JPH04214122A - 低ＮＯｘ ガスタ―ビン燃焼器および方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、ガスタ―ビン燃焼器
の窒素酸化物（ＮＯｘ　）排出量を低減することに関す
る。

【０００２】

【発明の背景】近年、汚染源となる排気ガスについての
ガスタ―ビンメ―カ―の関心は益々増大している。窒素
酸化物（ＮＯｘ　）は大気汚染の前駆物質であるので、
ＮＯｘ　の排出量は特に高い関心を集めている。

【０００３】ＮＯｘ　生成は火炎温度が高くなるほど、
また滞留時間が長くなるほど増大することが知られてい
る。したがって、理論的には、火炎温度および／または
反応ガスがピ―ク温度に留まる時間を減少させることに
より、ＮＯｘ　排出量を少なくすることが可能である。 しかし、実際には、今日のガスタ―ビン燃焼器は乱流拡
散火炎を特徴としているので、この方法は実現が困難で
ある。このような燃焼器では、燃焼は、蒸発する液体燃
料液滴または供給する気体状燃料ジェットを囲む薄い層
内で、反応領域全体の当量比とは無関係に１に近い燃料
／空気当量比で生起する。これは火炎温度が最高になる
条件であるので、比較的多量のＮＯｘ　が生成する。

【０００４】有意な量の水またはスチ―ムを注入するこ
とにより、慣例の燃焼器が低ＮＯｘ　排出条件を満たす
ようにＮＯｘ　生成を抑制できることも知られている。 しかし、水の注入には、装置が一層複雑になり、水処理
が必要になるため運転コストが増加し、他の性能パラメ
―タが劣化するなどの多くの欠点がある。

【０００５】ＮＯｘ　排出量を低減する問題は、その他
の燃焼器設計基準を満たす必要があると、さらに複雑に
なる。そのような基準とは、良好な点火性能、良好なク
ロスファイヤ性能、全負荷範囲にわたっての安定性、少
ないトラバ―ス数または平坦な排気温度プロフィ―ル、
長い寿命、安全運転性などである。

【０００６】燃料中の窒素および空気中の窒素から窒素
酸化物を形成することになる要因のいくつかは知られて
おり、これらの要因に照らして種々の燃焼器運転条件を
変更する努力がなされている。たとえば、米国特許第３
，９５８，４１３号、第３，９５８，４１６号、第３，
９４６，５５３号および第４，４２０，９２９号を参照
されたい。しかし、従来採用されている方法は、定置式
ガスタ―ビン用の燃焼器に使用するように改変すること
ができなかったり、下記の理由で適切でなかった。

【０００７】燃焼火炎を安定にするのにベンチュリ構造
を使用することができる。このような構成でＮＯｘ　排
出量の低減を図るには、燃料と空気の希薄な均一な混合
気を燃やすことによりピ―ク火炎温度を低める。均一性
を達成するには、燃料と空気を燃焼器内でベンチュリよ
り上流で予め混合し、ついで混合気をベンチュリの端の
鋭いスロ―トの下流で燃やす。ベンチュリ形状は、スロ
―トを通る流れを加速することで、火炎が予混合領域へ
フラッシュバックするのを防止することを目的としてい
る。さらに、ベンチュリの下流壁に隣接する流れの性質
は、剥離流れの区域をつくり、火炎保持領域として役立
つと考えられる。この火炎保持領域は、燃料予混合気の
連続した安定な燃焼に必要である。ベンチュリ壁が燃焼
火炎を包囲するので、ベンチュリ壁を冷却しなければな
らない。冷却は裏側衝突空気で行い、冷却後その空気を
ベンチュリの下流端で燃焼領域に放出する。しかし、こ
のような構造は完全に満足なものではない。

【０００８】本出願人に譲渡されたＷｉｌｋｅｓおよび
Ｈｉｌｔの米国特許第４，２９２，８０１号に記載され
たガスタ―ビン燃焼器は、上流燃焼室と下流燃焼室とを
ベンチュリスロ―トまたは狭窄領域で分離している。Ｎ
Ｏｘ排出量の低減を目指した別の特許出願としては、共
に本出願人に譲渡されたＫｕｗａｔａ、Ｗａｓｌｏ　お
よびＷａｓｈａｍの米国特許出願第９３４，７５５号（
１９８６年１１月２５日出願）および第９３４，８８５
号（１９８６年１１月２５日出願）がある。後者はベン
チュリを含む、燃料−空気予混合式燃焼器構造に関する
。

