JPH05340541A - 触媒燃焼装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】ガスタービンを緊急停止する場合でもセラミッ
クによる触媒部の損傷を防止でき、それにより触媒寿命
の長期化が図れるようにする。 【構成】燃焼ガス流路にセラミックを基体とする触媒部
２６を設けたガスタービン燃焼器２１と、この燃焼器２
１の燃焼ガス流路の触媒部上下流に燃料供給を行う燃料
供給系統２２と、ガスタービンの緊急停止時に燃焼器２
１への燃料供給系統を緊急閉止する遮断弁機構３４とを
備える。燃焼器２１の触媒部２６の上流側へ燃料を供給
する燃料供給系統に対し、遮断弁機構３４の緊急閉止時
における燃焼器２１への燃料供給停止時期を一定時間遅
延させる燃料供給停止制御用の手段３８を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガスタービン発電シス
テム等に適用される触媒燃焼装置に係り、とりわけガス
タービン燃焼器にセラミックを基体とする触媒部を設け
た触媒燃焼装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、地球環境保護の見地から各種エネ
ルギ機器のＣＯ₂ 放出問題が提起され、ＣＯ₂ 低減の方
法として高効率のエネルギ利用が推進されている。その
一環として、ガスタービンと蒸気タービンとを組合せた
コンバインドサイクルや、ガスタービンの排熱を利用し
て蒸気発生等の熱源とするコジェネレーションシステム
等が開発され、その需要は益々高まっている。

【０００３】ところが、このような高効率のガスタービ
ン発電システムの運用段階で、酸性雨の原因物質の一つ
である窒素酸化物（NOx ）の発生という新たな問題が指
摘されている。このため、さらにNOx 抑制技術が研究さ
れ、その一手段として例えば特公平１−２８８４３号や
特開平２−５２９３０号等で開示されているような触媒
燃焼装置が提案されている。

【０００４】図５は、前記開示の触媒燃焼装置を例示し
たものである。

【０００５】この触媒燃焼装置は、筒状のガスタービン
燃焼器（以下、単に燃焼器ともいう）１と、この燃焼器
１に燃料供給を行う燃料供給系統２とを備えている。

【０００６】燃焼器１は、軸方向一端側から順に予燃焼
部３、予混合部４、および分割流路１ａ後の気相燃焼部
５を有する構成とされ、予混合部４と気相燃焼部５との
間に触媒部６が設けられている。

【０００７】燃料供給系統２は、燃料母管７を燃焼器１
の各部に対応して、予燃焼燃料配管８、予混合燃料配管
９および気相燃焼燃料配管１０に分岐した構成とされて
いる。予燃焼燃料配管８は予燃焼燃料ノズル１１を介し
て予燃焼部３に接続され、予混合燃料配管９は予混合ノ
ズル１２を介して予混合部４に接続され、気相燃焼燃料
配管１０は気相燃焼燃料ノズル１３を介して気相燃焼部
５に接続されている。

【０００８】燃料母管７には、遮断弁１４とその駆動部
である遮断信号発生部１５とからなる遮断弁機構１６が
設けられ、また予燃焼燃料配管８、予混合燃料配管９お
よび気相燃焼燃料配管１０にはそれぞれ流量調節弁１７
ａ，１７ｂ，１７ｃが設けられている。

【０００９】しかして運転時には、予燃焼燃料が予燃焼
燃料ノズル１１から予燃焼部３に供給されて反応し、こ
の予燃焼により温度上昇した燃焼ガスは、予混合ノズル
１２からの予混合燃料と予混合部４で混合された後、触
媒部６に達し、触媒入口温度を触媒燃焼が開始可能な温
度まで上昇させる。

【００１０】温度上昇した触媒部６では触媒反応が起
り、予混合燃料の供給量の調節により1000℃以下の酸化
反応温度に調整される。触媒部６を通過して部分的に酸
化され、未燃焼分を多量に含んだ燃焼ガスには気相部燃
料３が混合され、気相燃焼部１１で完全燃焼が行われ
る。

【００１１】以上の燃焼により、サーマルNOx の発生源
である高温度の燃焼領域が無くなり、NOx の発生が大幅
に抑制される。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来技術においては、ガスタービンの緊急停止時に問題
が生じる。すなわち、ガスタービンを緊急停止する場
合、通常は発電機等の負荷がガスタービンから切離され
る。この場合、燃焼器で燃焼が持続すると、そのエネル
ギがタービンロータの加速方向に作用し、タービンロー
タが設計された危険回転数を超える高速回転、いわゆる
オーバスピード状態になる可能性がある。

