JP3673009B2 - Gas turbine combustor - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービン燃焼器に係り、特に燃焼室に燃料を噴射する燃料供給部が液体燃料,気体燃料いずれの燃料種にも適用でき、また液体燃料,気体燃料を同時に併用でき、これら燃料種を選択することによりガスタービン排ガス中のNOx濃度を少なくするガスタービン燃焼器に関する。
【0002】
【従来の技術】
ガスタービンプラントやコンバインドサイクル発電プラントには、空気圧縮機とガスタービンとの間に複数個のガスタービン燃焼器が組み込まれており、ガスタービン燃焼器で生成された燃焼ガスをガスタービンに案内し、ガスタービンを駆動させるようになっている。
【0003】
近年、ガスタービンプラントやコンバインドサイクル発電プラントは、タービン熱効率を向上させるためガスタービン燃焼器の燃焼ガスの高温化(ガスタービン入口温度の高温化)が図られているが、燃焼ガスの高温化に伴ってガスタービン排ガス中のNOx濃度も高くなり、環境に与える影響が大きいため、現在、ガスタービン排ガス中のNOx濃度低減化を図る技術が模索されている。
【0004】
ガスタービン燃焼器のNOx発生の主要因は、ガスタービン燃焼器内における燃焼ガスの局所的な高温化が挙げられ、NOx発生量はガスタービン燃焼器の燃焼ガス温度に依存している。NOxは、ガスタービン燃焼器内で燃料と空気とが拡散混合して燃焼する中で、燃料と空気とが燃空比1に近い状態のときに高温拡散燃焼する場合、多量に発生する。
【0005】
従来、ガスタービン燃焼器内で発生するNOxを低く抑える方法には、燃料に予め空気を加えて燃料希薄状態にして燃焼させる希薄予混合燃焼方式や燃焼ガス中に水や蒸気を投入する水・蒸気噴射燃焼方式が既に提案されている。
【0006】
希薄予混合燃焼域を適用するガスタービン燃焼器は、燃焼室の頭部側を第1段燃焼領域に、その頭部の下流側を第2段燃焼領域にそれぞれ区分けし、第1段燃焼領域に比較的少量の燃料を噴射し、高温の燃焼ガスを生成させ、この燃焼ガスを火炎(火種)にして第2段燃焼領域に多量の希薄予混合燃料を噴射し、局所的高温の燃焼ガスの発生を防止することによりNOxの発生を低く抑えていた。この場合、第1段燃焼領域に液体燃料を噴射するパイロット用燃料供給部は、パイロット用燃料ノズルを同芯的に取り囲み液体燃料を微粒化させる燃焼用空気ノズルを備え、燃焼用空気ノズルにより微燃化した液体燃料を拡散燃焼させていた。また、第2段燃焼領域に液体燃料を噴射するメイン用燃料供給部は、メイン用燃料ノズルと予混合ダクトとをそれぞれ備え、予混合ダクトでメイン用燃料ノズルから噴射する液体燃料に空気を加えて燃料希薄状態の予混合燃料にし、ガスタービン駆動用の燃焼ガスを生成していた。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
最近のガスタービンプラントやコンバインドサイクル発電プラントにおいては、タービン熱効率をさらに飛躍的に向上させるため、ガスタービン燃焼器での燃焼ガスの高温化が図られているが、燃焼ガスの高温化に伴ってより一層の発生濃度の低いNOxが求められている。NOxの発生濃度をより一層低くするためには、パイロット用燃料供給部から第1段燃焼領域に噴射する液体燃料の使用量を従来よりも少なくし、残りの全てをメイン用燃料供給部から第2段燃焼領域に噴射する希薄液体燃料で燃焼ガスを生成することが必要になってきている。
【0008】
しかし、従来の希薄予混合燃焼方式では、パイロット用燃料供給部から第1段燃焼領域に噴射する液体燃料を従来以上に減らすと、メイン用燃料供給部から第2段燃焼領域に噴射する希薄液体燃料で燃焼ガスを生成する中で、液体燃料の吹き消えの問題があった。このためパイロット用燃料供給部から第1段燃焼領域に噴射する液体燃料を減らすことに限界があり、希薄予混合燃焼方式によるNOx濃度発生量を従来よりもより低く抑えるガスタービン燃焼器の出現に困難を来している。
【0009】
