(57)【要約】【課題】本発明は低質油を燃料に使用してガスタービンの作動負荷範囲で燃焼安定性を確保すると共に、低質油の燃焼時に発生する煤塵濃度を低減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、残留炭素を含む低質油燃料を燃料として用いるガスタービン燃焼器に低質油燃料を燃焼室に噴射する燃料噴霧ノズル装置６０を設置し、この燃料噴霧ノズル装置にはその外周側にガスタービン燃焼器に供給される燃焼用空気の一部を旋回して燃焼室に流入させるスワラー５２を設け、その半径方向中心部には噴霧空気を燃焼室に噴出させる燃焼空気孔６５を設け、この燃料噴霧ノズル装置には低質油燃料を噴出する燃料ノズル７０と、この燃料ノズルの外周側に設置され該燃料ノズルから噴射された低質油燃料を微細化する噴霧空気を噴出する噴霧空気供給ノズル７１とを備えた噴霧ノズルを燃焼空気孔の外周側に複数個配置するように構成した。【選択図】図１
2008224087.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
残留炭素を含む低質油燃料をガスタービン燃料として用いるガスタービン燃焼器において、ガスタービン燃焼器に低質油燃料を燃焼室に噴射する燃料噴霧ノズル装置を設置し、この燃料噴霧ノズル装置にはその外周側にガスタービン燃焼器に供給される燃焼用空気の一部を旋回して燃焼室に流入させるスワラーを設け、その半径方向中心部には噴霧空気を燃焼室に噴出させる燃焼空気孔を設け、この燃料噴霧ノズル装置には低質油燃料を噴出する燃料ノズルと、この燃料ノズルの外周側に設置され該燃料ノズルから噴射された低質油燃料を微細化する噴霧空気を噴出する噴霧空気供給ノズルとを備えた噴霧ノズルを燃焼空気孔の外周側に複数個配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、ガスタービン燃焼器に設置した燃料噴霧ノズル装置には、外部の低質油燃料系統から供給された低質油燃料を流下させる燃料流路と、この燃料流路から分配された低質油燃料を噴霧ノズルに備えられた燃料ノズルに流下させる分配燃料流路とが形成されていると共に、外部の噴霧空気系統から供給された噴霧空気を流下させる噴霧空気流路と、この噴霧空気流路から分配された噴霧空気を噴霧ノズルに備えられた噴霧空気供給ノズルに流下させる分配噴霧空気流路とが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２に記載のガスタービン燃焼器において、ガスタービン燃焼器に設置した燃料噴霧ノズル装置には、前記噴霧空気流路から配分された噴霧空気を燃料噴霧ノズル装置の半径方向中心部に設けられた燃焼空気孔に流下させる別の分配噴霧空気流路が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４】
請求項２に記載のガスタービン燃焼器において、ガスタービン燃焼器に設置した燃料噴霧ノズル装置に設けた噴霧ノズルに備えた噴霧空気供給ノズルの分配噴霧空気流路には旋回器が設置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に記載のガスタービン燃焼器において、ガスタービン燃焼器に設置した燃料噴霧ノズル装置に複数個設置された噴霧ノズルは燃料ノズルから供給される低質油燃料と噴霧空気供給ノズルから供給される噴霧空気とを共に燃焼室内に噴出するように燃焼室に面して配設されていることを特徴とするガスタービン燃焼器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軽油やＡ重油などの液体燃料よりも残留炭素を多く含む低質油をガスタービン燃料として用いるガスタービン燃焼器に関するもので、特に、残留炭素を含む低質油燃料を燃焼させた際に発生する煤塵を低減する燃料噴霧ノズル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、ガスタービンでは燃料の多様化が検討されており、石油製油所や化学プラントなどで発生する副生油（低質油）をガスタービンの燃料として利用することが検討されている。
【０００３】
この低質油は、ガスタービンの燃料として主に用いられる軽油やＡ重油に比べて安価であり、この低質油をガスタービンの燃料として利用できれば燃料代のランニングコストを大幅に削減できるなどの利点がある。
【０００４】
