(57)【要約】【課題】ガスタービン燃焼器の信頼性を損なうことなく、燃焼ガス中のＮＯｘ量を低減すること。【解決手段】水蒸気４１と燃料ガス４３の混合気を燃料ノズル７から噴出させるとともに、燃焼用空気２３をライナー３内に導入して混合し、燃料ガスを燃焼させるガスタービン燃焼器であって、第１のポンプ１７から吐出される液体燃料３７を混合器１１に供給する燃料供給系路１９と、第２のポンプ１３から吐出される水３５を混合器１１に供給する水供給系路１５とを備え、燃料供給系路１９と水供給系路１５は、ライナー３の外周壁面に沿ってそれぞれ密着して配置され、各系路を流れる流体の圧力を混合器１１の入り側で開放する減圧手段３１，３３を備えるようにする。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水蒸気と燃料ガスを混合器に導いて混合した混合気を筒状のライナーの一端側に配置される燃料ノズルから噴出させるとともに、圧縮機から供給される燃焼用空気を前記ライナーの一端側からライナー内に導入することにより、前記混合気と前記燃焼用空気とを混合して前記燃料ガスを燃焼させるガスタービン燃焼器であって、
第１のポンプから吐出される液体燃料を前記混合器に供給する燃料供給系路と、第２のポンプから吐出される給水を前記混合器に供給する水供給系路とを備え、
前記燃料供給系路と前記水供給系路は、前記ライナーの外周壁面に沿ってそれぞれ密着して配置され、各系路を流れる流体の圧力を前記混合器の入り側で開放する減圧手段を備えることを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項２】
前記燃料ノズルは、複数のノズル部に分岐して形成され、
前記ライナーの一端側には、前記ノズル部の先端と設定間隔を開けて対向して配置される空気孔プレートが設けられ、該空気孔プレートに設けられた空気孔は、前記ノズル部から該空気孔の入口部に前記混合気の噴流を噴射するように配置されることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン燃焼器。
【請求項３】
前記燃料供給系路と前記水供給系路は、前記ライナーの外周壁面にコイル状に巻き付けて形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の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、ガスタービン燃焼器に係り、特に、ガスタービン燃焼器から発生する燃焼ガス中のＮＯｘ量を低減する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料油を燃焼させて燃焼ガスを発生させるガスタービン燃焼器（以下、適宜、燃焼器という。）においては、燃焼ガス中のＮＯｘ量を低減する試みが検討されている。一般に、燃焼ガス中のＮＯｘ量を低減する方法としては、（１）燃料油を予熱して蒸発させた燃料ガスと燃焼用空気とを混合した予混合気を燃焼器内に供給する予蒸発・予混合方式、（２）燃焼用空気の供給量の増加による希薄予混合燃焼方式、（３）燃焼器内に水を噴霧して断熱火炎温度を低下させる水蒸気供給方式、などが知られている。
【０００３】
予蒸発・予混合方式を用いた実施例として、例えば、燃焼器の上流側に設置される予混合器を、半割りのコーンをそれぞれ半径方向にずらして略円錐状に形成し、その頂部に油噴霧ノズルを備えて構成する例が開示されている（特許文献１参照。）。これによれば、コーンの間隙から接線方向に流入する燃焼用空気は、コーン内で周方向の流速を生じて旋回流を形成し、その旋回流により油噴霧ノズルから噴射された燃料油と予蒸発・予混合されて予混合気となる。そして、コーンの出口部では、旋回流が急激に減衰することにより、安定な循環流が形成されるとともに火炎が安定化されるため、燃焼ガス中のＮＯｘ生成が抑制される。
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５８３９２８３号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、液体燃料の燃料油はガス燃料と異なり、燃焼器内において蒸発過程を含むため、例えば、特許文献１の予混合器を用いても、短い距離で予混合気を均一に形成することは容易ではない。特に、燃料油の予蒸発が不十分の場合、油滴が予混合器内に付着すると炭化（コーキング）を生じやすくなる。
【０００６】
一方、油は自発火温度が低いことから、自発火を防止するために予混合距離を長くできないという問題もある。したがって、液体燃料を用いた燃焼器においては、予混合・予蒸発方式だけを採用しても、現状では、燃焼ガス中のＮＯｘ量を例えば４０ｐｐｍ程度までしか低減することができない。
【０００７】
