JP2001012257A - ガスタービン燃焼器の燃料・蒸気供給装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガスタービンの負荷が急変（急減／急増）し
た場合でも、燃焼器に供給する蒸気／燃料比をほぼ一定
に保持することができ、これにより、ＮＯｘの発生を抑
制し、かつ常に安定した燃焼を維持することができるガ
スタービン燃焼器の燃料・蒸気供給装置を供給する。 【解決手段】 燃料ライン７に設けられ燃料流量Ｑｆの
２乗にほぼ比例する差圧（Ｐ１−Ｐ３）を作り出す燃料
流量検出器１２（オリフィス）と、蒸気ライン８に設け
られ燃料流量制御器の上流側ラインと蒸気ラインの差圧
（Ｐ１−Ｐ２）をほぼ一定に保持するように蒸気流量Ｑ
ｓを制御する蒸気流量制御器１４（ダイヤフラム式流量
調節弁）と、蒸気流量制御器と混合チャンバの間に設け
られ燃料と水蒸気の混合比率を調節する混合比率調節弁
１６（ニードル弁又はオリフィス）とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料ガスと蒸気を
予混合して噴射するガスタービン燃焼器の燃料・蒸気供
給装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、環境保護のために、ガスタービン
による燃焼排ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）を低減する
ことが義務付けられており、そのため、図３に模式的に
示す低ＮＯｘ燃焼器が従来から用いられている。この図
において、１はガスタービンのケーシング、２は燃焼
器、３は燃料噴射ノズル、４は混合チャンバーであり、
燃料に蒸気を予混合して噴射する方式の低ＮＯｘ燃焼器
を示している。

【０００３】図示しない圧縮機で圧縮された空気がスワ
ール部２ａを通って燃焼器２内に流入する。一方、混合
チャンバー４で予混合した燃料ガスが燃料噴射ノズル３
から燃焼器２内に噴射され、空気流と混合しながら燃焼
して旋回火炎流を形成する。かかる低ＮＯｘ燃焼器で
は、燃料に予混合する水蒸気量を増すことにより、燃焼
時の火炎温度を低減し、ＮＯｘの発生を抑制することが
できる。なお、通常複数の燃焼器２が周方向に間隔を隔
てて並べられるが、単一の燃焼器を用いる場合もある。
また、この図において、５は水蒸気の別の供給ラインで
あり、燃焼器２をの側壁から燃焼器２内に大量の水蒸気
を供給することにより、下流側に位置するタービンの出
力を増大させるようになっている。

【０００４】図４は、上述した複数の低ＮＯｘ燃焼器に
燃料と水蒸気を供給する従来のガスタービン燃焼器の燃
料・蒸気供給装置の構成図である。従来の低ＮＯｘ燃焼
器６は、図３に示したように、燃料噴射ノズル２とその
上流側の混合チャンバー４とからなる。また、従来の燃
料・蒸気供給装置は、各低ＮＯｘ燃焼器６に燃料を供給
する燃料ライン７と、水蒸気を供給する蒸気ライン８と
を備える。燃料ライン７と蒸気ライン８には、それぞ
れ、流量計７ａ，８ａ、流量制御弁７ｂ，８ｂ、遮断弁
７ｃ，８ｃが設けられている。また、制御装置９が設け
られ、流量計７ａ，８ａの検出データを基に、流量制御
弁７ｂ，８ｂを制御し、水蒸気と燃料の比率（蒸気／燃
料比）を一定に自動制御するようになっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の燃料・蒸気供給装置では、蒸気／燃料比を一定に制御
するため、燃料流量の変化に対応して蒸気流量を制御す
る蒸気流量制御弁８ｂが装備され、蒸気流量計８ａで計
測された蒸気流量と、同様に燃料流量計７ａで計測され
た燃料流量とが一定比率となるよう、制御装置９から、
蒸気流量制御弁８ｂに制御信号が送出され、蒸気流量が
制御される。

【０００６】しかし、かかる従来の燃料・蒸気供給装置
では、流量計７ａ，８ａの時間遅れ、制御装置９内の演
算に要する時間、制御弁７ｂ，８ｂの応答時間等が積み
重なり、燃料の変動が急激な場合には、蒸気／燃料比が
大きく変動する問題点があった。

