JP2017032221A - ガスタービン燃焼器 - Google Patents

Abstract

【課題】安定燃焼を実現するとともにＮＯｘの排出量を低減することが可能なガスタービン燃焼器を提供することを目的とする。【解決手段】本発明のガスタービン燃焼器６は、内部に燃焼室５を形成する内筒８と、前記内筒８の外周側を覆う外筒１０と、前記内筒８と前記外筒１０の間に形成された環状流路１１と、前記燃焼室５の上流側に設けられた拡散燃焼バーナ１３ａと、前記拡散燃焼バーナ１３ａの周囲に設けられた複数の予混合燃焼バーナ１３ｂとを備えるバーナ部１２と、前記バーナ部１２の外壁面に開口し、前記環状流路１１と前記拡散燃焼バーナ１３ａの空気流路２６を連通する連通孔２０と、前記連通孔２０の開口面積を変化させる可変機構３０とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービン燃焼器に関する。

環境問題への配慮の観点から、ガスタービン燃焼器には窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量の低減が求められている。ＮＯｘの排出量を低減するガスタービン燃焼器として、燃料と空気を予め混合した混合気を燃焼室に供給して燃焼する予混合燃焼を採用した燃焼器がある。この種のガスタービン燃焼器には、燃焼器の中央に拡散燃焼バーナを配置し、拡散燃焼バーナの周囲に複数の予混合燃焼バーナを配置した燃焼器がある。

ＮＯｘの排出量の低減は、燃料と空気の混合比（燃空比）が量論混合比よりも小さい状態で燃焼させることにより図られる。そのため、予混合燃焼を採用したガスタービン燃焼器では、燃空比（燃料流量／空気流量）を調整して適度に保つ必要がある。これに対し、予混合燃焼バーナの燃焼空気流通路に予混合燃焼用空気流量調節弁を設けて予混合燃焼用の空気流量を制御する燃焼器が提案されている（特許文献１等を参照）。

特開平７−２６９３７３号公報

特許文献１のガスタービン燃焼器では、拡散燃焼バーナに流入する拡散燃焼用の空気流量を制御することができない。そのため、ガスタービンの運転条件によっては、燃空比が局所的に高くなり、局所火炎温度が上昇してＮＯｘの排出量が増加する可能性がある。

本発明は上記に鑑みてなされたもので、安定燃焼を実現するとともにＮＯｘの排出量を低減することが可能なガスタービン燃焼器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明のガスタービン燃焼器は、内部に燃焼室を形成する内筒と、前記内筒の外周側を覆う外筒と、前記内筒と前記外筒の間に形成された環状流路と、前記燃焼室の上流側に設けられた拡散燃焼バーナと、前記拡散燃焼バーナの周囲に設けられた複数の予混合燃焼バーナとを備えるバーナ部と、前記バーナ部の外壁面に開口し、前記環状流路と前記拡散燃焼バーナの空気流路を連通する連通孔と、前記連通孔の開口面積を変化させる可変機構とを備える。

本発明によれば、安定燃焼を実現するとともにＮＯｘの排出量を低減することが可能なガスタービン燃焼器を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係るガスタービン燃焼器を適用し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１実施形態に係るバーナ部の斜視図である。 制御装置の要部を示す概略図である。 燃焼空気の流量制御の手順を示すフローチャートである。 燃焼空気の流量制御の手順を示すフローチャートである。 比較例のガスタービンプラントの一構成例を表す図である。 比較例のバーナ部の斜視図である。 本発明の第２実施形態に係るバーナ部の斜視図である。 本発明の第３実施形態に係るバーナ部の斜視図である。 図９の点線で囲んだ領域Ａの拡大図である。 図９の点線で囲んだ領域Ａの拡大図である。 図９の点線で囲んだ領域Ａの拡大図である。 図９の点線で囲んだ領域Ａの拡大図である。

＜第１実施形態＞
（構成）
１．ガスタービンプラント
図１は、本実施形態に係るガスタービン燃焼器（以下、燃焼器）を適用したガスタービンプラント（ガスタービン発電設備）の一構成例を表す図である。図１に示すように、本実施形態に係るガスタービンプラント１００は、圧縮機１、燃焼器６、タービン３及び発電機７を備えている。

圧縮機１は、吸気部（不図示）を介して吸い込まれた空気を圧縮して高圧の燃焼空気（圧縮空気）２を生成し、燃焼器６に供給する。燃焼器６は、圧縮機１から供給された燃焼空気２と燃料系統（不図示）から供給された燃料とを混合して燃焼し、高温の燃焼ガス４を生成してタービン３に供給する。タービン３は、燃焼器６から供給された燃焼ガス４が膨張することにより駆動される。発電機７は、タービン３と同軸に連結され、タービン３の回転動力を電力に変換する。

２．燃焼器
燃焼器６は、内筒８、外筒１０、尾筒９、バーナ部１２、ライナフロースリーブ１４、トランジションピースフロースリーブ１６、エンドカバー２３及び可変機構３０を備えている。

