JP2012141078A - 燃焼装置、及び該燃焼装置の燃焼制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＮＯｘの排出が高くなる燃焼領域及び燃焼安定性が低下する燃焼領域を回避し、低負荷燃焼から高負荷燃焼にわたってＮＯｘの排出量が少なく、且つ燃焼振動や失火の発生なしに高い燃焼効率で安定燃焼できる燃焼装置、及び該燃焼装置の燃焼制御方法を提供する。
【解決手段】燃焼室と、燃料と酸素を予め所定の割合で混合した混合気を燃焼室に噴射して燃焼する第１のバーナと、負荷の変動に応じた量の燃料を燃焼室に噴射して燃焼する第２のバーナと、燃焼室における燃焼が安定燃焼領域、又は不安定燃焼領域、若しくは安定燃焼領域と不安定燃焼領域の境界領域にあるかを判断する判断手段と、判断手段で燃焼室における燃焼が不安定燃焼領域にあると判断された場合、混合気に含まれる燃料を増やすことによって当量比を大きくして、燃焼室における燃焼を前記境界領域に制御する制御手段を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃焼装置、及び該燃焼装置の燃焼制御方法に係り、特に、水又は蒸気を使用せずにＮＯｘの排出量を抑制する希薄予混合燃焼を実行する際、燃焼振動領域や不安定燃焼領域を回避して安定燃焼を図るガスタービンに好適な燃焼装置、及び該燃焼装置の燃焼制御方法に関する。

ガスタービンは、圧縮機で圧縮された燃焼用空気と燃料を燃焼器で燃焼させ、発生する高温・高圧の燃焼ガスをタービン中で膨張させることにより外部に出力を取り出す。得られた出力は発電機、プロペラ、車両、機械の駆動などに用いられる。燃焼ガスが高温・高圧であるほど高出力が得られる。

ガスタービンにおいて、タービン排ガス中に含まれる窒素酸化物（以下、「ＮＯｘ」と称する。）に関して厳しい環境基準が設けられている。従来、ＮＯｘの排出量を抑制する方法として、燃焼器の燃焼室内に水や蒸気を噴射して燃焼火炎温度を低下させ、温度依存性の高いサーマル（ｔｈｅｒｍａｌ）ＮＯｘを抑制する方法が採用されていた。しかし、この方法では熱効率の低下や悪い水質によるタービンの腐食に伴う寿命低下などの欠点があった。

そこで、近年、水や蒸気を使用せずにＮＯｘの排出量を抑制する希薄予混合燃焼方法（Dry Low Emission燃焼方法、以下、「ＤＬＥ燃焼」と称する。）が広く採用されている。このＤＬＥ燃焼は、当量比（理論空燃比／実空燃比）を小さくして燃焼用空気と燃料を予め混合し、燃料濃度を均一化した混合気として燃焼させるため、局所的に火炎温度が高温となる燃焼領域が存在せず、且つ燃料の希薄化により全体的にも火炎温度を低くできることから、ＮＯｘ排出量を効果的に低減できる。

その反面、燃焼温度（火炎温度）が抑制されるので一酸化炭素等の不完全燃焼ガスの酸化速度が遅くなり、不完全燃焼ガスの排出量が増加する傾向にある。例えば、低負荷燃焼では、火炎温度が低いためＮＯｘの排出量は少なくなるものの、燃焼安定性が低下して燃焼振動が発生し、不完全燃焼ガスの濃度が高くなる。燃焼振動が発生すると火炎の吹き消え（失火）の発生、燃焼器の性能及び耐久性の低下、更には燃焼器の破損に至ることもある。一方、高負荷燃焼では、燃焼振動は発生しにくいが、火炎温度が低くなり過ぎると燃焼安定性が低下して不完全燃焼ガスの濃度が高くなることがある。これは、燃焼効率の低下（燃費の悪化）に他ならないので、大気汚染防止の点からも許容されない。

燃焼性を安定させるため、当量比を大きくした方が良いが、火炎温度が高くなるためＮＯｘ発生量が増加してしまう。このように、ＤＬＥ燃焼は、ＮＯｘの排出量が少なく、且つ燃焼振動や失火の発生なしに高い燃焼効率で安定に燃焼できる空燃比の範囲が極めて狭いので、低負荷燃焼から高負荷燃焼にわたって、ＮＯｘの排出が高くなる燃焼領域及び燃焼安定性が低下する燃焼領域を回避して運転する必要がある。

そこで、従来、負荷率や燃焼器の入口側の燃焼用空気温度等に基づき、空燃比制御やスケジュール制御により燃料又は燃焼用空気流量を調整し、低負荷燃焼から高負荷燃焼にわたってＮＯｘの排出量を制限値内に抑制する希薄予混合式燃焼装置の燃焼制御方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

また、近年、燃焼器と、該燃焼器における最適な運転条件を記憶した第１のデータベースとを有するガスタービンと、該ガスタービンで燃焼振動が生じていない状態で燃焼器に供給する燃料の流量又は空気の流量の少なくとも一方を変動させて最適な運転条件を探索するガスタービンの燃焼制御方法が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００８−１５１４４１号公報 特開２０１０−０８４５２３号公報

