JP2015048946A - ガスタービン燃焼器及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンの起動／昇速時の未燃分の排出と燃焼振動を抑制し、ガスタービンの回転数を安定して増加し得るガスタービン燃焼器およびその制御方法を提供する。【解決手段】燃焼室の上流側に位置し複数の空気孔を形成した空気孔プレートと、複数の空気孔に燃料を供給する複数の燃料ノズルと、複数の燃料ノズルと複数の空気孔とがそれぞれ対となるように配置して構成される複数のバーナと、空気孔プレートの軸中心に配置した起動用のＦ１バーナと、外周部に複数個配置したＦ２バーナとを備えたガスタービン燃焼器において、Ｆ１バーナの燃料ノズルと空気孔とは複数列の円周上に配置され、Ｆ１バーナの空気孔は半径方向内側に配置された内周部空気孔と内周部空気孔の外周側に配置された外周部空気孔とを備え、内周部空気孔の出口における燃空比が、外周部空気孔の出口における燃空比よりも小さい。【選択図】 図２

Description

本発明はガスタービン燃焼器及びその制御方法に関する。

低Ｎｏｘ化と燃焼安定性に優れたガスタービン燃焼器を提供することを目的として、燃料を燃焼室に噴出する燃料ノズルと、空気を該燃焼室に噴出する空気孔とを備え、該燃料と該空気が複数の同軸噴流として前記燃焼室に噴出されるように、該燃料ノズルと該空気孔を配置することを特徴とするガスタービン燃焼器がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−１４８７３４号公報

ガスタービンは、着火から定格負荷に移行するまでの幅広い運転条件を通して、安定した稼働が要求される。このため、燃焼器には、複数のバーナを設けたマルチバーナ方式が広く採用されている。マルチバーナ方式の燃焼器では、例えば着火等の燃料供給量が少ないときには、中央に配置した１つのバーナ（以下、Ｆ１バーナという）のみから燃料を噴射し、燃料供給量の増加に応じて、Ｆ１バーナの外周部に配置された複数のバーナ（以下、Ｆ２バーナという）の燃料噴射個数を順次増加している。そして、定格負荷運転時には全てのバーナから燃料が噴射されるように運用している。

上述した特許文献１のガスタービン燃焼器のバーナは、その中心領域に内周部空気孔が配置され、その外周側に外周部空気孔が配置されていて、内周部空気孔から噴出した予混合気で形成される火炎と外周部空気孔出口との距離が確保されるように設計されている。このような距離を確保することで、外周部空気孔から噴出した予混合気が火炎と反応して燃焼するまでに更に燃料と空気が混合される。このことにより、低ＮＯｘ燃焼が実現する。このように、低ＮＯｘ燃焼の観点では、バーナにより形成される火炎は、内周部空気孔出口を起点に保炎する円錐状火炎である方が有利である。

しかしながら、ガスタービンの起動／昇速時のように空気温度が低く、マルチバーナのＦ１バーナのみに燃料を供給する場合に、Ｆ１バーナで円錐状の火炎を形成すると、Ｆ１バーナにおける外周部空気孔から噴出する予混合気には、火炎と反応する前に、Ｆ１バーナの周囲に配置されたＦ２バーナから噴出した低温の空気が干渉する場合がある。
このとき、干渉の度合いが強いほどＦ１バーナの外周部空気孔から噴出する予混合気の燃空比が低下し、燃焼反応が進行せず、未燃分の排出量が増加する。また、Ｆ１バーナを内周と外周で均一に予混合燃焼させ、かつ平坦な火炎を形成した場合には、燃焼振動が発生することが懸念される。

本発明は、上述の事柄に基づいてなされたものであって、その目的は、ガスタービンの起動／昇速時の未燃分の排出と燃焼振動を抑制し、ガスタービンの回転数を安定して増加し得るガスタービン燃焼器およびその制御方法を提供するものである。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、供給された燃料と供給された空気とを混合して燃焼させる円筒状の燃焼室と、前記燃焼室の上流側に位置し前記燃焼室に空気を供給する複数の空気孔を形成した空気孔プレートと、前記空気孔プレートの上流側に配置され前記空気孔プレートに形成した複数の空気孔に前記燃料を供給する複数の燃料ノズルと、前記複数の燃料ノズルと前記複数の空気孔とがそれぞれ対となるように配置して構成される複数のバーナと、前記複数のバーナのうち前記燃焼室に面して前記空気孔プレートの軸中心に配置した起動用のＦ１バーナと、前記Ｆ１バーナの外周部に複数個配置したＦ２バーナとを備えたガスタービン燃焼器において、前記Ｆ１バーナの前記燃料ノズルと前記空気孔とは複数列の円周上に配置され、前記Ｆ１バーナの前記空気孔は半径方向内側に配置された内周部空気孔と前記内周部空気孔の外周側に配置された外周部空気孔とを備え、前記内周部空気孔の出口における燃空比が、前記外周部空気孔の出口における燃空比よりも小さいことを特徴とする。

本発明によれば、ガスタービンの起動／昇速時の未燃分の排出と燃焼振動を抑制することができるので、起動用のＦ１バーナの運用範囲を拡大することができる。この結果、ガスタービンの回転数を安定して増加し得るガスタービン燃焼器およびその制御方法を提供できる。

