JPH0115775B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はガスタービン燃焼器の燃焼方法及び装
置に係り、特に予混合低NOx燃焼を行なうため
の方法及び装置に関する。

〔従来の技術〕

燃料と空気を予混合して燃焼する場合のNOx
濃度は第１図に示される特性を有しており、空気
過剰率λが1.1近傍の時に最高濃度となり、λが
1.1以上になるとλが大きいほどNOx濃度は低く
なる。ガスタービン燃焼器の低NOx化にこの特
性が生かされており、その一例が第２図に示され
る。ガスタービンは無負荷から定格負荷まで空気
過剰率が約４倍変化する。これに対してNOxが
低く、安定燃焼が可能な範囲は空気過剰率で２倍
以下である。したがつて燃料噴口を燃焼器軸方向
に２段とし、各段での空気過剰率をNOxが低く、
かつ、安定燃焼が可能な範囲に規定している。ま
た、NOx低減をより確実に実現するために燃焼
用空気を別置の圧縮機で昇圧し、所定量の空気が
燃焼器頭部から供給されるよう構成されている。
すなわち、第２図に示される従来のこの種装置に
おいて、予燃焼室１において希薄燃焼するための
空気は主圧縮機デイフユーザ６からの空気を抽気
路７で分流され、圧縮機１８で昇圧され、制御弁
１９で流量制御されて燃料ノズル３に導かれる。
燃料ノズル３内では一次燃料管８からの一次燃料
と混合され、安定燃焼可能な希薄混合気として予
燃焼室１に供給される。二次燃料管９、二次燃料
ヘツダ１２からの二次燃料は圧縮機デイフユーザ
６から直接流れてくる二次空気と二次スワーラ１
１内において混合され、希薄混合気として主燃焼
室２に供給され、予燃焼室１の火炎により着火さ
れて燃焼する。この結果、予燃焼室１、主燃焼室
２においてともに希薄燃焼が行なわれるため、低
NOx化が実現可能となる。

〔発明が実現しようとする問題点〕

しかし、圧縮機デイフユーザ６から吐出される
空気量はタービンの負荷にかかわらずほぼ一定で
あるため負荷変動時を考えるとこの形式の装置で
は問題がある。即ち二次スワーラ１１からの二次
空気が常時ほぼ一定量流入しているために二次燃
料が噴射され始めた状態ではこの混合気が過剰に
薄くなり、可燃範囲外となつて、大部分が未燃成
分として排出されることとなる。この対策として
予燃焼室１内に供給される一次燃料と一次空気量
を増し、二次スワーラ１１からの二次空気が流入
した状態においても主燃焼室２の入口近傍の混合
気を可燃範囲内に保つよう構成することも考えら
れるが、この場合には、一次燃料で受け持つター
ビン負荷が大きくなり、タービン負荷変動時に一
次燃料から、一次、二次燃料への切換点が存在す
ることになり、負荷変動を円滑に行えない問題が
生ずる。更に予燃焼室用の空気を圧縮機で加圧す
る場合には圧縮機の所要動力が増す結果となる。
このため全体の熱効率が大巾に低下するという欠
点は避けられない。

本発明の目的は一次燃料から、一次、二次燃料
への切換えをガスタービンの常用負荷帯より低い
負荷で行え、しかも熱効率の低下をきたすことな
く効率よく低NOx化が実現できるガスタービン
燃焼器における予混合燃焼を用いた燃焼方法とそ
の装置を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の上記目的はガスタービン燃焼装置の一
次燃料量を、タービンの常用負荷の最小負荷より
も低い負荷に相当する燃料量とし、予燃焼室へ導
入される空気を上記一次燃料との比で空気過剰率
1.2〜1.6の範囲になるように一定量とし、、残り
の空気のうち、二次燃料に混合される二次空気量
を空気過剰率が一次燃料の空気過剰率より大きく
全体の空気過剰率が４を越えないようにタービン
負荷に応じて制御することにより達成される。

〔作用〕

本発明の構成によれば、一次燃料の空気過剰率
は、タービン負荷にかかわらず、ほぼ一定であり
その値も1.2〜1.6の範囲にあるため、NOxの発生
も少なく、しかも安定燃焼する範囲内にある。更
に、一次燃料量は、タービンの常用負荷帯よりも
低い負荷に相当する燃料量に設定されているため
常用負荷帯では、常に一次、二次燃料がともに供
給されており、燃料の切換えによる負荷の急変は
生じない。更に、二次燃焼のλは、一次の空気過
剰率より大きく全体の過剰率が４を越えない値に
選定されているので、未燃分が増大する恐れもな
い。

