JPS594823A - 低カロリ−ガス焚ガスタ−ビン燃焼器 - 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】 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。

従来よシ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）。従って、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Ｃ
Ｏ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景が１２００　
　ｋｃａｌ／Ｎｍ９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
っ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
。従って低カロリーガス燃料にあっては、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
う問題も残っている。

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、
燃料中室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、これによシ低カロリーガス燃料使用の隘路と
なっ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、つまシ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シ燃料を第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。従って第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段燃焼が可能となシ、これによシ
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燃焼室によシ加熱され
る形になるので、該第２燃焼室での２段燃焼が可能とな
シ、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
たものであシ、上記のように２つの燃焼室を設けること
によシ、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υ、この中に第１燃焼室１２゜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。よっ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ＫＩＩＩ’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
女シ、燃焼条件が良くなっているためにかかる２段燃焼
が実現されるものである。

従ってこの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、下肥の通υ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；コンプレッサ（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゜１１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、コンプレッサからの圧縮空気
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″！！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燃料室１２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、
全範囲に亘っ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、
パイロッ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１１８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Ｍｌ　ｉ　ａの周囲が空気孔７で囲まれる様に
々っている。（ｆＭ、第６図では空気孔７、噴口部１１
ａともに同心の円形になっているが、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２
１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
ってこれと燃料２５、空気２６との混合気は燃料の発火
点よりも高く、第２燃焼室人口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燃焼器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燃焼室人口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Ｖ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シ、爾後負荷が
それよシ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燃焼室人口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Ｖ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
燃焼であっても、燃焼安定性が確保され、第２燃焼室１
３での２段燃焼が可能となる、この例では該８点以上の
負荷で２段燃焼が可能となっておシ、定格負荷条件（１
００％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の出口温度つまシ
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、これによシ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Ｕ 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′＠
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１
３において、このような２段燃焼を安定に達成できるの
で、燃料中室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ＮＨ，ｌ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となっ
て種々の窒素酸化物Ｎ　Ｏｘ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、ＮＨ，→ＮＯ
という変化が抑市される。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Ｎ　Ｏｘの発生を小ならしめたものである。

また、本実施例にあっては第６図の如く、空気孔７内に
ノズル噴出口１１ａを設ける構成を採ったので、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、従って燃焼効率
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■が従来燃焼器よシも小さいため、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１
２．１３にした効果であって、従来は第５図の０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０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Ｘで示す
通シである。

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に人力し、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、これをもって出力制菌を行うように外
っている。

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
する構成にしである。

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って、このように２段燃焼を可能と
したことによって燃料中室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、よっ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。従って本発明により、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、２４・・・第
２燃焼室入口。 代理人　弁理士　秋本正実 茅４　口 ０　　　　　　２５　　　　Ａ　　　Ｅθ　　３　７５
　　　　　ｌθθ力゛ス　ター　ヒ゛　〉美渚乍　　　
ｊ％）ＺＳＡ　　　ＩＩＢ　　　７（ｔｌθ 力°スターヒ゛〉夏Ｆｒ　　（’／、）茅に目 Ｉ

Claims (1)

1. 【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
   したものでふ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！。