JP2006144759A - ガスタービン用予混合燃焼器およびその燃料供給制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷３０〜１００％のほぼ全運転範囲で低ＮＯｘと高い燃焼効率を実現でき、自立運転時の急激な負荷変動にも対応可能な多系統の燃料供給系統を有する予混合燃焼器とその燃料供給制御方法を提供する。
【解決手段】所定の負荷あるいはタービン回転数以上の条件では、一次燃料ノズル２６、二次燃料ノズル２７のいずれか一方に燃料を供給する場合に、負荷あるいはタービン回転数が上昇した条件では、燃料の供給を継続するノズルの供給量を吸気条件とタービン回転数あるいは負荷に応じた最適な燃料流量に設定し、かつ残余の二次燃料ノズル２７または一次燃料ノズル２６に燃料を供給する場合に、一次燃料ノズル２６あるいは二次燃料ノズル２７への燃料供給をするときに、吸気条件やタービン回転数あるいは負荷に応じて変化する燃料供給量の時間変化割合が一定の制約を設けて作動するように流量制御手段を調整する燃料制御装置を備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度を低減する例えば、ガスタービン用の予混合燃焼器およびその燃料供給制御方法に関する。

従来のガスタービン用の予混合燃焼器においては、燃料ガスが希薄になると、燃焼安定範囲が狭くなり、確実な着火や安定した燃焼が困難になるという課題がある。この問題点を解決するため、本発明者が提案した発明である特開２００２-２０１９６６号公報のガスタービン用予混合燃焼器および予混合燃焼器の燃料供給制御方法には、拡散燃焼と予混合燃焼とを併用すると共に、負荷に応じて予混合燃焼用燃料流量を制御することで予混合燃焼を安定化させる技術を開示している。この予混合燃焼器および予混合燃焼器の燃料供給制御方法は、中心に着火用ガス噴射孔を設け、その周囲に一次および二次の燃焼用予混合ガス噴出孔を同心円状に設け、パイロット、一次および二次の３系統の燃料供給を制御することで、比較的簡素な構造の燃焼装置で予混合燃焼を行い、低ＮＯｘ化を実現できる技術を開示している。そして、予混合燃焼火炎を安定化するために、パイロット拡散火炎を補助的に使用しているのである。
特開２００２-２０１９６６号公報

このような予混合燃焼器および予混合燃焼器の燃料供給制御方法は、図９に示すように、ガスタービン発電システムにおける燃焼器６０が、圧縮機６１とタービン６２の間に配置されている。そして、ガスタービン発電システムは、圧縮機６１で圧縮された空気に燃料を噴出して燃焼させ、得られた高温ガスによりタービン６２を回転させて出力を得る。タービン６２の出力軸には例えば、発電機６３が接続されている。図１０には、図９に示したガスタービン発電システムのＮＯｘ排出特性が示してある。図１１には、各ラインへの燃料供給の分配を示してある。

燃焼器６０には、燃料供給ラインＬ１、Ｌ２、Ｌ３がそれぞれ設けられ、燃料供給系統６４の一部であり、都市ガスの供給配管に接続されているガスコンプレッサー６５と、その下流に配置された燃料遮断弁６６の下流側で分岐され、接続されている。パイロットノズル６７へと接続されるラインＬ１には、さらに二つのラインＬ１０とＬ１１へと接続され、それぞれに設定流量の異なる固定オリフィス６８と６９とが設置され、下流側で再び一本のラインとして接続されている。ラインＬ１１には、燃料遮断弁７０が配置されている。一次燃料ノズル７１へと接続されるラインＬ２には電磁式の流量調節弁７２が配置され、また、二次燃料ノズル７３へと接続されるラインＬ３には電磁式の流量調節弁７４が配置されている。

このシステムの運転を制御するコントローラ７５には、タービン６１の回転数、発電機６３の出力、吸気条件（温度、圧力）、排ガス温度等が入力され、各弁６６、７０、７２、７４やガスコンプレッサー６５の作動を制御するように構成されている。

このような予混合燃焼器および予混合燃焼器の燃料供給制御方法は、予混合火炎を保持するために、火種となるパイロット火炎を中心に形成させる方法が多く用いられる。 このため、パイロット火炎がＮＯｘの発生源にならないようにするために、なるべく少ないパイロット燃料流量でなおかつ予混合火炎の火種として火炎が形成されることが好ましい。そのような目的で設置されているパイロット火炎であるため、定格時の燃料流量を噴射した場合には、パイロット火炎によるサーマルＮＯｘが大量に発生したり、パイロット火炎周囲の壁温上昇による熱損傷やスス付着などが発生する。あるいは、パイロット流量が多量に供給されたときの火炎安定性が悪いので、火炎の吹き消えによりガスタービンが非常停止する不具合が発生することもある。よって従来の予混合燃焼器ではパイロット火炎のみで定格運転条件まで運転することは不可能であった。

また、従来の予混合燃焼器におけるパイロット燃料は固定流量で、予混合燃料流量をコントロールして要求負荷に対応する制御方法を採用している場合においては、要求負荷が変化した場合に、予混合火炎用の一次燃料ガスあるいは二次燃料ガスの流量を増減させる制御になる。この場合には、系統連系運転時には目標負荷に対して徐々に負荷を増減させることで対応できるので、一次燃料ガスあるいは二次燃料ガスを急激に変化させる必要がない。

