JPH05203151A - ガスタービン燃焼器の制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】触媒部の触媒燃焼反応活性の劣化度合に応じて
予混合部に加える空気、燃料を調整すること。 【構成】触媒部の触媒燃焼反応活性の劣化度合に応じて
予混合部に加える空気、燃料を調整するために空気量演
算部、触媒活性演算部を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、ガスタービン燃焼器
の制御装置にかかり、とりわけ触媒部の活性を高めるに
好適なガスタービン燃焼器の制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ガスタービン燃焼器は、その排気
による公害規制に対処して種々開発が進められており、
その一つに触媒と触媒下流の気相燃焼を組み合わせた燃
焼方式がある。

【０００３】図３は、その代表例の一つであって、横長
の外筒１と同芯的に配される内筒１ａを有している。こ
の内筒１ａは、燃焼ガスの流れ方向に沿って次順に予燃
焼部Ａ、予混合部Ｂ、触媒部Ｃ、気相燃焼部Ｄを連続的
に有し、気相燃焼部Ｄの下流側はトランジェントピース
２を介装してタービンノズル３に結ばれている。

【０００４】上記予燃焼部Ａの頭部には、火炎燃焼ガス
を作り出す火炎燃料口４、外筒１と内筒１ａとの間の通
口５からの空気に予旋回を与えるスワラ６、燃料に火炎
を与えるスパークプラグ７を備えている。このスパーク
プラグ７によって火炎が与えられた燃料は、予燃焼ガス
として透口８ａからの空気を予熱する一方、予混合部Ｂ
に送り出され、ここで補助燃料口９の燃料と透口８ｂ，
８ｃからの空気が加えられ、触媒燃焼を作り出すに必要
な希薄混合気に調整されている。

【０００５】予混合部Ｂから触媒部Ｃに送り出された希
薄混合気は、ハニカム形状の通口に塗布されたパラジウ
ム等の触媒と燃焼反応し、燃焼ガスが作り出され、この
燃焼ガスに主燃料口10からの燃料が加えられ、気相燃焼
部Ｄに送り出される。

【０００６】気相燃焼部Ｄでは、燃料濃度の高い燃焼ガ
スを完全燃焼させることが望ましいが、何分にも燃焼温
度が高くなりすぎるとＮＯｘの発生率も高くなるので、
ＮＯｘの発生率の少ない、例えば1500℃〜1600℃の燃焼
ガス温度に調整することが必要である。このため、主燃
料口10から気相燃焼部Ｄに加えられる燃料量に上限を設
けている。そして、気相燃焼部Ｄで作り出された燃焼ガ
スは、空気供給弁11によって空気が加えられてその温度
が希釈され、ガスタービンに必要な作業ガス温度として
タービンノズル３に供されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、この種触媒
と気相燃焼を組み合わせた燃焼方式では、触媒活性の耐
久性が一つの問題点として提起されている。すなわち、
触媒活性劣化は、触媒部Ｃを通過する希薄燃焼ガスの圧
力損失の過多のほかに、予混合部Ｂに加えられる空気の
過不足にも原因があると考えられている。例えば、予混
合部Ｂに加えられる空気が少ないと、燃空比（以下Ｆ／
Ａと略記する）は増加し、このため触媒部Ｃを通過する
希薄燃焼ガスの燃焼反応速度が大きくなって燃焼反応温
度が上昇することによる圧力損失の増加の要因になって
いる。この触媒部Ｃの圧力損失が増せば増すほど、今度
は予混合部Ｃに供される空気が一段と減少し、これを補
うために触媒部の下流側から空気を送ってもＦ／Ａ比の
減少が見られないまま触媒部Ｃが過加熱を受け、ついに
は触媒が熱破壊を招来するというおそれがある。

