JP2014055536A - ガスタービン燃焼器およびガスタービン燃焼器の燃料制御方法 - Google Patents

ガスタービン燃焼器およびガスタービン燃焼器の燃料制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】本発明の目的は、発熱量が低くて燃えにくい低カロリーガスを燃料ガスとして燃焼させる際に、燃料ガスの組成が変化した場合でもＣＯ排出濃度の増加を抑制して安定燃焼を可能にしたガスタービン燃焼器を提供することにある。
【解決手段】本発明のガスタービン燃焼器の制御装置は、低カロリーガス６０と高カロリーガス８０とを混合して形成した燃料ガスである増熱ガス中の二酸化炭素濃度を計測する二酸化炭素濃度計７０１を設け、ガスタービン燃焼器２のバーナ３００の内周スワラ２０１に供給する第１の燃料系統に第１の流量調節弁を、外周スワラ２０２に供給する第２の燃料系統に第２の流量調節弁を設置し、二酸化炭素濃度計７０１で計測した二酸化炭素濃度に基づいて第１の流量調節弁及び第２の流量調節弁の開度を調節してガスタービン燃焼器２に供給する燃料の内周燃料比率を演算する内周燃料比率演算器７１０を備えて構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、高炉ガスなど窒素（Ｎ２）や二酸化炭素（ＣＯ２）の含有量の多い難燃性ガスで、発熱量が低いガスを安定に燃焼するガスタービン燃焼器およびガスタービン燃焼器の燃料制御方法に関する。
一般に発熱量の低い燃料は、ガスタービンの主要燃料であるＬＮＧ（Liquefied Natural Gas）に比べて火炎温度が低く燃焼速度が遅いため、燃えにくい燃料である。また、燃焼の際にＮＯｘ排出量が少ないことも特徴の一つである。
このような低カロリーガスの代表例として、高炉ガスが挙げられる。高炉ガスは製鉄プロセスにおいて高炉から発生する副生ガスで、近年、このガスをガスタービン燃料として利用したいというニーズが高まっている。
高炉ガスは一酸化炭素（ＣＯ）や水素（Ｈ２）を主要可燃成分とし、その他にＮ２やＣＯ２を多量に含む難燃性のガスである。このため、ガスタービン燃料として高炉ガスを使用する場合に、ガスタービン燃焼器で着火から定格負荷範囲までを高炉ガス専焼で運転することは難しく、着火から燃焼温度の低い部分負荷範囲を安定に運転（燃焼）するには、水素を含むコークス炉ガスなどを高炉ガスに混合し増熱して運転するか、液体燃料などの起動用燃料を別に設ける必要がある。
また、難燃性ガスを安定に燃焼する必要があるため、特開平５−８６９０２号公報に開示しているように、ガスタービン燃焼器では燃料と空気を別々の流路から供給する拡散燃焼方式を採用するのが一般的である。
特開平５−８６９０２号公報
一般に、低カロリーガスは、ＬＮＧなどの高カロリー燃料に比べて火炎温度が低く燃焼速度が遅いため、燃えにくい燃料である。したがって、ガスタービン燃焼器においては、低カロリーガスを安定燃焼させる技術が重要な課題となる。
また、低カロリーガスは発熱量が低いために、ＬＮＧなどの高カロリーガスと同等の燃焼ガス温度を得るために、ガスタービン燃焼器に供給する燃料流量を増加させる必要がある。このため、低カロリーガス焚きのガスタービン燃焼器では、供給する低カロリーガスの燃料流量が多くなる。
低カロリーガス焚きガスタービン燃焼器のバーナの構造例としては、前記特開平５−８６９０２号公報（特許文献１）が挙げられる。特許文献１に開示されたガスタービン燃焼器では、ガスタービン燃焼器のバーナの半径方向中心部に起動用の油ノズルを備え、その外周にガス噴孔を配置し、さらにその外周にガス噴孔と空気噴孔を交互に配置した構造を採用している。
前記ガスタービン燃焼器のバーナは、石炭ガス化ガスなどのＮ２を多量に含む低カロリーガスを燃料ガスの対象としたものである。
一般に、旋回噴流によって保炎するガスタービン燃焼器のバーナで火炎を保持するためには、バーナの半径方向中心部近傍に、燃焼ガスが循環してバーナより噴出する燃料と空気に熱エネルギーを与えるための循環ガス領域を形成する必要がある。
特許文献１に開示されたガスタービン燃焼器は、循環ガス領域を形成するために低カロリーガスを積極的に利用したものである。内周スワラにガス噴孔のみを配置し、内周スワラに大部分の燃料を供給することで、大量の低カロリーガスの運動量を利用して強い旋回流を形成し、保炎を強化することを特徴としている。
内周スワラから噴出した燃料は、外周スワラから噴出する空気と混合しながら循環ガス領域内に取り込まれるため、その領域内の酸素が不足することもなく、低カロリーガスの安定燃焼が可能である。
しかしながら特許文献１に記載されたガスタービン燃焼器のバーナで高炉ガスを燃焼する場合に、燃料組成である高炉ガスの組成は高炉の運転状態により変動するため、Ｈ２含有率の低下や高炉ガス中の不活性成分、特にＣＯ２含有量の増加によって火炎の温度が低下する可能性がある。
特に、内周スワラの火炎温度の低下は循環ガス領域の火炎温度低下につながり、それに伴い外周スワラの火炎温度も低下するため燃焼反応が緩慢となって、ガスタービン燃焼器の燃焼器出口におけるＣＯ排出濃度が増加しやすくなるという課題がある。
また、着火から部分負荷範囲では高炉ガスにコークス炉ガスを混合しているが、発熱量の高いコークス炉ガスは高炉ガスよりも利用価値が高く、コークス炉ガスそのものを利用したいというニーズがある。
このため、ガスタービン燃焼器の着火から部分負荷範囲においても、コークス炉ガスの使用量は可能な限り低減して高炉ガスを燃焼することが求められている。
本発明の目的は、発熱量が低くて燃えにくい低カロリーガスを燃料ガスとして燃焼させる際に、燃料ガスの組成が変化した場合でもＣＯ排出濃度の増加を抑制して安定燃焼を可能にしたガスタービン燃焼器及びガスタービン燃焼器の燃料制御方法を提供することにある。
本発明のガスタービン燃焼器は、ガスタービン燃焼器に供給するガス燃料として、二酸化炭素を含む低カロリーガスを主燃料として供給する低カロリーガス燃料系統と、前記主燃料に混合する燃料となる高カロリーガスを供給する高カロリーガス供給系統を備え、燃料ガスと空気を混合して燃焼する燃焼室と、前記燃焼室の上流側に設置され該燃焼室内に燃料と空気を供給して火炎を保持するバーナと、前記バーナに設けられ前記燃料と空気の旋回流を形成する内周スワラ及び該内周スワラの外周側に設置した外周スワラとを備えたガスタービン燃焼器を設け、前記低カロリーガス燃料系統と高カロリーガス燃料系統とを合流させて低カロリーガスと高カロリーガスとを混合して形成した増熱ガスをガスタービン燃焼器に供給する燃料ガス燃料系統を配設すると共に、この増熱ガスを供給する前記燃料ガス燃料系統を下流側で分岐させて、ガスタービン燃焼器のバーナの前記内周スワラに供給する第１の燃料系統と、ガスタービン燃焼器のバーナの前記外周スワラに供給する第２の燃料系統をそれぞれ配設し、前記燃料ガス燃料系統に流下する増熱ガス中の二酸化炭素濃度を計測する二酸化炭素濃度計を設け、前記内周スワラに供給する第１の燃料系統にガス燃料の流量を制御する第１の流量調節弁を、前記外周スワラに供給する第２の燃料系統にガス燃料の流量を制御する第２の流量調節弁をそれぞれ設置し、前記二酸化炭素濃度計で計測した増熱ガス中の二酸化炭素濃度に基づいて前記第１の流量調節弁及び第２の流量調節弁の開度を調節して燃料の流量をそれぞれ制御する制御装置を備えたことを特徴とする。
