JP2000274689A - 多軸式ガスタービン装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 多軸式ガスタービン装置の駆動源として多段
予混合ガス燃焼器を用いる場合に、広い負荷範囲におい
て低ＮＯｘ燃焼を可能とする。 【解決手段】 多軸式ガスタービン装置に搭載する多段
予混合ガス燃焼器として、１次燃焼用予混合ガス噴出口
２と２次燃焼用予混合ガス噴出口３との距離Ｌａが、当
該多軸式ガスタービン装置の定格負荷運転時において１
次燃焼用予混合ガスが燃焼を完結するための理論上の距
離あるいは実験的に求められる距離よりも短い距離とさ
れている多段予混合ガス燃焼器を用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、多段予混合ガス燃
焼器の燃焼ガスをタービンの駆動源とする多軸式ガスタ
ービン装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】多段予混合ガス燃焼器は、特開平９−２
５０７１４号公報あるいは特開平１０−１９６９０９号
公報などにより知られており、上流から供給した燃焼ガ
スの熱で下流に供給する予混合ガスを燃焼させるように
したことにより、燃焼ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）濃
度を低減させ、かつ未燃焼生成物濃度も低減させること
のできるガス燃焼装置として有望視されている。燃料供
給スケジュールとしては、前段の噴出口から供給した予
混合ガスが完全燃焼した後に、次段の噴出口から、約１
５００℃以下の断熱火炎温度を持つ予混合ガスを、前段
で完全燃焼した燃焼ガスと次段で供給した燃焼前の予混
合ガスが混合したと仮定したときの温度が約１０００℃
〜１１００℃となるような割合で供給するようにされ、
それにより、低ＮＯｘかつ未燃焼生成物の少ない燃焼を
行いうる負荷範囲が拡大する。

【０００３】図５は、その一例として、２段予混合ガス
燃焼器を示しており、この予混合ガス燃焼装置は、筒体
１００の内部の軸式方向ほぼ中央より上流側（図におい
て左側）に燃焼ガス噴出ブロック１０が支持され、燃焼
ガス噴出ブロック１０に結合して燃焼筒１０１が配置さ
れて、該燃焼筒１０１の内部に燃焼室２０を形成してい
る。

【０００４】燃焼ガス噴出ブロック１０は、中心部にパ
イロット燃料ガス噴出孔１を有し、該パイロット燃料ガ
ス噴出孔１の周囲には、空気と燃料ガスとの混合比が一
定である１次燃焼用予混合ガスの噴出口２が形成され、
さらに前記燃焼筒１０１の下流部分には、燃料ガス量を
可変とすることにより空気と燃料ガスとの混合比が可変
とされる２次燃焼用予混合ガスの噴出口３が形成され
る。

【０００５】パイロット燃料ガス噴出孔１には導管１１
からパイロット燃料ガスＧが定量供給され、また、１次
燃焼用予混合ガス噴出口２には導管１２から一定量の１
次燃料ガスＧ１が供給される。一方、２次燃焼用予混合
ガス噴出口３には導管１３から負荷に応じた量の２次燃
料ガスＧ２が供給される。筒体１００の下流側には空気
導入口１００ａが形成され、ここから燃焼用空気Ａが供
給される。該燃焼用空気Ａは、各導管１２、１３から供
給される１次、２次の燃料ガスＧ１、Ｇ２と混合して予
混合ガスとなり、それぞれの燃焼用予混合ガス噴出口
２、３から燃焼室２０内に噴出する。

【０００６】この種の予混合ガス燃焼装置では、起動時
にはパイロット燃料ガス噴出口１からパイロット燃料ガ
スＧを噴出させて拡散燃焼させると共に、１次燃焼用予
混合ガス噴出口２からは空気Ａと１次燃料ガスＧ１との
予混合ガスを噴出させて燃焼させ、起動後は、負荷に対
応した混合比の空気Ａと２次燃料ガスＧ２との予混合ガ
スを２次燃焼用予混合ガス噴出口３から噴出させて燃焼
させ、負荷が増すにつれて２次燃料ガスＧ２の供給量を
増やして燃焼を継続する。

