(57)【要約】【課題】低質な液体燃料を用いた場合でも安定した燃焼とＮＯｘ排出量の低減とを達成する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３は、低質な液体燃料を微細な液滴にして噴射する燃料ノズル１０５と、前記燃料ノズルをその頭部に設置して燃料の噴射方向に沿って形成され該燃料ノズルから噴射された燃料液滴と圧縮空気の一部とを混合させる混合室１４と、混合室１４と燃焼室３との間に配置されて該燃料ノズルから噴射されて混合室にて圧縮空気の一部と混合した燃料液滴を圧縮空気の一部の熱によって蒸発させる蒸発室１５とをそれぞれ有する予混合器を備えさせ、混合室の壁面に圧縮空気の一部をその内周側に形成した混合室１４に導入する複数の空気導入孔１８〜２０をこの混合室１４の軸方向に相互に離間させて設置した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機で加圧された圧縮空気と低質な液体燃料とを混合して燃焼室で燃焼させ、燃焼によって生成した燃焼ガスを供給してタービンを駆動させるガスタービン燃焼器において、前記ガスタービン燃焼器に、低質な液体燃料を微細な液滴にして噴射する燃料ノズルと、前記燃料ノズルをその頭部に設置して燃料の噴射方向に沿って形成され該燃料ノズルから噴射された燃料液滴と圧縮空気の一部とを混合させる混合室と、前記混合室と前記燃焼室との間に配置されて該燃料ノズルから噴射されて前記混合室にて圧縮空気の一部と混合した燃料液滴を圧縮空気の一部の熱によって蒸発させる蒸発室とをそれぞれ有する予混合器を備えさせ、前記混合室の壁面には前記圧縮空気の一部をその内周側に形成した混合室に導入する複数の空気導入孔をこの混合室の軸方向に相互に離間させて設置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、前記蒸発室は流入した燃料が流下する下流側に拡開した円錐形状に形成されており、前記蒸発室は略円筒形状に形成されている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又は請求項２に記載のガスタービン燃焼器において、前記蒸発室の軸方向長さは前記混合室の軸方向長さよりも長くなるように形成し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乃至請求項３のいずれか１項に記載のガスタービン燃焼器において、前記混合室の壁面に配設した複数の空気導入孔のうち最も下流側の位置に配置された空気導入孔は、この導入孔から前記混合室に流入する圧縮空気の一部が前記混合室の軸中心に向かって噴出するように配設されている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乃至請求項４のいずれか１項に記載のガスタービン燃焼器において、前記蒸発室の壁面に圧縮空気の他の一部を導入する別の空気導入孔を設置し、この別の空気導入孔から前記蒸発室に流入する圧縮空気の他の一部は該蒸発室の内壁の円周方向に沿って流入するように配設されていることを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のガスタービン燃焼器において、前記液体燃料は定格負荷条件の空気温度より高い蒸発温度により蒸発する液体燃料を使用することを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項７】
圧縮機で加圧された圧縮空気と低質な液体燃料とを混合して燃焼室で燃焼させ、燃焼によって生成した燃焼ガスを供給してタービンを駆動させるガスタービン燃焼器の燃焼方法において、前記ガスタービン燃焼器の予混合器に設けた混合室の頭部に設置した燃料ノズルから低質な液体燃料を微細な液滴にして噴射させ、前記混合室の内部でこの燃料ノズルから噴射された燃料液滴と圧縮空気の一部とを混合させる際に前記混合室の軸方向に相互に離間させて設置した複数の空気導入孔を通じて前記圧縮空気の一部をその内周側に形成した混合室に導入するようにし、前記混合室と前記燃焼室との間に配置された蒸発室の内部で該燃料ノズルから噴射されて前記混合室にて圧縮空気の一部と混合した燃料液滴を圧縮空気の一部の熱によって蒸発させ、この蒸発室で蒸発して微細化した燃料液滴を燃焼室に供給して燃焼させるようにしたことを特徴とするガスタービン燃焼器の燃焼方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はガスタービン燃焼器及びガスタービン燃焼器の燃焼方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力自由化による分散電源の普及にともない、中小容量のガスタービン発電プラントの需要が伸びている。
【０００３】
このような中小容量のガスタービン発電プラントでは、燃料供給設備のイニシャルコストが低い液体燃料を用いた発電設備が多く採用されている。
【０００４】
特に、近年では、コスト低減の観点から、これまで発電プラント向けとして使用されていなかった低質な液体燃料を利用したいというニーズが増えつつある。
【０００５】
このような低質な液体燃料を用いた中小容量のガスタービン発電プラントにおいても、地球環境保護の観点からガスタービン燃焼器で生成される燃焼排ガス中の窒素酸化物（以下、ＮＯｘと記載する）の排出量低減が重要となっている。
【０００６】
ところで液体燃料焚きガスタービン燃焼器のＮＯｘ排出量を低減できる燃焼方法の一方式として、予蒸発予混合燃焼が知られている。