【０００８】また、逆に、予混合部Ｂに加えられる空気
が多いと、Ｆ／Ａ比は減少するものの、触媒部Ｃの燃焼
ガスの燃焼速度が小さくなって、その燃焼反応が不十分
になり、このため気相燃焼部Ｄでの完全燃焼が得られ
ず、その結果、ガスタービンが所定の出力を出す上で必
要な作動ガス温度を得ることができないのはもとより、
多量の未燃燃料をそのまま大気に放出するおそれがあ
る。かかる事体が発生するのは、ガスタービンの出力が
増減変化するときなどに、特に著しい。そこで、触媒部
Ｃでの燃焼ガスを作り出すには触媒部Ｃに加える燃料量
を増加させればよいが、増し過ぎると触媒部Ｃが高温に
なり熱破壊をもたらすことになる。

【０００９】かかる事情から、触媒部Ｃを通過する燃焼
ガスの圧力損失の検知の下に、加える空気や加える燃料
を強制的に調整すれば、触媒活性に応じた触媒燃焼が可
能となり、上述熱破壊や未燃燃料の発生の心配もなくな
るが、何分にもいまだ上述問題点を解決する技術の出現
を見ていない。

【００１０】そこで、この発明は、上記の事情に徴し、
予燃焼、予混合燃料、触媒燃焼、気相燃焼の一連の燃焼
を好ましく進める上で、触媒部を通過する燃焼ガスの圧
力損失を検知し、この検知の下、予混合部に加える空気
の増減、燃料の増減を好ましく調整し得るガスタービン
燃焼器の制御装置を公表することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明は、前記の目的
を達成するために、外筒と、この外筒に通口を介して同
芯的に配される内筒とを備え、前記内筒内に配置される
触媒部の上流側に予燃焼部および予混合部を備えるとと
もに、前記触媒部の下流側に気相燃焼部および空気供給
弁を備えたガスタービン燃焼器において、前記予燃焼部
に供される燃料量、前記通口を通る空気温度および前記
予混合部を通る混合気温度をそれぞれ個々に検出し、こ
れら検出信号を基に弁開閉信号に変換して前記空気供給
弁に開閉信号を与える空気量演算部と、前記触媒部の上
流側と下流側との圧力差を検出し、この検出信号に、前
記予混合部に供される燃料量の信号と前記空気量演算部
からの信号とを加えて弁開閉信号に変換し、前記予混合
部に燃料を供する燃料弁に開閉信号を与える触媒活性演
算部とを有することを特徴とする。

【００１２】

【作用】触媒部を通過する燃焼ガスの圧力損失の増加
は、予混合部から触媒部に送り出される混合気の圧力、
温度などの状態量に起因するから、これらの状態に応じ
て予混合部に加える空気、燃料も調整する必要がある。

【００１３】そこで、これら状態量を検知し、検知信号
を用いて空気量演算部から空気供給弁に開閉信号を与え
れば、通口から予混合部に送り出す空気量は調整でき、
また触媒活性演算部から燃料弁に開閉信号を与えれば、
燃料弁からは適正量の燃料を予混合部に送り出すことが
できる。

【００１４】したがって、触媒部を通過する燃焼ガスの
圧力損失の大小に応じて空気供給弁、燃料弁を開閉でき
るから予混合部に加えられる空気、燃料は適正値に調整
され、触媒部での触媒燃焼の活性が高まる。

【００１５】

【実施例】以下、この発明にかかるガスタービン燃焼器
の制御装置の実施例を図面を参照しつつ説明する。な
お、図３と同一構成部品には同一符号を付してある。

【００１６】図１は、この発明にかかるガスタービン燃
焼器の制御装置の第１実施例を概略的に示している。横
長な外筒１に通口５を介装して同芯的に内筒１ａが挿入
され、この内筒１ａに燃焼ガスの流れ方向に沿って次順
に予燃焼部Ａ、予混合部Ｂ、触媒部Ｃ、気相燃焼部Ｄが
連続的に形成されている。