【０００７】この燃焼装置によれば、排ガス中にＮＯｘ
成分の多い拡散燃焼は起動時のみとなり、その後は広い
燃焼範囲（負荷範囲）でＮＯｘと未燃焼生成物の排出が
共に低い値の燃焼を継続することが可能となる。また、
図示の予混合ガス燃焼装置において、１次燃焼用予混合
ガス噴出口２と２次燃焼用予混合ガス噴出口３との距離
Ｌは、１次燃焼用予混合ガスが燃焼を完結するための理
論上の距離あるいは実験的に求められる距離Ｌとされて
おり、低負荷運転時に、高い空気比すなわち燃料成分が
希薄な２次燃焼用予混合ガスを２次燃焼用予混合ガスの
噴出口３から供給しても、それによって１次燃焼用予混
合ガスの火炎が影響を受けることがなく、低負荷時での
燃焼効率の低下（未燃焼生成物の増加）は著しく減少さ
れ、従来の多段予混合ガス燃焼装置に比べて広い負荷範
囲で、ＮＯｘと未燃焼生成物の生成の少ない燃焼が達成
できる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】図６は、上記した形式
の多段予混合ガス燃焼器Ｆを動力源とする１軸式ガスタ
ービン装置を示す概念図である。１軸式ガスタービンで
は、圧縮機ＣとタービンＴと発電機Ｄが減速機（不図
示）を介するなどして１軸Ｒで直接的に結ばれているた
めに、これらは一定の回転速度で回転する。発電が始ま
ると、発電機Ｄは一定の周波数の電気を発生させるべく
一定速度で回転するため、圧縮機ＣとタービンＴも同期
した一定速度で回転する。従って、圧縮機Ｃから供給さ
れる空気量も圧力も運転時にはほぼ一定であり、発電負
荷を変えるのは燃焼器Ｆに供給される燃料ガス量（すな
わちタービンＴに供給される燃焼ガスの温度）である。

【０００９】上記の２段予混合ガス燃焼器は、低負荷運
転では１次燃焼用予混合ガスによる燃焼で運転され、負
荷が高くなるにつれ（通常、定格負荷の４０〜５０％以
上の負荷範囲）、２次燃焼用予混合ガスによる燃焼が付
加されていく。その際に、上流から供給される燃焼ガス
温度は、ＮＯｘの生成を抑制できる範囲でなるべく高い
ことが望ましく、おおむね１５００℃とされるが、この
温度の燃焼ガスをつくるには、空気と燃料ガスの比を一
定の値とすればよい。

【００１０】１軸式ガスタービンのように、燃焼器に供
給される空気量が負荷によらずほぼ一定である場合に
は、所要の空気比の燃焼用予混合ガスを得るには上流に
供給するガス量を一定とすればよく、図示の２段予混合
ガス燃焼器において、燃料ガスＧ及び１次燃料ガスＧ１
の供給系には、単純な固定流量弁又は固定オリフィスを
備え、２次燃料ガスＧ２の供給系のみに可変流量制御弁
１３ａを備えることにより、広い負荷範囲においてＮＯ
ｘと未燃焼生成物の生成の少ない燃焼が達成でき、低コ
ストでの運転及び燃焼制御が可能となる。

【００１１】図７は２軸式ガスタービン装置を示す概念
図であり、２軸式ガスタービンでは、圧縮機Ｃとガス発
生器タービンＧＴは軸Ｒで直結しているが、発電機Ｄを
駆動する出力タービンＰＴはそれらから切り離され、別
軸ＲＡで連結している。発電機Ｄが発電している状態で
は、発電機Ｄは一定の周波数の電気を発生させるべく一
定速度で回転するため、この発電機Ｄに軸ＲＡを介して
取り付けられる出力タービンＰＴも発電中は負荷によら
ず一定速度で回転する。しかし、この出力タービンＰＴ
を駆動する高温高圧の燃焼ガスは、発電の負荷に合わせ
て供給されなければならない。このために、出力タービ
ンＰＴに高温ガスを供給する圧縮機Ｃやガス発生器ター
ビンＧＴは、発電負荷の大きいときにはより高温高圧大
流量の燃焼ガスを供給することが必要となり、その回転
数が高くなる。それにより、燃焼器Ｆに供給される空気
も、負荷が大きいときには多くなりまた圧力も高くな
る。

【００１２】逆に、低負荷運転時は、ガス発生器タービ
ンＧＴは少ない流量の燃焼ガスを出力タービンＰＴに供
給すればよく、結果として、燃焼器Ｆに供給される空気
量は減少する。通常の２段予混合ガス燃焼器の場合、燃
料ガスＧ及び１次燃料ガスＧ１の供給系には、単純な固
定流量弁又は固定オリフィスが備えられており、供給さ
れる燃料ガスの量は固定されている。前記のように燃焼
器Ｆに供給される空気量が減少しても燃料ガスの量は一
定であることから、１次燃焼用予混合ガスの濃度が高く
なり、燃焼ガスのガス温度が上昇する。このために、上
段での火炎温度は、定格負荷運転時よりも部分負荷運転
時のほうが高くなってしまい、部分負荷（低負荷）運転
時でのＮＯｘ発生量が増大する恐れがある。

