JP2007154701A - ガスタービン燃焼器，ガスタービン燃焼器の改造方法及びその燃料供給方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、燃料供給系統の制御を容易にすることにある。
【解決手段】上記目的を達成するために、本発明は、複数のバーナ群と、複数のバーナ群のうち一部のバーナ群に燃料を供給する燃料供給系と、一部のバーナ群と燃料供給系とを連絡する第１の燃料配管とを備えたガスタービン燃焼器であって、第１の燃料配管から分岐し、残るバーナ群にそれぞれ連絡する複数の燃料配管を設置し、第１の燃料配管及び複数の燃料配管の少なくとも一つに燃料の供給圧力を調整する手段を設けたことを特徴とする。
【効果】本発明によれば、燃料供給系統の制御を容易にすることが可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービン燃焼器，ガスタービン燃焼器の改造方法及びその燃料供給方法に関する。

電力の自由化に伴い、近年の発電事業を取巻く環境は、従来の大容量の大型発電所に加え、中小容量規模の発電設備が普及しつつある。中小容量の発電設備には燃料の供給が比較的容易な液体燃料を用いることが多い。このような発電設備の燃焼器においても環境負荷低減のため、窒素酸化物（以下、ＮＯｘと記載する）の排出量の低減が強く求められている。

このため、中小容量の発電設備に用いる燃焼器では、パイロットバーナには拡散燃焼方式を用い、メインバーナでは燃料液滴を燃焼用空気と混合し蒸発させてから燃焼させる予混合燃焼方式を用いる場合がある。この燃焼方式では拡散燃焼と予混合燃焼の燃料割合を制御し、ＮＯｘ排出量の抑制を図っている。

一般に、予混合燃焼方式は拡散燃焼方式に比べ燃焼安定性が悪く、適正な燃料濃度（燃焼空気流量と燃料流量の混合割合で以下、燃空比と記載する）で運転しないと燃焼効率の低下や燃焼振動の発生，予混合器への火炎戻りを引起したり、予混合火炎着火時にはフリッカーを発生したりする場合がある。

このため、特許文献１の燃焼器ではメインバーナをパイロットバーナの周囲にマルチに配置したメインバーナ群を２つ備えると共に、メインバーナ群の燃料供給系統を２つ備えている。そして、ガスタービンの負荷に応じてそれぞれのメインバーナの予混合燃空比が適正値となるように、燃料を供給する燃料供給系統を制御し、予混合火炎着火時のフリッカーの発生や燃焼効率の低下などを抑制している。

特開２００１−５９４２７号公報

しかし、複数のバーナ群の数に対応して燃料供給系統を設けると、それぞれの燃料供給系統を制御するための制御系が複雑になるという課題がある。

そこで、本発明の目的は、燃料供給系統の制御を容易にすることにある。

上記目的を達成するために、本発明は、第１の燃料配管から分岐し、残るバーナ群にそれぞれ連絡する複数の燃料配管を設置し、第１の燃料配管及び複数の燃料配管の少なくとも一つに燃料の供給圧力を調整する手段を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、燃料供給系統の制御を容易にすることが可能である。

図１は、ガスタービンプラントの全体構成及びガスタービン燃焼器の側断面を示す図である。図１に示すように、ガスタービンプラントは、主として、空気を圧縮して高圧の燃焼用空気を生成する圧縮機１と、この圧縮機１から導入される燃焼用空気と燃料とを混合して燃焼ガスを生成する燃焼器４と、この燃焼器４で生成された燃焼ガスを供給するタービン２と、発電機３とを備える。なお、圧縮機１とタービン２，発電機３とは回転軸で連結されている。

図２は燃焼器の構成を示す概念図であるが、パイロットバーナ６の周囲にメインバーナ８Ａが３個、メインバーナ８Ｂが３個のマルチバーナで構成されている。メインバーナ
８Ａに設置された３個のメイン燃料ノズル７Ａは上流側のマニホールド２２で互に連絡しメイン燃料配管１９に接続されている。メインバーナ８Ｂに設置されたメイン燃料ノズル７Ｂは上流側のマニホールド２３で互に連絡しメイン燃料配管２０に接続されている。

具体的には図１に示すとおり、上記燃焼器４のバーナは、燃料を下流側の燃焼室９に噴出させるパイロット燃料ノズル５と、前記パイロット燃料ノズル５を備え、燃焼用空気と燃料を混合するパイロットバーナ６と、パイロットバーナ６の外周側に位置し、燃料を下流側の燃焼室９に噴出させる複数のメイン燃料ノズル７Ａ，７Ｂと、前記メイン燃料ノズル７Ａ，７Ｂをそれぞれ備え、燃焼用空気と燃料を混合する複数のメインバーナ８Ａ，
８Ｂとで構成される。なお、図２の燃焼器断面図に示すように、本実施例のメインバーナ８Ａ，８Ｂはそれぞれ円周方向に３つずつ配置されているが、図１は燃焼器の側断面図であるため、メインバーナ８Ａ，８Ｂがそれぞれ１つずつ示されている。そして、３つのメインバーナ８Ａをひとまとまりとして、第１のメインバーナ群であるメインバーナ群50Ａを構成する。このメインバーナ群５０Ａに属する３つのメインバーナ８Ａではガスタービン運転時にそれぞれの燃料供給量がほぼ同一となるように設定される。同様に、３つのメインバーナ８Ｂをひとまとまりとして第２のメインバーナ群であるメインバーナ群５０Ｂを構成し、ガスタービン運転時にそれぞれの燃料供給量をほぼ同一となるよう設定される。但し、メインバーナが一つのみの場合は、メインバーナ群は一つのメインバーナで構成されることとなる。

