JPH06207717A

JPH06207717A - ガスタービンの燃焼器

Info

Publication number: JPH06207717A
Application number: JP5156829A
Authority: JP
Inventors: Jakob Dr Keller; ケラーヤーコプ
Original assignee: ABB RES Ltd; EE B B RES Ltd; ABB Research Ltd Sweden
Current assignee: ABB RES Ltd; EE B B RES Ltd; ABB Research Ltd Sweden
Priority date: 1992-06-29
Filing date: 1993-06-28
Publication date: 1994-07-26
Also published as: EP0576697A1; US5412938A; DE59208831D1; EP0576697B1

Abstract

(57)【要約】【目的】希薄な消炎限界値のできるだけ近くで、つま
り実際にＮＯ_Xが生成しないような領域において、燃焼
器を運転することのできるような手段を提供する。【構成】予混合バーナ１０と、触媒補助された触媒バ
ーナ２０との組合せが設けられており、主燃焼が予混合
バーナによって実施されるようになっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、従来タイプのバーナと
共に触媒バーナも使用されるような、ガスタービンの燃
焼器に関する。

【０００２】

【従来の技術】拡散バーナと触媒バーナとを組み合わせ
ることは公知である。このような組合せは一種の混合運
転において使用され、この場合、一般に燃焼器は所定の
部分負荷までは、純然たる拡散運転で増速される。その
後に、多かれ少なかれ触媒バーナが接続される。この場
合、全負荷運転において燃焼器を純然たる触媒運転で運
転することが目標とされる。触媒バーナは、燃料／空気
混合物が極めて希薄な場合でも運転できる状態に留まる
ことにより、すぐれている。他面において、前記触媒バ
ーナは典型的な欠点、たとえば多成分燃料性の欠乏、制
御可能性の緩慢さ、問題の多い点火および増速運転をも
兼ね備えている。

【０００３】しかし、ガスタービンに用いられる燃焼器
としては、たとえば欧州特許第２９６１９号明細書に基
づき、予混合バーナを主体としたものも知られている。
保炎器の下流側で本来の燃焼プロセスが行われる前に、
所定数の管状部材の内部において、噴射された燃料と圧
縮空気との間で、予混合／予蒸発プロセスが大きな空気
過剰係数で行われる。このような手段を用いると、燃焼
から生じる有害物質の放出値を著しく減少させることが
できる。

【０００４】それに対して、できるだけ大きな空気過剰
係数による燃焼（第１に火炎がまだ十分に形成されてお
り、第２に過多のＣＯが生成しないことによって与えら
れる）は、ＮＯ_X量を減少させるだけではなく、他の有
害物質、つまり既に述べたようにＣＯや、未燃焼の炭化
水素の生成をも抑制する。このような最適化プロセス
は、ＮＯ_X値を一層低くする方向で行うことができ、こ
の場合、燃焼器内部では、燃焼および後反応のための空
間が、本来の燃焼に必要となるよりも大きく設定され
る。このことは、比較的大きな空気過剰係数の設定を可
能にし、この場合、たしかにまずは比較的大量のＣＯが
生成するが、このような大量のＣＯは引き続き反応して
ＣＯ₂を形成し得るので、最終的にはＣＯ放出量が小さ
くなる。しかし他面において、空気過剰係数が大きいこ
とに基づき、極めて少量の付加的なＮＯが生成する。上
記公知の燃焼器では、複数の管状部材が予混合を引き受
けるので、負荷制御時ではそれぞれ、各運転段階（始
動、部分負荷、全負荷）に対して最適な空気過剰係数が
生ぜしめられるような数の管状部材だけが、燃料を供給
されて運転される。

【０００５】保炎器を不要にすることのできるような別
タイプの予混合バーナが、欧州特許第０３２１８０９号
明細書に記載のダブルコーン形バーナの形で知られてい
る。

【０００６】しかし、予混合バーナを備えた燃焼器は全
て次のような欠点を持っている。すなわち、少なくとも
バーナの一部だけが燃料供給されて運転されているよう
な運転状態においては、火炎安定性の限界値に接近して
しまう。実際には、極めて希薄な混合気や、ひいてはこ
れによって生ぜしめられる低い火炎温度に基づき、典型
的なガスタービン条件のもとでは、既に約２．０の空気
過剰係数において消炎限界値が到達されてしまう。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、上記
欠点を全て回避して、希薄な消炎限界値のできるだけ近
くで、つまり実際にＮＯ_Xが生成しないような領域にお
いて、燃焼器を運転することのできるような手段を提供
することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明の構成では、ガスタービンの燃焼器において、
予混合バーナと、触媒補助された触媒バーナとの組合せ
が設けられており、主燃焼が予混合バーナによって実施
されるようにした。

