JPH08261468A

JPH08261468A - ガスタービン燃焼器

Info

Publication number: JPH08261468A
Application number: JP6959995A
Authority: JP
Inventors: Chikau Yamanaka; 矢山中
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1995-03-28
Filing date: 1995-03-28
Publication date: 1996-10-11

Abstract

(57)【要約】【目的】ガスタービンの全負荷範囲での低ＮＯｘ化を達
成するガスタービン燃焼器を提供するにある。【構成】ガスタービン燃焼器は拡散燃焼と、空気との予
混合による予混合燃焼とによる多段燃焼方式を採用す
る。このガスタービン燃焼器は拡散燃焼のために燃焼の
よい燃料の供給系１２を設けたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、ガスタービン発電プ
ラントやコンバインドサイクル発電プラントにおいて用
いられるガスタービン燃焼器に係り、特にガスタービン
の排気中に含まれるＮＯｘ濃度の低減を図ることができ
るガスタービン燃焼器に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービン発電プラントやコンバイン
ドサイクル発電プラントにおいて使用されるガスタービ
ンは、高効率化のためその作動条件が高温、高圧力とな
っており、そのためＮＯｘ（窒素酸化物）を増大させる
傾向にある。

【０００３】ＮＯｘの発生要因は種々存在するが、主と
して火炎温度が支配的であり、したがってＮＯｘを低減
させるためには火炎温度を如何に低く抑えるかにかかっ
てくる。そこで従来から種々対策が講じられているが、
最も簡単なＮＯｘ低減法として、燃焼器内の高温燃焼領
域に蒸気噴射や水噴射を行い、燃焼時における火炎の温
度を低下させるようにすることが多く採用されていた。

【０００４】しかしこの手法では、適用が簡単で優れた
面を有しているが、蒸気や水を多量に使用すること、蒸
気や水の使用は結果としてプラント効率を低下させ、高
効率化を指向する目的に反すること、燃焼器内の多量の
蒸気や水の噴射は燃焼振動等を増大させ、燃焼器の寿命
を低下させること、などの種々の欠点があった。

【０００５】このようなことから、蒸気噴射や水噴射に
よる手法を用いずに火炎温度を低下させる手段として、
燃料と燃焼用空気とを燃料稀薄条件に予混合して燃焼さ
せる、いわゆる予混合多段稀薄燃焼法が採用され、従来
の蒸気噴射や水噴射により達成していたＮＯｘ低減レベ
ルを実現することが可能となっている。

【０００６】予混合多段稀薄燃焼法においては、予混合
燃焼の欠点である狭い燃焼範囲をカバーするため、広い
空燃比の範囲で安定した燃焼が可能な拡散燃焼火炎を併
用した火炎構造が採用されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】予混合多段稀薄燃焼法
を用いるドライ型のガスタービン燃焼器によれば一定の
成果は得られるが、下記のような問題点がある。

【０００８】すなわち図５にガスタービン負荷とＮＯｘ
発生量との関係の特性図を示すように、蒸気や水の噴射
型のガスタービン燃焼器のＮＯｘ排出特性曲線ａに対
し、蒸気や水を使用しないドライ型の低ＮＯｘガスター
ビン燃焼器によるＮＯｘ排出特性曲線ｂは、ガスタービ
ン負荷領域ｄ〜ｅに対しかなり低減されているが、低負
荷側領域ｃ〜ｄにおいては問題を有している。ドライ型
ガスタービン燃焼器では低負荷領域でのＮＯｘ低減のた
め従来では燃料系統を多段化し、ＮＯｘ特性曲線ｂの一
部を一点鎖線ｆで示す低ＮＯｘ特性に変更し、ＮＯｘの
低減化への改良を行なってきた。しかし、ガスタービン
の全負荷範囲である負荷ｃから定格負荷ｅまでにおいて
理論的に可能な最低のＮＯｘ特性ｇにマージンをみて設
定可能なＮＯｘ目標値特性ｈに対しＮＯｘ特性（例えば
特性曲線ｂ）がかなり高くなっている。