【０００９】燃料予混合気の燃焼は本来極めて不安定で
ある。不安定状態は火炎を維持できない状況（「ブロ―
アウト」（吹き消え）と称される）を招く。このことは
、燃料−空気の化学量論的量を希薄可燃限界のすぐ上ま
で減少させたとき、すなわち低レベルのＮＯｘ　排出量
を達成するのに必要な状態で、特にそうである。低ＮＯ
ｘ　の乾式予混合燃焼器で解決すべき問題は、所望の運
転温度で安定な火炎を維持しながら、燃料−空気混合気
を希薄にしてＮＯｘ　を減少させることである。さらに
、安定な予混合燃焼を広い燃焼温度範囲にわたって確保
して、ガスタ―ビンの運転の融通性を広げるとともに、
タ―ビン燃焼系の製品寿命を長くすることが望まれてい
る。

【００１０】

【発明の目的】したがって、この発明の目的は、所望の
運転温度で安定な火炎を維持しながら、タ―ビン燃焼装
置における窒素酸化物（ＮＯｘ　）の排出量を減少させ
ることにある。

【００１１】この発明の第２の目的は、広い燃焼温度範
囲にわたって安定な予混合燃焼を呈するタ―ビン燃焼装
置を提供することにある。

【００１２】この発明の第３の目的は、ベンチュリ燃料
−空気供給を改良してタ―ビン燃焼を改良した乾式低Ｎ
Ｏｘ　タ―ビン燃焼装置を提供することにある。

【００１３】この発明の第４の目的は、装置の動圧を減
少させた改良タ―ビン燃焼系を提供することにある。

【００１４】この発明のさらに他の目的は、低ＮＯｘ　
タ―ビン燃焼装置の寿命を改良することにある。

【００１５】

【発明の概要】上述した目的を達成するため、この発明
の窒素酸化物排出量を低減したガスタ―ビンでは、燃料
ガスと空気を予め混合してから、ベンチュリを通して燃
焼室へ供給する。ベンチュリを空気で冷却する。ベンチ
ュリは、ベンチュリの下流スロ―トに取り付けられ、燃
焼室へ延在する実質的に円筒形の通路を含む。この通路
は、ベンチュリ冷却空気がベンチュリ下流壁に隣接する
分離領域へ逆流するのを制御し、燃料予混合気の燃焼の
安定性を改良する。

【００１６】

【具体的な構成】図１において、１０および１１は燃料
ガスと空気を予め混合する環状プレミックス室の２つの
部分または個別の室である。たとえば、天然ガスまたは
他の炭化水素蒸気とすることのできる燃料ガス１２を、
燃料流れコントロ―ラ１４を通してプレミックス室１０
および１１内の１つ以上の燃料ノズル、たとえばノズル
１６および１７に供給する。前掲の米国特許および特許
出願によれば、燃焼器の上流端のまわりに複数のプレミ
ックス室を円周方向に配列することができる。図１では
２つの燃焼室１０および１１を示したが、燃焼室の数は
いくつでもよい。各プレミックス室ごとに１つの軸対称
な燃料ノズル、たとえばノズル１６および１７を使用す
ればよい。空気を１つ以上の入口ポ―ト、たとえば多数
のポ―ト１８を通して導入する。空気をガスタ―ビン圧
縮機（図示せず）からポ―ト１８に、５乃至１５気圧の
高圧で供給する。

【００１７】予め混合した燃料および空気を燃焼室２２
の内部に、２つの傾斜壁３２が狭窄部、すなわち絞った
スロ―ト部３０で接合することで形成されたベンチュリ
２４を通して供給する。燃焼室２２は、燃焼器中心線２
６のまわりに大体円筒形の形状で、外壁２８および２９
で囲まれている。

【００１８】ベンチュリ２４は、矢印３１および３３の
方向に下流へ流れる燃料−空気混合気が絞ったスロ―ト
部３０を通って燃焼室２２に流れる際に、その混合気を
加速する作用をなす。

【００１９】ベンチュリ壁３２は燃焼室２２に隣接して
いるので、この壁を裏側の衝突空気で冷却する必要があ
り、そのために、ベンチュリ壁３２とそれに大体平行な
壁３３とで囲まれた通路またはチャンネル３６にベンチ
ュリ壁３２に沿って衝突空気を流す。冷却空気２３を、
タ―ビン圧縮機（図示せず）から入口２５で壁３３を通
して供給するか、あるいは前掲の米国特許第４，２９２
，８０１号に記載されたような壁のル―バ―を通して供
給することができる。冷却媒体をスチ―ムまたは水、あ
るいは空気と混合したスチ―ムまたは水としてもよい。