【００１３】この不都合は、図５に示すように、２段予
混合ガス燃焼器において、燃料ガスＧ及び１次燃料ガス
Ｇ１の燃料供給系にも流量調節機能を持つ弁を取り付け
て、供給空気量絵に応じて燃料ガスの流量を制御し、燃
焼用１次予混合ガスの空気比を一定に保つことにより解
決可能である。しかし、燃料ガスＧ及び１次燃料ガスＧ
１の燃料供給系に流量調節弁を取り付け、かつ、適切に
流量制御することは、制御が複雑となると共に、燃焼器
の製造及び維持コストの高騰を招く。

【００１４】本発明は、多軸式ガスタービン装置の駆動
源として従来の多段予混合ガス燃焼器を用いる場合に生
じる上記のような不都合に鑑みてなされたものであり、
その目的は、製造コストや運転コストを高騰させること
なく、広い負荷範囲において低ＮＯｘ燃焼を可能とした
ガス燃焼器を搭載する多軸式ガスタービン装置を提供す
ることにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め本発明者は、多段予混合ガス燃焼器の燃焼態様につい
て多くの実験と理論計算とを行うなうことにより、次の
ような知見を得た。すなわち、前記したように、従来の
多段予混合ガス燃焼器では、各段の距離（例えば２段燃
焼器の１段目と２段目の距離Ｌ）は、上段の燃焼が完結
するのに十分な距離とされており、１軸式ガスタービン
での場合のように、空気量が負荷によらず一定の条件
で、この距離Ｌを小さくしていくと、負荷が小さいとき
に不完全燃焼を生じ未燃焼生成物が発生する。しかし、
前記の多段ガスタービンでのように負荷の減少と共に燃
焼器に供給する空気量が減少する条件では、距離Ｌとし
て、上段の燃焼が完結するために十分な距離を取らなく
ても、不完全燃焼はほとんど生じないことを知った。こ
れは、未燃焼生成物が生じやすい負荷の低いときに、燃
焼器に供給する空気量が減るために、結果として、空気
量が変化しない場合に比べて空気に対する燃料ガスの割
合が大きくなり、火炎の温度が高くなり未燃焼生成物の
生成が抑制されることによると考えられる。

【００１６】また、負荷の減少と共に燃焼器に供給する
空気量が減少する条件では、前記距離Ｌを上段の燃焼が
完結するために十分な距離とした場合には、負荷が低い
部分負荷のときに火炎温度上昇してＮＯｘ発生量が多く
なっていたが、距離Ｌとして、上段の燃焼が完結するた
めに要する距離よりも小さい距離とした場合に、ＮＯｘ
発生量が小さくなることも経験した。これは、各段の距
離が短くなることにより、燃焼ガスの滞留時間が減少す
ることとなり、それによってＮＯｘの発生が抑制される
ものと考えられる。

【００１７】上記のことは、次のように計算からも裏付
けられる。先ず、未燃焼生成物の生成について考える。
図８は、２段予混合燃焼において、２次燃焼用予混合ガ
スの空気比を２，６，１０，２０として、燃焼途中で生
成するＣＯが１００ｐｐｍまで消失する時間（反応時
間）と１次燃焼ガスと２次予燃焼ガスの混合後の温度と
の関係を計算により求めたものである。ＣＯ１００ｐｐ
ｍとは、一般に燃焼がほぼ完結する状態である。

【００１８】この図は、燃焼が完結するための反応時間
は、２次燃焼用予混合ガスの空気比と混合後の温度に影
響されることを示しており、燃焼器に供給する空気量が
変化しない１軸式ガスタービンでは、上流に供給する燃
料ガス量を一定とすると、混合後の温度も一定となるの
で、２次燃焼用予混合ガスを希薄にしていくと（空気比
を大きくしていくと）、ＣＯ１００ｐｐｍまでの反応に
要する時間は大きくなっていく。例えば、混合後の温度
が１０００℃のとき、２次燃焼用予混合ガスの空気比が
２であれば、反応時間は１ｍｓｅｃ以下であるが、２次
燃焼用予混合ガスの空気比が２０であれば、反応時間は
１６ｍｓｅｃ必要となる。

