JP2009085456A

JP2009085456A - Gas turbine combustor

Info

Publication number: JP2009085456A
Application number: JP2007252981A
Authority: JP
Inventors: Hiromi Koizumi; 浩美小泉; Tomohiro Asai; 智広浅井; Hiroshi Inoue; 洋井上
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2007-09-28
Filing date: 2007-09-28
Publication date: 2009-04-23

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce residual carbon-derived ash dust generated in combustion of low-quality oil by promoting atomization of liquid fuel. <P>SOLUTION: This gas turbine combustor uses low-quality fuel including residual carbon as the fuel, and comprises a fuel nozzle disposed near a central portion of a fuel spray nozzle device, a first spray air supply nozzle disposed at an outer peripheral side of the fuel nozzle for spraying the air for atomizing the fuel, and a second spray air supply nozzle disposed at an outer peripheral side of the first spray air supply nozzle for spraying the air for atomizing the fuel. Fly ash resulting from residual carbon the combustion of low-quality oil can be reduced by promoting the atomization of the liquid fuel. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、ガスタービン燃焼器に関するものである。 The present invention relates to a gas turbine combustor.

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）の利用が検討されつつある。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、ガスタービン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。 In recent years, diversification of fuels has been studied in gas turbines, and the use of by-product oil (low quality oil) generated in petroleum refineries and chemical plants is being studied. Low quality oil is less expensive than light oil or heavy fuel oil A, which is mainly used as gas turbine fuel, and has the advantage that the running cost of fuel cost can be greatly reduced if it can be used as gas turbine fuel.

副生油などの液体燃料を燃焼させる際、まず燃料を微粒化して燃焼室内に噴射する必要がある。微粒化された燃料液滴は燃焼室内で蒸発し、蒸発した燃料蒸気と燃焼用空気とが混合することで火炎が形成される。したがって、低質油の燃焼においても液体燃料の微粒化促進はとても重要となる。 When burning liquid fuel such as by-product oil, it is necessary to first atomize the fuel and inject it into the combustion chamber. The atomized fuel droplets evaporate in the combustion chamber, and the evaporated fuel vapor and the combustion air mix to form a flame. Therefore, promotion of atomization of liquid fuel is very important even in the combustion of low quality oil.

特許文献１には、液体燃料を用いた拡散燃焼バーナをガスタービン燃焼器に適用した技術が開示されている。 Patent Document 1 discloses a technique in which a diffusion combustion burner using liquid fuel is applied to a gas turbine combustor.

また、特許文献２には、液体燃料を用いた燃料噴射弁を開示する。特許文献２に記載された燃料噴射弁の外周側には、複数の空気ノズルを配置する。 Patent Document 2 discloses a fuel injection valve using liquid fuel. A plurality of air nozzles are arranged on the outer peripheral side of the fuel injection valve described in Patent Document 2.

特開２００４−３７３０号公報JP 2004-3730 A 特開２００５−９０８８４号公報JP 2005-90884 A

特許文献１に記載された拡散燃焼用のガスタービン燃焼器において、残留炭素を多く含む低質油を燃焼した場合、残留炭素の一部が微粒化した液滴表面に殻を形成する。燃焼室では殻内部の燃料を蒸発させなければならないため、軽油やＡ重油に比べて液滴の蒸発や完全燃焼に時間を要する。しかも、液滴（殻内部の燃料）が蒸発した後は、セノスファと呼ばれる液滴表面に形成された殻のみが残る。このセノスファは、燃焼の過程で消滅するものの消滅に要する時間もかかるため、燃焼室内で完全に燃えきらなかったセノスファは煤塵として燃焼器から外部（器外）に排出される。また、燃料の蒸発過程において、燃料が殻を破って蒸発する際、殻の直径が大きくなることも指摘されている。 In the gas turbine combustor for diffusion combustion described in Patent Document 1, when low quality oil containing a large amount of residual carbon is burned, a shell is formed on the surface of a droplet in which a part of the residual carbon is atomized. In the combustion chamber, since the fuel inside the shell must be evaporated, it takes time to evaporate droplets and complete combustion compared to light oil and A heavy oil. In addition, after the droplet (fuel inside the shell) evaporates, only the shell formed on the surface of the droplet called cenosphere remains. Although this cenosphere disappears in the process of combustion, it takes time to disappear. Therefore, cenosphere that has not been completely burned in the combustion chamber is discharged from the combustor to the outside (outside) as dust. It has also been pointed out that the diameter of the shell increases as the fuel evaporates by breaking through the shell during the fuel evaporation process.

図６は、燃料中の残留炭素濃度と燃焼器出口における煤塵濃度の関係を示したものである。残留炭素濃度が増加するにつれて、燃焼器出口の煤塵濃度も高くなる。この傾向は、前述の残留炭素由来のセノスファが増加することによるものと考えられる。 FIG. 6 shows the relationship between the residual carbon concentration in the fuel and the soot concentration at the combustor outlet. As the residual carbon concentration increases, soot concentration at the combustor outlet also increases. This tendency is considered to be due to an increase in the above-mentioned residual carbon-derived cenosulfa.

