JPS597722A

JPS597722A - ガスタ−ビン触媒燃焼器

Info

Publication number: JPS597722A
Application number: JP11685482A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Tsukahara; 聰塚原; Kazumi Iwai; 岩井　一躬; Yoji Ishibashi; 石橋　洋二; Hidekazu Fujimura; 秀和藤村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1982-07-07
Filing date: 1982-07-07
Publication date: 1984-01-14
Also published as: JPH0411729B2

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、ガスタービンの負荷変動に対して、広範囲で
追従し、低ＮＯＸ化を達成させるようにしたガスタービ
ン触媒燃焼器に関する。

近時において、ＮＯｘの規制値は、ますます厳しくなっ
ている。

又一方において、省エネルギの観点から、燃焼器出口の
ガス温度を高くして、ガスタービンの熱効率の同上を計
る必要がある。

しかしながらＮＯＸ排出量は、燃焼器の出口ガス温度を
高温にするほど多くなシ、このＮＯＸの低減とガスター
ビンの熱効率向上とは、表裏一体の関係にある。

このような社会的な要求と技術背景の中で、従来は、脱
硝装置を並設して対処してきたが、現在のＮＯＸ規制規
制溝足させるに至らず、これに代るものとして触媒燃焼
器が注目されてきている。

しかしながらこの触媒燃焼器は、効率のよい触媒反応と
触媒の耐熱性の点で、温度上の制約があシ、ガスタービ
ンのような広い負荷変動に対応させ実用化させてｔハく
には、技術的な問題が残されている。

触媒の表面で進行する接触燃焼は比較的低い温度でも進
行するが、殊に燃焼器出口のガス温度が１０００ｔ：’
以上と高く、且つ高負荷７然焼が要求されるガスタービ
ンの燃焼器として使用される触媒燃焼器は、高負荷燃焼
が要求され、その燃焼方法として、接触燃焼に支持され
た気相燃焼を伴なう燃焼方法が採用され、第１図に示す
ようなガスタービン触媒燃焼器が考えられている。

即ち、燃料ノズル６から供給される燃料は、コンプレッ
サから供給される空気と均一に混合され、内筒４の後流
に取付けられた触媒層５で燃焼する。

しかしながら、触媒層温度が低い場合には、燃焼負荷率
を高めることができないため、起動時には、パイロット
バーナ７から高温ガスを内筒４内に供給して触媒１４５
を高負荷燃焼可能な温度まで加熱する。

このようにして、触媒層の温度を昇温することによって
、高負荷燃焼が達成され、触媒燃焼器の燃焼効率が高く
なシ、ＮＯＸの低い燃焼を行なうことができる。

しかしながら、その作動範囲は、第２図に示すように、
完全燃焼する燃空比ｆ１が約０．０２５以上でありＸ触
媒の耐熱性から上限燃空比ｆ２は０．０３３以下になる
ようにしなければならず、触媒燃焼器内での燃焼には、
上記のような制約がある。

一方現用ガスタービンは、負荷変動に応じて、燃空比も
変化させ、そのｆ動巾は最低負荷時の０、００５から定
格負荷時の０．０２２まで変動する。

このガスタービンの負荷変動中に対して、触媒燃焼器が
使用できる範囲は、ガスタービンの定格負荷時（燃仝比
０．０２２）に限定されてしまい、その他のタービン負
荷に対しては、パイロットバーナで補う以外に方法はな
かった。

その結果、タービンの定格負荷時では、触媒燃焼器で燃
焼するので、ＮＯＸの排田ｔは従来の１／１０以下に減
少するが、夕〜ビンの定格負荷以外の部分では、パイロ
ットバーナによって燃焼されるので、ＮＯｘの排出量が
高くなシ、問題であった。

この問題の解決策として、触媒燃焼器に供給する燃料ノ
ズルを、触媒燃焼器の囲シに円環状に多数配役し、ガス
タービンの負荷＆動に応じて、作動燃料ノズルの数を調
節し、負荷に応じた燃料供給層を調節して行なっていた
が、負荷が低い場合は、触媒ノーの温度と最適に維持す
るに必要なだけの燃焼が行なえず、負荷変化時には触媒
層の一部分で燃焼効率が低下し、ＮＯｘの排出量が多く
なシ、実質的にタービンの負荷変化に追従できないとい
う問題があった。