しかし、自立運転のように非系統連系運転時には急激な負荷変動に対応しなければならない。急激な負荷変化に対応するためには、図１１に示すように、一次あるいは二次の予混合燃料流量を急激に変化させて制御するため、一時的に燃料が希薄あるいは過濃な状態になる。予混合火炎の場合には混合気濃度についての火炎安定範囲が狭く、希薄側に変化した場合には吹き消えが発生し易く、過濃側に変化した場合には予混合通路への逆火が生じ易いという問題があり、従来の予混合燃焼器では自立運転が難しいという課題があった。

また、主制御を行う燃料制御装置が特定の負荷に応じて、例えば一次燃料から二次燃料に、あるいは二次燃料から一次燃料に切り替わるときに、その切り替わり時に燃料供給量に変動や途切れが生じて、大幅にタービン回転数が低下したり、または火炎の吹き消えが生じ易いという問題もあり、従来の予混合燃焼器では負荷変動への対応が万全を期すことが難しい。

本発明の予混合燃焼器とその燃料供給制御方法は、上記課題を解消し、負荷３０〜１００％のほぼ全運転範囲で低ＮＯｘと高い燃焼効率を実現すると共に、さらに自立運転時の急激な負荷変動にも対応可能な多系統の燃料供給系統を有する予混合燃焼器とその燃料供給制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の予混合燃焼器は、燃焼器にパイロットノズルを有しパイロット燃料をパイロット火炎用空気に供給するパイロット部と、一次燃料ノズルを有し一次燃料を予混合火炎用一次空気に予混合する一次予混合ガス通路と、二次燃料ノズルを有し二次燃料を予混合火炎用二次空気に予混合する二次予混合ガス通路と、燃料供給用配管に前記パイロットノズル、一次燃料ノズル、二次燃料ノズルをそれぞれ分岐して接続し各ノズルに独立して燃料を供給可能とする燃料供給系統と、負荷またはタービン回転数の信号などを取り込む信号検知手段とを備えるガスタービン用予混合燃焼器において、前記パイロット部の燃焼室内開口部の下流側に前記一次予混合ガス通路の燃焼室内流入孔と、前記二次予混合ガス通路の燃焼室内流入孔とを配置し、前記燃料供給系統のパイロットノズル、一次燃料ノズル、二次燃料ノズルへの分岐通路にそれぞれ流量制御手段を配置し、所定の負荷あるいはタービン回転数の条件に関わらず、負荷変動あるいはタービン回転数に応じて前記パイロットノズルへ燃料を導く前記流量制御手段により前記信号検知手段の各信号に基づきフィードバック制御を行うと共に、所定の負荷あるいはタービン回転数以上の条件では、一次燃料ノズル、二次燃料ノズルのいずれか一方に燃料を供給し、負荷あるいはタービン回転数が上昇した条件では、燃料の供給を継続する一次燃料あるいは二次燃料ノズルの供給量をほぼ一定とし、かつ残余のノズルに燃料を供給する予混合燃焼器であって、吸気条件とタービン回転数あるいは負荷に応じた燃料流量をパイロットノズルへ供給可能に一次燃料ノズルあるいは二次燃料ノズルの流量制御手段により調整し、負荷あるいはタービン回転数がさらに上昇した条件では、吸気条件やタービン回転数あるいは負荷に応じてパイロットノズルと燃料の供給を継続する一次燃料あるいは二次燃料ノズルに燃料を供給可能に残余の燃料ノズルの流量制御手段で調整する燃料制御装置を備えたことを特徴とする。

また、本発明の予混合燃焼器は、所定の負荷あるいはタービン回転数以上の条件では、一次燃料ノズル、二次燃料ノズルのいずれか一方に燃料を供給する場合に、負荷あるいはタービン回転数が上昇した条件では、燃料の供給を継続するノズルへの燃料供給量を吸気条件とタービン回転数あるいは負荷に応じた最適な燃料流量に設定し、かつ残余の二次燃料ノズルまたは一次燃料ノズルに燃料を供給する場合において、一次燃料ノズルあるいは二次燃料ノズルに燃料の供給を、吸気条件やタービン回転数あるいは負荷に応じて変化する燃料供給量の時間変化割合が一定の制約を設けて作動するように流量制御手段を調整する燃料制御装置を備えたことを特徴とする。

さらに、本発明の予混合燃焼器の燃料供給制御方法は、ガスタービン用予混合燃焼器のパイロットノズル、一次燃料ノズル、二次燃料ノズルのそれぞれ分岐して接続される燃料供給系統により、燃料を供給するガスタービン用予混合燃焼器の燃料供給制御方法であって、所定の負荷あるいはタービン回転数の条件に関わらず、負荷変動あるいはタービン回転数に応じて前記パイロットノズルへ燃料を導く流量制御手段により負荷またはタービン回転数の信号などを取り込む信号検知手段の各信号に基づきフィードバック制御を行うと共に、所定の負荷あるいはタービン回転数以上の条件では、一次燃料ノズルあるいは二次燃料ノズルのいずれか一方に燃料を供給し、負荷あるいはタービン回転数が上昇した条件では、燃料の供給を継続する一次燃料あるいは二次燃料ノズルの供給量を一定にし、かつ残余のノズルに燃料を供給可能とし、吸気条件とタービン回転数あるいは負荷に応じた最適な燃料流量をパイロットノズルに供給するように一次燃料ノズルあるいは二次燃料ノズルの流量制御手段により調整し、負荷あるいはタービン回転数が上昇した条件では、吸気条件やタービン回転数あるいは負荷に応じてパイロットノズルと燃料の供給を継続する一次燃料あるいは二次燃料ノズルに最適な燃料流量を供給可能に残余の燃料ノズルの流量制御手段で調整する燃料制御装置を備えたことを特徴とする。

