JP2001108237A

JP2001108237A - ガスタービン燃焼装置

Info

Publication number: JP2001108237A
Application number: JP28658799A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Murata; 健一村田; Takeshi Kudo; 健工藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-10-07
Filing date: 1999-10-07
Publication date: 2001-04-20

Abstract

(57)【要約】【課題】燃料系統やガスタービンの空気系統を複雑化す
ることなく、燃焼安定にして逆火防止を図ることが可能
なガスタービン燃焼装置を提供する。【解決手段】燃焼空気供給系統および燃料供給系統を備
え、前記燃焼空気供給系統の空気と前記燃料供給系統の
燃料を予混合器１３にて混合させ、この混合されたガス
を燃焼室２に供給して予混合燃焼するようにしたガスタ
ービン燃焼装置において、前記予混合器１３に、予混合
器内の逆火を検知する逆火検知装置３１を設けるととも
に、前記燃焼空気供給系統に、前記逆火検知装置の逆火
検知信号に基づき、外部より難燃性の高圧ガスあるいは
高圧空気を供給するガス供給装置５０を設けるようにし
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はガスタービン燃焼装
置に係わり、特に燃焼空気供給系統の空気と燃料供給系
統の燃料を予混合器にて混合させ、この混合させたガス
を燃焼室に供給して予混合燃焼させるようにしたガスタ
ービン燃焼装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】化石燃料の資源問題、地球規模の環境問
題が問われている現在、火力発電プラントには、高効
率、環境保全性、経済性が求められている。それに伴
い、ガスタービンにおいては効率向上のため、タービン
入口温度の更なる上昇が求められ、かつＮＯｘなどの環
境汚染物質の更なる排出量低減が求められている。

【０００３】ＮＯｘは、高温になるほど空気中の窒素の
反応で排出量が増えるため、当然のことながら、このＮ
Ｏｘを低減させるためには、ガスタービン燃焼器の燃焼
温度を低下させる必要がある。最新のガスタービン燃焼
装置は、空気と燃料を燃焼前に混合させて予混合ガスを
形成し、この予混合ガスを燃焼、すなわち希薄燃焼を行
わせることで燃焼温度を制御し、前述したタービン入口
温度の高温化とＮＯｘ排出量の低減を図っている。

【０００４】しかし、予混合燃焼は、安定燃焼範囲が狭
く、予混合器の流量の増減による流速の変動や、空気お
よび燃料の増減による燃空比の変動により火炎形成位置
が上流側に移行する逆火や、火炎形成位置が下流側に移
り満足な燃空比が得られず火炎が消える吹き消えなどの
現象が起こり易くなっている。特に、逆火が生じると、
燃焼器部材への火炎の付着により、燃焼器の焼損が生じ
ることから、運転停止、すなわち経済性および信頼性の
点で大きな問題となっている。

【０００５】この逆火防止策としては、いままでにも種
々のことが考えられ一部採用されているものもあるが、
充分満足できるものは得られていないのが実状である。
従来の逆火防止策の例としては、例えば特開平７−５４
６７１号公報にも開示されているように、予混合ダクト
内に逆火を検出するセンサを配置し、逆火を検知すると
予混合燃料噴射ノズルに供給していた燃料の少なくとも
一部を拡散燃料噴射ノズルに切り替えることにより、負
荷変動を小さく抑え、逆火を抑制するようにしたものが
ある。

【０００６】また、特開平７−５４６７１号公報に開示
されているように、予混合燃焼器において逆火現象が発
生すると、予混合器から燃焼室へ予混合ガスを導入する
環状通路に空気導入口を開き、燃焼器へ供給されている
高圧空気の一部を予混合器内に流入させ、混合ガスの濃
度を低くし燃焼室の火炎が上流側に逆流することを防止
するようにしているものも知られている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このように形成されて
いるガスタービン燃焼器、たとえば前者の燃焼器におい
ては、たしかに逆火は防止されるが、しかしこの場合、
逆火発生時に予混合燃焼に使用していた燃料を拡散燃焼
に切り替えることから、主燃焼が拡散燃焼となり、ＮＯ
ｘ量が増加することになる。また、この構成では、燃料
を切り替える燃料切り替え機構などが追加されることか
ら構成的に非常に複雑となる。すなわち、現在でも部分
負荷や負荷変動などに対応するため複雑化している燃料
系統がさらに複雑化してしまうのである。また、この燃
料を切り替えるものは、拡散燃焼系統が存在する燃焼器
にのみ採用可能であり、予混合燃焼のみの燃焼器では採
用できない嫌いがある。