本発明は、上記問題を鑑みなされたものであ）、タービ
ンの負荷変動に対し充分追従させ、低ＮＯＸ化を達成し
たタービン触媒燃焼器を提供せんとするものである。

即ち本発明は、起動時のみ燃焼するパイロットバーナを
設け、最初の触媒燃焼器を昇温するようにすると共に、
燃焼ガスの流れ方向に複数の触媒燃焼器を設け、これら
ａ数の触媒燃焼器のそれぞれに燃料と空気を供給するた
めの装置を付設して一定範囲の燃空比でそれぞれの触媒
燃焼器内で燃焼させるようにし、この燃料供給装置と燃
料供給母管とを開閉弁を介して接続し、ガスタービンの
出力設定信号に基づいて燃料全体の流量を燃料母管に設
けた流す制御弁によって制御し、このようにしてガスタ
ービンの負荷に応じて流量制御された燃料を、ガスター
ビン出力信号に基づいて前記開閉弁を操作することによ
って、それぞれの触媒燃焼器に配分し、ガスタービン出
力の変動に対し触媒燃焼器の作動を追従させると共に、
一定範囲内の燃空比で、触媒燃焼器を燃焼させるように
したことを特徴とするものである。

以下本発明の実施列について、詳細に説明する。

先ず本実施例の概要につｈて第３図を基に説明ｊる。

８は、起動時のみ燃焼室７内で燃焼するパイロットバー
ナである。１２，１３，１４．１５はそれぞれ触媒層で
あシ、これら触媒層には、それぞれ燃料ノズル１６，１
７，１８．１９と空気通路２６が付設され、触媒燃焼器
がガス流れ方向に配設されている。

父上記燃料ノズル１６．１７，１８．１９はそれぞ、れ
開閉弁２０，２１，２２．２３を介して燃料母管９に接
続されている。このように構成したガスタービン触媒燃
焼器の全体の燃料量は、ガスタービン出力設定信号３２
からの信号によって、燃料量−Ｊ９に設けた流量制御弁
２８を作動して燃料毎＝ｇ９内を流れる燃料の流量を制
御することによって行なわれ、このようにして流量制御
された燃料母管９内の燃料は、ガスタービン出力信号３
３によって開閉される開閉弁１６．１７，１８゜１９の
開閉によって、それぞれの触媒燃焼器に配分され燃焼す
る。

このようにして、先ずガスタービンの負荷変動に応じて
、ガスタービン触媒燃焼器の全燃料量を設定値に応じて
流量制御し、このようにしてガスタービンの負荷に応じ
て流量制御された燃料を、さらにタービンの負荷に応じ
て触媒燃焼器に配分し、ガスタービンの負荷に応じて触
媒燃焼させるものである。

この触媒燃焼に際して、先ず起動時は、パイロットバー
ナ８によって、第１段目の触媒層１２を昇温加熱した後
停止して、触媒層１２内の燃焼によってその温度を保持
させる。このようにして、触媒層１２内での燃焼と温度
の保持によって、次段の触媒層１３の温度を昇温保持し
、いつでも高負荷燃焼可能な状態になっている。例えば
ガスタービン負荷によって触媒層１２と１３で高負荷燃
焼している場合は、当然触媒ノ４１４の温度は、いつで
も高負荷燃焼可能な温度に保持されている。

又各触媒燃焼器内での燃焼は、ある一定範囲内の燃量比
（０，０２５〜０．０３５）で燃焼する。

この詳細をさらに詳しく説明する。第３図において、ガ
スタービン燃焼器本体は、外筒２、内筒４と燃焼ガスの
流れ方向に配設された触媒層１２゜１３．１４．１５に
燃料ノズル１６．１７，１８゜１９及び空気通路を付設
して成る触媒燃焼器と、起動時のみ燃焼させるパイロッ
トバーナ８及びその燃焼室７と燃料ノズル３０とで構成
されている。