また、特許文献２では、燃料噴射ノズル自体の構造については開示しない。そして、特許文献２の技術は、空気ノズルの下流端（リップ部）で燃料の微粒化を図ることを目的としている。 Further, Patent Document 2 does not disclose the structure of the fuel injection nozzle itself. The technique of Patent Document 2 aims to atomize fuel at the downstream end (lip portion) of the air nozzle.

これらの課題に対して、燃料微粒化の促進が有効である。液体燃料の噴霧液滴径を細かくすることで液滴の蒸発速度が速くなり、燃焼によって発生したセノスファの煤塵粒子径も小さくなる。そのため、セノスファの燃焼（消滅）に必要な時間も短くて済み、燃焼室内で煤塵を燃え切ることが可能となる。 Promotion of atomization of fuel is effective for these problems. By making the spray droplet diameter of the liquid fuel fine, the evaporation speed of the droplet is increased, and the particle size of the sonosphere particles generated by combustion is also reduced. For this reason, the time required for burning (extinguishing) the Cenosuspha can be shortened, and the dust can be burned out in the combustion chamber.

そこで本発明は、液体燃料の微粒化を促進することで、低質油燃焼によって発生する残留炭素由来の煤塵を低減することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to reduce soot from residual carbon generated by low quality oil combustion by promoting atomization of liquid fuel.

本発明は、前記燃料として残留炭素を含む低質油燃料を使用し、前記燃料噴霧ノズル装置の中心部近傍に配置された燃料ノズルと、該燃料ノズルの外周側に配置され、燃料を微粒化するために空気を噴霧する第１の噴霧空気供給ノズルと、該第１の噴霧空気供給ノズルの外周側に配置され、燃料を微粒化するために空気を噴霧する第２の噴霧空気供給ノズルとを備えたことを特徴とする。 The present invention uses a low-quality oil fuel containing residual carbon as the fuel, a fuel nozzle arranged in the vicinity of the center of the fuel spray nozzle device, and an outer peripheral side of the fuel nozzle to atomize the fuel. A first spray air supply nozzle that sprays air for the purpose, and a second spray air supply nozzle that is disposed on the outer peripheral side of the first spray air supply nozzle and sprays air to atomize the fuel. It is characterized by having.

本発明によれば、液体燃料の微粒化を促進することで、低質油燃焼によって発生する残留炭素由来の煤塵を低減することができる。 According to the present invention, by promoting atomization of liquid fuel, it is possible to reduce residual carbon-derived dust generated by low quality oil combustion.

以下、本発明の実施例であるガスタービン燃焼器について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, a gas turbine combustor which is an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図１は、シンプルサイクルのガスタービン１の構成概略と、ガスタービン燃焼器３に液体燃料を噴霧する燃料噴霧ノズル装置６０を備えた燃焼器頭部の部分拡大図を示した図である。 FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a simple cycle gas turbine 1 and a partially enlarged view of a combustor head provided with a fuel spray nozzle device 60 for spraying liquid fuel onto the gas turbine combustor 3.

ガスタービンは、空気圧縮機２，燃焼器３，タービン４，発電機６およびガスタービン駆動用の起動用モーター８などで構成される。ガスタービン燃焼器３の頭部には、燃料を噴射する燃料噴霧ノズル装置６０が設けられている。本実施例では、燃料として残留炭素を多く含む低質油を使用している。この燃料噴霧ノズル装置６０の出口部は、燃料と空気を燃焼させ燃焼ガスを生成する燃焼室３ａに面している。また、燃焼室を形成する燃焼器ライナー３ｂの外周側にはフロースリーブ１１が配置されており、フロースリーブ１１の上流側には後述の蒸気供給が可能なエンドカバー３ｃが配置される。エンドカバー３ｃには、ＮＯｘ低減用の蒸気噴射ノズルが設けてある。燃料ノズルボディー６１に装着した燃料噴霧ノズル装置６０はエンドカバー３ｃに取り付けられ、燃焼器ライナー３ｂと取り合うように配置される。なお、フロースリーブ１１の外周側には外筒１０が配置されている。 The gas turbine includes an air compressor 2, a combustor 3, a turbine 4, a generator 6, a starting motor 8 for driving the gas turbine, and the like. A fuel spray nozzle device 60 for injecting fuel is provided at the head of the gas turbine combustor 3. In this embodiment, low quality oil containing a large amount of residual carbon is used as fuel. The outlet of the fuel spray nozzle device 60 faces the combustion chamber 3a that burns fuel and air to generate combustion gas. A flow sleeve 11 is disposed on the outer peripheral side of the combustor liner 3b forming the combustion chamber, and an end cover 3c capable of supplying steam, which will be described later, is disposed on the upstream side of the flow sleeve 11. The end cover 3c is provided with a steam injection nozzle for reducing NOx. The fuel spray nozzle device 60 attached to the fuel nozzle body 61 is attached to the end cover 3c and is disposed so as to engage with the combustor liner 3b. An outer cylinder 10 is arranged on the outer peripheral side of the flow sleeve 11.

燃料ノズルボディー６１には、低質油燃料及び噴霧空気が流れる系統が設けられている。燃料ノズルボディー６１の中心軸上には燃料ノズル管２００ｂが配置され、その外周側には噴霧空気内筒１０３ａ−２が配置されている。 The fuel nozzle body 61 is provided with a system through which low-quality oil fuel and spray air flow. A fuel nozzle pipe 200b is disposed on the central axis of the fuel nozzle body 61, and an atomizing air inner cylinder 103a-2 is disposed on the outer peripheral side thereof.