【０００７】
予蒸発予混合燃焼とは、液体燃料をガスタービン燃焼器に設置された燃料ノズルから微細な燃料液滴にして噴射し、ガスタービン燃焼器に設けた混合室内でこの微細な燃料液滴を圧縮機から吐出される高温の圧縮空気とを予め混合させてガスタービン燃焼器の燃焼室で燃焼させる方法である。
【０００８】
この予蒸発予混合燃焼方法は、空気の熱を利用して液体燃料を気化させて均一な予混合気を生成して燃焼させることにより、ガスタービン燃焼器内で燃焼する燃焼ガス中に局部的な高温領域が発生することを防止してＮＯｘの排出量を低減させるものである。
【０００９】
このような予蒸発予混合燃焼方式を用いたガスタービン燃焼器として、特開２００５−９４１４号公報に記載されたガスタービン燃焼器の技術が開示されている。
【００１０】
このガスタービン燃焼器では、液体燃料を噴射する液体燃料ノズルを頭部の軸心に備えて該液体燃料ノズルから噴出する液体燃料の噴出方向に向かって拡がる中空円錐形状の混合室を配置し、この混合室を内側に形成する混合室の壁面には混合室内に液体燃料と混合させる空気を導入する空気導入孔を混合室壁の周方向に向かって偏向するように形成した構成である。
【００１１】
上記した構成のガスタービン燃焼器では、液体燃料ノズルによって液体燃料を微細な液滴に噴射し、円錐形状の混合室内でこの微細な燃料液滴と空気とを混合させて生成した均質な予混合気を燃焼させるので、均質な予混合気が燃焼した燃焼ガス中に局部的な高温領域の発生が抑制されてＮＯｘ排出量を低減するものである。
【００１２】
【特許文献１】特開２００５−９４１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、特開２００５−９４１４号公報に記載されたガスタービン燃焼器の技術では次のような課題が存在する。
【００１４】
即ち、液体燃料として重油などの粘性が高い低質燃料を用いた場合に、灯油や軽油に比べて液体燃料の粘性が高いためガスタービン燃焼器の液体燃料ノズルから噴射した燃料液滴の液滴サイズが大きくなることが考えられる。
【００１５】
図３に重油の蒸留特性の一例を示したが、ガスタービンの定格負荷条件における燃焼空気温度Ｔ１と燃料留出率が１００％となる温度Ｔ２を比較すると、燃料留出率が１００％となる温度Ｔ２はガスタービンの定格負荷条件における燃焼空気温度Ｔ１よりも温度が高くなる。
【００１６】
このため、重油などの粘性の高い低質燃料を使用した場合にはガスタービン燃焼器の液体燃料ノズルから噴射した燃料液滴が混合室の内部で完全に蒸発できずにこの混合室の下流側の燃焼室に未蒸発の燃料液滴として供給されて燃焼する可能性が高く、そうなると混合室から燃焼室内に供給された未蒸発の燃料液滴が燃焼室内で燃焼する際に局部的な高温領域が生じてＮＯｘ排出量が増加するという課題が残ることになる。
【００１７】
本発明の目的は、微粒化が難しく、蒸発温度が定格負荷条件の空気温度より高い低質な液体燃料を用いた場合に、燃料液滴の滞留時間を長く確保し燃料が蒸発する割合を増加させて安定した燃焼とＮＯｘ排出量の低減とを達成するガスタービン燃焼器及びガスタービン燃焼器の燃焼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、圧縮機で加圧された圧縮空気と低質な液体燃料とを混合して燃焼室で燃焼させ、燃焼によって生成した燃焼ガスを供給してタービンを駆動させるガスタービン燃焼器において、前記ガスタービン燃焼器に、低質な液体燃料を微細な液滴にして噴射する燃料ノズルと、前記燃料ノズルをその頭部に設置して燃料の噴射方向に沿って形成され該燃料ノズルから噴射された燃料液滴と圧縮空気の一部とを混合させる混合室と、前記混合室と前記燃焼室との間に配置されて該燃料ノズルから噴射されて前記混合室にて圧縮空気の一部と混合した燃料液滴を圧縮空気の一部の熱によって蒸発させる蒸発室とをそれぞれ有する予混合器を備えさせ、前記混合室の壁面には前記圧縮空気の一部をその内周側に形成した混合室に導入する複数の空気導入孔をこの混合室の軸方向に相互に離間させて設置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燃焼方法は、圧縮機で加圧された圧縮空気と低質な液体燃料とを混合して燃焼室で燃焼させ、燃焼によって生成した燃焼ガスを供給してタービンを駆動させるガスタービン燃焼器の燃焼方法において、前記ガスタービン燃焼器の予混合器に設けた混合室の頭部に設置した燃料ノズルから低質な液体燃料を微細な液滴にして噴射させ、前記混合室の内部でこの燃料ノズルから噴射された燃料液滴と圧縮空気の一部とを混合させる際に前記混合室の軸方向に相互に離間させて設置した複数の空気導入孔を通じて前記圧縮空気の一部をその内周側に形成した混合室に導入するようにし、前記混合室と前記燃焼室との間に配置された蒸発室の内部で該燃料ノズルから噴射されて前記混合室にて圧縮空気の一部と混合した燃料液滴を圧縮空気の一部の熱によって蒸発させ、この蒸発室で蒸発して微細化した燃料液滴を燃焼室に供給して燃焼させるようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、微粒化が難しく、蒸発温度が定格負荷条件の空気温度より高い低質な液体燃料を用いた場合に、燃料液滴の滞留時間を長く確保し燃料液滴の蒸発する割合を増加させて安定した燃焼とＮＯｘ排出量の低減とを達成するガスタービン燃焼器及びガスタービン燃焼器の燃焼方法が実現できる。
