JP4963406B2 - Gas turbine combustor and operation method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、ガスタービン燃焼器並びにその運転方法に関する。さらに詳述すると、本発明は、アルコール系燃料またはジメチルエーテルやＬＰＧなどの僅かな圧力で液化可能な燃料と天然ガスとを混焼できるガスタービン燃焼器並びにその運転方法に関するものである。   The present invention relates to a gas turbine combustor and an operation method thereof. More specifically, the present invention relates to a gas turbine combustor capable of co-firing an alcohol fuel or a fuel that can be liquefied with a slight pressure such as dimethyl ether or LPG and natural gas, and an operating method thereof.

近年、環境に悪影響を与える窒素酸化物（ＮＯｘ）や浮遊粒子状物質（ＳＰＭ）の発生を抑制することが求められており、かつ石油に代わる燃料として、バイオマス燃料の利用が求められている。   In recent years, it has been required to suppress the generation of nitrogen oxides (NOx) and suspended particulate matter (SPM) that adversely affect the environment, and the use of biomass fuel is required as a fuel to replace petroleum.

軽油やＡ重油などの化石燃料由来の液体燃料を用いるガスタービン燃焼器は、ＬＮＧ（液化天然ガス）などのガス燃料を用いるガスタービン燃焼器と比べて高濃度のＮＯｘを排出するとともに、ＳＰＭの原因となるスモークを排出する可能性もある。このため、燃料の噴射方法の改善やバーナーの構造の工夫、および水または水蒸気の燃焼器内への噴射などによって、その低減が図られているが、十分な効果が得られているとはいえないものである。特に、ＮＯｘについては十分な低減効果が得られておらず、高価な排煙脱硝装置の設置が行われている。さらに、水または水蒸気を噴射するとエネルギー損失が増大する問題もある。   Gas turbine combustors that use liquid fuels derived from fossil fuels such as light oil and heavy oil A emit higher concentrations of NOx than gas turbine combustors that use gas fuels such as LNG (liquefied natural gas), and SPM There is also the possibility of discharging the causative smoke. For this reason, the reduction has been achieved by improving the fuel injection method, devising the structure of the burner, and injecting water or steam into the combustor, but it can be said that sufficient effects have been obtained. There is nothing. In particular, NOx has not been sufficiently reduced, and an expensive flue gas denitration apparatus has been installed. Furthermore, there is also a problem that energy loss increases when water or water vapor is injected.

一方、我が国は京都議定書の締結によって二酸化炭素（ＣＯ２）などの温室効果ガスの排出量の削減義務が課されているが、バイオマスの燃焼によって排出されるＣＯ２ は、生物の成長過程で大気中から吸収したＣＯ２ であることから、バイオマスの燃焼はＣＯ２を増加させない。このため、石油系燃料をバイオマス燃料で代替することにより、ＣＯ２の排出削減に大きく貢献することができる。さらに、我が国では「電気事業者による新エネルギー等の利用に関する特別措置法」（ＲＰＳ法）が施行され、電気事業者に対し、バイオマスを含む新エネルギーにより発電された電気を一定の割合で利用することを義務付けている。 On the other hand, Japan is obligated to reduce the amount of greenhouse gas emissions such as carbon dioxide (CO 2 ) by concluding the Kyoto Protocol, but CO 2 emitted by the combustion of biomass is emitted into the atmosphere during the growth of organisms. Since it is CO 2 absorbed from inside, combustion of biomass does not increase CO 2 . For this reason, substituting petroleum-based fuel with biomass fuel can greatly contribute to CO 2 emission reduction. Furthermore, in Japan, the “Special Measures Law Concerning the Use of New Energy by Electric Power Companies” (RPS Law) has been enforced, and electricity generated by new energy, including biomass, is used at a certain rate for electric power companies. It is obligatory.

そこで、木屑などの固形バイオマス燃料を石炭に混入して発電用ボイラーで燃焼させる方法、発電用ガスタービン燃焼器で燃焼させる方法およびガス化して発電用ガスタービン燃焼器で燃焼させる方法などが検討されている。   Therefore, a method of mixing solid biomass fuel such as wood chips into coal and combusting it with a power generation boiler, a method of combusting with a power generation gas turbine combustor, a method of gasifying and combusting with a power generation gas turbine combustor, etc. are studied. ing.

例えば、固形バイオマス燃料をガスタービン燃焼器で燃焼する方法が提案されている（特許文献１）。この方法では、化石燃料、バイオマス燃料を適宜選択して燃焼ガスを生成すること、生成された燃焼ガスに含まれる不純物をサイクロンセパレータで除去した後にガスタービンに供給すること、サイクロンセパレータ出口温度が８００℃を下回らないようにすることなどが必要とされている。その理由は、固形バイオマス燃料の発熱量が低く、バイオマス燃料のみでは起動運転および部分負荷運転ができないこと、固形バイオマス燃料の燃焼によって生成する灰を除去しないとタービン翼に灰が付着すること、固形バイオマス燃料中にダイオキシンの原因物質が含まれるため、８００℃以上にしないとダイオキシンを発生することに起因している。   For example, a method of burning solid biomass fuel with a gas turbine combustor has been proposed (Patent Document 1). In this method, fossil fuel and biomass fuel are appropriately selected to generate combustion gas, impurities contained in the generated combustion gas are removed by a cyclone separator and then supplied to the gas turbine, and the cyclone separator outlet temperature is 800 It is necessary to keep the temperature below ℃. The reason is that the calorific value of the solid biomass fuel is low, the start-up operation and partial load operation cannot be performed only with the biomass fuel, the ash adheres to the turbine blades unless the ash generated by the combustion of the solid biomass fuel is removed, Since the causative substance of dioxin is contained in the biomass fuel, it is caused by generating dioxin unless the temperature is higher than 800 ° C.

また、固形バイオマス燃料などをガス化して発電用ガスタービン燃焼器で燃焼する方法が提案されている（特許文献２）。この方法では、ガス化した気体燃料の圧縮機に水噴霧手段を設け、気体燃料の圧縮過程で水を噴霧して圧縮機内で蒸発させ、このときの吸熱作用を利用して圧縮に伴うガス温度の上昇を抑えること、および気体燃料のガス温度を３００℃以上にすることが必要とされている。その理由は、温度の高い気体燃料を圧縮すると、さらに温度が高くなって圧縮エネルギーがガスタービンで発生するエネルギーに比べ同じ程度の大きさになり、出力されるエネルギーが減ってしまうこと、およびバイオマスなどをガス化した可燃性ガスは低温になると液化するタール分と呼ばれる成分を含み、ガス温度が低くなった時に粘性の高い液体となって配管や機器などに付着し、閉塞などの問題を起こすことに起因している。また、特許文献２では、タール分による問題を回避する従来の方法として、ガス化温度を高くしてタール分を熱分解する方法、ガスを水洗してタールを除去する方法が記載されているが、エネルギー損失の発生および設備の複雑化などの欠点があること、さらに、気体燃料の圧縮を不要とする従来の方法として、ガス化を加圧で行う方法があるが、耐圧容器が必要となり、安全上の問題を生じるとともに、運転費が増加する欠点を有している。   Further, a method has been proposed in which solid biomass fuel or the like is gasified and burned in a power generation gas turbine combustor (Patent Document 2). In this method, a water spray means is provided in a compressor of gasified gaseous fuel, water is sprayed in the process of compressing the gaseous fuel and evaporated in the compressor, and the gas temperature accompanying the compression using the endothermic effect at this time is used. It is necessary to suppress the rise of the gas and to increase the gas temperature of the gaseous fuel to 300 ° C. or higher. The reason for this is that compressing high-temperature gaseous fuel further increases the temperature and the compressed energy becomes the same level as the energy generated by the gas turbine, resulting in a decrease in the output energy, and biomass. Combustible gas that gasifies etc. contains a component called tar that liquefies at low temperatures, and when the gas temperature becomes low, it becomes a highly viscous liquid and adheres to piping and equipment, causing problems such as clogging It is due to that. In Patent Document 2, as a conventional method for avoiding the problem due to the tar content, a method of thermally decomposing the tar content by increasing the gasification temperature and a method of removing the tar by washing the gas with water are described. In addition, there are disadvantages such as generation of energy loss and complicated equipment, and furthermore, as a conventional method that does not require compression of gaseous fuel, there is a method of performing gasification by pressurization, but a pressure vessel is required, It has the disadvantages of creating safety problems and increasing operating costs.