【０００９】すなわち拡散燃焼火炎に支えられた予混合
燃焼火炎によって安定燃焼を維持する従来のドライ型低
ＮＯｘガスタービン燃焼器のＮＯｘ特性ｊは、図６に示
すように拡散燃焼火炎用の燃料流量割合にほぼ反比例す
る。したがってＮＯｘをさらに低減させるためには拡散
燃料流量割合を出来る限り小さくすることが望ましい。

【００１０】しかし、従来のドライ型低ＮＯｘガスター
ビン燃焼器の構成および形状では、図７に示すように最
も小さい拡散燃料流量割合は各ガスタービン負荷でＣＯ
制限値ｋをクリアできる拡散燃料流量割合ｌで決まって
おり、この流量割合ｌより小さい拡散燃料流量割合にす
ると、ＣＯ（またはＴＨＣ等）が増大し、燃焼効率の低
下や燃焼振動の増大により安定した運転が不可能とな
り、さらに小さい拡散燃料流量割合ｍ以下にすると失火
するという問題があった。それ故安定燃焼や失火防止の
ため拡散燃料流量割合を零まで減少してＮＯｘを最小値
まで低減することができなかった。

【００１１】この発明は、ガスタービン燃焼器の高温化
や低ＮＯｘ化に伴い従来のドライ型ＮＯｘガスタービン
燃焼器において達成し得なかったガスタービンの全負荷
範囲で低ＮＯｘ排出特性を実現する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。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明に係るガスタービン燃焼器では、拡散燃焼
と、空気との予混合燃焼とによる多段燃焼方式を有する
ガスタービン燃焼器であって、前記拡散燃焼のために燃
焼性のよい燃料の供給系を設けたことにある。

【００１３】燃焼性のよい燃料の供給系は、燃焼器の一
部分の負荷運転時にのみ拡散燃焼用燃料に燃焼性のよい
燃料を供給するようにしたことを請求項２とする。

【００１４】また、燃焼性のよい燃料の供給系に、燃料
の改質反応により燃焼性のよい燃料とする改質器を設け
た請求項３とする。さらに改質器の改質反応に必要な熱
源に燃焼器出口の燃焼ガスを使用するようにしたことを
請求項４とするものである。

【００１５】

【作用】拡散燃料として燃焼性のよい燃料を使用してい
ることにより、ガスタービンの低負荷時であっても拡散
燃料の比率（拡散燃料流量割合）を小さくしても失火せ
ず安定した拡散燃焼を得ることができ、したがって低負
荷時でもＮＯｘの生成の抑制が可能となり、ガスタービ
ンの全負荷にわたりガスタービン燃焼器からのＮＯｘの
発生を抑えることができる。また在来のドライ型低ＮＯ
ｘガスタービン燃焼器の場合でも、低負荷時にのみ拡散
燃料を燃焼性のよい燃料に切換えることにより同様の作
用を奏することができる。

【００１６】

【実施例】以下この発明の実施例を図面を参照して説明
する。

【００１７】図１はこの発明によるガスタービン燃焼器
の一実施例の断面を示すもので、このガスタービン燃焼
器は、コンプレッサＡとガスタービンＢとの間に設けら
れる。ガスタービン燃焼器は外壁１と、その内側に設け
られる燃焼器ライナーのスリーブ外筒としてのフロース
リーブ２と、さらにその内側に設けられるスリーブ内筒
としての内筒３とを有し、これらの一端には端壁４が設
けられ、内筒３の他端にはトランジションピースである
尾筒５がスプリングシール６を介して接続される。

【００１８】内筒３内に燃焼室が画成され、この燃焼室
は拡散燃焼域７と予混合燃焼域８とを有している。拡散
燃焼域７には、端壁４に挿通された拡散燃料ノズル９が
内筒３の端部壁１０にスワラ１１とともに内筒３内に臨
ませてある。