【００１３】そこで、オーバスピード状態にならないよ
うに、燃焼装置の遮断弁を最短時間で閉とし、燃料の遮
断によるガスタービン自身の抵抗で制動効果を高めてい
る。

【００１４】一方、触媒燃焼では1000℃もの高温燃焼と
なることから、触媒部がセラミック部材を基体とし、そ
の表面に貴金属触媒を塗布した高温強度の高い構成とさ
れている。

【００１５】しかし、セラミックは熱伝導度が低く、急
激な温度変動に対して熱応力が大きくなる欠点を持って
いる。そのため、上記のように通常の緊急停止方法を採
用して最短時間で燃料を遮断すると、セラミック部材に
熱衝撃によるクラックが生じ、数回の緊急停止で触媒の
破壊に至るという問題が生じるものである。

【００１６】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
もので、ガスタービンを緊急停止する場合でもセラミッ
クによる触媒部の損傷を防止でき、それにより触媒寿命
の長期化が図れる触媒燃焼装置を提供することを目的と
する。

【００１７】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
め、本発明は、燃焼ガス流路にセラミックを基体とする
触媒部を設けたガスタービン燃焼器と、この燃焼器の燃
焼ガス流路の前記触媒部上下流に燃料供給を行う燃料供
給系統と、ガスタービンの緊急停止時に前記燃焼器への
燃料供給系統を緊急閉止する遮断弁機構とを備えた触媒
燃焼装置において、前記燃焼器の触媒部の上流側へ燃料
を供給する燃料供給系統に対し、前記遮断弁機構の緊急
閉止時における前記燃焼器への燃料供給停止時期を一定
時間遅延させる燃料供給停止制御用の手段を設けたこと
を特徴とする。

【００１８】なお、燃料停止速度制御用の手段は望まし
くは、遮断弁機構の閉止速度を遅延させる弁制御装置、
または燃料供給系統の遮断弁機構の下流側に設けたバッ
ファタンクとして構成される。

【００１９】

【作用】発明者において、ガスタービン緊急停止時の触
媒部の冷却原因を検討したところ、遮断弁機構も緊急に
閉となることにより、触媒部に燃料を含まない空気が通
過することにあることが判った。

【００２０】すなわち、燃焼器に供給される空気温度は
圧縮機吐出温度であり、通常400 ℃前後である。一方、
触媒部は上述したように運転中、約1000℃に加熱されて
いる。セラミック部材は前記の如く高温強度は高いが、
熱伝導度が低く、熱衝撃に比較的弱い。発明者の回析結
果では、温度降下時間が２秒以下の場合、セラミック部
材の許容応力以上の熱応力が発生し、破損することが明
らかになっった。

【００２１】そこで、上述した本発明の構成は、ガスタ
ービンが緊急停止した場合に触媒部の上流側に供給され
る燃料の供給停止に至る時間に積極的に遅れを生じさ
せ、燃料供給量を徐々に減少させるようにして、触媒部
を通過する空気によるセラミックの冷却速度を緩和した
ものである。

【００２２】したがって、本発明によると、触媒部を構
成するセラミックの温度変化が緩和され、熱衝撃が抑制
されて破壊が有効的に回避されるものである。

【００２３】なお、触媒部の下流側に供給される燃料は
最短時間で遮断させればよい。この燃料は気相燃焼燃料
で、熱エネルギの供給源である燃焼器の半分以上を閉め
る燃料であり、この燃料を最短時間で遮断することによ
り、ガスタービンのロータはオーバスピード状態になら
ず、停止に向かうことになる。

【００２４】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１及び図２を参
照して説明する。

【００２５】本実施例の触媒燃焼装置は、図１に示すよ
うに、筒状の燃焼器２１と、この燃焼器２１に燃料供給
を行う燃料供給系統２２とを備えている。

【００２６】燃焼器２１は、軸方向一端側から順に予燃
焼部２３、予混合部２４、および分割流路２１ａ後の気
相燃焼部２５を有する構成とされ、予混合部２４と気相
燃焼部２５との間に触媒部２６が設けられている。

【００２７】触媒部２６は、セラミックを基体とするハ
ニカム部材の表面に、貴金属材料による酸化触媒を形成
したもの（セラミック触媒）によって構成されている。

【００２８】燃料供給系統２２は、燃料母管２７を燃焼
器２１の各部２３，２４，２５に対応して、予燃焼燃料
配管２８、予混合燃料配管２９および気相燃焼燃料配管
３０に分岐した構成とされている。ただし、本実施例で
は燃料母管２７から、まず気相燃焼燃料配管３０が分岐
し、その母管２７の分岐点下流側の延長管２７ａから、
さらに予燃焼燃料配管２８および予混合燃料配管２９が
分岐した構成とされている。