内筒（燃焼器ライナ）８は、バーナ部１２の燃焼ガス４の流れ方向の下流側に設けられている。以下、単に「上流」「下流」と言った場合には、燃焼ガス４の流れ方向の「上流」「下流」を意味する。内筒８は円筒状に形成され、圧縮機１から供給される燃焼空気２と燃焼器６で生成される燃焼ガス４とを隔てている。内筒８の外周側に外筒１０及びライナフロースリーブ１４が設けられている。外筒１０は、内筒８の上流側を覆うように円筒状に形成されている。ライナフロースリーブ１４は、外筒１０の下流側に設けられている。ライナフロースリーブ１４は、内筒８の下流側を覆うように円筒状に形成されている。内筒８と外筒１０及びライナフロースリーブ１４との間に形成される環状の空間は、圧縮機１から燃焼器６に供給される燃焼空気２が流れる環状流路（第１環状流路）１１を構成している。第１環状流路１１を流れる燃焼空気２は、内筒８の外壁面側から内筒８を対流冷却する。ライナフロースリーブ１４には、バイパス孔１５が形成されている。バイパス孔１５は、圧縮機１から燃焼器６に供給された燃焼空気２の一部を第１環状流路１１に導き、燃焼器６全体の圧力損失の上昇を抑制する機能を有する。エンドカバー２３は、バーナ部１２の上流側に設けられている。エンドカバー２３は、外筒１０の一端を閉止している。

内筒８の内側には燃焼室５が形成されている。燃焼室５では、圧縮機１から供給された燃焼空気２と燃料系統から供給された燃料との混合気が燃焼され、燃焼ガス４が生成される。内筒８のバーナ部１２から遠い側（下流側）には、尾筒（トランジションピース）９の一端が挿し込まれている。尾筒９は、燃焼室５で発生した燃焼ガス４をタービン３に導く機能を有する。尾筒９の他端は、燃焼器６とタービン３とを接続する燃焼ガス配管２８に接続している。ライナフロースリーブ１４の下流側にトランジションピースフロースリーブ１６が設けられている。トランジションピースフロースリーブ１６は、尾筒９を覆うように円筒状に形成されている。尾筒９とトランジションピースフロースリーブ１６との間に形成される環状の空間は、圧縮機１から燃焼器６に供給される燃焼空気２が流れる環状流路（第２環状流路）２５を構成している。第２環状流路２５を流れる燃焼空気２は、尾筒９の外壁面側から尾筒９を対流冷却する。

バーナ部１２は、内筒８の上流側の端部を全面的に塞ぐように設けられている。バーナ部１２は、一端面が燃焼室５に臨むように内筒８の中心軸に直交するように配置されている。バーナ部１２は、拡散燃焼バーナ１３ａ、予混合燃焼バーナ１３ｂ、拡散燃焼用空気孔２０及び予混合燃焼用空気孔２１を備えている。

拡散燃焼バーナ（パイロットバーナ）１３ａは、燃焼室５の上流側に内筒８の中心軸と同軸に配置されている。拡散燃焼バーナ１３ａは、拡散燃焼バーナ用燃料供給孔２４，２９及び空気流路２６を備えている。拡散燃焼バーナ用燃料供給孔２４は、燃料系統から供給される液体燃料を燃焼室５に導く機能を有する。拡散燃焼バーナ用燃料供給孔２９は、燃料系統から供給される気体燃料を燃焼室５に導く機能を有する。空気流路２６は、第１環状流路１１から拡散燃焼バーナ１３ａに供給される燃焼空気（拡散燃焼バーナ用燃焼空気）２ａが流れる流路である。

予混合燃焼バーナ（メインバーナ）１３ｂは、拡散燃焼バーナ１３ａの周囲に複数配置されている。予混合燃焼バーナ１３ｂは、予混合燃焼バーナ用燃料供給孔２２及び予混合室２７を備えている。予混合燃焼バーナ用燃料供給孔２２は、燃料系統から供給された気体燃料を予混合室２７に導く機能を有する。予混合室２７は、予混合燃焼バーナ用燃料供給孔２２から供給された燃料と第１環状流路１１から供給された燃焼空気（予混合燃焼バーナ用燃焼空気）２ｂとが混合する空間である。

拡散燃焼用空気孔（第１連通孔）２０は、バーナ部１２の外壁面に開口し、第１環状流路１１と拡散燃焼バーナ１３ａの空気流路２６とを連通している。第１連通孔２０は、拡散燃焼バーナ用燃焼空気２ａを空気流路２６に供給する機能を有する。予混合燃焼用空気孔（第２連通孔）２１は、バーナ部１２の外壁面に開口し、第１環状流路１１と予混合燃焼バーナ１３ｂの予混合室２７とを連通している。第２連通孔２１は、予混合バーナ用燃焼空気２ｂを予混合室２７に供給する機能を有する。本実施形態では、バーナ部１２の外壁面における第１，２連通孔２０，２１の開口部は円形状に形成されている。第１，２連通孔２０，２１は、バーナ部１２の周方向に沿って複数設けられている。第１，２連通孔２０，２１は、バーナ部１２の径方向に延在して形成されている（つまり、バーナ部１２の外壁面１２Ａから中心に向かって直線状に形成されている）。なお、第１，２連通孔２０，２１は、バーナ部１２の周方向に傾斜して形成されても良い。