【００１９】拡散燃料ノズル９には、２種の燃料供給ラ
イン１２，１３が切換弁１４を介して接続され、この切
換弁１４の切換えによりいずれか一方の燃料供給ライン
１２または１３が選択されて所定の燃料が供給できるよ
うになっている。一方の燃料供給ライン１２は、燃焼性
のよい燃料の供給系を構成しており、この燃料供給ライ
ン１２から改質等により処理された燃えやすい燃料が供
給されるようになっている。

【００２０】予混合燃焼域７には、フロースリーブ２と
内筒３との間に予混合装置としての予混合ダクト１５が
内筒３の周方向に例えば４〜８個配設されている。この
予混合ダクト１５の上流側に空気取入口１５ａが形成さ
れ、この空気取入口１５ａには燃料ノズル１６が臨んで
いる。燃料ノズル１６は外壁１の端壁４に設けられ、こ
の燃料ノズル１６からは予混合燃料がシャワー状に噴出
され、予混合ダクト１５内で燃焼用空気と均一に混合さ
れるようになっている。この予混合燃料は予混合ダクト
１５を下流（図において右方）へ流れるにつれて増速さ
れ、乱流燃料速度の２倍以上の流速となって内筒３に形
成された予混合燃料噴出口１７ａ，１７ｂ，１７ｃから
内筒３内の予混合燃焼域８に噴射され、流入するように
なっている。

【００２１】燃料ノズル１６への燃料供給は、遮断弁、
燃料流量調整弁、分配弁（いずれも図示省略）を介して
行われるが、これらは演算器に入力されているガスター
ビン負荷等のスケジュールによる負荷信号に対応して制
御される。符号１８は点火用イグナイタを示す。

【００２２】次に図１に示したガスタービン燃焼器の作
用を説明する。

【００２３】まず、図１における空気の流れを説明する
と、コンプレッサＡから吐出された高温、高圧の空気の
一部がガスタービンの冷却に回り、その一部は図１にお
ける燃焼器用空気１９となる。この燃焼器用空気１９の
一部は内筒３および尾筒５の冷却に使用される。残りの
燃焼用空気は拡散燃焼域７および予混合装置の予混合ダ
クト１５にそれぞれ燃焼用空気として流入する。

【００２４】一方、燃料の流れは、図１において燃料ノ
ズル１６から噴出された燃料が燃焼空気と共にスワラ１
１により拡散され、各運動量を与えられて旋回しながら
内筒３に流入する。燃料と燃焼用空気の流入と同時にイ
グナイタ１８により点火され、拡散燃焼によるパイロッ
ト火炎を形成する。また予混合燃料は燃料ノズル１６か
らシャワー状に噴出され、燃焼用空気１９と均一に予混
合ダクト１５内で予混合される。この予混合燃料は下流
に流れるにつれて増速され、乱流燃焼速度の２倍以上の
流速となり、噴出口１７ａ，１７ｂ，１７ｃから内筒３
内に流入する。このとき乱流燃焼速度の２倍以上の流速
となっていることによりパイロット火炎による予混合ダ
クト１５内への逆火が防止される。

【００２５】流入した予混合燃料は、上流側のパイロッ
ト火炎により着火・燃焼され、予混合火炎を形成する。
このとき予混合火炎の火炎温度はＮＯｘが生成されない
燃焼温度（＜１６００℃）になるように燃料流量がそれ
ぞれ演算器により制御される。

【００２６】次に燃焼法について説明する。

【００２７】図２において符号ａは従来の負荷に対する
拡散と予混合との燃料配分関係を示すが、この燃料配分
は低負荷域では拡散燃焼の安定化を図るために拡散燃焼
用の燃料を多くしている。したがって低負荷域運転にお
ける燃焼器出口のＮＯｘは同図に示すように高くなって
いる。そこでこの発明における低負荷域に拡散燃焼用に
用いる燃料として燃えやすい燃料、例えば水素に切換え
て運転する場合の燃料配分を図２の符号ｂとして示して
いる。この場合の燃焼器出口のＮＯｘは、同図に示すよ
うにガスタービンの全負荷にわたりＮＯｘを抑制するこ
とができる。なおこの発明におけるガスタービン燃焼器
のＮＯｘ特性は、図５に符号ｉで示している。また拡散
燃料として燃えやすい燃料の供給は全負荷において実施
してもよいことはもちろんであり、この場合も同様の効
果を得ることができる。

