JP2008170059A - ガスタービン燃焼器及びその改造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素かつ安価な構成でＮＯｘ排出量を低減することができるガスタービン燃焼器及びその改造方法を提供する。
【解決手段】低負荷燃料ノズル９と、高負荷燃料ノズル１１と、これら燃料ノズル９，１１で噴射する燃料の供給源である燃料供給装置１９と、燃料供給装置１９からの燃料を低負荷燃料ノズル９に導く低負荷燃料配管２０と、燃料供給装置１９からの燃料を高負荷燃料ノズル１１に導く高負荷燃料配管２１と、低負荷燃料配管２０に設けられ、燃料供給圧力の上昇に伴って燃料供給量を増加させ、燃料供給圧力が設定値以上になると燃料供給量を減少させる低負荷燃料流量調整弁２２と、高負荷燃料配管２１に設けられ、燃料供給圧力が設定値以上になると燃料を供給し始める高負荷燃料流量調整弁２３とを備える。
【選択図】図３

Description

本発明はガスタービン燃焼器及びその改造方法に関する。

近年、ガスタービン発電プラントに対する高出力化・高効率化が要求される機運の中、燃焼ガス温度は年々上昇する傾向にある。燃焼ガスが高温化するとガスタービン排ガス中の窒素酸化物（以下、ＮＯｘと記載する）排出量も高くなるため、ガスタービン燃焼器では、地球環境保全の観点からＮＯｘ排出量を低減することが大きな課題である。

このような背景から、高温の燃焼用空気中に燃料ノズルから燃料を噴出し、予め燃料と燃焼用空気とを均一に混合させた予混合ガスを燃焼させることにより、局所的な高温燃焼ガスの発生を防止してＮＯｘ排出量を低減する予混合燃焼方式がガスタービン燃焼器に採用されている（特許文献１等参照）。

特開平９−２６４５３６号公報

しかしながら、一般の予混合燃焼方式のガスタービン燃焼器では、予混合ガスの燃焼状態を安定状態に到達させるために拡散燃焼ノズルを予混合燃料ノズルと併用し、拡散燃焼と予混合燃焼の混合燃焼方式を採用するのが通常である。そのため、拡散燃料の供給系統と予混合燃料の供給系統の少なくとも２つの燃料供給系統を要し、燃料供給系統が一つの拡散焚き燃焼器に比して運転制御が複雑で設備費も増加する。

そこで本発明は、簡素かつ安価な構成でＮＯｘ排出量を低減することができるガスタービン燃焼器及びその改造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、少なくとも２つ以上の燃料配管に、燃料の供給圧力に対し異なった燃料流量特性を有する燃料供給手段（燃料流量調整弁）を設ける。

本発明によれば、簡素かつ安価な構成でＮＯｘ排出量を低減することができる。

一般に、ガスタービン低ＮＯｘ燃焼器では、拡散燃焼方式と予混合燃焼方式を組合せて、ガスタービンの起動から定格負荷の広範な条件下を安定燃焼させ、定格負荷運転ではＮＯｘ排出量を抑制した運転を実施する。しかし、本方式では拡散燃料供給系統と予混合燃料供給系統の少なくとも２系統が必要になりイニシャルコストが増加する課題がある。また、ガスタービンの負荷に応じ、それぞれの燃料供給系統を制御する必要があり、システム全体が複雑になり、メンテナンス費用が増加するとともに信頼性を損ねる可能性がある。

そこで、以下に説明する実施の形態では、複雑な制御を伴うことなく１つの燃料供給系統で拡散燃料流量と予混合燃料流量を同時に制御するものである。

以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。

＜第１の実施の形態＞
図１は本発明に係るガスタービン燃焼器の第１の実施の形態を適用したガスタービンプラントの全体構成を示す概略構成図である。

図１に示すように、ガスタービンプラントは、主な構成要素として、空気を圧縮し高圧の燃焼用空気を生成する圧縮機１、圧縮機１から導入される燃焼用空気１４と燃料を混合して燃焼ガス１５を生成するガスタービン燃焼器３、ガスタービン燃焼器３で生成された燃焼ガス１５が導入されるタービン２を備える。圧縮機１はタービン２と同軸に連結され、タービン２と一体となって回転する。

上記ガスタービン燃焼器３は、内筒７、低負荷燃料ノズル（拡散燃料ノズル）９、旋回器１０、高負荷燃料ノズル（予混合燃料ノズル）１１、予混合器１２、点火栓１３を、外筒５とエンドカバー６で密閉した圧力容器である。

内筒７は、燃焼用空気及び燃料を混合させ燃焼ガスを生成する燃焼室を内部に形成するものであり、その軸中心位置における上流側には、内筒７に供給する燃料を噴射する上記低負荷燃料ノズル９が配置されている。旋回器１０は、旋回成分を付与した燃焼用空気１４を内筒７に導入し燃焼室内で拡散火炎１６を保持する役割を果たし、内筒７の上流側に位置し低負荷燃料ノズル９の周囲に設置されている。

高負荷燃料ノズル１１は、旋回器１０の外周側に位置し内筒７内に供給する燃料を噴射するものであり、旋回器１０の外周側に位置する予混合器１２の内部に配置されている。予混合器１２は、旋回器１０の周囲（外周側）を覆っており、内部（予混合室）に燃焼室に向かう燃焼用空気１４を流通させ、高負荷燃料ノズル１１から噴射された燃料と予混合器１２内に導入された燃焼用空気１４を燃焼室に供給される前に予め混合する役割を果たす。

このように構成された本実施の形態により、圧縮機１からの燃焼用空気１４は、外筒５と内筒７の間の環状の空気流路を通って、内筒７に設けられた冷却孔（図示せず）や旋回器１０、予混合器１２から内筒７の内部に導入される。内筒７に供給された空気は燃料と混合され、この混合ガスが内筒７の内部で点火栓１３により点火されて燃焼する。燃焼によって生成した燃焼ガス１５はトランジションピース８を介してタービン２に供給されてタービン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４を駆動して発電する。