本発明は、このような事情に基づいてなされたもので、第1段燃焼領域に噴射するパイロット用燃料供給部からの液体燃料を、気体燃料にも自由に切り換えることができるようにする一方、第2段燃焼領域に噴射するメイン用燃料供給部からの液体燃料を、気体燃料にも自由に切り換えることができるようにしてNOx発生濃度を従来よりも低くするガスタービン燃焼器を提供することを目的とする。
【0010】
本発明の他の目的は、第1段燃焼領域に噴射するパイロット用燃料供給部からの液体燃料に、気体燃料も同時に併用できるガスタービン燃焼器を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るガスタービン燃焼器は、上記目的を達成するために、請求項1に記載したように、燃焼器ライナ内に形成される燃焼室を、燃焼器ライナ頭部側の第1段燃焼領域と、この第1段燃焼領域の後流側の第2段燃焼領域とに区分けし、上記第1段燃焼領域にパイロット用燃料を噴射するパイロット用燃料供給部と、第2段燃焼領域に燃料希薄状態で予混合されたメイン用燃料を噴射するメイン用燃料供給部とをそれぞれ備え、上記パイロット用燃料供給部はパイロット用燃料を噴射するパイロット用燃料ノズルを、第1パイロット用燃料を噴射する第1パイロット用燃料ノズルと、第1パイロット用燃料ノズルが噴射する第1パイロット用燃料種に応じて液体燃料,気体燃料,空気のいずれかを選択的に噴射する第2パイロット用ノズルと、第3パイロット用燃料を噴射する第3パイロット用燃料ノズルのそれぞれに区画する一方、上記メイン用燃料供給部はメイン用燃料を噴射する複数のメイン用燃料ノズルと、これらメイン用燃料ノズル毎に臨みメイン用燃料に空気を加えて燃料希薄状態にする予混合ダクトとをそれぞれ備えるとともに、上記メイン用燃料供給部に液体燃料または気体燃料のいずれかを選択的に供給する燃料通路を備えたガスタービン燃焼器において、上記メイン用燃料供給部は、上記メイン用燃料ノズルの燃料噴射口から延設する燃料吹出し口を設け、この燃料吹出し口に斜路を形成する案内壁と、この斜路の頭部から下流側に向って形成する平坦状の噴霧部とで構成したものである。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るガスタービン燃焼器の一実施形態を図面を参照して説明する。
【0024】
図1は、本発明に係るガスタービン燃焼器の一部切欠概略断面図である。
【0025】
符号1で示すガスタービン燃焼器は、全体として長筒状に形成され、ガスタービンプラントの空気圧縮機とガスタービンとの間に例えば6個,8個…と複数個設置されている。
【0026】
ガスタービン燃焼器1は、燃焼器外筒2内に筒状の燃焼器ライナ3を収容し、燃焼器ライナ3により燃焼室6を内部に形成する構造になっている。また、燃焼器ライナ3には、燃焼器外筒2との間に空気通路5を形成するフロースリーブ7が設けられており、このフロースリーブにより空気圧縮(図示せず)の圧縮空気を燃焼室6の頭部側に燃焼用として、また燃焼室6の途中で燃焼ガス温度の希釈用として案内するようになっている。
【0027】
燃焼器ライナ3により形成される燃焼室6は、その頭部側を横置きの釣鐘状に形成するとともに、その下流側に向って漸次拡開して円筒状の室にし、下流側をトランジションピース(図示せず)に接続されている。また、燃焼室6は、その頭部側を第1段燃焼領域6aに、この第1段燃焼領域6aに隣接する後流側を第2段燃焼領域6bにそれぞれ区分けされている。
【0028】
燃焼器ライナ3の頭部側には、第1段燃焼領域6aにパイロット用燃料Aを噴射するパイロット用燃料供給部8が設けられ、このパイロット用燃料供給部8はパイロット用燃料供給手段としてのパイロット用燃料ノズル9が設置されている。また、パイロット用燃料ノズル9の外側には第2段燃焼領域6bにメイン用燃料Bを噴射するメイン用燃料供給部10が設けられている。このメイン用燃料供給部10は、メイン用燃料供給手段としてのメイン用燃料ノズル11と予混合ダクト12を備える構成になっている。パイロット用燃料ノズル9とメイン用燃料ノズル11とは、燃焼器外筒2の開口部を覆うヘッドプレート13に設置されている。このヘッドプレート13は、段階状に凹設され、各段部に複数のメイン用燃料ノズル11を設置し、複数のメイン用燃料ノズル11をパイロット燃料ノズル9に接近させる集中化が図られている。
【0029】
