JPH0411729B2

JPH0411729B2 -

Info

Publication number: JPH0411729B2
Application number: JP11685482A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Tsukahara; Kazumi Iwai; Yoji Ishibashi; Hidekazu Fujimura
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1982-07-07
Filing date: 1982-07-07
Publication date: 1992-03-02
Also published as: JPS597722A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕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。

〔従来の技術〕

近時において、NOxの規制値は、ますます厳
しくなつている。

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
効率の向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り、このNOxの
低減とガスタービンの熱効率向上とは、両立しに
くい関係にある。

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規制値を満足させるに至らず、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、触媒反応の効
率と触媒の耐熱性との両面から、温度上の制約が
あり、ガスタービンのような広い負荷変動に対応
させて実用化させていくには、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、燃焼器出口のガス温度が1000
℃以上と高く、且つ高負荷燃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、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
ンプレツ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
パイロツトバーナ７から高温ガスを内筒４内に供
給して触媒層５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
によつて高負荷燃焼が達成され、触媒燃焼器の燃
焼効率が高くなり、NOxの低い燃焼を行なうこ
とができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、その作動範囲は、第２図に示す
ように、完全燃焼し得る燃空比f₁は約0.025以上
である。一方、触媒の耐熱性から上限燃空比f₂は
0.033にしなければならない。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
空比を変化させ、その変動幅は最低負荷時の
0.005から定格負荷時の0.022までである。

これらの燃空比に関する条件を比較してみる
と、ガスタービンを定格運転した場合の燃空比
（0.022）は、完全燃焼可能な下限（0.025）と略
同じである。従つて、ガスタービンの部分負荷時
には完全燃焼が行われない。

このため、従来技術においては定格負荷時のみ
触媒燃焼を行わせ、部分負荷時にはパイロツトバ
ーナ７によつて燃焼を行わせていたが、パイロツ
トバーナによる燃焼生成ガスはNOxの含有率が
高い。

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、触媒燃焼器の囲りに円環状に多
数配設し、ガスタービンの負荷変動に応じて、作
動燃料ノズルの数を調節し、負荷に応じた燃料供
給量を調節して行なつていたが、負荷が低い場合
は、触媒層の温度を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
り、実質的にタービンの負荷変化に追従できない
という問題があつた。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであ
り、ガスタービンの部分負荷時においても完全燃
焼を行わせ得る触媒燃焼器を提供することを目的
とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するため、本発明のガスター
ビンの触媒燃焼器は、パイロツトバナーの下流側
に複数段の触媒燃焼器を配置し、各段の触媒燃焼
器に対して燃料と空気とを供給し得るように構成
する。

上記の燃料供給手段は、各段の触媒燃焼器ごと
に開閉弁を設けるが、空気供給手段は各段の触媒
燃焼器ごとの流量調節が出来なくてもよい。

〔作用〕

前述の如く、従来技術においてはガスタービン
を定格負荷で運転しないと触媒燃焼器が完全燃焼
し得る燃空比の下限（0.025）に達しない。

いま仮にガスタービンを1/2負荷で運転すると、
この場合の燃空比は完全燃焼可能な燃空比の下限
に比して約1/2の燃空比となる。

ここで前記の構成の如く触媒燃焼器を複数段に
設けてあれば、この複数段の内の1/2の数の段だ
け燃焼を行わせればよい。

このように使用すると、半数の段の触媒燃焼器
は休止し、半数の段の触媒燃焼器がフル作動し、
完全燃焼し得る（詳しくは、完全燃焼可能な燃空
比で運転される）。

〔実施例〕

第３図は本発明のガスタービン触媒燃焼器の１
実施例を模式的に描いた縦断面図である。

燃焼器外筒２内に内筒４が設置され、その上流
端にパイロツトバーナ８が設けられている。７は
その燃焼室、２４は点火装置である。

前記の内筒４内に、ガス流動方向に並べて４段
に触媒層１２，１３，１４，１５を設置する。

そして、触媒層１２の上流側に燃料ノズル１６
と同３０とを設ける。

触媒層１３の上流側に燃料ノズル１７を設け、
同様に触媒層１４，１５それぞれの上流側に燃料
ノズル１８，１９を設ける。

上記の燃料ノズル３０，１６，１７，１８，１
９のそれぞれを、開閉弁２９，２０，２１，２
２，２３を介して燃料供給母管９に接続する。上
記燃料供給母管９には流量制御弁２８が設けられ
て燃料の総流量を制御している。

２７はパイロツトバーナ８用の開閉切換弁であ
る。

２５，２６は、１段目の触媒層１２に燃焼用空
気を供給する空気通路である。２段〜４段の触媒
層１３〜１５にも同様の空気通路が設けられてい
る。

このように構成され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器３２
からの信号によつて、燃料母管９に設けた流量制
御弁２８を作動して燃料母管９内を流れる燃料の
流量を制御することによつて行なわれ、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
スタービン出力要求信号３３によつて開閉される
開閉弁２０，２１，２２，２３の開閉によつて、
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。

