JPH0139016B2

JPH0139016B2 -

Info

Publication number: JPH0139016B2
Application number: JP11076082A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Tsukahara; Hidekazu Fujimura; Narihisa Sugita; Yoji Ishibashi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1982-06-29
Filing date: 1982-06-29
Publication date: 1989-08-17
Also published as: JPS594823A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、低カロリーガス燃料を燃料対象とし
たガスタービン燃焼器に関する。低カロリーガス
燃料とは、例えば石炭ガス化燃料などの、比較的
発熱量の小さいガス燃料を称する。

従来よりガスタービンは石油燃料などの高カロ
リーの燃料を使用するのが通常であるが、低カロ
リーガス焚のものも開発されており、例えば第１
図に示すようなガスタービン燃焼器が提案されて
いる。この燃焼器は、燃料ノズル１と外筒２と内
筒３とを有し、燃料ノズルからの燃料１０がスワ
ーラ５からの圧縮空気９と混合し、更に空気孔
６，７，８からの空気と混合して、内筒３内で燃
焼する。４は外筒２を塞ぐ端板である。

しかしこの従来のガスタービン燃焼器は、燃焼
効率や窒素酸化物発生という面で低カロリーガス
燃料を用いるにはなお問題があるものである。こ
の問題につき更に述べると、以下の通りである。

一般にガスタービンの実用運転範囲は広く、回
転数一定の発電用ガスタービンでは空気流量が一
定のため、無負荷から100％負荷までの範囲で燃
空比が３倍以上変化する。例えば燃空比ｆ／ａが
0.005から0.022の範囲で変化する（ｆは燃料、ａ
はエアである）。従つて、理論燃焼温度が高く燃
焼速度も大きい高カロリー燃料を使用する場合で
も、低負荷状態においては空気過剰率が高く、未
燃成分が増す傾向にある。未燃成分として一酸化
炭素COに着目してみれば、第２図に破線で示
す如く、高カロリーガスでもCO濃度はやや上昇
傾向にある。

これに対し低カロリーガス燃料は、第２図に実
線で示すように、この傾向が極めて著しい。即
ち低カロリーガス燃料は、過剰空気が供給される
と火炎が冷却され、燃焼効率が急激に低下する特
性を持つ。上記は第１図に示したような単一燃焼
室構造の燃焼器で燃焼した場合であるが、低カロ
リーガス燃料特に低位発熱量が1200kcal／Ｎm³以
下の燃料は、理論燃焼温度が低く、燃焼速度も小
さいために、過剰空気が供給されて火炎が冷却さ
れると燃焼効率が急激に低下するわけであり、こ
れが未燃成分の増加につながる。ガスタービンの
負荷変化に対するCO濃度も第２図に示すように、
25％負荷以下で急激に増加する。結局、低カロリ
ーガス燃料は、ガスタービンの低負荷条件におい
ては、その完全燃焼が達成できないという難点を
有するのである。

更に、石炭ガス化低カロリーガス燃料にはアン
モニアが含まれる可能性が高いが、このアンモニ
アは燃焼により、公害成分である窒素酸化物に変
換するものである。よつてかかる窒素酸化物への
変換率を低減する必要がある。ところが第１図の
ような従来からの通常の拡散燃焼形式では、その
変換率が高い。また高カロリー燃料を用いる場合
には、燃料中窒素分の窒素酸化物への変換率を低
くするため燃料過剰・燃料希薄２段燃焼を行うこ
とができるが、低カロリーガス燃料ではこの適用
が困難である。前記した如く、保炎性能が低下し
てしまうためである。従つて低カロリーガス燃料
にあつては、燃料中の窒素化合物が窒素酸化物に
変換することを抑えきれないという問題も残つて
いる。

上記事情に鑑み、本発明は、低カロリーガス燃
料をガスタービンの低負荷条件においても完全燃
焼化し、かつ、燃料中窒素化合物の窒素酸化物へ
の変換率を低減することができ、これにより低カ
ロリーガス燃料使用の隘路となつていた諸問題を
解決した、有利な低カロリーガス焚ガスタービン
燃焼器を提供することを目的とする。

この目的を達成すべく、本発明の低カロリーガ
ス焚ガスタービン燃焼器は、内部で燃料が燃焼す
る内筒と、内筒の外側に空気通路を形成する外筒
と、燃料を供給する燃料ノズルとを具備させて構
成し、この燃焼器に２個の燃焼室、つまりガスタ
ービン全作動範囲内で燃料の少なくとも一部分を
空気過剰条件で燃焼する第１燃焼室と、該第１燃
焼室の後流に位置して残り燃料を第１燃焼室燃焼
ガスと混合して燃焼するものであると共に、少な
くとも定格負荷条件では燃料過剰燃焼と燃料希薄
燃焼との２段燃焼を実現する第２燃焼室との２室
を配置して構成する。