パイロット用燃料ノズル9は、中央に例えば軽油,灯油等のパイロット用液体燃料Aを使用する第1パイロット用燃料ノズル14と、第1パイロット用燃料ノズル14を包囲構成し、第1パイロット用燃料ノズル14が使用する燃料に応じて液体燃料,気体燃料,空気のいずれかの流体を選択的に使用する第2パイロッ用燃料ノズル15と、第2パイロット用燃料ノズル15を同芯状に取り囲み、例えばLNG等のパイロット用燃料Cを使用する第3パイロット用燃料ノズル16と、第3パイロット用燃料ノズル16の周辺に設けたスワラ17とから構成され、第1段燃焼領域6aにパイロット用燃料AまたはCを旋回流として噴射させるようになっている。
【0030】
第1パイロット用燃料ノズル14は、図2に示すように、一端に燃料入口18を、他端に燃料出口19を備えて軸方向に延びる燃料通路20と、燃料通路20に連通する狭小通路21と、狭小通路21を流れるパイロット用燃料Aに転向と同時に旋回流を与える転向・旋回通路22と、転向・旋回通路22に連通して開口面積を徐々に小さくする燃料出口19とをそれぞれ備えている。
【0031】
第2パイロット用ノズル15は、液体燃料,気体燃料,液体燃料微粒化用の空気のいずれの流体にも適用できるよう構成され、図示しないマニホールドから流体入口23を介して供給される流体、例えば液体燃料微流化用の空気を案内する流体通路24と、流体通路24の下流側に設けられ流体の流れを通路壁周方向に沿うように旋回流を与えるリング状に構成された流体旋回器25と、流体旋回器25の下流側に向って流体を増速させる縮流通路26と、縮流通路26の下流端で増速・旋回流を伴う流体により燃料出口19から噴射するパイロット用燃料Aを微粒化し、第1段燃焼領域6aに噴射させる流体出口26aとをそれぞれ備えている。
【0032】
第3パイロット用燃料ノズル16は、第2パイロット用ノズル15の流体通路24の外周側に設けられ、図示しない燃料供給部から燃料入口27を介してパイロット用燃料C、例えばLNG等の気体燃料を案内する燃料通路28と、燃料通路28の下流側に向って段階的に開口面積を小さくする燃料縮流通路29と、燃料縮流通路29の下流端の斜め方向からスワラ17に向って穿設する燃料噴射口30とをそれぞれ備えている。
【0033】
一方、メイン用燃料供給部10を構成するメイン用燃料ノズル11と予混合ダクト12には、パイロット用燃料ノズル9の外側から順に、第1メイン用燃料ノズル11a,第1予混合ダクト12a,第2メイン用燃料ノズル11b,第2予混合ダクト12b,第3メイン用燃料ノズル11c,第3予混合ダクト12c,第4メイン用燃料ノズル11d,第4予混合ダクトの多段状にそれぞれ区画され、各予混合ダクト12a,12b,…をパイロット用燃料ノズル9に近付けることにより、燃焼ガスの吹き消えの防止が図られている。また、メイン用燃料供給部10は、メイン用燃料B例えば液体燃料を燃料弁31,燃料マニホールド32を介して各メイン用燃料ノズル1a,11b,…に区画されるメイン用燃料ノズル11に供給する第1メイン用燃料通路33を備えている。この第1メイン用燃料通路33には、環状の燃料ヘッダ34がヘッドプレート13内に設けられている。
【0034】
燃料ヘッダ34には、軸方向と交差する方向に沿って延びる第2メイン用燃料通路35が設けられており、この第2メイン用燃料通路35に燃料切換弁36,燃料マニホールド37を介してメイン用燃料、例えば気体燃料を、メイン用燃料Bに切り換えて供給することができるようになっている。
【0035】
第1予混合ダクト12a,第2予混合ダクト12b,…に区画される予混合ダクト12は、入口側に旋回翼38を設ける一方、途中から燃焼器ライナ3に向って転向させる絞り通路39を形成する。この絞り通路39は、上流側から下流側に向って開口面積を徐々に小さくする通路に形成されている。また予混合ダクト12の燃焼器ライナ3への接続部分には、空気通路5の圧縮空気を燃焼室6内に案内する空気吹き出し口40が設けられている。
【0036】
第1メイン用燃料ノズル11a,第2メイン用燃料ノズル11b,…に区画されるメイン用燃料ノズル11は、図3に示すように、ヘッドプレート13内に穿設される燃料ヘッダ34を介して突出しリブ41の燃料案内路42に接続されており、燃料噴射口43に一体的に設けられる燃料吹き出し口44を備えている。
【0037】
