JPH06137168A - 予混合バーナおよびその運転制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】予混合流路部２４より流出する混合気３５に保
炎制御流路部３０から流出する混合気３４を拡散させ
る。混合気３４と混合気３５で形成される混合気の濃度
３７が可燃範囲内にあり、保炎板２８の後流側に発生す
る再循環流領域３６において常時安定した高温領域４０
を形成し安定した保炎が可能な条件であれば、外周側の
燃料濃度３８が薄い混合気３５を継続して安定燃焼させ
ることが可能となる。このような予混合バーナをマルチ
に設ける。 【効果】マルチ化した単一予混合バーナの作動領域と本
数制御を段階的に行い、タービン負荷帯を自在に制御可
能とし、低ＮＯｘ燃焼を達成することができる。

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に
係り、特に、窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減を目的とした
予混合バーナおよびその制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来技術の保炎板を用いた燃焼器は、US
P4373325号に示すように、保炎板近傍に燃料を直接導入
する方法、USP4463568号，USP4893475号等の予混合して
から保炎板の近傍への導入方法がある。前者は全ての燃
焼領域で、拡散燃焼のためNOx生成量を抑制すること
は、不可能である。後者は、予混合燃焼であるので、低
ＮＯｘ化には有利であるが、燃焼範囲が狭くなる欠点が
ある。特に予混合空気一定条件の基では、燃料導入時の
初期で、希薄条件側の燃焼による不安定現象や予混合気
が可燃範囲になるまで、燃焼が継続できない状態が形成
される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】予混合バーナをガスタ
ービン作動範囲で運転を行う場合、予混合燃焼が、いか
なる作動条件でも安定、かつ、良好な燃焼を得られるこ
とが必要不可欠である。特に、予混合バーナの低負荷帯
の安定性をどのように実現するかが大きな課題となる。
しかし、予混合空気一定で燃料流量が少ない低負荷帯の
燃焼形態は、希薄側の予混合気となり、不燃範囲や未燃
成生物の発生はさけられない。不燃範囲を作動させる方
法として、拡散燃焼との組合わせがあるが、拡散バーナ
を、常時、作動させたり、作動領域が広いと低ＮＯｘ化
燃焼では不利となる。したがって、予混合燃焼の中で拡
散燃焼量及び作動領域の縮少、タービン負荷帯における
運転制御を効果的に行うことが重要である。

【０００４】本発明の目的は、上記課題を解決する予混
合バーナの構造と運転制御法を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】予混合バーナの作動領域
拡大及び安定燃焼を得るために、予混合バーナの出口に
保炎板を設け、前記保炎板外周の上流側に予混合気噴出
口と区分した噴出口を設けた予混合部を有する保炎制御
機構を設置する。予混合バーナ作動時の低負荷側は、保
炎制御空気に対して燃料を過剰に導入して、予混合空気
で保炎燃焼を行い、高負荷時は、保炎制御空気に対して
比較的希薄側の燃空比に瞬時切換え制御を可能にする。
特に、保炎制御条件が予混合気となる切換負荷帯は保炎
板の火炎で燃焼が継続する可燃混合気条件で、保炎制御
の燃空比と同時か若干小さな値に燃料濃度場を制御す
る。

【０００６】一方、低ＮＯｘ化燃焼をガスタービン負荷
帯で実現するために、前記予混合バーナをマルチ化し、
負荷制御は単一予混合バーナを順次作動させて運転す
る。

【０００７】

【作用】予混合バーナ出口の近傍に保炎板を置くと、そ
の保炎板外壁近傍の境界層内で流速が低下し、混合気中
のある領域において、火炎速度が可燃混合気流速に一致
して火炎が形成される。また、保炎板の後流では、逆向
きの圧力勾配が生じて境界層の剥離により、再循環流が
発生する。この保炎板によって形成される再循環流領域
の周囲近傍を流れる燃焼条件を負荷帯に見合った制御が
できれば予混合燃焼が非常に有利となる。例えば、低負
荷時に保炎制御噴出口から燃料を過剰で導入すること
は、予混合空気との接触混合の過程で保炎板近傍を流動
するので拡散燃焼となり、着火・保炎及び燃焼拡大等の
過渡燃焼では最も有利である。また、予混合噴口部から
の可燃混合を導入する切換時以降の高負荷帯では保炎制
御噴口からの混合気条件を予混合噴口の混合気燃空比よ
り大きくし、保炎板近傍の濃度を濃くして保炎性能を向
上させる。この保炎制御噴口の燃料濃度は、両濃度の重
なりと同一保炎作用に基づく効果により、極端に大きく
する必要がない。即ち、燃料割合が小さければ、同一負
荷帯での予混合低下はまぬがれる利点がある。更に、瞬
時拡散から予混合条件の切換制御は、保炎制御噴口部で
の逆火防止と予混合気条件を作る有効な運転制御法であ
る。一方、予混合バーナのマルチ化は拡散燃焼領域の分
散、本数制御は拡散燃焼の割合を少なくできるため、低
ＮＯｘ化燃焼に有利となる。