【０００７】すなわち、例えばガスタービンを用いた発
電設備では、 1負荷遮断時や 2瞬時電圧低下時（「瞬低
時」）に選択遮断が実施される場合等には、ガスタービ
ンの負荷が大幅に急減するため、これに対応して燃料流
量を急減させるが、燃料流量計７ａによる流量検出時間
ｔ１、制御装置９内での演算時間ｔ２、蒸気流量制御弁
８ｂの作動時間ｔ３、等の累積時間が例えば１秒以上に
なるため、その間水蒸気流量は変化せず、結果として燃
料に対する水蒸気量が過剰となり、蒸気／燃料比が急上
昇して、燃焼器６内の燃焼が維持できず、火炎が吹き消
えてガスタービンが停止することがある問題点があっ
た。

【０００８】そのため、従来、負荷の遮断時には、例え
ば、蒸気遮断弁８ｃを閉じて水蒸気の供給を遮断する等
の手段が採られていたが、この場合には、燃焼自体は維
持できるものの、火炎温度が一時的に急上昇してＮＯｘ
の発生量が増大する問題点があった。更に、蒸気流量制
御弁８ｂの作動遅れを低減するために、燃料流量計７ａ
による流量検出を待たずに、燃料流量制御弁７ｂと同時
に蒸気流量制御弁８ｂを作動させる制御手段が採られる
ことがあるが、この場合にも、水蒸気制御弁の作動速度
が燃料制御弁の作動速度に比べかなり遅いため、制御弁
７ｂ，８ｂ間に作動遅れが生じ、やはり一時的に水蒸気
量が過剰となり、蒸気／燃料比が急上昇して、燃焼器２
内の燃焼が不安定となる問題点があった。

【０００９】また、逆にガスタービンの負荷が急増する
際にも、蒸気流量制御弁８ｂが燃料流量制御弁７ｂより
も遅れるため、一時的に蒸気流量が過少となり、蒸気／
燃料比が急低下して、ＮＯｘの発生量が増大する問題が
生じる。

【００１０】本発明は上述した問題点を解決するために
創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、ガ
スタービンの負荷が急変（急減／急増）した場合でも、
燃焼器に供給する蒸気／燃料比をほぼ一定に保持するこ
とができ、これにより、ＮＯｘの発生を抑制し、かつ常
に安定した燃焼を維持することができるガスタービン燃
焼器の燃料・蒸気供給装置を供給することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、燃料を
供給する燃料ライン（７）と、水蒸気を供給する蒸気ラ
イン（８）と、燃料ラインと蒸気ラインで供給された燃
料と水蒸気を混合する混合チャンバ（４）とを備え、該
チャンバからガスタービン用の燃焼器（２）に予混合し
た燃料を供給する燃料・蒸気供給装置において、燃料ラ
インに設けられ燃料流量Ｑｆの２乗にほぼ比例する差圧
（Ｐ１−Ｐ３）を作り出す燃料流量検出器（１２）と、
蒸気ラインに設けられ燃料流量検出器の上流側ラインと
蒸気ラインの差圧（Ｐ１−Ｐ２）をほぼ一定に保持する
ように蒸気流量Ｑｓを制御する蒸気流量制御器（１４）
と、蒸気流量制御器と混合チャンバの間に設けられ燃料
と水蒸気の混合比率を調節する混合比率調節弁（１６）
とを備える、ことを特徴とするガスタービン燃焼器の燃
料・蒸気供給装置が提供される。

【００１２】上記本発明の構成によれば、燃料流量検出
器（１２）の上流側圧力をＰ１、混合比率調節弁（１
６）の上流側圧力をＰ２、混合チャンバ内圧力をＰ３と
すると、Ｐ１＞Ｐ２＞Ｐ３の関係がある。また燃料流量
Ｑｆの２乗は燃料流量検出器（１２）による差圧（Ｐ１
−Ｐ３）にほぼ比例し、蒸気流量Ｑｓは混合比率調節弁
（１６）による差圧（Ｐ２−Ｐ３）にほぼ比例する。従
って、蒸気流量制御器（１４）により差圧（Ｐ１−Ｐ
２）をほぼ一定に保持することにより、差圧（Ｐ１−Ｐ
３）と差圧（Ｐ２−Ｐ３）、すなわち燃料流量Ｑｆと蒸
気流量Ｑｓを常にほぼ比例させることができる。