【００２０】ベンチュリ２４の通路３６からの冷却空気
を落とし込む構造は、広い温度範囲にわたって所望通り
に動作が安定であるとは認められないか、または所望の
最適な低いＮＯｘ　排出量を達成していないか、あるい
はその両方であった。改良した低ＮＯｘ　燃焼器２０を
開発する過程でこの構造を研究した結果、本発明者らは
、燃焼器のプレクシグラス製原寸モデルに流れ視覚化技
術を適用して、燃焼領域２２に放出されたベンチュリ冷
却空気が、分離領域、すなわち下流区域３７でベンチュ
リ壁に隣接する領域中に「逆」流となって進むことを確
かめた。分離領域は、バルク流れが少量の空気と共に壁
３２からはがれ、そして燃焼済みおよび未燃焼燃料がバ
ルク流れと壁３２で囲まれた区域で再循環することで、
特徴付けられる。バルク流れのはがれは、ベンチュリス
ロ―ト３０より下流で幾何学的面積が急に増加すること
に原因がある。下流出口３６を燃焼室２２の内部に直接
接続した燃焼器におけるベンチュリ冷却空気の放出流れ
の進路は、破線の流線および矢印４２で示す逆流となる
ことを確かめた。この後、その乾式低ＮＯｘ　系を実際
に「燃やして」試験したところ、分離領域に入るベンチ
ュリ冷却空気の量を減らすことにより予混合燃料燃焼過
程の安定性が向上することがわかった。

【００２１】すなわち、本発明者らは、逆流冷却空気が
このようなベンチュリ燃焼系の安定性に悪影響を与える
ことを確かめた。

【００２２】さらに実験を通して、制御された冷却空気
流の放出をベンチュリ壁３２より下流で燃焼器の内部の
燃焼領域に向けて行うことにより、燃焼器の性能を著し
くしかも予想を超えて向上できると、そしてこのことを
比較的簡単な装置で達成できることを確かめた。

【００２３】再び図１を参照すると、出口チャンネル３
６に、出口チャンネル３６から下流に延在する通路４４
をつなげる。すなわち、円筒壁４６を燃焼器壁２８内に
かつそれと同心に配置して、両者間に通路４４を形成す
る。壁４６も燃焼室２２に隣接しているので、壁４６を
裏側衝突空気、気膜空気またはフィン４８などの手段で
ある程度冷却し、熱を壁から運び去る。壁４６は、燃焼
過程に隣り合う燃焼器シュラウド壁とすればよい。通路
４４の長さ４９は、燃焼器の設計に応じて最適なものと
するが、通常ベンチュリ出口チャンネル３６の半径方向
幅の８乃至１０倍程度とする。この発明の１実施例では
、燃焼器２０の内径が１０インチで、ベンチュリ２４の
絞ったスロ―ト部３０からベンチュリの出口チャンネル
３６の下流出口までの軸線方向距離４７が３インチで、
スロ―ト３０の直径が７インチで、円筒壁４６および外
壁２８が形成する通路４４の軸線方向長さ４９が２イン
チであった。別の実施例では、燃焼器２０の内径を１０
乃至１４インチ、距離４７を３乃至５インチ、スロ―ト
３０の直径を７乃至９インチ、通路４４の長さを２乃至
７インチの範囲で変えた。この構成とすれば、ベンチュ
リ２４からの放出冷却空気５２が、矢印５２で示すよう
に、燃焼室内でほとんど下流向きの流れとなり、僅かな
逆流５５しか生じないことが確かめられた。これにより
、後述する通りの優れた効果が得られることを確かめた
。

【００２４】しかし、プレクシグラス製原寸モデルで実
際に燃焼器試験および流れ視覚化試験を行う前には、通
路４４を通るベンチュリ冷却空気の流れが壁２８に沿っ
て燃焼領域５８に出て行き、その全体またはほぼ全体が
、矢印４２で示されるように燃料ガスおよび空気の流れ
に逆らって上流へ分離領域５４中に流れない、と考えら
れた。その従前の考えとは反対に、本発明者らは現在、
ベンチュリ下流壁３２に隣接する分離領域５４における
（ベンチュリスロ―ト部３０のくびれにより生成する高
速の燃焼ガスにより生じる）低圧ゾ―ンに誘われて、通
路３６の下流端で放出されたベンチュリ冷却空気が後ろ
向きに、つまり上流へ分離領域５４中へ流れる、と考え
ている。