また、本発明のガスタービン燃焼器は、ガスタービン燃焼器に供給するガス燃料として、二酸化炭素を含む低カロリーガスを主燃料として供給する高炉ガス燃料系統と、前記主燃料に混合する燃料となる増熱ガスを供給する増熱ガス供給系統を備え、燃料ガスと空気を混合して燃焼する燃焼室と、前記燃焼室の上流側に設置され該燃焼室内に燃料と空気を供給して火炎を保持するバーナと、前記バーナに設けられ前記燃料と空気の旋回流を形成する内周スワラ及び該内周スワラの外周側に設置した外周スワラとを備えたガスタービン燃焼器を設け、前記高炉ガス燃料系統と増熱ガス供給系統とを合流させた燃料ガス燃料系統を配設すると共に、この燃料ガス燃料系統を下流側で分岐させて、ガスタービン燃焼器のバーナの前記内周スワラに供給する第１の燃料系統と、ガスタービン燃焼器のバーナの前記外周スワラに供給する第２の燃料系統をそれぞれ配設し、前記燃料ガス燃料系統に該燃料ガス燃料系統を流れる燃料ガス中の二酸化炭素濃度を計測する二酸化炭素濃度計及び水素濃度を計測する水素濃度計を設け、前記内周スワラに供給する第１の燃料系統にガス燃料の流量を制御する第１の流量調節弁を、前記外周スワラに供給する第２の燃料系統にガス燃料の流量を制御する第２の流量調節弁をそれぞれ設置し、前記二酸化炭素濃度計及び水素濃度計で計測した燃料ガス中の二酸化炭素濃度及び水素濃度に基づいて前記第１の流量調節弁及び第２の流量調節弁の開度を調節する制御装置を備え、前記制御装置によって前記二酸化炭素濃度計及び水素濃度計で計測した燃料ガス中の二酸化炭素濃度及び水素濃度に基づいて前記第１の流量調節弁及び第２の流量調節弁の開度を調節して燃料の流量をそれぞれ制御することを特徴とする。
本発明のガスタービン燃焼器の燃料制御方法は、ガスタービン燃焼器に供給するガス燃料として、二酸化炭素を含む低カロリーガスを主燃料として供給する低カロリーガス燃料系統と、前記主燃料に混合する燃料となる高カロリーガスを供給する高カロリーガス供給系統を備え、前記低カロリーガス燃料系統と高カロリーガス燃料系統とを合流させて低カロリーガスと高カロリーガスとを混合して形成した増熱ガスをガスタービン燃焼器に供給する燃料ガス燃料系統を配設すると共に、この増熱ガスを供給する前記燃料ガス燃料系統を下流側で分岐させて、ガスタービン燃焼器のバーナの前記内周スワラに供給する第１の燃料系統と、ガスタービン燃焼器のバーナの前記外周スワラに供給する第２の燃料系統をそれぞれ配設し、燃料ガスと空気を混合して燃焼する燃焼室と、前記燃焼室の上流側に設置され該燃焼室内に燃料と空気を供給して火炎を保持するバーナと、前記バーナに設けられ前記燃料と空気の旋回流を形成する内周スワラ及び該内周スワラの外周側に設置した外周スワラとを備えたガスタービン燃焼器の燃料制御方法において、前記燃料ガス燃料系統に流下する増熱ガス中の二酸化炭素濃度を計測し、この増熱ガスの二酸化炭素濃度の計測値に基づいて、前記内周スワラに供給する第１の燃料系統を流下するガス燃料の流量を調節する第１の流量調節弁と、前記外周スワラに供給する第２の燃料系統を流下するガス燃料の流量を調節する第２の流量調節弁の開度をそれぞれ調節して、前記バーナの内周スワラ及び外周スワラに供給する燃料の流量を制御することを特徴とする。
また、本発明のガスタービン燃焼器の燃料制御方法は、ガスタービン燃焼器に供給するガス燃料として、二酸化炭素を含む低カロリーガスを主燃料として供給する低カロリーガス燃料系統と、前記主燃料に混合する燃料となる高カロリーガスを供給する高カロリーガス供給系統を備え、前記低カロリーガス燃料系統と高カロリーガス燃料系統とを合流させて低カロリーガスと高カロリーガスとを混合して形成した増熱ガスをガスタービン燃焼器に供給する燃料ガス燃料系統を配設すると共に、この増熱ガスを供給する前記燃料ガス燃料系統を下流側で分岐させて、ガスタービン燃焼器のバーナの前記内周スワラに供給する第１の燃料系統と、ガスタービン燃焼器のバーナの前記外周スワラに供給する第２の燃料系統をそれぞれ配設し、燃料ガスと空気を混合して燃焼する燃焼室と、前記燃焼室の上流側に設置され該燃焼室内に燃料と空気を供給して火炎を保持するバーナと、前記バーナに設けられ前記燃料と空気の旋回流を形成する内周スワラ及び該内周スワラの外周側に設置した外周スワラとを備えたガスタービン燃焼器の燃料制御方法において、前記燃料ガス燃料系統に流下する増熱ガス中の二酸化炭素濃度及び水素濃度をそれぞれ計測し、この増熱ガスの二酸化炭素濃度及び水素濃度の計測値に基づいて、前記内周スワラに供給する第１の燃料系統を流下するガス燃料の流量を調節する第１の流量調節弁と、前記外周スワラに供給する第２の燃料系統を流下するガス燃料の流量を調節する第２の流量調節弁の開度をそれぞれ調節して、前記バーナの内周スワラ及び外周スワラに供給する燃料の流量を制御することを特徴とする。
本発明によれば、発熱量が低く燃えにくい低カロリーガスを燃料ガスとして燃焼させる際に、燃料ガスの組成が変動した場合でもＣＯ排出濃度の増加を抑制して安定燃焼を可能にしたガスタービン燃焼器及びガスタービン燃焼器の燃料制御方法が実現できる。
本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器と燃料系統を示す概略図。 図１に示した本発明の第１実施例のガスタービン燃焼器の軸方向断面構造図。 図２Ａに示した第１実施例のガスタービン燃焼器を燃焼室から見た正面図。 本発明の第１実施例のガスタービン燃焼器における燃料制御を示す制御装置のブロック図。 本発明の第１実施例のガスタービン燃焼器における燃料制御を示す制御装置の制御フローチャート図。 本発明の第１実施例のガスタービン燃焼器における燃料ガスのＣＯ２含有量と内周燃料比率の関係を示す特性図。 本発明の第１実施例のガスタービン燃焼器における燃料ガスの内周燃料比率と外周燃料圧力比の関係を示す特性図。 本発明の第２実施例であるガスタービン燃焼器と燃料系統を示す概略図。 本発明の第２実施例のガスタービン燃焼器における燃料制御を示す制御装置のブロック図。 本発明の第２実施例のガスタービン燃焼器における燃料制御を示す制御装置の制御フローチャート図。 本発明の第１実施例のガスタービン燃焼器における燃料ガスのＣＯ２含有量と内周燃料比率の関係を示す特性図。 本発明の第２実施例のガスタービン燃焼器における燃料ガスの高Ｈ２濃度燃料の内周燃料比率と外周燃料圧力比の関係を示す特性図。 本発明の第２実施例のガスタービン燃焼器における燃料ガスの高Ｈ２濃度燃料の内周燃料比率と外周燃料圧力比の関係を示す特性図。
本発明の実施例であるガスタービン燃焼器及びガスタービン燃焼器の燃料制御方法について図面を用いて説明する。
図１に、本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器及びガスタービン燃焼器の燃料制御方法について図１〜図６を用いて説明する。
図１は本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器２を示しており、ガスタービン燃焼器２の本体と、このガスタービン燃焼器２の本体に燃料を供給するガスタービンの燃料系統を示している。
図１に示した本実施例のガスタービン燃焼器２において、ガスタービン装置は、大気から空気１０１を吸い込んで圧縮する圧縮機１と、吸い込んだ空気１０１を圧縮機１で圧縮した燃焼空気１０２と燃料ガスとを混合して燃焼して燃焼ガスを生成するガスタービン燃焼器２と、このガスタービン燃焼器２で生成した燃焼ガスによって駆動されるタービン３と、タービン３の回転によって駆動され発電する発電機４を備えている。また、タービン３の回転によって圧縮機１も駆動される。
前記のガスタービン装置において、まず、圧縮機１によって大気から吸込んだ空気１０１を圧縮し、圧縮機１で空気１０１を圧縮した燃焼空気１０２をガスタービン燃焼器２に供給する。
ガスタービン燃焼器２に供給される燃料ガスは、製鉄プラントの高炉から供給される低カロリーガスである高炉ガス６０を約９０％、製鉄プラントのコークス炉から供給される発熱量が高いコークス炉ガス８０を約１０％の割合で混合させた増熱ガス７０を、燃料ガスとして燃料供給系統を通じてガスタービン装置のガスタービン燃焼器２に供給される。
次に、ガスタービン燃焼器２では、圧縮機１で圧縮した燃焼空気１０２と、燃料ガスの高炉ガス６０と、コークス炉ガス８０とを混合した増熱ガス７０を、ガスタービン燃焼器の着火〜部分負荷範囲まで供給して燃焼し、高温の燃焼ガス１４０を発生させる。
前記ガスタービン燃焼器２で発生した高温の燃焼ガス１４０はガスタービン燃焼器２からタービン３に供給され、タービン３では燃焼ガス１４０の供給によって回転動力が与えられ、タービン３の回転動力が圧縮機１及び発電機４にそれぞれ伝達される。
タービン３から前記圧縮機１に伝えられた回転動力は空気１０１を燃焼空気１０２に圧縮する圧縮動力に用いられ、タービン３から発電機４に伝えられた回転動力は電気エネルギーに変換される。