燃料ノズルボディー６１の下流側には、それぞれの低質油燃料・噴霧空気系統と連通するように燃料ノズル・噴霧空気供給ノズルを有した燃料噴霧ノズル装置６０を配置している。具体的には、燃料ノズル管２００ｂの下流側には燃料ノズル管７０ａが配置され、噴霧空気内筒１０３ａ−２の下流側には第１の噴霧空気供給ノズル管７１ａが配置される。更に、燃料ノズルボディー６１の下流側には第２の噴霧空気供給ノズル管７２ａが設置されている。 A fuel spray nozzle device 60 having a fuel nozzle / spray air supply nozzle is disposed downstream of the fuel nozzle body 61 so as to communicate with the respective low-quality oil fuel / spray air systems. Specifically, the fuel nozzle pipe 70a is arranged on the downstream side of the fuel nozzle pipe 200b, and the first atomizing air supply nozzle pipe 71a is arranged on the downstream side of the atomizing air inner cylinder 103a-2. Further, a second atomizing air supply nozzle pipe 72 a is installed on the downstream side of the fuel nozzle body 61.

燃料噴霧ノズル装置６０の上流側に位置する燃料ノズルボディー６１には、低質油燃料を燃焼室３ａに供給する低質油燃料系統２００が配設されており、低質油燃料２００ａは燃料ノズル管２００ｂの内部を流れる。低質油燃料２００ａを微粒化するための第１の噴霧空気１０３ａ−１は燃料ノズル管２００ｂと噴霧空気内筒１０３ａ−２との間を流れ、第２の噴霧空気１０３ｂ−１は噴霧空気内筒１０３ａ−２と燃料ノズルボディー６１との間を流れる。これらの第１の噴霧空気１０３ａ−１及び第２の噴霧空気１０３ｂ−１は、空気圧縮機２で加圧した燃焼用空気の一部が、噴霧用の昇圧圧縮機１４にて所定の圧力まで昇圧された後、噴霧空気供給系統１０３を通じて供給される。噴霧空気供給系統１０３は、燃料ノズルボディー６１に噴霧空気を供給する直前で２系統に分岐されている。なお、本実施例では、第１の噴霧空気供給系統を１０３ａとし、第２の噴霧空気供給系統を１０３ｂとする。また、噴霧空気供給系統１０３には、噴霧空気の圧力を調整するための圧力調節弁１５と、空気の逆流を防止するための逆止弁１６を備えている。 A fuel nozzle body 61 located upstream of the fuel spray nozzle device 60 is provided with a low quality oil fuel system 200 for supplying low quality oil fuel to the combustion chamber 3a. The low quality oil fuel 200a is disposed in a fuel nozzle pipe 200b. Flows inside. The first atomizing air 103a-1 for atomizing the low quality oil fuel 200a flows between the fuel nozzle pipe 200b and the atomizing air inner cylinder 103a-2, and the second atomizing air 103b-1 is an atomizing air inner cylinder. It flows between 103a-2 and the fuel nozzle body 61. The first atomizing air 103a-1 and the second atomizing air 103b-1 are such that a part of the combustion air pressurized by the air compressor 2 reaches a predetermined pressure by the atomizing booster compressor 14. After the pressure is raised, the air is supplied through the atomizing air supply system 103. The spray air supply system 103 is branched into two systems immediately before the spray air is supplied to the fuel nozzle body 61. In this embodiment, the first spray air supply system is 103a, and the second spray air supply system is 103b. Further, the spray air supply system 103 includes a pressure control valve 15 for adjusting the pressure of the spray air and a check valve 16 for preventing the backflow of air.

一方、ガスタービン燃焼器３に供給される燃焼用空気１０２は、空気圧縮機２で加圧された圧縮空気より供給される。そして、燃焼用空気１０２は、ガスタービン燃焼器３の燃焼室３ａを形成する円筒状の燃焼器ライナー３ｂとフロースリーブ１１との間を流れる。
一部の燃焼用空気１０２は燃焼器ライナー３ｂに設けられた燃焼空気孔から燃焼室３ａに流入し、残る燃焼用空気１０２ａはスワーラ５２から燃焼室３ａ内に流入する。また、スワーラ（空気旋回器）５２より燃焼室３ａ内に流入する燃焼用空気１０２ａに蒸気１０４ａを噴射・混合するための蒸気噴射系統１０４が配設されている。燃焼用空気１０２ａに蒸気を噴射することで、ＮＯｘを低減することが可能である。 On the other hand, the combustion air 102 supplied to the gas turbine combustor 3 is supplied from compressed air pressurized by the air compressor 2. The combustion air 102 flows between the cylindrical combustor liner 3 b that forms the combustion chamber 3 a of the gas turbine combustor 3 and the flow sleeve 11.
A part of the combustion air 102 flows into the combustion chamber 3a from the combustion air holes provided in the combustor liner 3b, and the remaining combustion air 102a flows into the combustion chamber 3a from the swirler 52. Further, a steam injection system 104 for injecting and mixing the steam 104a into the combustion air 102a flowing into the combustion chamber 3a from the swirler (air swirler) 52 is provided. It is possible to reduce NOx by injecting steam into the combustion air 102a.