このように構成すると、まず第１燃焼室では所
定の空気過剰条件で、安定かつ燃焼速度の大きい
燃焼を行わせることができる。次に、第２燃焼室
は、第１燃焼室の後流に位置する結果第１燃焼室
での燃焼排ガスによりその入口空気温度は十分に
上昇させられる。従つて第２燃焼室は燃焼性が向
上し、この第２燃焼室で安定な燃料過剰燃焼・燃
料希薄燃焼の２段燃焼が可能となり、これにより
燃料中窒素化合物の窒素酸化物への変換率を低減
できるようになる。

結局、それぞれ燃空比変動幅の狭い２つの燃焼
室を燃焼器内に直列に配置したので、各々燃焼速
度を大きくでき、かつ、後流の第２燃焼室は第１
燃焼室により加熱される形になるので、該第２燃
焼室での２段燃焼が可能となり、窒素酸化物の低
減と、燃焼効率の上昇との双方を達成することが
できる。

この発明は、低カロリーガスも高カロリーガス
と同様、理論混合気近傍で燃焼速度が大きく、こ
の領域のみで燃焼器を作動させれば燃焼効率が高
いという特性に着目したものであり、上記のよう
に２つの燃焼室を設けることにより、これを達成
したものである。

以下、本発明に係る燃焼器の一実施例を、第３
図乃至第５図を参照して説明する。

第３図は本例燃焼器の断面図であるが、これを
参照して、まず本実施例の概略につき説明する。

この燃焼器は内筒３と、外筒２と、燃料ノズル
１，１１とを有する。内筒３は、その内部で燃料
が燃焼するものであり、この中に第１燃焼室１
２、第２燃焼室１３が構成される。外筒２は、該
内筒３の外側に、空気流路を形成する。燃料ノズ
ル１，１１は、内筒３に燃料を与える。

第１燃焼室１２は、ガスタービン全作動範囲内
で、燃焼がなされる。よつて着火から定格負荷ま
で、常時燃焼する。ここでは、燃料の少なくとも
一部分は空気過剰条件で燃焼する。この結果、第
１燃焼室１２での燃空比ｆ／ａは、第５図に示す
ように、範囲程度の変動に抑えることができ
る。空気過剰率で言えば、第４図に′で示す程
度の変動である。

次に第２燃焼室１３は、該第１燃焼室１２の後
流に位置し、第１燃焼室１２の燃焼ガスを受けて
これを残り燃料と混合して、燃焼を行う。この第
２燃焼室１３は、少なくとも定格負荷条件では燃
料過剰燃焼と燃料希薄燃焼との２段燃焼を行う
が、これは前述のように高温の第１燃焼室１２か
らの燃焼排ガスを受けるので、室内が高温にな
り、燃焼条件が良くなつているためにかかる２段
燃焼が実現されるものである。

従つてこの２段燃焼の結果窒素酸化物の発生を
低く抑えることができ、また第１燃焼室１２での
空気過剰率変化を小さくできるため、低負荷での
燃焼効率低下を防止できるという効果をもたらし
得る。

本実施例の更に詳しい構成及びその作用効果を
説明すると、下記の通りである。

本例燃焼器は着火から定格負荷まで常時燃焼す
る第１燃焼室１２と、部分負荷から定格負荷まで
燃焼する第２燃焼室１３とから成る内筒３；コン
プレツサ（図示せず）で圧縮された空気を内筒に
導く外筒２；外筒２端面を閉じるためのエンドプ
レート４；内筒３に燃料を供給する第１燃料ノズ
ル１及び第２燃料ノズル１１；燃料ノズル１，１
１への燃料流量をタービンの回転数や負荷に応じ
て制御する燃料制御弁開度指示器２２；燃料制御
弁１８，２１；本図に記載しない点火装置等から
成る。

この燃焼器は前述の如く、従来燃焼器では運転
範囲が限定されていた低カロリーガスの燃料過
剰・燃料希薄２段燃焼をより広い範囲で運転する
ことをも目的として、燃焼室を２つに分ける構成
をとるが、まず第１燃焼室１２では次のような燃
焼がなされる。

