JPS6015217B2 - 燃焼器用燃料分配供給装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ガスタービンなどの缶式燃焼器において、燃
焼器で発生する窒素酸化物（Ｎ○ｘ）等を低減し、かつ
運転範囲すべてにおいて安定な燃焼を得るに好適な燃料
分配供給装置に関する。

ガスタービンの多缶式燃焼器の燃料分配供給装置の従来
のものは、第１図に示すように構成されている。図中、
１は圧縮器、２は燃焼器、３はタービン、５０は発電機
であり、燃焼器２は環状に複数本（６〜ＩＺ本程度）配
置され、一端に１個の燃料ノズル４を有する。各燃焼器
２には、燃料母管７に設けられた燃料ポンプ９により供
孫合される燃料が燃料等分器８で等分に分配され、各燃
料器に対応して設けられた燃料管１４及びチェック弁１
６を介して供総合される。１２は燃料供Ｖ給コントロー
ラであり「 これは燃料流量計１３により得られる流量
信号を参酌しながら燃料ポンプ９のバイパス管１Ｑ‘こ
設けられたりターン調節弁１亀の制御を行なうことによ
り、燃料流量を制御する。

この従来装置において、ＮＯ艦ま、燃焼器２における燃
焼の過程でまず一酸化窒素のかたちで生成され「 これ
がタービン３を経て大気中に放出され、酸素と結合して
二酸化窒素となり、この反応の過程で紫外線やある種の
炭化水素が関与してオゾンなどの過酸化物（オキシダン
ト）を二次的に生成し、気象条件がそなわるとトこれら
の物質によって光化学スモッグを形成しトこれが人体に
害を及ぼす。このため、ＮＯｋ‘ま、現在、硫黄酸化物
や一酸化炭素などと共に主要な大気汚染物質として注目
されている。ここで、前記の燃焼過程における一酸化窒
素の生成について詳述すると、一酸化窒素の生成は理論
混合燃焼領域で最も激しく、これを中心とした両燃焼領
域「すなわち燃焼用空気不足である燃料過剰領域、及び
燃焼用空気過大である燃料稀薄領域ではそれぞれ減少す
ることが知られている。

従って、燃焼器における一酸化窒素の生成量低減の方法
の１つとして、燃料過剰燃焼方式にするか「あるいは燃
料稀薄燃焼方式にするかいずれかが考えられる。しかし
、これら両方式のうち「前者では燃焼用空気不足により
発生する禾燃分、特に黒煙発生が問題となる。これに対
して後者は、燃焼用空気過多であるために黒煙発生に問
題がなく、最も有効であると考えられている。ところで
、第１図に示したガスタービンなどの多缶式燃焼器にお
いては、各缶毎に１個の燃料ノズル４を有する構造を採
用している。

このような単一燃料ノズル構造であると、無負荷から高
負荷まで、空燃比が大中に（２００から５０程度まで）
変化しＬ この広範な空燃比の範囲で運転しなければな
らない。このため、例えば高負荷時に前記稀薄燃焼を行
えるようにすると、低負荷時に空燃比が極端に増大し、
その結果、低負荷時に燃焼の不安定が生じるという問題
がある。また、燃焼器１個に対すて燃料ノズル１個では
、仮に平均的に燃焼用空気を過剰に入れても、燃料ノズ
ル近傍までは空気が流れないため「どうしても燃料ノズ
ル近傍では燃料過剰又は理論混合比による燃焼となり、
黒煙の発生は回避できても、Ｎ○×低減に対しては大き
な効果は期待できない。本発明は、上記従来技術の欠点
に鑑み〜低ＮＯ叫ヒ及び燃焼の安定化が達成される燃焼
器への燃料分配供給装置を提供することを目的としてい
る。

この目的を達成するための本発明の最も特徴とするとこ
ろを要約すると、多缶式ガスタービンの燃焼器に複数個
の燃料ノズルを設け、その燃料ノズル群に対する燃料供
給系統を１又は複数の燃料ノズルごとに分割し、かつ燃
料量に応じて燃料導入中の燃料供聯合系統を増減するよ
うに構成したことにある。

次に本発明の一実施例を第２図により説明する。

まず燃焼器２から説明すると、これは前記したように実
際に設置されている６本ないしｉＺ本の燃焼器を代表し
て１本だけ示してあり「燃焼器外筒亀での内部に燃焼器
内筒４２を設け、これらの間で形成される環状空間３を
空気流通部とし「該空気流通部３への空気供給は、第１
図に示した圧縮機ｉより行なわれる。燃焼器頭部には、
先端の燃料噴出孔が燃焼室４４に臨むように、１次燃料
ノズル４３９４ｂ及び２次燃料ノズル５ａ，５ｂが取付
けられており、また「各燃料ノズルの外周並びに燃焼器
内筒４２の周壁より空気を燃焼室４４へ導入できるよう
になっている。次にこれに接続される燃料分配供給装置
について「第１図の系統に付加されたものを中心として
説明する。

