JP2950720B2 - ガスタービン燃焼装置およびその燃焼制御方法 - Google Patents

ガスタービン燃焼装置およびその燃焼制御方法

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JP2950720B2 JP6026953A JP2695394A JP2950720B2 JP 2950720 B2 JP2950720 B2 JP 2950720B2 JP 6026953 A JP6026953 A JP 6026953A JP 2695394 A JP2695394 A JP 2695394A JP 2950720 B2 JP2950720 B2 JP 2950720B2
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    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C6/00—Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion
    • F23C6/04—Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion in series connection
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  • General Engineering & Computer Science (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ガスタービンプラント
やコンバインドプラント等に使用されるガスタービン燃
焼器に係り、特にガスタービン排気中に含まれるＮＯｘ
濃度の低減を図ったガスタービン燃焼装置およびその燃
焼制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】ガスタービンプラントやコンバインドプ
ラント等において使用されているガスタービンは高効率
化のため、その作動条件が高温，高圧力となり、ＮＯｘ
を増大させる傾向にある。ＮＯｘ生成要因は種々考えら
れるが、火炎温度が支配的であり、ＮＯｘ低減法の要点
は、いかにして火炎温度を低下するかにある。
【０００３】従来多用されている最も簡単なＮＯｘ低減
対策は、燃焼器内の高温燃焼領域に蒸気噴射や水噴射を
行ない、燃焼時の火炎温度を低下させる方法である。こ
の方法は実施が簡便で優れた手法であるが、蒸気や水を
多量に使用すること、蒸気や水の使用は結果としてプラ
ント効率を低下させ高効率化志向に逆行すること、燃焼
器内への多量の蒸気や水の噴射は燃焼振動等を増大させ
燃焼器の寿命を低下させること、等の欠点がある。
【０００４】そこで近年、蒸気噴射や水噴射に代わる火
炎温度の低下方法として、燃料と燃焼用空気とを燃料稀
薄条件で予混合して燃焼させる、いわゆるドライ型の予
混合多段稀薄燃焼法が開発され、蒸気噴射や水噴射と同
等のレベルのＮＯｘ低減が可能になっている。
【０００５】この予混合多段稀薄燃焼法においては、予
混合燃焼の欠点である狭い燃焼範囲をカバーするため、
広い燃空比範囲で安定した燃焼の可能な拡散燃焼火炎を
併用した火炎構造を採用している。また、燃焼器内の空
気配分を負荷運転中に変更し、燃焼後の平均ガス温度を
上昇させて火炎の安定化を図る燃空比制御法等も採用し
ている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】予混合多段稀薄燃焼法
や燃空比制御法を用いるドライ型の燃焼器によれば、一
定の成果が得られているが、以下に述べるような改良す
べき問題がある。
【０００７】図１２は、ガスタービン負荷とＮＯｘ発生
量との関係を示した特性図である。同図に示すように、
蒸気や水の噴射型燃焼器のＮＯｘ特性ａに対し、ドライ
型低ＮＯｘ燃焼器のＮＯｘ排出特性ｂは、ガスタービン
負荷ｄ〜ｅに対してかなり低減されているが、低負荷側
ｃ〜ｄの領域では問題がある。すなわち、低負荷領域で
のＮＯｘ低減のため従来では燃料系統を多段化し、ＮＯ
ｘ特性ｂの一部を一点鎖線ｆで示す低ＮＯｘ特性に変更
し、ＮＯｘの低減化への改良を実施してきた。
【０００８】しかし、ガスタービンの全負荷範囲である
