JPS61197726A

JPS61197726A - ガスタ−ビン

Info

Publication number: JPS61197726A
Application number: JP3549085A
Authority: JP
Inventors: Fukuo Maeda; 福夫前田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1985-02-25
Filing date: 1985-02-25
Publication date: 1986-09-02
Also published as: JPH0544537B2

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】〔発明の技術分野〕本発明はガスタービンに係り、特に、予混合燃焼法によ
りタービン排ガス中のＮＯｘ　（窒素酸化物）およびＣ
０（−酸化炭素）の発生量を低減する低減方法を改良し
たガスタービンに関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

従来、この種のガスタービンの基本的構成は第７図に示
すように構成され、大気１を空気圧縮機２により圧縮し
て高圧空気３に変換してから燃焼器４の環状空間５に送
入する。この環状空間５内に送入された高′圧空気３は
燃焼□器内ｎ６の外周を流通して、この燃焼器内筒６を
強制対流して冷却しながら、空気穴７およびスワラ−８
等を通して燃焼器内筒６内に流入する。一方、燃料は図
示しない燃料供給源に接続され、途中１．燃料供給量を
適宜制御する調整弁９を介装した燃料供給系１０を介し
て燃焼器４へ供給される。燃焼器４へ供給された燃料は
燃料ノズル１１より燃焼器内筒６内の逆流領域近傍１２
へ噴出され、イグセイタ−１３により着火エネルギーが
与えられて着火し、燃焼する。定容、定圧燃焼が継続し
て発生した高温ガス１４はタービン１５に導入されて仕
事をし、タービン１５の駆動力は上記空気圧縮機２の動
力として一部消費され、その殆どの動力は発電機（図示
省略）等の被駆動ｖｓ１６の動力として消費される。こ
の被駆動機１６の負荷に応じて上記燃料供給系１０の調
整弁９の開度を制御して燃料供給量を制御する。

ところで、燃焼器４の燃料ノズル１１が１個または複数
個の場合においても、高温ガス１４中には、いわゆるサ
ーマルＮＯｘと称されるＮＯＸが六Ｍに発生する。この
ＮＯＸは燃料ノズル１１の多数化や空、気穴７等の工夫
により、局所的領域における火炎温度の若干の低下を促
し、ＮＯｘの若干の低減を図ることができるが、大幅な
ＮＯＸ低減は不可能である。

しかし、局所的に火炎温度を低下させてＮＯｘ低減を図
る方法としては予混合燃焼法が効果的であり、予混合率
の増加によりＮＯｘ発生量を低減させる効果を第８図に
示す。すなわち、予混合燃焼を行なわない場合は特性曲
線２０に示すように高温ガス１４中のＮＯｘ発生量が、
横軸で示す燃空比の増加に伴って指数関数状に上昇する
。

一方、予混合燃焼を行なった場合は、特性曲線２１ａ〜
２１ｄに示すように燃空比が増加してもＮＯｘは殆ど上
昇せず、顕著なＮＯＸ低減効果を認めることができる。

しかも、このＮＯｘ低減効果は予混合率を例えば５０％
〜８０％（２１８〜２１ｄ）へと漸次上昇させて行くに
従って顕著に表われていることを示している。− このような予混合燃焼法を採用した従来のガスタービン
は第９図に示すように構成され、燃焼器４へ燃料を供給
する燃料供給系をＡ系３０とＢ系３１との２系統により
構成している。Ａ燃料供給系・３．０は燃料ノズル１１
に接続され、燃焼器内筒６内へ直接燃料を供給する。な
お、第９図中、第７図、と同一部分には同一符号を付し
て、その説明を省略している。