【００２９】予燃焼燃料配管２８および予混合燃料配管
２９は、予燃焼燃料ノズル３１および予混合ノズル３２
を介して、それぞれ触媒部２６上流側の予燃焼部２３お
よび予混合部２４に接続され、また気相燃焼燃料配管３
０は、気相燃焼燃料ノズル３３を介して触媒部２６下流
側の気相燃焼部２５に接続されている。

【００３０】そして、本実施例では燃料供給系統２２に
遮断弁機構３４が設けられている。すなわち、予燃焼燃
料配管２８および予混合燃料配管２９が統合する延長管
２７ａと、気相燃焼燃料配管３０とに、それぞれ遮断弁
３５，３６が設けられている。これら遮断弁３５，３６
には、その駆動部である遮断信号発生器３７が接続さ
れ、ガスタービン停止信号に基づいて、遮断信号発生器
３７から弁閉止信号が各遮断弁３５，３６に出力される
ようになっている。さらに燃料停止速度制御用の手段と
して、予燃焼燃料配管２８および予混合燃料配管２９を
閉止する遮断弁３５に、その閉止速度を遅延させる弁制
御装置、すなわち弁動作速度調節器３８が設けられてい
る。

【００３１】なお、予燃焼燃料配管２８、予混合燃料配
管２９および気相燃焼燃料配管３０には、それぞれ流量
調節弁３９ａ，３９ｂ，３９ｃが設けられている。

【００３２】次に作用を説明する。

【００３３】通常運転の際には、予燃焼燃料が予燃焼燃
料ノズル３１を通して予燃焼部２３に供給され燃焼す
る。ここで得られた高温ガスが予混合部２４に供給さ
れ、予混合ノズル３２を通して供給される予混合燃料と
混合され、触媒入口条件に適合した温度・濃度の予混合
気が触媒部２６に供給される。触媒部２６では酸化反応
が促進され、1000℃以下の温度で燃料の一部が酸化す
る。

【００３４】部分酸化した燃焼ガスは、分割流路２１ａ
で気相燃焼燃料ノズル３３から供給される気相燃焼燃料
と混合され、気相燃焼部２５で完全燃焼する。

【００３５】ガスタービン緊急停止時には、遮断信号発
生器３７からの信号が気相燃焼燃料の遮断弁３６に直接
的に入力される一方、予燃焼燃料および予混合燃料の遮
断弁３５には弁動作速度調節器３８を介して間接的に入
力され、この弁動作速度調節器３８で遮断弁３５の閉止
時間に一定の遅延が設定される。

【００３６】すなわち、遮断信号発生器３７から閉止信
号が出力されると、気相燃焼燃料の遮断弁３６は最短時
間で閉められ、気相燃焼燃料ノズル３３から吐出される
気相燃焼燃料は短時間のうちになくなり、気相燃焼部２
５の中の燃焼は燃料濃度不足により失火する。

【００３７】一方、予燃焼燃料および予混合燃料の遮断
弁３５は弁動作速度調節器３８を介しているため時間を
かけて閉められ、予燃焼部２３は通常の拡散燃焼のため
吹き消えの燃空比を下回ると失火するが、触媒部２６で
は供給される予混合気の温度・濃度に応じた酸化反応が
維持される。

【００３８】したがって、従来の装置であれば予混合燃
料が短時間のうちになくなり、触媒部に燃料を含まない
400 ℃程度の空気が通過し、約1000℃になっているセラ
ミック触媒は熱衝撃によって破損する。実験結果による
と、温度降下時間２秒以下の場合にセラミックの許容応
力以上の熱応力が発生し、破損することが明らかになっ
た。

【００３９】これに対し、本実施例の装置においては、
弁動作速度調節器３８が、遮断信号発生器３７からの信
号を受けるた瞬間から２秒ないし２秒以上の設定された
時間をかけて遮断弁３５が全閉になるような信号を発生
させた。この結果、触媒温度は設定時間をかけて徐々に
温度降下し、破損を免がれることが確認された。

【００４０】本実施例において、燃料の一部を２秒以上
の時間をかけて遮断しても危険速度に到達しない理由を
図２を用いて説明する。

【００４１】図２の横軸は時間、縦軸は燃料流量を定格
点燃料流量で割った値である。気相部燃料が0.2 秒で、
予燃焼燃料および予混合燃料が２秒で切られた場合につ
いて、ある想定された燃料配分の触媒燃焼器の挙動を示
している。

【００４２】実線が燃焼している燃料割合、破線が説明
のための補助線である。Ａの線が0.2 秒で切られた気相
燃料の流量を示し、Ｂの線が２秒で切られる予燃焼燃料
および予混合燃料を示す。

【００４３】Ｃの線は、気相部が予混合燃焼に近い燃焼
をしているために、燃料が全閉になる前に、ある一定の
燃焼温度以下で失火することを示している。触媒部で
は、予混合燃料の一部分が未燃のまま通過するので、Ｄ
の線は発熱している燃料を示している。