負荷ｃから定格負荷ｅまでにおいて、理論的に可能な最
低のＮＯｘ特性ｇにマージンをみて設定可能なＮＯｘ目
標値特性ｈに対し、ＮＯｘ特性（例えば特性ｂ）が、か
なり高くなっている。
【０００９】すなわち、拡散火炎に支えられた予混合火
炎によって安定燃焼を維持する従来のドライ型低ＮＯｘ
燃焼器のＮＯｘ特性ｊは、図１３に示すように、拡散火
炎用の燃料流量割合にほぼ反比例する。
【００１０】したがって、ＮＯｘをさらに低減するため
には拡散燃料流量割合をできるだけ小さくすることが望
ましいが、従来のドライ低ＮＯｘ燃焼器の構成および形
状では、図１４に示すように、最も小さい拡散値流量流
量割合は、各ガスタービン負荷でＣＯ制限値ｋをクリア
できる拡散燃料流量割合ｌで決まっており、ｌより小さ
い拡散燃料流量割合にするとＣＯ（またはＴＨＣ等）が
増大し、燃焼効率の低下や燃焼振動の増大により安定な
運転が不可能となり、さらに小さい拡散燃料流量割合ｍ
以下にすると失火する問題があった。このため、安定燃
焼や失火防止のため、拡散燃料流量割合を零まで減少し
てＮＯｘを最小値まで低減することはできなかった。
【００１１】また、ＮＯｘは図１５に示すように、予混
合当量比φP に強く依存する。NOx排出レベルを目標値
（例えば１０ppm ）以下にする場合は、燃焼域予混合当
量比φP を同図のｎ未満にする必要がある。
【００１２】また、図１６に示すように、燃焼器の壁面
冷却空気割合（同図の縦軸）は、燃焼器出口当量比φEX
または燃焼器出口温度Ｔｇと燃焼域予混合当量比φP
（同図横軸）とに一定の相互関係を有する。すなわち、
図１５に示すようにＮＯｘを目標値以下にするために
は、φP ＜ｎ（図１５のパラメータφP に対応）にする
必要があるため、燃焼器出口温度の上昇（または燃焼器
出口当量比φEXの増大）と共に、図１６に示したよう
に、壁面冷却空気割合は減少する。低ＮＯｘ化に対して
は燃焼限界に近い小さなφP を選定する必要があり、さ
らに冷却空気は減少し、冷却が困難となる問題があっ
た。
【００１３】本発明はこれらの問題を解決するためにな
されたもので、燃焼器の高温化や低ＮＯｘ化に伴ない従
来のドライ型低ＮＯｘ燃焼器では達成し得なかったガス
タービン全負荷範囲における１０ppm 以下の低ＮＯｘ排
出特性を有するガスタービンの燃焼装置およびその燃焼
制御方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】本発明によるガスタービ
ン燃焼装置は、ガスタービンの全負荷範囲で超低ＮＯｘ
を実現することができる一方、これに伴って生ずる燃焼
不安定を解決し、また高温化に伴って必要となる壁面冷
却を有効に行えるものである。
【００１５】燃焼装置は、燃焼器内に予混合燃料を噴出
する第１段から最終段までの予混合燃料噴出口を有する
燃焼部を備える。第１段から最終段までの予混合燃料噴
出口は燃焼器軸方向（長さ方向）にそれぞれ一定の距離
をおいて配置されている。第１段の予混合燃料系統は拡
散燃焼用ノズルと予混合燃焼用ノズルの両方に接続さ
れ、これらのノズル切換えにより、どちらか一方のノズ
ルにのみ燃料が供給できる構成になっている。また第１
段の予混合燃料噴出口近傍には着火エネルギを放出でき
る着火装置やパイロットバーナ等が設けられている。ま
た第２段から最終段の予混合燃料噴出口近傍の燃焼領域
にもパイロットバーナを具備できる構造になっている。
燃焼器内筒と尾筒の外側には多数のインピンジ冷却用孔
を有するフロースリーブが設置されている。また内筒の
フィルム冷却用の冷却孔の総開口面積は、燃焼器に設け
られた燃焼空気流入用の総開口面積の２０％以下の構造
となっている。
【００１６】燃焼制御は、第１段から最終段の系統の予
混合燃料をそれぞれ独立に制御できる流量調整弁等を含
む燃料供給装置と、これらの第１段から最終段（例えば
５段）の予混合燃料がガスタービン負荷を従属変数とし
て、それぞれの燃料流量関数（例えば１〜５）として記
憶されている演算器との交信号によって行なわれる構造
となっている。
【００１７】
【作用】第１段の燃料は拡散燃焼用ノズルと予混合燃焼
用ノズルのいずれからも噴射可能とされているが、最初
に拡散燃焼用ノズルに１００％の燃料として供給され
る。この燃料は第１段の予混合燃料噴出口近傍に設けら
れた着火装置またはパイロット火炎等により着火され