【０００８】また、後者の予混合気内に燃焼器へ供給さ
れている高圧空気を導入するものは、本来燃焼に使用す
る高圧空気をバイパスするため、バイパス後に形成され
る予混合気の燃空比が変化し、燃焼が不安定になる恐れ
がある。また、特に多缶型のガスタービン燃焼器に使用
した場合には、逆火を生じた燃焼器とその他の燃焼器の
空気配分が変化し、他の燃焼器の燃焼が不安定になる恐
れがある。

【０００９】本発明はこれに鑑みなされたもので、その
目的とするところは、燃料系統やガスタービンの空気系
統を複雑化することなく、逆火発生時にも燃焼安定にし
てその逆火防止を充分図ることが可能なこの種のガスタ
ービン燃焼装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】すなわち本発明は、燃焼
空気供給系統および燃料供給系統を備え、前記燃焼空気
供給系統の空気と前記燃料供給系統の燃料を予混合器に
て混合させ、この混合されたガスを燃焼室に供給して予
混合燃焼するようにしたガスタービン燃焼装置におい
て、前記予混合器に、予混合器内の逆火を検知する逆火
検知装置を設けるとともに、前記燃焼空気供給系統に、
前記逆火検知装置の逆火検知信号に基づき、外部より難
燃性の高圧ガスあるいは高圧空気を供給するガス供給装
置を設けるようにし所期の目的を達成するようにしたも
のである。

【００１１】また、燃焼空気供給系統および燃料供給系
統を備え、前記燃焼空気供給系統の空気と前記燃料供給
系統の燃料を予混合器にて混合させ、この混合されたガ
スを燃焼室に供給して予混合燃焼するようにしたガスタ
ービン燃焼装置において、前記予混合器に、予混合器内
の逆火を検知する逆火検知装置と、この逆火検知装置の
逆火検知信号に基づき、外部より予混合器の内部に難燃
性の高圧ガスを供給するガス供給装置を設けるようにし
たものである。また、この場合、難燃性のガスとして、
ヘリウム若しくはアルゴンガスを用いるようにしたもの
である。

【００１２】すなわちこのように形成されたガスタービ
ン燃焼装置であると、予混合器に、予混合器内の逆火を
検知する逆火検知装置が設けられ、また燃焼空気供給系
統に、逆火検知装置の逆火検知信号に基づき、外部より
難燃性の高圧ガスあるいは高圧空気が供給されるガス供
給装置が設けられているので、逆火発生時には外部から
難燃性の高圧ガスあるいは高圧空気が予混合器内に噴射
供給され、この供給ガスにより火炎は予混合器の下流側
に押し戻され、充分逆火が防止される。そしてこの場
合、難燃性の高圧ガスあるいは高圧空気が外部から供給
されるので、従来のように燃焼器の燃焼空気量が変化す
ることはなく、燃焼器における燃焼状態には何等影響を
及ぼすことなく燃焼状態は安定に保たれ、また特に難燃
性の高圧ガスは、外部からガスタービンの空気系統ある
いは予混合器内に直接供給されるので、ガスタービンの
複雑化している空気系統に、特に弁や分岐管を設ける必
要がなく、したがって、燃料系統やガスタービンの空気
系統がより複雑化することはないのである。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下図示した実施例に基づいて本
発明を詳細に説明する。図１にはそのガスタービン燃焼
装置およびその燃焼装置を備えたガスタービンプラント
の概要が線図で示されている。ガスタービンは、図１
（ａ）に示されているように、主に空気圧縮機１、燃焼
器２、タービン３から構成され、その概要動作は、まず
空気圧縮機１により圧縮された高圧空気４が燃焼器２へ
導入され、ここで供給された燃料５とともに燃焼し、そ
して、その燃焼により発生した高温の燃焼ガス６により
タービン３が駆動される。タービン３で得られたエネル
ギーは、空気圧縮機１の駆動，および例えば電力への変
換など外部への仕事に用いられる。

【００１４】図１の（ｂ）には、このガスタービンに用
いられる燃焼器２の要部が断面で示されている。この燃
焼器２は定格および部分負荷運転時のＮＯｘ低減と、起
動時の燃焼安定性確保のため、予混合燃焼と拡散燃焼が
できるようになっている。すなわち、中央に拡散燃料ノ
ズル１５が設けられており、その外周に環状の予混合器
１３が設けられている。