本発明のガスタービン燃焼器およびその制御方法の第１の実施の形態の要部の側断面図をガスタービンプラント全体の模式図と併せて表した概略構成図である。 本発明のガスタービン燃焼器およびその制御方法の第１の実施の形態の要部の側断面図を燃焼室内の燃焼ガスの流れを示す状況図と併せて表した概略構成図である。 本発明のガスタービン燃焼器およびその制御方法の第１の実施の形態を構成する空気孔プレートの一例を燃焼室側から見た正面図である。 本発明のガスタービン燃焼器およびその制御方法の第１の実施の形態を構成するＦ１バーナの一例の詳細側断面図を燃焼室内の燃焼ガスの流れを示す状況図と併せて表した概略構成図である。 本発明のガスタービン燃焼器およびその制御方法の第１の実施の形態を構成するＦ１バーナの起動／昇速時の火炎形態を示す特性図である。 図２の他の例であって、Ｆ１バーナにおいて、外周部の燃空費が空気孔出口に火炎が保炎できる燃空費よりも低い場合の火炎形態を示す状況図と併せて表した概略構成図である。 本発明のガスタービン燃焼器およびその制御方法の第１の実施の形態を構成するＦ１バーナの他の例を示す詳細側断面図である。 図７に示すＦ１バーナの他の例を燃焼室側から見た正面図である。 本発明のガスタービン燃焼器およびその制御方法の第２の実施の形態の要部の側断面図を燃焼室内の燃焼ガスの流れを示す状況図と併せて表した概略構成図である。 本発明のガスタービン燃焼器およびその制御方法の第２の実施の形態を構成する空気孔プレートの一例を燃焼室側から見た正面図である。 本発明のガスタービン燃焼器およびその制御方法の第２の実施の形態を構成するＦ１バーナの全バーナ火炎形成時における火炎形態を示す特性図である。

以下、本発明のガスタービン燃焼器およびその制御方法の実施の形態を図面を用いて説明する。

図１は本発明のガスタービン燃焼器およびその制御方法の第１の実施の形態の要部の側断面図をガスタービンプラント全体の模式図と併せて表した概略構成図である。
図１に示すガスタービンプラント９は、主として、吸い込み空気１５を加圧して高圧空気１６を生成する圧縮機１と、圧縮機１で生成した高圧空気１６とガス燃料５０とを燃焼させて高温燃焼ガス１９を生成する燃焼器２と、燃焼器２で生成した高温燃焼ガス１９によって駆動されるタービン３と、タービン３の駆動によって回転され電力を発生させる発電機８と、圧縮機１、タービン３及び発電機８を一体に連結するシャフト７とを備えている。

燃焼器２は、ケーシング４の内部に格納されている。
燃焼器２は、頭部に配設されたマルチバーナ６と、高圧空気１６とガス燃料５０とを燃焼させる燃焼室５を形成する概略円筒状の燃焼器ライナ１０と、燃焼器ライナ１０の外周にほぼ同心円の円筒状に配設され、高圧空気１６を流下させる空気流路を形成する外周壁となるフロースリーブ１１と、燃焼器ライナ１０の下流側に配設され、燃焼室５で発生した高温燃焼ガス１９をタービン３に導くための尾筒内筒１２と、尾筒内筒１２の外周側に配設された尾筒外筒１３とを備えている。

図１において、吸い込み空気１５は、圧縮機１によって圧縮された後に高圧空気１６となる。高圧空気１６は、ケーシング４内に充満した後、尾筒内筒１２と尾筒外筒１３の間の空間に流入し、尾筒内筒１２を外壁面から対流冷却する。

尾筒内筒１２を外壁面から対流冷却した高圧空気１６は、フロースリーブ１１と燃焼器ライナ１０との間に形成された環状の流路を通って燃焼器２の頭部に向かって流れる。高圧空気１６は流れる途中で、燃焼器ライナ１０の対流冷却に使用される。

また、高圧空気１６の一部は、燃焼器ライナ１０に設けられた多数の冷却孔（図しせず）から燃焼器ライナ１０内へ流入し、燃焼器ライナ１０のフィルム冷却に使用される。

高圧空気１６のうち燃焼器ライナ１０のフィルム冷却に使用されなかった残りの高圧空気１６は、燃焼用空気１６Ａとして燃焼室５の上流側壁面に位置する空気孔プレート３１に設けられた多数の空気孔３２に流入する。

空気孔３２に流入した燃焼用空気１６Ａは、そのまま空気噴流１７として燃焼室５に噴出されるか、燃料ノズル２５から噴出された燃料と混合されて予混合気１８として燃焼室５に流入し、燃焼して高温燃焼ガス１９を生成する。この高温燃焼ガス１９は尾筒内筒１２を通じてタービン３に供給される。

高温燃焼ガス１９は、タービン３を駆動した後に排出されて、排気ガス２０となる。タービン３で得られた駆動力は、シャフト７を通じて圧縮機１及び発電機８に伝えられる。圧縮機１に伝えられた駆動力は、空気を加圧し高圧空気１６を生成することに用いられ、発電機８に伝えられた駆動力は電気エネルギに変換される。

ガスタービンプラント９は、マルチバーナ６にガス燃料５０を供給するために、３個の燃料系統５１，５２，５３を備えている。燃料系統５１〜５３には、燃料流量調整弁６１〜６３がそれぞれ設けられている。ガスタービンプラント９の発電量は、各燃料系統の流量を制御することで制御される。具体的には、制御装置６５からの指令信号によって燃料流量調整弁６１〜６３の弁開度を調節することで制御される。３個の燃料系統５１，５２，５３は、上流側で合流していて、この合流配管には、燃料を遮断するための燃料遮断弁６０が設けられている。

次に、バーナ構造について図２乃至図５を用いて説明する。図２は本発明のガスタービン燃焼器およびその制御方法の第１の実施の形態の要部の側断面図を燃焼室内の燃焼ガスの流れを示す状況図と併せて表した概略構成図、図３は本発明のガスタービン燃焼器およびその制御方法の第１の実施の形態を構成する空気孔プレートの一例を燃焼室側から見た正面図、図４は本発明のガスタービン燃焼器およびその制御方法の第１の実施の形態を構成するＦ１バーナの一例の詳細側断面図を燃焼室内の燃焼ガスの流れを示す状況図と併せて表した概略構成図、図５は本発明のガスタービン燃焼器およびその制御方法の第１の実施の形態を構成するＦ１バーナの起動／昇速時の火炎形態を示す特性図である。図２乃至図５において、図１に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