前記ガスタービン燃焼器２は、圧力容器である円筒形状の外筒１０と、外筒１０の内周側に、内部に燃焼室１２を形成する円筒状のライナ１３と、外筒１０とライナ１３との間に配置され、燃焼室１２を冷却する冷却空気を供給するフロースリーブ１１を備えている。
また、ガスタービン燃焼器２の頭部となる燃焼室１２の上流側には、燃焼室１２に燃料と空気を噴出し火炎を形成するためのバーナ３００を配置している。
圧縮機１からガスタービン燃焼器２に供給された燃焼空気１０２は、フロースリーブ１１とライナ１３との海田に形成される空間内を流れ、この燃焼空気１０２の一部は、ライナ１３を冷却しながらライナ１３の側壁に設けた冷却孔から燃焼室１２内に供給され、また、この燃焼空気１０２の他の一部は、ガスタービン燃焼器２の頭部の設置したバーナ３００に設けた空気噴孔４０２（図２Ａ、図２Ｂ参照）を通じて燃焼室１２内に供給される。
図２Ａ及び図２Ｂにガスタービン燃焼器２の頭部に設置したバーナ３００の拡大断面図および正面図をそれぞれ示す。バーナ３００は、内周側に設置した内周スワラ２０１と、この内周スワラ２０１の外周側に設置した外周スワラ２０２とで構成する２重旋回構造を採用している。
図２Ａ及び図２Ｂに示したように、ガスタービン燃焼器２の頭部に設置したバーナ３００を構成する内周スワラ２０１には、複数個のガス噴孔４０１と複数個の空気噴孔４０２を交互に環状に配置し、内周スワラ２０１の外側側に設けた外周スワラ２０２には、複数個のガス噴孔４０３を相互に離間させて環状に配置している。
これらのガス噴孔４０１、空気噴孔４０２、及びガス噴孔４０３のそれぞれの噴孔には旋回角を設けることで、低速となる保炎領域（循環ガス領域）をバーナ３００の半径方向中心部近傍に形成し、燃焼安定性を強化するように構成している。
また、ガスタービン燃焼器２のバーナ３００を構成する内周スワラ２０１において、ガス噴孔４０１と空気噴孔４０２を交互に配置しているため、燃料ガスである高炉ガス６０を分岐したガス燃料２０１ｆと燃焼空気１０２を別々の流路より供給する拡散燃焼により、低カロリーガスの前記高炉ガス６０を安定に燃焼できる。
一方、ガスタービン燃焼器２のバーナ３００を構成する外周スワラ２０２においては、複数個のガス噴孔４０３より高炉ガス６０を分岐したガス燃料２０２ｆが供給される。前記ガス燃料２０２ｆは内周スワラ２０１の空気噴口４０２から供給される燃焼空気１０２や、ライナ１３に供給されるバーナ３００近傍の燃焼空気１０２と混合して、内周スワラ２０１によって燃焼室１２内の軸心側に形成される内周火炎５０１を基点に、外周スワラ２０２によって外周火炎５０２が燃焼室１２内の前記内周火炎５０１の外周側に形成される。
燃焼室１２内に前記外周火炎５０２を形成することによって、前記内周火炎５０１の周囲の温度が高くなるため、保炎を強化できる。
また、図１に示すように、ガスタービン燃焼器２に供給する高炉ガス６０およびコークス炉ガス８０は、高炉ガス燃料系統６０１およびコークス炉ガス燃料系統６０２からそれぞれ供給される。
高炉ガス燃料系統６０１は流量調節弁６０３を備え、ガスタービンの運転状態に応じた流量を流量調節弁６０３によって調節して高炉ガス６０をガスタービン燃焼器２に供給する。
コークス炉ガス燃料系統６０２は流量調節弁６０４を備え、ガスタービン燃焼器２の着火から部分負荷条件において流量調節弁６０４によって流量を調節してコークス炉ガス８０をガスタービン燃焼器２に供給する。
そして、これらの高炉ガス燃料系統６０１とコークス炉ガス燃料系統６０２は流量調節弁６０３、６０４の下流側で合流し、高炉ガス６０の流量が約９０％、コークス炉ガス８０の流量が約１０％の割合で混合した増熱ガス７０を形成して、燃料ガス供給系統６０５を通じてこの増熱ガス７０がガスタービン燃焼器２に燃料ガスとして供給されることになる。
前記燃料ガス供給系統６０５には、この増熱ガス７０のＣＯ２濃度を計測するＣＯ２濃度計７０１と、増熱ガス７０の圧力を調節する圧力調整弁６０６とをそれぞれ備えている。
前記燃料ガス供給系統６０５は圧力調整弁６０６の下流側で分岐して、分岐した一方は前記ガスタービン燃焼器２のバーナ３００の内周側に設置した内周スワラ２０１に増熱ガス７０の一部である内周燃料２０１ｆを供給する第１の燃料系統６０７と、分岐した他方はバーナ３００の外周側に設置した外周スワラ２０２に増熱ガス７０の一部である外周燃料２０２ｆを供給する第２の燃料系統６０８とそれぞれ接続している。
ＣＯ２濃度計７０１は、増熱ガス７０中のＣＯ２濃度を計測し、その計測した増熱ガス７０中のＣＯ２濃度を制御装置７００に伝達している。
前記第１の燃料系統６０７及び第２の燃料系統６０８には供給する増熱ガス７０の流量を調節する流量調節弁６０９及び６１０がそれぞれ備えられており、ＣＯ２濃度計７０１により計測された増熱ガス７０中のＣＯ２濃度の計測値に基づいて制御装置７００で演算され、出力される指令信号によって増熱ガス７０の流量を調節する流量調節弁６０９及び６１０を操作することで、第１の燃料系統６０７を通じてガスタービン燃焼器２のバーナ３００の内周スワラ２０１に供給する内周燃料２０１ｆ、および第２の燃料系統６０８を通じてガスタービン燃焼器２のバーナ３００の外周スワラ２０２に供給する外周燃料２０２ｆの燃料流量の調節がそれぞれ可能となる。
上記したガスタービン燃焼器２の燃料を制御する制御装置及び燃料制御方法について、図１、図２をもとに更に説明する。
図１及び図２において、ガスタービン装置の起動時には、起動用モータ（図示せず）などの外部動力によってガスタービン装置を駆動し、ガスタービン燃焼器２の着火に必要な燃焼空気１０２をガスタービン燃焼器２に供給する。
高炉ガス６０とコークス炉ガス８０とを混合させた増熱ガス７０の燃料ガスの一部を、第１の燃料系統６０７を通じてガスタービン燃焼器２のバーナ３００に設置した内周スワラ２０１に内周燃料２０１ｆを供給し、この高炉ガス６０とコークス炉ガス８０とを混合させた増熱ガス７０の燃料ガスの他の一部を、第２の燃料系統６０８を通じてガスタービン燃焼器２のバーナ３００に設置した外周スワラ２０２に外周燃料２０２ｆをそれぞれ供給し、点火栓（図示せず）により着火してガスタービン燃焼器２内に火炎を形成する。
ガスタービン燃焼器２の着火後、燃焼室１２内で形成された燃焼ガス１４０がタービン３に供給され、前記燃料ガスの流量増加とともにタービン３が昇速し、起動用モータの離脱によりガスタービン装置が自立運転に入り、無負荷定格回転数に到達する。
ガスタービン装置が無負荷定格回転数に到達後は、発電機４の併入、さらには燃料ガスの流量増加によりタービン３の入口ガス温度が上昇し、負荷が上昇する。
ガスタービン装置の負荷の上昇に伴い、ガスタービン燃焼器２の出口燃焼ガス温度が高くなり、燃焼安定性が増加するため、増熱ガス７０を形成するために高炉ガス６０に混合させるコークス炉ガス８０の供給を停止することが可能となる。
ガスタービン燃焼器２のバーナ３００においては、内周スワラ２０１によって図２に示すガスタービン燃焼器２の燃焼室１２内に形成される内周火炎５０１と、外周スワラ２０２によって燃焼室１２内の前記内周火炎５０１の外周側に形成される外周火炎５０２の相互作用によって、燃料ガスとして低カロリーガスである高炉ガス６０の専焼条件であってもガスタービン燃焼器２の燃焼室１２に形成する火炎を安定に保持できる。
次に、本実施例のガスタービン燃焼器における燃料の制御装置及びその燃料の制御方法について、図３に示すガスタービン燃焼器における燃料の制御装置及び図４に示すガスタービン燃焼器における燃料の制御方法のフローチャートを用いて説明する。
図３に示したガスタービン燃焼器２における燃料の制御装置７００は、本実施例のガスタービン燃焼器２における制御装置７００を構成する各演算器を示すものである。
また図４に示したフローチャートは、本実施例のガスタービン燃焼器２における制御装置７００で演算する各演算プロセスを示すものである。
図３に示したガスタービン燃焼器２における燃料の制御装置７００には、ガス燃料の組成である増熱ガス７０中のＣＯ２濃度を計測するＣＯ２濃度計７０１で計測したＣＯ２濃度の計測値に基づいてガスタービン燃焼器２のバーナ３００における内周燃料比率を演算する内周燃料比率演算器７１０と、前記内周燃料比率演算器７１０で演算した内周燃料比率に基づいて外周燃料の圧力比を演算すると共に、この外周燃料の圧力比と制限値７６０で設定した圧力比の制限値と比較して外周燃料の圧力比が前記制限値７６０で設定した制限値の範囲内であるか否かの判定の演算を行う外周燃料の圧力比演算器７３０が備えられている。