【００１９】一方、前記のように、多軸式ガスタービン
装置では、負荷の減少と共に燃焼器に供給される空気量
が減少するため、混合後の温度が上昇する。例えば、２
段燃焼器において、空気量が１０％減少すると混合後の
温度は約６０℃上昇するとすると、定格条件での混合後
の温度が１０００℃で、部分負荷において空気量が１０
％減少すれば、混合後の温度は、約１０６０℃となる。
このとき、混合後のガスの空気比が同じ２０であれば、
反応時間は６ｍｓｅｃとなる。つまり、燃焼器に供給さ
れる空気量が部分負荷で１０％減少するときには、ＣＯ
１００ｐｐｍまでの反応に要する時間は、空気量が減少
しない場合と比較して約４０％に短縮（１６ｍｓｅｃ×
０．４）されることが計算から求められる。

【００２０】同様に、部分負荷において燃焼器に供給さ
れる空気量が２０％減少したときには、混合後の温度は
約１２０℃上昇し、温度１１２０℃での空気比２０の２
次予混合ガスの反応時間は約２．５ｍｓｅｃであって、
空気量が減少しない場合と比較して約１６％になること
がわかる。このことは、部分負荷での空気量の減少割合
が１０％減少することに、反応時間はおよそ４０％に減
少することを示している。

【００２１】以上のことは、多軸式ガスタービン装置に
搭載する多段予混合ガス燃焼器においては、一軸式ガス
タービン装置に搭載する多段予混合ガス燃焼器と比較し
て前記１次燃焼用予混合ガス噴出口と２次燃焼用予混合
ガス噴出口との距離Ｌをより短いものとしても、未燃焼
生成物発生の少ない燃焼が得られることを示していると
いえる。次に、ＮＯｘの生成について考察する。図９
は、いわゆるサーマルＮＯｘの生成量と滞留時間を示す
グラフである。１５００℃の条件と１５５０℃の条件を
比較すると、同じＮＯｘを生成する滞留時間は５０℃の
温度上昇によっておよそ半分となることを示している。

【００２２】燃焼用予混合ガスの空気比が２．０，初期
温度が３７１℃、圧力が１気圧のとき、この燃焼用予混
合ガスの断熱火炎温度は１４７１℃と計算され、同じ量
の燃料ガスに対して、空気量を５％減少した空気比１．
９の燃焼用予混合ガスの断熱火炎温度（予熱温度３７１
℃、１気圧）は１５１９℃、空気量を１０％減少した空
気比１．８の燃焼用予混合ガスの断熱火炎温度（予熱温
度３７１℃、１気圧）は１５７１℃となる。すなわち、
燃焼器に供給される空気量が１０％減少することは、１
００℃の火炎温度の上昇につながる。図９を参照すれ
ば、滞留時間を２５〜３０％に低減することにより、火
炎温度が１００℃上昇したときでもサーマルＮＯｘの生
成量を同量におさえ得ることを示しており、このこと
は、多軸式ガスタービン装置に搭載する多段予混合ガス
燃焼器として、一軸式ガスタービン装置に搭載する多段
予混合ガス燃焼器と比較して前記１次噴出口と２次噴出
口の距離Ｌをより短くしたものを用いたとしても、低Ｎ
Ｏｘ燃焼が得られることを示している。

【００２３】本発明による多軸式ガスタービン装置は、
上記の知見に基づいており、基本的に、搭載するガス燃
焼器として、１次燃焼用予混合ガス噴出口と、該１次燃
焼用予混合ガス噴出口より下流側に２次燃焼用予混合ガ
ス噴出口とを少なくとも備えており、かつ、１次燃焼用
予混合ガス噴出口と２次燃焼用予混合ガス噴出口との距
離Ｌが、当該多軸式ガスタービン装置の定格負荷運転時
において１次燃焼用予混合ガスが燃焼を完結するための
理論上の距離あるいは実験的に求められる距離よりも短
い距離Ｌａとされている多段予混合ガス燃焼器を用いる
ことを特徴とする。

【００２４】好ましい態様において、前記多段予混合ガ
ス燃焼器の前記短い距離Ｌａは、当該多軸式ガスタービ
ン装置の前記２次燃焼用予混合ガス噴出口からの２次燃
料ガス供給開始時での部分負荷運転時において多段予混
合ガス燃焼器に供給されることとなる空気量と定格負荷
運転時に多段予混合ガス燃焼器に供給される空気量との
比に基づいて設定される。

