JPS63123925A - ガスタ−ビン燃焼器 - 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】 〔発明の目的〕 〈産業上の利用分野） この発明は、ガスタービン燃焼器に係り、触媒が配設さ
れて窒素酸化物（以下ＮｏＸという）の発生量を低減で
きる触媒燃焼方式のガスタービン燃焼器の改良に関する
。

（従来の技術） 一般に、ガスタービン発電プラントから排出されるＮＯ
ｘには厳しい規ｆｆ、１１がある。この厳しい環境基準
に適合するため、従来様々な対策が施されているが、い
ずれも付帯設備のコスト高や熱効率の低下を招く結果と
なり、最善の対策とはなっていない。

そこで、近年、触媒を用いてＮＯｘの発生量を低減させ
る触媒燃焼方式のガスタービン燃焼器が研究されている
。このガスタービン燃焼器は、触媒の酸化促進作用を利
用することにより、比較的低温で燃焼を完了させ、結果
としてＮＯの発生× を抑制しようとするものである。

第２図は、触媒燃焼方式を採用した従来のガスタービン
燃焼器を示す基本構成図である。

圧縮空気１は、内筒３および外１ｍ５に囲まれた環状部
７を通ってスワーラ９、予混合用空気口１１おにび希釈
用空気口１３から内筒３内へ流入する。一方、燃料は、
主燃料ライン１５から予燃焼用燃料ライン１７および予
混合用燃料ライン１９に分流され、予燃焼用燃料ノズル
２１および予混合用燃料ノズル２３から内筒３内へ噴射
される。

内筒３内は、上流側から下流側に向って順次子燃焼部Ａ
、予混合部Ｂ、触媒反応部Ｃおよび希釈部りに区画され
る。触媒反応部Ｃに触媒２４が配設される。

予燃焼部Ａでは、予燃焼用燃料ノズル２１から噴射され
た燃料とスワーラ９からの吸入空気とが混合され、この
混合ガスが点火器２５により着火される。予混合部Ｂで
は、予混合燃料用ノズル２３からの燃料と予混合用空気
口１１からの流入空気とが混合され、この予混合ガスが
予燃焼部Ａにて燃焼された予燃焼ガスにより、所定の温
度、流量に調整される。所定の温度、流ｍとは、触媒２
４の安定燃焼領域内にある予混合ガスの温度、流分をい
う。

触媒反応部Ｃでは、予混合部Ｂから供給された予混合ガ
スが、触媒２４の酸化促進作用により燃焼する。燃焼後
の高湿ガスは希釈部りへ導かれ、希釈用空気口１３から
の流入空気と混合して温度が調整され、タービンへ導か
れる。

（発明が解決しようとする問題点） ところが、上述のような触媒燃焼方式のガスタービン燃
焼器においては、触媒２４が存在するため内筒３内に圧
力損失が生ずる。その結果、ガスタービンの負荷変動に
よって、内筒３内における触媒２４の上流および下流側
への空気流入量の割合が変化し、予混部Ｂにおける混合
ガスの状態（温度、流■）が触媒２４の安定燃焼領域外
になることがある。

例えば、タービン負荷が大きな場合には圧縮空気１の流
分が大きく、したがって、内筒３内を流れる空気量も多
いため、触媒２４における圧力損失が著しく大きくなる
。その結果、希釈部りの圧力が予燃焼部Ａおよび予混合
部Ｂより低くなり、圧縮空気１が希釈用空気口１３から
条苗に希釈部り内へ流入し、予燃焼部Ａおよび予混合部
Ｂ内への空気流入量が減少する。したがって、予混合部
Ｂにおける予混合ガスの流ｍが、触媒２４の安定燃焼領
域における流量の下限を下廻ってしまうおそれがある。

一方、タービン負荷が大きな場合には、制御部２７が予
燃焼用コントロールバルブ２８および予混合用コントロ
ールバルブ２つの弁開度を大とするので、内筒３内への
燃料噴射量が増大する。このように、予燃焼部へへの流
入空気量が少ないうえに多聞の燃料が供給される結果、
この予燃焼部Δでの燃料濃度が高くなり、予燃焼部Ａで
の燃焼温度が高くなる。したがって、予混合部Ｂにおけ
る予混合ガスの温度が、触媒２４の安定燃焼領域におけ
る温度の上限を超えてしまうことがある。

逆にタービン負荷が小さい場合には、内筒３内への流入
空気ｍが少ないため、触媒２４による圧力損失も小さく
、したがって予混合部Ｂへ必要以上の圧縮空気１が供給
される。そのた・め、予混合部Ｂの予混合ガス流量が触
媒２４の安定燃焼領域における流量の上限を超えてしま
うことがある。