そして前記圧力比演算器７３０の演算で外周燃料の圧力比が制限値７６０で設定した制限値の範囲内（外周燃料の圧力比≦制限値）と判断された場合に、燃料流量演算器７５０によって前記内周燃料比率演算器７１０で演算した内周燃料比率となるように、第１の燃料系統６０７に設置した流量調節弁６０９及び第２の燃料系統６０８に設置した流量調節弁６１０に制御信号を出力して前記流量調節弁６０９及び６１０の開度をそれぞれ調節し、ガスタービン燃焼器２のバーナ３００に設置した内周スワラ２０１に該第１の燃料系統６０７を通じて供給する燃料である内周燃料２０１ｆの燃料供給量と、外周スワラ２０２に該第２の燃料系統６０８を通じて供給する燃料である外周燃料２０２ｆの燃料供給量を制御する。
そして前記圧力比演算器７３０の演算で外周燃料の圧力比が制限値７６０で設定した制限値の範囲外（外周燃料の圧力比＞制限値）と判断された場合には、コークス炉ガス流量演算器７４０の演算に基づいてコークス炉ガス燃料系統６０２に設置した流量調節弁６０４の開度を開いて該コークス炉ガス燃料系統６０２を通じて増熱ガス７０として供給されるコークス炉ガス８０の流量を増加させ、燃料ガス中のＣＯ２濃度を低減させる。
そして、前記圧力比演算器７３０の演算で外周燃料の圧力比が制限値７６０で設定した制限値の範囲内（外周燃料の圧力比≦制限値）となるまで、再度、前記内周燃料比率演算器７１０による演算によってＣＯ２濃度計７０１で計測した増熱ガス７０中のＣＯ２濃度の計測値に基づいて内周燃料比率を演算するプロセスを繰り返すように構成されている。
次に、本実施例のガスタービン燃焼器２における燃料の制御装置７００の演算プロセスについて、図３に示した燃料の制御装置７００と、図４に示した燃料の制御方法のフローチャートの各ステップとを関連付けて説明する。
図３及び図４において、最初に、高炉ガス組成変化のステップ８０１で、ガス燃料が当初計画した燃料組成に対して実測した燃料組成が変化すると、ＣＯ２濃度検出のステップ８０２に進んで、図３に示したＣＯ２濃度計７０１によってガス燃料である増熱ガス７０中のＣＯ２濃度を検出して燃料の制御装置７００に入力させる。
次に、内周燃料比率計算のステップ８０４に進んで、ＣＯ２濃度計７０１で計測したガス燃料中のＣＯ２濃度に基づき、前記制御装置７００を構成する内周燃料比率演算器７１０の演算によって、ガスタービン燃焼器２のバーナ３００に設置した内周スワラ２０１に供給する燃料である内周燃料２０１ｆと、外周スワラ２０２に供給する燃料である外周燃料２０２ｆとの比率（内周燃料比率）を算出する。
次に、外周燃料２０２の圧力比が制限値範囲内か否かを判断するステップ８０７に進んで、前記内周燃料比率演算器７１０で演算した内周燃料比率に基づいて、前記制御装置７００を構成する外周燃料の圧力比演算器７３０の演算によって外周燃料の圧力比を演算すると共に、この外周燃料の圧力比と制限値７６０で設定した圧力比の制限値と比較して外周燃料の圧力比が前記制限値７６０で設定した制限値の範囲内であるか否かの判定の演算を行なって、外周燃料２０２ｆの圧力比が制限値の範囲内（外周燃料の圧力比≦制限値）にあるか否かを判断する。
そして、前記圧力比演算器７３０の演算によって、外周燃料２０２ｆの圧力比が前記制限値７６０で設定した制限値の制限範囲内の場合（ＹＥＳの場合：外周燃料の圧力比≦制限値）に、次に燃料流量調節弁制御のステップ８０８に進んで、制御装置７００を構成する燃料流量演算器７５０によって前記内周燃料比率演算器７１０で演算した内周燃料比率となるように、第１の燃料系統６０７に設置した流量調節弁６０９及び第２の燃料系統６０８に設置した流量調節弁６１０に制御信号を出力して前記流量調節弁６０９及び６１０の開度をそれぞれ調節し、ガスタービン燃焼器２のバーナ３００に設置した内周スワラ２０１に該第１の燃料系統６０７を通じて供給する燃料である内周燃料２０１ｆの燃料供給量と、外周スワラ２０２に該第２の燃料系統６０８を通じて供給する燃料である外周燃料２０２ｆの燃料供給量を制御する。
また、前記圧力比演算器７３０の演算によって、外周燃料２０２ｆの圧力比が制限範囲外となる場合（ＮＯの場合：外周燃料の圧力比＞制限値）には、次に、コークス炉ガス流量増加のステップ８０９に進んで、制御装置７００を構成するコークス炉ガス流量演算器７４０による演算によってコークス炉ガス燃料系統６０２に設置した流量調節弁６０４を操作して、コークス炉ガス８０を供給する流量を増加し、燃料ガス中のＣＯ２濃度を低減させる。
そして、再度、ＣＯ２濃度検出のステップ８０２、及び内周燃料比率計算のステップ８０４を経由して、再度、燃料流量調節弁制御のステップ８０８に進んで、制御装置７００の圧力比演算器７３０の演算によって外周燃料の圧力比を演算すると共に、この外周燃料の圧力比と制限値とを比較して外周燃料の圧力比が制限値の範囲内であるか否かの判定の演算を行ない、外周燃料２０２ｆの圧力比が制限値の範囲内にあるか否かを判断する。
そして、前記圧力比演算器７３０の演算で外周燃料の圧力比が制限値７６０で設定した制限値の範囲内（外周燃料の圧力比≦制限値）となるまで、再度、前記内周燃料比率演算器７１０による演算によってＣＯ２濃度計７０１で計測した高炉ガス６０中のＣＯ２濃度の計測値に基づいて内周燃料比率を演算するプロセスを繰り返すように構成されている。
上述した本実施例のガスタービン燃焼器の燃料制御においては、前記した内周燃料比率は、図２Ａに示すガスタービン燃焼器２の燃焼室１２内の軸心側に形成される内周火炎５０１の温度が安定燃焼可能な温度以上となるように制御される。
図５に、本実施例のガスタービン燃焼器２における燃料の制御装置によって制御される燃料ガス中のＣＯ２濃度とガスタービン燃焼器２のバーナ３００に供給する燃料おける内周燃料比率の概念図を示す。
図５に示した実線の直線は、燃料ガス中のＣＯ２濃度が変化した時に、ガスタービン燃焼器２の燃焼室１２内に形成される内周火炎５０１の温度が安定燃焼可能な温度となる内周燃料比率を示した直線であり、この直線よりも上の領域で安定燃焼可能となる。
ここで、図５に示したように、横軸の燃料ガス中のＣＯ２濃度を計測すると、縦軸の安定燃焼可能な内周燃料比率の下限値φｍｉｎを決定できる。このため、内周燃料比率の設定値φには、式（１）の関係が成立する必要がある。
φ≧φｍｉｎ ・・・（１）
尚、式（１）の演算式を演算する演算器は、図３の制御装置７００の内周燃料比率演算器７１０に組み込まれている。
燃料ガス中のＣＯ２濃度が増加すると、ガスタービン燃焼器２の燃焼室１２内に形成される内周火炎５０１の温度が低下し、燃焼安定性が損なわれる可能性がある。
このため、内周燃料比率を高くして、内周火炎５０１の温度を安定燃焼可能な温度以上に制御する必要がある。
制御装置７００の内周燃料比率演算器７１０に、あらかじめガスタービンの着火から定格負荷におけるＣＯ２濃度と内周燃料比率の関係を設定データとして入力して保管しておき、この保管した設定データからＣＯ２濃度と内周燃料比率の関係を読みだして、ガスタービンの運転条件および燃料ガスである増熱ガス７０中のＣＯ２濃度に基づいて前記内周燃料比率演算器７１０によって適切な内周燃料比率の値を選択するように設定する。
また、ガスタービン燃焼器２のバーナ３００の内周スワラ２０１に第１の燃料系統６０７を通じて供給する内周燃料２０１ｆと、外周スワラ２０２に第２の燃料系統６０８を通じて供給する外周燃料２０２ｆは、共に上流側の燃料ガス燃料系統６０５から燃料ガスを供給されているため、ガスタービン燃焼器２のバーナ３００における内周燃料比率が決まると、外周燃料流量および外周燃料圧力比（外周燃料供給圧力／燃焼器圧力）がそれぞれ算出される。
この外周燃料流量および外周燃料圧力比（外周燃料供給圧力／燃焼器圧力）を演算する演算器は、図３の制御装置７００の外周燃料の圧力比演算器７３０に組み込まれている。
図６に、本実施例のガスタービン燃焼器２における燃料の制御装置によって制御されるガスタービン燃焼器２のバーナ３００の内周燃料比率と外周燃料圧力比の関係を示す概念図を示す。