特許文献１に開示されている希薄予混合式燃焼装置の燃焼制御方法は、燃焼器入口の燃焼用空気の温度条件や、燃焼器の経年劣化等による燃焼特性の変化により不安定燃焼や燃焼振動を発生する虞がある。また、今後さらにＮＯｘ排出量の制限値が下げられると、ＮＯｘ値を制限値内に抑制することは困難であると考えられる。

特許文献２に開示されているガスタービンの燃焼制御方法は、所定の負荷（例えば、低負荷燃焼又は高負荷燃焼）で安定燃焼限界を探索するものではない。また、この燃焼制御方法を採用した燃焼器には、燃焼器に供給する燃焼用空気流量を調節するバイパス空気弁が設けられており、このバイパス空気弁を調整することでＮＯｘの排出量を抑制しているが、バイパス空気弁を有しない燃焼器では、ＮＯｘの排出量を抑制できる燃焼負荷範囲は自ずと限定される。

さらに、プロセス量、燃焼特性を示すモデル式、燃焼状態の制約情報、燃焼状態の変化と関連付けた情報、過去に実施した調整時の情報、調整員のノウハウにより調整・経験した情報などを記憶するデータベースが用意されているが、データベースを記憶する情報が膨大なため制御装置のメモリが大きくなり、実装面で不利になりやすい。また、計算機の能力によっては演算に時間を要し、回避・探索動作が遅れてしまう可能性がある。

したがって、本発明はこのような問題点を解決することを課題としてなされたものであり、その目的とするところは、ＮＯｘの排出が高くなる燃焼領域及び燃焼安定性が低下する燃焼領域を回避し、低負荷燃焼から高負荷燃焼にわたってＮＯｘの排出量が少なく、且つ燃焼振動や失火の発生なしに高い燃焼効率で安定燃焼できる燃焼装置、及び該燃焼装置の燃焼制御方法を提供することにある。

本発明に係る燃焼制御方法は、理論空燃比よりも薄い混合気を燃焼させる燃焼制御方法において、安定燃焼領域と不安定燃焼領域の境界にある安定燃焼限界を目標に、負荷率に応じて空燃比を調整する。

本発明に係る燃焼装置は、燃焼室と、燃料と酸素を含む流体を予め所定の割合で混合した混合気を燃焼室に噴射して燃焼する第１のバーナと、負荷の変動に応じた量の燃料を燃焼室に噴射して燃焼する第２のバーナと、燃焼室における燃焼が安定燃焼領域、又は不安定燃焼領域、若しくは安定燃焼領域と不安定燃焼領域の境界領域のいずれにあるかを判断する判断手段と、判断手段で燃焼室における燃焼が不安定燃焼領域にあると判断された場合、第１のバーナに供給する燃料を増やすことによって当量比を増加させて、燃焼室における燃焼を境界領域に制御する制御手段を備えている。

本発明によれば、ＮＯｘの排出が高くなる燃焼領域及び燃焼安定性が低下する燃焼領域を回避し、低負荷燃焼から高負荷燃焼において、ＮＯｘの排出量が少なく、且つ燃焼振動や失火の発生なしに高い燃焼効率で安定燃焼が可能な燃焼装置、及び該燃焼装置の燃焼制御方法を提供できる。

本発明の実施の形態に係るガスタービン用燃焼装置の燃焼制御システム構成図である。 本発明の実施の形態に係るガスタービン用燃焼装置において、拡散燃焼からＤＬＥ燃焼に切り替え、及びのパイロットバーナ、メインバーナ及び追焚きバーナへ供給する燃料の分配を説明する概略図である。 本発明の実施の形態に係るガスタービン用燃焼装置の燃焼特性を示す図である。 本発明の実施の形態のガスタービン用燃焼装置の基本的な燃焼制御を説明するフローチャートである。 本発明の実施の形態のガスタービン用燃焼装置の基本的な燃焼制御を説明するフローチャートである。 本発明の実施の形態のガスタービン用燃焼装置の実験例を説明する図である。 本発明の実施の形態のガスタービン用燃焼装置の実験例を説明する図である。 本発明の実施の形態のガスタービン用燃焼装置おけるＮＯｘの排出量が抑制できる燃焼領域を探索する制御、及び燃焼振動の回避制御を説明する図である。 燃焼振動が発生しておらず燃焼器の負荷が変化した場合の燃焼制御の具体例を説明する図である。

以下、本発明の実施の形態に係る燃焼装置及び燃焼制御方法について、添付図面に従って説明する。以下の実施の形態では、主としてガスタービンに好適な燃焼器の燃焼制御方法を説明するが、本発明は例えば、工業用のボイラや乾燥炉等の燃焼装置にも同様に採用できる。

なお、以下の説明では、方向や位置を表す用語（例えば、「先端」、「後端」等）を便宜上用いるが、これらは、発明の理解を容易にするためであり、それらの用語によって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されるべきではない。

図１に示すように、ガスタービン装置１は、空気（酸素を含む流体）を圧縮して高圧の燃焼用空気を生成する圧縮機２と、圧縮機２から導入される燃焼用空気２００と燃料供給部３から供給される燃料とを混合して燃焼し、高温の燃焼ガスを生成する燃焼器４と、燃焼器４で生成された高温の燃焼ガス４００のエネルギーを回転軸出力に変換するガスタービン５とを有する。