本実施例では、低質油燃料２００ａを単独で使用してガスタービンを起動させる場合を想定している。しかし、低質油燃料２００ａの粘性が高く、微粒化特性を確保するために低質油燃料２００ａを加温する必要がある場合、ガスタービンの起動時に燃料噴霧ノズル装置６０へ軽油やＡ重油などの起動用燃料を供給し、ガスタービン起動後に低負荷条件で低質油燃料２００ａに燃料を切り替えることも可能である。 In this embodiment, it is assumed that the gas turbine is started by using the low-quality oil fuel 200a alone. However, when the low-quality oil fuel 200a has a high viscosity and it is necessary to heat the low-quality oil fuel 200a to ensure atomization characteristics, the fuel spray nozzle device 60 is activated with light oil or heavy fuel oil A when the gas turbine is activated. It is also possible to supply the fuel and switch the fuel to the low-quality oil fuel 200a under a low load condition after starting the gas turbine.

以下、本プラントの運転方法について説明する。 Hereinafter, the operation method of this plant is demonstrated.

始動時、ガスタービンは起動用モーター８などの外部動力によって駆動される。そして、空気圧縮機２からの燃焼用空気１０２と低質油燃料２００ａを用いて、ガスタービン燃焼器３を着火する。その後、燃焼ガス１１０がタービン４に供給される。低質油燃料２００ａの流量増加と共にタービン４が昇速し、起動用モーター８の離脱によりガスタービンは自立運転に入り、無負荷定格回転数に達する。 At startup, the gas turbine is driven by external power such as a starter motor 8. Then, the gas turbine combustor 3 is ignited using the combustion air 102 from the air compressor 2 and the low quality oil fuel 200a. Thereafter, the combustion gas 110 is supplied to the turbine 4. As the flow rate of the low-quality oil fuel 200a increases, the turbine 4 increases in speed, and when the starter motor 8 is detached, the gas turbine enters a self-sustaining operation and reaches a no-load rated rotational speed.

ガスタービンが無負荷定格回転数に到達後、発電機６の併入、さらには低質油燃料２００ａの流量増加により、タービン４の入口ガス温度が上昇するとともに負荷も上昇する。
負荷併入後は、ＮＯｘ濃度低減のために、燃焼器３に蒸気１０４ａを噴射する。燃焼器３に供給される蒸気１０４ａは、遮断弁３０１を介し、蒸気流量調節弁３０２にて適正な流量に調節される。この蒸気１０４ａは、燃料噴霧ノズル装置６０の外周側に設けられたスワーラ５２から流入する燃焼用空気１０２ａと混合する。蒸気１０４ａが混合され酸素濃度の低下した燃焼用空気１０２ａは、低質油燃料２００ａを低酸素濃度で燃焼させるため、局所的な火炎温度を低下させ、ＮＯｘの発生を抑制することが可能となる。 After the gas turbine reaches the no-load rated rotational speed, the inlet gas temperature of the turbine 4 increases and the load also increases due to the addition of the generator 6 and the increase in the flow rate of the low quality oil fuel 200a.
After loading, the steam 104a is injected into the combustor 3 to reduce the NOx concentration. The steam 104 a supplied to the combustor 3 is adjusted to an appropriate flow rate by the steam flow rate adjustment valve 302 via the shut-off valve 301. The steam 104a is mixed with the combustion air 102a flowing from the swirler 52 provided on the outer peripheral side of the fuel spray nozzle device 60. The combustion air 102a in which the steam 104a is mixed and the oxygen concentration is lowered burns the low-quality oil fuel 200a at a low oxygen concentration, so that the local flame temperature can be lowered and the generation of NOx can be suppressed.

燃料噴霧ノズル装置６０において燃料微粒化に必要な空気は、噴霧空気の昇圧圧縮機１４より供給される。この空気は、空気圧縮機２から供給される燃焼用空気１０２の一部１０３を昇圧圧縮機１４で更に昇圧する。そして、圧力調節弁１５にて圧力を調整した後、燃料噴霧ノズル装置６０より低質油燃料２００ａの微粒化用空気として供給される。 Air necessary for atomizing the fuel in the fuel spray nozzle device 60 is supplied from the booster compressor 14 for spray air. This air further pressurizes a portion 103 of the combustion air 102 supplied from the air compressor 2 by the boost compressor 14. And after adjusting a pressure with the pressure control valve 15, it is supplied as atomization air of the low quality oil fuel 200a from the fuel spray nozzle apparatus 60. FIG.

具体的には、噴霧空気供給系統１０３は、燃料ノズルボディー６１に流入する直前で第１の噴霧空気供給系統１０３ａと第２の噴霧空気供給系統１０３ｂの二つの系統に分岐され、圧力バランスによって第１及び第２の噴霧空気供給ノズルに供給される。このように、単一の噴霧空気供給系統１０３から分岐させることにより、噴霧空気の供給系統を単純化することが可能である。 Specifically, the spray air supply system 103 is branched into two systems, a first spray air supply system 103a and a second spray air supply system 103b, immediately before flowing into the fuel nozzle body 61, and the first air is supplied by pressure balance. Supplied to the first and second atomizing air supply nozzles. In this way, by diverging from the single spray air supply system 103, the spray air supply system can be simplified.

