JPH07260149A - ガスタービン燃焼器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明はガスタービン燃焼器に係り、予混合バ
ーナのＮＯｘ発生量が小さく、かつ空気流量弁を用いず
に、予混合バーナの燃焼火炎が安定する燃空比範囲を広
くする燃焼器構造の提供にある。 【構成】燃焼器２の頭部中心部に拡散パイロットバーナ
１８，その外周に補助空気流路２４，主空気流路１１を
持ち、更にその外周下流位置に第一予混合バーナ１３及
び第二予混合バーナ１５が配置されている。かかる構成
の燃焼器において拡散パイロットバーナは補助空気流路
２４からの旋回空気に保炎され主空気と希薄燃焼し、更
に、下流側の予混合バーナは上流側で発生した燃焼ガス
との混合層での高温雰囲気中で燃焼する。 【効果】拡散パイロット火炎と予混合気を急速混合させ
高温雰囲気を形成することで予混合気の燃料濃度が非常
に小さい範囲から燃焼可能となり、従来の空気弁等を用
いた燃空比制御を行わなくても予混合燃焼の作動域をガ
スタービン低負荷条件まで拡大することができ、低ＮＯ
ｘ燃焼範囲が拡大できるとともにガスタービン運転が容
易となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はガスタービン燃焼器に係
り、特にＮＯｘの発生を抑制するのに好適なガスタービ
ン燃焼器に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービンのＮＯｘ排出量を抑制する
ために乾式低ＮＯｘ燃焼器が採用されている。これらの
多くは燃料ガスと空気を燃焼前に混合させて燃焼を行わ
せる予混合燃焼が用いられている。低ＮＯｘ化の原理は
燃料と空気の混合比を理論混合比よりも小さい状態で燃
焼させることにより、低温燃焼させＮＯｘの生成量を抑
制するものである。燃焼器としてはガスタービンの起動
時から低負荷運転時の燃焼の安定性確保と高負荷運転時
のＮＯｘ抑制を達成するために従来から用いられている
拡散燃焼と前述の予混合燃焼を組み合わせたいわゆるハ
イブリッド型低ＮＯｘ燃焼器が主流である。乾式低ＮＯ
ｘ燃焼器の主要な課題は燃料濃度を出来るだけ薄い状
態で安定燃焼させること。ガスタービン高負荷運転時
は拡散燃焼を最大限絞り、逆に予混合燃焼の比率を増大
させて運転できること。予混合燃焼の作動域をガスタ
ービン低負荷側へ拡大することなどである。これらの課
題を解決する方法としては、予混合バーナを複数本配列
し、ガスタービンの負荷に応じて点火するバーナの数を
増減する方法や、燃焼用空気を燃料流量に見合って調節
する方法が一般に採用されている。例えば特開昭63−21
7141号には拡散パイロットバーナを持ちその下流側に予
混合バーナを２段に配置し、予混合バーナの空気流量を
ガスタービン負荷による燃料流量の増減に対応させて調
節する空気調節弁付の低ＮＯｘ燃焼器構造が開示されて
いる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前述の予混合２段型燃
焼器において、特にガスタービン低負荷時には予混合バ
ーナの空気を調節弁により絞り込んで運転するが、空気
調節弁の開度制限は閉方向は火炎のバーナ部品への付着
による過熱発生、また開方向は火炎の不安定発生であ
る。即ち、空気調節弁を閉め過ぎると供給空気流量が過
剰に減少し混合気流速が遅くなると共に、燃料濃度が濃
くなり、前述したように予混合バーナに火炎が付着して
バーナが過熱し、また、空気調節弁を開け過ぎると逆に
混合気流速が速くなると共に燃料希薄状態になり火炎が
吹き消える。