また、タービン負荷が小さいときには、予燃焼部Ａおよ
び予混合部Ｂへの供給燃料も少ないため、予燃焼部Ａで
は燃料濃度が低く、予′Ｍ焼部△における燃焼温度が低
くなる。この結果、予混合部Ｂの予混合ガスの温度が触
媒２４の安定燃焼領域における温度の下限を下廻ってし
まうおそれがある。

この発明は、上記事実を考慮してなされたものであり、
負荷変動範囲の広いガスタービンにおいても、安定燃焼
領域の狭い触媒の性能を充分発揮させて低ＮＯｘ燃焼を
行なうことができるガスタービン燃焼器を提供すること
を目的とする。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） この発明は、内筒および外商を有し、上記内筒に燃料噴
射ノズル、点火器および触媒が配設され、上記内筒およ
び外筒に囲まれた環状部内を流れる圧縮空気が上記触媒
の上流および下流側から上記内筒内へ流入するガスター
ビン燃焼器において、上記内筒の触媒下流側外周に隔壁
が配設されて空気室が形成され、この空気室を介して上
記内筒の触媒下流側内部へ圧縮空気を流入させるととも
に、制御部により、上記空気室への圧縮空気流入量をタ
ービン負荷に応じて調整し、上記内局内の触媒上流側内
部へ流入する圧縮空気量を制御するよう構成されたもの
である。

（作用） したがって、この発明に係るガスタービン燃焼器は、タ
ービン負荷が大きいときに空気室への圧縮空気流入量を
減少させ、タービン負荷が小さいときに圧縮室への圧縮
空気流入量を増大させて、内筒の触媒上流側内部へ流入
する圧縮空気量を制御し、この内筒の触媒上流側内部の
予混合ガス温度および流量を触媒の安定燃焼領域内に設
定するものである。

（実施例） 以下、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は、この発明に係るガスタービン燃焼器の一実施
例を示す基本構成図である。

ガスタービン燃焼器３１は内５３３および外筒３５を有
して構成される。これら内筒３３および外筒３５に囲ま
れた環状部３７内を、圧縮機から導かれた圧縮空気３９
が流動する。また、燃料は主燃料ライン４１内を流れ、
この主燃料ライン４１に接続された予燃焼用燃料ライン
４３および予混合用燃料ライン４５内を分流する。

一方、内筒３３内は、その先端部から順次子燃焼部Ａ１
予混合部Ｂ、触媒反応部Ｃおよび希釈部りに区画される
。

予燃焼部Ａに対応する内筒３３には予燃焼用燃料ノズル
４７、スワーラ４９および点火器５０が設置される。予
燃焼用燃料ノズル４７は予燃焼用燃料ライン４３に接続
され、燃料を予燃焼部Ａ内に噴射させる。噴射量は、予
燃焼用燃料ライン４３に配設された予燃焼用コントロー
ルバルブ５１の弁開度により調整される。また、スワー
ラ４９は予燃焼用燃料ノズル４７を取り囲むようにして
設置され、環状部３７を流れる圧縮空気３９を旋回流と
して予燃焼部Ａ内へ導く。この導かれた空気と予燃焼用
燃料ノズル４７からの燃料とが混合して混合ガスが生成
される。点火器５０は、この混合ガスに着火させて所定
温度の予燃焼ガスを生成する。生成された予燃焼ガスは
予混合部日へ導かれる。なお、予燃焼ガスの所定温度に
ついては後述する。

予混合部Ｂに対応する内筒３３には予混合用燃料ノズル
５３が設置され、かつ予混合用空気口５５が開口される
。予混合用燃料ノズル５３は予混合用燃料ライン４５に
接続され、燃料を予混合部Ｂ内へ噴射させる。噴射量は
、予混合用燃料ライン４５に配設された予混合用コント
ロールバルブ５７の弁開度により調整される。また、予
混合用空気口５５は、環状部３７から予混合部Ｂ内へ圧
縮空気３９を導く。この導かれた圧縮空気３９と予混合
用燃料ノズル５３からの燃料とにより、予混合ガスが生
成される。

この予混合用ガスの温度、流面は、予混合用コントロー
ルバルブ５７により調整された燃料供給量、および後述
の流量調整弁７１により調整された予混合用空気口５５
からの空気流入ｍ、さらに予燃焼部Ａの予燃焼ガスによ
る加熱温度によって、所定の温度および流量に制御され
る。この予混合部Ｂにて生成された所定温度および流量
の予混合ガスは、触媒反応部Ｃへ導かれる。なお、予混
合ガスの所定の温度および流量についは後述する。