【０００９】

【発明の効果】本発明の利点は特に、臨界相における、
たとえば純然たる予混合バーナの消炎限界値が一時的に
下回られるような一時的な振動発生時における、燃焼器
の純然たる支援に認められる。触媒バーナが極めて希薄
な混合の場合でも運転できる状態になることに基づき、
制御を簡単にすることができる。この場合、ガスタービ
ンもしくは燃焼器の負荷時および負荷軽減時において、
純然たる予混合燃焼ではその希薄な消炎限界値のため一
般に通過することのできないような空気係数領域を横断
することができる。

【００１０】このような意図的な触媒バーナ使用に基づ
き、冒頭で述べたような触媒バーナの欠点を回避するこ
とができる。

【００１１】予混合バーナと触媒バーナとが交換可能に
構成されていると特に有利である。これによって、バー
ナ配置構成を各燃焼器運転に、たとえば燃料または圧力
の点で適合させるための簡単な手段が得られる訳であ
る。なぜならば、原則的には、燃焼器を触媒バーナなし
で運転して、予混合燃焼の利点を十分に利用することが
目標とされるからである。したがって、種々のタイプの
バーナの交換可能性は、触媒バーナを必要に応じて接続
するための有効なオプションとみなすことができる。こ
の場合、常に、燃焼器の安定運転のためにちょうど必要
とされる数の触媒バーナしか使用されない。

【００１２】さらに、触媒バーナが排ガス戻し案内部を
備えていると有利である。この場合、排ガスは燃焼室か
ら取り出されると有利である。このような手段は、燃焼
混合気に、触媒バーナを運転するために必要となる最低
温度を与えるという思想に基づいている。これによっ
て、これまで触媒バーナで汎用されてきた前バーナを不
要にすることができる。

【００１３】触媒バーナに用いられる燃焼空気の入口
が、ジェットポンプとして構成されており、該ジェット
ポンプを介して、燃焼室から排ガスが吸い込まれるよう
になっていると特に有利である。

【００１４】また、触媒バーナが、燃焼器の一次区域
で、高負荷される周壁部分に配置されていると有利であ
る。この場所で触媒バーナは一種の熱シールド機能を発
揮する。この手段により、当該個所では汎用の壁冷却を
不要にすることができる。このことは、冷却される表面
をできるだけ少なくするという要求に応えている。

【００１５】

【実施例】以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく
説明する。

【００１６】図面には、本発明を理解する上で重要とな
る構成要素しか図示していない。設備全体に関しては、
たとえば回転する機械における燃焼器の対応配置形式、
燃料供給装置、制御装置等は図示されていない。作業媒
体の流れ方向は矢印で示してある。

【００１７】図１に示したように、燃焼器のドーム形の
閉鎖部では、燃焼器周壁１に複数の予混合バーナ１０と
触媒バーナ２０とが配置されている。触媒バーナは、本
来では強力に冷却されなければならないような個所に局
所的に配置されている。触媒バーナ２０は主として固有
の触媒２１を有しており、この触媒は鐘形のケーシング
２２によって取り囲まれている。ケーシング壁は燃料供
給部２３によって貫通され、この場合、燃料としてガス
が使用されると有利である。燃焼空気は環状の空気入口
２４を介してケーシング内部に導入される。ガスタービ
ン圧縮機（図示しない）の出口に位置する燃焼空気は一
般に約３５０℃の温度を有している。この温度は、触媒
燃焼を維持するためには十分でない。

