JPS63150517A - ガスタ−ビン２段燃焼器の運転方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明はガスタービンの燃焼器に係り、特に大幅な低Ｎ
Ｏｘ化を達成出来る２段燃焼器の燃料と空気との最適な
条件を得、燃焼性能を向上しながら低ＮＯｘ化を図る運
転操作方法に関するものである。

〔従来技術〕

省エネルギ、省資源に関する社会的要請の高まりから、
最近のニーズは高温、高効率化を目ざす、ガスタービン
と蒸気タービンとの複合コンバインド発電プラン１への
建設計画が進みつつある。ところがガスタービンの排ガ
スに対する環境規制が厳しく、特に大気汚染物質と言わ
れる窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出に関しては一般にガス
タービン燃焼器では規制値内に収まらず低ＮＯｘ燃焼器
の開発が急務となっている。この開発の結果として燃料
を２系統にし、１次燃料を燃焼させる頭部燃焼室と、こ
の燃焼室の下流にあって高負荷帯で２次燃料を燃焼させ
る後部燃焼室とを備え、着火から２５％程度までの低負
荷帯では１次燃料のみで運転し、それ以上の高負荷帯で
は１，２次共に供給、燃焼させる。後部燃焼室では頭部
燃焼室火炎によって２次燃料へ着火する。

それぞれの燃焼室は空気過剰の希薄低温度燃焼が可能で
あるため、低ＮＯｘ化が可能である。ところが、ガスタ
ービンプラントでは負荷変化に対し燃料流量はほぼ比例
して変化するが、圧縮材からの空気量はほぼ一定（ガス
タービン回転数が一定のため）であるため、燃料器内部
では空気と燃料との重量比（燃室比と言う）が変動する
。このためガスタービン運転範囲における燃焼状態は一
定せず、ある負荷帯で好ましい燃室比になるように設定
しても別の負荷状態では過剰に燃料が濃くなったり、薄
くなったりしてＮＯが生成し、あるいは−酸化炭素（Ｃ
Ｏ）や、未然焼燃料成分（ＨＣ）などが増大することに
なる。このため特開昭５５−１１５９９１号に見られる
ように１次燃料と空気流量との制御を行い常に一定の燃
室比となるようにしている。そしである負荷帯以上では
２段目の燃料の投入を図る。

この従来技術では１次頭部燃焼室は燃料と空気とを燃焼
以前に予混合するための燃焼範囲は限られる。このため
の着火から常に一定の燃室比となるように、１次空気流
量を制御している。空気流量の制御は圧縮機からの空気
の１部を抽気し、さらに昇圧し、流量調節しているため
効率低下となるだけでなく着火から２次燃料投入までの
広範囲の条件で流′ｊ＆調節する必要性があり、昇圧に
費すエネルギ損失となり広範囲の運転帯において、効率
低下をまねく要因となる。一方２次空気は流量調節して
いないための２次燃料投入時からの高負荷帯においては
２次燃料と空気との燃室比が異なるため、２次燃料投入
時の燃料流量が少ない時には燃料濃度が薄くなるため可
燃焼範囲に入るまでは２次燃料が未燃となって排出され
、かつ燃焼域に入っても低濃度の場合にはＧｏ、ＨＣの
発生が多いという欠点がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前記従来技術においては、２次燃料投入時に、２次燃料
が薄いので燃焼範囲からずれるため未燃焼成分やＣＯの
発生が多くなり、又、２段目燃焼開始による急激な負荷
変動が考慮されておらず、ガスタービンの急激な負荷変
動による空気流動的な衝撃力や熱ｗｒ撃による破損や信
頼性低下などの問題があった。

本発明の目的は２段燃焼方式のガスタービンプラントに
おいて１次燃料の炎から２次燃料への着火を容易にし、
急激な負荷変動を無くし、１次燃焼の燃焼性能を向上さ
せ、ＣＯやＨＣの発生を抑えながら、２次燃焼の２次空
気との燃空比制御を行うことによりガスタービンの全運
用負荷帯にわたり、燃焼性能を向上させ、低ＮＯｘ化を
実現することにある。