図示するように、圧縮機２、ガスタービン５、及び発電機６とは軸７により連結されており、ガスタービン５の駆動により負荷の発電機６を回転して発電するとともに、圧縮機２を回転して空気を圧縮するようにしてある。

また、ガスタービン装置１は、燃焼器４内で生成された燃焼火炎の燃焼振動を解析する燃焼振動解析部８（判断手段）と、燃焼振動解析部８の解析結果に基づき燃焼器４の燃焼を制御するとともに、ガスタービン装置１全体の制御を行う制御部９（制御手段）を有する。

燃焼器４は、例えば都市ガス１３Ａ等の気体燃料のほか、例えば軽油等の液体燃料を燃焼させることができる。図示するように、燃焼器４は、燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する内筒４０と、内筒４０と同軸に、且つ内筒４０の外周部に所定の空間をもって配置された外筒４１を有する。図示するように、外筒４１の後端部は板部材で密閉されており、圧縮機２より吐出した燃焼用空気２００が、内筒４０の外壁と外筒４１の内壁とで囲まれた空気通路を通り、後述するパイロットバーナ４２、メインバーナ４３及び追焚きバーナ４４の３つのバーナに供給されるようにしてある。

燃焼器４には、パイロット燃料流量計３０ａ、パイロット燃料制御弁３１ａを介してパイロット燃料供給管３２が接続され、メイン燃料流量計３０ｂ、メイン燃料制御弁３１ｂを介してメイン燃料供給管３３が接続され、追焚き燃料流量計３０ｃ、追焚き燃料制御弁３１ｃを介して追焚き燃料供給管３４がそれぞれ接続されている。

パイロット燃料制御弁３１ａはパイロットバーナ４２に供給する燃料を制御する弁であり、メイン燃料制御弁３１ｂはメインバーナ４３に供給する燃料を制御する弁であり、追焚き燃料制御弁３１ｃは追焚きバーナ４４に供給する燃料を制御する弁である。各燃料制御弁３１ａ〜３１ｃは、後述する制御部９により制御される。

パイロットバーナ４２（第３のバーナ）、メインバーナ４３（第１のバーナ）及び追焚きバーナ４４（第２のバーナ）の３つのバーナのうち、パイロットバーナ４２は燃焼器４の燃焼安定性を図る（保炎）ことを目的とした拡散燃焼式のバーナである。メインバーナ４３は、ＮＯｘの排出量の抑制を目的として燃料と燃焼用空気２００をパイロットバーナ４２よりも前方で混合させて燃焼させる予混合式のバーナである。追焚きバーナ４４は、低ＮＯｘ燃焼（ＤＬＥ燃焼）での負荷の変化に対応するバーナであり、燃料と燃焼用空気２００の混合気を燃焼室５０の先端部に噴射する。追焚きバーナ４４から噴射される混合気は高温の燃焼ガス（メインバーナ４３による燃焼火炎）中に供給されるため、通常では燃焼不可能な希薄な混合気でも燃焼させることが可能であり、一定の混合気範囲では追焚きバーナ４４の燃焼によるＮＯｘの排出量は殆どないという特徴を有する。

図示するように、パイロットバーナ４２は、内筒４０の後端部で且つ外筒４１の内部空間内に配置されている。具体的に説明すると、燃焼器４の図示しない中心軸上にパイロットバーナノズル４５ａが配置されている。また、パイロットバーナノズル４５ａの先端外周部を囲うように、先端が末広がり形状に形成された円筒状のインジェクタ４５ｂが配置されている。インジェクタ４５ｂは適当な形式で板４５ｃに支持されて位置決めされている。

このように構成されたパイロットバーナ４２において、パイロットバーナノズル４５ａから高速で噴出される燃料の作用により、インジェクタ４５ｂ内の圧力が低下し、パイロットバーナノズル４５ａの外周部とインジェクタ４５ｂの内周部で形成される空隙から燃焼用空気２００が吸引され、該燃料と燃焼用空気２００がインジェクタ４５ｂ内で混合する。そして、図示しないスパークプラグ等の着火源により着火して拡散火炎を形成し、保炎する。なお、本実施の形態ではパイロットバーナ４２を拡散燃焼式として説明しているが、予混合式であっても構わない。

メインバーナ４３は、内筒４０とパイロットバーナ４２との間に配置されている。具体的に説明すると、内筒４０の後端部には一端にフランジ４６ｂが接続された直管４６ｃが取り付けられ、フランジ４６ｂの端部と板４５ｃの端部との間に燃料と燃焼用空気２００との混合を促進する多孔板４６ｄが接続されている。これにより、フランジ４６ｂが接続された直管４６ｃ、多孔板４６ｄ及び板４５ｂとでメインバーナ４３用の予混合室５１が形成される。一方、メインバーナノズル４６ａは、パイロットバーナノズル４５ａの外側で且つ円周方向に複数設けられ、メインバーナノズル４５ａの先端が多孔板４６ｄに近接して配置されている。なお、メインバーナノズル４６ａの図示しない燃料噴出孔は多孔板４６ｄ向けて形成されている。

このように構成されたメインバーナ４３において、メインバーナ４３の図示しない燃料噴出孔から燃料が高速で噴出すると、噴出流速により燃焼用空気２００が燃料に同伴される。燃料と燃焼用空気２００は多孔板４６ｄと衝突することによりそれらが予混合室５１内で均一に攪拌され、均一な混合気が生成される。予混合室５１内で生成された混合気は、パイロットバーナ４２の火炎により着火し、燃焼室５０内で希薄予混合火炎を形成する。