燃料等分器８から各燃焼器につながる燃料配管は途中で
分岐して１次燃料ノズル４ａ，４ｂへの１次燃料管１４
と、２次燃料ノズル５ａ，５ｂへの２次燃料管１５とし
て設けてあり、それぞれにチェック弁１６，１７を設け
ている。さらに２次燃料管１５には、コントローラー２
からの信号によって動作する２次燃料開閉弁１８を具備
し、かつ空気等分器１９よりチェック弁２１を介して延
長したパージ空気管２０が接続されている。該空気等分
器１９には、コントローラ１２の信号によって動作する
空気開閉弁２２を有する空気母管２３が接続され、該空
気母管を介して加圧空気源（図示せず）から加圧空気が
供給されるようになっている。この構成において、燃料
流量が最大燃料流量の１／雄〆下である時には２次燃料
開閉弁１ ８を閉、空気開閉弁２２を関の状態にそれぞ
れ設定しておく。

これによって、１次燃料ノズル４ａ，４ｂへ燃料を、ま
た２次燃料ノズル５ａ，５ｂへ空気をそれぞれ供給し、
１次燃料ノズル４ａ，４ｂのみにより燃焼を行い、２次
燃料ノズル５ａ，５ｂは高温とならないように空気によ
って冷却が行われる。また、この２次燃料ノズル５ａ，
５ｂへと流す空気は、流勝部の詰まりや腐蝕を防止する
。これに対し、燃料流量の１／沙〆上となると、コント
ローラ１２からの信号で２次燃料開閉弁１８が開くと同
時に、空気開閉弁２２が閉じ、２次燃料ノズル５ａ，５
ｂによる燃焼が開始される。この時、１次燃料ノズル４
ａ，４ｂと２次燃料ノズル５ａ，５ｂの燃料噴射圧力は
等しくなるため、１次燃料ノズルと２次燃料ノズルの各
個数及び項口が等しければ、１次燃料配管１４及び２次
燃料配管１５を流れる燃料流量は等しくなる。この実施
例に示したように、燃焼器２に設ける燃料ノズルを複数
個に分割して分散配置し、各々の燃料ノズルの近傍に過
剰空気を吹き込むようにすることにより、燃料ノズル１
本当りの燃焼負荷が小さくなり、仮に空燃比が従来のも
のと同一であっても、実際の燃焼状態でいえば稀薄燃焼
に近づき、Ｎ○×の発生量は少なくなる。

また、この実施例のように、燃料流量が１／２以下では
１次燃料ノズル４ａ，４ｂのみを使用し、１／２を越え
ると２次燃料ノズル５ａ，５ｂも使用するようにするこ
とにより、燃料ノズルの１本当りの空燃比は、従来の２
００〜５０から２００〜１００と運転範囲が狭くなり、
燃料の安定性が向上すると共に、平均的な稀薄燃焼度を
向上させることができるため、Ｎ瓜の発生をさらに抑え
ることができる。また、燃料供総合系統の切換えを各燃
焼器について同時に行なっているので、燃焼器間の干渉
がなく、安定な燃焼が得られる。ところで、第２図の実
施例において、下記の点が問題となる。

第３図は第２図の燃料分配供給装置において、前記２次
燃料開閉弁１８と空気開閉弁２２とを同時に動作させた
場合の１次燃料管１４と２次燃料管１５の管内圧力変化
を示したもので、特に１次燃料管（燃料）に比べ、２次
燃料管（空気）が低圧である状態で動作させた時のもの
である。第３図のごとく、２次燃料開閉弁１８と空気開
閉弁２２が動作すると、２次燃料管１５への空気供給は
停止され、代わって燃料供給が開始されるので、２次燃
料管１５の圧力は１次燃料管１４との平衡点へ向けて上
昇する。一方、１次燃料管１４の圧力は、２次燃料管１
５への燃料供給によって急激に降下する。ここで、２次
燃料開閉弁１８と空気開閉弁２２の動作前の１次燃料管
１４と２次燃料管１５の圧力差を△Ｐ，、動作後の１次
燃料管１４の最大圧力変動中を△Ｐ２とすると、△Ｐ，
の増加と共に△Ｐ２が増大する。これは、燃焼中である
燃料ノズル４ａ，４ｂの噴射圧力を急激に低減させるこ
とになるので、燃焼に大きな影響を与え、吹消えが発生
するおそれがある。一方、この吹消えを防止するために
、１次燃料管１４（燃料）に比べ、２次燃料管１５（空
気）を高圧に設定しておくと、２次燃料開閉弁１８と空
気開閉弁２２の動作による燃焼への影響は少なくなるが
、１／乳〆下の燃料流量時には、高圧でしかも多量の空
気が流れるので、加圧空気源の動力費が増大するという
問題がある。このような問題を解決するため、１次燃料
管１４（燃料）と２次燃料管１５（空気）との圧力差を
小さく、しかも両者の圧力追従が可能なようにし、２次
燃料開閉弁１８及び空気開閉弁２２の動作後における両
者の圧力変化を第４図のように行なわせるようにしたの
が、第５図、第６図の実施例である。