低負荷燃料ノズル９及び高負荷燃料ノズル１１に燃料を供給する燃料供給系統１８は、燃料タンク、油ポンプ、圧力調節器、燃料遮断弁、燃料流量計等で構成された燃料ノズル９，１１で噴射する燃料の供給源である燃料供給装置１９、燃料供給装置１９からの燃料を低負荷燃料ノズル９に導く低負荷燃焼配管（拡散燃料配管）２０、燃料供給装置１９からの燃料を高負荷燃料ノズル１１に導く高負荷燃焼配管（予混合燃料配管）２１等を備える。低負荷燃料配管２０及び高負荷燃料配管２１は燃料供給装置１９の油ポンプの同じ吐出管路から分岐した燃料配管である。

低負荷燃料配管２０には、燃料配管２０内部の燃料供給圧力で低負荷燃料ノズル９へ供給する燃料流量を制御する低負荷燃料流量調整弁（拡散燃料流量調整弁）２２が、高負荷燃料配管２１には、高負荷燃料配管２１内部の燃料供給圧力で高負荷燃料ノズル１１へ供給する燃料流量を制御する高負荷燃料流量調整弁（予混合燃料流量調整弁）２３がそれぞれ備えられている。ここで、燃料配管２０，２１に燃料流量調整弁２２，２３を設置した主な目的は、拡散燃料供給系統と予混合燃料供給系統を１系統で構成し、燃料供給系統を簡素化し、ひいてはコスト低減を図ることにある。

それぞれ詳細は後述するが、低負荷燃料流量調整弁２２は、燃料供給装置１９による燃料供給圧力の上昇に伴って燃料供給量を増加させ、燃料供給圧力が設定値（図２ではＢ点）以上になると燃料供給量を減少させる機能を有する。高負荷燃料流量調整弁２３は、燃料供給装置１９による燃料供給圧力が設定値（図２ではＥ点）以上になると燃料を供給し始める機能を有する。

本発明を適用するガスタービン燃焼器では、拡散燃焼と予混合燃焼を組合せることでガスタービンの起動から定格負荷の広範な条件下を安定燃焼し、定格負荷時には大気汚染の原因となる窒素酸化物の排出量を抑制する。一般に、ガスタービンの起動から比較的負荷の低い範囲では、燃焼器に供給される燃焼用空気の流量及び温度が変化するため、燃料を低負荷燃料ノズル９のみに供給して旋回器１０によって火炎を形成し、燃焼安定性に優れた拡散燃焼単独で運転する。ガスタービンの負荷が中間負荷に到達すると、高負荷燃料ノズル１１にも燃料を供給し、拡散火炎１６による熱エネルギーのサポートにより予混合火炎１７を点火する。その後、予混合燃料と拡散燃料を制御して安定燃焼を行い、定格負荷では拡散燃焼と予混合燃焼の燃焼割合（燃料流量割合）を設定の割合に制御して燃焼安定性を確保しながらＮＯｘ排出量を抑える。設定値（図２のＡ点〜Ｆ点）は対象となるガスタービンにおいて、ガスタービンの回転速度との関係を基に、移動後、定格運転に移行する過程の適当な燃料流量を事前に検討して設定された値である。

図２は低負荷燃料流量調整弁２２と高負荷燃料流量調整弁２３の燃料供給圧力と燃料流量の関係を示す説明図、図３は低負荷燃料流量調整弁２２の構成図、図４は高負荷燃料流量調整弁２３の構成図である。

図３に示す低負荷燃料流量調整弁２２は、筒状の弁箱３０、弁箱３０内に配置され燃料流量を調整する弁体３１、弁体３１の作動圧力を設定するスプリング３４を備えている。

弁箱３０は低負荷燃料配管２０の途中に組み入れられ、拡散燃料の流路をなすものであり、図３中の左側が上流側、右側が下流側に当たる。弁箱３０の内周部には弁座３２，３３が設けられている。

弁体３１は、弁座３２，３３の間に配置され、弁箱３０に対して固定したスプリング３４により上流側に向かって付勢されている。これにより、燃料の供給圧力がかかっていないとき、弁体３１はスプリング３４により付勢されて上流側の弁座３２に着座しているが、燃料の供給圧力が上昇するとその圧力を受けスプリング３４の付勢力に抗って下流側に移動する。

このとき弁体３１と弁座３２の間に開かれ、弁体３１が下流側に移動するにつれて拡大される流路を第１の流路３６とする。この第１の流路３６は、弁体３１が弁座３２に着座しているときは全閉状態にある。一方、弁体３１の下流側への移動量が増すにつれて狭まる弁体３１と弁座３３の間の流路を第２の流路３７とする。第２の流路は弁体３１が弁座３３に着座することにより全閉状態になる。第２の流路３７は第１の流路３６に繋がっており、両流路３６，３７が開いているときに、弁箱３０と弁体３１との間に燃料が流通する。また、弁体３１には、弁座３２，３３との着座面に干渉しない燃料流通孔３５が設けられており、弁体３１の位置とは無関係に一定流量（燃料流通孔３５の径により制約される）の燃料が流通可能な構成となっている。

図２に実線で示したように、燃料供給装置１９によって低負荷燃料配管２０に燃料供給が開始（Ａ点）されると、低負荷燃料流量調整弁２２の内部圧力が上昇し、弁体３１の燃料流通孔３５を流下して低負荷燃料ノズル９へ燃料が供給される。燃料供給流量が増加すると燃料の供給圧力が上昇し、燃料の供給圧力がスプリング３４の反力より大きくなると、弁体３１は図３（ａ）に示すように弁座３３方向に移動するため、弁体３１と弁座３２の間に第１の流路３６が形成され燃料流量が増加する（Ａ点〜Ｂ点）。Ａ点〜Ｂ点間では、高負荷燃料流量調整弁２３に燃料が流通し始めると（Ｅ点）、予混合燃料として流通する燃料が増すことで拡散燃料の流量増加率が下がる。