本発明の予混合燃焼器の燃料供給制御方法は、所定の負荷あるいはタービン回転数以上の条件では、一次燃料ノズルあるいは二次燃料ノズルのいずれか一方に燃料を供給する場合に、負荷あるいはタービン回転数が上昇した条件では、燃料の供給を継続するノズルの供給量を吸気条件とタービン回転数あるいは負荷に応じた最適な燃料流量に設定し、かつ残余の二次燃料ノズルまたは一次燃料ノズルに燃料を供給する場合において、一次燃料ノズルあるいは二次燃料ノズルへの燃料供給をするときに、吸気条件やタービン回転数あるいは負荷に応じて変化する燃料供給量の時間変化割合が一定の制約を設けて作動するように流量制御手段を調整する燃料制御装置を備えたことを特徴とする。

上記本発明に係る予混合燃焼器は、具体的には、燃焼器の中央に配置されているパイロットノズルを有するパイロット部と、その外周部に配置され、一次燃料ノズルを有する一次予混合ガス通路と、さらにその外周部に配置され、二次燃料ノズルを有する二次予混合ガス通路と、パイロットノズル、一次燃料ノズル、二次燃料ノズルのそれぞれに分岐して接続され、各ノズルに独立して燃料を供給する燃料供給系と、を備えている予混合燃焼器において、このパイロット部の燃焼室内開口部の下流側に一次予混合ガス通路の燃焼室内流入孔が、さらにその下流側に二次予混合ガス通路の燃焼室内流入孔が配置されるとともに、燃料供給系のパイロット燃料ノズルへの通路には流量制御弁が、一次燃料ノズル及び二次燃料ノズルへの分岐通路には流量制御弁と電磁遮断弁が配置されており、全運転範囲において負荷変動に応じてパイロット燃料ノズルへ燃料を導く流量制御弁を調整する燃料制御装置を備えていることが好ましい。

本発明に係る予混合燃焼器の燃料供給制御方法は、ガスタービン用予混合燃焼器のパイロットノズル、一次燃料ノズル、二次燃料ノズルのそれぞれに分岐して接続されている燃料供給系により、燃料を供給するガスタービン用予混合燃焼器の燃料供給方法であって、この予混合燃焼器は、パイロット火炎と、一次予混合火炎、二次予混合火炎が上流から下流方向にずらされて三層構造に形成される予混合燃焼器であり、全運転範囲において負荷変動に応じてパイロット燃料ノズルへ燃料を導く流量制御弁を調整することを特徴とする。

上記構成からなる本発明の予混合燃焼器および予混合燃焼器の燃料供給制御方法は、パイロット部の燃焼室内開口部と一次、二次の各予混合ガス通路の燃焼室内流入孔を配置することで、燃焼室内の上流中央に火種となるパイロット火炎、その下流の外周に一次予混合火炎、さらにその下流の外周に二次予混合火炎と、三層に火炎を的確に形成することができ、通常では燃焼の難しい希薄予混合気を確実に燃焼させることが可能となり、低ＮＯｘと高い燃焼効率を実現することができる。

また、本発明の予混合燃焼器および予混合燃焼器の燃料供給制御方法おけるパイロット火炎は、予混合火炎の火種の役割を果す。本発明の燃料供給システムにおけるパイロット火炎は、必要な時に定格運転時の燃料流量まで噴射可能である。このパイロット火炎は急激に燃料流量を変化させても逆火及び吹き消えなどの実用上の不都合を来さない構成としたことにより、また燃焼器の壁温などが高温にさらされることもない。

さらに、本発明の予混合燃焼器およびその燃料供給制御方法は、パイロット燃料ガス用の燃料制御弁が常時主制御（フィードバック制御）を行う。そして、一時的にパイロット燃料ガスの流量が増減し制御を行うため、一次燃料ガス及び二次燃料ガスの流量はゆっくりと目標値に向かって制御されれば良い。燃料供給量は、時間変化割合が一定の制約を受けるため、予混合火炎で問題となる逆火および吹き消えなどを的確に防ぐことができる。さらに、一次燃料ガス及び二次燃料ガスの流量を制御する弁は、動作の遅い安価な燃料制御弁を使用することができる。一時的に増減したパイロット燃料ガスの流量は、低ＮＯｘを達成できる最適な流量で再び制御することができる。

そして、本発明の予混合燃焼器およびその燃料供給制御方法は、パイロット燃料ガス用の燃料制御弁が常時、主制御を行うように構成したことにより、負荷に応じた主制御用弁の切り替え時に発生するタービン回転数の低下や予混合火炎の吹き消えなどが生ずることを防ぐことができる。

