JPH0580573B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明はガスタービン用燃焼器の制御方法に係
り、特に燃焼ガス中に発生する窒素酸化物（以下
NOxという。）の量を低減する燃焼器の制御方法
に関する。

〔発明の背景〕

最近のガスタービンプラントは、高効率化の要
求に対し燃焼器温度を上げて、ガスタービンの効
率向上を計る傾向にある。一方、プラントから排
出されるガスに対しては、環境保護の観点から有
害成分に対する厳しい規制がなされている。

排ガス中の有害成分中特にNOxについては、
燃焼器内で局部的な高温部分いわゆるホツトスポ
ツトが生じない燃焼方法を採用するならば、全体
として燃焼温度が上昇しもNOx発生量がそれ程
大幅には増大しない。

この観点から、あらかじめ燃料と空気とをある
比率で均一に混合し、それを燃焼器で燃焼させれ
ば、比較的NOxの発生は少なくなると思われる。

ところが、ガスタービン用燃焼器はガスタービ
ンと一体に構成されるため、燃焼室の他に、予混
合のための室を設けることがスペース上困難であ
り、更に、タービン負荷が変化したときも常に均
一な混合気を作ることが困難なため、予混合室を
燃焼室と別体に形成することは実用化されていな
い。

燃焼器内に予混合室を設けることが、特開昭56
−25622号公報に示されている。この公知技術に
よれば、スロートにより上流側に第１燃焼室を、
下流側に第２燃焼室を形成し、第１燃焼室で予混
合気を作り、これを第２燃焼室で燃焼させること
により、希薄均一燃焼を達成しようとするもので
ある。

しかし、この公知技術においては、ガスタービ
ンの負荷変動が小さい場合は、所期の効果を奏す
ると思われるが、負荷が変動すると第１燃焼室で
作られる混合気濃度が変化するため、火炎伝播速
度が変化するが、第２燃焼室から第１燃焼室への
逆火防止はスロート部の流速に依存しており、広
い負荷範囲での逆火を防ぐには、スロート部流速
を十分な余裕をもつて大きくしなければならず、
形状的にむつかしくなる欠点がある。

更に、燃焼器の点火から定常運転までに、火炎
を第１燃焼室から第２燃焼室へ移すため、第１ノ
ズルから第２ノズルへの燃料切換のため、第１ノ
ズル点火から燃料遮断し、更に再度燃料供給とい
うかなり面倒な操作を必要とする。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、燃料の切換操作を必要としな
いで、燃焼室の一部を、高負荷運転域において
は、予混合を行う空間として利用できるように
し、もつて、予混合均一燃焼が達成できるガスタ
ービン用燃焼器の制御方法を提供することにあ
る。

〔発明の概要〕

本発明の特徴とするところは、頭部燃焼室の下
流側に、頭部燃焼室よりも大径の後部燃焼室を備
えた燃焼器において、ガスタービンの高負荷運転
域では、頭部燃焼室に不活性媒体を供給し、この
不活性媒体の持つ冷却作用により、頭部燃焼室内
の火炎を強制的に後部燃焼室へ遷移させて、頭部
燃焼室内で燃料と空気の予混合が行われるように
した。

本発明の方法によれば、不活性媒体の供給量を
制御することにより火炎を遷移させるので、燃料
の切換という面倒な操作は必要でなく、不活性媒
体の供給量を絞れば、火炎は後部燃焼室から、徐
徐に上流側へも遷移するので、頭部燃焼室で燃焼
させることもできる。

そして、NOx発生量が多くなる運転域では、
予混合均一燃焼が達成できる。

〔発明の実施例〕

本発明を以下図面を用いて説明する。第１図は
ガスタービン用燃焼器を示すもので、ガスタービ
ンは、圧縮機１とタービン２および燃焼器３によ
り構成され、タービン２は発電機Ｇなどの負荷を
駆動する。燃焼器３は、外筒４の内側に所定の空
気流通のための空間を介在して内筒７が配置され
内筒７の頭部側には小径の頭部燃焼室５が形成さ
れ、その下流側には、大径の後部燃焼室６が形成
される。外筒４の頭部側端面はカバー８が取り付
けられ、カバー８のほヾ中央を貫通して内端が頭
部燃焼室５の端面に開口した燃料ノズル９が設け
られ、ノズル９の回りに旋回流を起す旋回器１４
が設けられる。更にカバー８には、頭部燃焼室５
の頭部端面近傍に蒸気などの不活性媒体を供給す
る蒸気ノズル１０が、燃料ノズル９の外側に設け
られる。頭部燃焼室５の周壁には旋回器１１，１
４及びその下流に複数の空気供給孔１２が設けら
れ、これらから供給される空気が、一次空気とな
つて頭部燃焼室５内で燃料と混合する。一方、後
部燃焼室６の頭部燃焼室側の壁面にも旋回器２０
を介して旋回空気流が導入され、更に下流には、
希釈空気口１５が設けられる。内筒７の下流端は
尾筒１７によりガスタービン２に連通する。

