JPH07324750A - ガスタービン燃焼器の運転方法 - Google Patents

ガスタービン燃焼器の運転方法

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JPH07324750A
JPH07324750A JP11623194A JP11623194A JPH07324750A JP H07324750 A JPH07324750 A JP H07324750A JP 11623194 A JP11623194 A JP 11623194A JP 11623194 A JP11623194 A JP 11623194A JP H07324750 A JPH07324750 A JP H07324750A
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JP
Japan
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burner
flow rate
air
premixing
fuel
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JP11623194A
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English (en)
Inventor
Tomoki Koganezawa
知己 小金沢
Yoji Ishibashi
洋二 石橋
Kazumi Iwai
一躬 岩井
Hiroshi Inoue
洋 井上
Shohei Yoshida
正平 吉田
Shigeyuki Akatsu
茂行 赤津
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【構成】燃焼器上流側中央に拡散バーナ8,その外周に
環状の予混合器を持つ第1予混合バーナ9,その外周か
つ下流側に環状の予混合器を持つ第2予混合バーナ12
を備えたガスタービン用燃焼器において、第1予混合バ
ーナ9の空気質量流量をA1,第2予混合バーナ12の
空気質量流量をA2としたとき、A2=0.39〜0.8
0×A1となるようにし、拡散バーナの燃料質量流量を
Fp,第1予混合バーナの燃料質量流量をF1とすると
き、(Fp+F1)/(A1+A2)>0.020 となるま
で拡散バーナ8と第1予混合バーナ9で運転し、第2予
混合バーナ12の燃料を投入していく。 【効果】第2予混合バーナの希薄予混合気の燃焼が促進
され、空気流量制御の必要がなくなる。拡散バーナ,第
1予混合バーナの燃焼効率が高く、NOx発生量の少な
い燃焼が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は産業用ガスタービンに用
いられる低NOx燃焼器の運転方法に関する。
【0002】
【従来の技術】産業用ガスタービンでは、環境問題への
配慮から、燃焼器内で生じる窒素酸化物(NOx)の排
出量を低減することが求められている。NOxの低減
は、燃料ガスと空気を燃焼前に混合して燃焼する予混合
燃焼を利用し、かつ燃料と空気の混合比(燃空比)が理
論混合比よりも小さい状態で燃焼させることによって図
れる。しかし、ガスタービンの定格負荷条件において、
燃空比をNOx生成抑制のために最適な値に設定する
と、ガスタービンの運転特性上、部分負荷時の燃空比が
小さくなりすぎて、安定した燃焼を得ることが困難とな
る。これを解決する手段は、予混合バーナを多数配列
し、負荷に応じて点火するバーナの数を増減する方法
や、燃焼用空気の流量を燃料流量に合わせて調節する方
法がある。例えば、特開昭63−217141号公報には、空気
制御弁により、予混合バーナの空気流量を、燃料流量の
増減に合わせて調節する方法が示されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】前述の空気制御方式で
は、空気量小の場合は火炎のバーナ部品への付着,空気
量大の場合は火炎の不安定が生じるため、空気制御弁開
度には適正範囲が存在する。ガスタービンの運転自由度
を広げるには、予混合気の安定燃焼範囲をさらに希薄側
へ拡大し、空気制御弁開度の裕度を広くすることが必要
である。さらには、このような空気制御弁がなくても安
定した希薄予混合燃焼が可能となり、かつNOxの生成
を抑制することができれば一層良い。
【0004】
【課題を解決するための手段】予混合気の燃焼を希薄側
で安定化させることは、高温のパイロット燃焼ガスと予
混合気を急速に混合し、混合後の温度を、燃料ガスの酸
化反応が燃焼器内で十分に進む温度以上に保つことによ
って達成できる。このとき、混合後の温度を決定するの
はパイロットバーナに投入する燃料の流量となる。ま
た、この時のパイロットバーナの燃空比、および、パイ
ロット燃焼ガスと予混合気との混合割合を、予め適正範