一方、Ｂ燃料供給系３１は燃料を燃焼器内筒６丙へ送入
する前に、高圧空、気３が流入されている予混合室３２
へ供給し、ここで１高圧空気３と予め゛混合、してから
空気穴７を通して、燃焼器内［６内へ供給している。こ
の混合燃料３６は、Ａ燃料供給、・系８０゛から供給さ
れた燃料により燃焼器内ｎ６内にて燃焼して発生した高
温ガスにより着火エネルギーを与えられて低温度で燃焼
する。これによりＮＯＸの発生量を低減する。このよう
に構成されたガスタービンによるＮＯｘとＣＯの発生量
をタービン負荷と対応させて示すと第１０図のグラフの
ようになる。すなわち、タービン負荷が定格負荷（１０
０％）であるときは、ＮＯＸの発生量を示すＮＯｘ特性
曲１１３７とＣＯの発生量を示すｃｏ特性曲線３８とは
１、ＮＯｘ規制値３９、ｃ。

規制値４０をそれぞれクリアしている。しかし、タービ
ン負荷が定格負荷の中間部、例えば切換点Ｃ近傍にある
ような部分負荷運転時では、ＮＯｘおよびＣＯの発生量
が恭に各規制値３９．４０を大幅に上回っている。特に
、９０の発生量が急激に増加するので、燃埠器４の燃焼
効率が低下し、プラント効率を大きく低下させるという
欠点があった。また、部分負荷運転状態においては燃焼
効率の低下と共に、燃焼振動が発生し易くなり、ガスタ
ービンの信頼性を著しく低下させるという欠点があった
。

さらに、燃料の種類、運転方法、タービンの形状変更等
に応じて、Ａおよび８両燃料供給系３０゜３１の切換点
Ｃと、Ａ８両系３０．３１の燃料供給配分を自動的に制
御することができないために、燃料振動を防止すること
や、部分負荷運転時におけるＮＯｘおよびＣＯ規制値３
２．３３をクリアさせることができないという欠点があ
った。

そこで　このような従来のガスタービンは第９図に示す
ように、空気バイパス３４と、この空気バイパス３４の
途中に空気調整弁３５とをそれぞれ設けた。すなわち、
この空気調整弁３５の開度ｔｌＩＪＩｌｌを行なうこと
により、燃焼器内筒６へ供給する高圧空気３の供給ｍを
制御し、高温ガス１４における燃空比を可能な限り一定
に保持し、Ｎ’ＯｘおよびＣＯの発生を制御していた。

しかしながら、このような従来のガスタービンではＮＯ
ｘおよびｃｏの最大値を各ＪＡ制値３９゜４０以下に抑
制することができるが、高温ガス１４の流れ周辺に低温
の高圧空気３を吹き込むために、温度分布的に好ましく
なく、ガスタービン構造上等、さらに新たな問題が発生
する虞れがあった。

〔発明の目的〕

本発明は上述した事情に鑑みなされたもので、特に部分
負荷運転時における排ガス中のＮＯＸおよびＣＯ濃度を
低減させると共に、燃焼振動を低下させるガスタービン
を提供することを目的とする。

〔発明の概要〕

本発明は、予混合燃料供給系を複数系統設け、これら予
混合燃料供給系による各燃料供給開始時およびこの開始
時ないしそれ以降の燃料供給量をタービン負荷に対応さ
せて系統毎にそれぞれ設定した燃料供給パターンを計算
器にプログラムし、計算器はタービン負荷を算出すると
共に、この燃料供給パターンに基づいて各予混合燃料供
給系の燃料供給動作を制御し、タービン排ガス中のＮ。

×およびＣＯ濃度と、気柱振動および燃焼振動との検出
値に応じて上記燃料供給パターンを適宜変更するように
したものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例について第１図ないし第６図を参
照して説明する。

なお、第１図ないし第６図中、同一部分には同一符号を
付してその重複した部分の説明を省略する。

第１図は本発明に係るガスタービンの一実施例の要部を
示す系統図であり、空気圧縮機５０は大気５１を圧縮し
て＾圧空気５３を燃焼器５２に送り込む。この燃焼器５
２は予混合燃焼方式を適用した構造からなり、所要種類
の燃料を燃焼器５２へ供給する予混合燃料供給系を複数
系統、例えば３系統ＦＡ、ＦＢ、ＦＣ有する。これら予
混合燃料供給系ＦＡ、ＦＢ、ＦＣは各調整弁５４Ａ、５
４８．５４Ｃおよび流聞計５５Ａ、５５Ｂ、５５Ｃをそ
れぞれ介装して、各燃料供給系ＦＡ、ＦＢ。

