JPH0140246B2 - - Google Patents

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燃焼器の燃料供給方法に
係り、特に低NOx型の２段燃焼方式のガスター
ビン燃焼器に対して、良好な燃焼性能を得るため
の燃料供給方法に関するものである。

〔発明の背景〕

ガスタービン燃焼器は燃焼圧力と入口空気温度
が高いためNOxの生成はボイラや加熱炉等より
も一般に大きく、このためNOxの低減化が急務
となつている。

燃焼過程中に生成するNOxは燃焼ガス温度、
酸素分圧及びガスの滞留時間の影響を受けるが、
その中でも燃焼ガス温度の影響が最も大きいた
め、NOxの低減には低温燃焼化が最も有効な手
段となる。従つて、ガスタービン燃焼器の低
NOx技術としては従来から燃焼領域へ理論空気
量以上の空気を供給して低温燃焼させる、いわゆ
る希薄燃焼法が開発されてきている。ところで、
ガスタービン燃焼器は起動から定格負荷まで非常
に作動範囲が広いため、定格時に十分希薄燃焼さ
せて低NOx化を達成しようとすると、部分負荷
時は燃料流量を減少させるため一層希薄燃焼の度
合が大きくなり、燃焼の不安定や未燃分の増大及
び着火時の着火不良といつた悪作用がでるので、
希薄燃焼の程度は大きな制約を受ける。また、ガ
スタービンのように高温高圧燃焼は燃焼速度が極
めて速いため、従来型燃焼である燃料と空気を
別々に燃焼器へ供給して燃焼させる、いわゆる拡
散燃焼では、みかけ上空気過剰の状態での燃焼で
あつても局所的には理論混合比もしくは燃料過濃
な混合比での燃焼が相当量占めることとなり、結
果的にはホツトスポツトを生じ、大幅な低NOx
化は達成できない。これらの技術課題の解決方法
として種々の燃焼方式、燃焼器構造が検討されて
いるが、前者の問題に関しては燃料を燃焼器の上
流側と下流側に分割して供給する、いわゆる２段
燃焼方式の検討が進められている。また、ホツト
スポツトの除去に関しては、混合気の濃淡をなく
すことにより解決できることから、予混合燃焼化
が検討されている。すなわちガスタービン燃焼器
において大幅な低NOx化を達成するためには、
予混合燃焼化が必須条件となり、また、この場合
にはガスタービンの全作動領域で良好な燃焼性能
を得るために２段燃焼化もしくは多段燃焼化が必
要となる。従来、このようなガスタービン低
NOx燃焼器として、燃焼器の断面を絞ることに
より１段目と２段目の燃焼域を区画し、それぞれ
１段目、２段目に燃料を供給する構成とするとと
もに１段目の燃料を途中で一且カツトし、再投入
することにより１段目に予混合燃焼としての作用
を果たさせるという公知の技術がある。また、１
段目で安定な拡散燃焼を行わせ、２段目において
パイプ型の予混合器により希薄予混合気を形成せ
しめる方式の公知技術もある。このような公知技
術により、高負荷時のNOxは大幅に低減できる
とともに、着火及び低負荷時の性能も相当改善で
きることとなつたが、これらの方式の最大欠点は
２段目の燃料投入時の燃焼性が悪化することにな
る。具体的には、２段目の燃料投入時に未燃成分
の流出が極端に増大することと、２段目の燃焼火
炎が不安定であり場合によつては振動燃焼を起
し、吹消えが発生したり、１段目燃焼火炎と互に
干渉し合つて燃焼器全体が振動するという欠点が
有る。この原因は、２段目の燃料投入時は２段目
燃焼の燃空費が極端に小さいため十分安定な燃焼
が維持できず、２段目燃焼の反応が進行しないた
めに、未燃分の流出ならびに振動燃焼の発生が起
るものである。この解決案としては、(1)２段目燃
焼の燃空比設計値を大きくとること、(2)２段目燃
焼用の燃料濃度に濃淡をつけること、(3)２段目燃
焼用の可燃混合気の流れ方向を１段燃焼火炎の高
温ガスと接触混合するよう設定すること、などが
考えられるが、これらの解決案はいずれも２段目
燃焼火炎からのNOxを著しく増大させることと
なり２段燃焼化の長所を損うことになる。すなわ
ち、２段燃焼型の低NOx燃焼器においては、こ
のような２段目燃料の投入時の燃焼性能の低下を
如何に解決するかが大きな課題の一つである。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、他の燃焼性能を損うことなく
低NOx化を達成し得るガスタービン燃焼器の燃
料供給方法を提供することにある。