【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ガスタービン燃焼器及びガスタービン燃焼器の燃焼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】
以下、本発明の一実施例であるガスタービン燃焼器について図１及び図２を用いて説明する。
【００２３】
図１は本発明の一実施例であるガスタービン燃焼器を備えたガスタービン発電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、ガスタービン発電プラントは、空気を圧縮して高圧の圧縮空気１２を吐出する圧縮機１と、この圧縮機１から吐出した圧縮空気１２を導入して低質な液体燃料１１０と圧縮空気１２とを混合して、この混合した低質な液体燃料を燃焼して高温の燃焼ガス１７を生成する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１７を導入して駆動されるタービン２と、このタービン２によって回転され発電する発電機４とを有するガスタービン装置１２０を備えている。
【００２５】
なお本発明において、低質な液体燃料とは、定格負荷条件の空気温度より高い蒸発温度により蒸発する燃料を指す。即ち、図３において、温度Ｔ１より高い蒸発温度により蒸発する燃料を対象とする。
【００２６】
そしてガスタービン燃焼器３で生成された高温の燃焼ガス１７はタービン２を駆動した後に燃焼ガスとしてタービン４から大気中に排出される。
【００２７】
圧縮機１とタービン２と発電機４とは共通のロータ軸３８によって連結されており、ガスタービン装置１２０の起動後はタービン２の回転によって前記圧縮機１と発電機４が駆動されるように構成されている。
【００２８】
上記ガスタービン１２０に備えられたガスタービン燃焼器３は、円筒形状の外筒５と、外筒の端部に設置されたエンドカバー６とを有している。
【００２９】
そして外筒５の内部には円筒形状の内筒７を備えて、この外筒５と内筒７との間に圧縮機１から吐出された燃焼用空気となる圧縮空気１２を流下させる円環状の圧縮空気流路を形成している。
【００３０】
ガスタービン燃焼器３に設置した内筒７の下流側には微細化された低質な液体燃料１１０を燃焼させる燃焼室３７が内筒７の内周側に形成されており、微細化された低質な液体燃料１１０をこの燃焼室３７内で燃焼させて均質な火炎１６を形成させるように構成されている。
【００３１】
また、ガスタービン燃焼器３に設置した内筒７の上流側には予混合器１３が設置されており、低質な液体燃料１１０と圧縮空気１２とを予蒸発予混合するようになっている。
【００３２】
そのために前記ガスタービン燃焼器３の予混合器１３には、頭部に低質な液体燃料１１０を微細化して噴霧する燃料ノズル１０５を備えた、燃料の噴射方向に沿って広がった円錐形状の混合室１４が設置されている。
【００３３】
この予混合器１３に設けた円錐形状の混合室１４では、燃料ノズル１０５から噴霧された微細化した低質な液体燃料１１０と該混合室１４を内周側に区画する混合室壁１０に配設した空気導入孔１８、１９、２０を通じて導入した圧縮空気１２とを混合させて均一な混合気を形成する。
【００３４】
更に前記ガスタービン燃焼器３の予混合器１３には、前記混合室１４と前記内筒７に形成した燃焼室３７との間の位置に、混合室１４で混合した微細化した低質な液体燃料１１０の混合気を圧縮空気１２の熱で蒸発させる円筒形状の蒸発室１５が設置されている。
【００３５】
そしてこの予混合器１３に設けた蒸発室１５で蒸発した微細化した低質な液体燃料１１０の混合気を内筒７の燃焼室３７に供給して、この燃焼室３７の内部で前記外筒５及び内筒７を貫通して設置された点火栓９によって供給された微細化した低質な液体燃料１１０の混合気に着火して均質に燃焼させて火炎１６を形成させる。
【００３６】
そしてこの燃焼室３７内で微細化した低質な液体燃料１１０の混合気を燃焼して形成された高温の燃焼ガス１７は、燃焼室３７からトランジションピース８を通じて下流側のタービン２に流入して該タービン２を駆動する。
【００３７】
ガスタービン燃焼器３に設置した予混合器１３の混合室１４の頭部に設けた燃料ノズル１０５には、燃料タンク１００から昇圧ポンプ１０１、圧力調整弁１０２によって加圧された低質な液体燃料１１０を供給する燃料系統１０６が配設されている。
【００３８】
この燃料系統１０６には供給される低質な液体燃料１１０の流量を調節する流量調整弁１０３と、緊急時に供給を遮断する遮断弁１０４がそれぞれ設置されている。
【００３９】
次に上記した本発明の実施例であるガスタービン燃焼器３の燃焼方法について説明する。
【００４０】
図１に示したガスタービン燃焼器３において、圧縮機１から吐出された圧縮空気１２の一部は、ガスタービン燃焼器３の外筒５と内筒７との間に形成される環状の空気流路を通って導かれ、予混合器１３の内部に形成された混合室１４の内部に該混合室１４を内部に形成する混合室壁１０を貫通して配設された空気導入孔１８、１９、２０を通じてそれぞれ導入され、この混合室１４の内部にて該混合室１４の頭部に設置された燃料ノズル１０５から噴射された低質な液体燃料１１０の微細な燃料液滴２１と混合して更に微細化された燃料液滴２１を形成する。
【００４１】
そして予混合器１３の内部に形成されたこの混合室１４で混合室壁１０に配設した空気導入孔１８、１９、２０から供給された圧縮空気１２と混合した低質な液体燃料の微細な燃料液滴２１は、前記混合室１４の下流側に位置する前記予混合器１３の内部に形成された蒸発室１５の内部にて、混合室壁１０に配設された空気導入孔１８、１９、２０を通じて蒸発室１５の軸心に供給される圧縮空気１２が保有する熱によって徐々に蒸発して微細な液滴の均質な予混合気を形成する。
