JPH03267620A

JPH03267620A - ガスタービン燃焼装置

Info

Publication number: JPH03267620A
Application number: JP6698090A
Authority: JP
Inventors: Mikio Sato; 幹夫佐藤; Toshihiko Nakada; 俊彦中田; Masahiko Yamada; 正彦山田
Original assignee: Toshiba Corp; Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Toshiba Corp; Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 1990-03-19
Filing date: 1990-03-19
Publication date: 1991-11-28
Anticipated expiration: 2013-08-06
Also published as: JP2783638B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、アンモニアを含む低カロリーガスを燃料とす
るガスタービン燃焼装置に関する。

（従来の技術）最近、ガスタービンの燃料の多様化にともない石炭ガス
などの低カロリーガスを燃料として使用する研究かなさ
れている。そして、このような低カロリーガスのものは
、ガス中にアンモニアを含むものがあり、このようなガ
スを燃焼すると、燃焼生成物としてアンモニアの酸化物
であるＮ。

やＮｏ□　（以下、Ｆｕｅｌ　　ＮＯｘと称する。）を
排出する。

ＮＯｘは、環境規制の対象であり、基準値以下に抑制し
なければならず、従来のガスタービン燃焼装置では、Ｆ
ｕｅｌ　　ＮＯｘの低減技術としてＲｉｃｈ−１ｅａｎ
燃焼法が知られている。第４図は、このような方法の一
例を示すもので、まず、燃料系統１から燃料ノズル２を
通って燃焼器３内部に燃料を導入する。そして、燃焼器
３内部に導入した燃料を燃料過濃燃焼域４に送り込み、
過濃燃焼させて燃料中のアンモニアを分解する。次いで
、未燃分を多量に含む燃料ガスに対し稀薄燃焼用空気孔
５から空気を導入して稀薄燃焼域６に送り込み、完全燃
焼させる。この場合、稀薄燃焼域６では、分解されたア
ンモニアが酸化されて水と窒素とＦｕｅｌ　　ＮＯｘに
なるが、通常の燃焼法に比べてＦｕｅｌ　　ＮＯｘの割
合を大幅に低減できる。

一方、広い負荷範囲での低ＮＯｘ燃焼を目的として副燃
焼室を設け、ここに別系統制御の燃料を供給する方法も
考えられている。第５図は、このような方法の一例を示
すもので、まず、燃料系統１１から供給される燃料を副
燃料系統１２と主燃料系統１３に分岐する。副燃料系統
１２で、は、副制御弁１４を介して副燃焼室１８で燃焼
し易い燃空比で燃焼させるよう副燃料ノズル１６を通る
燃料の流量を調整し、主燃料系統１３では、主制御弁１
５を介して燃料を負荷に対応した流量に調整し、主燃料
ノズル１７を通って主燃焼室１９に供給する。主燃焼室
１９は、燃料過濃燃焼域２０と稀薄燃焼域２１を有し、
これらの間に稀薄燃焼用空気孔２２を有している。この
状態で、燃料過濃燃焼域２０では、定格点において主燃
料ノズル１７から供給される燃料を通常の燃焼方法で火
炎が形成されないような不十分な空気を配分する。する
と、副燃焼室１８からの高温の燃焼ガスか着火源となり
、燃料過濃燃焼域２０で火炎か形成され、燃料過濃燃焼
が行われ、燃料中のアンモニアか分解される。この状態
から未燃分を多量に含む燃料ガスに対し稀薄燃焼用空気
孔２１がら空気を導入して稀薄燃焼域２２に送込み、完
全燃焼させる。

こうすると、稀薄燃焼域２２で分解されたアンモニアは
酸化されて水と窒素とＦｕｅｌ　　ＮＯｘになるが、上
述したＲｉｃｈ−１ｅａｎ燃焼法に比べ、Ｆｕｅｌ　　
ＮＯｘの割合を更に小さくでき、また定格点での当量比
をＲｉｃｈ−１ｅａｎ燃焼法より高く、しかも中間負荷
でも燃料過濃燃焼している範囲を大きくできるようにな
り広い負荷範囲での低ＮＯｘ燃焼を達成できる。

