JP2011208929A - ガスタービン燃焼器の逆火検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来提案されている構造の予混合バーナでは、予混合バーナの予混合部に、温度計測用の温度センサーを設置する場合がある。この場合、ガスタービン全ての予混合バーナの予混合部に温度センサーを設置することから、温度センサーおよび計測器はガスタービン１台につき数十個必要なため、多くのコストが必要となる。それ以上に、温度センサーが直接火炎に接触するため、温度センサーの焼損の可能性があることが大きな懸念事項である。本発明の課題は、燃焼器の信頼性向上を図ることにある。
【解決手段】複数の予混合バーナ２０を有する燃焼器において、複数の予混合バーナ２０を接続する接続体４１と、接続体４１の物理量を計測する計測手段とを備えたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ガスタービンの逆火検出に関するものである。

窒素酸化物（ＮＯｘ）の抑制に有効な燃焼器の構造として、窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成は多いものの燃焼安定性に優れた拡散燃焼をパイロットバーナとし、窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成を抑制できる予混合燃焼との組合せたものが、特許文献１に開示されている。その他の一例として、バーナの出口炎口部或は保炎器の周囲部に、その周方向に沿って測温抵抗体を設けた構造について、特許文献２に開示されている。この特許文献２の技術では、保炎器の測温抵抗値を測定することによって、火炎の接近を検知する構成を開示している。

特開２００１−２５４９４６号公報 特開平−２２５０２４号公報

一般的な構造の予混合バーナでは、逆火と呼ばれる現象が生じることがある。逆火を検知するため、予混合バーナの予混合部に温度計測用の温度センサーを設置する場合がある。しかし、温度センサーが直接火炎に接触するため、温度センサーが焼損するおそれがあった。本発明の目的は、逆火に対する信頼性を高めた燃焼器を提供することにある。

本発明は、複数のバーナを有する燃焼器において、複数のバーナを接続する接続体と、接続体の物理量を計測する計測手段とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、逆火に対する信頼性を高めた燃焼器を提供することができる。

予混合マルチバーナによって構成されるガスタービン燃焼器の予混合バーナ逆火検出方法の概念図である。（実施例１） 比較例の予混合マルチバーナによって構成されるガスタービン燃焼器の予混合バーナ逆火検出方法の概念図である。 比較例の予混合マルチバーナ部の詳細図である。 予混合バーナ同士を接続している高熱伝導物質の接続体の温度上昇計算例。（実施例１） 予混合マルチバーナによって構成されるガスタービン燃焼器の予混合バーナ逆火検出方法の概念図である。（実施例２） 予混合マルチバーナによって構成されるガスタービン燃焼器の予混合バーナ逆火検出方法の概念図である。（実施例３） 予混合マルチバーナによって構成されるガスタービン燃焼器の予混合バーナ逆火検出方法の概念図である。（実施例４） 予混合マルチバーナによって構成されるガスタービン燃焼器の予混合バーナ火炎接近検出方法の概念図である。（実施例５）

ガスタービンは主に圧縮機，燃焼器、そしてタービンにより構成されている。圧縮機で生成された圧縮空気と燃料とを燃焼器で燃焼させ、高温の燃焼ガスを発生させてタービンを駆動し、タービンに接続されている発電機によって発電するものである。

ガスタービンの発電効率を向上させる一つの方法として、タービン入口燃焼ガス温度の高温化がある。しかし、燃焼ガス温度の高温化に伴って窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成量が急激に増加している。窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成を低減させるためには、燃料と空気を予め混合して燃焼させる予混合燃焼方式等を採用し、窒素酸化物（ＮＯｘ）が急激に増加する高温燃焼領域を抑制する方法がある。一例として、窒素酸化物（ＮＯｘ）の抑制に有効な予混合燃焼器の構造について、特許文献１に開示されている。この特許文献１の技術では、窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成は多いものの燃焼安定性に優れた拡散燃焼をパイロットバーナとし、窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成を抑制できる予混合燃焼との組合せによる構成を開示している。