燃料吹き出し口44は、燃料噴射口43から噴射する例えばメイン用燃料B(液体燃料)を、極薄膜状にして流す斜路45と、斜路45の頂部45aから圧縮空気aの押圧力によりメイン用燃料Bを霧化させ、霧化させたメイン用燃料Bの飛散中に蒸発させる噴霧部46をそれぞれ備えている。この噴霧部46は、表面が平坦形状になっている。
【0038】
また、燃料吹き出し口44には、燃料噴射口43から噴射するメイン用燃料Bを、噴霧部46に案内する案内壁45bが設けられている。なお、斜路45はメイン用燃料Bを極薄膜にして流す関係上、燃料噴射口43の軸線に対し5°以上の角度にすることが好ましく、また斜路45の頂部45aは圧縮空気aの押圧力を効果的に利用するために予混合ダクト12の入口よりもやや奥側に設置することが望ましい。
【0039】
次に作用を説明する。
【0040】
ガスタービン燃焼器1の運転は、ガスタービンプラントの運転に応じて制御され、燃料着火からガスタービン初負荷まで、パイロット用燃料供給部8の第1パイロット用燃料ノズル14にパイロット用燃料A、例えば液体燃料が供給される。第1パイロット用燃料ノズル14に供給されたパイロット用燃料Aは、図2に示すように、燃料入口18から燃料通路20、狭小通路21を流れる間に増速され、転向・旋回通路22により旋回流が与えられて転向し、転向後、燃料出口19から噴射される。
【0041】
一方、第2パイロット用ノズル15は、第1パイロット用燃料ノズル14が液体燃料を使用する場合、燃料用空気を使用するようになっている。
【0042】
第2パイロット用ノズル15の流体入口23に供給される空気は、流体通路24を経て流体旋回器25により旋回流が与えられ、縮流通路26により増速され、増速後、燃料出口19から噴射される液体燃料に旋回流を与えて微粒化させ、流体出口26aを噴出する際、スワラ17から旋回して噴出される圧縮空気と反応して第1段燃焼領域6a(図1)で拡散燃焼が行われる。
【0043】
なお、本実施形態では、第1パイロット用燃料ノズル14に液体燃料を使用し、第2パイロット用ノズル15に空気を使用した場合について説明したが、第2パイロット用ノズル15に気体燃料を供給し、第1パイロット用燃料ノズル14の液体燃料と併用させて拡散燃焼を行ってもよい。また、第1パイロット用燃料ノズル14に供給される液体燃料をカットし、第2パイロッ用ノズル15に液体燃料を供給する一方、第3パイロット用燃料ノズル16に気体燃料を供給し、これら両ノズル15,16を併用して拡散燃焼を行ってもよい。この場合、第3パイロット用燃料ノズル16は、図2に示すように、燃料入口27に気体燃料を供給し、燃料通路28から燃料縮流通路29に流れる際、増速させ、増速後、燃料噴射口30から噴出するとき、スワラ17から旋回して噴射される圧縮空気と反応し大きな旋回流が与えられる。スワラ17から与えられる大きな旋回流により燃料噴射口30から噴出する液体燃料は、混合旋回しながら拡散燃焼が行われる。
【0044】
ガスタービン負荷が初負荷から上昇するに伴い、図4の破線で示すように、第1パイロット用燃料ノズル14に供給されていたパイロット用燃料A、例えば液体燃料は、全燃料使用量に対して数%まで絞り込まれ、以後、破線で示すように、一定燃料使用量として燃焼ガス生成の火種(火炎)として供給され続けられる。パイロット用燃料Aの投入量減少に伴い、代ってメイン用燃料供給部10のメイン用燃料ノズル11に、メイン用燃料B、例えば液体燃料が供給される。
【0045】
メイン用燃料供給部10のメイン用燃料ノズル11は、第1メイン用燃料ノズル11a,第2メイン用燃料ノズル11b,第3メイン用燃料ノズル11c,第4メイン用燃料ノズル11dのそれぞれに区画されており、各メイン用燃料ノズル11a,11b,…の順に、図4の実線で示すように、次々と段階的にパイロット用燃料Bが燃料弁31,燃料マニホールド32,第1メイン用燃料通路33を経て投入され、予混合燃焼ガスの吹き消えが発生しない範囲の燃料投入流としてガスタービン負荷の上昇に合せてメイン用燃料Bを増加させ、この増加に伴って全燃料使用量は、図4で示す実線の合計量になる。
【0046】