３．可変機構
可変機構３０は、燃焼器６の状態に応じて、第１連通孔２０の開口面積を変化させる機能を有する。本実施形態では、燃焼器６の状態は、ＮＯｘ値及びＴＨＣ値、内筒８の変位、並びに予混合燃焼バーナ１３ｂのメタル温度等を言う。可変機構３０は、制御装置１７、駆動装置１８、流量制御弁１９、分析装置３１、振動計３４及び温度計３７を備えている。可変機構３０の各要素について説明していく。

図２は、本実施形態に係るバーナ部の斜視図である。図２に示すように、流量制御弁（弁部）１９は、本体部１９Ａ及び接続部１９Ｂを備えている。本体部１９Ａは、バーナ部１２の外壁面１２Ａを覆うように環状（ベルト状）に形成されている。接続部１９Ｂは、本体部１９Ａと駆動装置１８を接続するリンクである。本体部１９Ａは、バーナ部１２の軸方向（図２の左右方向）における寸法（長さ）Ｗがバーナ部１２の外壁面に形成された第１連通孔２０の開口部の直径又は周方向に採った開口部の長さよりも長くなるように形成されている。つまり、本体部１９Ａは、第１連通孔２０の開口部の全体を覆うことができるような寸法に形成されている。例えば、流量制御弁１９をバーナ部１２の軸方向にスライド（摺動）させると、本体部１９Ａのバーナ部１２の軸方向の一端側端部が第１連通孔２０の開口部を覆い始めて以降、第１連通孔２０の開口部の面積（開口面積）が減少し、第１連通孔２０に流入する燃焼空気量が減少する。そして、本体部１９Ａが第１連通孔２０の開口部の全体を覆うと、第１連通孔２０への燃焼空気の流入が遮断される（つまり、第１連通孔２０に燃焼空気が流入しない）。一方、第１連通孔２０に流入する燃焼空気量が減少すると、減少した分の燃焼空気が第２連通孔２１に流入するため、第２連通孔２１に流入する燃焼空気量が増加する。つまり、流量制御弁１９をバーナ部１２の軸方向にスライドさせて第１連通孔２０の開口率を段階的に変化させることにより、第１連通孔２０及び第２連通孔２１に流入する燃焼空気量を制御することができ、燃焼空気量の制御の自由度が増加する。

駆動装置１８は、流量制御弁１９の接続部１９Ｂを駆動して、流量制御弁１９の本体部１９Ａをバーナ部１２の軸方向に摺動させる機能を有する。駆動装置１８は、例えば、シリンダやモータを採用することができる。

分析装置３１は、燃焼ガス４の組成を分析し、ＮＯｘ値Ｔｎ及びＴＨＣ値Ｔｃを算出する機能を有する。分析装置３１は、分析配管３２を介して燃焼ガス配管２８に接続している。分析配管３２は、燃焼ガス配管２８から分岐する配管であり、燃焼ガス配管２８を流れる燃焼ガス４の一部を分析装置３１に供給する。分析装置３１は、算出したＮＯｘ値Ｔｎ及びＴＨＣ値Ｔｃを信号３３として制御装置１７のＮＯｘ判定部３９及びＴＨＣ判定部４０に出力する。なお、本実施形態では、分析装置３１がＴＨＣを計測する場合を例示しているが、同じような特性を有する要素であれば計測対象が限定されず、例えば、一酸化炭素（ＣＯ）を計測しても良い。

振動計３４は、計測部が内筒８に設けられている。振動計３４は、例えば、内筒８の変位Ａｎを計測し、その計測値を信号３５として制御装置１７に出力する。振動計３４としては、例えば、歪ゲージや加速度計を採用することができる。なお、振動計３４として加速度計を採用する場合には内筒８の加速度を計測し、その計測値を信号３５として制御装置１７の燃焼振動判定部４１に出力する。

温度計３７は、予混合燃焼バーナ１３ｂに設けられている。温度計３７は、予混合燃焼バーナ１３ｂのメタル温度Ｔ_Ｍを検出し、その検出値を信号３８として制御装置１７の温度判定部４２に出力する。

制御装置１７は、燃焼ガス４中のＮＯｘ及びＴＨＣ（トータル炭化水素）に関する信号、燃焼器６の燃焼振動に関する信号、並びに予混合燃焼バーナ１３ｂのメタル温度に関する信号を入力し、入力した信号に基づいて駆動装置１８に駆動信号を出力する機能を有する。以下、制御装置１７について説明していく。

図３は、制御装置１７の要部を示す概略図である。図３に示すように、制御装置１７は、ＮＯｘ判定部３９、ＴＨＣ判定部４０、燃焼振動判定部４１、温度判定部４２及び算出部４３を備えている。ＮＯｘ判定部３９及びＴＨＣ判定部４０は分析装置３１と、燃焼振動判定部４１は振動計３４と、温度判定部４２は温度計３７とそれぞれ電気的に接続している。算出部４３は、ＮＯｘ判定部３９、ＴＨＣ判定部４０、燃焼振動判定部４１及び温度判定部４２と電気的に接続している。