【００１８】したがって、空気入口２４はジェットポン
プとして構成されている。運転時では、熱い燃焼ガスが
燃焼室２５から前記ジェットポンプを介してケーシング
内部に吸い込まれる。このことは排ガスノズル２６を介
して行われる。この排ガスノズルは触媒の周囲に分配さ
れていて、燃焼空気によって冷却されている。前記ジェ
ットポンプと排ガスノズルとの寸法設定は、吸い込まれ
る排ガス量が、触媒のために必要な臨界温度、たとえば
５５０℃に確実に到達するために十分な量になるように
行われる。たとえば、３５０℃の温度を有する燃焼空気
１０部に対して、１２００℃の温度を有する排ガス３部
が吸い込まれるようになっている。

【００１９】図１および図２に示した予混合バーナ１０
は、欧州特許第０３２１８０９号明細書に基づき公知で
あるようなダブルコーン形バーナである。このダブルコ
ーン形バーナは主として円錐形の２つの中空な部分コー
ン１１，１２から成っている。両部分コーンは流れ方向
において互いに内外に入り組んでいる。両部分コーンの
各中心軸線１３，１４は互いにずらされている。両部分
コーンの隣接し合う周壁は長手方向に沿って、燃焼空気
のための接線方向のスリット１５を形成しており、こう
して燃焼空気はバーナ内部に流入する。この場所には、
液体燃料のための第１の燃料ノズル１６が配置されてい
る。液体燃料は鋭角の角度で中空コーン内部に供給され
る。生じた円錐状の液体燃料分布は接線方向で流入する
燃焼空気によって取り囲まれる。燃料の濃度は軸方向で
見ると、燃焼空気との混合によって連続的に減じられ
る。前記バーナは同じく気体燃料を用いても運転するこ
とができる。このためには、接線方向のスリットの範囲
で両部分コーンの周壁に長手方向で分配された気体燃料
流入開口１７が設けられている。したがって、気体燃料
運転では、燃焼空気との混合気形成が既にスリット１５
の区域で開始する。当然ながら、このようにして液体燃
料との混合運転も可能である。

【００２０】バーナ出口においては、負荷される円環状
の横断面全体にわたってできるだけ均一な燃料濃度が生
じる。バーナ出口では、球欠形の規定された戻し流区域
が形成され、この戻し流区域の先端部において着火が行
われる。

【００２１】次に、本発明の作用形式を図４に示した燃
料制御曲線につき説明する。この燃料制御曲線を説明す
るために、図３にバーナ配置を示してある。この場合、
バーナはグループごとにしか、接続もしくは遮断されな
いものと仮定する。まず内側に位置するバーナを点火
し、次いで順次に外側に位置するエレメントを燃料によ
り運転させると有利であることが判った。この目的のた
めに、バーナは次のような配置で６つのグループに分割
されている。グループｕ＝９エレメント、グループｖ＝
６エレメント、グループｗ＝３エレメント、グループｘ
＝６エレメント、グループｙ＝６エレメント、グループ
ｚ＝６エレメント。グループｕ，ｖ，ｗ，ｘ，ｙのバー
ナは予混合バーナであり、グループｚのバーナは触媒バ
ーナである。これらのグループは図３に示されている。

【００２２】線図には、ガスタービンの固有の始動過程
が示されていないが、この始動過程は約２０％の機械回
転数で、中央に配置された点火バーナ５を介して始動点
火を開始し、機械公称回転数および同期化が得られると
同時に終了する。

【００２３】したがって、図４にはアイドリング運転終
了後の負荷過程しか示されていない。横座標には、負荷
Ｐ（％）が、縦座標には空気過剰係数（λ）がそれぞれ
示されている。パラメータＫ₃₆，Ｋ₃₀，Ｋ₂₇，Ｋ₂₄，Ｋ
₁₈，Ｋ₁₅，Ｋ₁₂，Ｋ₉はそれぞれ運転状態にあるバーナ
の数３６，３０，２７，２４，１８，１５，１２，９を
表している。気体運転における燃焼器の負荷時における
最適の切換曲線が示されている。

【００２４】符号Ｓ_Vで、純然たる予混合燃焼時の安定
性限界値が示されている。比較の目的で、符号Ｓ_Dで冒
頭で述べた純然たる拡散燃焼時の安定性限界値も示され
ている。この場合、この限界値Ｓ_Dは極めて高い空気過
剰係数に位置していることが認められる。しかし、この
ような運転状態では、要求されている低いＮＯ_X値を達
成することができない。基準値として例示すれば、最近
のガスタービンの場合に拡散燃焼だけでは約３００〜５
００ｐｐｍのＮＯ_x放出が予想される。

