JPH05187270A - ガスタービン燃焼器の運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】燃焼器の上流側に拡散燃焼する第一段燃焼室６
０が配置され、その下流側に予混合燃焼する第二段燃焼
室７０が配置され、そのつなぎ部の外周側に環状の予混
合器４が配置されている。第一段燃焼室には第一段燃料
の供給により拡散火炎が形成され、下流側の第二段燃焼
室には第二段燃料の予混合気が供給されて予混合火炎が
形成される。 【効果】かかる構成において、燃焼器内の変動圧力を測
定し、変動圧力が基準値を超えない様に予混合火炎の燃
焼条件を制御することにより、予混合火炎を常に安定な
状態に維持して運転できるとともに、燃料希薄条件での
燃焼ができ、ＮＯｘ低減の効果が得られる。

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燃焼器の運
転方法に係り、特に予混合燃焼型の低ＮＯｘガスタービ
ン燃焼器の運転方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービンの排気中のＮＯｘの量を減
少させるために拡散燃焼と予混合燃焼を組み合せた二段
燃焼器が開発されている。この二段燃焼器は第１４回ガ
スタービン定期講演会講演論文集（昭６１年６月）に開
示されている。ここにおいて図４に燃焼器断面を示す燃
焼器構造が示されている。燃焼器の上流側に複数本の燃
料ノズル５を有する第一段燃焼室６０を備え、その下流
側の燃焼器外周側に予混合気の供給手段４を有する第二
段燃焼室７０を備え、いずれの燃焼も燃料と空気の割合
が量論比よりも小さい条件、すなわち、希薄燃焼させる
ことにより、従来の単一燃料ノズル型燃焼器に比較して
ＮＯｘ排出量が極めて減少することが明らかにされた。
上述の燃焼条件においては、いずれの燃焼も燃料希薄条
件での燃焼であるから火炎のピーク温度が低く、ＮＯｘ
の生成速度が小さくなるためＮＯｘ生成量が減少する。
第一段燃焼室は燃焼室内に直接燃料が噴射され燃焼室内
で空気と混合しながら燃焼する拡散燃焼であり、この場
合には燃料の濃度むらが存在するため火炎中にホットス
ポットが発生し、燃焼の安定性は高いがＮＯｘの発生量
も比較的大きいという特性がある。一方、第二段燃焼に
おいては予め燃料と空気が混合状態で燃焼室へ供給され
て燃焼する予混合燃焼である。この燃焼形態は燃料の濃
度むらが極めて小さいため、希薄燃焼により火炎温度は
一様に低くなりＮＯｘの生成量は極めて小さくなるが、
一方、燃焼の安定性は悪い。この様な燃焼特性を考慮し
て、低ＮＯｘガスタービン燃焼器は空気温度，圧力と
も、比較的低く、かつ、燃焼条件が大幅に変化するガス
タービン起動から部分負荷運転時は燃焼の安定性が高い
拡散燃焼の作動により運転し、ＮＯｘの発生しやすい条
件であるガスタービン高負荷運転域は予混合燃焼を行わ
せる二段燃焼方式である。ガスタービンの低ＮＯｘ化の
主題は定格負荷運転を含む高負荷運転時のＮＯｘを抑制
することにあり、このため、第二段燃焼室の予混合火炎
はその燃焼条件において決る安定燃焼するために必要な
最小限度の燃料濃度として燃焼させることによって、最
大の低ＮＯｘ効果が達成される。この安定燃焼に必要な
燃料濃度は燃焼条件、たとえば、燃焼場の温度，圧力，
流速条件や混合気の流動特性や濃度特性及び保炎器の特
性など種々の因子の影響を受ける。燃焼器の安定作動条
件は燃焼実験やガスタービンの運転試験により安定条件
や裕度を確認することによって決められるが、ガスター
ビンの作動条件は同一出力条件であっても大気条件及び
燃料性状の変化によって変化するので、相当余裕をもっ
た燃焼条件に設定されて運転される。特に第二段燃焼の
予混合燃料の濃度はＮＯｘ濃度に極めて大きな影響を及
ぼすが、火炎の安定性にも直接影響する。実際にはＮＯ
ｘを犠牲にして火炎の安定性に余裕を持たせるべく燃料
濃度は相当濃い条件に設定される。図５に燃焼器の運転
方法の一例としてガスタービン出力に対する燃料の投入
比率と予混合器の空気窓の開度の設定例を示す。ガスタ
ービン負荷が約３０％までは第一段燃焼のみの作動で運
転され、それよりも高負荷領域は二段燃焼で運転され
る。二段燃焼への移行時を含む部分負荷時は空気窓の開
度を小さくし、予混合気の燃料濃度を適正値に保つよう
に設定される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来のガスタービンの
運転方法は、このように予め定められた燃焼条件に設定
されて運転されているため、前述した如く、燃焼の安定
性に相当余裕を取った条件であり、結果的にＮＯｘを高
めた条件での運転であった。逆に、運転条件を燃焼安定
限界に近づけて設定した場合には、大気湿度の上昇時や
燃料の発熱量が低下したりして燃焼性が悪い条件になっ
た場合火炎が振動したり、時には吹消えを起こし、ガス
タービンの運転に支障を来たす事も起こる。