次に、図１の燃料噴霧ノズル装置６０において、燃焼室側の部分拡大断面図を図２に示す。燃料噴霧ノズル装置６０の外周側には、ガスタービン燃焼器に供給される燃焼用空気１０２のうち、圧力バランスによって供給される燃焼用空気１０２ａが空気旋回器（スワーラ）５２に供給される。この空気旋回器５２によって火炎３００を保持する。 Next, in the fuel spray nozzle device 60 of FIG. 1, a partial enlarged cross-sectional view on the combustion chamber side is shown in FIG. Out of the combustion air 102 supplied to the gas turbine combustor, combustion air 102 a supplied by pressure balance is supplied to an air swirler (swirler) 52 on the outer peripheral side of the fuel spray nozzle device 60. This air swirler 52 holds the flame 300.

燃料噴霧ノズル装置６０の半径方向中心部近傍には、低質油燃料２００ａを燃焼室３ａに噴射するための燃料ノズル７０を備え、その外周に燃料の微粒化を補助するための第１の噴霧空気供給ノズル７１と、さらにその外周に、噴霧した液滴の再微粒化を行うための第２の噴霧空気供給ノズル７２を備えている。 A fuel nozzle 70 for injecting the low quality oil fuel 200a into the combustion chamber 3a is provided in the vicinity of the central portion in the radial direction of the fuel spray nozzle device 60, and the first spray air for assisting atomization of the fuel is provided on the outer periphery thereof. A supply nozzle 71 and a second atomizing air supply nozzle 72 for re-atomizing the sprayed droplets are provided on the outer periphery thereof.

燃料ノズル７０は、燃料ノズル管７０ａにより形成されており、燃料ノズル管７０ａの出口部は流路径が減少する先細り形状である。そして、第１の噴霧空気１０３ａ−１は、第１の噴霧空気供給系統１０３ａを流れた後に、燃料ノズル管７０ａと第１の噴霧空気供給ノズル管７１ａとの間に設けられた環状空間を流れる。また、第２の噴霧空気１０３ｂ−１は、第２の噴霧空気供給系統１０３ｂを流れた後に、第１の噴霧空気供給ノズル管７１ａと第２の噴霧空気供給ノズル管７２ａとの間に設けられた環状空間を流れる。ここで、第１の噴霧空気供給ノズル管７１ａ及び第２の噴霧空気供給ノズル管７２ａの中心軸は、燃料ノズル管７０ａの中心軸と一致するように配置されており、両者の出口部も燃料ノズル管７０ａの出口部と同様の形状となっている。それぞれの噴霧空気供給系統には、噴霧空気に旋回を与えるための噴霧空気旋回器８０，８１を備えている。第１の噴霧空気１０３ａ−１及び第２の噴霧空気１０３ｂ−１が噴霧空気旋回器８０及び８１を通過することで、噴霧空気に旋回成分が与えられる。 The fuel nozzle 70 is formed by a fuel nozzle tube 70a, and the outlet portion of the fuel nozzle tube 70a has a tapered shape in which the flow path diameter decreases. The first spray air 103a-1 flows through an annular space provided between the fuel nozzle pipe 70a and the first spray air supply nozzle pipe 71a after flowing through the first spray air supply system 103a. . The second spray air 103b-1 is provided between the first spray air supply nozzle pipe 71a and the second spray air supply nozzle pipe 72a after flowing through the second spray air supply system 103b. Flowing through an annular space. Here, the central axes of the first spray air supply nozzle pipe 71a and the second spray air supply nozzle pipe 72a are arranged so as to coincide with the central axis of the fuel nozzle pipe 70a, and the outlet portions of both are also fuel. It has the same shape as the outlet of the nozzle tube 70a. Each spray air supply system is provided with spray air swirlers 80 and 81 for swirling the spray air. As the first spray air 103a-1 and the second spray air 103b-1 pass through the spray air swirlers 80 and 81, a swirl component is given to the spray air.

燃料ノズル７０に供給された低質油燃料２００ａは、燃料ノズル７０内にて旋回が与えられ、燃料の液膜１５０となって噴射される。燃料ノズル７０の外周側に設けた第１の噴霧空気供給ノズル７１及び第２の噴霧空気供給ノズル７２の出口部は、燃料ノズル７０の中心軸と交差する方向に第１の噴霧空気１０３ａ−１，第２の噴霧空気１０３ｂ−１が噴霧されるように形成されている。そのため、燃料の液膜１５０に対して第１の噴霧空気供給ノズル７１から第１の噴霧空気１０３ａ−１を供給することで液膜にせん断が与えられ、液膜の微粒化が行われる。ここで微粒化された液滴は、さらにその外周に設けた第２の噴霧空気供給ノズル７２から第２の噴霧空気１０３ｂ−１を供給することで、完全に微粒化できずに粒径の大きかった液滴にもせん断が与えられ、液滴が変形することで***が生じ、さらに微粒化が促進する。微粒化が促進されることで燃料の蒸発が速くなり、周囲空気との混合も促進することで煤の発生も抑制できる。また、セノスファの粒子径も小さくなるため煤塵濃度を低減することが可能となる。 The low-quality oil fuel 200a supplied to the fuel nozzle 70 is swirled in the fuel nozzle 70 and injected as a fuel liquid film 150. The outlets of the first spray air supply nozzle 71 and the second spray air supply nozzle 72 provided on the outer peripheral side of the fuel nozzle 70 are the first spray air 103a-1 in the direction intersecting the central axis of the fuel nozzle 70. The second atomizing air 103b-1 is sprayed. Therefore, by supplying the first spray air 103a-1 from the first spray air supply nozzle 71 to the fuel liquid film 150, the liquid film is sheared and the liquid film is atomized. The droplets atomized here are further supplied with the second atomizing air 103b-1 from the second atomizing air supply nozzle 72 provided on the outer periphery thereof, so that they cannot be atomized completely and have a large particle size. The droplets are also sheared, and the droplets are deformed to break up and further promote atomization. As the atomization is promoted, the evaporation of the fuel is accelerated, and the mixing with the surrounding air is also promoted to suppress the generation of soot. In addition, since the particle size of Senospha is reduced, the dust concentration can be reduced.