〔発明の概要〕

この目的を達成するために、本発明のガスター
ビン燃焼器の燃料供給方法は、ガスタービンの起
動から低出力範囲は第１段目の燃料と空気とを燃
焼させて運転し、最大出力を含む高出力範囲は第
１段目及び第２段目の燃料と空気とを燃焼させて
運転すると共に、第２段目への燃料供給は一定量
をステツプ状に投入し、同時に第１段目への燃料
供給量を同量ステツプ状に減じるようにしたこと
を特徴とする。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の詳細を図面に従つて説明する。
第１図は本発明による燃料供給方法が効果的に発
揮できる２段燃焼型低NOx燃焼器の構造を示し
ている。この燃焼器は、燃焼器ライナ１の上流側
に、該燃焼器ライナ１より断面積が小さい副室２
を設けた構造となつており、この副室２の内部
に、下流方向に断面積が縮小する円筒コーン３が
副室２に同心状に設けられている。前記円筒コー
ン３の内部には、第１段目の燃料供給管４及び燃
料ノズル５が設けられて１段目燃焼室を形成して
いる。また前記副室２の後端の円錐部外周には、
２段目燃焼用空気を旋回流として供給するための
旋回器６が設けられ、かつ該旋回器６の旋回羽根
間には２段目燃料ノズル７が燃料ヘツダ８を介し
て取付けられ、２段目燃焼室を形成している。９
は２段目燃料ノズル７の燃料供給管である。

前記のガスタービン燃焼器において、圧縮機に
（図示省略）により昇圧された空気１００は燃焼
器外筒１０と燃焼器ライナ１との間を流通しなが
ら燃焼器ライナ１に設けた希釈空気孔１１及び壁
面冷却孔１２、旋回器６、副室２の外壁に設けた
空気孔１３より燃焼器ライナ１の内部に流入す
る。ガスタービンの着火起動に際しては、１段目
燃料２００を１段目燃料ノズル５を介して円筒コ
ーン３の内壁面に設けた燃料噴射口１４より供給
し、着火栓１６の電気スパークにより着火、燃焼
させる。そしてガスタービンの部分負荷までは、
この１段目燃焼のみで運転する。ガスタービンの
高出力運転は、２段目燃料２０１を２段目燃料ノ
ズル７より旋回器６内に供給し、ここにおいて形
成される可燃混合気を１段目燃焼火炎との接触加
熱により自動的に着火燃焼させる。

この燃焼器による低NOx燃焼化の原理につい
て説明すると、まず１段目燃焼に関しては、１段
目燃料２００を円筒コーン３周壁より供給するこ
とにより副室２周壁より供給される燃焼空気との
急速混合を達成し、かつ円筒コーン３周壁近傍に
一部の燃料によつて形成される燃料濃度の濃い領
域で安定した燃焼が行われることにより、１段目
燃焼を全体として希薄低温燃焼させ、低NOx化
を達成する。

また、２段目燃焼に関しては、旋回器６の内部
に２段目燃料２０１を供給することにより、前記
旋回器６の内部において燃料と空気を予混化して
供給し、ホツトスポツトのない均一低温燃焼を実
現させて低NOx化を達成する。

かかる２段燃焼型低NOx燃焼器の基本燃焼計
画である１段目、２段目の燃料流量比及び定格運
転時の１段目、２段目燃焼の燃空比は燃焼器構造
によつて変わるのは勿論のこと対象ガスタービン
の作動条件やNOx目標値ならびに燃料の種類に
よつて異なる。しかし、ごく基本的な考え方で
は、対象ガスタービンの概略50％負荷までを１段
目燃焼で、50％負荷から定格負荷までを２段目燃
焼で運転するというのが、それぞれの燃焼領域を
半分ずつ受持つことになり、各作動燃空比範囲を
それぞれほゞ同程度の範囲で分担させることによ
り燃焼に無理がなく、基本的な設計条件といえ
る。また１段目、２段目の定格燃空比は0.02〜
0.05の範囲が燃焼性能と低NOx化のバランスの
面から妥当な範囲となる。第２図はタービン入口
温度が約1100℃のガスタービン（定格時の燃空比
約0.02）を対象に１段目と２段目の従来方式によ
る燃料投入計画をモデル的に示したもので、まず
着火から燃空比が0.01までは１段燃焼で運転し、
それ以降は漸次２段目燃料の供給量を増加させる
ことにより運転するものである。かかる燃料供給
方法とした場合のNOx濃度特性とCO濃度特性を
第３図、第４図に示す。これらの図から明らかな
如く、２段目燃料の投入開始（Ｆ／Ａ＝0.01）か
らＦ／Ａが0.014近傍までは著しいCOの増大を伴
い、この間２段目燃料は不安全燃焼をしている。
この原因は前に詳述したように第２段が過剰希薄
となるためであり、この現象は２段目燃焼型低
NOx燃焼器の致命的な欠点である。第５図は本
発明によるガスタービン負荷上昇時における燃料
供給方法を示すものであり、本供給方法の特徴は
２段目燃料投入をある一定量ステツプ状に行うと
ともに、同時にそれと同量の１段目燃焼をステツ
プ状に減じて行うことである。すなわち、２段目
燃料をステツプ状に投入することにより、２段目
燃焼の過剰希薄による不完全燃焼帯を瞬時に通過
させて安定燃焼帯へ移行させ、未燃分の極端な増
大を抑制し、かつ燃焼の不安定も解消するもので
ある。第６図、第７図は本発明燃料供給方法によ
るNOx濃度特性及びCO濃度特性を示している。
２段目燃料の投入により２段燃焼が開始され、１
段目燃焼の燃空比が小さくなるため、NOxはス
テツプ状に低下する。一方、COは２段目燃焼か
らのCO発生があるためステツプ状に増加する。
しかし、このCOピーク値は従来の燃料供給方法
の場合の如く数千ppmといつた高濃度とはなら
ず、さらにはCOの高濃度帯も非常に狭い範囲内
におさえることが可能となる。２段目燃料投入開
始時のステツプ状に投入すべき２段目燃料の必要
流量は燃焼器の設計及びNOx値や未燃分の許容
値によつて異なるがガスタービンの燃料となり得
る炭化水素燃料の可燃燃空比範囲、火炎伝播速度
及びCOの燃焼速度などの燃焼データと種々の燃
焼器構造についての実験的検討により、ステツプ
状に投入する２段目燃料流量と２段目燃焼用の空
気量との比は0.01から0.04の範囲が良好な２段目
の着火燃焼性を示す。この燃空比が0.01よりも小
さい場合には、２段目燃料の瞬時着火が起らず、
未燃分の極端な増大と場合によつては振動燃焼を
引き起す。また、燃空比を大きくすると２段目燃
焼の作動範囲が制約されることになり、低NOx
化にとつて不利になるとともに、運転の自由度が
損われる。このため燃空比の上限は0.04程度が限
界となる。以上の説明はガスタービンの着火から
低負荷運転に至る立上げ時の燃料供給方法である
が、次にガスタービンの高負荷運転域における出
力調整方法について述べる。第８図は高負荷運転
域における燃料供給方法を示すもので、第２段目
の燃料はほゞ一定に保持し、第１段目の燃料流量
の増減によりガスタービンの出力を変化させるも
のである。これは、第１段目燃焼のCO特性が低
燃空比範囲まで低濃度であるという特性を活用し
たものである。この特性は１段目燃焼が拡散燃焼
型に近い燃焼パターンであるとともに、未燃分の
燃焼のためのガス滞留時間が長いことによるもの
である。