この触媒燃焼に際して、先ず起動時は、パイロ
ツトバーナ８によつて、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
よつ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つて、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つている。例えばガスタ
ービン負荷が約1/2負荷であつて触媒層１２と１
３だけが高負荷燃焼し、触媒層１４が休止してい
る場合は、触媒層１４の温度は上流側の触媒層の
燃焼ガスにより、いつでも燃焼開始可能な温度に
保持されている。

又各触媒層内での燃焼は、ある一定範囲内の燃
空比（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図に示
した３２は負荷設定器であり、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
指示器であり、タービン出力信号３３によつて、
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施例の作用を以下説
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、
パイロツトバーナ８に燃料を供給し、点火装置２
４によつて点火させ、パイロツトバーナ８によつ
て燃焼室７内に燃焼させる。このようにして点火
された後、徐々に燃料量を増加させ、燃焼ガス温
度を上昇させる。この燃焼ガスによつて、触媒層
１２の温度が気相燃焼可能な温度以上になつたと
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。
次に開閉切換弁２７を閉にして、パイロツトバー
ナ８の燃焼を停止させると同時に、開閉弁２９を
開いて燃料ノズル３０から燃料を噴霧させる。該
燃料ノズル３０からの燃料噴霧は作動中の燃料ノ
ズル１６の混合気と共に触媒層１２で燃焼する。
この段階で本実施例のガスタービン触媒燃焼器
は、触媒燃焼のみで燃焼が行われる。

この状態で次段の触媒層１３は、前段に当たる
触媒層１２の燃焼ガスによつて、気相燃焼可能な
温度にまで昇温される。この状態から更に負荷を
上昇させる場合には、負荷設定器３２によつて流
量制御弁２８を制御し、タービンの設定負荷に応
じた流量の燃料を供給するとともに、タービン出
力要求信号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。

同様の制御を、第３段以降についても行う。こ
のようにして、タービンの負荷に合せて、触媒層
全段を作動させたり、或は燃焼を停止させたりす
る。

一方において、各触媒層の燃空比は、第２図に
ついて説明したようにf₁〜f₂の間に保持する必要
がある。

次に、この実施例における燃空比の制御につい
て説明する。

第３図に示したように、触媒層１２〜１５を４
段に配列してある。

定格運転の場合４段全部を使用するが、軽負荷
運転時には１段目の触媒層１２のみを用いて燃焼
を行わせ、負荷の上昇に伴つて順次に２段目触媒
層１３，３段目触媒層１４を用いる。

どの段の触媒層に燃焼を行わせ、どの段の触媒
層を休止させるかの選択操作は、それぞれの段の
触媒層の直近の上流側に設けた燃料ノズルへの燃
料供給を、開閉弁２０〜２３で制御して行う。

そして、燃焼用空気の供給は、定格運転状態を
想定して４段全部の触媒層に必要空気を供給する
ように空気通路を構成し、部分負荷状態でも同じ
ように空気を供給する。即ち、休止している触媒
層に対しては燃料を供給しないが、空気は供給す
る。

第４図Ａは、各段の触媒層への燃焼用空気配分
の１例を示す図表で、この例においては定格負荷
において５段の触媒層の全段で燃焼を行わせる。

この定格負荷状態で、パイロツトバーナに対す
る空気供給量は全流量の25％である。

パイロツトバーナと、第１段触媒層との空気供
給量の合計は33％である。これに第２段触媒層の
空気供給量を加えると43.56％になる。

さらに第３段触媒層の空気供給量を加えると
57.50％、第４段触媒層の空気供給量を加えると
75.9％となり、第５段と合わせて全空気供給量が
100％となる。

このような、各段の触媒層への空気供給量の配
分は設計的に定めることができるが、先に説明し
たように、各触媒層における空燃比を、f₁＝
0.025以上、f₂＝0.03以下に収めなければならない
ので、ある段における供給空気量をGaとし、該
ある段までの供給空気量をGaoとして、 Ga₀／（Ga₀＋Ga）≧f₁／f₂ となるように設定する。

第４図Ａに示した空気供給量配分は、このよう
にして定めたものである。次に、負荷を順次に上
げてゆく場合の燃料配分の１例を第４図Ｂについ
て説明する。この第４図Ｂに示した例は触媒層を
４段に配列した場合のものである。

出力がＡ％（15％）に達するまでは、第３図に
示したパイロツトバーナ８による噴霧燃料を燃焼
室７で燃焼させる。この間、各段の触媒層には燃
料を供給しない。

流量制御弁２８を開いてパイロツトバーナ噴霧
を増加させ、出力（％）がＡ％に達すると、開閉
切換弁２７を作動させてパイロツトバーナ８の燃
料供給を停止するとともに開閉弁２０を用いて第
１段触媒層の燃料ノズル１６に噴霧を行わせる。
上記開閉切換弁２７を作動させてパイロツトバー
ナ８の燃料供給を停止したとき、開閉弁２９が連
動して開かれ、燃料ノズル３０からの噴霧が始ま
る。

