噴射されて燃焼するので、効果的な低ＮＯｘ化を達成できる。また、燃料と蒸気を予混合して噴射することで燃焼場に効果的に蒸気を噴射できるから，使用する水蒸気量を低減できるので、ガスタービンシステム全体の効率が向上する。さらに、予混合のためのミキサー等付帯設備が不要であり，燃料噴射装置も簡単な構造であるので、低コストで製作できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の好ましい実施形態にかかる燃料噴射装置を適用したガスタービンシステムを示す概略図である。
【図２】同燃料噴射装置を有する燃焼器の要部を示す縦断面図である。
【図３】同燃料噴射装置の内部構造を示す縦断面図である。
【図４】同燃料噴射装置を示す概略横断面図である。
【図５】同燃料噴射装置の斜視図である。
【図６】同燃料噴射装置の底面図である。
【図７】図３のVII−VII線断面図である。
【図８】本発明による燃料噴射装置を用いた場合と、従来の燃料噴射装置を用いた場合のＮＯｘ発生量を実験により求めたグラフである。
【図９】図８に示した実験に用いた比較例の燃料噴射装置を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は本発明の好ましい実施形態にかかる燃料噴射装置を適用したガスタービンシステムを示す。同図に示すガスタービンシステムＧＴは、空気Ａを圧縮する圧縮機１と、燃焼器２と、タービン３と、ボイラ１１とを備えている。ボイラ１１はタービン３からの排気ガスＥＧを熱源として水蒸気を発生する。
【００１７】
タービン３の頭部には燃料噴射装置４が設けられている。この燃料噴射装置４の燃料ノズル５の上流側である基端部には、水素ガスＨのような燃料ガスを供給する単一の第１供給路７と、ボイラ１１からの水蒸気Ｗを供給する単一の第２供給路８が接続されている。水蒸気Ｗは、燃焼器２の燃焼室２２内の火炎温度局所的に高温な火炎の温度を下げて低ＮＯｘ化を図るために供給される。燃料噴射装置４では、第１供給路７から供給された水素ガスＨと第２供給路８から供給された水蒸気Ｗとが予混合されて混合ガスＧを生成する。なお、燃料ガスＨとして水素ガスが最も好ましいが、これに代えて、天然ガスを用いることもできる。
【００１８】
圧縮機１から供給される圧縮空気Ａと、燃料噴射装置４から供給される混合ガスＧとを燃焼室２２で燃焼させ、これにより発生する高温高圧の燃焼ガスＣＧをタービン３に供給し、このタービン３を駆動する。圧縮機１は回転軸９を介してタービン３により駆動され、このタービン３は発電機ＰＵのような負荷を駆動する。
【００１９】
第２供給路８は、その上流側端がボイラ１１に接続されており、このボイラ１１はタービン３からの排気通路１２に設置され、排気ガスＥＧから回収した排熱がボイラ１１での蒸気生成の熱源に利用される。ボイラ１１を通過した排気ガスＥＧは、図示しないサイレンサを通ったのち、外部に排出される。ボイラ１１には、図示しない外部の給水源から水が供給される。
【００２０】
第１供給路７は、その上流側端がガス圧縮装置１３に接続されている。このガス圧縮装置１３により、図示しない水素ガスボンベのような燃料源から供給される低圧の水素ガスが圧縮されて高圧の水素ガスＨとなって、燃料噴射装置４に供給される。
【００２１】
図２は燃焼器２の頭部を示す。同図に示すように、燃焼器２は単缶型であり、筒状のハウジング２８の内側に燃焼室２２を形成する燃焼筒２９が配置されている。ハウジング２８の頂部はカバー１７により覆われている。燃料噴射装置４は、燃焼筒２９と同心上に配置され、カバー１７に取り付けられており、燃料ノズル５の下流側である先端部が、カバー１７を貫通して燃焼室２２に臨んでいる。燃料ノズル５の上流側である基端部に、燃料ガスＨを供給する第１導入通路１５を形成する第１導入管２５および水蒸気Ｗを供給する第２導入通路１６を形成する第２導入管２６が接続されている。
【００２２】
燃焼筒２９の外周には圧縮機１（図１）で圧縮された圧縮空気Ａを燃焼室２２内に送り込む空気通路２４が形成されている。空気通路２４を流れる圧縮空気Ａの一部分は、矢印で示すように、燃焼筒２９の頂部における空気通路２４の外周に配置されたスワーラ２７を経て燃焼室２２に旋回しながら導入され、他の部分は、燃焼筒２９に設けられた複数の空気孔５０を通って燃焼室２２に導入される。
【００２３】