囲内に設定しておくことにより、燃焼効率が高くかつN
Ox発生量の少ないパイロット燃焼が可能となる。さら
に、パイロットバーナと予混合気をそれぞれ逆方向の旋
回流によって混合することにより、パイロットバーナ単
独燃焼時の燃焼効率の低下や火炎のバタつきなどの不安
定燃焼を招くこと無く、混合を促進することができる。
【0005】
【作用】パイロット燃焼ガスの高い温度を利用すること
により、希薄予混合気の燃焼が促進され、空気流量制御
の必要がなくなる。パイロット燃焼用の空気と予混合燃
焼用空気の割合を予め適正範囲内に設定しておくことに
より、燃焼効率が高くかつNOx発生量の少ない燃焼が
可能となる。逆旋回による混合により、希薄予混合気の
反応促進には十分に急速な混合状態が得られ、かつパイ
ロットバーナの安定性を確保することができる。
【0006】
【実施例】図1に、本発明の一実施例である燃焼器の断
面図を示す。ガスタービンは、圧縮機1,燃焼器2,タ
ービン3から構成され、タービンの出力により発電機4
を回転させ電力を得る。燃焼器2は、ガスタービンケー
シング5,燃焼器外筒6、および燃焼器カバー7内に格
納されている。燃焼器2の上流端中央には拡散バーナ8
があり、その外周に環状の第1予混合バーナ9がある。
第1予混合バーナ9は、複数の第1予混合バーナ用燃料
ノズル10、および旋回器11を備えている。第1予混
合バーナ9のさらに外周側には、環状の第2予混合バー
ナ12があり、複数の第2予混合バーナ用燃料ノズル1
3、および旋回器14を備えている。また、第2予混合
バーナ12の下流端は、第1予混合バーナ9よりも下流
側に開口している。
【0007】圧縮機1からの高圧空気100は、燃焼器
外筒6と燃焼器ライナの間の概して環状の空間を通り、
一部はライナ冷却空気103として燃焼器内へ流入す
る。また残りの空気は第2予混合バーナ用空気102お
よび第1予混合バーナ用空気101に分かれて燃焼器内
へ供給され、それぞれ燃焼用空気として用いられる。こ
こで、第1予混合バーナ用空気101の質量流量をA
1,第2予混合バーナ用空気102の質量流量をA2,
ライナ冷却用の空気の質量流量をAcとし、これらの合
計質量流量をAとすると、各流路の流路面積および流路
抵抗を適正値とすることにより、A1/A=63%,A
2/A=27%,Ac/A=10%となるように燃焼器
は構成されている。
【0008】また燃料系統は、主燃料系統200と、そ
こから分岐する拡散バーナ用燃料系統203,第1予混
合バーナ用燃料系統201,第2予混合バーナ用燃料系
統202よりなっている。主燃料系統200には流量調
節弁204が取り付けられており、ガスタービンの負荷
に応じて燃料流量を調節可能となっている。(質量流量
をFとする。)また、第1予混合バーナ用燃料系統20
1の燃料流量(質量流量をF1とする。)は、流量調節
弁205により、調節可能となっている。同様に、第2
予混合バーナ用燃料系統202,拡散バーナ用燃料系統
203の燃料流量(質量流量をそれぞれF2,Fpとす
る。)は、流量調節弁206,207により、調節可能
となっている。
【0009】ガスタービンの運転は、図2に示すよう
に、燃料を投入することにより以下のように行う。起動
から定格回転数までと、ガスタービン負荷の小さい範囲
では、拡散バーナ用燃料系統203のみに燃料を流すこ
とにより、拡散バーナ8で運転を行う。そしてFp/A
1がおおよそ0.025〜0.03となる負荷において、
拡散バーナ用燃料系統203の燃料流量を減少させなが
ら、第1予混合バーナ用燃料系統201の燃料流量を増
加させ、第1予混合バーナ9と拡散バーナ8で運転を行
う。第1予混合バーナは、旋回流によって形成される循
環流によって火炎が保炎され、安定な燃焼が可能とな
る。また拡散燃焼の大部分を予混合燃焼に変えること
で、燃焼器から排出するNOxを抑制することが可能と
なる。その後の負荷上昇に対しては、第1予混合バーナ
用燃料系統201の燃料流量を増加させ運転する。
【0010】ところで、第1予混合バーナ9と拡散バー
ナ8の燃焼ガスと、第2予混合バーナ12の空気は、そ
れぞれ逆方向に回転する旋回流によって形成される強い
せん断層で混合する。この混合方法は、この後に述べる
第2予混合バーナ12の希薄予混合気の反応促進には十
分に急速な混合状態が得られ、かつ第1予混合バーナ9
や拡散バーナ8の燃焼の安定性を確保することができ
る。例えば、第2予混合バーナの空気を噴流にして、第
1予混合バーナと拡散バーナの燃焼ガスの流れに垂直に
投入するような構造では、混合は良い反面、噴流によっ
て第1予混合バーナの循環流が変形を受けたり、あるい
は火炎が引き伸ばされ、燃焼が不安定になったり、燃料
の一部が未燃のまま排出される恐れがある。これに対し
逆向き旋回流による混合は、このような燃焼ガスに及ぼ
す影響を少なくしつつ、混合が促進できる。
【0011】さて、(Fp+F1)/(A1+A2)>0.