ＦＣによる燃料供給量を各糸筒に検出すると共に、各調
整弁５４Ａ、５４Ｂ、５４Ｃの開度制御により燃料供給
量を系統別に調整するようになっている。

燃焼器５２にて発生した高温ガス５６は、発電機等の被
駆動機５７に軸を介して直結されたタービン５８に送り
込まれ、ここで仕事をする。タービン５８の駆動力の一
部は空気圧縮機５０の駆動に使用される。タービン５８
からの排ガス５９は熱交換器６０等を経てスタック６１
から大気へ放出される。

燃焼器５２の下流側ガス流路には、気柱振動および燃焼
振動を検出する圧力センサ６３と、燃焼器５２にて発生
する高温ガス５６の温度を燃焼器５２の出口にて検出す
るｍｌセンサからなる負荷検出−６２とがそれぞれ配設
されている。また、タービン５８の下流側ガス流路には
タービン排ガス５９中の一部をサンプリングする排ガス
センサ６４が設置されている。排ガスセンサ６４は、こ
の排ガスセンサ６４からのサンプリングガスからＮＯｘ
およびＣＯ濃度をそれぞれ検出する排ガス分析計６５と
、この排ガス分析計６５からの検出出力を計算器６６に
て読み込み可能の信号に変換する変換器６７とを介して
、計算器６６のインブットボートに電気的に接続されて
いる。

計算器６６のインプットボートはさらに、この計算器６
６にて読み込み可能の信号に変換する変換器６８．６９
を介して負荷検出器６２、圧力センサ６３にそれぞれ電
気的に接続されている。また、計算器６６のインプット
およびアウトプットボートは各予混合燃料供給系ＦＡ、
ＦＢ、ＦＣの各流量計５４Ａ、５４Ｂ、５４Ｃと、各調
整弁５５Ａ、５５８．５５Ｇとに電気的にそれぞれ接続
され、この計算器６６により、各燃料供給系ＦＡ。

ＦＢ、ＦＣから燃焼器５２へ供給される燃料供給量を各
糸筒に検出すると共に、各調整弁５５Ａ。

５５８．５５Ｇを内蔵プログラムに従って適宜開度制御
を行なう。　この計算器６６に内蔵されたプログラムは
第２図に示すように構成された燃料供給パターンを有す
る。この燃料供給パターンはタービン負荷に応じて燃焼
器５２へ供給すべき燃料の供給量をスケジュール化した
燃料スケジュール７０Ａ、７０８．７０Ｇを各予混合燃
料供給系ＦＡ、ＦＢ、ＦＣに対応させてそれぞれ設定し
ている。各燃料スケジュール７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｇは
燃料供給開始順序をタービン負荷の増加方向に向けて７
０Ａ、７０８．７０Ｇの・順に設定し、かつ各県により
併行に供給するようになっている。

また、予混合燃料供給系７０８．７０Ｇの燃料供給開始
時である第１、第２切換点Ｃ１，Ｃ２を所要のタービン
負荷値にそれぞれ移動可能に設定している。すなわち、
第１切換点Ｃ１ではこの時点迄に燃料供給中の燃料供給
系ＦＡの供給ｄを階段状に所要量減少させ、この減少分
を次順の燃料供給系ＦＢの燃料供給開始時の立上り供給
分に一致させ、以後は両□系ＦＡ、ＦＢの２系統で同時
に燃料供給する。同様に第２切換点Ｃ２では、この時点
迄に燃料供給中の予混合燃料供給系ＦＡ、ＦＢのうち、
ＦＢ系による燃料供給量を階段状に所要量減少させ、こ
の減少分を次順のＦＣ系の燃料供給開始時の立上り量に
一致させている。また、これら各燃料スケジュール７０
Ａ、７０８．７０Ｇの所要のタービン負荷における合計
量は、第３図中一点鎖線で示す総燃料スケジュール７１
に一致している。すなわち、総燃料スケジュール７１は
燃料の種類や運転方法等により相違する燃料供給量をタ
ービン負荷に応じて設定したものであり１、　　　この
総燃料スケジュール７１の燃料供給総量ＦＴを各燃料供
給系ＦＡ、ＦＢ、ＦＣに所・要の比率でそれぞれ分割し
、分担させたものが各燃料スケジュール７０Ａ、７０８
．７００である。すなわち、各燃料スケジュール７０Ａ
、７０Ｂ・、７０Ｃの各分担量をｆａ、ｆｂ、ｆｃとす
れば、ＦＴ−ｆａ＋ｆｂ＋ｆＣとなる。したがって、燃
料の種類や運転方法が異なれば総燃料スケジュ−ル化１
の燃料供給総量が変動し、各燃料スケジュール７０Ａ。