さらに、本発明の予混合燃焼器およびその燃料供給制御方法は、系統連系運転時も自立運転時も同じ流量制御弁が主制御を行っているため、運転モードが切り替わる際の制御上の不具合も発生しない。系統連系時も自立運転時も最適な燃料分配となり、従来は不可能であった自立運転時にも低ＮＯｘ運転を実現することが可能となる。

以下、図面に基づき本発明の好適な形態におけるガスタービン用予混合燃焼器およびその燃料供給制御方法について詳細に説明する。なお、各図面において同一の構成要素は、同一符号を付して説明を省略する。

燃焼器２は、図１に示すように、略円筒状の外筒２１内に略円筒状の内筒２２が配置された缶型燃焼器からなる。そして、燃焼器２は、図４図示の圧縮機１で圧縮された空気を図１に示すように右端から外筒２１と内筒２２の間の空間２３に導いて流れを反転させて内筒２２内へと導いて燃焼させた後に右端から流出させ、図４図示のタービン３へと供給する逆流型の燃焼器である。内筒２２内には燃焼室２４が形成されている。

外筒２１内の左端には、図１、図４に示すように、それぞれ３系統の燃料供給配管Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３が接続され、それぞれパイロットノズル２５、一次燃料ノズル２６、二次燃料ノズル２７へと連通している。ここで、パイロットノズル２５は燃焼室２４の上流側（図の左側を指す）中央に開口部２８を有し、開口部２８の近傍に点火装置２９が配置されている。パイロットノズル２５の外周には、旋回板３０を有する環状の空気通路３１が形成されて旋回板３０の下流で図２に示すように、パイロット燃料の一部が噴射されている。一次燃料ノズル２６は、この空気通路３１の外側周囲に複数配置されており、その下流には、旋回板３２を有する環状通路（以下、一次予混合通路と呼ぶ）３３が配置され、この一次予混合通路３３の燃焼室２４内への流入孔３４は、パイロットノズル２５の開口部２８より流れ方向下流に配置されている。また、二次燃料ノズル２７は、一次燃料ノズル２６のさらに外周に複数配置されており、その下流には、旋回板３５を有する環状通路（以下、二次予混合通路と呼ぶ）３６が配置されている。この二次予混合通路３６の燃焼室２４内への流入孔３７は、一次予混合通路３３の流入孔３４よりさらに流れ方向下流に配置されている。この結果、開口部２８、空気通路３１、流入孔３４、３７は、図１に示すように、燃焼室２４の中心から同心円状に配置されている。

燃焼器２の中心に配置されている点火装置２９によりパイロット燃料への着火を行う。この点火装置２９は、その上流側から図２に示すように、点火装置２９の側面に沿って点火装置２９の先端部３９を経てこの軸中心へと空気を導入する空気通路４０を備えている。

この空気通路４０を介して、点火装置２９の側面に沿ってその先端部３９を経て燃焼器２の軸中心へと空気を導入することで、火花点火領域に空気を導入してその領域の燃料濃度を低下させ、点火による火炎核形成を容易にすることができる。また、形成された火炎核が導入された空気流により下流側へと流されることで、パイロット燃料流量に応じて火炎を広げ、安定した大きな火炎をパイロットバーナの下流側４５内に形成することが可能である。これにより、広い当量比で確実な着火を行うことができる。

この点火装置２９の先端部３９は、図２に示すように、中心電極４１とその周囲に形成された側壁電極４２とで構成されており、側壁電極４２の側面にはこの空気通路４０に連通する空気導入口４３が設けられている。側壁電極４２の側面に空気導入口４３を設けることで、側壁電極４２の壁面に沿って点火装置２９の先端部３９へと流れる空気流を確実に形成することができる。この点火装置２９の中心電極４１の先端は、パイロット燃料の燃焼室２４内への導入端面より軸方向に対してそれより上流側に少し後退して配置されている。

パイロットバーナ４を構成する部材４４は、図１ないし図３に示すように、先端が略筒状の部材であり、先端部が燃焼器２内に突出して配設されている。その下流側には、パイロット燃焼部４５が形成されている。筒状部材には環状の燃料通路３８が設けられ、部材４４の筒部の外側には、外部を流れる空気流の上流側から筒部の外側から内側へとその軸に対して空気流の流れ方向に斜めに貫通する空気流入孔４６が周方向に３個等間隔で配置されている。その下流側には、筒部の外側を流れる空気流を筒部の軸中心に対して旋回させる複数の旋回板３０が配置されている。その下流の筒部の先端部には、複数のスポーク４８が等間隔で放射状に配置されている。各スポーク４８の間には、複数の燃料噴射孔４９が配置され、各スポーク４８の左右にも燃料噴射孔５０が配置され、それらはパイロットノズル２５へと連通されている。

点火装置２９の先端がパイロットバーナ４の軸中心上に配置されていて、火花点火領域に一部の空気を導入している。これがない場合にはパイロットバーナ４の外周から噴射された燃料が渦循環領域に取り込まれて、燃料過濃混合になり、着火可能な濃度範囲を超える。このため、着火核が形成されないか、あるいは狭い条件でしか火炎核ができないことになるため、着火に必要な空気を点火装置２９の先端に直接導入することが必須である。