しかしながら、この低質油は軽油やＡ重油に比べて残留炭素を多く含んでいることから、燃焼の際にセノスファなど低質油に多く含まれている残留炭素由来の煤塵が発生して煤塵濃度が高くなり、結果的に煤塵の環境規制値を満足できないという問題を有しており、この問題が低質油をガスタービンの燃料に利用する上で課題となっている大きな原因である。
【０００５】
特開２００４−３７３０号公報には、一般的な液体燃料を用いたものであるが、ＮＯｘ排出量の低減を可能にした燃料噴霧ノズルを備えた拡散燃焼用のガスタービン燃焼器の技術が開示されている。
【０００６】
この特開２００４−３７３０号公報に記載されたガスタービン燃焼器の燃料噴霧ノズルには、燃焼室内に燃料を噴射する外周側燃料噴孔と内周側燃料噴孔とが燃焼室に臨むように配設させており、更に内周側燃料噴孔の燃料流路に流路抵抗手段を備えさせた構成となっている。
【０００７】
そして、上記構成の燃料噴霧ノズルでは流路抵抗手段の設置によって外周側燃料噴孔から噴出する燃料よりも流速が遅くなった燃料を内周側燃料噴孔から燃焼室内に噴出させることが可能となるため、燃料噴霧ノズル近傍の燃焼室内に形成される酸素濃度の低い低酸素濃度領域に対して内周側燃料噴孔から燃料噴流を供給して燃焼反応させることができる。
【０００８】
この結果、全体の燃料噴射量のうち燃焼器内に形成される低酸素濃度領域で燃焼させる燃料の流量割合が増加できるので、高温の燃焼ガス領域を狭い範囲に制限してＮＯｘの発生量を低減させるものである。
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−３７３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、特開２００４−３７３０号公報に記載されたような燃料噴霧ノズルを備えた拡散燃焼用のガスタービン燃焼器の燃料として、軽油やＡ重油などの液体燃料よりも残留炭素を多く含む低質油を用いた場合には、残留炭素の一部が微粒化した液滴の表面に殻として形成するため、軽油やＡ重油などの燃料に比べて液滴の蒸発に時間を要する。
【００１１】
しかも、液滴内部の燃料が蒸発したあとは、セノスファと呼ばれる液滴表面に形成された殻が残ることになる。
【００１２】
セノスファは燃焼の過程で消滅するものの、低質油は軽油やＡ重油の燃料に比べて蒸発に時間がかかる上にセノスファの消滅にも反応時間が必要となるため、低質油の燃焼時に発生する煤塵濃度が高くなり、これが残留炭素を含む低質油を燃焼した時の煤塵増加の原因となっている。
【００１３】
低質油はガスタービンの燃料として主に用いられる軽油やＡ重油に比べて安価であり、この低質油をガスタービンの燃料として利用できれば燃料代のランニングコストを大幅に削減できるなどの利点がある。
【００１４】
しかしながら、この低質油は軽油やＡ重油に比べて残留炭素を多く含んでいることから、上述したように低質油の燃焼の際にセノスファなど低質油に多く含まれている残留炭素由来の煤塵が発生して煤塵濃度が高くなり、結果的に煤塵の環境規制値を満足できないという問題を有しており、この問題が低質油をガスタービンの燃料に利用する上で課題となっている大きな原因である。
【００１５】
本発明の目的は、低質油をガスタービン燃焼器の燃料として使用した場合にガスタービンの作動負荷範囲で燃焼安定性を確保すると共に、低質油の燃焼時に発生する煤塵濃度を低減する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】
【００１６】
本発明のガスタービン燃焼器は、残留炭素を含む低質油燃料をガスタービン燃料として用いるガスタービン燃焼器において、低質油燃料を燃焼室に噴射する燃料噴霧ノズル装置を設置し、この燃料噴霧ノズル装置にはその外周側にガスタービン燃焼器に供給される燃焼用空気の一部を旋回して燃焼室に流入させるスワラーを設け、その半径方向中心部には噴霧空気を燃焼室に噴出させる燃焼空気孔を設け、この燃料噴霧ノズル装置には低質油燃料を噴出する燃料ノズルと、この燃料ノズルの外周側に設置され該燃料ノズルから噴射された低質油燃料を微細化する噴霧空気を噴出する噴霧空気供給ノズルとを備えた噴霧ノズルを燃焼空気孔の外周側に複数個配置したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、低質油をガスタービン燃焼器の燃料として使用した場合にガスタービンの作動負荷範囲で燃焼安定性を確保すると共に、低質油の燃焼時に発生する煤塵濃度を低減するガスタービン燃焼器が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
次に本発明の実施例であるガスタービン燃焼器について図面を参照して以下に説明する。
【実施例】
【００１９】