その後、さらに燃料流量が増加して供給圧力が上昇すると弁体３１は弁座３３に接近し、燃料が流下する流路（第２の流路３７）の面積が減少するため低負荷燃料ノズル９に供給される燃料流量は次第に減少する（Ｂ点〜Ｃ点）。さらに燃料の供給圧力が上昇すると、図３（ｂ）に示すように、弁体３１が弁座３３と接触し弁体３１に形成した燃料流通孔３５を流通する燃料のみが拡散燃料として低負荷燃料ノズル９に供給され（Ｃ点）、その後は燃料の供給圧力に応じて燃料流通孔３５を流下する燃料が増加することで徐々に拡散燃料が増加する（Ｃ点〜Ｄ点）。

一方、図４に示す高負荷燃料流量調整弁２３は、筒状の弁箱４０、弁箱４０内に配置され燃料流量を調整する弁体４１、弁体４１の作動圧力を設定するスプリング４３を備えている。

弁箱４０は高負荷燃料配管２１の途中に組み入れられ、予混合燃料の流路をなすものであり、図４中の左側が上流側、右側が下流側に当たる。弁箱４０の内周部には弁座４２が設けられている。

弁体４１は、弁座４２の間に配置され、弁箱４０に対して固定したスプリング４３により弁座４２に向かって付勢されている。これにより、燃料の供給圧力がかかっていないとき、弁体４１は弁座４２に着座しているが、燃料の供給圧力が上昇するとその圧力を受けスプリング４３の付勢力に抗って下流側に移動する。このとき弁体４１と弁座４２の間には流路４４が開かれ、流路４４は弁体４１が下流側に移動するにつれて拡大される。弁体４１には孔は穿設されておらず、弁体４１が弁座４２に着座しているとき（全閉時）には、着座面の漏れを無視すれば予混合燃料は弁体４１により遮断される。また、流路４４の拡大範囲はスプリング４３のストロークにより制限される。

図２に点線で示したように、燃料供給装置１９によって高負荷燃料配管２１に燃料供給が開始（Ａ点）されると、高負荷燃料流量調整弁２３の弁体４１に燃料の供給圧力が作用する。図４（ａ）に示すように燃料供給圧力がスプリング４３の反力より小さい間（Ａ点〜Ｅ点）は、弁体４１が弁座４２と接触しているため燃料が流下しない。燃料の供給圧力が上昇しスプリング４３の反力より大きくなると（Ｅ点）、図４（ｂ）のように弁体４１がスプリング４３側に移動し、弁体４１と弁座４２との間に形成された流路４４を燃料が流下し、高負荷燃料ノズル１１に燃料が供給される。その後、燃料供給流量が増加すると、弁箱４０の内周壁と弁体４１の外周部に形成される環状流路を流下する燃料流量が供給圧力に応じて増加する。

次に、ガスタービンの運転条件に対する燃料流量調整弁２２，２３の動作と、それに伴う燃料流量の変化を説明する。

本発明を適用するガスタービン燃焼器では、燃焼用空気の流量や温度など、燃焼条件の変化の激しい起動後の低負荷領域（図２のＡ点〜Ｅ点）では燃焼安定性に優れた拡散燃焼のみで運転し、定格運転に到達したら、主に予混合燃焼方式による運転に切り替える。すなわち拡散燃料ノズルである低負荷燃料ノズル９は低負荷帯で主に用いられ、予混合燃料ノズルである高負荷燃料ノズル１１は主に高負荷帯で用いられる。

ガスタービンの起動条件（図２のＡ点）において燃料供給装置１９から燃料が供給されると燃料は燃料配管２０，２１を流下し燃料流量調整弁２２，２３に到達する。高負荷燃料配管２１（予混合燃焼用）に設置した高負荷燃料流量調整弁２３の弁開放設定圧力（スプリング反力）はＥ点に設定されているため、供給圧力がＥ点に到達するまでは高負荷燃料流量調整弁２３は開放せず、燃料は高負荷燃料ノズル１１に供給されない。この時、低負荷燃料流量調整弁２２に到達した燃料は低負荷燃料流量調整弁２２の弁体３１に形成された燃料流通孔３５を流下し低負荷燃料ノズル９のみに燃料が供給され拡散燃焼を実施する。さらに、ガスタービン負荷の上昇に伴い供給圧力が上昇すると供給圧力が低負荷燃料流量調整弁２２の弁開放設定圧力（スプリング反力）より大きくなり弁体３１が下流に移動し低負荷燃料ノズル９に供給される燃料流量が増加する。

以上による燃料流量調整弁２２，２３の動作及び作用により、燃料供給圧力がＡ点からＥ点に相当するガスタービンの低負荷領域は、低負荷燃料ノズル９のみに燃料が供給され、燃焼条件の変化の激しい運転領域を燃焼安定性に優れた拡散燃焼のみで運転することが可能となる。

ガスタービン負荷が上昇し、燃料供給圧力がＥ点に到達すると高負荷燃料流量調整弁２３の弁体４１が下流に移動し、高負荷燃料ノズル１１にも燃料が供給され拡散と予混合の混合燃焼を開始する。

一般に、予混合燃焼は拡散燃焼に比べて燃焼安定性が低い。特に、予混合火炎着火時に外部からの熱エネルギーが必要となり、熱エネルギーが不足するとフリッカーなどの不安定燃焼が発生する場合がある。しかし、本実施の形態では、高負荷燃料ノズル１１に燃料供給が開始されるＥ点の供給圧力条件において、低負荷燃料ノズル９には十分な燃料が供給されるように燃料流量調整弁２２，２３のスプリング３４，４３の設定バネ圧を調整してあるため、予混合燃焼に与える熱エネルギーは十分であり、フリッカー等の不安定燃焼の発生を抑制することができる。