次に、形成された火炎核が導入された空気流と共に下流領域へと流されることで、火炎を広げ、パイロットバーナ４の外周から供給されるメイン予混合気流と合体し燃焼反応が開始される。その領域の近傍に火炎を安定化する火炎の起点を配置することがもっとも合理的である。その起点を安定化するものとして端面６１を配置しており、それは点火装置２９の先端部の端面よりも大きな断面積を有していることが、安定した大きな環状火炎をパイロットバーナ内に形成することを可能にする。これにより、メイン予混合気流の当量比が大きく変化してもパイロット火炎の長さのみが変化するだけで、火炎起部が安定であるため超希薄条件にならない限り吹き消えは発生しない。したがって、火炎起部を如何に安定で強固にするかが重要である。

また、この領域で、火炎起部の燃焼反応をコントロールしているのが点火装置２９の側壁の内外に導入している空気量であり、これに旋回速度を付与することで空気の遠心効果で半径方向への拡散混合が促進されて、端面における火炎起部への空気供給がより確実なものとなり、より強固な火炎保持が可能になる。しかし、この空気導入が多すぎると希薄になりすぎる場合も有り、逆に、燃料が多量に燃焼しすぎることによって、パイロットバーナが熱損傷したり、溶損することになる。このため、この部分に導入する空気は燃焼用空気の１〜２％程度である。この少量の空気を最適に火炎起部の燃焼反応に寄与させる構造を採用している。この構造により、例えパイロットバーナ４の外周から全燃料（予混合用燃料を含めたトータル燃料流量）が供給されたとしても火炎起部から下流に長く伸びた火炎が下流の一次や二次の空気と混合した空間で燃焼を続行させることが可能になった。

本発明の実施の形態におけるガスタービン用予混合燃焼器およびその燃料供給制御方法の利点は、以下の通りである。
点火装置２９の側面に沿ってその先端部を経て燃焼器２の軸中心へと空気を導入することで、火花点火領域に空気を導入してその領域の燃料濃度を低下させることで、点火による火炎核形成を容易にする。さらに、形成された火炎核が導入された空気流により下流側へと流されることで、火炎を広げ、安定した大きな火炎をパイロットバーナ４内に形成することが可能である。これにより、広い当量比で確実な着火が的確に行える。
点火装置２９の側面に空気導入口４３を設けることで、側壁電極４２の壁面に沿って点火装置２９の先端部へと流れる空気流を確実に形成することができる。このように、火花点火による確実な着火が実現できるので、中心電極４１の先端３９を燃焼室２４内から引き込んで配置することができる。これにより、パイロットバーナ火炎と中心電極４１の先端部を離隔させることができ、点火装置２９の熱的な損傷を防止し、耐久性を向上させることが可能である。

点火装置２９の先端部へと導入される空気流に旋回を付与する旋回手段をさらに備えているので、点火装置２９の先端部へ導入される空気流を旋回させることができて、少ない燃料量で拡散火炎であるパイロットバーナ火炎を安定して形成することが可能となる。パイロット燃料の燃料室２４内への導入端面６１は、点火装置２９の先端部の端面よりも大きな断面積を有している。このようにすると、パイロット燃料の燃料室２４内への導入部に確実に火炎起部が形成されるため、火炎安定性が高くなる。しかも、点火装置２９の先端には、火炎起部が形成されず、点火装置２９の火炎による熱損傷も効果的に防止できる。

この予混合燃焼器２を用いたガスタービン発電システムにおける燃焼器２は、図１、図４に示すように、圧縮機１とタービン３の間に配置され、圧縮機１で圧縮された空気に燃料を噴出して燃焼させ、得られた高温ガスによりタービン３を回転させて出力を得る。タービン３の出力軸には例えば、発電機４が接続されている。

燃焼器２の燃料供給ラインＬ１〜Ｌ３は、図１、図４に示すように、燃料供給系統６の一部であり、都市ガスの供給配管に接続されているガスコンプレッサー５１と、その下流に配置された遮断弁５２の下流側で分岐され、接続されている。ここで、燃料は都市ガスに限らず、この他液体などでも良い。パイロットノズル２５へと接続されるラインＬ１には、電磁式の流量調節弁５３が配置されている。一次燃料ノズル２６へと接続されるラインＬ２にはそれぞれ電磁式の流量調節弁５４と遮断弁５５が配置され、同様に二次燃料ノズル２７へと接続されるラインＬ３には電磁式の流量調節弁５６と遮断弁５７が配置されている。

このシステムの運転を制御するコントローラ５には、タービン３あるいは圧縮機１の回転数、発電機４の出力、吸気条件（温度、圧力）、排ガス温度等が入力され、各バルブ５３、５４、５６と遮断弁５２、５５、５７の作動を制御する。

以下、この燃焼器２の動作を燃料供給制御方法と合わせて説明する。まず、始動時の制御はコントローラ５によって行われる。

時刻ｔ０おいて、図示していない起動用モータを駆動させることによりタービン３とこれに直結されている圧縮機１を回転駆動する。

圧縮機１の回転数が所定の回転数に達したら（時刻ｔ1の時点）点火装置２９をオンにし、その後時刻ｔ2の時点でガス遮断弁５２を開く。ただし、時刻ｔ１とｔ２は同時点であってもよい。この時、ラインＬ２、Ｌ３上の流量調節弁５４、５６および電磁弁５５、５７はいずれも閉状態に設定さている。遮断弁５２を開くことで、ガスコンプレッサー５１で圧縮された都市ガスは、ラインＬ１の流量調節弁５３により流量調節されてパイロットノズル２５へと送られる。こうしてパイロット部へと燃料が供給され、点火装置２９によって燃焼室２４内で着火され、拡散火炎が形成される。