２８は燃料流量制御弁、２７は開閉切換弁であｐｌこれ
らは共に燃料母管９に設けられている。この燃料母管９
と、各燃料ノズル１６．１７，１８゜１９及び３０とは
、開閉弁２９，２０，２１゜２２．２３を介して接続さ
れ、この接続は、流量制御弁２８と開閉切換弁２７との
中間部において接Ｕされている。３２は負荷設定器であ
シ、タービンの負荷に応じて流量制御弁２８を制御し、
タービン触媒燃焼器内で燃焼する全燃料量を制御する。

又３１は指示器であシ、タービン出力信号３３によって
、開閉弁２９，２０，２１，２２゜２３及び開閉切換弁
２７を開閉する。

以上のように構成した本実ｍ例の作用を以下説明する。

先ず起動時において、開閉切換弁２７を開、開閉弁２９
，２０，２１，２２．２３を閉にして、パイロットバー
ナ８に燃料を供給し、点火装置２４によって点火させ、
パイロットバーナ８によって燃焼室７内で燃焼させる。

このようにして点火された後、序々に燃料量を増加させ
、燃焼ガス温度を上昇させる。この燃焼ガスによって、
触媒層１２の温度が気相燃焼可能な温度以上になったと
き、開閉弁２０を開いて燃料を供給し、空気通路２６か
らの空気と燃料ノズル１６からの燃料とを混合して触媒
層１２において燃焼を開始させる。

（９）次に開閉切換弁２７を閉にして、パイロットバーナ８の
燃焼を停止させると同時に開閉４′Ｐ２９を開にして燃
焼室７内に混合気を供給し、前６己作動中の燃料ノズル
１６の混合気と共に触媒ノ１ｊｉ　１２で燃焼させ、ガ
スタービン触媒燃焼器は、触媒ｄ焼のみで燃焼される。

このとき、次段の触媒層１３は、前段に当る触媒層１２
の燃焼熱と・燃焼ガスとによって、気相燃焼可能な温度
にまで昇温される。この状態で次に負荷を上昇する場合
には、負荷設定器３２によって流量制御弁２８を制御し
、タービンの設定負荷に応じた燃料量をｆｌｔ［制御す
ると同時に、タービン出力信号３３に基づく指示器３１
の信号で、開閉弁２１を開にし、触媒層１３での燃焼を
開始する。

このようにして、タービンの負荷に合せて、触媒層全段
を作動させたシ、或は燃焼を停止させたシする。

一方において、各触媒層の燃量比は、第２図に示すよう
にｆ、　、、ｆ、の間で保持し燃焼させる必要がある。

（１０）即ち、タービンの負荷変動に対して、各触媒層の燃量比
をｆ、〜ｆ２の間で常時保つためには、例え前段の燃借
比がｆ、の時、次段用空気に混入して少なくなっても、
燃空比が１１以上であることが必要である。この関係を
保つためには、前段を通過する空気量と次段を通過する
空気量の比が’１／’２以上であることが必要である。

これを例えば、ｆ、　＝０．０２５．　ｆ、　＝０．０
３３として触媒層を５段にした場合、各触媒層に流入す
る空気Ｍ・の配分は、第４図（至）に示すようになる。

例えば、第１段目を全体空気量の２５％を流した場合、
第２段目は３３％流れるようする。即ち、２５／３３＝
　０．０２５１０．０３３となっている。

この全気流−計の各触媒層への配分は、各触媒層の燃空
比を同一にすることによって、同時に燃料配分と等しく
なる。

向えば１．；ｇ１段目の触媒層１２について云えば、空
気配分を全空気量の２５％にし、燃料配分比を全燃料者
の２５％とすれば、燃空比が常にｆ１〜ｆ、の間で燃焼
されることになる。

（１１）ガスタービン出力と、各触媒層との関係の一例全第４図
（Ｂ）に示す。

ｌｆｆ１］チ、ガスタービン出刃が０〜１５％まではパ
イロットバーナにて補うと共に第１段の触媒層の温度を
保持する。次にガスタービン出力が１５％〜２０％まで
は第１段の触媒層のみによって、ガスタービン出力が２
０〜４０％までは第１段と第２段の触媒ノーによって、
又４０〜６０％までは第１段、第２段、第３段の触媒層
によって、又６０〜１００％までは、全段の触媒層によ
って燃焼させ、触媒層のみの燃焼によって、タービン出
力１５〜１００％までの出力を出す。