【００１７】この実施例では、通口５を通る空気の温
度、予燃焼部Ａに送り出される燃料量、予混合部の混合
気温度、触媒部Ｃを通る燃焼反応ガスの圧力変化の各状
態量を基に、予混合部Ｂに加えられる燃料量を、触媒部
Ｃで適正な温度の燃焼ガスが作り出せるように調整する
とともに、予混合部Ｂに加えられる通口５からの空気も
適正値にして触媒部Ｃに送り出せるように調整するもの
である。

【００１８】すなわち、通口５には第１温度検出部12
が、予混合部Ｂには第２温度検出部13が、触媒部Ｃの上
下流側には第１圧力検出部14ａ、第２圧力検出部14ｂ
が、さらに予燃焼部Ａの火炎燃料口４には第１燃料量検
出部15がそれぞれ設けられている。

【００１９】また、予混合部Ｂの補助燃料口９には主燃
料口10と共通の管路を経て燃料弁20、第２燃料量検出部
19を備えるとともに、燃料弁20は触媒活性演算部18に接
続されている。さらに、気相燃焼部Ｄには、空気供給弁
11を設け、この空気供給弁11は空気量演算部16に結ばれ
ている。

【００２０】なお、符号７ａ，７ｂは第１スパークプラ
グ、第２スパークプラグをそれぞれ示すが、これらスパ
ークプラグのうち、通常は、起動時の着火用として第１
スパークプラグ７ａが使用されたものであって、第２ス
パークプラグ７ｂは使用する燃料の種類によって設ける
か否か定められている。

【００２１】上記構成において、第１燃料量検出部15、
第１温度検出部12、第２温度検出部13で検出された個々
の信号は空気量演算部16に送り出され、ここで演算増幅
後、予め定められた設定値と比較され、その偏差分に基
づいて弁開度信号が作り出され、この弁開度信号によっ
て空気供給弁11の弁開度が調整されるようになってい
る。

【００２２】したがって、今、空気供給弁11に空気量演
算部16から弁開度絞り信号が与えられると、通口５から
気相燃焼部Ｄの下流に送り出される空気は減少するかわ
りに、透口８ａ，８ｂ，８ｃを経て予混合部Ｂに送り出
される空気はその分だけ増加する。また、空気供給弁11
に空気量演算部16から弁開度拡開信号が与えられると、
通口５から気相燃焼部Ｄの下流に送り出される空気は増
加するかわりに、予混合部Ｂに送り出される空気は減少
することになる。こうして予混合部Ｂに送り出される空
気は調整されて適正値となり、触媒部Ｃに送り出され
る。

【００２３】ところで、予混合部Ｂに加える空気、燃料
の調整について、さらに詳述する。

【００２４】予混合部Ｂから触媒部Ｃに送られる混合気
において、その混合気に占める空気が不足している場
合、換言すると、燃空比Ｆ／Ａが高いと、混合気が触媒
部Ｃで触媒燃焼反応する際、燃焼ガス温度が急激に上昇
し、このため触媒部Ｃは熱劣化するか、あるいは燃焼ガ
ス流速の増加に伴う圧力損失の増加を招来し、ガスター
ビンの熱効率低下をもたらす。また、逆に気相燃焼部Ｄ
での燃焼ガス温度が所定の通りに温度上昇していないと
燃空比Ｆ／Ａが低く、このため触媒部Ｃでの触媒燃焼反
応が不十分になり、気相燃焼部Ｄでも燃焼不安定に落ち
入り、未燃ガスを大気に放出することになる。

【００２５】かかる不具合、不都合を取り除くために、
空気量演算部16では空気供給弁11に弁開閉信号を与え、
この空気供給弁11の開閉度合に比例して予混合部Ｂに加
えられる空気も増減調整されるものであるが、この場
合、空気量演算部16は、予混合部Ｂに送り出す適正な空
気量が設定される。この適正空気量設定は、通口５の空
気温度、予混合部Ｂの混合気温度、火炎燃料口４の燃料
量からの実験データにもとづいて定めたものである。