【００２５】上記の構成である本発明による多軸式ガス
タービン装置では、部分負荷運転に入り燃焼器に供給す
る空気量が減少しても、上流側（例えば、１次燃焼用予
混合ガス）の燃料ガス量を調整することなくそのままの
供給量を維持しても、ＮＯｘ発生が増大することはな
く、かつ、未燃焼生成物の発生も抑制される。そのため
に、多段予混合ガス燃焼器の２次燃焼用予混合ガス噴出
口への燃料供給ラインに備えられる流量弁は可変流量制
御弁を必要であるとしても、それより上流側の燃料供給
ラインに備えられる流量弁は、従来どおりの、固定流量
弁又は固定オリフィスであってよく、多軸式ガスタービ
ン装置に搭載する燃焼器の、あるいは多軸式ガスタービ
ン装置全体の製造コストや運転コストの高騰をおさえる
ことが可能となり、また、多軸式ガスタービン装置の運
転制御も容易となる。

【００２６】本発明の技術手段は、多軸式ガスタービン
装置に搭載する多段予混合ガス燃焼器として、２段予混
合ガス燃焼器に限ることなく、３段、４段などの多段予
混合ガス燃焼器にも適用できることはもちろんである。
すなわち、本発明によるガス燃焼器の燃焼ガスをタービ
ンの駆動源とする多軸式ガスタービン装置は、搭載する
ガス燃焼器として、１次燃焼用予混合ガスの噴出口と、
該１次燃焼用予混合ガスの噴出口より下流側に少なくと
も一段の予混合ガスの噴出口とを備えており、前記１次
燃焼用予混合ガスの噴出口を含む各段の燃焼用予混合ガ
スの噴出口と次段の燃焼用予混合ガスの噴出口との距離
が、当該多軸式ガスタービン装置の定格負荷運転時にお
いて前段の噴出口で供給された予混合ガスが燃焼を完結
するための理論上の距離あるいは実験的に求められる距
離よりも短い距離とされている多段予混合ガス燃焼器を
用いることを特徴とする。

【００２７】また、好ましい態様において、前記多段予
混合ガス燃焼器の前記短い距離は、当該多軸式ガスター
ビン装置の当該前段での燃焼用予混合ガス噴出口からの
燃料ガス供給開始時における部分負荷運転時において多
段予混合ガス燃焼器に供給されることとなる空気量と定
格負荷運転時に多段予混合ガス燃焼器に供給される空気
量との比に基づいて設定される多段予混合ガス燃焼器を
用いることを特徴とする。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、図７に基づき説明したよう
な多軸式ガスタービン装置に多段予混合ガス燃焼器を搭
載する場合を例として、本発明の具体的態様を説明す
る。図１は多段予混合ガス燃焼器としての２段予混合ガ
ス燃焼器を示しており、１次燃焼用予混合ガス噴出口２
と２次燃焼用予混合ガス噴出口３との距離Ｌａが、図５
に基づき説明したものと比較してほぼ１／３Ｌとされて
いる点で構成を異にしており、他の構成は実質的に同じ
である。従って、同じ部材には符号を付すにとどめ、詳
細な説明は省略する。

【００２９】図１に示す２段予混合ガス燃焼器を、図７
に示すような２軸式ガスタービン装置に搭載したときの
条件に合わせて燃焼試験を行った。当該２軸式ガスター
ビン装置において、０％〜５０％負荷まではパイロット
燃料ガスＧ及び１次燃料ガスＧ１の供給系で運転を行
い、５０％〜１００％負荷（定格負荷）では、２次燃料
ガスＧ２の供給系で燃料ガスＧ２の供給量を制御して運
転を行うようにした。また、燃焼器に供給する空気は、
定格負荷運転の空気量を１００としたとき、５０％出力
時の空気量は８５であり、負荷により供給空気量を連続
的に変化させた。

【００３０】比較として、供給される空気量が変わらな
い一軸式ガスタービン装置に搭載するとした場合に、１
次燃焼用予混合ガス噴出口２から噴出する１次燃焼用予
混合ガスが燃焼室筒体１０１内で燃焼を完結する距離Ｌ
の位置に２次燃焼用予混合ガス噴出口３を配置したもの
を用意し、それを同じ２軸式ガスタービン装置に搭載し
たときの条件に合わせて燃焼試験を行った。