【００１３】すなわち、ガスタービンの負荷が大幅に急
変（急減／急増）し、これに対応して燃料流量を急変さ
せた場合でも、燃料流量の変化の２乗にほぼ比例して差
圧（Ｐ１−Ｐ３）が変化し、同時に差圧（Ｐ２−Ｐ３）
が追従して蒸気流量Ｑｓが変化するので、混合チャンバ
（４）を介して燃焼器に供給される燃料ガスの蒸気／燃
料比はほとんど変化せず、ほぼ一定に保持することがで
き、これにより、ＮＯｘの発生を抑制し、かつ常に安定
した燃焼を維持することができる。

【００１４】言い換えれば、ガスタービンの負荷急減に
より燃料ガスが急減した場合、燃料流量検出器（１２）
の上流側圧力Ｐ１が減少する。この変化を蒸気流量制御
器（１４）が検知し、上流側圧力Ｐ１と蒸気流量制御器
（１４）の出口側圧力Ｐ２の差圧が変化しないようこの
制御器を絞り、蒸気流量を減少させる。この動作によ
り、燃料ガスの急激な流量変動に対しても、蒸気／燃料
ガス流量比をほぼ一定に保持することが可能となり、蒸
気流量制御遅れによる吹き消え等の問題を解消すること
ができる。

【００１５】更に本発明の構成によれば、混合比率調節
弁（１６）により差圧（Ｐ２−Ｐ３）を調整して圧力Ｐ
２を変化させることにより、差圧（Ｐ１−Ｐ３）と差圧
（Ｐ２−Ｐ３）の比率を変化させ燃料と水蒸気の混合比
率を調節することができる。

【００１６】本発明の好ましい実施形態によれば、前記
混合比率調節弁（１６）は、ニードル弁又はオリフィス
である。この構成により、簡単な構造で、差圧（Ｐ２−
Ｐ３）を調整し、燃料と水蒸気の混合比率を調節するこ
とができる。

【００１７】また、前記燃料流量検出器（１２）は、オ
リフィスであるのがよい。この構成により、簡単な構造
で、差圧（Ｐ１−Ｐ３）の平方根にほぼ比例して燃料流
量Ｑｆを制御することができる。

【００１８】更に、前記蒸気流量制御器（１４）は、ダ
イヤフラム式流量調節弁であるのがよい。この構成によ
り、差圧（Ｐ１−Ｐ２）により弁を開閉させて流量制御
器の上流側ラインと蒸気ラインの差圧（Ｐ１−Ｐ２）を
ほぼ一定に保持することができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施形態
を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通
する部分には同一の符号を付して使用する。図１は、本
発明による燃料・蒸気供給装置の全体構成図である。こ
の図に示すように、本発明のガスタービン燃焼器の燃料
・蒸気供給装置１０は、燃料を供給する燃料ライン７
と、水蒸気を供給する蒸気ライン８と、燃料ライン７と
蒸気ライン８で供給された燃料と水蒸気を混合する混合
チャンバ４とを備え、チャンバ４からガスタービン用の
燃料噴射ノズル３に予混合した燃料を供給し、ガスター
ビン用の燃焼器２に燃料と水蒸気を予混合して噴射する
ようになっている。

【００２０】この例において、燃料は燃料ガスであり、
好ましくは都市ガス１３Ａ又はＬＰＧガスである。ま
た、燃料ガスは、燃料ガス源（図示せず）から制御弁７
ｂを介して燃料ガスマニホールド２１に供給され、この
マニホールド２１を介して燃料ライン７に燃料ガスが供
給される。制御弁７ｂは制御装置９により常時制御され
ガスタービンに常に必要流量を供給し、かつ 1負荷遮断
時や 2「瞬低時」に選択遮断が実施される場合等には、
ガスタービンの負荷の急減に対応して燃料流量を急減さ
せるようになっている。また、水蒸気は、水蒸気ドラム
（図示せず）から水蒸気マニホールド２２に常に一定の
圧力で供給され、このマニホールド２２を介して蒸気ラ
イン８に一定圧の水蒸気が供給されている。なお、水蒸
気と燃料ガスはほぼ同等の圧力に設定されている。