【００２５】この発明は、ベンチュリ冷却ガス流をさら
に下流まで運ぶ有意なかつ十分な長さの通路を提供する
。冷却ガスを少なくとも分離領域５４の中間領域を越え
てから放出しなければならない。

【００２６】通路の長さを変えて全圧点火燃焼装置で試
験したところ、分離領域５４に入る冷却空気の量を制御
することにより、燃料−空気予混合燃焼器の安定性が著
しく向上することが見出された。その結果、予混合燃焼
運転が可能な温度範囲が著しく増大し、その上、燃焼器
２０をより低い燃焼系動圧で運転できる。通路４４なし
の全圧点火燃焼系の温度測定から、ベンチュリ冷却空気
が分離領域５４内を再循環する燃焼ガスを有意に冷却お
よび希釈し、その結果この領域の火炎保持の安定性が低
下すると推論される。

【００２７】図２は、通路４４の長さ４９を変えたとき
の影響を示す。図２では、燃焼器排気温度（°Ｆ）をＹ
軸にプロットし、通路４４の長さ／幅の比をＸ軸にプロ
ットしてある。こうして得られる曲線５７より上が火炎
の安定な領域で、曲線５７より下はサイクリング領域、
すなわち火炎の不安定な領域である。通路４４の長さ／
幅の比を増加すると、燃焼器２０の火炎が安定な温度範
囲が低下することがわかる。図２は、ベンチュリ空気ダ
ンプ４６の長さ（ベンチュリの直径３０を用いて単位な
しにしてある）を変えると、燃焼器の排気温度がどのよ
うに変わるかを示している。曲線５７より下では、燃焼
器はサイクルモ―ドで作動し始め、予混合燃焼が不安定
になる。１６００°Ｆ以下では、燃料ガス−空気予混合
気が吹き消える。たとえば、単位なしのベンチュリ空気
ダンプの長さが０．２５であるとすると、乾式低ＮＯｘ
　燃焼器２０を１９００°Ｆ以上の排気温度で安定に運
転できる。さらに、全負荷運転温度が２１００°Ｆであ
れば、１９００−２１００°Ｆの排気温度範囲に対応す
る部分負荷運転条件で、燃焼器を予混合燃焼モ―ドで運
転することができる。なお、安定な火炎温度は２１００
°Ｆ以上から１７００°Ｆ以下まで低下する。このよう
に安定な燃焼を比較的低温までを含む広い範囲にわたっ
て維持できることにより、ＮＯｘ　および一酸化炭素（
ＣＯ）排出量が所望通りに低下する。

【００２８】この発明によれば、乾式低ＮＯｘ　燃焼器
２０の予混合運転モ―ドを改良することにより多数の効
果が得られる。（１）燃焼器が安定であり、予混合モ―
ドで点火できる温度範囲が低温まで広がるので、ガスタ
―ビンを運転する際の扱いやすさが増大する。（２）Ｎ
Ｏｘ　排出量が低下する。（３）ＣＯ排出量が低下する
。 （４）装置の動圧が低くなるので、燃焼器の寿命と検査
から次の検査までの時間が長くなる。（５）燃焼器の公
称運転温度に対して排出量を最適化するように、燃焼器
の運転を調整する手段が得られる。

【００２９】図３にこの発明の別の実施例を示す。図３
では、通路４４の長さを調節可能にし、変動する運転条
件でのこの発明の最適化能力を調節可能にする。円筒形
スリ―ブ６０を通路４４内にぴったり摺動自在に装着し
て、通路４４の有効長さを調節できるようにする。燃焼
器２０の内部は高温で過酷な環境にあるので、ほとんど
の装置では、作動特性が最適となるように設計した固定
（調節できない）壁４６を用いる。コントロ―ル６２と
して概略的に示した調節機構は、燃焼器２０の環境に適
当であれば、どのような形式としてもよく、たとえばラ
ック−ピニオン機構としたり、あるいは簡単に壁２８の
軸線方向長溝６４内を移動するコントロ―ル６２により
スリ―ブ６０を動かしてもよい。コントロ―ル６２をね
じ付き締結具として、この締結具をスリ―ブ６０のねじ
切り穴６６にねじ込むことにより、スリ―ブを所望の位
置に固定する。