こうして形成された拡散火炎により、燃焼室２４内で得られた高温ガスをタービン３へ導くことで、タービン３を駆動し、タービン３あるいは圧縮機１の回転数が増加していく。この回転数の上昇を検出することで、パイロット部の着火の成否を確実に判定することができる。また、着火が成功した際には排ガスの温度や、圧縮機１の出口圧力も上昇するから、これらの変化を基にして着火の成否を判定してもよい。

着火成功と判定したら（時刻ｔ３の時点）、ラインＬ１上の流量調節弁５３の開度を徐々に上げていくことで、パイロットノズル２５へと供給される燃料の量を増加させる。燃料供給量を増加させることで、タービン３の回転数を増加せしめ、スムーズな立ち上がりを行うことができる。

次に、負荷運転時の燃料制御方法について、その基本的な考え方について図５に基づき説明する。図５は、負荷率と燃料供給の関係を燃料の供給種別と合わせて概略的に説明したグラフである。

低負荷時（３０％未満の負荷時）には、パイロット燃料ガスのみを供給して燃焼を行う。このとき、負荷やタービン回転数を制御指標にしてパイロット燃料のフィードバック制御を行う。負荷が３０％から５０％の領域ではパイロット燃料ガスと一次燃料ガスのみを供給して燃焼を行う。このときも、負荷やタービン回転数を制御指標にしてパイロット燃料のフィードバック制御を行いつつ、一次燃料ガスの供給は負荷に応じてゆっくり増減させる。そして、負荷が５０％以上の領域では、二次燃料ガスを加えて３段階で燃焼を行う。このときには、負荷やタービン回転数を制御指標にしてパイロット燃料のフィードバック制御を行うと共に、一次燃料ガスの供給をほぼ一定にして二次燃料ガスの供給は出力に応じてゆっくり増減させる。

まず、パイロット燃料ガスと一次燃料ガスのみを供給して燃焼を行う場合について図７に基づき説明する。負荷がＡの場合に、パイロット燃料ガスは最適な流量（平均値として）が流量調節弁によりコントロールされなおかつフィードバック制御が行われている。２系統から燃料を供給する負荷範囲では、パイロット火炎から生成されるＮＯｘが支配的となるため、低ＮＯｘを達成するためにはパイロット燃料ガスの流量を最適値とする必要がある。

負荷がＢに変化した場合、パイロット燃料ガス量が変化して瞬時に対応する。これにより逆火や吹き消えなどの問題を回避しつつ負荷と周波数などは要求レベルを瞬時に実現することができる。その上で次の段階として、一次燃料ガスの燃料供給量は時間変化割合が一定の制約（逆火および吹き消えを防ぐため、ある値以下の勾配で変化させる）を受けながら、負荷Ｂの場合の目標燃料流量まで増加させる。目標燃料流量に到達した際に、吸気条件などいろいろな要因によりパイロット燃料ガスは最適な流量（平均値）にならない。図７に示す例では最適な燃料流量（平均値）より少ないため、徐々に一次燃料ガスの流量を減らしていき、パイロット燃料ガスが最適な流量となるように修正される。これらの手順により最適な運転が可能になる。

次に、パイロット燃料ガス、一次燃料ガス、二次燃料ガスのすべてが燃料供給ラインから供給されて燃焼を行う場合について図８に基づき説明する。
負荷がＡの場合に、パイロット燃料ガスは最適な流量（平均値として）が流量調節弁によりコントロールされなおかつフィードバック制御が行われている。
負荷がＢに変化した場合、まずパイロット燃料ガス量が変化して瞬時に対応する。
これにより逆火や吹き消えなどの問題を回避しつつ負荷と周波数などは要求レベルを瞬時に実現することができる。次に、一次燃料ガス及び二次燃料ガスの供給量は時間変化割合が一定の制約（逆火および吹き消えを防ぐため、ある値以下の勾配で変化させる）を受けながら、負荷Ｂの場合の目標燃料流量まで増加させる。

目標燃料流量に到達した際に、吸気条件などいろいろな要因によりパイロット燃料ガスは最適な流量（平均値）にならない。図８の例では最適な燃料流量（平均値）より少ないため、徐々に二次燃料ガスの流量を減らしていき、パイロット燃料ガスの流量が最適な流量となるように修正される。ＮＯｘ排出濃度に大きな影響を与える一次燃料ガスの流量は、負荷Ｂ及び吸気条件などから決定される目標燃料流量の値で固定となる。

一次燃料ガスの流量だけでなく、パイロット燃料ガスの流量（フィードバックの中心値）も吸気温度などの変化に対して修正ができるということがより幅広い運転範囲で低ＮＯｘと高い燃焼効率を実現可能としている。