ｃ問題点を解決するための手段〕 上記目的を達成するために創作した本発明の運転方法は
、２次燃料投入による急激な負荷変動を抑え、かつ、２
次燃料投入後のＧｏ、ＨＣ発生を抑えるため、１次と２
次燃料の和を抑えた状態で１次燃料を減少しながら２次
燃料を増大する作用を短時間で行うことにより急激な負
荷変動を抑える。また、１次燃料の減少量を抑え、少量
の２次燃料で２次燃焼を実現するための２次空気の流量
制御を併用することによりＣｏ、ＨＣの発生を抑え、２
次燃焼を容易にする。さらに高負荷時においては２次空
気を増大すると共に２次燃料を増加させ予混合希釈燃焼
を行わせることにより大幅な低ＮＯｘ化を図りながら１
次燃料増卸を抑え、頭部燃焼室でのＮＯｘ発生を抑える
。このように２次燃料の投入後、１．２次燃料の制御と
２次空気の制御を併用することによりガスタービンの運
用負荷帯においてＣＯ，ＨＣの発生を抑え、かつ、ＮＯ
ｘの低減化を図ることが出来る。

〔作用〕

２次燃料投入時の２次燃焼による急激な負荷変動を避け
るため、１次燃料を減少させる。例えばガスータビン２
５％負荷時で２次燃料投入を開始する時は１次燃料を約
６０〜７０％に減じながら。

減少した量を２次燃料の投入で補うようにする。

１次燃料の減少量を大きくしないことにより頭部燃焼室
の空気過剰となる現像を抑えることが出来るため頭部燃
焼室からのＣｏ、ＨＣの発生を抑えることが可能となる
。さらに、２次空気を減少させることによって少量の２
次燃料を可燃範囲に入れることが可能となり、２次燃料
の着火を容易にすることが出来る。一方、定格時の燃焼
量が多い状態では２次空気流量を多くシ、これに追従し
て２次燃料を増加することが出来るため、常に空気過剰
の予混合燃焼を行うことが出来るため低ＮＯｘ化を図る
と共に１次燃料の増加を抑えて２次子混合燃焼の比率を
大きくとることにより拡散燃焼である１次燃焼によるＮ
Ｏｘの発生も抑えることが出来る。

（実施例〕 第１図に本発明の方法を適用する対象であるガスタービ
ン燃焼器の構成を示す。

ガスタービンは圧縮機１．タービン２．燃焼器３などに
よって構成され、圧縮機１で圧縮された空気１ａはケー
シング４内を通り、燃焼器３に導かれる。燃焼器３は外
筒５ａ、５ｂ、ライナ６ａ。

６ｂおよび頭部燃焼室７とこれよりも径が大きい後部燃
焼室８などの主要材で成立っている０頭部燃焼室７へは
１次燃料９を供給する。１次燃料ノズル１０がカバー１
１に取付けられ、内筒１２とライナ６ａとの間の環状部
へライナキャップ１３を貫通して燃料を供給する。ライ
ナ６ａには１次燃焼用の複数個、複数列の空気孔が開１
口し、さらに壁面冷却用の空気孔を開口しており、この
冷却孔は内筒にも開口している６頭部燃焼室７と後部燃
焼室８と接続部１３には２次空気供給孔１４が設けられ
この空気通路部に２次燃料ノズル１５から２次燃料１６
が供給され空気通路部１７が２次空気と燃料との予混合
部となり予混合した２次空気と２次燃料との予混合ガス
は後部燃焼室８に供給され、頭部燃焼室７からの火炎１
８を着火源として、２次燃焼火炎１９を形成する。１次
燃料への着火は図示していないが点火栓によって行い火
炎検知器によって検知するようになっている。又、２次
燃焼火炎の検知は全数の燃焼器の後部燃焼室８火炎１９
を検知する火炎検知器を装着している。

第２図に燃焼器３の詳細構造を示す。

２次空気通路１７の入口部２０を覆いかつ前後に動くこ
とにより空気入口部面積を変化させて２次空気流量を変
える空気流量調節用スライドリング２１が取付けられて
いる。スライドリング２１には周４ケ所に支持部２２が
取付けられ、該支持部材２２には外筒６ｂの壁側に近接
する環状部材２３が接続される。この環状部材２３には
外筒６ｂの外部レバー２４が矢印の方向へ動くことによ
り支軸２５を介し内部レバー２５Ａが外部レバー２４と
反対の動きを行う。そして内部レバー２５Ａには、接続
部材２６により環状部材２３に連結され、したがって外
部レバー２４を動かすことにより、スライドリング２１
が前後に動き２次空気開口面積を変えることが出来るよ
うになっている。２次燃料１６は２次フランジ２７に貫
通した燃料マニホールド室２８に導かれる。そして２次
空気通路１７に位置する２次燃料ノズル１５の先端近傍
に開口した燃料噴出口２９がら空気通路内部へ２次燃料
が供給され１通路内部１７で空気との混合が図られる。