また、燃焼器４は前記バーナ以外にも、燃料と燃焼用空気を混合燃焼して燃焼ガスを生成する燃焼室９と、この燃焼室９を内部に形成する内筒１０と、この内筒１０からの燃焼ガスをタービン２に導くトランジションピース１１と、これらのパイロットバーナ６，メインバーナ８Ａ，８Ｂ，内筒１０、及びトランジションピース１１を内部に収納し密閉する外筒１２及び閉止板１３と、この外筒１２に支持され、燃焼室９内で混合ガスを点火させる点火栓１４を備える。そして、閉止板１３がパイロット燃料ノズル５とメイン燃料ノズル７Ａ，７Ｂを支持する機能を有する。また、燃焼器４に燃料を供給する機構として、パイロット燃料ノズル５に燃料を供給するパイロットバーナ燃料供給系１５と、メイン燃料ノズル７Ａ，７Ｂに燃料を供給するメインバーナ燃料供給系１６を備えている。そして、パイロット燃料ノズル５はパイロット燃料配管１７によってパイロットバーナ燃料供給系１５と連絡している。メインバーナ群５０Ａ（第１のメインバーナ群）の３個のメイン燃料ノズル７Ａは、メイン燃料配管１８から分岐点５１を介して分岐したメイン燃料配管１９によってメインバーナ燃料供給系１６と連絡され、メインバーナ群５０Ｂ（第２のメインバーナ群）の３個のメイン燃料ノズル７Ｂはメイン燃料配管１８から分岐点５１を介して分岐したメイン燃料配管２０によってメインバーナ燃料供給系１６と連絡されている。即ち、メインバーナ燃料供給系１６とメインバーナ群５０Ａとを連絡する第１の燃料配管は、上流側よりメイン燃料配管１８，メイン燃料配管１９により構成される。そして、第１の燃料配管から分岐し、メインバーナ群５０Ｂに連絡するメイン燃料配管２０が第２の燃料配管を構成する。

ここで、燃料供給系とは、パイロット燃料ノズル５とメイン燃料ノズル７Ａ，７Ｂの上流側に配置され、燃料を各燃料ノズル（即ち、各バーナ）に圧送する燃料ポンプと前記パイロット燃料ノズル５及びメイン燃料ノズル７Ａ，７Ｂとを連絡する系統の一部である。そして、パイロットバーナ燃料供給系１５，メインバーナ燃料供給系１６には、燃料流量を調整する燃料流量調整弁，燃料流量を計測する燃料流量計，燃料を遮断する燃料遮断弁を備え、それぞれの弁はガスタービンの運転状態に応じて燃料流量を制御する制御装置によって制御されている。また、パイロットバーナ燃料供給系１５の下流側にはパイロット燃料配管１７とパイロット燃料ノズル５（パイロットバーナ６）を備える。メインバーナ燃料供給系１６の下流側には、メイン燃料配管１８，メイン燃料配管１８から分岐したメイン燃料配管１９，２０，マニホールド２２，２３及びメイン燃料ノズル７Ａ，７Ｂ（メインバーナ群５０Ａ，５０Ｂ）を備える。

また、燃料ノズルとは燃料を下流側の燃焼室９に噴出する機能を有し、例えば圧力式渦巻噴霧ノズルや空気アトマイズノズルがある。そして、バーナには少なくとも一つの燃料ノズルを備えている。

そして、燃焼器４では、圧縮機１で生成された燃焼用空気１００がパイロットバーナ６，メインバーナ群５０Ａ，５０Ｂ内に導入され燃料と混合される。燃焼用空気と混合した燃料が、燃焼室９内で点火栓１４により点火されて燃焼する。燃焼によって生成された燃焼ガスが、図１の矢印１０１に示す方向に流れる。そして、トランジションピース１１を介してタービン２に噴射されてタービン２を駆動する。これにより、タービン２に連結された発電機３が駆動して発電する。なお、本実施例では燃焼室９のパイロット燃料ノズル５側を上流側とし、燃焼ガスが流れるタービン２側を下流側とする。

ここで、図８に比較例におけるガスタービン負荷に対する各バーナの燃料流量割合を示す。前述の通り、第１のメインバーナ群５０Ａと第２のメインバーナ群５０Ｂでそれぞれ燃料流量を制御する必要がある。そこで、比較例では、それぞれのメインバーナ群５０Ａ，５０Ｂの上流側にそれぞれメインバーナ燃料供給系５００Ａ，メインバーナ燃料供給系５００Ｂを設け、それぞれのメインバーナ燃料供給系を制御することで、２つのメインバーナ群５０Ａ，５０Ｂの燃料流量を制御することを想定する。

ガスタービン燃焼器の燃焼用空気は圧縮機から供給され、ガスタービンの負荷によって空気流量と燃料流量の割合である燃空比が制御される。燃焼器に流入する空気流量と燃料流量の割合は、ガスタービンの負荷が低いほど小さくなるため、低負荷帯で予混合燃焼を行う場合には、予混合燃焼の燃空比を適正値になるように制御する必要がある。

一般に、ガスタービンの起動から低負荷帯は燃焼安定性に優れた拡散燃焼方式のパイロットバーナ６を用いて運転する。ガスタービン負荷が設定値に到達するとメインバーナ群５０Ａ及び５０Ｂに燃料を供給しパイロットバーナとメインバーナ群の混焼運転を開始する。

パイロットバーナとメインバーナ群の燃焼空気の流量配分は、メインバーナ群のほうが多くなるように設計される場合が多い。このため、低い負荷帯でパイロットバーナからメインバーナ群に運転を切替えるとメインバーナ群の局所燃空比が低くなり過ぎて、メインバーナ群の予混合火炎着火時にフリッカーが発生したり、燃焼効率が低下したりする可能性がある。また、高いガスタービン負荷でメインバーナ群に切替えると、拡散燃焼方式のパイロットバーナから排出されるＮＯｘ排出量が増加する可能性がある。