図２及び図３に示すように、本実施の形態におけるマルチバーナ６は、燃焼器５の軸方向中央に配置された起動用のＦ１バーナ６６と、その外周の同心円上に配置された６つのＦ２バーナ６７とから構成されている。

各バーナ６６、６７は多数の燃料ノズル２５と、燃料を多数の燃料ノズル２５に分配する燃料ヘッダ２３と、空気および燃料が通過する空気孔３２が燃料ノズル２５に１対１に対応して配置された空気孔プレート３１とを備えたバーナである。

また、各バーナ６６、６７の空気孔プレート３１に設けられた空気孔３２は、図３に示すように、各バーナの軸心を中心とした３列の同心円上に設けられている。Ｆ１バーナ６６は、Ｆ１バーナ６６の軸心を含むＦ１バーナ内周部６６ａとその周囲に配置されたＦ１バーナ外周部６６ｂとに分けられ、本実施の形態においては、Ｆ１バーナ内周部６６ａは空気孔３２の軸心から１列目を含み、Ｆ１バーナ外周部６６ｂは空気孔３２の２列目と３列目とを含む。

ガスタービンは起動から定格負荷条件まで幅広い運転条件を安定に燃焼させるため、起動時や負荷の低い条件ではＦ１バーナ６６単独で運用し、負荷の上昇とともに燃料を供給するＦ２バーナ６７の個数を増やし、最後にすべてのバーナに燃料を供給して運用する。このような運転をすることでバーナそれぞれにおける燃空比を一定以上に保つことで安定に火炎４２を保持することができる。

図４において、Ｆ１バーナ内周部６６ａは、内周燃料ノズル２５ａと、内周空気孔３２ａと、燃料ヘッダ２３と内周燃料ノズル２５ａとを連通する内周オリフィス２２ａとを備えている。また、Ｆ１バーナ外周部６６ｂは、外周燃料ノズル２５ｂと、外周空気孔３２ｂと、燃料ヘッダ２３と外周燃料ノズル２５ｂとを連通する外周オリフィス２２ｂとを備えている。

空気孔プレート３１に配設した空気孔３２ａ、３２ｂは、バーナ中心軸４４に対して傾斜している。このことにより、予混合気噴流１８にバーナ周方向速度成分が付与され、バーナ下流で外側に広がりながら旋回する旋回流４０が形成される。この結果、バーナ中心部には、循環流４１が形成される。この循環流４１によって高温の燃焼ガスが、燃焼室５の下流から空気孔３２ａ、３２ｂの出口近傍まで戻るので、火炎４２を安定に保炎することができる。

次に、図４及び図５を用いてＦ１バーナ６６の局所燃空比に対する火炎形態について説明する。
まず、図４に示すＦ１バーナ内周部６６ａの内周燃料ノズル２５ａに供給される燃料流量をＦ１in、内周空気孔３２ａに流入する空気量をＡ１inと定義して、Ｆ１バーナ外周部６６ｂの外周燃料ノズル２５ｂに供給される燃料流量をＦ１out、外周空気孔３２ｂに流入する空気量をＡ１outと定義する。そして、Ｆ１バーナ６６の内周空気孔３２ａ出口における局所燃空比をＦ１in/Ａ１in、Ｆ１バーナ６６の外周空気孔３２ｂ出口における局所燃空比をＦ１out/Ａ１outと定義する。

図５において、横軸はＦ１バーナ６６の内周空気孔３２ａ出口における局所燃空比Ｆ１in/Ａ１inを示し、縦軸はＦ１バーナ６６の外周空気孔３２ｂ出口における局所燃空比をＦ１out/Ａ１outを示している。また、一点鎖線で示す線１１１は、Ｆ１バーナ内周部６６ａの量論混合比条件を示し、一点鎖線で示す線１１２は、Ｆ１バーナ外周部６６ｂの量論混合比条件を示している。

燃料と空気が予め混合された状態で燃焼する予混合火炎は、量論混合比条件近傍で最も燃焼速度（火炎が予混合気を伝播する速度）が速くなり、量論混合比条件から燃料濃度が薄くなる、または濃くなるにつれて燃焼速度が遅くなり、ある一定の比率に到達すると、予混合気噴流の流速と燃焼速度が釣り合う点が空気孔出口近傍で存在しなくなることによって火炎がリフト、または失火する。この一定の比率は、図５において、Ｆ１バーナ内周部６６ａ側の下減として内周部下限線１０１、上限として内周部上限線１０２で示している。同様に、Ｆ１バーナ外周部６６ｂ側の下減として外周部下限線１０３、上限として外周部上限線１０４で示している。

このため、Ｆ１バーナの内周空気孔３２ａ出口に火炎４２が保炎する条件は、内周部下限線１０１と内周部上限線１０２の２つの線の間に限られる。同様にＦ１バーナ外周空気孔３２ｂ出口に火炎４２が保炎する条件は、外周部下限線１０３と外周部上限線１０４の２つの線の間に限られる。

空気孔出口近傍に火炎４２が保炎できるかどうかは、予混合気の燃空比の大きさが支配的であるが、隣り合う空気孔から噴出される予混合気流が漏れ込んでくるため、内周部上限線１０２、内周部下限線１０１は、Ｆ１out/Ａ１outが高いほど少しずつＦ１in/Ａ１inの低い値にシフトしており、同様に外周部上限線１０４、外周部下限線１０３はＦ１in/Ａ１inが高いほどＦ１out/Ａ１outの低い値にシフトしている。