このような燃料制御によるガスタービンの負荷
調整を行うことにより、ガスタービンの負荷運転
時の未燃分を最小とすることが可能となる。この
場合のCO濃度特性は第７図の点線にて示される。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、次のよ
うな効果が得られる。

(1) 第２段目燃料投入時の未燃分の発生を抑制で
きると共に、２段目燃焼の安定性が向上する。

(2) ２段目燃焼の希薄燃焼化を向上でき、低
NOx化を図るにきわめて有利となる。

(3) 高出力運転域での未燃分の発生を抑制でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は２段燃焼型低NOx燃焼器を示す断面
図、第２図は従来の燃料供給方法を模式的に示す
線図、第３図及び第４図は従来におけるNOx濃
度特性及びCO濃度特性を示す線図、第５図は本
発明による燃料供給方法を模式的に示す線図、第
６図及び第７図は本発明におけるNOx濃度特性
及びCO濃度特性を示す線図、第８図はガスター
ビン高出力作動領域における燃料供給を示す線図
である。 １……燃焼器ライナ、２……副室、３……円筒
コーン、５……１段目燃料ノズル、７……２段目
燃料ノズル、１００……燃焼用空気、２００……
１段目燃料、２０１……２段目燃料。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 圧縮機によつて昇圧された空気と燃料とを燃
   焼器内へ導入して燃焼させ、高温のタービン作動
   ガスを発生するガスタービン燃焼器であつて、燃
   料の上流側に第１段目の燃料供給装置及び燃料ノ
   ズルを有し、前記燃焼器頭部に第１段目燃焼用の
   空気供給装置を有し、前記第１段燃料ノズルの後
   流側に第２段目の燃料供給装置及び燃料ノズルを
   有し、第２段燃料ノズルの近傍に第２段目燃焼用
   の空気供給装置を有するガスタービン燃焼器にお
   いて、ガスタービンの起動から低出力範囲は第１
   段目の燃料と空気とを燃焼させて運転し、最大出
   力を含む高出力範囲は第１段目及び第２段目の燃
   料と空気とを燃焼させて運転すると共に、第２段
   目への燃料供給は一定量をステツプ状に投入し、
   同時に第１段目への燃料供給量を同量ステツプ状
   に減じるようにしたことを特徴とするガスタービ
   ン燃焼器の燃料供給方法。 ２ 特許請求の範囲第１項において、第２段目の
   燃料供給時におけるステツプ状の投入量は、第２
   段燃料ノズルの近傍から供給される第２段目燃焼
   用空気量との重量比（第２段燃料流量／第２段目
   燃焼用空気量）を0.01〜0.04としたことを特徴と
   するガスタービン燃焼器の燃料供給方法。 ３ 特許請求の範囲第１項において、ガスタービ
   ンの高出力運転領域における出力調整は、第１段
   目の燃料流量の増減によつて行うことを特徴とす
   るガスタービン燃焼器の燃料供給方法。