触媒反応部Ｃには、触媒５９が設置される。この触媒５
９は、その酸化促進作用により、予混合部Ｂから導かれ
た予混合ガスを比較的低温度で燃焼させて、ＮＯｘの発
生聞を抑制する。

希釈部りに対応する内筒３３には希釈空気口６１が開口
される。また、希釈部りに対応する内筒３３の外周には
円筒状隔壁６３が固着される。この円筒状隔壁６３は内
筒３３の全外周を覆い、内筒３３の長手方向前後端が閉
じて形成される。したがって、この円筒状隔壁６３およ
び内筒３３に囲まれて空気室６５が形成される。また、
円筒状隔壁６３には、少なくとも１つの開口６７および
弁座６９が設けられる。この開口６７および弁座６９に
流量調整弁７１の弁頭が設置可能に設けられる。流量調
整弁７１は外０３５に取り付けられる。環状部３７の圧
縮空気３９は、流量調整弁７１の弁開度に応じて空気室
６５内へ導かれ、この空気室６５から希釈用空気口６１
を通って希釈部り内へ流入される。希釈部りにおいては
、触媒反応部Ｃから導かれた燃焼ガスを希釈用空気口６
１からの流入空気と混合させ、タービン負荷に応じた温
度に調整してタービンへ導く。

さて、流ａ調整弁７１並びに前述の予燃焼用コントロー
ルバルブ５１および予混合用コントロールバルブ５７は
、制御部７３に電気的に接続される。この制御部７３は
、負荷信号７５を入力して流量調整弁７１、予燃焼用コ
ントロールバルブ５１および予混合用コントロールバル
ブ５７の開度を調整し、予混合部Ｂの予混合ガスの温度
および流量が触媒５９の安定燃焼領域内に設定されるよ
う制御する。

つまり、制御部７３は、タービン負荷が大きな場合には
、予燃焼用コントロールバルブ５１へ予燃焼信号７７を
出力して予燃焼用コントロールバルブ５１の弁開度を大
とし、予混合用コントロールバルブ５７へ予混合信号７
９を出力して予混合用コントロールバルブ５７の弁開度
も大とする。

こうして、予燃焼部Ａおよび予混合部Ｂ内へ噴射される
燃料供給伍を増し、予燃焼部Ａおよび予混合部Ｂ内の燃
料濃度を高める。さらに、制御部７３は、空気調整信号
８１を出力して流量調整弁７１の弁開度を小とし、空気
室６５および希釈空気口６１を経て希釈部り内へ流入す
る圧縮空気舟を減少させる。そして、その分、スワーラ
４９から予燃焼部Ａ内へ流入する空気量を、予混合用空
気口５５から予混合部Ｂ内へ流入する空気量を共に増加
させる。

このように、予燃焼部Ａおよび予混合部Ｂでは流入空気
量が増大するため、燃料濃度が著しく高くならず、適正
値に維持される。そのため、予燃焼部Ａでの予燃焼ガス
の温度が所定温度に維持され、予混合部Ｂの予混合ガス
の温度を触媒５９の安定燃焼領域内の温度に設定する。

前述の予混合ガスの所定温度とはこの安定燃焼領域内の
温度のことである。また、予燃焼ガスの所定温度とは、
予混合ガスを触媒５９の安定燃焼領域内の温度とする温
度をいう。また、このとき、上述のように流量調整弁７
１の弁開度調整により予混合部Ｂでの流量が増大するこ
とから、予混合部Ｂの予混合ガスの流量も触媒５９の安
定燃焼領域内に設定される。

タービン負荷が小さな場合には、制御部７３は、予燃焼
用コントロールバルブ５１および予混合用コントロール
バルブ５７へ弁開度を小とする予燃焼信号７７および予
混合信号７９をそれぞれ出力して、予燃焼用燃料ノズル
４７および予混合用燃料ノズル５３から予燃焼部Ａおよ
び予混合部Ｂへそれぞれ供給される燃料噴射量を小とす
る。さらに、制御部７３は、流ｆｆｉ調整弁７１の弁開
度を大とする空気調整信号８１を出力して、希釈部りへ
の流入空気ｍを増し、その分子燃焼部Ａおよび予混合部
Ｂへの流入空気量を減少させる。

このように予燃焼部Ａおよび予混合部Ｂへの流入空気量
が減少することから、予燃焼部Ａおよび予混合部Ｂへの
燃料噴射層が少なくても燃料濃度が著しく低くならず、
適正値に維持される。したがって、予混合部Ｂの混合ガ
スの流ｍが触媒５９の安定燃焼領域内に設定される。と
同時に、予燃焼部Ａの予燃焼ガスの燃焼温度が所定値と
なり、その結果、予混合部Ｂの予混合ガス温度が触媒５
９の安定燃焼領域内に設定される。