即ち第１燃焼室１２では、コンプレツサからの
圧縮空気９をスワーラ５、空気孔６から導入し、
一方燃料制御弁１８で制御された低カロリーガス
を配管１９を通して燃料ノズル１から導入し、点
火装置によりこれに着火して、燃焼を開始・進行
する。着火以後の第１燃焼室１２での燃焼過程
は、第４図のグラフに符号で示す。このグラフ
はガスタービン負荷と空気過剰率との関係を表わ
しているが、第１燃焼室１２では負荷Ａまでは燃
料を順次増加し、この時空気量は一定であるから
結局空気過剰率は図示の如く低下して行く。負荷
Ａ以上では燃料流量を一定として、第１燃焼室１
２の空気過剰率変化を小さくする。負荷Ａでの空
気過剰率は1.0以上であり、全範囲に亘つて空気
過剰条件での燃焼が行われる。

第２燃焼室１３は、負荷Ａ以上で燃焼を行う。
前述の第１燃焼室１２はこの第２燃焼室１３に対
して、パイロツト的に燃焼するものということが
できる。第２燃焼室１３の燃料は、第２燃料ノズ
ル１１から供給される。この第２燃料ノズル１１
は、第１燃焼室１２の出口近傍の空気孔７中に、
その中心付近に噴口部１１ａを設けて成るもので
ある。ノズル１１を正面から見た図、つまり第３
図の方向矢視図を第６図に示すが、図示のよう
に噴口部１１ａの周囲が空気孔７で囲まれる様に
なつている。（尚、第６図では空気孔７、噴口部
１１ａともに同心の円形になつているが、形状は
これに限らない）。かかる第２燃料ノズル１１か
ら、燃料制御弁２１を介し配管１４で供給される
低カロリーガスを第２燃焼室１３用に供給する。
ここでの供給は、第１燃焼室１２の燃焼を阻害し
てはならないので、その燃焼性能に影響を及ぼさ
ないように行う。第２燃料ノズル１１から供給さ
れた燃料（矢印２５）は、空気孔７からの空気
（矢印２６）とともに、第１燃焼室燃焼ガス２７
と混合する。第１燃焼室燃焼ガスは、燃焼後の排
ガスであるからその温度は充分に高い。従つてこ
れと燃料２５、空気２６との混合気は燃料の発火
点よりも高く、第２燃焼室入口２４では第１燃焼
室１２での燃焼に続いて燃焼が進行する。

この第２燃焼室１３での燃焼につき、第４図を
用いて説明する。上述した第２燃焼室入口２４に
おけるガスタービン負荷と平均の空気過剰率との
関係は図中の符号で示すが、負荷がＡに至るま
では燃焼せず、Ａ点で第２燃料ノズル１１が作動
開始して燃焼が始まり、爾後負荷がそれより大き
い範囲でこの燃焼が継続する。負荷が増大してＢ
以上になると、第２燃焼室入口２４の未燃混合気
の空気過剰率は１以下となり、平均空気過剰率
も１に近づく。このためガス温度は高く、低カ
ロリーガスの燃焼であつても、燃焼安定性が確保
され、第２燃焼室１３での２段燃焼が可能とな
る。この例では該Ｂ点以上の負荷で２段燃焼が可
能となつており、定格負荷条件（100％負荷）で
は当然その２段燃焼が行われる。

なお本実施例では、第２燃料ノズル１１が作動
開始するＡ点の時点において、第１燃焼室１２の
出口温度つまり排ガス温度は供給燃料の発生点以
上となるように設定して、これにより上記安定燃
焼を確実ならしめている。（但し、必ずしもＡ点
で発火点以上の排ガス温度でなければならないと
いうわけではない）。

第３図に、符号１３ａにて第１段の燃料過剰燃
焼領域を示し、１３ｂにて第２段の燃料希薄燃焼
領域を示す。それぞれほぼ破線で囲う部分に該当
する。１２ａにて第１燃焼室１２の燃焼領域も概
略示しておく。

上記の如く高負荷時に大部分の燃焼を行う第２
燃焼室１３において、このような２段燃焼を安定
に達成できるので、燃料中窒素化合物の窒素酸化
物への変換率を低減できる。燃料中の窒素分はア
ンモニアNH₃となり、これが酸素が十分にある
と酸化して一酸化窒素NOとなつて種々の窒素酸
化物NOxを発生させるのであるが、第２燃焼室
１３での第１段燃焼領域１３ａは燃料過剰条件で
あるため酸素不足の状態であるから、NH₃→NO
という変化が抑止される。これを次段の第２段燃
焼領域１３ｂでの酸素過剰の低温燃焼（低温であ
るから反応速度は小さく、NOxへの変換も少な
い）と組合わせて、全体的にNOxの発生を小な
らしめたものである。