【０００８】

【実施例】図１は本発明の予混合バーナを制御運転する
燃焼器全体の縦断面図で、図２に予混合バーナの配列の
一例を示した。外筒１，内筒２，尾筒３で構成するガス
タービン燃焼器において、内筒２の頭部に予混合バーナ
４ａ〜４ｆの上流外周壁には、予混合空気導入口６と保
炎制御空気導入入口７の開口部を設け、エンドカバー８
に固定する。

【０００９】本燃焼器への空気流動過程は、圧縮機から
の空気９を尾筒３の後部より導き入れ、希釈空気１０，
内筒２の冷却空気１１，予混合バーナ４ａ〜４ｆへ供給
する予混合空気１２，保炎制御空気１３を燃焼室５内に
流動させる。

【００１０】一方、燃料１４は予混合燃料１５と保炎制
御燃料１６に分割され遮断弁１７を介し、予混合燃料は
流調弁１８ａ〜１８ｆを通り、保炎制御用燃料は流調弁
19ａ〜１９ｆを通り、各予混合気バーナへと導き入れ
る。

【００１１】図３に予混合バーナ構造の一具体例を示
す。バーナ本体２０から固定フランジ２１より先端にの
びる外周側に、外枠２２と内枠２３で形成される環状中
空部を予混合導入口６と連通させ、予混合流路部２４と
する。さらにバーナ本体２０を二重壁円筒で構成し、予
混合燃料流路２５を形成する。外壁には、取付フランジ
２６と燃料導入管２７を設け、予混合燃料通路２５から
予混合流路部２４へ突出するための燃料噴射孔２６を有
するパイプ状の予混合燃料ノズル２７を円周状に配列す
る。予混合流路部２４の出口近傍で軸心には保炎板２８
を設け、内枠２３とで二重壁円筒を構成し、保炎制御流
路部３０を形成する。この保炎制御流路部の出口を保炎
制御噴出口２９として保炎板２８の外周側に設ける。ま
た、保炎制御流路部の上流側は保炎制御空気導入口７に
連通する。保炎制御流路部３０の内壁に複数個の燃料噴
出口３１を設け、バーナ本体２０の内壁部に取付フラン
ジ３２を介して設置する保炎制御燃料流路３３と連通さ
せる。

【００１２】図４に本予混合バーナ出口における作動状
況の一例を示す。図の上半分は、予混合気３４，３５の
流動状態を示す。また、ノズル出口における混合気の濃
度分布３７，３８が合わせて示してある。また、図下半
分はその燃焼パターンが示してある。図において、予混
合流路部２４より流出する混合気３５に保炎制御流路部
３０をへて噴出口２９から流出する混合気３４を拡散さ
せる。この時、混合気３４は混合気３５より濃い条件に
ある。ここで、混合気３４と混合気３５で形成される混
合気の濃度３７が可燃範囲内にあり、保炎板２８の後流
側に発生する再循環流領域３６において常時安定した高
温領域４０を形成し安定した保炎が可能な条件であれ
ば、外周側の燃料濃度３８が薄い混合気３５を継続して
安定燃焼させ燃焼火炎４１を形成することが可能とな
る。

【００１３】別の方法として、図４で示したように予混
合流路部２４より流出する混合気３５に保炎制御流路部
３０より流出する混合気３４を拡散させ、保炎可能な燃
料濃度３７として安定した燃焼を継続するのではなく、
図５に示すように、内枠２３により予混合流路部２４の
噴出口４２と保炎制御流路部３０の噴出口２９を分離
し、保炎制御流路部３０から流出する混合気３５の燃料
濃度４４が可燃範囲にあれば、常時安定した高温領域４
０を保炎板２８の後流側に形成することができる。この
安定した高温領域４０により安定した保炎が可能な条件
であれば、外周側の燃料濃度４３が薄い混合気３５を継
続して安定燃焼させ燃焼火炎４１を形成することが可能
となる。