ガスタービンの運転に際し、着火起動後からあ
る負荷例えば50％負荷までは、蒸気の供給は行わ
ないか、もしくは、供給する場合においてもその
量を小さく制限する。したがつて50％以下の負荷
状態では、ノズル９から旋回器１４の空気ととも
に旋回しながら頭部燃焼室５に流入した燃料１８
は、旋回器１１、空気供給孔１２から流入する一
次空気と混合しながら燃焼するいわゆる拡散燃焼
を行う。

この拡散燃焼は、一般にホツトスポツトが生じ
やすい燃焼パターンであるが、負荷が小さいた
め、全体として燃焼室内の温度が低く、ホツトス
ポツトがあつたとしてもNOxの発生量は少い。

そして、拡散燃焼では、空気との混合が進行す
る過程で燃焼が行われるので火炎は最も燃焼しや
すい混合比の部分で生ずるため保炎効果が高く、
頭部燃焼室５全体としての空燃比つまり、頭部燃
焼室５に供給されるすべての空気量と燃料との比
がかなり希薄であつても部分的には燃焼に適した
空燃比部分があるため、保炎の効果は高い。

すなわち、火炎の吹き消えや、燃焼が不完全な
ため未燃成分が増加するということが起りにくい
のである。

換言すれば、頭部燃焼室５の大きさや、一次空
気量は、設定された負荷この場合50％以下の負荷
域では拡散燃焼が良好に行われるように決定され
ている。

次に、50％負荷より高い負荷帯になると、蒸気
ノズル１０より蒸気を供給する。蒸気供給量を
徐々に増大させると、頭部燃焼室５内に生じてい
た火炎１９は蒸気により冷されるために徐々に小
さくなり、火炎の位置も下流側に移る。火炎が後
部燃焼室６近傍へ移行すると、内筒内で下流側へ
向う流速が断面積に反比例して遅くなるため、後
部燃焼室６内で安定した火炎が形成され、頭部燃
焼室５内には、火炎はまつたくなくなるか、中央
部に小さか火炎が残る状態となる。このような状
態になるまで蒸気量を増加させ、その後は、50％
以上の負荷域で負荷が変化しても後部燃焼室７に
おいて主たる火炎が保持されるよう蒸気量を制御
して運転を行う。

50％以上の負荷域では、燃料ノズル９から供給
された燃料１８は、頭部燃焼室５内で一次空気と
予混合され、後部燃焼室６で燃焼するので、予混
合均一燃焼が達成できる。

ここで、蒸気量の制御により火炎の遷移が行え
ることを第２図及び第３図について説明する。

第２図は、蒸気ノズル１０から蒸気が供給され
ていない状態を示しており、ノズル９から供給さ
れる燃料１８は、頭部燃焼室５内で一次空気と混
合しながら拡張燃焼を行い火炎２１を生ずる。こ
の火炎２１は、ノズル９から供給される燃料量が
多くなるにつれて後部燃焼室６までのび大きな火
炎に成長する。ところが、ガスタービンの負荷と
燃料との関係は第４図に実線１００で示すように
ほヾ線形の関係にある。しかるに、燃焼器３に供
給される空気量は、ガスタービンの回転速度が定
格回転（負荷零）に達した後は一定であるため、
空燃比は点線１０１で示すように負荷が小さい程
薄くなる傾向を示す。若し、従来技術に示すよう
に、タービンの全運転範囲で予混合均一燃焼を行
う場合には、空燃比が薄くなりすぎて、火炎が吹
き消える問題が生ずる。