図８に示した比較例では、ガスタービンの初負荷（ａ）から中間負荷（ｂ）の領域をパイロットバーナ単独で運転する。中間負荷（ｂ）からはマルチに構成されたメインバーナ群５０Ａに燃料（ｅ−ｆ）を供給し、中間負荷（ｃ）からはメインバーナ群５０Ｂにも燃料（ｇ−ｈ）を供給し、中間負荷（ｂ）から定格負荷（ｄ）はパイロットバーナ６とメインバーナ群５０Ａ，５０Ｂの混合燃焼で運転を行う。
具体的には、ガスタービン負荷が中間負荷（ａ）から（ｂ）に到達すると、パイロットバーナ燃料供給系１５を制御することでパイロットバーナ６の燃料流量を燃料（ｅ−ｂ）から燃料（ｆ−ｂ）へと低下させる。そして、メインバーナ燃料供給系５００Ａを制御することでメインバーナ群５０Ａに燃料（ｅ−ｆ）を供給するよう制御してメインバーナ群
５０Ａで予混合燃焼を開始する。

もし、中間負荷（ｂ）でメインバーナ群５０Ａ，５０Ｂの両方に燃料を供給すると、メインバーナ群５０Ａ，５０Ｂの空気流量に対し、燃料流量の割合である局所燃空比が低くなり過ぎる。このため、燃料供給系統をメインバーナ群５０Ａ，５０Ｂ用の２系統（即ち、メインバーナ燃料供給系５００Ａとメインバーナ燃料供給系５００Ｂ）を設置し、メインバーナ群５０Ａのみに燃料を供給するようメインバーナ燃料供給系５００Ａを制御する。このとき、メインバーナ燃料供給系５００Ｂではまだ燃料をメインバーナ群５００Ｂに供給しない。さらに、負荷が上昇し中間負荷（ｃ）になるとメインバーナ群５０Ａの燃料（ｇ−ｊ）を燃料（ｈ−ｊ）まで低下するようメインバーナ燃料供給系５００Ａを制御すると共に、メインバーナ群５００Ｂに燃料（ｇ−ｈ）を供給するようメインバーナ燃料供給系５００Ｂを制御し、メインバーナ群５０Ｂでも予混合燃焼を開始する。

また、定格負荷（ｄ）において、パイロットバーナ６の燃料流量（ｋ−ｄ）、メインバーナ群５０Ａの燃料流量（ｍ−ｋ）、メインバーナ群５０Ｂの燃料流量（ｎ−ｍ）の燃料流量割合は、パイロットバーナ燃料供給系１５とメインバーナ燃料供給系５００Ａ及びメインバーナ燃料供給系５００Ｂによって制御する。

このように、比較例ではメインバーナ群５０Ａ，５０Ｂの燃料流量を制御するためにその上流側にそれぞれメインバーナ燃料供給系５００Ａ，５００Ｂを備えている。従って、メインバーナ群の燃料供給系統が２系統になり、それぞれの燃料流量を制御するための燃料流量調整弁や燃料流量計，燃料遮断弁が必要となり、設備が大規模になり経済性が低下してしまう。また、２つの燃料供給系統を制御するため制御系が複雑になるという課題もある。また、メインバーナ群を増やすほど、これらの課題が顕著になる。そこで、以下の実施例では、比較例の課題を解消した本発明について説明する。

（第１の実施例）
本実施例の燃焼器４は、前述の図１及び図２で説明した構成と同様である。但し、本実施例では、メイン燃料配管１８から分岐したメイン燃料配管２０に加圧弁２１を備えている。即ち、メインバーナ群５０Ｂに設置されたメイン燃料ノズル７Ｂは上流側のマニホールド２３で互に連絡し加圧弁２１が設置されたメイン燃料配管２０に接続されている。

この加圧弁２１は、燃料の供給圧力が設定値以上になると燃料が流れはじめる機能を有する。メイン燃料配管２０に設置した加圧弁２１の設定圧力は、メイン燃料ノズル７Ａ，７Ｂの流量特性やメイン燃料配管１９，２０の圧力損失、パイロットバーナとメインバーナ群の切替えポイントにおける燃料流量などによって決められるのが望ましい。なお、図中の矢印の方向が作動流体の順方向を示し加圧弁２１は逆流を防止する構造となっている。そして、加圧弁２１は、設定圧力になるまで燃料をメインバーナ群５０Ｂに供給しないという働きを有する。また、燃料が設定圧力に達すると、加圧弁２１は燃料圧力に応じて燃料供給量を増加させる。

図３は本実施例を採用した燃焼器において、ガスタービン負荷に対する各バーナの燃料流量割合を模式図で示したものである。横軸にガスタービン負荷を示し、縦軸にガスタービン負荷に対する燃料供給量を示す。本実施例において、ガスタービン負荷が燃料の切替えポイント（ｂ）に到達すると、パイロットバーナ燃料供給系１５を制御することで、パイロットバーナ６の燃料ノズル５に供給される燃料（ｅ−ｂ）が低下し燃料（ｆ−ｂ）となる。また、メインバーナ燃料供給系１６を制御することで、メインバーナ群５０Ａ，
５０Ｂに燃料（ｅ−ｆ）が供給される。この時、分岐点５１より下流側のメインバーナ群５０Ｂに連絡するメイン燃料配管２０には加圧弁２１が設置されているため、その作用によって燃料（ｅ−ｆ）はメインバーナ群５０Ａのみに供給される。ガスタービン負荷が更に上昇し中間負荷（ｃ）に到達すると、メイン燃料配管２０の燃料供給圧力が加圧弁２１の設定圧力を超えるためメインバーナ群５０Ｂにも燃料が流れ始める。このように、加圧弁２１の設定圧力をパイロットバーナ６からメインバーナ群に切り替える際の燃料供給圧力よりも大きく設定しているため、メインバーナ群５０Ｂに燃料を供給する時期をメインバーナ群５０Ａより遅らせることが出来る。ガスタービン負荷の上昇と共にメインバーナ群５０Ａ，５０Ｂの燃料流量は増加し定格運転条件ではメインバーナ群５０Ａで燃料（ｍ−ｋ）、メインバーナ群５０Ｂで燃料（ｎ−ｍ）を供給することになる。

