JP2015048759A - ガスタービン燃焼システム - Google Patents

Abstract

【課題】部分負荷から定格負荷までの全負荷条件においてガス燃料の未燃分の排出を抑制することができるガスタービン燃焼システムを提供する。
【解決手段】複数のガス燃料バーナ３２，３３と、ガス燃料に混合する空気の流量を調整するＩＧＶ９と、複数のガス燃料バーナ３２，３３の一部でガス燃料を燃焼させる部分燃焼モードからガス燃料バーナ３２，３３の全部でガス燃料を燃焼させる全燃焼モードに燃焼モードが切り換わる時に、ＩＧＶ９に信号を出力して空気流量を基準流量から設定流量に一時的に下げる制御装置５００とを備えたことを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明はガスタービン燃焼システムに関する。

近年、発電コスト低減、資源有効利用、地球温暖化防止等の観点から、製鉄所で副生するコークス炉ガスや製油所で副生するオフガス等の副生ガスを燃料として有効利用することが検討されている。また、豊富な資源である石炭をガス化して発電する石炭ガス化複合発電プラント（ＩＧＣＣ：Integrated coal Gasification Combined Cycle）では、ガスタービンに供給されるガス燃料中の炭素分を回収・貯留するシステム（ＣＣＳ：Carbon Capture and Storage）により、石炭の炭素分を水素（Ｈ_２）に転換して二酸化炭素（ＣＯ_２）の排出量を削減する方策が検討されている（特許文献１等参照）。

特開２０１３−１３９９７５号公報

副生ガスや石炭ガス等は水素を含んでいる。このようなガス燃料を使用する場合、着火に失敗するとガス燃料が未燃のまま燃焼器から排出されてタービンに水素が浸入し得る。そのため、水素を含まない起動用燃料（油燃料等）で着火し、部分負荷条件で起動用燃料からガス燃料に燃料を切り替えた後、ガス燃料を燃焼させるバーナの数を増やしていって定格負荷条件に移行するという運転方法を採用する場合がある。ＩＧＣＣプラントでも、ガス化炉はガスタービン排熱で発生した蒸気を利用して石炭ガス化ガスを生成するため、石炭ガス化ガス以外の起動用燃料でガスタービンを起動し、上記の運転方法を採用する。

しかしながら、一部のバーナを用いてガス燃料を燃焼させるモード（以下、部分燃焼モード）から全てのバーナを用いてガス燃料を燃焼させるモード（以下、全燃焼モード）に燃焼モードを切り換えた直後においては、燃料流量の増加割合に対して燃焼エリアの拡大が大きいため一時的に燃料濃度が低下する。燃料濃度が低下する間、火炎温度は低下してガス燃料の不完全燃焼が起こり、ＣＯや未燃炭化水素等の未燃成分の排出量が増加し得る。この場合、未燃分の排出量が環境規制値を超過する、さらには発電出力が低下する等の不具合が懸念される。

本発明の目的は、部分負荷から定格負荷までの全負荷条件においてガス燃料の未燃分の排出を抑制することができるガスタービン燃焼システム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、複数のガス燃料バーナの一部でガス燃料を燃焼させる部分燃焼モードから複数のガス燃料バーナの全部でガス燃料を燃焼させる全燃焼モードに燃焼モードが切り換わる時に、燃焼器入口空気流量を基準流量から設定流量に一時的に下げる。

本発明によれば、部分負荷から定格負荷までの全負荷条件においてガス燃料の未燃分の排出を抑制することができる。したがって、Ｈ_２やＣＯを含むガス燃料を使用してもＣＯや未燃炭化水素等の排出量を抑えることができる。

本発明の第１の実施の形態に係るガスタービン燃焼システムを備えたガスタービンプラントの一構成例を表す図である。 ガスタービンの起動から定格負荷条件までのＩＧＶ開度、燃焼器入口空気流量、燃料流量、燃空比及び燃焼ガス温度の推移を示した図である。 本発明の第１の実施の形態に係るガスタービン燃焼システムに備えられた制御装置による空気流量調整装置への指令信号の出力手順を表した制御ブロック図である。 メインバーナ外周領域の局所火炎温度と未燃分排出量の関係線を表す図である。 未燃分排出量を規定値以下に抑制するのに必要なメインバーナ外周火炎温度とガス燃料の組成との関係を表す図である。 ガスタービン負荷に対する未燃分排出量等の諸量の変化を示した図である。 本発明の第２の実施の形態に係るガスタービン燃焼システムを備えたガスタービンプラントの一構成例を表す図である。 本発明の第３の実施の形態に係るガスタービン燃焼システムを備えたガスタービンプラントの一構成例を表す図である。

以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。

本発明のガスタービン燃焼器は、通常の気体燃料の他、水素を組成成分として含むガス燃料（以下、水素含有燃料と称する）を燃焼するのにも好適である。具体的には、例えば、石炭をガス化して得られる水素含有燃料を用いる石炭ガス化複合発電プラントの他、製鉄プラントから得られる副生ガスであるコークス炉ガス（ＣＯＧ：Coke Oven Gas）、高炉ガス（ＢＦＧ：Blast Furnace Gas）、転炉ガス（ＬＤＧ：Linzer Donawitz Gas）若しくはこれらの混合ガスを燃料として使用するガスタービン、又はナフサ分解プラント等から得られる副生ガス等といった水素を組成成分として含むガス燃料（水素含有燃料）を用いるガスタービンに、本発明のガスタービン燃焼器は好適に適用することができる。