〔実施例〕

以下、第３図に従つて、本発明の一実施例を説
明する。予燃焼室用空気は従来装置と同様、空気
の一部は抽気路７から分流され圧縮機１８により
昇圧されて燃料ノズル３に導かれるが、一次空気
の流量を制御するための流量制御機構は備えられ
ておらず、燃焼ノズル３の出口の一次スワーラ面
積のみによつて流量が一定量に定まる構造であ
る。一次燃料管８からの一次燃料もまた一定量に
調整され燃料ノズル３内で一次空気と混合され、
予混合気として予燃焼室１に流入する。したがつ
て、一次の予混合気の空気過剰率は後述の如く一
定値に保たれる。二次空気は内筒４と外筒１６と
の間の空気通路に設けられた通路面積可変の制御
装置１４によつて負荷に応じた量に流量制御をさ
れ、二次燃料管９からの二次燃料と二次スワーラ
１１の近傍で予混合されるか又は二次スワーラ出
口で拡散混合されつつ主燃焼室２に導かれる。こ
の混合気も低NOx化のために一次混合気よりも
更に燃料希薄である。二次空気は主燃焼室２の空
燃比を一定に保つために例えば、ガイドベーンの
如き制御装置１４によりタービン負荷に応じて制
御され、燃料流量、または燃料噴射差圧を検出す
る装置２０からの信号に応答して空気流量が制御
される。主燃料室２の冷却空気、希釈空気は制御
装置１４の上流側から分岐して冷却空気孔および
希釈空気孔１５から流入する。尚、１３は隔壁で
あり、制御装置１４を通つた空気のみが二次スワ
ーラ１１に導かれる。１７は圧縮機１８を駆動す
るモータである。

以上の構成からなるガスタービン燃焼器におい
て、低NOx化を実現し、かつ従来燃焼器と構造
的に大差なくして安定燃焼が可能な燃料配分と空
気過剰率は以下に説明される。

まず予熱焼室１で燃焼する一次燃料割合はター
ビンの常用負荷帯以下で一次から一次二次への切
換を行うため、及びこの一次燃料の燃焼に要する
空気を昇圧するための動力を低減するために少な
いほど良いが、二次空気を制御することによつて
全作動範囲で高い燃焼効率が確保できる範囲であ
る必要がある。定格負荷近傍の燃焼効率に近い値
が確保できる範囲は第４図に示すように一次・二
次を合計した全体の空気過剰率が４以下であり、
この空気過剰率を確保するために二次空気を制御
すべき範囲は第５図に示す結果となる。したがつ
て一次燃料割合は７％以上、50％以下に設定する
ことが望ましい。

第５図の意味するところは、一次燃料の比率を
高める程、二次空気の制御範囲を小さくしても、
可燃範囲λ＜４に保ち得ることを示している。

ところで、本発明においては、一次燃料量及び
空気量はタービン負荷にかかわらず一定値に保た
れるから、タービンの常用運転における負荷変動
範囲よりも低い負荷に相当する燃焼量に設定して
おかなければならない。

タービンの常用負荷が例えば定格負荷の50％か
ら100％の範囲で用いられるタービンにあつては、
一次燃料割合は最大50％に設定し得る。常用負荷
帯が更に低い負荷に設定された場合は、一次燃料
割合はそれに応じて低い値に設定すべきである。

次に空気過剰率は第１図に示されるNOx特性
と第６図に示される予燃焼室吹き消え特性から定
められる。NOx特性から空気過剰率を1.6以上に
してもNOx低減効果のないこと、吹き消え特性
からλ＝1.6ではλ＝1.2の吹き消え流速の約30％
に低下しており、これは燃焼器直径が約２倍にな
ることから上限と空気過剰率λ＝1.6とするのが
望ましい。下限は希薄燃焼による低NOx効果が
50％となるλ＝1.2とするのが望ましい。

以上の説明より明らかな如く、一次燃料は、タ
ービンの常用負荷帯よりも低い負荷に相当する燃
料量であつて、しかも一次燃料比率が７％〜50％
の範囲に入る量に選定され、一次燃料に対し空気
量は、過剰率λが1.2から1.6の範囲に入るように
設定される。一例として全体の空気過剰率を2.9、
一次空気過剰率を1.3とした場合、一次燃料割合
を変えたときの一次空気割合の関係が第７図に示
される。