【０００４】本発明の目的は、ガスタービンの作動範囲
にわたって予混合火炎を十分安定な条件にて燃焼させる
運転方法の提供にある。

【０００５】本発明の他の目的は、予混合火炎の燃料濃
度を安定燃焼に必要な最小限度の濃度条件にて燃焼さ
せ、大幅にＮＯｘ特性を改善したガスタービン燃焼器の
運転方法の提供にある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、拡散燃焼と予
混合燃焼を組み合せた二段燃焼器において、特にガスタ
ービンの運転上問題となる予混合火炎の安定性に関し
て、例えば圧縮機の吸込み空気量が増大したり、大気湿
度の増大やまたは燃料組成の変化などにより、予混合火
炎の燃焼性が低下し、火炎の安定性が弱くなると火炎の
揺ぎが発生し、これに起因して燃焼器内の変動圧力が急
激に増大する現象を見出した。更にこの変動圧力は火炎
の安定性の低下とともに増大し、あるレベルに達すると
火炎の局所的な吹消えが発するようになる。この様な燃
焼状態と燃焼器内の変動圧力の関係があることに基づ
き、燃焼器内の変動圧力をモニタすれば燃焼の安定状態
を診断できることになる。更に、燃焼器内の圧力変動を
モニタし、その信号を燃料制御器もしくは、燃焼空気量
の制御器へ入力し、燃焼圧力変動を小ならしめる様に制
御量を操作することにより、予混合火炎を安定燃焼限界
に近い条件にて安定燃焼させることが可能となる。

【０００７】

【作用】かかる構成の燃焼器運転方法をとることによ
り、即ち、燃焼器内の圧力変動をモニタすることによ
り、燃焼の安定状態を常時運転データとして入手し、こ
れを燃焼器の制御に反映させることが可能となる。即
ち、運転条件の変動や機器のバラツキを補うための運転
信頼性確保のための燃焼条件の裕度を削減し、より低Ｎ
Ｏｘ効果の高い燃料希薄条件での燃焼を行わせ、万一、
何らかの変動ないしは異常により燃焼が不安定となれ
ば、これを燃焼器内圧力変動の増大として把握し、この
データを基に、燃焼を安定化させる様に燃料濃度を高く
するよう制御量を操作し、燃焼を安定化しつつガスター
ビンが運転できる。具体的には、拡散燃焼である第一段
燃焼の燃料の一部分を第二段燃焼へ移すことにより、又
は、第二段燃焼の燃焼空気量を絞り込むことにより、第
二段燃焼の燃料濃度を安定燃焼が持続できる状態に高め
ることによって達成される。

【０００８】

【実施例】本発明の一実施例を図を用いて説明する。特
に本発明は図４に示す如き拡散燃焼と予混合燃焼を組み
合わせた二段燃焼器への適用が効果的である。図４によ
れば、ガスタービンは圧縮機５０とタービン９０及び燃
焼器（６０，７０，８０）により構成され、タービン９
０の出力で発電機９５を駆動する。燃焼器はタービンケ
ーシング１４と燃焼器外筒１２に収納された缶型燃焼器
であり、主燃焼筒１，副燃焼筒２によりそれぞれ第一段
燃焼室６０と第二段燃焼室７０が形成され、この下流側
に燃焼室において発生した燃焼ガスをタービン９０へ導
く燃焼器尾筒１５がつながっている。副燃焼筒２の上流
側の中心部には内筒３が設けられて環状の空間が形成さ
れ、この環状部に複数本の第一段燃料ノズル５が端板１
０を通して燃焼室内に配置されている。副燃焼筒２の壁
面には燃焼用空気孔２６ならびに図示されていないが壁
面冷却用の空気孔が複数個設けられている。更に、点火
栓１１を備えている。副燃焼筒２の下流側は予混合器４
を介して主燃焼筒１につながっている。予混合器は環状
の空気流路を有し、上流側の入口部は窓形状をなし、そ
の窓は窓開度制御器９によって駆動されるリンク機構の
動きにより燃焼器の軸方向に移動するスライド板７にて
窓開度が調節される。一方、出口部は燃焼器内に開口し
ており、出口端に保炎器８が設けられている。第二段燃
料ノズル６はフランジ形状であり、燃料ヘッダを介して
複数本のノズルが前記環状空気流路内に設けられてい
る。第一段燃料２０１と第二段燃料２０２はそれぞれ個
別の燃料制御系統よりなり、第一段燃料２０１は第一段
燃料制御弁２０３，第二段燃料２０２は第二段燃料制御
弁２０４によって調節され供給される。