【００１４】図６は予混合バーナ１本当りの燃料制御方
法で、全燃料流量Ｆ＝３５％までは保炎制御燃料Ｆ１の
みで単独運転を行う。次に保炎制御燃料Ｆ₁ ＝５％に減
少させると同時に予混合燃料流量Ｆ₂ ＝３０％をステッ
プ状に投入し、燃空比Ｆ₁ ／Ａ₁≧０.０４，Ｆ₂／Ａ₂＞
０.０１５ の条件に瞬時切換えて制御する。その後の負
荷上昇は、保炎制御燃料流量Ｆ₁ を一定にして、予混合
燃料流量Ｆ₂ を増加させ、単一予混合バーナの定格で
は、燃空比Ｆ₂／Ａ₂＜０.０４１ となる燃料制御運転を
行う。

【００１５】図７にガスタービン燃焼器作動領域におけ
る予混合バーナ６本を設置した場合の運転制御方法の一
具体例を示した。例えば、図２に示すように、予混合バ
ーナを配列した場合、一本当りの燃料流量は、燃焼定格
負荷の全燃料流量に対して約１７％の作動負荷を有する
予混合バーナを設置する。予混合バーナにおけるタービ
ン負荷帯の作動運転方法は、図６に示した予混合バーナ
ａ，ｂで過渡時から無負荷近傍のタービン負荷６％まで
運転し、その後タービン負荷上昇に伴って、予混合バー
ナｃからｆへ順次作動させて、定格時は全予混合バーナ
を作動して運転を行う。各予混合バーナ作動時の初期に
は一部燃料過剰の作動領域ができるが、燃料流量の変化
割合は単一バーナで６％以下であり、マルチ化による分
散効果と高負荷帯になるほど、希薄予混合燃焼の割合が
増加するため低ＮＯｘ燃焼には非常に有利となる。

【００１６】本発明の特徴は、保炎制御機構を備えた予
混合バーナをマルチ化し、単一予混合バーナの作動領域
と本数制御を段階的に行い、タービン負荷帯を自在に制
御可能とする運転方法にある。

【００１７】

【発明の効果】本発明によれば、保炎制御機構を具備す
る予混合バーナをマルチ化し、ガスタービン燃焼負荷帯
において制御を容易にし、低ＮＯｘ化に有利な予混合バ
ーナの運転制御方法を提供する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の予混合バーナを具備するガスタービン
燃焼器全体の縦断面図。

【図２】図１のＡ−Ａ断面図。

【図３】本発明の予混合バーナ全体の縦断面図。

【図４】予混合バーナ出口近傍の流動状況と火炎パター
ンを示す拡大図。

【図５】図４に示した予混合バーナの別の事例の説明
図。

【図６】単一予混合バーナの作動例の説明図。

【図７】ガスタービン作動領域におけるマルチ予混合バ
ーナの運転制御方法の一実施例を示した説明図。

【符号の説明】

４ａ〜４ｆ…予混合バーナ、６…予混合空気導入口、７
…保炎制御空気導入口、２４…予混合流路部、２８…保
炎板、２９…保炎制御出口、Ｆ₁ …保炎制御燃料流量、
Ｆ₂ …予混合燃料流量、ａ〜ｆ…単一予混合バーナ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小豆畑 茂 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】燃焼室頭部に設置する予混合バーナの軸心
   部に保炎板を設け、その上流側に空気と燃料の混合機構
   と、前記保炎板の外周近傍に導く流路部を形成し、前記
   予混合バーナの燃料制御系から一部分割して制御系を有
   する保炎制御機構を具備させ、前記予混合バーナの負荷
   の変化に対応して保炎制御を可能にしたことを特徴とす
   る予混合バーナ。
2. 【請求項２】請求項１において、前記保炎板の近傍に導
   く空気と燃料の混合割合を、タービン作動負荷におい
   て、着火から無負荷は、保炎制御空気量に対して燃料過
   剰の可燃範囲外で作動させ、前記予混合バーナからの空
   気流との拡散保炎燃焼を行い、更に、高負荷時には、前
   記予混合バーナの燃料との瞬時切換によって保炎制御空
   気条件下で希薄予混合気となる燃料制御をする予混合バ
   ーナの運転方法。