第７図から明らかなように、λ＝1.3としたと
きには、一次燃料割合が７％〜50％の範囲では、
一次空気割合は３％〜22％の範囲にある。

次に、二次燃料は、零％から一次燃料割合の残
部の％まで変化する。一次燃料割合が30％のとき
には、２次燃料は、０〜70％まで変化し、そのと
きの燃料の流量を燃料流量検出装置２０で検出
し、検出信号に応じて、制御装置１４を通過する
空気量が変るので、二次燃料と空気の混合割合
は、燃料量が変つてもほぼ一定に保たれる。そし
て、その空気過剰率は低NOxのため1.2以上で４
以下となつている。

したがつて、いかなる状態にあつても、二次混
合気は可燃範囲内にあり、未燃成分の排出は少な
く、かつ、NOxの濃度も低くなつている。

一次空気の昇圧に要する動力を少なくして低
NOx化をはかることが望ましく、その極限とし
て昇圧用圧縮機１８を設けることなく内筒４の内
外圧力差のみで一次空気を予燃焼室に供給するよ
うにすることも可能である。この場合には全圧の
圧力バランスから予燃焼室内外圧力差が少なく、
一次空気を多量に供給することが困難であり、従
来よりも一次空気量を少なくすることによつて実
現可能となる。本発明では、一次燃料割合が７％
まで少なくすることができ、そのときの一次空気
割合は最小３％まで少なくすることができるので
圧縮機を省略することが可能となる。この場合で
も二次空気を含めた全体の空気過剰率が４以下に
なるように二次空気を制御する。この結果、負荷
によつて空気孔面積が変化し、燃焼器圧力損失が
増大するために熱効率が若干低下するが別置の圧
縮機は不要となる利点がある。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明によれば、一次燃料か
ら、一次、二次燃料への切換えをガスタービンの
常用負荷帯より低い負荷で行え、しかも、未燃成
分の排出を少なくできるので、ガスタービンの熱
効率を低下させることなく、NOxの低減が可能
となるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は予混合火炎のNOx特性を示す図、第
２図は従来の予混合燃焼器の構造を示す図、第３
図は本発明の予混合燃焼器の一実施例の構造を示
す図、第４図は燃焼効率が低下しない範囲を示す
データ線図、第５図は二次空気の制御割合を示す
線図、第６図は予燃焼室の吹き消え特性を示す線
図、第７図は全体空気過剰率2.9の燃焼器におい
て予燃焼室空気過剰率を1.3とした場合の一次空
気量割合を示す線図である。 １……予燃焼室、２……主燃焼室、３……燃料
ノズル、４……内筒、１４……流量制御装置、１
６……外筒、１８……圧縮機、２０……燃料流量
検出装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 頭部に予燃焼室を後部に主燃焼室を備え、一
   次燃料と一次空気を予混合して予燃焼室に供給し
   て燃焼させ、二次燃料と二次空気から生成された
   混合気を主燃焼室内において予燃焼室内の火炎に
   より着火燃焼させるガスタービン予混合燃焼方法
   において、 前記一次燃料量は、ガスタービンの常用負荷帯
   よりも小さい負荷に相当する値に一定に保たれ、
   生成される予混合気の空気過剰率が1.2〜1.6の範
   囲内のほぼ一定値に設定され、前記二次燃料及び
   二次空気により生成される混合気の空気過剰率
   は、前記予混合気の空気過剰率よりも大きく、全
   体の空気過剰率が４を越えない値になるように、
   前記二次空気量をガスタービン負荷に応じて制御
   することを特徴とするガスタービン予混合燃焼方
   法。 ２ 一方の端部は一次空気と一次燃料の予混合気
   を噴射する燃料ノズルと接続され他方の端部は開
   放された予燃焼室とこの予燃焼室と接続されその
   接続部近傍に二次空気と二次燃料を供給する構造
   を有する主燃焼室とを構成する内筒と、この内筒
   を包んで内筒の外周面との間に空気通路を形成す
   る外筒と、上記空気通路を通過する空気の一定量
   を昇圧して上記燃料ノズルへ供給する昇圧装置
   と、一次燃料をタービン負荷にかかわらず一定量
   を供給する一次燃料管と、上記空気通路に設けら
   れ上記二次空気量を負荷に応じて流量制御する流
   量制御装置とを備えたことを特徴とするガスター
   ビン予混合燃焼装置。