(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシングとその内方の内筒との間に形成されて圧縮機からの圧縮空気を導入する空気通路と、
前記導入された圧縮空気の一部に燃料を混合して予混合気を作る予混合室と、
前記予混合気を予熱して予熱混合気を作る予熱室と、
前記内筒内で前記予熱混合気を燃焼させる触媒と、
前記内筒に設けられて前記導入された圧縮空気の他の一部を前記触媒の下流側で前記空気通路から内筒内に導入する導入孔と、
前記導入孔から燃料を内筒内に噴射して燃焼させる追い焚き燃料ノズルと、
高負荷時に前記追い焚き燃料ノズルを作動させる燃料コントローラとを備え、
前記燃料コントローラは、燃焼器に供給される全燃料供給量の３０％以下の燃料を前記追い焚き燃料ノズルから噴射させるガスタービン燃焼器。
【請求項２】
請求項１において、さらに、前記触媒出口での燃焼ガスの温度を検出する温度センサを備え、前記温度が予め設定された上限値に達したとき、前記燃料コントローラによって前記追い焚き燃料ノズルの作動を開始させるガスタービン燃焼器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、予混合室で燃料を予め空気と混合させて予混合気を作り、この予混合気を、下流の燃焼室で触媒により燃焼させるようにしたガスタービン燃焼器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ガスタービンエンジンにおいては、排ガス組成に関して厳しい環境基準が設けられており、特にＮＯＸ（窒素酸化物）の排出量の低減が望まれている。この低ＮＯＸ化の手段として、燃料室内に水や蒸気を噴射して燃焼火炎温度を低下させる方法が一般的に採用されてきたが、この方法では、エンジン熱効率の低下、悪い水質によるタービンなどの腐食に伴うエンジン寿命の低下、さらには水質をよくするための前処理に要する設備および維持管理費の高騰などの種々の欠点があった。このような蒸気を用いないでＮＯＸを低減する方法として、予蒸発・希釈予混合燃料方式が有効であることがよく知られている。しかし、この方式では、ＮＯＸの低減に限界があり、北米の特定地域で適用される３〜５ｐｐｍ（Ｏ２＝１５％換算値）という規制値に適合するためには、排ガス脱硝装置を併用する必要がある。
【０００３】
排ガス脱硝装置を用いずに３〜５ｐｐｍという低ＮＯＸを実現する方法として、予熱した混合気を触媒により燃焼させるものがある。この燃焼器では、低ＮＯＸでかつ高い燃焼効率が得られる触媒の作動範囲が狭いため、圧縮機からの圧縮空気の流量を制御する空気流量制御機構を設け、低負荷時には空気流量制御機構によって、触媒を通らないで触媒の下流の燃焼ガス通路に逃がす空気量を増大させることで、燃空比を触媒燃焼のための最適範囲内に保ち、触媒を作動させる運転範囲（低ＮＯＸかつ高燃焼効率運転範囲）の拡大を行ってきた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記空気流量制御機構は、構造が複雑で高価であり、また、高温下で動作する可動部品を有しているため、信頼性および寿命に劣る。
【０００５】
そこで、本発明は、簡単な構造で低ＮＯＸ化が可能な触媒燃焼方式のガスタービン燃焼器を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の構成に係るガスタービン燃焼器は、ケーシングとその内方の内筒との間に形成されて圧縮機からの圧縮空気を導入する空気通路と、前記予混合気を予熱して予熱混合気を作る予熱室と、前記内筒内で前記予熱混合気を燃焼させる触媒と、前記内筒に設けられて前記導入された圧縮空気の他の一部を前記触媒の下流側で前記空気通路から内筒内に導入する導入孔と、前記導入孔から燃料を内筒内に噴射して燃焼させる追い焚き燃料ノズルと、高負荷時に前記追い焚き燃料ノズルを作動させる燃料コントローラとを備え、前記燃料コントローラは、燃焼器に供給される全燃料供給量の３０％以下の燃料を前記追い焚き燃料ノズルから噴射させている。高負荷とは、一定回転数での定格運転時の最大負荷のほぼ７０％以上の負荷をいう。