なお、内筒３３の内周には、予混合部Ｂおよび希釈ＰＩ
ＩＤに対応する位置に冷却構造８３が設けられる。この
冷却構造８３は、ガイドフィン８５と内筒３３に形成さ
れた複数の空気口（図示せず）から構成される。ガイド
フィン８５は断面り字形状であり、内筒３３の内側に周
方向に沿って固着される。このガイドフィン８５は内筒
３３の長手方向に複数設けられる。内筒３３の各ガイド
フィン８５に対応する部分に、周方向に沿って複数の空
気口が形成される。これらの空気口から環状部３７内の
圧縮空気３９を流入させ、この圧縮空気３９をガイドフ
ィン８５に衝突させ、内筒３３の内周に沿って流動させ
ることにより、内筒３３の内周に空気層を形成する。こ
の空気層によって予混合部Ｂおよび希釈部りに対応する
内筒３３を冷却する。

したがって、この実施例によれば、タービン負荷の大小
に応じて、制御部７３が流ｍ調整弁７１の弁開度を小、
大にそれぞれ調整し、予燃焼部Ａおよび予混合部Ｂへの
空気流量をそれぞれ増加、減少させるよう制御すること
から、予混合部Ｂの予混合ガス温度および流入を触媒５
９の安定燃焼領域に設定することができる。故に、負荷
変動範囲が広いガスタービンのガスタービン燃焼器に安
定燃焼領域の狭い触媒５９を使用しても、その触媒５９
の礪能を充分発揮さゼることができ、低ＮＯｘ燃焼を好
適に実施することができる。

また、タービン負荷が大きなときには上述のようにスワ
ーラ４９からの流入空気量が増大することから、予燃焼
部Ａの混合ガス濃度が茗しく高くならず、予燃焼ガスの
温度を適正化できる。故に、予混合部Ｂにおける逆火現
象の発生を抑制することができる。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明に係るガスタービン燃焼器によ
れば、内筒の触媒下流側外周に隔壁が配設されて空気室
が形成され、この空気室を介して内筒の触媒下流側内部
へ圧縮空気を流入させるとともに、制御部により、上記
空気室へ流入する圧縮空気量をタービン負荷に応じて調
整し、上記内筒内の触媒上流側内部へ流入する圧縮空気
量を制御するよう構成されたことから、タービン負荷の
変動に拘らず、内筒の触媒上流側内部にお【ノる予混合
ガスの濃度および流Ｍを触媒の安定燃焼領域に設定でき
る。その結果、負荷変動の広いガスタービンにおいても
安定燃焼領域の狭い触媒の性能を充分発揮させて低ＮＯ
ｘ燃焼を好適に実施することができるという効果を奏す
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係るガスタービン燃焼器の一実施例
を示す基本構成図、第２図は従来のガスタービン燃焼器
を示す基本構成図である。 ３１・・・ガスタービン燃焼器、３３・・・内筒、３５
・・・外筒、３７・・・環状部、３９・・・圧縮空気、
４７・・・予燃焼用燃料ノズル、４９・・・スワーラ、
５０・・・点火器、５３・・・予燃焼用燃料ノズル、５
５・・・予混合用空気口、５９・・・触媒、６１・・・
希釈用空気口、６３・・・円筒用隔壁、６５・・・空気
室、７１・・・流ｍ調整弁、７３・・・制御部、Ａ・・
・予燃焼部、Ｂ・・・予混合部、Ｃ・・・触媒反応部、
Ｄ・・・希釈部。 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、内筒および外筒を有し、上記内筒に燃料噴射ノズル
   、点火器および触媒が配設され、上記内筒および外筒に
   囲まれた環状部内を流れる圧縮空気が上記触媒の上流お
   よび下流側から上記内筒内へ流入するガスタービン燃焼
   器において、上記内筒の触媒下流側外周に隔壁が配設さ
   れて空気室が形成され、この空気室を介して上記内筒の
   触媒下流側内部へ圧縮空気を流入させるとともに、制御
   部により、上記空気室への圧縮空気流入量をタービン負
   荷に応じて調整し、上記内筒内の触媒上流側内部へ流入
   する圧縮空気量を制御するよう構成されたことを特徴と
   するガスタービン燃焼器。 ２、隔壁には流量調整弁が配設され、制御部がタービン
   負荷に応じて上記流量調整弁の弁開度を調整することに
   より、空気室への圧縮空気流入量を調整し、内筒におけ
   る触媒上流側への圧縮空気量を制御するよう構成された
   特許請求の範囲第１項記載のガスタービン燃焼器。