メイン用燃料ノズル11に供給されるメイン用燃料Bは、図3に示すように、第1メイン燃料通路33,燃料ヘッダ34,燃料案内路42を経て、燃料噴射口43から燃料吹き出し口44に噴出する際、案内壁45bに画成される斜路45により極薄膜状にして流され、その頂部45aから平坦状の噴霧部46に流れると、ここから圧縮空気aの押圧力(剪断力)により霧化され、霧化させたメイン用燃料Bの飛散中に蒸発させるので、予混合ダクト12に均質な燃料希薄状態の予混合燃料が生成される。
【0047】
予混合ダクト12は、各メイン用燃料ノズル11a,11b,…に対応して第1予混合ダクト12a,第2予混合ダクト12b,第3予混合ダクト12c,第4予混合ダクト12dに区画されており、各予混合ダクト12a,12b,…順に各メイン用燃料ノズル11a,11b,…の均質な燃料希薄状態の予混合燃料が供給される。
【0048】
各予混合ダクト12a,12b,…に供給される均質な燃料希薄状態の予混合燃料は、旋回翼38により旋回流が与えられ、さらに絞り通路39により増速され、第2段燃焼領域6bでパイロット用燃料ノズル9の拡散燃焼ガスを火種(火炎)として燃焼せしめられる。
【0049】
各予混合ダクト12a,12b,…毎の絞り通路39は、通路を転向させて燃焼器ライナ3の燃焼室6に接続されるが、パイロット用燃料ノズル9に極々近付くように形成される釣鐘状の燃焼器ライナ3の燃焼室6の頭部側に集中して設置されているので、予混合燃焼ガスの生成の際、燃焼ガスの吹き消えのおそれはない。また、絞り通路39は、予混合燃料を増速させて予混合燃焼ガスを生成するので逆火の発生のおそれもない。したがって、燃焼室6の第2段燃焼領域6b内で予混合燃料を燃焼させてもNOx濃度のほとんど少ない安定した予混合燃焼ガスを得ることができる。
【0050】
また、予混合燃焼ガスは、比較的高温であり、燃焼器ライナ3を焼損させるおそれがある。しかし、絞り通路39の燃焼器ライナ3への接続部周辺には、複数の空気吹き出し口40が穿設され、圧縮空気aを強制的にフィルム状に吹き出させているので、燃焼器ライナ3の焼損のおそれはない。
【0051】
なお、本実施形態では、メイン用燃料供給部10のメイン用燃料ノズル11に液体燃料を供給し、NOx濃度のほとんど少ない予混合燃焼ガスを得ることについて説明したが、メイン用燃料供給部10のメイン用燃料ノズル11には液体燃料に代えて気体燃料を供給することができるように構成されている。
【0052】
メイン用燃料供給部10には、図1に示すように、燃料切換弁36から第2メイン用燃料通路35,燃料ヘッダ34を介してメイン用燃料ノズル11が区画する第1メイン用燃料ノズル11a,第2メイン用燃料ノズル11b,第3メイン用燃料ノズル11c,第4メイン用燃料ノズル11dに、図4に示す投入順に従ってメイン用燃料D(気体燃料)が供給される。各メイン用燃料ノズル11a,11b,…順に供給されたメイン用燃料Dは、図3に示す燃料吹き出し口44を経て各予混合ダクト12a,12b,…の旋回翼38で旋回流が与えられ、絞り通路39から第2段燃焼領域6bに噴射されて予混合燃焼ガスを得る。したがって、メイン用燃料供給部10は、気体燃料も適用できる構成になっているので、液体燃料よりも一層少ないNOx濃度の予混合燃焼ガスを生成することができる。
【0053】
図5および図6は、本発明に係るガスタービン燃焼器1の運転で発生するNOx濃度の特性およびCO濃度の特性を示す実験データである。このデータから、NOx濃度は、パイロット用燃料供給部8のパイロット用燃料ノズル9から噴射するパイロット用燃料Aを一旦絞り込み、代ってメイン用燃料供給部10のメイン用燃料ノズル11から噴射するメイン用燃料Bを供給する前までやや高くなるが、メイン用燃料Bを投入後、ほぼ安定濃度になり、またCO濃度もほとんど発生しないことがわかる。