図６に示したように、内周燃料比率の増加にともない外周燃料流量は低減し、外周燃料圧力比も徐々に低減する。この図６において、外周燃料圧力比には下限値Ｐ１および上限値Ｐ２がある。
そして外周燃料圧力比が下限値Ｐ１以下の条件では、図２Ａ及び図２Ｂに示したガスタービン燃焼器２のバーナ３００における外周スワラ２０２のガス噴孔４０３から燃料を供給する時の差圧が低くなり、ガス噴孔４０３から燃料を均一に供給できなくなる。
このため、ガスタービン燃焼器２のバーナ３００に設置した外周スワラ２０２に供給する外周燃料２０２ｆに偏差が生じ、図２Ａに示したガスタービン燃焼器２の燃焼室１２内の内周火炎５０１の外周側に形成される外周火炎５０２の安定性が損なわれる可能性がある。
また、外周燃料圧力比が高くなると、前記外周スワラ２０２のガス噴孔４０３から流入する外周燃料２０２ｆの流速が増大する。
本実施例で示したガスタービン燃焼器２のバーナ３００では、内周火炎５０１を基点としてその外周側に外周火炎５０２を形成するため、外周燃料２０２ｆの流速が増大すると外周火炎５０２が不安定化する可能性がある。
以上から、本実施例のガスタービン燃焼器２のバーナ３００における外周燃料圧力比を、Ｐ１以上で、且つ、Ｐ２以下とするためには、ガスタービン燃焼器２のバーナ３００における内周燃料比率の設定値φは、式（２）の関係が成立する必要がある。
φＰ２≦φ≦φＰ１ ・・・（２）
尚、式（２）の演算式を演算する演算器は、図３の制御装置７００の内周燃料比率演算器７１０に組み込まれている。
また、式（１）及び式（２）により、本実施例のガスタービン燃焼器２のバーナ３００における内周燃料比率の設定値φは、式（３）の範囲で制御する必要がある。
ｍａｘ（φｍｉｎ 、φＰ２）≦φ≦φＰ１ ・・・（３）
尚、式（３）の演算式を演算する演算器は、図３の制御装置７００の内周燃料比率演算器７１０に組み込まれている。
この場合、本実施例のガスタービン燃焼器２のバーナ３００における内周燃料比率の設定値φは以下の式（４）となるように制御することが望ましい。
このように、本実施例のガスタービン燃焼器２のバーナ３００の内周燃料比率を制御することで、内周燃料比率の上下限値に対して裕度を確保でき、ＣＯ２濃度以外の組成変化に対するガスタービン燃焼器の信頼性を向上することができる。
φ＝（ ｍａｘ（φｍｉｎ 、φＰ２）＋φＰ１）／２ ・・・（４）
尚、式（４）の演算式を演算する演算器は、図３の制御装置７００の内周燃料比率演算器７１０に組み込まれている。
本実施例では、高炉ガス６０とコークス炉ガス８０とを混合させて形成した増熱ガス７０を、ガスタービン燃焼器２に供給する燃料系統にＣＯ２濃度計７０１を設置し、増熱ガス７０中のＣＯ２濃度に応じてガスタービン燃焼器２のバーナ３００に供給する燃料の内周燃料比率、および増熱ガス７０を形成するために高炉ガス６０に混合するコークス炉ガス８０の混合量を制御することにある。
このように構成することで高炉ガス６０の燃料組成が変化してもガスタービン燃焼器２のバーナ３００に供給する増熱ガス７０の内周燃料比率を制御することで、ガスタービン燃焼器２の火炎の安定性を維持することができる。
また、増熱ガス７０の内周燃料比率の調節だけでガスタービン燃焼器２の安定性を維持できない場合に限り、増熱ガス７０に混合するコークス炉ガス８０の流量を増加するため、増熱ガス７０として高炉ガス６０の燃料流量に対して一定の比率でコークス炉ガス８０を供給する場合よりもコークス炉ガス８０の使用量を低減することができる。
また、本実施例では、増熱ガス７０を形成する高炉ガス６０の成分を計測する燃料組成はＣＯ２濃度だけであり、必要な計測装置はＣＯ２濃度計７０１となる。
このため、高炉ガス６０の成分をガスクロマトグラフにより分析する場合と比べ、燃料系統に必要なコストを低減できる。
また、赤外線式のＣＯ２濃度計７０１はガスクロマトグラフと比べて応答速度が速く、増熱ガス７０を形成する高炉ガス６０の燃料組成が変動した時に迅速に燃料制御に反映できる。このため、燃料組成の変動に対してより安定性を確保することができる。
本実施例によれば、発熱量が低く燃えにくい低カロリーガスを燃料ガスとして燃焼させる際に、燃料ガスの組成が変動した場合でもＣＯ排出濃度の増加を抑制して安定燃焼を可能にしたガスタービン燃焼器が実現できる。
次に本発明の第２実施例であるガスタービン燃焼器及びガスタービン燃焼器の燃料制御方法について図７〜図１２を用いて説明する。
本実施例のガスタービン燃焼器及びガスタービン燃焼器の燃料制御方法は、図１〜図６に示した第１実施例のガスタービン燃焼器及びガスタービン燃焼器の燃料制御方法と基本的な構成及び内容は共通しているので、両者に共通した説明は省略し、相違する部分についてのみ以下に説明する。
図７に本発明の第２実施例としてガスタービン燃焼器とその燃料系統を示す。本実施例のガスタービン燃焼器２においては、前記第１実施例のガスタービン燃焼器２の構成に加えて、燃料ガス供給系統６０５に増熱ガス７０に含まれるガス成分のＨ２濃度を測定するＨ２濃度計７０３を設置している。
本実施例のガスタービン燃焼器２のバーナ３００に使用される低カロリー燃料は、高炉ガス６０とコークス炉ガス８０とを混合させた増熱ガス７０であるが、これらの高炉ガス６０とコークス炉ガス８０の双方共にＨ２を含む燃料である。
Ｈ２は単位体積当たりの発熱量が高く燃焼速度が速いため燃えやすい燃料であり、燃料中のＨ２濃度が高くなると燃焼安定性が高くなる。
このため、増熱ガス７０中のＣＯ２濃度が高くても、Ｈ２濃度が高ければ、ガスタービン燃焼器２のバーナ３００で燃焼させる燃料として、増熱ガス７０を形成する高炉ガス６０の専焼で安定燃焼が可能性となる。
本実施例のガスタービン燃焼器２における燃料の制御装置７００の演算プロセスについて、図８に示した燃料の制御装置７００と、図９に示した燃料の制御方法のフローチャートの各ステップとを関連付けて説明する。
図８及び図９において、本実施例のガスタービン燃焼器２の燃料制御装置及び燃料制御方法では、ＣＯ２・Ｈ２濃度検出のステップ８０３で、高炉ガス６０等の低カロリーガス燃料と、コークス炉ガス８０の高カロリーガス燃料とを混合させて形成した増熱ガス７０の組成である増熱ガス７０中のＣＯ２濃度およびＨ２濃度をＣＯ２濃度計７０１及びＨ２濃度計７０３で計測する。
図８に示した本実施例のガスタービン燃焼器２における燃料の制御装置７００には、ガス燃料の組成である増熱ガス７０中のＣＯ２濃度を計測するＣＯ２濃度計７０１で計測したＣＯ２濃度に加えて、増熱ガス７０中のＨ２濃度を計測するＨ２濃度計７０３で計測したＨ２濃度の計測値が、ガスタービン燃焼器の増熱ガス７０の内周燃料比率を演算する内周燃料比率演算器７１０及び内周燃料比率補正演算器７７０に入力される。
そして、まず最初に、内周燃料比率計算のステップ８０４で、ＣＯ２濃度計７０１で計測した増熱ガス７０中のＣＯ２濃度に基づいて燃料の制御装置７００における内周燃料比率演算器７１０によってガスタービン燃焼器２のバーナ３００に供給する増熱ガス７０の燃料ガスの内周燃料比率を演算する。
次に、内周燃料比率補正のステップ８０５に進んで、前記内周燃料比率演算器７１０で算出した前記内周燃料比率に対し、Ｈ２濃度計７０３で計測した増熱ガス７０中のＨ２濃度の計測値に基づいて、増熱ガス７０の燃料ガス中のＨ２濃度の補正を内周燃料比率補正演算器７７０による演算によって行う。
この内周燃料比率補正演算器７７０では、あらかじめ増熱ガス７０中のＨ２濃度と内周燃料比率の関係を設定データとして入力して保管しておき、この保管した設定データから
Ｈ２濃度と内周燃料比率の関係を読みだして、ガスタービンの運転条件および増熱ガス７０中のＨ２濃度に基づいて前記内周燃料比率補正演算器７７０によって適切な内周燃料比率の補正値を選択するように設定する。
次に、外周燃料２０２の圧力比が制限値範囲内か否かを判断するステップ８０７に進んで、前記内周燃料比率補正演算器７７０で演算した内周燃料比率の補正値に基づいて外周燃料の圧力比演算器７３０によって演算を行ない、外周燃料の圧力比を演算すると共に、この外周燃料の圧力比と制限値７６０で設定した圧力比の制限値と比較して外周燃料の圧力比が前記制限値７６０で設定した制限値の範囲内であるか否かの判定の演算を行なって、外周燃料２０２ｆの圧力比が制限値の範囲内（外周燃料の圧力比≦制限値）にあるか否かを判断する。