図１乃至図３を用いて本発明の一実施例であるガスタービン燃焼器について詳細に説明する。
【００２０】
図１は、シンプルサイクルのガスタービン発電プラント１の概略構成と、このガスタービン発電プラント１のガスタービン燃焼器３として低質油を燃焼する燃料噴霧ノズル装置６０を備えたガスタービン燃焼器の部分拡大図を夫々示したものである。
【００２１】
図１において、ガスタービン発電プラント１は、空気を圧縮して加圧する空気圧縮機２と、この空気圧縮機２で加圧した圧縮空気と燃料の低質油を燃焼して燃焼ガス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で生成した燃焼ガスによって駆動するタービン４と、この駆動されるタービン４により回転され発電する発電機６とを備えている。
【００２２】
また、このシンプルサイクルのガスタービン発電プラント１には起動時に空気圧縮機２を駆動するガスタービン駆動用の起動用モーター８も設置されている。
【００２３】
上記したガスタービン発電プラント１のガスタービン燃焼器３の頭部には燃料噴霧ノズル装置６０が設置されている。
【００２４】
この燃料噴霧ノズル装置６０のノズル側はガスタービン燃焼器３の内部に形成された燃焼室３ａに面しており、燃料噴霧ノズル装置６０のノズルと反対側は燃料となる低質油燃料２００ａをガスタービン燃焼器３の燃料噴霧ノズル装置６０を構成するノズルボディ６１に供給する低質油燃料系統２００が配設されている。
【００２５】
燃料噴霧ノズル装置６０のノズルボディ６１には燃料噴霧ノズル装置６０からガスタービン燃焼器３の燃焼室３ａに供給される低質油燃料２００ａを微粒化するための噴霧空気１０３ａとして、空気圧縮機２で加圧した圧縮空気の一部を昇圧圧縮機１４で更に昇圧し、この昇圧した圧縮空気を噴霧空気１０３ａとして燃料噴霧ノズル装置６０に導く噴霧空気系統１０３が配設されている。
【００２６】
この噴霧空気系統１０３には噴霧される噴霧空気１０３ａの圧力を調節する噴霧空気圧力調節弁１５が昇圧圧縮機１４の下流側に設置されている。
【００２７】
ガスタービン燃焼器３に供給される燃焼用空気１０２ａは、空気圧縮機２で加圧した圧縮空気を燃焼用空気系統１０２を通じて供給し、ガスタービン燃焼器３の燃焼室３ａを区画する円筒形状の燃焼器ライナー１１と、この燃焼器ライナー１１の外側に設けた円筒形状の外筒１０との間の空気流路を通じて流下させて燃焼室３ａの内部に流入させている。
【００２８】
また、燃料噴霧ノズル装置６０には、燃焼器ライナー１１と外筒１０との間の空気流路を通じて流下する燃焼用空気２ａにＮＯｘ低減に必要な噴霧蒸気１０４ａをガスタービン燃焼器３の燃焼室３ａに噴霧するための蒸気噴霧系統１０４が配設されている。
【００２９】
この蒸気噴霧系統１０４には噴霧蒸気１０４ａを遮断する遮断弁３０１と、この遮断弁３０１の下流側に位置して燃焼室３ａに噴霧する噴霧蒸気１０４ａの最適な流量を調節する蒸気流量調節弁３０２が夫々設置されている。
【００３０】
低質油燃料２００ａの粘性が高く、この低質油２００ａを微粒化するために必要な低い粘性を得るために低質油燃料２００ａの低質油燃料系統２００を加温する必要がある場合には、ガスタービンの起動用にガスタービン燃焼器３の燃料噴霧ノズル装置６０に軽油などの別燃料を供給してガスタービンを起動しておき、起動後の低負荷条件下で燃料を軽油から低質油燃料２００ａに切り替える燃料の切り替え操作を実施することも考えられるが、本実施例では低質油燃料２００ａの単独燃料によってガスタービンが起動可能な場合を想定している。
【００３１】
次に上記したガスタービン燃焼器３を備えたガスタービン発電プラント１の運転方法について説明する。
【００３２】
図１において、ガスタービン発電プラント１を始動する場合には、起動用モーター８などの外部動力によって空気圧縮機２とタービン４を一体に回転させ、この空気圧縮機２で圧縮されて燃焼用空気系統１０２を通じてガスタービン燃焼器３に供給された吐出空気１０２ａと、低質油燃料系統２００を通じてガスタービン燃焼器３の燃料噴霧ノズル装置６０に供給された低質油２００ａをガスタービン燃焼器３の燃焼室３ａに噴出させて低質油燃料２００ａに着火して燃焼させる。
【００３３】
そして、ガスタービン燃焼器３の燃焼室３ａの内部で低質油燃料２００ａを燃焼させて発生した燃焼ガス１１０ａは燃焼ガス流路１１０を通じてタービン４に供給され、この供給された燃焼ガス１１０ａによってタービン４を駆動する。
【００３４】
ガスタービン燃焼器３の燃焼室３ａで燃焼させる低質油燃料２００ａの供給流量の増加に伴って燃焼室３ａ内では低質油燃料２００ａの燃焼で発生する燃焼ガス１１０ａの流量が増加し、この燃焼ガス１１０ａによって駆動されるタービン４が昇速する。