ところが、タービン負荷が小さい運転域では、
第２図に示すように、拡散燃焼を行わせるように
しておけば、燃焼室全体でみた空燃比は第４図の
破線１０１のように薄くてもノズル９の噴出口近
くは濃い混合気があるため火炎が吹き消えること
がなく、しかも、トータルとしては空気過剰な状
態になつており、完全に燃焼する。尚、燃料及び
一次空気の両方に旋回を与えると混合が促進され
るので、ホツトスポツトの発生が少くなり、保炎
の効果も良くなる。

次に、燃料ノズル９からの供給燃料量が多くな
る運転領域では、蒸気ノズル１０から蒸気２４を
供給する。蒸気２４は、主として一次空気に混入
して頭部燃焼室５内に入り、拡散燃焼火炎を冷却
する。蒸気供給量が多くなると、頭部燃焼室５内
の火炎は徐々に小さくなり、ついには第３図に示
すように、中央部に小さな火炎２２を残すのみと
なり、大きな火炎は後部燃焼室６へ移る。

第３図に示すように、ほとんど大部分の火炎が
後部燃焼室６へ移ると、頭部燃焼室５は、予混合
室としての機能を持つことになり、もつぱらここ
で、ノズル９からの燃料と一次空気とにより予混
合気を生成することになる。

このときの、後部燃焼室６内での火炎生成部に
おける第４図の点線１０１のように負荷50％の火
炎遷移点で、薄い側に変化し、その後、負荷の上
昇につれて、濃くなる。火炎遷移点で空燃比が薄
くなるのは、旋回器２０及び図示を省略している
が内筒周壁に形成した多数の冷却空気孔からの空
気が、燃焼部に供給されるためである。予混合均
一燃焼の場合には、空燃比は拡散燃焼に比べて濃
くても、ホツトスポツトが生じにくいためNOx
の発生が少い。

第３図に示す、燃焼のパターンにおいて、負荷
などの変動によつて燃焼パターンが変化すること
が懸念される。そこで、保炎効果について検討し
た。

第５図及び第６図は、断面が一様の円筒状の内
筒７ａ及び、段付の内筒７のそれぞれの閉鎖端面
側に燃料と空気及び蒸気を供給して火炎の遷移状
況と安定性を検討した。

両者の燃料、空気の量を一定に保つておき、蒸
気量を徐々に増して燃焼状況を排出ガス中の未燃
成分CO＋HCの量で測定して比較した。第６図の
ものは、特性１０５のようにＢ点で火炎が遷移
し、その後、蒸気量を増加させても比較的安定し
た燃焼状態を保つているが、第５図のものでは、
特性１０４に見られる如く炎の遷移点（第６図の
後部燃焼室６に相当する位置まで遷移したときを
遷移点とした）Ｃは、第６図のものより蒸気量が
多側にあり、それから、蒸気量が少し増加すると
炎の吹き消えが起り、遷移後の安定燃焼範囲がき
わめて狭いことが判つた。

この結果から、少い蒸気量で火炎を遷移させる
ためには、頭部燃焼室５は断面積が小さく、蒸気
による冷却効果が良好な形状であること、保炎の
ためには後部燃焼室６は、頭部燃焼室５よりも断
面積が大きく、かつ、両室の接合部には、断面積
が急激に変化する拡大部２３が存在し、これによ
つて、後部燃焼室６内に渦流が生ずることが必要
であることが判つた。

したがつて、第１図に示す構成の燃焼器３で
は、タービン負荷の高い運転域では、蒸気を多量
に注入して、火炎を後部燃焼室６へ遷移させて
も、安定した燃焼を保つことかできる。

第８図は、本発明を適用するための他の燃焼器
３を示しており、第１図の燃焼器と異なる点は、
頭部燃焼室５と後部燃焼室６との連通部にスロー
ト２８を形成するように内筒７ａの形状を定めた
ものである。この燃焼器において、起動時には点
火装置３５により、頭部燃焼室５内拡散燃焼火炎
２１を生成させる。タービン負荷が所定値以上に
なるとノズル１０より蒸気２４を供給して、火炎
を後部燃焼室６へ遷移させることは第１図の場合
と同様であるが、スロート２８があることによ
り、この部分のガス流速３２が大きくなるために
火炎が後部燃焼室６へ遷移しやすくなり、遷移し
た後の保炎効果も良くなる利点がある。