追焚きバーナ４４は、外筒４１の先端外周部に複数配置されている。具体的に説明すると、追焚きバーナ４４は追焚きバーナノズル４７ａと、外筒４１から内筒４０の燃焼室５０内に貫通して設けられた予混合ノズル４７ｂを有する。予混合ノズル４７ｂの上端近傍には燃料を導入する図示しない燃料導入孔が形成されている。また、予混合ノズル４７ｂにおける、内筒４０と外筒４１との間に形成されている空気通路に対応する位置には、燃焼用空気２００を導入する図示しない燃焼用空気導入孔が形成されている。

このように構成された追焚きバーナ４４において、予混合ノズル４７ｂ内に導入された燃焼用空気２００に向けて燃料が噴射されることにより、燃料と燃焼用空気２００は予混合ノズル４７ｂ内で攪拌されて均一な混合気が生成される。予混合ノズル４７ｂ内で生成された混合気は燃焼室５０の先端部に向けて供給され、メインバーナ４３の燃焼火炎により着火し、燃焼室５０内の先端部で希薄予混合火炎を形成する。

燃焼振動解析部８は、圧力センサ８０と、圧力センサ８０と電気的に接続され、該圧力センサ８０により検出された燃焼器４内（燃焼室５０内）の圧力変動を周波数解析する周波数解析装置８１からなる。

燃焼器５０内で圧力変動や流速変動が発生すると、それが燃料ノズルの吐出部まで伝播し、予混合気の濃度を時間的に変化させる。燃料ノズルで発生した予混合気の濃度変動は混合気の流れにより燃焼部（火炎が形成される部分）まで運ばれ、発熱変動が生じる。発熱変動は更に圧力変動を生じさせるというサイクルを形成し、燃焼振動が発生する。このため、圧力センサ８０はこの圧力変動を検出するため燃焼室５０内に設置されている。

周波数解析装置８１は、圧力センサ８０により検出された圧力変動の周波数帯域のパワースペクトル成分の中からピーク値を検出して燃焼状態を判定する、又は該圧力変動の周波数帯域のパワースペクトルの総和を演算して燃焼状態を判定する。そして、周波数解析装置８１により判定された燃焼室５０内の燃焼状態を示す解析結果が制御部９に出力される構成としてある。なお、本実施の形態では、圧力センサ８０により検出された燃焼室５０内の圧力変動に基づき燃焼状態を判定する例を説明しているが、単なる例示であってこれに限定するものではない。例えば、燃焼器４の外筒４１（ケーシング）に加速度センサを設置し、燃焼器４の振動の変動（加速度の変動）を検出するとともにこれを解析し、燃焼状態の判定を実行してもよい。

図２に示すように、制御部９は、ガスタービン装置１（燃焼器４）の起動及び低負荷運転の領域ではパイロットバーナ４２のみに燃料を供給して拡散燃焼（第１の燃焼）を実行させる。所定の負荷以上の運転では燃焼器４の燃焼をＤＬＥ燃焼（第２の燃焼）に切り替える。ＤＬＥ燃焼時は、パイロットバーナ４２へ供給する燃料流量を絞るとともにメインバーナ４３と追焚きバーナ４４に燃料を供給する（この場合、燃焼器４に供給されるトータルの燃料流量は変わらない。）よう各燃料制御弁３１ａ〜３１ｃを制御する。

制御部９による拡散燃焼からＤＬＥ燃焼への切り替えは、内筒４０と外筒４１との間に形成されている空気通路内に設置された温度センサ９０（温度検出手段）（図１参照）により検出された燃焼用空気２００の温度や負荷率から切り替えるタイミングが決定されて切り替えが実行される。ここでいう「燃焼用空気２００の温度や負荷率から切り替えるタイミングを決定する」とは、燃焼用空気２００の温度が所定温度になった時点や、或いは負荷率が所定の値になった時点のほか、例えば、燃焼用空気温度２００と燃焼器４の負荷率等の組み合わせた諸条件により切り替えるタイミングがその都度変化するということを意味する。

ここで、本発明に係る燃焼装置及び燃焼制御方法と、特許文献１等に記載された発明との差異を明確にする。制御部９には、図３に示すような燃焼器４の燃焼特性データが予め設定されている。この燃焼特性データは、例えば、燃焼器４の試運転データである。燃焼特性データは、制御部９内に必ずしも設定する必要はなく、例えば外部の記憶装置等に設定してもよい。

ガスタービン用の燃焼器に限らず、どのような形態の燃焼器にも所定の燃焼負荷において安定燃焼領域と不安定燃焼領域が存在する。図示するように、本実施の形態の燃焼器４では、低負荷燃焼では安定燃焼領域が狭く（燃焼安定性が低下して燃焼振動が起こりやすい。）、高負荷燃焼では安定燃焼領域は比較的広いが（不安定燃焼領域も存在する）ＮＯｘの排出量が多くなる特性を有している。