【０００４】この過熱発生から火炎の吹き消えまでの燃
焼範囲を安定燃焼範囲とすると、ガスタービンの運転条
件に対して空気調節弁にはこの安定燃焼範囲に基づいた
適正開度が存在するが、一般にこの適正開度の範囲は狭
く、制度の高い制御が必要であった。よって、ガスター
ビンの運転自由度の面からは空気調節弁の開度余裕度を
出来るだけ広く取ることが重要となる。

【０００５】更に、パイロット火炎に保炎させて予混合
火炎を燃焼させる場合、燃焼空気をお互いの火炎が共用
する燃焼形式であったり、火炎貴部からお互いの火炎が
接するような燃焼形式においては、火炎干渉により火炎
の燃焼温度が上昇し、ＮＯｘが増大する特性がある。

【０００６】本発明の目的は、前記空気調節弁の開度余
裕度を出来るだけ広く取ること、更には、予混合バーナ
に供給される空気流量を調節することなく予混合バーナ
の燃焼火炎を安定させ、かつ排出ＮＯｘを低減するガス
タービン燃焼器を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明に係るガスタービン燃焼器の第１の特徴は、
燃焼器の上流側頭部の中心部に燃料を燃焼器内部に噴射
する手段を持つ拡散パイロットバーナと、その外周側に
環状の流路を持つ燃料と空気の混合気供給手段を持つ予
混合バーナとの組み合わせからなるガスタービン燃焼器
において、前記拡散パイロットバーナの周囲に拡散パイ
ロットバーナ用の燃焼空気供給流路を設け、燃焼器内へ
のそれぞれの流出部の相対的位置関係が燃焼器上流側か
ら拡散パイロットバーナ、拡散パイロットバーナ用燃焼
空気流路、予混合バーナの順に配置し、前記拡散パイロ
ットバーナの燃焼火炎領域近傍に前記予混合バーナ噴出
口を位置せしめ、かつ前記拡散パイロットバーナの燃料
と拡散パイロットバーナ用燃焼空気の流量比及び予混合
バーナの燃料と空気の流量比がいずれも理論混合比以下
の燃料希薄条件で燃焼させることを特徴とする。

【０００８】本発明の第２の特徴は、第１，第２の２つ
の予混合バーナを有するものにおいては、拡散パイロッ
トバーナの周囲に拡散パイロットバーナ用の燃焼空気供
給流路を設け、燃焼器内へのそれぞれの流出部の相対的
位置関係が燃焼器上流側から拡散パイロットバーナ、拡
散パイロットバーナ用燃焼空気流路、第１の予混合バー
ナ、第２の予混合バーナの順に配置し、前記拡散パイロ
ットバーナの燃焼火炎領域近傍に少なくとも前記第１の
予混合バーナ噴出口を位置せしめ、かつ前記拡散パイロ
ットバーナの燃料と拡散パイロットバーナ用燃焼空気の
流量比並びに前記第１及び第２の予混合バーナの燃料と
空気の流量比がいずれも理論混合比以下の燃料希薄条件
で燃焼させることにある。。

【０００９】また、前記燃焼用空気流路に旋回器を設
け、すくなくとも拡散パイロットバーナ用空気旋回器と
それに隣接する予混合バーナの旋回器の旋回方向をそれ
ぞれ逆方向としてもよい。

【００１０】更に、前記拡散パイロットバーナ用の燃焼
空気供給流路を主空気供給流路と補助空気供給流路とに
分割した２段構造とし、その分割流路の内周側を小流量
流路、外周側を大流量流路とし、かつ、それぞれの空気
供給流路に旋回器を取り付けてもよい。