これに対し、シングルＮＯｘ化（ＮＯｘ量が１０ｐｐｍ未満）を実現するためには、予蒸発・予混合の促進とともに、燃焼用空気の供給量を増やす、つまり、ライナーを冷却する冷却用空気を減らし、その減らした分を燃焼用空気にまわすことによる希薄予混合燃焼を同時に実現することが望まれる。しかし、冷却用空気を減らした場合、ライナーの壁面温度が上昇するため、燃焼器等の信頼性を著しく損なうおそれがある。
【０００８】
本発明は、燃料油を用いたガスタービン燃焼器において、燃焼器の信頼性を損なうことなく、燃焼ガス中のＮＯｘ量を低減することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するため、水蒸気と燃料ガスを混合器に導いて混合した混合気を筒状のライナーの一端側に配置される燃料ノズルから噴出させるとともに、圧縮機から供給される燃焼用空気をライナーの一端側からライナー内に導入することにより、混合気と燃焼用空気とを混合して燃料ガスを燃焼させるガスタービン燃焼器であって、第１のポンプから吐出される液体燃料を混合器に供給する燃料供給系路と、第２のポンプから吐出される給水を混合器に供給する水供給系路とを備え、燃料供給系路と水供給系路は、ライナーの外周壁面に沿ってそれぞれ密着して配置され、各系路を流れる流体の圧力を混合器の入り側で開放する減圧手段を備えることを特徴とする。
【００１０】
このように、液体燃料が流れる系路と給水が流れる系路とをライナーの外周壁面に沿ってそれぞれ配置することにより、液体燃料と給水の両方で外周壁面を冷却することができる。これにより外周壁面の冷却用空気の供給量を減らすことができるため、その分、燃焼用空気の供給量を増やすことができ、その結果、希薄予混合燃焼を促進させることができる。ここで、ライナーの外周壁面に沿って流れる液体燃料と給水は、減圧手段により減圧されるまで加圧された状態が維持されるため、外周壁面と熱交換して温度が上昇しても、液相の状態を保つことができる。これにより外周壁面の冷却性能を高く維持することができ、燃焼用空気の供給量をさらに増やすことができる。
【００１１】
一方、熱交換により加熱された液体燃料と給水は、減圧手段において圧力が開放されて蒸発し、気相の状態となるため、例えば、ライナー内に供給する際に別途の予蒸発を行う必要がなく、通常のガス燃料と同様の予混合方式を容易に適用することができる。さらに、ライナー内に供給される水蒸気は一種の不活性ガスであり、火炎温度を低減する作用があることから、ＮＯｘの生成を抑制することができる。
【００１２】
したがって、本発明によれば、蒸発した燃料ガスを燃焼用空気と混合して供給する予蒸発・予混合方式と、燃焼用空気の供給量の増加による希薄予混合燃焼方式と、水蒸気供給による火炎温度の低減効果をすべて同時に実現できるため、燃焼ガス中のＮＯｘ量をより効果的に低減することができる。
【００１３】
この場合において、燃料ノズルは複数のノズル部に分岐して形成され、ライナーの一端側にはノズル部の先端と設定間隔を開けて対向して配置される空気孔プレートが設けられ、この空気孔プレートは各ノズル部から空気孔の入口部に混合気の噴流を噴射するように配置されているものとする。
【００１４】
これによれば、空気孔プレートの空気孔には、ノズル部から噴出された燃料ガス及び水蒸気の混合気とともに、圧縮空気が容易に流入し、空気孔の出口側、つまりライナーの内側に強いせん断流による局所的な強い渦が形成される。これにより、短い距離で燃料ガス、水蒸気及び空気の急速混合が可能となるため、ライナーの軸方向に長い予混合器を用いなくても予混合が可能となり、油蒸気の自発火を防止することができる。また、本発明によれば、燃焼用空気の増加に伴い、空気孔の出口側に形成される渦の撹拌効果をより大きくできるため、予混合による効果を向上させ、ＮＯｘの低減効果を一層高めることができる。
【００１５】
また、燃料供給系路と前記水供給系路は、ライナーの外周壁面にコイル状に巻き付けて形成されるものとする。このようにすれば、簡単な構成で高い効率の熱交換を行うことができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、燃料油を用いたガスタービン燃焼器において、燃焼器の信頼性を低下させることなく、燃焼ガス中のＮＯｘ量を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の第１の実施形態について図面を参照して説明する。
【００１８】
図１は、本実施形態のガスタービン燃焼器の構成を示す図である。本実施形態のガスタービン燃焼器１（以下、燃焼器１という。）は、内部で燃焼が行われる円筒状のライナー３と、ライナー３の外側に位置し、ライナー３の外周壁面の冷却を促進するフロースリーブ５と、ライナー３の一端側に配置されて燃料ガスを噴射する燃料噴射ノズル７と、燃料噴射ノズル７の先端側の周囲に配置されて燃焼用空気をライナー３内に供給するスワラー９と、燃料噴射ノズル７の基端側に接続される混合器１１と、水供給用ポンプ１３と混合器１１を接続する水供給系路１５と、油供給用ポンプ１７と混合器１１を接続する燃料供給系路１９を備えている。