［背景技術］の説明で述べたように、ＤＬＥ燃焼における安定燃焼領域では、火炎温度が高いとＮＯｘ発生量が増加してしまう。逆に、不安定燃焼領域では燃焼安定性が低下して燃焼振動や失火が発生し、不完全燃焼ガスの濃度も高くなる。そこで、本発明の実施の形態に係る燃焼装置及び燃焼制御方法は、ＤＬＥ燃焼において、ＮＯｘの排出が高くなる安定燃焼領域と燃焼安定性が低下する不安定燃焼領域を事前に検知して回避し、低負荷燃焼から高負荷燃焼わたってＮＯｘの排出量が少なく、且つ燃焼振動や失火の発生なしに高い燃焼効率で安定燃焼を継続する運転を行う。言い換えれば、図３に示す安定燃焼領域と不安定燃焼領域の境界１００（安定燃焼限界）に沿ってメインバーナ４３への燃料供給量を制御する。これらの一連の制御は制御部９が実行する。

以下、本発明の実施の形態に係るガスタービン用燃焼装置の基本的な燃焼制御について、図１及び、図４（ａ）、図４（ｂ）のフローチャートを参照して説明する。先ず、燃焼器４のパイロットバーナ４２に燃料が供給され、図示しない着火源によりパイロットバーナ４２が着火するとともに、拡散燃焼が実行される。ガスタービン５の負荷に対応する燃料の流量信号が制御部９に出力され、該制御部９により燃焼器４の負荷が演算される。同時に、温度センサ９０により検出された燃焼用空気２００の温度が制御部９に出力される。その後、制御部９により、燃焼用空気２００の温度が所定温度になった時点や、或いは燃焼器４の負荷率が所定の値になった時点のほか、例えば、燃焼用空気温度２００と燃焼器４の負荷率等の組み合わせた諸条件から、拡散燃焼からＤＬＥ燃焼に切り替わるタイミングが決定される。そして、制御部９はメイン燃料制御弁３１ｂと追焚き燃料制御弁３１ｃを制御してメインバーナ４３と追焚きバーナ４４に燃料を供給し、両バーナ４３，４４を燃焼させ、ＤＬＥ燃焼を実行する。

次に、現時点での燃焼器４の負荷が制御部９内で演算されるとともに、温度センサ９０から出力された燃焼用空気２００の温度データが該制御部９に入力される。さらに、圧力センサ８０で検出された燃焼器４内（燃焼室５０内）圧力変動が周波数解析装置８１により周波数解析され、その解析データが制御部９に入力される（ステップＳ１）。

ステップＳ１において、温度センサ９０により検出された燃焼用空気２００の温度データを用いて、予め燃焼用空気２００の温度と燃焼器４の負荷率との関係を関数化した式から、拡散燃焼からＤＬＥ燃焼に切り替えを行う負荷率を決定している。従って、ステップＳ１において得られた現時点の負荷率が関数化した式から算出された負荷率以上になれば、ＤＬＥ燃焼を開始する（ステップＳ２）。

ステップＳ２の判定結果がＹＥＳ(ＤＬＥ燃焼)の場合、現時点での燃焼器４の負荷率が高負荷燃焼領域であるかを決定する（ステップＳ３）。燃焼器４の負荷率の決定は、ステップＳ１と同様に、温度センサ９０により検出された燃焼用空気２００の温度データを用いて、予め燃焼用空気２００の温度と燃焼器４の負荷率との関係を関数化した式から決定する。一方、仮にステップＳ２の判定結果がＮＯの場合、燃焼器４の燃焼がＤＬＥ燃焼に切り替わるまでステップＳ１からステップＳ２のループが繰り返される。

ステップＳ３において、燃焼器４が高負荷燃焼領域での運転であると判定（ＹＥＳ）した場合、制御部９に入力された周波数解析データについて、該制御部９内で圧力変動の周波数帯域のパワースペクトル成分の中からピーク値を検出するか、又は該圧力変動の周波数帯域のパワースペクトルの総和を演算し、燃焼振動が発生しているか否かを判定する（ステップＳ４）。

ステップＳ４の判定結果がＮＯ（燃焼振動未検知）の場合、ステップＳ５に進む。ステップＳ５において、現在の処理ステップでの燃焼器４の負荷が、前回のルーチン処理時での燃焼器４の負荷よりも変化しているかを判定する。

一方、ステップＳ４の判定結果がＹＥＳ（燃焼振動を検知）の場合、燃焼器４は図３に示す境界１００を越えて不安定燃焼領域で燃焼している蓋然性が高い。この場合、ステップＳ７に進み、制御部９は燃焼振動を回避する（目標燃焼状態となる）制御を実行する。このステップＳ７における燃焼振動の回避制御は、前回のルーチン処理時でのメインバーナ４３の燃料供給量に、所定量の燃料を増量する補正を実行する。つまり、メインバーナ４３への燃料供給量を増加して当量比を大きくするのである。この時、燃焼器４へ供給されるトータルの燃料流量は不変であるため、メインバーナ４３の燃料供給量が増加した分だけ追焚きバーナ４４へ供給する燃料は絞られる。

振動燃焼の発生がなく、且つＮＯｘの排出量が少なくなる燃焼領域は、図３に示すように安定燃焼領域側で且つ境界１００近傍であることが自明であるので、本処理ステップにおけるメインバーナ４３の燃料供給量の補正は、燃焼振動が解消するまで、つまり、上記安定燃焼限界の境界１００近傍での燃焼になるまでステップＳ１〜Ｓ４→Ｓ７のループが繰り返される。