（発明が解決しようとする課題）ところが、Ｒｉｃｈ−１ｅａｎ燃焼法によると、中間負
荷での燃空比が小さいため、燃料過濃燃焼域での当量比
が小さくなり、稀薄燃焼になって低ＮＯｘ燃焼を達成で
きない。そこで、中間負荷でも燃料過濃燃焼させると、
定格点では超過製燃焼になってしまう。また、ＮＯｘ転
換率も燃料過濃燃焼域の当量比が高い程低くなる傾向が
ある。

つまり、広い負荷範囲でＮＯｘ低減、高いレベルの低Ｎ
Ｏｘ化を図るためには、燃料過濃燃焼域の当量比を高く
することが必要であるが、通常の燃焼方法においては、
燃料過濃燃焼域の当量比に上限があり対応できないこと
がある。一方、負荷範囲での低ＮＯｘ燃焼を目的として
副燃焼室を設け、ここに別系統制御の燃料を供給する方
法によると、燃料制御系が極めて複雑となり、制御が面
倒になるだけでなく故障の原因になる欠点があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、広い負荷
範囲における高レベルのＮＯｘの低減を簡単な制御系に
より実現することができるガスタービン燃焼装置を提供
することを目的とする。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）アンモニアを含むガスを燃料とするガスタービン燃焼装
置であって、副燃料ノズルを有する副燃焼室と主燃料ノ
ズルを有する主燃焼室を備えた装置本体と、副燃料系統
と主燃料系統を分岐して形成し上記副燃料系統を上記副
燃料ノズルに接続するとともに上記主燃料系統を上記主
燃料ノズルに接続した燃料流量制御系統とを具備し、上
記主燃料ノズルの開口面積の上記副燃料ノズルおよび主
燃料ノズルの開口面積の和に対する割合を７０９６から
９０％に設定するようになっている。

（作用）この結果、アンモニアを含む低カロリーガス燃料を燃焼
させる場合、副燃料系統と主燃料系統を分岐して形成し
た燃料流量制御系統より燃料ノズル面積に略比例した燃
料配分である７０％から９０％の燃料が主燃焼室の燃料
過濃燃焼域に供給されるようになるので、通常の保炎し
ないような燃料過濃状態でも、副燃焼室からの高温の燃
焼ガスが着火源となり火炎を形成できるようになり、簡
単な制御系により広い負荷範囲で高いレベルのＮＯｘ低
減を達成できる。

（実施例）以下、本発明の一実施例を図面にしたがい説明する。

第１図は、同実施例の概略的構成図を示すものである。

図において、３１はガスタービン燃焼装置本体で、この
装置本体３１は、副燃料ノズル３２を有する副燃焼室３
３、主燃料ノズル３４を有する主燃焼室３５からなって
いる。この場合、副燃料ノズル３２と主燃料ノズル３４
の開口面積の比は、予め決められており、ここでは、主
燃料ノズル３４の開口面積を、副燃料ノズル３２および
主燃料ノズル３４の開口面積の合計の７０％がら９０％
の間に設定している。

主燃焼室３５は、燃料過濃燃焼域３５１と稀薄燃焼域３
５２を有し、これら燃料過濃燃焼域３５１と稀薄燃焼域
３５２の間に稀薄燃焼空気孔３５３を設け、また、稀薄
燃焼域３５２の下流に、希釈空気孔３５４を有する希釈
領域３５５を設けている。

そして、低カロリーガス燃料系統３６を燃料流量制御弁
３７を介して副燃料系統３８と主燃料系統３９に分岐し
、それぞれ副燃料ノズル３２および主燃料ノズル３４に
接続している。

次に、このように構成した実施例の動作を説明する。こ
の場合、ガスタービンを定格負荷点で運転した場合を示
している。

いま、燃料系統３６に低カロリーガスからなる燃料が供
給されると、燃料流量制御弁３７を介して副燃料系統３
８と主燃料系統３９に分岐され、副燃料ノズル３２およ
び主燃料ノズル３４に送られる。

この状態で、副燃料ノズル３２がら供給される燃料は、
副燃焼室３３で適正な燃空比で燃焼される。そして、副
燃焼室３３での燃焼により得られた高温の燃焼ガスは、
主燃料ノズル３４より供給される燃料を加え、さらに完
全燃焼させるのに不充分な空気を供給して主燃焼室３５
の燃料過濃燃焼域３５１に送り込まれ、燃料過濃燃焼さ
れる。