る。
【００１８】着火後、第１段の燃料は拡散燃焼用ノズル
から予混合燃焼用ノズルに切換えて供給し、これにより
予混合燃焼状態にする。その後、例えば第１段から第５
段（最終段）の予混合燃料をガスタービン負荷に対応し
た燃料流量関数に従って演算器からの指令により燃料供
給装置から供給する。第２段の予混合燃料は第１段の予
混合燃料の燃焼による高温ガスによって着火され燃焼
し、第３段の予混合燃料は第１段と第２段の予混合燃料
の燃焼した高温ガスの全体によって着火され燃焼され
る。同様に第４段，第５段の予混合燃料も上流段の予混
合燃料の燃焼した高温ガスの総量によっ着火され燃焼
し、第１段〜第５段の予混合燃料が上流から下流に次々
に火炎を拡大しながらシリーズ燃焼する。
【００１９】したがって、第１段〜第５段の燃焼は全て
１００％予混合燃焼とすることができる。なお、各段に
供給される空気と燃料とが均一に混合された予混合燃料
は、燃料稀薄条件に設定されており、それぞれの燃焼域
でＮＯｘが発生しない火炎温度、即ち１６００℃以下で
燃焼する。
【００２０】この結果、燃焼器全域で１６００℃以下で
燃焼することになり、ＮＯｘが殆ど発生せず、超低ＮＯ
ｘ化が可能となる。
【００２１】また、従来不安定になり易かった火炎は、
上流から下流に次々に火炎を拡大しながらシリーズ燃焼
する燃焼形態を採用し、上流の高温ガスとその中に含ま
れる化学活性基とで下流の未燃予混合ガスを活性化する
ことにより燃焼し易くなり、結果として火炎が安定化す
る。すなわち、上述の第１段〜第５段によるシリーズ燃
焼の採用により、火炎の安定化と超低ＮＯｘ化が共に可
能になる。
【００２２】なお、火炎の安定化の促進のため第２段〜
第５段の予混合燃料が燃焼する燃焼領域に、着火エネル
ギを与えるパイロットバーナ，電気ヒータによる加熱ロ
ッド，電気および磁気エネルギやプラズマ等による助燃
または点火装置を設けることも可能である。
【００２３】また、第１段〜第５段の予混合燃料には適
量の空気が配分され、火炎温度が１６００℃以下で燃焼
するように燃料稀薄条件に設定されている。この場合、
多数のインピンジ冷却用穴を有するフロースリーブを採
用して内筒および尾筒の対流冷却を強化したことによ
り、フィルム冷却用の冷却空気を燃焼器に入る空気の２
０％以下に減少することが可能となり、冷却空気の減少
分を燃焼用空気として再利用することで、燃料稀薄条件
を設定するための適量の空気を確保することができる。
【００２４】本発明における壁面冷却構造によれば、冷
却空気を削減して予混合用の空気に配分することによ
り、燃料稀薄燃焼条件が実現できてＮＯｘ低減が可能と
なり、また上述のシリーズ燃焼形態の採用により、不安
定火炎（燃料稀薄燃焼条件は燃焼温度が低いため火炎が
不安定になり易い）を同時に解決し、結果としてガスタ
ービンの全運転範囲で超低ＮＯｘで安定燃焼可能な燃焼
が可能となる。
【００２５】
【実施例】以下、本発明に係るガスタービン燃焼装置の
実施例を図面を参照して説明する。
【００２６】図１は本実施例によるガスタービン燃焼装
置の構成を示している。同図に示すように、燃焼器１は
３段の燃焼部を有する第１の燃焼室２ａと、２段の燃焼
部を有する第２の燃焼室２ｂとを備えている。第１の燃
焼室２ａはガス流方向に沿う一対の小径内筒１ａ，１ｂ
を連結した構成とされている。上流側の小径内筒１ａに
はパイロットバーナ３，予混合装置４ａ，点火装置とし
ての単一または複数のマイクロバーナ（電気ヒータによ
る加熱ロッドその他の電気，磁気エネルギ等を利用して
着火エネルギを放出する点火装置でもよい）５ａを有す
る構成とされている。また、下流側の小径内筒１ｂは予
混合装置４ｂおよび単一または複数のマイクロバーナ５
ｂを有する構成とされている。各予混合装置４ａ，４ｂ
は予混合ダクトとして構成され、周方向に４〜８個配列
されている。また予混合装置４ａ，４ｂの上流側の空気
取入れ口には燃料ノズル６ａ，６ｂが配置されている。
【００２７】第２の燃焼室２ｂは大径内筒７と予混合装
置４ｃ，４ｄおよび単一または複数のマイクロバーナ５
ｃを有する構成とされている。予混合装置４ｃ，４ｄは
予混合ダクトとして構成され、周方向に４〜８個配列さ
れている。
【００２８】また、予混合装置４ｃ，４ｄの上流側には
燃料ノズル６ｃ，６ｄが配置されている。なお、予混合