一般的な構造の予混合バーナでは、高負荷時運転や運転過渡時等において、不安定燃焼により予混合火炎が予混合バーナの予混合部に火移りする逆火と呼ばれる現象を生じることがある。逆火が起こると燃焼器を焼損することがある。

逆火を検知するため、予混合バーナの予混合部には、温度計測用の温度センサーを設置する場合がある。逆火によって予混合部の温度が急激に上昇した場合、その予混合バーナの燃料流量を減少させることにより、予混合火炎を予混合部から排出させて、正常な位置で燃焼させる制御が採用されている場合もある。

しかし、ガスタービン全ての予混合バーナの予混合部に温度センサーを設置する必要があることから、温度センサーはガスタービン１台につき数十個必要となってしまう。同時に、この温度センサーに対応する数の計測器も必要となる。また、各予混合部に設置した温度センサーが不良となった場合を想定し、バックアップ用として、更に同数の温度センサーおよび計測器を設置することもある。このため、多数の温度センサーおよび計測器を設置した場合には、多くのコストが必要となる。

また、温度センサーが直接火炎に接触するため、温度センサーの焼損のおそれがある。温度センサーが焼損した場合、以降その地点の温度計測ができなくなる。すなわち、逆火検出性能が低下してしまい、燃焼器の信頼性を低下させることになる。

以下説明する本発明の各実施例では、必要最小限の逆火検出構造を採用することによって、センサーおよび計測器を少なくし、コスト削減と信頼性向上を図っている。

各実施例によれば、予混合バーナの予混合部に火炎が逆火した際、接続体の温度変化を温度センサーにより計測する方法や、または、ガスタービン燃焼器の中心軸に最も近い全予混合バーナ表面に外接する高熱伝導物質の環状体の歪や電気抵抗を計測する方法によって、火炎の逆火を検知することが可能となる。

この検知結果を利用して正常な予混合燃焼に制御することができるため、窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成を抑制しながら安定した燃焼性を得ることができる。更に、従来の温度センサーおよび計測器数と比較して少なくとも１／２程度に低減することが可能であること、また、温度センサーが直接火炎に接触しないため、温度センサーの焼損を防止でき、信頼性向上とコスト削減を同時に図ることもできる。

ここで、逆火についての一般的な事象を説明する。予混合バーナにおいて、予混合気に燃料濃度の濃淡領域の存在および流れの速度や乱れによって、予混合火炎が予混合部に接近することにより予混合器内部で火炎が生じることを言う。そして、この状態が長く継続された場合、予混合器が高温に晒されるため部材が焼損する等の問題があり、これらを回避する必要がある。

以下の実施例にて、具体的な予混合マルチバーナで構成されるガスタービン燃焼器の予混合バーナ逆火検出方法について説明する。

図２は、比較例の予混合マルチバーナで構成されるガスタービン燃焼器および予混合バーナ逆火検出方法の概念図を示している。最初に、この予混合マルチバーナの主な構成を説明する。燃焼空気１は、燃焼筒１０と外筒１１の間を流れながら、フロースリーブ１３に設けられた空気孔を経由して、パイロットバーナ２５と予混合バーナ２０にそれぞれ供給される。パイロットバーナ２５と予混合バーナ２０にはそれぞれパイロットバーナ燃料管３１と予混合バーナ燃料管３０が取付けられており、各燃料管に燃料２を供給することによって、拡散火炎のパイロットバーナ２５と予混合火炎の予混合バーナ２０で、燃焼ガスを生成する。特に、予混合バーナ２０内には、逆火検出用の温度センサー４０が設置している。