【０００７】
この構成によれば、低負荷時にも高負荷時にも、圧縮空気の一部が希釈用空気として、触媒の下流側で導入孔より内筒内に導入される。低負荷時には、導入孔から触媒を迂回して圧縮空気の一部が流れることにより、触媒で反応する燃料流量が少ないにもかかわらず触媒を通る予熱混合気の燃空比が適正に保たれ、かつ、触媒反応に必要な温度上昇が得られて、ＮＯＸが少なくなる。他方、高負荷時にも、圧縮空気の一部が導入孔から内筒内に導入されるので、その分だけ混合気を作るための空気量が少なくなるが、追い焚き燃料ノズルから噴射される燃料分だけ混合気を作るための燃料流量も少なくなるから、やはり、触媒を通る予熱混合気の燃空比が適正に保たれ、かつ、触媒反応に必要な温度上昇が得られて、ＮＯＸが少なくなる。前記導入孔および追い焚き燃料ノズルは、可動部のない簡単な構造で済む。
【０００９】
追い焚き燃料は、触媒部出口の高温領域（１０００〜１３００℃）で希薄燃焼するが、この温度領域で燃焼してもＮＯＸはほとんど発生しない。しかし、追い焚き燃料の全燃料流量に対する割合は３０％程度が好ましく、３０％を超えて燃焼させるとＮＯＸ発生量が増大する恐れがある。
【００１０】
さらに、本発明の好ましい実施形態では、前記触媒出口での燃焼ガスの温度を検出する温度センサを備え、前記温度が予め設定された上限値に達したとき、前記燃料コントローラによって前記追い焚き燃料ノズルの作動を開始させる。
【００１１】
この構成によれば、触媒出口温度が上限に達するまで、つまり低負荷時は、追い焚き燃料を噴射しない。また、前述のとおり、追い焚き燃料の噴射開始以降の負荷の増加（燃料の増加）に対しては、追い焚き燃料流量の制御のみで対応する。このため、高負荷時でも触媒の温度は上限値を超えることはない。また、追い焚き燃料の燃焼によるＮＯＸの発生もほとんどない。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態に係るガスタービン燃焼器について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係る燃焼器が適用されるガスタービンエンジンを示した概略構成図である。このガスタービンエンジンは、圧縮機１、燃焼器２およびタービン３を主構成要素としている。燃焼器２は、圧縮機１から供給される圧縮空気Ａに、燃料ガス圧縮機８から燃料コントローラ９を介して燃料を供給して燃焼させ、それにより発生する高温高圧の燃焼ガスをタービン３に供給する。圧縮機１は回転軸５を介してタービン３に連結されて、このタービン３によって駆動される。前記タービン３は減速機４を介して発電機のような負荷７を回転駆動する。
【００１３】
この燃焼器２は、ケーシング１０とその内方に収納された内筒１１とを有し、前記ケーシング１０と内筒１１との間に、圧縮機１（図１）からの圧縮空気Ａを導入する環状の空気通路１２が形成されている。空気通路１２内には、周方向に等間隔で複数、例えば６本のパイプ１４が配置されており、これらパイプ１４により予混合室１７が形成されている。各予混合室１７の入口には予混合燃料ノズル１８が配置されている。内筒１１の上流端部には予熱室２０が形成され、その頂部にスワーラ２１と予燃焼燃料ノズル２２が装着され、周壁から点火プラグ４０が予熱室２０内に臨んでいる。前記予熱室２０の下流部には、パイプ１４の下流端が接続され、予熱室２０の下流側が予熱混合気室２３となっている。内筒１１における予熱混合気室２３の下流側に触媒室２４が形成され、この触媒室２４に貴金属を用いた触媒２５が設置されている。内筒１１内の触媒２５の下流側に形成された燃焼ガス通路２６の周壁には、複数の導入孔２７が設けられ、空気通路１２内に導入された圧縮空気Ａの一部が、常時、内筒１１内へ希釈用空気として導入される。前記導入孔２７の入口部には、追い焚き燃料ノズル２８が設けられている。
【００１４】