ここで、比較例として第２の噴霧空気供給ノズル７２を備えない場合を考える。比較例でも、第１の噴霧空気供給ノズル７１から噴出する噴霧空気には旋回成分が与えられているため、遠心力によって燃料噴霧ノズル装置の外周側に比較的大きな径の燃料液滴が集まり、燃料ノズル７０の中心軸（径方向中心部）に小さな径の液滴が集まる粒径分布となる。噴射された燃料液滴は、燃焼用空気や火炎からの熱を受けることによって蒸発し、蒸発した燃料蒸気と周囲空気との混合によって燃焼が持続する。しかし、噴霧粒径の大きい液滴は燃料の蒸発に時間がかかるために周囲空気との混合も遅れる。また、液滴の周囲は燃料過濃域であるために蒸発および燃焼の過程で煤が発生し、煤塵濃度が高くなる。そして、低質油燃料を燃焼させる場合、残留炭素由来のセノスファも生成される。そのため、初期粒径の大きい液滴の場合、セノスファの粒径も大きくなり、結果的にそれらの粒子は燃焼室内で燃えきらず煤塵として燃焼器外に排出されることになる。そこで本実施例では、第１の噴霧空気で細かくできなかった液滴を、第２の噴霧空気によって再微粒化することで、微粒化促進を図ることが可能である。 Here, consider a case where the second atomizing air supply nozzle 72 is not provided as a comparative example. Even in the comparative example, since the swirl component is given to the spray air ejected from the first spray air supply nozzle 71, fuel droplets having a relatively large diameter gather on the outer peripheral side of the fuel spray nozzle device by centrifugal force, The particle size distribution is such that droplets with small diameters gather on the central axis (radial center) of the fuel nozzle 70. The injected fuel droplets are evaporated by receiving heat from the combustion air or flame, and the combustion is continued by mixing the evaporated fuel vapor and the ambient air. However, since droplets with a large spray particle size take time to evaporate the fuel, mixing with ambient air is also delayed. In addition, since the periphery of the droplet is a fuel-rich region, soot is generated in the process of evaporation and combustion, and the soot concentration increases. And when burning a low quality oil fuel, cenosphere derived from residual carbon is also generated. For this reason, in the case of a droplet having a large initial particle size, the particle size of Senospha also increases, and as a result, these particles do not burn in the combustion chamber but are discharged outside the combustor as soot. Therefore, in this embodiment, it is possible to promote atomization by re-atomizing droplets that could not be made fine with the first atomizing air by using the second atomizing air.

図３は、燃焼室から見た燃料噴霧ノズル装置６０の正面図を示したものである。燃料噴霧ノズル装置の径方向中心部に燃料ノズル７０を配置し、その外周に、第１及び第２の噴霧空気供給ノズル７１，７２を備え、燃料の微粒化促進を図っている。これら燃料ノズルの外周側にはスワーラ５２を備え、噴霧燃料とスワーラから流入する燃焼用空気を混合することで火炎を形成する。スワーラによって燃焼用空気に旋回を与えることで、スワーラの内周に低速域（循環流）を形成し、保炎を強化する構造となっている。 FIG. 3 is a front view of the fuel spray nozzle device 60 viewed from the combustion chamber. A fuel nozzle 70 is disposed at the center in the radial direction of the fuel spray nozzle device, and first and second spray air supply nozzles 71 and 72 are provided on the outer periphery thereof to promote atomization of the fuel. A swirler 52 is provided on the outer peripheral side of these fuel nozzles, and a flame is formed by mixing atomized fuel and combustion air flowing in from the swirler. By swirling the combustion air by the swirler, a low speed region (circulation flow) is formed on the inner periphery of the swirler, and the flame holding is strengthened.