ステップＳ５に戻り、ステップＳ５の判定結果がＹＥＳ（燃焼振動が発生しておらず燃焼器４の負荷が変化した場合）の場合、ステップＳ６に進み、制御部９は高負荷燃焼を継続する制御を実行する。その際、メインバーナ４３への燃料供給量は、図７に示すように、メインバーナ４３へ供給する流量を燃焼器４の定格負荷に対応する総燃料流量で除算した比率を、燃焼器４に導入される燃焼用空気２００の温度、燃焼器４の負荷率に基づき決定する。具体的には、燃焼用空気２００の温度が比較的低い場合、火炎温度が燃焼用空気２００に冷却されて火炎温度が下がるため不安定燃焼になりやすいため、メインバーナ４３への燃料供給量に係る上記比率を高くすることで、不安定燃焼を回避する。また、燃焼用空気２００の温度が比較的高い場合、火炎温度は保持されやすく安定燃焼ではあるが、ＮＯｘ排出量が多くなるため、メインバーナ４３への燃料供給量に係る上記比率を低くすることで、ＮＯｘ排出量を抑える。このように、燃焼振動が発生しておらず燃焼器４の負荷が変化する場合、上述したＳ１〜Ｓ６のループを繰り返す。

一方、ステップＳ５において判定結果がＮＯ（燃焼器４の燃焼負荷が不変）の場合、ステップＳ８に進む。ステップＳ８において、制御部９はメインバーナ４３への燃料供給量を、前回のルーチン処理時で決定したメインバーナ４３への燃料供給量と同じ値に設定する。この処理は燃焼器４の燃焼負荷が変化するまでステップＳ１〜Ｓ５→Ｓ８のループが繰り返される。

ステップＳ３に戻り、ステップＳ３の判定結果がＮＯ（燃焼器４が高負荷運転でない場合）の場合、ステップＳ９に進み、燃焼器４における現時点での燃焼負荷において燃焼振動が発生しているか否かを判定する。

ステップＳ９の判定結果がＮＯ（燃焼振動未検知）の場合、ステップＳ１０へ進む。ステップＳ１０において、現時点での処理ステップＳ１０での燃焼器４の負荷が、前回のルーチン処理時での燃焼器４の負荷よりも変化しているかを判定する。

ステップＳ１０の判定結果がＹＥＳ（燃焼振動が発生しておらず燃焼器４の負荷が変化した場合）の場合、燃焼器４は図３に示す境界１００を越えてＮＯｘの排出量の高い安定燃焼領域で燃焼している蓋然性が高い。このため、ＮＯｘの排出が少ない領域（目標燃焼状態）を探索して該領域で燃焼を実行する必要がある。この場合、ステップＳ１１に進み、メインバーナ４３の燃料供給量を所定量絞る補正を実行する、すなわち、メインバーナ４３への燃料供給量を減らして当量比を小さくする。この時、燃焼器４へ供給されるトータルの燃料流量は不変であるため、メインバーナ４３の燃料供給量が減少した分だけ追焚きバーナ４４へ供給する燃料は増加する。

ＮＯｘの排出量が少なく、且つ安定燃焼できる領域は、図３に示すように安定燃焼領域側で且つ境界１００近傍であることが自明であるので、本処理ステップにおけるメインバーナ４３の燃料供給量の補正は、ＮＯｘの排出量が少なくなるまで、つまり、境界１００近傍での燃焼（目標燃焼状態）になるまでステップＳ１〜Ｓ３→Ｓ９〜Ｓ１１のループが繰り返される（つまり、ＮＯｘの排出量が抑制できる燃焼領域を探索する。）。

ステップＳ９に戻り、ステップＳ９の判定結果がＹＥＳ（燃焼振動を検知）の場合、燃焼器４は図３に示す境界１００を越えて不安定燃焼領域で燃焼している蓋然性が高い。この場合、ステップＳ１２に進み、制御部９は燃焼振動を回避（目標燃焼状態となる）する制御を実行する。ステップＳ１２において、燃焼振動の回避制御は、前回のルーチン処理時でのメインバーナ４３の燃料供給量に、所定量の燃料を増量する補正を実行する。つまり、メインバーナ４３への燃料供給量を増加して当量比を大きくするのである。この時、燃焼器４へ供給されるトータルの燃料流量は不変であるため、メインバーナ４３の燃料供給量が増加した分だけ追焚きバーナ４４へ供給する燃料は絞られる。

振動燃焼の発生がなく、且つＮＯｘの排出量が少なくなる燃焼領域は、図３に示すように安定燃焼領域側で且つ境界１００近傍であることが自明であるので、本処理ステップにおけるメインバーナ４３の燃料供給量の補正は、燃焼振動が解消するまで、つまり、上記境界１００近傍での燃焼になるまでステップＳ１〜Ｓ３→Ｓ９→Ｓ１２のループが繰り返される。

ステップＳ１０に戻り、ステップＳ１０の判定結果がＮＯ（燃焼振動が発生しておらず燃焼器４の負荷も不変）場合、ステップＳ１３に進み、前回のルーチン処理時においてステップＳ１２の燃焼振動の回避制御を実行したか否かを判定する。