【００１５】この燃焼器の動作を説明すると、空気圧縮
機３からの高圧空気４は、外筒１１と内筒１２の間，す
なわち燃焼室２４を形成する内筒１２の外周部を流通
し、予混合燃焼用空気４Ａと拡散燃焼用空気４Ｂに分岐
される。拡散燃焼用空気４Ｂは、拡散燃料ノズル１５先
端の燃料噴出孔から噴出した燃料５とともに燃焼室２４
内に噴出され拡散火炎２０を形成する。一方、予混合燃
焼用空気４Ａは、予混合器１３に入り、予混合燃料ノズ
ル１６および１７から噴出された燃料５と予混合室１４
内で混合され、燃焼室２４内に噴出され予混合火炎２１
を形成する。

【００１６】予混合器１３の出口には保炎器２２が設置
されており、この保炎器２２は、環状の予混合器１３に
対応して環状に形成され、その断面は頂点が上流側を向
くように配置された二等辺三角形状をしており、保炎器
２２の後流側に発生する循環流によって、予混合火炎２
１を安定に保持する。

【００１７】保炎器２２の下流側先端には、予混合器側
への逆火を検知する逆火センサ３１が設置されている。
また、前記逆火検知装置の逆火検知信号に基づき、外部
より難燃性の高圧ガスを供給するガス供給装置５０が設
けられている。ガス供給装置５０は、逆火センサ３１の
検知信号を処理する高圧ガス制御装置３２、燃焼空気内
に高圧ガスを噴射する高圧ガス噴射ノズル３４、および
高圧ガスの流量を制御する高圧ガス弁３３、また高圧ガ
スタンク５１を備えている。

【００１８】図２に図１の燃焼器の予混合器とその周辺
を拡大した図が示されている。保炎器２２に逆火センサ
３１として設置した熱電対の測定値より、逆火の兆候が
あると高圧ガス制御装置３２にて判断されたならば、高
圧ガス弁３３を開き、高圧空気４内に高圧ガス３５を高
圧ガス噴射ノズル３４より噴射する。これにより一時的
に混合気の流速を増加させるとともに燃空比を下げ、燃
焼速度を低下させ、火炎が保炎器２２およびその上流側
へ逆火するのを防ぐ。

【００１９】逆火センサ３１として熱電対を使用する場
合、逆火予測の判断は、熱電対で測定された温度を高圧
ガス制御装置３２に送り、高圧ガス制御装置３２内で制
御値と比較し判断する。制御において逆火の判断に使用
する制御値は、正常時および異常時の温度測定データを
収集し、収集された実績より決定する。

【００２０】逆火センサ３１として使用する熱電対の位
置は、保炎器２２の位置以外でもよい。熱電対の位置
は、予混合火炎が保炎される位置より上流側で、予混合
気が形成される位置よりも下流側ならば、どこでもよ
い。ただし、熱電対を設置する場所および燃焼器の形状
などにより逆火判断に使用する制御値も変わるため、そ
の場所および燃焼器形状などの条件での実績を収集し、
制御値を決定する必要がある。

【００２１】逆火センサ３１としては、熱電対以外に火
炎検出器を使用してもよい。火炎検出器を使用した場合
も設置する位置は予混合火炎が保炎される位置よりも上
流側で、予混合気が形成される位置よりも下流側ならば
どこでもよい。制御設置値も熱電対と同様に設置する場
所、燃焼器の形状などの条件により、実績を収集し決定
する。

【００２２】また、逆火センサ３１として圧力センサを
使用してもよい。圧力センサを使用した場合も設置する
位置は予混合火炎が保炎される位置よりも上流側で、予
混合気が形成される位置よりも上流側ならばどこでもよ
い。制御設定値も熱電対と同様に設置する場所、燃焼器
の形状などの条件により、実績を収集し決定する。

【００２３】高圧ガス噴射ノズル３４より噴射する高圧
ガス３５には、可燃性でない気体を使用する。気体とし
ては、空気やヘリウム、アルゴンなどが考えられる。酸
素を含まない気体を使用すれば比較的少量の気体で燃空
比を下げることができるため、ガスタービンに与える影
響を少なくできる。また、高圧ガス３５をガスタービン
とは別の系統より導入することにより、ガスタービンの
ヒートバランスに大きな影響を与えず、従来の燃料など
の制御や系統の複雑化すること無しに逆火の抑制ができ
る。

【００２４】また、高圧ガス３５の温度は低温にするこ
とが望ましい。すなわち、高圧ガス温度を低温にすれ
ば、高圧ガス３５を噴射された予混合気の温度も低下す
るため、予混合火炎の燃焼速度が低下し、より少ない高
圧ガス３５の量で逆火を抑制することができる。