【００３５】
タービン４が昇速して所望の回転数に昇速すると起動用モーター８が離脱するによりガスタービン発電プラント１は自立運転に入り、無負荷の定格回転数に達する。
【００３６】
ガスタービン発電プラント１が無負荷の定格回転数に到達した後に発電機６を併入して発電を開始するが、更にガスタービン燃焼器３に供給する低質油燃料２００ａの流量を増加によりガスタービン燃焼器３で発生させる燃焼ガス１１０ａの流量も増加させて、タービン４で駆動させる発電機６の負荷を所望の負荷まで上昇させる発電を行う。
【００３７】
また、発電機６の負荷併入後は、燃焼ガス１１０ａに含まれるＮＯｘ等の濃度を低減させる環境対応のためにガスタービン燃焼器３の燃焼室３ａに蒸気噴射系統１０４を通じて導いた噴射蒸気１０４ａを噴射するように構成している。
【００３８】
ガスタービン燃焼器３の頭部に備えられた燃料噴霧ノズル装置６０は、燃料噴霧ノズル装置６０の先端部の外周側にスワラー５２を設けてあり、ガスタービン燃焼器３に空気圧縮機２から供給された燃焼用空気１０２ａの一部を圧力バランスによって導いて燃料噴霧ノズル装置６０の外周側に環状に設けた前記スワラー５２で燃焼室３ａに供給される燃焼用空気１０２ａに対して旋回流をかけて燃焼室３ａ内に供給し、燃焼室３ａの内部で低質油燃料２００ａが燃焼して形成する火炎８１を保持させるための循環流を生じさせる構造となっている。
【００３９】
ガスタービン燃焼器３に供給する噴射蒸気１０４ａは、蒸気噴射系統１０４に設置した遮断弁３０１を通過し、蒸気流量調節弁３０２にて適正な流量に調節された後に空気圧縮機２から燃焼用空気系統１０２を通じてガスタービン燃焼器３の外筒１０と燃焼室ライナー１１との間の空気流路を流下する燃焼用空気１０２ａ中に該噴射蒸気１０４ａを注入して混合させる。
【００４０】
この噴射蒸気１０４ａが注入された燃焼用空気１０２ａは燃料噴霧ノズル装置６０に設けたスワラー５２を通じてガスタービン燃焼器３の燃焼室３ａに流入する。
【００４１】
噴射蒸気１０４ａが混合された燃焼用空気１０２ａは空気中の酸素濃度が低下するので、ガスタービン燃焼器３の燃焼室３ａ内にて低質油燃料２００ａをこの低酸素濃度空気で燃焼することで燃焼室３ａ内に形成される火炎８１の温度を低下させて、発生するＮＯｘ濃度を抑制することが可能となる。
【００４２】
一方、低質油燃料２００ａの微粒化に必要な空気は、圧縮機２の吐出空気を昇圧圧縮機１４によって所定の圧力まで昇圧し、この昇圧した空気を噴霧空気系統１０３を通じてガスタービン燃焼器３の燃料噴霧ノズル装置６０に噴霧空気１０３ａとして供給する。
【００４３】
そしてこの噴霧空気１０３ａは、噴霧空気系統１０３に設置した圧力調節弁１５によってガスタービン燃焼器３の燃料噴霧ノズル装置６０を流れる低質油燃料２００ａの圧力と噴霧空気１０３ａの供給圧力の比率が一定となるように制御される。
【００４４】
次に図１に示した本実施例のガスタービン燃焼器５に設置された燃料噴霧ノズル装置６０の部分拡大断面図を図２に示し、図２に示した燃料噴霧ノズル装置６０の正面図を図３に示す。
【００４５】
図１乃至図３に示したガスタービン燃焼器３の燃料噴霧ノズル装置６０において、燃料噴霧ノズル装置６０に外部の低質油燃料系統２００を介して供給された低質油燃料２００ａは、燃料噴霧ノズル装置６０を構成するノズルボディ６１の内側に形成した燃料流路２０１を通じて燃料噴霧ノズル装置６０の内部に導かれ、圧力バランスによってこの燃料流路２０１から分配された低質油燃料２００ａを流下させる分配燃料流路２０２を内部に形成した複数個、例えば４個設置された噴霧ノズル７２から燃焼室３ａに噴出される。
【００４６】
また、燃料噴霧ノズル装置６０に外部の噴霧空気系統１０３を介して供給された噴霧空気１０３ａは、燃料噴霧ノズル装置６０を構成するノズルボディ６１の内側に形成した噴霧空気流路２０３を通じて燃料噴霧ノズル装置６０の内部に導かれ、圧力バランスによってこの噴霧空気流路２０３から分配された噴霧空気１０３ａを流下させる分配噴霧空気流路２０４を内部に形成した前記の４個の噴霧ノズル７２から燃焼室３ａに噴出される。
【００４７】
燃料噴霧ノズル装置６０の内部に４個設けられた噴霧ノズル７２には、その軸心側に低質油燃料２００ａを噴射する燃料ノズル７０が設置され、この燃料ノズル７０の外周側に低質油燃料２００ａを微細化する噴霧空気１０３ａを噴射する噴霧空気供給ノズル７１が設置された構成となっている。
【００４８】