ＮＯｘ判定部３９は、分析装置３１からのＮＯｘ値Ｔｎを入力して制限値（設定値）Ｔｎｓと比較し、算出部４３を介して駆動装置１８に駆動信号を出力して流量制御弁１９を駆動する。ＴＨＣ判定部４０は、分析装置３１からのＴＨＣ値Ｔｃを入力して制限値Ｔｃｓと比較し、算出部４３を介して駆動装置１８に駆動信号を出力して流量制御弁１９を駆動する。燃焼振動判定部４１は、振動計３４からの変位Ａｎを入力して制限値Ａｓと比較し、算出部４３を介して駆動装置１８に駆動信号を出力して流量制御弁１９を駆動する。温度判定部４２は、温度計３７からのメタル温度Ｔ_Ｍを入力して制限値と比較し、算出部４３を介して駆動装置１８に駆動信号を出力して流量制御弁１９を駆動する。なお、上述した制限値は、例えば、制御装置１７の記憶部（不図示）に格納されている。

（動作）
図４は、燃焼空気の流量制御の手順を示すフローチャートである。なお、制御装置１７は、ガスタービンプラント１００の起動に先立ち、流量制御弁１９を駆動して初期位置に配置する。本実施形態では、流量制御弁１９の初期位置を流量制御弁１９が第１連通孔２０の開口部に重ならない位置（つまり、第１連通孔２０の開口面積が最大となる位置）とする。以下の説明では、第１連通孔２０の開口面積を減少させるように流量制御弁１９を駆動することを「閉駆動」、増加させるように駆動することを「開駆動」と言う。

ガスタービンプラント１００を起動させて部分負荷運転状態に移行すると、制御装置１７のＮＯｘ判定部３９及びＴＨＣ判定部４０は分析装置３１からの信号３３を入力し、燃焼振動判定部４１は振動計３４からの信号３５を入力する（ステップＳ１）。

ＮＯｘ判定部３９は、ＮＯｘ値Ｔｎと制限値Ｔｎｓを比較し、ＮＯｘを低減する必要があるか否かを判定する（ステップＳ２）。具体的に、ＮＯｘ値Ｔｎが制限値Ｔｎｓ以下（Ｔｎ≦Ｔｎｓ）の場合（Ｙｅｓ）、ＮＯｘ判定部３９はＮＯｘを低減させる必要はないと判定する。そして、制御装置１７はステップＳ４に手順を移す。反対に、ＮＯｘ値Ｔｎが制限値Ｔｎｓより大きい（Ｔｎ＞Ｔｎｓ）場合（Ｎｏ）、ＮＯｘ判定部３９はＮＯｘを低減させる必要があると判定する。

ステップＳ２においてＮＯｘを低減する必要があると判定した場合、ＮＯｘ判定部３９は、ＮＯｘ値Ｔｎを算出部４３に出力する。算出部４３は、入力したＮＯｘ値Ｔｎに基づいて流量制御弁１９の制御量（駆動量）を算出し、駆動装置１８に駆動信号を出力する（ステップＳ３）。そして、制御装置１７はステップＳ１に手順を戻す。なお、ステップＳ３で算出される制御量は、流量制御弁１９を閉駆動して第１連通孔２０の開口面積を減少させ、拡散燃焼バーナ１３ａに流入する燃焼空気量を減少させて、減少した分の燃焼空気を第２連通孔２１に供給することにより予混合燃焼バーナ１３ｂの予混合燃焼比率を大きくして、ＮＯｘ値を低減させる大きさである。

続いて、制御装置１７の燃焼振動判定部４１は、燃焼器６の変位Ａｎと制限値Ａｓを比較し、燃焼器６の燃焼振動を抑制する必要があるか否かを判断する（ステップＳ４）。具体的に、燃焼振動判定部４１は、変位Ａｎが制限値Ａｓ以下（Ａｎ≦Ａｓ）の場合（Ｙｅｓ）、燃焼器６の燃焼振動を抑制する必要はないと判定する。そして、制御装置１７はステップＳ６に手順を移す。反対に、燃焼振動判定部４１は、変位Ａｎが制限値Ａｓより大きい（Ａｎ＞Ａｓ）場合（Ｎｏ）、燃焼器６の燃焼振動を抑制する必要があると判定する。

ステップＳ４において燃焼器６の燃焼振動を抑制する必要があると判定した場合、燃焼振動判定部４１は、変位Ａｎを算出部４３に出力する。算出部４３は、入力した変位Ａｎに基づいて流量制御弁１９の制御量を算出し、駆動装置１８に駆動信号を出力する（ステップＳ５）。そして、制御装置１７はステップＳ１に手順を戻す。なお、ステップＳ５で算出される制御量は、ＮＯｘ値Ｔｎが制限値Ｔｎｓ以下に維持され、かつ流量制御弁１９を閉駆動又は開駆動して第１連通孔２０の開口面積を減少又は増加させ、拡散燃焼バーナ１３ａ及び予混合燃焼バーナ１３ｂに流入する燃焼空気量を制御することにより、燃焼器６の変位Ａｎを減少させる大きさである。

続いて、制御装置１７のＴＨＣ判定部４０は、ＴＨＣ値Ｔｃと制限値Ｔｃｓを比較し、ＴＨＣを低減させる必要があるか否かを判断する（ステップＳ６）。具体的に、ＴＨＣ判定部４０は、ＴＨＣ値Ｔｃが制限値Ｔｃｓ以下（Ｔｃ≦Ｔｃｓ）の場合（Ｙｅｓ）、ＴＨＣを低減させる必要はないと判定し、燃焼空気の流量制御の手順を終了する。反対に、ＴＨＣ判定部４０は、ＴＨＣ値Ｔｃが制限値Ｔｃｓより大きい（Ｔｃ＞Ｔｃｓ）場合（Ｎｏ）、ＴＨＣを低減させる必要があると判定する。