発電機負荷、タービン回転数、吸気温度、圧縮機出口圧力と温度、あるいはタービン出口の排気ガス温度などの信号をエンジンコントローラ５に取り込み、発電機負荷やタービン回転数が例え瞬間的に変化したとしても、所定の条件になるようにガスタービン制御用燃料であるパイロット燃料、一次燃料または二次燃料をフィードバック制御する。そのための信号系統と燃料系統の配線図の一例を示す図４では、ガスタービンエンジンとして、圧縮機１、燃焼器２、タービン３、発電機４とエンジンコントローラ５、燃料供給系統６として、燃料ガス圧縮機５１、燃料制御装置５３、５４、５６と燃料遮断弁５２、５５、５７を示した。

以上説明したように本実施の形態における予混合燃焼器とその燃料供給制御方法は、３系統の燃料供給系統６を用いて拡散燃焼と予混合燃焼を組み合わせて燃焼を行う予混合燃焼器２において、上流側にパイロット火炎となる拡散火炎を、その下流側に一次予混合火炎、さらにその下流側に二次予混合火炎を配置することで、通常よりも希薄な当量比での燃焼を可能とし低ＮＯｘと高い燃焼効率を実現することが可能である。

本実施の形態における予混合燃焼器とその燃料供給制御方法は、パイロット燃料ガス用の燃料制御弁５３が常時主制御（フィードバック制御）を行う。一次燃料ガスおよび二次燃料ガスの供給量は時間変化割合が一定の制約を受けるため、予混合火炎で問題となる逆火および吹き消えを防ぐことができる。

また、本実施の形態における予混合燃焼器とその燃料供給制御方法は、系統連系運転時も自立運転時も同じ制御用バルブが主制御（フィードバック制御）を行っているため、運転モードが切り替わる際の燃料制御上の不具合も発生しない。系統連系時も自立運転時も最適な燃料分配となり、従来は運転が不可能であった自立運転（非系統連系運転）時にも低ＮＯｘ運転を実現することが可能となるのである。

そして、夏から冬では、吸気温度が４０℃から−１０℃程度の間で変化する。また、早朝と炎天下の昼では温度差が１０〜１５℃も変動する。このため、ガスタービンは吸気温度により吸入空気量や出力が大きく変化することになり、それに応じた最適な燃料供給を行う必要がある。このようなガスタービンに搭載された予混合燃焼器２では、パイロット燃料供給量を単にフィードバック制御するだけでは運転条件に最適な限界範囲を超えて運転することになる。そこで、一次燃料ガスあるいは二次燃料ガスの供給量に一定の制約を設けた時間変化割合をあらかじめ設定して、その範囲内で増減させることで結果としてパイロット燃料供給量を最適な供給範囲内に修正することが本発明により初めて実現できて、逆火や吹き消えなどの問題がなくかつ低ＮＯｘと高い燃焼効率を保証することができる。

本実施の形態における予混合燃焼器とその燃料供給制御方法は、パイロット燃料供給量をフィードバック制御するための制御信号としては、発電機４の発電出力または周波数を利用することが出来る。あるいは、ガスタービンの回転速度やトルクを利用してもよい。さらには、燃料流量を流量計などの計測機器で計測することもでき、その流量を制御指標にすることもできる。

本実施の形態における予混合燃焼器とその燃料供給制御方法は、予混合用燃料の供給が２系統で構成された予混合燃焼器であるが、この他に予混合用燃料の供給は１系統、あるいは３系統以上の複数で構成することができ、前記本実施の形態における予混合燃焼器およびその燃料供給制御方法と略同様の作用効果を奏することができる。

本発明の予混合燃焼器とその燃料供給制御方法は、負荷３０〜１００％のほぼ全運転範囲で低ＮＯｘと高い燃焼効率を実現することができ、さらに自立運転時の急激な負荷変動にも対応可能な多系統の燃料供給系統を有するガスタービン用に好適な予混合燃焼器とその燃料供給制御方法を提供することができる。

本発明の実施の形態に係るガスタービン用予混合燃焼器およびその燃料供給制御方法の好適な実施例を示す縦断面図である。 図１のガスタービン用予混合燃焼器のパイロットバーナ要部拡大縦断面図である。 図２におけるガスタービン用予混合燃焼器のパイロットバーナ要部拡大横断面図である 図１の予混合燃焼器を用いたガスタービン発電システムを示す概略構成図である。 本発明の実施の形態に係るガスタービン予混合燃焼器における各領域燃料分配状況を示す線図である。 本発明の実施の形態に係るガスタービン予混合燃焼器におけるＮＯｘ排出特性を示す線図である。 負荷変化時におけるパイロット燃料ガスと一次燃料ガスの場合の制御方法を示す線図である。 負荷変化時における３系統としてのパイロット燃料ガスと一次燃料ガスと二次燃料ガスの場合の制御方法を示す線図である。 従来の予混合燃焼器を用いたガスタービン発電システムを示す概略構成図である。 従来のガスタービン予混合燃焼器におけるＮＯｘ排出特性を示す線図である。 従来の予混合燃焼器を用いたガスタービン発電システムにおける各領域燃料分配状況を示す線図である。

符号の説明

１ 圧縮機
２ 燃焼器
３ タービン
４ パイロットバーナ
５ コントローラ
６ 燃料供給系統
２４ 燃焼室
２５ パイロットノズル
２６ 一次燃料ノズル
２７ 二次燃料ノズル

Claims (4)