７０Ｂ、７０Ｇの各分担＠ｆａ、ｆｂ’、ｆｃがそれぞ
れ変動する。そこで、計算器６６には燃料の種類や運転
方法等の相違による総燃料スケジュール７１を各種設定
したプログラムを複数内蔵しており、燃料の種類や運転
方法等の相違に応じて適切なプログラムを適宜選択する
よう−になっている。

この計算！１６６の内蔵プログラムは第３図の７０−チ
ャートに示すように構成された制御プログラムを有し、
この制御プログラムに従って各予混合燃料供給系ＦＡ、
ＦＢ、ＦＣの各調整弁５４Ａ。

５４８．５４Ｇの開度Ｉｉ制御が実行される。

すなわち、第３図に示すように、まず、タービン負荷が
設定されると、計算器６６の内蔵プログラムにて設定さ
れた燃料パターンに従って各予混合燃料供給系ＦＡ、Ｆ
Ｂ、ＦＣから燃焼器５２ヘタ−ビン負荷に応じた量の燃
料が供給される。各予混合燃料供給系ＦＡ、ＦＢ、ＦＣ
からの供給量が設定量に達する迄名調整弁５４Ａ、５４
８．５４Ｃの開度制御が繰り返される。

所要の予混合燃料供給系ＦＡ、ＦＢ、ＦＣから燃料が燃
焼器５２へ供給されると、この燃料は第４図に示すよう
に燃焼器内筒５２Ａの外周の環状空ｌ１１５２Ｂに配設
された予混合室５２Ｃ内へまず送り込まれる。次に、こ
の予混合室５２Ｇにおいて、燃焼器内筒５２Ａの外周を
流通してこれを強制的に冷却する高圧空気５３に燃料が
予混合され、空気穴５′２Ｄを通して燃焼器内ｎ５２Ａ
内へ流入する。この燃焼器内筒５２Ａ内では、予混合燃
料供給系ＦＡの途中から分岐して燃焼ノズル５２Ｅに接
続された分岐路ＦＡａを通して燃料が供給されて拡散燃
焼が既に行なわれている。したがって、拡散燃焼用の燃
焼ノズル５２Ｅおよびスワラ５２Ｆにより形成される逆
流領域５２Ｇには安定した火炎が形成される。さらに、
複数系の予混合ガスのジェット流５２Ｈが第４図中矢印
に示すように逆流領域５２Ｇ付近に対向して流れるので
、火炎は一層安定する。この火炎はジェット流５２Ｈと
して燃焼器内筒５２へ流入する予混合ガスの着火源とな
り、順次下流側へ火炎が拡散され燃焼が継続される。こ
の予混合ガスの当聞比（φ）は燃料希薄条件、例えばψ
＝０．７〜０．５で混合されているので、燃焼による火
炎温度の上昇が少ない。

このために、ＮＯｘの発生量は拡散燃焼時に比較して極
端に少ない。

また、予混合ガスによる燃料希薄燃焼であるので、火炎
放射も少なく、燃焼器内筒５２の温度が比較的低くでき
るために、燃焼器内筒５２の長、寿命化を図ることがで
きる。