図３に、予混合マルチバーナ部の詳細図を示している。その構成について述べる。フロースリーブ１３とパイロットバーナ２５、そして複数の予混合バーナ２０は、ボルト５０によってエンドカバー１２にそれぞれ固定される。パイロットバーナ２５と予混合バーナ２０には、パイロットバーナ燃料管３１と予混合バーナ燃料管３０が接続されている。パイロットバーナ２５と予混合バーナ２０の先端は、バーナプレート１４によって固定され、更に、このバーナプレート１４は、フロースリーブ１３にボルト５０によって固定される。特に、予混合バーナ２０内には、図２で示したように、逆火検出用の温度センサー４０が設置している。

次に、予混合マルチバーナの主な作用を説明する。燃焼空気１は、フロースリーブ１３に設けられた空気孔に流入し、予混合燃焼空気１ａと拡散燃焼空気１ｂに分かれる。予混合燃焼空気１ａは、予混合バーナ２０に設けられた予混合バーナ用空気孔２１から流入して、予混合バーナ内に供給される。また、拡散燃焼空気１ｂは、パイロットバーナ２５に設けられた、パイロットバーナ用空気孔２６から流入して、パイロットバーナに供給される。そして、ガスタービン起動時は、最初にパイロットバーナ燃料管３１に燃料２を供給して着火し、パイロットバーナ２５にて拡散燃焼火炎を生成させ、その後、予混合バーナ燃料管３０に燃料２を供給し、パイロットバーナ２５の拡散燃焼火炎を熱源として、予混合火炎を生成させて、燃焼ガスを得る。

しかし、比較例として示している構造の予混合バーナ２０では、特に予混合部において、燃料２と予混合燃焼空気１ａとの混合が不均一となって燃料濃度に濃淡領域を生じる場合がある。このとき、一時的に不安定燃焼になって予混合火炎が予混合バーナの予混合部に火移りする逆火と呼ばれる現象を生じることがある。この場合、予混合バーナ２０の予混合部には、通常、温度計測用の温度センサー４０が設置されているため、逆火によって予混合部の温度が急激に上昇した場合、その予混合バーナ２０の燃料流量を減少させることにより、予混合火炎を予混合部から排出して、正常な位置で燃焼させる制御方法を採用している。

しかし、ガスタービンの燃焼器において、全ての予混合バーナ２０に温度センサー４０を設置するため、温度センサー４０は数十個必要となる。同時に、この温度センサー４０に対応する計測器も必要となる。また、各予混合部に設置した温度センサー４０が不良となった場合を想定し、バックアップ用として、更に同数の温度センサーおよび計測器を設置することがある。このため、多数の温度センサー４０および計測器を設置した場合には、多くのコストが必要となる。これらの問題に対し、以下に本発明の内容について述べる。

図１で示す実施例１は、予混合マルチバーナで構成されるガスタービン燃焼器の予混合バーナ逆火検出方法の概念を示している。

本実施例の特徴は、拡散燃焼によるパイロットバーナ２５を中心に備え、同心円状に周囲に複数の予混合バーナ２０を備えた予混合マルチバーナにおいて、隣接する複数の予混合バーナ同士を高熱伝導物質の接続体４１により接続し、接続体４１の温度を計測する温度センサー４０を接続体の一つ間隔おきに備えていることである。予混合バーナ２０の予混合部に火炎が逆火した際、接続体４１の温度変化を温度センサー４０により計測することによって火炎の逆火を検知することが可能となる。

具体的な例として、＃１の予混合バーナ２０の予混合部において火炎が逆火した際、予混合部の温度が急激に上昇するため、＃１と＃６の予混合バーナ同士を接続している高熱伝導物質の接続体４１も温度上昇し、この接続体に取付けた温度センサー４０により温度変化を計測する。そして、予混合部に火炎が逆火したと判断した場合には、＃１と＃６の予混合バーナ２０に供給する燃料を減少させることにより、予混合火炎を予混合部から排出して、正常な位置で燃焼させる制御を行う。その後、予混合バーナ２０に供給する燃料を増加させ、正常な燃焼量を得るようにする。