スライドリング２１開度により２次空気流量を任意に決
定することが出来るようになっている。

第３図にガスタービン立上げから定格負荷までの２次空
気流量の変化を示し、これに追従したスライドリングの
開度変化を第４図に示す。

着火からタービン回転数１００％までは圧縮機の回転数
上昇に伴う空気流量が増加する。１．　Ｏ０％回転数で
は全体空気の約２５〜３０％が２次空気となる。１００
％回転数時がＯ％負荷時であり１００％負荷まではター
ビン回転数が一定であるための空気流量はほぼ一定であ
る。しかしながら２次空気は第３図に示すごとく２５％
近傍で２段目燃料の投入開始となるための２次空気は１
／２以下となる。第４図に示すごとくスライドリング開
度が閉方向に移動し、約４０％負荷時までは一定の閉開
度を保ち、それ以上の負荷時では徐々に開度が大となり
約７５％負荷時でスライドリングが全開となる。２次空
気流量もスライドリング２１開となるにつれて増大する
。７５％以上でさらに２次空気量が増大することは圧縮
機入口部に装着した空気案内羽根角度を開方向とするた
め全体的に空気流量が増大することに起因するものであ
る。第５図にスライドリング開度に対する２次空気の変
化と１次空気の変化とを示す。２次空気の変化はスライ
ドリング開度を変化することによって変わるが１次空気
量はスライドリング開度を閉とすることによって２火室
度が減少する。この減少した量がライナ６ｂとライナ６
ａに増加となって配分されるため１次空気量が増大する
ものである。第６図に１次、２次燃料投入計画を示す。

着火からガスタービン負荷２５％近傍までは１次燃料の
みで燃焼を行ない、２５％以上で２次燃料を投入する。

この時、急激な負荷変動を無くするため１次、２次燃料
流量の総和を各負荷に応じた一定量にしておき１次燃料
を減すると共に減少分量に見合った２次燃料を投入する
。約４０％負荷までは２次空気量を一定（第３．４図に
示すようにスラドリングを閉近−傍一定とする）の小流
量にしているため２次燃料を出来るだけ小量に抑えるこ
とが望ましく、これによりＣＯなどの未燃焼成分を抑え
ることが出来る。第７図に１次燃焼によるＧｏ、ＮＯｘ
の特性を示す。

１次燃料が多く、かつ１次空気が多いとＣＯが発生する
。これは過冷却燃焼によるためであるがＣ０９度を低く
抑えるためにはＦ　／　Ａ　１　＝　０．００７以下と
なるように１次燃料を減少しすぎることは出来ない。し
たがって、２次燃料投入時にはスライドリング開度を小
さくし、２次燃料を出来るだけ小さくすることが必要で
あり、スライドリング開度を閉方向としたために１次空
気流量が増加するこの空気流量の増加以上に１次燃料流
量を増加した状態で燃焼を行うものである。

Ｆ　／　Ａ　１は０．００７以上〜ｏ、０１２以下とす
ることか、ＣＯの発生を抑えＮＯｘ濃度を低く抑えるた
めに好ましい、第８図に２次燃料投入後の２５〜４０％
負荷近傍におけるＣｏの発生特性を示す。Ｆ　ｓ　／　
Ａ　ｘ比率が１／１の場合に比べＦｚ／Ｆｚ＝６／４の
ようにＦ２に対する比率が多くなるとＣｏの発生を少な
く抑えることが出来、Ｆｌ／　Ｆｘ　＝　６　／　４程
度が良好である。これはＦｚ／Ｆｚ＝４／６よりもＦｌ
が少なくなるとＦ１失火に至り、逆にＦｒ／Ｆ２．＝７
／３７／３Ｆｉを増加するとＮＯｘ増大とＦｘの失火に
結びつくものである。第９図に定格時のＦ２燃焼のＮ０
ｘＧＯ特性を示す。Ｆｚ／Ａｚ＝０．０４５　近傍でＣ
Ｏが増大し、さらにＦｚｅを減少すると不安定範囲に入
り、その後吹消えに至る。又Ｆ２／Ａｚ＝５．３　近傍
から急激にＮＯｘが増加し始め、さらにＦｘ量を増大す
ると２次空気通路が過熱され始める。最適範囲は０．０
４５≦Ｆｚ／Ａ２≦０．０５３が好ましい。