ステップＳ１３の判定結果がＹＥＳの場合、ステップＳ１４に進む。ステップＳ１４においてメインバーナ４３への燃料供給量は、前回のルーチン処理時で設定された燃料供給量と同じ値が設定される。一方、ステップＳ１３の判定結果がＮＯ（前回のルーチン処理時においてステップＳ１２の燃焼振動の回避制御を実行せず）の場合、ステップＳ１１に進み、上述したＮＯｘの排出量を抑制する燃焼領域を探索する制御を実行する。

上述した本実施の形態のガスタービン用燃焼装置の燃焼制御は、高負荷運転時では燃焼振動の回避制御のみを実行するステップのみを介在させ、低負荷運転時では燃焼振動の回避制御とＮＯｘの排出量が抑制できる燃焼領域を探索する制御の両方を実行するステップを介在させる例を説明したが、これは単なる一例であってこれに限定するものではない。例えば、高負荷運転時と低負荷運転時の両方に燃焼振動の回避制御とＮＯｘの排出量が抑制できる燃焼領域を探索する制御とを実行するステップを介在させることもできる。

次に、上述のように構成された本実施の形態のガスタービン用燃焼装置の実験例を図５〜図６を参照して説明する。

図５（Ａ）及び図５（Ｂ）は、燃焼器４の燃焼負荷を変化させた時における該燃焼器４のＮＯｘ排出特性を示す説明図である。図５（Ａ）と図５（Ｂ）の上側に示すグラフの縦軸は、メインバーナ４３、追焚きバーナ４４の各バーナへ供給する流量を燃焼器４の定格負荷に対応する総燃料流量で除算した比率と燃焼器４の負荷率を示し、上記グラフの横軸は、時間経過を示している。また、図５（Ａ）と図５（Ｂ）の下側に示すグラフの縦軸は、ＮＯｘ排出量と燃焼器４の負荷率を示し、横軸は、時間経過を示している。

通常の燃焼器では、燃焼負荷が高くなるに従いＮＯｘの排出量も高くなる。しかし、本実施の形態のガスタービン用燃焼装置では図５（Ａ）に示すように、燃焼器４の燃焼負荷が高くなる過程で、上述したＮＯｘの排出量が抑制できる燃焼領域（目標燃焼状態）を探索する制御を実行する。つまり、メインバーナ４３の燃料供給量に係る上記比率を低くしてゆく補正（メインバーナ４３への燃料供給量を減らして当量比を小さくする。）を実行する。この時、燃焼器４へ供給されるトータルの燃料流量は不変であるため、メインバーナ４３の燃料供給量が減少した分だけ追焚きバーナ４４へ供給する燃料が増加する。その結果、燃焼器４の負荷が高くなってもＮＯｘの排出量は燃焼器４が保証するＮＯｘ値を遥かに下回っていることが理解できる。

図３で既に説明したように、燃焼器４は燃焼負荷が低い領域において安定燃焼領域が狭い（燃焼安定性が低下して燃焼振動が起こりやすい。）特性を有している。このため、図５（Ｂ）に示すように、燃焼器４の燃焼負荷が低くなる過程で、上述した燃焼振動の回避制御を実行する。つまり、メインバーナ４３の燃料供給量に係る上記比率を高くしてゆく補正（メインバーナ４３への燃料供給量を増やして当量比を大きくする。）を実行する。この時、燃焼器４へ供給されるトータルの燃料流量は不変であるため、メインバーナ４３の燃料供給量が増加した分だけ追焚きバーナ４４へ供給する燃料が減少する。その結果、燃焼器４の負荷が低くなっても不安定燃焼が発生せず、しかも、ＮＯｘの排出量も燃焼器４が保証するＮＯｘ値の範囲内に収まっていることが理解できる。

次に、本実施の形態の燃焼器４の低負荷燃焼時及び高負荷燃焼時において、ＮＯｘの排出量が抑制できる燃焼領域を探索する制御、及び燃焼振動の回避制御例について、図６を参照して説明する。

図６の縦軸は、メインバーナ４３へ供給する流量を燃焼器４の定格負荷に対応する総燃料流量で除算した比率を示し、横軸は燃焼器４の燃焼負荷率を示す。図中に示す間隔の粗いハッチングで示した領域は、燃焼負荷を９０％から８０％に下げる場合に発生する燃焼振動領域であり、間隔の粗いハッチングと間隔の細かいハッチングで示した領域は燃焼負荷を８０％から９０％に上げる場合に発生する燃焼振動領域である。

図６に示すように、燃焼負荷を８０％から９０％に高くする場合、図中に示す「CaseＡ１」では、メインバーナ４３に供給する燃料流量を安定燃焼領域と不安定燃焼領域の境界１０５（第１の境界）に沿うように制御している（燃焼負荷が高くなるに従ってメインバーナ４３への燃料供給量が絞られている。）。その結果、ＮＯｘの排出量は燃焼器４が保証するＮＯｘ値を遥かに下回ることが可能である。

一方、燃焼負荷を９０％から８０％に下げる場合、図中に示す「CaseＡ２」では、メインバーナ４３に供給する燃料流量を安定燃焼領域と不安定燃焼領域の境界１１０（第２の境界）に沿うように制御している（燃焼負荷を下げるに従ってメインバーナ４３への燃料供給量を増加している。）。その結果、燃焼安定性が低下せず且つＮＯｘの排出量も少ない燃焼が可能である。