また、本実施例にあつては第６図の如く、空気
孔７内にノズル噴出口１１ａを設ける構成を採つ
たので、第２燃料ノズル１１の作動開始直後の燃
料噴射速度が遅い条件においても、空気孔からの
空気の貫通力を利用して、前段燃焼室燃焼ガス中
に燃料を供給でき、従つて燃焼効率の低下を防止
できる。

また、第５図にて説明した如く第１燃焼室１２
の燃空比幅が従来燃焼器よりも小さいため、ガ
スタービン低負荷条件においても燃焼効率を高く
保つことが可能である。この燃空比幅を小さく抑
えることも、燃焼室を２室１２，１３にした効果
であつて、従来は第５図のＣ点からＤ点までの広
範囲を要していたのに対し、当初の燃空比をＣ点
からＥ点、つまり0.005程度から0.01程度に上げ
ることができたものである。従来例の特性を符号
、本実施例の特性をで示す。第２燃焼室１３
はＡ点以後作動するが、その燃空比は第５図に符
号で示す通りである。

更に本実施例では、第３図に示す如くタービン
出力信号２３を燃料制御弁開度指示器２２に入力
し、タービン出力に応じて該指示器２２が指示信
号を出力することにより、主燃料制御弁１８と第
２燃料制御弁２１とをそれぞれに開度制御し、こ
れをもつて出力制御を行うようになつている。

なお本実施例では、ガスタービンの起動時等に
低カロリーガス燃料が供給されない場合を考慮し
て、各燃料ノズル１，１１は、石油燃料などの液
体燃料噴射機能をも有する構成にしてある。

上述の如く、本発明によれば、第２燃焼室にお
いては前段で燃料を第１燃焼室燃焼ガスと混合す
ることにより昇温させて燃料過剰条件での燃焼を
安定に達成でき、後段で燃料希薄燃焼を行つて、
このように２段燃焼を可能としたことによつて燃
料中窒素化合物の窒素酸化物への変換率を低減で
きる効果がある。また、第１燃焼室の空気過剰率
変化を小さくでき、よつて燃空比変化を小さくで
きるために、低負荷での燃焼効率低下を防止でき
る効果がある。従つて本発明により、低カロリー
ガスを燃料として用いても、有利にガスタービン
駆動を達成できるものである。

なお当然のことではあるが、本発明は図示の実
施例にのみ限定されるものではない。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来形低カロリーガス焚ガスタービン
燃焼器の断面図、第２図は従来形低カロリーガス
焚ガスタービンの排ガス特性を示すグラフであ
る。第３図は本発明のガスタービン燃焼器の一実
施例の断面図、第４図はその燃焼器内空気過剰率
特性を示すグラフ、第５図は同じく燃空比特性を
示すグラフ、第６図は第３図における方向矢視
拡大略示図である。１……第１燃料ノズル、２……燃焼器外筒、３
……内筒、１１……第２燃料ノズル、１２……第
１燃焼室、１３……第２燃焼室、１３ａ……燃料
過剰燃焼領域、１３ｂ……燃料希薄燃焼領域、２
４……第２燃焼室入口。

Claims

【特許請求の範囲】１内部で燃料が燃焼する内筒と、該内筒の外側
に空気通路を形成する外筒と、燃料を供給する燃
料ノズルとを有する低カロリーガス焚ガスタービ
ン燃焼器において、ガスタービン全作動範囲内で
燃料の少なくとも一部分を空気過剰条件で燃焼す
る第１燃焼室と、該第１燃焼室の後流に位置して
残り燃料を第１燃焼室燃焼ガスと混合して燃焼す
るものであると共に、少なくとも定格負荷条件で
は燃料過剰燃焼と燃料希薄燃焼との２段燃焼を実
現する第２燃焼室とから成ることを特徴とする低
カロリーガス焚ガスタービン燃焼器。２第２燃焼室用の燃料ノズル作動開始時におけ
る前記第１燃焼室の出口ガス温度は、供給燃料の
発火点以上としたものであることを特徴とする特
許請求の範囲第１項に記載の低カロリーガス焚ガ
スタービン燃焼器。３第２燃焼室用の燃料ノズルは、これを空気孔
中心近傍に設置して、少なくとも燃料流量の少な
い範囲では燃料を該空気孔からの空気主流と混合
して供給する構成としたものであることを特徴と
する特許請求の範囲第１項に記載の低カロリーガ
ス焚ガスタービン燃焼器。