JPS61149527A - ガスタ−ビン用燃焼器の制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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シ、特に
燃焼ガス中に発生するｍ葉酸化物（以下Ｎ　Ｏｘ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ットスポットが生じない
燃莞方法を採用するならば、全体として燃焼温度が上昇
してもＮ　Ｏｘ発生量は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るる比率で均
一に混合し、それを燃焼器で燃焼させれば、比較的Ｎ　
Ｏｘの発生は少くなると思われる。

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、予ゝ混合のための室
を設けることがスペース上困難であシ、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＠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５６−２５
６２２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ｉｇｌ燃焼室を、下流側に第２
燃焼室を形成し、５ｇ１燃焼室で予混合気を作シ、これ
ｔ−第２燃尭宣で燃焼させることによう、希４均−燃莞
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燃暁
室から第１ｆＰｉ焼呈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って大きくしなければな
らず、形状的くむつかしくなる欠点がるる。

更に、燃焼器の点火から定常運転までに、火炎を第１燃
焼宣から５ｇ２燃焼室へ移すため、１ｌＣ１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シ面倒な操ｔν
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、もって、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、
頭部燃焼室よシも大径の後部燃焼室ｔ−筒えた燃焼器に
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
によシ、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・尭呈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）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、除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図はカスター
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によシ構成され、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ｆｔ＃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が取シ付け
られ、カバー８のほゞ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
の回シ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ｌＯ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１
１゜１４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、一次空気となって頭
部燃焼室５内で燃料と混合する。一方、後部燃゛尭室６
の頭部燃焼室側の壁面にも旋回器２０を介して、に回空
気流が導入さ几、更に下流には、希釈仝気口１５が設け
られる。内筒７の下流端は尾筒１７によ）ガスタービン
２に連通する。

ガスタービンの運転ＩＣ際し、着火起動後からめる負荷
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ｉを小さく　４１
Ｊ限する。したがって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に九人した燃料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Ｉ８は、一般にはホットスポットが生じゃす
い燃焼パターンでるるか、負荷が小さいため、全体とし
て燃焼室内の温度が低く、ホットスポットがｂつたとし
てもＮｏｔの発生量は少り。

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
ての空燃比つまシ、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シ希薄であっても部分的には
燃焼に適した空燃比部分かめるため、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シにくいのでろる。

換言すれば、頭部燃焼室５の大きさや、−炭窒気量は、
設定された負荷この場合５０チ以下の負荷域で拡散燃焼
が良好に行われるように決定されている。

次に、５０チ負荷より高い負荷帯になると、蒸気ノズル
１０ニジ蒸気を供給する。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
シ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、円筒
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ｒｉまったくなくなるか、中央部に
小さな火炎が残る状態となる。このような状態になるま
で蒸気、ｔを増加させ、その後は、５０チ以上の負荷域
で負荷が変化しても後部燃焼室７において王たる火炎が
保持されるよう蒸気量を制御して運転を行う。

５０チ以上の負荷域では、燃料ノズル９から供給され７
’Ｃ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、予混合物−燃・尭
が達成できる。

ここで、蒸気量の制御によシ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！！！！、
″Ｍ１８は、頭部燃焼室５内で一次空気と混合しながら
拡散燃焼を行い火炎２１を生ずる。この火炎２１ｒｉ、
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Ｍと燃料との関係１”ｌ：第４図に実
線１００で示すようにはゾ線形の関係にｈる。しかるに
、燃焼器３に供給される空気量け、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４ｇ４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おるため
火炎が吹き消えることがなく、シかも、トータルとして
は空気過剰な状態になっておシ、完全に燃焼する。同、
燃料及び−炭窒気の両方に旋回を与えると混合が促進さ
れるので、ホットスポットの発生が少くなシ、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
２４ｒｊ、主として一次空気に混入して頭部燃焼室５内
に入シ、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シ、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。

、ｓ３図に示すように、は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
能を持つことになシ、もっばらここで、ノズル９からの
燃料と一次空気とによシ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訃ける第
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か内筒周壁に形成した多数の冷却
空気孔からの空気が、燃１＠部に供給されるためでらる
。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、ホットスポッ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
動によっ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＠７ｍ
及び、段付の内ｓ７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っておき、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っているが、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）Ｃｒｉ、１Ｊｃ６図のものよシ蒸気量が
多側にメジ、それから、蒸気量が少し増加すると炎の吹
き消えが起シ、遷移後の安定燃焼範囲がきわめて狭いこ
とが判った。

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ｎ宣５よシも断面積が大きく、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、これによって、後部燃焼室６内に渦流が生ずること
が必要でるることが判った。

したがって、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＠を保つこ
とができる。

第８図は、本発明を適用するための他の燃焼器３を示し
ておシ、第１図の燃・発器と異る点は、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るる。この燃焼器にお
いて、起動時には点火装置３５によシ、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よシ蒸気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
でらるが、スロート２８があることによシ、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
遷移しゃすくなシ、遷移した後の保炎効果も良くなる利
点がるる。

第９図は、本発明の方法を実施するための他の燃焼器を
示しておシ、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４
４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２４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
よって燃焼させる。

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１Ｏ図は、ガスタービン負荷１００１の状態で蒸気注
入量を増加し九ときのＮ　Ｏｘ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慢僅度までしか下げられなかつ九の
が、本発明方法によれば１０チ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冥線
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ったため、点線の
部分では、実施されていなかつ次が、単に炎を冷却する
ことによシ（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
め。

尚、不活性媒体として蒸気を例にとシ説明したが、ｔ！
焼に関与しない流体で冷却効果のめるものであれば良く
、窒素、炭酸ガス、冷却した燃ａ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
、頭部燃央室を予混合の九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く予混合均−燃情を達成
することができ、広い負荷範囲でＮ　Ｏｘ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、！＠２図
及び４３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
４６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因及び第９図は、本発明方法を適用する他の燃焼器の
断面図、第１Ｏ図は、Ｎ　Ｏｘ％性図で６る。 ｌ・・・圧縮機、２・・・タービン、３・・・燃焼器、
５・・・演部燃焼宣、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
   炎のほゞ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項記載の
   制御方法。 ３、特許請求の範囲第２項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。