ステップＳ６においてＴＨＣを低減させる必要があると判定した場合、ＴＨＣ判定部４０は、ＴＨＣ値Ｔｃを算出部４３に出力する。算出部４３は、入力したＴＨＣ値Ｔｃに基づいて流量制御弁１９の制御量を算出し、駆動装置１８に駆動信号を出力する（ステップＳ７）。そして、制御装置１７はステップＳ１に手順を戻す。なお、ステップＳ７で算出される制御量は、ＮＯｘ値Ｔｎが制限値Ｔｎｓ以下、変位Ａｎが制限値Ａｓ以下に維持され、かつ流量制御弁１９を閉駆動又は開駆動して第１連通孔２０の開口面積を減少又は増加させ、拡散燃焼バーナ１３ａ及び予混合燃焼バーナ１３ｂに流入する燃焼空気量を制御することにより、ＴＨＣ値Ｔｃを減少させる大きさである。

制御装置１７は、ガスタービンプラント１００が１００％定格負荷運転に到達するまで上述した手順（ステップＳ１〜ステップＳ７）を繰り返す。

一方、本実施形態に係るガスタービンプラント１００では、予混合燃焼バーナ１３ｂのメタル温度を検出し、検出したメタル温度に基づいて流量制御弁１９を駆動する。

図５は、燃焼空気の流量制御の手順を示すフローチャートである。

ガスタービンプラント１００の起動と同時に、制御装置１７の温度判定部４２は、温度計３７からの信号３８を入力する（ステップＳ１１）。

温度判定部４２は、メタル温度Ｔ_Ｍと制限値Ｔ_０を比較し、予混合燃焼バーナ１３ｂのメタル温度を低減する必要があるか否かを判定する（ステップＳ１２）。具体的に、メタル温度Ｔ_Ｍが制限値Ｔ_０以下（Ｔ_Ｍ≦Ｔ_０）の場合（Ｙｅｓ）、温度判定部４２はメタル温度を低減する必要はない（つまり、逆火現象は発生していない）と判定する。そして、制御装置１７は燃焼空気の流量制御の手順を終了する。反対に、メタル温度ＴＴ_ＭＭが制限値Ｔ_０より大きい（Ｔ_Ｍ＞Ｔ_０）場合（Ｎｏ）、温度判定部４２はメタル温度を低減する必要がある（つまり、逆火現象が発生している）と判定する。

ステップＳ１２においてメタル温度を低減する必要があると判断した場合、温度判定部４２は、メタル温度Ｔ_Ｍを算出部４３に出力する。算出部４３は、入力したメタル温度Ｔ_Ｍに基づき流量制御弁１９の制御量を算出し、駆動装置１８に駆動信号を出力する（ステップＳ１３）。そして、制御装置１７はステップＳ１２に手順を戻す。なお、ステップＳ１３で算出される制御量は、流量制御弁１９を閉駆動して第１連通孔２０の開口面積を減少させ、拡散燃焼バーナ１３ａに流入する燃焼空気量を減少させて、減少した分の燃焼空気を第２連通孔２１に供給することにより予混合燃焼バーナ１３ｂにおける燃空比を一時的に低下させて予混合燃焼バーナ１３ｂ内にある火炎を予混合燃焼バーナ１３ｂ外の正常な保炎位置に戻し、メタル温度Ｔ_Ｍを低減させる大きさである。制御装置１７は、ガスタービンプラント１００が１００％定格負荷運転に到達するまでは、上述した手順（ステップＳ１１〜ステップＳ１３）を繰り返す。

なお、上述した燃焼空気の流量制御は、ガスタービンプラント１００の特定の運転条件範囲に限られず、ガスタービンプラント１００の起動から部分負荷、そして、１００％定格負荷運転までの全運転過程で実行されても良い。また、上述した燃焼空気の流量制御は、図４に示した条件（ステップＳ２，４，６）及び図５に示した条件（ステップＳ１２）を満足するように、同時に並行して実行される。

（比較例）
図６は比較例のガスタービンプラントの一構成例を表す図、図７は比較例のバーナ部の斜視図である。図６，７において、図１，２と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

図６に示すように、比較例のガスタービンプラント１０１は、可変機構３０（図１を参照）を備えていない。すなわち、比較例のガスタービンプラント１０１は、図７に示すように、バーナ部１２の外壁面１２Ａを覆う流量制御弁１９を備えていない。そのため、環状流路１１を流れる燃焼空気２は、第１連通孔２０及び第２連通孔２１の開口面積等の条件に応じて、第１連通孔２０及び第２連通孔２１に自然に分配されて流入する。

（効果）
（１）低ＮＯｘ化
一般的に、燃料と空気が混合しながら燃焼する拡散燃焼は、火炎の安定性が非常に良好な反面、局所火炎温度が高いためＮＯｘが発生しやすい。一方、燃料と空気を予め混合した混合気を燃焼する予混合燃焼は、燃空比を調整して適度に保つことにより、拡散燃焼に比べて火炎温度を低くして低ＮＯｘ化を図ることができる。このように、低ＮＯｘ化を図るためには、燃空比を調整して適度に保つ必要がある。