既設ＬＮＧガスタービンを利用してＣＯ２の抑制を図るためには、ＬＮＧガスタービンを植物由来の液体燃料との混焼が可能になるように改造する方法が合理的である。そこで、固形またはガス化バイオマス燃料に対し、植物油を燃料としてガスタービン燃焼器で燃焼する方法も提案されている（特許文献３及び４）。植物油メチルエステルを成分とする液体燃料の場合、単純に燃料ノズルから噴霧すると、粘度が高いために噴霧粒径が大きくなり、着火が難しくなる。液体燃料の場合、燃料が液体のままでは空気と反応して燃焼することはできず、液体が蒸発して気体になった状態で始めて空気と反応し燃焼することから、噴射された液体燃料が蒸発しやすい状況を作り出しておく必要がある。このため、起動をより着火しやすい石油系燃料で行う必要が生じる。そこで、これらの方法は、始動時に灯油、軽油などの液体燃料または都市ガスなどの気体燃料を燃焼して燃焼室温度を上昇させ、その後に燃料を改質された天ぷら油などの植物廃油に切り替えて燃焼させてガスタービンを駆動するものである。 In order to suppress CO 2 using an existing LNG gas turbine, it is reasonable to modify the LNG gas turbine so that it can be co-fired with plant-derived liquid fuel. Then, the method of burning with a gas turbine combustor by using vegetable oil as a fuel with respect to solid or gasification biomass fuel is also proposed (patent documents 3 and 4). In the case of a liquid fuel containing vegetable oil methyl ester as a component, if sprayed simply from a fuel nozzle, the spray particle size increases due to high viscosity, making ignition difficult. In the case of liquid fuel, if the fuel remains in a liquid state, it cannot react and burn with air, but it reacts with air and burns only when the liquid evaporates into a gas. It is necessary to create a situation that easily evaporates. For this reason, it is necessary to start with a petroleum-based fuel that is more easily ignited. Therefore, these methods combust liquid fuel such as kerosene and light oil or gas fuel such as city gas at the start-up to raise the combustion chamber temperature, and then switch the fuel to vegetable waste oil such as modified tempura oil. The gas turbine is driven by combustion.

さらに、近年、天然ガスやＣＯ２ニュートラルであるバイオマス等から製造されるＤＭＥ（ジメチルエーテル）やメタノール、エタノールをはじめとするアルコール系燃料が新燃料として着目されている。そして、これら新燃料や工業的アルコール燃料などを、エネルギー危機に備えての燃料の多様化の一環として、熱効率の高い発電での使用が望まれる。近年、ガスタービンの後流に、排ガスの熱を回収し蒸気を発生する排ガスボイラーを備え、その蒸気を用いて蒸気タービンを回すガスタービンコンバインド発電プラント（GTCC）が注目されているが、このプラントでは発電効率が50%を越え、従来の発電設備の効率を大きく上回っている。一方、天然ガスや石炭およびバイオマスなどを起源とするDME、また、アルコール系燃料は、生産コストが高い傾向がある。効率の高いGTCCでこのような生産コストの高い燃料を使うことにより、発電量あたりのコストを抑制することが可能である。現在、電気事業用として用いられている大型ガスタービンの大半、また中小型ガスタービンにおいてもその多くが、窒素酸化物（NOx）低減のために天然ガスを燃料としており、DMEなどの液化ガスやアルコール系燃料などの液体燃料を使用することができない状態である。 Further, in recent years, alcohol fuels such as DME (dimethyl ether), methanol, and ethanol produced from natural gas or CO 2 neutral biomass have attracted attention as new fuels. These new fuels and industrial alcohol fuels are desired to be used for power generation with high thermal efficiency as part of fuel diversification in preparation for an energy crisis. In recent years, the gas turbine combined power plant (GTCC), which has an exhaust gas boiler that recovers the heat of exhaust gas and generates steam in the downstream of the gas turbine and uses the steam to turn the steam turbine, has attracted attention. Therefore, the power generation efficiency exceeds 50%, greatly exceeding the efficiency of conventional power generation facilities. On the other hand, DME originating from natural gas, coal and biomass, and alcohol-based fuels tend to have high production costs. By using such fuel with high production costs in the highly efficient GTCC, it is possible to reduce the cost per power generation. Most of the large gas turbines currently used for the electric power industry and most of the small and medium-sized gas turbines use natural gas as fuel to reduce nitrogen oxides (NOx). This is a state in which liquid fuel such as alcohol fuel cannot be used.

特開２００４−２１８５３２号JP 2004-218532 A 特開２００２−２２１０４７号Japanese Patent Laid-Open No. 2002-221047 特開２００３−１８４５７６号JP 2003-184576 A 特開２００４−１１６２８号JP 2004-11628 A

しかしながら、木屑などの固形バイオマス燃料を利用するこれらの方法は、固形バイオマスの質量あたりの発熱量が低い上に、さらに収集効率および輸送効率も悪く、かつ生成する灰またはスラグの処理も必要となり、経済性に劣るなどの問題がある。   However, these methods using solid biomass fuel such as wood chips have a low calorific value per mass of solid biomass, and also have poor collection efficiency and transport efficiency, and also require treatment of the generated ash or slag, There are problems such as inferior economy.

また、特許文献１記載の方法では、サイクロンセパレータが必要となり設備の大型化および設備費の増加を招くとともに、高温の灰によるサイクロンの摩耗を生じる恐れがある。さらに、サイクロン入口および出口の温度管理が必要となり、そのための制御が複雑になる。また、サイクロンセパレータの耐熱性の問題のため、ガス温度に制限があり、エネルギー損失も大きい。当然のことながら、固形バイオマス燃料中に含まれるナトリウム、カリウムなどの微量成分がタービンなどの材料を劣化させるが、その対策がとられていない。   Further, the method described in Patent Document 1 requires a cyclone separator, which increases the size of the equipment and increases the equipment cost, and may cause cyclone wear due to high-temperature ash. Furthermore, the temperature management of the cyclone inlet and outlet is required, and the control for that is complicated. Further, due to the heat resistance problem of the cyclone separator, the gas temperature is limited and the energy loss is large. Naturally, trace components such as sodium and potassium contained in the solid biomass fuel deteriorate the materials such as the turbine, but no countermeasure is taken.

また、特許文献２の方法では、純水が必要になるとともに、水の供給装置および制御装置も必要となり、設備費、運転費が増加する。また、燃料のガス化に伴うエネルギー損失を防ぐことはできない。さらに、固形バイオマス燃料の収集効率および輸送効率が悪いこと、および生成する灰またはスラグの処理費用が必要になることは共通の課題として残っている。さらに、固形バイオマス燃料中に含まれるナトリウム、カリウムなどの微量成分がタービンなどの材料を劣化させるが、その対策がとられていない。   In addition, the method of Patent Document 2 requires pure water, and also requires a water supply device and a control device, which increases equipment costs and operation costs. In addition, energy loss due to gasification of fuel cannot be prevented. Furthermore, the poor collection and transportation efficiency of solid biomass fuels and the need for processing costs for the generated ash or slag remain as common challenges. Furthermore, trace components such as sodium and potassium contained in solid biomass fuel deteriorate materials such as turbines, but no countermeasures have been taken.