装置４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄはサポート８ａ，８ｂ（一
部のみ図示している）により、ダミー内筒９に固定され
ている。このダミー内筒９は、小径内筒１ａ，１ｂおよ
び大径内筒７に作用するスラスト力を受けるため、ケー
シング１０に付属したサポート１１により軸方向位置が
設定されている。
【００２９】大径内筒７の下流には尾筒内壁１２および
尾筒外壁１３が設けられ、尾筒外壁１３には多数の冷却
孔１４が穿設されている。同様に、大径内筒７の外周側
にはフロースリーブ１５が配置され、このフロースリー
ブ１５にも多数の冷却孔１６が穿設されている。大径内
筒７と尾筒内壁１２、およびフロースリーブ１５と尾筒
外壁１３との取合い部は、それぞれスプリングシール１
７で密封されている。
【００３０】小径内筒１ａの上流端部には第１段の予混
合燃料噴出口１８が設けられ、前述した各内筒１ａ，１
ｂ，７に設けられた予混合装置４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ
の出口は、それぞれ第２段〜第５段の予混合燃料噴出口
１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄとされている。これら
第２段〜第５段の予混合燃料噴出口１９ａ，１９ｂ，１
９ｃ，１９ｄは、燃焼器軸方向に沿ってシリーズ燃焼を
適切に行うための所定の距離間隔で配置されている。こ
れらの噴出口１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄから噴出
する予混合燃料の噴出方向は、例えば燃焼器中心に向け
た設定とされている。なお、図２に示すように、ガス流
が旋回成分を有するように、噴出口を螺旋方向に設定す
ることも可能である。
【００３１】一方、パイロットバーナ３は、小径内筒１
ａの中心線に沿う拡散燃料ノズル２０，予混合燃料ノズ
ル２１およびスワラ２２を有する構成とされ、このバイ
ロットバーナ３のスワラ２２上流側周壁には多数の空気
孔２３が穿設されている。図３は燃焼状態を示してお
り、その作用については後述する。
【００３２】図４はパイロットバーナ３の構成を詳細に
示している。パイロット拡散燃料供給用のパイプ２４の
先端に噴出孔２５が穿設されており、この噴出孔２５と
ノズル先端２６とが対面接近している。ノズル先端２６
には、拡散燃料吹出し用の噴出孔２７，２８が穿設され
ている。
【００３３】また、ノズル先端２６の中心部および逆流
領域２９の近傍には、着火源となる前記のマイクロバー
ナ５ａが設けられている。パイプ２４の外周側には流路
３０が形成され、燃焼用空気と燃料との混合による予混
合燃料が流路３０先端の噴出口３１から燃焼器内に噴出
する構造となっている。
【００３４】燃料供給系３２は図１に示すように、燃料
圧力調整弁３３および燃料流量調整弁３４を有し、各燃
料ノズル６ａ〜６ｄに対し、燃料が遮断弁３５，３６，
燃料流量調整弁３７，分配弁３８および燃料流量調整弁
３９ａ，３９ｂ，３９ｃ，３９ｄを介して供給される構
成になっている。
【００３５】図５は燃料供給装置の系統構成を示してい
る。燃料Ｎは圧力調整弁３３および流量調整弁３４を経
由して２系統に別れる。
【００３６】一方の系統は、遮断弁３６を経由した後２
系路に分岐し、その分岐した一方の系路はさらに、流量
計４０ａおよび流量調整弁３９ａを流れる系統４１ａ
と、流量計４０ｂおよび流量調整弁３９ｂを流れる系統
４１ｂとに別れている。分岐した他方の系路は、流量計
４０ｅおよび流量調整弁３９ｅを経由し、さらに流量調
整弁３８を流れる系統４１ｅと、別の系統４１ｆとに別
れる。
【００３７】流量調整弁３４を経由した他方の系統は、
遮断弁３５を経由し、さらに流量計４０ｃおよび流量調
整弁３９ｃを流れる系統４１ｃと、流量計４０ｄおよび
流量調整弁３９ｄを流れる系統４１ｄとに別れる。
【００３８】これら全ての調整弁や遮断弁，流量計等か
ら出力される信号Ｓ１０１，Ｓ１０２，Ｓ１０３，Ｓ１
０４，Ｓ１０５，発電機５１ａの出力信号Ｓ１０６およ
び負荷信号Ｓ１０７は演算器４２にリンクされ、この演
算器４２に入力されているスケジュールにより負荷信号
１０７に対応して制御される。なお、５１ｂは脱硝装
置，５１ｃは煙突を示す。
【００３９】次に作用を説明する。