まず、第５図の実施例から説明する。

第５図において、第２図と同一符号は同じ部分を示して
いるのでここではその説明を省略する。第２図のものと
異なるところは、燃料等分器８及び空気等分器１９から
それぞれ燃料圧、空気圧を取出す圧力敬出管２４，２５
を設けてその差圧信号を発生する差圧発信器２６に接続
し、差圧発信器２６からの信号をコントローラ２７へ導
き、このコントローラ２７からの信号によって、空気母
管２３に設けた圧力調節弁２８を動作させるようにした
ことである。この実施例において、例えば燃料等分器８
の圧力が上昇すれば、コント。

−ラ２７の差圧設定値に対して、燃料等分器８と空気等
分器１９との差圧が増大し、これにより圧力調節弁２８
が開いて空気等分器１９の圧力が増大する。すなわち、
燃料等分器８の圧力変化に空気等分器１９の圧力が追従
し、燃料等分器８と空気等分器１９との差圧が常に一定
となるように圧力調節弁２８は動作する。前記差圧は、
コントローラ２７の設定値変更によって任意に選定する
ことができる。１次燃料管１４（燃料）と２次燃料管１
５（空気）はそれぞれ前記等分器８，１９にそれぞれ接
続されているので、上記圧力制御の結果、第４図のよう
に燃料管１４と１５の圧力差を僅少に取ることが可能と
なり、２次燃料開閉弁１８及び空気開閉弁２２が動作し
ても、第３図に示したような１次燃料管１４（燃料）の
急激でしかも変動中の大きい圧力変化は発生せず、燃焼
への影響を少なくすることができるという効果がある。

また、２次燃料管１５（空気）の圧力を１次燃料管１４
（燃料）の圧力に追従させているので、２次燃料管の圧
力を高く一定に設定して吹消えの問題を解決した場合に
比べ、過大な空気を流さずにすみ、加圧空気源の動力費
節減となる他、全自動運転に合致させることができると
いう効果がある。次に第６図の実施例について説明する
と、この実施例が第５図の実施例と異なるところは、第
５図の圧力調節弁２８による２次燃料管２０の圧力制御
に代わり、コントローラ２７からの信号を加圧空気源２
９へ導いているところにある。

すなわち、この実施例では、加圧空気弁２９として、例
えば回転数可変のものを用い、回転数制御を行うことに
よって吐出空気量を変化させ、これにより２次燃料管１
５（空気）の圧力を確保するものである。この実施例に
よれば、第５図の実施例と同様の効果を奏することがで
きる上、加圧空気源２９は必要空気量だけ空気を吐出す
るように運転されるので、運転費を節約しうるという利
点がある。以上の説明では、複数個の燃料ノズルを１次
及び２次とする２つの燃料供給系統に分割した例を取上
げたが、これを３以上の系統に分割し、燃料流量に応じ
て燃料の供給系統を増減するような燃料分配供給装置も
、本発明により実現しうる。

第７図はその一実施例であり、３つの燃料供給系統で構
成した例である。この場合は、燃焼器２に、１次、２次
燃料ノズル４，５以外に３次燃料ノズル３１を設け、該
３次燃料ノズル３１に、第５図の構成に対して新たに付
加した３次燃料管３０を接続し、その途中に３次燃料開
閉弁３２及びチェック弁３３を具備し、また空気母管２
３より分岐して、空気開閉弁３４、空気等分器３５及び
チェック弁３６を介して延長したパージ空気管３７を新
たに設け、これを前記３次燃料管３０を接続している。
さらに、３次燃料開閉弁３２及び空気開閉弁３４は、い
ずれもコントローラ１２の信号により動作し、前記空気
側の圧力取出管２５は新さに付設された空気等分器３５
へ取付けて構成する。ここで、コントローラ１２は、燃
料流量が最大燃料流量の１／３以上で２次燃料開閉弁１
８及び空気開閉弁２２にそれぞれ開「開の信号を発し
、２′３以上では３次開閉弁３２及び空気開閉弁３４に
それぞれ関、閉の信号を発するよう構成されている。こ
のように構成されているから、１′３燃料流量に達する
と、２次燃料開閉弁１８が開き、空気開閉弁２２が閉じ
、次に２′３燃料流量に達すると、３次燃料開閉弁３２
が開き、空気開閉弁３４が閉じる。