図５において、内周部上限線１０２と内周部下限線１０１と外周部上限線１０４と外周部下限線１０３とに囲まれた範囲は、すべての空気孔の出口に火炎が保炎する。このため、図２に示す起動／昇速時のようにＦ１バーナ６６単独で燃焼する場合にＦ２バーナ６７からの空気噴流１７がＦ１バーナ６６の下流に向かって流入しても、Ｆ１バーナ６６からの予混合気噴流１８は十分に燃焼反応が進行し、未燃分の排出を抑制することができる。

一方、図５のＦ１バーナ内周部局所燃空比とＦ１バーナ外周部局所燃空比がほぼ等しくなる条件１０５では、Ｆ１バーナ６６全体で火炎の形成位置が同じで、かつ局所燃空比がほぼ同じであることから火炎が一様に変動しやすい。このため、火炎が変動することによって燃焼室５内の圧力が変動し、燃焼室５の圧力変動によってＦ１バーナ６６に供給する燃料流量が変動し、さらに火炎が変動する。この結果、圧力変動と火炎変動がお互いに増幅し合って、燃焼振動が発生する可能性が生じる。

したがって、Ｆ１in/Ａ１in＝Ｆ１out/Ａ１outの近傍条件１０５を避けてＦ１バーナ６６を運用すれば、燃焼振動の発生を回避できる。具体的には、Ｆ１バーナ内周部６６ａとＦ１バーナ外周部６６ｂとで局所燃空比をオフセットすることにより、内周部と外周部とで燃焼速度に差が生じ、火炎が変動した際に、火炎が変動して圧力が変動する変動時間にずれが生じる。このことにより、内周部と外周部とが同一周期で変動することを防止できるので、燃焼振動が抑制される。

次に、Ｆ１in/Ａ１inは内周部上限線１０２と内周部下限線１０１の範囲内で、Ｆ１out/Ａ１outは外周部上限線１０４よりも高いか、外周部下限線１０３よりも低い場合について図６を用いて説明する。図６は図２の他の例であって、Ｆ１バーナにおいて、外周部の燃空費が空気孔出口に火炎が保炎できる燃空費よりも低い場合の火炎形態を示す状況図と併せて表した概略構成図である。図６において、図１乃至図５に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

この場合、内周空気孔出口には火炎が保炎する一方、外周空気孔出口周囲には火炎は保炎しないため、図６に示すように円錐状の火炎４２が形成される。このため、Ｆ１out/Ａ１outが外周部下限線１０３よりも低い場合に、起動／昇速時のようにＦ１バーナ６６単独で燃焼する際、Ｆ１バーナ６６の外周部空気孔から噴出された予混合気噴流１８は、燃焼反応が十分に進行する前にＦ２バーナ６７から噴出された空気噴流１７によって希釈される。このことにより、さらに燃空比が低下して燃焼反応が進行せず、未燃分が大量に発生する。

一方、Ｆ１out/Ａ１outが外周部上限線１０４よりも高い場合には、燃焼反応が十分に進行する前にＦ２バーナ６７から噴出された空気噴流１７によって希釈されたとしても、燃焼反応が進行するために十分な燃空比となっているので、内周部空気孔出口に形成された火炎の燃焼ガスによって外周部空気孔から噴出された予混合気噴流１８も燃焼反応が進行し、未燃分の排出は抑制される。

次に、図５に示すＦ１out/Ａ１outは外周部上限線１０４と外周部下限線１０３の範囲内で、Ｆ１in/Ａ１inは内周部上限線１０２よりも高いか、内周部下限線１０１よりも低い場合は、外周空気孔出口には火炎が保炎する一方、内周空気孔出口周囲には火炎は保炎しない。このため、内周部が浮き上がった火炎が形成される。しかし、内周部が浮き上がったとしても、周囲をＦ１バーナ外周部空気孔出口に保炎した火炎で囲まれているため、高温の燃焼ガスによって燃焼反応が進行し、未燃分の排出が抑制される。

一方、図５に示すＦ１in/Ａ１inが内周部上限線１０２よりも高いか、内周部下限線１０１よりも低く、かつＦ１out/Ａ１outも外周部上限線１０４よりも高いか、外周部下限線１０３よりも低い場合いは、空気孔出口に火炎が保炎できず、失火するかリフトし、リフトする場合は火炎位置が定まらず大きな圧力変動が生じる恐れがある。

以上のＦ１バーナ６６の局所燃空比に対する火炎形態の説明から、Ｆ１バーナ６６の局所燃空比を図５に示す安定燃焼範囲１０７の内側と安定燃焼範囲１０８の内側に設定することで、未燃分と燃焼振動の発生を抑制し、安定に燃焼させることができる。

また、Ｆ１in/Ａ１in＜Ｆ１out/Ａ１outである安定燃焼範囲１０７では、Ｆ１in/Ａ１inが内周下限線１０１より低くても、Ｆ１out/Ａ１outが外周部上限線１０４と外周部下限線１０３の間に入っていれば未燃分の排出を抑制しつつ安定に燃焼することができる。このため、安定燃焼範囲１０８より安定燃焼範囲１０７の方がより広範囲に安定燃焼させることができ、Ｆ１バーナ６６の運用性をさらに向上させることができる。

安定燃焼範囲１０７で運用する場合、Ｆ１in/Ａ１inに比べＦ１out/Ａ１outの運用できる範囲が広い。本実施の形態では、図３に示すようにＦ１バーナ内周部６６ａに対しＦ１バーナ外周部６６ｂの空気孔数を多くし、Ｆ１バーナ外周部６６ｂに流入する空気量の総量を多くしている。このため、Ｆ１バーナ６６を安定に運用できるＦ１outの流量範囲を拡大することができ、Ｆ１バーナ６６全体の燃焼負荷量を広い範囲にとることができる。この結果、Ｆ１バーナ６６の運用性を高めることができる。