ガスタービンの負荷上昇に伴い燃料供給圧力が上昇すると、低負荷燃料流量調整弁２２の弁体３１は弁座３３側に移動し、供給圧力がＢ点に到達すると燃料流量は最大となる。さらに供給圧力が上昇すると、弁体３１と弁座３３との間隙（第２の流路３７）の面積が減少し燃料流量は供給圧力の上昇に伴って減少し始める。燃料の供給圧力がＢ点のとき、高負荷燃料ノズル１１に予混合燃焼が安定燃焼を行うに十分な燃料が供給することにより、拡散燃焼の燃料低下によって燃焼状態が不安定になることを抑制することができる。

さらに、燃料供給圧力が上昇すると（図２のＣ点）低負荷燃料流量調整弁２２の弁体３１は、弁座３３と接触するため燃料が流下する流路は燃料流通孔３５だけになる。このとき、高負荷燃料流量調整弁２３では供給圧力の上昇に伴って高負荷燃料ノズル１１には予混合燃焼を安定させるのに十分な燃料が供給されている。

第１の実施の形態では、ガスタービン負荷が定格に到達した時、低負荷燃料ノズル９に供給される燃料流量は（Ｄ−Ｇ）、高負荷燃料ノズル１１に供給される燃料流量は（Ｆ−Ｇ）となる。ここで、全燃料流量（（Ｆ−Ｇ）＋（Ｄ−Ｇ））に対する予混合燃料流量（Ｆ−Ｇ）の割合である（Ｆ−Ｇ）／（（Ｆ−Ｇ）＋（Ｄ−Ｇ））を予混合燃焼比率と呼ぶ。予混合燃焼比率の設定はＮＯｘ排出量や燃焼安定性能を左右する重要なパラメータであるためガスタービンの運転条件や燃焼器の燃焼性能から決定する必要がある。

本実施の形態では定格負荷条件における予混合燃焼比率や、予混合燃焼開始負荷などを燃料流量調整弁２２，２３の設定圧力（Ｂ点，Ｃ点，Ｅ点）により制御することが可能となるため様々な運転条件のガスタービンに適用することが可能となる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、拡散燃焼と予混合燃焼の混焼方式を採用することでＮＯｘ排出量を抑制することができる。そして、燃料流量調整弁２２，２３を用いることで低負荷燃料ノズル９と高負荷燃料ノズル１１に供給する燃料流量を１系統の燃料供給装置１９で制御することができるため、運転操作がシンプルとなり、メンテナンスの経済性や信頼性の面からも有利となる。さらに、燃料系統が１系統となることで、燃料流量計、燃料流量調節弁、燃料遮断弁等の流量制御装置を削減でき設備コストを低減することも可能となる。このように、簡素かつ安価な構成でＮＯｘ排出量を低減することができる。

また、燃料流量調整弁２２，２３による燃料流量の制御手段は、既存のガスタービン燃焼器に適用する場合にも有用である。例えば、既に拡散焚きの燃焼器を採用したガスタービン燃焼器において、燃料供給系統の最小限の改造により予混合燃焼器を採用することができ、本実施の形態と同様の効果を得ることが可能である。

例えば、内筒に供給する燃料を噴射する拡散燃料ノズルと予混合燃料ノズルを備えたガスタービン燃焼器が既にあれば、拡散燃料ノズル及び予混合燃料ノズルに対してそれぞれ低負荷燃料配管及び高負荷燃料配管を介して同一の燃料供給装置から燃料が導かれるようになし、低負荷燃料流量調整弁及び高負荷燃料流量調整弁をそれぞれ低負荷燃料配管及び高負荷燃料配管に設けることで本実施の形態のガスタービン燃焼器を構成することができる。拡散燃焼方式のみを採用したガスタービン燃焼器であれば、予混合燃料ノズル及び予混合器を別途追加することで、同様の方法で本実施の形態のガスタービン燃焼器を構成することができる。

＜第２の実施の形態＞
図５は本発明に係るガスタービン燃焼器の第２の実施の形態を適用したガスタービンプラントの全体構成を示す概略構成図である。

図５に示したガスタービンプラントは、第１の実施の形態における低負荷燃料ノズル９・旋回器１０・高負荷燃料ノズル１１・予混合器１２を有するバーナの代わりに混合室壁６１と燃料ノズル５５−５７からなるコーンバーナ５０を設置し、燃料ノズル５５−５７のうち、低負荷燃料ノズル５５が接続する燃料マニホールド５８に低負荷燃料配管２０を、高負荷燃料ノズル５６，５７が接続する燃料マニホールド５９に高負荷燃料配管２１を接続したものである。

その他の構成は図１に示したガスタービンプラントと同様であり、同様の部分には図１と同符号を付して説明を省略する。低負荷燃料ノズル５５、高負荷燃料ノズル５６，５７からの燃料噴射のタイミング及び流量は、それぞれ燃料流量調整弁２２，２３により制御され、第１の実施の形態における燃料ノズル９，１１の各燃料噴射と同様の挙動を示す。

図６はコーンバーナ５０の詳細構造を表す側断面図である。

図６に示すように、コーンバーナ５０の混合室壁６１は内筒７の上流側に位置し、下流側の内筒７に向かって拡開する中空の概略円錐形状に形成され、内筒７に供給する燃料を燃料用空気１４と混合する混合室６０を内部に形成する。また混合室壁６１には、その周方向に複数設けられた１段の空気導入孔が軸方向に複数段（本実施の形態では４段）設けられており、これら空気導入孔５１−５４を介して圧縮機１からの燃焼用空気１４が混合室内６０に導入される。空気導入孔５１−５４は、軸方向上流側（図６中左側）から空気導入孔５１、５２，５３，５４の順で配置されている。空気導入孔５１−５４は、燃焼用空気１４の混合室６０への導入角度が混合室壁６１の軸心線に向かって周方向に偏向するように設けられている。そのうちの空気導入孔５２−５４は混合室壁６１の軸心線に向かって軸方向下流側に傾斜している。