【００４０】まず、図３および図５によって空気の流れ
を説明する。図５に示すように、空気圧縮機５０から噴
出された高温高圧の空気Ａ0 の一部はタービン５１の冷
却に回り、その一部は図３における燃焼器用空気Ａ1 と
なる。燃焼用空気Ａ1 は尾筒の冷却孔１４，１６を通っ
て隙間５２内に流入し、インピンジ噴流Ａ2 となり、尾
筒内壁１２および大径内筒７を対流により冷却する。
【００４１】インピンジ噴流Ａ2 は、尾筒内壁１２の部
分と大径内筒７の部分においては燃焼器内部に流入せ
ず、予混合装置（ダクト）４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄにそ
れぞれ燃焼用空気Ａ3 ，Ａ4 ，Ａ5 ，Ａ6 として流入
し、またパイロットバーナ３に燃焼用空気孔２３から燃
焼用空気Ａ7 として流入し、また小径内筒１ａ，１ｂの
フィルム冷却空気Ａ8 となるように隙間５２内で下流側
に流れる。
【００４２】次に、パイロットバーナ３における空気，
燃料の流れを説明する。
【００４３】図４において空気孔２３から流入した燃焼
用空気Ａ7 はスワラ２２により角運動量を与えられ、旋
回しながら噴出口３１から小径内筒１ａに流入する。図
４の噴出口３１は図２においては第１段の予混合燃料噴
出口１８に該当する。パイロット拡散燃料Ｎ1 はパイプ
２４の最下流の孔２５からジェット流として噴出してノ
ズル先端２６を赤熱しないように対流冷却し、噴出口２
７から拡散燃料Ｎ2 となって小径内筒１ａに流入し、例
えば小径内筒１ａ周壁の着火器５３により着火され、パ
イロット火炎Ｆ1 を形成する。着火後演算器４２からの
信号Ｓ１０３により拡散燃料Ｎ1 は予混合燃料Ｎ3 に徐
々に切り換わる。
【００４４】予混合燃料Ｎ3 は予混合燃料ノズル２１か
らシャワー状に噴出される燃料Ｎ4となり、燃焼用空気
Ａ7 と均一に予混合される。この予混合燃料Ｎ5 は旋回
しながら下流に流れるに従って増速し、乱流燃焼速度の
２倍以上の流速となって、第１段の予混合燃料噴出口１
８（噴出口３１）から小径内筒１ａに流入する。このと
き、燃料は乱流燃焼速度の２倍以上の流速となっている
ためパイロット火炎Ｆ1 からの逆火を防止できる。燃料
切り換え完了時点では、パイロット火炎Ｆ1 は全て予混
合混合燃料Ｎ3 による１００％予混合混合火炎となり、
ＮＯｘの発生はほぼ零となる。
【００４５】次に、燃焼器内筒における燃料の流れおよ
び燃焼法について説明する。
【００４６】上述の方法により小径内筒１ａ内にまずパ
イロット火炎Ｆ1 が形成される。この火炎Ｆ1 はパイロ
ット拡散燃料Ｎ1 およびパイロット予混合燃料Ｎ3 の配
分組合せにより安定化されている。パイロット火炎Ｆ1
の形成後、演算器４２からの出力信号Ｓ１０３により流
量制御された燃料は予混合装置４ａ内で空気と均一に混
合され、第２段予混合燃料噴出口１９ａから予混合燃料
Ｎ4 となって小径内筒１ａに流入する。
【００４７】流入した予混合燃料Ｎ4 は上流にあるパイ
ロット火炎Ｆ1 により着火燃焼され、予混合火炎Ｆ2 を
形成する。次に第３段予混合燃料Ｎ5 は同様に、第３段
予混合燃料噴出口１９ｂより小径内筒１ｂに流入する。
流入した予混合燃料Ｎ5 は上流にあるパイロット火炎Ｆ
1 と予混合火炎Ｆ2 の合算された総燃焼ガス量により着
火・燃焼され、予混合火炎Ｆ3 を形成する。第４段，第
５段の予混合燃料Ｎ6，Ｎ7 も第２，３段と同様の過程
により予混合火炎Ｆ4 ，Ｆ5 を形成する。
【００４８】ここで予混合火炎Ｎ1 ，Ｎ2 ，Ｎ3 ，Ｎ4
，Ｎ5 の火炎温度はＮＯｘが生成しない燃焼温度（１
６００℃未満）になるように、燃料流量がそれぞれ演算
器４２により制御される。これにより、ガスタービン負
荷に対するＮＯｘ特性ｉ（図１２参照）は、従来の低Ｎ
Ｏｘ燃焼器のＮＯｘ特性ｂ（同図参照）と異なり、全負
荷域において低レベルとなり、ＮＯｘ目標値ｈ（同図参
照）を達成することができる。
【００４９】火炎の安定化は上述のように、第１段〜第
５段の予混合燃料がそれぞれ上流の高温ガスによって次
々に着火燃焼されて火炎が拡がる、いわゆる「シリーズ
燃焼」の採用によって可能となるものである。
【００５０】次に、燃焼器内筒等の冷却について説明す
る。
【００５１】空気圧縮機５０から燃焼器１に供給される
空気の大部分は、尾筒外筒１３およびフロースリーブ１