次に、図４に戻り、Ｆ１バーナ６６の局所燃空比の設定について説明する。
本実施の形態におけるＦ１バーナ６６は、図４に示すようにＦ１バーナ内周部６６aに対応した内周燃料ノズル２５ａと、Ｆ１バーナ外周部６６ｂに対応した外周燃料ノズル２５ｂとに供給する燃料の配分を調整するために内周オリフィス２２ａ、外周オリフィス２２ｂとがそれぞれ設けられている。

ここで、内周燃料ノズル２５ａに設けた内周オリフィス２２ａの直径をＤin、外周燃料ノズル２５ｂに設けた外周オリフィス２２ｂの直径をＤoutと定義すると、本実施の形態においては、Ｄin＜Ｄoutとなるように設定している。

図４に示すように、内周燃料ノズル２５ａと外周燃料ノズル２５ｂとは同一の燃料ヘッダ２３に接続されているため、Ｆ１in<Ｆ１outとなる。一方、Ｆ１バーナ内周部６６ａに配置した内周空気孔３２ａの直径ＤainとＦ１バーナ内周部６６ｂに配置した外周空気孔３２ｂの直径Ｄaoutとは同一径としているため、それぞれの空気孔３２ａ、３２ｂに流入する空気量Ａ１inとＡ１outとは同じ値となる。この結果、本実施の形態の構成によれば、Ｆ１in/Ａ１in＜Ｆ１out/Ａ１outとすることができる。

本実施の形態のように、燃料ノズル２５ａ、２５ｂに設けたオリフィス２２ａ、２２ｂの直径でＦ１バーナ６６の局所燃空比をＦ１in/Ａ１in＜Ｆ１out/Ａ１outとなるように設定した場合、各燃料ノズルおよび空気孔の流量配分は常に一定となる。このため、例えば図５に示すＦ１バーナ運転線１０９上でＦ１バーナ６６の燃空比条件を設定することができ、そのうち安定燃焼範囲１１０で、未燃分の排出を抑制しつつ、安定燃焼させることができる。

次に、Ｆ１バーナ６６の局所燃空比の設定の他の例について図７及び図８を用いて説明する。図７は本発明のガスタービン燃焼器およびその制御方法の第１の実施の形態を構成するＦ１バーナの他の例を示す詳細側断面図、図８は図７に示すＦ１バーナの他の例を燃焼室側から見た正面図である。図７及び図８において、図１乃至図６に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

図７及び図８に示すように、Ｆ１バーナ６６の局所燃空比の設定の他の例として、燃料ノズル２５ａ、２５ｂに設けたオリフィス２２ａ、２２ｂの直径は内周と外周とで同じ大きさとし、燃料ノズル１本あたりに供給する燃料流量を同じとする一方で、内周空気孔３２ａの直径Ｄａinを外周空気孔３２ｂの直径Ｄａoutより大きくしてもよい。この場合でも、内周空気孔に流入する空気量を外周空気孔に流入する空気量よりも多くすることでＦ１in/Ａ１in＜Ｆ１out/Ａ１outとすることができる。

本実施の形態のように燃料ノズル２５ａ、２５ｂを空気孔内部に挿入している場合、空気の流入量を調節する手段として、空気孔径を変えるほかに燃料ノズル２５ａ、２５ｂの外径を変えてもよい。Ｆ１in/Ａ１in＜Ｆ１out/Ａ１outとするには、例えば空気孔径および燃料ノズルのオリフィス径を一定とした場合、Ｆ１バーナの内周燃料ノズル２５ａの先端部の外径を外周燃料ノズル２５ｂの先端部の外径より小さくし、内周空気孔３２ａの流路断面積を外周空気孔３２ｂの流路断面積より大きくしても良い。

上述した本発明のガスタービン燃焼器およびその制御方法の第１の実施の形態によれば、ガスタービンの起動／昇速時の未燃分の排出と燃焼振動を抑制することができるので、起動用のＦ１バーナ６６の運用範囲を拡大することができる。この結果、ガスタービンの回転数を安定して増加し得るガスタービン燃焼器およびその制御方法を提供できる。

また、上述した本発明のガスタービン燃焼器およびその制御方法の第１の実施の形態によれば、燃料の系統数が少なく、簡便な構造によって、ガスタービンの起動／昇速時の未燃分の排出と燃焼振動を抑制することができる。

以下、本発明のガスタービン燃焼器およびその制御方法の第２の実施の形態を図面を用いて説明する。図９は本発明のガスタービン燃焼器およびその制御方法の第２の実施の形態の要部の側断面図を燃焼室内の燃焼ガスの流れを示す状況図と併せて表した概略構成図、図１０は本発明のガスタービン燃焼器およびその制御方法の第２の実施の形態を構成する空気孔プレートの一例を燃焼室側から見た正面図、図１１は本発明のガスタービン燃焼器およびその制御方法の第２の実施の形態を構成するＦ１バーナの全バーナ火炎形成時における火炎形態を示す特性図である。図９乃至図１１において、図１乃至図８に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

図９及び図１０に示す本発明のガスタービン燃焼器およびその制御方法の第２の実施の形態は、大略第１の実施の形態と同様の機器で構成されるが、以下の構成が異なる。本実施の形態においては、Ｆ１バーナ６６において、燃料ヘッダ２３を内周燃料ヘッダ２３ａと外周燃料ヘッダ２３ｂとに区分けして設けている。内周燃料ヘッダ２３ａは、Ｆ１バーナ内周部６６aに対応した内周燃料ノズル２５ａに燃料を供給するもので、内周側燃料流量調整弁６１ａが設けられた内周燃料系統５１ａが接続されている。同様に、外周燃料ヘッダ２３ｂは、Ｆ１バーナ外周部６６ｂに対応した外周燃料ノズル２５ｂに燃料を供給するもので、外周側燃料流量調整弁６１ｂが設けられた外周燃料系統５１ｂが接続されている。