上記燃料ノズル５５−５７は、混合室壁６１の外側に位置し、それぞれ対応の空気導入孔５２−５４に対向している。燃料ノズル５５−５７と混合室壁６１との間には圧縮機１からの燃焼用空気が導かれるフリーな空間が介在しており、燃料ノズル５５−５７は混合室壁６１に接触していない。図６において、燃料ノズル５５−５７は噴射孔が混合室壁６１の外周面よりも外側に位置しているが、ノズル先端を空気導入孔５２−５４に差し込み、噴射孔が空気導入孔５２−５４内に位置するようにしても良い。各燃料ノズル５５−５７は、空気導入孔５２−５４の軸心線と実質同軸方向に燃料を噴出するように構成されている。これにより、混合室壁６１の外側の燃料ノズル５５−５７から空気導入孔５２−５４に向かって噴射される燃料は、混合室壁６１の周囲（外周側）の燃焼用空気１４を伴って空気導入孔５２−５４を通過し、空気導入孔５２−５４を通過する短い距離（混合室壁６１の板厚）で粗く混合されて混合室６０に導入される。

このように空気導入孔５２−５４に燃料ノズル５５−５７を対向させて周囲の燃焼用空気を同伴させる形で燃料を混合室に供給するタイプのバーナ（クラスタバーナと称する）の場合、空気流量に対する燃料流量を制御することで拡散燃焼の利点である高い燃焼安定性と予混合燃焼の利点である低ＮＯｘ排出量の両立が期待できる。

第１の実施の形態で説明したようにガスタービンの起動から低負荷領域は、燃焼安定性に優れた燃焼方式の採用が必須となる。本実施の形態によれば低負荷燃料配管２０から低負荷燃料ノズル５５のみに燃料を供給することで、拡散燃焼と同様の燃焼安定性に優れた燃焼方法を実現することができる。すなわち、ガスタービンの低負荷条件における燃料流量を低負荷燃料ノズル５５のみに供給すると、空気導入孔５２に供給される空気流量に対して低負荷燃料ノズル５５から噴射する燃料流量の割合が多くなる。この場合、空気導入孔５２を通過する燃料は同伴する燃焼用空気との混合状態が粗いまま混合室６０に噴射される。混合室６０に噴射した燃料は空気導入孔５１−５４から旋回成分を伴って噴出される燃焼用空気と混合されつつ燃焼されるため、拡散燃焼と同様な燃焼状態となり高い燃焼安定性が確保される。

ガスタービンの負荷が上昇し、図２に示したように燃料供給圧力がＣ点以降の状態に移行すると、高負荷燃料ノズル５６，５７にも燃料が供給されるため、燃料流量が燃料ノズル５５−５７に分散し、各空気導入孔５２−５４を通過する燃焼用空気１４に対する燃料濃度が低下するため、ＮＯｘ排出量が抑制される。すなわち、空気導入孔５２−５４と対向する位置に燃料ノズル５５−５７が設置され、空気流入方向と略同軸方向に燃料が噴出するため、燃料は空気導入孔５２−５４に分散されるとともに混合室６０に導入される前に空気導入孔５２−５４の内部で燃焼用空気１４と粗く混合される。空気導入孔５２−５４の内部で混合した混合気は、空気導入孔５２−５４から混合室６０に噴出する際に発生する渦により混合促進がなされる。この渦は流路がステップ状に拡大される時に発生するものと同様のものである。さらに、混合室６０の内部では各空気導入孔５２−５４から噴出した混合気同士が衝突することによる混合促進がなされる。このように一様な混合気を生成することにより、局所的な高温箇所の発生を抑制しＮＯｘ排出量を効果的に抑制することができる。

このような構成のバーナにおいて、低負荷燃料ノズル５５と高負荷燃料ノズル５６，５７の燃料噴射の挙動をそれぞれ燃料流量調整弁２２，２３で制御することにより、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

ここで、ＮＯｘ排出量を低減するために用いる一般的な予混合器は、少なくともその板厚よりも長い十分な混合距離を確保できる筒状の部材で形成され、燃料ノズルが予混合器の内部空間に臨んでいる。このような構成により予混合器の内部に燃料を噴射して、十分に確保された混合距離を流通するうちに燃焼用空気と燃料を混合させるのが通常である。第１の実施の形態に示した予混合器１２はこの種のものである。また、予混合燃焼は拡散燃焼比べて燃焼状態が安定する燃料濃度範囲が狭く、燃料濃度が希薄になると燃焼振動が発生し易くなり、燃料濃度が濃くなると予混合器内部に火炎が逆流（逆火）する場合がある。予混合器に火炎が逆流し予混合器内部で保炎されてしまうと、予混合器が焼損しそれにより生じた破片等の固形異物が下流のタービン流路に流入すると重大なトラブルを引き起こす恐れがあるため、予混合器への火炎の逆流は防止しなければならない。したがって予混合燃焼の燃料流量管理は精度良く行う必要がある。

燃料流量調整弁２２，２３による燃料流量の制御は燃料の供給圧力とスプリング３４，４３の反力に依存するもので、スプリング３４，４３の経年による劣化等が生じると当初意図していた燃料噴射の挙動とのずれが生じる可能性がある。意図した燃料噴射の挙動とのずれが大きくなると、逆火等の不具合を招く恐れも生じてくる。

それに対し、本実施の形態に例示したコーンバーナ５０は、第１の実施の形態に示した予混合器１２の混合域に相当する領域が混合壁６１の板厚Ｔと短距離であって空気導入孔５２−５４の内部における混合状態を粗い状態に止まるため、燃料流量が変動しても空気導入孔５２−５４の内部に火炎が逆流する危険性が極めて低く、燃焼の安定性を飛躍的に向上させることができる。

また、ガスタービンの定格条件において、空気導入孔５２−５４の燃料濃度が均一になるように、低負荷燃料流量調整弁２２で供給する燃料流量（図２のＤ−Ｇ）と高負荷燃料流量調整弁２３で供給する燃料流量（図２のＦ−Ｇ）の燃料割合もスプリング３４，４３のバネ圧や弁箱３０・弁体３１の設計により適宜調整することができ、低負荷用の燃料と高負荷用の燃料の流量割合を適宜制御することで更なるＮＯｘ排出量の低減も可能である。