このように、本実施の形態のガスタービン用燃焼装置及び燃焼制御方法は、ＤＬＥ燃焼において、ＮＯｘの排出が高くなる燃焼領域及び燃焼安定性が低下する燃焼領域を事前に検知して回避し、低負荷燃焼から高負荷燃焼わたってＮＯｘの排出量が少なく、且つ燃焼振動や失火の発生なしに高い燃焼効率で安定燃焼を継続する運転を行うことができる。

本実施の形態では、低負荷燃焼領域と高負荷燃焼領域の少なくとも２つの領域に不安定燃焼領域が存在するガスタービン用燃焼装置のＤＬＥ燃焼において、ＮＯｘの排出が高くなる燃焼領域及び燃焼安定性が低下する燃焼領域を事前に検知して回避し、低負荷燃焼から高負荷燃焼わたってＮＯｘの排出量が少なく、且つ燃焼振動や失火の発生なしに高い燃焼効率で安定燃焼を継続する運転を説明した。低負荷燃焼領域と高負荷燃焼領域の少なくとも２つの領域に不安定燃焼領域が存在するのは、実施の形態で説明した希薄予混合燃焼方式のバーナだけに限らない。例えば、燃料の理論空気量（燃料が理論上、完全燃焼するのに必要な空気量。）に対して２〜３倍の量に相当する空気を混合させて燃焼する拡散燃焼方式のバーナでも起こり得る。したがって、本発明は希薄予混合燃焼方式のバーナに限らず、拡散燃焼方式のバーナにも適用できる。

今回、開示した実施の形態は例示であってこれに制限されるものではない。本発明は、上記で説明した範囲ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲での全ての変更を含む。

１ ガスタービン装置
２ 圧縮機
３ 燃料供給部
４ 燃焼器
５ ガスタービン
６ 発電機
７ 軸
８ 燃焼振動解析部
９ 制御部
３０ａ〜３０ｃ 燃料流量計
３１ａ〜３１ｃ 燃料制御弁
４２ パイロットバーナ
４３ メインバーナ
４４ 追焚きバーナ
５０ 燃焼室
８０ 圧力センサ
９０ 温度センサ
１００，１０５，１１０ （安定燃焼領域の）境界
２００ 燃焼用空気
３００ 燃焼ガス

Claims (8)

1. 理論空燃比よりも薄い混合気を燃焼させる燃焼制御方法において、
   安定燃焼領域と不安定燃焼領域の境界にある安定燃焼限界を目標に、負荷率に応じて空燃比を調整することを特徴とする燃焼制御方法。
2. 前記負荷率が次第に上昇するときの前記安定燃焼限界と前記負荷率が次第に低下するときの前記安定燃焼限界が異なることを特徴とする請求項１に記載の燃焼制御方法。
3. 燃焼室と、
   燃料と酸素を含む流体を予め所定の割合で混合した混合気を燃焼室に噴射して燃焼する第１のバーナと、
   負荷の変動に応じた量の燃料を燃焼室に噴射して燃焼する第２のバーナと、
   前記燃焼室における燃焼が安定燃焼領域、又は不安定燃焼領域、若しくは前記安定燃焼領域と前記不安定燃焼領域の境界領域のいずれにあるかを判断する判断手段と、
   前記判断手段で前記燃焼室における燃焼が前記不安定燃焼領域にあると判断された場合、前記第１のバーナに供給する燃料を増やすことによって当量比を増加させて、前記燃焼室における燃焼を前記境界領域に制御する制御手段を備えたことを特徴とする燃焼装置。
4. 前記酸素を含む流体の温度を検出する温度検出手段をさらに備え、
   前記制御手段は、前記判断手段により前記燃焼室における燃焼が前記安定燃焼領域での高負荷燃焼であって且つ前記燃焼の負荷が次第に上昇していると判断された場合、前記温度検出器で検出された前記流体の温度が所定温度未満であれば混合気に含まれる前記燃料を増やすことによって当量比を増加し、前記温度検出器で検出された流体の温度が所定温度以上であれば混合気に含まれる前記燃料を減らすことによって当量比を減少させることを特徴とする請求項３に記載の燃焼装置。
5. 燃料と酸素を混合しながら同時に燃焼させる第３のバーナをさらに備え、
   負荷率が低いときは前記第３のバーナのみで燃料を燃焼させる第１の燃焼と、
   前記負荷率が高いときは前記第１のバーナ、前記第２のバーナ及び前記第３バーナで前記燃料を燃焼させる第２の燃焼を有する請求項３又は請求項４に記載の燃焼装置。
6. 前記制御手段は、第２の燃焼の際、前記第３のバーナに供給する燃料を一定に制御することを請求項５に記載の燃焼装置。
7. 前記制御手段は、少なくとも前記温度検出手段で検出された前記流体の温度を参照して前記第１の燃焼と前記第２の燃焼を切り替えることを特徴とする請求項５に記載の燃焼装置。
8. 前記制御手段は、
   前記負荷率が次第に上昇するときは、前記安定燃焼領域と前記不安定燃焼領域の第１の境界領域を目標に前記燃料の供給を制御し、
   前記負荷率が次第に下降するときは、前記安定燃焼領域と前記不安定燃焼領域の第２の境界領域を目標に前記燃料の供給を制御することを特徴とする請求項７に記載の燃焼装置。

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