この燃料ノズル７０の内部には分配燃料流路２０２が形成されていて、燃料噴霧ノズル装置６０に形成した燃料流路２０１から分配された低質油燃料２００ａを流下させて噴霧ノズル７２から燃焼室３ａに噴出させるようになっている。
【００４９】
また、この噴霧空気供給ノズル７１の内部には分配噴霧空気流路２０４が形成されていて、燃料噴霧ノズル装置６０に形成した噴霧空気流路２０３から分配された噴霧空気１０３ａを流下させて噴霧ノズル７２から燃焼室３ａに噴出させるようになっている。
【００５０】
そして、燃料ノズル７０と噴霧空気供給ノズル７１との双方を備えたこの噴霧ノズル７２では、燃料ノズル７０から噴射される低質油燃料２００ａに対して噴霧空気供給ノズル７１から噴射される噴霧空気１０３ａの相対速度によって、噴出した低質油燃料２００ａに対して噴霧空気１０３ａによるせん断力を発生させて低質油燃料２００ａを微粒化し、この噴霧ノズル７２から微細化した低質油燃料２００ａをガスタービン燃焼器３の燃焼室３ａの内部に噴霧させる。
【００５１】
燃料噴霧ノズル装置６０の噴霧ノズル７２から燃焼室３ａの内部に噴霧された微細化した低質油燃料２００ａは、燃焼室３ａの内部で蒸発・気化して燃焼し火炎８１を形成するが、この火炎８１は複数個設置された噴霧ノズル７２の数に応じて燃焼室３ａ内に形成される。
【００５２】
また燃料噴霧ノズル装置６０には、４個設置した噴霧ノズル７２の内周側の中心部に設けた燃焼空気孔６５から噴霧空気１０３ａの一部を燃焼室３ａ内の軸心に沿って噴出させることにより、噴霧された低質油燃料２００ａの近傍に噴霧空気１０３ａを供給して、噴霧ノズル７２の近傍で煤塵が発生することを抑制している。
【００５３】
即ち、燃料噴霧ノズル装置６０に外部の噴霧空気系統１０３を介して供給された噴霧空気１０３ａは、燃料噴霧ノズル装置６０を構成するノズルボディ６１の内側に形成した噴霧空気流路２０３を通じて燃料噴霧ノズル装置６０の内部に導かれる。
【００５４】
該燃料噴霧ノズル装置６０の内部には噴霧空気流路２０３から分配された噴霧空気１０３ａを流下させる分配噴霧空気流路２０５が形成されており、圧力バランスによって噴霧空気流路２０３から分配された噴霧空気１０３ａを分配噴霧空気流路２０５を通じて流下させている。
【００５５】
この分配噴霧空気流路２０５は噴霧ノズル７２の内周側となる燃料噴霧ノズル装置６０の半径方向中心部に設けた燃焼空気孔６５に連通するように形成されることによって、燃焼空気孔６５から噴霧空気１０３ａの一部を燃焼室３ａ内の軸心に沿って噴出させている。
【００５６】
前記した燃料噴霧ノズル装置６０を備えたガスタービン燃焼器３を採用したことによって、燃焼室３ａ内で供給された低質油燃料２００ａが燃焼する際に煤塵の発生を抑制、或いは煤塵濃度を大幅に低減できる理由について以下に説明する。
【００５７】
ガスタービン燃焼器３の燃焼室３ａ内では、燃料噴霧ノズル装置６０から噴霧された低質油燃料２００ａの燃料濃度は燃焼室３ａの軸心近傍の領域の方が半径方向外方側と比較して燃料濃度が高くなるので、軸心近傍の領域の酸素濃度は逆に半径方向外方側のそれよりも低くなる。
【００５８】
この状態で燃焼室３ａ内で噴霧された低質油燃料２００ａを燃焼させた場合は、燃料濃度が高く酸素濃度が低い燃焼室３ａ内の軸心近傍の領域から煤塵が多量に発生することになる。
【００５９】
従って、低質油燃料２００ａの燃焼時に煤の発生を抑制するために、燃料噴霧ノズル装置６０の先端部の半径方向中心部に設けた燃焼空気孔６５から噴霧空気１０３ａを燃焼室３ａ内の軸心近傍の領域に供給することによって、この軸心近傍の領域の状況は燃料濃度を下げて酸素濃度が増加する状態に改善される。
【００６０】
この結果、燃焼室３ａ内で噴霧された低質油燃料２００ａを燃焼させた場合でも、煤塵の発生を抑制、或いは大幅に低減させることが可能となる。
【００６１】
そして、上記した構造のガスタービン燃焼器３に供給される低質油燃料２００ａの流量を増加させて該ガスタービン燃焼器３で発生する燃焼ガス１１０ａを増加させ、この燃焼ガス１１０ａでタービン４を駆動して発電機６の負荷を増加させていき、最終的にはガスタービン発電プラント１を定格負荷に到達させる。
【００６２】
発電機６の負荷上昇に伴ってガスタービン燃焼器３の燃焼室３ａ内の圧力も上昇するので、このガスタービン燃焼器３の圧力等の状態の変化に応じてガスタービン燃焼器３の燃料噴霧ノズル装置６０に供給される噴霧空気１０３ａの流量、即ち噴霧空気１０３ａの供給圧力も前記の状態の変化に対応した必要な条件となるように運転制御する。
【００６３】