本実施形態では、可変機構３０により第１連通孔２０の開口面積を変化させて、拡散燃焼バーナ１３ａに流入する燃焼空気量を制御している。そのため、ガスタービンプラント１００の燃焼状態（負荷状態）に関わらず、燃空比が局所的に高くなって局所火炎温度が上昇した場合には速やかに燃空比を調整して適度に保つことができ、安定燃焼を実現するとともにＮＯｘの排出量を低減させることができる。特に、本実施形態では、分析装置３１によりＮＯｘ値Ｔｎを算出し、ＮＯｘ値Ｔｎが制限値Ｔｎｓを超えると第１連通孔２０に流入する燃焼空気量を制御しているため、より効率的かつ確実にＮＯｘの排出量を低減させることができる。これに対し、比較例では、拡散燃焼バーナ１３ａに流入する燃焼空気量を制御することができない。そのため、燃空比が局所的に高くなり局所火炎温度が上昇した場合でも速やかに燃空比を調整して適度に保つことができず、ＮＯｘの排出量を低減させることが困難である。

また、本実施形態では、流量制御弁１９により第１連通孔２０を完全に覆う（つまり、第１連通孔を完全に閉塞する）ことができる。そのため、例えば、拡散燃焼バーナ１３ａを完全に停止させて予混合燃焼バーナ１３ｂのみを用いてガスタービンプラント１００を運用する場合には、第１連通孔２０を完全に覆うことにより、燃焼空気２の全量を第２連通孔２１に供給することができ、完全予混合燃焼による低ＮＯｘ化を図ることができる。これに対し、比較例では、第１連通孔２０を覆うことができないため、完全予混合燃焼による低ＮＯｘ化を図ることが困難である。

（２）燃焼振動の抑制
燃焼振動のメカニズムは未だ十分な解明が進んでおらず、気中共鳴を含む燃焼現象と流体振動とが複雑に影響し合っていることから、燃焼振動の抑制は経験値に基づく部分が多い。燃焼振動を抑制する方法として、バーナ部に供給する燃焼空気に意図的に流量偏差を付与する方法がある。バーナ部に供給する燃焼空気に流量偏差を付与すると、付与された流量偏差に応じてバーナ部における燃空比に偏差（つまり、燃空比の大きい領域と小さい領域）が生じ、火炎の安定性が向上して燃焼振動が抑制される。

本実施形態では、振動計３４により内筒８の変位Ａｎを検出し、変位Ａｎが制限値Ａｓを超えると、ＮＯｘ値Ｔｎが制限値Ｔｎｓを超えない範囲で、第１連通孔２０の開口面積を変化させて第１連通孔２０に流入する燃焼空気量を制御している。上述したように、本実施形態では、第１連通孔２０に流入する燃焼空気量を制御することにより、第２連通孔２１に流入する燃焼空気量も制御することができる。そのため、低ＮＯｘ化を図りつつ、バーナ部１２に供給する燃焼空気に流量偏差を付与してバーナ部１２における燃空比に偏差を付与し、燃焼振動を抑制することができる。

（３）失火の回避
バーナ部に炭化水素系燃料を供給する場合、燃空比の調整が不適切だと火炎が失火する可能性がある。特に、火炎が失火する直前では、燃焼ガス中に多量の未燃炭化水素分（ＨＣ）が含まれ得るため、燃焼ガス中の未燃分のトータル炭化水素分（ＴＨＣ）を計測することにより、失火の兆候を把握することができる。

本実施形態では、分析装置３１によりＴＨＣ値Ｔｃを算出し、ＴＨＣ値Ｔｃが制限値Ｔｃｓを超えると、ＮＯｘ値Ｔｎが制限値Ｔｎｓを、変位Ａｎが制限値Ａｓを超えない範囲で、第１連通孔２０の開口面積を変化させて第１連通孔２０に流入する燃焼空気量を制御している。そのため、低ＮＯｘ化及び燃焼振動の抑制を図りつつ、失火の兆候を把握したときに拡散燃焼バーナ１３ａに流入する燃焼空気量を制御して燃空比を調整し、失火を回避することができる。

（４）逆火の回避
予混合火炎の特性として、予混合燃焼バーナ１３ｂによる予混合燃焼では燃空比が不安定になると、予混合燃焼バーナ１３ｂの内部に火炎が入り込む現象（逆火現象）が生じる場合がある。逆火現象が生じると、予混合燃焼バーナ１３ｂが焼損し得る。

本実施形態では、温度計３７により予混合燃焼バーナ１３ｂのメタル温度Ｔ_Ｍを検出し、メタル温度Ｔ_Ｍが制限値Ｔ_０を超えると、第１連通孔２０の開口面積を変化させて第１連通孔２０に流入する燃焼空気量を制御している。上述したように、本実施形態では、第１連通孔２０に流入する燃焼空気量を制御することにより、第２連通孔２１に流入する燃焼空気量も制御することができるため、第１連通孔２０に流入する燃焼空気量を増加させつつ第２連通孔２１に流入する燃焼空気量を減少させることにより、逆火現象による燃焼器６の焼損を回避し、燃焼器６の信頼性を高めることができる。