【００３１】図２は、燃焼試験結果を示すグラフであ
り、５０％〜１００％負荷（出力割合）でのＮＯｘ排出
量を示している。従来型（比較例）（−●−）では、定
格負荷でのＮＯｘは約３４と低いものの５０％負荷では
６０まで増加した。これに対して、本発明による燃焼器
（−○−）では、定格負荷でのＮＯｘは４０と高いもの
の５０％負荷のＮＯｘは３４であり、また、全域で４０
以下のＮＯｘ値を達成した。ガスタービンは、ある負荷
範囲（この場合５０％負荷以上）での低ＮＯｘ性を求め
られ、その範囲においてすべての負荷での低ＮＯｘ性が
要求される。グラフは、本発明による燃焼器は、要求さ
れる全負荷領域において、ＮＯｘ発生量を２／３に低減
したということができる。また、いずれの条件において
もＣＯなどの未燃焼生成物の発生は十分に少なかった。

【００３２】実験で用いた２段予混合ガス燃焼器におい
て、１次燃焼用予混合ガス噴出口２と２次燃焼用予混合
ガス噴出口３との距離Ｌａを従来のものの１／３とした
理由をより具体的に説明する。前記したように、燃焼器
への供給空気量が１０％減少すると、予混合ガス混合後
の温度を約６０℃上昇させる。このため燃焼完結までに
必要な反応時間は４０％に短縮される。そのことは、Ｌ
ａをＬの４０％にまで短縮することも可能であることを
示している。しかし、燃焼領域（Ｌ、Ｌａの部分）では
反応する前に燃焼ガスと未燃予混合ガスの混合も含ま
れ、混合は、反応に比べてかなり短い時間で起こるを考
慮に入れると、空気量１０％減少したときのＬａの長さ
はＬの５０％とするのが実際的な値となる。この多軸式
ガスタービン装置において、５０％負荷の空気量は、定
格負荷の８５％であることから、Ｌａをさらに短い値と
なり、計算により１／３Ｌが妥当な値として算出され
る。

【００３３】試験に際しては、最初に、２軸式ガスター
ビンの定格条件（１００％負荷条件）の空気量で空気量
を固定して燃焼実験を行い（１軸式ガスタービンの運転
条件）、完全燃焼に必要な長さＬを求める。次に、この
ガスタービンでは、５０％負荷まで低ＮＯｘかつ未燃焼
生成物の少ない燃焼を得ることを目標とするものであ
り、５０％負荷時での空気量を求める。その後に必要な
計算を行う。

【００３４】前記のように、ＮＯｘについても、計算か
らは、１０％の空気量の減少は火炎温度の１００℃上昇
を招くため、滞留時間を２５〜３０％にすべきであると
の結論がでるが、実際には、燃焼領域のすべてが断熱火
炎温度になっているわけではないので、未燃焼生成物抑
制に合わせて１／３Ｌとするのが実際的となる。以上の
ことから、図示の２段予混合燃焼器を空気量が９０％ま
でしか減少しない多軸式ガスタービンに搭載するとき
は、１／２Ｌを選択すればよく、さらに、空気量が定格
の８０％まで減少する多軸式タービンや、前記多軸式ガ
スタービンで低ＮＯｘかつ未燃焼生成物の少ない燃焼負
荷範囲を広げて、そのときの空気量が８０％まで減少す
る場合は、１／４Ｌを選択すればよいことがわかる。

【００３５】ガス燃焼器を上記の構成とすることによ
り、パイロット燃料ガスＧ及び１次燃料ガスＧ１は定量
供給とし、２次燃料ガスＧ２のみを供給量可変とするこ
とで、多軸式ガスタービン装置の運転の広い負荷範囲で
低ＮＯｘかつ未燃焼生成物の少ない燃焼が可能となる。
そのために、ガス燃焼器として、図１に示すように、２
次燃焼用予混合ガス噴出口３への燃料供給ライン１３に
は可変流量制御弁１３ａを備えるとしても、パイロット
燃料供給ライン１１及び１次燃焼用予混合ガス噴出口３
への燃料供給ライン１２には固定流量弁１１ａ、１２ａ
又は固定オリフィスであってよく、コストの低減と運転
制御の容易さの双方を満足することができる。