【００１９】
圧縮機２１は空気２２を吸引して圧縮された空気２３を吐出する。この空気２３はライナー３とフロースリーブ５の間の間隙を流れ、スラワー９に形成される複数の空気孔を介してライナー３内に流入する。ライナー３に流入した空気２３は、燃料噴射ノズル７より噴射された燃料ガスと水蒸気の混合気と混合されることにより燃焼が行われ、この燃焼により発生した燃焼ガス２５はタービン２７に供給される。燃焼ガス２５がタービン２７に供給されると、タービン２７が駆動するとともに、排ガス２９が排出される。
【００２０】
水供給系路１５と燃料供給系路１９は、ライナー３の外周壁面に沿ってコイル状に巻き付けて形成される。図２は、ライナー３の外周壁面に沿って巻かれた水供給系路１５と、ライナー３内の温度分布を示す図である。ライナー３の軸方向において各系路１５，１９の間隔は、ライナー３の上流側に向かうにつれて狭くなっている。これは、燃焼温度、つまりライナー３の外周壁面の温度がライナー３の上流側ほど高くなる温度分布の結果に基づいて配置したものである。
【００２１】
図３は、図２のＡ部を拡大して示す断面図である。図に示すように、水供給系路１５は、ライナー３の外周壁面に溶接等（１６は溶接部）で密着させて取り付けられている。なお、燃料供給系路１９についても水供給系路１５と同様に形成される。
【００２２】
また、水供給系路１５と燃料供給系路１９は、混合器１１と接続される側において、混合器１１の手前側に、減圧弁３１，３３をそれぞれ配設している。すなわち、水供給系路１５ではライナー３に沿って流れた水３５が減圧弁３１を経由して混合器１１に流入し、燃料供給系路１９ではライナー３に沿って流れた液体燃料３７が減圧弁３３を経由して混合器１１に流入するようになっている。
【００２３】
このような構成において、燃焼器１には、圧縮機２１から吐出された空気２３が供給されるとともに、水供給用ポンプ１３，油供給用ポンプ１７が駆動することにより、水３５と液体燃料３７は加圧された状態で、水供給系路１５，燃料供給系路１９にそれぞれ送液される。水３５及び液体燃料３７は、まず、ライナー周囲に設置されたコイル状の流路に流入し、比較的低温のライナー下流側を流れた後、より高温となるライナー上流側へと移送される。この過程で、水３５及び液体燃料３７はライナー３の外周壁面と熱交換して、ライナー３を冷却する。
【００２４】
ところで、水３５及び液体燃料３７は、ライナー３と熱交換して温度が上昇するため、大気圧等の状態では流路の途中で水蒸気や油蒸気に変化し、熱交換効率が液相状態と比較して著しく低下する。例えば、水３５がライナー入口側付近で水蒸気となる場合、熱交換効率の低下に伴いライナー３の温度が上昇し、熱損傷が生じるおそれがある。このため、冷却用空気をライナー３に供給することにより冷却性能の不足を補わなければならなくなる。
【００２５】
このような問題に対し、本実施形態では、減圧弁３１，３３を各系路１５，１９の下流側に設置し、その上流側において系路内の流体が蒸発しないように、加圧状態に調節しておくことにより、冷却性能の低下を抑制するようにしている。即ち、水供給系路１５には、上流側から順に、水供給ポンプ１３、ライナー３のコイル状流路、減圧弁３１、混合器１１が配置される。燃料供給系路１９も同様である。具体的には、水３５と液体燃料３７がライナー周囲の系路を通過する際に常に液相状態を保持できるように、減圧弁３１，３３の弁開度を設定しておくことで、水３５と液体燃料３７の温度が上昇しても、減圧弁３１，３３の上流側では常に液相の状態で熱交換を行うことができる。これにより、ライナー３の冷却性能の低下を抑制し、熱交換性能を高く維持することができるため、冷却用空気の使用量を低減することができ、その低減した分の冷却用空気を燃焼用空気として使用することができる。
【００２６】
このように、水３５や液体燃料３７を用いてライナー３を冷却することにより、冷却用空気を用いた冷却方法に相当する冷却効果が得られるため、所定の熱交換構造を採用することにより、例えば、圧縮機２１から供給される空気２３のすべてを燃焼用空気として使用することができる。
【００２７】
一方、ライナー３との熱交換を終えた水３５と液体燃料３７は、減圧弁３１，３３をそれぞれ通過する際に圧力の開放、つまり減圧処理が行われ、蒸発することにより、水蒸気４１と油蒸気４３にそれぞれ変化する。この水蒸気４１と油蒸気４３は、混合器１１に導かれて混合されることにより、水・油蒸気の混合気４５となる。混合気４５は燃料噴射ノズル７によりライナー３内へ供給されるが、このとき、燃料噴射ノズル７の周囲に設置されたスワラー９の空気孔から燃焼用空気４７が流入し、混合気４５と混合されることにより燃焼が進行し、火炎４９が形成される。ここで、混合気４５に含まれる水蒸気は、断熱火炎温度を低下する作用がある。