【００４２】
そして予混合器１３の内部に形成されたこの蒸発室１５で蒸発した微細な燃料液滴２１の予混合気は前記蒸発室１５の下流側に位置するガスタービン燃焼器３の内筒７に形成された燃焼室３７に供給され、点火栓９で点火されて燃焼して安定な火炎１６を形成する。
【００４３】
そして燃焼室３７で微細な燃料液滴２１の予混合気を燃焼して生成した高温の燃焼ガス１７はトランジションピース８を経由してガスタービン２に供給されて該ガスタービン２を駆動する。
【００４４】
これにより、ガスタービン２にロータ軸３８で連結された発電機４を駆動して発電する。
【００４５】
尚、ガスタービン燃焼器３の燃料ノズル１０５に低質な液体燃料１１０を供給する方法は、燃料タンク１００に貯蔵された低質な液体燃料１１０を燃料系統１０６にそれぞれ配設した昇圧ポンプ１０１によって昇圧し、圧力調節弁１０２で所定の圧力に設定して流量調節弁１０３で所定の燃料流量に調整した後に、遮断弁１０４を通過して燃料ノズル１０５に供給するようにしている。
【００４６】
次に、上記したガスタービン燃焼器３に設置した予混合器１３の詳細構造について説明する。
【００４７】
図２（ａ）は図１に示した本実施例のガスタービン燃焼器３における予混合器１３の詳細構造を表す側断面図であり、前記予混合器１３は、燃料の噴射方向に沿って角度αで拡開する中空円錐形状の混合室１４と、この混合室１４の下流に設置されて軸方向の断面積が同一の円筒形状の蒸発室１５をその内側に形成するように構成されている。
【００４８】
前記予混合器１３に設けた混合室１４の頭部には低質な液体燃料１１０を微細な液滴にして噴射する燃料ノズル１０５が設置されており、この混合室１４を内側に形成した混合室壁１０には、図２（ａ）に示したように圧縮機１から供給された圧縮空気１２の一部を混合室１４の内部に導く複数個の空気導入孔１８、１９、２０が前記混合室１４の軸方向に沿って相互に離間するように該混合室壁１０を貫通して配設されている。
【００４９】
前記空気導入孔１８、１９、２０は、図２（ｂ）〜図２（ｄ）にそれぞれ示したように、混合室１４の内周壁に対して傾斜して配設されており、これらの空気導入孔１８、１９、２０を通じて圧縮空気１２の一部を角度を持たせて混合室１４内に流入させて、前記混合室１４の内部で燃料ノズル１０５から噴霧された低質な液体燃料１１０と均一に混合させて微細な液滴２１を形成している。
【００５０】
図２（ｂ）〜図２（ｄ）に示された前記予混合器１３の各断面図は、空気導入孔１８、１９、２０が穿設された混合室１４の軸方向位置における混合室壁１０の横断面図であって、図２（ａ）のＡ−Ａ断面、Ｂ−Ｂ断面、Ｃ−Ｃ断面をそれぞれ示している。
【００５１】
これらの図２（ｂ）〜図２（ｄ）において、空気導入孔１８、１９、２０の位置にオフセット距離Ｘ、Ｙ、Ｚ（空気導入孔１８、１９、２０を通る軸心線Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４と混合室１４の中心を通る軸心線Ｌ１との距離）を設けて前記各空気導入孔１８、１９、２０を配設することで、圧縮空気１２の一部を混合室１４の内周面に沿うように流入させることができる。
【００５２】
上記した構成により、予混合器１３の下流の燃焼室３７に旋回流による循環領域を形成することが可能となり、ガスタービン燃焼器３の燃焼室３７にて低質な液体燃料の微細な液滴２１を燃焼させて形成する火炎１６を安定して保持することができる。
【００５３】
上記のように構成されたガスタービン燃焼器３の予混合器１３では、まず混合室１４の内部で混合室１４の頭部に配置されている燃料ノズル１０５から低質な液体燃料１０５を微細化して噴射された微細な燃料液滴２１と、混合室壁１０に設けられた空気導入孔１８、１９、２０から混合室１４に流入する圧縮空気１２の一部とを混合させて液体燃料を更に微細な燃料液滴２１にする。
【００５４】
この混合の際に、燃料ノズル１０５から混合室１４の軸方向に噴霧された燃料液滴２１と、空気導入孔１８、１９、２０から混合室１４の軸心に向かって流入する圧縮空気１２の一部とが略直交して衝突することから、圧縮空気１２のせん断力によって燃料ノズル１０５から噴霧された燃料液滴２１は更に微細化されるので燃料液滴２１の更なる微粒化を促進することになる。
【００５５】
その後、この更に微細化された燃料液滴２１は混合室１４から蒸発室１５に流入し、この蒸発室１５の内部で微細化された燃料液滴２１は圧縮空気１２が有する熱によって徐々に蒸発が促進されて均質な予混合気を生成することになる。
【００５６】
そして、ガスタービン燃焼器３に設置した予混合器１３の前記蒸発室１５で蒸発して形成された均質な予混合気は、該蒸発室１５の下流側に位置するガスタービン燃焼器３の内筒７に形成された燃焼室３７に供給され、点火栓９で点火されて燃焼して安定な火炎１６を形成するので、前記燃焼室３７で生成した高温の燃焼ガス１７はガスタービン燃焼器３からトランジションピース８を経由してガスタービン２に供給され、前記ガスタービン２を駆動する。
【００５７】
そしてガスタービン燃焼器３の燃焼室３７にて微細な燃料液滴２１の均質な予混合気を燃焼して生成した高温の燃焼ガス１７は局部的な高温部の発生が抑制されるので、低質な液体燃料を燃焼させた際に発生する高温の燃焼ガス１７に含まれるＮＯｘ排出量を低く抑制することが可能となる。
【００５８】