制御装置６５は、内周側燃料流量調整弁６１ａと外周側燃料流量調整弁６１ｂとを個別に開度調節することで、Ｆ１バーナ内周部６６ａとＦ１バーナ外周部６６ｂに供給する燃料流量を別々に制御できる。

本実施例の形態においては、このように、制御装置６５でＦ１バーナ内周部６６ａとＦ１バーナ外周部６６ｂとの局所燃空比を調節することができるため、第１の実施の形態のように燃料ノズル２５ａ、２５ｂに設けたオリフィス２２ａ、２２ｂや空気孔３２ａ、３２ｂの直径をＦ１バーナ内周部６６ａとＦ１バーナ外周部６６ｂとで変える必要がない。

本実施の形態においても、Ｆ１バーナ６６の火炎形態は、図５の特性で整理することができる。Ｆ１バーナの内周空気孔３２ａ出口に火炎が保炎する条件は、図５に示す内周部下限線１０１と内周部上限線１０２の２つの線の間に限られ、同様にＦ１バーナ外周空気孔３２ｂ出口に火炎が保炎する条件は、外周部下限線１０３と外周部上限線１０４の２つの線の間に限られる。

一方、内周部上限線１０２、内周部下限線１０１、外周部上限線１０４、外周部下限線１０３に囲まれた範囲では、すべての空気孔の出口に火炎が保炎する。このため、タービン起動／昇速時のようにＦ１バーナ６６単独で燃焼する場合に、図９に示すようにＦ２バーナ６７からの空気噴流１７がＦ１バーナ６６の下流に向かって流入してもＦ１バーナ６６からの予混合気噴流１８は十分に燃焼反応が進行し、未燃分の排出を抑制することができる。

しかし、図５のＦ１バーナ内周部局所燃空比Ｆ１in/Ａ１inとＦ１バーナ外周部局所燃空比Ｆ１out/Ａ１outとがほぼ一致する条件１０５では、第１の実施の形態の場合と同様にＦ１バーナ６６全体で火炎の形成位置が同じで、かつ局所燃空比がほぼ同じであることから火炎が一様に変動しやすくなる。このため、火炎が変動することによって燃焼室５内の圧力が変動し、燃焼室５の圧力変動によってＦ１バーナ６６に供給する燃料流量が変動し、さらに火炎が変動する。この結果、圧力変動と火炎変動がお互いに増幅し合って、燃焼振動が発生する可能性が生じる。

そこで、本実施の形態においては、内周側燃料流量調整弁６１ａと外周側燃料流量調節弁６１ｂの開度を調整して、Ｆ１in/Ａ１in＝Ｆ１out/Ａ１outの近傍条件１０５を避けてＦ１バーナ６６を運用することにより、燃焼振動の発生を回避できる。具体的には、Ｆ１バーナ内周部６６ａとＦ１バーナ外周部６６ｂとで局所燃空比をオフセットすることにより、内周部と外周部とで燃焼速度に差が生じ、火炎が変動した際に、火炎が変動して圧力が変動する変動時間にずれが生じる。このことにより、内周部と外周部とが同一周期で変動することを防止できるので、燃焼振動が抑制される。

次に、Ｆ１in/Ａ１inは内周部上限線１０２と内周部下限線１０１の範囲内で、Ｆ１out/Ａ１outは外周部上限線１０４よりも高いか、外周部下限線１０３よりも低い場合について説明する。この場合、内周空気孔出口には火炎が保炎する一方、外周空気孔出口周囲には火炎は保炎しないため、円錐状の火炎が形成される。このため、Ｆ１out/Ａ１outが外周部下限線１０３よりも低い場合に、起動／昇速時のようにＦ１バーナ６６単独で燃焼する際、Ｆ１バーナ６６の外周部空気孔から噴出された予混合気噴流１８は、燃焼反応が十分に進行する前にＦ２バーナ６７から噴出された空気噴流１７によって希釈される。このことにより、さらに燃空比が低下して燃焼反応が進行せず、未燃分が大量に発生する。

一方、Ｆ１out/Ａ１outが外周部上限線１０４よりも高い場合には、燃焼反応が十分に進行する前にＦ２バーナ６７から噴出された空気噴流１７によって希釈されたとしても、燃焼反応が進行するために十分な燃空比となっているので、内周部空気孔出口に形成された火炎の燃焼ガスによって外周部空気孔から噴出された予混合気噴流１８も燃焼反応が進行し、未燃分の排出は抑制される。

次に、図５に示すＦ１out/Ａ１outは外周部上限線１０４と外周部下限線１０３の範囲内で、Ｆ１in/Ａ１inは内周部上限線１０２よりも高いか、内周部下限線１０１よりも低い場合は、外周空気孔出口には火炎が保炎する一方、内周空気孔出口周囲には火炎は保炎しない。このため、内周部が浮き上がった火炎が形成される。しかし、内周部が浮き上がったとしても、周囲をＦ１バーナ外周部空気孔出口に保炎した火炎で囲まれているため、高温の燃焼ガスによって燃焼反応が進行し、未燃分の排出が抑制される。

一方、図５に示すＦ１in/Ａ１inが内周部上限線１０２よりも高いか、内周部下限線１０１よりも低く、かつＦ１out/Ａ１outも外周部上限線１０４よりも高いか、外周部下限線１０３よりも低い場合いは、空気孔出口に火炎が保炎できず、失火するかリフトし、リフトする場合は火炎位置が定まらず大きな圧力変動が生じる恐れがある。