また、特許文献３及び４記載の方法では、化石燃料由来の液体燃料を起動用燃料として使用する場合、希薄予混合燃焼を利用できないため、ＮＯｘを多量に排出する。一方、気体燃料を起動用燃料として使用する場合は、希薄予混合燃焼を行えば、ＮＯｘの排出を抑制できるが、液体のバイオマス燃料に切り替えた後は希薄予混合燃焼が難しく、バイオマス燃料が液体のまま燃焼器内に噴射されることで非予混合燃焼になるため、多量のＮＯｘを排出する問題がある。   Further, in the methods described in Patent Documents 3 and 4, when a fossil fuel-derived liquid fuel is used as a starting fuel, lean premixed combustion cannot be used, and therefore a large amount of NOx is discharged. On the other hand, when using gaseous fuel as a starting fuel, NOx emissions can be suppressed by performing lean premixed combustion, but after switching to liquid biomass fuel, lean premixed combustion is difficult and the biomass fuel is liquid. Since it is non-premixed combustion by being injected into the combustor as it is, there is a problem of discharging a large amount of NOx.

前述のようにガスタービンではガス燃料を使用するものが多く、非常に制御が難しい希薄予混合燃焼方式になっているため、液体燃料を使用できるようにするにはガスの希薄予混合燃焼に影響が少なくなるように噴霧のための装置を追設する方法が採られる。この場合にはガス燃料から液体燃料あるいは液体燃料からガス燃料への切り替えの場合をのぞき、定常的に両者を使用することはなく、ガス燃料あるいは液体燃料のいずれか一方のみを使用する。このようにしたガス、液体燃料が使えるデュアル焚ガスタービンでは、液体燃料を用いると非予混合燃焼となるため、低NOx化のために蒸気や水などを噴射して局所的高温領域をなくす方策がとられているが、熱損失の増大、蒸気や水のコスト増大、その供給系統や制御が複雑になるなどの問題があった。また、ガス燃料、液体燃料いずれか一方の燃料しか使えないため、両者とも十分な量が確保できていないときにはプラントの運用が制限されるという問題があった。 As mentioned above, many gas turbines use gas fuel, and the lean premixed combustion method, which is very difficult to control, has an effect on gas lean premixed combustion in order to be able to use liquid fuel. The method of adding the apparatus for spraying so that it may decrease is taken. In this case, except for the case of switching from gas fuel to liquid fuel or from liquid fuel to gas fuel, both are not used regularly, but only one of gas fuel or liquid fuel is used. In dual soot gas turbines that can use gas and liquid fuel in this way, since liquid fuel is used for non-premixed combustion, measures to eliminate local high temperature regions by injecting steam, water, etc. to reduce NOx However, there are problems such as increased heat loss, increased cost of steam and water, and complicated supply system and control. Further, since only one of the gas fuel and the liquid fuel can be used, there is a problem that the operation of the plant is restricted when a sufficient amount of both cannot be secured.

さらに、ＤＭＥ、アルコールなどの液体燃料を天然ガスと共に燃焼器内に噴射させて混焼しようとしても、液体のまま燃焼器内に噴霧して燃焼させると非予混合燃焼となってしまうため、局所的高温域が発生してＮＯｘ増大を招く虞がある。即ち、燃焼器内で温度むらや燃焼性のむらを生じ、ＮＯｘの増加、一酸化炭素や未燃炭化水素の増加、タービンや燃焼器の寿命低下、予混合部内への逆火を生じる恐れがある。   Further, even if liquid fuel such as DME or alcohol is injected into the combustor together with natural gas to be mixed and burned, if it is sprayed into the combustor while it is in a liquid state and burned, non-premixed combustion will occur. There is a possibility that a high temperature region may be generated and increase NOx. That is, there may be uneven temperature and combustibility in the combustor, which may increase NOx, increase carbon monoxide and unburned hydrocarbons, reduce the life of the turbine and combustor, and cause backfire into the premixing section. .

本発明は、ＮＯｘの増加を伴わずに液体燃料とガス燃料との混焼が可能なガスタービン燃焼器並びにガスタービン運転方法を提供することを目的とする。さらには、本発明は、既存の天然ガス用ガスタービン燃焼器に僅かな改造を加えるだけで、液体燃料だけを燃焼させるガスタービン燃焼器よりも二酸化炭素、窒素酸化物の排出が少なく、かつ天然ガスだけを燃料として用いる場合よりも二酸化炭素排出量を低減できる天然ガス用ガスタービン燃焼器を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a gas turbine combustor and a gas turbine operating method capable of co-firing liquid fuel and gas fuel without increasing NOx. Furthermore, the present invention is a gas turbine combustor that emits carbon dioxide and nitrogen oxides less than a gas turbine combustor that burns only liquid fuel with a slight modification to an existing natural gas gas turbine combustor. It aims at providing the gas turbine combustor for natural gas which can reduce a carbon dioxide emission amount rather than the case where only gas is used as a fuel.

かかる目的を達成するため、請求項１記載の発明にかかるガスタービン燃焼器は、燃焼器に供給する前のガス燃料にガス燃料の温度あるいはそれよりも低い温度で気化する液体燃料を液体のまま注入し、ガス燃料の温度で液体燃料を気化させるとともにガス燃料と均一に混合する燃料予混合手段を備え、燃焼器に供給される圧縮空気によってガス燃料と気化した液体燃料との混合燃料を予混合させてから燃焼器内に噴射させる予混合部とを備え、燃焼器内で予混合気を燃焼させてタービンを駆動する燃焼ガスを生成させるようにしている。また、本発明にかかるガスタービン燃焼器の運転方法は、負荷運転以上の運転条件で、供給過程で温度が上昇したガス燃料中にガス燃料の温度あるいはそれよりも低い温度で気化する液体燃料を注入して、ガス燃料の温度で液体燃料を気化させるとともにガス燃料と均一に混合してから予混合部に供給し、圧縮空気と混合燃料とを予混合してから燃焼器内へ噴射させて燃焼させ、タービンを駆動する燃焼ガスを生成させるようにしている。 To achieve the above object, a gas turbine combustor according to the first aspect of the present invention, the liquid fuel to vaporize at temperature or a temperature lower than that of the gas fuel before the fuel gas to be supplied to the combustor remains liquid injected, with the fuel premixing means for uniformly mixing the gas fuel with vaporizes the liquid fuel at a temperature of the gas fuel, the mixed fuel of a liquid fuel vaporized gas fuel by the compressed air supplied to the combustor pre A premixing section that mixes the fuel and injects it into the combustor, and burns the premixed gas in the combustor to generate combustion gas that drives the turbine. The gas turbine combustor operating method according to the present invention includes a liquid fuel that vaporizes at a temperature lower than or equal to the temperature of the gas fuel in the gas fuel whose temperature has increased during the supply process under operating conditions higher than the load operation. injected into, and supplied to the premixing section after uniformly mixed with the gas fuel with vaporizes the liquid fuel at a temperature of the gas fuel, the mixed fuel with the compressed air is ejected from the premixed into the combustor Combustion gas is generated to drive the turbine.

これらガスタービン燃焼器並びにその運転方法によると、ガス燃料が燃焼器の予混合部内に噴射される前に、このガス燃料中に注入される液体燃料がガス燃料の温度で完全に気化されて均一に混合される。このとき、液体燃料とガス燃料とは酸化剤と接触していないので、燃焼を開始することなく均一に混合される。そして、ガス燃料と液体燃料とは完全に混合された状態で燃焼器の予混合部内に噴射されて燃焼用空気と予混合されて希薄予混合気として燃焼器内に噴射され、燃焼器内で希薄予混合燃焼を起こす。 According to these gas turbine combustor and an operating method thereof, before the gas fuel is injected into the premixing portion of the combustor, liquid fuel is injected into the gas fuel is completely vaporized at a temperature of fuel gas uniformly To be mixed. At this time, since the liquid fuel and the gas fuel are not in contact with the oxidant, they are uniformly mixed without starting combustion. Then, the gas fuel and the liquid fuel are injected into the premixing portion of the combustor in a completely mixed state, premixed with the combustion air, and injected into the combustor as a lean premixed gas. Causes lean premixed combustion.