燃料ガス圧縮機８で昇圧された燃料は、燃料コントローラ９により制御されて、予熱燃料ライン３１から予燃焼燃料ノズル２２へ、予混合燃料ライン３２からマニホールド１９を経て予混合燃料ノズル１８へ、追い焚き燃料ライン３３から導入孔２７へ、それぞれ供給される。また、触媒２５の上流で予熱混合気室２３内に温度計３５のセンサ部３５ａが挿入され、触媒２５の出口の近傍で燃焼ガス通路２６内に、温度計３６のセンサ部３６ａが挿入されている。温度計３５、３６で検出された温度は、燃料コントローラ９に入力される。
【００１５】
上記構成において、図１の圧縮機１から燃焼器２に供給される圧縮空気Ａは、図２に示す燃焼器２の空気通路１２に導入される。導入された圧縮空気Ａの一部は、空気通路１２を経て予混合室１７へ導入され、予混合燃料ノズル１８から噴射される燃料と混合されて予混合気Ｍ１を作る。また、圧縮空気Ａの他の一部はスワーラ２１を通り、旋回しながら予熱室２０内に導入され、予燃焼燃料ノズル２２から噴射される燃料と混合されて燃焼し、５００℃程度の予熱用燃焼ガスＧ１となる。予熱室２０の下流側の予熱混合気室２３において、前記予熱用燃焼ガスＧ１と、予混合室１７より供給される予混合気Ｍ１とが混合されて、予熱混合気Ｍ２が作られる。この予熱混合気Ｍ２は、触媒２５で反応して燃焼し、燃焼ガスＧ２となり、燃焼ガス通路２６を通って、タービン３（図１）へ導入される。空気通路１２内の圧縮空気Ａのさらに他の一部は触媒２５の下流側で導入孔２７より、常時、内筒１１内へ希釈用空気として導入される。
【００１６】
内筒１１の頭部の予燃焼燃料ノズル２２からの燃料噴射量は、予熱混合気室２３内の温度計３５から検出される温度に基づいて制御され、予熱混合気Ｍ２の温度が常に触媒反応に適した温度範囲に維持される。追い焚き燃料ノズル２８からの燃料噴射量は、触媒２５出口側の温度計３６から検出された温度に基づいて制御される。追い焚き燃料ノズル２８は、触媒出口温度が予め設定された上限値に達するまでは、つまり、ガスタービンエンジンの低負荷時は作動しない。
この低負荷時には、導入孔２７から圧縮空気Ａのみが内筒１１内に流入する。こうして、導入孔２７から触媒２５を迂回して圧縮空気Ａが流れることにより、低負荷であるために触媒２５で反応する燃料流量が少ないにもかかわらず、触媒２５を通る予熱混合気Ｍ２の燃空比が適正に保たれ、かつ、触媒反応に必要な温度上昇が得られて、ＮＯＸ発生量が少なくなる。
【００１７】
一方、触媒出口温度が上限値に達すると、つまり、高負荷領域に入ると、燃料コントローラ９の指令により、追い焚き燃料ノズル２８が燃料の噴射を開始する。追い焚き燃料ノズル２８作動以降の負荷の増加に対しては、追い焚き燃料流量の制御のみで対応し、負荷の増減に応じて追い焚き燃料ノズル２８からの燃料噴射量が増減される。追い焚き燃料ノズル２８からの燃料噴射量は、燃焼器２に供給される全燃料供給量の３０％以下とするのが好ましい。燃焼器２に供給される全燃料供給量は、例えば、ガスタービンエンジンの回転数を一定値に維持するように制御される。
【００１８】
【発明の効果】
以上のように、本発明のガスタービン燃焼器によれば、触媒の下流側に導入孔および追い焚き燃焼ノズルを設けて、高負荷時に前記追い焚きノズルを作動させているから、可動部のない簡単な構造でありながら、負荷の大小にかかわらず、低ＮＯＸ運転が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明に係るガスタービン燃焼器が適用されるガスタービンエンジンを示す概略構成図である。
【図２】本発明の一実施形態であるガスタービン燃焼器の縦断面図である。
【符号の説明】
１…圧縮機、２…燃焼器、３…タービン、４…減速機、５…回転軸、７…負荷、８…燃料ガス圧縮機、９…燃料コントローラ、１０…ケーシング、１１…内筒、１２…空気通路、１４…パイプ、１７…予混合室、１８…予混合燃料ノズル、２０…予熱室、２２…予燃焼燃料ノズル、２３…予熱混合気室、２５…触媒、２６…燃焼ガス通路、２７…導入孔、２８…追い焚き燃料ノズル、３５、３６…温度計、Ａ…圧縮空気、Ｍ１…予混合気、Ｍ２…予熱混合気、Ｇ１…予熱用燃焼ガス、Ｇ２…燃焼ガス。
【図１】
0003583736.tif 000002
【図２】
0003583736.tif 000003