（５）製造コストの抑制
本実施形態では、流量制御弁１９の本体部１９Ａを環状に形成して摺動させることにより、第１連通孔２０の開口面積を変化させ、第１連通孔２０及び第２連通孔２１に流入する燃焼空気量を制御している。そのため、各第１連通孔２０に対応して可変機構を設けたり、第２連通孔２１に対応した可変機構を別途設ける必要がなく、製造コストの増加を抑制できる。

＜第２実施形態＞
（構成）
図８は本実施形態に係るバーナ部の斜視図である。図８において、上記第１実施形態と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

本実施形態では、流量制御弁１９が孔部４４を備える点で第１実施形態と異なる。その他の構成は、第１実施形態と同様である。

図８に示すように、孔部４４は、流量制御弁１９の本体部１９Ａに、バーナ部１２の周方向に沿って複数形成されている。孔部４４は、バーナ部１２の周方向において、第１連通孔２０の開口部と対応する位置に設けられている。つまり、孔部４４は、流量制御弁１９が第１連通孔２０が形成された位置まで摺動された際に、バーナ部１２の径方向外側から見て、第１連通孔２０と重なるように設けられている。本実施形態では、孔部４４は、第１連通孔２０と同じ大きさの円形状に形成されている。

（効果）
本実施形態では、第１実施形態と同様の効果に加えて以下の効果が得られる。

本実施形態では、流量制御弁１９の第１連通孔２０の開口部と対応する位置に孔部４４を設けている。そのため、流量制御弁１９の摺動量に対する第１連通孔２０の開口面積の変化の度合いが第１実施形態よりも大きくなる。つまり、第１連通孔２０の開口面積を所望の分だけ変化させるのに必要な流量制御弁１９の摺動量を第１実施形態よりも抑制することができる。従って、僅かな制御量で第１連通孔２０に流入する燃焼空気量を制御することができる。

＜第３実施形態＞
（構成）
図９は本実施形態に係るバーナ部の斜視図である。図９において、上記第１実施形態と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

本実施形態では、流量制御弁１９が孔部（第１孔部）４５Ａ及び孔部（第２孔部）４５Ｂを備える点で第１実施形態と異なる。その他の構成は、第１実施形態と同様である。

図９に示すように、第１，２孔部４５Ａ，４５Ｂは、流量制御弁１９の本体部１９Ａに形成されている。第１，２孔部４５Ａ，４５Ｂは、バーナ部１２の周方向に沿って交互に複数設けられている。本実施形態では、第１孔部４５Ａの開口部は第１連通孔２０と同じ大きさの円形状に形成され、第２孔部４５Ｂの開口部はバーナ部１２の軸方向、つまり燃焼ガス４の流れ方向の寸法が第１孔部４５Ａよりも長く形成された長穴形状（角丸長方形）に形成されている。本実施形態では、第２孔部４５Ｂの開口部は、バーナ部１２の軸方向の両端部を結ぶ直線が燃焼器６の軸方向と平行になるように形成されている。

図１０Ａ〜Ｄは、図９の点線で囲んだ領域Ａの拡大図である。以下、第１連通孔２０の開口面積と燃焼空気量の関係について説明する。

・全開状態
図１０Ａは、全開状態を示している。本実施形態では、全開状態は、流量制御弁１９が第１連通孔２０と重ならず、第１連通孔２０の開口面積が最大となる状態を言う。全開状態では、第２連通孔２１に流入する燃焼空気量とのバランスに応じて、第１連通孔２０に最大流量の燃焼空気２が流入する。

・均等減少状態
図１０Ｂは、均等減少状態を示している。本実施形態では、均等減少状態は、流量制御弁１９が第１連通孔２０と一部重なり、バーナ部１２の周方向に並べられた複数の第１連通孔２０の開口面積がどの位置においても均等となる状態を言う。均等減少状態では、第１連通孔２０に流入する燃焼空気２の流量は、流量制御弁１９と第１連通孔２０が重なっていない部分と、孔部４５Ａ，４５Ｂと第１連通孔２０が重なる部分とからなる第１連通孔２０の開口面積に応じて決定され、バーナ部１２の周方向に並べられた複数の第１連通孔２０の全てにおいて、第１連通孔２０に流入する燃焼空気が均等になる（つまり、第１連通孔２０に流入する燃焼空気量が全開状態に対して均等に減少する）。

・流入偏差状態
図１０Ｃは、流入偏差状態を示している。本実施形態では、流量偏差状態は、流量制御弁１９が第１連通孔２０と重なり、第１孔部４５Ａと第１連通孔２０が重なって形成される開口面積が小さい領域（第１領域）と、第２孔部４５Ｂと第１連通孔２０が重なって形成される開口面積が大きい領域（第２領域）とがバーナ部１２の周方向に交互に形成される状態を言う。流量偏差状態では、第１領域においては第１孔部４５Ａと第１連通孔２０が重なって形成される開口面積に応じて燃焼空気が流入し、第２領域においては第１連通孔２０の開口面積に応じて燃焼空気が流入する。そのため、流量偏差状態では、第１連通孔２０に流入する燃焼空気に流量偏差が生じ、バーナ部１２における燃空比に偏差が生じる。