なお、本実施の形態では、クラスタバーナの一例として概略円錐形状の混合室壁６１の外周壁に空気導入孔を設けた場合を説明したが、これに限られず、例えば内筒７の上流部を円盤状のエンドカバーで密閉し、そのエンドカバーに複数の空気導入孔を設けるとともに、それら空気導入孔に対してエンドカバーの外部に設けた燃料ノズルを実質同軸状に対向させる構成としても良い。このような構成のクラスタバーナに負荷帯に応じて燃料供給のタイミングや流量が異なる複数のグループがある場合、各グループの燃料配管に同一の燃料供給装置からの燃料が供給されるようになし、各グループへの燃料配管に図３及び図４に示したような燃料流量調整弁をそれぞれ設けることにより、本実施の形態と同様の効果を得ることができる。

＜第３の実施の形態＞
第１及び第２の実施の形態で説明した低負荷燃料流量調整弁２２（図３参照）では、低負荷燃料流量調整弁２２内部に設置した弁体３１の燃料供給圧力の前後差圧とスプリング３４の反力によって弁体３１の位置が決定され、これにより燃料流量が制御される。このため弁体３１の前後差圧が急激に変化すると弁体３１が急激に移動し、燃料流量の制御性能が期待通りに発揮されないことも考えられる。例えば図２に示した燃料供給圧力がＢ点からＣ点に移行する間は、低負荷燃料流量調整弁２２を流れる燃料が減少するため、弁体３１の下流側の圧力が低下し弁体３１の前後差圧が上昇し易い。

ここで説明する第３の実施の形態は、低負荷燃料流量調整弁の燃料流量の制御性能の向上を狙ったもので、低負荷燃料流量調整弁内部の弁体の下流側に大気圧を導き、弁体の上流側にかかる燃料供給圧力と大気圧との圧力差で制御するように構成したものである。

図７は本発明に係るガスタービン燃焼器の第３の実施の形態に備えられた低負荷燃料流量調整弁の構成図である。

図７（ａ）に示す低負荷燃料流量調整弁７０は、概略Ｔ字管状に形成された弁箱７１の内部に弁体７２とスプリング７３が収納されて構成されており、弁箱７１や弁体７２の形状が異なるが、大気圧を導く構成を付加した点を除けば基本的な技術思想は第１の実施の形態の低負荷燃料流量調整弁２２とほぼ同様である。

弁体７２は、弁体７２は直径の異なる円柱形状で形成され、弁箱７１に燃料流路の開口面積を調整する弁本体部８２と、この弁本体部８２に対して大気圧を伝達する可動弁本体部８２よりも小径の受圧部８３とを備えている。弁体７２の弁本体部８２には、弁体７２の位置に関係なく燃料を流通させる燃料流通孔７７と、燃料供給圧力を受けて弁体７２が移動したときに開口する第１の流路７８とが設けられている。受圧部８３の弁本体部８２との接続部には、弁本体部８２よりも小径で受圧部８３よりも大径のステップ部８１が設けられている。

弁箱７１は、弁箱７１の内径は弁体７２の軸方向の各位置で弁体７２の外径に実質合致するように形成されており、燃料入口部７９と、この燃料入口部７９よりも大径で弁本体部８２が摺動する弁室７６と、弁室７６よりも小径で弁体７２の受圧部８３が摺動するシリンダ室７４とが同軸方向にこの順で連なっており、それと角度（本例ではほぼ直角）をなして弁室７６には燃料出口部８０が接続している。

上記スプリング７３はシリンダ室７４内に設けられ、弁体７２の受圧部８３を上流側に付勢している。燃料入口部７９と弁室７６の段差部は、弁本体部８２が着座する弁座８４を構成し、第１の流路７８は弁本体部８２が着座しているときには弁座８４により閉止され、弁本体部８２が弁座８４から離れると開かれる。弁本体部８２がスプリング７３側に移動しても、ステップ部８１があるため弁本体部８２と弁室７６の下流側内壁８５が当接することはなく、弁本体部８５と下流側内壁８５との間に間隙が確保される。弁本体部８２と弁室７６の下流側内壁８５の間の流路が第１の実施の形態で説明した第２の流路３７に相当する。燃料流通孔７７は、弁本体部８２の燃料入口部７９に臨む位置に設けられており、燃料入口部７９と燃料出口部８０を常時接続するようになっている。

弁箱７１には、シリンダ室７４と大気とを連絡する通気孔７５が設けられており、弁体７２の受圧部８３には通気孔７５から導かれる大気圧が常時作用している。また、シリンダ室７４と燃料が流れる弁室７６とは受圧部８３（又は図示しないシール部）で遮断されるように構成されている。

上記のように構成した本実施の形態の低圧燃料流量調整弁７０では、ガスタービンの起動時、燃料が供給され弁箱７１の燃料入口部７９に燃料が到達すると、燃料は弁体７２に形成された燃料流通孔７７を流れて弁箱７１の燃料出口部８０に到達し、その下流に接続されている低負荷燃料ノズルに燃料が供給される（図２のＡ点）。ガスタービン負荷の上昇に伴い、燃料供給流量が増加して弁本体部８２にかかる燃料供給圧力がスプリング７３の反力より大きくなると、弁体７２はスプリング７３側に移動するため、弁座８４に着座して閉塞されていた第１の流路７８が燃料出口部８０と連通し、第１の流路７８に燃料が流れ始める。このとき、燃料流量は弁体７２の前後の燃料供給圧力の差と、燃料流通孔７７及び第１の流路７８の断面積から決定される（図２のＡ点〜Ｂ点）。

さらに燃料供給圧力が上昇すると、弁体７２が弁室７６の下流側内壁８５に近付き第２の流路を狭め始めるため、燃料流量は供給圧力の上昇に伴って減少する。燃料流量が減少し始めると弁体７２の下流側の圧力が低下するため、弁本体部８２の前後差圧が大きくなるが、本実施の形態では、弁本体部８２に作用する燃料の供給圧力と受圧部８３に作用する大気圧との圧力差、及びスプリング７３の反力のバランスで弁体７２が作動するため、弁体７２の前後差圧が大きくなっても弁体７２が急激に作動することがなく燃料流量制御性能を安定に保つことができる（図２のＢ点〜Ｃ点）。