【００１１】

【作用】上記本発明の第１の特徴によれば、燃焼器内へ
のそれぞれの流出部の相対的位置関係が燃焼器上流側か
ら拡散パイロットバーナ、拡散パイロットバーナ用燃焼
空気流路、予混合バーナの順に配置し、前記拡散パイロ
ットバーナの燃料は、拡散パイロットバーナ用燃焼空気
と混合して燃焼し、且つ、拡散パイロットバーナの燃焼
火炎領域に前記予混合バーナ噴出口を開口させているた
め、拡散パイロット火炎は、予混合バーナから供給され
る予混合気流や予混合火炎の形成による干渉が小さく、
予混合バーナから供給される燃料と空気の混合気を拡散
パイロット火炎と急速混合させ、混合後のガス温度を燃
料ガスの酸化反応速度が顕著となる温度以上、例えばメ
タンガスの場合概略は１２００℃以上とするができるた
め、予混合バーナの混合気は通常のガスタービン負荷運
転時の空気温度２５０℃〜４００℃で燃焼できる燃空比
より遥かに小さい燃空比においても燃焼でき、これまで
の予混合燃焼型低ＮＯｘ燃焼の場合のように予混合燃料
流量が小さい時は何んらかの手段で空気流量を絞り込む
必要があったが、この必要がなくなる。

【００１２】また、このように構成することによって、
拡散パイロットバーナの燃料と拡散パイロットバーナ用
燃焼空気の流量比及び予混合バーナの燃料と空気の流量
比がいずれも理論混合比以下の燃料希薄条件で燃焼させ
ることが可能となり、かつ拡散パイロットバーナの燃料
は、拡散パイロットバーナ専用の空気で燃焼するのでＮ
Ｏｘが発生しやすくなる燃焼温度以下で燃焼を行うこと
ができるため、排出ＮＯｘを低減させることができる。

【００１３】本発明の第２の特徴によれば、第１，第２
の２つの予混合バーナを有するものにおいては、燃焼器
内へのそれぞれの流出部の相対的位置関係が燃焼器上流
側から拡散パイロットバーナ、拡散パイロットバーナ用
燃焼空気流路、第１の予混合バーナ、第２の予混合バー
ナの順に配置し、前記拡散パイロットバーナの燃焼火炎
領域に少なくとも前記第１の予混合バーナ噴出口を開口
させているため、第１の予混合バーナから供給される燃
料と空気の混合気を拡散パイロット火炎と急速混合さ
せ、混合後のガス温度を燃料ガスの酸化反応速度が顕著
となる温度以上とするができ、更に、このガス温度を有
する燃焼ガスによって、第２の予混合バーナから噴出さ
れる混合気への着火性が向上できるので、安定燃焼範囲
が拡大し、第２の混合気が燃料希薄状態であっても充分
に燃焼させることができる。

【００１４】また、前記燃焼用空気流路に旋回器を設
け、すくなくとも拡散パイロットバーナ用空気旋回器と
それに隣接する予混合バーナの旋回器の旋回方向をそれ
ぞれ逆方向とすることによって、予混合バーナから供給
される燃料と空気の混合気を拡散パイロット火炎との混
合が促進され、混合後のガス温度を燃料ガスの酸化反応
速度が顕著となる温度以上とすることが容易となる。

【００１５】更に、前記拡散パイロットバーナ用の燃焼
空気供給流路を主空気供給流路と補助空気供給流路とに
分割した２段構造とし、かつ、それぞれの空気供給流路
に旋回器を取り付け火炎基部に適正空気量の旋回流を形
成することにより火炎の保炎性能を高め、かつ火炎の交
流部では、拡散パイロットバーナの空気と燃料が急速に
混合するため、パイロットバーナの燃焼火炎の保炎性能
を高めることができるとともに、火炎の温度分布のバラ
ツキを解消でき、燃焼火炎の高温部に発生するＮＯｘを
抑制することができる。