このように、本実施例では、予混合バーナの予混合部に火炎が逆火した際、隣接する予混合バーナ同士を高熱伝導物質の接続体４１により接続し、この接続体の温度変化を温度センサーで計測することによって、火炎の逆火を検知することにより、従来の温度センサーおよび計測器数を少なくとも１／２程度に低減することが可能である。また、温度センサーが直接火炎に接触しないため、温度センサーの焼損が防止でき、信頼性向上とコスト削減を同時に図ることができる。

次に、予混合バーナの予混合部に火炎が逆火した場合、隣接する予混合バーナ同士を接続している高熱伝導物質の接続体４１の温度上昇を一次元定常熱伝導により計算した例を図４に示す。主な計算条件を以下に示す。接続体の形状は円柱、接続体の長さは３０mm（温度センサー取付け中間点位置１５mm）、初期温度５００℃（断熱系）とした。接続体４１の物質は、一例として、銅，クロム，鉄を選定した。温度センサーに用いる市販品のＣＡ（クロメル−アルメル）熱電対は、通常０.１℃の温度測定精度を有している。これらの条件で接続体（１５mm位置）の温度変化を計算した。その結果、銅では６０秒で７００℃、１２０秒で８１５℃、１８０秒で９００℃となった。クロムでは６０秒で６８０℃、１２０秒で８００℃、１８０秒で８７５℃となった。鉄では６０秒で６５０℃、１２０秒で７５０℃、１８０秒で８００℃となった。この計算結果から、熱拡散率の大きい物質ほど熱伝導性が良く温度も上昇しやすいため、接続体として熱拡散率の大きい物質を用いることが望ましい。

また、１０秒後における各物質の温度は、銅が５３８℃、クロムが５３４℃、鉄が５２８℃となった。この計算結果から分かるように、予混合バーナの予混合部に火炎が逆火した場合、１０秒後の接続体温度は約３０℃〜４０℃、急激に温度上昇する。すなわち、この１０秒間における、平均温度上昇速度は約３℃〜４℃／秒となる。これらのことから、逆火判断基準として、温度上昇速度約３℃〜４℃／秒を以って逆火判断とすることが妥当である。もしくは、予混合燃焼空気温度を基に５００℃以上を以って逆火判断とすることも可能である。

図５で示す実施例２は、実施例１における他の予混合マルチバーナで構成されるガスタービン燃焼器の予混合バーナ逆火検出方法の概念を示している。その構成は基本的に図１と同様であり、相違点は隣接する予混合バーナ同士を高熱伝導物質の接続体４１により接続し、接続体４１の温度を計測する温度センサー４０を全ての接続体に設けたことである。これにより、火炎が逆火した予混合バーナ２０の特定が可能となる。

具体的な例として、＃４の予混合バーナ２０の予混合部において火炎が逆火した際、＃３と＃４と＃５の予混合バーナ同士を接続している二つの接続体４１が温度上昇するため、これらの接続体に取付けた温度センサー４０により温度変化を検知できる。このことから、逆火した予混合バーナ２０は＃４であることが特定できるため、＃４の予混合バーナ２０に供給する燃料を減少させることにより、予混合火炎を予混合部から排出して、正常な位置で燃焼させる制御を行い、その後、予混合バーナ２０に供給する燃料を増加させ、正常な燃焼量を得るようにする。

この場合では、図１で示した構造と比較して、隣接する予混合バーナ同士を接続する接続体４１に取付ける温度センサー４０の数量は２倍に増加することとなるが、逆火した予混合バーナを特定できること、また、万一、不特定位置の１ヶ所の温度センサー４０が不良となった場合においても、実施例１にて述べたように、温度計測値が上昇した接続体４１に関係する二つの予混合バーナ２０に供給する燃料を減少させることにより、逆火対応が可能となることから、信頼性の向上が図れる。