図３は燃料噴射装置４の内部構造を示す。同図に示すように、燃料ノズル５は、内部に円環状の混合室３０を有するノズルハウジング３１を有し、このノズルハウジング３１の基端部３１ａに、２つの第１導入通路１５，１５と、２つの第２導入通路１６，１６とが接続されている。図４に示すように、第１導入管２５により形成された２つの第１導入通路１５，１５は、ノズルハウジング３１の周りに１８０°離間して配置されている。第２導入管２６により形成された２つの第２導入通路１６，１６もやはり、ノズルハウジング３１の周りに１８０°離間して配置されている。第１導入通路１５と第２導入通路１６はノズルハウジング３１の周方向に交互に並んでいる。各第１導入通路１５および各第２導入通路１６は、ノズルハウジング３１の外周から前記混合室３０の周方向に、つまり前記混合室３０内に接線方向から、それぞれ燃料Ｈと水蒸気Ｗを導入する。これにより、円環状の混合室３０内で燃料ガスＨと水蒸気Ｗが混合室３０の軸心回りに旋回されて混合される。
【００２４】
ノズルハウジング３１の軸方向中央部にはフランジ３３が取り付けられており、このフランジ３３に設けた挿通孔３５に図２に示すボルト３６を挿通して、カバー１７にねじ込むことにより、燃料噴射装置４がカバー１７に支持される。ノズルハウジング３１の軸心Ｃ上には丸棒状の中心部材３８が配置されており、この中心部材３８の外周に前記混合室３０が形成されている。
【００２５】
ノズルハウジング３１の先端部３１ｂには、混合室３０からの混合ガスＧを燃焼室２２（図２）に噴射するガス噴射部４０が設けられている。このガス噴射部４０は混合ガスＧを噴射するガス噴射孔４１と、空気噴射孔４２と、前記ガス噴射孔４１の上流側に第１および第２ガスヘッダ室４４，４５を形成するノズルブロック４３とを有している。上流側の第１ガスヘッダ室４４は混合室３０で混合された混合ガスＧを貯留する。第１ガスヘッダ室４４と下流側の第２ガスヘッダ室４５とは連通路４７で接続され、第２ガスヘッダ室４５にはガス噴射孔４１が直接、連通している。なお、前記ガスヘッダ室４４，４５のうち、上流側の第１ガスヘッダ室４４はなくてもよい。
【００２６】
さらに、ノズルブロック４３には中心部材３８の外表面に冷却用空気を供給する冷却通路４８が形成されている。この冷却通路４８は図２に示す空気通路２４と連通しており、空気通路２４からの圧縮空気Ａの一部が冷却用空気として取り込まれ、図３の中心部材３８を冷却した後、空気噴射孔４２から燃焼室２２（図２）に排出される。この冷却通路４８は、図７に示すように、ノズルブロック４３に、中心部材３８の円周上の接線方向に等間隔で複数本（例えば６本）形成されており、隣接する冷却通路４８，４８の間に連通路４７，４７が設けられている。
【００２７】
図５は燃料噴射装置４の斜視図を示す。同図に示すように、この燃料噴射装置４では、単一の第１供給路７が２つの第１導入通路１５，１５に接続されて、これら第１導入通路１５，１５に燃料ガスＨを供給している。同様に単一の第２供給路８が第２導入通路１６，１６に接続されて、これら第２導入通路１６，１６に水蒸気Ｗを供給している。
【００２８】
図６は同燃料噴射装置４の底面図を示す。燃料ノズル５の中心部の空気噴射孔４２の周囲に、ガス噴射孔４１が同心円状に複数列、等間隔で設けられている。
【００２９】
つぎに、この燃料噴射装置の動作について説明する。ガスタービンの作動時、図１に示すように、燃料ガスＨは、ガス圧縮装置１３で圧縮されたのち、第１供給路７から図４に示す第１導入通路１５を経て混合室３０に導入される。一方、図１のボイラ１１で生成された水蒸気Ｗは、第２供給路８から図４に示す第２導入通路１６を経て混合室３０に導入される。この混合室３０において燃料ガスＨと水蒸気Ｗとが混合室３０の軸心Ｃ回りに旋回しながら混合される。このように、混合室３０内で燃料ガスＨと水蒸気Ｗを混合室３０の軸心Ｃ回りに旋回させて混合するようにしたので、旋回させずに両者を混合する場合に比べ、混合室３０内で燃料ガスＨと水蒸気Ｗとが長い移動距離と時間をかけて混合される結果、燃料ガスＨと水蒸気Ｗとの予混合が十分に行われ、燃料ガスＨと水蒸気Ｗの濃度分布の均一化が図れる。
【００３０】
また、この燃料噴射装置４においては、燃料と蒸気を予混合して噴射することで燃焼場に効果的に蒸気を噴射できるから，使用する水蒸気量を低減できるので、ガスタービンシステム全体の効率が向上する。さらに、予混合のためのミキサー等付帯設備が不要であり，燃料噴射装置４も簡単な構造であるので、低コストで製作できる。
【００３１】
図３に示すように、混合ガスＧは、混合室３０から第１ガスヘッダ室４４に入り、さらに連通路４７を通って第２ガスヘッダ室４５に入り、ガス噴射孔４１から図２の燃焼室２２内に噴射される。ここで、混合ガスＧは、第１および第２ガスヘッダ室４４，４５内で減速による均一化が進む。ガス噴射孔４１から噴射された混合ガスＧは、空気通路２４からスワーラ２７および第２導入通路１６の空気導入孔５０から燃焼室２２内に導入された圧縮空気Ａに混合されて燃焼する。こうして、濃度分布が均一となった混合ガスＧが燃焼するので、燃焼室２２から排出される排気ガス中に含まれるＮＯｘ量が少なくなる。
【００３２】