【００１６】

【００１７】

【実施例】以下に本発明の実施例を図を用いて説明す
る。

【００１８】図１は発電用ガスタービンに適用された本
発明の１実施例の燃焼器の断面図である。ガスタービン
は圧縮機１，燃焼器２，タービン３からなら、タービン
の出力で発電機４が駆動される。燃焼器２は缶型であり
タービンケーシング７と燃焼器外筒９及び燃焼器カバー
１０によって格納され、燃焼器の上流側端面には中心部
に拡散パイロットバーナ１８を持ち、その外周に拡散パ
イロットバーナ専用の補助空気旋回器１７を持つ補助空
気流路２４を設け、更にその下流側の外周に主空気旋回
器１２を持つ主空気流路１１が設けられている。主空気
流路１１の外周には環状の第一予混合バーナ１３が設け
られており、その上流端は第一予混合バーナの空気流入
口となっており、流入部分に空気旋回器１４が取り付け
られており、空気旋回器１４の下流側には第一予混合バ
ーナ用燃料ノズル２０が複数本取り付けられている。拡
散パイロットバーナ用主空気旋回器１２と空気旋回器１
４の旋回方向は逆方向となっている。第一予混合バーナ
の下流端は前記拡散パイロットバーナ用の主空気流路の
下流側に開口し、すなわち拡散パイロット火炎の下流側
の燃焼器内部へ予混合気を供給するようになっている。

【００１９】また、第一予混合バーナ１３の外周側には
環状の第二予混合バーナ１５が設けられており、その上
流端は第二予混合バーナの空気流入口であり、流入部分
に空気旋回器１６が取り付けられており、空気旋回器１
６の下流側には第二予混合バーナ用燃料ノズル２１が複
数本取り付けられている。空気旋回器１６と空気旋回器
１４の旋回方向は逆となっている。第二予混合バーナの
下流端は前記第一予混合バーナよりも下流側に開口し、
すなわち第一予混合バーナで形成され火炎より下流側の
燃焼器内部に第二予混合バーナの予混合気を供給するよ
うになっている。かかる構成の燃焼器において、圧縮機
で昇圧された高圧空気１００は缶型の燃焼器ライナ２と
燃焼器外筒９の中間を流れ、図示されていないが一部分
は燃焼ライナ２の壁冷却用として燃焼器内部へ流入し、
残りは拡散パイロットバーナ用の補助空気１０２が補助
空気流路２４から補助空気旋回器１７を経て拡散パイロ
ットバーナの周囲へ旋回空気流入として供給され、また
一部は主空気１０１が主空気流路１１から主空気旋回器
１２を経て拡散パイロットバーナ用主空気が供給され
る。

【００２０】図示しないが、第一予混合バーナ１３及び
第二予混合バーナ１５の空気流入口に空気流量制御弁を
設けてもよい。

【００２１】これらの拡散パイロットバーナ専用の空気
流量は、補助空気１０２が拡散パイロット燃料に対する
理論空気量換算で概略０.２〜０.５ ，主空気１０１が
拡散パイロット燃料２０１に対する理論空気量換算で概
略１.０から１.５が適正流量である。

【００２２】また、第一予混合バーナ及び第二予混合バ
ーナに供給される予混合燃焼用の空気１０３，１０４は
それぞれ第一予混合燃焼２０２，第二予混合燃焼２０３
に対する理論空気量換算で概略１.５ 倍程度以上が適正
流量として供給される。

【００２３】一方燃料は主燃料系統２００とそれから分
岐する拡散パイロット燃料系統２０１，第一予混合燃料
系統２０２ならび第二予混合燃料系統２０３よりなり、
主燃料系統２００にはガスタービンの出力制御信号によ
って流量制御される主燃料流量調節弁２０４が取り付け
られてあり、また、拡散パイロット燃料系統２０１には
拡散パイロット燃料流量調節弁２０５，第一予混合燃料
系統２０２には第一次予混合燃料調節弁２０６，第二予
混合燃料系統203には第二次予混合燃料調節弁２０７が
取り付けられており、それぞれの系統への燃料流量配分
がなされる。