1. 燃焼器にパイロットノズルを有しパイロット燃料をパイロット火炎用空気に供給するパイロット部と、一次燃料ノズルを有し一次燃料を予混合火炎用一次空気に予混合する一次予混合ガス通路と、二次燃料ノズルを有し二次燃料を予混合火炎用二次空気に予混合する二次予混合ガス通路と、燃料供給用配管に前記パイロットノズル、一次燃料ノズル、二次燃料ノズルをそれぞれ分岐して接続し各ノズルに独立して燃料を供給可能とする燃料供給系統と、負荷またはタービン回転数の信号などを取り込む信号検知手段とを備えるガスタービン用予混合燃焼器において、前記パイロット部の燃焼室内開口部の下流側に前記一次予混合ガス通路の燃焼室内流入孔と、前記二次予混合ガス通路の燃焼室内流入孔とを配置し、前記燃料供給系統のパイロットノズル、一次燃料ノズル、二次燃料ノズルへの分岐通路にそれぞれ流量制御手段を配置し、所定の負荷あるいはタービン回転数の条件に関わらず、負荷変動あるいはタービン回転数に応じて前記パイロットノズルへ燃料を導く前記流量制御手段により前記信号検知手段の各信号に基づきフィードバック制御を行うと共に、所定の負荷あるいはタービン回転数以上の条件では、一次燃料ノズル、二次燃料ノズルのいずれか一方に燃料を供給し、負荷あるいはタービン回転数が上昇した条件では、燃料の供給を継続する一次燃料あるいは二次燃料ノズルの供給量をほぼ一定とし、かつ残余のノズルに燃料を供給する予混合燃焼器であって、吸気条件とタービン回転数あるいは負荷に応じた燃料流量をパイロットノズルへ供給可能に一次燃料ノズルあるいは二次燃料ノズルの流量制御手段により調整し、負荷あるいはタービン回転数がさらに上昇した条件では、吸気条件やタービン回転数あるいは負荷に応じてパイロットノズルと燃料の供給を継続する一次燃料あるいは二次燃料ノズルに燃料を供給可能に残余の燃料ノズルの流量制御手段で調整する燃料制御装置を備えることを特徴とするガスタービン用予混合燃焼器。
2. 所定の負荷あるいはタービン回転数以上の条件では、一次燃料ノズル、二次燃料ノズルのいずれか一方に燃料を供給する場合に、負荷あるいはタービン回転数が上昇した条件では、燃料の供給を継続するノズルへの燃料供給量を吸気条件とタービン回転数あるいは負荷に応じた最適な燃料流量に設定し、かつ残余の二次燃料ノズルまたは一次燃料ノズルに燃料を供給する場合において、一次燃料ノズルあるいは二次燃料ノズルに燃料の供給を、吸気条件やタービン回転数あるいは負荷に応じて変化する燃料供給量の時間変化割合が一定の制約を設けて作動するように流量制御手段を調整する燃料制御装置を備えることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン用予混合燃焼器。
3. ガスタービン用予混合燃焼器のパイロットノズル、一次燃料ノズル、二次燃料ノズルのそれぞれ分岐して接続される燃料供給系統により、燃料を供給するガスタービン用予混合燃焼器の燃料供給制御方法であって、所定の負荷あるいはタービン回転数の条件に関わらず、負荷変動あるいはタービン回転数に応じて前記パイロットノズルへ燃料を導く流量制御手段により負荷またはタービン回転数の信号などを取り込む信号検知手段の各信号に基づきフィードバック制御を行うと共に、所定の負荷あるいはタービン回転数以上の条件では、一次燃料ノズルあるいは二次燃料ノズルのいずれか一方に燃料を供給し、負荷あるいはタービン回転数が上昇した条件では、燃料の供給を継続する一次燃料あるいは二次燃料ノズルの供給量を一定にし、かつ残余のノズルに燃料を供給可能とし、吸気条件とタービン回転数あるいは負荷に応じた最適な燃料流量をパイロットノズルに供給するように一次燃料ノズルあるいは二次燃料ノズルの流量制御手段により調整し、負荷あるいはタービン回転数が上昇した条件では、吸気条件やタービン回転数あるいは負荷に応じてパイロットノズルと燃料の供給を継続する一次燃料あるいは二次燃料ノズルに最適な燃料流量を供給可能に残余の燃料ノズルの流量制御手段で調整する燃料制御装置を備えることを特徴とするガスタービン用予混合燃焼器の燃料供給制御方法。
4. 所定の負荷あるいはタービン回転数以上の条件では、一次燃料ノズルあるいは二次燃料ノズルのいずれか一方に燃料を供給する場合に、負荷あるいはタービン回転数が上昇した条件では、燃料の供給を継続するノズルの供給量を吸気条件とタービン回転数あるいは負荷に応じた最適な燃料流量に設定し、かつ残余の二次燃料ノズルまたは一次燃料ノズルに燃料を供給する場合において、一次燃料ノズルあるいは二次燃料ノズルへの燃料供給をするときに、吸気条件やタービン回転数あるいは負荷に応じて変化する燃料供給量の時間変化割合が一定の制約を設けて作動するように流量制御手段を調整する燃料制御装置を備えることを特徴とする請求項３に記載のガスタービン用予混合燃焼器の燃料供給制御方法。