【００２５】高圧ガス噴射ノズル３４の位置は図３に示
すように高圧空気系統ではなく、混合気内に噴射する位
置でもよい。混合気内に直接噴射することにより、局部
的な燃空比をさらに低下させることができ、燃焼速度を
遅くすることができるため、より少量の高圧ガス、より
短い時間での制御が可能になる。

【００２６】高圧ガス噴射ノズル３４の数は上記燃焼器
のように環状の予混合器形状の場合は、周方向に等間隔
で数本のノズルを配置する。このとき逆火センサ３１も
同様に周方向に等間隔で数個設置した場合は、局所的な
逆火に対しても高圧ガスを噴射するノズルの位置や数を
制御し、局所的に当該部流速を上昇させ、燃空比を下げ
ることにより対応可能となり、使用する高圧ガスの量を
さらに少なくすることができる。

【００２７】また、高圧ガス噴射ノズル３４の形状は環
状としてもよい。環状とすることにより、予混合器およ
び保炎器に対し均等に高圧ガスを噴射することができ、
全体的に火炎を下流に押し出すことができる。制御およ
び系統が多少複雑となるが、燃料および高圧空気を同時
に制御してもよい。また、逆火検知時、高圧ガスの噴射
制御と同時に燃料を減少させれば、より早く燃空比を低
下させられるため、応答性を早めることができる。

【００２８】また、逆火検知時に噴射する高圧ガスを別
に抽気しておいたガスタービン圧縮機からの高圧空気に
より行えば、外部に高圧ガス源を確保する必要がなくな
る。また、高圧空気内に噴射するため、できるだけ昇圧
しておけばより効率がよくなる。

【００２９】図４に逆火防止時のフローチャートが示さ
れている。制御の流れとしては、まず逆火センサ３１と
して取り付けた熱電対もしくは火炎検出器、圧力センサ
による測定データを制御装置に取り込む。制御装置内に
は通常運転時に測定されているガスタービン回転数、出
力、ＧＴ入口温度、ＩＧＶ開度などのその時のガスター
ビンの状態を示すデータも取り込み、それ以前の測定実
績よりその運転状態での逆火センサ３１に対する制御値
を算出し、制御値と測定値の比較を行う。逆火センサ３
１の測定値が制御装置内で決められた制御値を越えた場
合、逆火防止制御に移行する。逆火防止制御移行時に
は、運転員に判るように警報を発する。

【００３０】逆火防止制御の内容としては、高圧ガス弁
３３を開け高圧ガス３５を高圧空気系統もしくは混合気
内に高圧ガス噴射ノズル３４から噴射する。噴射する高
圧ガス流量制御の一例を図５に示す。逆火防止制御に入
るとまず、現状の運転状態より定まる、必要となる高圧
ガス量が流れるように高圧ガス弁３３を開け、火炎を下
流側に押し戻す。火炎が押し戻されると逆火センサ３１
からの測定値が変化するので、実績より定められる逆火
制御移行の制御値とは異なる逆火防止制御解除制御値ま
で逆火センサ３１の測定値が下がったら、高圧ガス噴射
停止の反動により、また逆火状態に戻らないように徐々
に高圧ガス噴射を減らし、停止する。

【００３１】逆火防止機構として、高圧ガス制御と同時
に燃料の制御も行う場合の高圧ガス流量および燃料流量
制御の一例を図６に示す。逆火制御に移行したら、高圧
ガス弁３３を開けるとともに、燃料ガス流量を減少させ
る。逆火センサ３１からの測定値が逆火防止制御解除制
御値まで下がったら、燃料流量を徐々に逆火制御開始値
まで戻すとともに、高圧ガス噴射量を徐々に減らしてい
く。逆火状態が解消されたならば、再び逆火センサ測定
値の監視状態に戻り、警報を解除する。

【００３２】逆火防止制御移行の制御値および逆火防止
制御解除の制御値は、逆火センサの種類、逆火センサの
位置、燃焼器の構造、噴射する高圧ガスの種類、温度、
圧力、構成する逆火防止機構の制御系統などにより異な
り、実機での実績により定められる。また、高圧ガスの
流量制御も実機の状態により異なり、実機での実績によ
り定められる。