この間、圧力調節弁２８が動作しているので、各燃料管
１４，１５，３０の急激でしかも変動中の大きい圧力変
化は発生せず、スムースに各弁の開閉を実施できる。要
するに、本実施例で新たに付設した要領で順次配管等を
増加させて行けば、３以上の燃料供給系統に分割した燃
料分配供給装置も可能である。

以上本発明の内容について詳細に説明したが、本発明の
最も特徴とするところは、多缶式ガスタービンの燃焼器
に複数個の燃料ノズルを設け、該燃料ノズル群に対する
燃料供給系統を１又は複数個の燃料ノズルごとに分割し
、燃料量に応じて燃料導入の燃料供給系統を増減するよ
うに横成するとともに各缶へ供給する燃料流量を各缶対
応に等分する燃料等分器を設け、核燃料等分器の各缶対
応の燃料供給系統ごとに該燃料供給系統を分割し、その
各缶の燃料供給系統を同時に作動させる如く構成し、か
つ、燃料が供給されていない燃料ノズル及び燃料配管に
パージ空気を供給するパージ空気供給系統を設けたこと
にあり、これにより、燃料ノズル１本あたりの燃焼負荷
の低減が達成される上、空燃比の運転範囲を狭くするこ
とができるから、Ｎ０×発生量が低減されると共に、燃
焼の安定化が達成されるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は多缶式燃焼器を有する従来の燃料供給系統を示
す系統図、第２図は本発明による燃料分配供給装置の一
実施例を示す系統図、第３図は第２図の装置の燃料管圧
力変動の説明図、第４図は理想的な燃料管圧力変動の説
明図、第５図ないし第７図は本発明の他の実施例をそれ
ぞれ示す系統図である。 ２・・・・・・燃焼器、４，４ａ，４ｂ・・・・・・１
次燃料／ズル、５，５ａ，５ｂ・・・・・・２次燃料ノ
ズル、７・・・・・・燃料母管、８・・・・・・燃料等
分器、９・・・・・・燃料ポンプ、１１・・・…リター
ン調節弁、１２・・・・・・コントローラ、１４・・・
・・・１次燃料管、１５・…・・２次燃料管、１８・・
・・・・２次燃料開閉弁、１９，３５…・・・空気等分
器、２０，３７・・・・・・パ・・・ジ空気管、２２，
３４・・・…空気開閉弁、２３・・・・・・空気母管、
２６・・・・・・差圧発信器、２７・・・・・・コント
ローラ、２８・・・・・・圧力調節弁、２９・・・・・
・加圧空気源。 第１図第２図 第３図 第４図 第５図 第６図 第７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 多缶式ガスタービンの燃焼器に複数個の燃料ノズル
   を設け、該燃料ノズル群に対する燃料供給系統を１又は
   複数個の燃料ノズルごとに分割し、燃料量に応じて燃料
   量に応じて燃料導入の燃料供給系統を増減するように構
   成するとともに各缶へ供給する燃料流量を各缶対応に等
   分する燃料等分器を設け、該燃料等分器の各缶対応の燃
   料供給系統ごとに該燃料供給系統を分割し、その各缶の
   燃料供給系統を同時に作動させる如く構成し、かつ、燃
   料が供給されていない燃料ノズル及び燃料配管にパージ
   空気を供給するパージ空気供給系統を設けたことを特徴
   とする燃焼器用燃料分配供給装置。 ２ 特許請求の範囲第１項において、前記パージ空気供
   給系統に、燃料導入中の燃料管側の圧力に、パージ空気
   導入中の燃料管側の圧力を追従させるパージ空気圧力制
   御装置を設けたことを特徴とする燃焼器用燃料分配供給
   装置。 ３ 特許請求の範囲第２項において、前記パージ空気圧
   力制御装置が、燃料導入中の燃料管側とパージ空気導入
   中の燃料管側の圧力差を検出する手段と、該圧力差検出
   手段の出力信号によつてパージ空気供給圧を制御する圧
   力調節弁とからなることを特徴とする燃焼器用燃料分配
   供給装置。 ４ 特許請求の範囲第２項において、前記パージ空気圧
   力制御装置が、燃料導入中の燃料管側とパージ空気導入
   中の燃料管側の圧力差を検出する手段と、該圧力検出手
   段の出力信号によつて制御される加圧空気源とからなる
   ことを特徹とする燃焼器用燃料分配供給装置。