図６で示す実施例３は、実施例１における他の予混合マルチバーナによって構成されるガスタービン燃焼器の予混合バーナ逆火検出方法の概念を示している。構成上の主な相違点は、燃焼器の中心軸に最も近い全ての予混合バーナ表面に外接する高熱伝導物質の環状体（リング）４２を備え、環状体（リング）の歪を計測する歪センサー４３を環状体に設けたことである。

これにより、不特定の予混合バーナ２０において、予混合部に火炎が逆火した際、局所的に環状体（リング）４２も加熱されるため、熱膨張して歪変化を生じる。この環状体（リング）には、歪を計測する歪センサー４３が設置されているため、この歪変化を計測することによって火炎の逆火を検知することが可能となる。

この場合では、図１および図２で示した構造と比較して、逆火した予混合バーナを特定することはできないため、＃１〜＃６の全ての予混合バーナ２０に供給する燃料を減少させ、予混合火炎を予混合部から排出して、正常な位置で燃焼させる制御を行い、その後、全予混合バーナ２０に供給する燃料を増加させ、正常な燃焼状態にすることになる。この構造におけるメリットは、特に、燃焼器１台に付き歪センサー４３および計測機器が１組で良いため、図１および図２と比較して、ガスタービン１台に付き、センサーおよび計測器数を１／５〜１／１０程度に低減することが可能であり、コスト低減効果が大きい。

図７で示す実施例４は、実施例３における他の予混合マルチバーナによって構成されるガスタービン燃焼器の予混合バーナ逆火検出方法の概念を示している。その構成は基本的に図６と同様であり、構成上の主な相違点は、燃焼器の中心軸に最も近い全ての予混合バーナ表面に外接する高熱伝導物質の環状体（リング）４２を備え、環状体（リング）の電気抵抗を計測する抵抗測定器４４を環状体に設けたことである。

一般的な金属は、温度の上昇と共に電気抵抗も増加する特性を有している。そのため、不特定の予混合バーナ２０において、予混合部に火炎が逆火した際、局所的に環状体（リング）４２も加熱されるため、抵抗変化を生じる。この環状体（リング）には、電気抵抗を計測する抵抗測定器４４が設置されているため、この抵抗変化を計測することによって火炎の逆火を検知することが可能となる。

この構造におけるメリットは、実施例３と同様、予混合マルチバーナ１台に付き抵抗測定器４４が１台で良いため、図１および図２と比較して、ガスタービン１台に付き、センサーおよび計測器数を１／５〜１／１０程度に低減することが可能であり、コスト低減効果が大きい。

図８で示す実施例５は、予混合マルチバーナによって構成されるガスタービン燃焼器の予混合バーナ火炎接近検出方法の概念を示している。その基本的な構成概念は図６，図７と同様であり、主な相違点は、バーナプレート１４に高熱伝導物質の環状体（リング）４２を設け、この環状体（リング）４２に歪を計測する歪センサー４３、もしくは、電気抵抗を計測する抵抗測定器４４を設置したことである。そのため、火炎が予混合バーナ２０に接近した場合、バーナプレート１４の温度が上昇するため、バーナプレート１４に設けた環状体（リング）４２の温度も上昇する。この環状体（リング）の歪変化や電気抵抗変化を計測することにより、火炎の接近を検出することが可能となる。これにより、不特定の予混合バーナ２０において、予混合部に火炎が逆火する前に火炎の接近を検出することができる。この構造におけるメリットは、早い段階で正常な位置で燃焼させる制御が可能となること。更に、従来では、火炎がパイロットバーナ付近で断続的に付着した場合、繰り返し熱応力によってバーナプレート１４にクラックを生じることが考えられるが、本構造ではこのクラック発生を低減することが可能となる。