この時の各触媒層の燃料配分量は、曲線ａ、　　ｂ。

ｃ、　ｄに示すように全体燃料量（曲線Ｃ）に対し約８
％〜１０％の範囲で同じであシ、従って各触媒層での燃
空比が常にｆ１〜ｆ、の間で燃焼される。

以上詳述した通シ本発明のガスタービン触媒燃焼器によ
れば、起動時にのみ燃焼するパイロットバーナを設け、
ガス流れ方向に複数の触媒燃焼器（１２）を設けたので、起動時第１段目の触媒燃焼器をパイロッ
トバーナによって気相燃焼可能な温度にまで昇温しｌ？
：、陵パイロットバーナを停止させ、以後次段の触媒燃
焼器の昇温は、前段の触媒燃焼器によって行なうように
したので、ガスタービン触媒燃焼器の燃焼は、完全に触
媒燃焼器のみによって行なわれ、タービン燃焼器の効率
を低下させることなく、ＮＯｘ規制値以下にＮＯＸの排
出量を押えることができた。

父上記各触媒層に燃料と空気を供給する装置を旬役し、
開閉弁を介して上記燃料供給装置を燃料母管に接続し、
燃料量・ｇに設けた流量制御弁を制御することによって
ガスタービン触媒燃焼器全体の燃料を、ガスタービンの
負荷に対応した設定流りに制御すると共に、ガスタービ
ンの出力信号によって、上記開閉弁を操作するようにし
たので、複数段の触媒燃焼器をタービンの負荷に合せて
、追従燃浦させることができ、さらには、各触媒層に個
々Ｖこ燃料と空気の供給装置を付設することによって、
各触媒層での燃空比を各触媒ノーに対し−（１３）定にし、各触媒層での高負荷燃焼を可能にすると共に、
燃料量の調節のみで、−電空燃比の制御が可能になり、
制御が簡略化される。

このようにして、各触媒層の昇温、タービン負荷に対す
る追従性、及び触媒層での高負荷燃焼のすべてを可能に
し、ガスタービン燃焼器の熱効率の向上とＮＯＸの大巾
な低減を解決したガスタービン触媒燃焼器を得ることが
で峙５、省エネルギ及び、公害の点で多大の効果を奏す
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の触媒燃焼器の縦断面図、第２図は、触媒
燃焼器の燃焼効率の一列を示した説明用図、第３図は、
本発明の実施例であシ、触媒燃焼器を縦断明して示した
図、第４図囚は本実ｍ列の触媒燃焼器の空気量配分につ
いて示した説明用図、■は、ガス２−ビン出力と各触媒
層及び各触媒層への燃料配分について示した説明用図で
ある。２・・・外筒、４・・・内筒、７・・・燃焼室、８・・
・パイロットバーナ、９・・・燃料母彦、１２，１３，
１４゜１５・・・触媒層、１６．１７．１８，１９．３
０・・・１１４）燃料ノズル、２０，２１，２２，２３．２９・・・開閉
弁、２６・・・空気通路、２７・・・開閉切換弁、２８
・・・流電制御弁、３１・・・指示器、３２・・・負荷
設定器、３３・・・タービン出力信号。代理人　弁理士　秋本正実（１５）茶　ｌ　　国弔　２　口００／占　　　　　　　０．０２５　　　　　　　０・
０３，５刈−二　比唇　３Ｎ２］奉　４　口＜、Ａ）〃”スグーヒンぬη

Claims

【特許請求の範囲】

１、起動時のみ燃焼するパイロットバーナを設けると共
に燃焼ガス流れ方向にｆＪｉ数の触媒燃焼器を設け、該
複数の触媒燃焼器のそれぞれに燃料と空気を供給する装
置を付設し、該燃料供給装置のそれぞれと燃料母管とを
開閉弁を介して接続し、ガスタービン出力設定信号に基
づいて燃料全体流着を燃料母管に設けた流量制御弁によ
多制御し、一方ガスタービン出力信号に基づいて前記開
閉弁を操作し、ガスタービン出力の変動に対し触媒燃焼
器の作動を追従させると共に、一定の燃空比で触媒燃焼
器内で燃焼させることを特徴とするガスタービン触媒燃
焼器。