ここで、ガス燃料は燃料予混合手段に達した際には燃焼に適した温度に昇温されている。また、液体燃料としてはアルコール系燃料、より好ましくは植物由来のアルコール系燃料であるバイオエタノールの使用であり、さらにはＬＰＧまたはＤＭＥなどの非アルコール系の液化燃料の使用も可能である。 Here, the gas fuel is heated to a temperature suitable for combustion when it reaches the fuel premixing means . The liquid fuel is alcohol fuel, more preferably bioethanol, which is a plant-derived alcohol fuel, and non-alcohol liquefied fuel such as LPG or DME can also be used.

また、本発明のガスタービン燃焼器は、液体燃料の供給系をパージする機構を備えるようにしている。   The gas turbine combustor of the present invention is provided with a mechanism for purging the liquid fuel supply system.

本発明のガスタービン燃焼器並びにその運転方法によると、液体燃料をガス燃料自体の温度で完全に気化させ尚かつガス燃料と均一に混合してから燃焼器の予混合部内に噴射し、その後に燃焼用空気と混合して希薄予混合気を得るようにしているので、燃焼器内での温度むらや燃焼性のむらの発生を抑制でき、ＮＯｘの増加を防ぐと共に一酸化炭素や未燃炭化水素の増加を抑え、タービンや燃焼器の寿命が低下するのを防止できる。しかも、液体燃料とガス燃料とは、それらが混合される際には酸化剤と接触しておらず、完全に混合された後に燃焼器の予混合部内で大量の燃焼用空気と混合されて希薄予混合気とされてから燃焼器内に噴射されるので、予混合部内への逆火を生じる恐れがなく、安全に運転できる。 According to the gas turbine combustor and the operation method of the present invention, the liquid fuel is completely vaporized at the temperature of the gas fuel itself and is uniformly mixed with the gas fuel, and then injected into the premixing portion of the combustor. Since it is mixed with combustion air to obtain a lean premixed gas, it is possible to suppress the occurrence of temperature unevenness and flammability unevenness in the combustor, while preventing increase in NOx and carbon monoxide and unburned hydrocarbons. The increase in the pressure can be suppressed, and the life of the turbine and the combustor can be prevented from decreasing. Moreover, the liquid fuel and the gas fuel are not in contact with the oxidant when they are mixed, and after being completely mixed, they are mixed with a large amount of combustion air in the premixing section of the combustor and diluted. Since the premixed gas is injected into the combustor, there is no risk of backfire into the premixing section, and safe operation is possible.

また、ガス燃料自体の温度を利用して液体燃料を完全に気化させて天然ガスとの完全混合燃料を生成した後に予混合部で燃焼用空気と混合させるものであるため、既存の希薄予混合燃焼式低ＮＯｘ燃焼構造例えば天然ガス専焼燃焼器などのノズル以降の低ＮＯｘ燃焼構造をそのまま利用して液体燃料とガス燃料との混焼を可能にする。その結果、液体燃料専焼の燃焼器と比べて著しいＮＯｘ低減効果が得られる。また、燃料供給系および気化手段の予混合部の上流への追加設置のみの僅かなシステム改造によって既存の天然ガス用ガスタービン燃焼器を用いて液体燃料と天然ガスとの混焼を実現できるので、燃焼器の開発費用および開発期間の短縮が可能になる。しかも、燃焼器内への水または水蒸気の噴射、または排煙脱硝装置の追設などの環境対策の強化およびそれに伴う環境対策費用の増加を行う必要が無く、エネルギー効率の低下も招かない。 In addition, since the liquid fuel is completely vaporized using the temperature of the gas fuel itself to produce a completely mixed fuel with natural gas and then mixed with the combustion air in the premixing section, the existing lean premixing Combustion-type low NOx combustion structure For example, a low NOx combustion structure after a nozzle such as a natural gas combustor is used as it is to enable co-firing of liquid fuel and gas fuel. As a result, a remarkable NOx reduction effect can be obtained as compared with a combustor exclusively for liquid fuel. In addition, by coexisting liquid fuel and natural gas using an existing natural gas gas turbine combustor by a slight modification of the system, which is only an additional installation upstream of the premixing section of the fuel supply system and vaporization means, Combustor development costs and development time can be shortened. In addition, there is no need to strengthen environmental measures such as water or water vapor injection into the combustor or additional installation of a flue gas denitration device, and increase the cost of environmental measures associated therewith, and the energy efficiency is not lowered.

加えて、請求項２記載の発明によると、エネルギー効率が他の方式よりも格段に高いGTCCで液体燃料を使用することで、エネルギーを有効に使うことができる。 In addition, according to the invention described in claim 2, energy can be used effectively by using liquid fuel in GTCC, which has much higher energy efficiency than other systems.

また、請求項３記載の発明によると、ガス燃料は燃料予混合手段に達するまでの昇温により、気化させる液体燃料の限界量を飛躍的に増大させることができると共に廃熱回収を図ることができる。 Further, according to the invention described in claim 3 , the limit amount of the liquid fuel to be vaporized can be dramatically increased and the waste heat can be recovered by raising the temperature until the gas fuel reaches the fuel premixing means. it can.

また、請求項４記載の発明によると、アルコール系燃料は比較的低温で気化するため、燃焼器に供給されるガス燃料の温度によって確実に気化させて希薄予混合燃焼を実現することができる。これによりガスタービン燃焼器において使用でき燃料の多様化を実現できる。 According to the fourth aspect of the present invention, since the alcohol-based fuel is vaporized at a relatively low temperature, the lean premixed combustion can be realized by being surely vaporized according to the temperature of the gas fuel supplied to the combustor. As a result, the fuel can be used in a gas turbine combustor and fuel can be diversified.

また、植物由来のバイオエタノールを液体燃料として用いる請求項５記載の発明によると、固体バイオマス燃料と比べて収集効率および輸送効率が高いので、バイオマス燃料を使う際の重大な障害であった燃料の安定供給の実現を可能とすると共に運転コストを低廉なものとできる。しかも、植物由来の液体燃料は、灰やスラグの原因となる無機成分、ダイオキシンの原因となる塩素、タービンなどの材料の腐食の原因となるナトリウムやカリウム、およびスモークや輝炎の原因となる芳香族炭化水素や環状炭化水素などを含まないので、それらに起因する問題を一切なくすことができる。つまり、灰、スラグ、ダイオキシンを排出せず、タービンなどの材料の寿命延伸を図れる。さらに、液体燃料としてそのまま使用されるため、高温で燃料をガス化する必要もなければ、タールの発生もタールの除去のための純水も必要としない。しかも、バイオマス燃料なので燃焼時に排出されるＣＯ２は元々大気中のＣＯ２に起因するものであり、新たなＣＯ２の発生に繋がらず、ＣＯ２の排出削減に大きく寄与できる。依って、天然ガス用ガスタービン燃焼器において天然ガスのみを燃焼させるときよりも、ＣＯ２の排出削減に大きく寄与でき、ＮＯｘ並びにスモークの排出量の増加も対処可能な範囲の僅かな量に抑えることができる。 In addition, according to the invention according to claim 5, wherein plant-derived bioethanol is used as the liquid fuel, the collection efficiency and the transport efficiency are higher than that of the solid biomass fuel, so that the fuel that has been a serious obstacle when using the biomass fuel is used. A stable supply can be realized and the operation cost can be reduced. Moreover, plant-derived liquid fuels contain inorganic components that cause ash and slag, chlorine that causes dioxins, sodium and potassium that cause corrosion of materials such as turbines, and fragrances that cause smoke and luminous flames. Since no aromatic hydrocarbons or cyclic hydrocarbons are contained, any problems caused by them can be eliminated. That is, ash, slag, and dioxins are not discharged, and the life of materials such as turbines can be extended. Furthermore, since it is used as it is as a liquid fuel, it is not necessary to gasify the fuel at a high temperature, and neither generation of tar nor pure water for removing tar is required. Moreover, CO 2 emitted during combustion because biomass fuels are those originally attributed to atmospheric CO 2, not connected to the occurrence of a new CO 2, can contribute greatly to reducing emissions of CO 2. Therefore, compared with the case where only natural gas is burned in the gas turbine combustor for natural gas, it is possible to greatly contribute to CO 2 emission reduction, and the increase of NOx and smoke emission amount is suppressed to a small amount within a dealable range. be able to.