さらに燃料供給圧力が上昇すると、図７（ｂ）に示すように弁本体部８２が弁箱７１の下流側内壁８５に近接し第２の流路がさらに狭まるが、弁体７２に設けたステップ部８１によってステップ部８１の幅分の間隙が確保される。この間隙がないと燃料流通孔７７が下流側内壁８５に当接し燃料入口部７９と燃料出口部８０が弁本体部８２により遮断されるが、ステップ部８１を設けて弁体７２の最大ストローク時でも第２の流路が完全に閉塞されないようにしたことにより、燃料流通孔７７及び第１の流路７８からの燃料が間隙（第２の流路）を通って燃料出口部８０に導かれる。これにより、図２のＣ点に到達した後も、ステップ部８１により確保される第２の流路の流路断面積分は燃料を流通させることができる。

したがって、本実施の形態によれば、図２で説明した低負荷燃料流量調整弁２２と同様の燃料制御を実現することができ、図２に示したＢ点〜Ｃ点の範囲の燃料流量を急激に変化させずに精度良く制御することが可能となる。

なお、以上の第１及び第２の実施の形態においては、定格運転に到達した後でも低負荷燃料ノズルからの少量の燃料噴射を継続する構成としたが、低負荷運転に到達した後は完全に高負荷燃料ノズルからの燃料供給のみに切り替えるようにすることも考えられる。例えば図７に示した低負荷燃料流量調整弁７０の場合、弁体７２のステップ部８１を省略し、弁本体部８２が弁室７６の下流側内壁７６に当設することで第２の流路が遮断され、同時に燃料流通孔７７及び第１の流路７８も遮断される構成とすることで実現することができる。

また、２系統の燃料ノズルを持つガスタービン燃焼器に本発明を適用した場合を例に挙げて説明したが、３系統以上の燃料ノズルを持つガスタービン燃焼器にも本発明は適用可能である。燃料流量調整弁はバネ力（又は弁体や弁箱の流路断面積）の設定を変えることにより弁体の作動圧力（燃料流量の制御タイミング）や燃料流量を調整することができる。３系統以上の燃料ノズルを持つガスタービン燃焼器に本発明を適用する場合、低負荷燃料流量調整弁及び高負荷燃料流量調整弁を少なくとも１種類含むようにして、バネ力（又は弁体や弁箱の流路断面積）の設定を変えた燃料流量調整弁を系統数だけ用意し、各燃料流量調整弁を対応の系統の燃料配管に取り付けることで適用可能である。

また、以上で説明した本発明に係る低負荷燃料流量調整弁及び高負荷燃料流量調整弁は、ガス燃料を使用するガスタービン燃焼器及び油燃料を使用するガスタービン燃焼器のいずれにも適用可能である。

本発明に係るガスタービン燃焼器の第１の実施の形態を適用したガスタービンプラントの全体構成を示す概略構成図である。 本発明に係るガスタービン燃焼器の第１の実施の形態に備えられた低負荷燃料流量調整弁と高負荷燃料流量調整弁の燃料供給圧力と燃料流量の関係を示す説明図である。 本発明に係るガスタービン燃焼器の第１の実施の形態に備えられた低負荷燃料流量調整弁の構成図である。 本発明に係るガスタービン燃焼器の第１の実施の形態に備えられた高負荷燃料流量調整弁の構成図である。 本発明に係るガスタービン燃焼器の第２の実施の形態を適用したガスタービンプラントの全体構成を示す概略構成図である。 本発明に係るガスタービン燃焼器の第２の実施の形態に備えられたコーンバーナの詳細構造を表す側断面図である。 本発明に係るガスタービン燃焼器の第３の実施の形態に備えられた低負荷燃料流量調整弁の構成図である。

符号の説明

３ ガスタービン燃焼器
７ 内筒
９ 低負荷燃料ノズル
１０ 旋回器
１１ 高負荷燃料ノズル
１２ 予混合器
１４ 燃焼用空気
１９ 燃料供給装置
２０ 低負荷燃料配管
２１ 高負荷燃料配管
２２ 低負荷燃料流量調整弁
２３ 高負荷燃料流量調整弁
３１ 弁体
３４ スプリング
３５ 燃料流通孔
３６ 第１の流路
３７ 第２の流路
４１ 弁体
４３ スプリング
４４ 流路
５１−５４ 空気導入孔
５５ 低負荷燃料ノズル
５６，５７ 高負荷燃料ノズル
６０ 混合室
６１ 混合室壁
７０ 低負荷燃料流量調整弁
７２ 弁体
７３ スプリング
７５ 通気孔
７７ 燃料流通孔
７８ 第１の流路

Claims (9)