【００２１】図１において、本発明のガスタービン燃焼
器の燃料・蒸気供給装置１０は、更に燃料流量検出器１
２、蒸気流量制御器１４及び混合比率調節弁１６を備え
る。

【００２２】燃料流量検出器１２は、この例ではオリフ
ィスであり、燃料流量Ｑｆの２乗にほぼ比例する差圧
（Ｐ１−Ｐ３）を作り出すようになっている。ここで、
Ｐ１は燃料流量検出器１２の上流側圧力、Ｐ３は混合チ
ャンバ４内の圧力である。なお、燃料流量検出器１２の
下流側から混合チャンバ４までの圧力損失は十分小さ
く、実質的に混合チャンバ４内の圧力Ｐ３と燃料流量検
出器１２の下流側圧力と一致する。

【００２３】蒸気流量制御器１４は、この例ではダイヤ
フラム式流量調節弁であり、蒸気ライン８に設けられ燃
料流量検出器１２の上流側ラインと蒸気ライン８の差圧
（Ｐ１−Ｐ２）をほぼ一定に保持するように蒸気流量Ｑ
ｓを制御する。ここで、Ｐ２は、混合比率調節弁１６の
上流側圧力、すなわち蒸気流量制御器１４の下流側圧力
である。また、図中の１１ａは燃料流量検出器１２の上
流側ライン（圧力Ｐ１の位置）とダイヤフラムの一方と
を結ぶ燃料側パイロットライン、１１ｂは混合比率調節
弁１６の上流側ライン（圧力Ｐ２の位置）とダイヤフラ
ムの反対側とを結ぶ蒸気側パイロットラインである。

【００２４】混合比率調節弁１６は、ニードル弁又はオ
リフィス（この例ではニードル弁）である。この混合比
率調節弁１６は、蒸気流量制御器１４と混合チャンバ４
の間に設けられ、燃料と水蒸気の混合比率を調節するよ
うになっている。

【００２５】図２は、図１の装置の特性図であり、
（Ａ）は燃料ラインの差圧（Ｐ１−Ｐ３）と燃料流量Ｑ
ｆとの関係、（Ｂ）は蒸気ラインの差圧（Ｐ２−Ｐ３）
と燃料ラインの差圧（Ｐ１−Ｐ２）との関係を模式的に
示している。以下、図１と図２に基づき、本発明の装置
の作動を説明する。

【００２６】上述した本発明の構成によれば、図１から
明らかなように、燃料流量検出器１２（オリフィス）の
上流側圧力Ｐ１、混合比率調節弁１６（ニードル弁）の
上流側圧力Ｐ２、混合チャンバ内圧力Ｐ３との間には、
Ｐ１＞Ｐ２＞Ｐ３の関係がある。また図２（Ａ）に示す
ように、燃料流量Ｑｆは燃料流量検出器１２による差圧
（Ｐ１−Ｐ３）の平方根にほぼ比例する。更に、同様に
蒸気流量Ｑｓは混合比率調節弁１６による差圧（Ｐ２−
Ｐ３）の平方根にほぼ比例する。従って、蒸気流量制御
器１４により差圧（Ｐ１−Ｐ２）をほぼ一定の正の値に
保持することにより、図２（Ｂ）に示すように、差圧
（Ｐ１−Ｐ３）と差圧（Ｐ２−Ｐ３）、すなわち燃料流
量Ｑｆと蒸気流量Ｑｓを常にほぼ比例させることができ
る。

【００２７】ガスタービンの負荷が大幅に急変（急減／
急増）し、これに対応して燃料流量を急変させた場合で
も、燃料流量の変化の２乗にほぼ比例して差圧（Ｐ１−
Ｐ３）が変化し（例えば１→２）、同時に差圧（Ｐ２−
Ｐ３）がこれに追従して蒸気流量Ｑｓが変化するので、
混合チャンバ４を介して燃焼器に供給される燃料ガスの
蒸気／燃料比はほとんど変化せず、ほぼ一定に保持する
ことができ、これにより、ＮＯｘの発生を抑制し、かつ
常に安定した燃焼を維持することができる。

【００２８】言い換えれば、ガスタービンの負荷急減に
より燃料ガスが急減した場合、図１において燃料流量検
出器１２の上流側圧力Ｐ１が減少する。この変化を蒸気
流量制御器１４が検知し、上流側圧力Ｐ１と蒸気流量制
御器１４の出口側圧力Ｐ２の差圧が変化しないようこの
制御器１４を絞り、蒸気流量を減少させる。この動作に
より、燃料ガスの急激な流量変動に対しても、蒸気／燃
料ガス流量比をほぼ一定に保持することが可能となり、
蒸気流量制御遅れによる吹き消え等の問題を解消するこ
とができる。