（第１の実施の形態）
１．ガスタービンプラント
図１は本発明の第１の実施の形態に係るガスタービン燃焼システムを備えたガスタービンプラントの一構成例を表す図である。

同図に示したガスタービンプラント１は、ガスタービン、及びガスタービンにより駆動される発電機６を備えている。ガスタービンは、圧縮機２、ガスタービン燃焼システム、及びタービン４を備えている。圧縮機２、タービン４及び発電機６の各ロータは同軸上に連結されている。ガスタービン燃焼システムについては後述するが、主な構成要素として燃料器３を備えている。

このガスタービンプラント１の動作は次の通りである。即ち、大気から吸入された空気１０１が空気圧縮機２で圧縮され、圧縮空気１０２が燃焼器３に供給される。燃焼器３では圧縮空気１０２とともにガス燃料を燃焼させ燃焼ガス１１０を生成する。タービン４は燃焼器３で生成された燃焼ガス１１０によって駆動される。発電機６はタービン４の回転動力により駆動して発電する。

２．ガスタービン燃焼システム
ガスタービン燃焼システムは、燃焼器３、液体燃料系統７１、ガス燃料系統７２、ＩＧＶ９、及び制御装置５００を備えている。これら構成要素について以下にそれぞれ順次説明していく。

・燃焼器
燃焼器３は、外筒１０、ライナ１２、尾筒（不図示）、及びバーナ８を備えている。外筒１０はタービンケーシング（図示せず）の外周部に設けられた円筒状の部材である。外筒１０のタービン４と反対側の端部（頭部）はエンドカバー１３により閉止されている。ライナ１２は内部に燃焼室５を形成する円筒状の燃焼器内筒であり、外筒１０の内側に設置されていて外筒１０との間に環状の空気流路を形成している。このライナ１２には空気孔が多数穿設されている。燃焼室５はライナ１２によってバーナ８と尾筒との間に形成された空間であり、バーナ８から噴出する燃料が空気１０２ａとともにここで燃焼する。尾筒はタービン４のガスパスの入口（初段静翼入口）とライナ１２とを滑らかに接続する部材である。また、エンドカバー１３には、バーナ８に燃料を分配する燃料分配器２３が設けられている。また、特に図示していないが、燃焼器３には燃焼室５内の燃料及び空気の混合気に着火する着火装置も備わっている。ガスタービンプラント１には、このような燃焼器９がタービンケーシング（図示せず）の外周部に周方向に一定の間隔で複数設けられている。

バーナ８は、燃焼室５との間に位置するようにエンドカバー１３に設けられている。このバーナ８には複数の要素バーナが含まれていて、燃焼器３の中央部に１つのパイロットバーナ３２が配置され、パイロットバーナ３２の径方向外側にパイロットバーナ３２を包囲するように複数のメインバーナ３３が配置されている。

各メインバーナ３３はガス燃料バーナであり、空気孔プレート２０、及び複数の燃料ノズル２２を備えている。但し、空気孔プレート２０は、複数のメインバーナ３３のもの同士連結されている。この空気孔プレート２０は、主面（最も面積の大きな面）が燃焼室５に臨むように配置されていて、エンドカバー１３から燃焼室５に向かう方向に延在する複数の空気孔２１を有している。これら空気孔２１から燃焼室５に空気１０２ａが噴出する。複数の燃料ノズル２２にはそれぞれ対となる空気孔２１があり、各燃焼ノズル２２は対応する空気孔２１と同軸となるように燃料分配器２３から延在している。また、各燃料ノズル２２は、先端が空気孔２１に挿入される（空気孔２１内に位置する）場合もあるが、本実施の形態では先端が空気孔２１の入口に対向する（空気孔プレート２０よりもエンドカバー１３側に位置する）ように構成されている。燃料ノズル２１から噴射されたガス燃料は、対応関係にある空気孔２１を介して、当該空気孔２１を通る空気１２１ａとともに燃焼室５に噴出する。また、複数のメインバーナ３３においては、各々のバーナ軸を中心とする複数列（本例では３列）の同心円上に空気孔２１が並べられている。これら空気孔の列を各メインバーナ３３の中心から径方向外側に向かって順に、１列目空気孔５１、２列目空気孔５２、３列目空気孔５３とする。なお、以下の説明において、「メインバーナ内周」といった場合には各メインバーナ３３の１列目空気孔５１を意味し、「メインバーナ外周」といった場合には２列目空気孔５２及び３列目空気孔５３を意味することとする。