上記した本実施例のガスタービン燃焼器３は、予混合器１３の混合室１４の下流側に円筒形状の蒸発室１５を形成することで、ガスタービン燃焼器の空間容積を大きくすることができ、ガスタービン燃焼器の全長を短くしても低質燃料の燃料液滴２１の滞留時間を長くできることから、重油などの低質燃料を使用した場合でもコーキングの発生を抑制して燃料液滴の蒸発する割合を増加できるため、低質な液体燃料をガスタービン燃焼器で燃焼させる際に発生するＮＯｘ排出量の低減が可能で信頼性の高いガスタービン燃焼器が提供できる。
【００５９】
また、本実施例のガスタービン燃焼器３では、重油よりもさらに蒸発温度の高い低質な液体燃料を用いた場合でも、混合器１３の蒸発室１５の長さを変更することで低質な液体燃料の燃料液滴が蒸発するための燃料液滴の滞留時間を変えることができるので、低質な液体燃料の微細な燃料液滴２１が蒸発する割合をより増加させて低質な液体燃料をガスタービン燃焼器で燃焼させる際に発生するＮＯｘ排出量を更に低減することができる。
【００６０】
上記したように本発明の実施例によれば、微粒化が難しく蒸発温度の高い低質な液体燃料を用いた場合に、燃料液滴の滞留時間を長く確保し燃料液滴の蒸発する割合を増加させて安定した燃焼とＮＯｘ排出量の低減とを達成するガスタービン燃焼器及びガスタービン燃焼器の燃焼方法が実現できる。
【実施例２】
【００６１】
次に本発明の他の実施例であるガスタービン燃焼器３について図４を用いて説明する。
【００６２】
本実施例のガスタービン燃焼器の構成は、図１及び図２に示した先の実施例のガスタービン燃焼器の構成と基本的な部分が共通しているので、両者に共通した構成の説明は省略して相違した構成についてのみ以下に説明する。
【００６３】
図４において、図４（ａ）はガスタービン燃焼器３に設置した予混合器１３の側断面図を、図４（ｂ）はガスタービン燃焼器３に設置した予混合器１３に配設した空気導入孔２０の軸方向位置における混合室１４の横断面図（Ｃ−Ｃ断面）を示したものである。
【００６４】
図４（ａ）及び図４（ｂ）に示したように、本実施例のガスタービン燃焼器３に設置した予混合器１３は、混合室１４の混合室壁１０に配設した１段目から３段目の空気導入孔１８、１９、２０のうち、最下流の３段目の空気導入孔２０に関して、混合室１４に圧縮空気の一部を導入させる空気導入孔２０が該混合室１４に配設する内周方向の導入角度を変更したものである。
【００６５】
図１及び図２に示した先の実施例のガスタービン燃焼器３では、予混合器１３の混合室壁１０に配設する空気導入孔２０の配設位置はオフセット距離Ｚ（ＬＩ−Ｌ４距離）を与えて配設することで、空気導入孔２０から混合室１４に供給する圧縮空気１２の一部に前記混合室１４の内周面に沿った空気流を形成するように形成している。
【００６６】
これに対して本実施例のガスタービン燃焼器３では、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示したように、予混合器１３の混合室壁１０に配設する空気導入孔２０の配設位置はオフセット距離を付与せずに配設することで、空気導入孔２０から混合室１４に供給する圧縮空気１２の一部の圧縮空気２２は、前記混合室１４の軸中心に集まるように形成している。
【００６７】
本実施例のガスタービン燃焼器３では、混合室１４の混合室壁１０に配設した１段目から３段目の空気導入孔１８、１９、２０のうち、最下流の３段目に設置した空気導入孔２０に関して、混合室１４に圧縮空気の一部を導入させる空気導入孔２０の配設位置に混合室１４の軸心に対するオフセット距離を与えないようにして配設することで、この空気導入孔２０を通じて混合室１４内に流入した圧縮空気２２は混合室１４の軸中心に向かって流れるために、燃料ノズル１０５から噴霧される燃料液滴２１の広がりを抑え込んで前記混合室１４の内周壁や蒸発室１５の内周壁への燃料液滴２１の付着を防止することができ、よってコーキングの発生を抑制することが可能となる。
【００６８】
また、本実施例のガスタービン燃焼器３の予混合器１３であれば、混合室１４の混合室壁１０に配設した１、２段目の空気導入孔１８、１９から混合室１４に流入する圧縮空気１２は混合室１４の内周壁に沿った流れとなるので、混合室１４の内周壁近傍に圧縮空気１２が積極的に供給される。
【００６９】
また、３段目の空気導入孔２０から流入する圧縮空気２２は混合室１４の軸中心に向かって流れるため、混合室１４の軸中心部に圧縮空気１２を供給されることから、混合室１４の全域に空気が供給されることになり、よって燃料液滴２１と圧縮空気１２との混合が更に促進されるので、低質な液体燃料を燃焼させた際に発生する高温の燃焼ガス１７に含まれるＮＯｘ排出量の低減により有効となる。
【００７０】
上記したように本発明の実施例によれば、微粒化が難しく蒸発温度の高い低質な液体燃料を用いた場合に、燃料液滴の滞留時間を長く確保し燃料液滴の蒸発する割合を増加させて安定した燃焼とＮＯｘ排出量の低減とを達成するガスタービン燃焼器及びガスタービン燃焼器の燃焼方法が実現できる。
【実施例３】
【００７１】
次に本発明の他の実施例の1つであるガスタービン燃焼器３について図５を用いて説明する。
【００７２】
本実施例のガスタービン燃焼器の構成は、図１及び図２に示した先の実施例のガスタービン燃焼器の構成と基本的な部分が共通しているので、両者に共通した構成の説明は省略して相違した構成についてのみ以下に説明する。
【００７３】
図５において、図５（ａ）はガスタービン燃焼器３に設置した予混合器１３の側断面図を、図４（ｂ）は、ガスタービン燃焼器３に設置した予混合器１３に配設した空気導入孔２３の軸方向位置における蒸発室１５の横断面図（Ｄ−Ｄ断面）を示したものである。