以上のＦ１バーナ６６の局所燃空比に対する火炎形態の説明から、Ｆ１バーナ６６の局所燃空比を図５に示す安定燃焼範囲１０７の内側と安定燃焼範囲１０８の内側に設定することで、未燃分と燃焼振動の発生を抑制し、安定に燃焼させることができる。
また、Ｆ１in/Ａ１in＜Ｆ１out/Ａ１outである安定燃焼範囲１０７では、Ｆ１in/Ａ１inが内周下限線１０１より低くても、Ｆ１out/Ａ１outが外周部上限線１０４と外周部下限線１０３の間に入っていれば未燃分の排出を抑制しつつ安定に燃焼することができる。このため、安定燃焼範囲１０８より安定燃焼範囲１０７の方がより広範囲に安定燃焼させることができ、Ｆ１バーナ６６の運用性をさらに向上させることができる。

安定燃焼範囲１０７で運用する場合、Ｆ１in/Ａ１inに比べＦ１out/Ａ１outの運用できる範囲が広い。本実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、図１０に示すようにＦ１バーナ内周部６６ａの空気孔数よりＦ１バーナ外周部６６ｂの空気孔数を多くし、Ｆ１バーナ外周部６６ｂに流入する空気量の総量を多くしている。このため、Ｆ１バーナ６６を安定に運用できるＦ１outの流量範囲を拡大することができ、Ｆ１バーナ６６全体の燃焼負荷量を広い範囲にとることができる。この結果、Ｆ１バーナ６６の運用性を高めることができる。

次に、全バーナ火炎形成時におけるＦ１バーナの火炎形態について説明する。第１の実施の形態で説明したタービン起動／昇速時において、Ｆ１in/Ａ１inが図５に示す内周部上限線１０２と内周部下限線１０１の範囲内で、Ｆ１out/Ａ１outが外周部下限線１０３より小さい場合には、前述したように未燃分が大量に発生してしまう。しかし、定格負荷条件など、Ｆ２バーナ６７のすべてに火炎が形成されているような場合には、Ｆ１バーナの外周部空気孔３２ｂから噴出される予混合気１８が希釈されて未燃分が大量排出されることがないので、このような条件内でも安定に燃焼させることができる。

このような、全バーナ火炎形成時におけるＦ１バーナの火炎形態を図１１に示している。図１１に示すように、Ｆ１in/Ａ１in＞Ｆ１out/Ａ１outの安定燃焼範囲１０８は、図５に示す起動／昇速時における安定燃焼範囲１０８に比べて拡大している。

本実施の形態においては、Ｆ１バーナ内周部６６ａに配置した内周空気孔３２ａの開口面積をＦ１バーナ外周部６６ｂに配置した外周空気孔３２ｂの開口面積より小さくすると共に、Ｆ１バーナの内周燃料ノズル２５ａとＦ１バーナの外周燃料ノズル２５ｂとに供給する燃料の比率を自由に変えることができる。このことにより、定格負荷条件では図１１に示す安定燃焼範囲１０８内で運用し、Ｆ１in/Ａ１in＞Ｆ１out/Ａ１outとすることで燃空比が高くなる予混合気量を最小限とすることができる。この結果、ＮＯｘ排出量を最小限とすることができる。

上述した本発明のガスタービン燃焼器およびその制御方法の第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

また、上述した本発明のガスタービン燃焼器およびその制御方法の第２の実施の形態によれば、Ｆ１バーナ６６の内周部と外周部に供給する燃料配分を内周側燃料流量調整弁６１ａと外周側燃料流量調節弁６１ｂの開度で制御できるので、起動／昇速時における安定燃焼範囲１０８を確保できると共に、定格負荷条件時においても、拡大した安定燃焼範囲１０８での運転が可能となる。この結果、全運転範囲においてＮＯｘ排出量を最小限とすることができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。

１ 圧縮機
２ 燃焼器
３ タービン
４ ケーシング
５ 燃焼室
６ マルチバーナ
７ シャフト
８ 発電機
９ ガスタービンプラント
１０ 燃焼器ライナ
１１ フロースリーブ
１２ 尾筒内筒
１３ 尾筒外筒
１５ 吸い込み空気
１６ 高圧空気
１７ 空気噴流
１８ 予混合気噴流
１９ 高温燃焼ガス
２０ 排気ガス
２２ オリフィス
２２ａ 内周オリフィス
２２ｂ 外周オリフィス
２３ 燃料ヘッダ
２３ａ 内周燃料ヘッダ
２３ｂ 外周燃料ヘッダ
２５ 燃料ノズル
２５ａ 内周燃料ノズル
２５ｂ 外周燃料ノズル
３１ 空気孔プレート
３２ 空気孔
３２ａ 内周空気孔
３２ｂ 外周空気孔
４０ 旋回流
４１ 循環流
４２ 火炎
４４ バーナ中心軸
５０ ガス燃料
５１ 燃料系統
５１ａ 第１燃料系統
５１ｂ 第２燃料系統
５２、５３ 燃料系統
６０ 燃料遮断弁
６１ 燃料流量調節弁
６１ａ 第１燃料流量調整弁
６１ｂ 第２燃料流量調整弁
６２、６３ 燃料流量調節弁
６５ 制御装置
６６ Ｆ１バーナ
６６ａ Ｆ１バーナ内周部
６６ｂ Ｆ１バーナ外周部
６７ Ｆ２バーナ
１０１ Ｆ１バーナ内周部局所燃空比下限線
１０２ Ｆ１バーナ内周部局所燃空比上限線
１０３ Ｆ１バーナ外周部局所燃空比下限線
１０４ Ｆ１バーナ外周部局所燃空比上限線
１０５ Ｆ１バーナ内周部局所燃空比と外周部局所燃空比が等しくなる条件
１０７ 安定燃焼領域
１０８ 安定燃焼領域
１０９ Ｆ１バーナ運転線
１１０ Ｆ１バーナ安定燃焼運転範囲
１１１ Ｆ１バーナ内周部量論混合比条件
１１２ Ｆ１バーナ外周部量論混合比条件