この場合、主燃料ノズル３４の開口面積を、副燃料ノズ
ル３２および主燃料ノズル３４の開口面積の合計の７０
％から９０％の間に設定することにより、燃料ノズル面
積に略比例した燃料配分である７０％から９０％の燃料
が主燃焼室３５の燃料過濃燃焼域３５１に供給される。

これにより、通常の保炎しないような燃料過濃状態でも
、副燃焼室３３からの高温の燃焼ガスが着火源となり、
保炎するようになる。また、燃料過濃燃焼域３５１での
燃焼は、燃料過濃燃焼であるので、ここから排出される
燃焼ガスには多量の未燃成分が含まれている。

燃料過濃燃焼域３５１より排出される燃焼ガスは、稀薄
燃焼域３５２に送られる。この場合、燃焼ガスには、稀
薄燃焼空気孔３５３より燃焼用空気が供給され、稀薄燃
焼域３５２にて完全燃焼される。そして、さらに希釈空
気孔３５４から希釈空気が希釈領域３５５に送り込まれ
、混合され燃焼ガス温度が図示しない第１段静翼入口温
度にして排出されるようになる。

このようにすると、燃焼安定性が高＜、ＮＯｘ排出の少
ない燃焼が得られるようになる。このことを第２図によ
り説明する。第２図は、横軸に主燃料の全燃料に対する
割合を示すが、この場合の主燃料の全燃料に対する割合
は、弁の制御でなく、副燃料ノズル３２および主燃料ノ
ズル３４の面積比で決定されている。また、この時の燃
料配分の変化に対して、空気配分も副燃焼室３３と燃料
過濃燃焼域３５１の当量比が一定になるように変化させ
るようにしている。一方、縦軸は装置本体３１の出口で
のＮＯｘとｃｏの排出濃度を示している。

しかして、主燃焼割合が１００％の時、すなわち、副燃
焼がない時は、燃料過濃燃焼域で火炎が維持されないた
め、安定燃焼が得られず、Ｒｉｃｈ−１ｅａｎ燃焼も達
成されないことからＮ　Ｏｘ　。

ＣＯとも高い値になっている。そして、副燃焼の割合が
徐々に大きくなると、着火源の効果が出始めてＮＯｘ、
Ｃｏとも低下していき、主燃焼割合が９０％を下回る辺
りで完全燃焼となり、Ｒｉｃｈ−１ｅａｎ燃焼も達成さ
れて、ＮＯｘも最小値を示すようになる。さらに、主燃
焼の割合を低減していくと、主燃焼割合か７０％を下回
る辺りでＮＯｘが増加するようになる。これは副燃焼室
が燃焼しゃすい燃空比で燃焼しているため、ＮＯｘを多
く発生することであり、副燃焼割合が大きくなればＮＯ
ｘが増加することの表れである。

しかし、主燃焼割合が７０％以上の場合は、副燃焼室で
発生するＮＯｘは、主燃料中のアンモニアと反応して還
元されて窒素と水に分解されるため、ＮＯｘの排出か少
なくなる。この結果、主燃料の割合が７０％〜９０％の
範囲が好まし０ことが分かる。

したがって、主燃料割合が限定された燃焼装置では、燃
料流量制御系が一つであっても定格負荷点での燃料過濃
燃焼域の当量比を、通常のＲｉｃｈ−１ｅａｎ燃焼法よ
り高く設定して保炎できるので、簡単な制御系により良
好な燃焼制御を実現できることになる。

次に、燃料過濃燃焼域の当量比が高いことによる効果を
第３図（ａ）により説明する。第３図（ａ）は、横軸に
燃空比を取り、縦軸に燃料過濃燃焼域の当量比を取って
いる。この場合、上述したように燃料流量制御系統かひ
とつのため、燃焼装置としてのハードウェアが決まれば
、各領域への空気配分が決定され、燃空比に対する燃料
過濃燃焼域の当量比の関係グラフは、原点を通る直線に
なる。ここで、本発明による直線はＸｌとなり、従来の
Ｒｉｃｈ−１ｅａｎ燃焼法による直線はＸ２で表される
。この場合、負荷か小さくなると燃空比が小さくなり、
同時に燃料過濃燃焼域の当量比も小さくなるが、燃料過
濃燃焼域の当量比が１を越えたとき、Ｒｉｃｈ−１ｅａ
ｎ燃焼法の効果を呈することから、従来では、図示Ｙ２
に示すように定格点近傍だけであるのに対し、本発明で
は、図示Ｙ１に示すように広い負荷範囲でＲｉｃｈ−１
ｅａｎ燃焼状態を保つことができ、負荷範囲を拡げるこ
とができる。