【００７４】
図５（ａ）及び図５（ｂ）に示したように、本実施例のガスタービン燃焼器３に設置した予混合器１３は、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示した実施例と同様のガスタービン燃焼器３の構成を有し、更に予混合器１３の蒸発室１５の下流位置寄りの位置である蒸発室壁１１に圧縮空気１２の一部を蒸発室１５に導入する新たな空気導入孔２３を配設したものである。
【００７５】
即ち、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示したように、本実施例のガスタービン燃焼器３では、蒸発室１５を内周に形成する蒸発室壁１１に圧縮空気１２の一部を蒸発室１５に導入する空気導入孔２３を配設するが、この空気導入孔２３の配設位置は混合室１４の混合室壁１０に配設した１、２段目の空気導入孔１８、１９と同様に、蒸発室１５の軸心に対してオフセット距離Ｗ（ＬＩ−Ｌ５距離）を与えて前記空気導入孔２３を蒸発室壁１１に設置し、圧縮空気１２の一部を蒸発室１５に導入している。
【００７６】
本実施例のガスタービン燃焼器３では、火炎形成部である燃焼室３７に最も近い蒸発室１５の下流位置に大きなオフセット距離Ｗを与えて圧縮空気１２の一部を蒸発室１５に導入する空気導入孔２３を配設したことで、蒸発室１５の下流の燃焼室３７に強力な旋回流による循環領域を形成することが可能となり、火炎１６を更に安定して形成させる効果が期待できる。
【００７７】
よって低質な液体燃料を燃焼させた際に発生する高温の燃焼ガス１７に含まれるＮＯｘ排出量の低減に更に有効となる。
【００７８】
上記したように本発明の実施例によれば、微粒化が難しく蒸発温度の高い低質な液体燃料を用いた場合に、燃料液滴の滞留時間を長く確保し燃料液滴の蒸発する割合を増加させて安定した燃焼とＮＯｘ排出量の低減とを達成するガスタービン燃焼器及びガスタービン燃焼器の燃焼方法が実現できる。
【実施例４】
【００７９】
次に本発明の他の実施例の1つであるガスタービン燃焼器について図６を用いて説明する。
【００８０】
本実施例のガスタービン燃焼器の構成は、図１及び図２に示した先の実施例のガスタービン燃焼器の構成と基本的な部分が共通しているので、両者に共通した構成の説明は省略して相違した構成についてのみ以下に説明する。
【００８１】
図６において、図６はガスタービン燃焼器３に設置した予混合器１３の側断面図を示したものである。
【００８２】
図６に示したように、本実施例のガスタービン燃焼器３に設置した予混合器１３は、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示した実施例のガスタービン燃焼器３と同様のガスタービン燃焼器３の構成を有し、更に予混合器１３の蒸発室１５の下流端となる蒸発室壁１０に燃料噴射方向に拡開する角度βの保炎流路２４を設けたものである。
【００８３】
即ち、図６に示したように、本実施例のガスタービン燃焼器３では、この保炎流路２４を蒸発室１５の下流端となる蒸発室壁１０に設けることで蒸発室１５出口部から燃焼室３７に供給される蒸発して形成された均質な予混合気の軸方向速度を緩やかに減速させると共に、拡開部となる保炎流路２４の下流側の燃焼室３７に再循環流領域を形成することで、低質な燃料液滴を燃焼させた火炎１６を更に安定させる効果が期待でき、低質な液体燃料を燃焼させた際に発生する高温の燃焼ガス１７に含まれるＮＯｘ排出量の低減により有効となる。
【００８４】
上記したように本発明の実施例によれば、微粒化が難しく蒸発温度の高い低質な液体燃料を用いた場合に、燃料液滴の滞留時間を長く確保し燃料液滴の蒸発する割合を増加させて安定した燃焼とＮＯｘ排出量の低減とを達成するガスタービン燃焼器及びガスタービン燃焼器の燃焼方法が実現できる。
【実施例５】
【００８５】
次に本発明の他の実施例の1つであるガスタービン燃焼器について図７を用いて説明する。
【００８６】
本実施例のガスタービン燃焼器の構成は、図１及び図２に示した先の実施例のガスタービン燃焼器の構成と基本的な部分が共通しているので、両者に共通した構成の説明は省略して相違した構成についてのみ以下に説明する。
【００８７】
図７において、図７はガスタービン燃焼器３に設置した予混合器１３の側断面図を示したものである。
【００８８】
図７に示したように、本実施例のガスタービン燃焼器３に設置した予混合器１３は、図４（ａ）に示した実施例のガスタービン燃焼器３と同様のガスタービン燃焼器３の構成を有し、更に予混合器１３の混合室１４を内部に形成した混合室壁１０に配設した空気導入孔１８、１９、２０の上流位置に、更に気体燃料２０３を前記空気導入孔１８、１９、２０を通じて混合室１４供給する気体燃料マニホールド２００を前記混合室壁１０の外周側である予混合器１３の外周側に設置した構造である。
【００８９】
即ち、図７に示したように、本実施例のガスタービン燃焼器３では、前記混合室壁１０の外周側である予混合器１３の外周側に気体燃料マニホールド２００が設置され、この気体燃料マニホールド２００内を通った気体燃料２０３が気体燃料マニホールド２００に接続されている気体燃料ノズル２０１を通って前記気体燃料ノズル２０１に形成されている気体燃料噴孔２０２から噴出する。
【００９０】
そして前記気体燃料噴孔２０２は混合室壁１０に配設された前記空気導入孔１８、１９、２０と同数設けられており、更に前記気体燃料噴孔２０２の配設位置は前記空気導入孔１８、１９、２０の軸心線Ｌ６、Ｌ７、Ｌ８と同軸方向に設定されているので、前記気体燃料噴孔２０２から噴出した気体燃料２０３は混合室壁１０に配設された前記空気導入孔１８、１９、２０を通じて混合室１４供給されるようになっている。