Claims (9)

1. 供給された燃料と供給された空気とを混合して燃焼させる円筒状の燃焼室と、
   前記燃焼室の上流側に位置し前記燃焼室に空気を供給する複数の空気孔を形成した空気孔プレートと、前記空気孔プレートの上流側に配置され前記空気孔プレートに形成した複数の空気孔に前記燃料を供給する複数の燃料ノズルと、前記複数の燃料ノズルと前記複数の空気孔とがそれぞれ対となるように配置して構成される複数のバーナと、前記複数のバーナのうち前記燃焼室に面して前記空気孔プレートの軸中心に配置した起動用のＦ１バーナと、前記Ｆ１バーナの外周部に複数個配置したＦ２バーナとを備えたガスタービン燃焼器において、
   前記Ｆ１バーナの前記燃料ノズルと前記空気孔とは複数列の円周上に配置され、前記Ｆ１バーナの前記空気孔は半径方向内側に配置された内周部空気孔と前記内周部空気孔の外周側に配置された外周部空気孔とを備え、
   前記内周部空気孔の出口における燃空比が、前記外周部空気孔の出口における燃空比よりも小さい
   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Ｆ１バーナは、前記内周部空気孔に対応して配置される内周部燃料ノズルと、前記外周部空気孔に対応して配置される外周部燃料ノズルと、前記内周部燃料ノズルと前記外周部燃料ノズルとに燃料を供給する燃料ヘッダと、前記燃料ヘッダと前記内周部燃料ノズルとを連通する内周オリフィスと、前記燃料ヘッダと前記外周部燃料ノズルとを連通する外周オリフィスとを備え、
   前記内周オリフィスの直径が前記外周オリフィスの直径よりも小さい
   ことを特徴とするガスタービン燃焼器。
3. 請求項１に記載のガスタービン燃焼器において、
   前記Ｆ１バーナの内周部空気孔の直径が、前記Ｆ１バーナの外周部空気孔の直径よりも大きい
   ことを特徴とするガスタービン燃焼器。
4. 請求項１に記載のガスタービン燃焼器において、
   前記複数の空気孔には前記複数の燃料ノズルの先端がそれぞれ挿入されていて、
   前記Ｆ１バーナは、前記内周部空気孔に対応して配置される内周部燃料ノズルと、前記外周部空気孔に対応して配置される外周部燃料ノズルとを備え、
   前記Ｆ１バーナの内周部燃料ノズルの先端部の外径が、前記Ｆ１バーナの外周部燃料ノズルの先端部の外径よりも小さい
   ことを特徴とするガスタービン燃焼器。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載のガスタービン燃焼器において、
   前記Ｆ１バーナの内周部空気孔の総開口面積が、前記Ｆ１バーナの外周部空気孔の総開口面積よりも小さい
   ことを特徴とするガスタービン燃焼器。
6. 請求項１に記載のガスタービン燃焼器において、
   前記Ｆ１バーナの前記燃料ノズルと前記空気孔とは複数列の円周上に配置され、半径方向内側に配置されたＦ１バーナ内周部と前記Ｆ１バーナ内周部の外周側に配置されたＦ１バーナ外周部と、
   前記Ｆ１バーナ内周部の燃料ノズルに前記燃料を供給する第１燃料系統と、
   前記Ｆ１バーナ外周部の燃料ノズルに前記燃料を供給する第２燃料系統と、
   前記第１燃料系統に設けられ燃料流量を調整する第１流量調整弁と、
   前記第２燃料系統に設けられ燃料流量を調整する第２流量調整弁と、
   ガスタービンの起動／昇速時において、前記Ｆ１バーナ内周部空気孔の出口における燃空比が、前記Ｆ１バーナ外周部空気孔の出口における燃空比よりも小さくなるように前記第１流量調整弁と前記第２流量調整弁の開度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。
7. 請求項６に記載のガスタービン燃焼器において、
   前記制御装置は、ガスタービンの起動／昇速時に、前記Ｆ１バーナの内周部の燃料ノズルの１本あたりの燃料供給量を、前記Ｆ１バーナの外周部の燃料ノズルの１本あたりの燃料供給量よりも少なくなるように、前記第１流量調整弁と前記第２流量調整弁の開度を制御する
   ことを特徴とするガスタービン燃焼器。
8. 請求項６または７に記載のガスタービン燃焼器において、
   前記Ｆ１バーナの内周部空気孔の総開口面積が、前記Ｆ１バーナの外周部空気孔の総開口面積よりも小さい
   ことを特徴とするガスタービン燃焼器。
9. 供給された燃料と供給された空気とを混合して燃焼させる円筒状の燃焼室と、
   前記燃焼室の上流側に位置し前記燃焼室に空気を供給する複数の空気孔を形成した空気孔プレートと、前記空気孔プレートの上流側に配置され前記空気孔プレートに形成した複数の空気孔に前記燃料を供給する複数の燃料ノズルと、前記複数の燃料ノズルと前記複数の空気孔とがそれぞれ対となるように配置して構成される複数のバーナと、前記複数のバーナのうち前記燃焼室に面して前記空気孔プレートの軸中心に配置した起動用のＦ１バーナと、前記Ｆ１バーナの外周部に複数個配置したＦ２バーナとを備えたガスタービン燃焼器の制御方法において、
   前記Ｆ１バーナの前記燃料ノズルと前記空気孔とは複数列の円周上に配置され、ガスタービンの起動／昇速時に、前記Ｆ１バーナの出口における半径方向外側の局所燃空比を、前記Ｆ１バーナの出口における半径方向内側の局所燃空比よりも高くして運転する
   ことを特徴とするガスタービン燃焼器の制御方法。

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