【００３６】次に、３段予混合ガス燃焼器について考察
する。図３は３段予混合ガス燃焼器を説明する図であ
り、図１に示した２段予混合ガス燃焼器における２次燃
焼用予混合ガスの噴出口３の下流側に、さらに、３次燃
焼用予混合ガスの噴出口４が設けられている。この場合
に、図４にその燃料供給スケジュールの一例を示すよう
に、４０〜１００％の負荷範囲である高モードでは３次
燃料ガスＧ３の供給量を制御して負荷に対応し、０〜４
０％の低モードの負荷範囲では、３次燃料ガスＧ３は供
給されず、２次燃料ガスＧ２がタービン負荷に合わせて
制御される。このように制御することにより、低ＮＯｘ
かつ未燃焼生成物の少ない運転範囲を２段予混合ガス燃
焼器よりも拡大できる利点があり、図示の燃料供給スケ
ジュールを持つ３段予混合ガス燃焼器においては、０〜
１００％負荷範囲で、低ＮＯｘかつ未燃焼生成物の少な
い運転範囲を拡大することができる。

【００３７】多軸式ガスタービンにこの燃焼器を搭載す
る場合、２次燃焼用予混合ガス噴出口３と３次燃焼用予
混合ガス噴出口４との距離（領域）Ｌｂは、４０％の空
気量と１００％の空気利用の比で決定される。決定方法
は前記と同様である。その理由は、前記距離（領域）Ｌ
ｂを流れるのは１次燃焼ガスと２次燃焼ガスの混合ガス
であり、４０％負荷以上では、２次燃焼ガスを作る１次
燃料ガスＧ１と２次燃料ガスＧ２は一定量供給される。
一方、多軸式ガスタービンでは負荷の減少と共に空気量
が減少するために、４０％負荷の時に、距離（領域）Ｌ
ｂ部分の燃焼ガス温度が最も高くなり、ＮＯｘが出やす
くなるからである。すなわち、前記短い距離Ｌｂは、２
段目での燃焼用予混合ガス供給開始時における部分負荷
（４０％負荷）運転時において３段予混合ガス燃焼器に
供給されることとなる空気量と定格負荷運転時に供給さ
れる空気量との比に基づいて設定される。

【００３８】また、１次燃焼用予混合ガス噴出口２と２
次燃焼用予混合ガス噴出口３との距離（領域）Ｌａａ
は、０％負荷での空気量と１００％負荷での空気利用の
比で決定される。すなわち、１次燃焼用予混合ガス噴出
口２と２次燃焼用予混合ガス噴出口３との距離（領域）
Ｌａａを流れるのは１次燃焼ガスであり、この１次燃焼
ガスを作る１次燃料ガスＧ１は、図２の低モード（０〜
４０％負荷）でも高モードでも一定量供給される。この
ため、前記距離Ｌａａを算出するに際しては、０〜１０
０％の負荷での空気量の変化が問題となる。

【００３９】上記のように、３段予混合ガス燃焼器で
も、３次燃焼用予混合ガス噴出口４及び２段燃焼用予混
合ガス噴出口３への燃料供給ライン１４，１３に備えら
れる流量弁１４ａ，１３ａは可変流量制御弁を必要であ
るとしても、それより上流側の燃料供給ラインに備えら
れる弁は、従来どおりの、固定流量弁又は固定オリフィ
スであってよく、２段予混合ガス燃焼器の場合と同様
に、燃焼器あるいは多軸式ガスタービン装置全体の製造
コストや運転コストの高騰をおさえることが可能とな
り、また、運転制御も容易となる。このことは、４段な
どの多段予混合ガス燃焼器においても同様である。

【００４０】

【発明の効果】上記の構成である本発明による多軸式ガ
スタービン装置では、部分負荷運転に入り燃焼器に供給
する空気量が減少しても、上流側（例えば、１次燃焼用
予混合ガス）の燃料ガス量を調整することなくそのまま
の供給量を維持しても、ＮＯｘ発生が増大することはな
く、かつ、未燃焼生成物の発生も抑制される。そのため
に、多段予混合ガス燃焼器の下流側の燃焼用予混合ガス
噴出口への燃料供給ラインに備えられる流量弁は可変流
量制御弁を必要であるとしても、それより上流側の燃料
供給ラインに備えられる流量弁は、従来どおりの、固定
流量弁又は固定オリフィスであってよく、多軸式ガスタ
ービン装置に搭載する燃焼器の、あるいは多軸式ガスタ
ービン装置全体の製造コストや運転コストの高騰をおさ
えることが可能となり、また、多軸式ガスタービン装置
の運転制御も容易となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による多段予混合ガス燃焼装置を説明す
る断面図。