パイロットバーナ３２は、ガス燃料及び液体燃料の双方を燃焼するデュアルバーナであり、複数のメインバーナ３３の中心に位置している。具体的には、ガス燃料バーナ部と液体燃料バーナ部を備えた構成である。ガス燃料バーナ部はメインバーナ３３と構成が類似していて、空気孔プレートと複数の燃料ノズルを有し、空気孔プレートには各燃料ノズルと対をなす複数の空気孔が設けられている。このガス燃料バーナ部がメインバーナ３３と相違する点は、空気孔列が２列である点、及び空気孔が燃焼室５に向かって燃焼器３の中心軸側に傾斜している点である。液体燃料バーナ部は液体燃料ノズル（例えば油ノズル）４０で構成されていて、ガス燃料ノズル部の中央（ガス燃料ノズルの空気孔列の中心）に位置している。

・液体燃料系統
液体燃料系統７１は、パイロットバーナ３２の液体燃料ノズル４０に液体燃料を供給する燃料系統であり、液体燃料源２１０、燃料遮断弁６５、及び燃料制御弁６６を備えている。液体燃料源２１０からは、起動用燃料として、軽油、灯油、若しくはＡ重油等の油燃料が供給される。この液体燃料源２１０は、管路２０４を介して液体燃料ノズル４０に接続している。管路２０４には、上記燃料遮断弁６５及び燃料制御弁６６が設けられている。燃料遮断弁６５及び燃料制御弁６６は、制御装置５００からの信号により駆動し、それぞれ開閉したり開度が変化したりする。

・ガス燃料系統
ガス燃料系統７２は、パイロットバーナ３２のガス燃料バーナ部及び各メインバーナ３３にガス燃料を供給する燃料系統であり、ガス燃料源２００、燃料遮断弁６０、及び燃料制御弁６１−６３を備えている。ガス燃料源２００からは、コークス炉ガス、製油所オフガス、若しくは石炭ガス化ガス等の水素や一酸化炭素を含んだ燃料が供給される。このガス燃料源２００のガス燃料を通す管路は３系統の管路２０１−２０３に分岐し、管路２０１はパイロットバーナ３２のガス燃料バーナ部の燃料分配器２３に、管路２０２は各メインバーナ内周の燃料分配器２３に、管路２０３は各メインバーナ外周の燃料分配器２３にそれぞれ接続している。燃料遮断弁６０は分岐前の管路に設けられ、燃料制御弁６１−６３はそれぞれ管路２０１−２０３に設けられている。燃料遮断弁６０及び燃料制御弁６１−６３は、制御装置５００からの信号により駆動し、それぞれ開閉したり開度が変化したりする。燃料制御弁６１−６３の開閉及び開度調整によって、パイロットバーナ３２、各メインバーナ内周、及び各メインバーナ外周に供給するガス燃料の比率が可変な構成である。

また、ガス燃料源２００と燃料遮断弁６０の間の管路には、ガス計測器４００及びガス温度計測器６０１が設置されている。ガス計測器４００は、ガス燃料源２００から供給されるガス燃料の組成や発熱量を計測する計測器であり、本実施の形態の場合、水素、一酸化炭素、メタン、二酸化炭素、窒素の濃度を計測し、それら計測内を基に発熱量を計測する。ガス温度計測器６０１は、ガス燃料の温度を計測する熱電対等の計測器であり、本実施の形態ではガス燃料源２００と燃料遮断弁６０の間の管路からガス計測器４００に至る管路の途中に設置されている。

・ＩＧＶ
ＩＧＶ（Inlet Guide Vane）９は、圧縮機２の入口に設置された入口案内翼である。本実施の形態においては、燃焼器３においてガス燃料に混合する空気の流量を調整する空気流量調整装置の役割をこのＩＧＶ９が果たし、ＩＧＶ９の開度を調節することで圧縮機２が吸い込む空気１０１の流量を調節される結果、燃焼器３に供給される空気流量が調節される。

・制御装置
制御装置５００は、電力計測器６０２、空気温度計測器６０３、空気流量計測器６０４、ガス温度計測器６０１、及びガス計測器４００の計測結果を基に、燃料遮断弁６０，６５、燃料制御弁６１−６３，６６、及びＩＧＶ９を制御する機能を有する。制御装置５００には、燃料遮断弁６０，６５、燃料制御弁６１−６３，６６及びＩＧＶ９の制御に必要なプログラムやデータを格納した記憶部や、燃料遮断弁６０，６５、燃料制御弁６１−６３，６６及びＩＧＶ９の制御履歴（開度履歴）を記憶する記憶部が含まれている。具体的には、制御装置５００は、複数のガス燃料バーナの一部でガス燃料を燃焼させる部分燃焼モードから複数のガス燃料バーナの全部でガス燃料を燃焼させる全燃焼モードに燃焼モードが切り換わる時に、ＩＧＶ９に信号を出力して空気流量を基準流量から設定流量に一時的に下げる。