本実施例のガスタービン燃焼器３に設けた燃料噴霧ノズル装置６０においては、燃料噴霧ノズル装置６０に噴霧ノズル７２を複数個設置させ、これらの噴霧ノズル７２は軸心側に低質油燃料２００ａを噴射する燃料ノズル７０と、燃料ノズル７０の外周側に低質油燃料２００ａを微細化する噴霧空気１０３ａを噴射する噴霧空気供給ノズル７１とを備えた構成としたことから、燃焼室３ａの内部には複数個の噴霧ノズル７２から夫々噴射された低質油燃料２００ａによって複数の火炎８１を形成することになる。
【００６４】
この噴霧空気供給ノズル７１の噴霧空気１０３ａを流下させる流路の途中には旋回器７１ｂが設置されており、流下する噴霧空気１０３ａに旋回を与えることができる。
【００６５】
上記したようにガスタービン燃焼器３に設ける燃料噴霧ノズル装置６０を構成したことによって、燃料噴霧ノズル装置６０から燃焼室３ａの内部に噴射された低質油燃料２００ａが燃焼して形成する隣り合う火炎８１に接する該燃焼室３ａ内の領域では温度の低下が少なくなるので、燃焼室３ａの内部に噴射された低質油燃料２００ａの液滴の蒸発が更に促進され、燃焼室３ａ内で低質油燃料２００ａが燃焼して形成する火炎８１をより良好に形成させることが可能になる。
【００６６】
また、燃料噴霧ノズル装置６０に燃料ノズル７０と噴霧空気供給ノズル７１を備えた構成の噴霧ノズル７２を複数個、本実施例では４個設けたことによって、噴霧ノズル７２の１個当たりの低質油燃料２００ａの燃料流量を減少できるので燃焼室３ａ内に形成される火炎８１の長さを短くすることができる。
【００６７】
この結果、燃料噴霧ノズル装置６０から燃焼室３ａ内に噴霧された低質油燃料２００ａが燃焼室３ａの軸心方向に到達する位置が形成される火炎８１の長さの短縮に伴なって燃料噴霧ノズル装置６０側により近くシフトするため、この長さが短くなった火炎８１の後方の下流側におけるセノスファの粒子が燃焼するセノスファの反応時間を十分に確保することが可能となり、煤塵の発生を抑制、或いは低減することができる。
【００６８】
残留炭素を含む低質油燃料２００ａを燃焼させた際に残留炭素分の一部がセノスファ粒子を経て煤塵となるので、火炎８１の長さをの短縮させて該火炎８１の後方の下流側のセノスファの粒子が燃焼するセノスファの反応時間を確保するようにすれば、セノスファ粒子が燃焼するので発生する煤塵を従来に比較して約５０％程度に減少できることになる。
【００６９】
燃料噴霧ノズル装置６０では、噴霧空気１０３ａも噴霧空気流路２０３及び分配噴霧空気流路２０４を通じてボディー６１内で圧力バランスによって４個設置された噴霧ノズル７２に供給される噴霧空気１０３ａと、噴霧空気流路２０３及び分配噴霧空気流路２０５を通じて燃料噴霧ノズル装置６０の先端部に形成した煤発生を抑制する燃焼空気孔６５に供給される噴霧空気１０３ａとに分配される。
【００７０】
前述したように４個設置された噴霧ノズル７２では、噴霧ノズル７２に低質油燃料２００ａを噴出する軸心側に設置した燃料ノズル７０と、燃料ノズル７０の外周側に噴霧空気１０３ａを噴出する噴霧空気供給ノズル７１とを備えさせた構成にしたことによって、低質油燃料２００ａとの相対速度によりこの低質油燃料２００ａに対して噴霧空気供給ノズル７１から噴射する噴霧空気１０３ａによるせん断力が加わった結果、燃料ノズル７０から噴出する低質油燃料２００ａが微粒化される。
【００７１】
そしてこの微粒化された低質油燃料２００ａが噴霧ノズル７２の先端から燃焼室３ａの内部に噴射される。
【００７２】
即ち、燃料噴霧ノズル装置６０に燃料ノズル７０と噴霧空気供給ノズル７１とを備えさせた構造の噴霧ノズル７２を複数設けることで、微粒化用の噴霧空気１０３ａと低質油燃料２００ａの相対速度は確保しつつ、噴霧ノズル７２の１個当たりの低質油燃料２００ａの燃料流量が減少するので燃焼室３ａ内で低質油燃料２００ａが燃焼して形成される火炎８１の長さを短くすることができる。
【００７３】
この火炎８１の長さの短縮によって、噴霧される低質油燃料２００ａの燃焼室３ａの軸心方向に到達する位置が燃料噴霧ノズル装置６０側により近くシフトするため、低質油燃料２００ａが燃焼して形成する火炎８１の後方の下流側におけるセノスファの粒子が燃焼するセノスファの反応時間を十分に確保することが可能となり、煤塵の発生を抑制、或いは大幅に低減することができる。
【００７４】
図３には燃料噴霧ノズル装置６０の正面図を示しているが、燃料噴霧ノズル装置６０には燃料ノズル７０と噴霧空気供給ノズル７１とを備えた構造の４個の噴霧ノズル７２を周方向に均等に配置しており、煤抑制のための燃焼空気孔６５は燃料噴霧ノズル装置６０の先端部の半径方向中心部の近傍に形成してある。
【００７５】