また、図５に示すように、複数の第１導入通路１５および複数の第２導入通路１６を備え、第１導入通路１５と第２導入通路１６とが混合室３０の周方向に交互に並んでいるので、第１導入通路１５からの燃料ガスＨと第２導入通路１６からの水蒸気Ｗを混合室３０に周方向から均等に導入することができ、したがって、混合室３０内での燃料ガスＨと水蒸気Ｗの濃度分布の均一化を一層効率的に行うことができる。
【００３３】
また、図３に示すように、複数の第１導入通路１５に燃料ガスＨを供給する単一の第１供給路７と、複数の第２導入通路１６に水蒸気Ｗを供給する単一の第２供給路８とを備えているので、複数の第１導入通路１５および複数の第２導入通路１６がそれぞれ、単一の第１供給路７、単一の第２供給路８から分岐した構造となり、複数の第１導入通路１５、第２導入通路１６を設けながらも、燃料噴射装置４の構造を簡素化でき、コストも低減できる。
【００３４】
さらに、ノズルハウジング３１の軸心Ｃ上に配置された中心部材３８を備え、この中心部材３８の外周に混合室３０が形成したので、混合室３０内に導入される燃料ガスＨおよび水蒸気Ｗを円滑に旋回させることができ、均一混合が促進される。
【００３５】
さらに、中心部材３８の外表面に冷却用空気を供給する冷却通路４８を備えているので、燃焼室２２内の火炎によって加熱される中心部材３８の外表面が冷却通路４８からの冷却用空気で冷却されることで、中心部材３８の熱損傷を防止できる。
【００３６】
さらに、図３に示すように、ノズルハウジング３１の先端部３１ｂに設けられたガス噴射部４０は、混合室３０からの混合ガスＧを燃焼室２２に噴射するガス噴射孔４１と、中心部材３８を冷却した後の空気を噴射する空気噴射孔４２と、ガス噴射孔４１の上流側にガスヘッダ室４４，４５を形成するノズルブロック４３とを有し、このノズルブロック４３に冷却通路４８を形成している。したがって、ノズルハウジング３１の先端部のガス噴射部４０がガス噴射孔４１と空気噴射孔４２とノズルブロック４３を有し、このノズルブロック４３にガスヘッダ室４４，４５と冷却通路４８が形成されたコンパクトな構造となる。これにより、この燃料噴射装置４をガスタービンシステムに搭載する際の配置スペースの省スペース化が図られる。また、混合ガスＧがガスヘッダ室４４，４５内で減速して混合が一層促進される。
【００３７】
本発明の燃料噴射装置４によるＮＯｘ低減効果を図８に示す。図８は本発明による燃料噴射装置４を用いた場合におけるＮＯｘ発生量と、比較例の燃料噴射装置４Ａを用いた場合におけるＮＯｘ発生量を実験的に測定したグラフである。図９は実験に使用した燃料噴射装置４Ａの縦断面を示す。この燃料噴射装置４Ａは、特許文献１の装置に相当するもので、燃料ガスＨのみが燃料噴射装置４Ａから燃焼室２２に噴射され、水蒸気Ｗはカバー１７を貫通した第２導入通路１６を通って水蒸気ノズル６０からスワーラ２７を経て燃焼室２２に供給され、燃焼室２２で燃料ガスＨと水蒸気Ｗが初めて混合される。
【００３８】
図８において、▲印は従来の装置で天然ガスと水蒸気を燃焼させた場合、△印は従来の装置で水素ガスと水蒸気を燃焼させた場合、●印は本発明の装置で天然ガスと水蒸気を燃焼させた場合、○印は本発明の装置で水素ガスと水蒸気を燃焼させた場合のＮＯｘ発生量をそれぞれ示す。本発明の装置を用いた場合では、水蒸気を加える燃料が水素ガスか天然ガスであるにかかわりなく、傾向として水蒸気と燃料ガスの重量比である水燃比が増加するにともない、従来の装置よりもＮＯｘの発生が抑制されていることが判った。
【００３９】
以上のとおり、図面を参照しながら好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。
【符号の説明】
【００４０】
ＧＴ…ガスタービンシステム
２…燃焼器
４…燃料噴射装置
５…燃料ノズル
７…第１供給路
８…第２供給路
１５…第１連通路
１６…第２連通路
２２…燃焼室
２５…第１導入管
２６…第２導入管
３０…混合室
３１…ノズルハウジング
３８…中心部材
４０…ガス噴射部
４１…ガス噴射孔
４２…空気噴射孔
４３…ノズルブロック
４４，４５…ガスヘッダ室
４７…連通路
４８…冷却通路
Ａ…圧縮空気
Ｃ…混合室の軸心
ＥＧ…排気ガス
Ｇ…混合ガス
Ｈ…水素ガス（燃料ガス）
Ｗ…水蒸気
【図１】
2015075313.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2015075313.tif 000009
【図８】
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【図９】
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