５に設けられたインピンジ冷却孔１４，１６を通過し、
インピンジ噴流Ａ2 となって尾筒内筒１２および大径内
筒７に衝突してその壁面を対流冷却する。
【００５２】尾筒内筒１３の部分では燃焼器内部に入ら
ず、予混合装置４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ用の燃焼空気Ａ
3 ，Ａ4 ，Ａ5 ，Ａ6 およびパイロットバーナ３の燃焼
空気Ａ7 として燃焼器内部に流入する。
【００５３】但し、第１の燃焼室２ａに対応する小径内
筒１ａ，１ｂにおいては、燃焼用空気Ａ1 の２０％未満
の空気がフィルム冷却空気として使用され、燃焼器内部
に流入して燃焼器内面を冷却する。すなわち、尾筒内筒
１２の部分では外面冷却のみでフィルム冷却空気として
使用せず、結果として燃焼空気Ａ3 ，Ａ4 ，Ａ5 ，Ａ6
，Ａ7 に転用している。これにより燃焼空気の増加が
図れ、ＮＯｘが生成しない燃焼温度（１６００℃未満）
になる予混合燃空比に設定できる。このようにして低Ｎ
Ｏｘ化に寄与している。
【００５４】上記の燃焼法を実現するため演算器４２に
ついて説明する。
【００５５】演算器４２には、図１０に示すように、第
１段〜第５段の燃料系統にそれぞれガスタービン負荷に
対して第１段〜第５段の予混合用燃料流量Ｗ1 〜Ｗ5 が
関数として入力されており、予混合用燃料流量Ｗ1 〜Ｗ
5 の合計が全燃料流量Ｗ0 となる。演算器４２からの信
号Ｓ１０３等により、負荷信号Ｓ１０７に対して流量調
整弁３７，３９ａ，３９ｂ，３９ｃ，３９ｄ等を用いて
第１段〜第５段の予混合燃料流量Ｗ1 〜Ｗ5 はそれぞれ
制御される。
【００５６】負荷上昇の場合には、図１１にそのフロー
チャートを示したように、第１段燃料切換え（ステップ
１１０１）の後、各段の予混合燃料を順次に増加設定
（ステップ１１０２〜１１０５）すればよい。
【００５７】負荷減少の場合には図１１と逆に、第５段
側から第２段側に燃料流量の減少設定を順に行うよう制
御すればよい。ガスタービン負荷に対する空気流量Ｗａ
は略一定であるため、全燃料流量Ｗ0 の制御により燃焼
器出口温度が決定される。
【００５８】なお、図４に示すように、各内筒１ａ，１
ｂ，７の逆流領域近傍には小さな火炎を吹き出すマイク
ロバーナ５ａを設けので、火炎安定化が有効に図れる。
【００５９】なお、本発明に係るガスタービン燃焼装置
は以上の実施例に限定されるものではない。本発明の変
形例を図６〜図９に示している。
【００６０】図６の変形例は、図１に示した燃料噴出口
１８，１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄを二重円筒で囲
まれたアニュラス形状に変形したものである。すなわ
ち、本例では燃焼用空気Ａ10にラジアルスワラ６０によ
り角運動量が与えられ、それぞれ第１，２，３，４，５
段燃料噴出口６１ａ，６１ｂ，６１ｃ，６１ｄ，６１ｅ
から円筒に流入するようになっている。燃料Ｎ10は図１
の例と同様に、各噴出口に独立の燃料供給系により供給
される。また、予混合火炎Ｆ1 〜Ｆ5 も、第１〜５段燃
料噴出口６１ａ〜６１ｅに対応して、内筒６２内に軸方
向に連続し、シリーズ燃焼が行われる。
【００６１】図７の変形例は、パイロットバーナ６３に
ついては図１の実施例と略同様であるが、第１燃焼室６
４ａの下流側に位置する第２燃焼室６４ｂに付属するマ
ルチバーナタイプの円筒形状の予混合装置６５が、軸方
向に２個所、周方向に５〜８個配列されている。また、
予混合装置６６内にはスワラ６７が設けられ、短かい流
路中でも均一な予混合が行えるようになっている。
【００６２】本例においても前記同様に、上流側の火炎
から順次にシリーズ燃焼が可能で、予混合火炎Ｆ11の形
成が行え、ＮＯｘの発生を効果的に抑制できる。
【００６３】図８および図９は、図１に示したマイクロ
バーナに対する変形例を示している。
【００６４】図８の変形例ではマイクロバーナ５ａが自
己保炎により予混合燃焼可能な構成としたものである。
即ち、本例では、予混合燃料噴出口１８（１９ａ…）の
先端部を広口として渦流を発生させ、この部分で保炎用
火炎７０が形成されるようになっている。このような構
成によれば、火炎の一層の安定化が図れる。なお、噴出
口先端部には耐熱コーティング層７１が形成されてい
る。
【００６５】図９の変形例は着火器を、電気エネルギに