パイロツトバーナ８による燃料のために第１段
触媒層１２が加熱されて昇温していいるから、該
第１段触媒層１２内で触媒燃焼が開始される。

流量制御弁２８を更に開いてゆくと、第１段触
媒層に対する燃料ノズル１６からの燃料供給量は
カーブ_aの如く増加する。

出力（％）がＡ％に達したときパイロツトバー
ナへの燃料供給は遮断するが、Ａ％から更に負荷
上昇するのに伴つて、本例では破線カーブｅで示
すように燃料ノズル３０に燃料を供給する。そし
て、更に流量制御弁２８を開いて、出力Ｂ％（20
％）まで増加させる。

出力がＢ％に達すると開閉弁２１を開いて燃料
ノズル１７の噴霧を開始し、第２段触媒層１３に
おける燃焼を開始させる。

Ｂ％からＣ％（40％）までの間、第１段触媒層
１２に対する燃料ノズル１６からの燃料供給はカ
ーブ_bで表わされ、この間（Ｂ〜Ｃ％）におけ
る第２段触媒層１３に対する燃料供給はカーブ
_ｂで表わされる。

出力％がＢ％を越えて第２段触媒層の燃焼が開
始される際、燃料流量の総流量は流量制御弁２８
で制限されているから急激な変化を示さない。即
ち出力Ｂ％でカーブ_bの如く第２段触媒層に燃
料が送られ始めると、第１段触媒層の燃料ノズル
１６による供給燃料はカーブ_aからカーブ_bに
減少し、これと同時に燃料ノズル３０からの燃料
供給カーブｅも減少する。

このように、燃料流量の総量が急激に変化しな
いことは、過大な熱応力を発生させないという観
点から好ましい。

同様にして、出力Ｃ％で第３段触媒層１４の燃
焼を開始させ、Ｄ％で第４段触媒層１５の燃焼を
開始させて全段燃焼となり、Ｅ点（定格出力）に
至る。カーブ_dは第４段触媒層の燃料供給を示
している。

このようにして、15％負荷から100％負荷まで
の間に、第１段〜段４段の触媒層が順次に燃焼を
開始する。

図示を省略するが、第１段〜第４段の触媒層の
下流側に、更に第５段の触媒層を設けておき、こ
の第５段触媒層で触媒燃焼を行わせて過負荷運転
に対応することもできる。

例えば負荷Ｃ％からＤ％まで上昇する間におい
て、１段目、２段目、３段目触媒層の供給燃料流
量_c，_c，_cは増加するが、燃空比はf₁，f₂の
範囲内に保たれる。

〔発明の効果〕

以上詳述した通り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ツト
バーナを設け、ガス流れ方向に並べて複数段の触
媒層を設けたので、起動時第１段目の触媒層をパ
イロツトバーナによつて気相燃焼可能な温度にま
で昇温した後パイロツトバーナを停止させ、以後
次段の触媒層の昇温は、前段の触媒層によつて行
ない得る。このため、ガスタービン触媒燃焼器の
燃焼は、主として触媒層による触媒燃焼によつて
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の排出量を抑え
ることができた。

又上記各触媒層に燃料と空気を供給する装置を
付設し、開閉弁を介して上記燃料供給装置を燃料
母管に接続し、燃料母管に設けた流量制御弁を制
御することによつ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
量に制御すると共に、ガスタービンの出力信号に
よつて、上記開閉弁を操作し得るようにしたの
で、複数段の触媒層をタービンの負荷に合わせて
追従燃焼させることができ、さらには、各触媒層
に個々に燃料と空気の供給装置を付設することに
よつて、各触媒層での燃空比をf₁（完全燃焼可能
な下限）とf₂（焼損しない上限）との間に保つこ
とができる。

このため、定格負荷時においても触媒層を焼損
する虞れなく、部分負荷時においても触媒による
完全燃焼を行うことができ、NOx排出量を大幅
に低減することができる。

【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例を示した説明用
図、第３図は、本発明の実施例であり、触媒燃焼
器を縦断面して示した図、第４図Ａは本実施例の
触媒燃焼器の空気量配分について示した説明用
図、Ｂは、ガスター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
ツトバーナ、９…燃料母管、１２，１３，１４，
１５…触媒層、１６，１７，１８，１９，３０…
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
…流量制御弁、３１…指示器、３２…負荷設定
器、３３…タービン出力信号。

Claims

【特許請求の範囲】

１燃焼器内筒の上流端に設けたパイロツトバー
ナと、上記燃焼器内筒内のガス流路方向に並べて
配列した複数段の触媒層と、上記複数段の触媒層
のそれぞれに燃焼用空気を供給する手段と、該複
数段の触媒層のそれぞれに燃料を供給する燃料ノ
ズルと、前記パイロツトバーナと燃料供給母管と
の間に設けた開閉弁と、前記燃料ノズルのそれぞ
れと燃料供給母管との間に設けた複数個の開閉弁
と、前記燃料母管に設けられて燃料の総流量を制
御する流量制御弁と、ガスタービンの出力要求信
号に基づいて前記の各開閉弁及び流量制御弁を作
動させる制御手段とよりなることを特徴とするガ
スタービン触媒燃焼器。