図４はメイン燃料ノズル７Ａ，７Ｂにおける燃料供給圧力に対する燃料供給流量（噴霧流量）の関係である流量特性を示したものである。横軸は燃料供給圧力を示し、縦軸は燃料供給流量を示す。破線（ｐ−ｍ）はメイン燃料ノズル７Ａの流量特性で、燃料供給圧力が（ｐ）から（ｒ）まで上昇すると燃料流量は（ｒ）から（ｍ）に増加することを示す。一点鎖線（ｑ−ｔ）はメイン燃料ノズル７Ｂの流量特性で、燃料供給圧力が加圧弁２１の設定圧（ｑ）を超えると燃料が流れはじめ、供給圧力が（ｑ）から（ｒ）まで上昇すると燃料流量は（ｒ）から（ｔ）まで増加することを示す。また、曲線（ｐ−ｓ−ｎ）がメイン燃料ノズル７Ａとメイン燃料ノズル７Ｂの流量特性である。

メインバーナ燃料供給系１６によって供給される燃料は、メイン燃料配管１８からメイン燃料配管１９，２０へと分岐してメイン燃料ノズル７Ａ，７Ｂに到達する。メイン燃料配管１９，２０の供給圧力は圧力（ｐ）から上昇しメイン燃料ノズル７Ａから燃料を噴霧する。しかし、メイン燃料配管２０には加圧弁２１が設置されているため、メイン燃料配管２０の燃料供給圧力が加圧弁２１の設定圧力（ｑ）より高くならないとメイン燃料ノズル７Ｂに燃料は供給されず、メイン燃料ノズル７Ａからのみ噴霧されることになる。

これに対し、メイン燃料配管２０に加圧弁２１が設置されていない場合、メインバーナ燃料供給系１６からの燃料はメインバーナ群５０Ａ，５０Ｂに流れてしまい、一つのバーナ当たりの燃料流量が減少し、バーナの局所燃空比を適正値に保つことが困難である。従って、メイン燃料配管２０に加圧弁２１を設置することで、加圧弁２１がない場合に比べメインバーナ群５０Ａに供給される燃料流量（ｅ−ｆ）が増加するため、メインバーナ群５０Ａの局所燃空比を適正値に設定することが可能となる。このため、メインバーナ群
５０Ａによる予混合火炎着火時にフリッカーが発生したり、燃焼効率が低下したりすることを抑制できる。

ガスタービン負荷が燃料切替えポイント（ｂ）から増加し中間負荷（ｃ）に到達すると、メインバーナに供給される燃料流量が増加するためメイン燃料配管２０の燃料供給圧力が上昇する。燃料供給圧力が加圧弁２１の設定圧力(ｑ)を超えるとメインバーナ群５０Ｂにも燃料が供給され予混合燃焼が開始される。この時、メインバーナ群５０Ｂに供給される燃料流量は少量のため、メインバーナ群５０Ｂの予混合火炎は不安定となることが考えられる。しかし、この時すでに隣接するメインバーナ群５０Ａでは安定した予混合燃焼が行われており、メインバーナ群５０Ｂの予混合火炎着火時にメインバーナ群５０Ａの予混合火炎から熱エネルギーが供給される。このため、メインバーナ群５０Ｂの予混合火炎着火時にフリッカーや燃焼効率が低下することを抑制することができる。

したがって、本実施例によればメインバーナ用燃料配管に加圧弁を設置する簡単な方法により、メインバーナの予混合火炎着火時におけるフリッカーの発生や燃焼効率の低下を抑制することが可能となり、設備投資額を大幅低減できる効果がある。

このように、本実施例では、メインバーナ燃料供給系１６とメインバーナ群５０Ａとを連絡する第１の燃料配管（メイン燃料配管１８，１９）から分岐し、残るバーナ群であるメインバーナ群５０Ｂに連絡するメイン燃料配管２０を設置し、メイン燃料配管１９及びメイン燃料配管２０の少なくとも一つに燃料の供給圧力を調整する手段を設けている。一方のメイン燃料配管に燃料の供給圧力を調整する手段を設けることで、複数のメインバーナ群にそれぞれ燃料供給系統を設置して燃料の供給圧力を調整する必要がなくなる。即ち、一つのメインバーナ燃料供給系１６を制御するのみで、メインバーナ群５０Ａだけでなく間接的にメインバーナ群５０Ｂも燃料の供給圧力を制御する手段を介して制御することが可能となるためである。従って、燃料供給系統を減少するため、燃料供給系統の制御を容易にすることが可能になる。

なお、メインバーナ群を３つ以上設置し、それらに連絡する燃料配管に加圧弁を設ける構成も考えられる。例えばメインバーナ群が３つの場合、第１の燃料配管には加圧弁を設けず、第２の燃料配管には所定の圧力以上で燃料が流れ始める第１の加圧弁を設け、第３の燃料配管には前記第１の加圧弁の設定圧力よりも大きい圧力で燃料が流れ始める第２の加圧弁を設けるという構成である。このようにメインバーナ群を３つ以上の複数に設定しても、メインバーナ燃料供給系の圧力、及びメイン燃料ノズルを適宜選択することで本発明を適用可能である。