【０００９】かかる構成のガスタービン燃焼器におい
て、ガスタービンの運転は、ガスタービン出力要求に基
づく燃料流量指令信号１５０を演算器２１に取り込み、
ここにおいて、第一段燃料，第二段燃料の必要流量を予
め定められた条件に沿って算出し、燃料制御器２２より
燃料制御弁開度設定信号１５２，１５３によって燃料制
御弁開度２０３，２０４が開閉される。同じく、燃料流
量指令信号１５０を受信して、演算器２１においては予
め定められた条件に沿って開度を算出し、窓開度設定器
２３において窓開度設定信号１５５を発信し、窓開度制
御器９のサーボを駆動してスライド板７により窓開度が
設定される。その制御の一例を示したものが図５であ
る。

【００１０】以下に本発明の適用を具体的に述べる。図
１が図４に示す二段燃焼器に適用した実施例である。燃
焼器外筒１２には、歪ゲージ型の変動圧力センサ１８が
取り付けられており、変動圧力センサ１８には副燃焼筒
２に設けられた燃焼空気孔にほぼ接して開口する圧力導
管２５により燃焼器内の変動圧力が伝えられるようにな
っている。変動圧力信号１５６は増幅器１９を経て圧力
分析計２０により変動圧力の振幅値や周波数特性が分析
され、必要な変動圧力の情報が演算器２１へ入力され
る。演算器２１には、変動圧力の振幅値が一定の基準値
を超えた場合には、全体燃料の流量をほぼ一定に保った
条件にて第一段燃料２００を減じ、第二段燃料２０１を
増加させる燃料配分のシフト操作の機能が追加されてお
り、これにより、変動圧力の振幅値を帰還させながら前
述の燃料配分のシフトを行い、実質的には第二段燃焼の
燃料濃度を予混合火炎が安定燃焼する条件まで濃くする
ことで、燃焼の不安定性を解消し、安定燃焼を維持する
ことが可能となる。

【００１１】図２は安定燃焼時の燃焼器内の変動圧力の
周波数特性を示したものである。また図３は不安定燃焼
しているときの変動圧特性を示すものであり、変動圧力
の平均値は安定燃焼時の数倍高くなり、また、特定周波
数器に鋭い振幅のピークを持つようになる。ある条件の
実験においては図３の振動は第二段燃料を約２％増加さ
せることによって図４の振動状態へ復帰させることがで
きた。

【００１２】燃焼器内の変動圧力はガスタービンの全作
動域にわたって連続的にデータを取得でき、ほぼ実時間
の情報を制御器へ送信できるので、瞬時ごとの燃焼状態
を運転制御に反映でき、非常に精度と信頼性を高めた運
転が可能となる。これにより、ガスタービンの運転条件
の設定も従来以上に燃焼の不安定が起りやすい燃料希薄
側の条件に設定できることになり、ＮＯｘの低減が図れ
る。変動圧力の制御データとしては、変動圧力の平均振
幅値を用いたが、特定周波数帯のピーク振幅値を制御デ
ータとして用いることも可能である。更に、図１の実施
例では燃焼器内圧力を副燃焼筒の燃焼空気孔を介して採
取したが、主燃焼筒１の壁に開口を設けて圧力導管にて
採取しても良い。また、若干信号レベルが変化するが、
燃焼外筒と燃焼筒の間の空気流路や燃料供給管又は燃料
ノズルの燃料流路に圧力導管を設け、燃焼器内部の変動
圧力を間接的に測定することも可能である。

【００１３】一方、燃焼器内の変動圧力を減少させる燃
焼器操作量として予混合器の入口空気窓の開度を閉方向
に操作することでも可能である。即ち、変動圧力大なる
条件においては、前記空気窓を閉方向に動作させ、予混
合空気の流入量を減じさせ、実質上燃料濃度を濃くする
ことで安定燃焼状態へ復帰させることができる。この場
合には、空気量の減少により混合気流速も小さくなるの
で火炎の安定化には有利である。当然ながら、空気窓の
開閉操作と前述の燃料シフト操作を合せて行うことも可
能である。