次に、図２のノズル断面でのＡ−Ａ矢視図を図４に示す。燃料ノズル７０の外周側に設けた第１及び第２の噴霧空気供給ノズル７１，７２に、それぞれ噴霧空気旋回器８０と８１を備えている。それぞれの噴霧空気旋回器には空気孔８０ａ，８１ａが開口してあり、第１の噴霧空気１０３ａ−１及び第２の噴霧空気１０３ｂ−１に旋回を与える構造としてある。ここでは、噴霧空気の旋回方向をそれぞれ逆向きとしたときの噴霧空気の流れ方向を示している。噴霧空気の旋回方向を逆向きとすることで、第１の噴霧空気によって微粒化された燃料液滴は第２の噴霧空気によって逆方向の旋回が与えられ、せん断によって液滴が変形する。そのため、液滴が***し、再微粒化を行い、微粒化を促進することが出来る。２系統の噴霧空気を順方向に旋回させる場合と比較して、逆向きとした方が微粒化の促進を図るにはより効果的である。 Next, FIG. 4 shows an AA arrow view of the nozzle cross section of FIG. The first and second spray air supply nozzles 71 and 72 provided on the outer peripheral side of the fuel nozzle 70 are provided with spray air swirlers 80 and 81, respectively. Each atomizing air swirler has air holes 80a and 81a that are configured to swirl the first atomizing air 103a-1 and the second atomizing air 103b-1. Here, the flow direction of the atomizing air when the swirling direction of the atomizing air is reversed is shown. By reversing the swirling direction of the atomizing air, the fuel droplets atomized by the first atomizing air are swirled in the opposite direction by the second atomizing air, and the droplets are deformed by shearing. For this reason, the droplets are split, and re-atomization can be performed to promote atomization. Compared to the case where two systems of spray air are swirled in the forward direction, the reverse direction is more effective for promoting atomization.

図５は、噴霧空気供給系統１０３を一系統のまま燃料ノズルボディー６１に供給したときの系統概略を示したものである。 FIG. 5 shows an outline of the system when the atomizing air supply system 103 is supplied to the fuel nozzle body 61 as a single system.

噴霧空気供給系統１０３を一系統で燃料ノズルボディー６１に接続した場合、燃料ノズルボディー６１又は燃料噴霧ノズル装置６０内で噴霧空気を２系統（第１の噴霧空気１０３ａ−１と第２の噴霧空気１０３ｂ−１）に分配する必要がある。そこで、本実施例では、燃料ノズルボディー６１に接続する噴霧空気は１系統とし、燃料ノズルボディー６１において、各配管の接続・固定に用いるハウジング３ｄ−ａを利用して、燃料噴霧ノズル装置６０に噴霧空気を供給する際に２系統に分配している。ハウジング３ｄ−ａは、円環状に形成されたフランジ３ｄの中心側に別部材で配置されている。但し、ハウジング３ｄ−ａとフランジ３ｄは一体構造にすることも可能である。ここで、ハウジング３ｄ−ａに設けた噴霧空気を２系統に分岐するための孔の面積は、噴霧空気に旋回成分を与えるために設けた噴霧空気旋回器の孔面積より大きくし、供給系統の圧力損失が増加しないように注意する必要がある。また、ハウジング３ｄ−ａに設ける孔の形状は、円形や楕円形状でも良く、複数の孔を周方向に設けることで、周方向の空気のバラツキを軽減することができる。 When the spray air supply system 103 is connected to the fuel nozzle body 61 in one system, the spray air is divided into two systems (the first spray air 103a-1 and the second spray air in the fuel nozzle body 61 or the fuel spray nozzle device 60). 103b-1). Therefore, in this embodiment, the atomizing air connected to the fuel nozzle body 61 is one system, and the fuel nozzle body 61 uses the housing 3d-a used for connecting and fixing each pipe to the fuel spray nozzle device 60. When supplying atomizing air, it distributes to two systems. The housing 3d-a is disposed as a separate member on the center side of the annular flange 3d. However, the housing 3d-a and the flange 3d can be integrated. Here, the area of the hole for branching the spray air provided in the housing 3d-a into two systems is made larger than the hole area of the spray air swirler provided to give the swirl component to the spray air. Care must be taken not to increase pressure loss. Moreover, the shape of the hole provided in the housing 3d-a may be a circle or an ellipse, and by providing a plurality of holes in the circumferential direction, variation in air in the circumferential direction can be reduced.

図１の実施例と同様、第１及び第２の噴霧空気供給系統への噴霧空気流量の分配は、各々の噴霧空気ノズルの断面積比でほぼ決定される。第１及び第２の噴霧空気供給系統で必要な流量比を予め決めておくことで、所定の噴霧空気流量比を得ることが可能となる。燃料噴霧ノズル装置６０では第１及び第２の噴霧空気供給ノズルを備えているが、燃料ノズルボディー６１には噴霧空気供給系統を一系統にすることで、簡単な制御により噴霧空気を運用することが可能となる。 As in the embodiment of FIG. 1, the distribution of the spray air flow rate to the first and second spray air supply systems is substantially determined by the cross-sectional area ratio of each spray air nozzle. A predetermined spray air flow rate ratio can be obtained by determining a flow rate ratio required in the first and second spray air supply systems in advance. The fuel spray nozzle device 60 includes the first and second spray air supply nozzles, but the spray air supply system is integrated into the fuel nozzle body 61 so that the spray air can be operated with simple control. Is possible.