さらに、液体燃料としてバイオエタノールを用いると、ガスタービン燃焼器に供給するために圧縮された後のガス燃料の温度で完全に気化が可能であることから、ガス燃料を加熱するための手段などを特に必要とせず、ガスタービン燃焼器設備への追加設備を少なくすることができる。 Further, as the liquid fuel Being use of bioethanol, since it is possible to completely vaporized at a temperature of the gas fuel after being compressed in order to supply to the gas turbine combustor, including means for heating the gas fuel Is not required, and additional equipment to the gas turbine combustor equipment can be reduced.

また、請求項６記載の発明によると、廃プラスチック、褐炭、超重質油などの低品位燃料を原料として合成するジメチルエーテルを液体燃料として用いても、ボイラー蒸気タービン発電と比べて、ガスタービン複合発電のエネルギー効率は高いので、燃料消費量を低減できることから、ＣＯ２の生成量も低減できる。ＬＰＧ、工業用アルコールを液体燃料として用いる場合についても同様である。しかも、従来利用価値が低かった褐炭や超重質油、費用をかけて廃棄せざるを得なかった廃プラスチックなどを有効利用できると共に、既存のガスタービン設備を用いて天然ガスなどのガス燃料との混焼を可能とするので、燃料の多様化を実現できる。さらに、バイオマスを原料として製造したジメチルエーテルを用いると、大きなＣＯ２削減効果が得られる。 Further, according to the invention described in claim 6 , even when dimethyl ether synthesized from low-grade fuel such as waste plastic, lignite, and super heavy oil is used as a liquid fuel, compared with boiler steam turbine power generation, gas turbine combined power generation Since the energy efficiency of CO 2 is high, the fuel consumption can be reduced, so that the amount of CO 2 produced can also be reduced. The same applies to the case where LPG or industrial alcohol is used as the liquid fuel. In addition, lignite and superheavy oil, which had a low utility value, and waste plastic that had to be disposed of at high cost can be used effectively, and gas fuel such as natural gas can be used with existing gas turbine equipment. Because mixed combustion is possible, diversification of fuel can be realized. Furthermore, when dimethyl ether produced using biomass as a raw material is used, a large CO2 reduction effect can be obtained.

また、請求項７記載の発明によると、運転停止時に液体燃料の供給系をパージできるため、起動開始時に昇温が十分でないガス燃料に液体燃料が注入されて気化不良による一部液体燃料の噴射に伴う問題を解消でき、高温酸化によるコーキングが原因となる液体燃料供給系の閉塞も防止できる。 According to the seventh aspect of the invention, since the liquid fuel supply system can be purged when the operation is stopped, the liquid fuel is injected into the gas fuel whose temperature is not sufficiently raised at the start of startup, and the injection of a part of the liquid fuel due to poor vaporization. In addition, the problems associated with the liquid fuel supply system can be eliminated, and blockage of the liquid fuel supply system caused by coking due to high temperature oxidation can be prevented.

以下、本発明の構成を図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
図１に、本発明の天然ガス用ガスタービン燃焼器を用いた発電システムの一実施形態を示す。この実施形態のガスタービン発電システムは、天然ガス用ガスタービン燃焼器１０と、該天然ガス用ガスタービン燃焼器１０から供給される燃焼ガス１３で駆動されるタービン１２と、天然ガス用ガスタービン燃焼器１０に圧縮空気１４を供給する空気圧縮機１１と、空気圧縮機１１並びにタービン１２と同軸に配置されている発電機（図示省略）と、起動時に発電機をモータとして駆動するための切替器（図示省略）とを備え、燃焼器１０で生成した燃焼ガス１３をタービン１２に供給して発電機を回し、電力を発生させるようにしている。なお、図示していないが、空気圧縮機１１とタービン１２との間の連結シャフト１６にはクラッチが備えられ、必要に応じて断続できる構造となっている。また、図中の符号１５は圧縮前の空気である。 Hereinafter, the configuration of the present invention will be described in detail based on embodiments shown in the drawings.
FIG. 1 shows an embodiment of a power generation system using a gas turbine combustor for natural gas according to the present invention. The gas turbine power generation system of this embodiment includes a gas turbine combustor 10 for natural gas, a turbine 12 driven by a combustion gas 13 supplied from the gas turbine combustor 10 for natural gas, and gas turbine combustion for natural gas. An air compressor 11 for supplying compressed air 14 to the generator 10, a generator (not shown) arranged coaxially with the air compressor 11 and the turbine 12, and a switch for driving the generator as a motor at startup (Not shown), and the combustion gas 13 generated by the combustor 10 is supplied to the turbine 12 to rotate the generator to generate electric power. In addition, although not shown in figure, the connection shaft 16 between the air compressor 11 and the turbine 12 is equipped with a clutch, and has a structure that can be interrupted as necessary. Moreover, the code | symbol 15 in a figure is the air before compression.

ガスタービン燃焼器１０は、燃焼用空気とガス燃料とを混合して希薄予混合気を生成する予混合部（図示省略）を備える希薄予混合燃焼方式の低ＮＯｘ燃焼構造であり、予混合部の上流側に主燃料たる燃料としてのガス燃料４と従たる燃料としての液体燃料５とを混合してガス状の混合燃料を生成する燃料予混合手段１を備えている。そして、液体燃料５としては、燃焼器１０に供給されるガス燃料４の温度あるいはそれよりも低い温度で気化するものが使用され、液体のまま燃料予混合手段１に注入されるように設けられいる。燃料予混合手段１では、ガス燃料４の温度で注入された液体燃料５を完全に気化させるとともにガス燃料４と均一に混合する。つまり、燃料予混合手段１は気化器並びに混合器として機能するものである。さらに、この燃料予混合手段１を出るときにはガス燃料４と液体燃料５とは完全に混合されたガス状の混合燃料９として燃焼器１０の予混合部に供給される。そして、予混合部では燃焼器１０に供給される圧縮空気１４と混合燃料９を混合させて予混合気としてから燃焼器１０の予混合部内に噴射するように設けられている。 The gas turbine combustor 10 is a lean premixed combustion type low NOx combustion structure including a premixing unit (not shown) that mixes combustion air and gas fuel to generate a lean premixed gas. The fuel premixing means 1 for generating a gaseous mixed fuel by mixing the gas fuel 4 as the main fuel and the liquid fuel 5 as the subordinate fuel is provided on the upstream side. The liquid fuel 5 is one that is vaporized at the temperature of the gas fuel 4 supplied to the combustor 10 or at a temperature lower than that, and is provided so as to be injected into the fuel premixing means 1 as a liquid. Yes. In the fuel premixing means 1, the liquid fuel 5 injected at the temperature of the gas fuel 4 is completely vaporized and mixed with the gas fuel 4 uniformly. That is, the fuel premixing means 1 functions as a carburetor and a mixer. Further, when leaving the fuel premixing means 1, the gas fuel 4 and the liquid fuel 5 are supplied to the premixing portion of the combustor 10 as a gaseous mixed fuel 9 which is completely mixed. In the premixing section, the compressed air 14 and the mixed fuel 9 supplied to the combustor 10 are mixed to form a premixed gas and then injected into the premixing section of the combustor 10.