1. 燃焼用空気及び燃料を混合させ燃焼ガスを生成する内筒と、
   この内筒に供給する燃料を噴射する低負荷燃料ノズルと、
   前記内筒に供給する燃料を噴射する高負荷燃料ノズルと、
   これら燃料ノズルで噴射する燃料の供給源である燃料供給装置と、
   この燃料供給装置からの燃料を前記低負荷燃料ノズルに導く低負荷燃料配管と、
   前記燃料供給装置からの燃料を前記高負荷燃料ノズルに導く高負荷燃料配管と、
   前記低負荷燃料配管に設けられ、燃料供給圧力の上昇に伴って燃料供給量を増加させ、燃料供給圧力が設定値以上になると燃料供給量を減少させる低負荷燃料流量調整弁と、
   前記高負荷燃料配管に設けられ、燃料供給圧力が設定値以上になると燃料を供給し始める高負荷燃料流量調整弁と
   を備えたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
2. 燃焼用空気及び燃料を混合させ燃焼ガスを生成する内筒と、
   この内筒の上流側に位置し前記内筒に流入する燃焼用空気に旋回成分を付与する旋回器と、
   この旋回器から噴出する燃焼用空気に燃料を噴射する拡散燃料ノズルである低負荷燃料ノズルと、
   前記旋回器の外周側に位置し前記内筒に供給される燃料を予め燃焼用空気と混合する予混合器と、
   この予混合器を流通する燃焼用空気に燃料を噴射する予混合燃料ノズルである高負荷燃料ノズルと、
   前記低負荷燃料ノズル及び前記高負荷燃料ノズルで噴射する燃料の供給源である燃料供給装置と、
   この燃料供給装置からの燃料を前記低負荷燃料ノズルに導く低負荷燃料配管と、
   前記燃料供給装置からの燃料を前記高負荷燃料ノズルに導く高負荷燃料配管と、
   前記低負荷燃料配管に設けられ、燃料供給圧力の上昇に伴って燃料供給量を増加させ、燃料供給圧力が設定値以上になると燃料供給量を減少させる低負荷燃料流量調整弁と、
   前記高負荷燃料配管に設けられ、燃料供給圧力が設定値以上になると燃料を供給し始める高負荷燃料流量調整弁と
   を備えたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
3. 燃焼用空気及び燃料を混合させ燃焼ガスを生成する内筒と、
   この内筒の上流側に位置し前記内筒に供給する燃料を燃料用空気と混合する混合室を形成する混合室壁と、
   この混合室壁に設けられ前記混合室に燃焼用空気を導入する複数の空気導入孔と、
   前記混合室壁の外側に対応の前記空気導入孔と対向するように設けられ、前記混合室壁の外側から前記空気導入孔に向かって燃料を噴射し、前記空気導入孔を介して前記混合室に燃料を導入する複数の低負荷燃料ノズルと、
   前記混合室壁の外側に対応の前記空気導入孔と対向するように設けられ、前記混合室壁の外側から前記空気導入孔に向かって燃料を噴射し、前記空気導入孔を介して前記混合室に燃料を導入する複数の高負荷燃料ノズルと、
   前記低負荷燃料ノズル及び前記高負荷燃料ノズルで噴射する燃料の供給源である燃料供給装置と、
   この燃料供給装置からの燃料を前記低負荷燃料ノズルに導く低負荷燃料配管と、
   前記燃料供給装置からの燃料を前記高負荷燃料ノズルに導く高負荷燃料配管と、
   前記低負荷燃料配管に設けられ、燃料供給圧力の上昇に伴って燃料供給量を増加させ、燃料供給圧力が設定値以上になると燃料供給量を減少させる低負荷燃料流量調整弁と、
   前記高負荷燃料配管に設けられ、燃料供給圧力が設定値以上になると燃料を供給し始める高負荷燃料流量調整弁と
   を備えたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
4. 請求項１−３のいずれかのガスタービン燃焼器において、前記低負荷燃料流量調整弁が、
   燃料流量を調整する弁体と、
   この弁体の作動圧力を設定するスプリングと、
   このスプリングの付勢力に抗って燃料供給圧力を受けて前記弁体が移動すると広がる第１の流路と、
   燃料供給圧力の上昇に伴って前記弁体の移動量が増すにつれて狭まる第２の流路と
   を備えていることを特徴とするガスタービン燃焼器。
5. 請求項４のガスタービン燃焼器において、前記弁体が燃料流通孔を有していることを特徴とするガスタービン燃焼器。
6. 請求項４又は５のガスタービン燃焼器において、前記低負荷燃料流量調整弁は、大気に連絡し前記弁体に大気圧を作用させる通気孔をさらに有していることを特徴とするガスタービン燃焼器。
7. 請求項１−６のいずれかのガスタービン燃焼器において、前記高負荷燃料流量調整弁が、
   燃料流量を調整する弁体と、
   この弁体の作動圧力を設定するスプリングと、
   このスプリングの付勢力に抗って燃料供給圧力を受けて前記弁体が移動すると開かれる流路と
   を備えていることを特徴とするガスタービン燃焼器。
8. 燃焼用空気及び燃料を混合させ燃焼ガスを生成する内筒と、この内筒に供給する燃料を噴射する低負荷燃料ノズルと、前記内筒に供給する燃料を噴射する高負荷燃料ノズルとを備えたガスタービン燃焼器の改造方法において、
   前記低負荷燃料ノズル及び前記高負荷燃料ノズルに対してそれぞれ低負荷燃料配管及び高負荷燃料配管を介して同一の燃料供給装置から燃料が導かれるようになし、
   前記低負荷燃料配管に設けられ、燃料供給圧力の上昇に伴って燃料供給量を増加させ、燃料供給圧力が設定値以上になると燃料供給量を減少させる低負荷燃料流量調整弁と、
   前記高負荷燃料配管に設けられ、燃料供給圧力が設定値以上になると燃料を供給し始める高負荷燃料流量調整弁と
   を追加することを特徴とするガスタービン燃焼器の改造方法。
9. 燃焼用空気及び燃料を混合させ燃焼ガスを生成する内筒と、この内筒の上流側に位置し前記内筒に流入する燃焼用空気に旋回成分を付与する旋回器と、この旋回器から噴出する燃焼用空気に燃料を噴射する拡散燃料ノズルとを備えたガスタービン燃焼器の改造方法において、
   前記旋回器の外周側に前記内筒に供給される燃料を予め燃焼用空気と混合する予混合器と、この予混合器を流通する燃焼用空気に燃料を噴射する予混合燃料ノズルとを追加し、
   前記拡散燃料ノズル及び前記予混合燃料ノズルに対してそれぞれ低負荷燃料配管及び高負荷燃料配管を介して同一の燃料供給装置から燃料が導かれるようになし、
   前記拡散燃料配管に設けられ、燃料供給圧力の上昇に伴って燃料供給量を増加させ、燃料供給圧力が設定値以上になると燃料供給量を減少させる拡散燃料流量調整弁と、
   前記予混合燃料配管に設けられ、燃料供給圧力が設定値以上になると燃料を供給し始める予混合燃料流量調整弁と
   をさらに追加することを特徴とするガスタービン燃焼器の改造方法。

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