【0054】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明に係るガスタービン燃焼器は、第1段燃焼ノズルにパイロット用燃料を噴射させるパイロット用燃料ノズルを、第1パイロット用燃料ノズル,第2パイロット用燃料ノズル,第3パイロット用燃料ノズルのそれぞれに区画し、液体燃料,気体燃料のいずれの燃料種にも適用でき、燃料の多用化,併用化を図ることにより燃焼の安定性に優れた拡散燃焼を実現するとともに、第2段燃焼領域にメイン用燃料を噴射させるメイン用燃料ノズルに、液体燃料,気体燃料のいずれの燃料種にも適用できる燃料通路を設け、燃料の多用化を図る一方、燃料噴霧口に設けた燃料吹出口を、斜路と平坦状の噴霧口とで構成し、斜路を介して噴霧部に集められた燃料の厚みを薄くし、厚みを薄くした燃料に圧縮空気の押圧力で霧化させ、霧化させた燃料の飛散中に蒸発させるので、均質な燃料希薄状態の予混合燃料を生成することができ、均質な燃料希薄状態の予混合燃料の生成と相俟って、拡散燃焼でのパイロット用燃料を減らしてNOx濃度のほとんど少ない予混合燃焼を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るガスタービン燃焼器の一実施形態を示す一部切欠概略断面図。
【図2】本発明に係るガスタービン燃焼器のパイロット用燃料ノズルの一部切断断面を伴う外形図。
【図3】本発明に係るガスタービン燃焼器のメイン用燃料ノズルの部分断面図。
【図4】本発明に係るガスタービン燃焼器における各燃料配分を示すグラフ。
【図5】本発明に係るガスタービン燃焼器のガスタービン負荷に対するNOx濃度を示すグラフ。
【図6】本発明に係るガスタービン燃焼器のガスタービン負荷に対するCO濃度を示すグラフ。
【符号の説明】
1 ガスタービン燃焼器
2 燃焼器外筒
3 燃焼器ライナ
4 フロースリーブ
5 空気通路
6 燃焼室
6a 第1段燃焼領域
6b 第2段燃焼領域
8 パイロット用燃料供給部
9 パイロット用燃料ノズル
10 メイン用燃料供給部
11 メイン用燃料ノズル
11a 第1メイン用燃料ノズル
11b 第2メイン用燃料ノズル
11c 第3メイン用燃料ノズル
11d 第4メイン用燃料ノズル
12 予混合ダクト
12a 第1予混合ダクト
12b 第2予混合ダクト
12c 第3予混合ダクト
12d 第4予混合ダクト
13 ヘッドプレート
14 第1パイロッ用燃料ノズル
15 第2パイロッ用燃料ノズル
16 第3パイロッ用燃料ノズル
17 スワラ
18 燃料入口
19 燃料出口
20 燃料通路
21 狭小通路
22 転向・旋回通路
23 流体入口
24 流体通路
25 流体旋回器
26 縮流通路
26a 流体出口
27 燃料入口
28 燃料通路
29 燃料縮流通路
30 燃料噴射口
31 燃料弁
32 燃料マニホールド
33 第1メイン燃料通路
34 燃料ヘッダ
35 第2メイン用燃料通路
36 切換弁
37 燃料マニホールド
38 旋回翼
39 絞り通路
40 空気吹き出し口
41 突出しリブ
42 燃料案内路
43 燃料噴射口
44 燃料吹き出し口
45 斜路
45a 頂部
45b 案内壁
46 噴霧部 [0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a gas turbine combustor, and in particular, a fuel supply unit for injecting fuel into a combustion chamber can be applied to both liquid fuel and gaseous fuel types, and liquid fuel and gaseous fuel can be used together. The present invention relates to a gas turbine combustor that reduces NOx concentration in gas turbine exhaust gas by selecting a seed.
[0002]
[Prior art]
In gas turbine plants and combined cycle power plants, a plurality of gas turbine combustors are incorporated between the air compressor and the gas turbine, and the combustion gas generated by the gas turbine combustor is guided to the gas turbine. The gas turbine is driven.