【００３３】以上説明してきたようにこのように形成さ
れたガスタービン燃焼器であると、逆火発生時には外部
から難燃性の高圧ガスあるいは高圧空気が予混合器内に
噴射供給され、この供給ガスにより火炎は予混合器の下
流側に押し戻され、充分逆火が防止されるのである。そ
してこの場合、難燃性の高圧ガスあるいは高圧空気が外
部から供給されるので、従来のように燃焼器の燃焼空気
量が変化することはなく、燃焼器における燃焼状態には
何等影響を及ぼすことなく燃焼状態は安定に保たれ、ま
た特に難燃性の高圧ガスは、外部からガスタービンの空
気系統あるいは予混合器内に直接供給されるので、ガス
タービンの複雑化している空気系統に、特に弁や分岐管
を設ける必要がなく、したがって、燃料系統やガスター
ビンの空気系統がより複雑化することはないのである。
このように燃料系統の複雑化なしに逆火を防止する機構
が得られ、逆火が生じないため、燃焼器に重大な損傷が
生じず、ガスタービンの停止による運用性の低下や、燃
焼器の部品交換、焼損物の下流にあるタービンへの飛来
が生じることはないのである。

【００３４】

【発明の効果】以上説明してきたように本発明によれ
ば、燃料系統やガスタービンの空気系統を複雑化するこ
となく、燃焼安定にして逆火防止を図ることが可能なこ
の種のガスタービン燃焼装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のガスタービン燃焼器装置一実施例を示
す縦断側面図およびその燃焼器が用いられるガスタービ
ンプラントを示す線図である。

【図２】本発明のガスタービン燃焼装置の一実施例を示
す概念線図である。

【図３】本発明のガスタービン燃焼装置の他の実施例を
示す概念線図である。

【図４】本発明のガスタービン燃焼装置の逆火防止機構
のフローチャートである。

【図５】逆火が発生した場合の時間経過と逆火防止機構
の動作関係を示す図である。

【図６】逆火が発生した場合の時間経過と逆火防止機構
の動作関係を示す図である。

【符号の説明】

１…空気圧縮機、２…燃焼器、３…タービン、４…高圧
空気、５…燃料、６…燃焼ガス、１１…外筒、１２…内
筒、１３…予混合器、１４…予混合室、１５…拡散燃料
ノズル、１６，１７…予混合燃料ノズル、１８…燃料制
御弁、１９…燃料流量制御装置、２０…拡散火炎、２１
…予混合火炎、２２…保炎器、２３…燃料マニホール
ド、２４…燃焼室、３１…逆火センサ（逆火検知装
置）、３２…高圧ガス制御装置、３３…高圧ガス弁、３
４…高圧ガス噴射ノズル、３５…高圧ガス、５０…ガス
供給装置、５１…高圧ガスタンク。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃焼空気供給系統および燃料供給系統を
備え、前記燃焼空気供給系統の空気と前記燃料供給系統
の燃料を予混合器にて混合させ、この混合されたガスを
燃焼室に供給して予混合燃焼するようにしたガスタービ
ン燃焼装置において、前記予混合器に、予混合器内の逆火を検知する逆火検知
装置を設けるとともに、前記燃焼空気供給系統に、前記
逆火検知装置の逆火検知信号に基づき、外部より難燃性
の高圧ガスを供給するガス供給装置を設けたことを特徴
とするガスタービン燃焼装置。
【請求項２】燃焼空気供給系統および燃料供給系統を
備え、前記燃焼空気供給系統の空気と前記燃料供給系統
の燃料を予混合器にて混合させ、この混合されたガスを
燃焼室に供給して予混合燃焼するようにしたガスタービ
ン燃焼装置において、前記予混合器に、予混合器内の逆火を検知する逆火検知
装置と、該逆火検知装置の逆火検知信号に基づき、外部
より予混合器の内部に難燃性の高圧ガスを供給するガス
供給装置とを設けたことを特徴とするガスタービン燃焼
装置。
【請求項３】前記難燃性の高圧ガスは、ヘリウム若し
くはアルゴンガスが圧縮されたものである請求項１また
は２記載のガスタービン燃焼装置。
【請求項４】燃焼空気供給系統および燃料供給系統を
備え、前記燃焼空気供給系統の空気と前記燃料供給系統
の燃料を予混合器にて混合させ、この混合されたガスを
燃焼室に供給して予混合燃焼するようにしたガスタービ
ン燃焼装置において、前記予混合器に、予混合器内の逆火を検知する逆火検知
装置と、該逆火検知装置の逆火検知信号に基づき、前記
予混合器の上流側若しくは予混合器内に、外部より高圧
空気を供給する高圧空気供給装置を設けたことを特徴と
するガスタービン燃焼装置。
【請求項５】前記高圧空気が、前記燃焼空気より低温
である請求項４記載のガスタービン燃焼装置。