また、本実施例では燃料の供給圧力が設定値以上になると燃料が流れる加圧弁２１を用いたが、燃料の供給圧力に応じて燃料の供給量が変化するオリフィスも使用可能である。オリフィスは燃料流路に穴を開口することで燃料の供給圧力を調整する手段である。このオリフィスを用いた場合、構造的に製作が容易であり、可動部がないため信頼性に高いという特徴を有する。但し、オリフィスには加圧弁のように所定の燃料供給圧力まで燃料の供給を止める機能を有さないため、メインバーナ燃料供給系１６がメインバーナ群５０Ａに燃料を供給すると、メインバーナ群５０Ｂにも少しずつ燃料を供給してしまう。そのため、圧力式渦巻噴霧ノズルを用いた場合には、部分負荷の運転では供給される燃料が少量であるため、燃料を微粒化するために必要な燃料供給圧力が得られず、燃料液滴が燃料ノズルに付着する可能性がある。従って、オリフィスを用いる場合には、下流側の燃料バーナ群５０Ｂには少量の燃料でも空気で微粒化できる空気噴霧ノズルを使用することが望ましい。

本実施例では、メインバーナ燃料供給系１６とメインバーナ群５０Ａとを連絡する第１の燃料配管（メイン燃料配管１８，１９）から分岐し、残るバーナ群であるメインバーナ群５０Ｂに連絡するメイン燃料配管２０を設置し、メイン燃料配管１９及びメイン燃料配管２０の少なくとも一つに燃料の供給圧力が設定値以上になると燃料が流れ始める加圧弁を設けている。燃料の供給圧力を調整する手段として加圧弁を用いることで、ガスタービンの部分負荷運転時において燃料の微粒化を確保できる所定の燃料供給圧力以上にならないと加圧弁が開かないように設定することが可能である。従って、下流側のメインバーナ群５０Ｂには空気噴霧ノズルだけでなく圧力式渦巻噴霧ノズルといった多様なノズル形式に対応が可能である。

本実施例ではメインバーナ燃料供給系１６からメインバーナ群５０Ａに連絡する第１のメイン燃料配管１８，１９から分岐し、他方のメインバーナ群５０Ｂに燃料を供給するマニホールド２３に連絡する第２のメイン燃料配管２０を設置し、第１のメイン燃料配管
１９若しくは第２のメイン燃料配管２０に燃料の供給圧力が設定値以上になると燃料が流れ始める加圧弁２１を設置する。それぞれのメインバーナ群における燃料の供給圧力を調整するために２つの燃料供給系を設けると、両者の制御が複雑となる。また、燃料供給系を増やすほどそれらに付随する流量調整弁や遮断弁などの部品点数が増え、設備が大型化する。そこで、一方のメインバーナ燃料配管に加圧弁２１を設けることで、燃料供給系を１つに減らすことができ、両者の制御を容易にすることが可能である。

さらに、本実施例でメインバーナ燃料供給系１６が燃料を供給するメインバーナ群は２つである。メインバーナ群を３つ以上設置し、それらに連絡する燃料配管に加圧弁を設ける構成も考えられる。例えばメインバーナ群が３つの場合、第１の燃料配管には加圧弁を設けず、第２の燃料配管には所定の圧力以上で燃料が流れ始める第１の加圧弁を設け、第３の燃料配管には前記第１の加圧弁の設定圧力よりも大きい圧力で燃料が流れ始める第２の加圧弁を設けるという構成である。但し、前記の構成では、メインバーナ群が２つに比べて上流側の燃料供給ポンプの供給圧力を大きくしなければならず、ガスタービン全体の初期コストや運用コストが増加する場合がある。また、３つのメインバーナ群にはそれぞれ流量特性が異なる燃料ノズルを設計・製作しなければならず、製作コストが増加する。従って、メインバーナ燃料供給系が１つに対し、下流側のメインバーナ群は２つとすることが最も効果的である。

また、本実施例に示した加圧弁２１は、既設のガスタービン燃焼器の燃料配管に取り付けることで、前記燃焼器を改造することも可能である。具体的には、複数のメインバーナ群と、これらのメインバーナ群の上流側であって、燃料をメインバーナ群に供給するメインバーナ燃料供給系１６と、両者を連絡するメイン燃料配管１８，１９，２０とを備え、この燃料配管は分岐点５１を介して燃料を複数のバーナに供給するガスタービン燃焼器を改造することも可能である。前記燃焼器を改造する際には、図１に示すように、メインバーナ群５０Ｂと分岐点５１との間のメイン燃料配管２０に燃料の供給圧力を調整する手段を追設すれば良い。この燃料の供給圧力を調整する手段は、加圧弁２１やオリフィスである。このように、それぞれのメインバーナ群ごとに燃料供給系を別途設ける必要はなく、燃料の供給圧力を調整する手段を設置するという簡易な方法で２つのメインバーナ群の燃料流量を制御することが可能となる。

（第２の実施例）
次に、第２の実施例の詳細を以下説明する。第２の実施例の主要構成部品は第１の実施例と同様である。第１の実施例では、メインバーナ群５０Ａに設置するメイン燃料ノズル７Ａと、メインバーナ群５０Ｂに設置するメイン燃料ノズル７Ｂの流量特性を同等のもので構成したが、第２の実施例ではそれぞれの燃料ノズルの流量特性が互に異なるもので構成する。

本実施例のような燃焼器の場合、前述したようにガスタービンの定格運転条件では、パイロットバーナによる拡散燃焼方式とメインバーナによる予混合燃焼方式の混合燃焼方式で運転し、燃焼器の燃焼安定性と低ＮＯｘ燃焼を両立させるため、パイロットバーナとメインバーナ群の燃料流量割合を制御している。この時、メインバーナ群５０Ａ，５０Ｂの局所燃空比はＮＯｘ排出量低減や燃焼器構成部品の信頼性の面から同等であることが望ましい。