[0003]
In recent years, gas turbine plants and combined cycle power plants have been increasing the temperature of the combustion gas in the gas turbine combustor (increasing the temperature of the gas turbine inlet) to improve turbine thermal efficiency. Along with this, the NOx concentration in the gas turbine exhaust gas also increases and has a great influence on the environment. Therefore, a technique for reducing the NOx concentration in the gas turbine exhaust gas is currently being sought.
[0004]
The main factor of NOx generation in the gas turbine combustor is local increase in temperature of the combustion gas in the gas turbine combustor, and the NOx generation amount depends on the combustion gas temperature of the gas turbine combustor. A large amount of NOx is generated when high temperature diffusion combustion is performed when fuel and air are in a state close to the fuel-air ratio 1 while fuel and air are diffusely mixed and burned in the gas turbine combustor.
[0005]
Conventionally, methods for keeping NOx generated in a gas turbine combustor low include a lean premixed combustion method in which air is added to fuel in advance to burn it in a lean fuel state, or water or steam that is injected into the combustion gas A steam injection combustion system has already been proposed.
[0006]
In the gas turbine combustor to which the lean premixed combustion zone is applied, the head side of the combustion chamber is divided into a first stage combustion region, and the downstream side of the head is divided into a second stage combustion region. A relatively small amount of fuel is injected into the combustion chamber to generate a high-temperature combustion gas. This combustion gas is used as a flame (fire type), and a large amount of lean premixed fuel is injected into the second stage combustion region. By preventing the generation of NOx, the generation of NOx was kept low. In this case, the pilot fuel supply unit that injects the liquid fuel into the first stage combustion region includes a combustion air nozzle that concentrically surrounds the pilot fuel nozzle and atomizes the liquid fuel, and is finely divided by the combustion air nozzle. The combusted liquid fuel was burnt by diffusion. The main fuel supply unit for injecting liquid fuel into the second stage combustion region includes a main fuel nozzle and a premixing duct, respectively, and adds air to the liquid fuel injected from the main fuel nozzle in the premixing duct. As a result, a premixed fuel in a lean state was used to generate combustion gas for driving a gas turbine.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In recent gas turbine plants and combined cycle power plants, the temperature of the combustion gas in the gas turbine combustor has been increased in order to further improve the turbine thermal efficiency, but as the temperature of the combustion gas increases, There is a need for NOx having a lower generated concentration. In order to further reduce the NOx generation concentration, the amount of liquid fuel injected from the pilot fuel supply unit into the first stage combustion region is made smaller than before, and the remaining amount is all changed from the main fuel supply unit to the first level. It has become necessary to produce combustion gases with a lean liquid fuel that is injected into a two-stage combustion zone.
[0008]
However, in the conventional lean premixed combustion method, when the liquid fuel injected from the pilot fuel supply unit to the first stage combustion region is reduced more than before, the lean liquid injected from the main fuel supply unit to the second stage combustion region There was a problem that liquid fuel was blown out while generating combustion gas with fuel. For this reason, there is a limit to reducing the amount of liquid fuel injected from the pilot fuel supply unit to the first stage combustion region, and the advent of a gas turbine combustor that suppresses the NOx concentration generation amount by the lean premixed combustion method lower than before. Has come difficult.
[0009]
The present invention has been made based on such circumstances, and allows the liquid fuel from the pilot fuel supply section injected into the first stage combustion region to be freely switched to the gaseous fuel, To provide a gas turbine combustor in which the liquid fuel from the main fuel supply section injected into the second stage combustion region can be freely switched to the gaseous fuel so that the NOx generation concentration is lower than the conventional one. Objective.
[0010]
Another object of the present invention is to provide a gas turbine combustor in which gaseous fuel can be used in combination with liquid fuel from a pilot fuel supply unit injected into the first stage combustion region.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a gas turbine combustor according to the present invention has a combustion chamber formed in a combustor liner as a first stage combustion on the combustor liner head side. A pilot fuel supply section for injecting pilot fuel into the first stage combustion area, and a second stage combustion area. A main fuel supply unit for injecting main fuel premixed in a lean fuel state, the pilot fuel supply unit injecting a pilot fuel nozzle for injecting pilot fuel, and injecting a first pilot fuel First pilot fuel nozzle and second pilot nose that selectively injects liquid fuel, gaseous fuel, or air according to the first pilot fuel type injected by the first pilot fuel nozzle Each of the third pilot fuel nozzles for injecting the third pilot fuel, and the main fuel supply section includes a plurality of main fuel nozzles for injecting the main fuel, and each of the main fuel nozzles. And a premixing duct for adding air to the main fuel to make the fuel lean, and a fuel passage for selectively supplying either the liquid fuel or the gaseous fuel to the main fuel supply unit . In the gas turbine combustor, the main fuel supply unit includes a fuel outlet extending from a fuel injection port of the main fuel nozzle, a guide wall that forms an inclined path at the fuel outlet, and a head of the inclined path. And a flat spray portion formed from the portion toward the downstream side .