そして、前記圧力比演算器７３０の演算によって、外周燃料２０２ｆの圧力比が前記制限値７６０で設定した制限値の制限範囲内の場合（ＹＥＳの場合：外周燃料の圧力比≦制限値）に、次に燃料流量調節弁制御のステップ８０８に進んで、制御装置７００を構成する燃料流量演算器７５０によって前記内周燃料比率演算器７１０で演算した内周燃料比率となるように、第１の燃料系統６０７に設置した流量調節弁６０９及び第２の燃料系統６０８に設置した流量調節弁６１０に制御信号を出力して前記流量調節弁６０９及び６１０の開度をそれぞれ調節し、ガスタービン燃焼器２のバーナ３００に設置した内周スワラ２０１に該第１の燃料系統６０７を通じて供給する増熱ガス７０の燃料である内周燃料２０１ｆの燃料供給量と、外周スワラ２０２に該第２の燃料系統６０８を通じて供給する増熱ガス７０の燃料である外周燃料２０２ｆの燃料供給量を制御する。
そして前記内周燃料比率補正演算器７７０の演算によって補正した後のガスタービン燃焼器２のバーナ３００に供給する増熱ガス７０の燃料の内周燃料比率に基づいて、外周燃料２０２ｆの圧力比が制限値範囲内で算出した内周燃料比率となるように流量調節弁を制御する。
前記圧力比演算器７３０の演算によって、外周燃料２０２ｆの圧力比が制限範囲外となる場合（ＮＯの場合：外周燃料の圧力比＞制限値）には、次に、コークス炉ガス流量増加のステップ８０９に進んで、制御装置７００を構成するコークス炉ガス流量演算器７４０による演算によってコークス炉ガス燃料系統６０２に設置した流量調節弁６０４を操作して、増熱ガス７０を形成するために高炉ガス６０に混合するコークス炉ガス８０を供給する流量を増加し、燃料ガス中のＣＯ２濃度を低減させる。
そして、再度、ＣＯ２・Ｈ２濃度検出のステップ８０３、内周燃料比率計算のステップ８０４、及び内周燃料比率補正のステップ８０５を経由して、再度、燃料流量調節弁制御のステップ８０８に進んで、制御装置７００の圧力比演算器７３０の演算によって外周燃料の圧力比を演算すると共に、この外周燃料の圧力比と制限値とを比較して外周燃料の圧力比が制限値の範囲内であるか否かの判定の演算を行ない、外周燃料２０２ｆの圧力比が制限値の範囲内にあるか否かを判断する。
そして、前記圧力比演算器７３０の演算で外周燃料の圧力比が制限値７６０で設定した制限値の範囲内（外周燃料の圧力比≦制限値）となるまで、再度、前記内周燃料比率演算器７１０による演算によってＣＯ２濃度計７０１で計測した増熱ガス７０中のＣＯ２濃度の計測値に基づいて内周燃料比率を演算するプロセスを繰り返すように構成されている。
図１０に、燃料の計画組成よりもＨ２濃度が高い燃料ガスである増熱ガス７０におけるＣＯ２濃度と内周燃料比率の関係の概念図を示す。
図１０中の細い実線は第１実施例の場合の図５に示した内周燃料比率と同様に、燃料中のＣＯ２濃度をもとにガスタービン燃焼器２の燃焼室１２内に形成される内周火炎５０１の温度が安定燃焼可能な温度となる内周燃料比率を示した直線であり、太い実線はその直線に対してＨ２濃度の影響を補正した直線である。
計画組成よりもＨ２濃度が高い燃料ガスである増熱ガス７０は、燃料ガス中のＣＯ２濃度が高い条件でも安定燃焼しやすいため、内周燃料比率の下限は低くなる。
これに対し、計画組成よりもＨ２濃度が低い増熱ガス７０では、安定燃焼するためにより内周燃料比率を高くする必要があり、内周燃料比率の下限は高くなる。
図１０に太い実線で示したＨ２濃度補正後の内周燃料比率の下限値φｍｉｎＡは、Ｈ２濃度補正前の内周燃料比率の下限値φｍｉｎに対して式（５）の関係となる。
φｍｉｎＡ≦φｍｉｎ （Ｈ２−Ｈ２’≧０）, φｍｉｎＡ＞φｍｉｎ （Ｈ２−Ｈ２’＜０）・・（５）
Ｈ２：水素濃度計測値 Ｈ２’：水素濃度基準値
尚、式（５）の演算式を演算する演算器は、図８の制御装置７００の内周燃料比率補正演算器７７０に組み込まれている。
図１１に、本実施例のガスタービン燃焼器２における燃料の制御装置７００によって制御されるガスタービン燃焼器２のバーナ３００に供給する増熱ガス７０が、燃料の計画組成よりもＣＯ２濃度及びＨ２濃度が共に高い燃料である場合における、ガスタービン燃焼器２のバーナ３００に供給する内周燃料比率と外周燃料圧力比の概念図を示す。
増熱ガス７０中のＣＯ２濃度が高い場合には、図２Ａに示すガスタービン燃焼器２の燃焼室１２内の軸心側に形成される内周火炎５０１の温度を高く設定する必要があり、図１１に示す内周燃料比率の下限値φｍｉｎ（安定燃焼のための最低内周燃料比率）が外周燃料圧力比から決まる内周燃料比率の上限値φＰ１（ガスタービン燃焼器２のバーナ３００における外周スワラ２０２のガス噴孔４０３から燃料を均一に供給するための内周燃料比率上限）を上回る可能性がある。
この場合、本実施例のガスタービン燃焼器２における燃料の制御装置７００においては、図９に示したコークス炉ガス流量増加のステップ８０９に進み、図８に示したコークス炉ガス流量演算器７４０による演算操作により、ガスタービン燃焼器２の燃焼安定性を高めるために、増熱ガス７０を形成するために高炉ガス６０に混合するコークス炉ガス８０の流量を増加させれば良い。
これに対し、増熱ガス７０中のＨ２濃度が高い場合には、Ｈ２濃度の影響を考慮して算出した内周燃料比率φｍｉｎＡは、内周燃料比率の下限値φｍｉｎよりも低くなり、内周燃料比率の上限値φＰ１以下となる可能性がある。
そこで、この場合には、増熱ガス７０中のＨ２濃度の影響を考慮して、増熱ガス７０を形成する燃料ガスとして高炉ガス６０を専焼してガスタービン燃焼器２を燃焼するように制御すれば、コークス炉ガス８０の消費を抑えることができる。
図１２に、本実施例のガスタービン燃焼器２における燃料の制御装置７００によって制御されるガスタービン燃焼器２のバーナ３００に供給する増熱ガス７０が、燃料の計画組成よりもＨ２濃度が低い燃料である場合における、ガスタービン燃焼器２のバーナ３００に供給する燃料の内周燃料比率と外周燃料圧力比の概念図を示す。
そこで図１２に示すように、増熱ガス７０中のＨ２濃度が低い場合、火炎の安定性を高めるために、ガスタービン燃焼器２の燃焼室１２内の軸心側に形成される内周火炎５０１の温度を高く設定すれば良い。
この結果、増熱ガス７０中のＨ２濃度の影響を考慮して算出したガスタービン燃焼器２のバーナ３００に供給する燃料における内周燃料比率φｍｉｎＡは、内周燃料比率の下限値φｍｉｎよりも高くなり、前記した式（４）から算出される内周燃料比率も、Ｈ２濃度の影響を考慮して内周燃料比率補正値として算出した内周燃料比率φ’は、Ｈ２濃度の影響を考慮しないで演算した場合の内周燃料比率φよりも高くなる。
そこで、増熱ガス７０中のＨ２濃度の影響を考慮して図９に示した内周燃料比率補正のステップ８０５にて、図８に示した内周燃料比率補正演算器７７０による演算により内周燃料比率を補正する。
この結果、増熱ガス７０中のＨ２濃度が想定よりも低下して燃えにくい燃料組成となった場合に、ガスタービン燃焼器２のバーナ３００に供給する燃料の内周燃料比率を高く設定して、増熱ガス７０を形成するために高炉ガス６０に合流させるコークス炉ガス８０の流量を増加させて、ガスタービン燃焼器２の燃焼安定性を確保することができる。
本実施例のガスタービン燃焼器２における燃料の制御装置７００の要点は、高炉ガス６０とコークス炉ガス８０とを混合して形成した増熱ガス７０をガスタービン燃焼器２のバーナ３００に供給する燃料ガス供給系統６０５に、ＣＯ２濃度計７０１に加えてＨ２濃度計７０３を設置し、ガスタービン燃焼器２における燃料の制御装置７００に、内周燃料比率演算器７１０で演算した内周燃料比率の値を、増熱ガス７０中のＨ２濃度に応じて燃料の内周燃料比率を補正するように内周燃料比率補正演算器７７０を設置するように構成したことにある。
このように本実施例のガスタービン燃焼器２における燃料の制御装置７００を構成することで、増熱ガス７０中のＨ２濃度が高い場合には、ガスタービン燃焼器２のバーナ３００に供給する増熱ガス７０の燃料の内周燃料比率を低くなるように制御して、増熱ガス７０を形成するために高炉ガス６０に混合させるコークス炉ガス８０の流量を低減することができる。