次に、高レベルの低ＮＯｘ燃焼が達成できる効果を第３
図（ｂ）により説明する。第３図（ｂ）は、横軸に燃空
比を取り、縦軸に燃料中のアンモニアがＮＯｘに転換し
た割合を示すＮＯｘ転換率を示している。この場合、Ｚ
ｌは、本発明のＮ。

Ｘの転換率を示し、Ｚ２に従来のもののＮＯｘ転換率の
特性を示している。しかして、ＮＯｘ転換率は、燃料過
濃燃焼域が燃料過濃燃焼状態でないと高い値で一定値を
保っており、燃料過濃燃焼状態になると低下するように
なるが、Ｚｌは、定格点での燃料過濃燃焼域の当量比が
２２より高いため、定格点でのＮＯｘ転換率を低くでき
、また、中間負荷でのＮＯｘ転換率も低くできるように
なるので、高レベルの低ＮＯｘ燃焼が達成できることに
なる。

なお、本発明は、上記実施例にのみ限定されず、要旨を
変更しない範囲で適宜変形して実施できる。

［発明の効果］本発明によれば、アンモニアを含むガスを燃料とするガ
スタービン燃焼装置であって、副燃料ノズルを有する副
燃焼室と主燃料ノズルを有する主燃焼室を備えた装置本
体と、副燃料系統と主燃料系統を分岐して形成し上記副
燃料系統を上記副燃料ノズルに接続するとともに上記主
燃料系統を上記主燃料ノズルに接続した燃料流量制御系
統とを具備し、上記主燃料ノズルの開口面積の上記副燃
料ノズルおよび主燃料ノズルの開口面積の和に対する割
合を７０％から９０％に設定するようにしたので、副燃
料系統と主燃料系統を分岐して形成した燃料流量制御系
統より燃料ノズル面積に略比例した燃料配分である７０
％から９０％の燃料が主燃焼室の燃料過濃燃焼域に供給
できるようになり、通常の保炎しないような燃料過濃状
態でも、副燃焼室からの高温の燃焼ガスが着火源となり
火炎を形成でき、広い負荷範囲で高いレベルのＮＯｘ低
減を達成でき、しかも燃料流量制御系を一つにできるこ
とから、簡単な制御系により故障の少ない良好な燃焼制
御を実現することもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例を示す概略的構成図、第２
図および第３図は、同実施例の動作を説明するための図
、第４図および第５図は、それぞれ従来のガスタービン
燃焼装置の一例を示す概略的構成図である。３１・・・装置本体、３２・・・副燃料ノズル、３３・
・・副燃焼室、３４・・・主燃料ノズル、３５・・・主
燃焼室、３５１・・・燃料過濃燃焼域、３５２・・・稀
薄燃焼域、３５３・・・稀薄燃焼空気孔、３５４・・・
希釈空気孔、３５５・・・希釈領域、３６・・・燃料系
統、３７・・・燃料流量制御弁、３８・・・副燃料ノズ
ル、３９・・・主燃料ノズル。

Claims

【特許請求の範囲】

アンモニアを含むガスを燃料とするガスタービン燃焼装
置において、副燃料ノズルを有する副燃焼室と主燃料ノ
ズルを有する主燃焼室を備えた装置本体と、副燃料系統
と主燃料系統を分岐して形成し上記副燃料系統を上記副
燃料ノズルに接続するとともに上記主燃料系統を上記主
燃料ノズルに接続した燃料流量制御系統とを具備し、上
記主燃料ノズルの開口面積の上記副燃料ノズルおよび主
燃料ノズルの開口面積の和に対する割合を７０％から９
０％に設定したことを特徴とするガスタービン燃焼装置
。