また、環状に配置した４個の噴霧ノズル７２の外周側となる燃料噴霧ノズル装置６０の先端部には燃焼室３ａに供給される燃焼用空気１０２ａに燃焼室３ａ内で低質油燃料２００ａの燃焼火炎を保持させるための旋回流を生じさせるスワラー５２が配置されている。
【００７６】
燃料噴霧ノズル装置６０の噴霧ノズル７２から噴出された低質油燃料２００ａは、燃料噴霧ノズル装置６０の外周側に設けた空気旋回器５２から供給される燃焼用空気１０２ａと混合して燃料噴霧ノズル装置６０の先端からガスタービン燃焼器３の燃焼室３ａの内部に噴射されて燃焼するが、この空気旋回器５２により燃焼室３ａに供給された燃焼用空気１０２ａの旋回流によって、燃焼室３ａの内部で燃料噴霧ノズル装置６０の先端近傍に低速域となる循環流を形成することで低質油燃料２００ａが燃焼して形成する火炎８１を保炎している。
【００７７】
燃料噴霧ノズル装置６０に円環状に４個配置された噴霧ノズル７２の内周側に面した燃焼室３ａ内では、噴霧ノズル７２の燃料ノズル７０から噴霧した低質油燃料２００ａの燃料濃度が高くなる。
【００７８】
よって燃料噴霧ノズル装置６０の先端部の半径方向中心部に形成した燃焼空気孔６５から燃焼室３ａ内の軸心方向に噴霧用空気１０３ａを供給して酸素の濃度を増加させて燃焼室３ａ内の軸心部での燃料濃度が低くなるように改善したので、煤塵の生成を抑制することができる。
【００７９】
煤塵抑制のための噴霧空気１０３ａは、燃料噴霧ノズル装置６０の内部において、通常の燃焼用空気１０２ａよりも供給圧力の高い噴霧空気１０３ａから圧力バランスによって分配された噴霧空気１０３ａを使用するため、噴霧空気１０３ａを噴出させる燃焼空気孔６５や燃焼用空気１０２ａを供給するための流路面積を大きくする必要もなく、従来の燃料噴霧ノズル装置６０と同等の大きさで煤塵抑制の燃焼用空気１０３ａを供給することが可能である。
【００８０】
次に、図４にガスタービン燃焼器３で使用される燃料に含まれる残留炭素と、この燃料を燃焼させた際に発生する燃焼ガス中の煤塵濃度との関係を示す。
【００８１】
この図４は同一のガスタービンの負荷条件において燃料中の残留炭素による煤塵濃度の変化を示しており、図４から燃料中の残留炭素濃度の増加に伴って発生する燃焼ガス中の煤塵濃度が高くなるのがわかる。
【００８２】
ここで燃料中の残留炭素濃度の増加に伴なって発生する燃焼ガス中の煤塵濃度が高くなる理由は、残留炭素の一部がガスタービン燃焼器３の燃焼室３ａに噴霧した燃料の液滴の表面に殻を形成するため、通常の燃料の液滴に比べて液滴の蒸発・気化に時間がかかること、さらには、液滴が蒸発した後にセノスファが残り、残ったセノスファがガスタービン燃焼器３の出口においても燃え切らずに残留することが原因と考えられる。
【００８３】
但し、一旦発生したセノスファも該セノスファが燃焼する時間を確保することで消滅する性質を持っている。
【００８４】
図５に燃料が燃焼して燃焼室３ａ内に滞留する燃焼ガスの滞留時間と、燃焼ガス中の煤塵濃度との関係を示す。
【００８５】
この図５は、通常のガスタービン燃焼器３の長さを基準とし、ガスタービン燃焼器３の空気配分や燃焼空気孔の位置を変えることなくガスタービン燃焼器３の燃焼室の長さを長くしたときの燃焼器出口における煤塵濃度の変化の状況を、燃焼室３ａ内における燃焼ガスの滞留時間で表わしたものである。
【００８６】
図５にガスタービン燃焼器３の燃焼室３ａにおける燃焼ガスの滞留時間と煤塵濃度の関係を示したように、燃焼器出口の基準位置で測定した煤塵濃度に比べて、燃焼ガスの滞留時間を長くするほど発生する煤塵濃度が低下する傾向にあるのがわかる。
【００８７】
これは、燃焼ガスの滞留時間を長くとることで燃焼によって発生したセノスファの反応に必要な時間を確保できるためと考えられる。
【００８８】
また、セノスファはガスタービン燃焼器３の希釈空気を供給した燃焼器出口温度に近い条件でも反応することがわかっている。燃焼器出口近傍の温度は、ＮＯｘが生成するといわれている１５００℃よりも低い温度となっており、燃焼器出口近傍で燃焼ガスの滞留時間を確保することは、ＮＯｘを増加させることなく煤塵の濃度を低減するのに有効である。
【００８９】
以上の説明から、燃焼器出口近傍で燃焼ガスの滞留時間を十分に確保することは、セノスファの低減に重要であることが理解できる。
【００９０】
逆に言えば、煤塵の濃度を低減させるために燃焼器出口近傍で燃焼ガスの滞留時間を確保するには、ガスタービン燃焼器３の燃焼室３ａ内に燃料噴霧ノズル装置６０から噴霧された低質油燃料２００ａが燃焼して形成される火炎８１の長さを短縮すれば、この長さが短縮した火炎８１の後部の下流側にセノスファの粒子が燃焼するセノスファの反応領域を作り出して、燃焼器出口近傍での燃焼ガスの滞留時間を十分に確保できることを意味する。