ここで、液体燃料５の一部が配管内で気化することになると、燃料予混合手段１内での噴射口の差圧が変動し、噴霧が不安定になり、燃料流量も変動を生じ、安定に運転できなくなる。このため、配管５内では液体の状態を保つことが好ましい。そこで、液体燃料は、気化しない温度、通常は液体燃料供給系統の液体燃料タンク３から液体燃料５を加温せずにそのままの状態で配管を通して燃料予混合手段１に供給するようにしている。つまり、液体燃料５は、ガス燃料４の温度よりも低温の液体状態として燃料予混合手段１に供給され、ガスタンク２から配管や図示していない調節弁などを通して供給されるガス燃料・天然ガスと気化した状態で混合される。この結果、昇温したガス燃料よりも低温で燃料予混合手段１に供給される。液体燃料の気化温度が燃焼器１０に供給するために圧縮されたガス燃料の温度よりも遙かに低い場合には、配管５を二重管にして外側に冷却用の空気や水などの冷却媒体を循環させるなどの方法によって、配管５を冷却して配管５内で気化しないようにすることが好ましい。液体燃料は液状で燃料予混合手段１に噴射されるのであれば、特に冷却や加温する必要はなく、供給するだけで十分である。尚、燃料予混合手段１に達した際のガス燃料・天然ガスは、昇圧するための断熱圧縮に伴う熱（所謂圧縮熱）あるいは熱交換器などを利用したガスタービンで仕事を終えた後の排ガスの熱を利用した熱交換などによって、燃焼に適した温度に昇温されている。また、図示していないが、液体燃料供給系統およびガス燃料供給系統には温度センサーが設置されており、燃料温度が監視される。 Here, when a part of the liquid fuel 5 is vaporized in the pipe, the pressure difference of the injection port in the fuel premixing means 1 fluctuates, the spray becomes unstable, and the fuel flow rate also fluctuates. It becomes impossible to drive stably. For this reason, it is preferable to maintain the liquid state in the pipe 5. Therefore, the liquid fuel is supplied to the fuel premixing means 1 through the pipe without being heated from the liquid fuel tank 3 of the liquid fuel supply system, normally the liquid fuel 5 without being heated. That is, the liquid fuel 5 is supplied to the fuel premixing means 1 as cold liquid state than the temperature of the gas fuel 4, the gas fuel and natural gas supplied through such control valve which is not piping and shown from the gas tank 2 Mixed in a vaporized state. As a result, the fuel premixing means 1 is supplied at a temperature lower than that of the heated gas fuel . When the vaporization temperature of the liquid fuel is much lower than the temperature of the gas fuel compressed to be supplied to the combustor 10, the pipe 5 is made into a double pipe and the outside is cooled with cooling air or water. It is preferable that the pipe 5 is cooled to prevent vaporization in the pipe 5 by a method such as circulating the medium. If the liquid fuel is in a liquid state and is injected into the fuel premixing means 1, it is not necessary to cool or warm in particular, and it is sufficient to supply it. The gas fuel / natural gas when it reaches the fuel premixing means 1 is heated after adiabatic compression for increasing pressure (so-called compression heat) or after the work is finished in a gas turbine using a heat exchanger or the like. The temperature is raised to a temperature suitable for combustion by heat exchange using the heat of exhaust gas. Although not shown, temperature sensors are installed in the liquid fuel supply system and the gas fuel supply system to monitor the fuel temperature.

液体燃料５としては、燃焼器１０の予混合部に供給する直前のガス燃料４の温度、即ち燃焼器１０への供給過程で温度が上昇したガス燃料４の温度あるいはそれよりも低い温度で気化する液体燃料が使用可能であり、好ましくはあらゆるアルコール系燃料、より好ましくは植物由来のアルコール系燃料、さらに好ましくはバイオエタノールの使用である。さらに、液体燃料としては、ＬＰＧまたはＤＭＥなどの液化燃料の使用も可能である。さらに、アルコール系燃料としては、工業用アルコール、バージンアルコール系燃料などが使用可能である。 The liquid fuel 5, the combustor 10 temperature of the gas fuel 4 just before being fed to the premixing section, i.e. the vaporization temperature or a temperature lower than that of the gas fuel 4 the temperature rises in the supply process to the combustor 10 A liquid fuel can be used, preferably any alcohol-based fuel, more preferably a plant-derived alcohol-based fuel, more preferably bioethanol. Furthermore, liquefied fuel such as LPG or DME can be used as the liquid fuel. Furthermore, industrial alcohol, virgin alcohol fuel, etc. can be used as alcohol fuel.

この液体燃料のガス燃料中に気化させる限界量、即ちガス燃料中に気化させる液体燃料の割合は、ガス燃料の圧力と温度に依存する。すなわち、気化混合後の燃料温度が、各燃料の飽和温度よりも高くなければならないという条件で制限される。例えば、ガス会社から供給される中圧の天然ガス（供給圧力約0.5MPa）に液体燃料であるメタノールを気化混合する場合を考えると、高圧のガスタービン（約2MPa）に供給するためにガスを3MPa程度に圧縮する必要がある。このとき、断熱圧縮により、ガス温度は約220℃にまで上昇する。図２に燃料温度と飽和蒸気温度の関係を示す。図２の例では、混合後の燃料温度がエタノールの飽和温度より高い、つまり、ガス燃料中に気化させるエタノールの混合限界割合は約３７％である。特に、アルコール系燃料では水分の混入が避けられないため、水の飽和温度にも制限される。図２はエタノールに５％の水分が混入した場合を示したが、ほぼエタノールの飽和温度と同等である。このようにしてガス燃料に液体燃料を気化させて均一に混合した場合、ガス燃料のみを供給する場合とほぼ同等にあつかうことができるため、従来のような液体燃料を用いるガスタービン燃焼器に比べ、格段にNOxを低減することが可能となり、燃焼器内への水または水蒸気の噴射、または排煙脱硝装置の追設などの環境対策の強化、およびそれに伴う環境対策費用の増加を行う必要が無く、エネルギー効率の低下も招かない。 This limits the amount of vaporizing the gas fuel in a liquid fuel, i.e., the ratio of the liquid fuel vaporizing in the gas fuel is dependent on the pressure and temperature of the gas fuel. That is, the fuel temperature after vaporization and mixing is limited on the condition that the fuel temperature must be higher than the saturation temperature of each fuel. For example, considering the case of vaporizing and mixing methanol, which is a liquid fuel, with medium-pressure natural gas (supply pressure of about 0.5 MPa) supplied from a gas company, gas is supplied to supply to a high-pressure gas turbine (about 2 MPa). It is necessary to compress to about 3MPa. At this time, gas temperature rises to about 220 degreeC by adiabatic compression. FIG. 2 shows the relationship between the fuel temperature and the saturated steam temperature. In the example of FIG. 2, the fuel temperature after mixing is higher than the saturation temperature of ethanol, that is, the mixing limit ratio of ethanol vaporized in the gas fuel is about 37%. In particular, in alcohol-based fuels, the mixing of moisture is unavoidable, so that the saturation temperature of water is also limited. FIG. 2 shows a case where 5% of water is mixed in ethanol, which is almost equal to the saturation temperature of ethanol. In this way, when liquid fuel is vaporized into gas fuel and mixed uniformly, it can be used almost the same as when only gas fuel is supplied, so compared with conventional gas turbine combustors that use liquid fuel. Therefore, it becomes possible to significantly reduce NOx, and it is necessary to strengthen environmental measures such as the injection of water or water vapor into the combustor, or the additional installation of flue gas denitration equipment, and increase the cost of environmental measures accordingly. There is no reduction in energy efficiency.