【００２５】他面、純然たる予混合燃焼を用いると、要
求されているＮＯ_X限界値を容易に下回ることができ
る。しかし、火炎温度が低いため、安定性限界値が低く
なってしまう。全負荷範囲全体にわたって燃焼器を確実
に運転するためには、点火能力と消炎との間の領域が比
較的狭い。

【００２６】図示の線図では、太字の実線で示した切換
曲線で示したように、燃焼器はアイドリング運転から１
５％負荷にまで、１２個のバーナによって増速運転され
る。この場合、グループｕ，ｗが運転状態となる。気体
供給の増大と共に、空気過剰係数は１５％負荷において
低くなり、この場合、バーナグループｖが接続されると
同時に、グループｗは遮断される。したがって、１５個
の予混合バーナが運転状態となる。その後に、負荷増大
において引き続き描かれる制御曲線は、空気過剰係数が
常時ほぼ等しい範囲内を移動するように規定される。こ
のために図示の実施例では、それぞれ負荷Ｐ＝２７％、
４４％、６４％および８６％において、バーナグループ
ｘ，ｙ，ｗが接続されるが、もしくは精密段階制御の目
的で遮断される。

【００２７】本発明によれば、８６％の負荷において付
加的に、触媒補助バーナを備えたグループｚが運転させ
られる。これにより、直接に安定性限界値における運転
形式が生ぜしめられる。当然ながら、本発明による手段
は全負荷時だけでなく、必要に応じて部分負荷時でも使
用することができる。原則的に云えることは、純然たる
予混合燃焼では不可能であるような運転点を触媒バーナ
によって達成することができることである。すなわち、
純然たる予混合燃焼時では、消炎限界値に対する特定の
安全性距離が保証されていなければならない訳である。

【００２８】すなわち、極めて一般的に推計学的なノイ
ズが存在するとして、既に１０〜２０ｍｂのオーダの振
動が形成されている。このことは、空気過剰係数の極め
て大きな変動を招く。このような空気過剰係数は平均値
でのみ、図４に示した値を有してはいるが、しかし実際
には、この平均値を中心にした範囲内を変動している。
そして、この事実は、振動の振幅に応じて一面では明ら
かなＮＯ_X値増大を招き、他面では消炎限界値への危険
な接近を招いてしまう。すなわち、既に１０〜１５ｍｂ
の圧力変動差でも、付加的に約５〜８ｐｐｍのＮＯ_Xを
生ぜしめてしまう。

【００２９】したがって、消炎限界値における本発明に
よる運転形式に基づき、２０ｐｐｍの現在到達可能なＮ
Ｏ_X値を確実に極めて大きく下回ることができる訳であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】燃焼器の部分的な縦断面図である。

【図２】予混合バーナの横断面図である。

【図３】バーナ配置の横断面図である。

【図４】ガスタービンにおける燃焼器を負荷するための
燃料制御曲線である。

【符号の説明】

１燃焼器周壁、５点火バーナ、１０予混合バ
ーナ、１１，１２部分コーン、１３，１４中心軸
線、１５スリット、１６燃料ノズル、１７
気体流入開口、２０触媒バーナ、２１触媒、
２２ケーシング、２３燃料供給部、２４空気
入口、２５燃焼室、２６排ガスノズル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ガスタービンの燃焼器において、予混合
バーナ（１０）と、触媒補助された触媒バーナ（２０）
との組合せが設けられており、主燃焼が予混合バーナに
よって実施されるようになっていることを特徴とする、
ガスタービンの燃焼器。
【請求項２】予混合バーナ（１０）と触媒バーナ（２
０）とが、交換可能に構成されている、請求項１記載の
燃焼器。
【請求項３】触媒バーナ（２０）が排ガス戻し案内部
（２４，２６）を備えている、請求項１記載の燃焼器。
【請求項４】触媒バーナに用いられる燃焼空気の入口
が、ジェットポンプ（２４）として構成されており、該
ジェットポンプを介して、燃焼室（２５）から排ガスが
吸い込まれるようになっている、請求項３記載の燃焼
器。
【請求項５】触媒バーナ（２０）が、燃焼器の一次区
域で、高負荷される周壁部分に配置されている、請求項
１記載の燃焼器。