【００４４】この図から、本実施例による燃料制御によ
って、燃焼器で発生する熱エネルギは気相部の遮断時間
以内に定格点の３０％以下になることが判る。この３０
％という値は、ガスタービンの無負荷の燃料流量に略匹
敵する。すなわちガスタービンがオーバスピード状態に
達することがないことを示している。

【００４５】以上の実施例によれば、遮断信号発生器３
７の作用で燃料遮断時に触媒温度がセラミックの熱衝撃
許容時間である２秒以上で温度が降下する。そのために
セラミック触媒には破壊が発生しない。

【００４６】また、触媒部２６の下流側に供給される気
相燃焼燃料は、熱エネルギの供給源である燃焼器の半分
以上を閉める燃料であり、この燃料は最短時間で遮断す
るようにしたので、ガスタービンのロータはオーバスピ
ード状態にならず、停止に向かう。

【００４７】なお、本発明は以上の実施例に限定され
ず、趣旨を変更しない範囲で種々変形して実施すること
ができる。

【００４８】例えば図３に示すように、予燃焼燃料配管
３１を気相燃焼燃料配管３０の遮断弁３６の下流側で分
岐し、予燃焼燃料および気相燃料の供給を最短時間で停
止するようにする一方、予混合燃料配管２９の遮断弁３
５を弁動作速度調節器３８で制御して、予混合燃料の供
給停止速度のみを低下させるようにしてもよい。

【００４９】このような構成によれば、予燃焼部２３で
は直ちに失火するが、触媒部は遮断前の高温度のために
触媒活性を保ち続け、予混合燃料は触媒燃焼する。した
がって、前記一実施例と同様に、セラミック触媒が２秒
以上の緩やかな温度降下をして熱衝撃を受けず、触媒寿
命を長く保つことができる。

【００５０】また、燃料停止速度制御用の手段を、遮断
弁機構３４の閉止速度を遅延させる弁制御装置３８に代
え、例えば図４に示すように、燃料供給系統２２の遮断
弁機構３４の下流側に設けたバッファタンク４０として
もよい。

【００５１】バッファタンク４０は燃料流路の途中に容
積をもたせたものであり、遮断弁３５が短時間で閉めら
れても、燃焼器２１内圧との差圧により、バッファタン
ク４０内の燃料が２秒以上長く燃焼器２１に供給され続
ける。

【００５２】このように、燃料供給の停止時間の遅延を
機械的に行う構成によっても、前記一実施例と同様に、
セラミック触媒を２秒以上の緩やかな温度降下に設定で
き、熱衝撃を回避して、触媒部２６の長寿命化が図れる
ものである。

【００５３】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、ガスタ
ービンが緊急停止した場合に触媒部の上流側に供給され
る燃料の供給停止に至る時間に遅れを生じさせ、燃料供
給量を徐々に減少させることにより、触媒部を通過する
空気によるセラミックの冷却速度を緩和するようにした
ので、ガスタービンを緊急停止する場合でもセラミック
による触媒部の損傷を防止でき、それにより触媒寿命の
長期化が図れるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す系統構成図。

【図２】前記実施例の作用を示す特性図。

【図３】本発明の他の実施例を示す系統構成図。

【図４】本発明のさらに他の実施例を示す系統構成図。

【図５】従来例を示す系統構成図。

【符号の説明】 ２１ 燃焼器（ガスタービン燃焼器） ２２ 燃料供給系統 ２６ 触媒部 ３４ 遮断弁機構 ３８ 弁動作速度調節器（弁制御装置，燃料供給停止制
御用の手段） ４０ バッファタンク（燃料供給停止制御用の手段）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃焼ガス流路にセラミックを基体とする
   触媒部を設けたガスタービン燃焼器と、この燃焼器の燃
   焼ガス流路の前記触媒部上下流に燃料供給を行う燃料供
   給系統と、ガスタービンの緊急停止時に前記燃焼器への
   燃料供給系統を緊急閉止する遮断弁機構とを備えた触媒
   燃焼装置において、前記燃焼器の触媒部の上流側へ燃料
   を供給する燃料供給系統に対し、前記遮断弁機構の緊急
   閉止時における前記燃焼器への燃料供給停止時期を一定
   時間遅延させる燃料供給停止制御用の手段を設けたこと
   を特徴とする触媒燃焼装置。
2. 【請求項２】 燃料停止速度制御用の手段は、遮断弁機
   構の閉止速度を遅延させる弁制御装置、または燃料供給
   系統の遮断弁機構の下流側に設けたバッファタンクであ
   る請求項１に記載の触媒燃焼装置。