発電所などの大規模に天然ガスを消費する施設では、液体天然ガスを直接受け入れていることが多い。このような場合には、液化ガスの一部を気化させて圧力を上昇させ、その後、熱交換によってすべての液化ガスを気化させることが多い。このような施設を設けた発電プラントでは、ガスタービンに供給される天然ガスは、高圧常温である。図３に常温状態で３MPa の天然ガスを供給した場合のエタノールの混合限界割合を示す。この図によると、常温のガス燃料に対するエタノールの混合限界割合は約３．４％と、２２０℃で供給した場合の1/10 以下となることがわかる。このことから、ガス燃料への液体燃料の注入は、より温度が高い状態で行うことが混合量を増やす上で不可欠である。一方、ガスタービンでは高温部を冷却した空気あるいは蒸気などの冷媒の熱や、圧縮機の途中で空気を取り出して(抽気)を冷却するなど、廃熱として処理される熱源がある。この熱を用いて燃料を加熱し、本方式により液体燃料を供給可能にすれば、廃熱回収が進み省エネ効果も得られる。つまり、ガス燃料の加熱・昇温は、廃熱回収のみならず、気化させる液体燃料の限界量を増やす上でも好ましいものとなる。 Facilities that consume natural gas on a large scale, such as power plants, often accept liquid natural gas directly. In such a case, a part of the liquefied gas is vaporized to increase the pressure, and then all the liquefied gas is often vaporized by heat exchange. In a power plant provided with such a facility, the natural gas supplied to the gas turbine is at high pressure and room temperature. Fig. 3 shows the mixing limit ratio of ethanol when natural gas of 3 MPa is supplied at room temperature. According to this figure, it can be seen that the mixing limit ratio of ethanol to normal temperature gas fuel is about 3.4%, which is 1/10 or less of that supplied at 220 ° C. For this reason, the injection of the liquid fuel into the gas fuel is indispensable for increasing the mixing amount to be performed at a higher temperature. On the other hand, in a gas turbine, there is a heat source that is processed as waste heat, such as heat of a refrigerant such as air or steam that has cooled a high-temperature part, or cooling air by extracting air (extracted air) in the middle of a compressor. If this heat is used to heat the fuel and liquid fuel can be supplied by this method, waste heat recovery proceeds and an energy saving effect can be obtained. That is, heating / heating of gas fuel is preferable not only for recovering waste heat but also for increasing the limit amount of liquid fuel to be vaporized.

また、液体燃料によってはその供給を停止した場合に、供給系統内に残留した液体燃料が流動しなくなる恐れがある。そこで、このような液体燃料を用いる場合のガスタービンエンジンでは、液体燃料供給系をパージする機構を付加することによって、液体燃料の供給停止時などに、パージガスで燃料予混合手段１と液体燃料タンク３との間の配管中に残留する液体燃料を燃料予混合手段１へ押し出して残留液体燃料による配管の詰まりなどの問題を解消することが望まれる。パージガスとしては蒸気や窒素などの不活性ガスが好ましい。パージガス例えば蒸気や窒素などを運転停止時に燃料供給系統を通して燃料ノズルに噴射して、燃料供給系統並びに燃料ノズルに残留する液体燃料を一掃することにより、不慮の閉塞などを防止できる。なお、符号８はパージガス源、７は流量制御弁、６はパージガスである。   Further, when the supply of some liquid fuel is stopped, the liquid fuel remaining in the supply system may not flow. Therefore, in such a gas turbine engine using liquid fuel, a mechanism for purging the liquid fuel supply system is added, so that the fuel premixing means 1 and the liquid fuel tank are purged with the purge gas when the liquid fuel supply is stopped. It is desired that the liquid fuel remaining in the pipe between the pipes 3 and 3 is pushed out to the fuel premixing means 1 to solve problems such as clogging of the pipe due to the residual liquid fuel. The purge gas is preferably an inert gas such as steam or nitrogen. By injecting purge gas such as steam or nitrogen into the fuel nozzle through the fuel supply system when the operation is stopped, and cleaning up the liquid fuel remaining in the fuel supply system and the fuel nozzle, accidental blockage or the like can be prevented. Reference numeral 8 is a purge gas source, 7 is a flow control valve, and 6 is a purge gas.

以上のように構成されたガスタービン燃焼器並びにそれを利用したガスタービン発電システムによると、ガス燃料に液体燃料を混合しても完全な希薄予混合燃焼が成立する。 According to the gas turbine combustor configured as described above and the gas turbine power generation system using the gas turbine combustor, complete lean premixed combustion is established even when the liquid fuel is mixed with the gas fuel .

ここで、液体燃料の供給は、負荷運転以上の運転条件においてのみ行い、ガスタービン燃焼器の起動および停止は通常の天然ガス用ガスタービン燃焼器と同じ方法で天然ガスのみを燃焼させることで実施される。例えば図示していない発電機をモータとして駆動することにより、同軸に連結されている空気圧縮機１１を駆動し、圧縮空気をガスタービン燃焼器に供給する。その結果、起動、停止時に、液体燃料の追加による特別な配慮が不要となり、起動、停止時の制御が容易になるとともに、ガスタービンの開発に要する費用および期間を短縮できる。   Here, supply of liquid fuel is performed only under operating conditions exceeding the load operation, and the start and stop of the gas turbine combustor is performed by burning only natural gas in the same manner as a normal gas turbine combustor for natural gas. Is done. For example, by driving a generator (not shown) as a motor, the air compressor 11 connected coaxially is driven, and the compressed air is supplied to the gas turbine combustor. As a result, special considerations due to the addition of liquid fuel are not necessary at the time of starting and stopping, and control at the time of starting and stopping is facilitated, and the cost and period required for the development of the gas turbine can be shortened.

負荷運転に切り替えられた後は、液体燃料タンク３から従たる燃料として液体燃料が燃料予混合手段１に供給されて、燃料予混合手段１の内部で主燃料のガス燃料と混合される。このとき、天然ガスは加圧して燃焼器に供給されるため、圧縮熱によって温度が上昇しているか、熱交換により温度が上昇している。その中に液体燃料が混入することにより、昇温したガス燃料の温度により液体燃料が気化する。そして、液体燃料の全部が蒸発し、天然ガスと完全に混合して斑のない均一状態の完全なガス状の混合燃料９として燃焼器１０の予混合部（図示省略）へと供給される。さらに、このガス状の混合燃料９は予混合部内で燃焼用空気１４と混合してガス燃料と同じ状態で希薄予混合気となって燃焼器１０の内部即ち燃焼器ライナー内に噴射される。そして、天然ガスだけの場合と変わらない状態の希薄予混合燃焼を実現する。 After switching to the load operation, the liquid fuel is supplied from the liquid fuel tank 3 to the fuel premixing means 1 as a follow fuel, and is mixed with the gas fuel of the main fuel inside the fuel premixing means 1. At this time, since the natural gas is pressurized and supplied to the combustor, the temperature is increased by compression heat or the temperature is increased by heat exchange. When liquid fuel is mixed in the liquid fuel, the liquid fuel is vaporized by the temperature of the heated gas fuel . Then, all of the liquid fuel evaporates and is completely mixed with natural gas and supplied to a premixing section (not shown) of the combustor 10 as a uniform and complete gaseous mixed fuel 9 with no spots. Further, the gaseous mixed fuel 9 is mixed with the combustion air 14 in the premixing section and becomes a lean premixed gas in the same state as the gas fuel, and is injected into the combustor 10, that is, into the combustor liner. And the lean premixed combustion of the state which is not different from the case of only natural gas is realized.