【００９１】
以上説明したように、本実施例のガスタービン燃焼器３では、燃料多様化の一環として軽油やＡ重油よりも残留炭素が多い低質油燃料２００ａを燃料として使用するためにガスタービン燃焼器３に設置した燃料噴霧ノズル装置６０には低質油燃料２００ａを燃焼室３ａ内に噴射する燃料ノズル７０と、燃料ノズル７０の外周側に低質油燃料２００ａを微細化する噴霧空気１０３ａを噴射する噴霧空気供給ノズル７１とを備えた噴霧ノズル７２を複数個設置させている。
【００９２】
更に燃料噴霧ノズル装置６０の先端部の半径方向中心部には噴霧空気を燃焼室３ａ内の軸心方向に噴出する燃焼空気孔６５を、燃料噴霧ノズル装置６０の先端部の外周側には燃焼用空気を旋回させるスワラー５２を夫々設けることにより、燃焼室３ａの内部に低質油燃料２００ａが燃焼した複数の火炎８１を形成することで、隣り合う火炎８１と接する燃焼室３ａ内の領域の温度低下を少なくして低質油燃料２００ａの液滴の蒸発を促進させている。
【００９３】
また、燃料を噴霧する噴霧ノズル７２を複数個設けたことから、１個当たりの噴霧ノズル７２が負担する低質油燃料２００ａの燃料流量を減少するために、燃焼室３ａの内部に噴霧された低質油燃料２００ａの到達位置が燃料噴霧ノズル装置６０側にシフトし、火炎８１の長さを短くすることが可能となる。
【００９４】
また、複数設けた噴霧ノズル７２の内周側となる燃料噴霧ノズル装置６０の先端部の半径方向中心部に噴霧空気１０３ａを燃焼室３ａの軸心方向に噴出させる燃焼空気孔６５を設けたことで、火炎８１の近傍となる燃焼室３ａの軸心部の燃料過濃域を改善して煤の生成を抑制する。
【００９５】
前述したように燃焼室３ａ内に形成する火炎８１の長さを短くすることによって、燃焼室３ａ内で低質油燃料２００ａの燃焼によって一旦発生したセノスファ（残留炭素由来の煤塵）も火炎８１の後方部の下流側における高温の燃焼ガス雰囲気下でセノスファの粒子が燃焼するセノスファの反応時間を十分に確保することが可能となり、煤塵の発生を抑制、或いは大幅に低減することができる。
【００９６】
したがって低質油燃料２００ａを燃料に使用した場合でも、ガスタービン燃焼器３の長さを大きくせずに燃料が燃焼時に発生する煤塵濃度を抑制或いは低減することが可能となる。
【００９７】
本発明の実施例によれば、低質油をガスタービン燃焼器の燃料として使用した場合にガスタービンの作動負荷範囲で燃焼安定性を確保すると共に、低質油の燃焼時に発生する煤塵濃度を低減するガスタービン燃焼器が実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
本発明は残留炭素を含む低質油燃料を使用する場合に煤塵の発生を低減させたいガスタービン燃焼器に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【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を示す概略系統図。
【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燃料噴霧ノズル装置の部分拡大断面図。
【図３】図２に示した燃料噴霧ノズル装置の正面図。
【図４】ガスタービン燃焼器における燃料中の残留炭素と煤塵濃度の関係を示す特性図。
【図５】ガスタービン燃焼器における燃焼ガスの滞留時間と煤塵濃度の関係を示す特性図。
【符号の説明】
【０１００】
１：ガスタービン発電プラント、２：空気圧縮機、３：ガスタービン燃焼器、３ａ：燃焼室、４：タービン、６：発電機、８：起動用モーター、１０：外筒、１１：燃焼室ライナー、１４：昇圧圧縮機、１５：圧力調節弁、５２：スワラー、６０：燃料噴霧ノズル装置、６１：ノズルボディ、６５：燃焼用空気孔、７０：燃料ノズル、７１：噴霧空気供給ノズル、７２：噴霧ノズル、８１：火炎、１０２：燃焼用空気系統、１０２ａ：燃焼用空気、１０３：噴霧空気系統、１０３ａ：噴霧空気、１０４：噴射蒸気系統、１０４ａ：噴射蒸気、１１０：燃焼ガス流路、１１０ａ：燃焼ガス、２００：低質油燃料系統、２００ａ：低質油燃料、２０１：燃料流路、２０２：分配燃料流路、２０３：噴霧空気流路、２０４、２０５：分配噴霧空気流路、３０１：遮断弁、３０２：流量調節弁。
【図１】
2008224087.tif 000003
【図２】
2008224087.tif 000004
【図３】
2008224087.tif 000005
【図４】
2008224087.tif 000006
【図５】
2008224087.tif 000007