【００２８】
以上述べたように、本実施形態によれば、ライナーの外周壁面と水及び液体燃料との熱交換を効率的に行うことにより燃焼用空気を増加させることができ、加えて、水及び液体燃料を混合器により予蒸発・予混合した後にライナー内に供給し、さらにライナー内に供給される際に燃焼用空気と混合するようにしているため、希薄予混合燃焼を促進することができる。また、燃焼器内には、燃料ガスとともに水蒸気を供給しているため、火炎温度の低下を期待できる。これにより、燃料油を用いたガスタービン燃焼器において、燃焼ガス中のＮＯｘ量を低減し、例えば、ＮＯｘ量が１０ｐｐｍ未満を実現することができる。
【００２９】
次に、本発明の第２の実施形態について図面を参照して説明する。
【００３０】
図４は、本実施形態の燃焼器１０の構成を示す図である。本実施形態の燃焼器１０は、複数のノズル部を有する燃料噴射ノズル５１を用いる点で、第１の実施形態と相違する。以下、同一の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００３１】
本実施形態の燃料噴射ノズル５１は、燃料供給管５３の先端部が複数のノズル部５５に分岐して形成され、これらのノズル部５５は、燃料供給管５３の軸方向に平行に延在して設けられている。ライナー３の一端側にはノズル部５５の先端と設定間隔を開けて対向して配置される空気孔プレート５７が設けられ、空気孔プレート５７には複数の空気孔５９が形成されている。この空気孔５９は各ノズル部５５から混合気の噴流が入口部に向かって噴射するように配置されている。
【００３２】
このような構成において、混合器１１から供給された混合気４５は燃料噴射ノズル７に導かれ、各ノズル部５５から噴出される。
【００３３】
図５は、図４のＢ部を拡大して示す図である。図５に示すように、ノズル部５５と空気孔５９は、ノズル部５５から噴射される混合気４５の噴流軸と空気孔５９の中心軸が一致するように配置されている。各ノズル部５５から空気孔５９の入口部に混合気４５が噴出されると、空気孔５９にはノズル部５５の周囲から燃焼用空気６１が流入する。空気孔５９の内部において、ノズル部５５から噴射された燃料流の外周側には、燃焼用空気による環状の層が形成されるとともに、空気孔５９の下流側にいくほど混合気４５と燃焼用空気６１が徐々に混合される。特に、空気孔５９の出口側付近には局所的に強い混合渦６３が形成され、この混合渦６３の作用により、急速に予混合気６５が形成される。なお、ノズル部５５から噴出される混合気４５の噴流軸に対して空気孔５９の中心軸を傾斜して配置することも可能である。
【００３４】
予混合気６５は、ライナー３内で燃焼が進行し、火炎４９を形成する。火炎４９の温度は、希薄予混合燃焼であることと、混合気４５が水蒸気４１を含むことから、断熱火炎温度が所定の温度以下に抑えられる。
【００３５】
本実施形態によれば、混合渦６３による撹拌作用によりノズル部５５から噴出された混合気４５を燃焼用空気６１と効率的に混合することができる。これにより、ノズル部５５から噴出された混合気４５は短い距離で燃料油、水蒸気及び空気の急速混合が可能となる。これにより、別途、予混合器等を用いなくても予混合が可能となるため、例えば、長い混合器を設けたことによる油蒸気の自発火を防止することができる。
【００３６】
また、本実施形態では、第１の実施形態の効果を受けて、燃焼用空気が増加されることにより、混合渦６３の撹拌作用をより大きくすることができるため、予混合による効果を向上させ、ＮＯｘの低減効果を一層高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明のガスタービン燃焼器の第１の実施形態を示す図である。
【図２】ライナーの外周壁面に巻かれた水供給系路と、ライナー内の温度分布を示す図である。
【図３】図２のＡ部を拡大して示す断面図である。
【図４】本発明のガスタービン燃焼器の第２の実施形態を示す図である。
【図５】図４のＢ部を拡大して示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  燃焼器
３  ライナー
５  フロースリーブ
７  燃料噴射ノズル
９  スラワー
１１  混合器
１３  水供給用ポンプ
１５  水供給系路
１７  油供給用ポンプ
１９  燃料供給系路
３１，３３  減圧弁
３５  水
３７  液体燃料
４５  混合気
【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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