【００９１】
上記した構成のガスタービン燃焼器３に設置された予混合器１３では、気体燃料マニホールド２００の気体燃料噴孔２０２から混合室壁１０に配設された前記空気導入孔１８、１９、２０に向かって噴出した気体燃料２０３は、空気導入孔１８、１９、２０内部で圧縮空気１２の一部と一次混合し、この一次混合した混合気は空気導入孔１８、１９、２０を通じて混合室１４の内部に噴出する。
【００９２】
そして混合室１４の内部にこの一次混合した混合気が噴出する際に発生する渦流によって、混合室１４の内部で二次混合することになる。
【００９３】
その後、混合室１４の内部で二次混合した混合気は下流側の蒸発室１５に導かれ、この蒸発室１５の内部で三次混合することでより均質な予混合気を生成することができる。
【００９４】
したがって上記した本実施例のガスタービン燃焼器３によれば、低質な燃料液滴を燃焼させた火炎１６を安定させて低質な液体燃料を燃焼させた際に発生する高温の燃焼ガス１７に含まれるＮＯｘ排出量の低減を実現するだけでなく、使用する燃料が気体燃料の場合でも燃料を燃焼させた際に発生するＮＯｘ排出量を低減することができる。
【００９５】
したがって、本実施例のガスタービン燃焼器を用いれば、気体燃料、液体燃料の何れの燃料を使用した場合でもＮＯｘ排出量を低減することが可能となる。
【００９６】
上記したように本発明の実施例によれば、微粒化が難しく蒸発温度の高い低質な液体燃料を用いた場合に、燃料液滴の滞留時間を長く確保し燃料液滴の蒸発する割合を増加させて安定した燃焼とＮＯｘ排出量の低減とを達成するガスタービン燃焼器及びガスタービン燃焼器の燃焼方法が実現できる。
【実施例６】
【００９７】
次に本発明の他の実施例の1つであるガスタービン燃焼器について図８を用いて説明する。
【００９８】
本実施例のガスタービン燃焼器の構成は、図１及び図２に示した先の実施例のガスタービン燃焼器の構成と基本的な部分が共通しているので、両者に共通した構成の説明は省略して相違した構成についてのみ以下に説明する。
【００９９】
図８において、図８はガスタービン燃焼器３に設置した予混合器１３の側断面図を示したものである。
【０１００】
図８に示したように、本実施例のガスタービン燃焼器３に設置した予混合器１３は、図４（ａ）に示した実施例のガスタービン燃焼器３と同様のガスタービン燃焼器３の構成を有し、更に予混合器１３の混合室１４を内部に形成した混合室壁１０に配設した空気導入孔１８、１９、２０の上流位置に、更に気体燃料３０２を前記空気導入孔１８を通じて混合室１４供給する気体燃料マニホールド３００を前記混合室壁１０の上流側である予混合器１３の上流側に一体構造にして設置した構造である。
【０１０１】
即ち、図７に示したように、本実施例のガスタービン燃焼器３では、前記混合室壁１０の上流側である予混合器１３の上流側に一体構造にした気体燃料マニホールド３００が設置され、この気体燃料マニホールド３００内を通った気体燃料３０２が気体燃料マニホールド３００に形成されている気体燃料噴孔３０１から噴出する。
【０１０２】
そして混合室１４を内部に形成した前記混合室壁１０に配設した１列目の空気導入孔１８の流路には、燃料噴孔３０１から噴出する気体燃料３０２が空気導入孔１８を流下する圧縮空気１２の流れに対して直角方向に噴出するように前記燃料噴孔３０１の開口位置を配設している。
【０１０３】
上記した構成の本実施例のガスタービン燃焼器３に設置された予混合器１３では、図６に示した実施例のガスタービン燃焼器３と同様の効果を実現できる。
【０１０４】
また本実施例のガスタービン燃焼器では、気体燃料と圧縮空気との均質な予混合気を簡単に生成することが可能となるので、低質な燃料液滴を燃焼させた火炎１６を安定させて低質な液体燃料を燃焼させた際に発生する高温の燃焼ガス１７に含まれるＮＯｘ排出量の低減を実現するだけでなく、使用する燃料が気体燃料の場合でも燃料を燃焼させた際に発生するＮＯｘ排出量を低減することができる。
【０１０５】
したがって、本実施例のガスタービン燃焼器を用いれば、気体燃料、液体燃料の何れの燃料を使用した場合でもＮＯｘ排出量を低減することが可能となる。
【０１０６】
更に気体燃料供給構造を簡素化できて構成部品点数の削減が可能となるため低コスト化を図ることができる。
【０１０７】
上記したように本発明の実施例によれば、微粒化が難しく蒸発温度の高い低質な液体燃料を用いた場合に、燃料液滴の滞留時間を長く確保し燃料液滴の蒸発する割合を増加させて安定した燃焼とＮＯｘ排出量の低減とを達成するガスタービン燃焼器及びガスタービン燃焼器の燃焼方法が実現できる。
【実施例７】
【０１０８】
次に本発明の別の実施例であるガスタービン燃焼器について図９を用いて説明する。
【０１０９】
本実施例のガスタービン燃焼器の構成は、図１及び図２に示した先の実施例のガスタービン燃焼器の構成と基本的な部分が共通しているので、両者に共通した構成の説明は省略して相違した構成についてのみ以下に説明する。
【０１１０】
図９において、図９はガスタービン燃焼器３の側断面図を示したものである。
【０１１１】
図９に示したように、本実施例のガスタービン燃焼器３は、内筒７の頭部となる内筒７の軸心部に低質燃料を微細化して噴霧するパイロット燃料ノズル４００と、このパイロット燃料ノズル４００の外周側に設置された圧縮空気１２を供給するパイロット旋回器４０１とを備えたパイロットバーナ４１０を配置し、更にこのパイロットバーナ４１０の周囲に低質燃料を微細化して噴霧する燃料ノズル１０５を有する予混合器１３をメインバーナとして環状に離間させて複数個配置した構成である。