「部分燃焼モード」とは、管路２０１−２０３のうちの少なくとも１系統を閉じた状態でガス燃料を燃焼させる燃焼モードであり、例えば、管路２０２，２０３を閉じてパイロットバーナ３２のみにガス燃料を分配する状態、管路２０３を閉じてパイロットバーナ３２及び各メインバーナ内周のみにガス燃料を分配する状態である。対して「全燃焼モード」とは、管路２０１−２０３を全て開いて、パイロットバーナ３２、全てのメインバーナ内周、及び全てのメインバーナ外周からガス燃料を噴射する燃焼モードである。また、「基準流量」とは、部分負荷条件下で圧縮機２におけるサージング及びアイシングの発生抑止を考慮して設定された値である。「設定流量」とは、部分燃焼モードから全燃焼モードに移行した時にバーナ端面の近傍における局所的な燃空比の偏差を抑制する趣旨で、ガス計測器４００及びガス温度計測器６０１でそれぞれ計測されたガス燃料の組成及び温度を基に制御装置５００により演算される値である。

３．動作
図２はガスタービンの起動から定格負荷条件までのＩＧＶ開度、燃焼器入口空気流量、燃料流量、燃空比及び燃焼ガス温度の推移を示した図である。本図の最上段には、燃焼モードを模式化したものとして、運転中に燃焼させるバーナ箇所を黒で塗り潰して示してある。

起動から定格負荷条件に移行するまでの過程は、下記の（ａ）−（ｆ）の６つの過程に大別できる。

（ａ）ガスタービン起動
（ｂ）無負荷定格回転数（ＦＳＮＬ：Full Speed No Load）
（ｃ）燃料切り替え（液体燃料→ガス燃料）
（ｄ）ガス焚き燃焼モード切り替え（部分燃焼モード→全燃焼モード）
（ｅ）排気温度の制御設定によるＩＧＶ開度増加
（ｆ）定格負荷条件
各過程について以下に説明する。

（ａ）〜（ｂ）：ガスタービン起動〜無負荷定格回転数
制御装置５００は、起動用モータ（不図示）に信号を出力し、起動用モータによってガスタービンを起動する。その後、ガスタービン回転数が着火可能条件を満たす値まで上昇したら、制御装置５００は、燃料遮断弁６５及び燃料制御弁６６に信号を出力し、液体燃料を液体燃料ノズル４０に供給して燃焼器３を着火させる。ガスタービン起動から負荷を取り始める（発電開始）までの運転領域を昇速域という。昇速域では、制御装置５００は、ＩＧＶ９及び燃料制御弁６６に信号を出力し、タービン回転数が所定回転数に達するまでＩＧＶ９の開度を一定に保ちつつ、燃料制御弁６６の開度を上げていく。これによって燃料流量とともに燃空比が増加し、燃焼器出口のガス温度が上昇する。

タービン回転数が所定回転数に達したら、制御装置５００は、ＩＧＶ９に信号を出力し、ＩＧＶ９の開度を基準開度まで増加させる。その後、燃料流量の増加に伴って、ガスタービン回転数が無負荷定格回転数（ＦＳＮＬ）に達する。また、空気流量が基準流量に達したら（ＩＧＶ開度が基準開度に達したら）、制御装置５００は発電機６に信号を出力し、負荷を取り始める（発電を開始する）。

ここで、「基準開度」は、前述した基準流量を実現するためのＩＧＶ開度であり、部分負荷条件において圧縮機２にサージングやアイシングが発生しないように規定された開度である。サージングとは、圧縮機２の圧力比を増加した際に、任意の圧力比で急激に大きい音響を伴う圧力変動、空気流の激しい脈動、機械振動が発生し、圧縮機２の動作が不安定になる現象である。アイシングとは、大気温度の低い条件でＩＧＶ９の開度を絞った場合、ＩＧＶ９の出口速度（マッハ数）の増加に伴って流体温度が低下して大気中に含まれる水分が氷結する現象である。アイシングが生じると、固化した水分（氷塊）が圧縮機２の翼に衝突し、翼を損傷する恐れがある。

（ｂ）〜（ｃ）：無負荷定格回転数〜燃料切り替え
無負荷定格回転数に達した後、制御装置５００は、発電機６から負荷を取り始め、運転領域は負荷上昇域となる。この領域では、制御装置５００は、ＩＧＶ９の開度は一定（基準開度）に維持し、燃焼器入口空気流量を一定（基準流量）に保つ。この間、負荷とともに燃料流量が増加して燃空比が増加するため、燃焼器出口ガス温度が上昇する。負荷を上昇させて、起動用の液体燃料からガス燃料に燃料を切り替える規定の部分負荷条件（図２中の（ｃ））に到達する。

（ｃ）〜（ｄ）：燃料切り替え〜ガス焚き燃焼モード切り替え
規定の部分負荷条件に到達すると、制御装置５００は、燃料遮断弁６０，６５及び燃料制御弁６１，６２，６６に信号を出力し、液体燃料の流量を減少させつつパイロットバーナ３２及びメインバーナ内周に対するガス燃料の流量を増加させていき、液体燃料からガス弁量に燃料を切り替える。燃料切り替え後の燃焼モードは、パイロットバーナ３２及びメインバーナ内周のみを用いた部分燃焼モードである。部分燃焼モードによる運転領域では、制御装置５００は、ＩＧＶ開度を基準開度に維持し、燃焼器入口空気流量を基準流量に保つ。部分負荷燃焼モードによる運転中、制御装置５００は、負荷上昇に合わせてガス燃料の流量を増加させていき、燃空比の増加によって燃焼器出口ガス温度も上昇していく。