このとき、ガス状の混合燃料９と燃焼用空気との予混合気は天然ガスの予混合器と同じ状態であるため、天然ガス用燃焼器の構造をそのまま利用して燃焼させることが可能になる。天然ガス専焼の燃焼器は、希薄予混合燃焼などを利用した特殊な低ＮＯｘ燃焼構造を採用しており、液体燃料とガス燃料とのガス状混合燃料を天然ガスと同じノズルから燃焼器に供給することにより、天然ガスに匹敵する低ＮＯｘ燃焼が可能になる。その結果、液体燃料専焼の燃焼器と比べて著しいＮＯｘ低減効果が得られる。また、燃料供給系、および燃料ノズルなどの燃料供給構造の変更のみで、従来の天然ガス用燃焼器本体の構造はそのまま適用できるので、燃焼器の開発費用および開発期間の短縮が可能になる。 At this time, since the premixed gas of the gaseous mixed fuel 9 and the combustion air is in the same state as the natural gas premixer, it can be burned using the structure of the natural gas combustor as it is. Become. The natural gas-burning combustor adopts a special low NOx combustion structure that uses lean premixed combustion, etc., and supplies a gaseous mixed fuel of liquid fuel and gas fuel from the same nozzle as natural gas to the combustor. By doing so, low NOx combustion comparable to natural gas becomes possible. As a result, a remarkable NOx reduction effect can be obtained as compared with a combustor exclusively for liquid fuel. Further, the structure of the conventional combustor body for natural gas can be applied as it is only by changing the fuel supply structure such as the fuel supply system and the fuel nozzle, so that the development cost and development period of the combustor can be shortened.

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば本実施形態では、既存の希薄予混合燃焼式低ＮＯｘ燃焼構造である天然ガス専焼のガスタービン燃焼器を用いたガスタービン発電システム及びその運転方法について主に説明したが、これに特に限られないことは言うまでもなく、その他のガスタービン燃焼器や自動車用天然ガスタービン燃焼器などに適用することも可能である。特に、本発明のガスタービン燃焼器は、図示していないが、タービン１２の後流に、排ガスの熱を回収し蒸気を発生する排ガスボイラーを備え、その蒸気を用いて蒸気タービンを回すガスタービンコンバインド発電プラント（GTCC）を構成することが好ましい。エネルギー効率が他の方式よりも格段に高いGTCCで液体燃料を使用することで、エネルギーを有効に使うことができる。   The above-described embodiment is an example of a preferred embodiment of the present invention, but is not limited thereto, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention. For example, in the present embodiment, the gas turbine power generation system using the gas turbine combustor exclusively for natural gas, which is an existing lean premixed combustion type low NOx combustion structure, and the operation method thereof have been mainly described. Needless to say, the present invention can be applied to other gas turbine combustors and natural gas turbine combustors for automobiles. In particular, the gas turbine combustor of the present invention is not shown in the figure, but is provided with an exhaust gas boiler that recovers the heat of exhaust gas and generates steam in the downstream of the turbine 12, and uses the steam to rotate the steam turbine. It is preferable to constitute a combined power plant (GTCC). Energy can be used effectively by using liquid fuel in GTCC, which has much higher energy efficiency than other systems.

本発明にかかるガスタービン燃焼器の実施形態を示す概略構成図である。It is a schematic structure figure showing an embodiment of a gas turbine combustor concerning the present invention. 高温のガス燃料中に気化させる液体燃料の限界量とその混合機の温度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the limit amount of the liquid fuel vaporized in high temperature gas fuel, and the temperature of the mixer. 低温のガス燃料中に気化させる液体燃料の限界量とその混合機の温度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the limit amount of the liquid fuel vaporized in low temperature gas fuel, and the temperature of the mixer.

符号の説明Explanation of symbols

１ 燃料予混合手段
２ 天然ガスタンク
３ 液体燃料タンク
４ ガス燃料
５ 液体燃料
６ パージガス
９ ガス状の混合燃料
１０ 燃焼器 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel premixing means 2 Natural gas tank 3 Liquid fuel tank 4 Gas fuel 5 Liquid fuel 6 Purge gas 9 Gaseous mixed fuel 10 Combustor

Claims (8)

ガス燃料を用いるガスタービン燃焼器において、燃焼器に供給する前の前記ガス燃料に前記ガス燃料の温度あるいはそれよりも低い温度で気化する液体燃料を液体のまま注入し、前記ガス燃料の温度で前記液体燃料を気化させるとともに前記ガス燃料と均一に混合する燃料予混合手段を備え、前記燃焼器に供給される圧縮空気によって前記ガス燃料と気化した液体燃料との混合燃料を予混合させてから前記燃焼器内に噴射させる予混合部とを備え、前記燃焼器内で前記予混合気を燃焼させてタービンを駆動する燃焼ガスを生成させるガスタービン燃焼器。 In the gas turbine combustor using a gas fuel, a liquid fuel to vaporize at temperature or a temperature lower than that of the gas fuel to the gas fuel before being supplied to the combustor is injected remains liquid, at a temperature of the gas fuel A fuel premixing means for vaporizing the liquid fuel and uniformly mixing with the gas fuel is provided, and the mixed fuel of the gas fuel and the vaporized liquid fuel is premixed by the compressed air supplied to the combustor. A gas turbine combustor including a premixing unit that injects the gas into the combustor, and generates combustion gas that drives the turbine by burning the premixed gas in the combustor. 前記ガスタービン燃焼器は、タービンの後流に、排ガスの熱を回収し蒸気を発生する排ガスボイラーを備え、その蒸気を用いて蒸気タービンを回すガスタービンコンバインド発電プラントを構成するものである請求項１記載のガスタービン燃焼器。 The gas turbine combustor comprises a gas turbine combined power plant including an exhaust gas boiler that recovers heat of exhaust gas and generates steam at a downstream of the turbine, and uses the steam to rotate the steam turbine. The gas turbine combustor according to claim 1. 前記ガス燃料は前記燃料予混合手段に達した際には燃焼に適した温度に昇温されているものである請求項１または２記載のガスタービン燃焼器。 The gas turbine combustor according to claim 1 or 2, wherein the gas fuel is heated to a temperature suitable for combustion when it reaches the fuel premixing means . 前記液体燃料がアルコール系燃料である請求項１から３のいずれか１つに記載のガスタービン燃焼器。 The gas turbine combustor according to any one of claims 1 to 3, wherein the liquid fuel is an alcohol fuel. 前記アルコール系燃料が植物由来のバイオエタノールである請求項４記載のガスタービン燃焼器。 The gas turbine combustor according to claim 4, wherein the alcohol fuel is plant-derived bioethanol . 前記液体燃料がＬＰＧまたはＤＭＥの液化燃料である請求項１から３のいずれか１つに記載のガスタービン燃焼器。The gas turbine combustor according to any one of claims 1 to 3, wherein the liquid fuel is LPG or DME liquefied fuel. 運転停止時に前記液体燃料の供給系をパージする機構を備える請求項１から６のいずれか１つに記載のガスタービン燃焼器。The gas turbine combustor according to claim 1, further comprising a mechanism for purging the liquid fuel supply system when the operation is stopped. ガス燃料を用いるガスタービン燃焼器において、負荷運転以上の運転条件で、供給過程で温度が上昇したガス燃料中に前記ガス燃料の温度あるいはそれよりも低い温度で気化する液体燃料を注入して、前記ガス燃料の温度で前記液体燃料を気化させるとともに前記ガス燃料と均一に混合してから予混合部に供給し、圧縮空気と前記混合燃料とを予混合してから燃焼器内へ噴射させて燃焼させ、タービンを駆動する燃焼ガスを生成させることを特徴とするガスタービン燃焼器の運転方法。In a gas turbine combustor using gas fuel, by injecting a liquid fuel that vaporizes at a temperature lower than or equal to the temperature of the gas fuel into the gas fuel whose temperature has increased during the supply process under operating conditions over the load operation, The liquid fuel is vaporized at the temperature of the gas fuel and uniformly mixed with the gas fuel, then supplied to the premixing section, premixed with the compressed air and the mixed fuel, and then injected into the combustor. A method for operating a gas turbine combustor, wherein combustion gas is generated to generate combustion gas for driving a turbine.
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