また、増熱ガス７０中のＨ２濃度が低い場合には、ガスタービン燃焼器２のバーナ３００に供給する増熱ガス７０の燃料の内周燃料比率を高くなるように制御して、増熱ガス７０を形成するために高炉ガス６０に混合させるコークス炉ガス８０の流量を増加させることで、ガスタービン燃焼器２の燃焼安定性を確保することができる。
また、本実施例では増熱ガス７０を形成するために高炉ガス６０に合流させるコークス炉ガス８０を例に説明したが、コークス炉ガス８０以外にも、転炉ガス、転炉ガスとコークス炉ガスの混合ガス、ＬＮＧ、ＬＰＧなどの高カロリーガスを用いた場合も同様の効果が得られる。
本実施例によれば、発熱量が低く燃えにくい低カロリーガスを燃料ガスとして燃焼させる際に、燃料ガスの組成が変動した場合でもＣＯ排出濃度の増加を抑制して安定燃焼を可能にしたガスタービン燃焼器が実現できる。
１：圧縮機、２：ガスタービン燃焼器、３：タービン、４：発電機、１０：外筒、１１：フロースリーブ、１２：燃焼室、１３：ライナ、６０：高炉ガス、７０：増熱ガス、８０：コークス炉ガス、１０１：空気、１０２：燃焼空気、１０２ａ：内周スワラ燃焼空気、１４０：燃焼ガス、２０１：内周スワラ、２０１ｆ：内周燃料、２０２：外周スワラ、２０２ｆ：外周燃料、３００：バーナ、４０１：内周スワラガス噴孔、４０２：内周スワラ空気噴孔、４０３：外周スワラガス噴孔、５０１：内周火炎、５０２：外周火炎、６０１：高炉ガス燃料系統、６０２：コークス炉ガス燃料系統、６０３：高炉ガス燃料系統流量調節弁、６０４：コークス炉ガス燃料系統流量調節弁、６０５：燃料ガス供給系統、６０６：圧力調節弁、６０７：第１の燃料系統、６０８：第２の燃料系統、６０９：第１の燃料系統流量調節弁、６１０：第２の燃料系統流量調節弁、７００：制御装置、７０１：ＣＯ２濃度計、７０３：Ｈ２濃度計。

Claims (24)

  1. ガスタービン燃焼器に供給するガス燃料として、二酸化炭素を含む低カロリーガスを主燃料として供給する低カロリーガス燃料系統と、前記主燃料に混合する燃料となる高カロリーガスを供給する高カロリーガス供給系統を備え、
    燃料ガスと空気を混合して燃焼する燃焼室と、前記燃焼室の上流側に設置され該燃焼室内に燃料と空気を供給して火炎を保持するバーナと、前記バーナに設けられ前記燃料と空気の旋回流を形成する内周スワラ及び該内周スワラの外周側に設置した外周スワラとを備えたガスタービン燃焼器を設け、
    前記低カロリーガス燃料系統と高カロリーガス燃料系統とを合流させて低カロリーガスと高カロリーガスとを混合して形成した増熱ガスをガスタービン燃焼器に供給する燃料ガス燃料系統を配設すると共に、この増熱ガスを供給する前記燃料ガス燃料系統を下流側で分岐させて、ガスタービン燃焼器のバーナの前記内周スワラに供給する第１の燃料系統と、ガスタービン燃焼器のバーナの前記外周スワラに供給する第２の燃料系統をそれぞれ配設し、
    前記燃料ガス燃料系統に流下する増熱ガス中の二酸化炭素濃度を計測する二酸化炭素濃度計を設け、
    前記内周スワラに供給する第１の燃料系統にガス燃料の流量を制御する第１の流量調節弁を、前記外周スワラに供給する第２の燃料系統にガス燃料の流量を制御する第２の流量調節弁をそれぞれ設置し、
    前記二酸化炭素濃度計で計測した増熱ガス中の二酸化炭素濃度に基づいて前記第１の流量調節弁及び第２の流量調節弁の開度を調節して燃料の流量をそれぞれ制御する制御装置を備えたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
  2. 請求項１に記載のガスタービン燃焼器において、
    前記制御装置は、前記二酸化炭素濃度計で計測した増熱ガス中の二酸化炭素濃度に基づいて前記第１の流量調節弁及び第２の流量調節弁の開度を調節して前記バーナの内周スワラ及び外周スワラに供給する燃料比率を制御する制御装置を備えたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
  3. 請求項２に記載のガスタービン燃焼器において、
    前記制御装置は、前記二酸化炭素濃度計で計測した増熱ガス中の二酸化炭素濃度が設定値よりも増加した場合は、前記バーナの前記内周スワラに供給する燃料流量が外周スワラに供給する燃料流量よりも増加するように前記第１の流量調節弁及び第２の流量調節弁の開度を調節して前記バーナの内周燃料比率を増加させるように制御することを特徴とするガスタービン燃焼器。
  4. 請求項２に記載のガスタービン燃焼器において、
    前記制御装置は、前記二酸化炭素濃度計で計測した増熱ガス中の二酸化炭素濃度が設定値よりも減少した場合は、前記バーナの前記内周スワラに供給する燃料流量が外周スワラに供給する燃料流量よりも減少するように前記第１の流量調節弁及び第２の流量調節弁の開度を調節して前記バーナの内周燃料比率を減少させるように制御することを特徴とするガスタービン燃焼器。
  5. 請求項１に記載のガスタービン燃焼器において、
    前記制御装置は、前記二酸化炭素濃度計で計測した燃料ガス中の二酸化炭素濃度に基づいて前記増熱ガスを形成するために高カロリーガス供給系統を通じて供給する高カロリーガスの流量を制御することを特徴とするガスタービン燃焼器。
  6. 請求項１乃至請求項５の何れか１項におけるガスタービン燃焼器において、
    前記増熱ガスとして水素を含むコークス炉ガス、転炉ガス、ＬＮＧ、ＬＰＧの何れかを用いることを特徴とするガスタービン燃焼器。
  7. ガスタービン燃焼器に供給するガス燃料として、二酸化炭素を含む低カロリーガスを主燃料として供給する高炉ガス燃料系統と、前記主燃料に混合する燃料となる増熱ガスを供給する増熱ガス供給系統を備え、
    燃料ガスと空気を混合して燃焼する燃焼室と、前記燃焼室の上流側に設置され該燃焼室内に燃料と空気を供給して火炎を保持するバーナと、前記バーナに設けられ前記燃料と空気の旋回流を形成する内周スワラ及び該内周スワラの外周側に設置した外周スワラとを備えたガスタービン燃焼器を設け、
    前記高炉ガス燃料系統と増熱ガス供給系統とを合流させた燃料ガス燃料系統を配設すると共に、この燃料ガス燃料系統を下流側で分岐させて、ガスタービン燃焼器のバーナの前記内周スワラに供給する第１の燃料系統と、ガスタービン燃焼器のバーナの前記外周スワラに供給する第２の燃料系統をそれぞれ配設し、
    前記燃料ガス燃料系統に該燃料ガス燃料系統を流れる燃料ガス中の二酸化炭素濃度を計測する二酸化炭素濃度計及び水素濃度を計測する水素濃度計を設け、
    前記内周スワラに供給する第１の燃料系統にガス燃料の流量を制御する第１の流量調節弁を、前記外周スワラに供給する第２の燃料系統にガス燃料の流量を制御する第２の流量調節弁をそれぞれ設置し、
    前記二酸化炭素濃度計及び水素濃度計で計測した燃料ガス中の二酸化炭素濃度及び水素濃度に基づいて前記第１の流量調節弁及び第２の流量調節弁の開度を調節する制御装置を備え、
    前記制御装置によって前記二酸化炭素濃度計及び水素濃度計で計測した燃料ガス中の二酸化炭素濃度及び水素濃度に基づいて前記第１の流量調節弁及び第２の流量調節弁の開度を調節して燃料の流量をそれぞれ制御することを特徴とするガスタービン燃焼器。
  8. 請求項７に記載のガスタービン燃焼器において、
    前記制御装置では、前記二酸化炭素濃度計に基づいて算出した内周スワラおよび外周スワラに供給する燃料の比率を、前記水素濃度計で計測した燃料ガス中の水素濃度に基づいて補正し、この燃料の比率の補正値に基づいて前記第１の流量調節弁及び第２の流量調節弁の開度を調節して前記燃料比率を制御する制御装置を備えたことを特徴とするガスタービン燃焼器の燃料制御方法。
  9. 請求項８に記載のガスタービン燃焼器において、
    前記制御装置は、前記二酸化炭素濃度計で計測した増熱ガス中の二酸化炭素濃度が設定値よりも増加した場合は、前記バーナの前記内周スワラに供給する燃料流量が外周スワラに供給する燃料流量よりも増加するように前記第１の流量調節弁及び第２の流量調節弁の開度を調節して前記バーナの内周燃料比率を増加させるように制御することを特徴とするガスタービン燃焼器。
  10. 請求項８に記載のガスタービン燃焼器において、