（ｄ）〜（ｅ）：ガス焚き燃焼モード切り替え〜ＩＧＶ開度増加
燃焼モードを切り替える規定の部分負荷条件（ｄ）に到達すると、制御装置５００は、燃料制御弁６１−６３に信号を出力し、パイロットバーナ３２及びメインバーナ内周に加えてメインバーナ外周にもガス燃料を分配し、部分燃焼モードから全燃焼モードに燃焼モードを切り替える。燃焼モードを全燃焼モードに切り替える際、制御装置５００は、ＩＧＶ９に信号を出力し、ＩＧＶ開度を基準開度から設定開度に（ΔＩＧＶだけ）下げ、一時的に燃焼器入口空気流量を減少させる。その後、ＩＧＶ開度を設定開度から基準開度まで徐々に戻していき、燃焼器入口空気流量を基準流量に戻す。この間、制御装置５００は、負荷上昇に合わせてガス燃料の流量を増加させていく。

（ｅ）〜（ｆ）：ＩＧＶ開度増加〜定格負荷条件
その後、負荷上昇に伴って燃焼器出口ガス温度が上昇すると、タービンの排気温度が制限値を超える条件（ｅ）に到達する。この条件（ｅ）に到達すると、制御装置５００は、ＩＧＶ９の開度を基準開度からさらに増加させていき、燃焼器出口ガス温度を制御して排気温度を制限値以下に抑制する。負荷が１００％に到達することで、運転条件は定格負荷条件に移行する。なお、負荷上昇域のうち、定格負荷条件（負荷１００％）を除いた領域を部分負荷領域と呼ぶ。

ここで、図３は制御装置５００による空気流量調整装置への指令信号の出力手順を表した制御ブロック図である。

ＩＧＶ開度を基準開度ＩＧＶ０から設定開度ＩＧＶ’に絞る必要があるのは、部分燃焼モードから全燃焼モードに燃焼モードを切り替えた直後である。この燃焼モードの切り替えはガスタービン負荷が上記条件（ｄ）に到達したことをトリガとする。従って、制御装置５００は、電力計測器６０２の計測結果を基にガスタービン負荷が条件（ｄ）に到達したと判断すると、ＩＧＶ開度の変化指令の制御を開始する。

ＩＧＶ開度の変化指令の制御を開始すると、制御装置５００は、ガス計測器４００で計測されたガス燃料中の未燃分の濃度、及びガス温度計測器６０１で計測されたガス燃料の温度を入力する。ここで入力する未燃分の濃度とは、未燃のまま燃焼器３から排出されることを抑制すべき対象成分のガス燃料中の濃度をいい、具体的には水素や一酸化炭素の濃度を意味し、その他、メタン、二酸化炭素、窒素の濃度も含み得る。制御装置５００には、メインバーナ外周領域の局所火炎温度と未燃分排出量の関係線（図４参照）が予め格納されていて、この関係に従って未燃分濃度の入力値を基に未燃分排出量の規定値Ｕｎｂｕｒｎ（ｒ）を満足するメインバーナ外周局所火炎温度Ｔｒを算出する。このとき、厳密には、規定火炎温度Ｔｒは、ガス燃料に含まれる未燃分の濃度だけでなく、燃料温度によっても変化する。図５は未燃分排出量を規定値以下に抑制するのに必要なメインバーナ外周火炎温度とガス燃料の組成との関係を表す図である。同図に示すように、ガス燃料中の未燃分濃度が高いほど、あるいは燃料温度Ｔｆ（Ｔｆ１＜Ｔｆ２＜Ｔｆ３）が低いほど、未燃分規定値Ｕｎｂｕｒｎ（ｒ）を満たすＴｒは高くなる。従って、制御装置５００には、メインバーナ外周領域の局所火炎温度と未燃分排出量の関係を燃料温度毎にテーブルとして格納しておき、制御装置５０においては、未燃分濃度と燃料温度の入力値を基にメインバーナ外周局所火炎温度Ｔｒが算出されることが望ましい。

次に、ガス計測器４００、ガス温度計測器６０１及び空気温度計測器６０３から入力した現在の燃料組成、燃料温度、空気温度、並びに算出したメインバーナ外周局所火炎温度Ｔｒを基に、制御装置５００は、メインバーナ外周局所火炎温度Ｔｒを実現するためのメインバーナ外周の端面近傍領域の局所燃空比（Ｆ／Ａ）ｒを算出する。そして、（Ｆ／Ａ）ｒと現在のガス燃料の流量（燃料制御弁６１−６３）の開度からメインバーナ外周局所火炎温度Ｔｒを実現するのに必要な空気流量Ａｒを算出する。