本発明による発電プラントの実施例を示した図である。It is the figure which showed the Example of the power plant by this invention. 本発明による燃料噴霧ノズル装置の部分拡大断面図である。It is a partial expanded sectional view of the fuel spray nozzle apparatus by this invention. 本発明による燃料噴霧ノズル装置の正面図である。It is a front view of the fuel spray nozzle apparatus by this invention. 図２のＡ−Ａ矢視図を示した図である。It is the figure which showed the AA arrow line view of FIG. 本発明による発電プラントの実施例２を示した図である。It is the figure which showed Example 2 of the power plant by this invention. 燃料中の残留炭素濃度と煤塵濃度の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the residual carbon concentration in a fuel, and a dust concentration.

符号の説明Explanation of symbols

１ガスタービン
２空気圧縮機
３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
１４昇圧圧縮機
１５圧力調節弁
１６逆止弁
５２スワーラ（空気旋回器）
６０燃料噴霧ノズル装置
６１燃料ノズルボディー
７０燃料ノズル
７１第１の噴霧空気供給ノズル
７２第２の噴霧空気供給ノズル
８０，８１噴霧空気旋回器
１０２，１０２ａ燃焼用空気
１０３噴霧空気供給系統
１０３ａ第１の噴霧空気供給系統
１０３ａ−１第１の噴霧空気
１０３ｂ第２の噴霧空気供給系統
１０３ｂ−１第２の噴霧空気
１０４蒸気噴射系統
１１０燃焼ガス
１５０燃料の液膜
２００低質油燃料系統
２００ａ低質油燃料 1 Gas turbine
2 Air compressor 3 Combustor 3a Combustion chamber 4 Turbine 6 Generator 8 Motor 10 for start-up 10 Outer cylinder 14 Booster compressor 15 Pressure control valve 16 Check valve 52 Swirler (air swirler)
60 fuel spray nozzle device 61 fuel nozzle body 70 fuel nozzle 71 first spray air supply nozzle 72 second spray air supply nozzles 80, 81 spray air swirlers 102, 102a combustion air 103 spray air supply system 103a first Sprayed air supply system 103a-1 First sprayed air 103b Second sprayed air supply system 103b-1 Second sprayed air 104 Steam injection system 110 Combustion gas 150 Liquid film 200 of fuel Low quality oil fuel system 200a Low quality oil fuel

Claims

燃料と空気を燃焼させる燃焼室と、該燃焼室に燃料を供給する燃料噴霧ノズル装置と、該燃料噴霧ノズル装置の外周側から燃焼用空気を供給するスワーラを備えたガスタービン燃焼器であって、
前記燃料として残留炭素を含む低質油燃料を使用し、前記燃料噴霧ノズル装置の中心部近傍に配置された燃料ノズルと、
該燃料ノズルの外周側に配置され、燃料を微粒化するために空気を噴霧する第１の噴霧空気供給ノズルと、
該第１の噴霧空気供給ノズルの外周側に配置され、燃料を微粒化するために空気を噴霧する第２の噴霧空気供給ノズルとを備えたことを特徴とするガスタービン燃焼器。 A gas turbine combustor comprising a combustion chamber for burning fuel and air, a fuel spray nozzle device for supplying fuel to the combustion chamber, and a swirler for supplying combustion air from the outer peripheral side of the fuel spray nozzle device ,
Using a low-quality oil fuel containing residual carbon as the fuel, a fuel nozzle disposed near the center of the fuel spray nozzle device;
A first spray air supply nozzle disposed on the outer peripheral side of the fuel nozzle and spraying air to atomize the fuel;
A gas turbine combustor comprising a second spray air supply nozzle that is disposed on an outer peripheral side of the first spray air supply nozzle and sprays air to atomize the fuel.

請求項１に記載のガスタービン燃焼器であって、
前記第１及び第２の噴霧空気供給ノズルに空気を供給する噴霧空気供給系統と、
該噴霧空気供給系統を通じて前記第１及び第２の噴霧空気供給ノズルに空気を加圧供給する噴霧空気圧縮機を備えたことを特徴とするガスタービン燃焼器。 A gas turbine combustor according to claim 1,
A spray air supply system for supplying air to the first and second spray air supply nozzles;
A gas turbine combustor comprising a spray air compressor that pressurizes and supplies air to the first and second spray air supply nozzles through the spray air supply system.

請求項２に記載のガスタービン燃焼器であって、
前記燃料噴霧ノズル装置を固定する燃料ノズルボディーと、
該燃料ノズルボディーに設けられた単一の噴霧空気供給系統を前記燃料ノズルボディー内で２つの噴霧空気供給系統に分岐させることを特徴とするガスタービン燃焼器。 A gas turbine combustor according to claim 2,
A fuel nozzle body for fixing the fuel spray nozzle device;
A gas turbine combustor, wherein a single atomizing air supply system provided in the fuel nozzle body is branched into two atomizing air supply systems in the fuel nozzle body.

請求項１に記載のガスタービン燃焼器であって、
前記第１及び第２の噴霧空気供給ノズルから供給される噴霧空気の旋回方向が互いに逆向きとなるように、前記噴霧空気供給ノズルに旋回器を配置したことを特徴とするガスタービン燃焼器。 A gas turbine combustor according to claim 1,
A gas turbine combustor, wherein a swirler is disposed in the spray air supply nozzle so that swirl directions of the spray air supplied from the first and second spray air supply nozzles are opposite to each other.