よって常時着火可能な温度まで昇温された高温部分８０
を有する加熱ロッド８１によって構成したものである。
本例でも予混合燃料噴出口１８が広口とされ、これによ
り燃料Ａのよどみ域８２が形成されている。
【００６６】なお、以上の実施例および変形例で示した
ガスタービン燃焼器はガス燃料や液体燃料を使用する種
々のタイプのガスタービンに適用可能なことは勿論であ
る。
【００６７】
【発明の効果】以上のように、本発明に係るガスタービ
ン燃焼装置によれば、従来の問題点となっていた超稀薄
燃焼条件の達成，火炎安定燃焼および燃焼器壁面冷却を
同時に解決することが可能となり、結果として全運転範
囲においてＮＯｘを目標値以下（＜１０ppm ）にするこ
とができる。そして、ＮＯｘ発生の大幅な削減により、
脱硝装置の縮小または省略が図れるとともに、アンモニ
ア消費量の減少等も含めて運転経費削減等の経済効果も
得られ、さらに地球環境浄化にも寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るガスタービン燃焼装置の一実施例
を示す構成図。
【図２】前記実施例の部分側断面図。
【図３】前記実施例の作用を示す説明図。
【図４】前記実施例のパイロットバーナを示す拡大図。
【図５】前記実施例の燃料系統を示す系統図。
【図６】本発明の他の実施例を示す燃焼部の構成図。
【図７】本発明のさらに他の実施例を示す燃焼部の構成
図。
【図８】前記実施例におけるマイクロバーナの変形例を
示す図。
【図９】前記実施例のマイクロバーナに代る他の着火器
を示す図。
【図１０】前記実施例における演算器の制御特性を示す
グラフ。
【図１１】前記実施例の作用を示すフローチャート。
【図１２】従来例を説明するためのＮＯｘ特性図。
【図１３】従来例を説明するためのＮＯｘ特性図。
【図１４】拡散燃料の流量割合に対するＮＯｘ，ＣＯ特
性図。
【図１５】燃焼域予混合当量比１５に対するＮＯｘの特
性図。
【図１６】壁面冷却割合と燃料の出口当量比との関係を
示す特性図。
【符号の説明】
１ 燃焼器 １ａ，１ｂ 小径内筒 ２ａ 第１段燃焼室 ２ｂ 第２段燃焼室 ３ パイロットバーナ ４ａ，４ｂ 予混合装置 ５ａ 点火装置 ５ｂ，５ｃ マイクロバーナ ６ａ，６ｂ 燃料ノズル ７ 大径内筒 ８ａ，８ｂ サポート ９ ダミー内筒 １０ ケーシング １１ サポート１１ １２ 尾筒内壁 １３ 尾筒外壁 １４ 冷却孔 １５ フロースリーブ １７ スプリングシール １８ 第１段の予混合燃料噴出口 １９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄ 予混合燃料噴出口 ２０ 拡散燃料ノズル ２１ 混合燃料ノズル ２２ スワラ ２３ 空気孔 ２４ パイプ ２５ 噴出穴 ２６ ノズル先端 ２７，２８ 噴出穴 ３０ 流路 ３１ 噴出口 ３２ 燃料供給系 ３３ 燃料圧力調整弁 ３４ 燃料流量調整弁 ３５，３６ 遮断弁 ３７ 燃料流量調整弁 ３８ 分配弁 ３９ａ，３９ｂ，３９ｃ，３９ｄ 燃料流量調整弁 ４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄ 流量計 ４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄ 系統 ４２ 演算器 ５０ 空気圧縮機 ５１ タービン ５２ 隙間 ６０ ラジアルスワラ ６１ａ，６１ｂ，６１ｃ，６１ｄ，６１ｅ 第１〜５段
燃料噴出口 ６３ パイロットバーナ ６４ｂ 第２燃焼室 ６５，６６ 予混合装置 ６７ スワラ ７０ 高温部分 Ａ2 インピンジ噴流 Ａ3 ，Ａ4 ，Ａ5 ，Ａ6 燃焼用空気 Ａ7 燃焼用空気 Ａ8 フィルム冷却空気 Ａ10 燃焼空気 Ｆ1 パイロット火炎 Ｆ2 ，Ｆ3 ，Ｆ4 ，Ｆ5 ，Ｆ11 予混合火炎 Ｎ1 パイロット拡散燃料 Ｎ2 拡散燃料 Ｎ3 予混合燃料 Ｎ4 燃料 Ｎ5 第３段予混合燃料 Ｎ6 第４段予混合燃料 Ｎ7 第５段予混合燃料 Ｎ10 燃料 Ｓ１０７ 負荷信号 Ｗ1 〜Ｗ5 第１段〜第５段予混合用燃料流量 Ｗａ 空気流量 Ｗ0 全燃料流量