第９図は、本発明の方法を実施するための他の
燃焼器を示しており、第１図と異るところは、後
部燃焼室６に予混合燃料を供給する二次燃料ノズ
ル４４、及びノズル４４からの燃料と二次空気と
を混合する予混合管４６を内筒７ｃに設けた点で
ある。この燃焼器は、タービン負荷の小さい運転
域では、ノズル９からの一次燃料のみで運転し、
頭部燃焼室５内に拡散火炎を生成する。タービン
負荷が大きくなると、蒸気ノズル１０から蒸気２
４を供給し、火炎を後部燃焼室６へ遷移させると
ともに、二次燃料ノズル４４からも燃料を供給
し、予混合管４６で予混合気を作り、後部燃焼室
６へ供給し、遷移した火炎によつて燃焼させる。

この実施例では、火炎遷移後の負荷を大きくと
れるので、結果的には、火炎の遷移させる負荷点
をより低い側に設定することが可能となる。

第１０図は、ガスタービン負荷100％の状態で
蒸気注入量を増加したときのNOxの低減比を示
したもので従来の火炎の温度を下げるためにのみ
蒸気を注入していたものは従来例カーブに見られ
る如く、最大でも蒸気注入なしのときの45％程度
までしか下げられなかつたのが、本発明方法によ
れば10％程度すなわち低減率90％まで少くするこ
とができる。

尚、従来の蒸気注入は、火炎の吹き消えの問題
から実線の部分で実施されていたが、火炎遷移を
起して後部燃焼室でのみ燃焼させるという思想が
なかつたため、点線の部分では、実施されていな
かつたが、単に炎を冷却することにより（燃焼パ
ターンを変えない）低NOxを計る場合には、点
線で示した程度にしかNOx低減効果がない。

尚、不活性媒体として蒸気を例にとり説明した
が、燃焼に関与しない流体で冷却効果のあるもの
であれば良く、窒素、炭酸ガス、冷却した燃焼排
ガスなどが適用できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、ガスタービン負荷が大きな運
転域では、頭部燃焼室を予混合のための空間とし
て利用できるので、燃焼器を大型化することなる
予混合均一燃焼を達成することができ、広い負荷
範囲でNOxの発生量を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明を実施する燃焼器の断面図、
第２図及び第３図は、燃焼火炎のパターンを示す
説明図、第４図は、タービン負荷に対する空燃比
特性図、第５図及び第６図は、火炎の遷移性能を
比較するための説明図、第７図は、蒸気量に対す
る未燃成分濃度を示す特性図、第８図及び第９図
は、本発明方法を適用する他の燃焼器の断面図、
第１０図は、NOx特性図である。 １……圧縮機、２……タービン、３……燃焼
器、５……頭部燃焼室、６……後部燃焼室、７…
…内筒、９……燃料ノズル、１０……蒸気ノズ
ル、１１……旋回器、１２……空気孔、１４……
旋回器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 燃料供給ノズルと一次空気供給口を備えた筒
   状の頭部燃焼室と、頭部燃焼室の下流側に頭部燃
   焼室よりも大きな断面を持つた筒状の後部燃焼室
   と、前記頭部燃焼室に不活性媒体を供給する手段
   を備えたガスタービン燃焼器において、ガスター
   ビン負荷が低い運転域では、前記頭部燃焼室に火
   炎が保持されるよう前記不活性媒体の供給量を制
   限し、ガスタービン負荷が高い運転域では、火炎
   のほヾ全部が後部燃焼室に遷移するように前記不
   活性媒体の供給量を制御し、もつて、頭部燃焼室
   内では燃料と一次空気の予混合が行われ、混合さ
   れた燃料及び空気が後部燃焼室において燃焼する
   ことを特徴とするガスタービン用燃焼器の制御方
   法。 ２ 頭部燃焼室と後部燃焼室との接続部壁面に二
   次燃料を二次空気と予混合して後部燃焼室に供給
   する二次燃料供給手段を備え、ガスタービン負荷
   の高い運転領では、二次燃料供給手段からも燃料
   を供給して後部燃焼室で燃焼させることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項の制御方法。 ３ 特許請求の範囲第２項記載記載の方法におい
   て、一次燃料と一次空気の混合比は、ガスタービ
   ンの全運転範囲で空気過剰の希薄状態に保たれて
   いることを特徴とするガスタービン用燃焼器の制
   御方法。