【００２９】更に本発明の構成によれば、混合比率調節
弁１６により差圧（Ｐ２−Ｐ３）を調整して圧力Ｐ２を
変化させることにより、差圧（Ｐ１−Ｐ３）と差圧（Ｐ
２−Ｐ３）の比率を変化させ燃料と水蒸気の混合比率を
調節することができる。

【００３０】なお、本発明は上述した実施形態に限定さ
れず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できる
ことは勿論である。

【００３１】

【発明の効果】上述したように、本発明により、燃料流
量の変化に対する蒸気流量の制御応答が従来の制御方式
に比べ、大幅に改善される。このため、負荷遮断時、瞬
停時（選択遮断）等の負荷急減に対しても、蒸気流量の
応答遅れによる燃焼の吹き消えが防止され、電力の安定
供給が可能となる。従って、本発明のガスタービン燃焼
器の燃料・蒸気供給装置は、ガスタービンの負荷が急変
（急減／急増）した場合でも、燃焼器に供給する蒸気／
燃料比をほぼ一定に保持することができ、これにより、
ＮＯｘの発生を抑制し、かつ常に安定した燃焼を維持す
ることができる、等の優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による燃料・蒸気供給装置の全体構成図
である。

【図２】図１の装置の特性図である。

【図３】従来のガスタービン用低ＮＯｘ燃焼器の模式図
である。

【図４】従来のガスタービン燃焼器の燃料・蒸気供給装
置の構成図である。

【符号の説明】

１ ガスタービンのケーシング ２ 燃焼器 ２ａ スワール部 ３ 燃料噴射ノズル ４ 混合チャンバー ５ 水蒸気供給ライン ６ 低ＮＯｘ燃焼器 ７ 燃料ライン ７ａ 燃料流量計 ７ｂ 燃料流量制御弁 ７ｃ 燃料遮断弁 ８ 蒸気ライン ８ａ 蒸気流量計 ８ｂ 蒸気流量制御弁 ８ｃ 蒸気遮断弁 ９ 制御装置 １０ 燃料・蒸気供給装置 １１ａ 燃料側パイロットライン １１ｂ 蒸気側パイロットライン １２ 燃料流量検出器（オリフィス） １４ 蒸気流量制御器（ダイヤフラム式流量調節弁） １６ 混合比率調節弁（ニードル弁又はオリフィス） ２１ 燃料ガスマニホールド ２２ 水蒸気マニホールド

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料を供給する燃料ライン（７）と、水
   蒸気を供給する蒸気ライン（８）と、燃料ラインと蒸気
   ラインで供給された燃料と水蒸気を混合する混合チャン
   バ（４）とを備え、該チャンバからガスタービン用の燃
   焼器（２）に予混合した燃料を供給する燃料・蒸気供給
   装置において、 燃料ラインに設けられ燃料流量Ｑｆの２乗にほぼ比例す
   る差圧（Ｐ１−Ｐ３）を作り出す燃料流量検出器（１
   ２）と、蒸気ラインに設けられ燃料流量検出器の上流側
   ラインと蒸気ラインの差圧（Ｐ１−Ｐ２）をほぼ一定に
   保持するように蒸気流量Ｑｓを制御する蒸気流量制御器
   （１４）と、蒸気流量制御器と混合チャンバの間に設け
   られ燃料と水蒸気の混合比率を調節する混合比率調節弁
   （１６）とを備える、ことを特徴とするガスタービン燃
   焼器の燃料・蒸気供給装置。
2. 【請求項２】 前記混合比率調節弁（１６）は、ニード
   ル弁又はオリフィスである、ことを特徴とする請求項１
   に記載のガスタービン燃焼器の燃料・蒸気供給装置。
3. 【請求項３】 前記燃料流量検出器（１２）は、オリフ
   ィスである、ことを特徴とする請求項１に記載のガスタ
   ービン燃焼器の燃料・蒸気供給装置。
4. 【請求項４】 前記蒸気流量制御器（１４）は、ダイヤ
   フラム式流量調節弁である、ことを特徴とする請求項１
   に記載のガスタービン燃焼器の燃料・蒸気供給装置。