    前記制御装置は、前記二酸化炭素濃度計で計測した増熱ガス中の二酸化炭素濃度が設定値よりも減少した場合は、前記バーナの前記内周スワラに供給する燃料流量が外周スワラに供給する燃料流量よりも減少するように前記第１の流量調節弁及び第２の流量調節弁の開度を調節して前記バーナの内周燃料比率を減少させるように制御することを特徴とするガスタービン燃焼器。
  11. 請求項８に記載のガスタービン燃焼器において、
    前記制御装置は、前記二酸化炭素濃度計で計測した燃料ガス中の二酸化炭素濃度に基づいて前記増熱ガスを形成するために高カロリーガス供給系統を通じて供給する高カロリーガスの流量を制御することを特徴とするガスタービン燃焼器。
  12. 請求項７乃至請求項１１の何れか１項におけるガスタービン燃焼器において、
    前記増熱ガスとして水素を含むコークス炉ガス、転炉ガス、ＬＮＧ、ＬＰＧの何れかを用いることを特徴とするガスタービン燃焼器。
  13. ガスタービン燃焼器に供給するガス燃料として、二酸化炭素を含む低カロリーガスを主燃料として供給する低カロリーガス燃料系統と、前記主燃料に混合する燃料となる高カロリーガスを供給する高カロリーガス供給系統を備え、
    前記低カロリーガス燃料系統と高カロリーガス燃料系統とを合流させて低カロリーガスと高カロリーガスとを混合して形成した増熱ガスをガスタービン燃焼器に供給する燃料ガス燃料系統を配設すると共に、この増熱ガスを供給する前記燃料ガス燃料系統を下流側で分岐させて、ガスタービン燃焼器のバーナの前記内周スワラに供給する第１の燃料系統と、ガスタービン燃焼器のバーナの前記外周スワラに供給する第２の燃料系統をそれぞれ配設し、
    燃料ガスと空気を混合して燃焼する燃焼室と、前記燃焼室の上流側に設置され該燃焼室内に燃料と空気を供給して火炎を保持するバーナと、前記バーナに設けられ前記燃料と空気の旋回流を形成する内周スワラ及び該内周スワラの外周側に設置した外周スワラとを備えたガスタービン燃焼器の燃料制御方法において、
    前記燃料ガス燃料系統に流下する増熱ガス中の二酸化炭素濃度を計測し、この増熱ガスの二酸化炭素濃度の計測値に基づいて、前記内周スワラに供給する第１の燃料系統を流下するガス燃料の流量を調節する第１の流量調節弁と、前記外周スワラに供給する第２の燃料系統を流下するガス燃料の流量を調節する第２の流量調節弁の開度をそれぞれ調節して、前記バーナの内周スワラ及び外周スワラに供給する燃料の流量を制御することを特徴とするガスタービン燃焼器の燃料制御方法。
  14. 請求項１３に記載のガスタービン燃焼器の燃料制御方法において、
    前記二酸化炭素濃度計で計測した増熱ガス中の二酸化炭素濃度に基づいて前記第１の流量調節弁及び第２の流量調節弁の開度を調節して前記バーナの内周スワラ及び外周スワラに供給する燃料比率を制御することを特徴とするガスタービン燃焼器の燃料制御方法。
  15. 請求項１４に記載のガスタービン燃焼器の燃料制御方法において、
    前記二酸化炭素濃度計で計測した増熱ガス中の二酸化炭素濃度が設定値よりも増加した場合は、前記バーナの前記内周スワラに供給する燃料流量が外周スワラに供給する燃料流量よりも増加するように前記第１の流量調節弁及び第２の流量調節弁の開度を調節して前記バーナの内周燃料比率を増加させるように制御することを特徴とするガスタービン燃焼器の燃料制御方法。
  16. 請求項１４に記載のガスタービン燃焼器の燃料制御方法において、
    前記制御装置は、前記二酸化炭素濃度計で計測した増熱ガス中の二酸化炭素濃度が設定値よりも減少した場合は、前記バーナの前記内周スワラに供給する燃料流量が外周スワラに供給する燃料流量よりも減少するように前記第１の流量調節弁及び第２の流量調節弁の開度を調節して前記バーナの内周燃料比率を減少させるように制御することを特徴とするガスタービン燃焼器の燃料制御方法。
  17. 請求項１４に記載のガスタービン燃焼器の燃料制御方法において、
    前記二酸化炭素濃度計で計測した燃料ガス中の二酸化炭素濃度に基づいて前記増熱ガスを形成するために高カロリーガス供給系統を通じて供給する高カロリーガスの流量を制御することを特徴とするガスタービン燃焼器の燃料制御方法。
  18. 請求項１３乃至請求項１７の何れか１項におけるガスタービン燃焼器の燃料制御方法において、
    前記増熱ガスとして水素を含むコークス炉ガス、転炉ガス、ＬＮＧ、ＬＰＧの何れかを用いることを特徴とするガスタービン燃焼器の燃料制御方法。
  19. ガスタービン燃焼器に供給するガス燃料として、二酸化炭素を含む低カロリーガスを主燃料として供給する低カロリーガス燃料系統と、前記主燃料に混合する燃料となる高カロリーガスを供給する高カロリーガス供給系統を備え、
    前記低カロリーガス燃料系統と高カロリーガス燃料系統とを合流させて低カロリーガスと高カロリーガスとを混合して形成した増熱ガスをガスタービン燃焼器に供給する燃料ガス燃料系統を配設すると共に、この増熱ガスを供給する前記燃料ガス燃料系統を下流側で分岐させて、ガスタービン燃焼器のバーナの前記内周スワラに供給する第１の燃料系統と、ガスタービン燃焼器のバーナの前記外周スワラに供給する第２の燃料系統をそれぞれ配設し、
    燃料ガスと空気を混合して燃焼する燃焼室と、前記燃焼室の上流側に設置され該燃焼室内に燃料と空気を供給して火炎を保持するバーナと、前記バーナに設けられ前記燃料と空気の旋回流を形成する内周スワラ及び該内周スワラの外周側に設置した外周スワラとを備えたガスタービン燃焼器の燃料制御方法において、
    前記燃料ガス燃料系統に流下する増熱ガス中の二酸化炭素濃度及び水素濃度をそれぞれ計測し、この増熱ガスの二酸化炭素濃度及び水素濃度の計測値に基づいて、前記内周スワラに供給する第１の燃料系統を流下するガス燃料の流量を調節する第１の流量調節弁と、前記外周スワラに供給する第２の燃料系統を流下するガス燃料の流量を調節する第２の流量調節弁の開度をそれぞれ調節して、前記バーナの内周スワラ及び外周スワラに供給する燃料の流量を制御することを特徴とするガスタービン燃焼器の燃料制御方法。
  20. 請求項１９に記載のガスタービン燃焼器の燃料制御方法において、
    前記制御装置では、前記二酸化炭素濃度計に基づいて算出した内周スワラおよび外周スワラに供給する燃料の比率を、前記水素濃度計で計測した燃料ガス中の水素濃度に基づいて補正し、この燃料の比率の補正値に基づいて前記第１の流量調節弁及び第２の流量調節弁の開度を調節して前記燃料比率を制御する制御装置を備えたことを特徴とするガスタービン燃焼器の燃料制御方法。
  21. 請求項２０に記載のガスタービン燃焼器の燃料制御方法において、
    前記二酸化炭素濃度計で計測した増熱ガス中の二酸化炭素濃度が設定値よりも増加した場合は、前記バーナの前記内周スワラに供給する燃料流量が外周スワラに供給する燃料流量よりも増加するように前記第１の流量調節弁及び第２の流量調節弁の開度を調節して前記バーナの内周燃料比率を増加させるように制御することを特徴とするガスタービン燃焼器の燃料制御方法。
  22. 請求項２０に記載のガスタービン燃焼器の燃料制御方法において、
    前記二酸化炭素濃度計で計測した増熱ガス中の二酸化炭素濃度が設定値よりも減少した場合は、前記バーナの前記内周スワラに供給する燃料流量が外周スワラに供給する燃料流量よりも減少するように前記第１の流量調節弁及び第２の流量調節弁の開度を調節して前記バーナの内周燃料比率を減少させるように制御することを特徴とするガスタービン燃焼器の燃料制御方法。
  23. 請求項２０に記載のガスタービン燃焼器の燃料制御方法において、
    前記二酸化炭素濃度計で計測した燃料ガス中の二酸化炭素濃度に基づいて前記増熱ガスを形成するために高カロリーガス供給系統を通じて供給する高カロリーガスの流量を制御することを特徴とするガスタービン燃焼器の燃料制御方法。
  24. 請求項１９乃至請求項２３の何れか１項におけるガスタービン燃焼器の燃料制御方法において、
    前記増熱ガスとして水素を含むコークス炉ガス、転炉ガス、ＬＮＧ、ＬＰＧの何れかを用いることを特徴とするガスタービン燃焼器の燃料制御方法。
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