図４に示したように、メイン燃料ノズル７Ａ，７Ｂの流量特性が同等な場合、定格運転条件においてメイン燃料ノズル７Ａに作用する燃料供給圧力は圧力（ｒ−ｐ）となり、その時の燃料流量は燃料（ｍ−ｒ）となる。これに対して、メイン燃料ノズル７Ｂに作用する燃料供給圧力は、加圧弁２１が設置されているため加圧弁２１の設定圧力である圧力
（ｑ−ｐ）に相当する圧力だけ低くなる。このため、燃料供給圧力が圧力（ｒ−ｑ）となり燃料流量は燃料（ｔ−ｒ）となる。すなわち、定格運転条件においてはメイン燃料ノズル７Ｂの供給圧力が燃料ノズル７Ａより低圧となり、その分燃料流量（ｍ−ｔ）が低減することになる。

したがって、メインバーナ群５０Ａ，５０Ｂに供給される空気流量が同一の場合、メインバーナ群５０Ａの局所燃空比がメインバーナ群５０Ｂの局所燃空比より増加する。内筒１０の周方向に配置されたメインバーナ群５０Ａ，５０Ｂの局所燃空比が異なると、燃焼ガス温度が内筒１０の周方向で異なる。そのため、内筒１０のメタル温度が周方向で偏差を生じ、内筒１０の信頼性が低下したりＮＯｘ排出量が増加したりすることが考えられた。

そこで、第２の実施例ではこのような課題を解消するため、流量特性の異なる燃料ノズル２４Ａ，２４Ｂをメインバーナ群５０Ａ，５０Ｂに設置して燃焼器を構成したものである。

図５にメイン燃料ノズル２４Ａ，２４Ｂの流量特性を示す。破線（ｐ−ｍ）はメイン燃料ノズル２４Ａの流量特性であり、供給圧力が圧力（ｒ−ｐ）で燃料流量（ｍ−ｒ）を噴霧することを示す。一点鎖線（ｑ−ｔ）はメイン燃料ノズル２４Ｂの流量特性であり、供給圧力が圧力（ｒ−ｑ）で燃料流量（ｔ−ｒ）を噴霧することを示している。メイン燃料ノズル２４Ｂの燃料配管には加圧弁２１が設置されているため、メイン燃料ノズル２４Ｂに作用する供給圧力はメイン燃料ノズル２４Ａに比較して加圧弁の設定圧力分だけ低圧となる。しかし本実施例では、メイン燃料ノズル２４Ｂの流量特性がメイン燃料ノズル24Ａより低い供給圧力でもメイン燃料ノズル２４Ａと同じ供給流量が定格運転時に確保できるように設定されている。そのため、定格運転条件となる供給圧力（ｒ）ではメイン燃料ノズル２４Ａ，２４Ｂから噴霧される燃料流量が同等となる。このため、各メインバーナの燃焼ガス温度も同等となり、内筒１０のメタル温度の偏差が生じにくくなり信頼性を向上することが可能となる。

第１，２の実施例に用いるメイン燃料ノズル７Ａ，７Ｂ，２４Ａ，２４Ｂは、液体燃料と噴出場の差圧で微粒化する圧力噴霧式渦巻噴霧ノズルやアトマイズ空気によって微粒化する空気アトマイズノズルなど何れの燃料ノズルを用いてもよい。

但し、圧力噴霧式渦巻噴霧ノズルは、燃料の供給圧力が微粒化特性に強く影響を及ぼし、供給圧力が高いと燃料液滴が微粒化し易くなる特性を示す。したがって、本実施例の場合、燃料供給圧力が定格になるまでは、燃料供給圧力が高いメイン燃料ノズル７Ａ，24Ａのほうがメイン燃料ノズル７Ｂ，２４Ｂに比較して微粒化が促進される。そして、燃料液滴の微粒化特性が向上すると液滴が蒸発し易くなる。そのため、ガスタービンの部分負荷においては、メインバーナ群５０Ａ，５０Ｂの出口で蒸発特性が異なり、その下流に形成される予混合燃焼火炎のパターンが変化し、内筒１０の周方向の燃焼ガス温度に偏差が発生することが考えられる。

これに対して、空気アトマイズノズルはアトマイズ空気によって液滴を微粒化するため、噴霧特性に及ぼす燃料供給圧力の影響度が小さい。したがって、本実施例の燃料ノズルには、空気アトマイズノズルを用いた方がガスタービンの運転状態に関わらず内筒の信頼性向上やＮＯｘ排出量を低減する上で有利となる。

また、第１，２の実施例ではメインバーナで予混合燃焼を行うとしたが、メインバーナで拡散燃焼を行っても良い。

（第３の実施例）
次に、第３の実施例の詳細を図６，図７を参照しつつ説明する。第３の実施例の主要構成部品は第１の実施例と同様であり、メインバーナでも拡散燃焼を行う燃焼器に本発明を適用したものである。

第３の実施例ではパイロットバーナ６の周囲に複数のメインバーナ２８が配置され、メインバーナ２８にはメイン燃料ノズル２７が設置されている。複数のメインバーナ２８に設置されたメイン燃料ノズル２７はマニホールド２９によって連絡している。パイロットバーナ６に設置した燃料ノズル５は燃料供給系２５と燃料配管２６によって接続され、燃料配管２６から分岐したメイン燃料配管３０はマニホールド２９に連絡し、メイン燃料配管３０に加圧弁３１が設置されている。そのため、本実施例では複数のメインバーナ２８が一つのメインバーナ群２８Ａを構成し、ガスタービン運転時にそれぞれのメインバーナ
２８の燃料供給量がほぼ同一となるよう設定される。