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 ＦＩ Ｆ２３Ｒ 3/34 Ｆ２３Ｒ 3/34 (56)参考文献 特開 平５−203148（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−18037（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−309124（ＪＰ，Ａ) 特公 平５−24337（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) F23R 3/28 F02C 9/28 F23R 3/06 F23R 3/30 F23R 3/34

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ガスタービンの燃焼器の軸方向に間隔的
    に配置された複数段の燃焼部と、この各燃焼部にそれぞ
    れ独立的に連結された複数の燃料供給系統とを有し、前
    記複数段の燃焼部のうち第１段の燃焼部は、前記燃焼器
    の軸中心部に配置されガスタービンの点火から負荷上昇
    初期まで拡散燃料が供給され他の燃焼部向きに開口した
    拡散燃焼用燃料ノズルと、この拡散燃焼用燃料ノズルの
    外周囲に配置されガスタービンの負荷上昇による前記拡
    散燃料供給量減少に伴いその供給量が増加される予混合
    燃料が供給され他の燃焼部向きに開口した予混合燃料用
    ノズルとを備え、前記複数段の燃焼部のうち第２段以降
    の各燃焼部は、燃焼器の外方から軸中心向きに開口しガ
    スタービンの負荷変動に応じて制御装置によりその供給
    量が調整された予混合燃料供給量を供給する予混合燃料
    用ノズルを具備してなることを特徴とするガスタービン
    燃焼装置。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載のガスタービン燃焼装置
    において、燃焼室を構成する内筒および尾筒の外周側を
    覆うフロースリーブを設け、このフロースリーブに多数
    の孔をあけ、この多数の孔から噴出する燃焼空気噴流を
    内筒および尾筒の外面に衝突させて内筒および尾筒のメ
    タルを冷却する構造とし、前記内筒および尾筒の壁面メ
    タル冷却のために燃焼器内部に空気を流入させて冷却す
    るフィルム冷却用の冷却空気孔総開口面積を燃焼空気流
    入用の総開口面積の２０％以下に設定したことを特徴と
    するガスタービン燃焼装置。
  3. 【請求項３】 請求項１に記載のガスタービン燃焼装置
    において、第１段から最終段までの予混合燃料が燃焼す
    る燃焼領域に、着火可能な着火エネルギを与えるマイク
    ロバーナ，電気ヒータによる加熱ロッド，電気，磁気エ
    ネルギまたはプラズマ等による助燃または点火装置を設
    けたことを特徴とするガスタービン燃焼装置。
  4. 【請求項４】 請求項１に記載の装置を用い、第１段の
    燃焼部で予混合燃料をパイロット火炎または着火装置に
    よって燃焼させ、第２段以降の予混合燃料の燃焼は順
    次、前段の予混合燃料の燃焼による高温ガスによって着
    火することにより行なわせることを特徴とするガスター
    ビン燃焼装置の燃焼制御方法。
  5. 【請求項５】 請求項４に記載のガスタービン燃焼器の
    燃焼制御方法において、第１段から最終段への予混合燃
    料は、それぞれ独立にガスタービン負荷の上昇と共に第
    １段から最終段まで順次にシリーズ供給して燃焼させ、
    ガスタービン負荷の減少のときは負荷上昇時と反対に最
    終段から第１段の順にそれぞれ燃料を減少させ、負荷遮
    断のときは最終２段の燃料のみ供給停止させることを特
    徴とするガスタービン燃焼装置の燃焼制御方法。
  6. 【請求項６】 請求項４に記載のガスタービン燃焼器の
    燃焼制御方法において、第１段から最終段のそれぞれの
    予混合燃料は、ガスタービン負荷を従属変数とする燃料
    流量関数によって規定し、この燃料流量関数の負荷に対
    する最適な組合せを記憶した演算器からの信号により燃
    料供給装置を用いて燃料供給することを特徴とするガス
    タービン燃焼装置の燃焼制御方法。
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