・全閉状態
図１０Ｄは、全閉状態を示している。本実施形態では、全閉状態とは、流量制御弁１９が第１連通孔２０を完全に覆い、第１連通孔２０への燃焼空気の流入が遮断される状態を言う。全閉状態では、燃焼空気２の全量が第２連通孔２１に供給される。

（効果）
本実施形態では、第１実施形態と同様の効果に加えて以下の効果が得られる。

本実施形態では、流量制御弁１９に第１孔部４５Ａと燃焼ガス４の流れ方向の寸法が第１孔部４５Ａよりも長い第２孔部４５Ｂとを交互に形成している。そのため、第１孔部４５Ａに対応する第１連通孔２０と第２孔部４５Ｂ対応する第１連通孔２０とに流入する燃焼空気に流量偏差を付与することができる。従って、バーナ部１２に供給する燃焼空気により流量偏差を付与することができ、バーナ部１２における燃空比に更に偏差を付与して、燃焼振動を抑制することができる。

＜その他＞
本発明は上記した各実施形態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、上記した実施形態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。例えば、各実施形態の構成の一部を削除することも可能である。

上述した各実施形態では、拡散燃焼バーナ用燃料供給孔２４が液体燃料、拡散燃焼バーナ用燃料供給孔２９及び予混合燃焼バーナ用燃料供給孔２２が気体燃料を供給する構成を例示した。しかしながら、本発明の本質的効果は、安定燃焼を実現するとともにＮＯｘの排出量を低減することが可能なガスタービン燃焼器を提供することであり、この本質的効果を得る限りにおいては必ずしも上述の構成に限定されない。例えば、拡散燃焼バーナ用燃料供給孔２４が気体燃料、拡散燃焼バーナ用燃料供給孔２９及び予混合燃焼バーナ用燃料供給孔２２が液体燃料を供給しても良い。つまり、上述の本質的効果を得る限りにおいては、拡散燃焼バーナ用燃料供給孔２４，２９及び予混合燃焼バーナ用燃料供給孔２２が供給する燃料の形態は限定されない。

第２，３実施形態において、孔部４４，４５Ａを第１連通孔２０の開口部と同じ大きさの円形状に形成する構成を例示した。しかしながら、上述した本質的効果を得る限りにおいては必ずしも上述の構成に限定されない。例えば、孔部４４，４５Ａを第１連通孔２０の開口部より大きく形成したり、小さく形成しても良い。また、孔部４４，４５Ａを円形状に形成する構成を例示したが、例えば、三角形状、四角形状等に形成しても良い。

１ 圧縮機
３ タービン
４ 燃焼ガス
５ 燃焼室
６ ガスタービン燃焼器
８ 燃焼器ライナ（内筒）
１０ 外筒
１１ 第１環状流路（環状流路）
１２ バーナ部
１３ａ 拡散燃焼バーナ
１３ｂ 予混合燃焼バーナ
１７ 制御装置
１８ 駆動装置
１９ 流量制御弁（弁部）
２０ 第１連通孔（連通孔）
２６ 空気流路
３０ 可変機構
３１ 分析装置
３４ 振動計
３７ 温度計
４４ 孔部
４５Ａ 孔部（第１孔部）
４５Ｂ 孔部（第２孔部）

Claims (8)

1. 内部に燃焼室を形成する内筒と、
   前記内筒の外周側を覆う外筒と、
   前記内筒と前記外筒の間に形成された環状流路と、
   前記燃焼室の上流側に設けられた拡散燃焼バーナと、前記拡散燃焼バーナの周囲に設けられた複数の予混合燃焼バーナとを備えるバーナ部と、
   前記バーナ部の外壁面に開口し、前記環状流路と前記拡散燃焼バーナの空気流路を連通する連通孔と、
   前記連通孔の開口面積を変化させる可変機構とを備える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、
   前記可変機構は、
   前記バーナ部の外壁面を覆う弁部と、
   前記弁部に接続し、前記弁部を前記バーナ部の軸方向に摺動させる駆動装置とを備える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、
   前記燃焼室の出口に設けられ、前記燃焼室で生成された燃焼ガスの組成を分析する分析装置と、
   前記分析装置の算出値が制限値を超えると前記駆動装置に駆動信号を出力する制御装置とを備え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、
   前記内筒に設けられた振動計と、
   前記振動計の検出値が制限値を超えると前記駆動装置に駆動信号を出力する制御装置とを備えることを特徴とするガスタービン燃焼器。
5. 請求項２に記載のガスタービン燃焼器において、
   前記予混合燃焼バーナに設けられた温度計と、
   前記温度計の検出値が制限値を超えると前記駆動装置に駆動信号を出力する制御装置とを備えることを特徴とするガスタービン燃焼器。
6. 請求項２に記載のガスタービン燃焼器において、
   前記弁部は、前記バーナ部の周方向において、前記連通孔の開口部と対応する位置に設けられた孔部を備える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、
   前記孔部は、第１孔部と、燃焼ガスの流れ方向の寸法が前記第１孔部よりも長く形成された第２孔部とを備えることを特徴とするガスタービン燃焼器。
8. 空気を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機からの圧縮空気を燃料とともに燃焼する請求項１に記載のガスタービン燃焼器と、
   前記ガスタービン燃焼器から供給される燃焼ガスで駆動するタービンとを備えたことを特徴とするガスタービンプラント。

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