第１０図に高負荷時におけるＣｏ、Ｎｏ特性に及ぼすＦ
ｚ／Ｆｚの関係を示すＦｔ／Ｆｔ＝１／１の場合にはほ
ぼＮＯｘ限界値となりＦｒ／Ｆ２　＝０．８７１．２　
の場合には２次空気、燃料の予混合量が増加し、かつＦ
ｒ量が減少するためＮＯｘの発生を少なくすることが出
来る。すなわち、Ｆ１／Ｆｚ比が１／１〜０．８／１．
２　で良好であり、ＦＬ／Ｆｚ”０．６／１．４よりも
Ｆｒ量が小となるとＣｏが発生し、Ｆ　１／　Ｆ　ｚ＝
　１　／　１よりもＦｌ量が大となるとＮＯｘが発生す
る。このようにＦＸ量を減少すればＦｌ燃焼が空気過剰
となるためＣｏが発生する範囲となり、逆にＦ１量が多
くなるとＮＯｘが発生するようになる。第１１図にガス
タービン負荷に対し、本発明による運転制御を用いた場
合のＮ０ｘＣ○特性を示す。とくに２５％近傍からのＦ
２投入後では点線で示すＦ　１／　Ｆ　ｚ＝　１／１の
場合に比べＦ１／Ｆ２＝６／４とした場合のｃｏは半減
することが出来、さらに４０％程度の負荷帯でＣｏを殆
ど無くすることが出来る。一方ＮＯｘは若干高くなるも
のの全体的に低く抑えることが出来る。特に１００％負
荷近傍においては第１０図に示す如＜Ｆｔ／Ｆｚが１／
１の場合に比べＦ１／Ｆｚ＝０．８／１．２の場合には
ＮＯｘ濃度を約２５％低減することが出来る。このよう
にＦ２投入時にはＦｌ／Ｆ２のＦｌ比率を大きくし、ま
た定格時にはＦ　１　／　Ｆ　２のＦ２比率を大きくす
ることによりＦ２投入後のＣｏａ度および定格時のＮＯ
ｘ濃度を低く抑えることが出来る。

又、第１２図に示すようにスライドリング２１の制御信
号３ｏを介してＦ２流量を制御し最適なＦ２／Ａｌとな
るような運転を行うのみならず、この制御信号３０によ
ってＦｌ流量も制御することによりＦ２投入時に見られ
るＣＯ発生を抑えることが出来る。

〔発明の効果〕

本発明によれば、特にＦ２投入後の燃焼特性を向上させ
、定格時のＮ　Ｏｘ　ｍ度を低く抑えることが出来ると
いう利点を生じる。さらにＦｌ／ＡＸ、およびＦ　２／
　Ａ　ｚの最適な運転制御範囲を明確化し、最良の運転
パターンで操作することが出来る。又、Ｆ２投入による
急激な負荷変動を防止することが出来るという利点も生
じる。

【図面の簡単な説明】

第１図はガスタービン燃焼器の構成を示す断面図、第２
図は２次燃料供給部の拡大断面図、第３図及び第４図は
ガスタービン負荷に対するスライドリング動作計画を示
す図表、第５図はスライドリング開度とＡ１．Ａｚ量と
の変化を示す図表、第６図はガスタービン負荷に対する
燃料計画を示す図表、第７図は１次燃焼によるＣＯ，Ｎ
ｏ特性を示す図表、第８図は２燃料投入直後の特性を示
す図表、第９図及び第１０図は、１００％近傍負荷時の
ＣＯ，ＮＯｘ特性を示す図表、第１１図は全負荷帯にわ
たるＧｏ、ＮＯｘ特性を示す図表、第１２図はスライド
リングおよびＦｌ、Ｆｚの制御の説明図である。 ７・・・頭部燃焼室、８・・・後部燃焼室、９・・・１
次燃料、１６・・・２次燃料、２１・・・スライドリン
グ、１７・・・空気通路部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、燃焼室の上流側に１次燃焼用燃料ノズルを備えた１
   次燃焼室を設けるとともに、その下流側に２次燃焼用燃
   料ノズルを備え、つか、上記２次燃焼室を１次燃焼室よ
   りも大径に構成するとともに、２次燃焼用空気の流量を
   調節する手段を設けたガスタービン２段燃焼器を運転す
   る方法において、 （ａ）、２次燃料の投入時は１次燃料の供給量を２次燃
   料の供給量以上とし、 （ｂ）、定格燃焼時には２燃料の供給量を１次燃料の供
   給量以上とすることを特徴とする、ガスタービン２段燃
   焼器の運転方法。 ２、前記２次燃料の供給量は、２次燃焼用空気の規制信
   号に基づいて制御を行うものであることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項に記載のガスタービン２段燃焼器の
   運転方法。 ３、２次燃料投入後の１次燃料供給量は、２次燃料供給
   量の１．０〜２．３倍とし、かつ、定格時の１次燃料供
   給量は２次燃料供給量の０．４３〜１．０倍とすること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項又は同第２項に記載
   のガスタービン２段燃焼器の運転方法。