最後に、制御装置５００は、Ａｒと現在の空気流量を比較し、ＩＧＶ開度と空気流量の関係を基に、ＩＧＶ開度の変化量ΔＩＧＶを算出する。このとき、ＩＧＶ開度の極端な減少によるサージングやアイシングの発生を回避するため、ΔＩＧＶはＩＧＶ限界開度（最低減少量）で制限される。そして、制御装置５００は、算出したΔＩＧＶを基に、ＩＧＶ開度が設定開度ＩＧＶ’（＝ＩＧＶ０−ΔＩＧＶ）となるような指令値を算出し、ＩＧＶ９に指令信号を出力する。すると、ＩＧＶ９の開度は設定開度ＩＧＶ’まで減少し、空気流量が設定流量に絞られる。制御装置５００はその後も図３の手順を繰り返し実行する。図３の手順を繰り返し実行するうちに、メインバーナ外周領域の燃空比が上昇していき、演算される設定開度ＩＧＶ’は徐々に基準開度ＩＧＶ０に近付いていく。つまり、設定開度ＩＧＶ’は一定ではない。このＩＧＶ開度の制御の結果、ＩＧＶ開度が基準開度ＩＧＶ０に復帰したら、制御装置５００は、図３の手順を終了し、ＩＧＶ開度を基準開度ＩＧＶ０に保って燃料流量を増加させていき、前述したように条件（ｅ）を経てＩＧＶ開度を上げていって定格負荷条件に移行する。

４．作用・効果
図６はガスタービン負荷に対する未燃分排出量等の諸量の変化を示した図である。同図では、全燃焼モードに移行する際に燃焼器入口空気流量を基準流量に保った場合を比較対象として併せて表示している。比較対象と本実施の形態の共通する動作栓は破線で示し、比較対象と相違して推移する本実施の形態に特有の動作栓については実線で区別して表示してある。同図には、ガスタービンの起動から定格負荷条件に至るまでの、ＩＧＶ開度、未燃分排出量、燃料流量、燃空比、及びバーナ各領域の局所火炎温度の変化を示してある。

まず、全燃焼モードに移行する際に燃焼器入口空気流量を基準流量に保つ場合に着目すると、ガス焚きで部分燃焼モードから全燃焼モードに燃焼モードが切り替わる際（ｄ）、未燃分排出量が急増していることが分かる。その後、負荷上昇とともに未燃分排出量は緩やかに減少するものの、未燃分排出量は多い状態が暫く続き、環境規制値を超過する可能性がある。その後さらに負荷が上昇すると、ある条件で未燃分排出量が減少し始め、その後は未燃分排出量が少なく保たれたまま定格負荷条件に到達する。

全燃焼モードへの移行時に基準流量のままでは未燃分排出量が増加する原因は次のように考えられる。すなわち、全延焼モードに燃焼モードが切り替わると、燃料流量は概ね図３に示した割合で各バーナに分配される。同図に示したように、燃料が供給され始めて間もないメインバーナ外周領域の燃空比はパイロットバーナやメインバーナ内周よりも低くなり、メインバーナ外周の局所火炎温度は他に比べて暫くの間が低い状態となる。その結果、メインバーナ外周から噴出したガス燃料が完全燃焼しないまま一部未燃分として排出される。また、ガス燃料はＣＯを含むため、一般に使用される天然ガス等の燃料に比べて未燃分排出量が増加し易い傾向にある。負荷が上昇すると燃料流量が増加し、メインバーナ外周の火炎温度がある温度（同図中のＴ０）以上に上昇すると、メインバーナ外周領域においてもガス燃料が完全燃焼し始め、未燃分排出量が減少する。

それに対し、本実施の形態においては、全燃焼モードに移行した際に実線に示したようにＩＧＶ開度を調整して空気流量を絞ることで、メインバーナ外周領域の局所火炎温度をＴｒ以上に保って未燃分排出量を抑制することができる。従って、Ｈ_２やＣＯを含むガス燃料を使用しても、部分負荷から定格負荷までの全負荷条件においてガス燃料の未燃分の排出を抑制することができる。よって、未燃分の排出量が環境規制値を超過すること、さらには発電出力が低下することを抑制することができる。

また、本実施の形態におけるガス燃料は、水素（Ｈ_２）や一酸化炭素（ＣＯ）を主成分として含有し、ガスタービンで一般に使用される天然ガス（主成分はメタン）に比べて燃焼速度が速い。そのため、燃焼室５内のバーナ端面近傍に高温の火炎が形成される。それに対し、本実施の形態においては、燃料ノズル２２と空気孔２１の対を多数設けて、多数の空気孔２１を介して空気流に周囲を覆われた状態の燃料流を燃焼室５内に噴出させ、流路の急拡大によって急激に燃料と空気とを混合させるバーナ構成を採用している。これによって燃料の分散性を高めつつ燃焼室内で均一にガス燃料を燃焼させることができるので、高温の火炎の形成を抑制することができ、バーナのメタル温度の上昇を抑制することができる。また、ＮＯｘ排出量を低減にも寄与する。

また、ガス計測器４００やガス温度計測器６０１の計測値を基にして未燃分排出量がＵｎｂｕｒｎ（ｒ）に抑えられる設定開度ＩＧＶ’を算出することにより、合理的に未燃分排出量を抑制することができる。