【００２４】ガスタービンの運転方法は図２に示す如く
ガスタービンの起動から無負荷定格回転数までは拡散パ
イロットバーナで運転され、この条件から所定の部分負
荷までは第一予混合バーナの作動によって運転され、更
にこの条件から定格負荷までは第二予混合バーナを作動
させて運転される。ガスタービンの起動から無負荷定格
回転数までの作動条件は圧縮機吐出空気圧力が低く、従
って吐出空気温度が低くかつタービンの回転数とともに
空気流量が変化するので燃焼条件としては厳しいが、拡
散バーナは補助空気流路２４から補助空気旋回器１７か
ら保炎用の旋回空気が供給され、バーナ頭部で火炎基部
が安定化されて燃焼させることができ、またパイロット
火炎の安定性を劣化させないよう火炎基部の下流側より
主燃焼空気１０１が供給され、ＮＯｘ及び未燃分の発生
が少ない燃焼が行われる。また第一予混合バーナ及び第
二予混合バーナからの空気も拡散パイロット火炎の燃焼
性能が低下しない下流位置から供給される。

【００２５】またガスタービン条件が無負荷定格回転数
において、拡散パイロットバーナの燃焼ガスと第一予混
合バーナ１３から供給される第一予混合バーナ燃焼空気
１０３の混合ガスの平均ガス温度は概略1200℃となるよ
うに計画される。従ってこの条件で第一予混合燃料２０
２を投入するとこの燃料はパイロット火炎と第一予混合
バーナから供給され予混合気とで形成する逆旋回流の混
合領域で順次高温雰囲気に達し、酸化反応を誘起し、高
い燃焼効率でもって熱エネルギーに変換され、タービン
の出力は増加する。この時に酸化反応が進行し温度上昇
する予混合気は直接的には拡散パイロット火炎の火炎温
度を引き上げる作用をしないので、予混合気の燃空比が
小さい範囲、すなわち概略０.０３ 程度までは予混合気
の燃焼温度がＮＯｘの生成温度よりも低いので第一予混
合燃料を投入しても全体のＮＯｘはほとんど増加しない
燃焼が実現できる。

【００２６】更に、燃焼器上流側の拡散パイロットバー
ナと第一予混合バーナで発生した燃焼ガスと第二予混合
バーナ１５から供給される第二予混合バーナ燃焼空気１
０４との混合ガスの平均温度が１２００℃程となるガス
タービン負荷条件において、第二予混合燃料２０３が投
入され、上流側の燃焼ガスとの逆旋回流で形成される混
合領域の高温雰囲気中で酸化反応を誘起し、高い燃焼効
率でもって熱エネルギーに変換され、タービンの出力は
増加し、このような燃焼条件で第二予混合燃料２０３を
増加させガスタービン定格条件まで運転される。かかる
燃焼領域において第二予混合バーナの燃空比が概略０.
０３ 程度までは予混合気の燃焼温度がＮＯｘ生成温度
よりも低いので、第二予混合燃料を投入しても全体のＮ
Ｏｘは増加しない燃焼が実現できる。

【００２７】更に、本構成からなるバーナユニットを燃
焼機の断面内に複数個配置したガスタービン燃焼気構造
においても本発明と同様の作用効果を発揮させることが
可能であり、この場合には、ガスタービンの負荷に応じ
て作動させるバーナユニットの数を変えることにより一
層ガスタービンの運転自由度か高まる。

【００２８】

【発明の効果】拡散パイロット火炎と予混合気を急速混
合させ高温雰囲気を形成することで予混合気の燃料濃度
が非常に小さい範囲から燃焼可能となり、従来の空気弁
等を用いた燃空比制御を行わなくても予混合燃焼の作動
域をガスタービン低負荷条件まで拡大することができ、
低ＮＯｘ燃焼範囲が拡大できるとともにガスタービン運
転が容易となる。

【００２９】また、この時に拡散パイロットバーナに理
論空気量以上の専用空気を設けることにより予混合火炎
の燃焼時における拡散火炎と予混合火炎の干渉によるＮ
Ｏｘ発生が回避でき、予混合火炎のＮＯｘ発生量が非常
に小さい燃焼が可能となる。