さらに、予混合室５２Ｃ内における予混合ガスの平均流
速は乱流燃焼速度より大きくなっているので、逆火等の
現象の発生を防止することができる。

さらにまた、複数系統、ずなわち３系統の予混合燃料供
給系ＦＡ、ＦＢ、ＦＣより燃焼器５２へ燃料を供給し、
しかも、部分負荷値に燃料スケジュール７０Ｂ、７０Ｇ
の燃料開始点である第１、第２切換点Ｃ１，Ｃ２を設定
しているので、第５図に示すように部分負荷運転時にお
けるＮＯｘのピーク値ＮＯｘ　ｐとｃｏのピーク値Ｃｏ
ｐとを共に低減することができる。すなわち、第１、第
２切換点Ｃ１，０２はＦＢおよびＦＣの予混合燃料供給
系による燃料供給を開始する立上り点であり、燃料供給
量が零から急峻に立上るために、立上り初期では燃料希
薄燃焼して、第５図に示すようにＣＯビーク値ＣＯｐが
急上昇し、急激な燃料供給量の増量と共にＣＯ発生量が
漸次降下させて行く。

そして、タービン負荷が漸次増えて行（と、燃焼器５２
の出口温度が上昇するので、ＣＯの発生量は低下する。

一方、ＮＯＸの発生量はＣＯの発生量と反比例して増減
する。いずれにしてもＣＯビーク値ＣＯｐおよびＮＯＸ
ピーク値ＮＯＸ　＋）はピーク値を２箇所有する双峰性
をそれぞれ示し、全体としては低減される。

こうしてＮＯｘおよびＣＯ濃度を低減させた高温ガス５
６はタービン５８へ導入されて仕事をする。タービン５
８の駆動力の一部は空気圧縮機５０の駆動に用いられる
。このタービン５８への導入の途中、高温ガス５６は温
度センサからなる負荷検出器６２によりガス温度が検出
されると共に、圧力センサ６３により気柱振動および燃
焼振動が検出される。これら検出器６２．６３からの検
出出力は各変換器６８．６９にて計算器用信号に変換さ
れてから計算器６６のインプットボートへ入力される。

計算器６６は負荷検出器６２からの温度検出値を演算し
てタービン負荷を算出し、タービン負荷に応じた燃料を
各予混合燃料供給系ＦＡ。

ＦＢ、ＦＣを介して燃焼器５２へ供給させる。また、計
算器６６は圧力センサ６３および排ガス分析計６５から
の各検出出力を所要の燃焼振動設定値、ＮＯｘおよびｃ
ｏｍａ設定値とそれぞれ比較し、各検出出力が各設定値
を超えたときは第１、第２切換点Ｃ１，Ｃ２のタービン
負荷値を移動し、または第１、第２切換点Ｃ１，０２に
おける燃料供給増減量を適宜調節し、火炎温度を変える
ことにより、燃焼振動レベルやタービン排ガス中のＮＯ
ｘおよびＣＯ′ａ度を制御することができる。

第６図は本発明の他の実施例を示す系統図であり、本実
施例が第１図で示す実施例と相違する点は予混合燃料供
給系を２系統ＦＡ、ＦＢにして１系統ＦＣを省略したこ
とにある。これ以外は第１図で示す実施例と殆ど同様に
構成されているので、第２図において第１図と同一部分
には同一符号を付してその説明を省略する。但し、予混
合燃料供給系が２系統ＦＡ、ＦＢであるために、これら
供給系ＦＡ、ＦＢの燃料供給動作を制御する計算器６６
のプログラムは２系統用の燃料供給パターンと１つの切
換点を設定するに過ぎない。