また、各バーナ域に供給するガス燃料の比率が燃料制御弁６１−６３により可変であるため、メインバーナ外周領域の燃料流量を多くすることでメインバーナ外周領域の局所火炎温度を効率的に上昇させ、未燃分排出量を効率的に抑制することができる。また、燃料ムラの抑制にも寄与する。

メインバーナ３３の中心に位置するパイロットバーナ３２として、ガス燃料及び液体燃料の双方を燃焼するデュアルバーナを備えたことにより、ガス燃料に燃料を切り替えた後もバーナ中心近傍から燃料を噴射することができ、燃焼の均質性を維持することができる。

（第２の実施の形態）
図７は本発明の第２の実施の形態に係るガスタービン燃焼システムを備えたガスタービンプラントの一構成例を表す図である。同図において第１の実施の形態と同様の部分には既出図面と同符号を付して説明を省略する。

本実施の形態が第１の実施の形態と相違する点は、圧縮機２で圧縮した圧縮空気１０２を当該圧縮機２の入口に戻す吸気再循環系統（ＩＢＨシステム：Inlet Bleed Heat）の抽気調整弁１１を空気流量調整装置としている点である。ＩＢＨシステムとは、圧縮空気１０２の一部を圧縮機２の吸気に戻すことで、圧縮空気１０２の温度を上げ空気流量を低減するシステムのことである。ＩＢＨシステムはＩＧＶと同等の効果を持ち、圧縮機入口に戻す流量は抽気調整弁１１により調整される。本実施の形態はＩＧＶ９の代わりに抽気調整弁１１の開度を制御装置５００により制御する構成であり、抽気調整弁１１の開度を制御して図２に示したように燃焼器入口空気流量を調整する。その他の点については第１の実施の形態と同様である。

本実施の形態においても、全燃焼モード移行時に抽気調整弁１１の開度を上げることで圧縮空気１０２の流量を減少させることができるので、第１の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）
図８は本発明の第３の実施の形態に係るガスタービン燃焼システムを備えたガスタービンプラントの一構成例を表す図である。同図において第１の実施の形態と同様の部分には既出図面と同符号を付して説明を省略する。

本実施の形態が前の各実施の形態と相違する点は、圧縮機２から抽気した空気をタービン４にバイパスするバイパス系統の抽気調整弁１４を空気流量調整装置としている点である。バイパス系統は、圧縮空気の一部をタービン４の高温部品の冷却空気として抽気する系統であり、抽気調整弁１４の開度調整によって燃焼器入口空気流量を図２に示したように制御することができる。なお、特に図示していないが、本実施の形態に係るガスタービンにはＩＧＶ９又はＩＢＨを設けることができる。この場合、部分負荷運転中においては、部分燃焼モード及び全燃焼モードによる運転域時でＩＧＶ９又は抽気流量調整弁１１の開度を基準開度で維持し、燃焼器入口空気流量を基準流量ＩＧＶ０から設定流量ＩＧＶ’に絞る手段として抽気調整弁１４を制御する。その他の構成は第１又は第２の実施の形態と同様である。

本実施の形態においても第１又は第２の実施の形態と同様の効果を得ることができる。また、全燃焼モードに移行する際に燃焼器入口空気流量を絞って各バーナ域の局所火炎温度が上昇するタイミングでタービンの冷却空気流量が増加するので、メタル温度の上昇を緩和することができる。

（その他）
上記の各本実施の形態では、コークス炉ガス、製油所オフガス、若しくは石炭ガス化ガス等の水素（Ｈ_２）や一酸化炭素（ＣＯ）を主成分とするガス燃料を使用するガスタービン燃焼システムに本発明を適用した場合を例に挙げて説明したが、ガス燃料として天然ガスを始めとする他のガス燃料を使用することも当然可能である。また、起動用燃料として液体燃料を使用する場合を例に挙げて説明したが、天然ガスやプロパンなどのガス燃料を起動用燃料に使用することもできる。この場合、パイロットバーナがデュアルバーナである必要はない。

また、燃料ノズル２２と空気孔２１の対を多数設けて、多数の空気孔２１を介して空気流に周囲を覆われた状態の多数の燃料流を燃焼室５に噴出させるバーナ構成のガスタービン燃焼システムに本発明を適用した場合を例に挙げて説明したが、一般的な予混合燃焼方式のバーナ等、他の燃焼方式のメインバーナを備えたガスタービン燃焼システムにも本発明は適用可能である。

また、ガス計測器４００やガス温度計測器６０１の入力信号を基に設定流量を算出し、燃焼器入口空気流量を基準流量から設定流量に絞る構成を例に挙げて説明した。しかし、設定流量は予め定められた動作線に沿って制御することも可能であり、その意味では全燃焼モードに燃焼モードが切り換わる時にガス計測器４００やガス温度計測器６０１の入力信号を基に設定流量を算出する必要は必ずしもない。また、設定流量を算出するにしても、ガス計測器４００及びガス温度計測器６０１の計測値を基に算出することは可能であり、設定流量の算出の基礎として例えば電力計測器６０２、空気温度計測器６０３、空気流量計測器６０４等の入力値を使用する必要は必ずしもない。