【００３０】更に、上記拡散パイロットバーナの専用空
気を補助空気系統と主空気系統に分けて供給しそして主
空気系統ならびに予混合バーナを後方にずらして配置す
ることにより、拡散パイロット火炎の安定性を高めた燃
焼が可能となり、ガスタービンの運転の信頼性が高くな
る。

【００３１】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るガスタービン燃焼器の
断面図。

【図２】本発明によるガスタービン燃焼器の燃料投入方
法を説明する図。

【符号の説明】

２…燃焼器、１１…主空気流路、１３…第一予混合バー
ナ、１５…第二予混合バーナ、１８…拡散パイロットバ
ーナ、２０…第一予混合バーナ用燃料ノズル、２１…第
二予混合バーナ用燃料ノズル、２４…補助空気流路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉田 正平 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 赤津 茂行 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 小金沢 知己 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃焼器の上流側頭部の中心部に燃料を燃焼
   器内部に噴射する手段を持つ拡散パイロットバーナと、
   その外周側に環状の流路を持つ燃料と空気の混合気供給
   手段を持つ予混合バーナとの組み合わせからなるガスタ
   ービン燃焼器において、 前記拡散パイロットバーナの周囲に拡散パイロットバー
   ナ用の燃焼空気供給流路を設け、 燃焼器内へのそれぞれの流出部の相対的位置関係が燃焼
   器上流側から拡散パイロットバーナ、拡散パイロットバ
   ーナ用燃焼空気流路、予混合バーナの順になるように配
   置し、 前記拡散パイロットバーナの燃焼火炎領域近傍に前記予
   混合バーナの噴出口を位置せしめ、 かつ前記拡散パイロットバーナの燃料と拡散パイロット
   バーナ用燃焼空気の流量比及び予混合バーナの燃料と空
   気の流量比がいずれも理論混合比以下の燃料希薄条件で
   燃焼させることを特徴とするガスタービン燃焼器。
2. 【請求項２】燃焼器の上流側頭部の中心部に燃料を燃焼
   器内部に噴射する手段を持つ拡散パイロットバーナと、
   その外周側に環状の流路を持つ燃料と空気の混合気供給
   手段を持つ第１と第２の２つ予混合バーナとの組み合わ
   せからなるガスタービン燃焼器において、 前記拡散パイロットバーナの周囲に拡散パイロットバー
   ナ用の燃焼空気供給流路を設け、 燃焼器内へのそれぞれの流出部の相対的位置関係が燃焼
   器上流側から拡散パイロットバーナ、拡散パイロットバ
   ーナ用燃焼空気流路、第１の予混合バーナ、第２の予混
   合バーナの順に配置し、 前記拡散パイロットバーナの燃焼火炎領域近傍に少なく
   とも前記第１の予混合バーナの噴出口を位置せしめ、 かつ前記拡散パイロットバーナの燃料と拡散パイロット
   バーナ用燃焼空気の流量比並びに前記第１及び第２の予
   混合バーナの燃料と空気の流量比がいずれも理論混合比
   以下の燃料希薄条件で燃焼させることを特徴とするガス
   タービン燃焼器。
3. 【請求項３】請求項１又は請求項２のガスタービン燃焼
   器において、燃焼用空気流路に旋回器を設け、すくなく
   とも拡散パイロットバーナ用空気旋回器とそれに隣接す
   る予混合バーナの旋回器の旋回方向をそれぞれ逆方向と
   する特徴とするガスタービン燃焼器。
4. 【請求項４】請求項１又は請求項２のガスタービン燃焼
   器において、拡散パイロットバーナ用の燃焼空気供給流
   路を主空気供給流路と補助空気供給流路とに分割した２
   段構造とし、その分割流路の内周側を小流量流路、外周
   側を大流量流路とし、かつ、それぞれの空気供給流路に
   旋回器を取り付けたことを特徴とするガスタービン燃焼
   器。