020 となった負荷では、今度は第2予混合バーナ用
燃料系統202の燃料流量を投入することによって運転
する。このとき、第1予混合バーナ9と拡散バーナ8の
燃焼ガスと、第2予混合バーナ12の予混合気は、前述
のように、それぞれ逆方向に回転する旋回流によって形
成される強いせん断層で混合し、全体が約1100℃程
度の高温となる。そのため、投入した第2予混合バーナ
用燃料は、燃焼器内で十分に反応し、高い燃焼効率を得
ることができる。したがって、第2予混合バーナ12を
着火させるために、空気制御を行う必要はなくなる。ま
た、(Fp+F1)/(A1+A2)=0.020のとき、
A2=0.39〜0.8×A1であれば、(Fp+F1)
/A1<0.036 となるので、第1予混合バーナ9から排
出されるNOxは少なく、部分負荷時のNOxを低減す
ることが可能となる。さらに第2予混合バーナ12の安
定性に対して余裕を持たせるには、A2=0.39〜0.
57×A1とし、(Fp+F1)/(A1+A2)>0.0
23 で第2予混合バーナ12の運転を行う。その後の
負荷上昇に対しては、第2予混合バーナ用燃料系統20
2の燃料流量を増加させ運転する。
【0012】
【発明の効果】本発明によれば、希薄予混合気の燃焼が
促進され、空気流量制御の必要がなくなる。また、パイ
ロットバーナの燃焼効率が高く、かつNOx発生量の少
ない燃焼が可能となる。さらに、逆向き旋回流による混
合により、希薄予混合気の反応促進には十分に急速な混
合状態が得られ、かつパイロットバーナの安定性を確保
することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例であるガスタービン燃焼器の
系統図。
【図2】燃焼器における燃料の投入方法の例を示した特
性図。
【符号の説明】 2…燃焼器、8…拡散バーナ、9…第1予混合バーナ、
12…第2予混合バーナ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 井上 洋 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 吉田 正平 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 赤津 茂行 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】予混合燃焼用燃料と空気との混合手段を持
    つ予混合バーナを複数備え、前記各予混合バーナの予混
    合器出口を燃焼器内の空気流れ方向にずらして多段に配
    置し、各段が1個または複数の予混合バーナによって構
    成されるガスタービン燃焼器において、 上流側からi番目(i=2,3,4…)の段の、1個また
    は複数の予混合バーナの空気質量流量をAi ,i番目の
    段を含まずそれより上流側のすべての予混合バーナの空
    気質量流量をAi-1 としたとき、各段の空気流量配分
    が、Ai=0.39〜0.8×Ai-1となるように燃焼器を
    構成し、i番目の段を含まずそれより上流側のすべての
    予混合バーナの燃料質量流量をFi-1とするとき、Fi-1
    /(Ai-1+Ai)>0.020 となるまで、i段目より上
    流側の予混合バーナで運転を行い、その後、i段目の予
    混合バーナの燃料を投入していくことにより高負荷帯を
    運転することを特徴とするガスタービン燃焼器の運転方
    法。
  2. 【請求項2】請求項1において、各段の予混合バーナの
    予混合気流路に旋回器を持ち、かつ旋回方向がそれぞれ
    前段と逆であるガスタービン燃焼器の運転方法。
  3. 【請求項3】燃焼器内の空気流れ方向に対して、上流側
    中央に拡散燃焼用燃料供給手段を持つ拡散バーナを備
    え、その外周に環状の予混合燃焼用燃料と空気との混合
    手段を持つ第1予混合バーナを備え、さらにその外周か
    つ下流側に環状の予混合燃焼用燃料と空気との混合手段
    を持つ第2予混合バーナを備えたガスタービン燃焼器に
    おいて、 前記第1予混合バーナの予混合気流路に旋回器を持ち、
    前記第2予混合バーナの予混合気流路に、前記第1予混
    合バーナの旋回と逆方向の旋回をかけることが可能な旋
    回器を持ち、前記第1予混合バーナの空気質量流量をA
    1,第2予混合バーナの空気質量流量をA2としたと
    き、A2=0.39〜0.8×A1となるように燃焼器を
    構成し、拡散バーナの燃料質量流量をFp,前記第1予
    混合バーナの燃料質量流量をF1とするとき、(Fp+
    F1)/(A1+A2)>0.020 となるまで拡散バー
    ナと前記第1予混合バーナで運転を行い、その後、前記
    第2予混合バーナの燃料を投入していくことにより高負
    荷帯を運転することを特徴とするガスタービン燃焼器の
    運転方法。
JP11623194A 1994-05-30 1994-05-30 ガスタービン燃焼器の運転方法 Pending JPH07324750A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100394107C (zh) * 2006-04-30 2008-06-11 西安交通大学 可控烟气自身再循环量型低污染燃烧器
GB2446164A (en) * 2007-02-05 2008-08-06 Ntnu Technology Transfer As Gas Turbine Emissions Reduction with Premixed and Diffusion Combustion

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