【図２】本発明による多段予混合ガス燃焼装置と従来の
多段予混合ガス燃焼装置とを多軸式ガスタービンに搭載
したときのＮＯｘ発生量と出力の関係を示すグラフ。

【図３】本発明による他の多段予混合ガス燃焼装置を説
明する断面図。

【図４】図３に示す多段予混合ガス燃焼装置での燃料供
給スケジュールの一例を説明するグラフ。

【図５】従来知られた形式の多段予混合ガス燃焼装置を
説明する断面図。

【図６】１軸式ガスタービンの概念図。

【図７】多軸式ガスタービンの概念図。

【図８】多段予混合ガス燃焼における燃焼ガスの混合後
の温度とＣＯが１００ｐｐｍまで酸化する反応時間を示
すグラフ。

【図９】サーマルＮＯｘの生成量と滞留時間との関係を
示すグラフ。

【符号の説明】

Ｆ…燃焼器、Ｃ…圧縮機、ＧＴ…ガス発生器タービン、
ＰＴ…出力タービン、Ｄ…発電機、Ｄ…発電機、Ｒ，Ｒ
Ａ…軸、Ａ…燃焼用空気、Ｇ…燃料ガス、１…パイロッ
トガス噴出口、２…１次燃焼用予混合ガス噴出口、３…
２次燃焼用予混合ガス噴出口 Ｌａ…１次燃焼用予混合
ガス噴出口と２次燃焼用予混合ガス噴出口との距離、１
１ａ，１２ａ…固定流量弁又は固定オリフィス、１３ａ
…可変流量制御弁

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガス燃焼器の燃焼ガスをタービンの駆動
   源とする多軸式ガスタービン装置であって、 ガス燃焼器として、１次燃焼用予混合ガス噴出口と、該
   １次燃焼用予混合ガス噴出口より下流側に２次燃焼用予
   混合ガス噴出口とを少なくとも備えており、かつ、１次
   燃焼用予混合ガス噴出口と２次燃焼用予混合ガス噴出口
   との距離が、当該多軸式ガスタービン装置の定格負荷運
   転時において１次燃焼用予混合ガスが燃焼を完結するた
   めの理論上の距離あるいは実験的に求められる距離より
   も短い距離とされている多段予混合ガス燃焼器を用いる
   ことを特徴とする多軸式ガスタービン装置。
2. 【請求項２】 前記多段予混合ガス燃焼器の前記短い距
   離は、当該多軸式ガスタービン装置の前記２次燃焼用予
   混合ガス噴出口からの２次燃料ガス供給開始時での部分
   負荷運転時において多段予混合ガス燃焼器に供給される
   こととなる空気量と、定格負荷運転時に多段予混合ガス
   燃焼器に供給される空気量との比に基づいて設定される
   多段予混合ガス燃焼器を用いることを特徴とする請求項
   １記載の多軸式ガスタービン装置。
3. 【請求項３】 前記多段予混合ガス燃焼器の各段への燃
   料供給ラインは弁を備えており、２次燃焼用予混合ガス
   噴出口への燃料供給ラインに備えられる弁は可変流量制
   御弁であり、それより上流側の燃料供給ラインに備えら
   れる弁は固定流量弁又は固定オリフィスである多段予混
   合ガス燃焼器を用いることを特徴とする請求項１又は２
   記載の多軸式ガスタービン装置。
4. 【請求項４】 ガス燃焼器の燃焼ガスをタービンの駆動
   源とする多軸式ガスタービン装置であって、 ガス燃焼器として、１次燃焼用予混合ガスの噴出口と、
   該１次燃焼用予混合ガスの噴出口より下流側に少なくと
   も一段の予混合ガスの噴出口とを備えており、前記１次
   燃焼用予混合ガスの噴出口を含む各段の燃焼用予混合ガ
   スの噴出口と次段の燃焼用予混合ガスの噴出口との距離
   が、当該多軸式ガスタービン装置の定格負荷運転時にお
   いて前段の噴出口で供給された予混合ガスが燃焼を完結
   するための理論上の距離あるいは実験的に求められる距
   離よりも短い距離とされている多段予混合ガス燃焼器を
   用いることを特徴とする多段予混合ガス燃焼装置。
5. 【請求項５】 前記多段予混合ガス燃焼器の前記短い距
   離は、当該多軸式ガスタービン装置の当該前段での燃焼
   用予混合ガス供給噴出口からの燃料ガス供給開始時にお
   ける部分負荷運転時において多段予混合ガス燃焼器に供
   給されることとなる空気量と定格負荷運転時に多段予混
   合ガス燃焼器に供給される空気量との比に基づいて設定
   される多段予混合ガス燃焼器を用いることを特徴とする
   請求項４記載の多軸式ガスタービン装置。