【０１１２】
前記パイロットバーナ４１０のパイロット燃料ノズル４００には、低質燃料を供給するパイロット燃料供給系統４０３が接続されており、また予混合器１３に設置されている燃料ノズル１０５には同じく低質燃料を供給するメイン燃料供給系統４０２が接続されており、パイロットバーナ４１０とメインバーナの予混合器１３とはそれぞれ独立して液体燃料の供給を制御することが可能となっている。
【０１１３】
そして上記構成の本実施例のガスタービン燃焼器３では、ガスタービンの起動から低負荷時にかけては燃焼安定性に優れたパイロットバーナ４１０を単独に運転し、燃焼室３７に微細化した燃料液滴を噴霧して燃焼させて該燃焼室３７の内部で燃焼安定性に優れた拡散火炎４０２を形成させるようにしたものである。
【０１１４】
そしてガスタービン装置の負荷が上昇して高負荷となった場合には、パイロットバーナ４１０の運転に加えてメインバーナの予混合器１３に備えた燃料ノズル１０５から微細化した燃料液滴を噴霧して前記予混合器１３で予蒸発予混合させ、この予蒸発予混合した混合気を前記予混合器１３から燃焼室３７に供給して燃焼させて火炎１６を燃焼室３７内で形成させるものである。
【０１１５】
そしてガスタービン装置の高負荷領域では予混合器１３を備えたメインバーナによる燃焼割合を増加して運用することで、本実施例のガスタービン燃焼器３によれば低質な液体燃料を燃焼させた際に発生する燃焼ガスのＮＯｘ排出量の低減を図ることができる。
【０１１６】
このように、燃焼ガスの低ＮＯｘ化が可能な予混合器１３を備えたメインバーナと燃焼安定性に優れたパイロットバーナ４１０とを組合せて本実施例のガスタービン燃焼器３を構成することで、ガスタービン装置の起動から定格負荷条件までの広い負荷運転範囲にわたって、安定燃焼と低ＮＯｘ化の双方を達成することができる。
【０１１７】
なお、本実施例のガスタービン燃焼器３では、液体燃料用の予混合器１３を用いて構成しているが、気体燃料と液体燃料の何れも燃焼可能な予混合器１３を用いるようにしてもよい。
【０１１８】
上記したように本発明の実施例によれば、微粒化が難しく蒸発温度の高い低質な液体燃料を用いた場合に、燃料液滴の滞留時間を長く確保し燃料液滴の蒸発する割合を増加させて安定した燃焼とＮＯｘ排出量の低減とを達成するガスタービン燃焼器及びガスタービン燃焼器の燃焼方法が実現できる。
【産業上の利用可能性】
【０１１９】
本発明は低質燃料を使用するガスタービン燃焼器及びガスタービン燃焼器の燃焼方法に適用可能なだけでなく、通常の液体燃料を使用するガスタービン燃焼器及びガスタービン燃焼器の燃焼方法にも適用可能で有り、更には液体燃料を燃焼する一般の燃焼装置の燃焼器としても広く適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１２０】
【図１】本発明の一実施例であるガスタービン燃焼器を備えたガスタービン発電プラントの全体構成を示す概略図。
【図２】図１に示した本発明の実施例のガスタービン燃焼器に設置された予混合器の構造を示す断面図であり、図２（ａ）はその予混合器の側断面図を、図２（ｂ）、図２（ｃ）及び図２（ｄ）はその混合室のＡ−Ａ、Ｂ−Ｂ及びＣ−Ｃ断面の横断面図をそれぞれ示す断面図。
【図３】重油の蒸留特性の一例である温度と油留出率との関係を示す特性図。
【図４】本発明の他の実施例であるガスタービン燃焼器に備えられた予混合器の構造を示す断面図であり、図４（ａ）はその予混合器の側断面図を、図４（ｂ）はその混合室のＣ−Ｃ断面の横断面をそれぞれ示す断面図。
【図５】本発明の他の実施例の1つであるガスタービン燃焼器に備えられた予混合器の構造を示す断面図であり、図５（ａ）はその予混合器の側断面図を、図５（ｂ）はその混合室のＤ−Ｄ断面の横断面をそれぞれ示す断面図。
【図６】本発明の他の実施例の1つであるガスタービン燃焼器に備えられた予混合器の構造を示す断面図。
【図７】本発明の他の実施例の1つであるガスタービン燃焼器に備えられた予混合器の構造を示す断面図。
【図８】本発明の他の実施例の1つであるガスタービン燃焼器に備えられた予混合器の構造を示す断面図。
【図９】本発明の別の実施例であるガスタービン燃焼器の構造を示す断面図。
【符号の説明】
【０１２１】
１：圧縮機、２：タービン、３：ガスタービン燃焼器、５：外筒、６：エンドカバー、７：内筒、８：トランジションピース、９：点火栓、１０：混合室壁、１１：蒸発室壁、１２：圧縮空気、１３：予混合器、１４：混合室、１５：蒸発室、１６：火炎、１８、１９、２０：空気導入孔、２１：燃料液滴、２３：空気導入孔、３７：燃焼室、１０５：燃料ノズル、１１０：液体燃料、１２０：ガスタービン装置。
【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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【図６】
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【図７】
2008275189.tif 000009
【図８】
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【図９】
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