【００１４】なお、本発明の実施は単缶のガスタービン
ないしは多缶のガスタービンにおいても何んら変わる所
はない。多缶の場合には各缶ごとの燃料供給量ないしは
空気窓の開度を個別制御してもよい。また、缶を何缶か
まとめて、または、全缶まとめて制御するようにしても
よい。

【００１５】

【発明の効果】本発明によれば、ガスタービンの全作動
域にわたって常時燃焼の安定性の指標となる燃焼器内の
変動圧力をモニタしながら運転でき、かつ、変動圧力が
ある基準値を超える場合は燃料のシフト操作や空気窓の
開閉操作により変動圧力を小なる状態へ移行させて運転
できるので、ガスタービンの運転条件をＮＯｘの発生を
最大限抑制出来る最小燃料濃度の条件に設定して運転で
きる。

【００１６】更に本発明によれば、常時燃焼状態を制御
に反映させながら運転でき、特に燃焼器内の変動圧力の
小さい運転が可能となり、機器の寿命が延びるととも
に、火炎の吹消えなどによるガスタービンの運転トラブ
ルが回避できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による二段燃焼器の制御方法を説明する
ための燃料系統図。

【図２】安定燃焼時の燃焼器内変動圧力特性を示す図。

【図３】不安定燃焼時の燃焼器内変動圧力特性を示す
図。

【図４】従来型の燃焼器構造の断面と制御方法を説明す
る図。

【図５】二段燃焼器の制御方法を具体的に示す図。

【符号の説明】

１…主燃焼筒、２…副燃焼筒、４…予混合器、５…第一
段燃料ノズル、６…第二段燃料ノズル、７…スライド
板、１８…変動圧力センサ、１９…増幅器、２０…圧力
分析計、２１…演算器、２２…燃料制御器、２３…窓開
度設定器、２０１…第一段燃料、２０２…第二段燃料。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 塚原 聰 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 井上 洋 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 加藤 文雄 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 大森 隆司 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 赤津 茂行 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 黒田 倫夫 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 大田原 康彦 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 伊藤 和行 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃焼器の上流側に配置され、かつ空気及び
   燃料の供給手段を有して拡散燃焼する第一段燃焼室と、
   その第一段燃焼室の下流側に配置され、かつ空気及び燃
   料の供給及び混合手段を有し、予混合燃焼する第二段燃
   焼室と、その第二段燃焼室の下流側に配置され、燃焼室
   内にて発生した高温燃焼ガスをタービンへ導く燃焼器尾
   筒とを備え、タービンの出力制御信号により全体燃料流
   量を調節し、かつ、それぞれ第一段燃焼室と第二段燃焼
   室へ供給する燃料流量を予め定められた流量比率に調節
   して供給されるガスタービン燃焼器において、燃焼器内
   の変動圧力を測定するセンサを設け、このセンサの変動
   圧力の値が基準値を超えた場合には全体燃料流量はほぼ
   一定に保った条件にて、第一段燃焼室に供給されている
   燃料の一部を第二段燃焼室へ移すことにより圧力変動の
   値を基準内に納めるようにして運転することを特徴とす
   るガスタービン燃焼器の運転方法。
2. 【請求項２】燃焼器の上流側に配置され、かつ空気及び
   燃料の供給手段を有して拡散燃焼する第一段燃焼室と、
   その第一段燃焼室の下流側に配置され、かつ空気の流入
   窓が可変なる空気供給手段と燃料の供給手段を有し、か
   つ、それら燃料と空気の混合手段を備えて予混合燃焼す
   る第二段燃焼室と、その第二段燃焼室の下流側に配置さ
   れ、燃焼室内にて発生した高温燃焼ガスをタービンへ導
   く燃焼器尾筒を備え、タービンの出力制御信号により全
   体燃料流量を調節し、かつ、それぞれ第一段燃焼室と第
   二段燃焼室へ供給する燃料の流量比率と第二段燃焼室の
   空気の流入窓開度を予め定められた条件に設定されて運
   転するガスタービン燃焼器において、燃焼器内の変動圧
   力を測定するセンサを取り付け、変動圧力の値が基準値
   を超えた場合には、空気の流入窓開度を縮小することに
   より、又は、全体燃料はほぼ一定に保った条件にて、第
   一段燃焼室の燃料の一部を第二段燃焼室へ移すことによ
   り、又は、それらの組合せの操作により変動圧力の値を
   基準値内に納めるようにして運転することを特徴とする
   ガスタービン燃焼器の運転方法。