本実施例によれば、予混合燃料供給系ＦＡ、ＦＢが２系
統であるために、計算器６６にプログラムされた燃料供
給パターンや制御プログラムの簡素化を図ることができ
る。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明は、燃焼器に燃料を調節可能
に供給すると共にこの燃料を空気に予混合する゛予混合
燃料供給系を複数系統設け、これら予混合燃料′供給系
による燃料供給開始時およびこの開始時ないしそれ以□
降の燃□料供給ｍをタービン負荷に対応させて系統毎に
それぞれ設定した燃料供給パターンを計算′器にプログ
ラムし、計算器はこの燃料供給パターンに基づいて各予
混合燃料供給系の燃料供給動作を制御すると共に、ター
ビン排ガス中のＮ“ＯｘおよびＣ′０濃度と、気柱振動
および燃焼振動との゛検出値により′４１燃料供給パタ
ーンを適宜変更するようにした。　゛したがってＪ１発明によれば、タービレ負荷の変゛動に
応じて複数の予混合燃料供給系による燃料供給−等を制
御して予混合率を適宜調整し、ＩＩ！燻器内器内炎８１
度を変えることができるので、特に部分負荷運転時にお
けるタービン排ガス中のＮＯｘおよびｃｏ濃度を低減さ
せると共に、気柱振動や燃焼振動を低下することができ
る。また、予混合燃料供給系より供給される燃料の種類
や、ガスタービンケーシングの形状や、タービンの運転
方法に応じた燃料供給パターンをそれぞれ計算器にプロ
グラムした場合には、これら燃゛料種類等の変更に応じ
た適切な燃料供給が図られ、プラント運転上のコストを
低減させる効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るガスタービンの一実施例を示す系
統図、第２図は第１図で示す計算器にプログラムされた
各予混合′□燃料供給系の燃料供給パターンのパターン
図、第３図は第１図で示す計算器に内蔵された制御プロ
グラムのフローチャート、第４図は第１図で示す燃焼器
を一部詳細に示す部分詳細図、第５図は第１図で示す実
施例のタービン排ガス中のＮＯｘおよびＣＯ濃度分布を
タービン負荷に対応して示すグラフ、第６図は本発明の
他の黄１例を示す系統図、−７図は一般的なガスタービ
ンの基本構成を示す系統図□、第８図は予混合率の上昇
による燃焼器におけるＮＯｘ発生量の低減効果を示すグ
ラフ、第９図は従来のガスタービン・の系統図、第１０
図は第９図で示す従来のガスタービンのＮＯｘおよびＣ
Ｏ発生量をタービン負荷に対応させて示すグラフである
。５０・・・空気圧縮機、５１・・・大気、５２・・・燃
焼器、５３・・・圧縮空気、５４Ａ、５４８．５４Ｇ・
・・調整弁、５５Ａ、５５８．５５Ｇ−・・流量計、・
５６・・・高温ガス、５７・・・被駆動機、５８・・・
タービン、５９・・・タービン排ガス、６０−・・熱交
換器、６２−・・負荷検出器、６３−・・圧力センサ、
６４−・・排ガスセンサ、６６・・・計算器、６７．６
８．６９・・・変換器。出願人代理人　　　波　多　野　　　久第２図第５図第６図ド５１第７図第８図第９図

Claims

【特許請求の範囲】１、燃焼器に燃料を調節可能に供給すると共にこの燃料
を空気に予混合する複数の予混合燃料供給系と、これら
予混合燃料供給系の各燃料供給開始時およびこの開始時
ないしそれ以降の燃料供給量をタービン負荷に対応させ
て設定した燃料供給パターンを各予混合燃料供給系毎に
それぞれプログラムすると共に、この燃料供給パターン
には燃料供給開始順が次順となる予混合燃料供給系の燃
料供給開始量をその前系の減少分に等しくさせた切換点
を部分負荷値に複数設けた計算器と、燃焼器出口温度を
検出する負荷検出器と、上記燃焼器の下流にて気柱振動
および燃焼振動を検出する圧力センサと、タービン排気
ガス中のＮＯｘおよびＣＯ濃度を検出する排ガスセンサ
とを有し、上記計算器は上記負荷検出器からの検出出力
よりタービン負荷を演算しこのタービン負荷に対応した
燃料供給量を燃料供給パターンより求めて各予混合燃料
供給系より供給させると共に、上記圧力センサおよび排
ガスセンサからの検出信号の検出値に応じて上記燃料供
給パターンの切換点およびこの切換点における燃料供給
量を調整することによりタービン排ガス中のＮＯｘおよ
びＣＯ濃度を適宜制御することを特徴とするガスタービ
ン。２、計算器は、予混合燃料供給系より供給する燃料の種
類やタービン運転方法に応じた燃料供給パターンをそれ
ぞれ設定したプログラムをそれぞれ内蔵している特許請
求の範囲第１項に記載のガスタービン。