以上説明した各実施例の燃焼器では、複数の予混合バーナ２０を有し、この予混合バーナ２０を接続する接続体４１の物理量である温度や歪みや電気抵抗を計測する計測手段である温度センサー４０や歪みセンサー４３，抵抗測定器４４を備えている。このような燃焼器では、計測手段を直接火炎に接触させることなく逆火を検知することができるため、信頼性を向上させることができる。

なお、接続体４１の物理量を測定するという手段を用いれば、空気と燃料とを予め混合して予混合気を生成する予混合器を備えた予混合バーナにおける逆火検知以外にも、異常燃焼などの様々な現象を検知することができる。そのためあらゆるタイプの燃焼器の信頼性を向上させることができる。

この接続体４１の形状をリング状とすれば、少なくとも一箇所の物理量を測定することで逆火を抑制することが可能となり、低コスト化が可能である。また、予混合バーナ２０を３つ以上有する場合で、それぞれの予混合バーナ２０に複数の接続体４１が接続されている場合には、このうちの一つだけに計測手段を設けることでも低コスト化が可能である。

計測手段からの計測結果から逆火を検知した場合には、予混合バーナ２０への流路である予混合バーナ燃料管３０を流れる燃料流量を減少させればよい。この調整の結果、計測結果が安全な値を示した後は、燃料流量を元に戻すように増加させればよい。このような調整は制御装置を備えて自動で行ってもよい。このとき例えば、接続体４１の温度上昇速度が３℃〜４℃／秒であった場合に逆火発生と判断して燃料流量を減少する制御をするよう設定すればよい。

１ 燃焼空気
１ａ 予混合燃焼空気
１ｂ 拡散燃焼空気
２ 燃料
１０ 燃焼筒
１１ 外筒
１２ エンドカバー
１３ フロースリーブ
１４ バーナプレート
２０ 予混合バーナ
２１ 予混合バーナ用空気孔
２５ パイロットバーナ
２６ パイロットバーナ用空気孔
３０ 予混合バーナ燃料管
３１ パイロットバーナ燃料管
４０ 温度センサー
４１ 接続体
４２ 環状体
４３ 歪センサー
４４ 抵抗測定器
５０ ボルト

Claims (9)

1. 複数のバーナを有する燃焼器において、
   前記複数のバーナを接続する接続体と、
   前記接続体の物理量を計測する計測手段とを備えたことを特徴とする燃焼器。
2. 請求項１の燃焼器において、
   前記物理量が、温度，歪み，電気抵抗の何れかであることを特徴とする燃焼器。
3. 請求項１または２の燃焼器において、
   前記接続体が、前記複数のバーナを接続するリング形状をしていることを特徴とする燃焼器。
4. 請求項１〜３の何れかの燃焼器において、
   前記複数のバーナが、
   空気と燃料とを予め混合して予混合気を生成する予混合器を備えた予混合バーナであることを特徴とする燃焼器。
5. 請求項１〜４の何れかの燃焼器において、
   拡散燃焼方式のパイロットバーナと、
   前記パイロットバーナを中心に、同心円状に複数の予混合バーナを配置されたことを特徴とする燃焼器。
6. 請求項１〜５の何れかの燃焼器において、
   前記バーナを少なくとも３つ備え、
   それぞれのバーナに接続された接続体のうちの一つだけに前記計測手段を設けたことを特徴とする燃焼器。
7. 請求項１〜６の何れかの燃焼器において、
   前記計測手段からの計測結果を受けて、前記バーナへの燃料流量を制御する制御手段を備えたことを特徴とする燃焼器。
8. 請求項７の燃焼器において、
   前記制御手段は、前記接続体の温度上昇速度が３℃〜４℃／秒であった場合に前記バーナへの燃料流量を減らすように制御するよう設定されていることを特徴とする燃焼器。
9. 複数のバーナを有する燃焼器の運転方法において、
   前記複数のバーナを接続する接続体の物理量を測定し、
   この測定結果に基づいて前記バーナへの燃料供給量を調整することを特徴とする燃焼器の運転方法。

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