【００３０】この発明をそのいくつかの好適な実施例に
ついて説明したが、構成、部品の配置や組み合わせ、そ
して使用する材料の種類を、この発明の要旨を逸脱しな
い範囲内で種々に変更することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明を組み込んだガスタ―ビン燃焼装置の
概略断面図である。

【図２】この発明を適用することにより実現される優れ
た運転特性を示すグラフである。

【図３】この発明の別の実施例を適用した図１の燃焼器
の一部を縮小して示す同様の断面図である。

【符号の説明】

１０，１１　　プレミックス室 １２　　燃料ガス １６，１７　　燃料ノズル ２２　　燃焼室 ２３　　空気 ２４　　ベンチュリ ２８，２９　　外壁 ３０　　スロ―ト部 ３２　　傾斜壁 ３６　　通路（出口チャンネル） ４４　　延長通路 ４６　　壁 ５４　　分離領域

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　燃料ガスと空気とを混合するプレミッ
   クス室、このプレミックス室の下流に配置され、分離領
   域およびその下流の燃焼領域を含む、燃料ガス−空気プ
   レミックスを燃焼させるための燃焼室、上記プレミック
   ス室と燃焼室との間に配置され、そこを通って燃料ガス
   −空気プレミックスが上記燃焼室へ通過するベンチュリ
   、および上記燃焼室の領域内で上記ベンチュリの下流表
   面の少なくとも有意な部分に沿って軸線方向に延在する
   冷却ガス流用通路を備える燃焼器において、上記通路は
   上記ベンチュリの燃料ガス−空気プレミックスが燃焼室
   へ入る側とは反対の側に位置し、上記通路は上記燃焼室
   内で下流へ、冷却ガスが通路から出た後上記分離領域へ
   有意に逆流するのを防止するのに十分な以上延在し、こ
   うして燃焼を広い温度範囲にわたって効果的に行って燃
   焼器のＮＯｘ　排出量を低下することができる乾式低Ｎ
   Ｏｘ　燃焼器。
2. 【請求項２】　　上記ベンチュリが上記燃料ガスと空気
   の流れに対する狭窄部を含み、上記通路が上記狭窄部よ
   り下流に上記燃焼室の周囲に隣接して出口を有する請求
   項１に記載の燃焼器。
3. 【請求項３】　　上記通路の下流出口に上記燃焼室の周
   囲に沿って第２の通路が設けられ、この第２の通路が上
   記ベンチュリ出口からさらに下流へ延在して冷却流体が
   上記分離領域へ有意に逆流するのを防止する請求項２に
   記載の燃焼器。
4. 【請求項４】　　分離領域および燃焼領域を含むガスタ
   ―ビン燃焼器に燃料を供給するにあたり、プレミキサで
   燃料ガスと空気とを混合し、燃料ガスと空気の混合気を
   混合後、上記ガスタ―ビン燃焼器のベンチュリ狭窄部に
   通してその流れを加速し、少なくとも上記燃焼領域の範
   囲内の上記ベンチュリの壁を冷却ガスで冷却し、上記冷
   却ガスを上記ベンチュリの壁に隣接する通路に通して、
   上記冷却ガスを上記燃焼器の燃焼領域に向かって、冷却
   ガスが上記通路から出た後上記分離領域へ有意に逆流す
   るのを防止するのに十分な距離運び、上記混合気を燃焼
   器の燃焼領域内で燃焼するように点火する工程を含む、
   窒素酸化物および−酸化炭素の排出量が少ないガスタ―
   ビン燃焼器への燃料供給方法。
5. 【請求項５】　　上記通路を上記分離領域の中間領域を
   越えて延在させる請求項４に記載の方法。
6. 【請求項６】　　さらに、上記通路の軸線方向長さを調
   節し、低温での混合気の燃焼を安定化して窒素酸化物の
   排出を抑制する通路長さ調節工程を含む請求項５に記載
   の方法。
7. 【請求項７】　　上記冷却ガスとして空気を用いる請求
   項６に記載の方法。
8. 【請求項８】　　燃焼器のハウジングが実質的に円筒形
   であり、このハウジング内にそれとほぼ同心に壁を設け
   ることにより上記通路を形成する請求項４に記載の方法
   。
9. 【請求項９】　　上記通路の長さを上記壁とハウジング
   間の距離より十分大きくなるように調節する請求項８に
   記載の方法。
10. 【請求項１０】　　上記通路の長さを調節して、上記通
    路の下流出口を少なくとも上記分離領域の中間領域に配
    置する請求項９に記載の方法。