ガスタービンの起動時、燃料供給系２５によって燃料が供給されると燃料は加圧弁３１の作用によってパイロット燃料ノズル５にのみ燃料が供給され、点火栓１４からのスパークでパイロットバーナ６が着火する。加圧弁３１が設置されていない場合は、燃料供給系２５から供給された燃料はパイロット燃料ノズル５とメインバーナ群２８Ａに分散されるため、着火時において各バーナの局所燃空比が低くなり着火特性が著しく低下することが考えられる。

一般に、本発明を適用するようなガスタービン燃焼器の場合、複数の燃焼器が火炎伝播管によって連絡され、点火栓を設置した燃焼器を着火させた後、火炎伝播管によって火を移し全燃焼器に着火させる構造となっている。燃焼器の着火特性が低下すると、点火栓の設置された燃焼器は着火しても隣接する燃焼器に火が移りづらくなり火炎伝播時間が長くなる。この間に、大量の未燃の白煙が発生したり、着火失敗によりガスタービンが起動できなかったりする可能性がある。

図７は本実施例のパイロット燃料ノズル５とメイン燃料ノズル２７の流量特性を示したものであり、破線（ｕ−ｙ）がパイロット燃料ノズル５、一点鎖線（ｖ−ｘ）がメイン燃料ノズル２７（複数本の合計）の流量特性であり、供給圧力（ｗ）が定格運転時に相当する燃料供給圧力である。

図７に示すように、本実施例では加圧弁３１の設定圧力（ｖ）がパイロット燃料ノズル５が着火時に燃料流量を噴霧する供給圧力（ｚ）より高圧側に設定されている。このため、着火時は加圧弁３１の作用によってパイロット燃料ノズル５のみに燃料が供給されるため、パイロットバーナ６の局所燃空比を適正値に設定することが可能となり着火特性を向上することが可能となる。

また、本実施例ではメインバーナ群２８Ａでも拡散燃焼を行うように構成している。ガスタービンの着火後、ガスタービン負荷上昇に伴って燃料供給圧力が上昇し、加圧弁３１の設定圧力（ｖ）を超えるとメインバーナ群２８Ａに燃料が供給されメインバーナで拡散燃焼が開始される。拡散燃焼方式は予混合燃焼方式に比べ着火特性が良く、予混合燃焼方式のように火炎着火時に発生するフリッカー現象や燃焼効率の低下などが発生しにくくなり、燃焼安定性を確保することが可能となる。

なお、本実施例ではメインバーナに拡散燃焼方式を用いた。しかし、マイクロタービンのような発電容量の比較的小さな発電設備に適用する場合であれば、メインバーナに予混合燃焼方式を用いてもフリッカーの発生や燃焼効率の低下を回避することが可能となる。

一般に、本発明を適用するガスタービン燃焼器では、ガスタービンの負荷上昇時に負荷上昇の時間割合を示す負荷上昇レートなるものが設定される。これは、ガスタービンを構成する部品をガスタービン負荷上昇時の熱応力から保護するためのものであり、大型の発電装置ほど負荷上昇レートが長くなり時間をかけてガスタービン負荷を上昇する傾向にある。したがって、負荷上昇レートが長いと予混合火炎着火時に発生するフリッカーや燃焼効率の低下している時間が長くなるため、パイロットバーナ燃料供給系とは別にメインバーナ燃料供給系が必要となる。

しかしながら、マイクロタービンのような発電容量の小さな発電設備の場合、負荷上昇レートが短いため、短時間で定格負荷に到達する。このため、予混合燃焼のフリッカー発生や燃焼効率の低下する時間も短期間となりこれらによるダメージを低減することが可能となる。したがって、単一の燃料供給系２５でも加圧弁３１を利用することにより拡散燃焼と予混合燃焼の混合燃焼を実施することが可能となり、単純な燃料供給設備によりNOx排出量を低減することが可能となる。

さらにまた、第１，２，３の実施例では液体燃料を対象に説明したが、ガス焚きの燃焼器の燃料供給方法に本発明を提供しても油焚き燃焼器で得られる作用効果を期待できる。

本実施例では、燃料配管２６から分岐し、メインバーナ群２８Ａに連絡するメイン燃料配管３０を設置し、メイン燃料配管３０に燃料の供給圧力が設定値以上になると燃料が流れ始める加圧弁３１を設置している。単一の燃料供給系２５でも加圧弁３１を利用することにより拡散燃焼と予混合燃焼の混合燃焼を実施することが可能となり、単純な燃料供給設備によりＮＯｘ排出量を低減することが可能となる。

本発明は、燃焼器の燃焼性能を損なうことなく、燃料供給系統を簡素ができ経済性を向上する燃焼器の燃焼方法を提供できる。

第１実施例におけるガスタービン燃焼器の全体構成を表す側断面図である。 第１実施例におけるガスタービン燃焼器の全体構成を表す断面図である。 第１実施例におけるガスタービン燃焼器のガスタービン負荷と各バーナの燃料供給量の説明図である。 第１実施例における燃料ノズルの流量特性を示す説明図である。 第２実施例における燃料ノズルの流量特性を示す説明図である。 第３実施例におけるガスタービン燃焼器の全体構成を表す側断面図である。 第３実施例における燃料ノズルの流量特性を示す説明図である。 比較例におけるガスタービン燃焼器のガスタービン負荷と各バーナの燃料供給量の説明図である。