【００２８】図３は、燃えやすい燃料の供給系の構成の
実施例を示すもので、図１における燃料供給ライン１２
に改質器２０が接続されている。この改質器２０は燃料
の改質反応によって燃焼性のよい燃料とするもので、改
質触媒を用い、燃料に水蒸気２１を添加することにより
改質するようになされている。この改質触媒は吸熱反応
であるため熱源が必要とされるが、この実施例ではバー
ナ２２により加熱するようにしている。

【００２９】図４は、図３における改質器２０の加熱用
熱源に燃焼器出口の燃焼ガス２３の一部を用いるように
した実施例である。この実施例によれば、熱の有効利用
を図ることができ、プラントトータルの効率を高めるう
えで効果が高い。

【００３０】なお燃料の改質のための改質器２０に改質
触媒を用いた場合を示したが、改質器を用いた例に限定
されるものではなく、熱分解によるものなどであっても
よいことはもちろんであり、またガスタービン燃焼器に
ついても、ガス燃料や液体燃料を使用する種々のタイプ
のガスタービンに適用することができる。図３および図
４においてガスタービン燃焼器は図１と同じであるから
対応する符号を付して説明を省略する。

【００３１】また、このガスタービン燃焼器において、
拡散燃焼用燃料は、ガスタービンの全負荷にわたり、燃
焼性が良好な燃料を用いてもよい。

【００３２】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、従来の
ガスタービン燃焼器の問題点であった低負荷域での拡散
燃焼の不安定性やＮＯｘの増大を同時に解消することが
可能となり、その結果、全運転範囲におけるＮＯｘの生
成を抑制することができる。そしてこのＮＯｘの発生の
削減により、脱硝装置の縮小乃至は省略、アンモニア消
費量の減少等を含み運転経費の節減等に大きく寄与する
ことができ、延いては地球環境のクリーン化に対しても
貢献することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係るガスタービン燃焼器の一実施例
を示す断面図。

【図２】拡散燃料割合に対するＮＯｘ特性を示す特性
図。

【図３】この発明に係りガスタービン燃焼器の他の実施
例を示す断面図。

【図４】この発明に係るガスタービン燃焼器のさらに他
の実施例を示す断面図。

【図５】ガスタービン燃焼器出口のＮＯｘと負荷との関
係を示すグラフ。

【図６】拡散燃料割合によるＮＯｘ特性図。

【図７】拡散燃料割合に対するＮＯｘとＣＯとの特性
図。

【符号の説明】

１外壁２スロースリーブ３内筒４端壁５尾筒６スプリングシール７拡散燃焼域８予混合燃焼域９拡散燃料ノズル１０端部壁１１スワラ１２，１３燃料供給ライン１４切換弁１５予混合ダクト１６燃料ノズル１７ａ，１７ｂ，１７ｃ予混合燃料噴出口１８イグナイタ２０改質器２２バーナ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】拡散燃焼と、空気との予混合による予混
合燃焼とによる多段燃焼方式を有するガスタービン燃焼
器において、前記拡散燃焼のために燃焼性のよい燃料の
供給系を設けたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項２】燃焼性のよい燃料の供給系は、燃焼器の
一部分の負荷運転時にのみ拡散燃焼用燃料に燃焼性のよ
い燃料を供給するようにされている請求項１記載のガス
タービン燃焼器。
【請求項３】燃焼性のよい燃料の供給系は、燃料の改
質反応により燃焼性のよい燃料とする改質器を有してい
る請求項１記載のガスタービン燃焼器。
【請求項４】前記改質器の改質反応に必要な熱源に燃
焼器出口の燃焼ガスを使用するようにした請求項３記載
のガスタービン燃焼器。