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of a gas turbine combustor according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[0024]
FIG. 1 is a partially cutaway schematic cross-sectional view of a gas turbine combustor according to the present invention.
[0025]
The gas turbine combustor indicated by reference numeral 1 is formed in a long cylindrical shape as a whole, and a plurality of gas turbine combustors, for example, six, eight, etc. are installed between an air compressor and a gas turbine of a gas turbine plant.
[0026]
The gas turbine combustor 1 has a structure in which a
[0027]
The combustion chamber 6 formed by the
[0028]
On the head side of the
[0029]
The
[0030]
As shown in FIG. 2, the first
[0031]
The
[0032]
The third
[0033]
On the other hand, the
[0034]
The
[0035]
The premixing
[0036]
The
[0037]
The fuel blow-out
[0038]
The
[0039]
Next, the operation will be described.
[0040]
The operation of the gas turbine combustor 1 is controlled according to the operation of the gas turbine plant. From the fuel ignition to the initial load of the gas turbine, the pilot fuel A, for example, the pilot fuel A is supplied to the first
[0041]
On the other hand, the
[0042]
The air supplied to the
[0043]
In this embodiment, liquid fuel is used for the first
[0044]
As the gas turbine load increases from the initial load, as shown by the broken line in FIG. 4, the pilot fuel A, for example, liquid fuel, supplied to the first
[0045]
The
[0046]
As shown in FIG. 3, the main fuel B supplied to the
[0047]
The premixing
[0048]
The homogeneous fuel lean premixed fuel supplied to each premixing
[0049]
A
[0050]
Further, the premixed combustion gas has a relatively high temperature and may burn the
[0051]
In the present embodiment, it has been described that the liquid fuel is supplied to the
[0052]
As shown in FIG. 1, the main
[0053]
5 and 6 are experimental data showing characteristics of NOx concentration and CO concentration generated in the operation of the gas turbine combustor 1 according to the present invention. From this data, the NOx concentration is determined by temporarily narrowing down the pilot fuel A injected from the
[0054]
【The invention's effect】
As described above, the gas turbine combustor according to the present invention includes the pilot fuel nozzle for injecting the pilot fuel into the first stage combustion nozzle, the first pilot fuel nozzle, the second pilot fuel nozzle, the third It is divided into each of the pilot fuel nozzles and can be applied to both fuel types, liquid fuel and gaseous fuel. By using multiple fuels and using them in combination, it achieves diffusion combustion with excellent combustion stability, The main fuel nozzle for injecting the main fuel into the second stage combustion region is provided with a fuel passage applicable to both fuel types, liquid fuel and gaseous fuel, to increase the use of the fuel, and to the fuel spray port The fuel outlet is composed of a ramp and a flat spray port, the thickness of the fuel collected in the spray section through the ramp is reduced, and the fuel is made atomized by the compressed air pressure to the reduced thickness. Since evaporated in scattering of the fuel is atomized, it is possible to produce a premixed fuel of a homogeneous fuel-lean state, I generation coupled with homogeneous fuel lean state premixed fuel, in a diffusion combustion It is possible to achieve premixed combustion with almost no NOx concentration by reducing the pilot fuel.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partially cutaway schematic cross-sectional view showing an embodiment of a gas turbine combustor according to the present invention.
FIG. 2 is an external view with a partially cut section of a pilot fuel nozzle of a gas turbine combustor according to the present invention.
FIG. 3 is a partial sectional view of a main fuel nozzle of a gas turbine combustor according to the present invention.
FIG. 4 is a graph showing each fuel distribution in the gas turbine combustor according to the present invention.
FIG. 5 is a graph showing the NOx concentration with respect to the gas turbine load of the gas turbine combustor according to the present invention.
FIG. 6 is a graph showing the CO concentration with respect to the gas turbine load of the gas turbine combustor according to the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
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