符号の説明

１…圧縮機、２…タービン、３…発電機、４…燃焼器、５…パイロット燃料ノズル、６…パイロットバーナ、７Ａ，７Ｂ，２４Ａ，２４Ｂ，２７…メイン燃料ノズル、８Ａ，
８Ｂ，２８…メインバーナ、９…燃焼室、１０…内筒、１１…トランジションピース、
１２…外筒、１３…閉止板、１４…点火栓、１５…パイロットバーナ燃料供給系、１６…メインバーナ燃料供給系、１７…パイロット燃料配管、１８，１９，２０，３０…メイン燃料配管、２１，３１…加圧弁、２２，２３，２９…マニホールド、２５…燃料供給系、２８Ａ，５０Ａ，５０Ｂ…メインバーナ群、５１…分岐点、１００…燃焼用空気。

Claims (10)

1. 複数のバーナ群と、該複数のバーナ群のうち一部のバーナ群に燃料を供給する燃料供給系と、前記一部のバーナ群と前記燃料供給系とを連絡する第１の燃料配管とを備えたガスタービン燃焼器であって、
   前記第１の燃料配管から分岐し、残るバーナ群にそれぞれ連絡する複数の燃料配管を設置し、前記第１の燃料配管及び前記複数の燃料配管の少なくとも一つに燃料の供給圧力を調整する手段を設けたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
2. 請求項１記載のガスタービン燃焼器であって、
   前記燃料の供給圧力を調整する手段として、燃料の供給圧力が設定値以上になると燃料が流れ始める加圧弁若しくは燃料の供給圧力に応じて燃料の供給量が変化するオリフィスを用いたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
3. 燃料を下流側の燃焼室に噴射する複数のバーナ群と、該複数のバーナ群のうち一部のバーナ群に燃料を供給する燃料供給系と、前記一部のバーナ群と前記燃料供給系とを連絡する第１の燃料配管とを備えたガスタービン燃焼器であって、
   前記第１の燃料配管から分岐し、残るバーナ群にそれぞれ連絡する複数の燃料配管を設置し、前記第１の燃料配管若しくは前記複数の燃料配管に燃料の供給圧力が設定値以上になると燃料が流れ始める加圧弁を設置したことを特徴とするガスタービン燃焼器。
4. 燃料を下流側の燃焼室に噴射するパイロットバーナと、該パイロットバーナに燃料を供給するパイロットバーナ燃料供給系と、前記パイロットバーナと前記パイロットバーナ燃料供給系とを連絡するパイロットバーナ燃料配管と、
   前記パイロットバーナの周囲を取り囲むように配置され、それぞれの燃料供給量を制御可能な２つのメインバーナ群と、それぞれのメインバーナ群に燃料を供給する２つのマニホールドを前記メインバーナ群の上流側にそれぞれ備え、前記２つのメインバーナ群に燃料を供給するメインバーナ燃料供給系と、該メインバーナ燃料供給系と一方のマニホールドとを連絡する第１の燃料配管とを備えたガスタービン燃焼器であって、
   前記第１の燃料配管から分岐し、他方のマニホールドに連絡する第２のメインバーナ燃料配管を設置し、前記第１のメインバーナ燃料配管若しくは前記第２のメインバーナ燃料配管に燃料の供給圧力が設定値以上になると燃料が流れ始める加圧弁を設置したことを特徴とするガスタービン燃焼器。
5. 請求項４記載のガスタービン燃焼器であって、
   前記２つのメインバーナ群にそれぞれメイン燃料ノズルを備え、
   該メイン燃料ノズルは燃料の供給圧力と供給流量との関係である流量特性が互いに異なることを特徴とするガスタービン燃焼器。
6. 請求項４記載のガスタービン燃焼器であって、
   前記２つのメインバーナ群にそれぞれメイン燃料ノズルを備え、
   該メイン燃料ノズルはガスタービン定格運転時に燃料供給量が同一となることを特徴とするガスタービン燃焼器。
7. 燃料を下流側の燃焼室に噴射するパイロットバーナと、該パイロットバーナに燃料を供給する燃料供給系と、前記パイロットバーナと該燃料供給系とを連絡する燃料配管と、前記パイロットバーナの周囲を取り囲むように配置されたメインバーナ群とを備えたガスタービン燃焼器であって、
   前記燃料配管から分岐し、前記メインバーナ群に連絡するメインバーナ燃料配管を設置し、前記メインバーナ燃料配管に燃料の供給圧力が設定値以上になると燃料が流れ始める加圧弁を設置したことを特徴とするガスタービン燃焼器。
8. 複数のバーナと、該複数のバーナの上流側であって、前記複数のバーナに燃料を供給する燃料供給系と、前記複数のバーナと前記燃料供給系を連絡する燃料配管とを備え、該燃料配管は前記複数のバーナと前記燃料供給系との間の分岐点を介して燃料を複数のバーナに供給するガスタービン燃焼器であって、
   前記複数のバーナのうち一部のバーナと前記分岐点との間の前記燃料配管に燃料の供給圧力を調整する手段を設けたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
9. 複数のバーナと、該複数のバーナの上流側であって、前記複数のバーナに燃料を供給する燃料供給系と、前記複数のバーナと前記燃料供給系を連絡する燃料配管とを備え、該燃料配管は前記複数のバーナと前記燃料供給系との間の分岐点を介して燃料を複数のバーナに供給するガスタービン燃焼器の改造方法であって、
   前記複数のバーナのうち一部のバーナと前記分岐点との間の前記燃料配管に燃料の供給圧力を調整する手段を設けたことを特徴とするガスタービン燃焼器の改造方法。
10. 燃料を下流側の燃焼室に噴射する複数のバーナを備え、該複数のバーナに燃料を供給するガスタービン燃焼器の燃料供給方法であって、
    前記複数のバーナのうち一部のバーナは燃料の供給圧力が設定値に至るまではガスタービン負荷に応じて燃料を供給し、
    燃料の供給圧力が設定値以上からは残るバーナがガスタービン負荷に応じて燃料を供給することを特徴とするガスタービン燃焼器の燃料供給方法。
    

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