また、一軸式のシンプルサイクルガスタービンに本発明を適用した場合を例に挙げて説明したが、二軸式ガスタービンや、コンバインドサイクル発電システム、高湿分空気利用ガスタービン（ＡＨＡＴ：Advanced Humid Air Turbine）、タービンの排気ガスで圧縮機出口の空気を加熱する再生サイクルガスタービン等の他の方式のガスタービンにも本発明は適用可能である。

２ 圧縮機
３ 燃焼器
４ タービン
６ 発電機
９ ＩＧＶ（空気流量調整装置）
１１ 抽気調整弁（空気流量調整装置）
１４ 抽気調整弁（空気流量調整装置）
２０ 空気孔プレート
２１ 空気孔
２２ 燃料ノズル
３２ パイロットバーナ（ガス燃料バーナ、デュアルバーナ）
７２ ガス燃料系統
４００ ガス計測器
５００ 制御装置
６０１ ガス温度計測器

Claims (13)

1. 複数のガス燃料バーナと、
   ガス燃料に混合する空気の流量を調整する空気流量調整装置と、
   前記複数のガス燃料バーナの一部でガス燃料を燃焼させる部分燃焼モードから前記複数のガス燃料バーナの全部でガス燃料を燃焼させる全燃焼モードに燃焼モードが切り換わる時に、前記空気流量調整装置に信号を出力して空気流量を基準流量から設定流量に一時的に下げる制御装置と
   を備えたことを特徴とするガスタービン燃焼システム。
2. 請求項１のガスタービン燃焼システムにおいて、
   ガス燃料の燃料組成を計測するガス計測器と、
   ガス燃料の温度を計測するガス温度計測器とを備え、
   前記制御装置は、前記ガス計測器及び前記ガス温度計測器でそれぞれ計測されたガス燃料の組成及び温度を基に前記設定流量を演算することを特徴とするガスタービン燃焼システム。
3. 請求項２のガスタービン燃焼システムにおいて、前記基準流量は、部分負荷条件下で圧縮機におけるサージング及びアイシングの発生抑止を考慮して設定された値であることを特徴とするガスタービン燃焼システム。
4. 請求項２のガスタービン燃焼システムにおいて、前記空気流量調整装置は、圧縮機の入口案内翼であることを特徴とするガスタービン燃焼システム。
5. 請求項２のガスタービン燃焼システムにおいて、前記空気流量調整装置は、圧縮機で圧縮した空気を当該圧縮機の入口に戻す吸気再循環系統の抽気調整弁であることを特徴とするガスタービン燃焼システム。
6. 請求項２のガスタービン燃焼システムにおいて、前記空気流量調整装置は、圧縮機から抽気した空気をタービンにバイパスするバイパス系統の抽気調整弁であることを特徴とするガスタービン燃焼システム。
7. 請求項２のガスタービン燃焼システムにおいて、
   前記ガス燃料バーナは、燃焼室に臨み複数の空気孔を有する空気孔プレート、及び前記複数の空気孔とそれぞれ対応関係にあって噴射したガス燃料を対応する空気孔を介して前記燃焼室に供給する複数の燃料ノズルを備えていることを特徴とするガスタービン燃焼システム。
8. 請求項２のガスタービン燃焼システムにおいて、前記複数のガス燃料バーナに供給するガス燃料の比率が可変なガス燃料系統を備えたことを特徴とするガスタービン燃焼システム。
9. 請求項２のガスタービン燃焼システムにおいて、前記複数のガス燃料バーナの中心に、ガス燃料及び液体燃料の双方を燃焼するデュアルバーナを備えていることを特徴とするガスタービン燃焼システム。
10. 空気を圧縮する圧縮機と、
    前記圧縮機で圧縮移された空気を燃料とともに燃焼する請求項１のガスタービン燃焼システムと、
    前記ガスタービン燃焼システムからの燃焼ガスで駆動するタービンと、
    前記タービンの回転動力で駆動する発電機と
    を備えたことを特徴とするガスタービンプラント。
11. 複数のガス燃料バーナと、ガス燃料に混合する空気の流量を調整する空気流量調整装置とを備えたガスタービン燃焼システムの運転方法において、
    前記複数のガス燃料バーナの一部でガス燃料を燃焼させる部分燃焼モードから前記複数のガス燃料バーナの全部でガス燃料を燃焼させる全燃焼モードに燃焼モードが切り換わる時に、前記空気流量調整装置を操作して空気流量を基準流量から設定流量に一時的に下げることを特徴とするガスタービン燃焼システムの運転方法。
12. 請求項１１のガスタービン燃焼システムの運転方法において、ガス燃料の組成及び温度を基に前記設定流量を演算することを特徴とするガスタービン燃焼システムの運転方法。
13. 請求項１２のガスタービン燃焼システムの運転方法において、部分負荷条件下で圧縮機におけるサージング及びアイシングの発生抑止を考慮して前記基準流量を設定することを特徴とするガスタービン燃焼システムの運転方法。

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