【００２６】かくして、空気量演算部16は、予混合部Ｂ
に送り出す空気量を算出するに当り、第１燃料量検出部
15、第１温度検出部12、第２温度検出部13の各実信号か
ら求めた換気空気量と予め定めた設定空気量とを比較
し、偏差が出た場合、その偏差に相当する弁開閉信号を
作り出し、作り出された弁開閉信号を空気供給弁11に与
えることによって通口５を流れる空気の増減を得、この
空気増減分を予混合部Ｂに送り出すようにしている。

【００２７】一方、触媒部Ｃの上下流側は、第１圧力検
出部14ａ、第２圧力検出部14ｂによって触媒燃焼反応ガ
スの圧力が検出されており、検出された圧力信号は差圧
検出部17を経て触媒活性演算部18に送り出される。触媒
活性演算部18では、上記差圧検出部17からの出力信号の
ほかに、補助燃料口９の第２燃料量検出部19からの出力
信号と空気量演算部16からの出力信号を受けており、こ
こでＰＩＤ演算後、弁開閉信号が作り出され、作り出さ
れた弁開閉信号によって補助燃料口９の燃料弁20の弁開
度が調整される。

【００２８】燃料弁20の弁開度調整は、触媒部Ｃの触媒
活性に応じて燃空比Ｆ／Ａを適整し、適正な触媒燃焼を
行なわさせるためである。つまり、触媒部Ｃの触媒活性
が低いと、触媒部Ｃでの燃焼反応がおこりにくくなるた
め、燃焼ガスの温度が低く、くわえてそのガス流速も遅
い。このため、触媒部Ｃでの圧力損失が少なくなるとと
もに、触媒部Ｃを出る燃焼ガスのうち、未反応ガスが多
く残り、気相燃焼部Ｄでの燃焼が不安定になる。

【００２９】ところで、触媒部Ｃでの圧力損失ΔＰと燃
焼ガスの流速ｕ_inとの関係式は、次式であらわされ、こ
の関係式は層流、乱流のいずれにも使用されている。

【００３０】

【数１】ΔＰ＝４・ｆ・Ｌ・ｕ_in ² ・ρ／Ｄ／２ｇ_c ここに、ｆは摩擦係数、Ｌは触媒部長さ、Ｄは触媒部に
組み込まれているハニカムのセル径、ｇ_c は重力換算係
数である。

【００３１】上式から、圧力損失ΔＰと燃焼ガスの流速
ｕ_inとは比例関係にあり、燃焼ガスの流速ｕ_inが低い
と、圧力損失ΔＰも低くなる。したがって、そのガス流
速が予め定められた範囲内であれば、圧力損失の大小は
触媒部Ｃの触媒反応へ活性の劣化度合を把握する上で一
つの指標になる。

【００３２】一般に、触媒燃焼において、その反応を高
めるには、燃空比Ｆ／Ａを高くすれば良いことが知られ
ており、このため触媒部Ｃの触媒反応活性の劣化度が増
した場合、燃空比Ｆ／Ａを高くすれば、その反応は再び
高まる。ところが、この場合、気相燃焼部Ｄでの燃焼
は、ＮＯｘ発生を抑制する意図から燃焼温度を1500℃〜
1600℃に抑えておく必要があり、予混合部Ｂに加える燃
料量をむやみに増すことができない。

【００３３】そこで、この発明では、図１に示すよう
に、触媒部Ｃを通過する燃焼ガスの圧力損失の増加を触
媒燃焼反応の活性劣化とみなし、触媒部Ｃの上下流側に
設けた第１圧力検出部14ａ、第２圧力検出部14ｂの信号
から差圧検出部17で圧力損失を求め、この信号を、補正
燃料口９の第２燃料量検出部19の出力信号、空気量演算
部16の出力信号とともに触媒活性演算部18に送り、ここ
で作り出された弁開閉信号を燃料弁20に与え、燃料弁20
の開度を調整している。

【００３４】こうして燃料弁20の開度調整がされると、
燃料弁20から予混合部Ｂに送る燃料は、触媒部Ｃの触媒
燃焼反応活性の劣化度合に応じて増減できるので、触媒
部Ｃで燃焼ガスを作り出す際、熱劣化、さらには熱破壊
を防止することができる。また、触媒部Ｃを出る燃焼ガ
スは好ましいガス温度になっているから、気相燃焼部Ｄ
での燃焼も安定化する。なお、予混合部Ｂに加える空
気、燃料を触媒部Ｃの圧力損失の増減に応じて調整して
も、なおかつ触媒部Ｃの触媒燃焼反応活性の劣化度合が
高いときは、触媒部Ｃはすでにその寿命が尽いているの
で交換作業に入ればよい。

【００３５】図２は、この発明にかかるガスタービン燃
焼器の制御装置の第２実施例を示し、第１実施例と異な
る点は、空気供給弁11の下流側に、さらに別の空気供給
弁21を設けた点である。

【００３６】この実施例によると、気相燃焼部Ｄからガ
スタービンに送る作動ガスとしての燃焼ガスの温度が高
すぎて、ガスタービン構成部であるタービンノズル、動
翼などに過熱負荷を受ける場合、適正希釈温度に調整で
きる点で好都合である。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、この発明にかかる
ガスタービン燃焼器の制御装置は、触媒部の圧力損失の
増加を触媒燃焼反応活性の劣化低下とみなし、この劣化
の度合に見合うように予混合部に加える空気、燃料を調
整する制御系を設けているので、触媒部で生成する燃焼
ガスは気相燃焼部に適正流量として送り出され、気相燃
焼部での安定燃焼に寄与することができる。また、触媒
部の触媒燃焼反応活性の劣化の度合に見合うように予混
合部に空気、燃料を加えるので、その劣化の割合にはそ
の活性度合が高まって触媒部の永続的使用が期待でき、
さらに極端な劣化度合は触媒部の交換作業の目安になる
等、すぐれた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明にかかるガスタービン燃焼器の制御装
置の第１実施例を示す概略図。

【図２】この発明にかかるガスタービン燃焼器の制御装
置の第２実施例を示す概略図。

【図３】従来例を示すガスタービン燃焼器を示す概略
図。

【符号の説明】

１ 外筒 １ａ 内筒 ４ 火炎燃料口 ５ 通口 ８ａ，８ｂ，８ｃ 透口 ９ 補助燃料口 10 主燃料口 11 空気供給弁 12 第１温度検出部 13 第２温度検出部 14ａ 第１圧力検出部 14ｂ 第２圧力検出部 15 第１燃料量検出部 16 空気量演算部 18 触媒活性演算部 19 第２燃料量検出部 20 燃料弁 Ａ 予燃焼部 Ｂ 予混合部 Ｃ 触媒部 Ｄ 気相燃焼部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 外筒と、この外筒に通口を介して同芯的
   に配される内筒とを備え、前記内筒内に配置される触媒
   部の上流側に予燃焼部および予混合部を備えるととも
   に、前記触媒部の下流側に気相燃焼部および空気供給弁
   を備えたガスタービン燃焼器において、前記予燃焼部に
   供される燃料量、前記通口を通る空気温度および前記予
   混合部を通る混合気温度をそれぞれ個々に検出し、これ
   ら検出信号を基に弁開閉信号に変換して前記空気供給弁
   に開閉信号を与える空気量演算部と、前記触媒部の上流
   側と下流側との圧力差を検出し、この検出信号に、前記
   予混合部に供される燃料量の信号と前記空気量演算部か
   らの信号とを加えて弁開閉信号に変換し、前記予混合部
   に燃料を供する燃料弁に開閉信号を与える触媒活性演算
   部とを有することを特徴とするガスタービン燃焼器の制
   御装置。